1 引言

模具是現代工業生產中的重要工藝裝備， 模具技術是製造行（háng）業的核心技術。隨（suí）著模具產品向著更大型、 更精密、 更複雜及更經濟快速的方向發展， 模具產品的技術含量不斷提高， 模具製造周期不斷縮短， 模具生產向著精準、 高效、 數字化的方向發展， 傳統的勞動密集型成型工藝已很難滿足 [1] 。數字化製（zhì）造、 智能（néng）製造技術已經成（chéng）為精密注塑模具製造技術研（yán）究（jiū）的熱點 [2] 。王濤等闡述了數字化工廠對於精密（mì）注塑模具生產的（de）重要性 [3] ， 並對注塑模具數字化工廠中的產品數據管理、 工件快速識別、 刀具壽命管理等（děng）關鍵技術進行研究。尹國濤針對汽車覆蓋件個性化製孔的需求（qiú） [4] ， 提出並實現了一種基於工業6軸機器人和專用衝孔鉗的柔性衝孔係統。胡琪強 [5] 、 Jiang [6] 、 吳定會等研究了製造執行係統MES及其在模具車（chē）間的應用 [7] 。馮誌新等從汽車塑（sù）料件模具製造工（gōng）藝出（chū）發 [8] ， 提（tí）出（chū）了汽車塑料（liào）件模具（jù）關鍵部件鑲塊的柔性化製造方案， 並對鑲塊（kuài）的快（kuài）速裝夾和自動識（shí）別、 基於圖像識別的加工坐標係標定等（děng）技術（shù）進行了深入研究。梁盈富等針對汽車輪轂（gū）製（zhì）造生產線設計實現了智能製造係（xì）統的總體框架 [9] ， 分析了MES係統、 PLC技術、 RFID技術、 工業機器人技（jì）術在該係統中的結合應用。趙偉博等研究了智能製造切削（xuē）加工係統的總體架構 [10] ， 並結合MES軟件將數控車床、 加工（gōng）中心、 PLC、 機器人、 RFID及立體倉庫（kù）等信息係統進行有效（xiào）結（jié）合， 完（wán）成了生產過程（chéng）的（de）智能化管理係統架構設計。湯文（wén）燦等對模具柔性生（shēng）產線的智能調度（dù）展開研究 [11] ， 提出了基於分組（zǔ）蝙蝠算（suàn）法GBA的（de）單目標調度方案和基於（yú）多（duō）目標蝙蝠算法MOBA度（dù）策略（luè）。黃沈權 [12] 、 徐岩等對基於模具雲的網（wǎng）絡製造模式進行研究 [13] ， 以實現模具不同區域協同生產製造， 整合製造資源， 比如生產設備、 應用（yòng）軟件、 製造信息（xī）等製（zhì）造資源。但是對於模具零件， 特別是型芯等核心零件的智能製造係統設計和應用的研究（jiū）依然不多。型芯是模具（jù）的核心零件， 其曲（qǔ）麵結構複雜， 加工工藝難度大， 周（zhōu）期長。為了提高型芯加工效率， 設計了一種精密模具零件智能製造單元， 該單元包括CNC加工中心、 EDM加工設備（bèi）、 工（gōng）業機器人、 自動夾具、RFID技術、 MES係統等。係（xì）統通過3R夾具實現模具零件（jiàn）的（de）自動裝夾， 使用RFID芯片實現模具（jù）工件的快速識別， 利用（yòng）工業機器（qì）人實現（xiàn）模具（jù）零件的（de）自動上下（xià）料。論文詳（xiáng）細闡述了智能製造單元的控製結（jié）構和（hé）通訊網絡結構， 分析了工業機器人的控製流程。最後通過塑料（liào）瓶模具的型（xíng）芯批量（liàng）加工實例， 對智能製造單元的基本（běn）工藝流程進行總結。

2 係統組成與布局

模具智能製造單元硬（yìng）件由加工設（shè）備、 工業機器人係統、 RFID係統（tǒng）以（yǐ）及料庫、 裝載站等組成。加工設備一共6台， 其中2台（tái）CNC加工中心（xīn）用於模具工件（jiàn） （型芯） 的銑削加工， 1台加工中心專門用於電極的（de）加工， 以及3台EDM加工設備用於模具工件的放電加工。智能製造單元配置2個模具工件料庫（kù）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個工件；電極料庫為旋轉（zhuǎn）料庫（kù）， 上下分為6層， 每層可存放30個電極（jí）。工業機器人負責機床的自動（dòng）上下料、 以及裝載站和料庫自（zì）動取（qǔ）放料， 並在加（jiā）工設備、 料庫和裝載站之間搬運模具工（gōng）件和電極。為（wéi）了擴展機器人的作業範圍， 需要配置導軌以實現對所有操作（zuò）設（shè）備的（de）覆蓋。智能製造單元的整體布局結構（gòu）如圖1所示。

模具工（gōng）件和電極通過3R夾具實現快速定位和（hé）裝夾。3R夾具的重複（fù）定位精度為0.002mm。每個模（mó）具工件和電極配置一個托盤（pán）， 托盤嵌有RFID芯片。通（tōng）過RFID係（xì）統（tǒng）為每一個模具工件/電極賦予唯一的（de）識別（bié）編碼， 該編碼存在於工件的整個訂單周期， 用於識（shí）別跟蹤工件的加工狀（zhuàng）態， 管理工件加工過程數據， 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（zhì）能製（zhì）造係統整體布局

3 係統（tǒng）控製與通信原理

整個模具智能製造單元的控（kòng）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、 工藝任務排產、 現場設備管理監控、庫存物料管理， 主要包括 MES 軟件、 工藝數據庫係統 [15] 。中間（jiān）控製（zhì）層負（fù）責各個設備的控製和實時數據采集， 主要包括機器（qì）人控製器（qì）和PLC控製器。底層設備層（céng）負責完成具體的（de）加工任務（wù）， 比如放電加工、 銑削加工以及物流搬運等， 主要包括6台加工設備、 工業機器人本（běn）體以及料庫等。圖2所（suǒ）示為智能製造單元的整體網絡通訊（xùn）及控製結構。

在本係統中MES計算機為主控計算， 機器人控製器與PLC為主控製器。MES計算機與機器人控製器、加工設備（bèi）之間通過工業以太網連接， MES計算機與（yǔ）機器人控製器、 加（jiā）工（gōng）設備之間的（de）通信采用TCP/IP通信協議。MES軟件直接通過數（shù）控（kòng）係統開放接口讀取加工設備的運行狀態（tài）， 修（xiū）改（gǎi）G54坐標偏置， 下載加工程序到加工設備存儲器中。MES軟件與機器人運動（dòng）控製程序之間通過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（de）交互和控製。

圖2 係（xì）統控製和（hé）通訊結構

機器人控製器負責控製機（jī）器人的運動和末端執行（háng）器的動作， PLC負責控製整條生產線的邏輯控製、信號采集， 機器人控（kòng）製器（qì）和PLC之間通過CC-LINK總線進行通訊。PLC 選用三菱（líng） Q 係列， 主（zhǔ）基板（bǎn） 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， 加工設（shè）備為遠程IO站， 旋轉電極庫為遠程設備（bèi）站， 遠程通訊模塊負責和遠（yuǎn）程設備站、 遠程IO站進行 通 訊 。遠 程 端 配 置 1 個 CC-LINK 輸（shū） 入 模 塊AJ65SBTB1-16D1， 用於采集來自加工（gōng）設（shè）備的氣壓、 設備 狀 態 等 信 號 ；配 置 3 個 CC-LINK 輸 出 模 塊（kuài）AJ65SBTB1-8T， 用於控製加工設（shè）備的夾具開關、 機床吹氣、 設備增壓等動作（zuò）；另外單獨配（pèi）置一個三菱FX5U-64M型號PLC用於旋轉電極庫的控製。對於裝載站、 料庫（kù）， 則直接通過輸入輸出模塊QX40/QY40P進（jìn）行I/O通訊。

4 工業（yè）機（jī）器人控（kòng）製（zhì）程序

工業機器人是實現模具自動（dòng）生產的關鍵設備。在（zài）本係統中， 工業機器人的主要功能是接收來自（zì）MES軟件的任務， 完成在加工設備、 料庫、 裝載站之間（jiān）進行物料傳輸以及與PLC控製器之間傳輸數據。因此其任務主要（yào）分為料庫取放料、 機床上下料、 掃描、 回零等功能（néng）。

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

機（jī）器人主控程序詳細流程如下：

（1） 步驟1。程序初始化， 初始化寄存（cún）器值。

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

（3） 步驟3。接受新任務， 將R[5]寄存器值賦值給本（běn）地寄存器R[20]， R[1]~R[4]寄存器的值分別賦值（zhí）給本地寄（jì）存器R[11]~R[14]。標記機器（qì）人狀態為忙（máng）碌， 此時不再接受新的（de）任務。

（4） 步驟4。判斷R[11]值， 機器人進入不同的（de）子程序。

（5） 步驟5。如果R[11]的值是1、 2、 3、 4， 則分別進入工件（jiàn）掃描、 料庫（kù）取料（liào）、 機床上下料、 料庫放料子程序， 執行相（xiàng）應的操作。執行完畢後， 主程序跳轉到步驟 1 繼續等待（dài）接受上位機的任務。

（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（hòu）程序終止。機器人主程序流程如圖（tú）3所示。

圖3 機器人（rén）主程序流程

5 智（zhì）能製造工藝（yì）流程與實例

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 數控電火花（huā）成型加工機（jī）， 以及一（yī）台 FANUC R-2000iC/210F 6軸關節型機器人， 如圖4所示。

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

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

（2） 工件裝夾。將工件原料通過專用夾具安裝在3R夾具（jù）上， 如（rú）圖5所示。

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

（4） 創建MES訂單。在（zài）MES軟件中創（chuàng）建訂單， 設置坐標偏置、 上傳 CNC 程序、 向 3R 夾具托盤（pán）上的RFID芯片中寫入編碼。

（5） 自動加工。將工件放入裝載站， MES開始自（zì）動執行訂單任務（wù）；係統檢測到裝（zhuāng）載（zǎi）站信號後， 機器人自動（dòng）到裝載站取料並放置到（dào）料庫。

（6） MES軟件根據當前料庫信（xìn）息、 CNC狀態自動排（pái）單， 完成工件（jiàn）的（de）加（jiā）工（gōng）。

（7） 裝載站取料：加工完（wán）成後， 機器人將已（yǐ）完成的工件放入裝載站。操作員手動將（jiāng）工件取出。

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

圖4 智（zhì）能製造單元實例

圖5 塑料瓶型芯加工實（shí）例

6 結語

為（wéi）了提高型芯零件的加工效率， 設（shè）計了一種模（mó）具零件智能製造單元， 實現型芯等零件的自動銑削加工和放電（diàn）加工。通（tōng）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（dān）元（yuán）的（de）製造工藝（yì）流程， 並證實該智能製造單元可以明顯（xiǎn）提高零件加工效率（lǜ）， 節約人（rén）工成本。

—The End—