基于云制造的中小企业零件加工模式研究

逯振国，钟佩思，刘梅，韩迎迎

(山东科技大学 先进制造技术研究中心，山东 青岛 266590)

基于云制造的中小企业零件加工模式研究

逯振国，钟佩思，刘梅，韩迎迎

(山东科技大学 先进制造技术研究中心，山东 青岛 266590)

为提高中小企业在零件加工制造过程中资源的利用，分析了目前中小企业零件加工过程中存在的问题，提出了基于云制造的零件加工服务模式，建立了基于云制造的中小企业零件加工体系结构及运行模式，研究了零件加工云制造服务平台实现的关键技术。

中小企业；零件加工；云制造；服务模式

0 引言

零件制造是一个国家的基础行业，是国民经济发展的支柱产业。随着工业的信息化发展，传统的零件加工由于研发周期长、过程复杂、成本高、资源利用率低等特点，已经不能满足市场需求，零件需求企业对零件加工企业提出了更多产品工艺、品质、生产周期上的要求，云制造技术作为一种先进的制造模式，将对零件加工行业产生深刻的影响。本文将中小企业零件加工与云制造相结合，重点研究基于云制造的零件加工服务模式、运行模式和关键技术等。

1 中小企业零件加工现状

1.1 中小企业零件加工存在的问题

我国零件加工行业，经过60多年的发展，积累了丰富的实践经验，特别是改革开放以来的持续快速增长，已形成了较完整的加工体系，由于起步较晚，存在底子薄、技术水平低等难题。目前，中小零件加工企业存在如下问题：具有自主知识产权的产品较少，组织结构不够完善，技术创新能力低，在先进制造技术应用方面，与发达国家也存在一定的差距；由于中小企业基础设施落后以及制造工艺不完善，导致零件产品品质低下；中小零部件加工企业单机自动化、刚性自动化仍普遍存在，柔性制造单元和系统仅在少数企业中使用，导致复杂零件研发生产难度较大；整体方案解决能力较弱，协作企业的诚信度低。中小企业迫切需要一种资源按需要透明使用，制造即服务的零件加工模式。

1.2 零件云制造服务模式

近年来，国内外学者针对为制造企业提供基于网络化的制造服务开展了大量研究。李伯虎院士认为云制造是一种面向服务、高效低耗和基于知识的网络化智能制造新模式。它融合现有信息化制造、云计算、物联网、语义Web、高性能计算等技术，通过对现有网络化制造与服务技术进行延伸和变革，将各类制造资源和制造能力虚拟化、服务化，并进行统一、集中的智能化管理和经营，实现智能化、多方共赢、普适化和高效的共享和协同，通过网络为制造全生命周期过程提供可随时获取的、按需使用、安全可靠、优质廉价的服务。

零件云制造服务模式如图1所示，由零件云制造服务提供者(PCMSP)、零件云制造需求者(PCSMD)和零件云制造运营者(PSMM)组成，以知识/智慧的支持来构成一个统一整体。其中，由PSMM来搭建制造云服务平台，服务平台功能是提供各种资源的云化技术，包括资源的服务化描述、服务化封装、服务注册与发布等；调度与组合管理，由于云服务往往由不同服务提供者提供，且用户的需求往往需要多个服务组合完成，因此该平台需要提供面向需求的云服务调度、优化和组合支持；云服务的运行与监控管理，以可视化的形式监控服务运行质量。PCSMP将各种制造资源和能力封装为云服务，接入服务平台，以形成制造云；PCSMD通过平台向制造云提出请求，并支付费用来完成自己所需零件加工服务。

图1 零件云制造服务模式示意图

2 中小企业零件云制造服务体系

2.1 体系结构

为了合理分配中小企业零件制造过程中各加工资源，根据云制造工作原理和思想建立了一个零件制造加工的云服务体系结构，如图2所示，主要包括用户层、服务平台、中间件层和资源层四个部分，各部分的功能如下：

1) 用户层：用户层是资源需求企业、资源提供企业和平台运营者等用户与云制造服务平台进行交互的接口，用户可以通过软件和网页浏览器进入门户，完成资源发布和使用平台上的一系列资源能力；

2) 资源层：涵盖了硬件资源、软件资源及制造能力，硬件资源主要包括加工机床、锻压机床、铸造机械、仿真设备、实验设备、计算机硬件设备等，软件资源主要是指CAD/CAE/CAPP/CAM、实验数据、模型、知识等，制造能力主要包括论证、实验、生产、管理等；

3) 中间件层：主要负责将零件加工过程中各企业资源能力接入平台，制造资源和制造能力通过物联网互联、通过传感器感知，虚拟化制造资源；

图2 零件云制造服务体系结构图

4) 零件云制造服务平台：基于中间件层的接口，是系统的核心功能层，提供云制造过程中至关重要的功能，负责将接入的资源形成云资源，将用户需求形成云需求，实现用户管理、能力评估、系统协作、成本核算、搜索匹配等服务功能。

2.2 基于云制造的零件加工运行模式

基于对云制造的认识，根据零件设计、加工过程及中小企业的零件加工模式与技术装备状况，整合企业间制造资源和制造能力，提高整个社会制造资源和能力使用率，实现资源能力的交易，提出了一种基于云制造的零件加工运行模式，如图3所示。由制造资源提供企业群提供各种加工制造资源，并通过物联网/信息物理系统CPS(cyber physical system) 接入零件云制造服务平台，通过虚拟化、服务化的过程物理资源历、虚拟资源云池并管理虚拟资源。零件需求企业A向云服务云平台提出制造需求，能过平台进行需求建模并发布，经过平台匹配，需求任务可由企业B,C,D,E四个企业协作完成，此时平台反馈任务分别给这四个企业。零件设计企业B按照自己的能力，可以对零件进行载荷计算、材料选取、确定尺过、结构设计并进行校核等；企业C对零件加工工艺进行设计，并进行刀轨计算服务以及数控编程；企业D接收企业的数据，根据尺寸要求，通过Pro/E绘制零件三维模型，并导入ANSYS进行有限元分析来判断是否符合品质强度要求，不合格反馈给企业B，重新设计，直至合格；此时，由零件加工企业E接收企业B所得到的结构设计数据C企业生成的数控编程数据以及企业D生成的三维模型，通过自身具备的数控机床和加工中心对零件完成加工，得到的零件产品通过物流发送零件需求企业A。

图3 基于云制造的零件加工运行模式示意图

2.3 平台实现的关键技术

基于云制造的零件加工服务平台涉及的关键技术大致可以分为四类：服务平台标准与规范、制造资源虚拟化技术、制造能力建模技术和服务平台安全技术：

1) 零件制造服务平台的标准与规范。中小企业云制造服务平台的运行将涉及各种不同的大量的需求和资源信息，多种服务交易都需要平台运营来处理，这些信息的异构化和无序化都将阻碍资源的有效共享和集成，所以统一的标准和技术规范是中小企业零件云制造服务平台实现推广应用的关键。

2) 制造资源的虚似化。将分散在不同地域、不同企业的异构制造能力资源虚拟化并接入零件制造云制造服务平台，实现广域软硬件资源的集中管控和全面共享，是零件制造过程中各类机床装备及其加工运行过程能在平台上去行的前提。

3) 制造能力建模。云制造过程中涉及大量不同企业、不同类型的制造资源，将制造资源虚拟化接入平台以后，建立与之对应的模型，以支持用户在众多接入资源中发现匹配最优制造资源，是零件云制造过程中又一关键技术。

4) 服务平台安全技术。云制造过程和企业的利益息息相关，服务平台涵盖了接入企业的大量数据信息，制造过程的安全性和可靠性至关重要。

3 结语

中小企业的零件云制造平台是一个新概念，相关技术在国内刚起步。为了促进中小企业零件加工行业的发展，克服传统零件制造模式的缺陷，本文研究了零件云制造服务模式与体系结构，阐述了云制造实现的关键技术等。由于理论研究成果的限制以及软硬件设备配置不完善，云制造下的零件加工模式的实现还存在一些问题，如云制造过程的共性问题，其他与零件制造相关的技术难题。中小企业零件加工过程中云制造的应用是一个必然趋势，基于云制造的零件加工服务平台将成为我国中小企业充分利用和共享制造资源，提升企业综合竞争力的重要支撑手段之一。

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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

山东省自然科学基金资助项目(ZR2011EEM014)

逯振国(1987-)男，山东菏泽人，硕士研究生，从事先进制造技术及机械制造方面的学习研究。

TH16

B

1671-5276(2014)02-0085-02

2013-03-07