張　穎（北京城市學(xué)院，北京　101309）

工業(yè)4.0及其對(duì)模具制造業(yè)的影響

張穎
（北京城市學(xué)院，北京101309）

本文結(jié)合工業(yè)4.0的特點(diǎn)，描述了智能制造和智能工廠的組成結(jié)構(gòu)和工作原理。同時(shí)結(jié)合模具制造業(yè)，探討了智能制造在其中的一些具體應(yīng)用，希望能夠?qū)ξ覈?guó)模具制造業(yè)在工業(yè)4.0背景下，更好地完善智能制造的內(nèi)涵提供一些借鑒。

工業(yè)4.0；智能制造；模具制造業(yè)；3D打印技術(shù)

1　工業(yè)4.0與智能制造

工業(yè)4.0的核心理念是信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的深度融合，從而產(chǎn)生具有“人-機(jī)”、“機(jī)-機(jī)”相互通信能力的信息物理融合系統(tǒng)（CPS）。CPS將是一個(gè)包含計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和物理世界的復(fù)雜系統(tǒng)，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)的有機(jī)融合與深度協(xié)作，來實(shí)現(xiàn)信息世界與物理世界的緊密融合。結(jié)合制造業(yè)的發(fā)展，工業(yè)4.0提出了智能制造的概念，它是基于現(xiàn)代傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)以及人工智能技術(shù)，通過感知、人機(jī)交互、決策、執(zhí)行和反饋的方式，來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程、制造過程和企業(yè)管理及服務(wù)過程的智能化，是信息技術(shù)與制造技術(shù)的深度融合與集成。智能制造是一種可持續(xù)的制造模式，它有助于優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造過程，大幅度減少生產(chǎn)資料和能源的消耗以及各種廢棄物的產(chǎn)生，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)循環(huán)再生和減少污染。實(shí)現(xiàn)智能制造的智能工廠將由物理系統(tǒng)和虛擬信息系統(tǒng)組成，被稱為信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)（CPPS），它是未來制造業(yè)的重要組成單位。

2　工業(yè)4.0對(duì)模具制造業(yè)的影響

2.13D打印技術(shù)的使用

3D打印制造技術(shù)作為工業(yè)4.0生產(chǎn)模式的突破口，具有分布式制造的重要特征。3D打印制造技術(shù)是根據(jù)計(jì)算機(jī)的三維設(shè)計(jì)和計(jì)算，通過軟件程序和數(shù)控系統(tǒng)將特定功能材料逐層堆積固化的快速成型制造技術(shù)。

傳統(tǒng)的模具制造技術(shù)存在其自身局限，比如生產(chǎn)成本高，一般適用于與之對(duì)應(yīng)的注塑件或沖壓件的大規(guī)模生產(chǎn)。而且模具的開發(fā)技術(shù)難度大，特別是對(duì)于外觀復(fù)雜的工業(yè)產(chǎn)品或零件而言，其外觀越復(fù)雜，模具的研發(fā)費(fèi)用越高，開模周期越長(zhǎng)，加工成本越高。

3D打印技術(shù)可用來加工外觀復(fù)雜的產(chǎn)品，同時(shí)縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。對(duì)于那些生產(chǎn)成本較高的新模具，可以先通過3D打印的方式得到少量產(chǎn)品，待其投放市場(chǎng)后觀察動(dòng)態(tài)，再制造更多的模具來進(jìn)行大批量生產(chǎn)，這樣可以避免模具開發(fā)前期的投入過高對(duì)企業(yè)造成的潛在風(fēng)險(xiǎn)；3D打印技術(shù)可以精確地制造出零件中的任意結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，這些組成整套模具的零件被3D打印技術(shù)制造出來后，可以有效地知道模具的裝配工藝，避免模具在機(jī)構(gòu)和工藝上的設(shè)計(jì)失誤；在高端精密模具中，隨形冷卻水道的設(shè)計(jì)和應(yīng)用是很廣泛的，然而這里無法使用傳統(tǒng)的機(jī)械加工技術(shù)來完成，但3D打印技術(shù)能夠被用來制造此類復(fù)雜的模具，其效果可使模具在需要的部分快速降溫，縮短注塑件的成型周期，從而提高生產(chǎn)效率。

2.2模具的智能制造

根據(jù)工業(yè)4.0的特點(diǎn)，模具制造業(yè)可以通過運(yùn)用人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等手段改造生產(chǎn)流程、管理系統(tǒng)和商業(yè)模式，從而緩解該行業(yè)的生產(chǎn)成本高、開發(fā)周期短的壓力。營(yíng)造智能制造的生產(chǎn)環(huán)境，可以改變模具制造業(yè)的生產(chǎn)模式，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。例如日本最大的模具標(biāo)準(zhǔn)零件供應(yīng)商——米思米（MISUMI）公司，通過使用附著在零件上的RFID電子標(biāo)簽來自動(dòng)識(shí)別相應(yīng)的作業(yè)和制造流程，并通過這些信息，自動(dòng)重組、配置最適合的生產(chǎn)單元、生產(chǎn)線及工廠，從而不斷完善多品種、小批量的生產(chǎn)模式，使得更加靈活機(jī)動(dòng)的多品種、多需求生產(chǎn)和訂單管理成為可能。該公司的獨(dú)特業(yè)務(wù)模式，構(gòu)筑了其全球迅速交貨體制，實(shí)現(xiàn)了商業(yè)創(chuàng)新和流程、生產(chǎn)方式的再造；例如某模具制造公司通過對(duì)大規(guī)模生產(chǎn)的注塑件或沖壓件的產(chǎn)品的三維形態(tài)掃描和具體尺寸的大數(shù)據(jù)分析，將產(chǎn)品的尺寸缺陷反饋給模具制造設(shè)備，從而發(fā)現(xiàn)了用于規(guī)模生產(chǎn)的模具的局部缺陷。然后，該公司便可通過模具的三維CAD數(shù)字模型的改進(jìn)，指導(dǎo)3D打印設(shè)備，對(duì)已使用的模具進(jìn)行缺陷修復(fù)（局部三維再加工和局部修正）或者設(shè)計(jì)、制造新的模具來替代。整個(gè)測(cè)量、分析系統(tǒng)的數(shù)字化以及產(chǎn)品測(cè)量設(shè)備與模具制造設(shè)備的互聯(lián)，使得模具開發(fā)和改進(jìn)變得更加智能化；例如通過分析注塑件或沖壓件的產(chǎn)品訂單、庫(kù)存情況和半成品信息，智能化的模具制造工廠能夠合理地分析出目前生產(chǎn)線的產(chǎn)能狀況，并對(duì)是否需要制造更多的模具來支持生產(chǎn)線的問題作出判斷。

2.3模具的云制造

隨著制造業(yè)逐漸進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代，智能制造需要高性能的計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，這樣通過上游的計(jì)算機(jī)安裝SCADA數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送給云端進(jìn)行處理、存儲(chǔ)和分配，并在需要的時(shí)候從云端接受指令。如圖1所示的是一群機(jī)器人的云端控制模型。同樣的，通過上游計(jì)算機(jī)將模具制造的任務(wù)信息發(fā)送到云端，并將模具各個(gè)部分零件的三維制造信息合理地分配給相互連接的多臺(tái)3D打印設(shè)備，從而分布式地完成整個(gè)模具的3D打印制造任務(wù)。這樣就更加有效地實(shí)現(xiàn)了模具的快速開發(fā)，提高了模具的生產(chǎn)效率。

圖1　云端控制與機(jī)器人互聯(lián)模型

3　結(jié)束語(yǔ)

工業(yè)4.0所倡導(dǎo)的信息系統(tǒng)與物流系統(tǒng)正在深度融合中，而智能制造和智能工廠的概念也必將導(dǎo)致整個(gè)工業(yè)機(jī)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和社會(huì)結(jié)構(gòu)從垂直向扁平的分布式方向轉(zhuǎn)變。模具制造業(yè)作為制造業(yè)的重要組成部分，在加入智能制造的概念后，必然能夠?qū)崿F(xiàn)信息和物質(zhì)的智能互聯(lián)，更大程度地降低產(chǎn)品成本，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，這需要我們每一個(gè)人的智慧和努力。

［1］張曙.工業(yè)4.0和智能制造［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2014（08）：1-5.

［2］張曙.智能制造與未來制造［J］.現(xiàn)代制造，2014（01）：24-25.

［3］方曉霞，楊丹輝，李曉華.日本應(yīng)對(duì)工業(yè)4.0：競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)重構(gòu)與產(chǎn)業(yè)政策的角色［J］.經(jīng)濟(jì)管理，2015（11）：20-31.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.018