汽車熱模鍛行業(yè)智能化鍛造系統(tǒng)與開(kāi)放創(chuàng)新服務(wù)平臺(tái)研發(fā)及應(yīng)用示范(中)

文/董銘，胡斌，張波·浙江威力鍛壓機(jī)械有限公司

熱模鍛多尺度、多參數(shù)的數(shù)據(jù)知識(shí)圖譜及智能算法庫(kù)構(gòu)建

本項(xiàng)目金屬熱模鍛成形方法是工件和模具相互作用的過(guò)程，“鍛壓機(jī)一模具-工件”組成一個(gè)完整的機(jī)械加工工藝系統(tǒng)。將與金屬熱模鍛加工相關(guān)的數(shù)據(jù)歸類為事實(shí)性知識(shí)和過(guò)程性知識(shí)，前者描述的是金屬熱模鍛過(guò)程中的各種物理現(xiàn)象及其變化規(guī)律，而后者指存儲(chǔ)在各種應(yīng)用系統(tǒng)代表制造型企業(yè)利用熱模鍛方式加工工件產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。針對(duì)事實(shí)性知識(shí)和過(guò)程性知識(shí)彼此隔離、相互轉(zhuǎn)化的難題，構(gòu)建熱模鍛多尺度、多參數(shù)的數(shù)據(jù)知識(shí)圖譜及智能算法庫(kù)，在語(yǔ)義層面將事實(shí)性知識(shí)和過(guò)程性知識(shí)關(guān)聯(lián)起來(lái)，為熱模鍛加工構(gòu)建智慧的大腦提供新的方法。

金屬熱模鍛知識(shí)圖譜的構(gòu)建采用自頂向下的方式，先利用OWL語(yǔ)言對(duì)熱模鍛成形過(guò)程中概念之間的關(guān)系建模，建立熱模鍛知識(shí)圖譜的模式層，然后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)融合，即先構(gòu)建TBox,再建立ABox。項(xiàng)目用Protégé軟件對(duì)這兩種知識(shí)類型進(jìn)行OWL本體建模，OWL提供三種表達(dá)能力遞增的子語(yǔ)言、OWLLite、OWLDL、OWLFull。

熱模鍛知識(shí)圖譜本體模型構(gòu)建

熱模鍛知識(shí)圖譜本體模型構(gòu)建包括事實(shí)性知識(shí)本體建模和過(guò)程性知識(shí)本體建模。事實(shí)性知識(shí)本體建模包括物理現(xiàn)象和物理量本體建模、物理量變化關(guān)系本體建模，過(guò)程性知識(shí)本體建模包括工件結(jié)構(gòu)特征類本體建模、材料本體建模、鍛壓機(jī)本體建模、熱模鍛過(guò)程建模。

(1)物理現(xiàn)象和物理量本體建模。

熱模鍛成形過(guò)程產(chǎn)生多種物理現(xiàn)象，如模鍛變形量、鍛壓力、鍛壓溫度和加熱溫度、模具磨損和破損等等，對(duì)這些物理現(xiàn)象和物理量建立本體模型。

(2)物理量變化關(guān)系本體建模。

金屬熱模鍛過(guò)程產(chǎn)生的各種物理現(xiàn)象相互關(guān)聯(lián)、相互影響，而且這種關(guān)聯(lián)錯(cuò)綜復(fù)雜，建立恰當(dāng)?shù)谋倔w模型準(zhǔn)確表達(dá)這些關(guān)系將是構(gòu)建金屬熱模鍛知識(shí)圖譜的基礎(chǔ)。是以圖結(jié)構(gòu)的形式描述金屬熱模鍛成形規(guī)律的前提條件。項(xiàng)目建立本體模型將熱模鍛成形過(guò)程中相關(guān)物理現(xiàn)象之間的關(guān)系轉(zhuǎn)換為三元組，并用圖結(jié)構(gòu)的形式表示，如圖15所示。

圖15 熱模鍛相關(guān)物理現(xiàn)象關(guān)系圖譜

(3)工件結(jié)構(gòu)特征類本體建模。

工件的結(jié)構(gòu)形狀多種多樣，項(xiàng)目將工件的結(jié)構(gòu)特征分為棱柱形工件、旋轉(zhuǎn)對(duì)稱工件、異形工件等，每一類又細(xì)分為若干更明細(xì)的結(jié)構(gòu)特征，其幾何形狀特征通過(guò)定義數(shù)據(jù)屬性來(lái)描述。

(4)材料本體建模。

建立“Materials”類代表金屬材料類型，下面有6個(gè)個(gè)體P-鋼、M-不銹鋼、K-鑄鐵、S-耐熱合金、N-有色金屬、H-高硬度材料。金屬材料的性能由一系列指標(biāo)來(lái)表征.包括物理性能指標(biāo)、強(qiáng)度性能指標(biāo)、硬度性能指標(biāo)、塑性指標(biāo)、疲勞指標(biāo)和熱性能指標(biāo)等。

(5)鍛壓機(jī)本體建模。

鍛壓機(jī)是模鍛成形的主要設(shè)備，根據(jù)公司實(shí)際的情況，增加“maching_center”類描述模鍛成形中心。另外，建立獨(dú)立“CNC_equipments”類描述控制設(shè)備，運(yùn)用owl:equivalentClass使其等價(jià)于其他鍛壓機(jī)的并集。以方便數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析。

(6)熱模鍛過(guò)程建模。

建立“Processes”和"Forging_processes"類作為橋梁來(lái)連接熱模鍛成形的各個(gè)要素，熱模鍛成形過(guò)程本體模型如圖16所示。在上述模型的基礎(chǔ)上，形成如圖17所示的金屬熱模鍛完整本體模型，包含了事實(shí)性知識(shí)和過(guò)程性知識(shí)的基本類、對(duì)象屬性和數(shù)據(jù)屬性。

圖16 熱模鍛成形過(guò)程本體模型

圖17 金屬熱模鍛成形完整本體模型

熱模鍛知識(shí)圖譜數(shù)據(jù)生成和融合

金屬熱模鍛成形知識(shí)圖譜數(shù)據(jù)的生成和融合。對(duì)于事實(shí)性知識(shí)，基于自然語(yǔ)言處理技術(shù)，建立了BI-LSTM+CRF的知識(shí)抽取架構(gòu)，對(duì)于過(guò)程性知識(shí)，基于OBDA架構(gòu)，制定了關(guān)系模型到本體模型的映射關(guān)系實(shí)現(xiàn)關(guān)系型數(shù)據(jù)向三元組的轉(zhuǎn)換，建立基于屬性相似度的數(shù)據(jù)融合方法。

(1)事實(shí)性知識(shí)生成。

熱模鍛事實(shí)性知識(shí)主要來(lái)源于圖書、期刊論文、技術(shù)手冊(cè)以及試驗(yàn)報(bào)告等文檔資料，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式為非結(jié)構(gòu)化文本文檔或半結(jié)構(gòu)化表格。事實(shí)性知識(shí)生成就是從這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式的數(shù)據(jù)中抽取出反映金屬熱模鍛鍛造規(guī)律的物理現(xiàn)象、物理量以及它們之間的變化關(guān)系，從而形成三元組數(shù)據(jù)的過(guò)程。

①條件隨機(jī)場(chǎng)技術(shù)。

條件隨機(jī)場(chǎng)是一種判別式概率模型，聯(lián)合概率一般寫成若干勢(shì)函數(shù)聯(lián)乘的形式，其中最常用的是線性鏈條件隨機(jī)場(chǎng)。條件隨機(jī)場(chǎng)在自然語(yǔ)言處理任務(wù)中，廣泛用于分詞、詞性標(biāo)注和命名實(shí)體識(shí)別等序列標(biāo)注任務(wù)中。

②長(zhǎng)短時(shí)記憶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)RNN是一種所有節(jié)點(diǎn)按鏈?zhǔn)竭B接的遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其輸入為序列數(shù)據(jù)，在序列的演進(jìn)方向進(jìn)行遞歸。RNN帶有一個(gè)指向自身的環(huán)，用來(lái)表示可以傳遞當(dāng)前時(shí)刻處理的信息給下一時(shí)刻使用。RNN具有一定的記憶功能，可以被用來(lái)解決很多問(wèn)題，例如語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)言模型、機(jī)器翻譯等。但是它并不能很好地處理長(zhǎng)時(shí)依賴問(wèn)題，當(dāng)預(yù)測(cè)點(diǎn)與依賴的相關(guān)信息距離比較遠(yuǎn)，存在長(zhǎng)序列訓(xùn)練過(guò)程出現(xiàn)梯度消失和梯度爆炸的問(wèn)題。

而長(zhǎng)短時(shí)記憶網(wǎng)絡(luò)LSTM是一種特殊的RNN,可以很好地解決長(zhǎng)時(shí)依賴問(wèn)題。圖18顯示了一個(gè)單元的LSTM結(jié)構(gòu)，計(jì)算過(guò)程可概括為，通過(guò)對(duì)細(xì)胞狀態(tài)Ct中信息遺忘和記憶新的信息，使得對(duì)后續(xù)時(shí)刻計(jì)算有用的信息得以傳遞，而無(wú)用的信息被丟棄，并在每個(gè)時(shí)間步都會(huì)輸出隱層狀態(tài)ht,其中遺忘、記憶與輸出由通過(guò)上個(gè)時(shí)刻的隱層狀態(tài)ht-1和當(dāng)前輸入Xt,計(jì)算出來(lái)的遺忘門ft、記憶門it和輸出門ot來(lái)控制。

雙向長(zhǎng)短時(shí)記憶網(wǎng)絡(luò)Bi-LSTM網(wǎng)絡(luò)在LSTM的基礎(chǔ)上增加向后計(jì)算，即輸入層的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)向前和向后兩個(gè)方向推算，最后輸出的隱含狀態(tài)再進(jìn)行連接，作為下一層的輸入。Bi-LSTM通過(guò)雙向計(jì)算，能夠更深入理解文本中句子的上下文語(yǔ)義，取得更準(zhǔn)確的識(shí)別效果。

圖18 LSTM單元結(jié)構(gòu)圖

③文本處理。從非結(jié)構(gòu)化的文本中抽取知識(shí)是自然語(yǔ)言處理技術(shù)NLP的核心內(nèi)容之一，是產(chǎn)生金屬熱模鍛鍛造知識(shí)圖譜事實(shí)性數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，需要完成以下三方面的工作。

(a)文本表示。為了利于計(jì)算機(jī)識(shí)別和算法計(jì)算，金屬切削加工事實(shí)性知識(shí)的各種非結(jié)構(gòu)化文檔多為字符串形式的文本數(shù)據(jù)，首先需要將人類理解的、富含語(yǔ)義的字符文本通過(guò)某種形式表示成數(shù)值化的數(shù)據(jù)。這一過(guò)程也稱為詞向量嵌入。

(b)命名實(shí)體識(shí)別。命名實(shí)體識(shí)別任務(wù)是識(shí)別句子中出現(xiàn)的實(shí)體，本文主要識(shí)別金屬熱模鍛鍛造領(lǐng)域的物理現(xiàn)象、物理量以及物理量的取值。

(c)關(guān)系抽取。關(guān)系抽取的主要任務(wù)是從句子中識(shí)別出給定實(shí)體對(duì)之間的關(guān)系類型，進(jìn)而形成三元組。

④數(shù)據(jù)生成工作流程。為了有效地從非結(jié)構(gòu)化文檔中抽取出實(shí)體及實(shí)體之間的關(guān)系，產(chǎn)生金屬熱模鍛事實(shí)性知識(shí)，建立文本預(yù)處理→命名實(shí)體抽取(BI-LSTM)→關(guān)系抽取(基于觸發(fā)詞和句法依存關(guān)系)→生產(chǎn)三元組的總體工作流程架構(gòu)。

⑤文本預(yù)處理。無(wú)論是基于機(jī)器學(xué)習(xí)還是深度學(xué)習(xí)的算法模型，都要求數(shù)值化的數(shù)據(jù)作為輸入，均不能直接處理離散化的字符信息。因此需要進(jìn)行文本預(yù)處理，目的是將原始文本數(shù)據(jù)表示成計(jì)算機(jī)可以運(yùn)算的數(shù)值化數(shù)據(jù)，一般是將文字轉(zhuǎn)換成固定大小維度的數(shù)值向量。本項(xiàng)目采用Word2Vec法對(duì)文本進(jìn)行詞向量化，最終訓(xùn)練生成300維的詞向量作為模型的輸入。

⑥實(shí)體抽取。從文本中識(shí)別出金屬熱模鍛領(lǐng)域的物理現(xiàn)象、物理量以及物理量的變化值，為此建立了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在編碼階段，使用Bi-LSTM網(wǎng)絡(luò)對(duì)上下文文本中的語(yǔ)義進(jìn)行編碼，而在解碼階段使用CRF對(duì)實(shí)體抽取結(jié)果進(jìn)行解碼輸出。

⑦關(guān)系抽取。為描述關(guān)系的詞匯定義標(biāo)簽，對(duì)CRF層的輸出采用基于觸發(fā)詞和句法依存關(guān)系的方式實(shí)現(xiàn)關(guān)系的抽取。初步定義了種子觸發(fā)詞與定義的對(duì)象屬性之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，隨著語(yǔ)料庫(kù)的增加，訓(xùn)練的不斷進(jìn)行，觸發(fā)詞的規(guī)模也不斷增長(zhǎng)。

⑧生成三元組。命名實(shí)體和關(guān)系抽取完成后，后續(xù)任務(wù)就是依據(jù)制定的觸發(fā)詞和對(duì)象屬性/數(shù)據(jù)屬性之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系生成三元組數(shù)據(jù)。

(2)過(guò)程性知識(shí)生成。

①數(shù)據(jù)生成工作流程。項(xiàng)目采用R2RML(從關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)到RDF數(shù)據(jù)集的自定義映射的語(yǔ)言)方式生成金屬熱模鍛成形過(guò)程性知識(shí)的RDF數(shù)據(jù)集。另外。項(xiàng)目基于Ontop建立了數(shù)據(jù)集成框架，以此產(chǎn)生知識(shí)圖譜過(guò)程性知識(shí)的三元組。

②實(shí)施步驟、通過(guò)JDBC建立與Oracle的連接：設(shè)計(jì)Mappingaxiom。按照構(gòu)建的過(guò)程性知識(shí)本體模型建立14個(gè)映射關(guān)系；編程調(diào)用OntopAPI.生成三元組，目前，已將公司模具、鍛壓機(jī)、工件和材料方面的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換生成大約30多萬(wàn)條三元組。

(3)知識(shí)融合。項(xiàng)目重點(diǎn)解決在實(shí)體層面的知識(shí)融合，即將來(lái)自不同數(shù)據(jù)源的同一客觀實(shí)體(如模具、鍛壓機(jī)和工件)數(shù)據(jù)融合起來(lái)，以保證知識(shí)圖譜數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性。項(xiàng)目采用計(jì)算屬性相似度的方法來(lái)進(jìn)行實(shí)體的對(duì)齊。描述模具、鍛壓機(jī)和工件屬性的字符多為短文本，而Jaccard系數(shù)和Levenshtein最小編輯距離均適合計(jì)算短文本的相似度。因此項(xiàng)目采用二者相結(jié)合的方式確定實(shí)體的等價(jià)性、以提高準(zhǔn)確性。

模鍛鍛造系統(tǒng)多參數(shù)智能算法庫(kù)構(gòu)建

智能算法庫(kù)將采用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的思想，應(yīng)用于鍛造過(guò)程控制管理，充分利用面向?qū)ο缶幊陶Z(yǔ)言的繼承性和多態(tài)性。運(yùn)用接口開(kāi)發(fā)技術(shù)定義規(guī)范和類的繼承實(shí)現(xiàn)父類和子類層次分解，使熱模鍛智能算法庫(kù)具有很好的靈活性和可擴(kuò)展性。從中觀和微觀層面實(shí)現(xiàn)鍛造過(guò)程的控制與管理，以及企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃的閉環(huán)控制，最終實(shí)現(xiàn)智能算法庫(kù)與傳統(tǒng)智能化決策系統(tǒng)地有效結(jié)合。圖19為數(shù)據(jù)知識(shí)圖譜及智能算法庫(kù)構(gòu)建流程圖。

圖19 數(shù)據(jù)知識(shí)圖譜及智能算法庫(kù)構(gòu)建流程圖

在數(shù)據(jù)庫(kù)中，創(chuàng)建了多個(gè)表來(lái)存儲(chǔ)不同類型的數(shù)據(jù)。例如，模具表用于存儲(chǔ)模具的基本信息，包括模具編號(hào)、名稱、規(guī)格、材質(zhì)等，鍛壓機(jī)表用于存儲(chǔ)鍛壓機(jī)的相關(guān)信息，如設(shè)備編號(hào)，設(shè)備名稱、額定功率等工件表則用于存儲(chǔ)工件的信息，如工件編號(hào)、名稱、尺寸等。為了有效管理和查詢項(xiàng)目中的大量數(shù)據(jù)，采用了關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)MySQL來(lái)存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)。除了基本信息表外，還創(chuàng)建了關(guān)聯(lián)表來(lái)存儲(chǔ)實(shí)體之間的關(guān)系。例如，模具與工件之間的關(guān)聯(lián)表可以記錄哪個(gè)模具用于加工哪個(gè)工件，以及加工的具體參數(shù)等信息。

為了方便用戶查詢和操作數(shù)據(jù)，我們還提供了友好的用戶界面。用戶可以通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，并使用SOL語(yǔ)句或圖形化界面進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢、插入，更新和刪除等操作。智能熱模鍛可視化技術(shù)根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)及產(chǎn)品全生命周期采集的數(shù)據(jù)，基于智能算法

利用創(chuàng)新服務(wù)平臺(tái)數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)，展示現(xiàn)場(chǎng)加工過(guò)程和數(shù)據(jù)管理過(guò)程。可視化技術(shù)通過(guò)測(cè)控部件獲取加工設(shè)備狀態(tài)、作業(yè)完成情況、材料使用情況及產(chǎn)品質(zhì)量等實(shí)時(shí)信息，提供產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)知識(shí)圖譜與智能算法庫(kù)的內(nèi)容進(jìn)行直觀表達(dá)。在使用數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：首先，確保數(shù)據(jù)庫(kù)的安全性，避免數(shù)據(jù)泄露或被非法訪問(wèn)：其次，定期進(jìn)行數(shù)據(jù)備份，以防數(shù)據(jù)丟失或損壞，最后，根據(jù)項(xiàng)目的需要不斷優(yōu)化數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)和查詢語(yǔ)句，提高數(shù)據(jù)查詢和處理的效率。

汽車熱模鍛智能化鍛造設(shè)備與生產(chǎn)線建設(shè)

鍛造壓力機(jī)本體系統(tǒng)

針對(duì)汽車熱模鍛行業(yè)智能化鍛造系統(tǒng)進(jìn)行了深度研發(fā)，特別是在壓力機(jī)等核心裝備的設(shè)計(jì)、研發(fā)和制造方面。通過(guò)結(jié)合我公司和合作高校的自主創(chuàng)新技術(shù)并借鑒韓國(guó)、日本、俄羅斯等國(guó)外頭部企業(yè)的裝備特點(diǎn)，我們針對(duì)高噸位、快節(jié)拍的生產(chǎn)特性進(jìn)行了壓力機(jī)裝備的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

壓力機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)如圖20所示，機(jī)身間距相比一般壓力機(jī)得到了加寬，更方便實(shí)現(xiàn)多工位布局，且能加入操控性更強(qiáng)的大重量曲軸，使得設(shè)備能力更大。設(shè)備主板得到了加強(qiáng)，整體剛性高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)3倍.提高了加工精度與使用壽命。設(shè)備參考MP型輕型機(jī)的設(shè)計(jì)，將壓力角增大到20°:同時(shí)，該設(shè)備采用了多層摩擦片結(jié)構(gòu)，增大離合器扭矩，有效提高了打擊力。此外，該設(shè)備還考慮了鍛件在生產(chǎn)過(guò)程中溫度變低和工人操作間隔時(shí)間不一致導(dǎo)致噸位異常超出的情況，進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)。

在飛輪方面，該設(shè)備加大了飛輪的尺寸并加厚了飛輪的厚度，使得飛輪蓄能大且慣量變大，見(jiàn)圖21。

在滑塊方面，該設(shè)備采用了雙連桿設(shè)計(jì)和加長(zhǎng)型的八面導(dǎo)軌設(shè)計(jì)(圖22),提高了設(shè)備的偏心載荷能力并保持了高精度。此外，該設(shè)備還采用了蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)調(diào)模，實(shí)現(xiàn)了在生產(chǎn)過(guò)程中任意點(diǎn)可調(diào)模高的功能。

圖20 機(jī)架結(jié)構(gòu)圖

圖21 傳動(dòng)曲軸與飛輪

圖22 滑塊上頂料與機(jī)架下頂料圖

智能化在線質(zhì)量監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)

(1)下料智能化在線檢測(cè)與控制子系統(tǒng)。

主要組成，傳送裝置1套、棒料切割機(jī)1臺(tái)、上料機(jī)1臺(tái)。數(shù)據(jù)處理器將長(zhǎng)度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并通過(guò)伺服控制器驅(qū)動(dòng)切割機(jī)圓盤鋸定位塊電機(jī)運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)度定位塊調(diào)整相應(yīng)長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)下料長(zhǎng)度調(diào)整。毛坯經(jīng)棒料切割機(jī)鋸斷后，通過(guò)自動(dòng)傳送裝置傳送至下一工位。

(2)加熱溫度自適應(yīng)控制子系統(tǒng)。

主要組成：加熱爐1臺(tái)、紅外測(cè)溫儀1臺(tái)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器1臺(tái)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)1套。建立不同型號(hào)產(chǎn)品的加熱工藝參數(shù)、質(zhì)量參數(shù)及質(zhì)量控制規(guī)則數(shù)據(jù)庫(kù)，指導(dǎo)并控制加熱過(guò)程。設(shè)置好紅外測(cè)溫儀檢測(cè)坯料加熱溫度，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理判斷后，輸入調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，自動(dòng)調(diào)整和控制加熱參數(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程加熱質(zhì)量均一化。所需設(shè)備在國(guó)內(nèi)相關(guān)廠家采購(gòu)，數(shù)據(jù)處理軟硬件系統(tǒng)主要部分自主研發(fā)、部分零部件外購(gòu)，單元組合技術(shù)及相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)自主研制。

(3)智能化鍛造中心。

①多柱塞聯(lián)動(dòng)成形工藝參數(shù)的數(shù)控子系統(tǒng)。

多柱塞鍛造專家系統(tǒng)所提供的工藝參數(shù)由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令，通過(guò)液壓執(zhí)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。數(shù)控系統(tǒng)相當(dāng)于執(zhí)行人員的大腦，接受上級(jí)指令后經(jīng)過(guò)一系列的信號(hào)放大、電路開(kāi)合、邏輯判斷等形成的程序自行運(yùn)算，將多工藝參數(shù)的時(shí)間相位關(guān)系曲線以及所有的行程、壓力、速度傳感器信息等轉(zhuǎn)換成數(shù)字電磁信號(hào).發(fā)給液壓執(zhí)行部件，形成液壓執(zhí)行部件的輸入指令。數(shù)控系統(tǒng)由程序執(zhí)行部分PLC、信號(hào)放大器、數(shù)模D/A轉(zhuǎn)換器、顯示屏、上位計(jì)算機(jī)、電氣組件等組成。

②多柱塞聯(lián)動(dòng)成形工藝參數(shù)的數(shù)字液壓執(zhí)行子系統(tǒng)。

工件的精密成形是靠智能化鍛造壓力機(jī)各個(gè)柱塞的有序運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，柱塞是通過(guò)控制有壓力流體的流動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。而各柱塞施行壓力大小、運(yùn)行速度、作用時(shí)間等鍛造成形工藝參數(shù)通過(guò)鍛造工藝專家系統(tǒng)獲得。MES系統(tǒng)調(diào)取專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)工藝參數(shù)給設(shè)備數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)字指令經(jīng)放大后傳給數(shù)字比例閥，借助位移、速度等傳感器的精確控制信息，控制比例閥或伺服閥的開(kāi)合及開(kāi)口大小.進(jìn)而控制進(jìn)入各個(gè)液壓柱塞缸的流體容量、流速、時(shí)間等。液壓執(zhí)行系統(tǒng)主要由液壓執(zhí)行元件——液壓柱塞，數(shù)字比例閥/伺服閥/伺服泵、方向控制閥、安全閥、集成閥塊，行程、壓力、速度、流量等參數(shù)傳感器，油液冷卻系統(tǒng)、過(guò)濾系統(tǒng)、液面報(bào)警裝置，液壓泵動(dòng)力單元、動(dòng)力油箱等組成。

③壓力機(jī)行程、壓力、速度、流量、溫度等參數(shù)傳感器感知及反饋?zhàn)酉到y(tǒng)。

對(duì)于不同的精密成形工件，鍛造專家系統(tǒng)給出的多柱塞運(yùn)動(dòng)時(shí)間相位關(guān)系參量不同，具有特殊時(shí)間節(jié)點(diǎn)的參量如行程、壓力、速度等控制信息需要感知部件完成。因此，位移傳感器、流量計(jì)、數(shù)字壓力表、速度傳感器、角位移傳感器等感知部件成為智能控制

系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，相應(yīng)的信號(hào)放大部分、信號(hào)傳輸及反饋至控制部分必不可少，進(jìn)而控制程序的比對(duì)及計(jì)算，重新調(diào)整壓力機(jī)各液壓柱塞的控制參數(shù)，完成工件的精密成形。該部分主要由各種傳感器組件、信號(hào)放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器及反饋電子組件、安裝連接組件等所組成。設(shè)置傳感器的位置主要和鍛造專家系統(tǒng)需要的多參數(shù)時(shí)間相位曲線有關(guān)，也和本工序操作機(jī)器人的動(dòng)作、節(jié)拍協(xié)調(diào)相配，同時(shí)考慮上下工序的時(shí)間協(xié)調(diào)配合。

④壓力機(jī)故障監(jiān)測(cè)、報(bào)警、診斷子系統(tǒng)。

監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)：主要監(jiān)測(cè)各液壓柱塞和液壓泵的液體壓力、柱塞運(yùn)動(dòng)速度及移動(dòng)位置，關(guān)鍵方向閥的液體流量，系統(tǒng)液壓安全閥液體壓力、溫度、純凈度、液面高度，鍛件外觀尺寸，主要電氣開(kāi)關(guān)開(kāi)合狀態(tài)等。

報(bào)警子系統(tǒng)。各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)液體壓力、溫度、純凈度以及柱塞行程、液面高度、鍛件外觀尺寸等超過(guò)設(shè)定范圍時(shí)的報(bào)警。

診斷子系統(tǒng)根據(jù)各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)壓力傳感器信息診斷相應(yīng)液壓系統(tǒng)部位閥工作狀態(tài)，進(jìn)而判斷設(shè)備液壓方面故障原因，根據(jù)位移傳感器信息診斷工件成形缺陷的有關(guān)各柱塞運(yùn)動(dòng)方面故障。根據(jù)關(guān)鍵位置的電氣開(kāi)關(guān)狀態(tài)診斷設(shè)備電氣故障方面的原因：根據(jù)鍛造專家系統(tǒng)結(jié)合上下工序數(shù)據(jù)信號(hào)診斷工件綜合缺陷信息。

⑤模具智能化潤(rùn)滑及冷卻子系統(tǒng)

該系統(tǒng)包括測(cè)溫儀、數(shù)據(jù)處理器及潤(rùn)滑劑自動(dòng)噴淋系統(tǒng)。復(fù)雜零件的精密成形主要靠相應(yīng)的模具完成模具工作狀態(tài)直接決定工件輪廓尺寸合格與否，而模具工作時(shí)溫度和潤(rùn)滑條件對(duì)模具使用壽命起著決定性影響。鍛造中心設(shè)有模具智能化潤(rùn)滑及冷卻系統(tǒng)。通過(guò)模具監(jiān)視器檢測(cè)模具工作實(shí)時(shí)狀態(tài)，并將所測(cè)數(shù)據(jù)反饋至鍛造中心控制系統(tǒng)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理器處理判斷后指導(dǎo)模具冷卻系統(tǒng)和自潤(rùn)滑系統(tǒng)工作，始終將模具狀態(tài)控制在最佳狀態(tài)。

鍛件在線檢測(cè)系統(tǒng)

主要組成：三維掃描儀1臺(tái)、機(jī)械手1臺(tái)、鍛造專家系統(tǒng)1套，信號(hào)反饋系統(tǒng)1套，鍛件數(shù)據(jù)對(duì)比軟件及數(shù)據(jù)庫(kù)1套，信號(hào)采集系統(tǒng)1套。此系統(tǒng)參考國(guó)內(nèi)先進(jìn)的自動(dòng)化三維測(cè)量系統(tǒng)，由項(xiàng)目組開(kāi)發(fā)。

通過(guò)鍛造專家系統(tǒng)，建立各類鍛件成形的工藝參數(shù)，生產(chǎn)時(shí)只需輸入所成形鍛件的零件電子編碼，系統(tǒng)自動(dòng)預(yù)設(shè)壓力、行程、作用時(shí)間等鍛造工藝參數(shù)；壓機(jī)具有壓力感知功能，可根據(jù)鍛件成形狀態(tài)，通過(guò)信號(hào)數(shù)據(jù)反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)整鍛造壓力，可根據(jù)不同鍛造階段的各缸壓力及油的流量，感知壓力機(jī)狀態(tài)，并通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比判斷，自動(dòng)采取相應(yīng)的自我調(diào)整、報(bào)警、停車等措施。

通過(guò)三維掃描儀對(duì)鍛件外觀及幾何尺寸進(jìn)行在線質(zhì)量檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)反饋至智能識(shí)別系統(tǒng)，通過(guò)和鍛造工藝專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，判斷鍛件質(zhì)量、壓機(jī)狀態(tài)、模具狀態(tài)及模具可繼續(xù)使用壽命。檢測(cè)系統(tǒng)的智能化工作過(guò)程：機(jī)器人將鍛件從壓力機(jī)模具內(nèi)取出后放入檢測(cè)位置，進(jìn)行照相，成像經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換→狀態(tài)判斷→數(shù)據(jù)處理后，將數(shù)據(jù)自動(dòng)反饋至相應(yīng)控制單元，并自動(dòng)采取措施，包括鍛件質(zhì)量數(shù)據(jù)記錄、壓力機(jī)壓力行程等參數(shù)調(diào)整、下料重量調(diào)整，加熱參數(shù)調(diào)整等。鍛件外觀及尺寸判斷合格的.由機(jī)器人送入傳送帶：如果超出誤差范圍，說(shuō)明模具出現(xiàn)問(wèn)題，報(bào)警并停機(jī)，操作人員接警后根據(jù)報(bào)警信息采取相應(yīng)措施。

智能化汽車零件鍛造生產(chǎn)線建設(shè)

目前，項(xiàng)目已完成智能生產(chǎn)線核心設(shè)備鍛壓機(jī)的研發(fā)設(shè)計(jì)和制造，建立了一條智能鍛造示范生產(chǎn)線此外，全生命周期數(shù)據(jù)采集與處理、熱模鍛壓力機(jī)智能輔助制造系統(tǒng)開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)品質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)與控制的關(guān)鍵技術(shù)已完成搭建。根據(jù)智能化汽車零件的精密鍛造成形生產(chǎn)線設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)備選型，生產(chǎn)線設(shè)備三維布置見(jiàn)圖23,實(shí)物見(jiàn)圖24。

圖23 車間設(shè)備布置局部放大圖

圖24 智能鍛造生產(chǎn)線中設(shè)備整體布置

汽車熱模鍛智能化鍛造數(shù)據(jù)采集方案

軟硬件方案以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)架構(gòu)為基礎(chǔ)，符合企業(yè)生產(chǎn)管理的基本流程業(yè)務(wù)實(shí)踐，滿足企業(yè)日常生產(chǎn)管理基本要求，并預(yù)留企業(yè)未來(lái)信息化新項(xiàng)目的擴(kuò)展接口，具有企業(yè)特色的應(yīng)用管理平臺(tái)。在數(shù)據(jù)采集處理的硬件部分，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)會(huì)安裝很多的各種類型的傳感器，本項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)程序總流程見(jiàn)圖25,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)根據(jù)該流程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)而鏡像展開(kāi)。

圖25 生產(chǎn)程序總流程圖

受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的限制傳感器信號(hào)如壓力傳感器輸出的電壓或者電流信號(hào)不能遠(yuǎn)傳或者因?yàn)閭鞲衅魈嗖?/span>線復(fù)雜，選用分布式或者遠(yuǎn)程的采集卡(模塊)在現(xiàn)場(chǎng)把信號(hào)較高精度地轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后通過(guò)各種遠(yuǎn)傳通信技術(shù)(如485、232、以太網(wǎng)、各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò))把數(shù)據(jù)傳到計(jì)算機(jī)或者其他控制器中進(jìn)行處理。這種數(shù)據(jù)采集卡對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力更強(qiáng)，可以應(yīng)對(duì)各種惡劣的工業(yè)環(huán)境。此數(shù)據(jù)采集卡方案為自主研發(fā)，基于高性能的嵌入式處理器和高速數(shù)據(jù)傳輸接口，能夠?qū)崟r(shí)采集生產(chǎn)線中的各類模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)考慮了生產(chǎn)線的復(fù)雜環(huán)境和嚴(yán)苛要求，具有良好的抗干擾能力和穩(wěn)定性。同時(shí)，我們采用了模塊化設(shè)計(jì)，使得數(shù)據(jù)采集卡可以根據(jù)不同的需求進(jìn)行靈活配置和擴(kuò)展。

鍛造平臺(tái)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)

在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，PLC控制系統(tǒng)通過(guò)ModbusTCP協(xié)議接入到DA系列類數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，西門子PLC數(shù)據(jù)通過(guò)交換機(jī)以西門子S7協(xié)議接入到各個(gè)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，DA系列數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)以4G/WiFi/以太網(wǎng)加密后將數(shù)據(jù)安全轉(zhuǎn)發(fā)到Data&ControlAnywhere服務(wù)器。支持多協(xié)議/多系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集：DA系列數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)支持OPCDA/OPCUA/Modbus/IEC103/IEC104等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)支持多種通訊協(xié)議和接口，能夠方便地與生產(chǎn)線其他設(shè)備進(jìn)行連接和數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)預(yù)留了足夠的接口和擴(kuò)展空間、以滿足未來(lái)生產(chǎn)線升級(jí)和擴(kuò)展的需求。這些數(shù)據(jù)包括企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備產(chǎn)生的各種狀態(tài)與制造參數(shù)、工藝指標(biāo)、人員信息、物料信息等工業(yè)全要素?cái)?shù)據(jù)。打破廠內(nèi)的DCS、PLC、ERP等生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)工廠各個(gè)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)有效融合。由于平臺(tái)服務(wù)企業(yè)至少50家，因此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的兼容性、安全性、擴(kuò)展性必須滿足一定要求。

(1)兼容性。由于平臺(tái)服務(wù)企業(yè)除壓力機(jī)外的輔助設(shè)備供應(yīng)商不同，因此需要數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有很好的兼容性，滿足國(guó)內(nèi)外主流廠家的PLC、DCS、SCADA等系統(tǒng)軟件的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接入，不同的通訊協(xié)議如Modbus,RS-232、RS-485都能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效傳輸。

(2)安全性。安全性主要為系統(tǒng)安全和數(shù)據(jù)安全所有系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)必須牢固可靠，在后期系統(tǒng)的修改和維護(hù)過(guò)程中必須科學(xué)謹(jǐn)慎。為了系統(tǒng)安全，還要做好防止數(shù)據(jù)資源泄露，防止系統(tǒng)被惡意攻擊、入侵、修改。本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的獲取都是通過(guò)接口的形式，可對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的接口進(jìn)行數(shù)據(jù)加密封裝，以保證數(shù)據(jù)的安全。系統(tǒng)賦予每個(gè)用戶唯一標(biāo)識(shí)，能夠禁用賬戶、分配和管理用戶權(quán)限，以此保證系統(tǒng)的安全性。平臺(tái)基于阿里云部署，由阿里云提供“異地雙活”和“兩地三中心”的災(zāi)備解決方案，當(dāng)一處系統(tǒng)因意外(如火災(zāi)、地震等)停止工作時(shí)，整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)可切換到另一處，繼續(xù)提供服務(wù)。防DDoS系統(tǒng)、安全組規(guī)則保護(hù)，多用戶隔離，防密碼破解。

(3)擴(kuò)展性。隨著人工智能的發(fā)展以及未來(lái)管理系統(tǒng)功能需求的增加，平臺(tái)要不斷迭代升級(jí)來(lái)滿足未來(lái)的需求，這樣才能體現(xiàn)出平臺(tái)是靈活可靠及可持續(xù)性發(fā)展的。提高平臺(tái)可擴(kuò)展的核心就是低耦合和良好的組織溝通方式，其中低耦合的模塊是程序?qū)用婢哂锌蓴U(kuò)展性的基礎(chǔ)。模塊之間不相互影響，這樣的平臺(tái)才具有良好的可擴(kuò)展性。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)需要具有前瞻性，提前為系統(tǒng)預(yù)留功能模塊和各種數(shù)據(jù)接口?？紤]到未來(lái)用戶數(shù)量的急劇增加、生產(chǎn)數(shù)據(jù)增多和程序代碼越來(lái)越龐大，還應(yīng)該做好增加服務(wù)器的準(zhǔn)備。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體功能架構(gòu)如圖26所示，功能架構(gòu)在硬件層面主要分為三層。

圖26功能架構(gòu)圖

工控?cái)?shù)采服務(wù)主要負(fù)責(zé)企業(yè)數(shù)據(jù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)接入和各類計(jì)算場(chǎng)景應(yīng)用。系統(tǒng)提供多種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)協(xié)議接入能力，如OPC接口、Modbus協(xié)議、S7協(xié)議，IEC104協(xié)議等，滿足國(guó)內(nèi)外主流廠家的PLC、DCS.

SCADA等系統(tǒng)軟件的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接入。在實(shí)際應(yīng)用中數(shù)據(jù)的特征具有多樣性，一部分管理數(shù)據(jù)與生產(chǎn)控制具有強(qiáng)相關(guān)性，具備較高的實(shí)時(shí)性和可靠性要求：另外一部分管理數(shù)據(jù)主要服務(wù)于管理人員的統(tǒng)計(jì)分析和決策依據(jù)，對(duì)實(shí)時(shí)性的要求相對(duì)較低，只需及時(shí)按需提供即可。

Data&ControlAnywhere工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)包含構(gòu)建公司大數(shù)據(jù)平臺(tái)，處理海量多元數(shù)據(jù)的接入，提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。查詢和應(yīng)用服務(wù)。同時(shí)，平臺(tái)提供工業(yè)大數(shù)據(jù)集成，分析，挖掘和可視化展示的一整套T工具集和模版庫(kù)，工廠的不同角色(生產(chǎn)者、管理者、經(jīng)營(yíng)者和業(yè)務(wù)專家們)在平臺(tái)上可以進(jìn)行數(shù)據(jù)創(chuàng)新應(yīng)用開(kāi)發(fā)，提供基于平臺(tái)的統(tǒng)一開(kāi)發(fā)、測(cè)試和更新管理。

工業(yè)智能APP層主要面向企業(yè)工廠運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的各個(gè)崗位人員使用的應(yīng)用功能入口，從輔助操作、生產(chǎn)管理、調(diào)度優(yōu)化、安全管理、能源方案分析、設(shè)備資產(chǎn)管理等方面幫助工廠的生產(chǎn)人員和管理人員減輕工作負(fù)擔(dān)，提升工作效率，從而實(shí)現(xiàn)智能化的工廠運(yùn)維管理。

數(shù)據(jù)采集傳遞網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/strong>