智能壓鑄單元的設(shè)計與研究

（共享智能鑄造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心有限公司，寧夏 銀川 750021）

目前，我國壓鑄生產(chǎn)企業(yè)有3 000 余家，壓鑄行業(yè)從業(yè)人員數(shù)萬人。隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展，在汽車、3C 產(chǎn)品、通訊基礎(chǔ)設(shè)備、家用電器、醫(yī)療設(shè)備等眾多領(lǐng)域?qū)鸿T件的需求下，壓鑄行業(yè)發(fā)展迅速，壓鑄企業(yè)開始在華南和華東地區(qū)進行集中，形成了圍繞著下游龍頭企業(yè)的產(chǎn)業(yè)集群，技術(shù)進步和擴散的速度加快，壓鑄產(chǎn)品的種類和復(fù)雜程度也在不斷上升，同時由于我國的人力成本優(yōu)勢，國外壓鑄廠商也開始逐漸向我國進行產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移。

雖然以我國壓鑄行業(yè)現(xiàn)在的發(fā)展狀況來看，已經(jīng)處于較好水平，但與國外發(fā)達國家相比，我國的壓鑄企業(yè)整體技術(shù)水平與國外先進企業(yè)之間仍存在一定差距，主要表現(xiàn)在：

2）鑄件質(zhì)量控制及分析難度高：大多數(shù)壓鑄企業(yè)鑄件依靠模具設(shè)計和壓鑄機設(shè)備參數(shù)進行控制，對于出現(xiàn)的質(zhì)量問題和質(zhì)量數(shù)據(jù)無法做到分析改進，鑄件質(zhì)量控制難度高。

3）裝備和信息系統(tǒng)集成水平較低，壓鑄機本身自動化基本能夠滿足現(xiàn)場使用，在原材料自動化上料、工序銜接、打磨、加工等環(huán)節(jié)還做不到集成自動化，行業(yè)也無相應(yīng)的專業(yè)軟件能夠與各工序進行深度集成，實現(xiàn)整體生產(chǎn)線的智能化生產(chǎn)。

本文就如何實現(xiàn)壓鑄單元各工序的集成自動化生產(chǎn)以及如軟件系統(tǒng)深度集成問題進行研究論述。

1 壓鑄自動化單元設(shè)計研究

本設(shè)計采用壓鑄機、CNC、切片機、各類專業(yè)機器人、輸送機、自動堆垛機、在線檢測裝置，組成上料模塊，壓鑄模塊，切邊模塊，打磨模塊，加工中心，下料模塊。根據(jù)產(chǎn)品不同，實現(xiàn)模塊化拼裝組成，實現(xiàn)生產(chǎn)流程的柔性化，為行業(yè)解決從爐料自動上料、工序間流轉(zhuǎn)、切邊、打磨、加工、檢測、裝運等過程全部實現(xiàn)自動化。

1.1 壓鑄單元平面布置設(shè)計

本項目占地面積184.5 m2，其中設(shè)備區(qū)域占地面積62.37 m2，壓鑄模具區(qū)域占地面積17.71 m2，公共通道區(qū)域占地面積104.42 m2.壓鑄單元布置設(shè)計如圖1 所示。

1.2 上料模塊

上料模塊由原料盤和上料機器人組成，操作人員把帶原材料的原料盤存放到原料區(qū)，上料機器人從原料區(qū)抓取原材料加入到壓鑄模塊的熔煉爐中，同時軟件系統(tǒng)從總量中減去抓走的原材料，并于系統(tǒng)設(shè)定的最低存放值做比較，當少于預(yù)先設(shè)定值，系統(tǒng)會自動報警，提醒操作人員及時補充原材料。

是個周末。妻子說，今天休息，我倆不上班，閨女不上學，我們一家人晌午出去吃飯吧。我說，你想出去吃就出去吃。一家人晌午出去吃飯，就省下上午買菜燒飯的時間，就省下晌午洗碗午休的時間。省下時間干什么？妻子拉上我和閨女陪她一起逛商場。妻子說，我看上件羊毛衫，我想買下來。我說，羊毛衫你都買五件了，不能買一件其他的衣服？妻子說，開春天我一天換一件羊毛衫，你說我的羊毛衫多嗎？我說，那你就買吧。

1.3 壓鑄模塊

圖1 壓鑄單元布置設(shè)計

壓鑄模塊由DC30 熱室壓鑄機組成，從上料模塊來的原材料加入到壓鑄機熔煉爐，壓鑄機自動拿取金屬液進行壓鑄，當金屬液達到預(yù)先設(shè)定的最低值時，系統(tǒng)給上料模塊發(fā)送信號，上料機器人抓取原材料繼續(xù)放到熔煉爐中。

1.4 切邊模塊

切邊模塊由切邊機器人、切邊機組成，當壓鑄模塊一個流程結(jié)束時，系統(tǒng)給切邊模塊發(fā)送信號，切邊機器人自動抓取工件放到切邊機的上料工位，工件移動到切邊工位去除水口，如圖2 所示。

圖2 切片單元方案示意圖

1.5 打磨模塊

打磨模塊由打磨機器人和打磨機組成，如果工件需要打磨，去除水口動作完成后，系統(tǒng)給打磨模塊發(fā)送信號，去除水口的工件由打磨機器人抓取，在打磨機上進行打磨（此項目只預(yù)留打磨工位，因為前期生產(chǎn)的零件不需要打磨，故打磨機器人和打磨機先不上），如圖3 所示。

圖3 打磨模塊方案示意圖

1.6 加工中心

加工中心由加工機器人和CNC 組成，如果工件不需要打磨，去除水口動作完成后，系統(tǒng)給加工模塊發(fā)送信號，去除水口的工件由加工機器人抓取，直接放到加工中心進行加工，如圖4 所示。

圖4 加工單元方案示意圖

1.7 下料模塊

下料模塊由下料機器人和下料機組成，工件加工完成后，系統(tǒng)給下料模塊發(fā)送信號，由下料機器人抓取工件后放到下料機托盤，托盤擺滿后系統(tǒng)提示操作人員移走托盤，并放置空托盤，如圖5 所示。

圖5 下料單元方案示意圖

2 智能化壓鑄單元研究設(shè)計

2.1 總體業(yè)務(wù)架構(gòu)

本設(shè)計結(jié)合公司壓鑄具體業(yè)務(wù)應(yīng)用特點和未來智能化建設(shè)規(guī)劃，總體業(yè)務(wù)架構(gòu)如圖6 所示。

2.1.1 智能工廠（設(shè)備及控制）層

包括設(shè)備層的智能生產(chǎn)設(shè)備、壓鑄機、CNC、機器人、傳感器、儀器儀表、以及控制層的可編程邏輯控制器（PLC）、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)、壓鑄智能單元軟件等。

2.1.2 車間層

主要由制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）構(gòu)成。通過生產(chǎn)計劃管理、生產(chǎn)計劃排程、生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和分析等讓生產(chǎn)信息目視化，從而監(jiān)控、協(xié)同、調(diào)度、分析、預(yù)警制造執(zhí)行過程，實現(xiàn)生產(chǎn)管控一體化。

2.1.3 企業(yè)層

主要由ERP 系統(tǒng)、虛擬制造平臺、HR 系統(tǒng)、CRM 系統(tǒng)、LIMS 系統(tǒng)（實驗室管理系統(tǒng)）、協(xié)同辦公系統(tǒng)、BI、監(jiān)控運營中心構(gòu)成，是輕合金中心經(jīng)營管理的核心。其中為使異構(gòu)系統(tǒng)間核心業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和交換共享，構(gòu)建ESB 企業(yè)服務(wù)總線平臺，實現(xiàn)虛擬制造平臺、ERP、CRM、LIMS、MES 等系統(tǒng)間信息資源的無縫集成和透明管控。

2.1.4 協(xié)同層

通過租用工業(yè)云平臺上成熟的軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)智能設(shè)備的遠程運維、物資采購的高效協(xié)同和規(guī)范化管理，大幅提高管理效率，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈上不同企業(yè)的協(xié)同、智能生產(chǎn)、精準物流和智能服務(wù)等。

圖6 系統(tǒng)框架圖

2.2 壓鑄行業(yè)的虛擬制造系統(tǒng)設(shè)計研究

本項目整體結(jié)合壓鑄工藝流程和方法對部分節(jié)點、頁面和參數(shù)進行二次開發(fā)，打造圖文檔管理、專業(yè)化協(xié)同設(shè)計、知識庫應(yīng)用、參數(shù)閉環(huán)管控和系統(tǒng)集成五大核心功能，為壓鑄單元搭建一套完整的、統(tǒng)一的工藝設(shè)計平臺。一方面實現(xiàn)工藝設(shè)計內(nèi)部的全面協(xié)同，不同工藝設(shè)計人員協(xié)同開展工作，保證數(shù)據(jù)流的一致性；另一方面實現(xiàn)工藝設(shè)計與生產(chǎn)制造協(xié)同，在工藝設(shè)計階段確定生產(chǎn)過程所需的關(guān)鍵控制參數(shù)并與智能單元、MES 等系統(tǒng)有效集成，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的全自動化控制。

2.3 壓鑄智能單元設(shè)計研究

按照本項目壓鑄的生產(chǎn)過程，將一個壓鑄智能單元分成四個模塊，壓鑄、精整、加工、物流四個模塊。其中單元設(shè)備提供單元運行的硬件基礎(chǔ)；單元系統(tǒng)通過OPC Server 與單元設(shè)備集成，通過數(shù)據(jù)接口（Web Service）與其他信息管理系統(tǒng)（如MES、ERP、LIMS 等）集成。單元系統(tǒng)基于工藝流程，主導(dǎo)各工序流程的自動運行，通過人、設(shè)備、軟件系統(tǒng)的協(xié)同，實現(xiàn)設(shè)備、生產(chǎn)、質(zhì)量、成本等維度參數(shù)的過程管控。智能單元架構(gòu)圖如圖7 所示：

壓鑄智能單元系統(tǒng)作為單元級的管控中心，包含壓鑄機、機器人、CNC 等設(shè)備。具備壓鑄計劃管理（接收計劃、計劃跟蹤等）、過程控制、成本管理、設(shè)備管理（設(shè)備運行監(jiān)控、保養(yǎng)及維護等）、統(tǒng)計分析（產(chǎn)量、質(zhì)量、成本）等功能。通過集成底層單元設(shè)備與上層信息管理系統(tǒng)，指揮設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與人員的協(xié)同配合，實現(xiàn)從壓鑄到加工的全過程管控

2.4 智控中心設(shè)計研究

智控中心全面展示壓鑄工廠整體運行情況，包括設(shè)備、環(huán)境、生產(chǎn)任務(wù)、質(zhì)量及KPI 指標，全部以數(shù)字化的形式進行展現(xiàn)。

三維組態(tài)展示：將壓鑄車間廠房、設(shè)備以三維模型的形式展現(xiàn)出來，并將設(shè)備關(guān)鍵數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等實時采集和顯示：當天生產(chǎn)情況：顯示當天生產(chǎn)任務(wù)完成率、設(shè)備開動率、布圖率、各設(shè)備運行狀態(tài)及生產(chǎn)完成情況、產(chǎn)品質(zhì)量。

當月生產(chǎn)情況：顯示截至當前日期的計劃完成率（計劃件數(shù)、應(yīng)完成件數(shù)、已完成件數(shù)）、合格率，各產(chǎn)品的計劃產(chǎn)量、完成產(chǎn)量及完成率。

當月拖期情況：顯示截至當前日期的拖期件數(shù)和拖期明細（產(chǎn)品名稱、計劃量、完成量、計劃完成日期、拖期天數(shù)）。

圖7 壓鑄智能單元框架圖

2.5 壓鑄質(zhì)量管理系統(tǒng)（QMS）設(shè)計研究

質(zhì)量管理基于現(xiàn)有LIMS 系統(tǒng)，過程質(zhì)量檢驗采用抽檢的方式，MES 根據(jù)工藝文件要求的抽檢頻次推送抽檢信息（也可以寫入下料機器人程序），現(xiàn)場對抽檢樣品進行過程質(zhì)量檢測。巡檢通過移動端實現(xiàn)再場質(zhì)量問題數(shù)據(jù)的記錄。通過數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)與工藝系統(tǒng)、MES、智能單元以及數(shù)字化檢測設(shè)備間的數(shù)據(jù)集成。

2.6 基于私有云的數(shù)字化管理模式設(shè)計研究

本項目利用共享工業(yè)云平臺實現(xiàn)協(xié)同研發(fā)、協(xié)同制造、供應(yīng)鏈管理、SaaS 應(yīng)用、遠程運維等服務(wù)，實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)與壓鑄示范工廠深度融合。

3 結(jié)語

壓鑄這幾年通過機器人的應(yīng)用等基本實現(xiàn)了局部自動化，想要實現(xiàn)對于全流程集成自動化還是有一定的難度，在實現(xiàn)智能化壓鑄單元的過程中除了集成自動化還需要進一步在工業(yè)軟件、軟件系統(tǒng)集成方面做進一步深入的研究和實驗驗證，最終實現(xiàn)壓鑄單元的無人值守、成本、效率、質(zhì)量等各方面的大幅度提升。本設(shè)計通過智能壓鑄示范單元建設(shè)，攻克一批關(guān)鍵技術(shù)，形成壓鑄單元產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用解決方案，服務(wù)于壓鑄行業(yè)，助力壓鑄產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。