1 引言

模具是現代工業生產中的重要工藝（yì）裝備， 模具（jù）技術是製造（zào）行業的核心技術。隨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（fā）展（zhǎn）， 模（mó）具產品的技術含量不斷提高， 模（mó）具製造周期不斷縮短， 模具生產向著精（jīng）準、 高效、 數字化的（de）方向發展， 傳（chuán）統的勞動密集型成型工藝已很難滿足 [1] 。數字化製造、 智能製造技術已經成為精密注塑模具製造技術研究的（de）熱點（diǎn） [2] 。王濤等闡述了數（shù）字化工（gōng）廠（chǎng）對於精密注塑模（mó）具生（shēng）產的重（chóng）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（mìng）管理等關鍵技術進行研究。尹（yǐn）國濤針對汽（qì）車覆蓋（gài）件個性化製（zhì）孔的需（xū）求 [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（dìng）會等研究了製造（zào）執行（háng）係統MES及其在模具車（chē）間的（de）應用（yòng） [7] 。馮誌新等從汽車塑料件模具製造工藝出發 [8] ， 提出了汽（qì）車塑料件模具關鍵部件鑲塊的柔性化製造方案， 並對鑲塊的快速裝夾和自動識別、 基於（yú）圖像識別（bié）的加工（gōng）坐標係標定等技術進行了深入（rù）研究。梁盈富等針對汽車輪轂製造（zào）生產線設計實現了智能製造係統的總體框架 [9] ， 分析了MES係統、 PLC技術、 RFID技術、 工業機器（qì）人技術在該係統中的結合應用。趙偉博等研究了智能製（zhì）造切削加（jiā）工（gōng）係統的總體架構 [10] ， 並結合MES軟件將數控車床、 加（jiā）工中心、 PLC、 機器人（rén）、 RFID及立體倉庫等信息係統進行有效結合， 完成了生產過程的智（zhì）能化管理係統架構（gòu）設計。湯文燦（càn）等對模（mó）具柔性生產（chǎn）線的智能調度展開（kāi）研究 [11] ， 提出了基於分組蝙蝠算（suàn）法GBA的單目標調度方案和基於多目標蝙蝠算法MOBA度策略。黃沈權（quán） [12] 、 徐岩等（děng）對基於模具雲的網（wǎng）絡（luò）製造模式進行研（yán）究 [13] ， 以實現模具不同區域協同生產製造， 整合製（zhì）造資源， 比如生產設備、 應用軟件、 製造信息等製造資源（yuán）。但是對於模具零件， 特別是型芯等核心零件的智能（néng）製造係統設計（jì）和應用的研究依然不多。型芯是模具的核心零件， 其曲麵結構複雜， 加工工藝難度（dù）大， 周期長（zhǎng）。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（yuán）， 該單元包括CNC加工中心、 EDM加工設備、 工業機器人、 自（zì）動夾具、RFID技（jì）術、 MES係統等。係統通過3R夾具實現模具零件的自（zì）動（dòng）裝夾， 使（shǐ）用RFID芯片實現模具（jù）工（gōng）件的快速識別（bié）， 利用工（gōng）業機器人實（shí）現模具零件的自（zì）動上下料。論文（wén）詳細闡述了智能（néng）製造單元的控（kòng）製結構和（hé）通訊網絡結構， 分析了工業機器人的控製流程（chéng）。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本工藝（yì）流程進行總結。

2 係統組成與布局

模（mó）具智能製造（zào）單元硬件由加工設備（bèi）、 工業機器人係統、 RFID係統以及料庫、 裝載站等組成。加工設備一共6台， 其中2台CNC加工中心用於模具工件 （型芯） 的（de）銑削加工， 1台加工中心（xīn）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。智能製造單元配置2個模具工件料庫和一個電極（jí）料庫。每個個模具工件料庫（kù）上（shàng）下分為（wéi）4層， 每層可存放4個工件；電極料庫為旋轉料庫， 上下分（fèn）為（wéi）6層， 每層可存放30個電極（jí）。工業（yè）機器人負責機（jī）床的自（zì）動上下料、 以及裝載站和料庫自動取放料， 並在（zài）加工設備、 料庫和裝載站之間搬運模具工件和電極。為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設備的覆蓋（gài）。智能製造單元的整體布局結構如圖1所示。

模具（jù）工件和電極通過3R夾具實（shí）現快速（sù）定位和裝夾。3R夾具的重複定位（wèi）精（jīng）度（dù）為0.002mm。每個模具工（gōng）件和電極配置一個托盤， 托盤嵌有RFID芯片。通過RFID係統為每一個（gè）模具工件/電極賦予唯（wéi）一的識（shí）別編碼（mǎ）， 該編（biān）碼（mǎ）存在於工（gōng）件的（de）整個訂單（dān）周期， 用於識別跟蹤工件的加工狀態（tài）， 管理工件加工過程數據， 比如加工坐標（biāo）係偏移、 加工程序、 電極編碼、 放電程序等（děng） [14] 。

圖1 模具智能（néng）製造係統整體布局

3 係統控製與通信原理

整個模具智能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（shēng）產調度管理（lǐ）、 工藝任務排產、 現場設備管理（lǐ）監控、庫存物料管理， 主要包括 MES 軟件、 工藝數據庫係統 [15] 。中間控製層負責各個設備的控製和實（shí）時數據采集， 主要（yào）包括機器人控製器和（hé）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（xuē）加工以（yǐ）及物流（liú）搬運等， 主要包括（kuò）6台加工（gōng）設備、 工業機（jī）器人本體以及料庫等。圖2所示（shì）為智能製造單元的（de）整體網（wǎng）絡通訊及控製結構。

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（kòng）製器、加工設備之間通過工業以（yǐ）太網連接， MES計算機與機器人控製器、 加工設備之間的通信采用TCP/IP通信協議。MES軟件直接通過數控係統開放接口讀取加工設備的運行狀態（tài）， 修改G54坐標偏置， 下載加工程序到（dào）加工設備（bèi）存（cún）儲器中。MES軟件與機器人運動控（kòng）製程序之間通過SOCKET通訊（xùn）， MES軟件通過修（xiū）改（gǎi）機器人R[1]~R[5]寄（jì）存（cún）器的值， 實現對機器（qì）人運（yùn）動的交互和控製。

圖2 係統控製和（hé）通訊結構

機（jī）器人控製器負責控製機（jī）器人（rén）的運動和（hé）末端（duān）執（zhí）行器的動作， PLC負（fù）責控製整條生產線的邏輯控製、信號采集， 機器人控（kòng）製器和PLC之間通過CC-LINK總線（xiàn）進行通訊。PLC 選用三菱 Q 係列， 主基板（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， 加工設備為遠程IO站（zhàn）， 旋轉電極（jí）庫為遠程設備站， 遠（yuǎn）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 入 模 塊AJ65SBTB1-16D1， 用於采（cǎi）集來自加工設備的氣壓（yā）、 設備 狀（zhuàng） 態 等 信 號 ；配（pèi） 置 3 個 CC-LINK 輸 出（chū） 模 塊AJ65SBTB1-8T， 用於控製加工設備的夾具開關、 機床（chuáng）吹氣、 設備增壓等動作；另外單獨配置一個（gè）三菱FX5U-64M型號PLC用於旋轉電極庫的（de）控製（zhì）。對於裝載（zǎi）站、 料（liào）庫， 則直接通過輸入輸出模塊QX40/QY40P進行I/O通訊（xùn）。

4 工業機器人控製程序

工業機器人是實現模具自動生產的關鍵設備。在本係（xì）統中， 工業機器人的主（zhǔ）要功能（néng）是接收來自MES軟件（jiàn）的任務， 完成在（zài）加工設備、 料庫、 裝（zhuāng）載站之間進（jìn）行物料傳輸以及與PLC控製器之間傳輸數據。因（yīn）此其（qí）任務主（zhǔ）要分為料庫取放料、 機床上（shàng）下料、 掃描、 回零等功能。

機器人控製（zhì）器通過 Socket Message 來接收來自MES軟件的任務（wù）。三菱（líng）機（jī）器（qì）人控製器允（yǔn）許使用寄存器R[1]~R[5]與（yǔ）上位機進行通訊， 定義兩者之（zhī）間的通（tōng）信（xìn）協議如表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， 初始化寄存（cún）器值。

（2） 步（bù）驟2。檢查R[5]寄存器值， 若R[5]寄存器（qì）值與本地R[20]值不相等， 則表示有（yǒu）新的任務下發， 否則沒有新的（de）任務下發， 係統（tǒng）繼續等待接收新的（de）任務。

（3） 步驟3。接受新任務， 將R[5]寄（jì）存器值賦值給本地寄（jì）存器R[20]， R[1]~R[4]寄存器（qì）的值分別賦（fù）值給本地寄存器R[11]~R[14]。標記機（jī）器人狀態為忙碌， 此時不再接受新的任（rèn）務。

（4） 步（bù）驟4。判斷R[11]值， 機器人進入（rù）不同的子程序。

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

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

圖3 機器人主程（chéng）序流（liú）程

5 智能（néng）製造工藝流程與實例

模具（jù）智能製造單元配置2台北京精（jīng）雕 JDMR600 5 軸加工 中 心 和 1 台 3 軸 雕 刻 機JDCT600T， 3 台三菱 EA8A 數控電火花成型加工機， 以及一台 FANUC R-2000iC/210F 6軸關節型機器人， 如（rú）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（gōng）藝流程為：

（1） 係統（tǒng）準備。開啟係統， 檢查CNC、 EDM機床是否工作（zuò）正常， 檢查油位（wèi）、 氣壓是否正（zhèng）常（cháng）。完成加工設備準備工作， 設備回（huí）零（líng）後將設備設置為自動狀態。

（2） 工件裝夾（jiá）。將（jiāng）工件（jiàn）原料通過專用（yòng）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軟件中（zhōng）創建訂（dìng）單， 設（shè）置坐標偏置、 上傳 CNC 程序、 向 3R 夾具托盤上的RFID芯片中寫入編碼。

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

（6） MES軟件根據當前（qián）料庫信息、 CNC狀態自動排單， 完成工件的加工。

（7） 裝載站取（qǔ）料：加工完成後， 機器（qì）人將已完成的（de）工件放入裝載站。操作員手動將工件取出。

采用自動生產方式本單（dān）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（kě）加工4.8個（gè）產品， 可有效提高（gāo）效率， 降低人工成本（běn）。

圖4 智能製造單（dān）元（yuán）實例

圖5 塑料瓶型芯（xīn）加工實例

6 結語

為（wéi）了提高（gāo）型芯零件的加工（gōng）效率， 設計了一種模具零件智能製造單元（yuán）， 實現型芯等零件的自動（dòng）銑削加工和放電加工。通過某塑料瓶模（mó）具型芯小批量加工案例， 分析了智能製（zhì）造單元的（de）製造工藝流程， 並證實該智能製造單元可以（yǐ）明顯提高零件加工效率， 節約人工成（chéng）本。

—The End—