模具數字化工廠體系的研究與實踐

黃俊

（青島海爾模具有限公司，山東 青島 266103）

0 引言

模具是制造業的基礎工藝裝備，其自身就是個性化定制的產品，型腔及型芯的結構隨產品的不同而不同，具有研發制造環節多、周期長、精度高等特點，模具企業發展存在較多瓶頸和制約因素，因此標準化、數字化、信息化、自動化、智能化（簡稱“五化”）將成為模具企業轉型升級的必經之路。模具企業實施“五化”的難度較大，原因是模具作為傳統制造產業，缺少針對模具企業“五化”體系的研究。模具數字化工廠體系是以“五化”為目標和路徑規劃實施的，金字塔形從下往上依次進行，如圖1所示。

圖1 數字化工廠體系“五化”

模具數字化工廠體系的標準化是指固定化作業流程，制定各節點的技術標準和操作規范，是體系的基礎。數字化是指采用計算機輔助設計、加工的工程技術，將物理實體轉化為虛擬模型，進行仿真設計、制造、模擬等工作，形成可系統傳遞的數據。信息化是指通過系統將各作業工序連接，實現數據采集、傳輸、分析等功能，為裝備自動化、智能化提供數據支持。自動化是指通過傳感技術和程序驅動，使設備按照指令自動完成作業。智能化是指通過大數據分析，依據事先設定的規則，產生最優解決方案，自動調整控制作業過程，準確輸出結果，實現柔性化制造。

1 模具數字化工廠標準化

模具數字化工廠首先要顛覆傳統的作業模式，分析哪些環節是人工實施，哪些環節是可以通過自動化、智能化解決，以標準化方式形成新的作業模式。

圖2所示為模具零部件NC加工工序，目前行業大部分模具加工車間的生產模式都是由一個操作工控制1～2臺機床，負責機床配刀、工件到位、程序檢驗到上件、開機過程監控直到最后完工下件整個過程，操作流程繁瑣、效率低、存在較多安全隱患，一般有12道工步。在模具數字化工廠體系下，可優化為5道工步，分別為物流、刀具、裝夾、DNC（網絡化分布式數控）、MDC（制造數據采集與監控），將傳統的一人多技能串行的作業模式轉變為可實施“五化”改造的數字化工廠作業模式。

圖2 數字化工廠體系流程優化

通過作業模式的標準化，提出模具數字化工廠體系的目標，如NC加工工序的數字化工廠體系需要實現以下3個目標。

（1）提高設備利用率。數字化工廠體系的目標就是為了降低設備對人員技能的要求及充分減少計劃外停機時間，在零件加工之前將所需資源準備到位，針對不到位的環節通過流程優化等方式予以解決，如改進工裝、優化工藝、統一程序管理等，將機床空閑的輔助時間最小化，可以提高精益生產管理水平，并在加工過程中將設備運行狀態、設備故障快速反饋給相關人員，設備非計劃停機通過系統一目了然。

（2）實現生產過程的協同。數字化工廠體系實現了對數控加工的全過程管理，包括零件加工之前的NC程序和相關技術文檔準備、刀具準備、物料準備、工件裝夾、設備故障報修等。通過按照生產計劃發送準備指令，CAM編程員、刀具準備工、裝夾工、物流工接收指令后，并行去準備各自資源，最后系統根據以上環節的結果輸出開始加工指令，將過去人工協調、干預、判斷的工作大部分由軟件自動實現。

（3）遠程控制和閉環控制。對帶有網絡接口的數控設備，通過DNC的高級控制功能遠程將機床所需的程序按照計劃開工時間直接推送到設備內存中，不需要人工操作調用數控程序；系統遠程控制CNC機床最重要的加工載體NC代碼，什么樣的加工代碼能夠推送到機床，加工代碼什么時候推送，由系統根據計劃來確定，避免了現場操作工不按照計劃加工零件，或者私自修改NC程序的違規操作。

2 模具工廠數字化

模具工廠數字化是由生產計劃管理、程序管理、程序仿真驗證、工藝文檔管理、機床聯網、物耗寄售、協同看板、機床監控、生產數據采集、協同制造（系統看板、目視化管理）、數據分析、設備管理等模塊構成。圖3所示是生產計劃管理模塊同時與程序管理模塊、工藝文檔管理模塊、物耗寄售模塊連接，程序管理模塊和數據采集分析監控模塊與機床連接，工藝文檔管理模塊和物耗寄售模塊與協同看板模塊連接。各模塊之間的數據通過Internet網絡協議傳輸，實現設備與服務器的數據通信，包括數控程序的上傳、下載、機床參數備份等功能。

圖3 工廠數字化流程

生產計劃管理模塊是根據用戶訂單制定生產計劃的模塊。生產計劃可以根據訂單要求自動生成，再由人工進行修訂。生產計劃制定完成后，通過網絡將生產計劃同時發送給程序管理模塊、工藝文檔管理模塊及物料寄售模塊。

程序管理模塊是將生產計劃發送給加工中心，由編程人員根據生產計劃編制訂單上所需產品的生產程序，包括計劃開工時間、生產流程、各流程所需時間、參數、生產節拍、所需機床、刀具、電極、裝夾設備等。

在程序管理模塊中還包括程序仿真驗證模塊，用于在計算機上進行仿真模擬生產。程序仿真驗證模塊具有強大而實用的數控編輯功能，可實現文件的智能比較、刀位軌跡的三維模擬等，以驗證其程序是否錯誤、生產過程是否合理、用時是否最短、工藝參數制定是否合理等，還可以判斷加工計劃條件是否滿足、預測加工時間等。如果出現不合理的，則反饋給編制程序的人員進行修改，再重新驗證。通過程序仿真驗證模塊，可以快速定位生產準備過程中可能出現的異常，做到及時修改完善，該步驟在正式生產前一定要執行。程序編輯仿真模塊的設置可將編程員從枯燥的程序編輯、檢查、調試、傳輸中解脫，提高編程人員的工作效率。

工藝文檔管理模塊用于編制產品訂單上所需的生產工藝文件。該工藝文件根據經驗進行編制，包括生產步驟流程、參數、使用的刀具、電極、裝夾、各步驟所需的時間、生產節拍等。工藝文檔管理模塊制定的流程、參數等與程序管理模塊編制的程序是相同的，編程人員在程序編制的過程中也可以參考工藝人員制定的工藝文件，在程序仿真驗證后，工藝人員可以根據驗證結果對工藝文件進行修訂，形成最終的工藝文件，通過網絡發送給協同看板模塊。

物耗寄售模塊通過搭建資源寄售超市，將原來資源分散、呆滯庫存、管理混亂、供貨不及時、未買到服務，轉變為大資源換大資源、即需即供、零庫存、管理到員工、以舊換新、綠色循環、提供標準化服務的寄售方式。通過物耗寄售平臺，方便了生產廠商隨時購買供應商的原材料，待產品的使用價值耗盡后，還可以再將廢料交由供應商置換新材料，不僅解決庫存盤點問題，同時實現對原材料的生命周期管理以及材料綠色循環利用，現有石墨料、黃銅絲、刀具、鋼料等都可以通過物耗寄售平臺進行資源管理。

物料寄售模塊將所需的刀具、電極、裝夾等物料明細發送給相關的合作廠商，同時發送的還有計劃生產時間等信息，合作廠商在收到物料明細后，按照所需的物料明細在計劃生產時間前將物料備齊，以備隨時使用。待物料被取走后，合作廠商在物料寄售模塊中進行維護確認。

經過驗證后的最終生產程序通過網絡再發送給相關的機床，由機床按照設定的程序準時進行加工生產。在加工生產過程中，數據采集分析及監控模塊通過PLC實時采集生產數據，并對采集的數據進行處理、統計分析、效率分析等，同時將采集的數據、分析結果等實時發送給中央數據庫及協同看板模塊。采集的數據包括：到貨時間、計劃排定時間、開工時間、完工時間、程序的修改和傳送情況、設備終端是否按照計劃執行生產加工任務、設備終端的ID、生產信息及設備運行狀態（運行、空閑、故障、關機、維修等狀態）等。對帶網卡的機床，可進一步采集當前坐標信息、進給速度、主軸轉速以及機床操作信息，如編輯狀態、自動運行狀態、MDI狀態、在線加工狀態等。

數據采集分析及監控模塊實時采集機床工作狀態及生產任務信息，為及時、準確制定和調整生產任務，合理安排機床作業提供決策依據，便于優化處理生產任務，最大程度實現信息共享，通過MDC準確、及時、客觀、自動的機床生產信息反饋，實現生產過程的透明化管理準確、透明地定位生產瓶頸，方便決策層科學管理。

在機床加工過程中，設備管理模塊也同時通過PLC實時采集設備的相關數據，實現監控設備的運行情況，如刀具加工的時間、加工部件的材料等，對有可能出現故障的設備提前預警，對故障及時報修。設備管理模塊所檢測的設備數據、設備運行狀態、報警信息等均可通過網絡發送給協同看板模塊。通過設備管理模塊可快速并及時地發現機床停機等問題，將設備故障信息發送到維修工手機，以保證設備的完好率。

設備管理模塊中還可以包括設備自診斷模塊，用于對設備的關鍵部件進行健康評估、對刀具使用壽命進行預估、對設備的能耗進行管理及對設備集群進行健康管理等。其中，對關鍵部件進行健康評估是指在加工前對模具與機床的主要零部件（如刀具、進給系統、軸承和主軸）的健康狀況進行預檢測評估，使操作者了解機床的初始健康狀態。對刀具的使用壽命進行預估是通過采集刀具的振動信號或其他PLC控制器信號，運用智能算法判斷刀具磨損的當前狀態，運用一系列預估算法推斷刀具的剩余壽命，并發出報警提示，供操作者及時了解并及時更換新的刀具，保證生產順利進行。能耗管理是將機床的能源消耗透明化，并根據機床間能耗的比較發現故障隱患。設備集群健康管理是前面4個功能在單個機床實現的基礎上，通過同類機床之間的差異性比較實現設備間的信息互聯和經驗借鑒，以提供更加可靠的健康評估和診斷結果，實現整個工廠的設備集群管理。

通過協同看板模塊可以將接收的各方面數據以可視化的方式顯示在看板上，如管理層、開發人員、工藝人員、操作者等的計算機上，且可以通過動態FLASH形式顯示設備實時運行狀態、利用率和歷史報表，同時還可以通過短信等方式發送給相關人員，供操作人員、管理層、開發員及相關人員實時了解機床的生產情況，實現車間生產的數字化、可視化和遠程化管理。在加工過程中將設備運行狀態、設備故障快速反饋給維修等相關人員，設備非計劃停機通過系統一目了然，實現機床運行過程實時監控、數據自動反饋，保證生產的順利進行及所生產產品的質量。

3 模具數字化工廠信息化

模具工廠的信息化體系可以指導企業進行信息化系統的規劃和開發，將制造環節與產品開發、生產管理、經營管理等環節數據互聯，如圖4所示。系統以CAD/CAM/CAE數字化技術作為模具設計、工藝設計的方法，以PLM/SAP/MES等信息化系統作為數據傳輸存儲通道，通過優化設計、制造流程實現離散型模具設計、制造的少人化，構建高效作業的模具工廠體系。圍繞制造型企業項目控制的生產現狀，實現企業由職能管理到流程管理的信息化變革，實現從產品策劃到產品實現的信息化系統支持。通過全面成本預算，對整個供應鏈資源進行項目管理，實現各節點的成本控制，建立可視化項目界面，與客戶信息化共享，快速響應客戶需求。

圖4 模具數字化工廠信息化系統部署

通過信息化系統能夠實現計劃編制、派工、數據自動采集、質量和資源管理等各個環節中數據的信息共享，減少傳統的紙張傳遞過程，降低出錯率。將圖形轉化作為計劃源頭，以機床的數據自動采集為技術核心，依據基礎數據、生產資源為基礎，對生產計劃進行拆分、管理、下達，通過精細管理對計劃執行情況進行監控，將各制造階段生產計劃、各制造階段執行、程序傳輸、程序管理、生產數據采集、生產信息反饋等數據流形成閉環，實現快速響應計劃變更、及時追溯產品制造過程信息，做到生產管理透明化，減輕了管理人員及員工的工作量，提高了工作效率。

數字化工廠體系通過數字化、信息化使各環節互聯互通，以DNC、MDC、MES等系統的串聯應用，以數控機床為中心，以生產計劃為驅動，以提高數控設備的利用率為目的，關注數控設備加工零件之前相關準備環節的效率和節拍，快速定位生產準備過程中的異常、計劃執行的滯后情況。系統判斷加工計劃條件滿足時，可以自動將加工程序、工藝文檔、刀具清單信息發送到工位，提高模具制造企業的生產效率。

4 模具數字化工廠自動化

在模具數字化工廠體系中，標準化、數字化、信息化達到一定程度后，就可以進行自動化升級。以模具零件的電火花加工為例，在模具制造各環節中，電火花加工是流程鏈最長、生產效率最低的工序，包括電極設計、電極物料采購、坯料裝夾、電極加工、電極檢測、電極倉儲、電極物流轉運、電火花加工等節點。通過作業模式標準化分析，電極裝夾定位、電極物流轉運、電極倉儲、電極檢測、坯料裝夾等節點可以采用自動化解決方案代替人工，提升電火花加工效率。圖5所示為電火花加工工序的電極裝夾定位自動化場景，圖6所示為電火化加工的自動化生產線解決方案。

圖5 電極裝夾定位自動化場景

圖6 電火花加工的自動化生產線解決方案

5 模具數字化工廠智能化

模具數字化工廠體系的智能化需要綜合運用物聯技術、大數據分析、虛擬仿真等智能化技術，代替人工進行決策。在模具數字化工廠體系中，智能化是金字塔尖，需要模具行業和數據物聯、工業互聯網、人工智能、工業軟件等領域的科研技術人員融合研發，形成滿足模具研制智能化所需的解決方案。

在模具數字化工廠體系的流程節點中，物流是核心，是貫穿制造現場的紐帶。物流的智能化是基于物流的自動化，把工件自動從一個站點運輸到另一個站點，但在多個工件、多條物流路線、不同轉運時間等復合條件下實現自動轉運，需要引入數據物聯采集、邏輯算法開發、大數據分析等進行自主決策，這就屬于物流的智能化范疇。

以下描述的是電極物流智能化的場景，如圖7所示，物流調度系統需要將電極從電極加工單元運送到電極倉庫，而同時電火花加工工序需要從電極倉庫調取電極進行放電加工。物流調度系統經過決策系統分析后，會先將加工完成的電極暫時放置在電極加工單元的擱物架上，然后優先從電極倉庫調用需要放電加工的電極，自動運輸到電火花加工設備，保證電火花加工的不間斷運行。同時在轉運過程中，將能夠合并運輸的訂單一并完成，減少重復運轉里程，節約能源。

圖7 電極物流智能化場景

電極的循環利用也是電極倉庫的一個智能化場景，如圖8所示。通過加工電極與在庫已使用電極的自動比對算法，把需要加工的新電極與已經電火化加工完成的廢舊電極進行形狀比對，自動篩選能夠進行再次利用的電極坯料，通過機械手將可利用的電極重新進行定義、編號，再次進入電極自動化加工工序，實現廢舊電極的循環利用。

圖8 電極循環利用的電極倉庫

6 結束語

根據介紹的模具數字化工廠體系，模具企業和科研機構可以開展模具工廠生產管理體系的數字化、加工生產線的自動化和柔性化加工、開發設備中央控制系統、DNC程序自動傳送系統、MDC機臺信息采集及監控系統、零件加工智能排產系統等轉型升級，進一步研究加工設備運行狀態監測傳感、加工設備數據采集和智能決策、設備運行狀態預判及診斷、模具生產產品質量在線監測等先進技術，形成模具加工及生產設備智能故障預測及診斷體系。