智能鍛造的意義
智能制造概念自20 世紀(jì)80 年代末被提出以來，得到了世界各國(guó)政府、企業(yè)的高度重視與大力發(fā)展。進(jìn)入21 世紀(jì)智能制造更是引領(lǐng)了新一輪制造業(yè)的革命，開始深入到各行各業(yè)。“中國(guó)制造2025”從國(guó)家層面確定了我國(guó)建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)的總體戰(zhàn)略，在戰(zhàn)略計(jì)劃中明確指出，要以加快新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合為主線，以推進(jìn)智能制造為主攻方向，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)由大變強(qiáng)的歷史跨越。智能化將進(jìn)一步提高制造系統(tǒng)的柔性化和自動(dòng)化水平，使生產(chǎn)系統(tǒng)具有更完善的判斷與適應(yīng)能力，也將會(huì)顯著減少制造過程的資源消耗，提升傳統(tǒng)制造業(yè)的水平。在制造業(yè)變革的引領(lǐng)下，鍛造行業(yè)發(fā)展智能化是必然的趨勢(shì)。
智能化鍛造系統(tǒng)
響應(yīng)行業(yè)發(fā)展潮流，一批國(guó)內(nèi)有實(shí)力、有前瞻性的鍛造企業(yè)，已在智能鍛造工廠的建設(shè)上披荊斬棘、勇于實(shí)踐，并取得了一定的成果。下面就以桂林福達(dá)重工鍛造有限公司為例，對(duì)智能鍛造工廠中的智能系統(tǒng)應(yīng)用情況進(jìn)行初步介紹。
智能化鍛造車間的智能系統(tǒng)由四個(gè)層級(jí)組成，分別包括自動(dòng)化、無(wú)人化曲軸鍛造生產(chǎn)線，智能化感知與在線檢測(cè)設(shè)備，數(shù)字化鍛造智能控制系統(tǒng)集成及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架和鍛造生產(chǎn)專家決策系統(tǒng)，層級(jí)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
自動(dòng)化、無(wú)人化曲軸鍛造生產(chǎn)線
根據(jù)鍛造生產(chǎn)過程中物料的傳輸過程和鍛造工藝特點(diǎn)，整個(gè)智能化鍛造生產(chǎn)線的物料傳送均由多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)，選配設(shè)備均配置了數(shù)字化系統(tǒng)和在線監(jiān)控裝置，關(guān)鍵智能部件包括自動(dòng)上下料、工件姿態(tài)視覺識(shí)別、均衡化柔性生產(chǎn)，并可在線進(jìn)行典型曲軸產(chǎn)品鍛造生產(chǎn)的故障診斷和智能處理。此外，還可通過MES 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鍛造生產(chǎn)的管理監(jiān)控，包括產(chǎn)能統(tǒng)計(jì)、物流管理、成本統(tǒng)計(jì)、生產(chǎn)進(jìn)度、生產(chǎn)質(zhì)量等。
鍛造生產(chǎn)智能化感知與在線檢測(cè)設(shè)備
鍛造生產(chǎn)智能化感知與在線檢測(cè)設(shè)備包括工件位置及姿態(tài)識(shí)別的智能視覺識(shí)別系統(tǒng)，關(guān)鍵設(shè)備打擊力、軋制力、輸出能量實(shí)時(shí)測(cè)量的檢測(cè)裝置以及鍛件溫度、模具溫度實(shí)時(shí)測(cè)量的檢測(cè)裝置。在成形過程中，智能視覺識(shí)別系統(tǒng)對(duì)鍛件所處位置進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、反饋，并將統(tǒng)計(jì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)通過MES 系統(tǒng)實(shí)時(shí)上傳到工藝設(shè)計(jì)部門，作為修改工藝和模具設(shè)計(jì)的依據(jù)。鍛件終鍛后溫度變化對(duì)鍛后熱處理有著重要的影響，終鍛結(jié)束實(shí)時(shí)檢測(cè)鍛件溫度，經(jīng)專家系統(tǒng)分析和處理，由總線控制系統(tǒng)支配執(zhí)行元件（機(jī)器人）將鍛件送到不同的鍛后熱處理工藝通道。
數(shù)字化鍛造智能控制系統(tǒng)集成及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架
數(shù)字化鍛造智能控制系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)四部分功能：⑴聯(lián)接生產(chǎn)線各單機(jī)設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)感知元件與執(zhí)行系統(tǒng)，并將采集到的信號(hào)分析重組、通過中繼PLC 進(jìn)行智能決策后，對(duì)生產(chǎn)線各設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)管理與監(jiān)控。⑵聯(lián)接車間全部生產(chǎn)設(shè)備，通過MES 系統(tǒng)將生產(chǎn)線運(yùn)行信息可視化的直觀輸出，加強(qiáng)企業(yè)對(duì)生產(chǎn)狀態(tài)的了解，便于生產(chǎn)計(jì)劃的實(shí)施及成本的控制。
另外，鍛造生產(chǎn)線的鍛件高溫、機(jī)器人高速、壓力機(jī)重載荷等特性，使得生產(chǎn)線控制系統(tǒng)必須集成安全功能，才能更好的保護(hù)人員和設(shè)備。⑶開辟安全數(shù)據(jù)專屬通道，提升控制系統(tǒng)的安全等級(jí)也是智能控制系統(tǒng)集成的重要組成部分。⑷建立能快速排查生產(chǎn)線故障的遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷、故障排除、遠(yuǎn)程協(xié)助等功能。
鍛造生產(chǎn)專家決策系統(tǒng)
在鍛造過程中，一旦MES系統(tǒng)智能感應(yīng)設(shè)備或在線測(cè)量設(shè)備獲取的結(jié)果超過警戒值，專家決策系統(tǒng)自動(dòng)將發(fā)現(xiàn)的問題及建議處置方案告知用戶。專家決策系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集各種現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和控制數(shù)據(jù)信息，在出現(xiàn)問題時(shí)，能夠迅速通過自身的推理模式及知識(shí)庫(kù)數(shù)據(jù)給出處置意見。根據(jù)這些處置意見，現(xiàn)場(chǎng)工程師與系統(tǒng)人機(jī)交互、各司其職，能夠迅速給出最終決策。
智能系統(tǒng)下的產(chǎn)品開發(fā)特點(diǎn)
智能工廠以數(shù)字化、自動(dòng)化為前提，在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期采用PLM 系統(tǒng)進(jìn)行管理，這與以往以人工經(jīng)驗(yàn)為主的開發(fā)模式存在一定差異。特別是曲軸鍛件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成形困難，靠人工經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)往往需要較長(zhǎng)的驗(yàn)證周期。常見的四缸乘用車曲軸結(jié)構(gòu)如圖2所示。
產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段
在整個(gè)智能工廠系統(tǒng)的輔助下，曲軸鍛造工廠已不再是傳統(tǒng)的來圖加工企業(yè)。通過數(shù)據(jù)庫(kù)的經(jīng)驗(yàn)積累，鍛造工廠在鍛件設(shè)計(jì)領(lǐng)域有比主機(jī)廠更深入的研究。在此基礎(chǔ)上，主機(jī)廠商與鍛件供應(yīng)商進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)的開發(fā)模式得到推廣、應(yīng)用。在滿足主機(jī)廠性能要求的前提下，聯(lián)合設(shè)計(jì)開發(fā)的鍛件產(chǎn)品在輕量化、機(jī)加工工藝合理性、鍛造工藝合理性等方面擁有顯著的優(yōu)勢(shì)。聯(lián)合設(shè)計(jì)開發(fā)使產(chǎn)品的整個(gè)供應(yīng)鏈資源得到整合，不僅保證了產(chǎn)品質(zhì)量，在成本和效率方面也有明顯提升。在整個(gè)社會(huì)價(jià)值體系里，既節(jié)約了社會(huì)資源的消耗，又為企業(yè)創(chuàng)造了更大的價(jià)值。
產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的基本流程包括：接收產(chǎn)品性能、功能指標(biāo)輸入→經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢→鍛件外形初步設(shè)計(jì)→鍛件動(dòng)平衡校核→鍛件強(qiáng)度校核→鍛件充型工藝校核→鍛件圖紙輸出。
區(qū)別于傳統(tǒng)靠人工經(jīng)驗(yàn)的產(chǎn)品CAD、CAE設(shè)計(jì)開發(fā)，整個(gè)開發(fā)過程以MES 系統(tǒng)記錄的海量數(shù)據(jù)做支撐，通過引入大數(shù)據(jù)分析方法，從MES 數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)取數(shù)據(jù)，獲得符合鍛造實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)工藝的CAD尺寸補(bǔ)償參數(shù)及各項(xiàng)CAE 分析的邊界條件，以此為基礎(chǔ)完成的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，能很好的滿足產(chǎn)品的功能、性能要求，也能夠進(jìn)一步縮小理論設(shè)計(jì)與實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果的偏差，減少調(diào)試時(shí)間，縮短開發(fā)周期。
工藝設(shè)計(jì)階段
應(yīng)用專家系統(tǒng)、工藝數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)值模擬等智能技術(shù)，根據(jù)鍛件材料成分、微觀組織和性能要求，設(shè)計(jì)并優(yōu)化出切實(shí)可行的鍛造工藝方案。
工藝開發(fā)階段，技術(shù)部門通過MES系統(tǒng)提交材料BOM 清單及產(chǎn)品開發(fā)流程后，系統(tǒng)直接將開發(fā)任務(wù)分發(fā)給原材料采購(gòu)部門、生產(chǎn)計(jì)劃部門、設(shè)備管理部門等。原材料采購(gòu)部門按項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)完成原材料采購(gòu)；生產(chǎn)計(jì)劃部門按MES 系統(tǒng)上呈現(xiàn)的各部門負(fù)荷，進(jìn)行資源協(xié)調(diào)、安排生產(chǎn)任務(wù)；設(shè)備管理部門則依據(jù)PLM 系統(tǒng)傳遞的設(shè)計(jì)3D 數(shù)據(jù)，應(yīng)用專家系統(tǒng)進(jìn)行各設(shè)備的程序開發(fā)。
依托智能系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)“三維到工藝”、“三維到現(xiàn)場(chǎng)”、“三維到設(shè)備”的實(shí)踐應(yīng)用。
過程控制階段
MES 系統(tǒng)依托現(xiàn)場(chǎng)智能化感知與檢測(cè)設(shè)備形成的網(wǎng)絡(luò)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)、產(chǎn)品質(zhì)量狀態(tài)具有實(shí)時(shí)監(jiān)控能力。
“三維到工藝”、“三維到設(shè)備”的實(shí)現(xiàn)，在產(chǎn)品工藝開發(fā)期間，MES 系統(tǒng)協(xié)調(diào)工藝部門、設(shè)備部門，完成系統(tǒng)上各工藝控制節(jié)點(diǎn)的工藝控制范圍及各個(gè)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)允許范圍的設(shè)定。
生產(chǎn)線開始運(yùn)行后，在MES 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控下，不管是設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、工件狀態(tài)（位置、姿態(tài)、溫度等）發(fā)生異常，還是監(jiān)控結(jié)果超出設(shè)定的警戒范圍，MES 系統(tǒng)在提供報(bào)警的同時(shí)聯(lián)動(dòng)專家系統(tǒng)，迅速給相關(guān)人員提供處置建議，協(xié)助完成異常報(bào)警的快速處置。
在MES系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)上，產(chǎn)品質(zhì)量CPK控制曲線、設(shè)備穩(wěn)定性CMK控制曲線及各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)曲線等，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)記錄、自動(dòng)輸出及智能判斷，給產(chǎn)品質(zhì)量的早期預(yù)防及設(shè)備的早期維護(hù)提供了切實(shí)可靠的依據(jù)。預(yù)防性措施的實(shí)施，進(jìn)一步提升了生產(chǎn)過程穩(wěn)定性及產(chǎn)品的一致性。
實(shí)時(shí)過程監(jiān)控及專家系統(tǒng)的介入，在質(zhì)量提升、效率提升、成本節(jié)約方面得到了更好的體現(xiàn)。
產(chǎn)品過程追溯
MES 系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控產(chǎn)品從原材料入庫(kù)到成品發(fā)運(yùn)的整個(gè)過程，應(yīng)用二維碼為產(chǎn)品做好身份標(biāo)識(shí)后，通過掃描產(chǎn)品二維碼，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的全狀態(tài)追溯。可追溯的信息包括產(chǎn)品的原材料信息、生產(chǎn)過程各個(gè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、各工序工件質(zhì)量狀態(tài)、鍛件成品檢驗(yàn)數(shù)據(jù)等，一旦數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，能夠清晰的區(qū)分出隔離范圍，有效控制質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約質(zhì)量成本。
通過大數(shù)據(jù)分析，能夠找出各個(gè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)與產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為產(chǎn)品的持續(xù)改進(jìn)提供量化依據(jù)。MES 系統(tǒng)過程記錄查詢界面如圖3 所示。
結(jié)束語(yǔ)
鍛造行業(yè)現(xiàn)場(chǎng)較其他傳統(tǒng)機(jī)械行業(yè)，工作環(huán)境惡劣、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，自動(dòng)化、智能化生產(chǎn)線的推廣能夠顯著的改善這些問題。同時(shí)，鍛造工序及配套的熱處理工序均為特殊制造過程，傳統(tǒng)工藝控制方法的過程穩(wěn)定性、產(chǎn)品一致性都存在較大的風(fēng)險(xiǎn)，通過智能系統(tǒng)的管控，產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)能夠得到明顯改善。
在近些年新建的鍛造生產(chǎn)線上，自動(dòng)化、數(shù)字化已得到了大量的推廣應(yīng)用，但智能化系統(tǒng)的建設(shè)還僅在少量企業(yè)實(shí)施。即使已實(shí)施智能化系統(tǒng)的企業(yè)，仍處于非常初級(jí)的智能化階段。作為鍛造行業(yè)企業(yè)，要加快我國(guó)鍛造行業(yè)智能化的發(fā)展，必須開展相關(guān)前沿技術(shù)研究，重視相關(guān)人才的培養(yǎng)，并加快相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定與完善。
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