基于云制造的模具协同制造模式探讨

    　现代模具工业是高技术背景下的工艺、资金密集型行业，由于制模要采用一系列高新技术，如CAX系列技术、激光技术、逆向工程、快速成形技术、敏捷制造、高速加工及超精加工技术等，因此，模具技术水平的高低在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力，已经成为衡量一个国家制造业水平的重要标志。

　1模具设计与制造现状

    　经过半个多世纪的发展，我国模具工业发生了翻天覆地的变化，但随着制造全球化和制造业信息化的发展，市场竞争加剧，产品更新换代加快，这对周期长、成本高、设计制造过程复杂的传统模具制造方式提出严峻挑战。以往传统的模具设计、生产方式已无法满足瞬息万变的市场需求。为抢占市场，缩短产品的上市时间，广大厂商对模具设计与制造方式提出了更快、更高的要求，如今多数模具制造商广泛采用CAX系列技术进行模具设计、制造。在模具设计阶段：一是借助于CAD软件(CATIA、UG、Pro／E、Solidworks、Cimatron等)对已有的二维零件图进行实体建模，获取产品的三维数字模型，再进一步利用CAD软件的某些模具设计模块(如UG的Mold Wizard)进行模具设计；二是借助于三坐标测量仪或三维扫描仪对产品实物原形进行反求，获得数字模型；通过对上述两种手段获得的模具数字模型进行CAE分析(Moldflow、Dynaform等)优化模具结构设计。在模具制造阶段：为满足客户的要求、提高模具的加工精度，需采用高精密的数控加工中心、数控高速铣床、数控模具雕刻机和特种加工设备(电火花加工机床和线切割机床)来完成模具各个零部件的加工、制造。众所周知，上述设计阶段和制造过程中所用到的软件和设备的投资巨大，动辄上百万，但其利用率却不高。

　2模具云制造模式及特点

  　  2．1模具云制造模式

    　“云制造”是近期提出来的一种利用网络，按用户需求组织网上制造资源，为用户提供各类按需制造服务的一种网络化制造新模式，皆在支持虚拟组织的资源共享与协同工作。它将现有的网络化制造和服务技术同云计算、物联网等融合，实现各类制造资源(制造设备、软件、知识、数据等)统一的、集中的智能化管理和经营，为制造全生命周期过程提供随时按需使用的、安全可靠的、优质廉价的各类制造活动服务睁6|。目前，我国模具企业的专业化程度越来越高，企业间的相互合作日显重要，由于模具制造一般是单件小批生产，因而模具企业间的合作是松散的、间歇的，只是由于某一套特定的模具使其相互联系在一起。针对模具工业现状，尝试探讨利用“云计算”[7]思想将模具设计、制造全生命周期过程中所需要用到的各种资源打包封装在一起，形成模具设计制造资源池，充分利用“云制造——模具服务平台”，把分布在不同地区的模具企业连接到该平台上，利用这种效应使企业无论身处何地，规模大小，均可通过该平台，优势互补，共享资源和技术，分担投入和风险，以最快的速度形成具有优势的敏捷生产体系，从而快速地响应市场机遇，达到快速、优质、高效、低成本地产出模具产品的目的。基于上述考虑，给出一个基于网络、面向多用户、可操作的模具云制造模式，如图1所示。

    　模具云制造模式由模具云制造服务提供者(Mold Cloud Service Provider，MCSP)、模具云客户端(Mold Cloud Service Request，MCSR)和模具云制造服务平台组成。MCSP通过模具云制造服务平台提供辖区内相应的制造资源和设计服务能力；MCSR通过模具云制造服务平台发布客户端服务请求，模具云制造服务平台根据客户提交的请求，通过智能调度在MCSP端为客户端寻找符合请求的匹配资源，为MCSR提供及时响应的按需服务。

    图1模具云制造模式示意图

  　  2．2模具云制造特点

  　  模具云制造是一种面向多用户提供及时响应按需服务的网络制造新模式。与已有的网络化制造、应用服务提供商(Application Service Provider，ASP)[8-11]、制造网格(Manufacturing Grid，MG)相比[12-133，模具云制造具有以下特点。

　    (1)全局服务的思想。它有别与制造网格的“分散资源集中使用”的思想，它不仅仅强调“分散资源集中使用”，同时，更体现“集中资源分散服务”的思想，其服务模式不仅有“多对一”的形式，同时更强调“多对多”，即汇聚全局的分布式制造资源服务进行集中管理，为多个用户同时提供服务。

　    (2)全局服务的平台。它不同于云计算的以计算资源的服务为中心，它主要面向模具制造商，把企业生产产品所需软、硬制造资源整合为模具云制造服务中心。所有连接到中心的客户均可向模具云制造服务平台发出产品设计、制造、试验、管理等制造全生命周期过程各类活动的业务请求，该平台将为客户端提供高效、智能化的匹配、查询、推荐和执行服务，借助于物联网技术并透明地将各类制造资源以服务的方式提供给客户。

　3 模具云制造的体系架构

 　   基于对“云制造”的认识，根据模具设计、制造过程及其特点，提出了一种模具制造云的体系结构，如图2所示。

  　  第1层：以CAD软件为平台设计层。模具的设计、制造由两条路线开始：一是a根据产品的零件图进行相关模具设计制造，b根据产品的实物进行相关开发；二是对于被加工的模具零件，根据其形状、精度进行相关分析、建模和制造。

    图2模具云制造体系架构图

  　  (1)对于a类产品的零件图，设计人员利用CAD软件进行实体建模；对于b类产品实物利用三坐标测量仪或三维扫描仪获得“点云”，然后对收集的“点云”进行重构，从而获得产品数字模型，将a、b所得的产品数字模型导入CAD软件相应的模具设计模块进行模具设计，得到模具的数字模型。

   　 (2)对于形状复杂的被加工模具零部件，利用反求技术获得该零件的数字模型，等待进一步的加工。第Ⅱ层：以CAE软件为平台分析层。

    　利用CAD软件建立的模具数字模型，可以方便的导人各种有限元分析软件中进行计算、分析，优化模具结构，修改不恰当的设计，然后进行仿真分析。比如：对于利用UG的Mold Wizard设计好的注塑模具，将其导入有限元分析软件Moldflow进行浇注系统流动性仿真分析，修改不恰当的浇注系统设计，优化模具结构。

   　 第Ⅲ层：以CAM和CAPP软件为平台的加工制造层。

   　 对于一些复杂的模具零件，首先，利用优化后的模具数字化模型，通过三维软件的CAM模块经后置处理后获得该零件的数控加工程序；其次，利用网线或移动存储设备将其传递至数控设备；最后，通过数控设备加工出模具零件。

   　 最终将获得的模具零件通过模具钳工的装备、试模，即可完成模具的生产。

　4 应用与案例分析

  　  由于现阶段“云制造”还是一种理念，基于“云制造”的模具协同制造模式，还有许多层面的问题亟待研究。例如，在运行机制方面，需要探索制造资源共享的商业模式、推动机制等基本问题；在实现的关键技术方面，为了实现模具云制造的理念和完善的商业模式，还需要探索其中的模具云制造平台的运行管理等实现技术。下面通过两个假设的案例，探讨在这种新的模式下模具设计制造思路及其实施技术，并以案例分析进一步描述其工作流程。

    　案例1：以某汽车覆盖件模具的设计制造过程为例说明模具云制造模式的工作过程，如图3所示。

    图3模具云制造工作过程示意图

   　 某重卡公司要开发某款新车驾驶室，通过模具云制造平台发布客户端请求后，模具云制造平台根据连接到该平台的各种软、硬资源，经过匹配后，推荐由Q公司模具技术中心进行定制并签署合同，生成模具云制造服务。Q公司接到平台下达的任务后，在云制造平台的引导下联合A大学机械工程学院和B学院模具技术中心进行重卡驾驶室设计制造。由Q公司根据该重卡公司提供的产品实物进行三维扫描以此来获得其“点云”，利用Imageware软件对“点云”进行缝补重构，将重构后的数字模型导入CAD软件下进行修改(进行新产品的开发)，然后将修改后的样件数字模型导入CAD软件的模具设计与制造模块进行驾驶室覆盖件模具的结构设计；设计好的覆盖件模具经由云制造平台递交给A大学机械工程学院CAE分析中心进行覆盖件的Dynaform板料成形分析及ANSYS有限元仿真分析；将经由A大学分析无误后的模型通过云制造平台传至s模具制造公司和B学院模具技术中心分别进行驾驶室覆盖件模具的工艺零件和结构零件的协同制造。同时，对于该模具所需的标准件则由云制造平台发布需求信息，通过招标后由M客户端提供其所需标准件(导柱、导套、螺钉、销钉、弹性元件)；所有该模具零部件经检测无误后，由模具云制造平台协调后同期回到Q公司模具中心进行装配、调试，经试模制造成品无误后，由模具云制造平台确认合同执行完毕。上述企业和研究所及大学在模具云制造平台智能调度协调下，同步完成该驾驶室覆盖件模具的开发和生产任务。

 　   其中，CAD、CAE相关软资源在Q公司模具中心和A大学机械工程学院；机加设备和特种加工、高速加工制造资源在S公司和B学院模具技术中心。模具云制造服务平台将各个层的资源通过该平台进行智能调度来完成模具的设计、制造过程，实现分布资源同步参与上述过程。案例1体现了模具云制造平台将“分散的各种资源集中使用”的思想，阐述了该平台的“多对一”的模式，即多个分布式资源为一个用户或任务服务。

  　  案例2：对于某塑料制品厂的某牛奶箱提手注塑模具型腔，它属于模具复杂工作零件中的加工问题，该企业借助于客户端2在模具云制造平台上发布了请求，云制造平台根据该提手零件的形状，推荐由B学院模具技术中心和Q公司模具中心协同完成该任务。具体如下，由Q公司根据牛奶箱提手形状，经反求后获得产品的数字模型，导入CAD软件(如UG)的CAM模块中生成其数控加工程序，将该加工程序借助于模具云制造平台传递至B学院模具技术中心的高速数控加工设备上完成该型腔的加工，解决了困扰该企业的技术难题。案例2体现的是模具云制造平台将“集中的各种资源分散服务”的思想，阐明了该平台的“多对多”的模式，即汇聚分布资源进行集中调控，为多个中小模具制造业同时提供服务。

　5 结语

  　  虽然基于“云制造”的模具协阿制造模式还是一种新的理念，其运行机制、实现的关键技术等层面问题尚待研究，但其具有多用户、异地协同的特点。通过“模具云制造模式”进行模具的分布式异地协同设计制造，可以盘活已有存量制造资源，提高软、硬资源的利用率，缩短模具的制造周期，并能克服传统模具制造过程中的种种弊端，加快模具开发进程，促进模具制造业的进一步发展。 

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