模具加工中的智能化技術(shù)研究及應(yīng)用

唐增亮，陳明耀，李勇華

（廣西玉林農(nóng)業(yè)學校，廣西 玉林 537000）

模具加工是制造業(yè)中不可或缺的一個環(huán)節(jié)，其主要任務(wù)是將零部件、產(chǎn)品等制造成所需要的形狀、尺寸和表面質(zhì)量等。傳統(tǒng)的模具加工方式存在著效率低下、制造成本高等問題。隨著智能化技術(shù)的發(fā)展，智能化加工技術(shù)在模具加工中得到了廣泛應(yīng)用，為模具行業(yè)的升級轉(zhuǎn)型提供了技術(shù)支撐和有效手段。

1 智能化技術(shù)的功能特點及應(yīng)用

隨著智能化技術(shù)的發(fā)展，越來越多的智能化設(shè)備和系統(tǒng)被應(yīng)用到模具加工中。目前，智能化技術(shù)主要包括數(shù)字化加工、自動化加工、智能化監(jiān)控等方面。

1.1 數(shù)字化加工

1.1.1 數(shù)字化加工的特點

數(shù)字化加工是指通過計算機輔助設(shè)計、制造等技術(shù)手段將模具加工過程實現(xiàn)數(shù)字化。數(shù)字化加工可以有效降低制造成本，提高加工效率，同時保證產(chǎn)品質(zhì)量。數(shù)字化加工是一種基于數(shù)字信息技術(shù)的精密制造方法，其將設(shè)計圖紙、計算機輔助設(shè)計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）和計算機數(shù)控加工（CNC）系統(tǒng)有機結(jié)合，將數(shù)字模型轉(zhuǎn)換為具體的真實產(chǎn)品。數(shù)字化加工使得生產(chǎn)過程變得更高效、更準確和更靈活，同時也能夠提高生產(chǎn)質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本。數(shù)字化加工涉及到許多方面的技術(shù)，其中包括三維掃描技術(shù)、逆向工程技術(shù)、虛擬加工技術(shù)、快速原型制作技術(shù)、激光切割技術(shù)等。利用這些技術(shù)，數(shù)字化加工可以在各種材料上進行生產(chǎn)制造，例如金屬、塑料、陶瓷和木材等。

1.1.2 在模具行業(yè)中的應(yīng)用

數(shù)字化加工是目前智能化技術(shù)在模具加工中應(yīng)用最為廣泛的一種方式。通過計算機輔助設(shè)計、制造等技術(shù)手段將模具加工過程實現(xiàn)數(shù)字化，可以使加工過程更加精確、高效、安全，同時大大降低了制造成本。目前，數(shù)字化加工主要應(yīng)用于數(shù)控加工中，其主要流程如圖1 所示。

圖1 數(shù)控加工流程圖

建模：將物理實體或零件的三維幾何形狀轉(zhuǎn)換為計算機可以理解和處理的數(shù)字模型。這個數(shù)字模型可以通過計算機輔助設(shè)計（CAD）軟件創(chuàng)建，以便將其導入到計算機數(shù)控系統(tǒng)（CNC）中進行加工。在建模過程中，需要考慮零件的幾何形狀、尺寸、材料和制造工藝等因素。一個好的建模過程可以確保零件完整、精確地加工出來。

規(guī)劃路徑：根據(jù)已建模的零件幾何形狀和加工要求，在計算機系統(tǒng)中自動化生成用于控制刀具行進軌跡的數(shù)字化路徑。這個路徑包含了刀具在零件表面上行進的所有信息，如起點、終點、路徑方向、穿刺角度、切削深度和進給速率等。這些信息可以由CNC 系統(tǒng)翻譯和執(zhí)行，使得刀具按照預定的路線，以精確的速度和深度進行切削加工，最終將零件制造出來。規(guī)劃刀具路徑的優(yōu)化可以提高加工效率、降低成本和提高制造質(zhì)量。

生成程序：通過計算機輔助制造（CAM）軟件自動生成，編寫過程中需要考慮零件的幾何形狀、材料、加工工藝等因素，以確保能夠高效、準確地加工出所需的零件。

數(shù)控加工：將計算機輔助制造（CAM）軟件生成的程序?qū)霐?shù)控機床，由數(shù)控機床進行加工。

檢測：對加工出來的工件進行質(zhì)量檢測，檢查加工精度是否符合要求，并在必要時調(diào)整加工參數(shù)，重新進行數(shù)字化加工。

入庫：檢測合格的成品進行入庫分類管理。

數(shù)字化加工通過將手工操作轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C控制，大大提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，并且可以針對不同的工件需求進行自動化加工，同時也減少了人員勞動強度。

1.2 自動化加工

1.2.1 自動化加工的特點

自動化加工是指通過計算機控制，使機器自動進行加工、裝配和生產(chǎn)過程的技術(shù)。相較于人工操作的傳統(tǒng)加工方式，自動化加工具有高效、精確等優(yōu)勢，并被廣泛應(yīng)用在工業(yè)制造領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的手動操作相比，自動化加工可以大幅提升生產(chǎn)效率。通過數(shù)字化信息的處理，不但消除了工裝制作與安裝的繁瑣，同時，也減少了人力成本。此外，自動化加工還能夠確保產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。機器通過程序?qū)庸?shù)的準確控制，能夠保證每個產(chǎn)品都具有相對一致的良好品質(zhì)。

目前，在自動化加工技術(shù)方面，我國取得了很多重要進展。例如，智能制造系統(tǒng)的研發(fā)、以機器人為代表的自動化生產(chǎn)線的建設(shè)等。這些項目旨在將人工參與的制造流程轉(zhuǎn)換為自動化生產(chǎn)模式。近年來，自動化加工理念受到了越來越廣泛的關(guān)注。與此同時，激光加工、電化學蝕刻、精密光刻、3D 打印等技術(shù)的不斷發(fā)展，為自動化加工技術(shù)的深度與廣度提供了可靠的基礎(chǔ)和支撐。

1.2.2 在模具加工中的應(yīng)用

自動化加工是一種廣泛應(yīng)用于制造業(yè)的技術(shù)，可以有效地提高各種產(chǎn)品生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，幫助企業(yè)實現(xiàn)制造業(yè)的數(shù)字化和智能化，可以大大降低人工成本，提高加工的精度和效率。其主要應(yīng)用于模具制造過程，見表1。

表1 自動化加工的應(yīng)用

1.3 智能化監(jiān)控

1.3.1 智能化監(jiān)控的特點

智能化監(jiān)控是指通過運用先進的信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)來實現(xiàn)對監(jiān)控對象的全方位智能感知、分析、預測，為監(jiān)管人員提供有效的管理手段。智能化監(jiān)控主要將“感知-分析-決策”3 個環(huán)節(jié)緊密結(jié)合起來，實現(xiàn)對各種事件場景的精準識別與判定，并且依托先進的計算機學習算法，優(yōu)化監(jiān)控效果提高識別準確性。例如，可以配置足夠多的情景模式，在模擬虛擬環(huán)境中開展動態(tài)測試經(jīng)驗，快速累積大量目標數(shù)據(jù)并進行挖掘，反饋對實時監(jiān)控方案的改善建議。隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的逐步成熟，智能化監(jiān)控將會得到更加廣泛的應(yīng)用，未來產(chǎn)業(yè)將會更多地將其應(yīng)用到生產(chǎn)管理過程中，以降低生產(chǎn)成本，增加操作員與設(shè)備的聯(lián)結(jié)度，并保證生產(chǎn)安全與穩(wěn)定性。

1.3.2 在模具加工中的應(yīng)用

智能化監(jiān)控通過傳感器、計算機等設(shè)備對模具加工進行實時監(jiān)控，并對加工過程進行分析和處理。智能化監(jiān)控可以及時發(fā)現(xiàn)加工過程中的異常情況，并對異常情況進行處理，保證加工質(zhì)量和安全。目前，智能化監(jiān)控主要應(yīng)用于以下方面。

1）設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測：通過傳感器等設(shè)備監(jiān)測機床各個部位的運轉(zhuǎn)狀態(tài)和溫度、振動等情況，利用數(shù)據(jù)采集設(shè)備將數(shù)據(jù)實時反饋給控制系統(tǒng)，并對設(shè)備運行故障進行早期預警和預防。

2）制程監(jiān)控：運用數(shù)字化技術(shù)對模具加工過程中的質(zhì)量參數(shù)進行跟蹤檢測，如零件精度、表面光潔度等。通過實時數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計判定與比對，在生產(chǎn)過程中及時發(fā)現(xiàn)問題并解決。

3）自適應(yīng)控制：通過運用人工智能算法，實現(xiàn)模具加工過程自適應(yīng)控制，根據(jù)加工狀態(tài)動態(tài)調(diào)整刀具運行速度、進給速度等參數(shù)，保證加工過程高效穩(wěn)定。

4）知識管理：智能化監(jiān)控還可實現(xiàn)對模具加工過程知識的記錄、積累、共享和傳遞，形成模具加工知識庫，為后續(xù)生產(chǎn)提供參考和支持。

智能化監(jiān)控在模具加工中廣泛應(yīng)用，不僅可以幫助企業(yè)降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，還有望縮短交貨時間，同時也為應(yīng)對市場需求的變化提供了強有力的支持。

2 智能化技術(shù)在模具加工中的效果分析

2.1 智能化技術(shù)深度融合提升模具加工全鏈條效率

智能化技術(shù)已經(jīng)深入到模具加工的各個環(huán)節(jié)中，包括設(shè)計、制造、質(zhì)量控制和生產(chǎn)管理等，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

2.1.1 智能化技術(shù)能夠優(yōu)化模具的設(shè)計和制造流程

基于計算機輔助設(shè)計軟件（CAD）建立數(shù)學模型，利用虛擬試驗和數(shù)值分析進行優(yōu)化，從而實現(xiàn)對模具結(jié)構(gòu)和性能的完美協(xié)調(diào)。由此，研發(fā)周期和成本大幅縮短。同時，數(shù)字化工序使得整個生產(chǎn)過程可通過自動化完成，降低因手工操作誤差所導致的問題，并提高了產(chǎn)品精度和制造的穩(wěn)定性，大幅提升整體制造效率。

2.1.2 智能化技術(shù)可以實現(xiàn)智能化的質(zhì)量控制

通過遠程監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，偏離標準動態(tài)進行預警和異常分析，在加工后期能夠針對性地修改工藝參數(shù)，及時調(diào)整生產(chǎn)。這種方式可以避免質(zhì)量問題的擴散或重新處理造成的浪費，并提高檢測的速度和準確性。此外，智能化技術(shù)能夠通過追蹤每個模具的歷史數(shù)據(jù)，快速排查問題，提高質(zhì)量反應(yīng)的精度和效率。

2.1.3 智能化技術(shù)能夠優(yōu)化模具的生產(chǎn)管理

通過信息技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合進行生產(chǎn)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集分析，實現(xiàn)生產(chǎn)計劃自動下達，生產(chǎn)過程協(xié)調(diào)合理，流水線式加工等，以最少成本、最少時間和人力資源完成項目任務(wù)和量產(chǎn)要求，支撐決策，并隨時跟蹤生產(chǎn)的狀況。運用這些成果，可以提高企業(yè)的整體協(xié)調(diào)性、減少缺陷率，并不斷強化品牌競爭優(yōu)勢，推動模具制造向更高水平邁進。

2.2 智能化技術(shù)在模具加工中的多重效益

智能化技術(shù)應(yīng)用在模具加工中可以有效提高加工效率和降低制造成本，并且還可以保證加工質(zhì)量和安全。下面將從這幾個方面進行分析。

2.2.1 提高加工效率

傳統(tǒng)的模具加工方式需要人工完成大量重復性勞動，效率低下。而智能化技術(shù)的應(yīng)用可以實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，大大提高生產(chǎn)效率。比如，數(shù)字化加工可以使加工過程更加精確、高效、安全，同時通過靈活的工作流程，提高加工效率。

2.2.2 降低制造成本

智能化技術(shù)的應(yīng)用可以降低制造成本。比如，數(shù)字化加工通過全自動化、動態(tài)監(jiān)控等方式不斷優(yōu)化制造流程，減少人力和物料浪費，從而降低人工成本和制造周期，有效地降低制造成本。

2.2.3 保證加工質(zhì)量和安全

智能化技術(shù)的應(yīng)用可以保證加工質(zhì)量和安全。比如，數(shù)字化加工可以實現(xiàn)加工過程數(shù)字化，從而保證加工精度；自動化加工可以通過自動測量系統(tǒng)對加工后的產(chǎn)品進行精度檢測；智能化監(jiān)控可以及時發(fā)現(xiàn)加工過程中的異常情況，并對異常情況進行處理，保證加工質(zhì)量和安全。

3 智能化技術(shù)在模具行業(yè)應(yīng)用遇到的難題

在對區(qū)內(nèi)傳統(tǒng)模具加工企業(yè)進行調(diào)研中，企業(yè)負責人介紹到，企業(yè)迫切需要轉(zhuǎn)型升級，否則將與時代脫節(jié)，最終只能被淘汰。但是，傳統(tǒng)生產(chǎn)理念對企業(yè)在智能制造方面的發(fā)展產(chǎn)生很大的影響，主要表現(xiàn)為以下幾方面。

3.1 生產(chǎn)模式缺乏變革

傳統(tǒng)生產(chǎn)理念下企業(yè)經(jīng)營者、管理人員、技術(shù)人員習慣于用大量設(shè)備和工人來完成生產(chǎn)目標，缺乏用新技術(shù)和新工藝來創(chuàng)新生產(chǎn)模式的意識。

3.2 對新技術(shù)的認知較低

與傳統(tǒng)設(shè)備相比，智能裝備需要全新的技術(shù)認知和產(chǎn)品理念，技術(shù)人員需要具備更強的前瞻性和先進性認識，但由于缺乏學習和掌握相關(guān)技術(shù)的先進經(jīng)驗，技術(shù)人員的使用經(jīng)驗較少。

3.3 資金投入問題

對于智能制造領(lǐng)域的新技術(shù)和新設(shè)備投入負擔較大，而其試用和應(yīng)用過程中，也會經(jīng)歷調(diào)試階段、切換等各種困難，由此對企業(yè)產(chǎn)出能力帶來一定影響。

3.4 技術(shù)成熟度不高

智能化設(shè)備需要配合一系列技術(shù)手段來實現(xiàn)其有效運用，如操作流程、安全策略等，由于智能化技術(shù)發(fā)展時間不長，相關(guān)技術(shù)還在不斷完善，使得企業(yè)現(xiàn)有的操作人員、維修人員等方面極其缺乏。

4 應(yīng)用智能化技術(shù)的解決思路

帶著智能化技術(shù)在模具行業(yè)應(yīng)用遇到的難題，對區(qū)內(nèi)外轉(zhuǎn)型升級較為成功的模具企業(yè)、科研機構(gòu)進行調(diào)研。該企業(yè)通過與科研機構(gòu)合作，建立小型化模具加工智能生產(chǎn)線（圖2），實現(xiàn)了模具的快速化、智能化生產(chǎn)，模具生產(chǎn)周期縮短了一半以上。

圖2 智能生產(chǎn)線

通過調(diào)研，為應(yīng)用智能化技術(shù)提供了可行的解決思路。①企業(yè)可以通過與設(shè)備制造廠商聯(lián)系和合作，派遣相關(guān)人員到先進制造企業(yè)學習，還可以參觀省內(nèi)外先進的智能制造應(yīng)用典型企業(yè)并學習先進經(jīng)驗，以此提升企業(yè)生產(chǎn)和技術(shù)管理人員對生產(chǎn)工藝的思維方式。②邀請專業(yè)的智能化技術(shù)培訓機構(gòu)或設(shè)備生產(chǎn)廠家派遣技術(shù)人員到企業(yè)內(nèi)部進行相關(guān)知識的培訓和技能的交流。建立企業(yè)內(nèi)部技術(shù)交流平臺，鼓勵技術(shù)人員參與智能化技術(shù)的研究和探討，分享使用經(jīng)驗和解決方案以促進技術(shù)人員之間的合作和學習。尋求外部合作，與專業(yè)技術(shù)團隊、高職院校進行合作，獲取更多先進經(jīng)驗和專業(yè)技術(shù)支持，提高技術(shù)人員的使用經(jīng)驗。③將投資成本納入長期規(guī)劃中，進行有效的資金管理和利用，使原有產(chǎn)出能力得以保持基本水平。在使用新設(shè)備、新技術(shù)過程中，盡量選擇生產(chǎn)淡季進行產(chǎn)線改進。④對于智能化技術(shù)人才短缺問題，一方面，國內(nèi)的設(shè)備制造廠商通常會為新采購和安裝產(chǎn)線的企業(yè)提供專業(yè)培訓，并不定期開展技術(shù)培訓班，為企業(yè)技術(shù)人員提供培養(yǎng)服務(wù)；另一方面，當前大部分中高職院校已開設(shè)智能化技術(shù)相關(guān)的專業(yè)，傾向于與智能化技術(shù)相關(guān)企業(yè)建立校企合作關(guān)系，從而讓學校培養(yǎng)的專業(yè)人才與企業(yè)之間無縫對接，以便學生畢業(yè)后更快速地適應(yīng)工作崗位。這不僅解決了中高職院校實訓基地資源和教學資源不足的問題，同時還可以幫助企業(yè)快速培養(yǎng)滿足應(yīng)用智能化技術(shù)需要的專業(yè)人才。

5 結(jié)束語

為了幫助模具加工企業(yè)克服發(fā)展中的困境并實現(xiàn)升級轉(zhuǎn)型，智能化技術(shù)是一個關(guān)鍵的突破口。為了解決企業(yè)在實際應(yīng)用中所遇到的種種困難，企業(yè)可以與設(shè)備制造廠商合作，派遣管理人員和技術(shù)骨干等進行專業(yè)培訓，參觀學習先進的智能制造企業(yè)應(yīng)用案例，并與中高職院校聯(lián)合培養(yǎng)智能化技術(shù)應(yīng)用和維護等專業(yè)技術(shù)人才。在智能化技術(shù)的推動下，模具加工將變得更加高效、精確、安全，從而實現(xiàn)企業(yè)的升級轉(zhuǎn)型。