一種精密模具柔性智能制造單元的設(shè)計與應(yīng)用＊

金漲軍，熊瑞斌，裘騰威，張 威

（模具精密加工及智能制造應(yīng)用研究中心，寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江寧波315800）

1 引言

模具是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的重要工藝裝備，模具技術(shù)是制造行業(yè)的核心技術(shù)。隨著模具產(chǎn)品向著更大型、更精密、更復(fù)雜及更經(jīng)濟快速的方向發(fā)展，模具產(chǎn)品的技術(shù)含量不斷提高，模具制造周期不斷縮短，模具生產(chǎn)向著精準(zhǔn)、高效、數(shù)字化的方向發(fā)展，傳統(tǒng)的勞動密集型成型工藝已很難滿足[1]。數(shù)字化制造、智能制造技術(shù)已經(jīng)成為精密注塑模具制造技術(shù)研究的熱點[2]。王濤等闡述了數(shù)字化工廠對于精密注塑模具生產(chǎn)的重要性[3]，并對注塑模具數(shù)字化工廠中的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、工件快速識別、刀具壽命管理等關(guān)鍵技術(shù)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(xiàn)了一種基于工業(yè)6軸機器人和專用沖孔鉗的柔性沖孔系統(tǒng)。胡琪強[5]、Jiang[6]、吳定會等研究了制造執(zhí)行系統(tǒng)MES及其在模具車間的應(yīng)用[7]。馮志新等從汽車塑料件模具制造工藝出發(fā)[8]，提出了汽車塑料件模具關(guān)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(biāo)系標(biāo)定等技術(shù)進行了深入研究。梁盈富等針對汽車輪轂制造生產(chǎn)線設(shè)計實現(xiàn)了智能制造系統(tǒng)的總體框架[9]，分析了MES系統(tǒng)、PLC技術(shù)、RFID技術(shù)、工業(yè)機器人技術(shù)在該系統(tǒng)中的結(jié)合應(yīng)用。趙偉博等研究了智能制造切削加工系統(tǒng)的總體架構(gòu)[10]，并結(jié)合MES軟件將數(shù)控車床、加工中心、PLC、機器人、RFID及立體倉庫等信息系統(tǒng)進行有效結(jié)合，完成了生產(chǎn)過程的智能化管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計。湯文燦等對模具柔性生產(chǎn)線的智能調(diào)度展開研究[11]，提出了基于分組蝙蝠算法GBA的單目標(biāo)調(diào)度方案和基于多目標(biāo)蝙蝠算法MOBA度策略。黃沈權(quán)[12]、徐巖等對基于模具云的網(wǎng)絡(luò)制造模式進行研究[13]，以實現(xiàn)模具不同區(qū)域協(xié)同生產(chǎn)制造，整合制造資源，比如生產(chǎn)設(shè)備、應(yīng)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(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用的研究依然不多。

型芯是模具的核心零件，其曲面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工工藝難度大，周期長。為了提高型芯加工效率，設(shè)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(shè)備、工業(yè)機器人、自動夾具、RFID技術(shù)、MES系統(tǒng)等。系統(tǒng)通過3R夾具實現(xiàn)模具零件的自動裝夾，使用RFID芯片實現(xiàn)模具工件的快速識別，利用工業(yè)機器人實現(xiàn)模具零件的自動上下料。論文詳細(xì)闡述了智能制造單元的控制結(jié)構(gòu)和通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分析了工業(yè)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(jié)。

2 系統(tǒng)組成與布局

模具智能制造單元硬件由加工設(shè)備、工業(yè)機器人系統(tǒng)、RFID系統(tǒng)以及料庫、裝載站等組成。加工設(shè)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(shè)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(zhuǎn)料庫，上下分為6層，每層可存放30個電極。工業(yè)機器人負(fù)責(zé)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(shè)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(yè)范圍，需要配置導(dǎo)軌以實現(xiàn)對所有操作設(shè)備的覆蓋。智能制造單元的整體布局結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 模具智能制造系統(tǒng)整體布局

模具工件和電極通過3R夾具實現(xiàn)快速定位和裝夾。3R夾具的重復(fù)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(tǒng)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(tài)，管理工件加工過程數(shù)據(jù)，比如加工坐標(biāo)系偏移、加工程序、電極編碼、放電程序等[14]。

3 系統(tǒng)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(shè)備層3個層面。頂層的MES層負(fù)責(zé)車間現(xiàn)場的生產(chǎn)調(diào)度管理、工藝任務(wù)排產(chǎn)、現(xiàn)場設(shè)備管理監(jiān)控、庫存物料管理，主要包括MES軟件、工藝數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)[15]。中間控制層負(fù)責(zé)各個設(shè)備的控制和實時數(shù)據(jù)采集，主要包括機器人控制器和PLC控制器。底層設(shè)備層負(fù)責(zé)完成具體的加工任務(wù)，比如放電加工、銑削加工以及物流搬運等，主要包括6臺加工設(shè)備、工業(yè)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(wǎng)絡(luò)通訊及控制結(jié)構(gòu)。

圖2 系統(tǒng)控制和通訊結(jié)構(gòu)

在本系統(tǒng)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(shè)備之間通過工業(yè)以太網(wǎng)連接，MES計算機與機器人控制器、加工設(shè)備之間的通信采用TCP/IP通信協(xié)議。MES軟件直接通過數(shù)控系統(tǒng)開放接口讀取加工設(shè)備的運行狀態(tài)，修改G54坐標(biāo)偏置，下載加工程序到加工設(shè)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(xiàn)對機器人運動的交互和控制。

機器人控制器負(fù)責(zé)控制機器人的運動和末端執(zhí)行器的動作，PLC負(fù)責(zé)控制整條生產(chǎn)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(yuǎn)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(yuǎn)程IO站，旋轉(zhuǎn)電極庫為遠(yuǎn)程設(shè)備站，遠(yuǎn)程通訊模塊負(fù)責(zé)和遠(yuǎn)程設(shè)備站、遠(yuǎn)程IO站進行通訊。遠(yuǎn)程端配置1個CC-LINK輸入模塊AJ65SBTB1-16D1，用于采集來自加工設(shè)備的氣壓、設(shè)備狀態(tài)等信號；配置3個CC-LINK輸出模塊AJ65SBTB1-8T，用于控制加工設(shè)備的夾具開關(guān)、機床吹氣、設(shè)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(zhuǎn)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(yè)機器人控制程序

工業(yè)機器人是實現(xiàn)模具自動生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備。在本系統(tǒng)中，工業(yè)機器人的主要功能是接收來自MES軟件的任務(wù)，完成在加工設(shè)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(shù)據(jù)。因此其任務(wù)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(wù)。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(xié)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(xì)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(wù)下發(fā)，否則沒有新的任務(wù)下發(fā)，系統(tǒng)繼續(xù)等待接收新的任務(wù)。

（3）步驟3。接受新任務(wù)，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(biāo)記機器人狀態(tài)為忙碌，此時不再接受新的任務(wù)。

（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(zhí)行相應(yīng)的操作。執(zhí)行完畢后，主程序跳轉(zhuǎn)到步驟1繼續(xù)等待接受上位機的任務(wù)。

（6）步驟6。若R[11]的值是99，則表示任務(wù)結(jié)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(shù)控電火花成型加工機，以及一臺FANUC R-2000iC/210F 6軸關(guān)節(jié)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(chǎn)工藝流程為：

（1）系統(tǒng)準(zhǔn)備。開啟系統(tǒng)，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(shè)備準(zhǔn)備工作，設(shè)備回零后將設(shè)備設(shè)置為自動狀態(tài)。

（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(biāo)偏置。

（4）創(chuàng)建MES訂單。在MES軟件中創(chuàng)建訂單，設(shè)置坐標(biāo)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(zhí)行訂單任務(wù)；系統(tǒng)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(jù)當(dāng)前料庫信息、CNC狀態(tài)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(chǎn)方式本單元可以24h連續(xù)工作，單個瓶模產(chǎn)品的生產(chǎn)周期縮短為5h，每天單臺設(shè)備可加工4.8個產(chǎn)品，可有效提高效率，降低人工成本。

6 結(jié)語

為了提高型芯零件的加工效率，設(shè)計了一種模具零件智能制造單元，實現(xiàn)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(jié)約人工成本。