史建勛

（中國(guó)航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100120）

雖然我國(guó)民用航空鍛壓行業(yè)呈現(xiàn)出迅猛發(fā)展的態(tài)勢(shì)，但相對(duì)汽車(chē)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(wèn)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(gè)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(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)數(shù)字化技術(shù)的重視程度，并開(kāi)發(fā)出性能良好的航空鍛壓數(shù)字化車(chē)間集成系統(tǒng)?；诖?，本文以“民用航空鍛壓數(shù)字化車(chē)間集成中的關(guān)鍵技術(shù)分析”為題進(jìn)行了研究，以推動(dòng)我國(guó)民用航空鍛壓行業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型。

1 民用航空鍛壓數(shù)字化車(chē)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(chē)間設(shè)計(jì)與構(gòu)建時(shí)，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(guò)程信息采集（MES）系統(tǒng)。對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，一方面，與供應(yīng)商端相連，以促進(jìn)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(jì)數(shù)據(jù)集成到一起，進(jìn)而從設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)開(kāi)始，一直到整個(gè)航空設(shè)備制作完成，全方位的進(jìn)行協(xié)同控制，與此同時(shí)，打造資源保障平臺(tái)，構(gòu)建智能物流系統(tǒng)，并與MES 系統(tǒng)集成到一起，共同對(duì)整個(gè)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(tái)、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(guò)該紐帶對(duì)各系統(tǒng)間的信息進(jìn)行傳輸，從為各系統(tǒng)快速、穩(wěn)定的運(yùn)行提供信息支持，使整個(gè)數(shù)字化車(chē)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(chē)間的實(shí)現(xiàn)，需要采用多種智能化控制技術(shù)，主要包括下述幾個(gè)方面：（1）零點(diǎn)定位技術(shù)。通過(guò)該技術(shù)的應(yīng)用，能夠準(zhǔn)確確定材料與零件的具體位置，使得夾具快速、準(zhǔn)確的對(duì)材料或零件進(jìn)行夾裝，以此為后續(xù)其他生產(chǎn)工作的開(kāi)展打下良好的基礎(chǔ)。（2）在線監(jiān)測(cè)技術(shù)。通過(guò)該技術(shù)的應(yīng)用，不僅能夠?qū)α慵跏嘉恢镁扔枰詸z測(cè)，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(shí)，還可對(duì)整個(gè)制造過(guò)程實(shí)時(shí)檢測(cè)，針對(duì)實(shí)時(shí)檢測(cè)結(jié)果，結(jié)合航空設(shè)備鍛壓制造需求，自動(dòng)對(duì)零件鍛壓參數(shù)予以調(diào)節(jié)，以確保制造出來(lái)的零件符合規(guī)定要求。（3）智能編程技術(shù)。不論是零點(diǎn)定位技術(shù)還是在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的實(shí)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(yùn)行的需求，自動(dòng)編寫(xiě)或修改控制程序與代碼，通過(guò)程序代碼的控制，使整個(gè)數(shù)字化車(chē)間安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。（4）三維仿真技術(shù)。通過(guò)對(duì)整個(gè)鍛壓制造過(guò)程數(shù)據(jù)信息的采集，自動(dòng)繪制出相應(yīng)的三維模型，以將整個(gè)制造過(guò)程清晰展示出來(lái)，工作人員通過(guò)對(duì)三維模型的觀察與分析，可準(zhǔn)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(chē)間的全面監(jiān)控技術(shù)主要包括：（1）刀具特征檢測(cè)與識(shí)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(cè)模型，并以此為基礎(chǔ)，打造刀具監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)時(shí)對(duì)刀具狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，預(yù)測(cè)刀具的使用年限，在確保整個(gè)鍛壓制造順利進(jìn)行的同時(shí)，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(shí)，還可及時(shí)發(fā)現(xiàn)將要出現(xiàn)斷裂、破壞等缺陷，防止鍛壓制造時(shí)由于刀具斷裂而對(duì)模具及現(xiàn)場(chǎng)操作人員的生命健康造成威脅。（2）精度快速評(píng)測(cè)技術(shù)。民用航空設(shè)備是一種高精度設(shè)備，因而對(duì)各構(gòu)件的精度具有較高的要求，為了達(dá)到這一要求，則需要采用精度快速評(píng)測(cè)技術(shù)，通過(guò)該技術(shù)的應(yīng)用，在構(gòu)件鍛造加工制造之前，對(duì)工件精度予以預(yù)測(cè)，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(shí)，還有利于整個(gè)鍛壓車(chē)床的保養(yǎng)。（3）遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障預(yù)警技術(shù)。通過(guò)對(duì)數(shù)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的檢測(cè)與采集，并與故障預(yù)測(cè)模型、設(shè)備維護(hù)專家知識(shí)庫(kù)的對(duì)比，從而判斷數(shù)控設(shè)備是否出現(xiàn)故障，以此及時(shí)、有效地發(fā)現(xiàn)數(shù)控設(shè)備，防止重大故障對(duì)整個(gè)數(shù)控設(shè)備的運(yùn)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(chē)間中，構(gòu)建出多條柔性生產(chǎn)線，各生產(chǎn)線運(yùn)行時(shí)，可根據(jù)實(shí)際需求隨意進(jìn)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(shí)，在各生產(chǎn)線之間，還可相互進(jìn)行補(bǔ)充，可進(jìn)行個(gè)性化產(chǎn)品的鍛壓制造。在每條生產(chǎn)線上，均配置單獨(dú)的運(yùn)輸、存儲(chǔ)模塊，以此為各條生產(chǎn)線正常運(yùn)行提供支持。此外，在生產(chǎn)線上，還設(shè)置1 個(gè)以上的物料與刀具進(jìn)出口，在智能化控制系統(tǒng)的操控下，使物料與刀具順暢進(jìn)入到鍛造車(chē)床上。（2）立體庫(kù)技術(shù)，在數(shù)控物料車(chē)間適當(dāng)位置處，構(gòu)建出立體庫(kù)，根據(jù)整個(gè)生產(chǎn)工作的需求，自動(dòng)將材料存儲(chǔ)或取出，并以AGV 小車(chē)為工具，將物料運(yùn)輸?shù)藉懺燔?chē)床上，以此為零件的鍛造加工提供物料支持。（3）RFID 射頻識(shí)別技術(shù)，主要用于構(gòu)建車(chē)間內(nèi)部的物流系統(tǒng)，通過(guò)該技術(shù)的應(yīng)用，可自動(dòng)對(duì)物料名稱、性質(zhì)等信息予以識(shí)別，并與鍛造加工需求物料信息予以對(duì)比，以此判斷物料是否符合鍛造生產(chǎn)需求，以保證整個(gè)鍛壓制造生產(chǎn)工作順利進(jìn)行。

2 民用航空鍛壓數(shù)字化車(chē)間系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)框架

以上述技術(shù)為依托，可開(kāi)發(fā)出民用航空鍛壓數(shù)字化車(chē)間。整個(gè)數(shù)字化車(chē)間共由3 個(gè)層次構(gòu)成，由上至下依次為：（1）管理層。主要對(duì)整個(gè)車(chē)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(jì)劃（ERP）模塊，用于對(duì)鍛壓生產(chǎn)需求的分析，接受鍛壓生產(chǎn)計(jì)劃，將生產(chǎn)計(jì)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(gè)是制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES），用于生產(chǎn)車(chē)間內(nèi)部計(jì)劃調(diào)度、鍛壓制造工藝執(zhí)行、生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控、相關(guān)設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)的管理等，通過(guò)總線與以太網(wǎng)等形式，與ERP 系統(tǒng)連接到一起；另一個(gè)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(duì)整個(gè)鍛壓制造工藝進(jìn)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(dòng)投料、工業(yè)機(jī)器人、智能模具、智能鍛壓、智能傳輸、智能監(jiān)測(cè)等諸多功能模塊。

2.2 鍛造工序

航空設(shè)備鍛壓制造時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)共包含1 臺(tái)125MN 鍛造液壓機(jī)、2 臺(tái)智能機(jī)器人，其中，1 臺(tái)用于物料的裝載，1 臺(tái)用于物料的卸載，在3 臺(tái)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(jī)器人發(fā)布上料指令，由機(jī)器人從存儲(chǔ)區(qū)域?qū)⑴髁先コ⒎诺藉憠阂簤簷C(jī)上，液壓機(jī)自動(dòng)對(duì)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(jī)啟動(dòng)，在液壓缸的控制下，上模逐漸向下移動(dòng)，從而對(duì)坯料壓制，待坯料成型后，緩慢將上模提起，由機(jī)器人將壓制成型的產(chǎn)品取出，并移動(dòng)至輸送輥設(shè)備上，以此將鍛壓成型的產(chǎn)品運(yùn)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(chē)間運(yùn)行時(shí)，通過(guò)語(yǔ)義化描述的方式，對(duì)各種設(shè)備的操作、調(diào)試、運(yùn)維等進(jìn)行控制，以確保整個(gè)車(chē)間安全、穩(wěn)定運(yùn)行。而要想達(dá)到這一目的，則需要根據(jù)車(chē)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(chǎng)設(shè)裝備運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)集合工藝裝備的屬性集。同時(shí)，還要根據(jù)各種設(shè)備生產(chǎn)廠家、規(guī)格型號(hào)等信息，一一予以解析集成，使得整個(gè)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(huì)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(duì)這一情況，本研究提出了一個(gè)統(tǒng)一的語(yǔ)義化描述方法，并建立了相應(yīng)的數(shù)據(jù)字典，以此促進(jìn)各系統(tǒng)、相關(guān)部門(mén)間的交流，從而提升整個(gè)鍛壓制造的質(zhì)量與效率。具體來(lái)說(shuō)，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(yùn)行狀態(tài)，整個(gè)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(jì)劃執(zhí)行或變更相關(guān)的信息等。（2）對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)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(qiáng)了對(duì)數(shù)字化車(chē)間內(nèi)部數(shù)據(jù)的管理，一方面，可促進(jìn)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(jià)值，以此為航空設(shè)備的鍛壓制造提供支持。另一方面，當(dāng)鍛壓制造生產(chǎn)出現(xiàn)問(wèn)題后，還可通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)信息的查詢，快速尋找出引發(fā)該問(wèn)題的原因，從而快速對(duì)問(wèn)題進(jìn)行處理。以鍛造液壓機(jī)為例，主要數(shù)據(jù)集如表1 所示。

表1 鍛造液壓機(jī)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(shí)，需要對(duì)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(chē)間中，還要利用現(xiàn)代先進(jìn)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(duì)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(jī)配合進(jìn)行，并通過(guò)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的控制，完成整個(gè)產(chǎn)品質(zhì)鍛壓制造工作。在聯(lián)動(dòng)控制模式下，鍛壓機(jī)與操作機(jī)同時(shí)運(yùn)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(yùn)行。確保參數(shù)符合要求后，將兩設(shè)備啟動(dòng)，即可達(dá)到聯(lián)動(dòng)運(yùn)行的目的。聯(lián)動(dòng)工作中，鍛壓機(jī)為主要設(shè)備，操作機(jī)對(duì)其進(jìn)行輔助。工作人員可根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)情況，隨時(shí)對(duì)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，或控制設(shè)備展廳運(yùn)行。整個(gè)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(jī)運(yùn)行時(shí)，可自動(dòng)對(duì)設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，包括單次的下壓量，上模的翻轉(zhuǎn)角度等，同時(shí)還對(duì)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(shí)時(shí)對(duì)整個(gè)鍛造過(guò)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(guò)該曲線的分析，即可了解整個(gè)鍛造過(guò)程是否符合要求，有利于工作人員技術(shù)、準(zhǔn)確地對(duì)鍛造機(jī)進(jìn)行調(diào)整。（3）鍛造程序庫(kù)。主要存儲(chǔ)各種常規(guī)構(gòu)件的鍛造方法，在實(shí)際操作過(guò)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(jìn)行構(gòu)件的鍛壓制造。同時(shí)，工作人員還可向程序庫(kù)內(nèi)添加新構(gòu)件的鍛造程序，或是對(duì)原有鍛造程序進(jìn)行刪減與修改等。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，現(xiàn)代民用航空鍛壓數(shù)字化車(chē)間建設(shè)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)零點(diǎn)定位、在線監(jiān)測(cè)、智能編程、三維仿真、精度快速評(píng)測(cè)、遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障預(yù)警等先進(jìn)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(chē)間的系統(tǒng)，以此為整個(gè)鍛壓制造工作的進(jìn)行奠定良好的基礎(chǔ)。