探討分析模具產品的協同設計與制造

于正

摘 要：隨著科技的不斷進步，制造業正向數字化、全球化、網絡化的方向發展，產品的生命周期越來越短，新產品的上市速度越來越快。模具是制造業的基本工藝裝備，模具設計、制造的效率對產品的開發效率有決定性影響，制造業的發展要求模具制造企業必須具有更高的敏捷性，最大限度地縮短模具設計、制造周期，保證可靠的設計、制造品質，滿足客戶的要求。模具產品的協同設計與制造就是為了滿足這一需求而誕生的，本文在此背景下對模具產品的協同設計與制造進行了分析。

關鍵詞：模具產品 協同設計與制造 模具設計

1.協同設計與制造的內涵與特點

1.1協同設計與制造的內涵

協同設計是建立在并行工程的基礎上，較并行工程更進一步的一種現代設計方法。它是指在計算機的支持下，各成員單位圍繞一個設計項目，通過由計算機構成的支撐平臺，承擔相應的部分設計任務，并行交互地進行設計工作，最終得到符合要求的設計結果。

協同制造是一種實現快速響應市場和可持續發展的生產模式。其成員是物理位置分散的部門或企業，各自具有獨特的核心技術，組成協同制造企業是按市場機制通過競爭實現的。協同制造將圍繞新產品或新經營機制的產品生產過程，動態地建立網絡組織機構來進行產品的開發和生產。

1.2協同設計與制造的特點

第一，在計算機集成制造的基礎上進行，在產品生命周期的全過程中實現功能集成、信息集成和過程集成。

第二，貫穿了產品開發的全過程，全部工作可在計算機上進行，所開發的產品，可全部進行產品數字化定義，實現無圖紙生產。

第三，由于涉及到產品開發的全生命周期，因此強調了過程管理與控制，整個產品開發過程在產品數據管理下進行，實現異地設計。

第四，其實施需要建立一支來自不同企業或企業內不同部門的技術與管理人員所組成的團隊，進行群組協同工作，形成聯盟。群組協同工作需要群組工作集成框架以及各種群體軟件工具的支持。

第五，強調了上下游共同決策的機制，因此需要協作工作平臺和互操作的功能及協作系統。

2.模具制造產品協同設計與制造行業的現狀分析

目前，我國的模具技術雖然有了很大發展，模具的精密度、復雜程度和壽命也都有很大提高，如主要的汽車模具企業己能生產大型、精密的轎車覆蓋件模具；體現高水平制造技術的多工位級進模的覆蓋面增加；塑料模熱流道技術日漸成熟，氣體輔助注射技術開始采用；壓鑄工藝得到發展。此外，CAD/CAM/CAE技術得到廣泛應用，高速加工、復合加工等先進的加工技術也得到進一步推廣；快速原型進展很快；模具的標準化程度也有一定提高。但是，由于我國的模具行業起步較晚，與國外相比，仍存在不小的差距，主要體現在：

第一，產需矛盾。隨著工業發展水平的不斷提高，工業產品更新速度的加快，對模具的需求越來越大。無論是數量還是質量都無法滿足國內市場的需要，只達70%左右。造成矛盾突出的原因是模具企業的專業化、標準化程度低，模具生產技術水平不高，生產周期長。另外，設計和制造工藝水平還不能完全適應發展的需要。不能滿足“制造大國、中心”的要求。

第二，企業結構不合理，專業化程度不夠。我國很多模具生產能力集中在各主機廠的模具分廠或車間內，模具的商品化程度低，而國外以上都是專業模具廠，且走的是“小而專”、“小而精”、“小而特”的道路。由于小而全、大而全的模式造成企業缺乏快速響應市場需求的能力。

第三，產品水平。衡量模具的產品水平，主要有模具加工的制造精度和表面粗糙度，加工模具的復雜程度，以及模具的制造周期和使用壽命。而這幾項指標與國外相比的差距都十分明顯。

第四，模具工業的整體裝備水平也存在相對落后，制造資源利用率低的現象。高素質的模具技術人才缺乏，產品的綜合開發能力還急需加強。

3.模具產品協同設計與制造的流程與關鍵技術

3.1模具產品協同設計與制造的流程

某一設計者接受設計任務后，設計者發布任務信息，將分布在不同節點上的設計人員組成一個協同設計與制造團隊。然后，團隊中的成員聯合進行設計任務的分解。任務分解完畢后，任務調度模塊將子任務分配給各成員。任務分配完成后，各成員進行子任務的求解，并在求解過程中隨時監視與之相關聯的子任務的進程，利用協同工具進行協同合作。各成員的任務完成后，將結果提交給任務的組織者。

協同設計過程也是產品信息模型動態演進的過程。在設計初期，主要包含設計任務的初始條件以及設計目標信息。隨著設計過程的進行，其信息可能分布在協同求解的各個節點上，系統采用網絡瀏覽技術將這些分布異構的信息集成在一起。設計任務完成后，就構成了一個完整的產品信息結構樹。

3.2關鍵技術

在模具設計與制造過程中，多設計者設計的沖突及他們之間任務和求解的協調、決策是經常發生的。隨著設計對象和目標的復雜化，以及設計小組人數和規模的增加，導致設計沖突的產生并增多。協調和決策是模具協同設計與制造系統需要解決的另一個重要問題。

3.2.1異構知識表達及語義一致化

信息共享和決策是模具協同設計與制造的兩大中心問題。在協同式開發環境中，各設計小組需要存取其他小組所產生的設計決策、設計方案，甚至某些設計知識，以便能夠完成設計目標；反過來，他們的設計過程也受到其他小組所產生的某些工程參數的變化，而導致設計過程的進程加快或減慢，甚至重新設計。因此，模具設計過程中信息與知識的頻繁交換將使設計問題復雜度增大。

在模具設計過程中，實現協同設計計算環境的知識表達框架有三種類型：第一種為同質知識表達機制；第二種為異構知識表達的包裝實現模式；第三種為異構知識的轉換實現模式。模具協同設計一般采用異構知識表達模式，但在設計過程中要滿足一些特定的要求，如要提供共享設計知識的表達機制，提供外部異構數據的兼容表達式，要考慮結構化信息與非結構化信息的表達等。

3.2.2沖突檢測與消解

模具協同設計是考慮多個設計主體參與的設計過程，在這一設計過程中，各主體之間的設計目標、方案和對象往往存在沖突和矛盾。因此沖突檢測和消解是模具協同設計與制造的另一大關鍵問題。實踐表明，運用系統或領域內的經驗知識來檢測和解決發生在設計組件間的沖突是有效的。

沖突檢測是模具協同設計與制造過程中通過約束傳播檢查設計結果是否滿足整個約束網絡，檢測設計過程中的約束違反情況，捕獲系統中存在的沖突，并對沖突進行登記。模具協同設計與制造中的沖突有計劃、知識和數據三類，其中計劃沖突源于對設計任務不同的理解，數據沖突是因為設計過程中缺乏數據一致性，知識沖突則是不同領域的規則難以互相滿足而引起的。

4.結語

模具設計與制造過程普遍認為是一個典型的多企業間協作的過程。而模具產品分散網絡化設計與制造將是模具行業未來發展的一個主要方向。這種協同機制可以縮短模具產品的開發周期、降低成本、提高效率。隨著對模具設計與制造過程中各種行為認知的逐漸深入和協同設計技術難點的逐步解決，模具協同設計技術將會得到廣泛的應用。

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