1 引言

模具是現代工業生產中的（de）重要工藝裝備， 模具技術（shù）是製造行業的核心技術。隨（suí）著模具產品向著更大型、 更精密、 更複雜及更經濟快速（sù）的方向發展， 模（mó）具產品的技（jì）術含（hán）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（xiào）、 數字化的方向發展， 傳統（tǒng）的勞動密集型成型工藝已很難滿足 [1] 。數字化製造、 智能（néng）製造技術已經（jīng）成為精密注塑模具製造（zào）技術研究的熱點（diǎn） [2] 。王濤等闡述了數字化（huà）工廠對於精密注塑模具生產的重要性 [3] ， 並對注塑模（mó）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（guǎn）理等關鍵（jiàn）技術進行研究。尹國（guó）濤針對汽車覆（fù）蓋件（jiàn）個性化製孔的需（xū）求 [4] ， 提出並實現了一種基於工業6軸機器人和專用衝（chōng）孔鉗（qián）的柔性衝孔係統。胡琪強 [5] 、 Jiang [6] 、 吳定會（huì）等研究了製造（zào）執行係統MES及其在模具車間的應用 [7] 。馮誌新等從汽車塑料件模具製造工藝出發 [8] ， 提出了汽車塑料件模（mó）具關鍵部件鑲塊的柔性化製造方案， 並對鑲塊的（de）快速裝夾和自動識別（bié）、 基於圖像識別（bié）的加工坐標係標定等技術（shù）進行了深入研究。梁盈富等針對（duì）汽車輪轂製造生產線設計實現了智能（néng）製造係統的（de）總體框架 [9] ， 分析了MES係統、 PLC技術、 RFID技術、 工業（yè）機器人技術在該係統（tǒng）中的結合應用。趙偉博等研究了智能製造切削加工係統的（de）總體架構 [10] ， 並結合MES軟件將數控車床、 加工中心、 PLC、 機器人、 RFID及（jí）立體倉（cāng）庫等信息係統（tǒng）進行（háng）有效（xiào）結合， 完成了生產過程的智能化管理係（xì）統架構設（shè）計。湯文燦等對模具柔性生產線的（de）智能調度展開研究 [11] ， 提出了基於（yú）分組蝙蝠（fú）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 [12] 、 徐岩等對基於模具（jù）雲的網（wǎng）絡製（zhì）造模式進行研究 [13] ， 以實現模具（jù）不同區域協同生產製（zhì）造， 整合製造（zào）資源， 比如（rú）生產設備、 應用軟件、 製造信息（xī）等製造資源。但是對於模具零件， 特別是型芯等核心零件（jiàn）的智能製造係統設（shè）計和應用的研究依然不多。型芯（xīn）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。為了提（tí）高型芯加工效率， 設計了一種精密模具零件智能製造（zào）單元， 該單元（yuán）包括CNC加工中心（xīn）、 EDM加工設備、 工業機器人、 自動（dòng）夾具、RFID技術（shù）、 MES係統等。係統（tǒng）通過（guò）3R夾具實現模具零件的（de）自動裝夾， 使用RFID芯（xīn）片實現模具工件的快速識別， 利用工業機器人實現模（mó）具零件的自動（dòng）上下（xià）料。論文詳細闡述了智（zhì）能製造（zào）單元的控製結構和通訊網絡結構， 分析了工業機器人的控製流程。最後通過塑料瓶模具的型芯批量加工實例， 對（duì）智能製造單元的基本工藝流程進行總結。

2 係統（tǒng）組成與（yǔ）布局

模具智能製造單元硬件（jiàn）由加工設備、 工業機器人係統、 RFID係統（tǒng）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） 的銑削（xuē）加工， 1台（tái）加工中（zhōng）心專門用於電極（jí）的加工， 以及3台EDM加工設備用於模（mó）具工件的放電加工。智（zhì）能製造單元（yuán）配置2個模具工件（jiàn）料庫和一個（gè）電極料庫。每（měi）個個模具工件料庫上下分為（wéi）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（wéi）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（qǔ）放料， 並在加工（gōng）設備、 料庫（kù）和裝載站之間搬（bān）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（yǒu）操作設備的覆蓋。智能製造單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（sù）定位和裝夾（jiá）。3R夾具的重複定（dìng）位精度為0.002mm。每個（gè）模（mó）具工件和電極配置一個托盤， 托盤嵌有RFID芯片。通過RFID係統為每一個模具工件/電極賦予唯一（yī）的識（shí）別編碼， 該編碼（mǎ）存在於工件的整個訂單周期， 用（yòng）於（yú）識別跟蹤工件的加工狀態， 管理工件加工過程數據， 比如加工坐標係（xì）偏移、 加工程序、 電極編碼、 放（fàng）電程序等 [14] 。

圖1 模具智能製造係統整體布局

3 係統（tǒng）控製與通信原理

整個模具智能製造單元的控製分為MES層、 控製層和設（shè）備層3個（gè）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（guǎn）理監控、庫存物料管理， 主要包括 MES 軟件（jiàn）、 工藝數據（jù）庫係統 [15] 。中間控製層負責各（gè）個設（shè）備的控製（zhì）和實時數據采集， 主要包括機器人控製器和PLC控製器。底層（céng）設備層負責完成具體的加工任務， 比如放電（diàn）加工、 銑削加工以及物流搬運等， 主要包括（kuò）6台加工（gōng）設備、 工業機器人本體以（yǐ）及料庫等。圖2所示為智能製造單元的整體網絡通訊及控製結構（gòu）。

在本係統中MES計算機為（wéi）主（zhǔ）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（zhì）器（qì）、加工設（shè）備之間通過工業以太網連接， MES計算機與機器人（rén）控製器、 加工設備之間（jiān）的通信采用TCP/IP通信協（xié）議。MES軟件直接通（tōng）過數控係（xì）統開放接口讀取加工設（shè）備的運行狀態， 修改G54坐標偏（piān）置， 下載加工程序到加工設備存儲器中（zhōng）。MES軟件與機器人運動控製程序之間通過SOCKET通訊， MES軟件通（tōng）過修改機器（qì）人R[1]~R[5]寄存器的值， 實現對機器人運（yùn）動的交互和控製。

圖（tú）2 係統控製和通訊結構

機器人（rén）控製器負責控製（zhì）機器人的運（yùn）動（dòng）和末端（duān）執行器的動作， PLC負責控製整條生產線的（de）邏輯控製、信（xìn）號采集， 機器人控製器（qì）和PLC之間通過CC-LINK總線進行通訊。PLC 選用三菱 Q 係列， 主（zhǔ）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（xuán）轉電極庫為遠程設備站（zhàn）， 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， 用於采集來自加（jiā）工設備的氣壓、 設備 狀 態 等 信（xìn） 號 ；配 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（guān）、 機床（chuáng）吹氣、 設備增壓（yā）等動作；另外單獨配置一個三菱（líng）FX5U-64M型號PLC用於旋轉電極庫的控（kòng）製。對於裝載站、 料（liào）庫（kù）， 則（zé）直接通過（guò）輸入輸出模塊QX40/QY40P進行I/O通訊。

4 工（gōng）業機器人控製程序（xù）

工業機器人（rén）是實現模具自動生產的（de）關鍵設備。在本（běn）係統中（zhōng）， 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（jìn）行物（wù）料（liào）傳輸以（yǐ）及與PLC控製器（qì）之（zhī）間傳輸數據。因此其任務主（zhǔ）要分為料庫取放料（liào）、 機床上下料、 掃描、 回零（líng）等功能。

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

機（jī）器人主（zhǔ）控程序詳細流程如下：

（1） 步驟1。程序（xù）初始化， 初始化（huà）寄存器值。

（2） 步驟2。檢查R[5]寄存器值， 若R[5]寄（jì）存器值與本地R[20]值不（bú）相等， 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（xù）等待接收新的任務（wù）。

（3） 步驟3。接受新任務， 將（jiāng）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（wù）。

（4） 步驟4。判斷R[11]值（zhí）， 機（jī）器（qì）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（rù）工件掃描、 料庫取料、 機床上下料、 料（liào）庫放料子程序， 執行相應的操（cāo）作。執行完畢後， 主程序跳轉到（dào）步驟 1 繼續等待接受（shòu）上位機的任務。

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

圖（tú）3 機器人主程序流（liú）程

5 智能製造工藝（yì）流程（chéng）與實例

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

以某飲料瓶模（mó）具型（xíng）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。開啟係（xì）統， 檢查CNC、 EDM機床是否工作正常（cháng）， 檢查油（yóu）位、 氣壓是否正常。完成（chéng）加工設備準備工作（zuò）， 設備回零後將（jiāng）設備設（shè）置為自動狀態。

（2） 工件裝夾。將工件（jiàn）原料通過專用夾具安裝在3R夾具（jù）上（shàng）， 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（dān）。在MES軟件（jiàn）中創建訂單， 設置坐標偏（piān）置、 上傳（chuán） CNC 程序（xù）、 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（rù）裝（zhuāng）載站， MES開始自動執行（háng）訂單任務；係統檢測到裝（zhuāng）載站（zhàn）信號後， 機器人自動（dòng）到裝載站取料並放置到料庫。

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

（7） 裝載（zǎi）站取料（liào）：加工完成後， 機器人（rén）將已完成的工件放入裝載站。操作員手動將（jiāng）工件取出（chū）。

采用自動生產方式本（běn）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（jiā）工4.8個產品， 可有效提高效率， 降低人工成本。

圖4 智能製造單元實例

圖5 塑料（liào）瓶型芯加工（gōng）實例

6 結語

為了提高型芯零件的加工效率， 設計了（le）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加工。通過某塑料瓶模具型芯小批量加工（gōng）案例（lì）， 分析了（le）智能製造（zào）單元的（de）製造工藝流程， 並證實（shí）該智能（néng）製造單元可以明（míng）顯提高零件加工效率， 節約人工成本。

—The End—