基于云制造的中小企業零件加工模式研究

逯振國，鐘佩思，劉梅，韓迎迎

(山東科技大學 先進制造技術研究中心，山東 青島 266590)

基于云制造的中小企業零件加工模式研究

逯振國，鐘佩思，劉梅，韓迎迎

(山東科技大學 先進制造技術研究中心，山東 青島 266590)

為提高中小企業在零件加工制造過程中資源的利用，分析了目前中小企業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模式，建立了基于云制造的中小企業零件加工體系結構及運行模式，研究了零件加工云制造服務平臺實現的關鍵技術。

中小企業；零件加工；云制造；服務模式

0 引言

零件制造是一個國家的基礎行業，是國民經濟發展的支柱產業。隨著工業的信息化發展，傳統的零件加工由于研發周期長、過程復雜、成本高、資源利用率低等特點，已經不能滿足市場需求，零件需求企業對零件加工企業提出了更多產品工藝、品質、生產周期上的要求，云制造技術作為一種先進的制造模式，將對零件加工行業產生深刻的影響。本文將中小企業零件加工與云制造相結合，重點研究基于云制造的零件加工服務模式、運行模式和關鍵技術等。

1 中小企業零件加工現狀

1.1 中小企業零件加工存在的問題

我國零件加工行業，經過60多年的發展，積累了豐富的實踐經驗，特別是改革開放以來的持續快速增長，已形成了較完整的加工體系，由于起步較晚，存在底子薄、技術水平低等難題。目前，中小零件加工企業存在如下問題：具有自主知識產權的產品較少，組織結構不夠完善，技術創新能力低，在先進制造技術應用方面，與發達國家也存在一定的差距；由于中小企業基礎設施落后以及制造工藝不完善，導致零件產品品質低下；中小零部件加工企業單機自動化、剛性自動化仍普遍存在，柔性制造單元和系統僅在少數企業中使用，導致復雜零件研發生產難度較大；整體方案解決能力較弱，協作企業的誠信度低。中小企業迫切需要一種資源按需要透明使用，制造即服務的零件加工模式。

1.2 零件云制造服務模式

近年來，國內外學者針對為制造企業提供基于網絡化的制造服務開展了大量研究。李伯虎院士認為云制造是一種面向服務、高效低耗和基于知識的網絡化智能制造新模式。它融合現有信息化制造、云計算、物聯網、語義Web、高性能計算等技術，通過對現有網絡化制造與服務技術進行延伸和變革，將各類制造資源和制造能力虛擬化、服務化，并進行統一、集中的智能化管理和經營，實現智能化、多方共贏、普適化和高效的共享和協同，通過網絡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、優質廉價的服務。

零件云制造服務模式如圖1所示，由零件云制造服務提供者(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/智慧的支持來構成一個統一整體。其中，由PSMM來搭建制造云服務平臺，服務平臺功能是提供各種資源的云化技術，包括資源的服務化描述、服務化封裝、服務注冊與發布等；調度與組合管理，由于云服務往往由不同服務提供者提供，且用戶的需求往往需要多個服務組合完成，因此該平臺需要提供面向需求的云服務調度、優化和組合支持；云服務的運行與監控管理，以可視化的形式監控服務運行質量。PCSMP將各種制造資源和能力封裝為云服務，接入服務平臺，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。

圖1 零件云制造服務模式示意圖

2 中小企業零件云制造服務體系

2.1 體系結構

為了合理分配中小企業零件制造過程中各加工資源，根據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體系結構，如圖2所示，主要包括用戶層、服務平臺、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、資源提供企業和平臺運營者等用戶與云制造服務平臺進行交互的接口，用戶可以通過軟件和網頁瀏覽器進入門戶，完成資源發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、仿真設備、實驗設備、計算機硬件設備等，軟件資源主要是指CAD/CAE/CAPP/CAM、實驗數據、模型、知識等，制造能力主要包括論證、實驗、生產、管理等；

3) 中間件層：主要負責將零件加工過程中各企業資源能力接入平臺，制造資源和制造能力通過物聯網互聯、通過傳感器感知，虛擬化制造資源；

圖2 零件云制造服務體系結構圖

4) 零件云制造服務平臺：基于中間件層的接口，是系統的核心功能層，提供云制造過程中至關重要的功能，負責將接入的資源形成云資源，將用戶需求形成云需求，實現用戶管理、能力評估、系統協作、成本核算、搜索匹配等服務功能。

2.2 基于云制造的零件加工運行模式

基于對云制造的認識，根據零件設計、加工過程及中小企業的零件加工模式與技術裝備狀況，整合企業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群提供各種加工制造資源，并通過物聯網/信息物理系統CPS(cyber physical system) 接入零件云制造服務平臺，通過虛擬化、服務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A向云服務云平臺提出制造需求，能過平臺進行需求建模并發布，經過平臺匹配，需求任務可由企業B,C,D,E四個企業協作完成，此時平臺反饋任務分別給這四個企業。零件設計企業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、結構設計并進行校核等；企業C對零件加工工藝進行設計，并進行刀軌計算服務以及數控編程；企業D接收企業的數據，根據尺寸要求，通過Pro/E繪制零件三維模型，并導入ANSYS進行有限元分析來判斷是否符合品質強度要求，不合格反饋給企業B，重新設計，直至合格；此時，由零件加工企業E接收企業B所得到的結構設計數據C企業生成的數控編程數據以及企業D生成的三維模型，通過自身具備的數控機床和加工中心對零件完成加工，得到的零件產品通過物流發送零件需求企業A。

圖3 基于云制造的零件加工運行模式示意圖

2.3 平臺實現的關鍵技術

基于云制造的零件加工服務平臺涉及的關鍵技術大致可以分為四類：服務平臺標準與規范、制造資源虛擬化技術、制造能力建模技術和服務平臺安全技術：

1) 零件制造服務平臺的標準與規范。中小企業云制造服務平臺的運行將涉及各種不同的大量的需求和資源信息，多種服務交易都需要平臺運營來處理，這些信息的異構化和無序化都將阻礙資源的有效共享和集成，所以統一的標準和技術規范是中小企業零件云制造服務平臺實現推廣應用的關鍵。

2) 制造資源的虛似化。將分散在不同地域、不同企業的異構制造能力資源虛擬化并接入零件制造云制造服務平臺，實現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、不同類型的制造資源，將制造資源虛擬化接入平臺以后，建立與之對應的模型，以支持用戶在眾多接入資源中發現匹配最優制造資源，是零件云制造過程中又一關鍵技術。

4) 服務平臺安全技術。云制造過程和企業的利益息息相關，服務平臺涵蓋了接入企業的大量數據信息，制造過程的安全性和可靠性至關重要。

3 結語

中小企業的零件云制造平臺是一個新概念，相關技術在國內剛起步。為了促進中小企業零件加工行業的發展，克服傳統零件制造模式的缺陷，本文研究了零件云制造服務模式與體系結構，闡述了云制造實現的關鍵技術等。由于理論研究成果的限制以及軟硬件設備配置不完善，云制造下的零件加工模式的實現還存在一些問題，如云制造過程的共性問題，其他與零件制造相關的技術難題。中小企業零件加工過程中云制造的應用是一個必然趨勢，基于云制造的零件加工服務平臺將成為我國中小企業充分利用和共享制造資源，提升企業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，從事先進制造技術及機械制造方面的學習研究。

TH16

B

1671-5276(2014)02-0085-02

2013-03-07