模具智能制造平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究及其應(yīng)用

張燕琴，宋育程，王波群

(1.東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，廣東東莞 523808；2.深圳模德寶科技有限公司，廣東深圳 518052)

0 前言

模具被譽(yù)為“工業(yè)之母”，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位不可替代。在傳統(tǒng)的模具制造作業(yè)模式中，普遍存在對(duì)技術(shù)人員高度依賴(lài)、產(chǎn)品品質(zhì)不穩(wěn)定、加工效率不理想等問(wèn)題。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)/數(shù)字化/CAX技術(shù)和數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)化和智能化制造已經(jīng)成為模具制造重要的發(fā)展方向，智能制造隨之快速發(fā)展，模云智能制造平臺(tái)在此環(huán)境下應(yīng)運(yùn)而生。

1 基本思路及總體框架

模云智能制造平臺(tái)以實(shí)現(xiàn)模具智能制造為目標(biāo)，運(yùn)用現(xiàn)代IT、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、3D虛擬等技術(shù)，涵蓋知識(shí)管理、CAD設(shè)計(jì)、CAPP工藝設(shè)計(jì)、CAM程序設(shè)計(jì)、精密加工、CMM自動(dòng)檢測(cè)校正、APS自動(dòng)排產(chǎn)、ROBOT機(jī)器人等內(nèi)容，是一個(gè)為模具企業(yè)提供管理、設(shè)計(jì)、制造信息化技術(shù)服務(wù)的云平臺(tái)。模云智能制造平臺(tái)基于SaaS服務(wù)方式，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器、移動(dòng)APP等形式為模具企業(yè)提供服務(wù)，開(kāi)箱即用的服務(wù)模式開(kāi)啟了互聯(lián)網(wǎng)+智能制造的新模式，為解決模具企業(yè)(特別是中小模具企業(yè))存在的品質(zhì)、成本和效率問(wèn)題提供幫助。

模云智能制造系統(tǒng)主要圍繞設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)化、生產(chǎn)自動(dòng)化和管控智能化3個(gè)方面開(kāi)展實(shí)施，總體框架如圖1所示。

圖1 模云智能制造系統(tǒng)總體框架

2 建設(shè)內(nèi)容

2.1 設(shè)計(jì)數(shù)字化

(1)制品可制造性分析(DFM)

根據(jù)產(chǎn)品的3D圖樣、材料和技術(shù)要求等信息，分析制品的可制造性，包括模具型腔排布、流道尺寸、進(jìn)澆方式、分型面、模具結(jié)構(gòu)、運(yùn)水排布、頂出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)等，并開(kāi)展CAE成型工藝分析，分析填充時(shí)間、壓力、溫度和熔合線(xiàn)、收縮等缺陷，為制造精度及成型參數(shù)調(diào)整提供參考。完成此項(xiàng)工作，將制品電子圖檔和可制造性設(shè)計(jì)(Design for Manufacture,DFM)分析報(bào)告上傳模云系統(tǒng)的項(xiàng)目管理模塊，開(kāi)啟一個(gè)新模制品項(xiàng)目。

(2)模具結(jié)構(gòu)及電極設(shè)計(jì)(CAD/ EDM)

根據(jù)模具設(shè)計(jì)、制造過(guò)程中的關(guān)鍵步驟，模云系統(tǒng)使用C#、C語(yǔ)言，基于NX軟件開(kāi)展了二次開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)了CAD、EDM、CAM、CMM和CAPP等功能模塊，使用界面如圖2所示。

圖2 基于NX二次開(kāi)發(fā)的CAX模塊界面

設(shè)計(jì)人員登錄模云系統(tǒng)，進(jìn)入智能設(shè)計(jì)模塊——CAD任務(wù)，選擇要開(kāi)始設(shè)計(jì)的任務(wù)，點(diǎn)擊“開(kāi)工”，即可在NX的CAD模塊中下載設(shè)計(jì)任務(wù)，開(kāi)始模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或電極設(shè)計(jì)。模云系統(tǒng)界面如圖3所示。利用CAD模塊和EDM模塊根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)計(jì)方式制作開(kāi)發(fā)流程，集成模具設(shè)計(jì)和電極設(shè)計(jì)的很多便捷功能(如自動(dòng)分模、多電極頭自動(dòng)設(shè)計(jì)等)，這些功能為擁有大量傳感器的智能模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供了強(qiáng)大的工具支持。設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了大量標(biāo)準(zhǔn)化的工作成果——標(biāo)準(zhǔn)件、自定義模板、自動(dòng)調(diào)用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)(Know-How)，以及工程圖/放電圖一鍵生成、BOM表一鍵導(dǎo)出上傳等智能化設(shè)計(jì)功能，能極大地提高工程師的設(shè)計(jì)能力和設(shè)計(jì)效率。

圖3 模云系統(tǒng)界面

(3)零件加工工藝設(shè)計(jì)(CAPP)

BOM表中需新制的模具零件將被系統(tǒng)自動(dòng)命名并出現(xiàn)在工藝設(shè)計(jì)(CAPP)模塊的“待加工零件”目錄下。工藝工程師選擇需要新制的零件開(kāi)始排工藝，點(diǎn)擊“開(kāi)工”，即可在NX的CAPP模塊下載圖檔，提取數(shù)模中各加工面的屬性，用不同顏色表示不同零件公差及加工方式，保存已上色圖檔至系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)。公差色碼對(duì)照如圖4所示。

圖4 公差色碼對(duì)照

在系統(tǒng)中編制零件加工工藝，一個(gè)型腔零件包含深孔鉆、銑床、CNC粗加工、熱處理、磨床、線(xiàn)切割、CNC精加工、EDM放電、檢測(cè)、拋光、配模等十幾個(gè)加工工序，如圖5所示。每個(gè)工序的工藝設(shè)計(jì)包含指定加工面、工序內(nèi)容、加工工時(shí)、工具夾具及是否生成CAM任務(wù)等信息。零件加工工藝編制完成后點(diǎn)擊“完成工藝”按鈕，系統(tǒng)將生成上述工段的編程任務(wù)。

圖5 加工工藝設(shè)計(jì)

另外，在一些重要配合零件中，為保證模板與鑲件之間的裝配精度，系統(tǒng)在工藝設(shè)計(jì)模塊設(shè)立了組立件設(shè)計(jì)功能，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)零件的組立編程加工,如圖6所示。

圖6 組立件加工

(4)加工程序編制(CAM)

編程人員登錄模云系統(tǒng)，進(jìn)入智能編程模塊——CAM任務(wù)，選擇要開(kāi)始編程的任務(wù)，點(diǎn)擊“開(kāi)工”，即可在NX的CAM模塊中下載編程任務(wù)，開(kāi)始模具零件或電極零件的程序編制。CAM模塊根據(jù)不同類(lèi)型零件的特點(diǎn)，以大量加工工藝參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，集成了大量CAM編程模板，可實(shí)現(xiàn)大部分零件的自動(dòng)編程，可一鍵生成程序單并將多種后處理文件自動(dòng)上傳至模云系統(tǒng)，后續(xù)可供不同加工機(jī)床直接調(diào)用程序。

無(wú)論是制品可制造性分析、模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，還是零件加工工藝設(shè)計(jì)和程序編制，所有的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)都將實(shí)時(shí)上傳、保存至模云系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)資源共享。這種互聯(lián)網(wǎng)+模具設(shè)計(jì)的模式，打破了時(shí)空界限，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)大協(xié)同，促進(jìn)了模具研發(fā)智能技術(shù)集成化的發(fā)展。

2.2 生產(chǎn)自動(dòng)化

(1)自動(dòng)排產(chǎn)(APS)

計(jì)劃排產(chǎn)模塊是模云智能制造系統(tǒng)中重要的一環(huán)。系統(tǒng)根據(jù)加工零件的數(shù)量、項(xiàng)目交期及工廠(chǎng)產(chǎn)能等信息自動(dòng)排產(chǎn)。生產(chǎn)加工過(guò)程中，如有臨時(shí)急件插入，可在系統(tǒng)頁(yè)面快速設(shè)置“急件”，從而保證優(yōu)先完成加工，實(shí)現(xiàn)靈活排產(chǎn)。計(jì)劃排產(chǎn)模塊還可隨時(shí)查看計(jì)劃明細(xì)、查詢(xún)排程執(zhí)行情況和產(chǎn)能負(fù)載等信息。

(2)零件RFID智能識(shí)別

與過(guò)去使用貼紙確認(rèn)零件身份的做法不同，模云系統(tǒng)在備料階段就為每一個(gè)零件分配了帶有RFID標(biāo)簽且將伴隨零件制造整個(gè)生命周期的標(biāo)準(zhǔn)化夾具。使用RFID芯片讀寫(xiě)器，給對(duì)應(yīng)夾具的RFID芯片寫(xiě)入與零件編號(hào)唯一對(duì)應(yīng)的信息，以便能夠自動(dòng)選擇與之對(duì)應(yīng)的加工圖紙、加工程序和加工數(shù)據(jù)等信息，并將零件各工段的加工記錄與檢測(cè)報(bào)告通過(guò)RFID自動(dòng)與數(shù)據(jù)庫(kù)相連，實(shí)現(xiàn)工件快速、準(zhǔn)確的智能識(shí)別，如圖7所示。

圖7 RFID智能識(shí)別系統(tǒng)(RFID芯片+芯片識(shí)讀器)

(3)模具自動(dòng)化加工

模具零件的加工主要包括鋼件和電極的加工。在模云的自動(dòng)化加工單元中，電極零件在設(shè)計(jì)任務(wù)完成之后，與鋼件一樣依次進(jìn)入編程、備料、校正、加工、檢測(cè)、出貨等環(huán)節(jié)。模云系統(tǒng)的自動(dòng)化加工單元流程如圖8所示。

圖8 自動(dòng)化加工單元流程

模具自動(dòng)化加工生產(chǎn)線(xiàn)整合了CNC、機(jī)器人、工件料架、刀具架、清洗機(jī)等裝備，如圖9所示。自動(dòng)化產(chǎn)線(xiàn)通過(guò)模云系統(tǒng)的智能制造模塊來(lái)控制運(yùn)行，每個(gè)工位的加工程序由RFID芯片自動(dòng)識(shí)別下載，安全穩(wěn)定；機(jī)器人響應(yīng)時(shí)間為60 s以?xún)?nèi)，可實(shí)現(xiàn)24 h無(wú)人作業(yè)，操作員只需要上下料和做好監(jiān)控即可。

圖9 自動(dòng)化加工生產(chǎn)線(xiàn)

未納入自動(dòng)化加工生產(chǎn)線(xiàn)的工段零件加工，工件上機(jī)后，操作員只需掃描夾具上的RFID芯片，程序即可自動(dòng)調(diào)入設(shè)備控制器，機(jī)床按照預(yù)先設(shè)定好的程序開(kāi)始加工，可實(shí)現(xiàn)加工無(wú)紙化與3D檔案的可視化。另外，為節(jié)省機(jī)內(nèi)調(diào)整時(shí)間、提高機(jī)臺(tái)稼動(dòng)率，操作員通常會(huì)將工件在機(jī)外預(yù)調(diào)平或?qū)⒐ぜ跈C(jī)外校正，并將相關(guān)信息自動(dòng)錄入到RFID芯片。

(4)自動(dòng)檢測(cè)(CMM)

與過(guò)去的手工編程不同，在NX的CMM模塊中，軟件可自動(dòng)識(shí)別電極3D，自動(dòng)生成CMM檢測(cè)程序,如圖10(a)所示；可自動(dòng)進(jìn)行安全碰撞仿真，以確保程序的安全性；對(duì)于形狀特殊的電極(如潛伏澆口電極)，CMM測(cè)頭可實(shí)施自動(dòng)轉(zhuǎn)角防干涉處理。軟件同時(shí)支持手動(dòng)編程模式，靈活高效。

在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，檢測(cè)工件由RFID芯片智能識(shí)別，并自動(dòng)下載檢測(cè)程序；系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)三坐標(biāo)設(shè)備進(jìn)行工件檢測(cè)，如圖10(b)所示，自動(dòng)生成可視化3D檢測(cè)報(bào)告并上傳至系統(tǒng)，如圖10(c)所示。與傳統(tǒng)的需要人為判斷工件是否合格的2D檢測(cè)報(bào)告不同，系統(tǒng)可自動(dòng)分析檢測(cè)結(jié)果，將不合格工件的偏差直接寫(xiě)入RFID芯片，返修時(shí)系統(tǒng)將根據(jù)檢測(cè)結(jié)果自動(dòng)調(diào)整加工參數(shù)。

圖10 自動(dòng)檢測(cè)

2.3 管控智能化

管理信息化是管控智能化的基礎(chǔ)，因此要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管控的智能化首先要實(shí)現(xiàn)管理的信息化。模云系統(tǒng)首先將產(chǎn)品數(shù)據(jù)(三維數(shù)模、加工工藝卡、二維工程圖、程序和刀具清單、NC程序、加工過(guò)程信息和檢測(cè)報(bào)告等)和企業(yè)生產(chǎn)資源(人員、設(shè)備、刀具、夾具等)信息化，通過(guò)系統(tǒng)的項(xiàng)目管理、智能設(shè)計(jì)、智能編程、計(jì)劃排產(chǎn)、智能制造、資產(chǎn)管理和成本管理等模塊，主要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃、資源調(diào)度、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)成本4個(gè)方面的智能管控。

(1)生產(chǎn)計(jì)劃

企業(yè)制定生產(chǎn)計(jì)劃之后，模云系統(tǒng)通過(guò)項(xiàng)目管理模塊以新建“項(xiàng)目—制品—工單”的形式落實(shí)實(shí)際生產(chǎn)任務(wù)。每個(gè)工單任務(wù)流經(jīng)“智能設(shè)計(jì)—工藝設(shè)計(jì)—智能編程—智能制造—智能檢測(cè)”等系統(tǒng)模塊，完成工件生產(chǎn)任務(wù)，并最終完成企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃。模具企業(yè)生產(chǎn)訂單的機(jī)動(dòng)性決定了生產(chǎn)的不確定性，智能制造系統(tǒng)給項(xiàng)目賦予完成優(yōu)先級(jí)，根據(jù)每天訂單的變更可智能生成每日的生產(chǎn)計(jì)劃，以達(dá)到柔性化生產(chǎn)的目的。系統(tǒng)通過(guò)各個(gè)功能模塊可有效管理工單和工序的數(shù)據(jù)流量，實(shí)時(shí)顯示生產(chǎn)計(jì)劃量、完成量和尚欠量等內(nèi)容，隨時(shí)查看生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)整和零件(新制+返修)生產(chǎn)進(jìn)度，實(shí)時(shí)跟進(jìn)生產(chǎn)計(jì)劃執(zhí)行情況。

(2)資源調(diào)度

將人員、物料、設(shè)備等企業(yè)資源錄入智能制造系統(tǒng)，借助計(jì)劃排產(chǎn)、資產(chǎn)管理、機(jī)臺(tái)監(jiān)控等系統(tǒng)模塊，可實(shí)現(xiàn)資源調(diào)度的智能管控。系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)反映每個(gè)工位上員工當(dāng)前的工作狀態(tài)，及時(shí)反映工作崗位的移動(dòng)，為生產(chǎn)安排的調(diào)配提供有力依據(jù)。應(yīng)用RFID技術(shù)，通過(guò)對(duì)智能芯片的讀寫(xiě)，系統(tǒng)記錄了每一個(gè)加工工序過(guò)程中生產(chǎn)資源的去向，對(duì)物料的出、入庫(kù)進(jìn)行全面管理，確保生產(chǎn)過(guò)程中生產(chǎn)資源的有效利用。根據(jù)企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)計(jì)劃，由智能制造系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整現(xiàn)有可用設(shè)備的工作時(shí)序，提高設(shè)備利用率，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率的最大化。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備數(shù)據(jù)監(jiān)控電子看板如圖11所示，通過(guò)電子看板可清晰顯示當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)，讓現(xiàn)場(chǎng)管理人員及時(shí)掌握生產(chǎn)狀態(tài)。

圖11 設(shè)備稼動(dòng)監(jiān)控電子看板

(3)產(chǎn)品質(zhì)量

模云系統(tǒng)集成了加工零件的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)等各階段的數(shù)字化信息，借助智能制造、綜合報(bào)表等功能模塊，通過(guò)對(duì)圖紙文檔的規(guī)范管理、操作規(guī)程的合理梳理、工藝參數(shù)的分析優(yōu)化、生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控、質(zhì)量數(shù)據(jù)的分析整理，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的智能管控。系統(tǒng)實(shí)時(shí)錄入生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的各類(lèi)數(shù)據(jù)(設(shè)備、刀夾具、材料參數(shù)、工藝數(shù)據(jù)等)，對(duì)生產(chǎn)大數(shù)據(jù)進(jìn)行整合利用，通過(guò)與預(yù)先建立的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)作比對(duì)，對(duì)加工異常及不良產(chǎn)品自動(dòng)進(jìn)行分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、糾正偏差，確保產(chǎn)品質(zhì)量。

(4)生產(chǎn)成本

模云系統(tǒng)中各種信息數(shù)據(jù)的高度集成(原料的流通、人員的調(diào)配、設(shè)備的使用和維修等)，使得企業(yè)生產(chǎn)資源的管控、追蹤得以輕松實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)通過(guò)外協(xié)管理、成本管理等模塊，可方便獲得企業(yè)生產(chǎn)中人力、物資、設(shè)備及外協(xié)的成本數(shù)據(jù)，為企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理者的決策提供重要依據(jù)。

3 技術(shù)特點(diǎn)及工作成效

依托模云系統(tǒng)完成的模具智能制造過(guò)程，呈現(xiàn)如下技術(shù)特點(diǎn)：

(1)知識(shí)庫(kù)的大量運(yùn)用

模云系統(tǒng)采用MYSQL數(shù)據(jù)庫(kù)，預(yù)設(shè)了大量諸如加工材料、切削參數(shù)、公差等級(jí)、機(jī)床放電等知識(shí)數(shù)據(jù)，支撐系統(tǒng)的智能設(shè)計(jì)、智能編程等功能，不僅大大降低了模具設(shè)計(jì)、加工工藝和程序編制對(duì)經(jīng)驗(yàn)豐富人員的依賴(lài)，還大大提高了工作效率。

(2)多種自動(dòng)化生產(chǎn)單元解決方案的實(shí)施

帶有RFID標(biāo)簽的標(biāo)準(zhǔn)化夾具和托盤(pán)系統(tǒng)為自動(dòng)化生產(chǎn)的實(shí)施提供了保障。根據(jù)企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)需求開(kāi)發(fā)不同的自動(dòng)化生產(chǎn)單元，如工件加工單元、電極加工單元、放電加工單元和混合加工單元等。多種自動(dòng)化生產(chǎn)單元解決方案的實(shí)施，大幅降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，甚至可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守加工，有效解決了傳統(tǒng)模式中夜班產(chǎn)出低的問(wèn)題，大幅提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。

(3)生產(chǎn)過(guò)程的智能管控

系統(tǒng)根據(jù)采集到的數(shù)字化信息，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行智能管控。例如，系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)控刀具壽命，對(duì)壽命完結(jié)的刀具實(shí)施機(jī)器人自動(dòng)換刀，若無(wú)法自動(dòng)換刀，系統(tǒng)將自動(dòng)禁用機(jī)床并發(fā)送報(bào)警信息。利用各種查詢(xún)功能(人員、圖紙、設(shè)備等)、看板功能(設(shè)備稼動(dòng)率看板、料架狀態(tài)看板、加工任務(wù)看板、加工歷史等)及消息推送(預(yù)警、報(bào)警等)，可實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的有效管控。實(shí)施智能管控不僅可大幅提高企業(yè)效率，還可避免傳統(tǒng)管理模式中來(lái)自人的不穩(wěn)定因素，使得產(chǎn)品加工品質(zhì)更高，質(zhì)量更穩(wěn)定。

(4)高效智能的數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)可自動(dòng)生成豐富的實(shí)時(shí)生產(chǎn)報(bào)表、全數(shù)字化質(zhì)量分析報(bào)告和成本分析報(bào)告。特別是質(zhì)量分析數(shù)據(jù)可以為質(zhì)量事故的分析、質(zhì)量問(wèn)題的追溯提供有力支撐。

4 結(jié)語(yǔ)

模云智能制造系統(tǒng)的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了模具產(chǎn)品的設(shè)計(jì)數(shù)字化、生產(chǎn)自動(dòng)化和管控智能化，是一個(gè)信息化和自動(dòng)化高度整合的模具智能制造平臺(tái)。系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，將模具生產(chǎn)制造過(guò)程端到端打通，實(shí)現(xiàn)了模具企業(yè)的智能化和精細(xì)化管理，有效提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了運(yùn)營(yíng)成本，提升了企業(yè)效益。