产品个性化与制造网络化、服务化等发展趋势与云计算、物联网等IT新技术的结合推动了“云制造”理念的产生。“云制造”作为一种面向服务的网络化制造新模式，其基本理念已得到国内制造信息化业界的认同，但如何具体实现仍然有待进一步研究探讨。国内目前将“云制造”分为面向集团企业与中小企业2种情况进行研究，两者都相当于电子商务中的“B2B”模式，面向终端消费者与微小型企业之间互动的“B2C”模式没有受到重视，而基于“B2C”模式的云制造，不仅更加易于实现商业运营，而且有利于促进微型企业的发展与全民创新。
1 “云制造"与相关概念
1.1 IT支持下的制造模式变革
1990年代以来，出现了“产品个性化”与“制造全球化”的发展趋势，传统“集中式”的大批量、流水线制造模式受到挑战，企业需要在组织管理上进行业务流程重组(Business Process Re-engineering，BPR)，并在全球范围内优化布局，提高信息流、物料流与资金流的运行效率以及对市场灵活反应的能力。同时，IT技术的发展为企业组织管理模式的变革提供了支持，一些新型制造系统理念便应运而生。
人们从不同的关注角度对新型制造理念提出了不同称谓。从产品批量的角度，称为“大批量定制生产”(Mass Customization)；从企业组织的角度，称为“分布式制造”(Distributed Manufacturing)或“分散制造”(Decentralized Manufacturing)、“虚拟制造”(Virtual Manufacturing)等；从企业管理目标的角度，称为“柔性制造”(Flexible Manufacturing)与“敏捷制造”(Agile Manufacturing)；从IT技术的角度，称为“计算机集成制造”(Computer Integrated Manufacturing)、“网络化制造”、“制造网格”(Manufacturing Grid)与“云制造”(Cloud Manufacturing)等。尽管关注角度不同，但这些称谓都反映了IT技术支持下的制造系统模式的变革。
李伯虎院士对“云制造”给出了一种开放式定义—“面向服务的网络化制造新模式”。该定义一方面说明了“云制造”的目标是实现“制造即服务”，另一方面也说明了它是“网络化制造”随着“云计算”与“物联网”等IT新技术的发展而更新的产物。不过，该定义并没有具体阐明“云制造”应该如何实现，作为一种开放式的定义，有待于进一步充实与完善。
1.2“云制造”与“云计算”的联系
“云制造”的提出受到“云计算”理念的启发，二者在“面向服务的架构”(SOA)方面是一致的。“云计算”的实现包括“基础设施即服务”(IaaS)、“平台即服务”(PaaS)与“软件即服务”(SaaS)等3个层次，这种体系结构通过硬件设施、开发平台与应用软件的层次式划分，形成了实际可行的商业模式。
“云计算”的体系结构在逻辑上可供“云制造”借鉴，图1给出了“云计算”与“云制造”体系结构的类比，“云计算”中的IaaS、PaaS与SaaS分别与“云制造”中的制造资源层、虚拟企业层与终端应用层相对应。
不过，需要注意“云计算”中计算基础设施与“云制造”中制造设备资源的差异性，后者异地分布制造资源的封装要比前者的IaaS复杂得多，不能直接挪用“云计算”中的方法。因此，如何实现底层制造设备的“云端可用性”是“云制造”的基础与成功运营的关键。
2 网络智能机床iMach的概念设计
云计算中IaaS的实现是以高性能、低成本计算与存储硬件的发展为基础的，由此类比，云制造环境中底层制造装备在云端的可用性，也需要以大量高性价比“制造单元”的可用性为基础。为了提供一种面向B2C模式云制造应用的底层“制造单元”，本文提出了“网络智能数控机床”(iMach)的概念设计方案。
iMach的市场定位为面向微小型企业用户，其主要性能特征为：较低的成本、便捷的使用与维护性、较高的可靠性与适当的智能化。考虑到iMach主要用于单件小批量制造，为了控制成本，对i-Mach的加工效率不作太高要求，可通过采用小进给量与多次切削来实现大余量的切除，因而可适当降低机床的刚度要求，并选用低功率主轴电机。i-Mach将实现性能与成本的最佳均衡，目前市场上很少存在类似的产品。iMach具有以下设计特征：
a.模块化结构设计
iMach的结构设计遵循以下几项原则。首先，在不降低刚度的前提下，尽量减轻质量，并且便于安装与维护。其次，尽量采用机床工业中的标准化零部件，并通过系列化设计增加重用件。最后，机床主体结构的设计为物料输送、安全防护以及切削液循环等辅助装置提供标准化扩展接口。
b.开放式数控系统
数控系统在云制造中的作用相当于云计算中的操作系统，不管对云计算还是云制造，底层系统之间的“互操作性”都是两者实现的基础。尽管“开放式数控”的概念已存在很多年，但目前还没有一致的定义。本文将“互操作”作为开放式数控的首要特征，尽管有的商品化数控系统声称是开放式的，但实际上并没有完全实现“互操作”。开放式数控系统除了采用标准PC硬件架构之外，还应符合主流工业标准，例如近年来提出的STEP-NC标准。
Step-NC(ISO 14649)是2001年发布的国际标准草案，其目标是替代基于G代码与M代码的ISO 6983标准。由于G代码与M代码只含有低层次的刀具轨迹与速度命令，并且设备之间不兼容，因而编程工作量大，代码重用性差。step-NC数据含有三维几何、制造特征与加工工艺信息，不仅可以实现设备之间的互操作，而且能够进行智能化编程，Step-NC标准将为“云制造”的成功运营提供重要保障手段。
c.支持远程监控
制造过程中的数据采集与监控是保证产品质量并降低成本的重要手段，尤其对于广大微小型企业，由于知识技能与人才的缺乏，难以实现高质量产品的低成本制造。因此，在面向微小型企业的“云制造”环境中，制造单元需要具有远程监控功能，用户可借助远程专家或知识库对加工工艺进行分析与诊断，甚至通过连接远程“智能数控”中心，对现场工艺参数进行实时自适应优化调整。另外，产品的最终消费者也可通过视频对生产过程进行远程监视，这有助于企业赢得消费者订单。
3 iMachCloud云制造模式的提出
iMachCloud是一种面向微小型制造企业的B2C模式云制造服务平台，其体系架构如图2所示，图中包括物理资源层、逻辑服务层、集成服务层与终端应用层4个层次，其中的逻辑服务层与集成服务层是对图1所示“虚拟企业层”的进一步细化，平台的参与者包括平台运营方、制造服务方、设计服务方、制造工艺服务方等。iMachCloud在总体上是一种由运营商维护的“内部云”，也可以通过访问“外部云”来实现一些计算与分析功能，例如设计模拟仿真、数控加工仿真等。
物理资源层包括设备资源、软件资源与人力资服务等。设备资源包括智能数控机床、快速成型机、三维扫描仪等。软件资源是指可以通过“外部云”访问的设计仿真分析、知识库等资源。人力资源是指以网络在线方式获得的远程专家服务，例如远程三维建模与仿真分析、工艺控制、设备诊断等。每种物理资源采用本体描述语言进行建模，分配惟一的ID号。通过工业以太网或无线传感网接入Internet。
逻辑服务层将异地分布的制造资源聚合为虚拟的服务站，具体功能包括资源的注册与发现、任务分配与调度、交易消息通讯、设备状态监测、数据安全服务等。在过去“网络化制造”方面的研究论文中，已有很多关于资源发现与匹配算法的报道。
集成服务层是指以SaaS方式提供的逆向工程(RE)/CAD/CAPP/CAM/CNC数据集成服务，例如3D网格模型的有效性检查与修复、RE/CAD数据集成、CAM与Step-NC集成、智能化CAPP等功能。集成服务层中的部分软件功能可以通过访问“外部云”获得，例如RE软件、数控加工仿真等。
终端应用层为各参与方提供交互界面，包括面向消费者用户的门户网站，提供需求发布、价格反馈、在线交易等功能，以及面向设计、制造与工艺服务提供方的网络工作界面。从用户的角度看，iMachCloud平台主要提供“设计即服务”、“加工即服务”与“工艺即服务”等3种服务。
4 结束语
本文深入分析了“云制造”的概念，提出了一种“网络智能机床”(iMach)概念设计与一种B2C模式云制造平台—iMachcloud。制造单元iMach与云制造平台iMachCloud的关系类似于美国苹果电脑公司的iPhone产品与应用商店“App Store”平台之间的关系，二者具有互相推动的作用，iMach与iMachCloud的互动有利于促进“云制造”发展。不过，本文提出的iMach与iMachCloud还处于概念设计与方法研究阶段，需要在进一步的实践中改进和提高。
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