工业4.0及其对模具制造业的影响
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摘 要：本文结合工业4.0的特点，描述了智能制造和智能工厂的组成结构和工作原理。同时结合模具制造业，探讨了智能制造在其中的一些具体应用，希望能够对我国模具制造业在工业4.0背景下，更好地完善智能制造的内涵提供一些借鉴。
关键词：工业4.0；智能制造；模具制造业；3D打印技术
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.10.018
1 工业4.0与智能制造
工业4.0的核心理念是信息系统和物理系统的深度融合，从而产生具有“人-机”、“机-机”相互通信能力的信息物理融合系统（CPS）。CPS将是一个包含计算、网络和物理世界的复杂系统，通过计算机技术、通信技术和控制技术的有机融合与深度协作，来实现信息世界与物理世界的紧密融合。结合制造业的发展，工业4.0提出了智能制造的概念，它是基于现代传感技术、网络技术、自动化技术以及人工智能技术，通过感知、人机交互、决策、执行和反馈的方式，来实现产品设计过程、制造过程和企业管理及服务过程的智能化，是信息技术与制造技术的深度融合与集成。智能制造是一种可持续的制造模式，它有助于优化产品的设计和制造过程，大幅度减少生产资料和能源的消耗以及各种废弃物的产生，能够同时实现循环再生和减少污染。实现智能制造的智能工厂将由物理系统和虚拟信息系统组成，被称为信息物理生产系统（CPPS），它是未来制造业的重要组成单位。
2 工业4.0对模具制造业的影响
2.1 3D打印技术的使用
3D打印制造技术作为工业4.0生产模式的突破口，具有分布式制造的重要特征。3D打印制造技术是根据计算机的三维设计和计算，通过软件程序和数控系统将特定功能材料逐层堆积固化的快速成型制造技术。
传统的模具制造技术存在其自身局限，比如生产成本高，一般适用于与之对应的注塑件或冲压件的大规模生产。而且模具的开发技术难度大，特别是对于外观复杂的工业产品或零件而言，其外观越复杂，模具的研发费用越高，开模周期越长，加工成本越高。
3D打印技术可用来加工外观复杂的产品，同时缩短产品研发周期。对于那些生产成本较高的新模具，可以先通过3D打印的方式得到少量产品，待其投放市场后观察动态，再制造更多的模具来进行大批量生产，这样可以避免模具开发前期的投入过高对企业造成的潜在风险；3D打印技术可以精确地制造出零件中的任意结构细节，这些组成整套模具的零件被3D打印技术制造出来后，可以有效地知道模具的装配工艺，避免模具在机构和工艺上的设计失误；在高端精密模具中，随形冷却水道的设计和应用是很广泛的，然而这里无法使用传统的机械加工技术来完成，但3D打印技术能够被用来制造此类复杂的模具，其效果可使模具在需要的部分快速降温，缩短注塑件的成型周期，从而提高生产效率。
2.2 模具的智能制造
根据工业4.0的特点，模具制造业可以通过运用人工智能、物联网、大数据、云计算等手段改造生产流程、管理系统和商业模式，从而缓解该行业的生产成本高、开发周期短的压力。营造智能制造的生产环境，可以改变模具制造业的生产模式，提高产品质量和生产效率。例如日本最大的模具标准零件供应商――米思米（MISUMI）公司，通过使用附着在零件上的RFID电子标签来自动识别相应的作业和制造流程，并通过这些信息，自动重组、配置最适合的生产单元、生产线及工厂，从而不断完善多品种、小批量的生产模式，使得更加灵活机动的多品种、多需求生产和订单管理成为可能。该公司的独特业务模式，构筑了其全球迅速交货体制，实现了商业创新和流程、生产方式的再造；例如某模具制造公司通过对大规模生产的注塑件或冲压件的产品的三维形态扫描和具体尺寸的大数据分析，将产品的尺寸缺陷反馈给模具制造设备，从而发现了用于规模生产的模具的局部缺陷。然后，该公司便可通过模具的三维CAD数字模型的改进，指导3D打印设备，对已使用的模具进行缺陷修复（局部三维再加工和局部修正）或者设计、制造新的模具来替代。整个测量、分析系统的数字化以及产品测量设备与模具制造设备的互联，使得模具开发和改进变得更加智能化；例如通过分析注塑件或冲压件的产品订单、库存情况和半成品信息，智能化的模具制造工厂能够合理地分析出目前生产线的产能状况，并对是否需要制造更多的模具来支持生产线的问题作出判断。
2.3 模具的云制造
随着制造业逐渐进入大数据时代，智能制造需要高性能的计算机和网络设备来实现互联，这样通过上游的计算机安装SCADA数据采集和监控系统，可以将数据发送给云端进行处理、存储和分配，并在需要的时候从云端接受指令。如图1所示的是一群机器人的云端控制模型。同样的，通过上游计算机将模具制造的任务信息发送到云端，并将模具各个部分零件的三维制造信息合理地分配给相互连接的多台3D打印设备，从而分布式地完成整个模具的3D打印制造任务。这样就更加有效地实现了模具的快速开发，提高了模具的生产效率。
3 结束语
工业4.0所倡导的信息系统与物流系统正在深度融合中，而智能制造和智能工厂的概念也必将导致整个工业机构、经济结构和社会结构从垂直向扁平的分布式方向转变。模具制造业作为制造业的重要组成部分，在加入智能制造的概念后，必然能够实现信息和物质的智能互联，更大程度地降低产品成本，提高劳动生产率，这需要我们每一个人的智慧和努力。
参考文献：
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