基于重构制造思想的注塑模具再制造系统模型研究

龚 雯

GONG Wen

（北京电子科技职业学院，北京 100023）

0 引言

模具工业是现代制造业的基础性工业，它在汽车制造领域、航空航天装备制造领域、电子与IT制造领域等都有广泛的应用，如何减少模具制造业对环境的损害，而又其可持续发展，是当前面临的一个重大课题。开展模具制造的重构制造技术研究，减少能源消耗和环境污染以及材料资源的消耗对构建资源节约型、环境友好型社会具有十分重要的意义。

1 模具重构制造的意义

在知识经济时代，工业产品多品种、小批量、高质量、低成本的特征更加显著，满足社会需求的基本方式是不断地快速开发新产品，决定制造业竞争力的关键是新产品的快速开发能力[1]。在这种大背景下，模具生产也朝着品种和数量增加、技术水平提高、生产周期缩短，生产成本降低的方向发展。模具生产的这些新特点进一步增加了重构制造技术在该行业应用的紧迫性。

模具重构制造的基本原理是在创新模具结构的基础上，在模具产品寿命终结后，通过对大部分零部件的回收再利用，减少新模具零部件的制造数量，达到模具生产对环境的负面影响最小,原材料和能源的利用效率最高的目的。

模具重构制造符合模具技术发展方向和国家模具工业“十一五”发展重点规划，符合先进制造技术发展方向，有利于先进制造技术在模具企业的推广应用，对增强企业核心竞争力，提高企业经济效益，构建资源节约型、环境友好型企业，实现模具的绿色设计与制造都具有十分重要的意义。具体表现在以下几个方面：

1）可较大幅度地缩短模具生产工期，增强企业的市场响应能力，提高响应速度。目前，工期是影响模具企业市场竞争的主要因素之一，模具定制周期已从以前的几个月缩短为3～4周，甚至更短的时间。模具的重构制造可有效地缩短生产工期，有研究表明：将模具标准件使用覆盖率由目前的40%左右提高到70%～80%，可节约模具加工工时25%～45%，缩短生产周期30%～40%[2]。

2）减少模具生产中的能源消耗，并实现资源节约。基于标准化结构的模具生产可以实现：模具的模块化设计，减少设计失误，从而减少了返工、重制等情况的发生；实现模具的可重构生产，有效减少资源消耗；形成批量生产规模，提高经济效益，并将有损环境的物质排放降低到最小程度。

3）大幅度降低模具价值在产品制造成本中所占的比例，有效地提高了企业产品的竞争力。具备可重构结构的模具，绝大多数主体零部件均可实现再利用，减少了新加工零部件的数量，因而降低了模具设计制造成本。

4）有助于推进相关模具国家标准制定和已有国家标准在企业的应用。目前我国模具生产中，标准模架的使用率还不够高，可重构模具的出现有利于提高其使用率。

5）有助于模具行业数字化制造能力和企业信息化水平的提高，推动模具制造方式由传统制造向数字化制造转变。

2 模具重构制造的发展现状

2.1 可重构制造技术的发展趋势

从上世纪90年代开始，发达国家进行可重构制造系统的基础与应用研究以来，其广阔的应用前景日益受到制造业的重视。在1998年美国国家研究委员会发表的《2020年制造业面临的挑战》一文中，提出了未来20年制造企业面临的六大挑战和必须优先解决的10项关键技术，可重构企业和可重构制造系统均名列其中，可重构制造系统甚至被列为10大关键技术的第一位。

目前，可重构制造技术的发展趋势为[3]：

1）在基础研究和应用研究的基础上，开发实用技术和支持系统工具，改变个别摸索或经验型为科学化、标准化，并发展支持产品和系统工具；

2）在先进制造战略指导下，逐步建立完整的RMS理论、设计与规划方法、测试和评价方法与工具，使之与其他先进制造技术形成融合的技术群；

3）深入研究系统分解与集成的理论，与集成制造和CIMS等技术一起形成能建立和发挥系统“乘积效果”的科学重构理论技术；

4）在模块化理论指导下研究开发模块化的装置、机床装备和产品，支持RMS技术在产品、设备设计与建造和重复利用中的应用；

5）研究和开发支持RMS的系统集成管理、订货化商务和生产运作管理，以及RMS小组组织与管理。

2.2 国内模具可重构制造现状

可重构制造在我国也倍受关注。从1997年起，国家自然科学基金和“十五”863计划基金均资助了该方面的研究。如清华大学等进行了快速可重构制造系统科学原理和建模研究；中科院沈阳自动化研究所研究了重构制造理论和方法；华中科技大学研究了可重构制造系统资源；南京航空航天大学研究了可重构制造机床等。

在模具可重构制造研究方面，吉林工业大学、大连理工大学、湖南大学等采用曲面重构理论，进行了模具可重构设计方面的研究。如湖南大学提出了在给定设计公差的控制下，对重构得到的模具型面进行离散化，在离散后得到的小曲面片上用双线性插值曲面近似原曲面片，进一步处理后则用双线性插值曲面的中平面近似原曲面的理论[4]；大连理工大学针对塑料异型材挤出模具正向设计难度大的问题,提出了基于反求工程曲面重构技术的塑料异型材挤出模具制造新技术,重点研究了数据采集、半径补偿、数据对齐、曲面重构等关键技术[5]。扬州大学提出了一种可重构的板料覆盖件冲压成形模具,使用若干个离散的可伸缩的压杆组合成模具体，通过更换与板件局部形状近似的冲压头和调节压杆的伸缩量构成模具成形面[6]。

但在生产领域，模具的回收再利用、可重构生产技术应用程度很低。大多数企业仍然采用传统的制造思想组织生产,即只根据市场信息或客户要求设计生产和销售产品,一般仅仅考虑模具产品的基本属性，如模具的功能、质量、成本和寿命等，几乎不考虑模具产品生命周期的后半段，即回收再利用问题。因此，相当数量的模具，特别是中小型模具在使用后就成了一堆废弃的“垃圾”，这也是产品中模具成本居高不下的一个重要原因。

随着环境保护要求的日益紧迫和原材料价格的不断攀升，越来越多的模具企业已认识到了重构制造对企业发展的益处，许多生产大中型注塑模架的企业正在加紧模具功能构件的标准化研究工作，并已取得良好效果。

3 模具可重构制造系统总体模型及工作流程

模具可重构制造系统总体结构如图1所示。系统具有如下功能：1）根据制件形状、结构等特征判别模具类别。通过智能计算和功能—结构映射过程，选择模具分类知识库中的功能结构模型。2）输入制品尺寸等参数，在数据库中进行搜索，确定各设计尺寸，输出工作图纸。3）模拟模具装配的过程，查看模具各部分的层次关系、位置关系和连接关系。在模具装配图支持下，寻找模具各零部件间的各种制约关系完成装配过程，并生成装配图。4）对回收再利用的模具进行功能等方面的评价，收入再制造模具库。

图1 模具可生构制造系统总体结构

可重构制造系统工作流程如图2所示。

图2 模具可重构制造系统工作流程

4 开发注塑模具可重构制造系统的关键问题

4.1 可重构制造的注塑模具结构研究

可重构制造的注塑模具结构研究主要应重点考虑以下几个方面的问题：制件的分类；模具的分类；制件结构特征与模具重构结构的关系；模具可重构结构标准化模型；模具重构结构性能的评价。具体内容如下：

1）通过对注塑制品结构特征与注塑模具结构特征间关系的分析，找出与模具重构制造要求相适应的模具分类体系，并确定分类标准和方法。

2）研究模具零部件功能综合问题，找出模具可重构制造分类体系标准模型，实现模具的可回收和拆卸设计。

3）研究模具零部件的标准化问题，如设计参数系列、互换性和组合率等。

4）对所提出的模具重构标准化结构进行分析评。模具结构受经济性、制造工艺性、制品质量等诸多因素影响，因而重构制造模具结构方案必须进行分析与评价，以确定方案的可行性。评价采用多种形式：使用注塑模具设计软件，验证可重构模具的装配性；应用实际生产验证和专家模糊评价方法验证可重构模具合理性和生产性能；采用成本核算的方法验证可重构模具的经济性等。

4.2 知识库构建技术

采用层次—关系模型相结合的方式建立可重构制造系统知识库。第一层为注塑产品分类层，第二层为按产品划分的重构制造标准结构体系，第三层是各分类体系中的零部件分类，如定模组合部件、动模组合部件、相应的导向及规范性的注射系统元件等，最后确定每一个类别零部件的尺寸参数。

4.2.1 模具工程数据库的构建

模具工程数据库采用参数化图库。包括模具资源库和模具设计算法库。模具资源库包括模具可重构零部件数据库、可重构零部件图形库、设计结果数据库三部分；模具设计算法库主要包括需更换和重新设计制造的零部件如成型零部件强度、刚度计算知识等。为了便于零部件数据的管理与扩充，零部件数据库数据结构采用相同的数据格式对元件进行描述。由于每种零部件有若干规格，且每一种零部件的功能特征数目不同，因此可采用三个表，即一般信息表、规格尺寸表和特征信息表，来分别描述模具可重构零部件的不同信息。

模具重构设计算法库主要是为在重构制造中，需要新制的模具零部的设计计算提供方便，如模具成型零部件强度、刚度、壁厚等计算。设计算法库的设计思想是：将不同类型模具的算法存入算法库中，并由这一类模具唯一标志这一算法。算法库还包含以下一些与算法有关的数据：算法所对应的模具类别号、算法入口参数的数量、出口参数的数量、入口参数的描述、出口参数的描述等。

4.2.2 再制造模具质量评价数据库构建

对回收再利用的模具从外观、尺寸、运动精度、功能等多方面进行检验，其评价指标体系与新模具设计时相同。通过检验的各评价指标数值输入后，系统通过调用模具设计结果数据库信息，进行对比，再确定在重构制造中，哪些零部件需要新制，哪些零部件可以再用。

4.2.3 模具分类知识库构建

以制件形状、结构为主线划分制件的类别，分为薄片类、单面有孔薄片类、双面有孔薄片类、无孔腔体类、底面带孔腔体类、侧面带孔腔体类、侧面及底面带孔腔体类等七大类。注塑制件应该归属哪一类，通过智能推理完成。

系统以采用模糊智能为佳，它能够采用符号精确地或模糊地来表示领域有关的信息和知识，并能对它们进行各种模糊处理和推理，并可进行不精确推理和知识不完备推理，知识库中既有精确知识又可有模糊知识，可获得领域专家提供的多种形式的知识。模具重构制造过程中，具有较多的经验知识，这些知识一般均为模糊知识，因此采用模糊智能非常适宜。

4.2.3 知识获取

知识获取就是把用于求解专门领域问题的知识从拥有这些知识的知识源中抽取出来，并转换为特定的计算机表示形式。模具重构制造系统知识获取可以采用知识获取的原始模式和高级模式相结合的方法。

1）知识获取原始模式

知识获取原始模式为：

它是由知识工程师从领域专家那里抽取领域知识，并把它转换为系统需要的表示形式，最后由系统程序设计员把它进一步表示成计算机语言的形式送入知识库中。在这种知识获取模式中，知识工程师获取知识的方法有会谈式、案例分析式和归纳式等。知识获取后，要对这些知识进行定性鉴别和定量分析，并把各个部分、各个方面和各种因素联系起来，从整体进行认识。

知识获取的原始模式具有实现专家系统框架容易的特点。在模具重构制造过程中，由于知识源主要是人类专家、教科书等，知识的形式多为不确定性知识和模糊性知识，因此采用该知识获取模式可以取得很好的效果。

2）知识获取高级模式

知识获取高级模式为：

在该模式中，领域专家在一个专门的编辑系统帮助下，按事先约定的格式，将专门知识通过键盘等输入手段，送入知识库缓冲器。编辑系统对缓冲器的知识进行编辑，检查语法和语义方面的错误。若发现问题，由专家做相应的修改直至确认没有问题为止。

该知识获取模式虽然实现专家系统框架比较麻烦，编程工作量大，开发周期长，但是所开发的专家系统适应性强，并且不需要知识工程师的参与或只需很少参与。对于系统中的一些确定性知识，如机械加工零件分类、误差分类等，可以应用这种知识获取模式。

4.2.4 系统开发平台和工具

采用C#做为系统开发工具。C#是Microsoft公司新推出的快速制造工具，它具有强大的程序设计和数据库开发功能，其突出特点如下：

1）可视化用户设计功能，把程序设计人员从复杂的界面设计中解脱出来。

2）可视化编程环境的“所见即所得”功能，使界面设计，编程简单化。

3）提供了能自动生成SQL语句的功能和新的ActiveX数据对象ADO，快速建立数据库的通信。

4）适用于大中型数据库的开发，C#与Windows属于同一平台，有利于系统的推广使用。

[1]冯小军.快速模具模塑成形的数值分析及过程智能控制系统研究[D].同济大学,2006.

[2]宋满仓.注塑模具设计与制造标准化体系的研究[D].大连理工大学,2005.

[3]陈猛.快速可重构汽车焊装制造系统及其关键支持技术研究[D]..重庆大学,2002.

[4]卿海鸽.大型覆盖件模具型面重构及在冲压成形工艺中的应用研究[D].湖南大学,2006.

[5]赵丹阳.等.基于曲面重构的塑料异型材挤出模具制造技术[J].农业机械学报,2006,7.

[6]宋爱平,陈婷.可重构的板料覆盖件冲压模具[A].提高全民科学素质、建设创新型国家——2006中国科协年会论文集(下册)[C].2006.

[7]龚雯.机械加工误差源模糊智能诊断系统建模研究[J].机械设计与制造,2003,5.

[8]许发樾.模具标准化的方向和任务[J].金属加工(冷加工),2008,8.

[9]Nedess C,Kosin T.Standardization of Injection Moulds Saves Time and Money.Kunststoffe-German Plastice,1991,81(10):66-68 .