1 引言

模具（jù）是現代工業（yè）生產中的重要工藝裝備， 模具技術是製造行業（yè）的核心技（jì）術。隨著模具產品向著更大型、 更精密（mì）、 更複雜及更經濟快速的方向（xiàng）發展， 模具產（chǎn）品的技術（shù）含量不斷（duàn）提高， 模具製造周期不斷縮短（duǎn）， 模具生產向著精準、 高效、 數字化的方（fāng）向發展， 傳（chuán）統的勞動（dòng）密集型成型（xíng）工（gōng）藝已很難滿足 [1] 。數字化製（zhì）造、 智能製造（zào）技術已（yǐ）經成為精密注（zhù）塑模（mó）具製造技術（shù）研究的熱點 [2] 。王濤等闡述了數字化工廠對於精密注塑模具生（shēng）產的重要性 [3] ， 並對注塑模具數字化工廠中的（de）產品（pǐn）數據管理、 工件快速識別、 刀具壽命管（guǎn）理等關鍵技術（shù）進行研究。尹國濤針對汽（qì）車（chē）覆蓋件個性化（huà）製孔的需求 [4] ， 提出並實現了（le）一（yī）種基於工業6軸機（jī）器（qì）人（rén）和專用衝孔鉗的（de）柔性衝孔係統。胡琪強 [5] 、 Jiang [6] 、 吳（wú）定會等（děng）研究了製造執行（háng）係統（tǒng）MES及其在模具（jù）車間的應用 [7] 。馮誌新等從汽車塑料件模具製（zhì）造工藝出發（fā） [8] ， 提出了汽車塑（sù）料件模具關鍵部件（jiàn）鑲（xiāng）塊的柔性化製造方案， 並（bìng）對（duì）鑲塊（kuài）的快速裝夾和自動識別、 基於圖（tú）像識別的（de）加工坐標係標定等技術進（jìn）行了深入研究。梁盈富等針對汽車輪轂製造生產線設計實（shí）現（xiàn）了智能製造（zào）係統的總體框架 [9] ， 分析（xī）了MES係（xì）統（tǒng）、 PLC技術、 RFID技術、 工業（yè）機器人技術在該係統中的結合（hé）應用。趙偉博等研究了智能製造切削加（jiā）工係統的總體架構 [10] ， 並結合MES軟件將數控車床、 加工中心、 PLC、 機器（qì）人、 RFID及立體倉庫等信息係統進行有效結合， 完成了（le）生產過程的智能化管理係統架構設（shè）計。湯文燦等對模具柔性生產線的智能調度（dù）展開研究 [11] ， 提出了基於分組蝙蝠算法GBA的（de）單目標調（diào）度方案和基於多目標蝙蝠（fú）算法MOBA度策略。黃沈權 [12] 、 徐岩等對基於模具雲的網絡製造模式進行研（yán）究 [13] ， 以實現模（mó）具不（bú）同區域（yù）協同生產製造， 整合製造資源， 比（bǐ）如生產設備（bèi）、 應用軟件、 製造信息等製造資源。但是對於模具零（líng）件， 特（tè）別是型芯（xīn）等核心零件的智能製造係統設計和應用的研究依然不多。型芯是模具的核心零件， 其曲（qǔ）麵結構複雜， 加工工藝難度大， 周期長。為了提高型芯加（jiā）工效率， 設計了一種精密模具零件智能製（zhì）造單元， 該（gāi）單元包括CNC加（jiā）工中心、 EDM加工設備、 工業機器人、 自動夾具、RFID技術、 MES係統等。係統通過3R夾（jiá）具實（shí）現模具零（líng）件的自動裝夾， 使用RFID芯片實現模具工件的快速識別， 利用工業機器人實現（xiàn）模具（jù）零件的自動上下料。論文詳細闡述了智能製造單元的控製結構和通訊網絡結構， 分析了（le）工業機器人的控製流程。最後通過塑料瓶模具的型芯批量加工實例， 對智能製造單元的基（jī）本工藝流程進行總結（jié）。

2 係統組成與布局

模具智能製（zhì）造單元硬件由加工設備、 工業機器人係統、 RFID係統以及料庫、 裝載站等組成。加工設（shè）備一共6台， 其中2台CNC加工中心用於（yú）模具工件 （型芯） 的銑削加工， 1台加工中心專門用於電極的加工， 以及3台EDM加工設備用於模具工件的放電加工。智能（néng）製造單元配置2個（gè）模具工件料庫和一個電極料庫。每個個模具工件料庫上下分為4層， 每層可存放4個工（gōng）件；電極料庫為旋轉料庫， 上下分為6層， 每層可存放30個電極。工業機器人負責機床的自動上下料、 以及裝載站和料（liào）庫自動取放料， 並在加工設（shè）備、 料庫和裝載站之間（jiān）搬運模具工件和電極。為了擴展機器人（rén）的作業（yè）範圍， 需要配置導軌以實現對所有操（cāo）作設備的覆蓋。智能製造單（dān）元的整體布局結構如圖1所示。

模具工件和電極通過3R夾具實現快速定位和裝夾。3R夾具的重複定位精度（dù）為0.002mm。每個模具（jù）工件和（hé）電極配置一個托盤， 托盤嵌有RFID芯片。通過RFID係統為每一個模具工件（jiàn）/電極賦予唯一的識別編（biān）碼， 該編碼存在於工件的整個訂單周期， 用於識別跟蹤工（gōng）件的加工狀態， 管理工件加工過程（chéng）數據， 比如加工坐標係偏移、 加工程序、 電極編碼、 放電程序等 [14] 。

圖1 模具智能製造係統整體布局

3 係統控製與通（tōng）信原理

整個模具智能（néng）製造單元的控製分為MES層、 控製層和設備層3個層麵。頂層的MES層負責車間現場的生產調（diào）度管理、 工藝任務（wù）排產、 現場設備管理監控、庫存物料管理（lǐ）， 主要包（bāo）括 MES 軟件、 工藝數（shù）據庫係統 [15] 。中間控製層負責各個設備的控製和實時數據（jù）采集， 主要包括機器人控製器和PLC控製器。底層設備層負責完成具體的加工任務， 比如放電加工、 銑削加工以及物流搬運等（děng）， 主要包括6台加工設備、 工（gōng）業機器（qì）人本體以及料庫等。圖2所示為智能製造單元的整體網絡通（tōng）訊及（jí）控製結構。

在本係統（tǒng）中MES計算機為主控（kòng）計算， 機器人控製（zhì）器與PLC為主控製（zhì）器。MES計算機與機器人控製器（qì）、加工設備之間（jiān）通過工業以太網連（lián）接， MES計算機與機器人控製器、 加工設備之（zhī）間的通信采用TCP/IP通信協議。MES軟件直接通過數控係（xì）統開（kāi）放接口讀取加工（gōng）設備的運行狀態， 修改（gǎi）G54坐標偏置， 下載加（jiā）工程序到加（jiā）工（gōng）設（shè）備存儲（chǔ）器中。MES軟（ruǎn）件與機器人運動控製程序之間通（tōng）過SOCKET通訊， MES軟件通過修改機器人R[1]~R[5]寄存器的值， 實現對機器人運動的交互和（hé）控製。

圖2 係統控製（zhì）和通（tōng）訊結構

機器人控（kòng）製器負責控製機器人的運（yùn）動和末端執行器的動作， PLC負責控（kòng）製整條生產線（xiàn）的（de）邏輯控製、信號采集， 機器（qì）人控製器和PLC之間通過CC-LINK總線進行通訊。PLC 選用三菱 Q 係列， 主基板 Q38B，CPU Q03UDECPU，配 置 一 個 遠 程 通 訊 模 塊QJ61BT11N和輸入輸出模塊QX40/QY40P。PLC作為為主站（zhàn）， 加工設（shè）備（bèi）為遠程IO站， 旋轉電極庫為遠程設備站， 遠程通訊模塊負責和遠程設備（bèi）站、 遠程IO站進行 通 訊 。遠（yuǎn） 程 端 配 置 1 個 CC-LINK 輸 入 模 塊AJ65SBTB1-16D1， 用於采集來自加工設（shè）備的氣壓、 設備 狀 態 等 信 號 ；配 置 3 個 CC-LINK 輸 出 模 塊AJ65SBTB1-8T， 用於控製加（jiā）工設備的夾具（jù）開關、 機床吹氣、 設備增壓等動作（zuò）；另外單獨配置一個三菱FX5U-64M型號PLC用於旋轉電（diàn）極庫的控製。對於（yú）裝載站、 料庫， 則（zé）直接（jiē）通過輸入輸出模塊QX40/QY40P進行I/O通訊。

4 工業機器人控（kòng）製程序

工業（yè）機器人是實現（xiàn）模具自動生（shēng）產的關鍵設備。在本係統中， 工（gōng）業機器人的主要功能是接收來自MES軟件的任（rèn）務， 完成（chéng）在加工設備、 料庫、 裝載站之間進行（háng）物料傳輸以及與PLC控製器之間傳輸數據。因此其任務（wù）主要分為料庫（kù）取放（fàng）料、 機床上下（xià）料、 掃描、 回零等功能。

機器人控製器（qì）通過 Socket Message 來（lái）接收來自MES軟件的任務。三菱機器人（rén）控製器允許使用寄存器R[1]~R[5]與上位（wèi）機進行通訊， 定義兩者之間的通信協議如表（biǎo）1所示。

機器人主控程序詳細流程如下：

（1） 步驟1。程序初始（shǐ）化， 初始化（huà）寄存器值。

（2） 步驟2。檢查R[5]寄存器值， 若R[5]寄存（cún）器值（zhí）與本地（dì）R[20]值不相等（děng）， 則表示有（yǒu）新的任務下發， 否則沒有新的任務下發， 係統繼續等待接收新的任務。

（3） 步驟3。接受新任務（wù）， 將R[5]寄存器（qì）值賦值給本地寄存器（qì）R[20]， R[1]~R[4]寄存器（qì）的值分別賦值給本地寄存器R[11]~R[14]。標（biāo）記機器人狀態為忙碌， 此時不再接受新的任務。

（4） 步驟4。判斷R[11]值， 機器人進入不同的子程序。

（5） 步驟5。如果R[11]的值是1、 2、 3、 4， 則分別進（jìn）入工件掃描、 料庫取料、 機床上下料、 料庫放料子程序， 執行相應的操作。執行完（wán）畢後， 主程序跳轉到步驟 1 繼續等待接（jiē）受上位機的任務。

（6） 步驟 6。若 R[11]的值是 99， 則表示任務結束， 機器人運動返回零位後程序終止。機器人主程序流程如圖3所（suǒ）示。

圖3 機器（qì）人主程序流程

5 智能製造工藝流（liú）程與實例

模具智能製造單元配置（zhì）2台北京精雕 JDMR600 5 軸加工 中 心 和 1 台 3 軸 雕 刻 機JDCT600T， 3 台三菱 EA8A 數（shù）控電火花成型加工機， 以及一台 FANUC R-2000iC/210F 6軸關節型機器人， 如圖4所示（shì）。

以某飲料（liào）瓶模具型芯小批量 （200 件） 加工為例， 其自動生（shēng）產工藝流程為：

（1） 係統準備。開啟係統， 檢查CNC、 EDM機床是否工（gōng）作正常， 檢查油位、 氣壓是否正常。完成加工設備（bèi）準備（bèi）工作， 設備回零後將設備設（shè）置為自動狀態。

（2） 工件（jiàn）裝（zhuāng）夾。將（jiāng）工件原料通過專用夾具安裝在3R夾具上， 如圖5所示。

（3） 工件分中。利用CMM完成對工件的分中， 記錄（lù）工件原點到3R夾具原點的坐標偏置。

（4） 創建MES訂單。在MES軟件（jiàn）中創建訂單， 設置坐標偏（piān）置、 上傳 CNC 程序（xù）、 向 3R 夾具托盤上（shàng）的（de）RFID芯片中寫（xiě）入編碼。

（5） 自動加工。將工（gōng）件放（fàng）入裝載站， MES開始自動執行（háng）訂（dìng）單任務；係統檢測到裝（zhuāng）載站信（xìn）號後， 機器人（rén）自（zì）動到裝載站取料並放置到料庫。

（6） MES軟件（jiàn）根據當前料庫（kù）信息、 CNC狀（zhuàng）態自動排單， 完成工件的加工。

（7） 裝載站取料：加工完成後， 機器（qì）人（rén）將已完成的工件放（fàng）入裝載站。操作員手動將工件取（qǔ）出。

采用自動生產方式本單元可以24h連續工（gōng）作， 單個瓶模產品的生（shēng）產周期縮短為5h， 每天（tiān）單台設備（bèi）可加工4.8個產品， 可有效提高（gāo）效率， 降低人工成本（běn）。

圖4 智能製造單元實例

圖5 塑料瓶型芯加工實例

6 結語

為了（le）提高型（xíng）芯零件的加工效率， 設計了一種模（mó）具零件智能（néng）製造單元， 實現型芯等零件的自動銑削加工和放電加工。通過某塑料瓶模具型芯小批量加工案例， 分析了智（zhì）能製造單元的製造工（gōng）藝流程（chéng）， 並證實該智能製造單元可以明顯提（tí）高零件加工效率， 節約人（rén）工成本。

—The End—