面向模具行业的网络化协同平台研究

     模具制造行业作为现代制造业的重要基础行业之一，在生产中应用极为广泛，几乎所有塑料制品以及由铝板、钢板等制成的大部分产品均需通过模具加工制成。
    随着信息技术和计算机网络技术的发展，制造业进入了全球竞争的新纪元。模具制造行业作为现代制造业的重要基础行业之一，在生产中应用极为广泛，几乎所有塑料制品以及由铝板、钢板等制成的大部分产品均需通过模具加工制成。因此，模具的设计与制造效率对于产品的开发效率有着决定性影响。为适应全球化竞争的需要，模具企业必须从分散走向合作，模具设计单位、制造企业以及模具用户之间必须进行充分的协作与交流，利用网络化协同技术，发挥各自的技术优势，才能快速地开发出高质量的模具产品。
　　为了实现模具的网络化协同设计与制造，必须透彻分析模具产品生产的特点，评估模具网络化制造的可行性，并研究和解决模具网络化制造涉及的一些关键性技术。
　　一、模具产品开发的特点
　　1.订单式、小批量生产
　　大多数模具产品是根据用户订单进行设计开发的，即首先由模具用户向模具设计制造企业发出订单请求(模具的用途、精度、寿命、效率、数量和交货期等)，然后由模具企业进行设计和制造，且模具产品的生产批量通常较小。
　　2.设计过程复杂，信息含量大
　　模具设计需依赖大量的知识和数据信息及设计者的创造才能。当前，在计算机辅助设计的基础上，人们重点多是在单机上实现智能推理或使用专家系统。异地、协同的设计在实际应用中还不普及。
　　3.设计因素众多，专业分工细致
　　模具设计涉及因素众多，且专业分工细致，如注塑模、压铸模、冷冲模、锻模和铸模等需要不同的专业设计人才，一般企业难以储备如此全面的技术人才。
　　4.经验因素影响较大
　　目前我国的模具设计很多还停留在经验型设计阶段，要设计出一副令用户满意的模具往往需要经过设计、制造、试模和修模等多次反复，从而使模具的设计与制造周期较长、成本较高，任何一个环节出现问题，都可能造成模具报废。
　　5.计算、分析过程烦琐
　　传统的设计方法，计算、分析过程繁琐，不能同时并行进行，设计重复率高，延长了模具产品设计生产的周期。
　　6.较多采用协作方式生产
　　从模具企业的生产规模来看，我国的大多数模具企业均属中小型企业，其生产活动多以模具设计为主，而模具的制造常常需要外协加工。
　　7.制造过程复杂、交货周期短
　　模具的设计与制造过程通常比较复杂，涉及的加工技术领域也较广泛。由于模具属于工艺装备而不是最终产品，缩短模具设计制造周期是提高新产品竞争力的重要途径之一，因此用户对模具交货周期的要求一般较为苛刻。
　　8.制造资源要求高
　　模具产品结构复杂、技术要求高和离散制造的特点，决定了其对模具制造资源的高要求，制造过程中需要各种高精度的数字化加工设备和测量设备及柔性加工单元等。
　　随着科技的不断进步，制造业正向数字化、智能化、网络化和全球化的方向发展，产品的生命周期越来越短，新产品的上市速度越来越快。模具是制造业的基本工艺装备，模具设计、制造的效率对产品的开发效率有决定性影响。
　　当前，计算机技术在加工制造业有了广泛应用，我国一些模具制造企业也在逐步采用CAD/CAPP/CAE/CAM等先进技术进行模具开发，并收到了一定成效。但总体来说，我国的模具开发技术仍与市场要求存在较大差距。所以建立行业化的协同设计与制造平台，充分盘活行业内的资源合作，优化设计与制造流程，对于提高行业的整体竞争力有巨大的推动作用。
　　二、模具协同技术研究现状
　　计算机支持的协同工作(ComputerSupported Cooperative Work，缩写为CSCW)最早由美国麻省理工的IreneGreif和迪吉多(DEC)的Paul Cashman在1984年提出的，它是指在计算机技术支持的环境中(即CS)，一个群体为完成一项共同的任务(即CW)而协同工作。它的目标是要设计各种各样的协同工作的应用系统。包括协同工作系统的建设、群体工作方式研究和支持群体工作的相关技术研究、应用系统的开发等部分。
　　关于模具协同设计与制造平台，近年国内外做了不少研究。
　　上海交通大学国家模具CAD工程研究中心研究了塑模协同制造系统的关键技术，将CSCW技术应用到注塑模CAD/CAE/CAM/系统集成中，建立了应用层、通信层和数据层三个层次上的协同模型，并提出了动约束求解技术和集成冲突消解模型。
　　南京理工大学制造工程系进行了关于面向CSCW的CAD/CAM系统研究，提出了一个基于WEB的异地协同设计制造系统的体系结构并开发了一个应用平台。该系统采用B/S结构，利用计算机网络、COM组件、协同工作管理、分布式数据管理、安全控制、约束管理和冲突消解等关键技术，实现了网络化异地协同设计制造。
　　广东工业大学机电工程学院CMS实验室开发了适合于华南地区模具制造企业特色的模具网络化制造协同平台，并在此基础上开发面向华南地区模具企业的协同制造系统的多种功能模块。主要包括两大部分：企业信息与资源共享平台和模具协同设计与制造平台。
　　华中科技大学塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室提出了满足模具协同设计过程的集成信息模型的组织结构，并据此构建了具有四层组织结构的模具协同设计框架。
　　吉林大学机械科学与工程学院面向模具制造业网络化制造平台的研究与开发，主要实现了包括用户管理权限、项目管理以及协同工具集成三个模块。该平台系统是在计算机支持协同工作(cscw)的基础上，在Windows2000 Professional的系统环境下，以产品数据库为构成框架，采用动态网页编程技术(ASP)和Java3D语言开发实现的。
　　此外，福建省科技厅重大科技项目、江苏省汽车工程重点实验室开放基金项目等也对此领域做了很多研究。从这些现状可以看出，有大量学者在做模具网络化协同平台的研究，并取得了一定成果。但由于一些关键技术环节没有得到解决，正在实施的一些所谓“协同”有的只是简单地通过电子邮件进行一些协商而已，有的只是单个企业内部使用的协同，这些还不能称为完整意义上的网络化协同。要在模具产品开发中真正实现有效的网络化协同设计与制造，还需要脚踏实地作大量研究开发工作。
　三、建立模具网络化平台的关键技术
　　1.协同管理系统的建立
　　网络化协同开发模式需要不同企业的多个部门的人员在不同地点同时执行项目的各个子任务。为了支持群体协同工作，必须建立集成化的协同项目管理系统。协同项目管理系统以Web网络为依托，由项目管理者、各协同工作组在一定的权限支配下进行资源(数据、文档和设计工具等)共享。在建立协同项目管理系统时，应充分考虑模具项目管理的特点(多项目并行性、任务工期的不确定性等)，完成项目子计划的分解与进度控制，解决冲突和变更问题。同时，通过协同项目管理系统解决项目资源合理配置、项目质量控制以及项目成本与费用控制等问题。
　　2.资源远程共享与管理
　　模具网络化平台的资源主要包括设备资源、技术资源、人力资源、软件工具资源、电子资源和信息资源等。如何实现行业内的优化整合，减少资源的重复投入，减少资源闲置，提高资源利用率是提高模具行业整体竞争力和效益的关键问题。在线租用模具软件和管理系统软件，并实现DNC远程控制，建立敏捷高效的供应链管理系统，是实现资源远程共享和管理的重要途径。
　　3.可视化协同交互平台的建立
　　可视化协同交互平台的建立为网络化协同的实现提供保障。除利用传统的电子邮件、在线交谈等基本方式外，通过网络视频会议、电子白板和桌面协同工具等高效率方式，可更好地实现客户与设计人员、制造人员之间的充分协作。
　　4.产品数据管理
　　PDM是产品生命周期管理的核心组件，是各产品项目的数据管理中心。模具网络化协同平台的产品数据管理主要包括模型结构、工程图样、技术文档、流程信息和进度信息等。由于网络化的特点，要求产品数据必须支持分布环境，并保证实时的一致性和安全性，做好版本的控制管理。
　　5.安全技术
　　网络化协同系统平台的用户分布在不同的地域和企业，他们在项目中承担不同的任务，对系统的访问有着不同的权限，必须进行访问控制的设置。访问控制是实现分布式信息系统安全保护的重要机制。利用基于“用户-角色-功能”的权限控制模式，系统可给每个用户分配角色，通过控制系统角色的详细功能，如对某项信息的增、删、查和改，利用角色组合来控制其权限。系统还可以通过访问控制技术跟踪用户在网络平台中的操作，并记录到相应的数据库中，做到有据可查。
　　此外，网络化协同需要在网络上传送大量的数据，由于Internet协议的开放性和路由选择的随机性，使得异地传输的数据很容易被窃取，所以我们必须使用加密解密技术保证数据传输的安全性，及时发现并防止黑客入侵。
　　四、面向行业的模具网络化协同平台的体系结构和功能模块构成
　　面向行业的模具网络化协同平台通过整合行业制造信息和资源，包括了模具网络化协同开发、网络化物资供应、网络化生产制造、网络化设备、技术、人才资源、开发工具和管理软件共享等行业网络化协同服务平台等，从而提高行业产品的创新能力、灵活应变能力、抵御风险能力和行业的整体竞争能力等。
　　1.模具网络化平台系统的体系结构
　　面向行业的模具网络化协同平台基于当前流行的J2EE/EJB，采用XML和Ajax技术构建，实现跨平台网络化的系统信息资源整合。由数据库管理层、基础管理与维护层、功能模块层和用户web页面层四个层次组成。
　　
　　图1 模具网络化平台系统的体系结构
　　1)用户web页面层：在用户浏览器端提供交互式的图形界面，包括各种菜单、对话框等，用于支持命令的操作与信息的输入输出。通过平台提供的图视化的界面，用户可以直观方便地进行整个系统中各种对象的操作。它是实现平台各种功能的触发点、媒介，处于最上层。
　　2)功能模块层：除了系统管理外，平台为用户提供的主要功能模块有针对所有用户的共享资源的浏览和查询、软件的租用，针对加盟企业的协同工作，以及其他网站服务，如论坛、博客等。
　　3)基础管理与维护层：该层提供实现平台各种相关功能的基础管理。由于平台系统的对象管理框架具有屏蔽异构操作系统、网络及数据库的特性，用户在应用平台系统的各种功能时，可实现应用调用、数据操作和过程管理等的透明化。
　　4)数据库管理层：通过关系数据库提供的数据操作功能来支持平台系统对象在底层数据库的管理。
2.模具网络化平台系统的功能模块构成
　　面向行业的模具网络化协同平台的总体功能模块如图2所示。其中，公共资源是所有用户都可以通过资源共享平台访问的部分.

　　市场信息部分实现了完整的供应链，注册企业都可以发布求购、供应信息。如企业需要外协，还可以进行招标和投标的操作.

　　协同工作是协同平台最关键的一部分，企业在建立协作关系后，可应用协同工作平台中的功能，从项目创建到任务分解，再到协作与调整，直到最后的注销，都可以通过平台提供的协同方式随时交流。　
　　　　五、结束语
　　网络化协同设计与制造是21世纪制造业的主要生产模式，它有效地提高了行业的资源利用率，加强了企业之间的合作，大大提高了生产效率。解决网络化协同设计与制造的关键技术是实现平台的保障。本文在论述了实现平台的关键技术后，提出了构建模具网络化协同平台的体系结构并分析了其功能模块，为后续的平台实现建立了基础。