基于工業(yè)機(jī)器人的模具智能生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

周盈，莫奕舉

深圳華數(shù)機(jī)器人有限公司 廣東深圳 518052

1 引言

模具素有“工業(yè)之母”的美譽(yù)，是制造業(yè)中不可或缺的特殊基礎(chǔ)裝備，主要用于大批量生產(chǎn)工業(yè)產(chǎn)品中的有關(guān)零部件和制件，是裝備制造業(yè)的重要組成部分，是制造業(yè)及相關(guān)行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)和技術(shù)進(jìn)步的重要保障之一。因此，優(yōu)先發(fā)展模具生產(chǎn)制造智能化尤為必要。

在塑膠模具的制造中，機(jī)床的實(shí)際加工時(shí)間只有約50%，另一半時(shí)間則用于工件的裝夾和刀具的更換。在絕大部分模具制造企業(yè)，由于模具產(chǎn)品的多樣性和單一產(chǎn)品的多工步、多工序，使得模具企業(yè)并沒有廣泛采用自動(dòng)化生產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)，因此極大地制約了生產(chǎn)效率的提升。模具生產(chǎn)智能化、自動(dòng)化的改造成為企業(yè)的迫切需求，人工智能時(shí)代的到來讓柔性制造系統(tǒng)應(yīng)用更加廣泛，世界發(fā)達(dá)國家競(jìng)相開發(fā)和改進(jìn)新技術(shù)，使智能制造技術(shù)應(yīng)用更廣，從而獲得更多經(jīng)濟(jì)效益。隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的日漸成熟和現(xiàn)代化制造業(yè)對(duì)生產(chǎn)線智能化的需要，工業(yè)機(jī)器人被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代化生產(chǎn)線中。未來，以智能為核心、以工業(yè)機(jī)器人為主體的智能生產(chǎn)線將日益普及。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

生產(chǎn)線系統(tǒng)從整體上可分為三個(gè)層次——智能決策層、智能傳感層和智能設(shè)備層。智能決策層主要包含MES、ERP等工業(yè)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)制訂生產(chǎn)計(jì)劃、制造過程管理、生產(chǎn)調(diào)度、排產(chǎn)及物料管理等；智能傳感層主要是SCADA系統(tǒng)，負(fù)責(zé)生產(chǎn)線設(shè)備數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控、作業(yè)任務(wù)派發(fā)和生產(chǎn)線實(shí)時(shí)控制等；智能設(shè)備層由各種加工設(shè)備組成，主要負(fù)責(zé)完成生產(chǎn)加工任務(wù)。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，通過數(shù)據(jù)庫匯集來自MES系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)、物流和質(zhì)量等系統(tǒng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為各個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的交互提供技術(shù)支持。其中，來自MES的數(shù)據(jù)包括生產(chǎn)計(jì)劃數(shù)據(jù)、生產(chǎn)執(zhí)行進(jìn)度數(shù)據(jù)等；來自SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包括設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)和異常信息等；來自ERP的數(shù)據(jù)包括主計(jì)劃及其完成進(jìn)度、倉庫物料等。通過MES系統(tǒng)下發(fā)訂單，智能生產(chǎn)線能自動(dòng)完成毛坯運(yùn)輸、加工程序傳輸、智能加工、在線檢測(cè)、RFID數(shù)據(jù)記錄追溯和成品合格入庫等工序。

數(shù)據(jù)庫通過定義數(shù)據(jù)集成接口規(guī)范，實(shí)現(xiàn)不同格式的數(shù)據(jù)按規(guī)范化處理后再匯入，并提供集成日志、權(quán)限控制、性能監(jiān)控等功能，提高了數(shù)據(jù)集成的安全性、可靠性和高效性。

3 工藝流程

模具智能生產(chǎn)線工藝流程如圖2所示，首先通過預(yù)裝預(yù)調(diào)區(qū)域準(zhǔn)備待加工物料（電極坯料、鋼料坯料），然后通過AGV小車分別運(yùn)送至電極加工單元和鋼料加工單元，電極加工單元把從預(yù)裝預(yù)調(diào)區(qū)運(yùn)送過來的電極毛坯根據(jù)所選擇的NC加工文件進(jìn)行加工，再由AGV小車把物料從電極加工單元運(yùn)送到電極檢測(cè)單元進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)完成后，再由AGV小車把物料運(yùn)送到倉儲(chǔ)單元等待下一工序加工。鋼料加工單元把從預(yù)裝預(yù)調(diào)區(qū)運(yùn)送過來的鋼料毛坯根據(jù)所選擇的NC加工文件進(jìn)行加工，再由AGV小車把物料從鋼料加工單元運(yùn)送到鋼料檢測(cè)單元進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)完成后，停留在鋼料檢測(cè)單元等待下一工序。AGV小車從倉儲(chǔ)單元運(yùn)送電極和鋼料到電火花單元，通過機(jī)器人完成裝夾，SCADA系統(tǒng)會(huì)根據(jù)打火花需要的電極和對(duì)應(yīng)的打火花NC文件控制火花機(jī)進(jìn)行放電加工，加工完成后，經(jīng)AGV小車運(yùn)送至成品區(qū)域。

圖2 工藝流程

圖3 產(chǎn)線硬件組成

4 硬件組成

智能生產(chǎn)線根據(jù)工藝流程分為六大功能模塊區(qū)（見圖3），即預(yù)裝預(yù)調(diào)區(qū)、電極加工檢測(cè)區(qū)、鋼料加工檢測(cè)區(qū)、電火花加工區(qū)、成品整理區(qū)和電極智能化倉儲(chǔ)區(qū)。每個(gè)功能區(qū)域均配置有PLC和SCADA系統(tǒng)，主要設(shè)備有電極加工CNC、鋼料加工CNC、電火花機(jī)、三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、機(jī)器人、帶定位動(dòng)力滾筒線、電極和鋼料料架、料盤、AGV物流小車系統(tǒng)、RFID系統(tǒng)以及各種輔助設(shè)備。每個(gè)功能區(qū)的設(shè)備種類由其工藝特性決定，但基本遵循“加工設(shè)備—機(jī)器人—料架—對(duì)接臺(tái)”的模式。加工設(shè)備有CNC、三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x或電火花機(jī)等。機(jī)器人則根據(jù)物料的大小和質(zhì)量來選型，選用20kg的機(jī)器人抓取電極料盤，鋼料則選用200～300kg的機(jī)器人來抓取，每個(gè)機(jī)器人上都裝有RFID讀寫器，除了搬運(yùn)物料外，還負(fù)責(zé)產(chǎn)品RFID信息的讀取和寫入。料架用來臨時(shí)存放待加工或已加工的物料。對(duì)接臺(tái)是用于與AGV進(jìn)行物料對(duì)接的平臺(tái)，各個(gè)單元之間采用AGV進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)物料流轉(zhuǎn)。

（1）預(yù)裝預(yù)調(diào)區(qū) 該區(qū)為人工操作區(qū)，包括2條上料滾筒線、2條料盤回收雙向滾筒線、1臺(tái)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x及工作臺(tái)/架、料盤/電極座儲(chǔ)存架、升降推車等。

由人工將待加工鋼坯料裝入鋼料托板，測(cè)量定出基礎(chǔ)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并記錄輸入系統(tǒng)。將料盤RFID信息初始化，之后將定位料盤放在上料動(dòng)力滾筒上，由AGV運(yùn)輸至加工區(qū)。預(yù)裝預(yù)調(diào)區(qū)也負(fù)責(zé)電極坯料的準(zhǔn)備，將電極坯料裝在電極座上，之后放在電極料盤上，料盤進(jìn)入上料動(dòng)力滾筒線，由AGV運(yùn)輸至電極加工區(qū)。電極座和電極料盤均配置有RFID芯片，在進(jìn)入上料線前，由人工進(jìn)行初始化掃描。

將AGV運(yùn)送來的空料盤和需人工干預(yù)的問題鋼料等轉(zhuǎn)入回收滾筒線，由人工卸下進(jìn)行存放或處理，AGV需要的空料盤也由此處發(fā)出。

（2）電極C N C加工檢測(cè)區(qū) 電極加工單元（見圖4）包括3臺(tái)CNC、1臺(tái)機(jī)器人、1個(gè)料架和1個(gè)對(duì)接臺(tái)；電極檢測(cè)單元（見圖5）包括1臺(tái)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、1臺(tái)機(jī)器人、1個(gè)料架和1個(gè)對(duì)接臺(tái)。機(jī)器人負(fù)責(zé)加工、檢測(cè)單元與對(duì)接臺(tái)的上下料，以及料盤產(chǎn)品RFID信息的讀取。

圖4 電極加工單元

圖5 電極檢測(cè)單元

圖6 鋼料加工單元

（3）鋼料加工檢測(cè)區(qū) 鋼料加工單元（見圖6）包括4臺(tái)CNC、1臺(tái)機(jī)器人、1個(gè)料架和1個(gè)對(duì)接臺(tái)；鋼料檢測(cè)單元（見圖7）包括1臺(tái)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、1臺(tái)機(jī)器人、4個(gè)料架和1個(gè)對(duì)接臺(tái)。在鋼料加工區(qū)完成的模具鋼料送入“鋼料測(cè)量區(qū)”進(jìn)行測(cè)量，不需要電火花加工的合格品作為完成品直接進(jìn)能化倉儲(chǔ)設(shè)置2臺(tái)機(jī)器人和6個(gè)電極料架，機(jī)器人1對(duì)3布局，配置1臺(tái)料盤定位輸送滾筒線，對(duì)電極進(jìn)行入成品區(qū)，需要電火花加工的產(chǎn)品放在料架上存放，等待指令送入電火花模塊加工。電火花加工后的模具鋼料，再次進(jìn)入本測(cè)量區(qū)進(jìn)行測(cè)量。

（4）電火花加工區(qū) 電火花單元（見圖8）包括2臺(tái)雙頭火花機(jī)、1臺(tái)機(jī)器人、2個(gè)料架（電極料盤架和鋼料料盤架）和1個(gè)對(duì)接臺(tái)。

（5）成品整理區(qū) 本功能區(qū)為人工操作區(qū)，檢測(cè)合格的模具成品在此區(qū)域進(jìn)行整理和出貨。設(shè)置動(dòng)力滾筒線、升降臺(tái)車和工作臺(tái)架等。AGV從鋼料檢測(cè)區(qū)運(yùn)輸檢測(cè)合格的模具成品，進(jìn)入本區(qū)與滾筒線對(duì)接。滾筒線輸入成品后，由人工取下模具成品，掃描信息，并使空的鋼料料盤返回滾筒線，由AGV自帶或轉(zhuǎn)運(yùn)至預(yù)裝預(yù)調(diào)區(qū)，作為新模具鋼坯料的載體。

（6）電極智能化倉儲(chǔ)區(qū) 如圖9所示，電極智智能化儲(chǔ)存和管理。該區(qū)域電極包括待測(cè)電極、已測(cè)不合格電極、已測(cè)合格待用電極或出貨電極、已用電極、報(bào)廢電極等。

圖7 鋼料檢測(cè)單元

圖8 電火花加工單元

圖9 電極智能化倉儲(chǔ)

5 網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)

生產(chǎn)線組網(wǎng)設(shè)備有數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、PLC、RFID、AGV和三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x等。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)與機(jī)器人控制系統(tǒng)均支持以太網(wǎng)接口；RFID讀寫器通過串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊提供以太網(wǎng)接口；AGV系統(tǒng)和三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x也均支持以太網(wǎng)接口。

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖10所示，SCADA系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)與數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、PLC、RFID、AGV及三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x進(jìn)行連接，采用TCP/IP通信協(xié)議，各系統(tǒng)提供其外部軟件連接A P I接口，在SCADA系統(tǒng)上開發(fā)集成各系統(tǒng)通信模塊，即可實(shí)現(xiàn)各設(shè)備數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控和控制指令的發(fā)送。SCADA系統(tǒng)將生產(chǎn)線設(shè)備數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫，MES、ERP等工業(yè)軟件通過數(shù)據(jù)庫與SCADA系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，MES、ERP軟件將加工任務(wù)通過SCADA系統(tǒng)派發(fā)到模具生產(chǎn)線，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的智能化管理與生產(chǎn)加工。

圖10 生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

6 SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖11所示，SCADA系統(tǒng)（即生產(chǎn)線控制系統(tǒng)）是智能生產(chǎn)線的核心層，主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)線設(shè)備數(shù)據(jù)（各設(shè)備狀態(tài)、I/O狀態(tài)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)等）采集、狀態(tài)顯示、生產(chǎn)線監(jiān)控、RFID讀寫控制、AGV交互、NC文件及作業(yè)指導(dǎo)書傳輸和PLC控制等。SCADA系統(tǒng)遵循標(biāo)準(zhǔn)化、開放性設(shè)計(jì)原則，具有高度可擴(kuò)充性，能夠方便地與ERP、MES等工業(yè)軟件系統(tǒng)進(jìn)行連接。SCADA系統(tǒng)主要功能如下。

（1）數(shù)據(jù)采集 負(fù)責(zé)生產(chǎn)線設(shè)備實(shí)時(shí)信息的采集，包括機(jī)床設(shè)備狀態(tài)（運(yùn)行、空閑、故障、關(guān)機(jī)和維修等），實(shí)時(shí)獲知每臺(tái)機(jī)床位置、速度、電流、I/O、報(bào)警、故障信息、工件名稱、刀具、加工時(shí)間和程序執(zhí)行時(shí)間等核心數(shù)據(jù)；機(jī)器人設(shè)備狀態(tài)信息、當(dāng)前動(dòng)作、夾具狀態(tài)等；PLC相關(guān)狀態(tài)信息；AGV調(diào)度系統(tǒng)相關(guān)信息；三坐標(biāo)設(shè)備狀態(tài)、檢測(cè)結(jié)果等。通過對(duì)多源異構(gòu)制造信息數(shù)據(jù)的采集與集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)制造資源、生產(chǎn)過程、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、分析、監(jiān)控和管理。

（2）實(shí)時(shí)控制 機(jī)器人工作站料盤控制：每個(gè)機(jī)器人配置1個(gè)RFID讀寫器，當(dāng)料盤送至機(jī)器人工作站點(diǎn)時(shí)，讀寫器會(huì)讀取料盤RFID標(biāo)簽信息，根據(jù)信息判斷控制料盤放置在該工作站上料區(qū)或暫存機(jī)構(gòu)，并將信息上傳至MES系統(tǒng)。

料盤物料信息寫入：當(dāng)工作站CNC加工完成后的產(chǎn)品被放入物料料盤時(shí)，通過RFID讀寫器將相關(guān)產(chǎn)品信息、加工信息寫入料盤RFID標(biāo)簽中，同時(shí)上傳至數(shù)據(jù)庫中，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品加工過程的追溯。

發(fā)送物料需求至AGV調(diào)度系統(tǒng)：當(dāng)線體物料暫存區(qū)空出后，線體P L C會(huì)發(fā)送物料需求信息至SCADA系統(tǒng)，SCADA再發(fā)送運(yùn)輸指令至AGV調(diào)度系統(tǒng)，AGV系統(tǒng)負(fù)責(zé)調(diào)度AGV小車將物料運(yùn)送至對(duì)應(yīng)區(qū)域。

（3）作業(yè)任務(wù)傳輸 NC文件、作業(yè)指導(dǎo)書下發(fā)：SCADA系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫中獲取對(duì)應(yīng)CNC的NC文件、作業(yè)指導(dǎo)書等，將其下發(fā)至對(duì)應(yīng)的CNC設(shè)備。

質(zhì)檢數(shù)據(jù)下發(fā)：根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)將質(zhì)檢數(shù)據(jù)文件發(fā)送至對(duì)應(yīng)的三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x。

（4）實(shí)時(shí)監(jiān)控 生產(chǎn)線設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控主要由設(shè)備監(jiān)視、統(tǒng)計(jì)分析、設(shè)備配置等組成。設(shè)備監(jiān)視包含設(shè)備狀態(tài)（離線、運(yùn)行、報(bào)警、空閑及PLC狀態(tài)等）、當(dāng)前報(bào)警內(nèi)容、加工NC程序和當(dāng)前加工數(shù)量等；統(tǒng)計(jì)分析主要是對(duì)生產(chǎn)線設(shè)備歷史使用情況數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，包含機(jī)床開機(jī)率、利用率、運(yùn)行率、報(bào)警率和加工件數(shù)等；設(shè)備配置主要是對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化配置管理，包含設(shè)備型號(hào)、IP地址、用戶權(quán)限及機(jī)床參數(shù)配置。

圖11 生產(chǎn)線控制系統(tǒng)

7 應(yīng)用效果

經(jīng)過實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行表明：電極單元機(jī)臺(tái)稼動(dòng)率達(dá)到90%，合格率在95%以上，充分發(fā)揮了智能生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)；鋼料單元每臺(tái)CNC機(jī)臺(tái)稼動(dòng)率達(dá)到85%，加工產(chǎn)品合格率在90%以上；對(duì)于電火花加工單元，由于使用自動(dòng)化上下料和自動(dòng)運(yùn)行，節(jié)省了大量更換電極的時(shí)間，機(jī)臺(tái)稼動(dòng)率超過了80%。在運(yùn)行期間，除了在預(yù)裝區(qū)準(zhǔn)備物料的人員外，沒有其他人員參與生產(chǎn)加工，物料從預(yù)裝區(qū)出發(fā)后全程自動(dòng)運(yùn)行生產(chǎn)加工。

本文解決了以下技術(shù)難題。

1）打通了生產(chǎn)線上不同設(shè)備的通信壁壘，把所有設(shè)備通過以太網(wǎng)進(jìn)行組網(wǎng)，并在軟件層面上尋找與各個(gè)設(shè)備通信的方法，可獲取設(shè)備運(yùn)行信息或控制設(shè)備運(yùn)行。

2）開發(fā)SCADA系統(tǒng)軟件，采集生產(chǎn)線設(shè)備的數(shù)據(jù)并通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)行集中規(guī)范管理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線實(shí)時(shí)管控。

3）采用R F I D芯片，對(duì)每個(gè)工件進(jìn)行身份定義，芯片內(nèi)容包含了工件的工藝路線、尺寸、物料類型、加工文件、檢測(cè)文件和行跡記錄等信息，使工件的生產(chǎn)信息可查找和追溯。

4）研發(fā)柔性工裝夾具，工件在切換時(shí)更方便，而且加工精度更高。在傳統(tǒng)CNC加工中，工件在加工之前需要在設(shè)備上分中校表、找工件坐標(biāo)系，浪費(fèi)設(shè)備運(yùn)行時(shí)間，而采用柔性工裝夾具可以把分中校表轉(zhuǎn)移至前工序準(zhǔn)備，不占用設(shè)備運(yùn)行時(shí)間。而且在前工序采用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x進(jìn)行分中校表，比傳統(tǒng)的千分表精度更高。

5）拼盤加工和檢測(cè)模式，即多個(gè)工件同時(shí)進(jìn)入機(jī)臺(tái)按順序進(jìn)行加工或檢測(cè)，在機(jī)器人換料的基礎(chǔ)上進(jìn)一步減少工件切換時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

6）加工模式柔性化，根據(jù)不同要求，定制不同工藝路線，如只加工不檢測(cè)、只加工檢測(cè)不放電等。

7）研制新型機(jī)械手爪快換系統(tǒng)，使得在全自動(dòng)電火花加工時(shí)，可以隨意快速切換機(jī)械手爪，達(dá)到抓取電極或鋼料的要求。

8 結(jié)束語

本文針對(duì)模具制造自動(dòng)化、智能化需求，設(shè)計(jì)了模具智能制造生產(chǎn)線總體框架，開發(fā)了SCADA系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了模具智能生產(chǎn)線建設(shè)。采用工業(yè)機(jī)器人替代人工，大大節(jié)省了人力成本，有效地提高了模具生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。同時(shí)該生產(chǎn)線具有極強(qiáng)的適用性和擴(kuò)展性，可為模具制造企業(yè)自動(dòng)化、智能化升級(jí)改造和建設(shè)提供幫助和借鑒。

專家點(diǎn)評(píng)

通過工業(yè)以太網(wǎng)將SCADA系統(tǒng)與MES系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、PLC、AGV、RFID等設(shè)備進(jìn)行連接，構(gòu)建生產(chǎn)線的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，使具有小批量生產(chǎn)特點(diǎn)的模具生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化，為今后模具生產(chǎn)數(shù)字化提供了現(xiàn)實(shí)案例。

理論和實(shí)踐相結(jié)合是文章的突出特點(diǎn)，作者能夠通過現(xiàn)代化數(shù)字制造技術(shù)解決長期困擾模具生產(chǎn)的難題，制造過程描述詳盡，重點(diǎn)突出，極其具有行業(yè)推廣的價(jià)值。