張志耀，馬 良，韋 杰，田 芳

( 中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原030024)

智能制造是基于新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合，貫穿于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功能的新型生產(chǎn)方式。信息技術(shù)在經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中的作用已經(jīng)從提升效率和勞動(dòng)生產(chǎn)力的輔助角色上升為基礎(chǔ)創(chuàng)新和創(chuàng)造的使能者，演變?yōu)橹С纸?jīng)濟(jì)社會(huì)創(chuàng)新和可持續(xù)快速發(fā)展的一個(gè)主要角色。

在裝備研發(fā)制造領(lǐng)域，隨著信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的發(fā)展，賦予裝備研發(fā)更豐富、高效的技術(shù)手段，使各種工藝裝備呈現(xiàn)控制智能化、性能極限化等發(fā)展趨勢(shì)，如：通過裝備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、誤差自補(bǔ)償、自主編程等使制造裝備性能加速提升，呈現(xiàn)高精度、高效率、高可靠等特征。

本文以一種基于低溫共燒陶瓷數(shù)字化車間基礎(chǔ)上的生瓷片沖孔精度自優(yōu)化方法為例，探討在數(shù)字化車間的新模式下，裝備研發(fā)的新方式、產(chǎn)品加工質(zhì)量提升的新方法。

1 低溫共燒陶瓷數(shù)字化車間概述

低溫共燒陶瓷數(shù)字化車間主要進(jìn)行各類低溫共燒陶瓷基板、器件的生產(chǎn)，車間基本實(shí)現(xiàn)了各類信息的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化。

車間主要由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）和制造執(zhí)行管理系統(tǒng)（MES）3 個(gè)部分組成。

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層：包括生瓷沖孔、電路印刷、漿料填充、多層疊片等生產(chǎn)工藝設(shè)備、工裝工具、檢測(cè)設(shè)備、物流配送和緩存系統(tǒng)等（物理布局如圖1 所示），接受監(jiān)控系統(tǒng)的指令，實(shí)現(xiàn)車間現(xiàn)場(chǎng)各種硬件的自動(dòng)化控制。

圖1 低溫共燒陶瓷數(shù)字化車間布局

數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）：可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，主要是執(zhí)行和發(fā)布生產(chǎn)過程中的各種生產(chǎn)指令，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)品、工藝、設(shè)備、測(cè)試儀器、人員等各種數(shù)據(jù)的傳遞、采集、分析、判斷。

制造執(zhí)行管理（MES）：針對(duì)智能車間的生產(chǎn)管理和現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行，進(jìn)行生產(chǎn)過程集中管控，解決生產(chǎn)的追溯性、生產(chǎn)控制和信息流通不暢等問題。

車間打通了各單元間的信息壁壘，實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，如：通過SQL 數(shù)據(jù)庫通訊方式，可實(shí)現(xiàn)孔位誤差數(shù)據(jù)在通孔檢測(cè)設(shè)備、MES 及打孔設(shè)備間相互傳輸；具備產(chǎn)品質(zhì)量追溯功能，通過識(shí)別每片生瓷片上的二維碼，可獲取該產(chǎn)品的規(guī)格型號(hào)、材料編號(hào)及所經(jīng)過的加工設(shè)備編號(hào)及加工時(shí)間等。

2 傳統(tǒng)精度補(bǔ)償方式及其不足

沖孔是低溫共燒陶瓷生產(chǎn)流程的關(guān)鍵工序，包括定位孔、互聯(lián)孔、腔體等的加工，其加工精度直接影響產(chǎn)品性能。因此，沖孔精度被認(rèn)為是衡量沖孔設(shè)備性能的核心指標(biāo)。目前先進(jìn)的沖孔設(shè)備，其沖孔精度可達(dá)±10 μm[1]。

提高設(shè)備精度有兩條途徑：一是誤差預(yù)防；其二是誤差補(bǔ)償。誤差預(yù)防也稱為精度設(shè)計(jì)，是試圖通過設(shè)計(jì)和制造途徑消除可能的誤差源。單純采用誤差預(yù)防的方法來提高機(jī)床的加工精度是十分困難的，而必須輔以誤差補(bǔ)償?shù)牟呗訹2]。

2.1 沖孔工藝設(shè)備傳統(tǒng)精度補(bǔ)償方式

沖孔設(shè)備誤差補(bǔ)償主要包括運(yùn)動(dòng)平臺(tái)誤差補(bǔ)償、各沖孔單元沖孔誤差補(bǔ)償、沖孔單元之間位置誤差補(bǔ)償3 個(gè)環(huán)節(jié)。

2.1.1 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)誤差補(bǔ)償

沖孔設(shè)備工作時(shí)，生瓷帶在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的帶動(dòng)下精確移動(dòng)至程序設(shè)定位置，沖孔單元完成沖孔動(dòng)作。因此，平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)精度是實(shí)現(xiàn)精確沖孔的前提條件，平臺(tái)裝調(diào)完成后須借助激光干涉儀對(duì)其X、Y 軸定位精度分別進(jìn)行測(cè)量和補(bǔ)償。

以X 軸為例，測(cè)量和補(bǔ)償方式：

（1）在X 軸的行程（L）范圍內(nèi)，等間距取點(diǎn)n個(gè)；

（2）X 軸運(yùn)動(dòng)至各點(diǎn)Xi，使用激光干涉儀測(cè)量其實(shí)際運(yùn)動(dòng)距離Xreali，則可得出在各點(diǎn)的定位誤差：

（3）根據(jù)各點(diǎn)誤差值，擬合成整個(gè)行程范圍內(nèi)的誤差函數(shù)：δ(X)；

（4）沖孔時(shí)各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)則補(bǔ)償為Xa=Xδ(X)。

如圖2 所示，X 軸定位精度未補(bǔ)償時(shí)為12.8 μm，補(bǔ)償后達(dá)到1.3 μm。

圖2 平臺(tái)X 軸定位精度補(bǔ)償前后對(duì)比

2.1.2 各單元沖孔誤差補(bǔ)償

沖孔單元是沖孔動(dòng)作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，每個(gè)沖孔單元可加工一種規(guī)格的孔，根據(jù)所加工產(chǎn)品孔徑種類要求，一臺(tái)沖孔設(shè)備上通常需配置多個(gè)沖孔單元，DKJ-08 系列沖孔設(shè)備標(biāo)配為8 個(gè)沖孔單元。

在實(shí)際沖孔過程中，由于料片和吸附盤的影響，即使運(yùn)動(dòng)平臺(tái)有較高定位精度，各個(gè)沖孔單元所加工孔的位置依然存在較大誤差，且各單元沖孔誤差各不相同，因此需根據(jù)各單元沖孔誤差分別進(jìn)行誤差補(bǔ)償。

測(cè)量和補(bǔ)償方式：

（1）在料片的整個(gè)范圍內(nèi)，沖出均布的陣列孔；

（2）采用圖像測(cè)量儀，測(cè)量各孔位坐標(biāo)，得出各孔的誤差值；

（3）根據(jù)各孔位置誤差值，擬合成整個(gè)料片范圍內(nèi)的誤差分布函數(shù)：ρX(X，Y)、ρY(X，Y)；

（4）沖孔時(shí)各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)則補(bǔ)償為：

如圖3 所示，同一沖孔單元未補(bǔ)償時(shí)沖孔精度約為50 μm，補(bǔ)償后基本達(dá)到10 μm。

圖3 同一沖孔單元沖孔精度補(bǔ)償前后對(duì)比

2.1.3 沖孔單元之間位置誤差補(bǔ)償

設(shè)備在使用中，更換沖針、凹模時(shí)，需將沖孔單元拆下，沖孔單元在重復(fù)安裝過程中，很難保證安裝位置的一致性。因此，設(shè)備配置了專用的沖孔單元視覺定心系統(tǒng)，用來測(cè)量、校準(zhǔn)單元之間的位置關(guān)系。通過該定心系統(tǒng)，可使單元之間的位置關(guān)系精度控制在一定范圍內(nèi)，但還是與設(shè)備的整體精度要求有一定差距，還需根據(jù)同一料片中，包含不同沖孔單元所沖孔的位置精度，進(jìn)一步補(bǔ)償、修正單元之間的位置關(guān)系。

如圖4（a）所示，為單元只經(jīng)過定心，未根據(jù)孔位精度補(bǔ)償?shù)恼`差圖；圖4（b）所示為根據(jù)兩個(gè)單元所沖孔孔位精度補(bǔ)償后的誤差圖。

圖4 沖孔單元位置補(bǔ)償前后對(duì)比

2.2 傳統(tǒng)精度補(bǔ)償方式存在的不足

通過補(bǔ)償能夠有效地提高設(shè)備的沖孔精度，但在生產(chǎn)實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)該精度補(bǔ)償方式依然存在明顯的不足[3]。

2.2.1 沖孔過程產(chǎn)生的料片變形無法補(bǔ)償

隨著陶瓷器件向高密度、小型化的方向發(fā)展，在一張生瓷片上，動(dòng)輒需要數(shù)萬孔的加工，每沖一個(gè)孔，沖頭、脫料模都會(huì)對(duì)生瓷片產(chǎn)生一次沖擊，在數(shù)萬次的沖擊力作用下，生瓷片會(huì)產(chǎn)生明顯變形，導(dǎo)致孔位精度變差，且料片變形狀態(tài)與沖孔數(shù)量及沖孔圖形相關(guān)，傳統(tǒng)沖矩陣補(bǔ)償方法對(duì)該誤差無法補(bǔ)償。

2.2.2 無法補(bǔ)償生瓷片材質(zhì)、規(guī)格引起的誤差值

不同的陶瓷器件可能需要采用不同的生瓷片來加工，生瓷片除了化學(xué)成分的區(qū)別外，還存在厚度、是否帶膜等的區(qū)別。在設(shè)備使用過程中，發(fā)現(xiàn)同一臺(tái)設(shè)備在加工不同規(guī)格的生瓷片時(shí)，其孔位誤差也不盡相同。傳統(tǒng)補(bǔ)償方法只能采用某種指定規(guī)格生瓷片來完成精度補(bǔ)償，難以兼容不同種類料片的高精度加工。

2.2.3 設(shè)備加工精度問題

設(shè)備在出廠時(shí)，完成誤差補(bǔ)償，在后續(xù)客戶使用過程中由于各種原因引起的沖孔誤差，即使是固定的系統(tǒng)性誤差，客戶也無法修正，只能等待生產(chǎn)廠家解決，設(shè)備修復(fù)時(shí)間較長，且成本較高。

2.2.4 補(bǔ)償過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力

設(shè)備誤差補(bǔ)償主要包括運(yùn)動(dòng)平臺(tái)誤差補(bǔ)償、各沖孔單元沖孔誤差補(bǔ)償、沖孔單元之間位置誤差補(bǔ)償三個(gè)環(huán)節(jié)，需要花費(fèi)較多的時(shí)間和精力。

3 數(shù)字化車間的打孔精度補(bǔ)償方式

低溫共燒陶瓷數(shù)字化車間具備檢測(cè)結(jié)果全數(shù)據(jù)反饋、產(chǎn)品生命周期質(zhì)量跟蹤等功能，針對(duì)打孔工藝設(shè)備提出一種新的補(bǔ)償方式，主要特點(diǎn)為：針對(duì)不同規(guī)格產(chǎn)品采用不同的補(bǔ)償參數(shù)，依據(jù)相同型號(hào)產(chǎn)品相同坐標(biāo)孔的歷史誤差數(shù)據(jù)，對(duì)其精準(zhǔn)補(bǔ)償；設(shè)備無需人工補(bǔ)償，整個(gè)過程依靠軟件對(duì)沖孔精度進(jìn)行自優(yōu)化?；驹砜驁D如圖5 所示。

圖5 數(shù)字化車間基礎(chǔ)上的沖孔精度補(bǔ)償流程

沖孔坐標(biāo)補(bǔ)償數(shù)組中誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)依據(jù)相同型號(hào)產(chǎn)品相同坐標(biāo)孔的歷史誤差統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)建立。如：對(duì)于坐標(biāo)為（X、Y）的孔，其沖孔誤差為（δx、δy），該型號(hào)產(chǎn)品相同坐標(biāo)孔歷史誤差統(tǒng)計(jì)值為，則，該孔的誤差補(bǔ)償值可設(shè)定為λ（aδx，其中a、b為權(quán)重，a+b=1，λ 為補(bǔ)償系數(shù)，a、b、λ 的取值可根據(jù)實(shí)際補(bǔ)償效果進(jìn)行設(shè)定、調(diào)整。

對(duì)于首次加工的產(chǎn)品，補(bǔ)償數(shù)組可通過各種產(chǎn)品的歷史誤差值擬合形成補(bǔ)償函數(shù)，該函數(shù)以孔的坐標(biāo)值為自變量。

該補(bǔ)償方法的優(yōu)點(diǎn)：

（1）精度更高。傳統(tǒng)誤差補(bǔ)償采用沖矩陣孔，測(cè)量其誤差做擬合處理，近似地補(bǔ)償產(chǎn)品沖孔誤差；該補(bǔ)償方式是基于同型號(hào)產(chǎn)品相同坐標(biāo)孔的誤差值來進(jìn)行補(bǔ)償，可實(shí)現(xiàn)更高的沖孔精度。

（2）效率更高。傳統(tǒng)補(bǔ)償方式，在設(shè)備出廠前需進(jìn)行大量的補(bǔ)償工作，設(shè)備到達(dá)客戶調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)，由于運(yùn)輸?shù)仍?，設(shè)備狀態(tài)有可能發(fā)生變化，還需再次進(jìn)行補(bǔ)償修正。該補(bǔ)償方式幾乎不需要人工參與，完全依靠檢測(cè)設(shè)備將誤差數(shù)據(jù)反饋至打孔設(shè)備，通過軟件程序自動(dòng)完成運(yùn)算、補(bǔ)償，可有效地節(jié)約設(shè)備研發(fā)成本。

（3）誤差補(bǔ)償更具實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)性。傳統(tǒng)的誤差補(bǔ)償屬于靜態(tài)的、非實(shí)時(shí)的誤差補(bǔ)償方法，如：設(shè)備工作過程中發(fā)熱產(chǎn)生的誤差，傳統(tǒng)方式無法進(jìn)行補(bǔ)償；而該方法每加工完1 片，即可自動(dòng)進(jìn)行一次補(bǔ)償，可消除設(shè)備發(fā)熱引起的誤差，具有較好的實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)性。

（4）可監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠。由于在其運(yùn)行方式下，設(shè)備沖孔精度一直處于被檢測(cè)狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)某產(chǎn)品加工誤差超過正常范圍，能夠即時(shí)預(yù)警，對(duì)設(shè)備問題及早處理，保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。

補(bǔ)償方法的通用性：

該補(bǔ)償方式不僅可用于打孔設(shè)備的誤差補(bǔ)償，也可推廣應(yīng)用到數(shù)字化生產(chǎn)線的其它加工設(shè)備，其通用補(bǔ)償流程模型如圖6 所示。

如該產(chǎn)品為首次加工，則依據(jù)其它產(chǎn)品歷史加工數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償。

如該型產(chǎn)品不是首次加工，則依據(jù)該產(chǎn)品歷史相同參數(shù)誤差測(cè)量值進(jìn)行補(bǔ)償。由于該補(bǔ)償方式補(bǔ)償參數(shù)的建立，是完全依照同型號(hào)產(chǎn)品加工工況完全相同的條件下產(chǎn)生的誤差數(shù)據(jù)，該誤差數(shù)據(jù)具有很好的代表性，因此可實(shí)現(xiàn)很好的補(bǔ)償效果。

4 結(jié)束語

該補(bǔ)償方法通過通孔檢測(cè)設(shè)備“自感知”設(shè)備沖孔精度，對(duì)歷史誤差數(shù)據(jù)“自學(xué)習(xí)”的基礎(chǔ)上，“自決策”生成補(bǔ)償數(shù)組，“自執(zhí)行”完成設(shè)備精度補(bǔ)償，實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的補(bǔ)償方式可“自適應(yīng)”溫度等因素的變化，有效地提升了設(shè)備性能。

本文以數(shù)字化車間基礎(chǔ)上的生瓷片沖孔精度自優(yōu)化方法為例，拋磚引玉，實(shí)踐了數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)在提升產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)周期等方面的作用；這種誤差補(bǔ)償方式可推廣應(yīng)用于其他領(lǐng)域，可促進(jìn)產(chǎn)品加工精度的提高，提升數(shù)字化生產(chǎn)車間附加值，推動(dòng)數(shù)字化工廠的建設(shè)、推廣。

圖6 數(shù)字化車間基礎(chǔ)上的通用補(bǔ)償流程