面向智能制造的鍛造技術(shù)

文/蔣鵬，孫勇，曾琦·北京機(jī)電研究所有限公司

德國(guó)于2013年4月推出工業(yè)4.0，美國(guó)于2012年秋季提出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)概念，韓國(guó)也相應(yīng)推出了制造業(yè)創(chuàng)新3.0，我國(guó)于2015年5月19日推出《中國(guó)制造2025》。上述各國(guó)推出的戰(zhàn)略都以智能制造為主導(dǎo)，其目的是：⑴推動(dòng)信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)在制造業(yè)的深入應(yīng)用；⑵創(chuàng)新生產(chǎn)模式和產(chǎn)業(yè)鏈分工；⑶建立全新的個(gè)性化和數(shù)字化的生產(chǎn)與服務(wù)模式；⑷取得全球制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)獲得長(zhǎng)期服務(wù)回報(bào)。無(wú)論是德國(guó)工業(yè)4.0，還是《中國(guó)制造2025》，都清晰描繪出了智能制造的發(fā)展途徑：智能生產(chǎn)→智能產(chǎn)品→生產(chǎn)服務(wù)化→云工廠→跨界生產(chǎn)。

智能工廠與智能生產(chǎn)

德國(guó)人認(rèn)為在工業(yè)4.0中，主要有兩個(gè)主題，一是智能工廠，重點(diǎn)研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過(guò)程以及網(wǎng)絡(luò)化分布式生產(chǎn)設(shè)施的實(shí)現(xiàn)；二是智能生產(chǎn)，主要涉及整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機(jī)互動(dòng)以及3D技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用等。智能工廠的架構(gòu)如圖1所示。

所謂智能制造就是將人工智能融合進(jìn)制造的各個(gè)環(huán)節(jié)，通過(guò)將專(zhuān)家的知識(shí)或經(jīng)驗(yàn)固化在系統(tǒng)或軟件中，完成制造過(guò)程。在制造過(guò)程中，滿足實(shí)現(xiàn)智能制造的要求，關(guān)鍵在于信息系統(tǒng)和自動(dòng)化系統(tǒng)的集成，在此基礎(chǔ)上能夠根據(jù)制造環(huán)境的變化實(shí)現(xiàn)智能預(yù)測(cè)、智能調(diào)度、智能診斷和智能決策和優(yōu)化。也就是說(shuō)，將人工智能技術(shù)深度應(yīng)用在制造工廠。

智能預(yù)測(cè)

在制造過(guò)程中，從控制角度來(lái)看，存在許多具有不確定性、非線性以及非精確性或多變量、強(qiáng)耦合、機(jī)理繁雜的控制對(duì)象。如果能采用智能集成建模的方法對(duì)其結(jié)果進(jìn)行精確的智能預(yù)測(cè)，就可以對(duì)制造過(guò)程的優(yōu)化決策和優(yōu)化控制起到重要的作用。

圖1 智能工廠架構(gòu)

智能調(diào)度

高效的計(jì)劃與調(diào)度對(duì)提升制造業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)效率、縮短生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本具有重要作用，企業(yè)的計(jì)劃與調(diào)度問(wèn)題具有生產(chǎn)約束復(fù)雜、不確定因素多、多目標(biāo)等難點(diǎn)。智能調(diào)度根據(jù)企業(yè)宏觀生產(chǎn)計(jì)劃和各項(xiàng)主要生產(chǎn)指標(biāo)（如滿足客戶交貨期、降低生產(chǎn)成本、提高熔鑄爐利用率等），在滿足各類(lèi)工藝約束、資源約束及其他特定約束的基礎(chǔ)上，基于多工序協(xié)同仿真平臺(tái)，安排各生產(chǎn)任務(wù)在各工序上的加工順序及時(shí)間，形成各層次的生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃，并能針對(duì)企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各類(lèi)不確定事件（如設(shè)備故障、質(zhì)量事故、訂單撤銷(xiāo)、插入或更改、工藝變動(dòng)等）快速優(yōu)化調(diào)整已生成的各級(jí)作業(yè)計(jì)劃，對(duì)實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、智能化及確保生產(chǎn)過(guò)程的高效運(yùn)行具有重要作用。

智能診斷

智能故障診斷技術(shù)是一種在知識(shí)層次上，以知識(shí)處理技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)概念和處理方式知識(shí)化，實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障診斷的智能化診斷方法。

智能決策和優(yōu)化

目前制造業(yè)企業(yè)普遍面臨著市場(chǎng)需求、節(jié)能降耗、環(huán)保等多重壓力，而企業(yè)最終追求的目標(biāo)就是提升產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，降低生產(chǎn)成本和消耗。從控制學(xué)的角度考慮，可將企業(yè)追求的目標(biāo)分解為生產(chǎn)制造全流程的運(yùn)行指標(biāo)和過(guò)程運(yùn)行控制指標(biāo)。通過(guò)智能決策和優(yōu)化來(lái)提升制造業(yè)企業(yè)的上述指標(biāo)。

智能鍛造的概念

鍛造工藝數(shù)字化、信息化及網(wǎng)絡(luò)化

鍛件材料的物理性能參數(shù)與鍛造工藝參數(shù)，通過(guò)物理模擬和數(shù)值模擬，得到鍛件的尺寸、力學(xué)性能及微觀組織等信息，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)藉懺煸O(shè)備或所需網(wǎng)站。

鍛造設(shè)備數(shù)字化、信息化及網(wǎng)絡(luò)化

數(shù)控鍛造設(shè)備本身已具有設(shè)備技術(shù)參數(shù)及性能指標(biāo)功能，通過(guò)位移、速度、壓力及溫度等傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及處理系統(tǒng)，得到需要的鍛件質(zhì)量相關(guān)信息，通過(guò)與上述信息比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)鍛造設(shè)備的優(yōu)化控制，進(jìn)而得到優(yōu)質(zhì)鍛件。

智能制造

應(yīng)當(dāng)包括智能制造技術(shù)和智能制造系統(tǒng)，智能制造系統(tǒng)不僅能夠在實(shí)踐中不斷地充實(shí)知識(shí)庫(kù)，具有自學(xué)習(xí)功能，還有搜集和理解環(huán)境信息與自身的信息，并進(jìn)行分析判斷和自身行為的能力。

曲軸智能鍛造系統(tǒng)的層級(jí)結(jié)構(gòu)

典型曲軸鍛造工藝流程包括：下料→中頻感應(yīng)加熱→輥鍛制坯→模鍛（壓扁、預(yù)鍛、終鍛）→切邊→扭拐（部分曲軸需要）→精整。所涉及的設(shè)備包括：下料機(jī)、中頻感應(yīng)加熱爐、輥鍛機(jī)、熱模鍛壓力機(jī)、切邊機(jī)、扭拐機(jī)和精整機(jī)，除了這些主機(jī)設(shè)備，從坯料進(jìn)入生產(chǎn)線到完成整個(gè)曲軸鍛造工藝過(guò)程，還涉及到大量的物流轉(zhuǎn)移及其他輔機(jī)設(shè)備，如機(jī)器人、傳送帶、料臺(tái)、除氧化皮裝置、模具冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)等。典型的曲軸鍛造生產(chǎn)線如圖2所示。

在自動(dòng)化生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析曲軸的鍛造工藝流程、設(shè)備特點(diǎn)、物流要求，設(shè)計(jì)適合曲軸鍛造的智能化感知和檢測(cè)技術(shù)，并在工藝流程關(guān)鍵點(diǎn)建立在線檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)智能化鍛造的前提，通過(guò)智能化感知和檢測(cè)，將曲軸鍛造的工藝參數(shù)、生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)和工藝結(jié)果參數(shù)定量化，為精益管理提供基礎(chǔ)參數(shù)。

在參數(shù)定量化基礎(chǔ)上建立生產(chǎn)級(jí)的制造管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程可追溯，并提供產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)能耗和設(shè)備OEE管理，是智能化鍛造的管理提升。

通過(guò)對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)提取、匯總和分析，結(jié)合大數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備異常現(xiàn)象，應(yīng)用故障樹(shù)和智能算法進(jìn)行設(shè)備故障分析和預(yù)測(cè)，從而保障生產(chǎn)的穩(wěn)定性，最終實(shí)現(xiàn)曲軸鍛造的智能化生產(chǎn)。

因此，曲軸鍛造智能系統(tǒng)的技術(shù)路徑為：建線→智能檢測(cè)→定量化→智能化。

圖2 典型的曲軸鍛造生產(chǎn)線

曲軸智能鍛造系統(tǒng)構(gòu)架

前述曲軸智能鍛造系統(tǒng)的四個(gè)層級(jí)結(jié)構(gòu)，其中每一個(gè)層級(jí)都包含子建設(shè)模塊，層級(jí)和子建設(shè)模塊的組合構(gòu)成了曲軸鍛造智能系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖3所示。

作為層級(jí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)層的底層，所有鍛造生產(chǎn)線的主輔機(jī)設(shè)備均通過(guò)基于Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的總線技術(shù)進(jìn)行集成，并且通過(guò)冗余、多樣的安全系統(tǒng)，加之以自我檢測(cè)和監(jiān)控、可靠的電氣元件、反饋回路等安全措施，使得在本身缺陷或外部故障的情況下，依然能夠保證安全功能，并且可以及時(shí)的將故障檢測(cè)出來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)人員和設(shè)備的最高保護(hù)。

曲軸鍛造智能感知和檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)定制在生產(chǎn)線中的檢測(cè)元器件實(shí)現(xiàn)對(duì)曲軸鍛造生產(chǎn)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果發(fā)送到總線控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)智能制造的參數(shù)化提取過(guò)程。

曲軸鍛造MES系統(tǒng)分為接入層、應(yīng)用層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)層和數(shù)據(jù)接口等，具備系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理功能，依據(jù)《中國(guó)制造2025》和ISA-95標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)自于底層總線系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息上傳給MES制造執(zhí)行系統(tǒng)后，經(jīng)執(zhí)行系統(tǒng)的匯總、統(tǒng)計(jì)、分析、計(jì)算，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)鍛造生產(chǎn)的質(zhì)量、能源和設(shè)備使用效率的管理，從而滿足廠家對(duì)整個(gè)鍛造生產(chǎn)過(guò)程的量化和可控，以及客戶對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量可追溯的要求。MES系統(tǒng)的功能如圖4所示。

圖3 曲軸智能鍛造系統(tǒng)架構(gòu)

圖4 MES系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

圖5 典型曲軸鍛造工藝流程及智能檢測(cè)點(diǎn)分布圖

曲軸鍛造專(zhuān)家系統(tǒng)將鍛造生產(chǎn)過(guò)程中采集到的工藝質(zhì)量數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、鍛造過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、匯總，并通過(guò)Cpk計(jì)算及SPC控制圖趨勢(shì)分析方法，結(jié)合大數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備異常現(xiàn)象，進(jìn)行設(shè)備故障分析和預(yù)測(cè)，對(duì)鍛造生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性作出判定。

遠(yuǎn)程診斷與維護(hù)通過(guò)在車(chē)間內(nèi)設(shè)置工業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與控制終端的西門(mén)子交換機(jī)、數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)、無(wú)線AP的連接，然后MES系統(tǒng)服務(wù)器獨(dú)立使用特定網(wǎng)段，通過(guò)服務(wù)器匯聚交換機(jī)雙線路連接核心網(wǎng)絡(luò)，與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和集團(tuán)其他網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)互聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)端訪問(wèn)和診斷。

智能感知與檢測(cè)系統(tǒng)

智能化感知與在線檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)控，檢測(cè)結(jié)果不僅可直接輔助自動(dòng)化生產(chǎn)，保證自動(dòng)化生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)生產(chǎn)效率，同時(shí)也是鍛造生產(chǎn)的原始工藝數(shù)據(jù)資料，是MES系統(tǒng)和鍛造專(zhuān)家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)的重要知識(shí)來(lái)源。圖5所示是典型曲軸鍛造的工藝流程圖，在圖上標(biāo)示了智能鍛造系統(tǒng)所需的所有檢測(cè)。

根據(jù)圖5的檢測(cè)點(diǎn)安裝感知元器件，所有元器件的檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳給總控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鍛造生產(chǎn)的參數(shù)化，并最終通過(guò)MES系統(tǒng)和專(zhuān)家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)。

曲軸智能鍛造系統(tǒng)是完全新型的鍛造理念，該系統(tǒng)依托典型產(chǎn)品的鍛造生產(chǎn)線，采用智能化機(jī)器人作為物料傳遞和中轉(zhuǎn)媒介，運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的自動(dòng)化運(yùn)行，利用智能感知和檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)鍛造生產(chǎn)在線檢測(cè)和參數(shù)提取，并通過(guò)智能化鍛造網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架、MES和專(zhuān)家系統(tǒng)構(gòu)建一個(gè)可自動(dòng)運(yùn)行、故障診斷以及生產(chǎn)管理的鍛造生產(chǎn)過(guò)程。

結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)的鍛造行業(yè)從量上來(lái)說(shuō)已經(jīng)非常龐大，穩(wěn)居世界首位，但是從質(zhì)的角度來(lái)分析，還有許多需要提升的地方，智能鍛造概念的提出給國(guó)內(nèi)鍛造行業(yè)的發(fā)展指引了方向。智能鍛造的前提是自動(dòng)化和信息化，相應(yīng)還有設(shè)備水平、員工水平和管理水平的提升，可能對(duì)于企業(yè)還有不少問(wèn)題和困難，需要企業(yè)管理者堅(jiān)定信心，腳踏實(shí)地，一步一步往前走，經(jīng)過(guò)艱難險(xiǎn)阻攀登到頂峰的人才能看到最美的風(fēng)景。