基于云制造的模具協(xié)同設計與制造模式探析

2016-09-09 by:CAE仿真在線來源:互聯網

針對我國模具設計與制造業(yè)的現狀,研究基于“云制造”的模具跨地區(qū)散布式設計與制造的模式,構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)同設計與制造的架構模式,并以實例分析并探討了在該模式下模具設計制造思路及其實施技術。通過對其工作流程的描述表明:該架構模式對于模具行業(yè)快速響應市場機遇,最大限度地提高設計與制造資源的利用效率,實現快速、優(yōu)質、低成本的開發(fā)模具產品具有重要意義。

引言

模具以其特定的結構通過一定的方式使材料成型,無論是在工業(yè)制品的生產,還是新產品的開發(fā)中都離不開模具。其作為現代工業(yè)生產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、電子通訊產品和日常生活用品的生產中日益被廣泛應用。利用模具生產不僅可實現高效、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”。現代模具工業(yè)是高技術背景下的工藝、資金密集型行業(yè),其生產工藝水平及科技含量的高低,在很大程度上決定著產品的質量、效益、新產品的開發(fā)能力,決定著一個國家制造業(yè)的國際競爭力,已經成為衡量一個國家科技與產品制造水平的重要標志。

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模具工業(yè)發(fā)展現狀

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,產品更新換代加快,這對周期長、成本高、設計制造過程復雜的傳統(tǒng)模具制造方式提出嚴峻挑戰(zhàn)。如今千變萬化的市場需求已使傳統(tǒng)的模具設計制造模式難以望其項背,廣大廠商力求縮短產品上市時間,志在占領更多市場份額,對模具設計與制造方式提出了更快、更高的要求,如今多數模具制造商廣泛采用CAX系列技術進行模具設計、制造。設計方面:一方面利用CAD軟件(I-DEAS、CATIA、Pro/E等)建立產品的三維數字實體模型,在此基礎上進行模具設計;或者是利用先進制造技術(Advanced Manufactuing Technology,AMT)中的快速原型制造(Rapid Prototyping,RP)技術、虛擬制造技術(VirtualManufacturing Technology,VMT)、反求技術(Reverse Engineering,RE)獲得產品實物數字模型;基于上述獲得的三維模具數字模型進行相關的CAE分析(Autoform、Moldflow等),以此優(yōu)化模具結構設計。制造方面:為滿足客戶對產品質量高標準的要求,應盡可能的提高模具的加工精度,需采用高速銑削技術(HSM)、激光加工技術、先進的精密測量技術、新型模具標準件、先進的模具修復和拋光技術以及高性能、高品質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,在模具設計及其制造的過程中所涉及到的軟件和設備的投資非常大,動輒上百萬,但其利用率卻不高。如何利用現代技術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)勢的敏捷生產體系,最大限度地提高設計與制造資源的利用效率,從而快速地響應市場機遇,解決設計、制造過程中出現的種種問題,實現快速、優(yōu)質、低成本的開發(fā)模具產品是模具行業(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絡化智能制造新模式,其借用了“云計算”的思想,它融合現有信息化制造、云計算、物聯網、語義Web、高性能計算等技術,通過對現有網絡化制造與服務技術進行延伸和變革,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營,實現智能化、多方共贏、普適化和高效的共享和協(xié)同,通過網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)質廉價的服務?，F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,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,形成模具設計制造資源池。利用互聯網,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,實現設計及制造資源的共享,投入和風險的均攤,轉變模具設計與制造的模式,快速響應市場需求,為廣大廠商提供優(yōu)質、高效的按需服務?；诰W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)內相應的制造資源和設計服務能力;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”—模具服務平臺根據用戶提交的任務請求,智能調配在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絡制造新模式。與已有的網絡化制造、制造網格(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。它與制造網格的“集中使用分散資源”的模式不同,其在強調“集中共享分散資源”的同時,更多體現“分散調配集中資源”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)生產模具產品所需軟(CAX系列軟件)、硬(制造設備)資源整合為“云制造”-模具服務平臺。借助于互聯網連接到該平臺的所有用戶均可向其提出產品設計、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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模具云制造的架構模式

根據模具設計、制造過程及其特點,提出了一種模具制造云的架構模式,如圖2所示。

4.1 CAD層

(1)依據客戶提供的產品零件圖,首先設計人員利用CAD軟件的建模模塊進行產品的造型設計,獲取合理的產品數字實體建模,一方面將其導入CAD軟件的模具設計模塊進行模具結構設計(比如NX軟件的Mold Wizard)得到模具的數字模型;另一方面,將獲取的數字實體模型利用RP技術基于分層離散—連續(xù)平面薄層堆積的原理進而實現快速獲得模具成品。對于產品實物利用接觸式或非接觸式的測量或掃描設備進行測量,將測得數據進行曲面重構,獲取產品數字模型,同樣利用CAD軟件的模具設計模塊進行模具結構設計。

(2)對于“短小精復”的模具零部件,利用RE技術獲得該零件的數字模型,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,在此基礎上修改不恰當的設計,優(yōu)化模具結構,減少試模、修模次數,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構設計提供幫助,減少模具開發(fā)設計時間及試模周期。

(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模型基礎上,以IGES、STEP、IDEAS等CAD系統(tǒng)數據資料格式導入CAM軟件獲取數控程序和刀具加工時的運動軌跡,最后利用網絡或者移動存儲設備將其傳遞至加工終端—數控或者特種加工設備實現模具零件的加工。以某一鼠標上蓋的型芯為例:首先,依據該鼠標上蓋的零件圖及其加工要求,采用CATIA完成零件的CAD設計,生成三維實體模型;其次,將構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,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。

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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中心和丙科研所模具技術中心三方協(xié)作進行發(fā)動機覆蓋件模具設計制造。由甲公司根據汽車公司提供的產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,然后導入CAD軟件中進行覆蓋件模具結構設計的開發(fā);此任務完成經由“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由云制造平臺傳至丁公司和丙的模具技術中心分別進行發(fā)動機覆蓋件模具的工藝零件和結構零件的協(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,經過招標后由戊客戶提供所需的標準件(導柱、導套、螺釘、銷釘等);該模具的所有零部件經檢測無誤后,由“云制造”—模具服務平臺協(xié)調后同期回到甲公司模具中心進行裝配、調試,經試模成品合格后,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備和特種加工、高速加工設備)在“云制造”—模具服務平臺智能調度協(xié)調下,完成模具的設計、制造過程,實現分布資源同步參與。該案例體現了“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,平臺根據格里森齒輪零件的形狀,推薦由丙科研所模具技術中心和甲公司模具中心協(xié)同完成該任務。甲公司根據格里森齒輪的形狀,經RE后進行重構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絡將CAM加工程序傳遞至丙科研所模具技術中心的高速數控加工設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)的技術難題。在“云制造”—模具服務平臺實現“分散調配集中的各種資源”,即匯聚分布資源進行集中調控,為多個中小模具制造企業(yè)同時提供設計制造服務。

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基于云制造的模具設計制造模式,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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