文／龔俊雯，陳清玲·桂林福達(dá)重工鍛造有限公司

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，得到了世界各國政府、企業(yè)的高度重視與大力發(fā)展。進入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)?！爸袊圃?025”從國家層面確定了我國建設(shè)制造強國的總體戰(zhàn)略，在戰(zhàn)略計劃中明確指出，要以加快新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合為主線，以推進智能制造為主攻方向，實現(xiàn)制造業(yè)由大變強的歷史跨越。智能化將進一步提高制造系統(tǒng)的柔性化和自動化水平，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。

智能化鍛造系統(tǒng)

響應(yīng)行業(yè)發(fā)展潮流，一批國內(nèi)有實力、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，對智能鍛造工廠中的智能系統(tǒng)應(yīng)用情況進行初步介紹。

智能化鍛造車間的智能系統(tǒng)由四個層級組成，分別包括自動化、無人化曲軸鍛造生產(chǎn)線，智能化感知與在線檢測設(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)，層級結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鍛造車間的智能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

自動化、無人化曲軸鍛造生產(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，整個智能化鍛造生產(chǎn)線的物料傳送均由多關(guān)節(jié)工業(yè)機器人實現(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上下料、工件姿態(tài)視覺識別、均衡化柔性生產(chǎn)，并可在線進行典型曲軸產(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)實現(xiàn)鍛造生產(chǎn)的管理監(jiān)控，包括產(chǎn)能統(tǒng)計、物流管理、成本統(tǒng)計、生產(chǎn)進度、生產(chǎn)質(zhì)量等。

鍛造生產(chǎn)智能化感知與在線檢測設(shè)備

鍛造生產(chǎn)智能化感知與在線檢測設(shè)備包括工件位置及姿態(tài)識別的智能視覺識別系統(tǒng)，關(guān)鍵設(shè)備打擊力、軋制力、輸出能量實時測量的檢測裝置以及鍛件溫度、模具溫度實時測量的檢測裝置。在成形過程中，智能視覺識別系統(tǒng)對鍛件所處位置進行實時檢測、反饋，并將統(tǒng)計存儲數(shù)據(jù)通過MES 系統(tǒng)實時上傳到工藝設(shè)計部門，作為修改工藝和模具設(shè)計的依據(jù)。鍛件終鍛后溫度變化對鍛后熱處理有著重要的影響，終鍛結(jié)束實時檢測鍛件溫度，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)已實現(xiàn)四部分功能：⑴聯(lián)接生產(chǎn)線各單機設(shè)備、現(xiàn)場感知元件與執(zhí)行系統(tǒng)，并將采集到的信號分析重組、通過中繼PLC 進行智能決策后，對生產(chǎn)線各設(shè)備進行協(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)線運行信息可視化的直觀輸出，加強企業(yè)對生產(chǎn)狀態(tài)的了解，便于生產(chǎn)計劃的實施及成本的控制。另外，鍛造生產(chǎn)線的鍛件高溫、機器人高速、壓力機重載荷等特性，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)，可實現(xiàn)對現(xiàn)場設(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)備或在線測量設(shè)備獲取的結(jié)果超過警戒值，專家決策系統(tǒng)自動將發(fā)現(xiàn)的問題及建議處置方案告知用戶。專家決策系統(tǒng)實時采集各種現(xiàn)場檢測和控制數(shù)據(jù)信息，在出現(xiàn)問題時，能夠迅速通過自身的推理模式及知識庫數(shù)據(jù)給出處置意見。根據(jù)這些處置意見，現(xiàn)場工程師與系統(tǒng)人機交互、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

智能工廠以數(shù)字化、自動化為前提，在產(chǎn)品的整個生命周期采用PLM 系統(tǒng)進行管理，這與以往以人工經(jīng)驗為主的開發(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)驗設(shè)計往往需要較長的驗證周期。常見的四缸乘用車曲軸結(jié)構(gòu)如圖2所示。

產(chǎn)品設(shè)計階段

圖2 常見四缸乘用車曲軸結(jié)構(gòu)

在整個智能工廠系統(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)庫的經(jīng)驗積累，鍛造工廠在鍛件設(shè)計領(lǐng)域有比主機廠更深入的研究。在此基礎(chǔ)上，主機廠商與鍛件供應(yīng)商進行聯(lián)合設(shè)計的開發(fā)模式得到推廣、應(yīng)用。在滿足主機廠性能要求的前提下，聯(lián)合設(shè)計開發(fā)的鍛件產(chǎn)品在輕量化、機加工工藝合理性、鍛造工藝合理性等方面擁有顯著的優(yōu)勢。聯(lián)合設(shè)計開發(fā)使產(chǎn)品的整個供應(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。在整個社會價值體系里，既節(jié)約了社會資源的消耗，又為企業(yè)創(chuàng)造了更大的價值。

產(chǎn)品設(shè)計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)驗數(shù)據(jù)庫查詢→鍛件外形初步設(shè)計→鍛件動平衡校核→鍛件強度校核→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)驗的產(chǎn)品CAD、CAE設(shè)計開發(fā)，整個開發(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)庫調(diào)取數(shù)據(jù)，獲得符合鍛造實際現(xiàn)場工藝的CAD尺寸補償參數(shù)及各項CAE 分析的邊界條件，以此為基礎(chǔ)完成的產(chǎn)品設(shè)計，能很好的滿足產(chǎn)品的功能、性能要求，也能夠進一步縮小理論設(shè)計與實際生產(chǎn)結(jié)果的偏差，減少調(diào)試時間，縮短開發(fā)周期。

工藝設(shè)計階段

應(yīng)用專家系統(tǒng)、工藝數(shù)據(jù)庫、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)計并優(yōu)化出切實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)給原材料采購部門、生產(chǎn)計劃部門、設(shè)備管理部門等。原材料采購部門按項目節(jié)點完成原材料采購；生產(chǎn)計劃部門按MES 系統(tǒng)上呈現(xiàn)的各部門負(fù)荷，進行資源協(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3D 數(shù)據(jù)，應(yīng)用專家系統(tǒng)進行各設(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”、“三維到設(shè)備”的實踐應(yīng)用。

過程控制階段

MES 系統(tǒng)依托現(xiàn)場智能化感知與檢測設(shè)備形成的網(wǎng)絡(luò)，對現(xiàn)場生產(chǎn)線運行狀態(tài)、產(chǎn)品質(zhì)量狀態(tài)具有實時監(jiān)控能力。

“三維到工藝”、“三維到設(shè)備”的實現(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)點的工藝控制范圍及各個設(shè)備運行參數(shù)允許范圍的設(shè)定。

生產(chǎn)線開始運行后，在MES 系統(tǒng)的實時監(jiān)控下，不管是設(shè)備運行參數(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)在提供報警的同時聯(lián)動專家系統(tǒng)，迅速給相關(guān)人員提供處置建議，協(xié)助完成異常報警的快速處置。

貴妃醉酒

圖3 MES 系統(tǒng)過程記錄查詢界面

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)備運行狀態(tài)曲線等，能夠?qū)崿F(xiàn)自動記錄、自動輸出及智能判斷，給產(chǎn)品質(zhì)量的早期預(yù)防及設(shè)備的早期維護提供了切實可靠的依據(jù)。預(yù)防性措施的實施，進一步提升了生產(chǎn)過程穩(wěn)定性及產(chǎn)品的一致性。

實時過程監(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)實時監(jiān)控產(chǎn)品從原材料入庫到成品發(fā)運的整個過程，應(yīng)用二維碼為產(chǎn)品做好身份標(biāo)識后，通過掃描產(chǎn)品二維碼，實現(xiàn)產(chǎn)品的全狀態(tài)追溯?？勺匪莸男畔óa(chǎn)品的原材料信息、生產(chǎn)過程各個設(shè)備運行狀態(tài)、各工序工件質(zhì)量狀態(tài)、鍛件成品檢驗數(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，節(jié)約質(zhì)量成本。

通過大數(shù)據(jù)分析，能夠找出各個設(shè)備運行狀態(tài)與產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系，為產(chǎn)品的持續(xù)改進提供量化依據(jù)。MES 系統(tǒng)過程記錄查詢界面如圖3 所示。

結(jié)束語

鍛造行業(yè)現(xiàn)場較其他傳統(tǒng)機械行業(yè)，工作環(huán)境惡劣、工人勞動強度大，自動化、智能化生產(chǎn)線的推廣能夠顯著的改善這些問題。同時，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，通過智能系統(tǒng)的管控，產(chǎn)品風(fēng)險能夠得到明顯改善。

在近些年新建的鍛造生產(chǎn)線上，自動化、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)實施。即使已實施智能化系統(tǒng)的企業(yè)，仍處于非常初級的智能化階段。作為鍛造行業(yè)企業(yè)，要加快我國鍛造行業(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。