模具智能制造平臺關鍵技術研究及其應用

張燕琴，宋育程，王波群

(1.東莞職業技術學院智能制造學院，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

模具被譽為“工業之母”，在國民經濟中的地位不可替代。在傳統的模具制造作業模式中，普遍存在對技術人員高度依賴、產品品質不穩定、加工效率不理想等問題。近年來，隨著計算機/數字化/CAX技術和數控技術的不斷發展，自動化和智能化制造已經成為模具制造重要的發展方向，智能制造隨之快速發展，模云智能制造平臺在此環境下應運而生。

1 基本思路及總體框架

模云智能制造平臺以實現模具智能制造為目標，運用現代IT、物聯網、云計算、大數據、3D虛擬等技術，涵蓋知識管理、CAD設計、CAPP工藝設計、CAM程序設計、精密加工、CMM自動檢測校正、APS自動排產、ROBOT機器人等內容，是一個為模具企業提供管理、設計、制造信息化技術服務的云平臺。模云智能制造平臺基于SaaS服務方式，通過互聯網瀏覽器、移動APP等形式為模具企業提供服務，開箱即用的服務模式開啟了互聯網+智能制造的新模式，為解決模具企業(特別是中小模具企業)存在的品質、成本和效率問題提供幫助。

模云智能制造系統主要圍繞設計數據化、生產自動化和管控智能化3個方面開展實施，總體框架如圖1所示。

圖1 模云智能制造系統總體框架

2 建設內容

2.1 設計數字化

(1)制品可制造性分析(DFM)

根據產品的3D圖樣、材料和技術要求等信息，分析制品的可制造性，包括模具型腔排布、流道尺寸、進澆方式、分型面、模具結構、運水排布、頂出機構設計等，并開展CAE成型工藝分析，分析填充時間、壓力、溫度和熔合線、收縮等缺陷，為制造精度及成型參數調整提供參考。完成此項工作，將制品電子圖檔和可制造性設計(Design for Manufacture,DFM)分析報告上傳模云系統的項目管理模塊，開啟一個新模制品項目。

(2)模具結構及電極設計(CAD/ EDM)

根據模具設計、制造過程中的關鍵步驟，模云系統使用C#、C語言，基于NX軟件開展了二次開發，開發了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二次開發的CAX模塊界面

設計人員登錄模云系統，進入智能設計模塊——CAD任務，選擇要開始設計的任務，點擊“開工”，即可在NX的CAD模塊中下載設計任務，開始模具結構設計或電極設計。模云系統界面如圖3所示。利用CAD模塊和EDM模塊根據現場的設計方式制作開發流程，集成模具設計和電極設計的很多便捷功能(如自動分模、多電極頭自動設計等)，這些功能為擁有大量傳感器的智能模具的結構設計與實現提供了強大的工具支持。設計過程中采用了大量標準化的工作成果——標準件、自定義模板、自動調用經驗數據庫(Know-How)，以及工程圖/放電圖一鍵生成、BOM表一鍵導出上傳等智能化設計功能，能極大地提高工程師的設計能力和設計效率。

圖3 模云系統界面

(3)零件加工工藝設計(CAPP)

BOM表中需新制的模具零件將被系統自動命名并出現在工藝設計(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始排工藝，點擊“開工”，即可在NX的CAPP模塊下載圖檔，提取數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數據庫。公差色碼對照如圖4所示。

圖4 公差色碼對照

在系統中編制零件加工工藝，一個型腔零件包含深孔鉆、銑床、CNC粗加工、熱處理、磨床、線切割、CNC精加工、EDM放電、檢測、拋光、配模等十幾個加工工序，如圖5所示。每個工序的工藝設計包含指定加工面、工序內容、加工工時、工具夾具及是否生成CAM任務等信息。零件加工工藝編制完成后點擊“完成工藝”按鈕，系統將生成上述工段的編程任務。

圖5 加工工藝設計

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，系統在工藝設計模塊設立了組立件設計功能，可以實現多個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，進入智能編程模塊——CAM任務，選擇要開始編程的任務，點擊“開工”，即可在NX的CAM模塊中下載編程任務，開始模具零件或電極零件的程序編制。CAM模塊根據不同類型零件的特點，以大量加工工藝參數經驗數據為依據，集成了大量CAM編程模板，可實現大部分零件的自動編程，可一鍵生成程序單并將多種后處理文件自動上傳至模云系統，后續可供不同加工機床直接調用程序。

無論是制品可制造性分析、模具結構的設計，還是零件加工工藝設計和程序編制，所有的設計數據都將實時上傳、保存至模云系統的數據庫中，最終實現系統內的數據資源共享。這種互聯網+模具設計的模式，打破了時空界限，實現了設計大協同，促進了模具研發智能技術集成化的發展。

2.2 生產自動化

(1)自動排產(APS)

計劃排產模塊是模云智能制造系統中重要的一環。系統根據加工零件的數量、項目交期及工廠產能等信息自動排產。生產加工過程中，如有臨時急件插入，可在系統頁面快速設置“急件”，從而保證優先完成加工，實現靈活排產。計劃排產模塊還可隨時查看計劃明細、查詢排程執行情況和產能負載等信息。

(2)零件RFID智能識別

與過去使用貼紙確認零件身份的做法不同，模云系統在備料階段就為每一個零件分配了帶有RFID標簽且將伴隨零件制造整個生命周期的標準化夾具。使用RFID芯片讀寫器，給對應夾具的RFID芯片寫入與零件編號唯一對應的信息，以便能夠自動選擇與之對應的加工圖紙、加工程序和加工數據等信息，并將零件各工段的加工記錄與檢測報告通過RFID自動與數據庫相連，實現工件快速、準確的智能識別，如圖7所示。

圖7 RFID智能識別系統(RFID芯片+芯片識讀器)

(3)模具自動化加工

模具零件的加工主要包括鋼件和電極的加工。在模云的自動化加工單元中，電極零件在設計任務完成之后，與鋼件一樣依次進入編程、備料、校正、加工、檢測、出貨等環節。模云系統的自動化加工單元流程如圖8所示。

圖8 自動化加工單元流程

模具自動化加工生產線整合了CNC、機器人、工件料架、刀具架、清洗機等裝備，如圖9所示。自動化產線通過模云系統的智能制造模塊來控制運行，每個工位的加工程序由RFID芯片自動識別下載，安全穩定；機器人響應時間為60 s以內，可實現24 h無人作業，操作員只需要上下料和做好監控即可。

圖9 自動化加工生產線

未納入自動化加工生產線的工段零件加工，工件上機后，操作員只需掃描夾具上的RFID芯片，程序即可自動調入設備控制器，機床按照預先設定好的程序開始加工，可實現加工無紙化與3D檔案的可視化。另外，為節省機內調整時間、提高機臺稼動率，操作員通常會將工件在機外預調平或將工件在機外校正，并將相關信息自動錄入到RFID芯片。

(4)自動檢測(CMM)

與過去的手工編程不同，在NX的CMM模塊中，軟件可自動識別電極3D，自動生成CMM檢測程序,如圖10(a)所示；可自動進行安全碰撞仿真，以確保程序的安全性；對于形狀特殊的電極(如潛伏澆口電極)，CMM測頭可實施自動轉角防干涉處理。軟件同時支持手動編程模式，靈活高效。

在實際檢測過程中，檢測工件由RFID芯片智能識別，并自動下載檢測程序；系統驅動三坐標設備進行工件檢測，如圖10(b)所示，自動生成可視化3D檢測報告并上傳至系統，如圖10(c)所示。與傳統的需要人為判斷工件是否合格的2D檢測報告不同，系統可自動分析檢測結果，將不合格工件的偏差直接寫入RFID芯片，返修時系統將根據檢測結果自動調整加工參數。

圖10 自動檢測

2.3 管控智能化

管理信息化是管控智能化的基礎，因此要實現生產管控的智能化首先要實現管理的信息化。模云系統首先將產品數據(三維數模、加工工藝卡、二維工程圖、程序和刀具清單、NC程序、加工過程信息和檢測報告等)和企業生產資源(人員、設備、刀具、夾具等)信息化，通過系統的項目管理、智能設計、智能編程、計劃排產、智能制造、資產管理和成本管理等模塊，主要實現生產計劃、資源調度、產品質量、生產成本4個方面的智能管控。

(1)生產計劃

企業制定生產計劃之后，模云系統通過項目管理模塊以新建“項目—制品—工單”的形式落實實際生產任務。每個工單任務流經“智能設計—工藝設計—智能編程—智能制造—智能檢測”等系統模塊，完成工件生產任務，并最終完成企業生產計劃。模具企業生產訂單的機動性決定了生產的不確定性，智能制造系統給項目賦予完成優先級，根據每天訂單的變更可智能生成每日的生產計劃，以達到柔性化生產的目的。系統通過各個功能模塊可有效管理工單和工序的數據流量，實時顯示生產計劃量、完成量和尚欠量等內容，隨時查看生產計劃調整和零件(新制+返修)生產進度，實時跟進生產計劃執行情況。

(2)資源調度

將人員、物料、設備等企業資源錄入智能制造系統，借助計劃排產、資產管理、機臺監控等系統模塊，可實現資源調度的智能管控。系統能夠實時反映每個工位上員工當前的工作狀態，及時反映工作崗位的移動，為生產安排的調配提供有力依據。應用RFID技術，通過對智能芯片的讀寫，系統記錄了每一個加工工序過程中生產資源的去向，對物料的出、入庫進行全面管理，確保生產過程中生產資源的有效利用。根據企業實際生產計劃，由智能制造系統自動調整現有可用設備的工作時序，提高設備利用率，從而實現生產效率的最大化。生產現場的設備數據監控電子看板如圖11所示，通過電子看板可清晰顯示當前設備狀態，讓現場管理人員及時掌握生產狀態。

圖11 設備稼動監控電子看板

(3)產品質量

模云系統集成了加工零件的設計、制造、檢驗等各階段的數字化信息，借助智能制造、綜合報表等功能模塊，通過對圖紙文檔的規范管理、操作規程的合理梳理、工藝參數的分析優化、生產過程的實時監控、質量數據的分析整理，實現產品質量的智能管控。系統實時錄入生產過程中產生的各類數據(設備、刀夾具、材料參數、工藝數據等)，對生產大數據進行整合利用，通過與預先建立的質量標準作比對，對加工異常及不良產品自動進行分析，及時發現問題、糾正偏差，確保產品質量。

(4)生產成本

模云系統中各種信息數據的高度集成(原料的流通、人員的調配、設備的使用和維修等)，使得企業生產資源的管控、追蹤得以輕松實現。系統通過外協管理、成本管理等模塊，可方便獲得企業生產中人力、物資、設備及外協的成本數據，為企業經營管理者的決策提供重要依據。

3 技術特點及工作成效

依托模云系統完成的模具智能制造過程，呈現如下技術特點：

(1)知識庫的大量運用

模云系統采用MYSQL數據庫，預設了大量諸如加工材料、切削參數、公差等級、機床放電等知識數據，支撐系統的智能設計、智能編程等功能，不僅大大降低了模具設計、加工工藝和程序編制對經驗豐富人員的依賴，還大大提高了工作效率。

(2)多種自動化生產單元解決方案的實施

帶有RFID標簽的標準化夾具和托盤系統為自動化生產的實施提供了保障。根據企業實際生產需求開發不同的自動化生產單元，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。多種自動化生產單元解決方案的實施，大幅降低了勞動強度，甚至可實現無人值守加工，有效解決了傳統模式中夜班產出低的問題，大幅提高了企業的生產效率。

(3)生產過程的智能管控

系統根據采集到的數字化信息，對生產過程進行智能管控。例如，系統可實時監控刀具壽命，對壽命完結的刀具實施機器人自動換刀，若無法自動換刀，系統將自動禁用機床并發送報警信息。利用各種查詢功能(人員、圖紙、設備等)、看板功能(設備稼動率看板、料架狀態看板、加工任務看板、加工歷史等)及消息推送(預警、報警等)，可實現加工過程的有效管控。實施智能管控不僅可大幅提高企業效率，還可避免傳統管理模式中來自人的不穩定因素，使得產品加工品質更高，質量更穩定。

(4)高效智能的數據分析

系統可自動生成豐富的實時生產報表、全數字化質量分析報告和成本分析報告。特別是質量分析數據可以為質量事故的分析、質量問題的追溯提供有力支撐。

4 結語

模云智能制造系統的實施，實現了模具產品的設計數字化、生產自動化和管控智能化，是一個信息化和自動化高度整合的模具智能制造平臺。系統的開發與應用，將模具生產制造過程端到端打通，實現了模具企業的智能化和精細化管理，有效提高了產品質量，降低了運營成本，提升了企業效益。