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，如图所示。

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。

下图为模具零部件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。

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。下图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。

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。

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。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。

 

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。

电极装夹定位自动化场景

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，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。

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。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。

 

电极循环利用的电极仓库

总结：模具领域是有自己的数字化管理方法的，但是由于模具生产制造过程中的多设变，多异常，多返修的特性，模具交期经常难以达成，但是，如果结合了项目制造的管理理念，再加上模具数字化本身的加持，则可以大大提升模具交期的达成率。

众所周知，模具是工业之母，是很多产品产业链的上游，当产品发布日期还远的时候，模具已经在生产制造了，所以，保证模具交期，对于终端产品的发布起着很重要的作用。一个模具公司，如果模具交期达成率高，将大大提升在模具行业内的竞争力。

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