鑄鐵產(chǎn)品如何在云平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)虛擬制造

劉旭東，乃曉文

（共享智能鑄造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心有限公司，寧夏銀川 750021）

虛擬制造是集計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）和計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)（CAPP）于一體的技術(shù)，是在計(jì)算機(jī)中完成對(duì)現(xiàn)實(shí)制造過(guò)程模擬的一項(xiàng)技術(shù)。

虛擬制造在鑄造產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用稱為虛擬鑄造技術(shù)。虛擬鑄造技術(shù)主要包括鑄件設(shè)計(jì)、澆注充型、制芯、造型、合箱等過(guò)程的數(shù)值模擬及結(jié)果可視化等方面。許多鑄造企業(yè)已經(jīng)將虛擬制造技術(shù)應(yīng)用在鑄件設(shè)計(jì)中。這種鑄件設(shè)計(jì)的方法相比傳統(tǒng)的鑄件設(shè)計(jì)方法提高了10～30倍的設(shè)計(jì)效率。同時(shí)目前許多商品化的澆注過(guò)程模擬軟件如MAGMA軟件等，都具有利用二維圖像技術(shù)開發(fā)的計(jì)算結(jié)果可視化模塊，使用戶可以更直觀的觀察模擬結(jié)果，分析鑄件的成形過(guò)程。

虛擬制造與現(xiàn)實(shí)制造的交互，能夠?qū)崿F(xiàn)在信息空間里對(duì)大規(guī)模、復(fù)雜快速變化的生產(chǎn)系統(tǒng)給予明確的“規(guī)定”、“推斷”和“預(yù)測(cè)”,具有廣泛的應(yīng)用前景。本文進(jìn)一步研究了虛擬制造技術(shù)在云平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)方式，闡述了鑄鐵產(chǎn)品在云平臺(tái)中的虛擬制造。

1 虛擬制造系統(tǒng)平臺(tái)

鑄鐵產(chǎn)品在云平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的策劃、虛擬設(shè)計(jì)、虛擬制造以及與現(xiàn)實(shí)制造的交互，首先需要在工業(yè)云端搭建系統(tǒng)平臺(tái)，來(lái)支持這樣的云端策劃、設(shè)計(jì)與交互。

1.1 虛擬制造系統(tǒng)平臺(tái)簡(jiǎn)介

虛擬制造系統(tǒng)平臺(tái)就是基于工業(yè)云，在網(wǎng)絡(luò)云端部署服務(wù)器。用戶可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)直接訪問(wèn)系統(tǒng)平臺(tái)，在系統(tǒng)平臺(tái)中制定鑄鐵產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案，而且可以利用系統(tǒng)平臺(tái)確定設(shè)計(jì)方案是否能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的生產(chǎn)條件。最后,系統(tǒng)平臺(tái)能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)化為現(xiàn)場(chǎng)可執(zhí)行的制造方案。現(xiàn)場(chǎng)能夠通過(guò)制造方案來(lái)控制實(shí)際生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)提高現(xiàn)場(chǎng)投產(chǎn)成功率的目標(biāo)。具體執(zhí)行流程見(jiàn)圖1。

虛擬制造系統(tǒng)平臺(tái)功能主要包括：鑄鐵產(chǎn)品在成形、熔煉、精整方面的難點(diǎn)分析與報(bào)價(jià)；在成形、熔煉、精整方面的工藝設(shè)計(jì)方案的確定；設(shè)計(jì)方案與制造方案之間的轉(zhuǎn)化；參數(shù)傳遞與數(shù)據(jù)分析；專家?guī)炀S護(hù)及其他。

1.2 虛擬制造系統(tǒng)平臺(tái)功能介紹

1.2.1 難點(diǎn)分析與報(bào)價(jià)

圖1 系統(tǒng)平臺(tái)工作流

產(chǎn)品在系統(tǒng)平臺(tái)中，首先進(jìn)行信息的錄入。錄完產(chǎn)品的基本信息后，開始對(duì)產(chǎn)品的“執(zhí)行難點(diǎn)”進(jìn)行分析。在系統(tǒng)平臺(tái)中的“難點(diǎn)分析”模塊，按照需要從鑄鐵產(chǎn)品的理化、尺寸、檢驗(yàn)、外觀等方面進(jìn)行專項(xiàng)的評(píng)判。評(píng)判的依據(jù)來(lái)自于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或者內(nèi)部制定的執(zhí)行水平，基于此來(lái)確定產(chǎn)品是否可以在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行生產(chǎn)。

在“難點(diǎn)分析”模塊，可以自定義理化、尺寸、檢驗(yàn)、外觀等方面的控制要素，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于不同產(chǎn)品的個(gè)性化設(shè)定。從這些自定義的控制要素中，可以自行定義重點(diǎn)的控制要素。在系統(tǒng)平臺(tái)，可以基于這些重點(diǎn)的控制要素，從“國(guó)標(biāo)庫(kù)”（包含美標(biāo)、日標(biāo)、歐標(biāo)、中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)等主流標(biāo)準(zhǔn)）或者“自定義標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)”（用戶自行按照內(nèi)部要求制定的標(biāo)準(zhǔn)要求）中按照一定的規(guī)則匹配出類似產(chǎn)品、類似材質(zhì)、類似規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)值，供策劃人員參考。以這樣的方式，實(shí)現(xiàn)多維度的分析產(chǎn)品難點(diǎn)。在最初的時(shí)候就明確產(chǎn)品的生產(chǎn)難度，從而避免后期由于產(chǎn)品難度未明確，生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)無(wú)法執(zhí)行的情況。

確定了產(chǎn)品的“難點(diǎn)”后，再進(jìn)行產(chǎn)品的方法策劃。目的是確定其生產(chǎn)的成形方法并核算預(yù)估成本。

產(chǎn)品的成形方法可以從四個(gè)維度進(jìn)行分析：質(zhì)量、成本、效率、可操作性。制定不同維度的控制標(biāo)準(zhǔn)，基于此確定產(chǎn)品的最終成形方法以及其他生產(chǎn)要求。依據(jù)確定的成形方法來(lái)核算初步的成本。成本可以劃分為六大類：直接材料、輔助材料、人工費(fèi)用、制造費(fèi)用、專項(xiàng)費(fèi)用、其他費(fèi)用。通過(guò)上面確定的“難點(diǎn)分析”以及“方法策劃”結(jié)論，確定每一項(xiàng)的成本。匯總后得到產(chǎn)品的最終成本，交付其他業(yè)務(wù)部門進(jìn)行報(bào)價(jià)溝通。

1.2.2 確定設(shè)計(jì)方案

產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案包含兩部分：初步的方案策劃和具體的設(shè)計(jì)內(nèi)容。在“方案策劃”階段，確定產(chǎn)品在定義的成形方法中執(zhí)行時(shí)，所需要控制的設(shè)計(jì)要素。“方案策劃”模塊確定了重要的設(shè)計(jì)要素，例如加工量、補(bǔ)正量、澆注方式等信息?；诖?，開始設(shè)計(jì)產(chǎn)品的具體設(shè)計(jì)方案。

以“成形”模塊的工藝設(shè)計(jì)為例，在“工藝設(shè)計(jì)”模塊，開始設(shè)計(jì)產(chǎn)品的具體設(shè)計(jì)方案。按照規(guī)范的步驟，依次確定產(chǎn)品的加工量、模樣砂芯、澆注系統(tǒng)、冒口、工裝、生產(chǎn)BOM和實(shí)際成本。在云平臺(tái)中，按照這樣的設(shè)計(jì)首先可以將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化。其次這個(gè)規(guī)范的步驟是基于1000多種不同類型的產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行總結(jié)的，依據(jù)這樣的設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)，可以將產(chǎn)品在各個(gè)生產(chǎn)工序所需要的設(shè)計(jì)參數(shù)都涵蓋確定。最后，基于此還可以在云平臺(tái)中制定生產(chǎn)BOM，最終形成完整的成本數(shù)據(jù)分析。以“成形”模塊為例，見(jiàn)圖2。

圖2 工藝設(shè)計(jì)模塊

通過(guò)上面的形式，在云平臺(tái)中進(jìn)行成形、熔煉、精整等方面的“工藝設(shè)計(jì)”，形成每個(gè)工序單獨(dú)的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)版本控制，將不同工序的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行銜接，最終匯總可以形成一套完整的設(shè)計(jì)方案。

1.2.3 制造方案的轉(zhuǎn)化

產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案需要轉(zhuǎn)化為現(xiàn)場(chǎng)可執(zhí)行的“制造方案”。只有這樣，才能指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。在云平臺(tái)中，完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案后，進(jìn)入“虛擬制造”模塊，設(shè)計(jì)產(chǎn)品的“制造方案”。

“制造方案”的設(shè)計(jì)是基于云平臺(tái)集成的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的（具體實(shí)現(xiàn)形式見(jiàn)圖3）。將產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案參數(shù)傳遞至生產(chǎn)仿真軟件中，生產(chǎn)仿真軟件通過(guò)這些設(shè)計(jì)參數(shù)，控制現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)線的運(yùn)轉(zhuǎn)，控制機(jī)械手等設(shè)備的運(yùn)動(dòng)，智能判斷是否能夠在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。最終在虛擬環(huán)境中完成全工序的執(zhí)行后，輸出現(xiàn)場(chǎng)可執(zhí)行的設(shè)備參數(shù)和人工參數(shù)。

利用這樣的方式，最終得到產(chǎn)品各個(gè)工序的制造方案，供現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與人員使用。在虛擬的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的策劃、設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)模擬，解決現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的大部分問(wèn)題。

1.2.4 數(shù)據(jù)的傳遞、反饋與分析

系統(tǒng)云平臺(tái)提供數(shù)據(jù)反饋與分析的功能。產(chǎn)品的制造方案設(shè)計(jì)完成后，傳遞給現(xiàn)場(chǎng)使用。通過(guò)設(shè)備終端，反饋現(xiàn)場(chǎng)具體的執(zhí)行情況。依據(jù)反饋的參數(shù)信息展開分析，具體統(tǒng)計(jì)分析的內(nèi)容見(jiàn)圖4。執(zhí)行方案在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際執(zhí)行情況可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析模塊進(jìn)行數(shù)字化的總結(jié)分析。

圖3 生產(chǎn)仿真分析

1.2.5 專家?guī)?/p>

系統(tǒng)平臺(tái)要實(shí)現(xiàn)鑄鐵產(chǎn)品虛擬設(shè)計(jì)與虛擬制造的交互，基礎(chǔ)在于專家?guī)斓拇罱?。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案與制造方案設(shè)計(jì)中，依托于專家?guī)鞌?shù)據(jù)，可以自動(dòng)依據(jù)關(guān)鍵信息推薦最類似的、質(zhì)量最優(yōu)的、問(wèn)題最少的方案。設(shè)計(jì)人員可以依據(jù)推薦的方案中進(jìn)行微調(diào)，實(shí)現(xiàn)高效率的設(shè)計(jì)。

在平臺(tái)中搭建“典型工藝庫(kù)”、“典型問(wèn)題庫(kù)”、“基礎(chǔ)資源庫(kù)”等專家?guī)臁Ｄ康脑谟趯v史的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為參數(shù)型數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存，實(shí)現(xiàn)人腦向電腦的轉(zhuǎn)化。在系統(tǒng)平臺(tái)中即時(shí)的維護(hù)、擴(kuò)充。不斷地歸納總結(jié)完善經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過(guò)這樣的方式，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的智能設(shè)計(jì)。

2 總結(jié)

圖4 統(tǒng)計(jì)分析

當(dāng)前鑄造業(yè)的生產(chǎn)方式在隨著社會(huì)的改變而進(jìn)步。若鑄造業(yè)固步自封，依舊依靠之前的生產(chǎn)手段，必然會(huì)被先進(jìn)的、高效的生產(chǎn)模式淘汰。在云平臺(tái)中設(shè)計(jì)鑄鐵產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案與制造方案是一種新的生產(chǎn)模式。

“虛擬制造系統(tǒng)”是實(shí)現(xiàn)這種新的生產(chǎn)模式的平臺(tái)。依靠系統(tǒng)平臺(tái)管理產(chǎn)品整個(gè)生命流程的設(shè)計(jì)方案。同時(shí)與實(shí)際結(jié)合，將設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)化為制造方案。從云端來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬制造生產(chǎn)，解決現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)的問(wèn)題。以此可以降低生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期，甚至可以依靠虛擬制造手段，在策劃階段就將生產(chǎn)中所遇到的問(wèn)題解決，最終達(dá)到“零缺陷”。