快速模具网络化制造服务平台的研究与开发(上)
<p> 0前言</p><p> 制造业竞争已经走过了价格、质量为主的时期，90年代以后对商业机遇的响应速度成为竞争的第一要素。模具是影响新产品快速开发的关键因素。基于RP的RT技术由于技术集成度高，由数字原型到物理原型转换速度快，与采用传统数控技术制造模具相比，制造周期仅为前者1/10~1/3，生产成本为前者1/5~1/3。因而，基于RP的快速模具制造已成为当前模具制造业的热点，并被广泛的研究和应用。该技术被美国汽车工程杂志评为全球15项重大技术之首，受到全球制造业的广泛关注。因为快速模具制造需要RE，CAD，CAE，RP，RT等设备和专业技术的支持。而RP&M中的RE，RP，RT设备投资大，同时对企业技术人员的素质要求较高。一般中小企业很难投资建立全线的新产品的快速开发系统。于是一批专门为客户制作RP原型和RT模具的服务中心就应运而生了，但是各个中心很难完全拥有全线的快速开发技术，一般仅有该项技术中的部分技术资源，另外具有这种技术的生产力中心国内也仅有十几家，因此也就决定了国内企业大部分的新产品快速开发是通过异地完成的，传统的异地开发模式(人员流动、图纸流动、产品流动)会使新产品快速开发技术不具有快速、低成本的优点，限制了RP&M技术优势的发挥。</p>
<p> 当前，一种全新的思维—强调服务质量的鲁棒工程，正在成为制造企业在21世纪赢得全球竞争的基本战略，这就要求制造企业加强对“服务”问题的研究，也就是在数字化制造技术迅速发展的同时，必须将数字化服务无缝地集成到企业的设计和制造环境中。所以，研究和开发了快速模具网络化制造服务平台。</p>
<p> 1快速模具集成制造系统的组成</p>
<p> 基于RE/CAD/CAE/RP/RT快速模具开发制造系统由3个原型子系统组成：数字原型、物理原型和快速模具制造系统。数字原型的主要功能是快速构建三维实体的数字模型。如果是进行模具的创新设计，使用Pro/Engineer，Unigraphics或Solidworks等三维CAD软件，直接构造三维数字模型。如果是实物模型，采用反求工程(RE)，获得三维CAD模型。所谓反求工程就是将实物转变为CAD模型相关的数字化技术和几何模型重建技术的总称。</p>
<p> 通过反求工程构建三维CAD数字模型的步骤是：</p>
<p> ①实物的三维离散采样；②数据的预处理；③三维曲面重构；④CAD模型的检查与修正。</p>
<p> 三维坐标点采集和三维曲面的重构是反求工程的关键技术。三维数据采集的方法主要有：三坐标测量法(CMM)、激光扫描法、工业CT、核磁共振法(MRI)和层去图像法。这些方法都有各自的特点和应用范围，具体选用何种测量方法应根据被测物体的形状特征、精度要求和应用目的来决定。获得实物的数字模型后，即可在三维CAD软件中对数字模型进行修改或再设计。无论是创新设计还是通过实物反求获得的CAD模型，均以STL格式输出，作为快速成型的输入。快速成型是80年代后期发展起来的一种全新先进制造技术，它集CAD技术、数控技术、激光技术、新材料技术等于一身，在计算机的控制下通过材料累加方法直接将CAD数字模型快速生成三维实体模型，被认为是近20年来制造领域的一次重大突破。它不同于传统的去除成形，而是基于离散/堆积原理，直接将三维数字原型转换成物理原型。它最大的特点是可以快速制造出任意复杂形状的物理原型。</p>
<p> 目前，快速成型已发展了十几种工艺方法，其中比较成熟并已商品化的方法主要有：光固化立体成型(SL)、选择性激光烧结(SLS)、熔融沉积成型(FDM)、叠层实体制造(LOM)、三维打印(3DP)等。快速模具是在RP技术基础上发展起来的一种新型模具制造技术，它可大大减少模具的生产成本和制造周期。基于RP的快速模具制造一般有直接法和间接法两种。直接制模法是采用RP技术直接制作模具，主要有SLS，LG，PDM和3DP等方法。间接制模是以RP原型作为样件间接制造模具的方法，根据所用材质不同，间接制模法可分为制作软制模具和硬制模具两大类，每一类又有不同的方法。细的又分解为硅橡胶制模、环氧树脂制模、电铸制模、金属喷涂制模、基于RP的精密铸造(陶瓷模、消失模、溶模、石膏模)及石墨电极研磨EDM制造钢模等方法。</p>
<p> 2服务平台的工艺流程及其功能设计</p>
<p> 快速模具网络化制造服务平台的工艺流程是：远程用户登录到服务中心的WWW门户网站，通过服务平台注册以后向服务中心提交其制造任务请求，服务中心对远程用户的任务进行分析，以确定是进行咨询服务，还是进行制造服务。如果是进行制造服务，服务平台将启动工艺规划器对该任务进行工艺规划，并根据工艺规划的结果进行生产成本的计算和生产制造周期的预估，通过远程报价系统给用户初步的报价。</p>
<p> 经用户初步确认后，即可与服务中心进行在线或离线商务洽谈，如果合同未成交，则将客户的信息存入客户关系管理模块中(CRM)，成为潜在用户。如果合同成交，则启动电子商务平台中的电子合同管理模块，进行正式合同的签订，并将用户的信息存入CRM中，成为正式客户。对于正式客户的制造任务，平台将进行制造任务的分析，根据工艺规划器对该任务分析规划的结果，确定各单项任务本服务中心是否具有此工艺能力，如果本服务中心具备此工艺能力，则由服务中心进行实施，并将生产制造过程中的信息存入制造任务管理和生产过程监控模块。以供远程用户进行生产过程的监控及生产进度的查询。</p>
<p> 如果本服务中心不具备此工艺能力，则需要协同制造企业的支持。服务平台将启动协同制造服务器，进行协同制造企业的规划，根据各企业的制造工艺能力、设备状况和企业的信誉度等，对服务中心不能完成的任务分配到各个协同制造企业中。服务中心和协同制造企业通过在线或离线商务洽谈，以确定协同制造企业是否接受此任务，如果不接受，重新规划；如果接受，进行在线合同签订。并将协同制造企业的信息存入CRM模块中。协同制造企业将生产制造过程的信息及时提交到制造任务管理和生产过程监控模块，以供远程用户进行生产过程的监控及生产进度的查询。</p>
<p> 根据快速模具网络化制造服务平台的工艺流程，结合数字化远程服务的功能需求，快速模具网络化制造服务平台在功能上被划分为：技术研究、典型案例、信息咨询、ASP工具集、客户管理、电子商务、制造服务、协同工具和系统导航九大功能模块。具体内容参见快速模具网络化制造服务平台功能模块图。</p>
<p> 技术研究主要向客户提供快速模具开发制造中的相关专业知识。主要包括技术简介、参考文献、站点链接三部分。远程用户通过技术简介可迅速获取快速模具开发制造的基础知识，并可通过参考文献和站点的链接进一步深入了解相关内容。典型案例就是通过一些典型零件的快速模具的开发制造方法，向远程用户展示快速模具制造在实际中的典型应用，给远程用户以具体的指导。根据零件及制造工艺的复杂程度，分为简单、中等和复杂3种典型案例。技术研究和典型案例主要向用户提供自助式服务。信息咨询模块主要提供RE，CAD/CAE，RP，RT的技术咨询，充分发挥服务中心在快速模具开发制造中的专业和人才优势，帮助客户解决在实际工作中的具体问题。ASP工具集主要包括RE/RP/RT工艺规划器、STL文件检查器、制作方向优化器、支撑自动生成器、分层优化器。RE/RP/RT工艺规划器主要根据零件数量、精度和制作时间等条件自动决策出最优RE，RP，RT实现方法；客户通过STL文件检查器自行对所提交STL文件进行校验并对模型的缺陷进行自动修复；制作方向优化器、支撑自动生成器和分层优化器主要向用户提供对RP的具体工艺参数规划。</p>
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