民用航空鍛壓數字化車間集成中的關鍵技術分析

史建勛

（中國航空規劃設計研究總院有限公司，北京 100120）

雖然我國民用航空鍛壓行業呈現出迅猛發展的態勢，但相對汽車等傳統行業相比，依然存在明顯的差距，如數字化程度有待提升，各環節間存在明顯的“信息孤島”問題等，導致民用航空設備的加工與制造質量較差、效率較低，在一定程度上影響了整個民用航空行業的發展。所以，現代民用航空鍛壓生產過程中，應加強對數字化技術的重視程度，并開發出性能良好的航空鍛壓數字化車間集成系統。基于此，本文以“民用航空鍛壓數字化車間集成中的關鍵技術分析”為題進行了研究，以推動我國民用航空鍛壓行業升級轉型。

1 民用航空鍛壓數字化車間集成中的關鍵技術

1.1 自上而下的制造信息協同技術

民用航空鍛壓數字化車間設計與構建時，要采用自上而下的制造信息協同技術，并以此為基礎，構建出想用的制造過程信息采集（MES）系統。對該系統進行應用時，一方面，與供應商端相連，以促進與供應商間的交流與溝通，以此為航空設備的加工與制作提供充足材料；另一方面，能夠與設計數據集成到一起，進而從設計環節開始，一直到整個航空設備制作完成，全方位的進行協同控制，與此同時，打造資源保障平臺，構建智能物流系統，并與MES 系統集成到一起，共同對整個航空設備生產流程予以管控，以此全面采集航空設備生產流程中的各方面數據。在MES 系統與資源保障平臺、構建智能物流系統之間，構建出相應的連接紐帶，通過該紐帶對各系統間的信息進行傳輸，從為各系統快速、穩定的運行提供信息支持，使整個數字化車間在民用航空設備鍛壓制造中發揮出最大的作用。

1.2 智能化控制技術

數字化車間的實現，需要采用多種智能化控制技術，主要包括下述幾個方面：（1）零點定位技術。通過該技術的應用，能夠準確確定材料與零件的具體位置，使得夾具快速、準確的對材料或零件進行夾裝，以此為后續其他生產工作的開展打下良好的基礎。（2）在線監測技術。通過該技術的應用，不僅能夠對零件初始位置精度予以檢測，判斷零件是否處于規定位置上，有利于提升零件加工制造的精確度；同時，還可對整個制造過程實時檢測，針對實時檢測結果，結合航空設備鍛壓制造需求，自動對零件鍛壓參數予以調節，以確保制造出來的零件符合規定要求。（3）智能編程技術。不論是零點定位技術還是在線監測技術的實現，均需要利用智能編程技術，即根據鍛壓操制造各環節運行的需求，自動編寫或修改控制程序與代碼，通過程序代碼的控制，使整個數字化車間安全、穩定的運行。（4）三維仿真技術。通過對整個鍛壓制造過程數據信息的采集，自動繪制出相應的三維模型，以將整個制造過程清晰展示出來，工作人員通過對三維模型的觀察與分析，可準確判斷出航空設備加工制造精確度等是否符合要求，以此為提升航空設備的制造質量提供支持。

1.3 全面監控技術

數字化車間的全面監控技術主要包括：（1）刀具特征檢測與識別技術。以刀具磨損原理為依據，構建出刀具壽命預測模型，并以此為基礎，打造刀具監控平臺，實時對刀具狀態進行監控，預測刀具的使用年限，在確保整個鍛壓制造順利進行的同時，提高刀具的使用效率，有利于控制鍛壓制造工作的成本。同時，還可及時發現將要出現斷裂、破壞等缺陷，防止鍛壓制造時由于刀具斷裂而對模具及現場操作人員的生命健康造成威脅。（2）精度快速評測技術。民用航空設備是一種高精度設備，因而對各構件的精度具有較高的要求，為了達到這一要求，則需要采用精度快速評測技術，通過該技術的應用，在構件鍛造加工制造之前，對工件精度予以預測，從而為構件的鍛壓制造提供指導，避免構件質量不符合要求，同時，還有利于整個鍛壓車床的保養。（3）遠程監控與故障預警技術。通過對數控設備運行狀態數據的檢測與采集，并與故障預測模型、設備維護專家知識庫的對比，從而判斷數控設備是否出現故障，以此及時、有效地發現數控設備，防止重大故障對整個數控設備的運行造成干擾。

1.4 綜合物流技術

（1）柔性生產線技術。在數字化車間中，構建出多條柔性生產線，各生產線運行時，可根據實際需求隨意進行調節，以符合不用形狀、規格構件的批量生產需求。同時，在各生產線之間，還可相互進行補充，可進行個性化產品的鍛壓制造。在每條生產線上，均配置單獨的運輸、存儲模塊，以此為各條生產線正常運行提供支持。此外，在生產線上，還設置1 個以上的物料與刀具進出口，在智能化控制系統的操控下，使物料與刀具順暢進入到鍛造車床上。（2）立體庫技術，在數控物料車間適當位置處，構建出立體庫，根據整個生產工作的需求，自動將材料存儲或取出，并以AGV 小車為工具，將物料運輸到鍛造車床上，以此為零件的鍛造加工提供物料支持。（3）RFID 射頻識別技術，主要用于構建車間內部的物流系統，通過該技術的應用，可自動對物料名稱、性質等信息予以識別，并與鍛造加工需求物料信息予以對比，以此判斷物料是否符合鍛造生產需求，以保證整個鍛壓制造生產工作順利進行。

2 民用航空鍛壓數字化車間系統

2.1 系統框架

以上述技術為依托，可開發出民用航空鍛壓數字化車間。整個數字化車間共由3 個層次構成，由上至下依次為：（1）管理層。主要對整個車間及其他相配套工作的管理。管理層中，包含3 大模塊，一是企業資源計劃（ERP）模塊，用于對鍛壓生產需求的分析，接受鍛壓生產計劃，將生產計劃下發給具體生產線等；二是產品全生命周期管理（PLM），最后為客戶關系的管理（CRM）。（2）執行層。主要包含兩部分，一個是制造執行系統（MES），用于生產車間內部計劃調度、鍛壓制造工藝執行、生產過程的監控、相關設備及現場的管理等，通過總線與以太網等形式，與ERP 系統連接到一起；另一個是數控系統，包括PLC 模塊、DCS 模塊、SCADA 模塊與輔助設備模塊，用于對整個鍛壓制造工藝進行數字化控制。（3）基礎層。主要用于完成民用航空設備構建的鍛壓制造，包括自動投料、工業機器人、智能模具、智能鍛壓、智能傳輸、智能監測等諸多功能模塊。

2.2 鍛造工序

航空設備鍛壓制造時，現場共包含1 臺125MN 鍛造液壓機、2 臺智能機器人，其中，1 臺用于物料的裝載，1 臺用于物料的卸載，在3 臺設備共同作用下，快速、有序地完成航空設備鍛造生產工作。鍛壓生產工藝流程為：根據鍛壓制造生產需求，向裝載機器人發布上料指令，由機器人從存儲區域將坯料去除，并放到鍛壓液壓機上，液壓機自動對坯料位置予以調節，使坯料處于精確的位置處。之后，將液壓機啟動，在液壓缸的控制下，上模逐漸向下移動，從而對坯料壓制，待坯料成型后，緩慢將上模提起，由機器人將壓制成型的產品取出，并移動至輸送輥設備上，以此將鍛壓成型的產品運輸到后續加工制造環節。

3 數據字典與生產全流程數據完整性

數字化車間運行時，通過語義化描述的方式，對各種設備的操作、調試、運維等進行控制，以確保整個車間安全、穩定運行。而要想達到這一目的，則需要根據車間內所有設備、工具的具體情況，構建設備靜態屬性集合，并提出表征現場設裝備運行狀態的數據集合工藝裝備的屬性集。同時，還要根據各種設備生產廠家、規格型號等信息，一一予以解析集成，使得整個控制操作非常煩瑣，不僅降低了民用航空設備的生產效率，而且還會提升生產成本，不利于民用航空設備的加工與制造。針對這一情況，本研究提出了一個統一的語義化描述方法，并建立了相應的數據字典，以此促進各系統、相關部門間的交流，從而提升整個鍛壓制造的質量與效率。具體來說，數字字典主要內容包括：（1）與鍛壓制造生產工作相關的所有數據信息，如鍛壓設備的運行狀態，整個制造流程產生的信息，物料及產品參數有關信息，產品質量檢查有關的信息，鍛壓制造計劃執行或變更相關的信息等。（2）對相關數據進行描述的信息，如數據的名稱、予以、結構與類型等。

利用數據字典的構建，加強了對數字化車間內部數據的管理，一方面，可促進信息數據在航空設備鍛壓制造各環節工作中的傳輸，提升數據信息的利用價值，以此為航空設備的鍛壓制造提供支持。另一方面，當鍛壓制造生產出現問題后，還可通過對這些數據信息的查詢，快速尋找出引發該問題的原因，從而快速對問題進行處理。以鍛造液壓機為例，主要數據集如表1 所示。

表1 鍛造液壓機主要數據集

4 產品質量和可追溯性

民用航空設備鍛壓制造時，需要對制造質量具有高度重視，以確保民用航空設備后續安全使用。為此，在民用航空鍛壓數字化車間中，還要利用現代先進的技術手段，構建出產品質量監控系統，用于對產品鍛壓加工質量的控制，具體流程如圖1 所示。

圖1 產品質量監控流程圖

以自由鍛造系統產品質量監控為例，需要與操作機配合進行，并通過聯動系統的控制，完成整個產品質鍛壓制造工作。在聯動控制模式下，鍛壓機與操作機同時運行。根據產品加工制造要求，在兩設備上，分別設置相應的參數，用于控制兩設備的運行。確保參數符合要求后，將兩設備啟動，即可達到聯動運行的目的。聯動工作中，鍛壓機為主要設備，操作機對其進行輔助。工作人員可根據產品生產情況，隨時對設備參數進行調節，或控制設備展廳運行。整個鍛壓操作系統內，程序鍛造子系統是其中重要的組成部分，直接關系到民用航空設備鍛壓制造的質量與效果。該子系統主要功能如下。

（1）數據記錄。鍛造機運行時，可自動對設備相關數據信息進行采集，包括單次的下壓量，上模的翻轉角度等，同時還對坯料相關信息予以采集，如坯料的下壓量、形狀等，為產品鍛壓質量控制提供數據支持。（2）鍛造監控。實時對整個鍛造過程予以監控，并利用監控而得的數據信息，繪制出相應的變化曲線，通過該曲線的分析，即可了解整個鍛造過程是否符合要求，有利于工作人員技術、準確地對鍛造機進行調整。（3）鍛造程序庫。主要存儲各種常規構件的鍛造方法，在實際操作過程中，工作人員根據常規構件的形狀、尺寸等信息，直接提取相應的鍛造方法，以快速進行構件的鍛壓制造。同時，工作人員還可向程序庫內添加新構件的鍛造程序，或是對原有鍛造程序進行刪減與修改等。

5 結語

綜上所述，現代民用航空鍛壓數字化車間建設時，應加強對零點定位、在線監測、智能編程、三維仿真、精度快速評測、遠程監控與故障預警等先進技術的重視程度，并以此為基礎，構建出性能良好，且功能健全的民用航空鍛壓數字化車間的系統，以此為整個鍛壓制造工作的進行奠定良好的基礎。