基于大數(shù)據(jù)和云技術(shù)的智慧制造在模具設計與制造中的應用研究

費曉瑜 鄭 偉 秦萬忠 李衛(wèi)強

（1.天津職業(yè)大學，天津 300410；2.天津川宇田科技有限公司，天津 300402）

智慧制造是一種基于大數(shù)據(jù)和云技術(shù)，面向服務和知識運用的人機物協(xié)同制造模式，在制造全生命周期過程中為客戶提供低成本、高效率的定制化制造服務。模具素有“工業(yè)之母”的稱號，一直以來被認為是衡量一個國家制造業(yè)水平的重要標志之一。智慧制造作為信息化與工業(yè)化高度融合的產(chǎn)物，給制造業(yè)帶來了新一輪革命，也為模具設計與制造整體水平的提升提供了一個新的途徑。

一、模具設計與制造發(fā)展現(xiàn)狀

目前，我國已成為制造大國，但還稱不上制造強國，模具行業(yè)亦然如此。我國模具產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，當前模具生產(chǎn)制造企業(yè)已達到2.5萬家，從業(yè)人員超過百萬，銷售額突破1700億元，總體規(guī)模龐大。但仍然存在開發(fā)周期長、制造成本高、質(zhì)量不穩(wěn)定、精度低、壽命差、海外和高端市場拓展能力弱等問題。互聯(lián)網(wǎng)時代產(chǎn)品迭代速度之快，對制造周期長、成本高、過程復雜的模具生產(chǎn)傳統(tǒng)制造模式提出了嚴峻挑戰(zhàn)。基于大數(shù)據(jù)和云技術(shù)的智慧制造能夠有效提升生產(chǎn)效率、完善管理結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，適應現(xiàn)代化的生產(chǎn)節(jié)奏。目前，智慧制造在模具設計與制造方面的應用尚處于研究探索階段，需更多的學者投入更多的時間去研究、實踐。

二、智慧制造的特征及其在模具設計與制造中的應用

1.智慧制造的特征

智慧制造是制造信息化的高級階段，是制造技術(shù)和信息技術(shù)不斷發(fā)展、融合的結(jié)果，具有豐富的內(nèi)涵和外延，在大數(shù)據(jù)、云計算、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的支持下，集成機器智能、普適智能、社會智能以及人的經(jīng)驗、知識和智慧等，通過人、機、物協(xié)同決策，為客戶提供個性化的制造服務，具有互聯(lián)化、虛擬化、協(xié)同化、網(wǎng)絡化、服務化、敏捷化、智能化、社會化、安全化等諸多特征。以工業(yè)大數(shù)據(jù)的智慧分析技術(shù)和基于云技術(shù)的智慧服務技術(shù)為核心的智慧制造絕不僅僅是生產(chǎn)裝備的智能化、自動化、數(shù)字化，而是包含了整個企業(yè)的智慧化運營。即利用大數(shù)據(jù)和云技術(shù)，把各個業(yè)務端打通，實現(xiàn)信息共享、資源高度整合、效率大幅提升。

2.模具設計與制造的關(guān)鍵要素

模具設計和加工分別占據(jù)模具成本的15%和25%，而且設計周期一般占整個生產(chǎn)周期的20%左右，制造周期占50%以上。模具設計是一個十分體現(xiàn)設計師水平和能力的工作，設計的合理與否直接影響模具的制造成本、加工難易以及使用壽命。模具設計主要包括確定工藝方案及模具結(jié)構(gòu)、主要零部件設計、建立3D數(shù)字模型、繪制2D零部件圖等流程，需要考慮成本、工序的可靠性和穩(wěn)定性、使用壽命、安全性等諸多因素。主要設計參數(shù)都需要精確的計算，甚至需要通過有限元分析進行優(yōu)化處理，方能保證模具的穩(wěn)定使用及產(chǎn)品的制造精度。模具加工則體現(xiàn)的是企業(yè)的裝備能力和生產(chǎn)調(diào)度能力，模具加工的優(yōu)劣與否直接影響模具的質(zhì)量和生產(chǎn)周期。模具加工的主要方式包括塑性成形、機械加工、數(shù)控加工、特種加工、鑄造、焊接、熱處理和表面處理等，加工設備和工人的技術(shù)、經(jīng)驗起到了決定性作用。合理的調(diào)度和企業(yè)的協(xié)同制造，能夠有效提升效率、降低成本。提高模具設計和制造效率，對整個模具產(chǎn)業(yè)有著重要的意義。

3.智慧制造在模具設計與制造中的應用

大數(shù)據(jù)重在信息的匯集與分析，云技術(shù)重在信息的整合與共享。基于大數(shù)據(jù)和云技術(shù)的智慧制造作為集企業(yè)2.0（Enterprise2.0）、語義網(wǎng)絡化制造、云制造、物聯(lián)智造（Smart Manufacturing，SM）為一體的智能化制造模式，對于提高模具加工資源的利用效率、縮短設計加工制造周期、降低企業(yè)生產(chǎn)成本、加快模具開發(fā)進程具有重要意義?；诖髷?shù)據(jù)和云技術(shù)的智慧制造通過虛擬化制造、網(wǎng)絡化制造、區(qū)域化制造和全球化制造的生產(chǎn)模式，打破時間、空間的約束，通過大數(shù)據(jù)、云計算協(xié)同企業(yè)資源，共享機加設備，從傳統(tǒng)的串、并行工作模式，轉(zhuǎn)變成矩陣型網(wǎng)格化工作模式，能夠切實提升模具企業(yè)的綜合市場競爭力，尤其能夠大幅提升區(qū)域型模具企業(yè)的整體水平。但模具企業(yè)的設計、生產(chǎn)數(shù)據(jù)一直被視為核心機密，一般不會輕易分享和公開，極大地制約了智慧制造在模具生產(chǎn)制造中的快速發(fā)展。因此，設計一種靈活、科學的智慧制造模型尤為重要。通過該模型，模具生產(chǎn)制造企業(yè)實現(xiàn)優(yōu)勢互補，生產(chǎn)資源共享，形成反應快速、執(zhí)行高效的生產(chǎn)體系和反饋系統(tǒng)，達到提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的目的。

三、模具智慧制造模型

1.模具智慧制造的體系架構(gòu)

根據(jù)模具制造流程和基于大數(shù)據(jù)與云技術(shù)的智慧制造，建立模具智慧制造體系構(gòu)架圖，如圖1所示。本體系構(gòu)架把模具生產(chǎn)制造分為設計、加工和售后服務三個環(huán)節(jié)。設計環(huán)節(jié)，設計師與模具定制客戶進行產(chǎn)品設計與造型的協(xié)調(diào)，并依托數(shù)據(jù)庫Ⅰ（數(shù)字化模型數(shù)據(jù)庫）進行模具的建模，數(shù)據(jù)庫Ⅰ主要包含已完成模具產(chǎn)品的3D模型、數(shù)字化模型和標準件數(shù)據(jù)庫等內(nèi)容；加工環(huán)節(jié)，工人技師依托設計師的設計圖紙和數(shù)據(jù)庫Ⅱ科學合理地安排生產(chǎn)任務，數(shù)據(jù)庫Ⅱ（加工資源與生產(chǎn)調(diào)度數(shù)據(jù)庫）主要包含系統(tǒng)內(nèi)企業(yè)的設備情況、生產(chǎn)能力以及可協(xié)調(diào)生產(chǎn)能力等內(nèi)容；售后服務環(huán)節(jié)，需要設計與加工進行技術(shù)支持，完成安裝調(diào)試，同時也需要對模具的使用情況進行跟蹤和信息采集，并對數(shù)據(jù)庫Ⅲ（售后服務信息數(shù)據(jù)庫）進行補充完善，數(shù)據(jù)庫Ⅲ主要包含安裝調(diào)試情況、產(chǎn)品穩(wěn)定性、維修情況及壽命等內(nèi)容。以三個數(shù)據(jù)庫為大數(shù)據(jù)和云技術(shù)核心的智慧制造體系，實現(xiàn)了對模具的設計、加工和售后服務的優(yōu)化協(xié)同以及模具全生命周期閉環(huán)管理。數(shù)據(jù)庫Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ相對獨立，可以根據(jù)需要自由開放任意一個或多個，并且給不同“用戶”不同的訪問權(quán)限，進一步提高數(shù)據(jù)的保密性和操作性。

圖1 模具智慧制造體系架構(gòu)圖

2.模具設計智慧制造模型

基于大數(shù)據(jù)和云技術(shù)的智慧制造，結(jié)合模具設計過程特點，建立模具設計智慧制造模型，如圖2所示?；凇皵?shù)字化模型數(shù)據(jù)庫”，設計師通過關(guān)鍵詞導入，利用云計算技術(shù)對擬設計產(chǎn)品與庫中已有產(chǎn)品的相似度進行對比，按照相似度由高到低排序?qū)С觯矗?0%、40%-60%、≥60%進行分類。設計師對導出結(jié)果進行研判并校準，研判結(jié)果一則通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)反饋“數(shù)字化模型數(shù)據(jù)庫”，作為調(diào)整準確度的重要依據(jù)；二則通過參考“售后服務信息數(shù)據(jù)庫”存儲的售后服務信息，進一步調(diào)整選擇最優(yōu)數(shù)字化模型?；谝堰x模型，利用UG、ProE等軟件進行建模，之后通過必要的有限元軟件進行優(yōu)化，完成產(chǎn)品設計，并將新的產(chǎn)品數(shù)模儲存到數(shù)字化模型數(shù)據(jù)庫中。按照某公司模具設計師的實際工作經(jīng)驗，該模型的應用可以節(jié)約設計時間20%左右，隨著數(shù)據(jù)量的不斷積累和云計算技術(shù)的不斷成熟，該節(jié)約比還會繼續(xù)提高。

圖2 模具設計智慧制造模型

3.模具加工智慧制造模型

基于大數(shù)據(jù)和云技術(shù)的智慧制造，結(jié)合模具加工過程特點，建立模具加工智慧制造模型，如圖3所示。基于“加工資源與生產(chǎn)調(diào)度數(shù)據(jù)庫”，生產(chǎn)調(diào)度中心向智慧制造協(xié)作平臺發(fā)布生產(chǎn)指令信息，指令信息包括所有的加工圖紙、技術(shù)指標、質(zhì)量標準、驗收標準，以及數(shù)量、價格、交貨期、交貨地點等加工合同所含的所有關(guān)鍵信息。數(shù)據(jù)庫根據(jù)庫中各加工廠的加工資源、可接訂單能力和信譽度等信息，智能屏蔽不滿足條件的加工廠。原則上，庫內(nèi)的所有滿足條件的加工廠均有機會接單，但設定生產(chǎn)指令發(fā)布企業(yè)擁有優(yōu)先接單權(quán)，并可以指定優(yōu)先接單工廠，發(fā)布公司或指定的優(yōu)先接單工廠在有效時間內(nèi)未接單，則由其他協(xié)作工廠競爭性拍單。經(jīng)訂單發(fā)布公司和接單工廠雙方確認無誤后，簽署電子協(xié)議書，加工合同正式確認。完成加工合同后，訂單發(fā)布公司和接單工廠對對方進行評價，評價結(jié)果存儲到“加工資源與生產(chǎn)調(diào)度數(shù)據(jù)庫”，用于數(shù)據(jù)庫的更新和完善。該模型的應用，一方面，能夠有效提高模具加工制造效率，降低生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期；另一方面，能夠有效提高加工工廠的設備利用率，并通過“搶單”的方式增強工廠的市場競爭意識和服務意識，實現(xiàn)良性發(fā)展。

圖3 模具加工智慧制造模型

四、結(jié)語

根據(jù)模具設計與制造流程，基于大數(shù)據(jù)和云技術(shù)的智慧制造，構(gòu)建了模具智慧制造體系架構(gòu)，建立了模具設計智慧制造模型和模具加工智慧制造模型。通過“數(shù)字化模型”“加工資源與生產(chǎn)調(diào)度”“售后服務信息數(shù)據(jù)庫”三個數(shù)據(jù)庫的科學使用，實現(xiàn)了對模具的設計、加工和售后服務的優(yōu)化協(xié)同以及模具全生命周期閉環(huán)管理，能夠有效縮短模具產(chǎn)品的設計周期、提升加工制造效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量，是模具設計與加工的智能化發(fā)展的一種新趨勢。

（責任編輯：鄒吉權(quán)）