軟件視角中(zhōng)的未來工業(三)
2016-10-24
作(zuò)者(zhě):安筱鵬
2016年9月2日,在中國(guó)電(diàn)子信息產業發展研(yán)究院和e-works主辦的(de)首屆“工業軟件與製造業融合發展高峰論壇”上(shàng),安筱鵬發表了《軟件視角中的未來工業》主題演講,從軟件支撐和定義的產品、管理、生產方(fāng)式、新型能力和產業(yè)生態五個視(shì)角,探討軟件及未來工業發展趨勢。本文根據演講內容(róng)整理,將分四期刊(kān)出,本期是第三期。
站在軟件的視角(jiǎo)來審視,從未(wèi)來10年的時間尺度(dù)去觀察(chá),信息通信技術(shù)與製造業融合帶來的將是一場製造範式的遷移和一種製(zhì)造模式(shì)的變革,也將是製造體係的重建。其核心在於,軟件作為一種工具、要素(sù)和載體,為製造業(yè)建立了一套賽博空間(Cyber)與物理空間(Physical)的閉環賦能體係,實現了物質生產(chǎn)運行規律的模型化、代碼化、軟件化,使製造過程在虛擬世界實現快速迭代和持續優化,並不斷優化物質世界的運行。
(一)製造範式的遷移:從(cóng)實體製造到(dào)虛擬製造,以快速迭代(dài)、持續優化、數據驅動重建製(zhì)造(zào)效率、成本(běn)、質(zhì)量管控新體(tǐ)係
新概念泛濫反映了(le)製造範式的遷(qiān)移。新技術(shù)帶(dài)給人們的(de)最大困惑之一是各種層出不窮的新概念。從網絡製造、協同製造、柔性製造(zào)、虛擬製造、雲製造到服務型製造,從MRP、ERP、MES、MOM、PLM到SysLM,從(cóng)工業4.0、工業互聯網到第三次工業革命,從(cóng)規模經濟、大規模生產、C2B到(dào)產費者(prosumer)。這些令人眼花繚亂的新(xīn)概念的湧現往往意味著傳統概念體(tǐ)係已經難以(yǐ)描述新事物發展特征和規律(lǜ),意味著新事物對傳統既有概(gài)念體係的挑戰(zhàn),意(yì)味著傳統範式的遷移和新範式的(de)出現。
1 虛擬製造:軟(ruǎn)件定(dìng)義的新空間
ICT對(duì)人類社會帶來的重大變革是創造一個新世界:賽博空間(Cyberspace)。製造業數字(zì)化(huà)、網絡化、智(zhì)能化的過程,是在賽博空(kōng)間(Cyberspace)重建製造流程,並基於此不斷提升製造效率的過程。2010年美國國防預研局(DARPA)發起的自(zì)適(shì)應運載器製造(AVM)計劃,提出“重新(xīn)發明(Reinvent)製造”,目標是通過徹底(dǐ)變革和重塑裝備(bèi)製造業,將武器裝備研製周期縮短到現在的五分之一。AVM的核心思想,就是顛覆“設計——製造——測試——再設計”的流程,通過實現產品設計、仿真、試驗、工藝、製造等活動全部在數字空間(jiān)完成,重(chóng)建製(zhì)造新體係。虛擬製造將重新定義製造方(fāng)式。
軟件支撐和定義的虛擬設計。
回顧(gù)過去40多(duō)年工業(yè)軟件的發(fā)展(zhǎn)曆程可以看出,研發設計、虛擬仿真、試驗驗證、產品全生命周期管理等軟(ruǎn)件的發展,就是把支撐需求分析、概念設計、詳細(xì)設計、工藝規劃、虛擬仿(fǎng)真、驗證測試和的信息係(xì)統(tǒng)融入賽博空間並實現集成融合,最終實(shí)現基於賽博空間的(de)協同研發,今天來看這一進程才(cái)剛剛開始。
CAD、CAE、PLM等軟(ruǎn)件(jiàn)技(jì)術的發展實現了基(jī)於模型的產品定義(MBD),這(zhè)一模型正成為產品製(zhì)造(zào)過(guò)程中賽(sài)博空間信息流轉的載體,數字(zì)樣機從傳統的幾何樣機向性能樣機、製造樣機和維護(hù)樣機(jī)拓展,並將進一步進化為(wéi)與實體產品對應的產品數字孿生體(Digital Twin)。波音787、空客380的(de)設計製造過程生動地闡(chǎn)釋了這一生產方式。
軟(ruǎn)件支撐和定義的(de)虛(xū)擬製造。
在產品數字孿生體(tǐ)的基礎(chǔ)上,企業(yè)的工藝路線、生產布局(jú)、生產設備、製(zhì)造流程和運(yùn)營服務等都可(kě)以一一映(yìng)射到虛擬生產環境中,基於三維設計和仿真工具,在賽博空間構建起虛(xū)擬產線(xiàn)、虛擬車間和虛(xū)擬工廠。
伴隨工廠生產設備數字孿生體、生產工藝數字孿生(shēng)體的推廣普及,無論在離散行(háng)業或流程行業(yè),都將實現實物(wù)生產過程與虛擬生產過程實時映射。例如(rú),製造執行係統(MES)與三維數字模型相結合的典型實踐為現實生產(chǎn)過程虛擬化提供了最(zuì)初的探索(suǒ),將(jiāng)為企業(yè)生產進入(rù)虛擬世界、開啟虛擬製造模式(shì)提供可行選擇。
2 軟件與製造範式的遷(qiān)移(yí)
工業革命(mìng)300年來,技術變(biàn)革是永恒的主題,而不變的主題是對製造效率、成本、質量永恒的追求。如果說製(zhì)造範式是一定時(shí)期,在特(tè)定技術條件下對製造業價值觀、方法論、發展模式和運行規律(lǜ)的認識(shí)框架,那麽這一認識框架變革的原因之一是,軟件通過創造一個與實(shí)物製造相對應的虛擬製造空間,實(shí)現了研發設計、仿真、試驗、製造、服務在虛擬空間的仿真測試和生產,形成人類認識和(hé)改造世界新方法。這一新方法推動了製造範式的遷(qiān)移,通過構建製造業快速迭代、持續優化、數據(jù)驅動的新方式,重建製造效率、成本和質量管控新體(tǐ)係。
快速迭代。
人(rén)類認(rèn)識世界的傳統方法是觀察、實驗、歸納、理論化,傳統工業時代愛(ài)迪生“試錯法”是對這一方法論最好的闡釋。麵對快速變化的(de)市場和競爭環境,傳統的“試錯法”已難以滿足競爭的需要,基於數字仿真(zhēn)的“模擬擇優法”,依托基於模型的產品定義(MBD)、全數字化樣機、數字孿生(shēng)體等一係列新技術、新理念,通過推(tuī)動產品研發、驗證、製造、服務業務在賽博(bó)空間的快速迭代,實現研發生產效率的大(dà)幅提升。
“飛豹”通過采用(yòng)全數字化樣機(jī)設計技術,利用多次模擬仿真代替了大(dà)量反複實驗,大大減少了耗資巨大的模型風洞實驗(yàn),設計周期縮短了一半,工程量減少80%左右。現在,數字化樣機設計技術正(zhèng)從單(dān)件小批量的軍工產品領域向多品種大(dà)批量的家電等產品領域延伸,快速靈活的設計方式幫助設計人員減少了設計失(shī)誤(wù)和大量的實物(wù)試驗驗證。
持續優化。
智能製造的本質是通(tōng)過對(duì)製造要素和過程的實時感(gǎn)知、科學(xué)決策和精(jīng)準執行,不斷優化製造資源配(pèi)置效率。這種優化從單(dān)機設備、單一環(huán)節、單一場景、單一要素的局(jú)部小係統優化不斷向大係統、巨係統(tǒng)優化演進,從部(bù)門內優化到企業級優化,再到產(chǎn)業(yè)鏈優化,乃(nǎi)至產業生態係統優化演進(jìn)。
智能製造發展的過程,將是研發設(shè)計、製造裝備、工藝流程、產品服務等製造資源和生產過程不斷數(shù)字化並在賽博空間建(jiàn)立虛擬鏡(jìng)像的過程,是在賽博(bó)空間重建(jiàn)製造全要素、全流程的過程,是實體製造(zào)與虛擬製造(zào)實時交互的過程。賽博空間(jiān)製造過程優化的實時高效、零邊際成本、靈活構架等特點和優勢(shì),從根本上變革了資源(yuán)配置方式和配置效率。軟件是物理(lǐ)世界虛擬(nǐ)化(huà)的重要手段(duàn),是構建賽博空間的重要載體,是虛實(shí)空間資源調配的關鍵工具(jù),對於生產(chǎn)方式持續優化起到至(zhì)關(guān)重要的作用。
數據驅動。
企業競(jìng)爭的本質是在不確定環境下為謀求(qiú)自身生存與發展而展開的對資源爭奪的較量,競爭的內在動力決定了企業需要適應動態變化的市場環境。數據驅動的本質是企(qǐ)業通過支撐設(shè)計、生產、采購、銷(xiāo)售、經(jīng)營及財務等部門的業務係統,對(duì)生產全過程、產(chǎn)品全生命周期、供應鏈各環節的數據(jù)進行采集、存儲、分析和挖掘(jué),確保企(qǐ)業所(suǒ)有部門以相同的數據協同工作,從而通過數據價值再造(zào)實現生產(chǎn)、業務、管理和決策等過程的優(yōu)化,提升企業(yè)的生產運營效率。
麵(miàn)對(duì)工業領域總量大、種類多、情(qíng)況複雜的大數據,軟件作為虛擬空間中承(chéng)載、管理、挖掘數據(jù)的核心載體,將從原來的以流程為中心向以(yǐ)數據為中心轉變,形成數據驅動型企業。
3 虛擬製造的三個階段
虛擬製造的應用,將會經曆從碎片化到一體化、從局部到全局(jú)、從靜態到動態的(de)過程,逐(zhú)漸涵蓋研發設計(jì)、製造過程、服務運營的全(quán)流程。虛擬製造大(dà)致分為三個階段:
局部虛擬(nǐ)製(zhì)造階段(duàn)。
虛(xū)擬設計、虛擬產品、虛擬工廠、虛擬工藝等伴隨著設計、生產、管理軟件及工具的出(chū)現而興起,當前(qián)仍處於碎(suì)片化、局部虛擬製造階段。軟件和信息係統散落在工業生產的各個環節,在虛擬空間尚沒(méi)有形成一個係統的整體,單機設備、單項環節、單一場景的虛擬化應用帶來的是局部環節效率的提升(shēng),不同環節之間的整合尚需要人為活動的介入和物理過程的實現。
波音公司自1986年開始采用三維數字化技(jì)術以來,分別在737三維(wéi)生產過程、747三維概(gài)念設計(jì)、757數字化預裝配、767三(sān)維數(shù)字樣機及製造、777全(quán)三維數字化樣機等新產品研發(fā)設計中逐步提高虛擬(nǐ)設計和虛擬製造應用的廣度(dù)和深度。作為世界領軍製造商(shāng)的波音(yīn)在過去的30多年逐步實現了設計、製造等環節的虛擬製造。
靜態虛擬製(zhì)造階段。
隨著虛擬化進程的不斷深入,製(zhì)造業產(chǎn)品、裝備、工藝及製造過程各環節(jiē)在賽博空間構建起數字孿生體、實現虛擬映射,在虛擬(nǐ)環境下構建起(qǐ)與現(xiàn)實世界製造全流程對應的生(shēng)產(chǎn)體係,實現生產(chǎn)過程數(shù)據互(hù)聯互通、流程銜接有序和資源高(gāo)效配置,虛擬世(shì)界可以實現對物理(lǐ)世界運行規律的模擬、仿真並持續優化。但這種優化發生在(zài)建立物理製造過程運行一個周期之後。
通常情況下,離散工業以周、天為周期,流程工業以批次為周期。企業(yè)將運轉的過程和(hé)結果(guǒ)輸入到虛擬空間(jiān)進行模擬優化,可以對下一周期的工業生產進行有(yǒu)效指導。西門子等公司的工廠經過多年(nián)技術改造,部分工廠實現了產品研發、生產到物流配(pèi)送全過(guò)程的數字(zì)化映射,能夠通過對虛擬空間的曆(lì)史數據分析,不斷優化下一個生(shēng)產周期資源配置。
動(dòng)態虛擬製造階段。
在靜(jìng)態虛擬製造的基礎上,人員、機器、物料、工藝、環境、產品等各種(zhǒng)要素在虛實空間進一步實現完整、實時、動態對應,現實生產(chǎn)運行狀況都能夠實(shí)時反映到虛擬空間,虛擬(nǐ)空間優化後的決策能夠實時地反映到現實生產活動中。虛擬與現實已不是存(cún)在(zài)簡單映射關係的“孿生體”,而是相互(hù)聯接、相(xiàng)互傳控、相互作用的統一體。
物理世界任何變化都會體(tǐ)現在虛擬世(shì)界,虛擬世界任(rèn)何調整都會反饋(kuì)到物理(lǐ)世界,因此(cǐ),將(jiāng)會(huì)形成(chéng)虛實結合、動態交互(hù)、高度智(zhì)能的生產製造方式。這將是虛擬製造的最高級階段,也將是一(yī)個(gè)需要長期努力才能實現的生產場景,其實現(xiàn)過程將會是(shì)長期、複雜並富有挑戰的。
(二)製造模式的變革:從規模生產到定製生產,以數據的自(zì)動流(liú)動解(jiě)決複雜製造係統的不確定性、多樣性和複雜性
在當前全球產(chǎn)能過剩的大環境下(xià),企業麵對的產品和(hé)服務需求越來越差異化、多元化、快變化,這大幅增加了研發設計、生產製造(zào)、產品服務等過程的(de)不確(què)定性、多樣性和複(fù)雜性,規(guī)模化(huà)、標準化、預製化的傳統生產方式(shì)已無法滿(mǎn)足日益增長的定製化需求。智能製造關鍵在於承載著信(xìn)息和知識的數據能夠沿著產品價值方(fāng)向自由流動,從而解決製造係統的不(bú)確定性、多樣性和複雜性等問題。數據自動流(liú)動(dòng)的背(bèi)後需要製造全過程的隱性數據顯性化、隱性知識顯示(shì)化。
1 隱(yǐn)性數(shù)據的顯性化——數(shù)據的完(wán)整性、及時(shí)性和準確性
智能製造與傳統製造的本(běn)質區別在於,在生產製造過程中人員、機器、產品之間信息交流的(de)載體、方式、效(xiào)率不同。智能製造的基礎是數(shù)字化,傳感器、智(zhì)能裝(zhuāng)備和終(zhōng)端、工業網絡、工業軟件的大量使用促(cù)進了(le)生產製造全過程的數字化,數據采集、傳輸(shū)、存儲、分析和(hé)挖掘的手段相比傳統製造更加豐富,大量蘊含在生產製造過程中的隱性數據不斷被采集(jí)、匯聚(jù)、加工,形成新的(de)知識、決策(cè),不斷優化製造資源(yuán)的配置效率,數(shù)據的自動有序流動實(shí)現了物(wù)資(zī)流、資金流(liú)的高效利用(yòng)。
當感知無所(suǒ)不在,連接無(wú)所不在,數據一定無所不在。在信息化的背景下,數據正成為一種新的資產,新的資源和新的生產管理要素,數據的及時性、完整性和準確性,數據開發利用的深度(dù)和(hé)廣度,數據流、物流和(hé)資金流的協同水平和集成(chéng)能(néng)力,數據流動的自動化水平,決定了企(qǐ)業未來核心競爭力的來源。
紅領集團能夠做到(dào)個性化定製服裝的根本在於紅領內部建立了一(yī)個(gè)數據自動流動的生產體係,實現了數據的自動采(cǎi)集、自動傳輸、自動(dòng)處理、自動執行,把正確的數據在正確(què)的時間發送(sòng)給正確(què)的人和機器,解決了生(shēng)產定製化過程中的不確定性、多樣性和(hé)複雜性。
2 隱(yǐn)性知識的顯性(xìng)化——工業知識的(de)軟件化
工業發展的過程是知識轉化和積累的(de)過程,越來越多的(de)知識融入到各種載體,與專利、工藝、創新(xīn)能力以及(jí)企業的(de)know-how等一起成為工業知識的具體表現形式。智能製造推(tuī)進過程中,流程和係統軟件是工業知識顯(xiǎn)性化的重要載體(tǐ),工業知識軟件化的過程也是隱(yǐn)性知識顯性化的過程。工業知識的(de)軟件化,是對工業研發技術、生(shēng)產工(gōng)藝、業(yè)務流程、員工技能、管理理念等(děng)知識(shí)的邏輯化、數字化和模型化,使得大量隱性(xìng)工業知識被固(gù)化在各類軟件和信息係統中。
工業知識的軟件化,一方麵,通過軟件完成大量原本需要人參與的重複性(xìng)工作,將人解放出來(lái)去做(zuò)更高級、更具創造性(xìng)的工作;另一方麵,通過對記錄在軟件和信息係統中的數據進行分析和挖掘,利用機器學習等技術獲得新的知識。高質量(liàng)的工業軟件是一個優秀製造企業核心競爭力的集中體現,波(bō)音、GE等企業擁有大量不為行(háng)業其他企業(yè)所掌握的工業軟件。波音在787研(yán)製過程使用了8000多種(zhǒng)軟件,其中有(yǒu)7000款是非商業化專(zhuān)業軟件,這是波音多年工程技術(shù)經驗和方法的載體。
3 軟件——構築數(shù)據(jù)自動流動的規則體係
美國國家標準與技術研究院(NIST)曾經(jīng)提出(chū),智能製造就是要解決差異性更大的(de)定製化服務(wù)、更小的生產(chǎn)批量和不可預知(zhī)的供應鏈(liàn)變更。智能製造的(de)一個重(chóng)要任務(wù)就是應(yīng)對製造複雜係統的不確定(dìng)性,這種複雜性既來自於產品的複雜性,也來自於定製化生產等新生產方式所帶來的製造成本、質量和效率的挑戰。從這個(gè)意義上講,製造業數字化、網絡化、智能化的過程,就是要促使承載(zǎi)信(xìn)息和知識的數據在產品研發、生產計(jì)劃、生產執行、市場營銷、售後服務等環節有序自由流(liú)動(dòng),實現生產全過程、產品全生命周期、全產業鏈的高效運轉和價值再造。實際上,是數據流動的自動化解決(jué)了製造係統的(de)不確定性、多樣(yàng)性和複雜性等問題。
實現數據的自動流動必須在虛擬空間構建一個數據自(zì)動流動的規則體係,這套體係的核心是軟件。軟件是算法的(de)代碼化,算法是對現實問題解決方案的(de)係統描述,是人類認識(shí)世界運行規(guī)律的思想結晶。仿真模型的核心是一套算法,排產計劃的核心是一套算法,搜(sōu)尋(xún)引擎也是一套算法。賽博(bó)物理係統(CPS)是軟件(算法(fǎ))的集成,是虛擬空間(jiān)與物理空間交互的實(shí)現載體,其本質是要打造“物(wù)理感知-虛擬控(kòng)製-虛擬(nǐ)驅動(dòng)-物理執行”的(de)數據閉(bì)環,構築數據自動流動的規則體係,應對製造(zào)係統的不確(què)定性,實現(xiàn)製造資源的高效配置。更具(jù)體來講,製造過程數據的自動流動(dòng),是指在(zài)給定的時間、目標(biāo)背(bèi)景下,實現企業(yè)製造資源最優化配置的數據“自動”流動。數據在流動中產生知識、知識成為信息、信息成為決策、決策優化資源配(pèi)置(zhì)。
(三)製造係統的重建:從封閉體係走向開(kāi)放體係,以網絡(luò)化協同實現製造資源局(jú)部優化向全局優化的演進
製造(zào)業的數字化、網絡化、智(zhì)能化,帶來了製造過程感知無所不在、連接無所不在、數據無所不在,各種製造資源逐步形成一(yī)個相互作用的複(fù)雜係(xì)統網絡,製造(zào)業正在(zài)構造成一個複雜(zá)係統。製造係統的演進將經(jīng)曆(lì)從單個係(xì)統、局部係統向全局係統拓展,從企業內部(bù)、產業鏈延伸到全社會,不斷突破地域、組(zǔ)織、機製的界限,實現對人才、技(jì)術、資金等資源和要素的高效(xiào)整合,從而帶動產品、模(mó)式和業態創新。製造係統演進的過程,是網絡化協同生產不斷深化(huà)的過程,是從封閉係統不斷走向開放的過程,其將經曆三個階段:
1 從部門級協同到企業(yè)級協(xié)同
傳統組織的(de)邊界是資源管理、優化的邊界,製造資源(yuán)的數字化、網絡化(huà)為打破部門邊界,重建企業內部資源管理邊界和優化管理模式創造了條件。在研發設計領域,研發設計工具(jù)及管理平台的普及,有效整(zhěng)合企業內部(bù)研發(fā)設計資源,也在加速重構(gòu)企業(yè)傳統的(de)研發模式、重建企業創(chuàng)新業務的邊界。
當前(qián),許多企業研發的(de)定位正在從(cóng)基於產品(pǐn)功能和性(xìng)能(néng)的研發,向物料可采購性、客戶需求實時響應性、產品(pǐn)可維護性、產品可盈利性轉變;研發參與主體從單純(chún)的研發部門向製造、采購、營銷等其他部門拓展(zhǎn),突破了(le)原有研發部門的(de)邊界(jiè);研發創新的(de)流程從串行(háng)向並行轉變(biàn),大大縮短了研發周期、提(tí)高了研發(fā)效(xiào)率。華為借助(zhù)協(xié)同研(yán)發(fā)平台構建的集成研發流程(IPD),解決了(le)早期研發產品和規劃的匹配度低(dī)、客戶滿(mǎn)意度低(dī)、產品方(fāng)向決策失誤頻繁、版本(běn)混亂、開發(fā)效率低等諸多問題,實現了由技術驅動向(xiàng)客戶需求(qiú)驅動的轉變。
2 從企業級協同到產業鏈(liàn)級(jí)協同
所有的企業都是產業鏈上的一環,如何構建一個麵向產業鏈目(mù)標一致(zhì)、信(xìn)息共享、資源與業務高效協同的跨(kuà)企業生產體係,是許多企業麵臨的共同挑(tiāo)戰。伴隨(suí)著信息技術應用不斷深化,傳統製(zhì)造(zào)企業與(yǔ)產業鏈上下遊企業的業(yè)務協同不斷地被在線化、網(wǎng)絡化,企業級的業務協(xié)同正(zhèng)在向產業鏈級的業務協同演進,企業內(nèi)部(bù)的協同研發創新平台、供應鏈(liàn)管理平台等不斷向產業鏈上下遊拓展,實現跨企業業務係(xì)統(tǒng)的互聯、互通、互操作,不斷提升麵向最終客戶的產品和服務的質量和效率。
無論是美(měi)國(guó)波(bō)音研製787、洛克希德·馬丁研製聯合攻擊(jī)戰鬥機(JSF),還是中國商飛研製C919,都構建了(le)麵向供(gòng)應商的網絡化協同研發平台,實現了多國、多地、多家研發人員的協(xié)同,其本質(zhì)是企(qǐ)業信息係統(tǒng)集成邊界的拓展,是企業資源優化的(de)邊(biān)界從內部走向全(quán)產業鏈、從封閉走向開放。
3 從(cóng)產業(yè)鏈級協同到(dào)構築產業生態
製造業數字化、網絡化步伐加快,不僅僅推動傳統(tǒng)產(chǎn)業鏈合作(zuò)從(cóng)線下走到線上,而且不斷催生出新的網絡化協同製造的新業態、新模式,從產業鏈級的協同向構築產業生態(tài)演進。航(háng)天雲網平台、GE的Predix平台、西門子的MindSphere雲平台體現了(le)產業生態的發展方向。
這種麵向智能製造的產業生態正在不斷(duàn)催生出(chū)網絡化(huà)協同製造的新模式,它與傳統的協(xié)同製造的不同表現在三個方麵:一是企業間合作模式從傳統的確定性的長期(qī)固定合作向不確定性隨機合(hé)作演進;二是(shì)網絡協同平台的功能(néng)從傳統的業務協作(zuò)平台(tái)向產品、要素、能力的交易平台演進;三是網絡(luò)協同平(píng)台從(cóng)傳統研發、供(gòng)應鏈協同向製造、產(chǎn)品全生命管理等業務協同(tóng)演變(biàn),從線性協作走向網絡協作。這將意味著網絡化協同製造2.0時代的到來(lái)。
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