趙慧 孟波

摘 要：模具工業(yè)被稱為“百業(yè)之母”，在國民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)著不可替代的地位。由于模具產(chǎn)品的多樣性，傳統(tǒng)的模具企業(yè)較難實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)加工的智能化、自動(dòng)化。本文以GF智能制造生產(chǎn)線系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對(duì)精密模具的生產(chǎn)進(jìn)行智能制造生產(chǎn)線的規(guī)劃設(shè)計(jì)，從而有效減少模具企業(yè)的工人數(shù)量，提高生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：精密模具;智能制造產(chǎn)線;柔性生產(chǎn);敏捷制造

中圖分類號(hào)：TH16文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2019）14-0060-03

Design of Intelligent Manufacturing Line for Precision Dies Based on GFM

ZHAO Hui MENG Bo

（Tianjin Light Industry Vocational Technical College，Tianjin 300350）

Abstract： Mould industry is known as the "mother of all industries"， which occupies an irreplaceable position in the national economy. Due to the diversity of die products， it is difficult for traditional die and mould enterprises to realize intelligent and automated production and processing. Based on the GF intelligent manufacturing production line system， this paper planed and designed the intelligent manufacturing production line for precision die production， so as to effectively reduce the number of workers in die enterprises and improve production efficiency.

Keywords： precision mold;intelligent manufacturing production line;flexible production;agile manufacturing

1 研究背景

模具工業(yè)被稱之為“百業(yè)之母”，在國民經(jīng)濟(jì)中的地位不可替代。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)/數(shù)字化/CAD/CAM技術(shù)和數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展，我國模具設(shè)計(jì)與制造技術(shù)處于高速發(fā)展階段。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(dòng)化生產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)，從而極大地制約了生產(chǎn)效率的提升[1]。但目前，模具生產(chǎn)行業(yè)在生產(chǎn)過程中，只有裝夾找正完成后才能開始正式生產(chǎn)，導(dǎo)致時(shí)間被浪費(fèi);無法從根本上去除加工過程中的人為影響誤差，對(duì)模具產(chǎn)品的整體精度有著直接影響;同一批零件一致性較差，誤差有大有小，無法實(shí)現(xiàn)多品種模具產(chǎn)品的柔性生產(chǎn)和中斷加工;精加工余量很難控制，導(dǎo)致精加工時(shí)間過長;設(shè)備數(shù)量雖然較多，但實(shí)際加工時(shí)間較短，導(dǎo)致利用率低，因此產(chǎn)量難以滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。

當(dāng)今，大部分零件生產(chǎn)線是由多臺(tái)普通機(jī)床和數(shù)控機(jī)床組成的。其中，數(shù)控機(jī)床能節(jié)省大量人力，因此承擔(dān)了主要的加工生產(chǎn)任務(wù)。但由于不同設(shè)備之間作業(yè)協(xié)調(diào)程度差，現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床都是“單兵孤島式”作業(yè)，大多還是采用一人一機(jī)的生產(chǎn)方式。而零件加工需要多道工序連續(xù)作業(yè)完成，且零件生產(chǎn)需要應(yīng)用大量的專用工具（如工裝夾具、刀具、量具等），因此，造成工裝材料消耗大，工序流程長，各個(gè)工序沒有通用接口，重復(fù)工作量大，導(dǎo)致設(shè)備操作人員數(shù)量大，生產(chǎn)組織難度大，產(chǎn)品制造轉(zhuǎn)換速度難以提升，進(jìn)而導(dǎo)致模具企業(yè)制造成本居高不下，生產(chǎn)效率低下[2]。

同時(shí)，不同產(chǎn)品結(jié)構(gòu)差異大，造成工藝流程和所使用設(shè)備差異大，設(shè)備平均負(fù)荷率低，物流比較混亂，且難以形成產(chǎn)品加工流，工序間物流和加工程序信息流的有效完整統(tǒng)一協(xié)調(diào)作業(yè)。現(xiàn)在的產(chǎn)品工藝要求是批量小、品種多、精度高、反應(yīng)快速。對(duì)加工設(shè)備的要求是提高設(shè)備的在線加工效率，拓展其加工范圍，使工件的加工精度盡量靠近機(jī)床的加工精度，盡量降低操作人員在工作過程中的人為誤差。

GFMS為一家瑞士高端機(jī)床設(shè)備提供商，致力于為工具模具制造行業(yè)及精密組件生產(chǎn)商提供完整的解決方案，是該領(lǐng)域全球領(lǐng)先的供應(yīng)商之一。其業(yè)務(wù)組合包括銑削、慢走絲線切割和電火花成型設(shè)備。

基于以上原因，本文以GF智能制造生產(chǎn)線系統(tǒng)為例，進(jìn)行精密模具智能制造生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)，以期達(dá)到提高相關(guān)模具企業(yè)生產(chǎn)效率的目的。

2 智能制造生產(chǎn)線構(gòu)成設(shè)計(jì)

本智能制造生產(chǎn)線（見圖1）包括生產(chǎn)管理系統(tǒng)、搬運(yùn)機(jī)器人、導(dǎo)軌、物料庫、預(yù)裝工作站和旋轉(zhuǎn)型物料庫。不同種類的數(shù)控機(jī)床（如加工中心、火花機(jī)、線切割、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等）、各種設(shè)備對(duì)應(yīng)的加工程序以及多種復(fù)雜的工序工件，可以通過本智能制造生產(chǎn)線的軟硬件組成敏捷制造柔性加工系統(tǒng)，基于同一加工基準(zhǔn)可以自主識(shí)別、自動(dòng)定位裝夾鎖緊、自動(dòng)裝卸工件、自動(dòng)分配加工程序，自動(dòng)傳遞，從而實(shí)現(xiàn)中斷加工和柔性生產(chǎn)。

2.1 生產(chǎn)管理系統(tǒng)（WSM）

建立一個(gè)中央數(shù)據(jù)庫作為系統(tǒng)核心。數(shù)據(jù)庫聯(lián)系用戶機(jī)床和智能制造生產(chǎn)線加工系統(tǒng)。通過軟件將所有機(jī)床控制系統(tǒng)聯(lián)系在一起，形成一個(gè)智能數(shù)字化系統(tǒng)，控制所有零件傳輸、自動(dòng)定位裝夾過程，并指揮生產(chǎn)系統(tǒng)將所有加工數(shù)據(jù)提供給各機(jī)器。通過讀取/掃入裝置識(shí)別每一個(gè)工件/托盤，并自動(dòng)連接與之對(duì)應(yīng)的加工程序、加工數(shù)據(jù)、測(cè)量偏移量和加工圖紙等信息，并進(jìn)行信息的交流[3]。

本生產(chǎn)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了加工過程的程序自動(dòng)控制，安全可靠，穩(wěn)定性高;將響應(yīng)時(shí)間縮至最短，實(shí)現(xiàn)了24h無人作業(yè);加工中實(shí)現(xiàn)智能制造生產(chǎn)線控制，減輕了人工勞動(dòng)強(qiáng)度;提高了加工精度，降低了產(chǎn)品不良率;本系統(tǒng)操作靈活，可以隨時(shí)在手動(dòng)和自動(dòng)模式下切換。

2.2 搬運(yùn)機(jī)器人、導(dǎo)軌及物料庫

搬運(yùn)機(jī)器人代替人工，將加工毛坯按照加工工藝安排從物料庫運(yùn)送至不同工序加工機(jī)床進(jìn)行加工，完成后送至線內(nèi)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，最終將成品送回物料庫，等待出庫。

2.3 工件自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)——RFID系統(tǒng)

RFID系統(tǒng)（如圖2所示）將工件的NC加工程，加工過程中的偏移量，放置在工件庫中的位置及生產(chǎn)加工中的管理等項(xiàng)工作協(xié)調(diào)聯(lián)系成一個(gè)整體。

唯一編號(hào)的只讀ID芯片將工件的信息存儲(chǔ)在中央數(shù)據(jù)庫中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，消除人為誤差;與之聯(lián)系的數(shù)據(jù)庫可進(jìn)行精確的成本核算。ID芯片將整個(gè)工廠的信息系統(tǒng)或其他品牌的PDM、MPS系統(tǒng)聯(lián)系成一個(gè)整體。

ID智能識(shí)別系統(tǒng)好像自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)的眼睛，能自動(dòng)識(shí)別每一個(gè)工件/托盤上芯片的數(shù)據(jù)，并自動(dòng)選擇與之對(duì)應(yīng)的加工程序、加工數(shù)據(jù)、測(cè)量偏移量和加工圖紙等信息。

ID芯片采用FRID射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向存儲(chǔ)，是新一代廣泛使用的智能識(shí)別系統(tǒng)。

2.4 夾具系統(tǒng)

夾具系統(tǒng)可以高效地解決組織生產(chǎn)的問題，固定在托盤上的工件被擺放到安裝站中，動(dòng)作靈活的多軸機(jī)械手可以從那里取得工件并將工件放到暫存庫或直接放到機(jī)床上加工[4]。

夾具系統(tǒng)的應(yīng)用可以極大縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)的靈活性，使無人生產(chǎn)成為可能，同時(shí)減少材料的浪費(fèi)。儲(chǔ)存在單層或多層次的倉儲(chǔ)貨架的工件使空間的利用更加有效，而且可以對(duì)存放在倉儲(chǔ)貨架中的工件流程進(jìn)度一目了然。

3 智能制造自動(dòng)化系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

第一，智能制造自動(dòng)化系統(tǒng)生產(chǎn)可以大幅提高生產(chǎn)效率。在新技術(shù)不斷被采用的今天，自動(dòng)化生產(chǎn)已經(jīng)是國際上普遍采用的一種加工模式，這種生產(chǎn)方式提供全天24h不間斷生產(chǎn)，不僅可以充分利用白天的時(shí)間，而且還可以利用晚上和節(jié)假日的時(shí)間加工。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)在的機(jī)床每年真正加工的時(shí)間不超過2 000h，也就是說，開機(jī)率通常在20%左右，但一個(gè)自動(dòng)化生產(chǎn)車間每臺(tái)機(jī)床每年的加工時(shí)間可以達(dá)到7 000h以上，開機(jī)率達(dá)到80%，加工效率提高4～5倍[5]。

第二，提高零件加工精度和加工工藝水平。GFMS智能制造生產(chǎn)線系統(tǒng)不僅提供整條自動(dòng)化生產(chǎn)線，還可以提供先進(jìn)的工藝解決方案，如一些很難加工的零件，可能由于裝夾的限制或零件的特殊結(jié)構(gòu)，使得加工工藝異常復(fù)雜。面對(duì)這種情況，GFMS全球的工藝工程師可以根據(jù)具體零件的實(shí)際情況，借鑒國際最先進(jìn)的加工工藝手段，提出可行的工藝改進(jìn)方案，不僅可以提高零件加工精度，還可以提高加工工藝手段，與國際先進(jìn)技術(shù)接軌。這一點(diǎn)已經(jīng)在包括國內(nèi)眾多自動(dòng)化用戶那里得到了驗(yàn)證。

第三，GFMS智能制造生產(chǎn)線系統(tǒng)還是一種柔性加工和可中斷加工的模式。在自動(dòng)化生產(chǎn)線中，對(duì)所加工的零件沒有任何限制，也無需指定所使用的機(jī)床。自動(dòng)加工過程中，下一個(gè)要加工的零件是被指定到任意一臺(tái)空閑機(jī)床上加工的（當(dāng)然也可以人為指定其中一臺(tái)或幾臺(tái)機(jī)床只加工某種零件，但這種情況并不多見），也就是說，同一條自動(dòng)化生產(chǎn)線，既可以加工這種零件，也可以同時(shí)加工另一種零件，這就是柔性加工的理念。同時(shí)，借助高精度基準(zhǔn)定位系統(tǒng)和智能車間管理軟件的幫助，正在加工的零件可以隨時(shí)暫停加工，由機(jī)械手將其從機(jī)床工作臺(tái)上取下，放回零件存放區(qū)，再抓取另一個(gè)比較急的零件馬上開始加工，當(dāng)急件加工完成后，機(jī)械手會(huì)把暫停加工的零件再放回機(jī)床上繼續(xù)加工，直至完成。中斷加工的理念可以幫助工作人員解決很多問題，比如，加工過程中突然出現(xiàn)故障（如斷刀、機(jī)床故障報(bào)警或其他故障），這時(shí)，機(jī)械手可以馬上把沒有加工完成的零件取下來，在機(jī)床等待維修的同時(shí)，零件會(huì)在另一臺(tái)機(jī)床上繼續(xù)加工。

第四，智能制造生產(chǎn)線生產(chǎn)方式還可以加入在線測(cè)量，確保每一個(gè)零件都是合格品，減少浪費(fèi)，降低成本。自動(dòng)化生產(chǎn)線中的測(cè)量方式不一樣，如果是實(shí)驗(yàn)件，將對(duì)每道工序結(jié)束后進(jìn)行測(cè)量，確保前道工序的正確性，直至零件全部加工完成;如果是批量生產(chǎn)的零件，將對(duì)首件進(jìn)行檢測(cè)，再對(duì)最后一件進(jìn)行檢測(cè)，如果首件和末件都是合格的，有理由相信整批零件都是合格的。只有加工出合格的零件，才能減少浪費(fèi)，降低成本。

第五，GFMS智能制造生產(chǎn)線系統(tǒng)具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性和兼容性，將來可以根據(jù)實(shí)際需要增加更多的機(jī)床在這一條生產(chǎn)線中，或更換現(xiàn)有的機(jī)床為新采購的機(jī)床。GFMS智能制造生產(chǎn)線系統(tǒng)可以兼容目前市場上主要品牌的所有機(jī)床。

第六，將精密加工制造水平推向?qū)I(yè)化和無紙化。自動(dòng)化生產(chǎn)從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)，都是在電腦上實(shí)現(xiàn)的，不需要紙張傳遞信息，實(shí)現(xiàn)完全的無紙化生產(chǎn)。使用GFMS智能制造生產(chǎn)線系統(tǒng)可以加工各類精密零件，而且可以在一條生產(chǎn)線里生產(chǎn)不同型號(hào)和批量的工件，這就推進(jìn)了無紙化、專業(yè)化、高效化的進(jìn)一步發(fā)展。

4 結(jié)語

本文介紹了GFMS智能制造生產(chǎn)線的基本構(gòu)成。采用本智能制造生產(chǎn)線，可提高模具企業(yè)的生產(chǎn)率和加工柔性，實(shí)現(xiàn)夜間無人化加工。該生產(chǎn)線通過縮短工序準(zhǔn)備時(shí)間和提供機(jī)床的靈活性來提高效率，提高產(chǎn)品的加工精度，縮短零件加工周期降低加工成本，從而實(shí)現(xiàn)模具企業(yè)的智能制造。

參考文獻(xiàn)：

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[4]王文理，康永峰.工藝在智能制造生產(chǎn)線設(shè)計(jì)與運(yùn)行控制中的重要作用[J].航空制造技術(shù)，2016（16）：48-51，62.

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