基于重構制造思想的注塑模具再制造系統模型研究

龔 雯

GONG Wen

（北京電子科技職業學院，北京 100023）

0 引言

模具工業是現代制造業的基礎性工業，它在汽車制造領域、航空航天裝備制造領域、電子與IT制造領域等都有廣泛的應用，如何減少模具制造業對環境的損害，而又其可持續發展，是當前面臨的一個重大課題。開展模具制造的重構制造技術研究，減少能源消耗和環境污染以及材料資源的消耗對構建資源節約型、環境友好型社會具有十分重要的意義。

1 模具重構制造的意義

在知識經濟時代，工業產品多品種、小批量、高質量、低成本的特征更加顯著，滿足社會需求的基本方式是不斷地快速開發新產品，決定制造業競爭力的關鍵是新產品的快速開發能力[1]。在這種大背景下，模具生產也朝著品種和數量增加、技術水平提高、生產周期縮短，生產成本降低的方向發展。模具生產的這些新特點進一步增加了重構制造技術在該行業應用的緊迫性。

模具重構制造的基本原理是在創新模具結構的基礎上，在模具產品壽命終結后，通過對大部分零部件的回收再利用，減少新模具零部件的制造數量，達到模具生產對環境的負面影響最小,原材料和能源的利用效率最高的目的。

模具重構制造符合模具技術發展方向和國家模具工業“十一五”發展重點規劃，符合先進制造技術發展方向，有利于先進制造技術在模具企業的推廣應用，對增強企業核心競爭力，提高企業經濟效益，構建資源節約型、環境友好型企業，實現模具的綠色設計與制造都具有十分重要的意義。具體表現在以下幾個方面：

1）可較大幅度地縮短模具生產工期，增強企業的市場響應能力，提高響應速度。目前，工期是影響模具企業市場競爭的主要因素之一，模具定制周期已從以前的幾個月縮短為3～4周，甚至更短的時間。模具的重構制造可有效地縮短生產工期，有研究表明：將模具標準件使用覆蓋率由目前的40%左右提高到70%～80%，可節約模具加工工時25%～45%，縮短生產周期30%～40%[2]。

2）減少模具生產中的能源消耗，并實現資源節約。基于標準化結構的模具生產可以實現：模具的模塊化設計，減少設計失誤，從而減少了返工、重制等情況的發生；實現模具的可重構生產，有效減少資源消耗；形成批量生產規模，提高經濟效益，并將有損環境的物質排放降低到最小程度。

3）大幅度降低模具價值在產品制造成本中所占的比例，有效地提高了企業產品的競爭力。具備可重構結構的模具，絕大多數主體零部件均可實現再利用，減少了新加工零部件的數量，因而降低了模具設計制造成本。

4）有助于推進相關模具國家標準制定和已有國家標準在企業的應用。目前我國模具生產中，標準模架的使用率還不夠高，可重構模具的出現有利于提高其使用率。

5）有助于模具行業數字化制造能力和企業信息化水平的提高，推動模具制造方式由傳統制造向數字化制造轉變。

2 模具重構制造的發展現狀

2.1 可重構制造技術的發展趨勢

從上世紀90年代開始，發達國家進行可重構制造系統的基礎與應用研究以來，其廣闊的應用前景日益受到制造業的重視。在1998年美國國家研究委員會發表的《2020年制造業面臨的挑戰》一文中，提出了未來20年制造企業面臨的六大挑戰和必須優先解決的10項關鍵技術，可重構企業和可重構制造系統均名列其中，可重構制造系統甚至被列為10大關鍵技術的第一位。

目前，可重構制造技術的發展趨勢為[3]：

1）在基礎研究和應用研究的基礎上，開發實用技術和支持系統工具，改變個別摸索或經驗型為科學化、標準化，并發展支持產品和系統工具；

2）在先進制造戰略指導下，逐步建立完整的RMS理論、設計與規劃方法、測試和評價方法與工具，使之與其他先進制造技術形成融合的技術群；

3）深入研究系統分解與集成的理論，與集成制造和CIMS等技術一起形成能建立和發揮系統“乘積效果”的科學重構理論技術；

4）在模塊化理論指導下研究開發模塊化的裝置、機床裝備和產品，支持RMS技術在產品、設備設計與建造和重復利用中的應用；

5）研究和開發支持RMS的系統集成管理、訂貨化商務和生產運作管理，以及RMS小組組織與管理。

2.2 國內模具可重構制造現狀

可重構制造在我國也倍受關注。從1997年起，國家自然科學基金和“十五”863計劃基金均資助了該方面的研究。如清華大學等進行了快速可重構制造系統科學原理和建模研究；中科院沈陽自動化研究所研究了重構制造理論和方法；華中科技大學研究了可重構制造系統資源；南京航空航天大學研究了可重構制造機床等。

在模具可重構制造研究方面，吉林工業大學、大連理工大學、湖南大學等采用曲面重構理論，進行了模具可重構設計方面的研究。如湖南大學提出了在給定設計公差的控制下，對重構得到的模具型面進行離散化，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]；大連理工大學針對塑料異型材擠出模具正向設計難度大的問題,提出了基于反求工程曲面重構技術的塑料異型材擠出模具制造新技術,重點研究了數據采集、半徑補償、數據對齊、曲面重構等關鍵技術[5]。揚州大學提出了一種可重構的板料覆蓋件沖壓成形模具,使用若干個離散的可伸縮的壓桿組合成模具體，通過更換與板件局部形狀近似的沖壓頭和調節壓桿的伸縮量構成模具成形面[6]。

但在生產領域，模具的回收再利用、可重構生產技術應用程度很低。大多數企業仍然采用傳統的制造思想組織生產,即只根據市場信息或客戶要求設計生產和銷售產品,一般僅僅考慮模具產品的基本屬性，如模具的功能、質量、成本和壽命等，幾乎不考慮模具產品生命周期的后半段，即回收再利用問題。因此，相當數量的模具，特別是中小型模具在使用后就成了一堆廢棄的“垃圾”，這也是產品中模具成本居高不下的一個重要原因。

隨著環境保護要求的日益緊迫和原材料價格的不斷攀升，越來越多的模具企業已認識到了重構制造對企業發展的益處，許多生產大中型注塑模架的企業正在加緊模具功能構件的標準化研究工作，并已取得良好效果。

3 模具可重構制造系統總體模型及工作流程

模具可重構制造系統總體結構如圖1所示。系統具有如下功能：1）根據制件形狀、結構等特征判別模具類別。通過智能計算和功能—結構映射過程，選擇模具分類知識庫中的功能結構模型。2）輸入制品尺寸等參數，在數據庫中進行搜索，確定各設計尺寸，輸出工作圖紙。3）模擬模具裝配的過程，查看模具各部分的層次關系、位置關系和連接關系。在模具裝配圖支持下，尋找模具各零部件間的各種制約關系完成裝配過程，并生成裝配圖。4）對回收再利用的模具進行功能等方面的評價，收入再制造模具庫。

圖1 模具可生構制造系統總體結構

可重構制造系統工作流程如圖2所示。

圖2 模具可重構制造系統工作流程

4 開發注塑模具可重構制造系統的關鍵問題

4.1 可重構制造的注塑模具結構研究

可重構制造的注塑模具結構研究主要應重點考慮以下幾個方面的問題：制件的分類；模具的分類；制件結構特征與模具重構結構的關系；模具可重構結構標準化模型；模具重構結構性能的評價。具體內容如下：

1）通過對注塑制品結構特征與注塑模具結構特征間關系的分析，找出與模具重構制造要求相適應的模具分類體系，并確定分類標準和方法。

2）研究模具零部件功能綜合問題，找出模具可重構制造分類體系標準模型，實現模具的可回收和拆卸設計。

3）研究模具零部件的標準化問題，如設計參數系列、互換性和組合率等。

4）對所提出的模具重構標準化結構進行分析評。模具結構受經濟性、制造工藝性、制品質量等諸多因素影響，因而重構制造模具結構方案必須進行分析與評價，以確定方案的可行性。評價采用多種形式：使用注塑模具設計軟件，驗證可重構模具的裝配性；應用實際生產驗證和專家模糊評價方法驗證可重構模具合理性和生產性能；采用成本核算的方法驗證可重構模具的經濟性等。

4.2 知識庫構建技術

采用層次—關系模型相結合的方式建立可重構制造系統知識庫。第一層為注塑產品分類層，第二層為按產品劃分的重構制造標準結構體系，第三層是各分類體系中的零部件分類，如定模組合部件、動模組合部件、相應的導向及規范性的注射系統元件等，最后確定每一個類別零部件的尺寸參數。

4.2.1 模具工程數據庫的構建

模具工程數據庫采用參數化圖庫。包括模具資源庫和模具設計算法庫。模具資源庫包括模具可重構零部件數據庫、可重構零部件圖形庫、設計結果數據庫三部分；模具設計算法庫主要包括需更換和重新設計制造的零部件如成型零部件強度、剛度計算知識等。為了便于零部件數據的管理與擴充，零部件數據庫數據結構采用相同的數據格式對元件進行描述。由于每種零部件有若干規格，且每一種零部件的功能特征數目不同，因此可采用三個表，即一般信息表、規格尺寸表和特征信息表，來分別描述模具可重構零部件的不同信息。

模具重構設計算法庫主要是為在重構制造中，需要新制的模具零部的設計計算提供方便，如模具成型零部件強度、剛度、壁厚等計算。設計算法庫的設計思想是：將不同類型模具的算法存入算法庫中，并由這一類模具唯一標志這一算法。算法庫還包含以下一些與算法有關的數據：算法所對應的模具類別號、算法入口參數的數量、出口參數的數量、入口參數的描述、出口參數的描述等。

4.2.2 再制造模具質量評價數據庫構建

對回收再利用的模具從外觀、尺寸、運動精度、功能等多方面進行檢驗，其評價指標體系與新模具設計時相同。通過檢驗的各評價指標數值輸入后，系統通過調用模具設計結果數據庫信息，進行對比，再確定在重構制造中，哪些零部件需要新制，哪些零部件可以再用。

4.2.3 模具分類知識庫構建

以制件形狀、結構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、無孔腔體類、底面帶孔腔體類、側面帶孔腔體類、側面及底面帶孔腔體類等七大類。注塑制件應該歸屬哪一類，通過智能推理完成。

系統以采用模糊智能為佳，它能夠采用符號精確地或模糊地來表示領域有關的信息和知識，并能對它們進行各種模糊處理和推理，并可進行不精確推理和知識不完備推理，知識庫中既有精確知識又可有模糊知識，可獲得領域專家提供的多種形式的知識。模具重構制造過程中，具有較多的經驗知識，這些知識一般均為模糊知識，因此采用模糊智能非常適宜。

4.2.3 知識獲取

知識獲取就是把用于求解專門領域問題的知識從擁有這些知識的知識源中抽取出來，并轉換為特定的計算機表示形式。模具重構制造系統知識獲取可以采用知識獲取的原始模式和高級模式相結合的方法。

1）知識獲取原始模式

知識獲取原始模式為：

它是由知識工程師從領域專家那里抽取領域知識，并把它轉換為系統需要的表示形式，最后由系統程序設計員把它進一步表示成計算機語言的形式送入知識庫中。在這種知識獲取模式中，知識工程師獲取知識的方法有會談式、案例分析式和歸納式等。知識獲取后，要對這些知識進行定性鑒別和定量分析，并把各個部分、各個方面和各種因素聯系起來，從整體進行認識。

知識獲取的原始模式具有實現專家系統框架容易的特點。在模具重構制造過程中，由于知識源主要是人類專家、教科書等，知識的形式多為不確定性知識和模糊性知識，因此采用該知識獲取模式可以取得很好的效果。

2）知識獲取高級模式

知識獲取高級模式為：

在該模式中，領域專家在一個專門的編輯系統幫助下，按事先約定的格式，將專門知識通過鍵盤等輸入手段，送入知識庫緩沖器。編輯系統對緩沖器的知識進行編輯，檢查語法和語義方面的錯誤。若發現問題，由專家做相應的修改直至確認沒有問題為止。

該知識獲取模式雖然實現專家系統框架比較麻煩，編程工作量大，開發周期長，但是所開發的專家系統適應性強，并且不需要知識工程師的參與或只需很少參與。對于系統中的一些確定性知識，如機械加工零件分類、誤差分類等，可以應用這種知識獲取模式。

4.2.4 系統開發平臺和工具

采用C#做為系統開發工具。C#是Microsoft公司新推出的快速制造工具，它具有強大的程序設計和數據庫開發功能，其突出特點如下：

1）可視化用戶設計功能，把程序設計人員從復雜的界面設計中解脫出來。

2）可視化編程環境的“所見即所得”功能，使界面設計，編程簡單化。

3）提供了能自動生成SQL語句的功能和新的ActiveX數據對象ADO，快速建立數據庫的通信。

4）適用于大中型數據庫的開發，C#與Windows屬于同一平臺，有利于系統的推廣使用。

[1]馮小軍.快速模具模塑成形的數值分析及過程智能控制系統研究[D].同濟大學,2006.

[2]宋滿倉.注塑模具設計與制造標準化體系的研究[D].大連理工大學,2005.

[3]陳猛.快速可重構汽車焊裝制造系統及其關鍵支持技術研究[D]..重慶大學,2002.

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

[5]趙丹陽.等.基于曲面重構的塑料異型材擠出模具制造技術[J].農業機械學報,2006,7.

[6]宋愛平,陳婷.可重構的板料覆蓋件沖壓模具[A].提高全民科學素質、建設創新型國家——2006中國科協年會論文集(下冊)[C].2006.

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