基于云制造的中小企業(yè)零件加工模式研究

逯振國，鐘佩思，劉梅，韓迎迎

(山東科技大學(xué) 先進制造技術(shù)研究中心，山東 青島 266590)

基于云制造的中小企業(yè)零件加工模式研究

逯振國，鐘佩思，劉梅，韓迎迎

(山東科技大學(xué) 先進制造技術(shù)研究中心，山東 青島 266590)

為提高中小企業(yè)在零件加工制造過程中資源的利用，分析了目前中小企業(yè)零件加工過程中存在的問題，提出了基于云制造的零件加工服務(wù)模式，建立了基于云制造的中小企業(yè)零件加工體系結(jié)構(gòu)及運行模式，研究了零件加工云制造服務(wù)平臺實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。

中小企業(yè)；零件加工；云制造；服務(wù)模式

0 引言

零件制造是一個國家的基礎(chǔ)行業(yè)，是國民經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。隨著工業(yè)的信息化發(fā)展，傳統(tǒng)的零件加工由于研發(fā)周期長、過程復(fù)雜、成本高、資源利用率低等特點，已經(jīng)不能滿足市場需求，零件需求企業(yè)對零件加工企業(yè)提出了更多產(chǎn)品工藝、品質(zhì)、生產(chǎn)周期上的要求，云制造技術(shù)作為一種先進的制造模式，將對零件加工行業(yè)產(chǎn)生深刻的影響。本文將中小企業(yè)零件加工與云制造相結(jié)合，重點研究基于云制造的零件加工服務(wù)模式、運行模式和關(guān)鍵技術(shù)等。

1 中小企業(yè)零件加工現(xiàn)狀

1.1 中小企業(yè)零件加工存在的問題

我國零件加工行業(yè)，經(jīng)過60多年的發(fā)展，積累了豐富的實踐經(jīng)驗，特別是改革開放以來的持續(xù)快速增長，已形成了較完整的加工體系，由于起步較晚，存在底子薄、技術(shù)水平低等難題。目前，中小零件加工企業(yè)存在如下問題：具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品較少，組織結(jié)構(gòu)不夠完善，技術(shù)創(chuàng)新能力低，在先進制造技術(shù)應(yīng)用方面，與發(fā)達國家也存在一定的差距；由于中小企業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施落后以及制造工藝不完善，導(dǎo)致零件產(chǎn)品品質(zhì)低下；中小零部件加工企業(yè)單機自動化、剛性自動化仍普遍存在，柔性制造單元和系統(tǒng)僅在少數(shù)企業(yè)中使用，導(dǎo)致復(fù)雜零件研發(fā)生產(chǎn)難度較大；整體方案解決能力較弱，協(xié)作企業(yè)的誠信度低。中小企業(yè)迫切需要一種資源按需要透明使用，制造即服務(wù)的零件加工模式。

1.2 零件云制造服務(wù)模式

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對為制造企業(yè)提供基于網(wǎng)絡(luò)化的制造服務(wù)開展了大量研究。李伯虎院士認(rèn)為云制造是一種面向服務(wù)、高效低耗和基于知識的網(wǎng)絡(luò)化智能制造新模式。它融合現(xiàn)有信息化制造、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、語義Web、高性能計算等技術(shù)，通過對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)化制造與服務(wù)技術(shù)進行延伸和變革，將各類制造資源和制造能力虛擬化、服務(wù)化，并進行統(tǒng)一、集中的智能化管理和經(jīng)營，實現(xiàn)智能化、多方共贏、普適化和高效的共享和協(xié)同，通過網(wǎng)絡(luò)為制造全生命周期過程提供可隨時獲取的、按需使用、安全可靠、優(yōu)質(zhì)廉價的服務(wù)。

零件云制造服務(wù)模式如圖1所示，由零件云制造服務(wù)提供者(PCMSP)、零件云制造需求者(PCSMD)和零件云制造運營者(PSMM)組成，以知識/智慧的支持來構(gòu)成一個統(tǒng)一整體。其中，由PSMM來搭建制造云服務(wù)平臺，服務(wù)平臺功能是提供各種資源的云化技術(shù)，包括資源的服務(wù)化描述、服務(wù)化封裝、服務(wù)注冊與發(fā)布等；調(diào)度與組合管理，由于云服務(wù)往往由不同服務(wù)提供者提供，且用戶的需求往往需要多個服務(wù)組合完成，因此該平臺需要提供面向需求的云服務(wù)調(diào)度、優(yōu)化和組合支持；云服務(wù)的運行與監(jiān)控管理，以可視化的形式監(jiān)控服務(wù)運行質(zhì)量。PCSMP將各種制造資源和能力封裝為云服務(wù)，接入服務(wù)平臺，以形成制造云；PCSMD通過平臺向制造云提出請求，并支付費用來完成自己所需零件加工服務(wù)。

圖1 零件云制造服務(wù)模式示意圖

2 中小企業(yè)零件云制造服務(wù)體系

2.1 體系結(jié)構(gòu)

為了合理分配中小企業(yè)零件制造過程中各加工資源，根據(jù)云制造工作原理和思想建立了一個零件制造加工的云服務(wù)體系結(jié)構(gòu)，如圖2所示，主要包括用戶層、服務(wù)平臺、中間件層和資源層四個部分，各部分的功能如下：

1) 用戶層：用戶層是資源需求企業(yè)、資源提供企業(yè)和平臺運營者等用戶與云制造服務(wù)平臺進行交互的接口，用戶可以通過軟件和網(wǎng)頁瀏覽器進入門戶，完成資源發(fā)布和使用平臺上的一系列資源能力；

2) 資源層：涵蓋了硬件資源、軟件資源及制造能力，硬件資源主要包括加工機床、鍛壓機床、鑄造機械、仿真設(shè)備、實驗設(shè)備、計算機硬件設(shè)備等，軟件資源主要是指CAD/CAE/CAPP/CAM、實驗數(shù)據(jù)、模型、知識等，制造能力主要包括論證、實驗、生產(chǎn)、管理等；

3) 中間件層：主要負(fù)責(zé)將零件加工過程中各企業(yè)資源能力接入平臺，制造資源和制造能力通過物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)、通過傳感器感知，虛擬化制造資源；

圖2 零件云制造服務(wù)體系結(jié)構(gòu)圖

4) 零件云制造服務(wù)平臺：基于中間件層的接口，是系統(tǒng)的核心功能層，提供云制造過程中至關(guān)重要的功能，負(fù)責(zé)將接入的資源形成云資源，將用戶需求形成云需求，實現(xiàn)用戶管理、能力評估、系統(tǒng)協(xié)作、成本核算、搜索匹配等服務(wù)功能。

2.2 基于云制造的零件加工運行模式

基于對云制造的認(rèn)識，根據(jù)零件設(shè)計、加工過程及中小企業(yè)的零件加工模式與技術(shù)裝備狀況，整合企業(yè)間制造資源和制造能力，提高整個社會制造資源和能力使用率，實現(xiàn)資源能力的交易，提出了一種基于云制造的零件加工運行模式，如圖3所示。由制造資源提供企業(yè)群提供各種加工制造資源，并通過物聯(lián)網(wǎng)/信息物理系統(tǒng)CPS(cyber physical system) 接入零件云制造服務(wù)平臺，通過虛擬化、服務(wù)化的過程物理資源歷、虛擬資源云池并管理虛擬資源。零件需求企業(yè)A向云服務(wù)云平臺提出制造需求，能過平臺進行需求建模并發(fā)布，經(jīng)過平臺匹配，需求任務(wù)可由企業(yè)B,C,D,E四個企業(yè)協(xié)作完成，此時平臺反饋任務(wù)分別給這四個企業(yè)。零件設(shè)計企業(yè)B按照自己的能力，可以對零件進行載荷計算、材料選取、確定尺過、結(jié)構(gòu)設(shè)計并進行校核等；企業(yè)C對零件加工工藝進行設(shè)計，并進行刀軌計算服務(wù)以及數(shù)控編程；企業(yè)D接收企業(yè)的數(shù)據(jù)，根據(jù)尺寸要求，通過Pro/E繪制零件三維模型，并導(dǎo)入ANSYS進行有限元分析來判斷是否符合品質(zhì)強度要求，不合格反饋給企業(yè)B，重新設(shè)計，直至合格；此時，由零件加工企業(yè)E接收企業(yè)B所得到的結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)C企業(yè)生成的數(shù)控編程數(shù)據(jù)以及企業(yè)D生成的三維模型，通過自身具備的數(shù)控機床和加工中心對零件完成加工，得到的零件產(chǎn)品通過物流發(fā)送零件需求企業(yè)A。

圖3 基于云制造的零件加工運行模式示意圖

2.3 平臺實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

基于云制造的零件加工服務(wù)平臺涉及的關(guān)鍵技術(shù)大致可以分為四類：服務(wù)平臺標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范、制造資源虛擬化技術(shù)、制造能力建模技術(shù)和服務(wù)平臺安全技術(shù)：

1) 零件制造服務(wù)平臺的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。中小企業(yè)云制造服務(wù)平臺的運行將涉及各種不同的大量的需求和資源信息，多種服務(wù)交易都需要平臺運營來處理，這些信息的異構(gòu)化和無序化都將阻礙資源的有效共享和集成，所以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范是中小企業(yè)零件云制造服務(wù)平臺實現(xiàn)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。

2) 制造資源的虛似化。將分散在不同地域、不同企業(yè)的異構(gòu)制造能力資源虛擬化并接入零件制造云制造服務(wù)平臺，實現(xiàn)廣域軟硬件資源的集中管控和全面共享，是零件制造過程中各類機床裝備及其加工運行過程能在平臺上去行的前提。

3) 制造能力建模。云制造過程中涉及大量不同企業(yè)、不同類型的制造資源，將制造資源虛擬化接入平臺以后，建立與之對應(yīng)的模型，以支持用戶在眾多接入資源中發(fā)現(xiàn)匹配最優(yōu)制造資源，是零件云制造過程中又一關(guān)鍵技術(shù)。

4) 服務(wù)平臺安全技術(shù)。云制造過程和企業(yè)的利益息息相關(guān)，服務(wù)平臺涵蓋了接入企業(yè)的大量數(shù)據(jù)信息，制造過程的安全性和可靠性至關(guān)重要。

3 結(jié)語

中小企業(yè)的零件云制造平臺是一個新概念，相關(guān)技術(shù)在國內(nèi)剛起步。為了促進中小企業(yè)零件加工行業(yè)的發(fā)展，克服傳統(tǒng)零件制造模式的缺陷，本文研究了零件云制造服務(wù)模式與體系結(jié)構(gòu)，闡述了云制造實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)等。由于理論研究成果的限制以及軟硬件設(shè)備配置不完善，云制造下的零件加工模式的實現(xiàn)還存在一些問題，如云制造過程的共性問題，其他與零件制造相關(guān)的技術(shù)難題。中小企業(yè)零件加工過程中云制造的應(yīng)用是一個必然趨勢，基于云制造的零件加工服務(wù)平臺將成為我國中小企業(yè)充分利用和共享制造資源，提升企業(yè)綜合競爭力的重要支撐手段之一。

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Research on Part Processing Mode in Medium-sized and Small Enterprises Based on Cloud Manufacturing

LU Zhen-guo, ZHONG Pei-si, LIU Mei, HAN Ying-ying

(AdvancedManufacturing Technology Center, Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590, China)

In order to improve the resource utilization during part processing in medium-sized and small enterprises, this paper analyzes the problem which exists in the part processing, puts forward its service mode based on the cloud manufacturing， establishes its architecture and running mode based on the cloud manufacturing and researches on the key technologies for its service platform.

medium-sized and small enterprises;part processing;cloud manufacturing；service mode

山東省自然科學(xué)基金資助項目(ZR2011EEM014)

逯振國(1987-)男，山東菏澤人，碩士研究生，從事先進制造技術(shù)及機械制造方面的學(xué)習(xí)研究。

TH16

B

1671-5276(2014)02-0085-02

2013-03-07