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編者按
為了實現(xiàn)模具生產(chǎn)的自動化、智能化，以工業(yè)機器人為主體，設計了模具智能生產(chǎn)線的整體架構，開發(fā)了SCADA系統(tǒng)軟件。通過工業(yè)以太網(wǎng)將SCADA系統(tǒng)與MES系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)、數(shù)控機床、工業(yè)機器人、三坐標測量儀、PLC、AGV和RFID等設備進行連接，構建智能生產(chǎn)線的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。該生產(chǎn)線包含電極加工、鋼料加工、電火花、在線檢測和物流倉儲等工藝環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了模具智能化生產(chǎn)。經(jīng)過實際應用驗證，該生產(chǎn)線有效提高了模具生產(chǎn)效率，減少了人力成本，具有高柔性。
1 序言
模具素有“制造業(yè)之母”的美譽，是制造業(yè)中不可或缺的特殊基礎裝備，主要用于大批量生產(chǎn)工業(yè)產(chǎn)品中的有關零部件和制件，是裝備制造業(yè)的重要組成部分，是制造業(yè)及相關行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級和技術進步的重要保障之一，因此，優(yōu)先發(fā)展模具生產(chǎn)制造智能化尤為必要。
在傳統(tǒng)模具制造中，機床的實際加工時間大約只有50%，另一半時間則用于裝夾、工件和刀具的更換。在絕大部分模具制造企業(yè)，由于模具產(chǎn)品的多樣性和單一產(chǎn)品的多工步、多工序，使得模具企業(yè)并沒有廣泛采用自動化生產(chǎn)線進行生產(chǎn)，因此極大地制約了生產(chǎn)效率的提升。模具生產(chǎn)智能化、自動化的改造成為企業(yè)的迫切需求，人工智能時代的到來讓柔性制造系統(tǒng)應用更加廣泛，世界發(fā)達國家競相開發(fā)和改進新技術，使智能制造技術應用更廣，從而獲得更多經(jīng)濟效益。隨著工業(yè)機器人技術的日漸成熟和現(xiàn)代化制造業(yè)對生產(chǎn)線智能化的需要，工業(yè)機器人被廣泛地應用于現(xiàn)代化生產(chǎn)線中。未來，以智能為核心、以工業(yè)機器人為主體的智能生產(chǎn)線將日益普及。
2系統(tǒng)架構
生產(chǎn)線系統(tǒng)從整體可分為三個層次智能決策層、智能傳感層和智能設備層。智能決策層主要包含MES、ERP等工業(yè)系統(tǒng)，負責制定生產(chǎn)計劃、制造過程管理、生產(chǎn)調(diào)度、排產(chǎn)及物料管理等；智能傳感層主要是SCADA系統(tǒng)，負責生產(chǎn)線設備數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控、作業(yè)任務派發(fā)和生產(chǎn)線實時控制等；智能設備層由各種加工設備組成，主要負責完成生產(chǎn)加工任務。
系統(tǒng)架構如圖1所示，通過數(shù)據(jù)庫匯集來自MES系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)、物流和質(zhì)量等系統(tǒng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)，為各個業(yè)務系統(tǒng)的交互提供技術支持。其中，來自MES的數(shù)據(jù)包括生產(chǎn)計劃數(shù)據(jù)、生產(chǎn)執(zhí)行進度數(shù)據(jù)等；來自SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包括設備實時狀態(tài)和異常信息等數(shù)據(jù)；來自ERP的數(shù)據(jù)包括主計劃及其完成進度、倉庫物料等數(shù)據(jù)。通過MES系統(tǒng)下發(fā)訂單，智能生產(chǎn)線能自動完成毛坯運輸、加工程序傳輸、智能加工、在線檢測、RFID數(shù)據(jù)記錄追溯和成品合入庫等工序。
圖1系統(tǒng)架構
3工藝流程
模具智能生產(chǎn)線工藝流程如圖2所示，首先通過預裝預調(diào)區(qū)域準備待加工物料（電極坯料、鋼料坯料），然后通過AGV小車分別運送至電極加工單元和鋼料加工單元，電極加工單元把從預裝預調(diào)區(qū)運送過來的電極毛坯根據(jù)所選擇的NC加工文件進行加工，再由AGV小車把物料從電極加工單元運送到電極檢測單元進行檢測，檢測完成后，再由AGV小車把物料運送到倉儲單元等待下一工序加工。鋼料加工單元把從預裝預調(diào)區(qū)運送過來的鋼料毛坯根據(jù)所選擇的NC加工文件進行加工，再由AGV小車把物料從鋼料加工單元運送到鋼料檢測單元進行檢測，檢測完成后，停留在鋼料檢測單元等待下一工序。AGV小車從倉儲單元運送電極和鋼料到電火花單元，通過機器人完成裝夾，SCADA系統(tǒng)會根據(jù)打火花需要的電極和對應的打火花NC文件控制火花機進行放電加工，加工完成后，經(jīng)AGV小車運送至成品區(qū)域。
圖2工藝流程
4 硬件組成
智能生產(chǎn)線根據(jù)工藝流程分為六大功能模塊區(qū)（見圖3），即預裝預調(diào)區(qū)、電極加工檢測區(qū)、鋼料加工檢測區(qū)、電火花加工區(qū)、成品整理區(qū)和電極智能化倉儲區(qū)。每個功能區(qū)域均配置有PLC和SCADA系統(tǒng)，主要設備有電極加工CNC、鋼料加工CNC、電火花機、三坐標測量儀、機器人、帶定位動力滾筒線、電極和鋼料料架、料盤、AGV物流小車系統(tǒng)、RFID系統(tǒng)以及各種輔助設備。每個功能區(qū)的設備種類由其工藝特性決定，但基本遵循“加工設備機器人料架對接臺”的模式。加工設備有CNC、三坐標測量儀或電火花機等。機器人則根據(jù)物料的大小和重量來選型，電極選用20kg的機器人，鋼料則選用200～300kg的機器人，每個機器人上都裝有RFID讀寫器，除了搬運物料外，還負責產(chǎn)品RFID信息的讀取和寫入。料架用來臨時存放待加工或已加工的物料。對接臺是用于與AGV進行物料對接的平臺，各個單元之間采用AGV進行連接，實現(xiàn)物料流轉(zhuǎn)。
圖3產(chǎn)線硬件組成
4.1 預裝預調(diào)區(qū)
該區(qū)為人工操作區(qū)，包括2條上料滾筒線、2條料盤回收雙向滾筒線、1臺三坐標測量儀及工作臺/架、料盤/電極座儲存架、升降推車等。
由人工將待加工鋼坯料裝入鋼料托板，測量定出基礎坐標數(shù)據(jù)，并記錄輸入系統(tǒng)。將料盤RFID信息初始化，之后將料盤放在定位料盤上，定位料盤放在上料動力滾筒上，由AGV運輸至加工區(qū)。預裝預調(diào)區(qū)也負責電極坯料的準備，將電極坯料裝在電極座上，之后放在電極料盤上，料盤進入上料動力滾筒線，由AGV運輸至電極加工區(qū)。電極座和電極料盤均配置有RFID芯片，在進入上料線前，由人工進行初始化掃描。
將AGV運送來的空料盤和需人工干預的問題鋼料等轉(zhuǎn)入回收滾筒線，由人工卸下進行存放或處理，AGV需要的空料盤也由此處發(fā)出。
4.2 電極CNC加工檢測區(qū)
電極加工單元（見圖4）包括3臺CNC、1臺機器人、1個料架和1個對接臺，電極檢測單元（見圖5）包括１臺三坐標測量儀、1臺機器人、1個料架和1個對接臺。機器人負責加工、檢測單元與對接臺的上下料以及料盤產(chǎn)品RFID信息讀齲
圖4電極加工單元
圖5電極檢測單元
4.3 鋼料加工檢測區(qū)
鋼料加工單元（見圖6）包括4臺CNC、1臺機器人、1個料架和1個對接臺，鋼料檢測單元（見圖7）包括１臺三坐標測量儀、１臺機器人、4個料架和1個對接臺。在鋼料加工區(qū)完成的模具鋼料送入“鋼料測量區(qū)”進行測量，不需要電火花加工的合格品作為完成品直接進入成品區(qū)，需要電火花加工的產(chǎn)品放在料架上存放，等待指令送入電火花模塊加工。電火花加工后的模具鋼料，再次進入本測量區(qū)進行測量。
圖6鋼料加工單元
圖7鋼料檢測單元
4.4 電火花加工區(qū)
電火花單元（見圖8）包括2臺雙頭火花機、1臺機器人、2個料架（電極料盤架和鋼料料盤架）和1個對接臺。
圖8電火花加工單元
4.5 成品整理區(qū)
本功能區(qū)為人工操作區(qū)，檢測合格的模具成品在此區(qū)域進行整理和出貨。設置動力滾筒線、升降臺車和工作臺架等。AGV從鋼料檢測區(qū)運輸檢測合格的模具成品，進入本區(qū)與滾筒線對接。滾筒線輸入成品后，由人工取下模具成品，掃描信息，并使空的鋼料料盤返回滾筒線，由AGV自帶或轉(zhuǎn)運至預裝預調(diào)區(qū)，作為新模具鋼坯料的載體。
4.6 電極智能化倉儲區(qū)
如圖9所示，電極智能化倉儲設置2臺機器人和6個電極料架，機器人1對3布局，配置1臺料盤定位輸送滾筒線，對電極進行智能化儲存和管理。該區(qū)域電極包括待測電極、已測不合格電極、已測合格待用電極或出貨電極、已用電極、報廢電極等。
圖9電極智能化倉儲
5 網(wǎng)絡通信架構
生產(chǎn)線組網(wǎng)設備有數(shù)控機床、機器人、PLC、RFID、AGV和三坐標測量儀等。機床數(shù)控系統(tǒng)與機器人控制系統(tǒng)均支持以太網(wǎng)接口；RFID讀寫器通過串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊提供以太網(wǎng)接口；AGV系統(tǒng)和三坐標測量儀也都支持以太網(wǎng)接口。
網(wǎng)絡架構如圖10所示，SCADA系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機與數(shù)控機床、機器人、PLC、RFID、AGV和三坐標測量儀進行連接，采用TCP/IP通訊協(xié)議，各系統(tǒng)提供其外部軟件連接API接口，在SCADA系統(tǒng)上開發(fā)集成各系統(tǒng)通訊模塊，即可實現(xiàn)各設備數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控和控制指令的發(fā)送。SCADA系統(tǒng)將生產(chǎn)線設備數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫，MES、ERP等工業(yè)軟件通過數(shù)據(jù)庫與SCADA系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸，MES、ERP軟件將加工任務通過SCADA系統(tǒng)派發(fā)到模具產(chǎn)線，從而實現(xiàn)生產(chǎn)線的智能化管理與生產(chǎn)加工。
圖10生產(chǎn)線網(wǎng)絡架構
6 SCADA系統(tǒng)設計
如圖11所示，SCADA系統(tǒng)（即產(chǎn)線控制系統(tǒng)）是智能生產(chǎn)線的核心層，主要負責生產(chǎn)線設備數(shù)據(jù)（各設備狀態(tài)、I/O狀態(tài)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)等）采集、狀態(tài)顯示、生產(chǎn)線監(jiān)控、RFID讀寫控制、AGV交互、NC文件及作業(yè)指導書傳輸和PLC控制等。SCADA系統(tǒng)遵循標準化、開放性設計原則，具有高度可擴充性，能夠方便地與ERP、MES等工業(yè)軟件系統(tǒng)進行連接。SCADA系統(tǒng)主要功能如下。
圖11產(chǎn)線控制系統(tǒng)
（1）數(shù)據(jù)采集負責生產(chǎn)線設備實時信息的采集，包括機床設備狀態(tài)（運行、空閑、故障、關機和維修等），實時獲知每臺機床實時位置、速度、電流、I/O、報警、故障信息、工件名稱、刀具、加工時間和程序執(zhí)行時間等核心數(shù)據(jù)；機器人設備狀態(tài)信息、當前動作、夾具狀態(tài)等；PLC相關狀態(tài)信息；AGV調(diào)度系統(tǒng)相關信息；三坐標設備狀態(tài)、檢測結果等。通過對多源異構制造信息數(shù)據(jù)的采集與集成，實現(xiàn)對制造資源、生產(chǎn)過程、現(xiàn)場環(huán)境的智能化識別、定位、跟蹤、分析、監(jiān)控和管理。
（2）實時控制機器人工作站料盤控制：每個機器人配置1個RFID讀寫器，當料盤送至機器人工作站點時，讀寫器會讀取料盤RFID標簽信息，根據(jù)信息判斷控制料盤放置在該工作站上料區(qū)或暫存機構，并將信息上傳至MES系統(tǒng)。
料盤物料信息寫入：當工作站CNC加工完成后的產(chǎn)品放入物料料盤時，通過RFID讀寫器將相關產(chǎn)品信息、加工信息寫入料盤RFID標簽中，同時上傳至數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)產(chǎn)品加工過程的追溯。
發(fā)送物料需求至AGV調(diào)度系統(tǒng)：當線體物料暫存區(qū)空出后，線體PLC會發(fā)送物料需求信息至SCADA系統(tǒng)，SCADA再發(fā)送運輸指令至AGV調(diào)度系統(tǒng)，AGV系統(tǒng)負責調(diào)度AGV小車將物料運送至對應區(qū)域。
（3）作業(yè)任務傳輸NC文件、作業(yè)指導書下發(fā)：SCADA系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫中獲取對應CNC的NC文件、作業(yè)指導書等，將其下發(fā)至對應的CNC設備。
質(zhì)檢數(shù)據(jù)下發(fā)：根據(jù)生產(chǎn)任務將質(zhì)檢數(shù)據(jù)文件發(fā)送至對應的三坐標測量儀。
（4）實時監(jiān)控生產(chǎn)線設備狀態(tài)監(jiān)控主要由設備監(jiān)視、統(tǒng)計分析、設備配置等組成。設備監(jiān)視包含設備狀態(tài)（離線、運行、報警、空閑及PLC狀態(tài)等）、當前報警內(nèi)容、加工NC程序和當前加工數(shù)量等；統(tǒng)計分析主要是對生產(chǎn)線設備歷史使用情況數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，包含機床開機率、利用率、運行率、報警率和加工件數(shù)等；設備配置主要是對整個生產(chǎn)線設備進行網(wǎng)絡化配置管理，包含設備型號、IP地址、用戶權限及機床參數(shù)配置。
7 應用效果
傳統(tǒng)著色檢查方法因為紅印泥自身厚重的特點，容易導致耦合不上的部位蹭上紅印泥，進而掩蓋耦合質(zhì)量不合格的事實。針對該情況，需要使用一種稀雹可靠的檢查介質(zhì)進行著色。經(jīng)過不斷的探索發(fā)現(xiàn)，普魯士藍涂料、蓖麻油和鈦白粉（二氧化鈦）的混合物較稀薄，具備改善性著色檢查的要求。使用普魯士藍著色檢查，基本杜絕了柱塞組件球窩球頭配合副耦合檢查合格后運轉(zhuǎn)存在卡滯的現(xiàn)象。
經(jīng)過實際生產(chǎn)運行表明：電極單元機臺稼動率達到90%，合格率在95%以上，充分發(fā)揮了智能生產(chǎn)的優(yōu)勢；鋼料單元每臺CNC機臺稼動率達到85%，加工產(chǎn)品合格率在90%以上；對于電火花產(chǎn)線，由于使用自動化上下料和自動運行，節(jié)省了大量更換電極的時間，機臺稼動率超過了80%。在運行期間，除了在預裝區(qū)準備物料的人員外，沒有其他人員參與進生產(chǎn)加工中，物料從預裝區(qū)出發(fā)后全程自動運行生產(chǎn)加工。
本文解決了以下技術難題。
1）打通了產(chǎn)線上不同設備的通訊壁壘，把所有設備通過以太網(wǎng)進行組網(wǎng)，并在軟件層面上尋找與各個設備通訊的方法，可獲取設備運行信息或控制設備運行。
2）開發(fā)SCADA系統(tǒng)軟件，采集產(chǎn)線設備的數(shù)據(jù)并通過數(shù)據(jù)庫進行集中規(guī)范管理，同時實現(xiàn)產(chǎn)線實時生成管控。
3）采用RFID芯片，對每個工件進行身份定義，芯片內(nèi)容包含了工件的工藝路線、尺寸、物料類型、加工文件、檢測文件和行跡記錄等信息，使得工件的生產(chǎn)信息可查找和追溯。
4）研發(fā)柔性工裝夾具，工件在切換時更方便，而且加工精度更高。在傳統(tǒng)CNC加工中，工件在加工之前需要在設備上分中校表、找工件坐標系，浪費設備運行時間，而采用柔性工裝夾具可以把分中校表轉(zhuǎn)移至前工序準備，不占用設備運行時間。而且在前工序采用三坐標測量儀進行分中校表，比傳統(tǒng)的千分表精度更高。
5）拼盤加工和檢測模式，即多個工件同時進入機臺按順序進行加工或檢測，在機器人換料的基礎上進一步減少工件切換時間，提高生產(chǎn)效率。
6）加工模式柔性化，根據(jù)不同要求，定制不同工藝路線，如只加工不檢測、只加工檢測不放電等。
7）研制新型機械手爪快換系統(tǒng)，使得在全自動電火花加工時，可以隨意快速切換機械手爪，達到抓取電極或鋼料的要求。
8 結束語
本文針對模具制造自動化、智能化需求，設計了模具智能制造生產(chǎn)線總體框架，開發(fā)了SCADA系統(tǒng)，實現(xiàn)了模具智能生產(chǎn)線建設，采用工業(yè)機器人替代人工，大大節(jié)省了人力成本，有效提高了模具生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。同時該生產(chǎn)線具有極強的適用性和擴展性，可為模具制造企業(yè)自動化、智能化升級改造或建設提供幫助和借鑒。
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