一種精密模具柔性智能制造單元的設計與應用＊

金漲軍，熊瑞斌，裘騰威，張 威

（模具精密加工及智能制造應用研究中心，寧波職業技術學院，浙江寧波315800）

1 引言

模具是現代工業生產中的重要工藝裝備，模具技術是制造行業的核心技術。隨著模具產品向著更大型、更精密、更復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，模具制造周期不斷縮短，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]。數字化制造、智能制造技術已經成為精密注塑模具制造技術研究的熱點[2]。王濤等闡述了數字化工廠對于精密注塑模具生產的重要性[3]，并對注塑模具數字化工廠中的產品數據管理、工件快速識別、刀具壽命管理等關鍵技術進行研究。尹國濤針對汽車覆蓋件個性化制孔的需求[4]，提出并實現了一種基于工業6軸機器人和專用沖孔鉗的柔性沖孔系統。胡琪強[5]、Jiang[6]、吳定會等研究了制造執行系統MES及其在模具車間的應用[7]。馮志新等從汽車塑料件模具制造工藝出發[8]，提出了汽車塑料件模具關鍵部件鑲塊的柔性化制造方案，并對鑲塊的快速裝夾和自動識別、基于圖像識別的加工坐標系標定等技術進行了深入研究。梁盈富等針對汽車輪轂制造生產線設計實現了智能制造系統的總體框架[9]，分析了MES系統、PLC技術、RFID技術、工業機器人技術在該系統中的結合應用。趙偉博等研究了智能制造切削加工系統的總體架構[10]，并結合MES軟件將數控車床、加工中心、PLC、機器人、RFID及立體倉庫等信息系統進行有效結合，完成了生產過程的智能化管理系統架構設計。湯文燦等對模具柔性生產線的智能調度展開研究[11]，提出了基于分組蝙蝠算法GBA的單目標調度方案和基于多目標蝙蝠算法MOBA度策略。黃沈權[12]、徐巖等對基于模具云的網絡制造模式進行研究[13]，以實現模具不同區域協同生產制造，整合制造資源，比如生產設備、應用軟件、制造信息等制造資源。但是對于模具零件，特別是型芯等核心零件的智能制造系統設計和應用的研究依然不多。

型芯是模具的核心零件，其曲面結構復雜，加工工藝難度大，周期長。為了提高型芯加工效率，設計了一種精密模具零件智能制造單元，該單元包括CNC加工中心、EDM加工設備、工業機器人、自動夾具、RFID技術、MES系統等。系統通過3R夾具實現模具零件的自動裝夾，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模具零件的自動上下料。論文詳細闡述了智能制造單元的控制結構和通訊網絡結構，分析了工業機器人的控制流程。最后通過塑料瓶模具的型芯批量加工實例，對智能制造單元的基本工藝流程進行總結。

2 系統組成與布局

模具智能制造單元硬件由加工設備、工業機器人系統、RFID系統以及料庫、裝載站等組成。加工設備一共6臺，其中2臺CNC加工中心用于模具工件（型芯）的銑削加工，1臺加工中心專門用于電極的加工，以及3臺EDM加工設備用于模具工件的放電加工。智能制造單元配置2個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、以及裝載站和料庫自動取放料，并在加工設備、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范圍，需要配置導軌以實現對所有操作設備的覆蓋。智能制造單元的整體布局結構如圖1所示。

圖1 模具智能制造系統整體布局

模具工件和電極通過3R夾具實現快速定位和裝夾。3R夾具的重復定位精度為0.002mm。每個模具工件和電極配置一個托盤，托盤嵌有RFID芯片。通過RFID系統為每一個模具工件/電極賦予唯一的識別編碼，該編碼存在于工件的整個訂單周期，用于識別跟蹤工件的加工狀態，管理工件加工過程數據，比如加工坐標系偏移、加工程序、電極編碼、放電程序等[14]。

3 系統控制與通信原理

整個模具智能制造單元的控制分為MES層、控制層和設備層3個層面。頂層的MES層負責車間現場的生產調度管理、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、工藝數據庫系統[15]。中間控制層負責各個設備的控制和實時數據采集，主要包括機器人控制器和PLC控制器。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，主要包括6臺加工設備、工業機器人本體以及料庫等。圖2所示為智能制造單元的整體網絡通訊及控制結構。

圖2 系統控制和通訊結構

在本系統中MES計算機為主控計算，機器人控制器與PLC為主控制器。MES計算機與機器人控制器、加工設備之間通過工業以太網連接，MES計算機與機器人控制器、加工設備之間的通信采用TCP/IP通信協議。MES軟件直接通過數控系統開放接口讀取加工設備的運行狀態，修改G54坐標偏置，下載加工程序到加工設備存儲器中。MES軟件與機器人運動控制程序之間通過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交互和控制。

機器人控制器負責控制機器人的運動和末端執行器的動作，PLC負責控制整條生產線的邏輯控制、信號采集，機器人控制器和PLC之間通過CC-LINK總線進行通訊。PLC選用三菱Q系列，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，加工設備為遠程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，用于采集來自加工設備的氣壓、設備狀態等信號；配置3個CC-LINK輸出模塊AJ65SBTB1-8T，用于控制加工設備的夾具開關、機床吹氣、設備增壓等動作；另外單獨配置一個三菱FX5U-64M型號PLC用于旋轉電極庫的控制。對于裝載站、料庫，則直接通過輸入輸出模塊QX40/QY40P進行I/O通訊。

4 工業機器人控制程序

工業機器人是實現模具自動生產的關鍵設備。在本系統中，工業機器人的主要功能是接收來自MES軟件的任務，完成在加工設備、料庫、裝載站之間進行物料傳輸以及與PLC控制器之間傳輸數據。因此其任務主要分為料庫取放料、機床上下料、掃描、回零等功能。

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

表1 SOCKET通訊R變量定義

機器人主控程序詳細流程如下：

（1）步驟1。程序初始化，初始化寄存器值。

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

（3）步驟3。接受新任務，將R[5]寄存器值賦值給本地寄存器R[20]，R[1]~R[4]寄存器的值分別賦值給本地寄存器R[11]~R[14]。標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。執行完畢后，主程序跳轉到步驟1繼續等待接受上位機的任務。

（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后程序終止。

機器人主程序流程如圖3所示。

圖3 機器人主程序流程

5 智能制造工藝流程與實例

模具智能制造單元配置2臺北京精雕JDMR600 5軸加工中心和1臺3軸雕刻機JDCT600T，3臺 三 菱EA8A數控電火花成型加工機，以及一臺FANUC R-2000iC/210F 6軸關節型機器人，如圖4所示。

圖4 智能制造單元實例

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）系統準備。開啟系統，檢查CNC、EDM機床是否工作正常，檢查油位、氣壓是否正常。完成加工設備準備工作，設備回零后將設備設置為自動狀態。

（2）工件裝夾。將工件原料通過專用夾具安裝在3R夾具上，如圖5所示。

圖5 塑料瓶型芯加工實例

（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軟件中創建訂單，設置坐標偏置、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。將工件放入裝載站，MES開始自動執行訂單任務；系統檢測到裝載站信號后，機器人自動到裝載站取料并放置到料庫。

（6）MES軟件根據當前料庫信息、CNC狀態自動排單，完成工件的加工。

（7）裝載站取料：加工完成后，機器人將已完成的工件放入裝載站。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，每天單臺設備可加工4.8個產品，可有效提高效率，降低人工成本。

6 結語

為了提高型芯零件的加工效率，設計了一種模具零件智能制造單元，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，分析了智能制造單元的制造工藝流程，并證實該智能制造單元可以明顯提高零件加工效率，節約人工成本。