鑄鐵產品如何在云平臺中實現虛擬制造

劉旭東，乃曉文

（共享智能鑄造產業創新中心有限公司，寧夏銀川 750021）

虛擬制造是集計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）和計算機輔助工藝設計（CAPP）于一體的技術，是在計算機中完成對現實制造過程模擬的一項技術。

虛擬制造在鑄造產業中的應用稱為虛擬鑄造技術。虛擬鑄造技術主要包括鑄件設計、澆注充型、制芯、造型、合箱等過程的數值模擬及結果可視化等方面。許多鑄造企業已經將虛擬制造技術應用在鑄件設計中。這種鑄件設計的方法相比傳統的鑄件設計方法提高了10～30倍的設計效率。同時目前許多商品化的澆注過程模擬軟件如MAGMA軟件等，都具有利用二維圖像技術開發的計算結果可視化模塊，使用戶可以更直觀的觀察模擬結果，分析鑄件的成形過程。

虛擬制造與現實制造的交互，能夠實現在信息空間里對大規模、復雜快速變化的生產系統給予明確的“規定”、“推斷”和“預測”,具有廣泛的應用前景。本文進一步研究了虛擬制造技術在云平臺的實現方式，闡述了鑄鐵產品在云平臺中的虛擬制造。

1 虛擬制造系統平臺

鑄鐵產品在云平臺中實現產品的策劃、虛擬設計、虛擬制造以及與現實制造的交互，首先需要在工業云端搭建系統平臺，來支持這樣的云端策劃、設計與交互。

1.1 虛擬制造系統平臺簡介

虛擬制造系統平臺就是基于工業云，在網絡云端部署服務器。用戶可以通過網絡直接訪問系統平臺，在系統平臺中制定鑄鐵產品的設計方案，而且可以利用系統平臺確定設計方案是否能夠滿足現場實際的生產條件。最后,系統平臺能夠將設計方案轉化為現場可執行的制造方案。現場能夠通過制造方案來控制實際生產，實現提高現場投產成功率的目標。具體執行流程見圖1。

虛擬制造系統平臺功能主要包括：鑄鐵產品在成形、熔煉、精整方面的難點分析與報價；在成形、熔煉、精整方面的工藝設計方案的確定；設計方案與制造方案之間的轉化；參數傳遞與數據分析；專家庫維護及其他。

1.2 虛擬制造系統平臺功能介紹

1.2.1 難點分析與報價

圖1 系統平臺工作流

產品在系統平臺中，首先進行信息的錄入。錄完產品的基本信息后，開始對產品的“執行難點”進行分析。在系統平臺中的“難點分析”模塊，按照需要從鑄鐵產品的理化、尺寸、檢驗、外觀等方面進行專項的評判。評判的依據來自于國家標準或者內部制定的執行水平，基于此來確定產品是否可以在現場進行生產。

在“難點分析”模塊，可以自定義理化、尺寸、檢驗、外觀等方面的控制要素，能夠實現對于不同產品的個性化設定。從這些自定義的控制要素中，可以自行定義重點的控制要素。在系統平臺，可以基于這些重點的控制要素，從“國標庫”（包含美標、日標、歐標、中國標準等主流標準）或者“自定義標準庫”（用戶自行按照內部要求制定的標準要求）中按照一定的規則匹配出類似產品、類似材質、類似規范的標準值，供策劃人員參考。以這樣的方式，實現多維度的分析產品難點。在最初的時候就明確產品的生產難度，從而避免后期由于產品難度未明確，生產過程中出現無法執行的情況。

確定了產品的“難點”后，再進行產品的方法策劃。目的是確定其生產的成形方法并核算預估成本。

產品的成形方法可以從四個維度進行分析：質量、成本、效率、可操作性。制定不同維度的控制標準，基于此確定產品的最終成形方法以及其他生產要求。依據確定的成形方法來核算初步的成本。成本可以劃分為六大類：直接材料、輔助材料、人工費用、制造費用、專項費用、其他費用。通過上面確定的“難點分析”以及“方法策劃”結論，確定每一項的成本。匯總后得到產品的最終成本，交付其他業務部門進行報價溝通。

1.2.2 確定設計方案

產品的設計方案包含兩部分：初步的方案策劃和具體的設計內容。在“方案策劃”階段，確定產品在定義的成形方法中執行時，所需要控制的設計要素。“方案策劃”模塊確定了重要的設計要素，例如加工量、補正量、澆注方式等信息。基于此，開始設計產品的具體設計方案。

以“成形”模塊的工藝設計為例，在“工藝設計”模塊，開始設計產品的具體設計方案。按照規范的步驟，依次確定產品的加工量、模樣砂芯、澆注系統、冒口、工裝、生產BOM和實際成本。在云平臺中，按照這樣的設計首先可以將設計數據實現參數化。其次這個規范的步驟是基于1000多種不同類型的產品的設計方案進行總結的，依據這樣的設計步驟設計，可以將產品在各個生產工序所需要的設計參數都涵蓋確定。最后，基于此還可以在云平臺中制定生產BOM，最終形成完整的成本數據分析。以“成形”模塊為例，見圖2。

圖2 工藝設計模塊

通過上面的形式，在云平臺中進行成形、熔煉、精整等方面的“工藝設計”，形成每個工序單獨的設計方案。通過版本控制，將不同工序的設計方案進行銜接，最終匯總可以形成一套完整的設計方案。

1.2.3 制造方案的轉化

產品的設計方案需要轉化為現場可執行的“制造方案”。只有這樣，才能指導現場生產。在云平臺中，完成產品的設計方案后，進入“虛擬制造”模塊，設計產品的“制造方案”。

“制造方案”的設計是基于云平臺集成的軟件來實現的（具體實現形式見圖3）。將產品的設計方案參數傳遞至生產仿真軟件中，生產仿真軟件通過這些設計參數，控制現場生產線的運轉，控制機械手等設備的運動，智能判斷是否能夠在現場生產。最終在虛擬環境中完成全工序的執行后，輸出現場可執行的設備參數和人工參數。

利用這樣的方式，最終得到產品各個工序的制造方案，供現場設備與人員使用。在虛擬的環境下實現產品的策劃、設計以及生產模擬，解決現場實際生產中可能出現的大部分問題。

1.2.4 數據的傳遞、反饋與分析

系統云平臺提供數據反饋與分析的功能。產品的制造方案設計完成后，傳遞給現場使用。通過設備終端，反饋現場具體的執行情況。依據反饋的參數信息展開分析，具體統計分析的內容見圖4。執行方案在現場的實際執行情況可以通過統計分析模塊進行數字化的總結分析。

圖3 生產仿真分析

1.2.5 專家庫

系統平臺要實現鑄鐵產品虛擬設計與虛擬制造的交互，基礎在于專家庫的搭建。產品的設計方案與制造方案設計中，依托于專家庫數據，可以自動依據關鍵信息推薦最類似的、質量最優的、問題最少的方案。設計人員可以依據推薦的方案中進行微調，實現高效率的設計。

在平臺中搭建“典型工藝庫”、“典型問題庫”、“基礎資源庫”等專家庫。目的在于將歷史的經驗數據轉化為參數型數據進行儲存，實現人腦向電腦的轉化。在系統平臺中即時的維護、擴充。不斷地歸納總結完善經驗數據。通過這樣的方式，可以實現產品的智能設計。

2 總結

圖4 統計分析

當前鑄造業的生產方式在隨著社會的改變而進步。若鑄造業固步自封，依舊依靠之前的生產手段，必然會被先進的、高效的生產模式淘汰。在云平臺中設計鑄鐵產品的設計方案與制造方案是一種新的生產模式。

“虛擬制造系統”是實現這種新的生產模式的平臺。依靠系統平臺管理產品整個生命流程的設計方案。同時與實際結合，將設計方案轉化為制造方案。從云端來實現虛擬制造生產，解決現實生產的問題。以此可以降低生產成本，縮短生產周期，甚至可以依靠虛擬制造手段，在策劃階段就將生產中所遇到的問題解決，最終達到“零缺陷”。