模具加工中的智能化技術研究及應用

唐增亮，陳明耀，李勇華

（廣西玉林農業(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)，其主要任務是將零部件、產品等制造成所需要的形狀、尺寸和表面質量等。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。隨著智能化技術的發(fā)展，智能化加工技術在模具加工中得到了廣泛應用，為模具行業(yè)的升級轉型提供了技術支撐和有效手段。

1 智能化技術的功能特點及應用

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

1.1 數字化加工

1.1.1 數字化加工的特點

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

1.1.2 在模具行業(yè)中的應用

數字化加工是目前智能化技術在模具加工中應用最為廣泛的一種方式。通過計算機輔助設計、制造等技術手段將模具加工過程實現數字化，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，數字化加工主要應用于數控加工中，其主要流程如圖1 所示。

圖1 數控加工流程圖

建模：將物理實體或零件的三維幾何形狀轉換為計算機可以理解和處理的數字模型。這個數字模型可以通過計算機輔助設計（CAD）軟件創(chuàng)建，以便將其導入到計算機數控系統(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。

數控加工：將計算機輔助制造（CAM）軟件生成的程序導入數控機床，由數控機床進行加工。

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

入庫：檢測合格的成品進行入庫分類管理。

數字化加工通過將手工操作轉變?yōu)橛嬎銠C控制，大大提高了生產效率和產品質量，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、裝配和生產過程的技術。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，并被廣泛應用在工業(yè)制造領域。與傳統(tǒng)的手動操作相比，自動化加工可以大幅提升生產效率。通過數字化信息的處理，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品質量的穩(wěn)定性。機器通過程序對加工參數的準確控制，能夠保證每個產品都具有相對一致的良好品質。

目前，在自動化加工技術方面，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線的建設等。這些項目旨在將人工參與的制造流程轉換為自動化生產模式。近年來，自動化加工理念受到了越來越廣泛的關注。與此同時，激光加工、電化學蝕刻、精密光刻、3D 打印等技術的不斷發(fā)展，為自動化加工技術的深度與廣度提供了可靠的基礎和支撐。

1.2.2 在模具加工中的應用

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

表1 自動化加工的應用

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、網絡技術和數字信號處理技術來實現對監(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)緊密結合起來，實現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)測試經驗，快速累積大量目標數據并進行挖掘，反饋對實時監(jiān)控方案的改善建議。隨著物聯網、云計算、大數據等技術的逐步成熟，智能化監(jiān)控將會得到更加廣泛的應用，未來產業(yè)將會更多地將其應用到生產管理過程中，以降低生產成本，增加操作員與設備的聯結度，并保證生產安全與穩(wěn)定性。

1.3.2 在模具加工中的應用

智能化監(jiān)控通過傳感器、計算機等設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，保證加工質量和安全。目前，智能化監(jiān)控主要應用于以下方面。

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

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

3）自適應控制：通過運用人工智能算法，實現模具加工過程自適應控制，根據加工狀態(tài)動態(tài)調整刀具運行速度、進給速度等參數，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)生產提供參考和支持。

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

2 智能化技術在模具加工中的效果分析

2.1 智能化技術深度融合提升模具加工全鏈條效率

智能化技術已經深入到模具加工的各個環(huán)節(jié)中，包括設計、制造、質量控制和生產管理等，主要體現在以下幾個方面。

2.1.1 智能化技術能夠優(yōu)化模具的設計和制造流程

基于計算機輔助設計軟件（CAD）建立數學模型，利用虛擬試驗和數值分析進行優(yōu)化，從而實現對模具結構和性能的完美協調。由此，研發(fā)周期和成本大幅縮短。同時，數字化工序使得整個生產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 智能化技術可以實現智能化的質量控制

通過遠程監(jiān)測和數據分析，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，及時調整生產。這種方式可以避免質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，智能化技術能夠通過追蹤每個模具的歷史數據，快速排查問題，提高質量反應的精度和效率。

2.1.3 智能化技術能夠優(yōu)化模具的生產管理

通過信息技術與物聯網相結合進行生產監(jiān)控和數據采集分析，實現生產計劃自動下達，生產過程協調合理，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和量產要求，支撐決策，并隨時跟蹤生產的狀況。運用這些成果，可以提高企業(yè)的整體協調性、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 智能化技術在模具加工中的多重效益

智能化技術應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。而智能化技術的應用可以實現自動化生產，大大提高生產效率。比如，數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

智能化技術的應用可以降低制造成本。比如，數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 保證加工質量和安全

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

3 智能化技術在模具行業(yè)應用遇到的難題

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

3.1 生產模式缺乏變革

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

3.2 對新技術的認知較低

與傳統(tǒng)設備相比，智能裝備需要全新的技術認知和產品理念，技術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技術的先進經驗，技術人員的使用經驗較少。

3.3 資金投入問題

對于智能制造領域的新技術和新設備投入負擔較大，而其試用和應用過程中，也會經歷調試階段、切換等各種困難，由此對企業(yè)產出能力帶來一定影響。

3.4 技術成熟度不高

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

4 應用智能化技術的解決思路

帶著智能化技術在模具行業(yè)應用遇到的難題，對區(qū)內外轉型升級較為成功的模具企業(yè)、科研機構進行調研。該企業(yè)通過與科研機構合作，建立小型化模具加工智能生產線（圖2），實現了模具的快速化、智能化生產，模具生產周期縮短了一半以上。

圖2 智能生產線

通過調研，為應用智能化技術提供了可行的解決思路。①企業(yè)可以通過與設備制造廠商聯系和合作，派遣相關人員到先進制造企業(yè)學習，還可以參觀省內外先進的智能制造應用典型企業(yè)并學習先進經驗，以此提升企業(yè)生產和技術管理人員對生產工藝的思維方式。②邀請專業(yè)的智能化技術培訓機構或設備生產廠家派遣技術人員到企業(yè)內部進行相關知識的培訓和技能的交流。建立企業(yè)內部技術交流平臺，鼓勵技術人員參與智能化技術的研究和探討，分享使用經驗和解決方案以促進技術人員之間的合作和學習。尋求外部合作，與專業(yè)技術團隊、高職院校進行合作，獲取更多先進經驗和專業(yè)技術支持，提高技術人員的使用經驗。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，使原有產出能力得以保持基本水平。在使用新設備、新技術過程中，盡量選擇生產淡季進行產線改進。④對于智能化技術人才短缺問題，一方面，國內的設備制造廠商通常會為新采購和安裝產線的企業(yè)提供專業(yè)培訓，并不定期開展技術培訓班，為企業(yè)技術人員提供培養(yǎng)服務；另一方面，當前大部分中高職院校已開設智能化技術相關的專業(yè)，傾向于與智能化技術相關企業(yè)建立校企合作關系，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)滿足應用智能化技術需要的專業(yè)人才。

5 結束語

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