基于云制造的模具協(xié)同設(shè)計與制造模式探析

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

針對我國模具設(shè)計與制造業(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”——模具服務平臺及其用戶端組成的模具協(xié)同設(shè)計與制造的架構(gòu)模式,并以實例分析并探討了在該模式下模具設(shè)計制造思路及其實施技術(shù)。通過對其工作流程的描述表明:該架構(gòu)模式對于模具行業(yè)快速響應市場機遇,最大限度地提高設(shè)計與制造資源的利用效率,實現(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)中日益被廣泛應用。利用模具生產(chǎn)不僅可實現(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)又被譽為整個制造業(yè)的“加速器”?，F(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,決定著一個國家制造業(yè)的國際競爭力,已經(jīng)成為衡量一個國家科技與產(chǎn)品制造水平的重要標志。

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模具工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

上世紀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)計水平上,總體上要比歐、美等發(fā)達國家落后許多。隨著制造全球化和制造業(yè)信息化的發(fā)展,市場競爭加劇,產(chǎn)品更新?lián)Q代加快,這對周期長、成本高、設(shè)計制造過程復雜的傳統(tǒng)模具制造方式提出嚴峻挑戰(zhàn)。如今千變?nèi)f化的市場需求已使傳統(tǒng)的模具設(shè)計制造模式難以望其項背,廣大廠商力求縮短產(chǎn)品上市時間,志在占領(lǐng)更多市場份額,對模具設(shè)計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)進行模具設(shè)計、制造。設(shè)計方面:一方面利用CAD軟件(I-DEAS、CATIA、Pro/E等)建立產(chǎn)品的三維數(shù)字實體模型,在此基礎(chǔ)上進行模具設(shè)計;或者是利用先進制造技術(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)品實物數(shù)字模型;基于上述獲得的三維模具數(shù)字模型進行相關(guān)的CAE分析(Autoform、Moldflow等),以此優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)設(shè)計。制造方面:為滿足客戶對產(chǎn)品質(zhì)量高標準的要求,應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)、先進的精密測量技術(shù)、新型模具標準件、先進的模具修復和拋光技術(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零部件的加工、制造及裝配。顯而易見,在模具設(shè)計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)勢的敏捷生產(chǎn)體系,最大限度地提高設(shè)計與制造資源的利用效率,從而快速地響應市場機遇,解決設(shè)計、制造過程中出現(xiàn)的種種問題,實現(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)當前亟待解決的一個問題。

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模具云制造模式及特點

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、高效低耗和基于知識的網(wǎng)絡化智能制造新模式,其借用了“云計算”的思想,它融合現(xiàn)有信息化制造、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、語義Web、高性能計算等技術(shù),通過對現(xiàn)有網(wǎng)絡化制造與服務技術(shù)進行延伸和變革,將各類制造資源和制造能力虛擬化、服務化,并進行統(tǒng)一、集中的智能化管理和經(jīng)營,實現(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)絡為制造全生命周期過程提供可隨時獲取的、按需使用、安全可靠、優(yōu)質(zhì)廉價的服務?，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。對此,將“云計算”的思想移植到模具設(shè)計、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)連接到該平臺上,借助于“云制造”—模具服務平臺,實現(xiàn)設(shè)計及制造資源的共享,投入和風險的均攤,轉(zhuǎn)變模具設(shè)計與制造的模式,快速響應市場需求,為廣大廠商提供優(yōu)質(zhì)、高效的按需服務?；诰W(wǎng)絡、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”—模具服務平臺構(gòu)成了模具云制造模式。MRSMC通過“云制造”—模具服務平臺共享轄區(qū)內(nèi)相應的制造資源和設(shè)計服務能力;UEMC通過“云制造”—模具服務平臺發(fā)布客戶端服務請求,“云制造”—模具服務平臺根據(jù)用戶提交的任務請求,智能調(diào)配在MRSMC端為用戶尋找符合請求的匹配資源,為UEMC提供及時響應的按需服務。

3.2模具云制造特點

“云制造”—模具服務平臺是一種面向多用戶提供及時響應按需服務的網(wǎng)絡制造新模式。與已有的網(wǎng)絡化制造、制造網(wǎng)格(MGrid)、應用服務提供商(Application Service Provider,ASP)相比,其具有以下特點:(1)全局服務的模式。它與制造網(wǎng)格的“集中使用分散資源”的模式不同,其在強調(diào)“集中共享分散資源”的同時,更多體現(xiàn)“分散調(diào)配集中資源”的理念;其服務模式不僅有“多對一”的模式,同時更加注重集中管理整個平臺的分布式制造資源,為多個用戶同時提供設(shè)計及制造服務,即“多對多”的模式。(2)全局的服務平臺。與“云計算”的以計算資源的服務為中心不同的是,其主要針對模具行業(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”-模具服務平臺。借助于互聯(lián)網(wǎng)連接到該平臺的所有用戶均可向其提出產(chǎn)品設(shè)計、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的業(yè)務請求,利用該平臺將各類設(shè)計及制造資源以按需服務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、制造過程及其特點,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)計人員利用CAD軟件的建模模塊進行產(chǎn)品的造型設(shè)計,獲取合理的產(chǎn)品數(shù)字實體建模,一方面將其導入CAD軟件的模具設(shè)計模塊進行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(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而實現(xiàn)快速獲得模具成品。對于產(chǎn)品實物利用接觸式或非接觸式的測量或掃描設(shè)備進行測量,將測得數(shù)據(jù)進行曲面重構(gòu),獲取產(chǎn)品數(shù)字模型,同樣利用CAD軟件的模具設(shè)計模塊進行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計。

(2)對于“短小精復”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,將其導入CAE分析軟件中進行仿真、模擬分析,在此基礎(chǔ)上修改不恰當?shù)脑O(shè)計,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格式導入ETA/DYNAFORM板料沖壓成形模擬軟件中,預測杯形件在成形過程中板料的拉裂、起皺、變薄及回彈的趨勢,從而為杯形件成形工藝及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計提供幫助,減少模具開發(fā)設(shè)計時間及試模周期。

(2)對于制造周期短、單件、精度要求高、形狀極其復雜的“短小精復”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)資料格式導入CAM軟件獲取數(shù)控程序和刀具加工時的運動軌跡,最后利用網(wǎng)絡或者移動存儲設(shè)備將其傳遞至加工終端—數(shù)控或者特種加工設(shè)備實現(xiàn)模具零件的加工。以某一鼠標上蓋的型芯為例:首先,依據(jù)該鼠標上蓋的零件圖及其加工要求,采用CATIA完成零件的CAD設(shè)計,生成三維實體模型;其次,將構(gòu)建好的三維實體模型保存為“STEP”或者“IGES”格式,利用CATIA和PowerMILL的接口技術(shù),將三維實體模型導入PowerMILL中,完成鼠標上蓋型芯的CAM加工編程。

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

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應用與實例分析

以某重型汽車發(fā)動機覆蓋件模具的設(shè)計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)動機覆蓋件模具,向“云制造”—模具服務平臺用戶端提出請求后,將連接到該平臺的各種資源進行匹配后,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。甲公司接收上述任務后,在“云制造”平臺的協(xié)同下與乙大學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)作進行發(fā)動機覆蓋件模具設(shè)計制造。由甲公司根據(jù)汽車公司提供的產(chǎn)品實物進行反求獲取“點云”,基于Imageware軟件進行三維模型的重構(gòu),然后導入CAD軟件中進行覆蓋件模具結(jié)構(gòu)設(shè)計的開發(fā);此任務完成經(jīng)由“云制造”—模具服務平臺遞至乙大學CAE分析中心進行覆蓋件的Dynaform板料成形分析;乙大學分析無誤后的模型經(jīng)由云制造平臺傳至丁公司和丙的模具技術(shù)中心分別進行發(fā)動機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,該模具所需的標準件的需求信息則由“云制造”平臺發(fā)布,經(jīng)過招標后由戊客戶提供所需的標準件(導柱、導套、螺釘、銷釘?shù)?;該模具的所有零部件經(jīng)檢測無誤后,由“云制造”—模具服務平臺協(xié)調(diào)后同期回到甲公司模具中心進行裝配、調(diào)試,經(jīng)試模成品合格后,平臺確認合同執(zhí)行完畢。

分屬不同層、不同地域(甲公司和乙大學)的軟資源(CAD、CAE軟件)和硬資源(丙中心和丁公司的機加設(shè)備和特種加工、高速加工設(shè)備)在“云制造”—模具服務平臺智能調(diào)度協(xié)調(diào)下,完成模具的設(shè)計、制造過程,實現(xiàn)分布資源同步參與。該案例體現(xiàn)了“云制造”—模具服務平臺將“集中共享分散的各種資源”的理念。對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”的模具零件,該公司通過“云制造”—模具服務平臺在用戶端上發(fā)布了請求,平臺根據(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。甲公司根據(jù)格里森齒輪的形狀,經(jīng)RE后進行重構(gòu)獲取該塑件的三維實體模型,以“STEP”或者“IGES”格式將該模型導入PowerMILL中生成CAM加工程序,借助于該平臺通過網(wǎng)絡將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”—模具服務平臺實現(xiàn)“分散調(diào)配集中的各種資源”,即匯聚分布資源進行集中調(diào)控,為多個中小模具制造企業(yè)同時提供設(shè)計制造服務。

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基于云制造的模具設(shè)計制造模式,具有多用戶、異地協(xié)同的特點。用“云制造”進行模具的分布式異地協(xié)同設(shè)計制造,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)進程,促進模具制造業(yè)的進一步發(fā)展。

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