面向智能制造的鍛造技術

文/蔣鵬，孫勇，曾琦·北京機電研究所有限公司

德國于2013年4月推出工業4.0，美國于2012年秋季提出工業互聯網概念，韓國也相應推出了制造業創新3.0，我國于2015年5月19日推出《中國制造2025》。上述各國推出的戰略都以智能制造為主導，其目的是：⑴推動信息化、網絡化、智能化技術在制造業的深入應用；⑵創新生產模式和產業鏈分工；⑶建立全新的個性化和數字化的生產與服務模式；⑷取得全球制造業的競爭優勢獲得長期服務回報。無論是德國工業4.0，還是《中國制造2025》，都清晰描繪出了智能制造的發展途徑：智能生產→智能產品→生產服務化→云工廠→跨界生產。

智能工廠與智能生產

德國人認為在工業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系統及過程以及網絡化分布式生產設施的實現；二是智能生產，主要涉及整個企業的生產物流管理、人機互動以及3D技術在工業生產過程中的應用等。智能工廠的架構如圖1所示。

所謂智能制造就是將人工智能融合進制造的各個環節，通過將專家的知識或經驗固化在系統或軟件中，完成制造過程。在制造過程中，滿足實現智能制造的要求，關鍵在于信息系統和自動化系統的集成，在此基礎上能夠根據制造環境的變化實現智能預測、智能調度、智能診斷和智能決策和優化。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化決策和優化控制起到重要的作用。

圖1 智能工廠架構

智能調度

高效的計劃與調度對提升制造業企業的生產效率、縮短生產周期、降低生產成本具有重要作用，企業的計劃與調度問題具有生產約束復雜、不確定因素多、多目標等難點。智能調度根據企業宏觀生產計劃和各項主要生產指標（如滿足客戶交貨期、降低生產成本、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，基于多工序協同仿真平臺，安排各生產任務在各工序上的加工順序及時間，形成各層次的生產作業計劃，并能針對企業生產現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）快速優化調整已生成的各級作業計劃，對實現企業生產過程自動化、智能化及確保生產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，實現設備故障診斷的智能化診斷方法。

智能決策和優化

目前制造業企業普遍面臨著市場需求、節能降耗、環保等多重壓力，而企業最終追求的目標就是提升產品的質量和產量，降低生產成本和消耗。從控制學的角度考慮，可將企業追求的目標分解為生產制造全流程的運行指標和過程運行控制指標。通過智能決策和優化來提升制造業企業的上述指標。

智能鍛造的概念

鍛造工藝數字化、信息化及網絡化

鍛件材料的物理性能參數與鍛造工藝參數，通過物理模擬和數值模擬，得到鍛件的尺寸、力學性能及微觀組織等信息，通過互聯網傳輸到鍛造設備或所需網站。

鍛造設備數字化、信息化及網絡化

數控鍛造設備本身已具有設備技術參數及性能指標功能，通過位移、速度、壓力及溫度等傳感器數據采集系統及處理系統，得到需要的鍛件質量相關信息，通過與上述信息比較，實現對鍛造設備的優化控制，進而得到優質鍛件。

智能制造

應當包括智能制造技術和智能制造系統，智能制造系統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、模具冷卻潤滑系統等。典型的曲軸鍛造生產線如圖2所示。

在自動化生產線的基礎上，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、生產過程參數和工藝結果參數定量化，為精益管理提供基礎參數。

在參數定量化基礎上建立生產級的制造管理系統，實現生產過程可追溯，并提供產品質量、生產能耗和設備OEE管理，是智能化鍛造的管理提升。

通過對生產數據提取、匯總和分析，結合大數據及現場設備異?，F象，應用故障樹和智能算法進行設備故障分析和預測，從而保障生產的穩定性，最終實現曲軸鍛造的智能化生產。

因此，曲軸鍛造智能系統的技術路徑為：建線→智能檢測→定量化→智能化。

圖2 典型的曲軸鍛造生產線

曲軸智能鍛造系統構架

前述曲軸智能鍛造系統的四個層級結構，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的總體架構如圖3所示。

作為層級結構基礎層的底層，所有鍛造生產線的主輔機設備均通過基于Profibus-DP現場總線網絡的總線技術進行集成，并且通過冗余、多樣的安全系統，加之以自我檢測和監控、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，實現對生產人員和設備的最高保護。

曲軸鍛造智能感知和檢測系統通過定制在生產線中的檢測元器件實現對曲軸鍛造生產的各項參數進行檢測，并將檢測結果發送到總線控制系統，以實現智能制造的參數化提取過程。

曲軸鍛造MES系統分為接入層、應用層、服務層、數據層和數據接口等，具備系統數據管理功能，依據《中國制造2025》和ISA-95標準，來自于底層總線系統的數據信息上傳給MES制造執行系統后，經執行系統的匯總、統計、分析、計算，最終實現對鍛造生產的質量、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過程的量化和可控，以及客戶對產品質量可追溯的要求。MES系統的功能如圖4所示。

圖3 曲軸智能鍛造系統架構

圖4 MES系統功能結構圖

圖5 典型曲軸鍛造工藝流程及智能檢測點分布圖

曲軸鍛造專家系統將鍛造生產過程中采集到的工藝質量數據、設備狀態數據、鍛造過程數據進行提取、匯總，并通過Cpk計算及SPC控制圖趨勢分析方法，結合大數據及現場設備異?，F象，進行設備故障分析和預測，對鍛造生產過程的穩定性作出判定。

遠程診斷與維護通過在車間內設置工業級網絡，實現與控制終端的西門子交換機、數據采集網關、無線AP的連接，然后MES系統服務器獨立使用特定網段，通過服務器匯聚交換機雙線路連接核心網絡，與數據采集系統和集團其他網絡系統互聯，從而實現對現場設備的遠端訪問和診斷。

智能感知與檢測系統

智能化感知與在線檢測系統通過對生產數據進行檢測和監控，檢測結果不僅可直接輔助自動化生產，保證自動化生產線的設計生產效率，同時也是鍛造生產的原始工藝數據資料，是MES系統和鍛造專家系統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所需的所有檢測。

根據圖5的檢測點安裝感知元器件，所有元器件的檢測數據實時上傳給總控系統，實現鍛造生產的參數化，并最終通過MES系統和專家系統實現智能化生產。

曲軸智能鍛造系統是完全新型的鍛造理念，該系統依托典型產品的鍛造生產線，采用智能化機器人作為物料傳遞和中轉媒介，運用現場總線控制技術實現生產線的自動化運行，利用智能感知和檢測技術實現鍛造生產在線檢測和參數提取，并通過智能化鍛造網絡構架、MES和專家系統構建一個可自動運行、故障診斷以及生產管理的鍛造生產過程。

結束語

我國的鍛造行業從量上來說已經非常龐大，穩居世界首位，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的發展指引了方向。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，可能對于企業還有不少問題和困難，需要企業管理者堅定信心，腳踏實地，一步一步往前走，經過艱難險阻攀登到頂峰的人才能看到最美的風景。