汽車工業(yè):基于鋁合金車輪的智能化鍛造系統(tǒng)
隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，人們對車輛安全、環(huán)保、節(jié)能的要求日趨嚴格，鋁合金車輪以其安全、節(jié)能、輕量化、散熱性好、循環(huán)利用率高，降低能耗和生產(chǎn)成本，提高市場競爭力等特點，逐步取代了鋼制車輪。但是，鍛造鋁合金車輪存在加工工藝復雜、小批量多品種、生產(chǎn)不確定性強、生產(chǎn)效率和質(zhì)量穩(wěn)定性低、生產(chǎn)可追溯程度低等問題。
基于鋁合金車輪的智能化鍛造系統(tǒng)總體技術路線
從智能制造的角度出發(fā)，結(jié)合鋁合金車輪本身的生產(chǎn)特點，我公司提出了構建鍛造鋁合金車輪智能化車間的總體技術路線(圖1)。該技術路線包括以精密成形裝備、多關節(jié)機器人等核心智能裝備及控制系統(tǒng)等為核心的設備層;通過總線控制系統(tǒng)實現(xiàn)設備的互聯(lián)互通，通過多種通訊協(xié)議的融合連接各種智能傳感器、刻碼讀碼設備及車間現(xiàn)場工作站的控制層;實現(xiàn)車輪數(shù)字化生產(chǎn)車間各個工序、工藝區(qū)的無縫連接，操作者、自動化設備、物料的互聯(lián)互通，完成制造過程質(zhì)量數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、能源數(shù)據(jù)、設備數(shù)據(jù)、操作行為的讀取和存儲的執(zhí)行層;為決策層提供決策數(shù)據(jù)，最終實現(xiàn)PLM、MES、ERP高度集成的生產(chǎn)過程透明化管理的應用層。
圖1 總體技術路線
車間物聯(lián)網(wǎng)的建設
基于物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)每一單獨工件、每道加工工序的身份識別;基于工業(yè)協(xié)議轉(zhuǎn)換器聯(lián)接每一臺設備的控制器，實現(xiàn)所有設備的互聯(lián)互通互操作;基于邊緣控制器實現(xiàn)機器視覺、溫度傳感、能源儀表等各種智能傳感和儀表的互聯(lián)及數(shù)據(jù)采集。有線網(wǎng)絡、無線網(wǎng)絡覆蓋整個車間，連接設備、傳感器、智能儀表、現(xiàn)場看板、現(xiàn)場終端等幾百個網(wǎng)絡節(jié)點，并與辦公網(wǎng)絡、中央機房、中控中心相聯(lián)，組成完整的數(shù)字化車間網(wǎng)絡系統(tǒng)。
鍛造生產(chǎn)線建設
鍛造生產(chǎn)線由自動高速鋸切機、12000t、16000t數(shù)控液壓機，智能溫控加熱保溫爐、上下料六軸搬運機器人、沖孔擴口機、鍛造尺寸在線視覺檢查系統(tǒng)、自動線總成控制系統(tǒng)、信息傳感系統(tǒng)、噴霧潤滑系統(tǒng)等組成。其中數(shù)控液壓機主機的鍛造溫度范圍為460～1100℃，滑塊位移控制測量和顯示精度達到0.01mm，閉環(huán)控制速度范圍為0.05～2.00mm/s(可隨意調(diào)整)，能完成與機械手IO點對接，達到全自動化生產(chǎn)功能。數(shù)控液壓機具有故障代碼輸出、壓力行程曲線輸出能力，并且自帶數(shù)據(jù)通信接口。每個鍛造區(qū)工作島配備兩部六軸搬運機器人，實現(xiàn)預熱、壓扁、鍛造、沖中孔、擴口、旋壓六個工序自動化生產(chǎn)。前置工序上料設備將鋸切后的鋁錠運至稱重裝置，經(jīng)初篩稱重后合格鋁錠進入加熱環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了鍛造→自動噴霧→沖孔擴口→在線檢測→旋壓的全流程自動化生產(chǎn);基于生產(chǎn)線物流的合理優(yōu)化縮短了鍛造在制品的流轉(zhuǎn)時間;基于工業(yè)通信網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)了鍛造制造過程現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與可視化;通過熱態(tài)件激光刻碼讀碼技術實現(xiàn)了單個鍛件全流程追溯;基于鍛件尺寸在線視覺檢查系統(tǒng)實現(xiàn)了熱態(tài)輪轂毛坯在線檢測，整體上實現(xiàn)了工業(yè)化與信息化的深度融合。
熱態(tài)件激光刻碼讀碼全流程追溯技術
工件在生產(chǎn)制造過程中要經(jīng)過多道次的加工和較長的流轉(zhuǎn)過程，因此對工件追溯介質(zhì)的研究是實現(xiàn)鋁合金輪轂全過程質(zhì)量追溯的重要環(huán)節(jié)。針對高溫鋁合金鍛件的在線標識需求(420～480℃)，我們采用100W大功率激光打標頭，以從下向上標刻的形式避免高溫氣場的熱輻射效應，并加裝工業(yè)空調(diào)循環(huán)風冷，實現(xiàn)了良好的打標效果并延長了光纖激光打標機的使用壽命。當發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品存在質(zhì)量問題時，首先進行逆向追溯，通過掃描鋁車輪表面標識二維碼，獲得產(chǎn)品的唯一二維碼(ID)如圖2所示，通過二維碼追溯數(shù)據(jù)庫中各個工序的工藝參數(shù)、設備參數(shù)和檢測數(shù)據(jù)，逐級的進行質(zhì)量問題分析，從而定位出現(xiàn)質(zhì)量問題的環(huán)節(jié)。然后通過正向的追蹤，對該環(huán)節(jié)同批次產(chǎn)品進行追蹤，定位產(chǎn)品的流向，如毛坯線邊庫、物流輥道上的在制品、成品庫和已售出產(chǎn)品的整車廠商等。
圖2 鍛坯二維碼
在線三維視覺測量
視覺檢測系統(tǒng)(圖3)工作在鍛壓工位，在運動裝置、隔熱降溫裝置和工裝的輔助下，對鍛壓后仍處于熱態(tài)的輪轂毛坯進行在線抽檢。檢測內(nèi)容為輪轂毛坯的關鍵尺寸、表面缺陷，并根據(jù)設定以數(shù)據(jù)或固定格式的檢測報告的形式輸出檢測結(jié)果，上傳到車間網(wǎng)絡。檢測結(jié)果供分析與評估工藝路線和工藝參數(shù)的執(zhí)行情況、設備的運行情況，形成MES系統(tǒng)中產(chǎn)品質(zhì)量檔案的一部分，供質(zhì)量追溯模塊調(diào)用;并結(jié)合MES系統(tǒng)，根據(jù)由檢測獲得的工藝結(jié)果參數(shù)(包括表面缺陷)反推壓機工作狀態(tài)是否異常及模具磨損情況。
圖3 三維檢測設備自動掃描
數(shù)據(jù)采集
為滿足數(shù)字化車間總體技術路線和規(guī)劃要求，生產(chǎn)制造執(zhí)行和可視化系統(tǒng)必須從傳感器、設備、儀表等待測單元中自動采集數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)采集依賴標準的通訊協(xié)議、專用的接口訪問方式，通過完整的網(wǎng)絡拓撲實現(xiàn)從底層采集到頂層數(shù)據(jù)的存儲分析，同時將采集的底層數(shù)據(jù)信息進行實時顯示。鍛造生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集對象主要包括兩種類型數(shù)據(jù)：⑴電能數(shù)據(jù)。生產(chǎn)車間安裝16臺智能電表用于采集4條鍛造線包括預熱爐、液壓機、擴孔機、機械臂等設備的電能消耗。電表支持MODBUS通信協(xié)議和RTU傳送方式，支持RS485接口串行通信。⑵生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)。鍛造生產(chǎn)過程中衍生出大量過程數(shù)據(jù)，包括鍛造產(chǎn)量信息、鍛造質(zhì)量信息、鍛造設備狀態(tài)信息、激光打碼等數(shù)據(jù)信息。各種數(shù)據(jù)信息經(jīng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)PLC處理匯總，定制開發(fā)支持訪問現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的采集軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取，如圖4所示。
圖4 數(shù)據(jù)庫查詢鍛造線產(chǎn)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的通訊方式為：⑴MODBUS通訊協(xié)議。對于同一工序中不同設備的電表，通過屏蔽雙絞線T形網(wǎng)絡的連接方式，將該工序中的各電表節(jié)點進行串行通信，將采集的數(shù)據(jù)匯總到分配的串口服務器中，將RS-485接口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TCP/IP端口的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的單向轉(zhuǎn)換，從而使得采集的電表參數(shù)可以進行IP化的數(shù)據(jù)通訊，最后，將IP化的數(shù)據(jù)通過交換機傳送到專用采集軟件中進行分析和展示。⑵多種PLC轉(zhuǎn)換協(xié)議。根據(jù)采集數(shù)據(jù)種類和精度要求，每條生產(chǎn)線布置的傳感器和PLC的種類與數(shù)量也隨之增多，導致控制系統(tǒng)中包含多種廠商品牌的PLC。為了得到不同廠商PLC中的數(shù)據(jù)，引入?yún)f(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關如圖5、圖6所示。在專用采集軟件中，設置協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關中相關的PLC轉(zhuǎn)換協(xié)議，實現(xiàn)與生產(chǎn)車間控制系統(tǒng)中的PLC交互通訊，從而得到PLC實時采集到的傳感器數(shù)據(jù)和質(zhì)量過程數(shù)據(jù)。
圖5 多種轉(zhuǎn)換協(xié)議1
圖6 多種轉(zhuǎn)換協(xié)議2
功能實現(xiàn)
通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)和生產(chǎn)管理軟件的集成，能夠幫助管理層實時掌控計劃、調(diào)度、質(zhì)量、設備運行等信息情況，使各相關部門及時發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。實現(xiàn)對生產(chǎn)過程全監(jiān)控、優(yōu)化生產(chǎn)調(diào)度、實現(xiàn)產(chǎn)品正反追蹤追溯，幫助企業(yè)實現(xiàn)多品種生產(chǎn)管理和實現(xiàn)生產(chǎn)透明化，從而降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)效率，完成精益化生產(chǎn)。ERP訂單執(zhí)行狀況和鍛造生產(chǎn)線工單執(zhí)行狀況如圖7、圖8所示。
圖7 ERP訂單執(zhí)行狀況
圖8 鍛造生產(chǎn)線工單執(zhí)行狀況由鍛造生產(chǎn)線單機設備的操作時間、計劃工作時間，得到設備的時間開動率;由單件設備產(chǎn)生的廢品數(shù)、合格品數(shù)，得到設備的合格品率指數(shù);由加工數(shù)量、實際加工周期、理論加工周期得到產(chǎn)品的性能開動率，從而獲取設備的OEE和鍛造生產(chǎn)線設備運行狀態(tài)，如圖9、圖10所示。
圖9 設備OEE
圖10 鍛造生產(chǎn)線設備運行狀態(tài)能源系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集能夠統(tǒng)計出生產(chǎn)線能耗、班組能耗(圖11)、工廠月度耗能(圖12)、自動生成實時曲線、歷史曲線、預測曲線、實時報表、歷史報表、日/月報表等，為節(jié)能管理提供依據(jù)，為技術節(jié)能提供數(shù)據(jù)分析。
圖11 鍛造生產(chǎn)線班組單耗
圖12 鍛造生產(chǎn)線月耗能分析能源利用率的主要體現(xiàn)：⑴生產(chǎn)效率的提升和產(chǎn)品不良率的下降，是能源利用率提升的綜合體現(xiàn)。⑵系統(tǒng)實施后的物流輸送輥道，檢測到來料時自動開啟，無料時自動停止，通過自動啟停的方式進行能源的有效利用。⑶加熱爐通過MES系統(tǒng)采集到的能耗輸出，根據(jù)下道工序的生產(chǎn)情況，可以自動調(diào)節(jié)加熱功率，以達到能源最大利用的效果。⑷加熱爐上帶有熱能回收系統(tǒng)，可將排出的尾氣以熱交換的方式把進氣預熱至200℃，以此來提升能耗的利用率。
數(shù)據(jù)分析與優(yōu)化
鍛造生產(chǎn)過程是多變量共同影響的非穩(wěn)態(tài)的大型工業(yè)過程系統(tǒng)，因此無法完全依靠傳統(tǒng)方法建立精確的物理模型進行管理監(jiān)控，但是設備又時刻產(chǎn)生大量反映過程運行狀態(tài)及產(chǎn)品質(zhì)量的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)能夠間接地反映多變量非穩(wěn)態(tài)的鍛造生產(chǎn)環(huán)境的波動，包括材料性能和尺寸波動、模具型腔波動、機械設備狀況波動、鍛件溫度波動、模具溫度波動、模具潤滑狀況波動等。我公司根據(jù)鋁合金車輪對生產(chǎn)過程穩(wěn)定性和生產(chǎn)過程優(yōu)化的需求，基于數(shù)字化車間系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集能力，開發(fā)實現(xiàn)了在線故障診斷與分析系統(tǒng)。在線故障診斷與分析系統(tǒng)采集鍛造生產(chǎn)過程中的工藝質(zhì)量參數(shù)、設備狀態(tài)參數(shù)、成形過程參數(shù)，通過Cpk計算及SPC控制圖(圖13)趨勢分析，對鍛造生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性作出判定，即生產(chǎn)過程正常，有穩(wěn)定裕度，或已經(jīng)失穩(wěn)而需要優(yōu)化提高。系統(tǒng)基于規(guī)則或者啟發(fā)式模型的質(zhì)量控制圖，并通過配置和運用規(guī)則集合來提供專家判定和優(yōu)化建議。
圖13 控制圖模式以壓力機終鍛打擊力為例，當SPC控制圖處于上升趨勢模式時，專家系統(tǒng)將作出原因判定，針對模具冷卻潤滑不良，系統(tǒng)將提出檢查并調(diào)整冷卻潤滑裝置的建議，壓力機終鍛打擊力趨勢判斷如圖14所示。
圖14 壓力機終鍛打擊力趨勢判斷
結(jié)束語
本文所展示的基于鋁合金車輪的智能化鍛造系統(tǒng)是完全新型的鍛造生產(chǎn)理念和生產(chǎn)模式，基于全流程物流輥道線的自動化系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)、激光刻碼、視覺讀碼的單件全流程追溯技術和在線三維視覺測量技術構建了一個可自動運行、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)實時展示、故障診斷、單鍛件全流程質(zhì)量追溯的鍛造生產(chǎn)過程，這對我國鍛造產(chǎn)業(yè)從自動化向數(shù)字化、智能化的轉(zhuǎn)型升級起著積極的推進和示范作用。
作者簡介:袁超，主要從事制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)、智能制造集成解決方案等工作。參與完成“國家863計劃”先進制造技術領域“數(shù)字化智能化鋁合金熔鑄生產(chǎn)線及能效監(jiān)測系統(tǒng)研究”課題、工信部智能制造綜合標準化與新模式應用“商用車鍛造鋁合金車輪智能制造新模式應用”課題等。
—— 來源： 《鍛造與沖壓》2019年第19期
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