面向智能制造的鍛造技術

德國于2013 年4 月推出工業(yè)4.0，美國于2012年秋季提出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)概念，韓國也相應推出了制造業(yè)創(chuàng)新3.0，我國于2015 年5月19 日推出《中國制造2025》。上述各國推出的戰(zhàn)略都以智能制造為主導，其目的是：⑴推動信息化、網(wǎng)絡化、智能化技術在制造業(yè)的深入應用；⑵創(chuàng)新生產(chǎn)模式和產(chǎn)業(yè)鏈分工；⑶建立全新的個性化和數(shù)字化的生產(chǎn)與服務模式；⑷取得全球制造業(yè)的競爭優(yōu)勢獲得長期服務回報。無論是德國工業(yè)4.0，還是《中國制造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)服務化→云工廠→跨界生產(chǎn)。

智能工廠與智能生產(chǎn)

德國人認為在工業(yè)4.0 中，主要有兩個主題，一是智能工廠，重點研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過程以及網(wǎng)絡化分布式生產(chǎn)設施的實現(xiàn)；二是智能生產(chǎn)，主要涉及整個企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機互動以及3D 技術在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應用等。智能工廠的架構如圖1所示。

圖1 智能工廠架構

所謂智能制造就是將人工智能融合進制造的各個環(huán)節(jié)，通過將專家的知識或經(jīng)驗固化在系統(tǒng)或軟件中，完成制造過程。在制造過程中，滿足實現(xiàn)智能制造的要求，關鍵在于信息系統(tǒng)和自動化系統(tǒng)的集成，在此基礎上能夠根據(jù)制造環(huán)境的變化實現(xiàn)智能預測、智能調度、智能診斷和智能決策和優(yōu)化。也就是說，將人工智能技術深度應用在制造工廠。

智能預測

在制造過程中，從控制角度來看，存在許多具有不確定性、非線性以及非精確性或多變量、強耦合、機理繁雜的控制對象。如果能采用智能集成建模的方法對其結果進行精確的智能預測，就可以對制造過程的優(yōu)化決策和優(yōu)化控制起到重要的作用。

智能調度

高效的計劃與調度對提升制造業(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)的計劃與調度問題具有生產(chǎn)約束復雜、不確定因素多、多目標等難點。智能調度根據(jù)企業(yè)宏觀生產(chǎn)計劃和各項主要生產(chǎn)指標（如滿足客戶交貨期、降低生產(chǎn)成本、提高熔鑄爐利用率等），在滿足各類工藝約束、資源約束及其他特定約束的基礎上，基于多工序協(xié)同仿真平臺，安排各生產(chǎn)任務在各工序上的加工順序及時間，形成各層次的生產(chǎn)作業(yè)計劃，并能針對企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的各類不確定事件（如設備故障、質量事故、訂單撤銷、插入或更改、工藝變動等）快速優(yōu)化調整已生成的各級作業(yè)計劃，對實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)過程自動化、智能化及確保生產(chǎn)過程的高效運行具有重要作用。

智能診斷

智能故障診斷技術是一種在知識層次上，以知識處理技術為基礎，通過概念和處理方式知識化，實現(xiàn)設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)最終追求的目標就是提升產(chǎn)品的質量和產(chǎn)量，降低生產(chǎn)成本和消耗。從控制學的角度考慮，可將企業(yè)追求的目標分解為生產(chǎn)制造全流程的運行指標和過程運行控制指標。通過智能決策和優(yōu)化來提升制造業(yè)企業(yè)的上述指標。

智能鍛造的概念

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

鍛造設備數(shù)字化、信息化及網(wǎng)絡化

數(shù)控鍛造設備本身已具有設備技術參數(shù)及性能指標功能，通過位移、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)，得到需要的鍛件質量相關信息，通過與上述信息比較，實現(xiàn)對鍛造設備的優(yōu)化控制，進而得到優(yōu)質鍛件。

智能制造

應當包括智能制造技術和智能制造系統(tǒng)，智能制造系統(tǒng)不僅能夠在實踐中不斷地充實知識庫，具有自學習功能，還有搜集和理解環(huán)境信息與自身的信息，并進行分析判斷和自身行為的能力。

曲軸智能鍛造系統(tǒng)的層級結構

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

圖2 典型的曲軸鍛造生產(chǎn)線

在自動化生產(chǎn)線的基礎上，通過分析曲軸的鍛造工藝流程、設備特點、物流要求，設計適合曲軸鍛造的智能化感知和檢測技術，并在工藝流程關鍵點建立在線檢測是實現(xiàn)智能化鍛造的前提，通過智能化感知和檢測，將曲軸鍛造的工藝參數(shù)、生產(chǎn)過程參數(shù)和工藝結果參數(shù)定量化，為精益管理提供基礎參數(shù)。

在參數(shù)定量化基礎上建立生產(chǎn)級的制造管理系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程可追溯，并提供產(chǎn)品質量、生產(chǎn)能耗和設備OEE 管理，是智能化鍛造的管理提升。通過對生產(chǎn)數(shù)據(jù)提取、匯總和分析，結合大數(shù)據(jù)及現(xiàn)場設備異?，F(xiàn)象，應用故障樹和智能算法進行設備故障分析和預測，從而保障生產(chǎn)的穩(wěn)定性，最終實現(xiàn)曲軸鍛造的智能化生產(chǎn)。

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

曲軸智能鍛造系統(tǒng)構架

前述曲軸智能鍛造系統(tǒng)的四個層級結構，其中每一個層級都包含子建設模塊，層級和子建設模塊的組合構成了曲軸鍛造智能系統(tǒng)的總體架構如圖3 所示。

圖3 曲軸智能鍛造系統(tǒng)架構

作為層級結構基礎層的底層，所有鍛造生產(chǎn)線的主輔機設備均通過基于Profibus-DP 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡的總線技術進行集成，并且通過冗余、多樣的安全系統(tǒng)，加之以自我檢測和監(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，并且可以及時的將故障檢測出來，實現(xiàn)對生產(chǎn)人員和設備的最高保護。

曲軸鍛造智能感知和檢測系統(tǒng)通過定制在生產(chǎn)線中的檢測元器件實現(xiàn)對曲軸鍛造生產(chǎn)的各項參數(shù)進行檢測，并將檢測結果發(fā)送到總線控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)智能制造的參數(shù)化提取過程。

曲軸鍛造MES 系統(tǒng)分為接入層、應用層、服務層、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)《中國制造2025》和ISA-95 標準，來自于底層總線系統(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、分析、計算，最終實現(xiàn)對鍛造生產(chǎn)的質量、能源和設備使用效率的管理，從而滿足廠家對整個鍛造生產(chǎn)過程的量化和可控，以及客戶對產(chǎn)品質量可追溯的要求。MES 系統(tǒng)的功能如圖4所示。

圖4 MES 系統(tǒng)功能結構圖

曲軸鍛造專家系統(tǒng)將鍛造生產(chǎn)過程中采集到的工藝質量數(shù)據(jù)、設備狀態(tài)數(shù)據(jù)、鍛造過程數(shù)據(jù)進行提取、匯總，并通過Cpk 計算及SPC 控制圖趨勢分析方法，結合大數(shù)據(jù)及現(xiàn)場設備異?，F(xiàn)象，進行設備故障分析和預測，對鍛造生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性作出判定。

遠程診斷與維護通過在車間內設置工業(yè)級網(wǎng)絡，實現(xiàn)與控制終端的西門子交換機、數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關、無線AP 的連接，然后MES 系統(tǒng)服務器獨立使用特定網(wǎng)段，通過服務器匯聚交換機雙線路連接核心網(wǎng)絡，與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和集團其他網(wǎng)絡系統(tǒng)互聯(lián)，從而實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的遠端訪問和診斷。

智能感知與檢測系統(tǒng)

智能化感知與在線檢測系統(tǒng)通過對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行檢測和監(jiān)控，檢測結果不僅可直接輔助自動化生產(chǎn)，保證自動化生產(chǎn)線的設計生產(chǎn)效率，同時也是鍛造生產(chǎn)的原始工藝數(shù)據(jù)資料，是MES 系統(tǒng)和鍛造專家系統(tǒng)知識庫的重要知識來源。圖5 所示是典型曲軸鍛造的工藝流程圖，在圖上標示了智能鍛造系統(tǒng)所需的所有檢測。

根據(jù)圖5 的檢測點安裝感知元器件，所有元器件的檢測數(shù)據(jù)實時上傳給總控系統(tǒng)，實現(xiàn)鍛造生產(chǎn)的參數(shù)化，并最終通過MES 系統(tǒng)和專家系統(tǒng)實現(xiàn)智能化生產(chǎn)。

圖5 典型曲軸鍛造工藝流程及智能檢測點分布圖

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，采用智能化機器人作為物料傳遞和中轉媒介，運用現(xiàn)場總線控制技術實現(xiàn)生產(chǎn)線的自動化運行，利用智能感知和檢測技術實現(xiàn)鍛造生產(chǎn)在線檢測和參數(shù)提取，并通過智能化鍛造網(wǎng)絡構架、MES 和專家系統(tǒng)構建一個可自動運行、故障診斷以及生產(chǎn)管理的鍛造生產(chǎn)過程。

結束語

我國的鍛造行業(yè)從量上來說已經(jīng)非常龐大，穩(wěn)居世界首位，但是從質的角度來分析，還有許多需要提升的地方，智能鍛造概念的提出給國內鍛造行業(yè)的發(fā)展指引了方向。智能鍛造的前提是自動化和信息化，相應還有設備水平、員工水平和管理水平的提升，可能對于企業(yè)還有不少問題和困難，需要企業(yè)管理者堅定信心，腳踏實地，一步一步往前走，經(jīng)過艱難險阻攀登到頂峰的人才能看到最美的風景。

——本文摘自《鍛造與沖壓》2018年第19期