模具智能化制造技術(shù)與裝備

■ 數(shù)碼模沖壓技術(shù)（武漢）有限公司 （湖北武漢 430000） 蔡 橋

制造業(yè)的飛速發(fā)展帶動(dòng)了模具行業(yè)的進(jìn)步，數(shù)控技術(shù)的導(dǎo)入改變了傳統(tǒng)的模具制造模式，有了一定程度的自動(dòng)化集成，但整個(gè)制造過程與智能化制造還有很大差距——軟件編程過程復(fù)雜，人為耗時(shí)較多，大型模具NC程序需要操作者依次手動(dòng)調(diào)取，對(duì)于加工完的模具需要手動(dòng)輔助控制檢測(cè)。每一次介入人為操作都會(huì)帶來潛在的失誤，且大量的手動(dòng)操作使效率低下。因此須著手彌補(bǔ)當(dāng)前不足，推進(jìn)模具智能化制造。

1. 實(shí)現(xiàn)模具智能化制造的條件

（1）完善的局域網(wǎng) 局域網(wǎng)相較其他網(wǎng)絡(luò)傳輸速度更快，性能更穩(wěn)定，框架簡(jiǎn)易，具有封閉性。當(dāng)局域網(wǎng)用于公司時(shí)稱為企業(yè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)智能化的首要條件就是完善的局域網(wǎng)，它在各環(huán)節(jié)起著樞紐作用。

（2）自動(dòng)編程系統(tǒng) 傳統(tǒng)的軟件編程方式過程繁多：選擇策略，新建毛坯，選取刀具，繪制邊界，設(shè)置公差、余量、行距、下刀量、轉(zhuǎn)速和進(jìn)給，指定快速移動(dòng)方式、切入切除方式、下刀點(diǎn)位置，手動(dòng)調(diào)整刀路、信息報(bào)表和后處理文件。全程人工參與，重復(fù)操作，效率低下，浪費(fèi)技術(shù)資源。因此要實(shí)現(xiàn)智能化制造就要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化編程，通過二次開發(fā)把軟件操作集成化、簡(jiǎn)潔化、自動(dòng)化，提高編程效率，減少編程過程中的異常。

（3）自動(dòng)化后處理文件 自動(dòng)化后處理文件有串聯(lián)和并聯(lián)兩種模式。串聯(lián)模式是將各個(gè)子程序按照加工工藝加上換刀指令，頭尾相連排列起來，組合成一個(gè)主程序進(jìn)行加工，主要適用于內(nèi)存小的加工中心。并聯(lián)模式是將一個(gè)簡(jiǎn)短的主程序和各個(gè)子程序放一起，通過運(yùn)行主程序依次調(diào)取子程序進(jìn)行加工，適用于內(nèi)存較大的加工中心。

（4）仿真環(huán)境和設(shè)備模型 為了確保整個(gè)自動(dòng)化制造的安全性和準(zhǔn)確性，項(xiàng)目實(shí)施之前需要對(duì)過程中的碰撞、過切進(jìn)行仿真，確保加工過程中主軸、刀柄不與工件干涉；確保加工尺寸準(zhǔn)確，無過切、無殘留。根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行設(shè)備選型，通過“輸入機(jī)床”將設(shè)備數(shù)模1∶1裝載到軟件內(nèi)部，通過“刀具路徑檢查”完全虛擬還原機(jī)床運(yùn)動(dòng)，確定是否碰撞和過切，如圖1和圖2所示。

圖1 碰撞仿真

圖2 過切仿真

（5）自動(dòng)化加工設(shè)備 刀具配備齊全的加工中心，本文設(shè)備選型：龍門式五面體加工中心（Okuma Bridge 5 Pentahedron CNC Center），型號(hào)：MCRBIII 30×50E，適用于大型汽車覆蓋件模具精加工。自動(dòng)對(duì)刀儀對(duì)刀精準(zhǔn)、高效且便捷，刀具磨損自動(dòng)補(bǔ)償，本設(shè)備通過代碼G120PRS PR控制對(duì)刀，然后將補(bǔ)償值輸入對(duì)應(yīng)編碼存儲(chǔ)器。

（6）自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備 傳統(tǒng)的型面檢測(cè)用刀具手動(dòng)控制檢測(cè)，準(zhǔn)確度較差，控制較為復(fù)雜，有刮傷型面的風(fēng)險(xiǎn)，且全程手動(dòng)控制檢測(cè)效率低下。要實(shí)現(xiàn)智能化制造，就要搭載自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備。自動(dòng)檢測(cè)是制造質(zhì)量的把控環(huán)節(jié)，用來保證加工的高效和準(zhǔn)確無誤，如圖3所示。全自動(dòng)無線發(fā)射CNC機(jī)床3D測(cè)頭在序前拉直分中快速對(duì)刀，序后在線曲面測(cè)量，在線修正一次完成。

圖3 制造環(huán)節(jié)中的自動(dòng)檢測(cè)

2. 模具智能化制造的難點(diǎn)與突破

（1）開發(fā)自動(dòng)編程系統(tǒng) 軟件編程的運(yùn)用仍存在大量手動(dòng)鍵入和手動(dòng)操作設(shè)置，達(dá)不到智能化的標(biāo)準(zhǔn)。我們針對(duì)汽車覆蓋件模具，自主研發(fā)了型面自動(dòng)編程系統(tǒng)。

1）技術(shù)方案：針對(duì)模具型面粗加工、精加工、粗精加工和返修加工4種常見模式，開發(fā)一個(gè)完整的型面自動(dòng)編程系統(tǒng)（shot_cam）。對(duì)各個(gè)模式確定加工工藝，工藝實(shí)施規(guī)劃為五個(gè)步驟：輸入模型→綜合計(jì)算→自動(dòng)檢查→自動(dòng)報(bào)表→自動(dòng)后處理。通過“1輸1選5點(diǎn)擊”完成整個(gè)型面的編程作業(yè)，工作便捷高效，準(zhǔn)確無誤，其邏輯結(jié)構(gòu)圖如4所示。

2）設(shè)計(jì)原理：將人為軟件操作規(guī)范化，相關(guān)加工工藝、制造技術(shù)規(guī)范通過VB.NET程序語(yǔ)言集成，一鍵實(shí)現(xiàn)多個(gè)命令操作。

圖4 自動(dòng)編程系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)局部界面如圖5所示，編程系統(tǒng)具有可視化參數(shù)，除特殊情況外，無需修改任何參數(shù)。根據(jù)選擇的加工內(nèi)容，自動(dòng)組合成一個(gè)加工工藝，并自動(dòng)計(jì)算所有加工刀路，實(shí)現(xiàn)了型面自動(dòng)編程，整個(gè)編程簡(jiǎn)潔易操作，過程如下。

圖5 自動(dòng)編程系統(tǒng)局部界面

1次輸入：在料厚文本框輸入產(chǎn)品料厚（基準(zhǔn)側(cè)不用輸入，默認(rèn)為0）。

1次選擇：選擇加工內(nèi)容，自動(dòng)選擇策略組合一個(gè)加工工藝。

5次點(diǎn)擊：①點(diǎn)擊輸入模型，將要加工的模型輸入軟件，檢測(cè)模面完好度。②點(diǎn)擊綜合計(jì)算，計(jì)算所有針對(duì)加工內(nèi)容的工藝組合策略。③點(diǎn)擊批量檢查，檢查所有策略的碰撞情況和過切情況。④點(diǎn)擊程序清單，一鍵生成程序單。⑤點(diǎn)擊后處理，自動(dòng)生成后置文件到指定文件夾。

（2）定制自動(dòng)化加工后處理文件 將刀位數(shù)據(jù)（Cutter Location Data）文件轉(zhuǎn)換成指定數(shù)控機(jī)床能執(zhí)行的數(shù)控程序的文件稱為后置處理文件。為滿足智能化的需求，適應(yīng)制造生產(chǎn)的高度柔性化與自動(dòng)化，還需根據(jù)設(shè)備系統(tǒng)定制自動(dòng)化后處理文件。

以PowerMill軟件為例，定制后處理文件的過程為：①軟件內(nèi)部加載機(jī)床模型.mtd文件,配置機(jī)床模型。②打開Autodesk manufacturing post processor，輸入.pmoptz模板文件，輸入.cut刀位文件。③進(jìn)入編輯界面根據(jù)實(shí)際需求和規(guī)范進(jìn)行定制。④保存文件并進(jìn)行正確性測(cè)試。

3. 智能化制造帶來的綜合效應(yīng)

（1）制造效率提升 智能化制造使程序質(zhì)量異常情況減少，提升了編程效率，也可提升機(jī)床開動(dòng)率。

1）對(duì)近6個(gè)月的項(xiàng)目進(jìn)行抽樣統(tǒng)計(jì)，對(duì)比使用自動(dòng)編程系統(tǒng)前后的編程效率，型面編程效率均提高了1倍以上，簡(jiǎn)單新制模具編程效率提高了1.25倍，自動(dòng)化加工程序的編程效率提高了1.4倍，如圖6所示。

統(tǒng)計(jì)近12個(gè)月校對(duì)環(huán)節(jié)的編程異常情況，運(yùn)用自動(dòng)編程系統(tǒng)后，基本杜絕了一些之前暴露出的編程問題，見表1。

2）實(shí)施智能化制造后，有效減少了人為操作換刀、對(duì)刀及調(diào)程序等，提升了加工中心有效切削時(shí)間，自動(dòng)在線檢測(cè)減少了模具重復(fù)上機(jī)返修。統(tǒng)計(jì)1－6月自動(dòng)化加工和非自動(dòng)化加工的兩臺(tái)加工中心的有效切削時(shí)間，對(duì)比發(fā)現(xiàn)自動(dòng)化加工的開動(dòng)率平均提高了18.3%。見表2。

（2）改善品質(zhì)和加工的安全性 智能自動(dòng)化制造，減少了人為輔助，一方面降低了人為操作失誤，另一方面降低了NC工程師的勞動(dòng)強(qiáng)度，工作重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到程序優(yōu)化上，從而改善制造品質(zhì)。

（3）方便技術(shù)管理，形成技術(shù)體系 柔性化制造單元，系統(tǒng)化管理制造，一旦前期工作處理完，后期的技術(shù)學(xué)習(xí)、技術(shù)更新和技術(shù)管理都會(huì)便捷化。它是一套由多個(gè)技術(shù)文件與技術(shù)規(guī)范形成的數(shù)據(jù)庫(kù)與知識(shí)庫(kù)，不會(huì)因?yàn)槿藛T流失導(dǎo)致技術(shù)流失。

圖6 編程效率提升

表1 編程異常情況減少 （單位：次）

表2 開動(dòng)率對(duì)比

（4）提升企業(yè)形象，彰顯企業(yè)技術(shù)實(shí)力 智能化制造改善了品質(zhì)，提升了效率，彰顯了企業(yè)的科技水平和技術(shù)實(shí)力，使得企業(yè)能夠在同行中脫穎而出，在制造業(yè)嶄露頭角。

4. 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過硬件補(bǔ)給和軟件開發(fā)，初步實(shí)現(xiàn)了汽車覆蓋件模具型面智能化制造，但是距離成熟的智能化制造還有許多需要完善的方面。由于汽車覆蓋件模具比較龐大，自動(dòng)調(diào)運(yùn)與自動(dòng)裝夾是成本和技術(shù)上的難題。要實(shí)現(xiàn)完善的模具制造、智能裝配和自動(dòng)模具成品輸出，我們還需要不斷努力，繼續(xù)探索。