民用航空鍛壓數(shù)字化車間集成中的關(guān)鍵技術(shù)分析

史建勛

（中國航空規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司，北京 100120）

雖然我國民用航空鍛壓行業(yè)呈現(xiàn)出迅猛發(fā)展的態(tài)勢，但相對汽車等傳統(tǒng)行業(yè)相比，依然存在明顯的差距，如數(shù)字化程度有待提升，各環(huán)節(jié)間存在明顯的“信息孤島”問題等，導(dǎo)致民用航空設(shè)備的加工與制造質(zhì)量較差、效率較低，在一定程度上影響了整個民用航空行業(yè)的發(fā)展。所以，現(xiàn)代民用航空鍛壓生產(chǎn)過程中，應(yīng)加強對數(shù)字化技術(shù)的重視程度，并開發(fā)出性能良好的航空鍛壓數(shù)字化車間集成系統(tǒng)。基于此，本文以“民用航空鍛壓數(shù)字化車間集成中的關(guān)鍵技術(shù)分析”為題進行了研究，以推動我國民用航空鍛壓行業(yè)升級轉(zhuǎn)型。

1 民用航空鍛壓數(shù)字化車間集成中的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 自上而下的制造信息協(xié)同技術(shù)

民用航空鍛壓數(shù)字化車間設(shè)計與構(gòu)建時，要采用自上而下的制造信息協(xié)同技術(shù)，并以此為基礎(chǔ)，構(gòu)建出想用的制造過程信息采集（MES）系統(tǒng)。對該系統(tǒng)進行應(yīng)用時，一方面，與供應(yīng)商端相連，以促進與供應(yīng)商間的交流與溝通，以此為航空設(shè)備的加工與制作提供充足材料；另一方面，能夠與設(shè)計數(shù)據(jù)集成到一起，進而從設(shè)計環(huán)節(jié)開始，一直到整個航空設(shè)備制作完成，全方位的進行協(xié)同控制，與此同時，打造資源保障平臺，構(gòu)建智能物流系統(tǒng)，并與MES 系統(tǒng)集成到一起，共同對整個航空設(shè)備生產(chǎn)流程予以管控，以此全面采集航空設(shè)備生產(chǎn)流程中的各方面數(shù)據(jù)。在MES 系統(tǒng)與資源保障平臺、構(gòu)建智能物流系統(tǒng)之間，構(gòu)建出相應(yīng)的連接紐帶，通過該紐帶對各系統(tǒng)間的信息進行傳輸，從為各系統(tǒng)快速、穩(wěn)定的運行提供信息支持，使整個數(shù)字化車間在民用航空設(shè)備鍛壓制造中發(fā)揮出最大的作用。

1.2 智能化控制技術(shù)

數(shù)字化車間的實現(xiàn)，需要采用多種智能化控制技術(shù)，主要包括下述幾個方面：（1）零點定位技術(shù)。通過該技術(shù)的應(yīng)用，能夠準確確定材料與零件的具體位置，使得夾具快速、準確的對材料或零件進行夾裝，以此為后續(xù)其他生產(chǎn)工作的開展打下良好的基礎(chǔ)。（2）在線監(jiān)測技術(shù)。通過該技術(shù)的應(yīng)用，不僅能夠?qū)α慵跏嘉恢镁扔枰詸z測，判斷零件是否處于規(guī)定位置上，有利于提升零件加工制造的精確度；同時，還可對整個制造過程實時檢測，針對實時檢測結(jié)果，結(jié)合航空設(shè)備鍛壓制造需求，自動對零件鍛壓參數(shù)予以調(diào)節(jié)，以確保制造出來的零件符合規(guī)定要求。（3）智能編程技術(shù)。不論是零點定位技術(shù)還是在線監(jiān)測技術(shù)的實現(xiàn)，均需要利用智能編程技術(shù)，即根據(jù)鍛壓操制造各環(huán)節(jié)運行的需求，自動編寫或修改控制程序與代碼，通過程序代碼的控制，使整個數(shù)字化車間安全、穩(wěn)定的運行。（4）三維仿真技術(shù)。通過對整個鍛壓制造過程數(shù)據(jù)信息的采集，自動繪制出相應(yīng)的三維模型，以將整個制造過程清晰展示出來，工作人員通過對三維模型的觀察與分析，可準確判斷出航空設(shè)備加工制造精確度等是否符合要求，以此為提升航空設(shè)備的制造質(zhì)量提供支持。

1.3 全面監(jiān)控技術(shù)

數(shù)字化車間的全面監(jiān)控技術(shù)主要包括：（1）刀具特征檢測與識別技術(shù)。以刀具磨損原理為依據(jù)，構(gòu)建出刀具壽命預(yù)測模型，并以此為基礎(chǔ)，打造刀具監(jiān)控平臺，實時對刀具狀態(tài)進行監(jiān)控，預(yù)測刀具的使用年限，在確保整個鍛壓制造順利進行的同時，提高刀具的使用效率，有利于控制鍛壓制造工作的成本。同時，還可及時發(fā)現(xiàn)將要出現(xiàn)斷裂、破壞等缺陷，防止鍛壓制造時由于刀具斷裂而對模具及現(xiàn)場操作人員的生命健康造成威脅。（2）精度快速評測技術(shù)。民用航空設(shè)備是一種高精度設(shè)備，因而對各構(gòu)件的精度具有較高的要求，為了達到這一要求，則需要采用精度快速評測技術(shù)，通過該技術(shù)的應(yīng)用，在構(gòu)件鍛造加工制造之前，對工件精度予以預(yù)測，從而為構(gòu)件的鍛壓制造提供指導(dǎo)，避免構(gòu)件質(zhì)量不符合要求，同時，還有利于整個鍛壓車床的保養(yǎng)。（3）遠程監(jiān)控與故障預(yù)警技術(shù)。通過對數(shù)控設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的檢測與采集，并與故障預(yù)測模型、設(shè)備維護專家知識庫的對比，從而判斷數(shù)控設(shè)備是否出現(xiàn)故障，以此及時、有效地發(fā)現(xiàn)數(shù)控設(shè)備，防止重大故障對整個數(shù)控設(shè)備的運行造成干擾。

1.4 綜合物流技術(shù)

（1）柔性生產(chǎn)線技術(shù)。在數(shù)字化車間中，構(gòu)建出多條柔性生產(chǎn)線，各生產(chǎn)線運行時，可根據(jù)實際需求隨意進行調(diào)節(jié)，以符合不用形狀、規(guī)格構(gòu)件的批量生產(chǎn)需求。同時，在各生產(chǎn)線之間，還可相互進行補充，可進行個性化產(chǎn)品的鍛壓制造。在每條生產(chǎn)線上，均配置單獨的運輸、存儲模塊，以此為各條生產(chǎn)線正常運行提供支持。此外，在生產(chǎn)線上，還設(shè)置1 個以上的物料與刀具進出口，在智能化控制系統(tǒng)的操控下，使物料與刀具順暢進入到鍛造車床上。（2）立體庫技術(shù)，在數(shù)控物料車間適當位置處，構(gòu)建出立體庫，根據(jù)整個生產(chǎn)工作的需求，自動將材料存儲或取出，并以AGV 小車為工具，將物料運輸?shù)藉懺燔嚧采希源藶榱慵腻懺旒庸ぬ峁┪锪现С帧＃?）RFID 射頻識別技術(shù)，主要用于構(gòu)建車間內(nèi)部的物流系統(tǒng)，通過該技術(shù)的應(yīng)用，可自動對物料名稱、性質(zhì)等信息予以識別，并與鍛造加工需求物料信息予以對比，以此判斷物料是否符合鍛造生產(chǎn)需求，以保證整個鍛壓制造生產(chǎn)工作順利進行。

2 民用航空鍛壓數(shù)字化車間系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)框架

以上述技術(shù)為依托，可開發(fā)出民用航空鍛壓數(shù)字化車間。整個數(shù)字化車間共由3 個層次構(gòu)成，由上至下依次為：（1）管理層。主要對整個車間及其他相配套工作的管理。管理層中，包含3 大模塊，一是企業(yè)資源計劃（ERP）模塊，用于對鍛壓生產(chǎn)需求的分析，接受鍛壓生產(chǎn)計劃，將生產(chǎn)計劃下發(fā)給具體生產(chǎn)線等；二是產(chǎn)品全生命周期管理（PLM），最后為客戶關(guān)系的管理（CRM）。（2）執(zhí)行層。主要包含兩部分，一個是制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES），用于生產(chǎn)車間內(nèi)部計劃調(diào)度、鍛壓制造工藝執(zhí)行、生產(chǎn)過程的監(jiān)控、相關(guān)設(shè)備及現(xiàn)場的管理等，通過總線與以太網(wǎng)等形式，與ERP 系統(tǒng)連接到一起；另一個是數(shù)控系統(tǒng)，包括PLC 模塊、DCS 模塊、SCADA 模塊與輔助設(shè)備模塊，用于對整個鍛壓制造工藝進行數(shù)字化控制。（3）基礎(chǔ)層。主要用于完成民用航空設(shè)備構(gòu)建的鍛壓制造，包括自動投料、工業(yè)機器人、智能模具、智能鍛壓、智能傳輸、智能監(jiān)測等諸多功能模塊。

2.2 鍛造工序

航空設(shè)備鍛壓制造時，現(xiàn)場共包含1 臺125MN 鍛造液壓機、2 臺智能機器人，其中，1 臺用于物料的裝載，1 臺用于物料的卸載，在3 臺設(shè)備共同作用下，快速、有序地完成航空設(shè)備鍛造生產(chǎn)工作。鍛壓生產(chǎn)工藝流程為：根據(jù)鍛壓制造生產(chǎn)需求，向裝載機器人發(fā)布上料指令，由機器人從存儲區(qū)域?qū)⑴髁先コ⒎诺藉憠阂簤簷C上，液壓機自動對坯料位置予以調(diào)節(jié)，使坯料處于精確的位置處。之后，將液壓機啟動，在液壓缸的控制下，上模逐漸向下移動，從而對坯料壓制，待坯料成型后，緩慢將上模提起，由機器人將壓制成型的產(chǎn)品取出，并移動至輸送輥設(shè)備上，以此將鍛壓成型的產(chǎn)品運輸?shù)胶罄m(xù)加工制造環(huán)節(jié)。

3 數(shù)據(jù)字典與生產(chǎn)全流程數(shù)據(jù)完整性

數(shù)字化車間運行時，通過語義化描述的方式，對各種設(shè)備的操作、調(diào)試、運維等進行控制，以確保整個車間安全、穩(wěn)定運行。而要想達到這一目的，則需要根據(jù)車間內(nèi)所有設(shè)備、工具的具體情況，構(gòu)建設(shè)備靜態(tài)屬性集合，并提出表征現(xiàn)場設(shè)裝備運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)集合工藝裝備的屬性集。同時，還要根據(jù)各種設(shè)備生產(chǎn)廠家、規(guī)格型號等信息，一一予以解析集成，使得整個控制操作非常煩瑣，不僅降低了民用航空設(shè)備的生產(chǎn)效率，而且還會提升生產(chǎn)成本，不利于民用航空設(shè)備的加工與制造。針對這一情況，本研究提出了一個統(tǒng)一的語義化描述方法，并建立了相應(yīng)的數(shù)據(jù)字典，以此促進各系統(tǒng)、相關(guān)部門間的交流，從而提升整個鍛壓制造的質(zhì)量與效率。具體來說，數(shù)字字典主要內(nèi)容包括：（1）與鍛壓制造生產(chǎn)工作相關(guān)的所有數(shù)據(jù)信息，如鍛壓設(shè)備的運行狀態(tài)，整個制造流程產(chǎn)生的信息，物料及產(chǎn)品參數(shù)有關(guān)信息，產(chǎn)品質(zhì)量檢查有關(guān)的信息，鍛壓制造計劃執(zhí)行或變更相關(guān)的信息等。（2）對相關(guān)數(shù)據(jù)進行描述的信息，如數(shù)據(jù)的名稱、予以、結(jié)構(gòu)與類型等。

利用數(shù)據(jù)字典的構(gòu)建，加強了對數(shù)字化車間內(nèi)部數(shù)據(jù)的管理，一方面，可促進信息數(shù)據(jù)在航空設(shè)備鍛壓制造各環(huán)節(jié)工作中的傳輸，提升數(shù)據(jù)信息的利用價值，以此為航空設(shè)備的鍛壓制造提供支持。另一方面，當鍛壓制造生產(chǎn)出現(xiàn)問題后，還可通過對這些數(shù)據(jù)信息的查詢，快速尋找出引發(fā)該問題的原因，從而快速對問題進行處理。以鍛造液壓機為例，主要數(shù)據(jù)集如表1 所示。

表1 鍛造液壓機主要數(shù)據(jù)集

4 產(chǎn)品質(zhì)量和可追溯性

民用航空設(shè)備鍛壓制造時，需要對制造質(zhì)量具有高度重視，以確保民用航空設(shè)備后續(xù)安全使用。為此，在民用航空鍛壓數(shù)字化車間中，還要利用現(xiàn)代先進的技術(shù)手段，構(gòu)建出產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，用于對產(chǎn)品鍛壓加工質(zhì)量的控制，具體流程如圖1 所示。

圖1 產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控流程圖

以自由鍛造系統(tǒng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控為例，需要與操作機配合進行，并通過聯(lián)動系統(tǒng)的控制，完成整個產(chǎn)品質(zhì)鍛壓制造工作。在聯(lián)動控制模式下，鍛壓機與操作機同時運行。根據(jù)產(chǎn)品加工制造要求，在兩設(shè)備上，分別設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，用于控制兩設(shè)備的運行。確保參數(shù)符合要求后，將兩設(shè)備啟動，即可達到聯(lián)動運行的目的。聯(lián)動工作中，鍛壓機為主要設(shè)備，操作機對其進行輔助。工作人員可根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)情況，隨時對設(shè)備參數(shù)進行調(diào)節(jié)，或控制設(shè)備展廳運行。整個鍛壓操作系統(tǒng)內(nèi)，程序鍛造子系統(tǒng)是其中重要的組成部分，直接關(guān)系到民用航空設(shè)備鍛壓制造的質(zhì)量與效果。該子系統(tǒng)主要功能如下。

（1）數(shù)據(jù)記錄。鍛造機運行時，可自動對設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)信息進行采集，包括單次的下壓量，上模的翻轉(zhuǎn)角度等，同時還對坯料相關(guān)信息予以采集，如坯料的下壓量、形狀等，為產(chǎn)品鍛壓質(zhì)量控制提供數(shù)據(jù)支持。（2）鍛造監(jiān)控。實時對整個鍛造過程予以監(jiān)控，并利用監(jiān)控而得的數(shù)據(jù)信息，繪制出相應(yīng)的變化曲線，通過該曲線的分析，即可了解整個鍛造過程是否符合要求，有利于工作人員技術(shù)、準確地對鍛造機進行調(diào)整。（3）鍛造程序庫。主要存儲各種常規(guī)構(gòu)件的鍛造方法，在實際操作過程中，工作人員根據(jù)常規(guī)構(gòu)件的形狀、尺寸等信息，直接提取相應(yīng)的鍛造方法，以快速進行構(gòu)件的鍛壓制造。同時，工作人員還可向程序庫內(nèi)添加新構(gòu)件的鍛造程序，或是對原有鍛造程序進行刪減與修改等。

5 結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)代民用航空鍛壓數(shù)字化車間建設(shè)時，應(yīng)加強對零點定位、在線監(jiān)測、智能編程、三維仿真、精度快速評測、遠程監(jiān)控與故障預(yù)警等先進技術(shù)的重視程度，并以此為基礎(chǔ)，構(gòu)建出性能良好，且功能健全的民用航空鍛壓數(shù)字化車間的系統(tǒng)，以此為整個鍛壓制造工作的進行奠定良好的基礎(chǔ)。