基于云制造的模具協(xié)同設(shè)計(jì)與制造模式探析

2016-09-09 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

針對(duì)我國模具設(shè)計(jì)與制造業(yè)的現(xiàn)狀,研究基于“云制造”的模具跨地區(qū)散布式設(shè)計(jì)與制造的模式,構(gòu)建一種由分散的模具制造資源、“云制造”——模具服務(wù)平臺(tái)及其用戶端組成的模具協(xié)同設(shè)計(jì)與制造的架構(gòu)模式,并以實(shí)例分析并探討了在該模式下模具設(shè)計(jì)制造思路及其實(shí)施技術(shù)。通過對(duì)其工作流程的描述表明:該架構(gòu)模式對(duì)于模具行業(yè)快速響應(yīng)市場(chǎng)機(jī)遇,最大限度地提高設(shè)計(jì)與制造資源的利用效率,實(shí)現(xiàn)快速、優(yōu)質(zhì)、低成本的開發(fā)模具產(chǎn)品具有重要意義。

引言

模具以其特定的結(jié)構(gòu)通過一定的方式使材料成型,無論是在工業(yè)制品的生產(chǎn),還是新產(chǎn)品的開發(fā)中都離不開模具。其作為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的主要工藝裝備之一,在國防工業(yè)、汽車、裝備制造、儀器儀表、電子通訊產(chǎn)品和日常生活用品的生產(chǎn)中日益被廣泛應(yīng)用。利用模具生產(chǎn)不僅可實(shí)現(xiàn)高效、大批量而且還能降低成本、節(jié)約能源,故模具工業(yè)又被譽(yù)為整個(gè)制造業(yè)的“加速器”。現(xiàn)代模具工業(yè)是高技術(shù)背景下的工藝、資金密集型行業(yè),其生產(chǎn)工藝水平及科技含量的高低,在很大程度上決定著產(chǎn)品的質(zhì)量、效益、新產(chǎn)品的開發(fā)能力,決定著一個(gè)國家制造業(yè)的國際競(jìng)爭(zhēng)力,已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家科技與產(chǎn)品制造水平的重要標(biāo)志。

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模具工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

上世紀(jì)80年代以來,我國模具工業(yè)發(fā)展十分迅速,發(fā)生了翻天覆地的變化,但在模具制造工藝、裝備及模具設(shè)計(jì)水平上,總體上要比歐、美等發(fā)達(dá)國家落后許多。隨著制造全球化和制造業(yè)信息化的發(fā)展,市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇,產(chǎn)品更新?lián)Q代加快,這對(duì)周期長、成本高、設(shè)計(jì)制造過程復(fù)雜的傳統(tǒng)模具制造方式提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。如今千變?nèi)f化的市場(chǎng)需求已使傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)制造模式難以望其項(xiàng)背,廣大廠商力求縮短產(chǎn)品上市時(shí)間,志在占領(lǐng)更多市場(chǎng)份額,對(duì)模具設(shè)計(jì)與制造方式提出了更快、更高的要求,如今多數(shù)模具制造商廣泛采用CAX系列技術(shù)進(jìn)行模具設(shè)計(jì)、制造。設(shè)計(jì)方面:一方面利用CAD軟件(I-DEAS、CATIA、Pro/E等)建立產(chǎn)品的三維數(shù)字實(shí)體模型,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行模具設(shè)計(jì);或者是利用先進(jìn)制造技術(shù)(Advanced Manufactuing Technology,AMT)中的快速原型制造(Rapid Prototyping,RP)技術(shù)、虛擬制造技術(shù)(VirtualManufacturing Technology,VMT)、反求技術(shù)(Reverse Engineering,RE)獲得產(chǎn)品實(shí)物數(shù)字模型;基于上述獲得的三維模具數(shù)字模型進(jìn)行相關(guān)的CAE分析(Autoform、Moldflow等),以此優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。制造方面:為滿足客戶對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量高標(biāo)準(zhǔn)的要求,應(yīng)盡可能的提高模具的加工精度,需采用高速銑削技術(shù)(HSM)、激光加工技術(shù)、先進(jìn)的精密測(cè)量技術(shù)、新型模具標(biāo)準(zhǔn)件、先進(jìn)的模具修復(fù)和拋光技術(shù)以及高性能、高品質(zhì)的新型模具材料及制造新工藝來完成模具各個(gè)零部件的加工、制造及裝配。顯而易見,在模具設(shè)計(jì)及其制造的過程中所涉及到的軟件和設(shè)備的投資非常大,動(dòng)輒上百萬,但其利用率卻不高。如何利用現(xiàn)代技術(shù)把地理上分布于不同地區(qū)的科研院所、模具制造企業(yè)的資源整合在一起,形成具有優(yōu)勢(shì)的敏捷生產(chǎn)體系,最大限度地提高設(shè)計(jì)與制造資源的利用效率,從而快速地響應(yīng)市場(chǎng)機(jī)遇,解決設(shè)計(jì)、制造過程中出現(xiàn)的種種問題,實(shí)現(xiàn)快速、優(yōu)質(zhì)、低成本的開發(fā)模具產(chǎn)品是模具行業(yè)當(dāng)前亟待解決的一個(gè)問題。

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模具云制造模式及特點(diǎn)

3.1模具云制造模式

“云制造”是近期提出來的一種面向服務(wù)、高效低耗和基于知識(shí)的網(wǎng)絡(luò)化智能制造新模式,其借用了“云計(jì)算”的思想,它融合現(xiàn)有信息化制造、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、語義Web、高性能計(jì)算等技術(shù),通過對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)化制造與服務(wù)技術(shù)進(jìn)行延伸和變革,將各類制造資源和制造能力虛擬化、服務(wù)化,并進(jìn)行統(tǒng)一、集中的智能化管理和經(jīng)營,實(shí)現(xiàn)智能化、多方共贏、普適化和高效的共享和協(xié)同,通過網(wǎng)絡(luò)為制造全生命周期過程提供可隨時(shí)獲取的、按需使用、安全可靠、優(yōu)質(zhì)廉價(jià)的服務(wù)?，F(xiàn)今,我國模具行業(yè)的專業(yè)化程度日益增高,致使企業(yè)間的相互合作日顯重要。眾所周知,模具制造屬于單件小批生產(chǎn),企業(yè)間的合作是松散的、非連續(xù)的,緣于某一套特定的模具使其有一定的相互協(xié)作。對(duì)此,將“云計(jì)算”的思想移植到模具設(shè)計(jì)、制造全生命周期過程中,將該過程中所需要用到的各種資源整合為一體,形成模具設(shè)計(jì)制造資源池。利用互聯(lián)網(wǎng),將分散于不同地域的模具企業(yè)連接到該平臺(tái)上,借助于“云制造”—模具服務(wù)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)及制造資源的共享,投入和風(fēng)險(xiǎn)的均攤,轉(zhuǎn)變模具設(shè)計(jì)與制造的模式,快速響應(yīng)市場(chǎng)需求,為廣大廠商提供優(yōu)質(zhì)、高效的按需服務(wù)?；诰W(wǎng)絡(luò)、面向多用戶的模具云制造模式,如圖1所示。

由模具制造資源共享端(Manufacturing Resource Sharing of Mould Cloud,MRSMC)、模具云用戶端(User End of Mould Cloud,UEMC)和“云制造”—模具服務(wù)平臺(tái)構(gòu)成了模具云制造模式。MRSMC通過“云制造”—模具服務(wù)平臺(tái)共享轄區(qū)內(nèi)相應(yīng)的制造資源和設(shè)計(jì)服務(wù)能力;UEMC通過“云制造”—模具服務(wù)平臺(tái)發(fā)布客戶端服務(wù)請(qǐng)求,“云制造”—模具服務(wù)平臺(tái)根據(jù)用戶提交的任務(wù)請(qǐng)求,智能調(diào)配在MRSMC端為用戶尋找符合請(qǐng)求的匹配資源,為UEMC提供及時(shí)響應(yīng)的按需服務(wù)。

3.2模具云制造特點(diǎn)

“云制造”—模具服務(wù)平臺(tái)是一種面向多用戶提供及時(shí)響應(yīng)按需服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)制造新模式。與已有的網(wǎng)絡(luò)化制造、制造網(wǎng)格(MGrid)、應(yīng)用服務(wù)提供商(Application Service Provider,ASP)相比,其具有以下特點(diǎn):(1)全局服務(wù)的模式。它與制造網(wǎng)格的“集中使用分散資源”的模式不同,其在強(qiáng)調(diào)“集中共享分散資源”的同時(shí),更多體現(xiàn)“分散調(diào)配集中資源”的理念;其服務(wù)模式不僅有“多對(duì)一”的模式,同時(shí)更加注重集中管理整個(gè)平臺(tái)的分布式制造資源,為多個(gè)用戶同時(shí)提供設(shè)計(jì)及制造服務(wù),即“多對(duì)多”的模式。(2)全局的服務(wù)平臺(tái)。與“云計(jì)算”的以計(jì)算資源的服務(wù)為中心不同的是,其主要針對(duì)模具行業(yè),將企業(yè)生產(chǎn)模具產(chǎn)品所需軟(CAX系列軟件)、硬(制造設(shè)備)資源整合為“云制造”-模具服務(wù)平臺(tái)。借助于互聯(lián)網(wǎng)連接到該平臺(tái)的所有用戶均可向其提出產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工作零件加工制造、試模裝配、管理等制造全生命周期過程各類活動(dòng)的業(yè)務(wù)請(qǐng)求,利用該平臺(tái)將各類設(shè)計(jì)及制造資源以按需服務(wù)的方式提供給用戶端。

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模具云制造的架構(gòu)模式

根據(jù)模具設(shè)計(jì)、制造過程及其特點(diǎn),提出了一種模具制造云的架構(gòu)模式,如圖2所示。

4.1 CAD層

(1)依據(jù)客戶提供的產(chǎn)品零件圖,首先設(shè)計(jì)人員利用CAD軟件的建模模塊進(jìn)行產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì),獲取合理的產(chǎn)品數(shù)字實(shí)體建模,一方面將其導(dǎo)入CAD軟件的模具設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(比如NX軟件的Mold Wizard)得到模具的數(shù)字模型;另一方面,將獲取的數(shù)字實(shí)體模型利用RP技術(shù)基于分層離散—連續(xù)平面薄層堆積的原理進(jìn)而實(shí)現(xiàn)快速獲得模具成品。對(duì)于產(chǎn)品實(shí)物利用接觸式或非接觸式的測(cè)量或掃描設(shè)備進(jìn)行測(cè)量,將測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面重構(gòu),獲取產(chǎn)品數(shù)字模型,同樣利用CAD軟件的模具設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(2)對(duì)于“短小精復(fù)”的模具零部件,利用RE技術(shù)獲得該零件的數(shù)字模型,等待進(jìn)一步的分析和制造。

4.2 CAE/CAM層

(1)利用CAD軟件完成模具三維數(shù)字建模,將其導(dǎo)入CAE分析軟件中進(jìn)行仿真、模擬分析,在此基礎(chǔ)上修改不恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì),優(yōu)化模具結(jié)構(gòu),減少試模、修模次數(shù),縮短模具制造周期。如:利用Pro/E軟件建立杯形件的CAD模型,以IGES格式導(dǎo)入ETA/DYNAFORM板料沖壓成形模擬軟件中,預(yù)測(cè)杯形件在成形過程中板料的拉裂、起皺、變薄及回彈的趨勢(shì),從而為杯形件成形工藝及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供幫助,減少模具開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)間及試模周期。

(2)對(duì)于制造周期短、單件、精度要求高、形狀極其復(fù)雜的“短小精復(fù)”類模具零件,在CAD模型基礎(chǔ)上,以IGES、STEP、IDEAS等CAD系統(tǒng)數(shù)據(jù)資料格式導(dǎo)入CAM軟件獲取數(shù)控程序和刀具加工時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡,最后利用網(wǎng)絡(luò)或者移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備將其傳遞至加工終端—數(shù)控或者特種加工設(shè)備實(shí)現(xiàn)模具零件的加工。以某一鼠標(biāo)上蓋的型芯為例:首先,依據(jù)該鼠標(biāo)上蓋的零件圖及其加工要求,采用CATIA完成零件的CAD設(shè)計(jì),生成三維實(shí)體模型;其次,將構(gòu)建好的三維實(shí)體模型保存為“STEP”或者“IGES”格式,利用CATIA和PowerMILL的接口技術(shù),將三維實(shí)體模型導(dǎo)入PowerMILL中,完成鼠標(biāo)上蓋型芯的CAM加工編程。

(3)將上述加工好的模具零件及其外購標(biāo)準(zhǔn)件送至模具鉗工處,進(jìn)行的裝配、試模,最終完成模具的生產(chǎn)。

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應(yīng)用與實(shí)例分析

以某重型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)覆蓋件模具的設(shè)計(jì)制造過程闡明模具云制造模式的工作流程,如圖3所示。

某重型汽車公司要開發(fā)新款發(fā)動(dòng)機(jī)覆蓋件模具,向“云制造”—模具服務(wù)平臺(tái)用戶端提出請(qǐng)求后,將連接到該平臺(tái)的各種資源進(jìn)行匹配后,指定甲公司模具技術(shù)中心簽署合同,生成模具云制造服務(wù)。甲公司接收上述任務(wù)后,在“云制造”平臺(tái)的協(xié)同下與乙大學(xué)裝備制造信息化技術(shù)中心和丙科研所模具技術(shù)中心三方協(xié)作進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)覆蓋件模具設(shè)計(jì)制造。由甲公司根據(jù)汽車公司提供的產(chǎn)品實(shí)物進(jìn)行反求獲取“點(diǎn)云”,基于Imageware軟件進(jìn)行三維模型的重構(gòu),然后導(dǎo)入CAD軟件中進(jìn)行覆蓋件模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的開發(fā);此任務(wù)完成經(jīng)由“云制造”—模具服務(wù)平臺(tái)遞至乙大學(xué)CAE分析中心進(jìn)行覆蓋件的Dynaform板料成形分析;乙大學(xué)分析無誤后的模型經(jīng)由云制造平臺(tái)傳至丁公司和丙的模具技術(shù)中心分別進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)覆蓋件模具的工藝零件和結(jié)構(gòu)零件的協(xié)同制造。此時(shí),該模具所需的標(biāo)準(zhǔn)件的需求信息則由“云制造”平臺(tái)發(fā)布,經(jīng)過招標(biāo)后由戊客戶提供所需的標(biāo)準(zhǔn)件(導(dǎo)柱、導(dǎo)套、螺釘、銷釘?shù)?;該模具的所有零部件經(jīng)檢測(cè)無誤后,由“云制造”—模具服務(wù)平臺(tái)協(xié)調(diào)后同期回到甲公司模具中心進(jìn)行裝配、調(diào)試,經(jīng)試模成品合格后,平臺(tái)確認(rèn)合同執(zhí)行完畢。

分屬不同層、不同地域(甲公司和乙大學(xué))的軟資源(CAD、CAE軟件)和硬資源(丙中心和丁公司的機(jī)加設(shè)備和特種加工、高速加工設(shè)備)在“云制造”—模具服務(wù)平臺(tái)智能調(diào)度協(xié)調(diào)下,完成模具的設(shè)計(jì)、制造過程,實(shí)現(xiàn)分布資源同步參與。該案例體現(xiàn)了“云制造”—模具服務(wù)平臺(tái)將“集中共享分散的各種資源”的理念。對(duì)于某塑料制品有限公司的格里森齒輪注塑模具型腔,它屬于“短小精復(fù)”的模具零件,該公司通過“云制造”—模具服務(wù)平臺(tái)在用戶端上發(fā)布了請(qǐng)求,平臺(tái)根據(jù)格里森齒輪零件的形狀,推薦由丙科研所模具技術(shù)中心和甲公司模具中心協(xié)同完成該任務(wù)。甲公司根據(jù)格里森齒輪的形狀,經(jīng)RE后進(jìn)行重構(gòu)獲取該塑件的三維實(shí)體模型,以“STEP”或者“IGES”格式將該模型導(dǎo)入PowerMILL中生成CAM加工程序,借助于該平臺(tái)通過網(wǎng)絡(luò)將CAM加工程序傳遞至丙科研所模具技術(shù)中心的高速數(shù)控加工設(shè)備上完成格里森齒輪注塑模具型腔的加工,解決了困擾該企業(yè)的技術(shù)難題。在“云制造”—模具服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)“分散調(diào)配集中的各種資源”,即匯聚分布資源進(jìn)行集中調(diào)控,為多個(gè)中小模具制造企業(yè)同時(shí)提供設(shè)計(jì)制造服務(wù)。

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基于云制造的模具設(shè)計(jì)制造模式,具有多用戶、異地協(xié)同的特點(diǎn)。用“云制造”進(jìn)行模具的分布式異地協(xié)同設(shè)計(jì)制造,可以提高軟、硬資源的利用率,縮短模具的制造周期,克服傳統(tǒng)模具制造過程中的種種弊端,加快模具開發(fā)進(jìn)程,促進(jìn)模具制造業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

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