工程机械是装备工业的重要组成部分。概括地说，凡土石方施工工程、路面建设与养护、流动式起重装卸作业和各种建筑工程所需的综合性机械化施工工程所必需的机械装备，称为工程机械。
我国工程机械行业的总营收在2020年达到了7751亿元，比2019年高了1000亿元。在2021年度前10榜单中，徐工集团工程机械有限公司进入全球三甲，三一重工、中联重科分别位居全球第四、第五位。
工程机械行业作为我国工业发展的重要支柱产业，目前已进入稳定发展阶段。截至目前，我国工程机械行业已经具有22大类产品，成为工程机械产品类别、产品品种最齐全的国家之一。近两年，在新基建热潮下，工程机械加速向智能制造方向发展，如何借助数字化和智能化技术提升设备产品质量和服务水平，实现新价值增长，成为工程机械行业现阶段亟待解决的问题。现阶段，进行数字化转型已经成为工程机械企业发展的必经之路，现在各方都在积极推动转型进程。数字化转型是一项复杂的系统工程，需要有强大的数字化能力来支撑和推动，目前国内领先的工程机械企业已意识到数字化能力建设的重要性，早已进行相关布局和能力的打造，其拥有深厚的知识沉淀和先进的技术，为企业数字化转型提供了必要条件。目前，像徐工集团、三一重工、中联重科等企业正在积极进行数字化转型，为推动工程机械行业向设备维护智能化、综合解决方案“交钥匙化”方向加速转型。
企业要进行数字化转型，首先需要构建数字化产品研制平台，打造数字孪生。数字化产品研制平台主要由数字化产品研发工具、全生命周期管理平台和数字化制造系列套件组成。
西门子公司的NX软件是业内最完整、灵活且高效的机械设计、仿真分析、制造、检测一体化的解决方案。NX通过高性能的数字化产品研制解决方案把从设计、仿真分析到制造、检测流程的各个方面集成到一起，提高了产品创新能力。NX建立在一个开放、先进的技术基础之上，为在所有产品开发门类中实现更高的生产效率提供了更为强大的动力。
机械设计是机械工程的重要组成部分，是机械生产的第一步，是决定机械性能的最主要的因素。机械设计的主要目标是：在各种限定的条件(如材料、加工能力、理论知识和计算手段等)下设计出最好的机械，即做出优化设计。优化设计需要综合考虑多种要求，包括：最佳工作性能、最低制造成本、最小尺寸和重量、安全可靠性、最低消耗和最少环境污染等因素。
工程机械行业产品研制的主要阶段包括：初步设计、详细设计、工艺设计与仿真、生产制造。工程机械产品研制的主要流程如下：
§ 根据需求（包括市场、用户、技术等需求）编制设计任务书。
§ 初步设计。包括确定机械的工作原理和基本结构形式，进行运动设计、结构设计并绘制初步总图以及初步审查。
§ 详细设计。包括设计变更、绘制全部零部件和新的总图以及第二次评审。并根据二审意见进行最后的修改，绘制全部工程图（如零部件图、装配图和总装图等）、编制全部技术文件（如零件表、易损件清单、使用说明等）。
§ 工艺设计与仿真。编制工艺，进行工装、夹具、模具设计与仿真。
§ 生产制造。创建工艺模型、编制零件及装配工艺规程，进行数控加工编程、机床仿真、后置处理，将编制好的NX程序，传送给NC数控机床，由数控机床来完成对零件的加工。再对加工好的零件进行检测。
NX设计及仿真分析、制造、检测一体化解决方案能够完全满足工程机械行业的数字化产品研制的业务要求。NX CAD能够满足工程机械产品初步设计及详细设计阶段的设计业务需求。在工程机械产品的初步设计阶段，设计人员可以利用NX进行产品的需求分析、概念设计、总体布局、机电一体化设计业务；在工程机械产品的详细设计阶段，设计人员可以利用NX进行零件（包括钣金件）设计、装配设计、焊接设计、管路设计、电气布线、数字化验证、MBD设计、工程制图等业务需求。NX CAE（Simcenter 3D）能够满足工程机械产品结构静力分析、刚度分析、动力学仿真等专业的产品仿真功能需求。在工艺设计与仿真阶段，利用NX多种智能的模具设计向导能够满足注塑/压铸/冲压/级进模设计和仿真的业务需求。在生产制造阶段，NX CAM能够满足零组件数控加工编程（包括车削、铣削、线切割、电火花等）、机器人编程、机床仿真、增材制造的业务需求；NX CMM能够实现产品的三坐标检测编程的需求；NX产线设计工具能够帮助企业快速实现数字化工厂的三维布局设计。
NX在工程机械行业产品研制各阶段的主要应用如下图所示：
图1 — NX在工程机械行业产品研制各阶段的应用
1. 初步设计
在工程机械产品的初步设计阶段，设计人员利用NX可以轻松实现概念设计、总体布局及机电一体化设计。
1.1. 概念设计
利用NX收敛建模、创意塑型、自由形状造型和包括细分造型、A级曲面和逆向工程的曲面设计工具，能够轻松实现产品的概念设计。利用NX实时渲染与概念评审工具，可以对三维模型进行灯光、纹理、材质、光顺性、光洁度、背景等可视化处理，轻松创建动画、展示场景、制作逼真的渲染效果图，从而能够满足工程机械行业产品设计评审的业务需求。此外，NX虚拟现实评审工具还提供了集成的沉浸式研究和设计评审能力。用户可以借助于NX虚拟现实评审工具及虚拟现实（VR）头盔（HTC）和支持VR的硬件进行设计评审。NX虚拟现实协同工具与NX虚拟现实评审工具一起使用时，还可以支持多用户VR会话。任意数量的NX虚拟现实评审用户都可以加入一个协作会话。NX VR多用户协同服务器将同步每个参与者执行的操作。
图2 — NX渲染及VR评审工具
利用NX收敛建模，可以导入并处理小平面模型，实现逆向设计。NX收敛建模技术，可以把B样条模型和小平面模型无缝组合在一起，如布尔运算等，提供更加广泛的灵活设计方法。利用NX收敛建模技术，可以对小平面模型进行编辑修改，例如导入STL小平面数据、删除、修补小平面模型、自动识别小平面模型、提取面、转换为B样条模型。利用NX收敛建模，设计人员可以将线扫描或片扫描的点云数据转换为NX中的小面片网格数据。此外，用户可以在NX中利用多种方法分析数据质量，包括：形状评估（曲率分析，解析面分析）、反光条分析、拔模分析、以及截面分析，也能分析扫描信息，例如点云密度，还可以对点和小平面片体进行可视化查看。利用NX收敛建模，用户还可以对小面片点云数据进行清理，包括：剪切、补孔、光顺、重划网格、抽样优化、细分等 。用户还可以利用NX收敛建模工具，基于扫描数据进行曲面重构，包括解析曲面和自由曲面拟合、多边曲面填充、快速曲面创建、创意塑形细分曲面创建等。
图3 — NX收敛建模技术
利用NX 创意塑型工具，设计人员可在其中通过操控和细分初始体素形状（如长方体、圆柱或球）的控制框架创建 B 曲面形状（实体或片体）。使用 NX 创意塑型工具可创建需要具备自然或美观形状的产品。NX创意塑型工具使用细分建模方法，让用户能够以前所未有的速度和易用性来创建高级3D产品形状。该工具集同样适用于创建快速3D概念或最高质量的最终曲面形状。NX创意塑型工具与所有其他NX建模功能完全集成，从而可以与传统建模方法无缝集成，以实现设计的高度精细化。利用NX创意塑型工具，可以创建难以通过传统方法进行建模的形状，从而拓展NX 的塑型和造面功能。用户将传统特征和曲面命令与与 NX 创意塑型结合使用，还可以对形状进行优化并添加细节。可以更快地创建和编辑复杂形状，从而提升早期概念设计的效率。
图4 — NX创意塑型工具
1.2. 布局设计
当前，很多工程机械行业的企业在早期概念设计阶段都采用2D 设计工具，很多公司表示设计问题的关键特性用2D表达有时会更好，2D设计便于研究、共享、打印和讨论。因此尽管3D的效益是显著的，对公司的整体设计策略也同样重要，但是有时采用2D的设计或布局更容易。
在初步设计阶段，NX布局设计工具具备高效的二维布局设计能力，可以满足工程机械产品二维初步设计的业务需求。设计人员可以利用NX布局设计工具在熟悉的2D环境中采用2D工作流程进行概念设计。
NX 布局设计工具是NX的一个完全集成的2D概念设计解决方案。它建立在成熟的NX技术之上，并使用称为2D组件的智能可重用对象来增强2D概念设计。NX 布局设计工具提供了许多支持二维设计的专用工具，并提供了业界领先的2D到3D功能，以加快产品设计阶段。通过方便的2D概念探究、迭代、以及到3D的传输，提高了设计人员的效率。
NX布局设计工具集完全集成到NX制图应用环境中，但是NX布局设计不是二维制图。NX布局集成在制图中允许用户利用熟悉的二维环境，并利用基本的二维功能，如草图绘制、尺寸标注和注释。对于现在的NX客户来说，这意味着学习曲线是最小的，您可以访问相同的可定制用户界面，并且单一解决方案消除了维护2D遗留系统的需要。NX布局设计的优势将继续集中在概念设计上，而NX制图将继续提供工具来简化符合标准的图纸的创建和维护。
NX布局还允许利用2D同步技术，这是处理2D数据的突破性创新。同时也很难利用中性图形格式导入和导入的优点。由于NX的文档功能是可访问的，所以用户可以随时记录概念设计并打印它。
NX布局的关键区别之一是一个智能的、以设计为中心的可重用对象，称为2D组件。二维零部件类似于二维环境中的三维零件，可以由草图几何图元、尺寸、注释或嵌入的二维零部件的任意组合组成。二维构件也被组织在多层次的层次结构中，以支持多个设计研究。二维零部件作为零件文件内部的本地二维零部件存储在重用库中，或发布到外部系统驱动器或PLM系统中，允许其他人访问和重用其他布局。二维构件提供了一种独特的、更有效的二维设计方法。
NX 布局设计的一个主要优点是能够将2D设计直接移动到3D。使用NX 布局设计工具，用户可以从布局的2D组件结构自动创建部件和零件。二维零部件作为可预测的草图进入三维，可以轻松修改。进入三维后，可以从二维零部件的几何图形创建零件特征。NX布局消除了在3D中转换或重新创建设计所需的时间和精力，因此，当用户在2D中完成设计时，就已经可以很好地生成3D模型或部件了。这不仅加快了产品设计阶段，还使用户更有可能利用二维概念设计，因为他们知道从二维到三维的过渡比使用旧方法更省时、更容易出错。
图5 — NX布局设计工具
1.3. 机电一体化设计
在现代的复杂工程机械产品研发过程中，各个门类的专业技术都在突飞猛进地发展。这对综合这些专业的开发流程、产品表达数据以及研发成果，提出了更加严格的要求，需要在机械、电气和自动化学科实现更紧密的集成。
NX提供的机电一体化设计工具，以产品功能设计方法为基础，专注于在机电一体化产品的概念设计阶段提供技术手段。此工具充分利用机械产品的三维结构模型，并扩充了物理仿真能力，可以进行多体动力学仿真，并能够处理机电一体化产品中常见的与自动化相关的设计任务，使之能与上下游工程领域（如需求管理、功能建模等）联合应用。运用NX进行产品研发的过程中，工程技术部门可以对产品需求方的需求进行详细清晰的定义，并严格按照需求、功能划分、逻辑设计、物理实现四个步骤有序的进行清晰的产品研发。NX本身所具有的分析和多物理场仿真验算功能，以及规则检查能力，再加上其开放接口所提供的与各种专业验证软件的集成能力，使工程师在每个步骤都能进行相应的检查和验证手段。这就全面支持了系统工程的V字模型，并在每一步集成验证中形成闭环验证。西门子在工业自动化及自动控制领域是全球行业的领先者，NX机电一体化设计与西门子工业自动化产品的无缝集成，保证了产品可以高效、及时的交付使用。
图6 — NX MCD机电一体化设计工具
本文概况介绍了NX在工程机械产品的初步设计阶段的主要应用，下期将会概况介绍NX在工程机械产品详细设计阶段的主要应用。
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