龔 雯

GONG Wen

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院，北京 100023）

0 引言

模具工業(yè)是現(xiàn)代制造業(yè)的基礎(chǔ)性工業(yè)，它在汽車制造領(lǐng)域、航空航天裝備制造領(lǐng)域、電子與IT制造領(lǐng)域等都有廣泛的應(yīng)用，如何減少模具制造業(yè)對(duì)環(huán)境的損害，而又其可持續(xù)發(fā)展，是當(dāng)前面臨的一個(gè)重大課題。開展模具制造的重構(gòu)制造技術(shù)研究，減少能源消耗和環(huán)境污染以及材料資源的消耗對(duì)構(gòu)建資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)具有十分重要的意義。

1 模具重構(gòu)制造的意義

在知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，工業(yè)產(chǎn)品多品種、小批量、高質(zhì)量、低成本的特征更加顯著，滿足社會(huì)需求的基本方式是不斷地快速開發(fā)新產(chǎn)品，決定制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵是新產(chǎn)品的快速開發(fā)能力[1]。在這種大背景下，模具生產(chǎn)也朝著品種和數(shù)量增加、技術(shù)水平提高、生產(chǎn)周期縮短，生產(chǎn)成本降低的方向發(fā)展。模具生產(chǎn)的這些新特點(diǎn)進(jìn)一步增加了重構(gòu)制造技術(shù)在該行業(yè)應(yīng)用的緊迫性。

模具重構(gòu)制造的基本原理是在創(chuàng)新模具結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在模具產(chǎn)品壽命終結(jié)后，通過(guò)對(duì)大部分零部件的回收再利用，減少新模具零部件的制造數(shù)量，達(dá)到模具生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響最小,原材料和能源的利用效率最高的目的。

模具重構(gòu)制造符合模具技術(shù)發(fā)展方向和國(guó)家模具工業(yè)“十一五”發(fā)展重點(diǎn)規(guī)劃，符合先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展方向，有利于先進(jìn)制造技術(shù)在模具企業(yè)的推廣應(yīng)用，對(duì)增強(qiáng)企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，構(gòu)建資源節(jié)約型、環(huán)境友好型企業(yè)，實(shí)現(xiàn)模具的綠色設(shè)計(jì)與制造都具有十分重要的意義。具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）可較大幅度地縮短模具生產(chǎn)工期，增強(qiáng)企業(yè)的市場(chǎng)響應(yīng)能力，提高響應(yīng)速度。目前，工期是影響模具企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的主要因素之一，模具定制周期已從以前的幾個(gè)月縮短為3～4周，甚至更短的時(shí)間。模具的重構(gòu)制造可有效地縮短生產(chǎn)工期，有研究表明：將模具標(biāo)準(zhǔn)件使用覆蓋率由目前的40%左右提高到70%～80%，可節(jié)約模具加工工時(shí)25%～45%，縮短生產(chǎn)周期30%～40%[2]。

2）減少模具生產(chǎn)中的能源消耗，并實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約?；跇?biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)的模具生產(chǎn)可以實(shí)現(xiàn)：模具的模塊化設(shè)計(jì)，減少設(shè)計(jì)失誤，從而減少了返工、重制等情況的發(fā)生；實(shí)現(xiàn)模具的可重構(gòu)生產(chǎn)，有效減少資源消耗；形成批量生產(chǎn)規(guī)模，提高經(jīng)濟(jì)效益，并將有損環(huán)境的物質(zhì)排放降低到最小程度。

3）大幅度降低模具價(jià)值在產(chǎn)品制造成本中所占的比例，有效地提高了企業(yè)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。具備可重構(gòu)結(jié)構(gòu)的模具，絕大多數(shù)主體零部件均可實(shí)現(xiàn)再利用，減少了新加工零部件的數(shù)量，因而降低了模具設(shè)計(jì)制造成本。

4）有助于推進(jìn)相關(guān)模具國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制定和已有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)在企業(yè)的應(yīng)用。目前我國(guó)模具生產(chǎn)中，標(biāo)準(zhǔn)模架的使用率還不夠高，可重構(gòu)模具的出現(xiàn)有利于提高其使用率。

5）有助于模具行業(yè)數(shù)字化制造能力和企業(yè)信息化水平的提高，推動(dòng)模具制造方式由傳統(tǒng)制造向數(shù)字化制造轉(zhuǎn)變。

2 模具重構(gòu)制造的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 可重構(gòu)制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

從上世紀(jì)90年代開始，發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)行可重構(gòu)制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究以來(lái)，其廣闊的應(yīng)用前景日益受到制造業(yè)的重視。在1998年美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)發(fā)表的《2020年制造業(yè)面臨的挑戰(zhàn)》一文中，提出了未來(lái)20年制造企業(yè)面臨的六大挑戰(zhàn)和必須優(yōu)先解決的10項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，可重構(gòu)企業(yè)和可重構(gòu)制造系統(tǒng)均名列其中，可重構(gòu)制造系統(tǒng)甚至被列為10大關(guān)鍵技術(shù)的第一位。

目前，可重構(gòu)制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)為[3]：

1）在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)實(shí)用技術(shù)和支持系統(tǒng)工具，改變個(gè)別摸索或經(jīng)驗(yàn)型為科學(xué)化、標(biāo)準(zhǔn)化，并發(fā)展支持產(chǎn)品和系統(tǒng)工具；

2）在先進(jìn)制造戰(zhàn)略指導(dǎo)下，逐步建立完整的RMS理論、設(shè)計(jì)與規(guī)劃方法、測(cè)試和評(píng)價(jià)方法與工具，使之與其他先進(jìn)制造技術(shù)形成融合的技術(shù)群；

3）深入研究系統(tǒng)分解與集成的理論，與集成制造和CIMS等技術(shù)一起形成能建立和發(fā)揮系統(tǒng)“乘積效果”的科學(xué)重構(gòu)理論技術(shù)；

4）在模塊化理論指導(dǎo)下研究開發(fā)模塊化的裝置、機(jī)床裝備和產(chǎn)品，支持RMS技術(shù)在產(chǎn)品、設(shè)備設(shè)計(jì)與建造和重復(fù)利用中的應(yīng)用；

5）研究和開發(fā)支持RMS的系統(tǒng)集成管理、訂貨化商務(wù)和生產(chǎn)運(yùn)作管理，以及RMS小組組織與管理。

2.2 國(guó)內(nèi)模具可重構(gòu)制造現(xiàn)狀

可重構(gòu)制造在我國(guó)也倍受關(guān)注。從1997年起，國(guó)家自然科學(xué)基金和“十五”863計(jì)劃基金均資助了該方面的研究。如清華大學(xué)等進(jìn)行了快速可重構(gòu)制造系統(tǒng)科學(xué)原理和建模研究；中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研究了重構(gòu)制造理論和方法；華中科技大學(xué)研究了可重構(gòu)制造系統(tǒng)資源；南京航空航天大學(xué)研究了可重構(gòu)制造機(jī)床等。

在模具可重構(gòu)制造研究方面，吉林工業(yè)大學(xué)、大連理工大學(xué)、湖南大學(xué)等采用曲面重構(gòu)理論，進(jìn)行了模具可重構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究。如湖南大學(xué)提出了在給定設(shè)計(jì)公差的控制下，對(duì)重構(gòu)得到的模具型面進(jìn)行離散化，在離散后得到的小曲面片上用雙線性插值曲面近似原曲面片，進(jìn)一步處理后則用雙線性插值曲面的中平面近似原曲面的理論[4]；大連理工大學(xué)針對(duì)塑料異型材擠出模具正向設(shè)計(jì)難度大的問(wèn)題,提出了基于反求工程曲面重構(gòu)技術(shù)的塑料異型材擠出模具制造新技術(shù),重點(diǎn)研究了數(shù)據(jù)采集、半徑補(bǔ)償、數(shù)據(jù)對(duì)齊、曲面重構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)[5]。揚(yáng)州大學(xué)提出了一種可重構(gòu)的板料覆蓋件沖壓成形模具,使用若干個(gè)離散的可伸縮的壓桿組合成模具體，通過(guò)更換與板件局部形狀近似的沖壓頭和調(diào)節(jié)壓桿的伸縮量構(gòu)成模具成形面[6]。

但在生產(chǎn)領(lǐng)域，模具的回收再利用、可重構(gòu)生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用程度很低。大多數(shù)企業(yè)仍然采用傳統(tǒng)的制造思想組織生產(chǎn),即只根據(jù)市場(chǎng)信息或客戶要求設(shè)計(jì)生產(chǎn)和銷售產(chǎn)品,一般僅僅考慮模具產(chǎn)品的基本屬性，如模具的功能、質(zhì)量、成本和壽命等，幾乎不考慮模具產(chǎn)品生命周期的后半段，即回收再利用問(wèn)題。因此，相當(dāng)數(shù)量的模具，特別是中小型模具在使用后就成了一堆廢棄的“垃圾”，這也是產(chǎn)品中模具成本居高不下的一個(gè)重要原因。

隨著環(huán)境保護(hù)要求的日益緊迫和原材料價(jià)格的不斷攀升，越來(lái)越多的模具企業(yè)已認(rèn)識(shí)到了重構(gòu)制造對(duì)企業(yè)發(fā)展的益處，許多生產(chǎn)大中型注塑模架的企業(yè)正在加緊模具功能構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化研究工作，并已取得良好效果。

3 模具可重構(gòu)制造系統(tǒng)總體模型及工作流程

模具可重構(gòu)制造系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)具有如下功能：1）根據(jù)制件形狀、結(jié)構(gòu)等特征判別模具類別。通過(guò)智能計(jì)算和功能—結(jié)構(gòu)映射過(guò)程，選擇模具分類知識(shí)庫(kù)中的功能結(jié)構(gòu)模型。2）輸入制品尺寸等參數(shù)，在數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行搜索，確定各設(shè)計(jì)尺寸，輸出工作圖紙。3）模擬模具裝配的過(guò)程，查看模具各部分的層次關(guān)系、位置關(guān)系和連接關(guān)系。在模具裝配圖支持下，尋找模具各零部件間的各種制約關(guān)系完成裝配過(guò)程，并生成裝配圖。4）對(duì)回收再利用的模具進(jìn)行功能等方面的評(píng)價(jià)，收入再制造模具庫(kù)。

圖1 模具可生構(gòu)制造系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

可重構(gòu)制造系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

圖2 模具可重構(gòu)制造系統(tǒng)工作流程

4 開發(fā)注塑模具可重構(gòu)制造系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題

4.1 可重構(gòu)制造的注塑模具結(jié)構(gòu)研究

可重構(gòu)制造的注塑模具結(jié)構(gòu)研究主要應(yīng)重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：制件的分類；模具的分類；制件結(jié)構(gòu)特征與模具重構(gòu)結(jié)構(gòu)的關(guān)系；模具可重構(gòu)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化模型；模具重構(gòu)結(jié)構(gòu)性能的評(píng)價(jià)。具體內(nèi)容如下：

1）通過(guò)對(duì)注塑制品結(jié)構(gòu)特征與注塑模具結(jié)構(gòu)特征間關(guān)系的分析，找出與模具重構(gòu)制造要求相適應(yīng)的模具分類體系，并確定分類標(biāo)準(zhǔn)和方法。

2）研究模具零部件功能綜合問(wèn)題，找出模具可重構(gòu)制造分類體系標(biāo)準(zhǔn)模型，實(shí)現(xiàn)模具的可回收和拆卸設(shè)計(jì)。

3）研究模具零部件的標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題，如設(shè)計(jì)參數(shù)系列、互換性和組合率等。

4）對(duì)所提出的模具重構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析評(píng)。模具結(jié)構(gòu)受經(jīng)濟(jì)性、制造工藝性、制品質(zhì)量等諸多因素影響，因而重構(gòu)制造模具結(jié)構(gòu)方案必須進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，以確定方案的可行性。評(píng)價(jià)采用多種形式：使用注塑模具設(shè)計(jì)軟件，驗(yàn)證可重構(gòu)模具的裝配性；應(yīng)用實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證和專家模糊評(píng)價(jià)方法驗(yàn)證可重構(gòu)模具合理性和生產(chǎn)性能；采用成本核算的方法驗(yàn)證可重構(gòu)模具的經(jīng)濟(jì)性等。

4.2 知識(shí)庫(kù)構(gòu)建技術(shù)

采用層次—關(guān)系模型相結(jié)合的方式建立可重構(gòu)制造系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)。第一層為注塑產(chǎn)品分類層，第二層為按產(chǎn)品劃分的重構(gòu)制造標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)體系，第三層是各分類體系中的零部件分類，如定模組合部件、動(dòng)模組合部件、相應(yīng)的導(dǎo)向及規(guī)范性的注射系統(tǒng)元件等，最后確定每一個(gè)類別零部件的尺寸參數(shù)。

4.2.1 模具工程數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建

模具工程數(shù)據(jù)庫(kù)采用參數(shù)化圖庫(kù)。包括模具資源庫(kù)和模具設(shè)計(jì)算法庫(kù)。模具資源庫(kù)包括模具可重構(gòu)零部件數(shù)據(jù)庫(kù)、可重構(gòu)零部件圖形庫(kù)、設(shè)計(jì)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)三部分；模具設(shè)計(jì)算法庫(kù)主要包括需更換和重新設(shè)計(jì)制造的零部件如成型零部件強(qiáng)度、剛度計(jì)算知識(shí)等。為了便于零部件數(shù)據(jù)的管理與擴(kuò)充，零部件數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用相同的數(shù)據(jù)格式對(duì)元件進(jìn)行描述。由于每種零部件有若干規(guī)格，且每一種零部件的功能特征數(shù)目不同，因此可采用三個(gè)表，即一般信息表、規(guī)格尺寸表和特征信息表，來(lái)分別描述模具可重構(gòu)零部件的不同信息。

模具重構(gòu)設(shè)計(jì)算法庫(kù)主要是為在重構(gòu)制造中，需要新制的模具零部的設(shè)計(jì)計(jì)算提供方便，如模具成型零部件強(qiáng)度、剛度、壁厚等計(jì)算。設(shè)計(jì)算法庫(kù)的設(shè)計(jì)思想是：將不同類型模具的算法存入算法庫(kù)中，并由這一類模具唯一標(biāo)志這一算法。算法庫(kù)還包含以下一些與算法有關(guān)的數(shù)據(jù)：算法所對(duì)應(yīng)的模具類別號(hào)、算法入口參數(shù)的數(shù)量、出口參數(shù)的數(shù)量、入口參數(shù)的描述、出口參數(shù)的描述等。

4.2.2 再制造模具質(zhì)量評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建

對(duì)回收再利用的模具從外觀、尺寸、運(yùn)動(dòng)精度、功能等多方面進(jìn)行檢驗(yàn)，其評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與新模具設(shè)計(jì)時(shí)相同。通過(guò)檢驗(yàn)的各評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值輸入后，系統(tǒng)通過(guò)調(diào)用模具設(shè)計(jì)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)信息，進(jìn)行對(duì)比，再確定在重構(gòu)制造中，哪些零部件需要新制，哪些零部件可以再用。

4.2.3 模具分類知識(shí)庫(kù)構(gòu)建

以制件形狀、結(jié)構(gòu)為主線劃分制件的類別，分為薄片類、單面有孔薄片類、雙面有孔薄片類、無(wú)孔腔體類、底面帶孔腔體類、側(cè)面帶孔腔體類、側(cè)面及底面帶孔腔體類等七大類。注塑制件應(yīng)該歸屬哪一類，通過(guò)智能推理完成。

系統(tǒng)以采用模糊智能為佳，它能夠采用符號(hào)精確地或模糊地來(lái)表示領(lǐng)域有關(guān)的信息和知識(shí)，并能對(duì)它們進(jìn)行各種模糊處理和推理，并可進(jìn)行不精確推理和知識(shí)不完備推理，知識(shí)庫(kù)中既有精確知識(shí)又可有模糊知識(shí)，可獲得領(lǐng)域?qū)＜姨峁┑亩喾N形式的知識(shí)。模具重構(gòu)制造過(guò)程中，具有較多的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，這些知識(shí)一般均為模糊知識(shí)，因此采用模糊智能非常適宜。

4.2.3 知識(shí)獲取

知識(shí)獲取就是把用于求解專門領(lǐng)域問(wèn)題的知識(shí)從擁有這些知識(shí)的知識(shí)源中抽取出來(lái)，并轉(zhuǎn)換為特定的計(jì)算機(jī)表示形式。模具重構(gòu)制造系統(tǒng)知識(shí)獲取可以采用知識(shí)獲取的原始模式和高級(jí)模式相結(jié)合的方法。

1）知識(shí)獲取原始模式

知識(shí)獲取原始模式為：

它是由知識(shí)工程師從領(lǐng)域?qū)＜夷抢锍槿☆I(lǐng)域知識(shí)，并把它轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)需要的表示形式，最后由系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)員把它進(jìn)一步表示成計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的形式送入知識(shí)庫(kù)中。在這種知識(shí)獲取模式中，知識(shí)工程師獲取知識(shí)的方法有會(huì)談式、案例分析式和歸納式等。知識(shí)獲取后，要對(duì)這些知識(shí)進(jìn)行定性鑒別和定量分析，并把各個(gè)部分、各個(gè)方面和各種因素聯(lián)系起來(lái)，從整體進(jìn)行認(rèn)識(shí)。

知識(shí)獲取的原始模式具有實(shí)現(xiàn)專家系統(tǒng)框架容易的特點(diǎn)。在模具重構(gòu)制造過(guò)程中，由于知識(shí)源主要是人類專家、教科書等，知識(shí)的形式多為不確定性知識(shí)和模糊性知識(shí)，因此采用該知識(shí)獲取模式可以取得很好的效果。

2）知識(shí)獲取高級(jí)模式

知識(shí)獲取高級(jí)模式為：

在該模式中，領(lǐng)域?qū)＜以谝粋€(gè)專門的編輯系統(tǒng)幫助下，按事先約定的格式，將專門知識(shí)通過(guò)鍵盤等輸入手段，送入知識(shí)庫(kù)緩沖器。編輯系統(tǒng)對(duì)緩沖器的知識(shí)進(jìn)行編輯，檢查語(yǔ)法和語(yǔ)義方面的錯(cuò)誤。若發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，由專家做相應(yīng)的修改直至確認(rèn)沒(méi)有問(wèn)題為止。

該知識(shí)獲取模式雖然實(shí)現(xiàn)專家系統(tǒng)框架比較麻煩，編程工作量大，開發(fā)周期長(zhǎng)，但是所開發(fā)的專家系統(tǒng)適應(yīng)性強(qiáng)，并且不需要知識(shí)工程師的參與或只需很少參與。對(duì)于系統(tǒng)中的一些確定性知識(shí)，如機(jī)械加工零件分類、誤差分類等，可以應(yīng)用這種知識(shí)獲取模式。

4.2.4 系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)和工具

采用C#做為系統(tǒng)開發(fā)工具。C#是Microsoft公司新推出的快速制造工具，它具有強(qiáng)大的程序設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)功能，其突出特點(diǎn)如下：

1）可視化用戶設(shè)計(jì)功能，把程序設(shè)計(jì)人員從復(fù)雜的界面設(shè)計(jì)中解脫出來(lái)。

2）可視化編程環(huán)境的“所見即所得”功能，使界面設(shè)計(jì)，編程簡(jiǎn)單化。

3）提供了能自動(dòng)生成SQL語(yǔ)句的功能和新的ActiveX數(shù)據(jù)對(duì)象ADO，快速建立數(shù)據(jù)庫(kù)的通信。

4）適用于大中型數(shù)據(jù)庫(kù)的開發(fā)，C#與Windows屬于同一平臺(tái)，有利于系統(tǒng)的推廣使用。

[1]馮小軍.快速模具模塑成形的數(shù)值分析及過(guò)程智能控制系統(tǒng)研究[D].同濟(jì)大學(xué),2006.

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[4]卿海鴿.大型覆蓋件模具型面重構(gòu)及在沖壓成形工藝中的應(yīng)用研究[D].湖南大學(xué),2006.

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