搜索基于云制造的模具协同设计与制造模式探析
2016-09-09 by:CAE仿真在线 来源:互联网
基于云制造的模具协同设计与制造模式探析
针对我国模具设计与制造业的现状,研究基于“云制造”的模具跨地区散布式设计与制造的模式,构建一种由分散的模具制造资源、“云制造”——模具服务平台及其用户端组成的模具协同设计与制造的架构模式,并以实例分析并探讨了在该模式下模具设计制造思路及其实施技术。通过对其工作流程的描述表明:该架构模式对于模具行业快速响应市场机遇,最大限度地提高设计与制造资源的利用效率,实现快速、优质、低成本的开发模具产品具有重要意义。
1引言
模具以其特定的结构通过一定的方式使材料成型,无论是在工业制品的生产,还是新产品的开发中都离不开模具。其作为现代工业生产的主要工艺装备之一,在国防工业、汽车、装备制造、仪器仪表、电子通讯产品和日常生活用品的生产中日益被广泛应用。利用模具生产不仅可实现高效、大批量而且还能降低成本、节约能源,故模具工业又被誉为整个制造业的“加速器”。现代模具工业是高技术背景下的工艺、资金密集型行业,其生产工艺水平及科技含量的高低,在很大程度上决定着产品的质量、效益、新产品的开发能力,决定着一个国家制造业的国际竞争力,已经成为衡量一个国家科技与产品制造水平的重要标志。
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上世纪80年代以来,我国模具工业发展十分迅速,发生了翻天覆地的变化,但在模具制造工艺、装备及模具设计水平上,总体上要比欧、美等发达国家落后许多。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。如今千变万化的市场需求已使传统的模具设计制造模式难以望其项背,广大厂商力求缩短产品上市时间,志在占领更多市场份额,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。设计方面:一方面利用CAD软件(I-DEAS、CATIA、Pro/E等)建立产品的三维数字实体模型,在此基础上进行模具设计;或者是利用先进制造技术(Advanced Manufactuing Technology,AMT)中的快速原型制造(Rapid Prototyping,RP)技术、虚拟制造技术(VirtualManufacturing Technology,VMT)、反求技术(Reverse Engineering,RE)获得产品实物数字模型;基于上述获得的三维模具数字模型进行相关的CAE分析(Autoform、Moldflow等),以此优化模具结构设计。制造方面:为满足客户对产品质量高标准的要求,应尽可能的提高模具的加工精度,需采用高速铣削技术(HSM)、激光加工技术、先进的精密测量技术、新型模具标准件、先进的模具修复和抛光技术以及高性能、高品质的新型模具材料及制造新工艺来完成模具各个零部件的加工、制造及装配。显而易见,在模具设计及其制造的过程中所涉及到的软件和设备的投资非常大,动辄上百万,但其利用率却不高。如何利用现代技术把地理上分布于不同地区的科研院所、模具制造企业的资源整合在一起,形成具有优势的敏捷生产体系,最大限度地提高设计与制造资源的利用效率,从而快速地响应市场机遇,解决设计、制造过程中出现的种种问题,实现快速、优质、低成本的开发模具产品是模具行业当前亟待解决的一个问题。
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3.1模具云制造模式
“云制造”是近期提出来的一种面向服务、高效低耗和基于知识的网络化智能制造新模式,其借用了“云计算”的思想,它融合现有信息化制造、云计算、物联网、语义Web、高性能计算等技术,通过对现有网络化制造与服务技术进行延伸和变革,将各类制造资源和制造能力虚拟化、服务化,并进行统一、集中的智能化管理和经营,实现智能化、多方共赢、普适化和高效的共享和协同,通过网络为制造全生命周期过程提供可随时获取的、按需使用、安全可靠、优质廉价的服务。现今,我国模具行业的专业化程度日益增高,致使企业间的相互合作日显重要。众所周知,模具制造属于单件小批生产,企业间的合作是松散的、非连续的,缘于某一套特定的模具使其有一定的相互协作。对此,将“云计算”的思想移植到模具设计、制造全生命周期过程中,将该过程中所需要用到的各种资源整合为一体,形成模具设计制造资源池。利用互联网,将分散于不同地域的模具企业连接到该平台上,借助于“云制造”—模具服务平台,实现设计及制造资源的共享,投入和风险的均摊,转变模具设计与制造的模式,快速响应市场需求,为广大厂商提供优质、高效的按需服务。基于网络、面向多用户的模具云制造模式,如图1所示。 
由模具制造资源共享端(Manufacturing Resource Sharing of Mould Cloud,MRSMC)、模具云用户端(User End of Mould Cloud,UEMC)和“云制造”—模具服务平台构成了模具云制造模式。MRSMC通过“云制造”—模具服务平台共享辖区内相应的制造资源和设计服务能力;UEMC通过“云制造”—模具服务平台发布客户端服务请求,“云制造”—模具服务平台根据用户提交的任务请求,智能调配在MRSMC端为用户寻找符合请求的匹配资源,为UEMC提供及时响应的按需服务。
3.2模具云制造特点
“云制造”—模具服务平台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、制造网格(MGrid)、应用服务提供商(Application Service Provider,ASP)相比,其具有以下特点:(1)全局服务的模式。它与制造网格的“集中使用分散资源”的模式不同,其在强调“集中共享分散资源”的同时,更多体现“分散调配集中资源”的理念;其服务模式不仅有“多对一”的模式,同时更加注重集中管理整个平台的分布式制造资源,为多个用户同时提供设计及制造服务,即“多对多”的模式。(2)全局的服务平台。与“云计算”的以计算资源的服务为中心不同的是,其主要针对模具行业,将企业生产模具产品所需软(CAX系列软件)、硬(制造设备)资源整合为“云制造”-模具服务平台。借助于互联网连接到该平台的所有用户均可向其提出产品设计、工作零件加工制造、试模装配、管理等制造全生命周期过程各类活动的业务请求,利用该平台将各类设计及制造资源以按需服务的方式提供给用户端。
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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架构模式,如图2所示。
4.1 CAD层
(1)依据客户提供的产品零件图,首先设计人员利用CAD软件的建模模块进行产品的造型设计,获取合理的产品数字实体建模,一方面将其导入CAD软件的模具设计模块进行模具结构设计(比如NX软件的Mold Wizard)得到模具的数字模型;另一方面,将获取的数字实体模型利用RP技术基于分层离散—连续平面薄层堆积的原理进而实现快速获得模具成品。对于产品实物利用接触式或非接触式的测量或扫描设备进行测量,将测得数据进行曲面重构,获取产品数字模型,同样利用CAD软件的模具设计模块进行模具结构设计。
(2)对于“短小精复”的模具零部件,利用RE技术获得该零件的数字模型,等待进一步的分析和制造。
4.2 CAE/CAM层
(1)利用CAD软件完成模具三维数字建模,将其导入CAE分析软件中进行仿真、模拟分析,在此基础上修改不恰当的设计,优化模具结构,减少试模、修模次数,缩短模具制造周期。如:利用Pro/E软件建立杯形件的CAD模型,以IGES格式导入ETA/DYNAFORM板料冲压成形模拟软件中,预测杯形件在成形过程中板料的拉裂、起皱、变薄及回弹的趋势,从而为杯形件成形工艺及模具结构设计提供帮助,减少模具开发设计时间及试模周期。
(2)对于制造周期短、单件、精度要求高、形状极其复杂的“短小精复”类模具零件,在CAD模型基础上,以IGES、STEP、IDEAS等CAD系统数据资料格式导入CAM软件获取数控程序和刀具加工时的运动轨迹,最后利用网络或者移动存储设备将其传递至加工终端—数控或者特种加工设备实现模具零件的加工。以某一鼠标上盖的型芯为例:首先,依据该鼠标上盖的零件图及其加工要求,采用CATIA完成零件的CAD设计,生成三维实体模型;其次,将构建好的三维实体模型保存为“STEP”或者“IGES”格式,利用CATIA和PowerMILL的接口技术,将三维实体模型导入PowerMILL中,完成鼠标上盖型芯的CAM加工编程。
(3)将上述加工好的模具零件及其外购标准件送至模具钳工处,进行的装配、试模,最终完成模具的生产。
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以某重型汽车发动机覆盖件模具的设计制造过程阐明模具云制造模式的工作流程,如图3所示。
某重型汽车公司要开发新款发动机覆盖件模具,向“云制造”—模具服务平台用户端提出请求后,将连接到该平台的各种资源进行匹配后,指定甲公司模具技术中心签署合同,生成模具云制造服务。甲公司接收上述任务后,在“云制造”平台的协同下与乙大学装备制造信息化技术中心和丙科研所模具技术中心三方协作进行发动机覆盖件模具设计制造。由甲公司根据汽车公司提供的产品实物进行反求获取“点云”,基于Imageware软件进行三维模型的重构,然后导入CAD软件中进行覆盖件模具结构设计的开发;此任务完成经由“云制造”—模具服务平台递至乙大学CAE分析中心进行覆盖件的Dynaform板料成形分析;乙大学分析无误后的模型经由云制造平台传至丁公司和丙的模具技术中心分别进行发动机覆盖件模具的工艺零件和结构零件的协同制造。此时,该模具所需的标准件的需求信息则由“云制造”平台发布,经过招标后由戊客户提供所需的标准件(导柱、导套、螺钉、销钉等);该模具的所有零部件经检测无误后,由“云制造”—模具服务平台协调后同期回到甲公司模具中心进行装配、调试,经试模成品合格后,平台确认合同执行完毕。
分属不同层、不同地域(甲公司和乙大学)的软资源(CAD、CAE软件)和硬资源(丙中心和丁公司的机加设备和特种加工、高速加工设备)在“云制造”—模具服务平台智能调度协调下,完成模具的设计、制造过程,实现分布资源同步参与。该案例体现了“云制造”—模具服务平台将“集中共享分散的各种资源”的理念。对于某塑料制品有限公司的格里森齿轮注塑模具型腔,它属于“短小精复”的模具零件,该公司通过“云制造”—模具服务平台在用户端上发布了请求,平台根据格里森齿轮零件的形状,推荐由丙科研所模具技术中心和甲公司模具中心协同完成该任务。甲公司根据格里森齿轮的形状,经RE后进行重构获取该塑件的三维实体模型,以“STEP”或者“IGES”格式将该模型导入PowerMILL中生成CAM加工程序,借助于该平台通过网络将CAM加工程序传递至丙科研所模具技术中心的高速数控加工设备上完成格里森齿轮注塑模具型腔的加工,解决了困扰该企业的技术难题。在“云制造”—模具服务平台实现“分散调配集中的各种资源”,即汇聚分布资源进行集中调控,为多个中小模具制造企业同时提供设计制造服务。
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基于云制造的模具设计制造模式,具有多用户、异地协同的特点。用“云制造”进行模具的分布式异地协同设计制造,可以提高软、硬资源的利用率,缩短模具的制造周期,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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