文/袁超，孫勇·北京機(jī)電研究所有限公司

隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，人們對(duì)車輛安全、環(huán)保、節(jié)能的要求日趨嚴(yán)格，鋁合金車輪以其安全、節(jié)能、輕量化、散熱性好、循環(huán)利用率高，降低能耗和生產(chǎn)成本，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力等特點(diǎn)，逐步取代了鋼制車輪。但是，鍛造鋁合金車輪存在加工工藝復(fù)雜、小批量多品種、生產(chǎn)不確定性強(qiáng)、生產(chǎn)效率和質(zhì)量穩(wěn)定性低、生產(chǎn)可追溯程度低等問(wèn)題。

總體技術(shù)路線

從智能制造的角度出發(fā)，結(jié)合鋁合金車輪本身的生產(chǎn)特點(diǎn)，我公司提出了構(gòu)建鍛造鋁合金車輪智能化車間的總體技術(shù)路線（圖1）。該技術(shù)路線包括以精密成形裝備、多關(guān)節(jié)機(jī)器人等核心智能裝備及控制系統(tǒng)等為核心的設(shè)備層；通過(guò)總線控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的互聯(lián)互通，通過(guò)多種通訊協(xié)議的融合連接各種智能傳感器、刻碼讀碼設(shè)備及車間現(xiàn)場(chǎng)工作站的控制層；實(shí)現(xiàn)車輪數(shù)字化生產(chǎn)車間各個(gè)工序、工藝區(qū)的無(wú)縫連接，操作者、自動(dòng)化設(shè)備、物料的互聯(lián)互通，完成制造過(guò)程質(zhì)量數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、能源數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)、操作行為的讀取和存儲(chǔ)的執(zhí)行層；為決策層提供決策數(shù)據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)PLM、MES、ERP高度集成的生產(chǎn)過(guò)程透明化管理的應(yīng)用層。

車間物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)

基于物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)每一單獨(dú)工件、每道加工工序的身份識(shí)別；基于工業(yè)協(xié)議轉(zhuǎn)換器聯(lián)接每一臺(tái)設(shè)備的控制器，實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備的互聯(lián)互通互操作；基于邊緣控制器實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺(jué)、溫度傳感、能源儀表等各種智能傳感和儀表的互聯(lián)及數(shù)據(jù)采集。有線網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋整個(gè)車間，連接設(shè)備、傳感器、智能儀表、現(xiàn)場(chǎng)看板、現(xiàn)場(chǎng)終端等幾百個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并與辦公網(wǎng)絡(luò)、中央機(jī)房、中控中心相聯(lián)，組成完整的數(shù)字化車間網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

圖1 總體技術(shù)路線

鍛造生產(chǎn)線建設(shè)

鍛造生產(chǎn)線由自動(dòng)高速鋸切機(jī)、12000t、16000t數(shù)控液壓機(jī)，智能溫控加熱保溫爐、上下料六軸搬運(yùn)機(jī)器人、沖孔擴(kuò)口機(jī)、鍛造尺寸在線視覺(jué)檢查系統(tǒng)、自動(dòng)線總成控制系統(tǒng)、信息傳感系統(tǒng)、噴霧潤(rùn)滑系統(tǒng)等組成。其中數(shù)控液壓機(jī)主機(jī)的鍛造溫度范圍為460～1100℃，滑塊位移控制測(cè)量和顯示精度達(dá)到0.01mm，閉環(huán)控制速度范圍為0.05～2.00mm/s（可隨意調(diào)整），能完成與機(jī)械手IO點(diǎn)對(duì)接，達(dá)到全自動(dòng)化生產(chǎn)功能。數(shù)控液壓機(jī)具有故障代碼輸出、壓力行程曲線輸出能力，并且自帶數(shù)據(jù)通信接口。每個(gè)鍛造區(qū)工作島配備兩部六軸搬運(yùn)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)預(yù)熱、壓扁、鍛造、沖中孔、擴(kuò)口、旋壓六個(gè)工序自動(dòng)化生產(chǎn)。

前置工序上料設(shè)備將鋸切后的鋁錠運(yùn)至稱重裝置，經(jīng)初篩稱重后合格鋁錠進(jìn)入加熱環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了鍛造→自動(dòng)噴霧→沖孔擴(kuò)口→在線檢測(cè)→旋壓的全流程自動(dòng)化生產(chǎn)；基于生產(chǎn)線物流的合理優(yōu)化縮短了鍛造在制品的流轉(zhuǎn)時(shí)間；基于工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了鍛造制造過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與可視化；通過(guò)熱態(tài)件激光刻碼讀碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)了單個(gè)鍛件全流程追溯；基于鍛件尺寸在線視覺(jué)檢查系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了熱態(tài)輪轂毛坯在線檢測(cè)，整體上實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化與信息化的深度融合。

熱態(tài)件激光刻碼讀碼全流程追溯技術(shù)

工件在生產(chǎn)制造過(guò)程中要經(jīng)過(guò)多道次的加工和較長(zhǎng)的流轉(zhuǎn)過(guò)程，因此對(duì)工件追溯介質(zhì)的研究是實(shí)現(xiàn)鋁合金輪轂全過(guò)程質(zhì)量追溯的重要環(huán)節(jié)。針對(duì)高溫鋁合金鍛件的在線標(biāo)識(shí)需求（420～480℃），我們采用100W大功率激光打標(biāo)頭，以從下向上標(biāo)刻的形式避免高溫氣場(chǎng)的熱輻射效應(yīng)，并加裝工業(yè)空調(diào)循環(huán)風(fēng)冷，實(shí)現(xiàn)了良好的打標(biāo)效果并延長(zhǎng)了光纖激光打標(biāo)機(jī)的使用壽命。

當(dāng)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品存在質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，首先進(jìn)行逆向追溯，通過(guò)掃描鋁車輪表面標(biāo)識(shí)二維碼，獲得產(chǎn)品的唯一二維碼（ID）如圖2所示，通過(guò)二維碼追溯數(shù)據(jù)庫(kù)中各個(gè)工序的工藝參數(shù)、設(shè)備參數(shù)和檢測(cè)數(shù)據(jù)，逐級(jí)的進(jìn)行質(zhì)量問(wèn)題分析，從而定位出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題的環(huán)節(jié)。然后通過(guò)正向的追蹤，對(duì)該環(huán)節(jié)同批次產(chǎn)品進(jìn)行追蹤，定位產(chǎn)品的流向，如毛坯線邊庫(kù)、物流輥道上的在制品、成品庫(kù)和已售出產(chǎn)品的整車廠商等。

圖2 鍛坯二維碼

在線三維視覺(jué)測(cè)量

視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)（圖3）工作在鍛壓工位，在運(yùn)動(dòng)裝置、隔熱降溫裝置和工裝的輔助下，對(duì)鍛壓后仍處于熱態(tài)的輪轂毛坯進(jìn)行在線抽檢。檢測(cè)內(nèi)容為輪轂毛坯的關(guān)鍵尺寸、表面缺陷，并根據(jù)設(shè)定以數(shù)據(jù)或固定格式的檢測(cè)報(bào)告的形式輸出檢測(cè)結(jié)果，上傳到車間網(wǎng)絡(luò)。檢測(cè)結(jié)果供分析與評(píng)估工藝路線和工藝參數(shù)的執(zhí)行情況、設(shè)備的運(yùn)行情況，形成MES系統(tǒng)中產(chǎn)品質(zhì)量檔案的一部分，供質(zhì)量追溯模塊調(diào)用；并結(jié)合MES系統(tǒng)，根據(jù)由檢測(cè)獲得的工藝結(jié)果參數(shù)（包括表面缺陷）反推壓機(jī)工作狀態(tài)是否異常及模具磨損情況。

圖3 三維檢測(cè)設(shè)備自動(dòng)掃描

數(shù)據(jù)采集

為滿足數(shù)字化車間總體技術(shù)路線和規(guī)劃要求，生產(chǎn)制造執(zhí)行和可視化系統(tǒng)必須從傳感器、設(shè)備、儀表等待測(cè)單元中自動(dòng)采集數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)采集依賴標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議、專用的接口訪問(wèn)方式，通過(guò)完整的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)從底層采集到頂層數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)分析，同時(shí)將采集的底層數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。鍛造生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集對(duì)象主要包括兩種類型數(shù)據(jù)：

⑴電能數(shù)據(jù)。生產(chǎn)車間安裝16臺(tái)智能電表用于采集4條鍛造線包括預(yù)熱爐、液壓機(jī)、擴(kuò)孔機(jī)、機(jī)械臂等設(shè)備的電能消耗。電表支持MODBUS通信協(xié)議和RTU傳送方式，支持RS485接口串行通信。

⑵生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)。鍛造生產(chǎn)過(guò)程中衍生出大量過(guò)程數(shù)據(jù)，包括鍛造產(chǎn)量信息、鍛造質(zhì)量信息、鍛造設(shè)備狀態(tài)信息、激光打碼等數(shù)據(jù)信息。各種數(shù)據(jù)信息經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)PLC處理匯總，定制開(kāi)發(fā)支持訪問(wèn)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的采集軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取，如所示。

圖4 數(shù)據(jù)庫(kù)查詢鍛造線產(chǎn)量

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的通訊方式為：

⑴MODBUS通訊協(xié)議。對(duì)于同一工序中不同設(shè)備的電表，通過(guò)屏蔽雙絞線T形網(wǎng)絡(luò)的連接方式，將該工序中的各電表節(jié)點(diǎn)進(jìn)行串行通信，將采集的數(shù)據(jù)匯總到分配的串口服務(wù)器中，將RS-485接口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TCP/IP端口的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的單向轉(zhuǎn)換，從而使得采集的電表參數(shù)可以進(jìn)行IP化的數(shù)據(jù)通訊，最后，將IP化的數(shù)據(jù)通過(guò)交換機(jī)傳送到專用采集軟件中進(jìn)行分析和展示。

⑵多種PLC轉(zhuǎn)換協(xié)議。根據(jù)采集數(shù)據(jù)種類和精度要求，每條生產(chǎn)線布置的傳感器和PLC的種類與數(shù)量也隨之增多，導(dǎo)致控制系統(tǒng)中包含多種廠商品牌的PLC。為了得到不同廠商PLC中的數(shù)據(jù)，引入?yún)f(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)如圖5、圖6所示。在專用采集軟件中，設(shè)置協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)中相關(guān)的PLC轉(zhuǎn)換協(xié)議，實(shí)現(xiàn)與生產(chǎn)車間控制系統(tǒng)中的PLC交互通訊，從而得到PLC實(shí)時(shí)采集到的傳感器數(shù)據(jù)和質(zhì)量過(guò)程數(shù)據(jù)。

圖5 多種轉(zhuǎn)換協(xié)議1

圖6 多種轉(zhuǎn)換協(xié)議2

功能實(shí)現(xiàn)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)管理軟件的集成，能夠幫助管理層實(shí)時(shí)掌控計(jì)劃、調(diào)度、質(zhì)量、設(shè)備運(yùn)行等信息情況，使各相關(guān)部門及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程全監(jiān)控、優(yōu)化生產(chǎn)調(diào)度、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品正反追蹤追溯，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)多品種生產(chǎn)管理和實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)透明化，從而降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)效率，完成精益化生產(chǎn)。ERP訂單執(zhí)行狀況和鍛造生產(chǎn)線工單執(zhí)行狀況如圖7、圖8所示。

圖7 ERP訂單執(zhí)行狀況

圖8 鍛造生產(chǎn)線工單執(zhí)行狀況

由鍛造生產(chǎn)線單機(jī)設(shè)備的操作時(shí)間、計(jì)劃工作時(shí)間，得到設(shè)備的時(shí)間開(kāi)動(dòng)率；由單件設(shè)備產(chǎn)生的廢品數(shù)、合格品數(shù)，得到設(shè)備的合格品率指數(shù)；由加工數(shù)量、實(shí)際加工周期、理論加工周期得到產(chǎn)品的性能開(kāi)動(dòng)率，從而獲取設(shè)備的OEE和鍛造生產(chǎn)線設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，如圖9、圖10所示。

能源系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集能夠統(tǒng)計(jì)出生產(chǎn)線能耗、班組能耗（圖11）、工廠月度耗能（圖12）、自動(dòng)生成實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線、預(yù)測(cè)曲線、實(shí)時(shí)報(bào)表、歷史報(bào)表、日/月報(bào)表等，為節(jié)能管理提供依據(jù)，為技術(shù)節(jié)能提供數(shù)據(jù)分析。

圖9 設(shè)備OEE

圖10 鍛造生產(chǎn)線設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)

圖11 鍛造生產(chǎn)線班組單耗

圖12 鍛造生產(chǎn)線月耗能分析

能源利用率的主要體現(xiàn)：

⑴生產(chǎn)效率的提升和產(chǎn)品不良率的下降，是能源利用率提升的綜合體現(xiàn)。

⑵系統(tǒng)實(shí)施后的物流輸送輥道，檢測(cè)到來(lái)料時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟，無(wú)料時(shí)自動(dòng)停止，通過(guò)自動(dòng)啟停的方式進(jìn)行能源的有效利用。

⑶加熱爐通過(guò)MES系統(tǒng)采集到的能耗輸出，根據(jù)下道工序的生產(chǎn)情況，可以自動(dòng)調(diào)節(jié)加熱功率，以達(dá)到能源最大利用的效果。

⑷加熱爐上帶有熱能回收系統(tǒng)，可將排出的尾氣以熱交換的方式把進(jìn)氣預(yù)熱至200℃，以此來(lái)提升能耗的利用率。

數(shù)據(jù)分析與優(yōu)化

鍛造生產(chǎn)過(guò)程是多變量共同影響的非穩(wěn)態(tài)的大型工業(yè)過(guò)程系統(tǒng)，因此無(wú)法完全依靠傳統(tǒng)方法建立精確的物理模型進(jìn)行管理監(jiān)控，但是設(shè)備又時(shí)刻產(chǎn)生大量反映過(guò)程運(yùn)行狀態(tài)及產(chǎn)品質(zhì)量的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)能夠間接地反映多變量非穩(wěn)態(tài)的鍛造生產(chǎn)環(huán)境的波動(dòng)，包括材料性能和尺寸波動(dòng)、模具型腔波動(dòng)、機(jī)械設(shè)備狀況波動(dòng)、鍛件溫度波動(dòng)、模具溫度波動(dòng)、模具潤(rùn)滑狀況波動(dòng)等。我公司根據(jù)鋁合金車輪對(duì)生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定性和生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化的需求，基于數(shù)字化車間系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集能力，開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了在線故障診斷與分析系統(tǒng)。

在線故障診斷與分析系統(tǒng)采集鍛造生產(chǎn)過(guò)程中的工藝質(zhì)量參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)參數(shù)、成形過(guò)程參數(shù)，通過(guò)Cpk計(jì)算及SPC控制圖（圖13）趨勢(shì)分析，對(duì)鍛造生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性作出判定，即生產(chǎn)過(guò)程正常，有穩(wěn)定裕度，或已經(jīng)失穩(wěn)而需要優(yōu)化提高。系統(tǒng)基于規(guī)則或者啟發(fā)式模型的質(zhì)量控制圖，并通過(guò)配置和運(yùn)用規(guī)則集合來(lái)提供專家判定和優(yōu)化建議。

圖13 控制圖模式

以壓力機(jī)終鍛打擊力為例，當(dāng)SPC控制圖處于上升趨勢(shì)模式時(shí)，專家系統(tǒng)將作出原因判定，針對(duì)模具冷卻潤(rùn)滑不良，系統(tǒng)將提出檢查并調(diào)整冷卻潤(rùn)滑裝置的建議，壓力機(jī)終鍛打擊力趨勢(shì)判斷如圖14所示。

圖14 壓力機(jī)終鍛打擊力趨勢(shì)判斷

結(jié)束語(yǔ)

本文所展示的基于鋁合金車輪的智能化鍛造系統(tǒng)是完全新型的鍛造生產(chǎn)理念和生產(chǎn)模式，基于全流程物流輥道線的自動(dòng)化系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)、激光刻碼、視覺(jué)讀碼的單件全流程追溯技術(shù)和在線三維視覺(jué)測(cè)量技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)可自動(dòng)運(yùn)行、生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)展示、故障診斷、單鍛件全流程質(zhì)量追溯的鍛造生產(chǎn)過(guò)程，這對(duì)我國(guó)鍛造產(chǎn)業(yè)從自動(dòng)化向數(shù)字化、智能化的轉(zhuǎn)型升級(jí)起著積極的推進(jìn)和示范作用。