模具数字化工厂体系的研究与实践

黄俊

（青岛海尔模具有限公司，山东 青岛 266103）

0 引言

模具是制造业的基础工艺装备，其自身就是个性化定制的产品，型腔及型芯的结构随产品的不同而不同，具有研发制造环节多、周期长、精度高等特点，模具企业发展存在较多瓶颈和制约因素，因此标准化、数字化、信息化、自动化、智能化（简称“五化”）将成为模具企业转型升级的必经之路。模具企业实施“五化”的难度较大，原因是模具作为传统制造产业，缺少针对模具企业“五化”体系的研究。模具数字化工厂体系是以“五化”为目标和路径规划实施的，金字塔形从下往上依次进行，如图1所示。

图1 数字化工厂体系“五化”

模具数字化工厂体系的标准化是指固定化作业流程，制定各节点的技术标准和操作规范，是体系的基础。数字化是指采用计算机辅助设计、加工的工程技术，将物理实体转化为虚拟模型，进行仿真设计、制造、模拟等工作，形成可系统传递的数据。信息化是指通过系统将各作业工序连接，实现数据采集、传输、分析等功能，为装备自动化、智能化提供数据支持。自动化是指通过传感技术和程序驱动，使设备按照指令自动完成作业。智能化是指通过大数据分析，依据事先设定的规则，产生最优解决方案，自动调整控制作业过程，准确输出结果，实现柔性化制造。

1 模具数字化工厂标准化

模具数字化工厂首先要颠覆传统的作业模式，分析哪些环节是人工实施，哪些环节是可以通过自动化、智能化解决，以标准化方式形成新的作业模式。

图2所示为模具零部件NC加工工序，目前行业大部分模具加工车间的生产模式都是由一个操作工控制1～2台机床，负责机床配刀、工件到位、程序检验到上件、开机过程监控直到最后完工下件整个过程，操作流程繁琐、效率低、存在较多安全隐患，一般有12道工步。在模具数字化工厂体系下，可优化为5道工步，分别为物流、刀具、装夹、DNC（网络化分布式数控）、MDC（制造数据采集与监控），将传统的一人多技能串行的作业模式转变为可实施“五化”改造的数字化工厂作业模式。

图2 数字化工厂体系流程优化

通过作业模式的标准化，提出模具数字化工厂体系的目标，如NC加工工序的数字化工厂体系需要实现以下3个目标。

（1）提高设备利用率。数字化工厂体系的目标就是为了降低设备对人员技能的要求及充分减少计划外停机时间，在零件加工之前将所需资源准备到位，针对不到位的环节通过流程优化等方式予以解决，如改进工装、优化工艺、统一程序管理等，将机床空闲的辅助时间最小化，可以提高精益生产管理水平，并在加工过程中将设备运行状态、设备故障快速反馈给相关人员，设备非计划停机通过系统一目了然。

（2）实现生产过程的协同。数字化工厂体系实现了对数控加工的全过程管理，包括零件加工之前的NC程序和相关技术文档准备、刀具准备、物料准备、工件装夹、设备故障报修等。通过按照生产计划发送准备指令，CAM编程员、刀具准备工、装夹工、物流工接收指令后，并行去准备各自资源，最后系统根据以上环节的结果输出开始加工指令，将过去人工协调、干预、判断的工作大部分由软件自动实现。

（3）远程控制和闭环控制。对带有网络接口的数控设备，通过DNC的高级控制功能远程将机床所需的程序按照计划开工时间直接推送到设备内存中，不需要人工操作调用数控程序；系统远程控制CNC机床最重要的加工载体NC代码，什么样的加工代码能够推送到机床，加工代码什么时候推送，由系统根据计划来确定，避免了现场操作工不按照计划加工零件，或者私自修改NC程序的违规操作。

2 模具工厂数字化

模具工厂数字化是由生产计划管理、程序管理、程序仿真验证、工艺文档管理、机床联网、物耗寄售、协同看板、机床监控、生产数据采集、协同制造（系统看板、目视化管理）、数据分析、设备管理等模块构成。图3所示是生产计划管理模块同时与程序管理模块、工艺文档管理模块、物耗寄售模块连接，程序管理模块和数据采集分析监控模块与机床连接，工艺文档管理模块和物耗寄售模块与协同看板模块连接。各模块之间的数据通过Internet网络协议传输，实现设备与服务器的数据通信，包括数控程序的上传、下载、机床参数备份等功能。

图3 工厂数字化流程

生产计划管理模块是根据用户订单制定生产计划的模块。生产计划可以根据订单要求自动生成，再由人工进行修订。生产计划制定完成后，通过网络将生产计划同时发送给程序管理模块、工艺文档管理模块及物料寄售模块。

程序管理模块是将生产计划发送给加工中心，由编程人员根据生产计划编制订单上所需产品的生产程序，包括计划开工时间、生产流程、各流程所需时间、参数、生产节拍、所需机床、刀具、电极、装夹设备等。

在程序管理模块中还包括程序仿真验证模块，用于在计算机上进行仿真模拟生产。程序仿真验证模块具有强大而实用的数控编辑功能，可实现文件的智能比较、刀位轨迹的三维模拟等，以验证其程序是否错误、生产过程是否合理、用时是否最短、工艺参数制定是否合理等，还可以判断加工计划条件是否满足、预测加工时间等。如果出现不合理的，则反馈给编制程序的人员进行修改，再重新验证。通过程序仿真验证模块，可以快速定位生产准备过程中可能出现的异常，做到及时修改完善，该步骤在正式生产前一定要执行。程序编辑仿真模块的设置可将编程员从枯燥的程序编辑、检查、调试、传输中解脱，提高编程人员的工作效率。

工艺文档管理模块用于编制产品订单上所需的生产工艺文件。该工艺文件根据经验进行编制，包括生产步骤流程、参数、使用的刀具、电极、装夹、各步骤所需的时间、生产节拍等。工艺文档管理模块制定的流程、参数等与程序管理模块编制的程序是相同的，编程人员在程序编制的过程中也可以参考工艺人员制定的工艺文件，在程序仿真验证后，工艺人员可以根据验证结果对工艺文件进行修订，形成最终的工艺文件，通过网络发送给协同看板模块。

物耗寄售模块通过搭建资源寄售超市，将原来资源分散、呆滞库存、管理混乱、供货不及时、未买到服务，转变为大资源换大资源、即需即供、零库存、管理到员工、以旧换新、绿色循环、提供标准化服务的寄售方式。通过物耗寄售平台，方便了生产厂商随时购买供应商的原材料，待产品的使用价值耗尽后，还可以再将废料交由供应商置换新材料，不仅解决库存盘点问题，同时实现对原材料的生命周期管理以及材料绿色循环利用，现有石墨料、黄铜丝、刀具、钢料等都可以通过物耗寄售平台进行资源管理。

物料寄售模块将所需的刀具、电极、装夹等物料明细发送给相关的合作厂商，同时发送的还有计划生产时间等信息，合作厂商在收到物料明细后，按照所需的物料明细在计划生产时间前将物料备齐，以备随时使用。待物料被取走后，合作厂商在物料寄售模块中进行维护确认。

经过验证后的最终生产程序通过网络再发送给相关的机床，由机床按照设定的程序准时进行加工生产。在加工生产过程中，数据采集分析及监控模块通过PLC实时采集生产数据，并对采集的数据进行处理、统计分析、效率分析等，同时将采集的数据、分析结果等实时发送给中央数据库及协同看板模块。采集的数据包括：到货时间、计划排定时间、开工时间、完工时间、程序的修改和传送情况、设备终端是否按照计划执行生产加工任务、设备终端的ID、生产信息及设备运行状态（运行、空闲、故障、关机、维修等状态）等。对带网卡的机床，可进一步采集当前坐标信息、进给速度、主轴转速以及机床操作信息，如编辑状态、自动运行状态、MDI状态、在线加工状态等。

数据采集分析及监控模块实时采集机床工作状态及生产任务信息，为及时、准确制定和调整生产任务，合理安排机床作业提供决策依据，便于优化处理生产任务，最大程度实现信息共享，通过MDC准确、及时、客观、自动的机床生产信息反馈，实现生产过程的透明化管理准确、透明地定位生产瓶颈，方便决策层科学管理。

在机床加工过程中，设备管理模块也同时通过PLC实时采集设备的相关数据，实现监控设备的运行情况，如刀具加工的时间、加工部件的材料等，对有可能出现故障的设备提前预警，对故障及时报修。设备管理模块所检测的设备数据、设备运行状态、报警信息等均可通过网络发送给协同看板模块。通过设备管理模块可快速并及时地发现机床停机等问题，将设备故障信息发送到维修工手机，以保证设备的完好率。

设备管理模块中还可以包括设备自诊断模块，用于对设备的关键部件进行健康评估、对刀具使用寿命进行预估、对设备的能耗进行管理及对设备集群进行健康管理等。其中，对关键部件进行健康评估是指在加工前对模具与机床的主要零部件（如刀具、进给系统、轴承和主轴）的健康状况进行预检测评估，使操作者了解机床的初始健康状态。对刀具的使用寿命进行预估是通过采集刀具的振动信号或其他PLC控制器信号，运用智能算法判断刀具磨损的当前状态，运用一系列预估算法推断刀具的剩余寿命，并发出报警提示，供操作者及时了解并及时更换新的刀具，保证生产顺利进行。能耗管理是将机床的能源消耗透明化，并根据机床间能耗的比较发现故障隐患。设备集群健康管理是前面4个功能在单个机床实现的基础上，通过同类机床之间的差异性比较实现设备间的信息互联和经验借鉴，以提供更加可靠的健康评估和诊断结果，实现整个工厂的设备集群管理。

通过协同看板模块可以将接收的各方面数据以可视化的方式显示在看板上，如管理层、开发人员、工艺人员、操作者等的计算机上，且可以通过动态FLASH形式显示设备实时运行状态、利用率和历史报表，同时还可以通过短信等方式发送给相关人员，供操作人员、管理层、开发员及相关人员实时了解机床的生产情况，实现车间生产的数字化、可视化和远程化管理。在加工过程中将设备运行状态、设备故障快速反馈给维修等相关人员，设备非计划停机通过系统一目了然，实现机床运行过程实时监控、数据自动反馈，保证生产的顺利进行及所生产产品的质量。

3 模具数字化工厂信息化

模具工厂的信息化体系可以指导企业进行信息化系统的规划和开发，将制造环节与产品开发、生产管理、经营管理等环节数据互联，如图4所示。系统以CAD/CAM/CAE数字化技术作为模具设计、工艺设计的方法，以PLM/SAP/MES等信息化系统作为数据传输存储通道，通过优化设计、制造流程实现离散型模具设计、制造的少人化，构建高效作业的模具工厂体系。围绕制造型企业项目控制的生产现状，实现企业由职能管理到流程管理的信息化变革，实现从产品策划到产品实现的信息化系统支持。通过全面成本预算，对整个供应链资源进行项目管理，实现各节点的成本控制，建立可视化项目界面，与客户信息化共享，快速响应客户需求。

图4 模具数字化工厂信息化系统部署

通过信息化系统能够实现计划编制、派工、数据自动采集、质量和资源管理等各个环节中数据的信息共享，减少传统的纸张传递过程，降低出错率。将图形转化作为计划源头，以机床的数据自动采集为技术核心，依据基础数据、生产资源为基础，对生产计划进行拆分、管理、下达，通过精细管理对计划执行情况进行监控，将各制造阶段生产计划、各制造阶段执行、程序传输、程序管理、生产数据采集、生产信息反馈等数据流形成闭环，实现快速响应计划变更、及时追溯产品制造过程信息，做到生产管理透明化，减轻了管理人员及员工的工作量，提高了工作效率。

数字化工厂体系通过数字化、信息化使各环节互联互通，以DNC、MDC、MES等系统的串联应用，以数控机床为中心，以生产计划为驱动，以提高数控设备的利用率为目的，关注数控设备加工零件之前相关准备环节的效率和节拍，快速定位生产准备过程中的异常、计划执行的滞后情况。系统判断加工计划条件满足时，可以自动将加工程序、工艺文档、刀具清单信息发送到工位，提高模具制造企业的生产效率。

4 模具数字化工厂自动化

在模具数字化工厂体系中，标准化、数字化、信息化达到一定程度后，就可以进行自动化升级。以模具零件的电火花加工为例，在模具制造各环节中，电火花加工是流程链最长、生产效率最低的工序，包括电极设计、电极物料采购、坯料装夹、电极加工、电极检测、电极仓储、电极物流转运、电火花加工等节点。通过作业模式标准化分析，电极装夹定位、电极物流转运、电极仓储、电极检测、坯料装夹等节点可以采用自动化解决方案代替人工，提升电火花加工效率。图5所示为电火花加工工序的电极装夹定位自动化场景，图6所示为电火化加工的自动化生产线解决方案。

图5 电极装夹定位自动化场景

图6 电火花加工的自动化生产线解决方案

5 模具数字化工厂智能化

模具数字化工厂体系的智能化需要综合运用物联技术、大数据分析、虚拟仿真等智能化技术，代替人工进行决策。在模具数字化工厂体系中，智能化是金字塔尖，需要模具行业和数据物联、工业互联网、人工智能、工业软件等领域的科研技术人员融合研发，形成满足模具研制智能化所需的解决方案。

在模具数字化工厂体系的流程节点中，物流是核心，是贯穿制造现场的纽带。物流的智能化是基于物流的自动化，把工件自动从一个站点运输到另一个站点，但在多个工件、多条物流路线、不同转运时间等复合条件下实现自动转运，需要引入数据物联采集、逻辑算法开发、大数据分析等进行自主决策，这就属于物流的智能化范畴。

以下描述的是电极物流智能化的场景，如图7所示，物流调度系统需要将电极从电极加工单元运送到电极仓库，而同时电火花加工工序需要从电极仓库调取电极进行放电加工。物流调度系统经过决策系统分析后，会先将加工完成的电极暂时放置在电极加工单元的搁物架上，然后优先从电极仓库调用需要放电加工的电极，自动运输到电火花加工设备，保证电火花加工的不间断运行。同时在转运过程中，将能够合并运输的订单一并完成，减少重复运转里程，节约能源。

图7 电极物流智能化场景

电极的循环利用也是电极仓库的一个智能化场景，如图8所示。通过加工电极与在库已使用电极的自动比对算法，把需要加工的新电极与已经电火化加工完成的废旧电极进行形状比对，自动筛选能够进行再次利用的电极坯料，通过机械手将可利用的电极重新进行定义、编号，再次进入电极自动化加工工序，实现废旧电极的循环利用。

图8 电极循环利用的电极仓库

6 结束语

根据介绍的模具数字化工厂体系，模具企业和科研机构可以开展模具工厂生产管理体系的数字化、加工生产线的自动化和柔性化加工、开发设备中央控制系统、DNC程序自动传送系统、MDC机台信息采集及监控系统、零件加工智能排产系统等转型升级，进一步研究加工设备运行状态监测传感、加工设备数据采集和智能决策、设备运行状态预判及诊断、模具生产产品质量在线监测等先进技术，形成模具加工及生产设备智能故障预测及诊断体系。