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

文/董銘，胡斌，張波 ·浙江威力鍛壓機(jī)械有限公司

熱模鍛生產(chǎn)線數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)感知技術(shù)研究

熱模鍛生產(chǎn)線感知設(shè)備軟硬件集成開發(fā)

智能鍛造平臺(tái)包括智能感知層(生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集處理)和業(yè)務(wù)平臺(tái)層(自動(dòng)決策智能化系統(tǒng))。智能感知層是通過各種智能感知終端感知鍛造生產(chǎn)線的各種多源異構(gòu)數(shù)據(jù).如制造設(shè)備的工藝參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、各種材料消耗數(shù)據(jù)、成形鍛件質(zhì)量數(shù)據(jù)、能源消耗數(shù)據(jù)等等，通過智能感知層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的感知輕量化處理，為自動(dòng)決策智能化系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。

整個(gè)系統(tǒng)分為前端可視化部分和后端數(shù)據(jù)采集處理部分，都有其對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫和服務(wù)器。在前端可視化部分，用戶群體通過PC端、移動(dòng)端，LED大屏中的Web瀏覽器通過HTTP協(xié)議訪問Web服務(wù)器，Web服務(wù)器通過Axios請(qǐng)求后端接口獲取MySQL中的數(shù)據(jù)；主數(shù)據(jù)庫采用MySQL持久存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，為防止數(shù)據(jù)請(qǐng)求量突然增大導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫宕機(jī)，使用了Redis緩存技術(shù)：應(yīng)用處理服務(wù)器從預(yù)處理數(shù)據(jù)庫中調(diào)取原始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理好后分別存儲(chǔ)到主數(shù)據(jù)庫和備份數(shù)據(jù)庫之中，云數(shù)據(jù)庫的作用是數(shù)據(jù)備份及長(zhǎng)久存儲(chǔ)，本系統(tǒng)是部署在阿里云服務(wù)器中，選擇阿里云平臺(tái)的云數(shù)據(jù)RDS作為備份數(shù)據(jù)庫，它們位于同一地域，直接采用專有網(wǎng)絡(luò)VPC(內(nèi)網(wǎng))快速連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)備份。

系統(tǒng)的整體流程大致為數(shù)據(jù)采集.數(shù)據(jù)預(yù)處理.數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)可視化四個(gè)階段。數(shù)據(jù)采集模塊針對(duì)不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采取對(duì)應(yīng)的方法處理數(shù)據(jù)，保證原始數(shù)據(jù)的可用性；對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)根據(jù)不同的數(shù)據(jù)問題進(jìn)行對(duì)應(yīng)的預(yù)處理，然后判斷數(shù)據(jù)來源，針對(duì)來自傳感器的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)還需要采取自適應(yīng)加權(quán)平均算法和灰色預(yù)測(cè)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，最終將處理分析后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，最后數(shù)據(jù)可視化完成，對(duì)處理分析后的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行可視化展示。

數(shù)據(jù)感知收集模塊系統(tǒng)

數(shù)據(jù)感知收集模塊系統(tǒng)的分類依據(jù)主要基于鍛造生產(chǎn)線的特點(diǎn)和數(shù)據(jù)收集需求。在鍛造生產(chǎn)線上，不同的設(shè)備和工藝環(huán)節(jié)會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對(duì)于生產(chǎn)過程的監(jiān)控、優(yōu)化和故障預(yù)警具有重要意義。因此，數(shù)據(jù)感知收集模塊系統(tǒng)的分類依據(jù)主要包括以下幾個(gè)方面。

設(shè)備類型：鍛造生產(chǎn)線上的設(shè)備種類繁多，包括壓力機(jī)、加熱爐、傳送帶等。不同類型的設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)特性和收集方式有所不同，因此需要根據(jù)設(shè)備類型進(jìn)行分類收集。

數(shù)據(jù)類型：鍛造生產(chǎn)線上的數(shù)據(jù)包括溫度、壓力速度、位移等多種類型。不同類型的數(shù)據(jù)對(duì)于生產(chǎn)過程的監(jiān)控和優(yōu)化具有不同的作用、因此需要根據(jù)數(shù)據(jù)類型進(jìn)行分類收集，以便更好地滿足生產(chǎn)需求。

感知技術(shù)：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的感知技術(shù)被應(yīng)用于鍛造生產(chǎn)線上的數(shù)據(jù)收集。不同的感知技術(shù)具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，因此需要根據(jù)感知技術(shù)進(jìn)行分類收集，以便更好地選擇適合的感知技術(shù)來滿足生產(chǎn)需求。

基于以上分類依據(jù)，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的感知層包含以下功能模塊：人員操作感知模塊、壓力機(jī)狀態(tài)感知模塊、冷切機(jī)狀態(tài)感知模塊、加熱爐感知模塊、機(jī)械手感知模塊、鍛件質(zhì)量感知模塊等。這些模塊針對(duì)不同的設(shè)備和數(shù)據(jù)類型，采用不同的感知技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確收集，為生產(chǎn)過程的監(jiān)控、優(yōu)化和故障預(yù)警提供有力支持。

(1)人員操作感知模塊。

工作表單主要記錄各工位操作員、維保人員的操作，當(dāng)遇到異常工況時(shí)操作變化，設(shè)定參數(shù)的調(diào)整。異常工況記錄表，參數(shù)調(diào)整記錄表，維修保養(yǎng)記錄表，調(diào)整變化記錄表等一系列反映人員操作，異常處理，結(jié)果反饋等信息的記錄，供后續(xù)大數(shù)據(jù)分析。

(2)壓力機(jī)狀態(tài)感知模塊。

壓力機(jī)作為生產(chǎn)線最為核心設(shè)備，其安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行也最為重要。因此，通過增加傳感器等方式，共采集129個(gè)壓力機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)，包括當(dāng)前轉(zhuǎn)速、角度、當(dāng)前電流、總噸位、機(jī)器碼、授權(quán)碼、正反轉(zhuǎn)保護(hù)時(shí)間、主電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間，等等。

(3)冷切機(jī)狀態(tài)感知模塊。

冷切機(jī)用于下料，其進(jìn)給量控制精度和鋸片厚度等通過影響坯料質(zhì)量對(duì)鍛件質(zhì)量有直接影響。本項(xiàng)目冷切機(jī)共采集數(shù)據(jù)點(diǎn)位56個(gè)，包括截面積、工件長(zhǎng)度補(bǔ)償、尾工件補(bǔ)償、首支工件補(bǔ)償、鋸片壽命報(bào)警設(shè)定、單箱已切支數(shù)、整批已切支數(shù)，等等。

(4)加熱爐感知模塊。

加熱爐負(fù)責(zé)將坯料加熱至預(yù)設(shè)工藝溫度，其溫度設(shè)定和控制精度是鍛造成形質(zhì)量的重要影響因素。本項(xiàng)目加熱爐數(shù)據(jù)采集點(diǎn)位42個(gè)，包括交流電壓1/2.輸入電流、輸入電壓、輸出頻率，等等。

(5)機(jī)械手感知模塊。

本項(xiàng)目通過三臺(tái)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線無人化，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的控制和調(diào)整關(guān)乎生產(chǎn)線的穩(wěn)定運(yùn)行，共采集機(jī)械手位置信息及電控?cái)?shù)據(jù)46個(gè)，包括ROB2程序運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)備狀態(tài)，設(shè)備產(chǎn)能、設(shè)備報(bào)警信息，ROB1當(dāng)前速度，模式，位置，等等。

(6)鍛件質(zhì)量感知模塊。

鍛件質(zhì)量感知模塊通過在線檢測(cè)鍛件的三維尺寸數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)模具壽命預(yù)測(cè)和人工智能鍛造工藝的優(yōu)化，共設(shè)計(jì)了20個(gè)三維數(shù)據(jù)采集點(diǎn)位和8個(gè)二維數(shù)據(jù)采集點(diǎn)位用于鍛件尺寸精度和表面瑕疵的判定，這些數(shù)據(jù)通過智能感知層進(jìn)行輕量化處理，為自動(dòng)決策智能化系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。在熱模鍛生產(chǎn)線感知裝置軟硬件集成開發(fā)中，三維尺寸檢測(cè)設(shè)備的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性對(duì)于整個(gè)生產(chǎn)線的運(yùn)行和產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要。本項(xiàng)目通過鍛件三維尺寸數(shù)據(jù)的在線檢測(cè)，一方面用于模具壽命預(yù)測(cè)，及時(shí)更換模具，一方面用于人工智能鍛造工藝的優(yōu)化。

熱模鍛生產(chǎn)線感知與控制裝置硬件布置

(1)數(shù)據(jù)采集處理與實(shí)時(shí)感知技術(shù)。

熱模鍛壓力機(jī)通過傳感器，以壓力、行程、速度等感知參量為核心，反饋至數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，根據(jù)各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)傳感器檢測(cè)信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)故障監(jiān)測(cè)、報(bào)警、診斷功能。

(2)感知裝置硬件集成開發(fā)與自動(dòng)決策智能化系統(tǒng)。

熱模鍛壓力機(jī)傳感器與硬件集成相互作用，根據(jù)產(chǎn)品檢測(cè)數(shù)據(jù)及壓力機(jī)工作狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)結(jié)果，通過智能算法庫，自動(dòng)調(diào)整壓力機(jī)的速度、壓力和控制加熱溫度等參數(shù)。根據(jù)模具的傳感數(shù)據(jù)，自動(dòng)調(diào)整潤(rùn)滑及冷卻劑的噴射量，維護(hù)模具壽命，根據(jù)智能化決策系統(tǒng)指令自動(dòng)預(yù)設(shè)鍛造工藝參數(shù)。

(3)智能輔助制造系統(tǒng)開發(fā)。

熱模鍛壓力機(jī)輔助制造系統(tǒng)主要包括進(jìn)料傳送定位裝置、除氧化皮裝置、機(jī)械手及其輸送裝置，物料及成品倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)和模具、工具及機(jī)床附件庫存區(qū)。輔助裝置實(shí)現(xiàn)與主壓力機(jī)的數(shù)據(jù)共享，互感互知。信息化運(yùn)輸配送系統(tǒng)負(fù)責(zé)生產(chǎn)系統(tǒng)中原材料、工件、成品在生產(chǎn)線內(nèi)的輸送任務(wù)，將車間的所有運(yùn)輸工具作為終端，基于工件、材料、模具等的位置信息及設(shè)備或生產(chǎn)線的需求信息，統(tǒng)一控制、管理、調(diào)度，高效完成生產(chǎn)運(yùn)輸、配送任務(wù)。

智能算法在鍛造生產(chǎn)全生命周期的融合應(yīng)用研究

智能化鍛造在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

熱模鍛鍛造系統(tǒng)分為三個(gè)部分，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集部分：將熱模鍛參數(shù)從ZigBee模塊上傳到監(jiān)控中心的過程：使用Kingview建立一個(gè)數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。整個(gè)解決方案如下：ZigBee無線傳感器模塊收集熱模鍛過程的工藝和管理參數(shù)，并將其通過RS-232傳輸?shù)終ingview軟件。其中，Kingview軟件通過串行端口與熱模鍛生產(chǎn)線中的數(shù)據(jù)收集設(shè)備進(jìn)行通信。構(gòu)建ODBC數(shù)據(jù)源最終實(shí)現(xiàn)Kingview與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫SQLServer之間的通信，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、更新、刪除和動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)圖形顯示，從而使員工可以準(zhǔn)確地判斷熱鍛工作的狀態(tài)。

(1)組態(tài)軟件設(shè)計(jì)。

使用Kingview軟件設(shè)計(jì)可配置的圖形界面，并設(shè)置動(dòng)畫連接、文本和趨勢(shì)圖。傳感器收集的數(shù)據(jù)通過RS-232傳輸?shù)終ingview監(jiān)控中心。將SQLServer用作實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫.并使用ODBC與Kingview通信。在Kingview中可以完成查詢、修改和刪除數(shù)據(jù)庫中對(duì)象的操作。此設(shè)計(jì)中，該字段中工藝和管理參數(shù)顯示有兩種類型：文本顯示和趨勢(shì)圖顯示。如果壓力、速度，溫度或節(jié)點(diǎn)電壓超過預(yù)定義的限制，在監(jiān)視中心中會(huì)顯示一條錯(cuò)誤消息。該系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)大致可分為用戶和對(duì)象管理系統(tǒng)、實(shí)時(shí)顯示、統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)庫管理和警報(bào)模塊。

(2)組態(tài)設(shè)計(jì)過程。

定義外部設(shè)備和變量。設(shè)備定義在項(xiàng)目瀏覽器的“設(shè)備”中完成，在該設(shè)備上選擇驅(qū)動(dòng)程序并設(shè)置通信參數(shù)。Kingview具有兩種變量：系統(tǒng)定義的變量和用戶在Kingview項(xiàng)目瀏覽器數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)字典中定義一個(gè)自定義變量并定義該變量的三個(gè)方面。用戶可以根據(jù)需要完成每個(gè)變量的詳細(xì)設(shè)置。

(3)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)。

在硬件中傳輸?shù)膮?shù)可以存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，操作員可以監(jiān)視對(duì)這些參數(shù)的特定操作，并且數(shù)據(jù)以動(dòng)態(tài)圖的形式顯示在Kingview屏幕上，使操作員熟悉字段收集狀態(tài)。項(xiàng)目組主要研究歷史數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)。

①歷史數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)。主要從三個(gè)方面介紹歷史數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)：開始配置，設(shè)置變量和查詢數(shù)據(jù)。操作員可以驗(yàn)證歷史記錄數(shù)據(jù)庫是否可以通過信息窗口正常啟動(dòng)。如果無法正常啟動(dòng)，則記錄數(shù)據(jù)庫服務(wù)未啟動(dòng)。記錄數(shù)據(jù)庫正常啟動(dòng)時(shí)在項(xiàng)目瀏覽器中配置歷史數(shù)據(jù)庫，完成配置后，可以查詢歷史數(shù)據(jù)記錄。可以使用歷史數(shù)據(jù)庫記錄所有整數(shù)變量、實(shí)數(shù)變量和離散變量。在Kingview中有保存歷史數(shù)據(jù)的四種記錄：數(shù)據(jù)更改記錄、備份記錄、每個(gè)設(shè)置記錄和定時(shí)記錄。

②實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)中使用的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫為SQLServe,實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)如下：在KingView的SQLAccessManager下的表模板中創(chuàng)建表模板table1。SQLServer數(shù)據(jù)庫與Kingview通信后，可以使用table?作為模板在Kingview中為數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建表以記錄收集的工藝和管理參數(shù)。

系統(tǒng)接口和功能

(1)組態(tài)網(wǎng)與外部通信。

定義串口。按照以下步驟設(shè)置串口：第一步，選擇串行設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序——三菱FX2;第二步，將新安裝的設(shè)備命名為"NewIODevice":第三步，選擇設(shè)備的串行端口號(hào)，選擇“COM4”作為設(shè)備的通信串行端口；第四步，指定已安裝設(shè)備的地址。此為Kingview的基址1,必須定義通信參數(shù)。恢復(fù)間隔為30秒，最大恢復(fù)時(shí)間為24小時(shí)。完成后，單擊"完成"按鈕，設(shè)備圖標(biāo)出現(xiàn)在Kingview軟件的“設(shè)備”中該軟件是新1O設(shè)備的串行數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。

(2)系統(tǒng)安全管理。

從開發(fā)安全性和操作安全性考慮系統(tǒng)的安全性管理模塊。開發(fā)安全性主要是通過設(shè)置密碼來保證的下面主要介紹操作安全性。

①用戶和對(duì)象管理。熱模鍛系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了不同的組以合理地管理大量用戶和管理員，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者還可以設(shè)置默認(rèn)用戶屬性。

②登錄用戶。在Kingview中創(chuàng)建一個(gè)登錄主屏幕設(shè)置登錄和按鈕，操作員選擇相應(yīng)的登錄ID并登錄以獲取安全級(jí)別和操作權(quán)利。

(3)工藝和管理數(shù)據(jù)顯示。

①接收數(shù)據(jù)處理。接收到的數(shù)據(jù)為65位字符串由Kingview數(shù)據(jù)字典的“數(shù)據(jù)接收變量”確定。前11位代表其他設(shè)備的地址位，21～31位是要監(jiān)視數(shù)據(jù)的坯料質(zhì)量，坯料尺寸、加熱時(shí)間、保溫時(shí)間、模具溫度、始鍛溫度、終鍛溫度、成形速率、能耗管理之一，而41~51位是它們的閾值。62~65位是節(jié)點(diǎn)電壓。

②文本顯示。方法：首先創(chuàng)建顯示屏幕，創(chuàng)建文本，然后建立與文本的動(dòng)畫連接，最后在“動(dòng)畫連接”對(duì)話框中進(jìn)行連接并輸出與數(shù)值相對(duì)應(yīng)的模擬變量。設(shè)置動(dòng)畫連接，可以在設(shè)置屏幕上動(dòng)態(tài)顯示現(xiàn)場(chǎng)收集的工藝和管理參數(shù)。

③報(bào)警事件。報(bào)警系統(tǒng)在整個(gè)熱模鍛監(jiān)控系統(tǒng)中起著特別重要的作用。通過向員工提供反饋，員工確定故障原因并及時(shí)處理故障。警報(bào)組以樹形結(jié)構(gòu)分布。在Kingview窗口中創(chuàng)建一個(gè)報(bào)告屏幕，并添加要顯示的變量，包括日期、時(shí)間和變量。

全生命周期汽車零件熱模鍛生產(chǎn)自動(dòng)決策智能化算法

汽車空調(diào)壓縮機(jī)動(dòng)渦旋盤的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與知識(shí)圖譜

(1)空調(diào)壓縮機(jī)動(dòng)渦旋盤參數(shù)與鍛造工藝。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，動(dòng)渦旋盤的材料選用高強(qiáng)度鋁合金，塑性較差，變形抗力大。在擠壓過程中，由于渦旋壁高且薄，金屬材料流動(dòng)速度與其在渦旋中的位置有關(guān)，極易造成金屬材料流速不均勻，導(dǎo)致渦旋高度不一致。因此本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了渦旋盤的背壓結(jié)構(gòu)成形方案，構(gòu)建背壓阻尼式模具方案的有限元模型。在凹模中添加背壓體從而控制金屬流動(dòng)。背壓體通過作用在渦旋端部流速快的位置并阻礙此處的金屬材料流動(dòng)，以此提高渦旋端面高度一致性。背壓力設(shè)置過小會(huì)導(dǎo)致背壓力不對(duì)坯料起作用，背壓力過大會(huì)導(dǎo)致大幅度增加成形載荷，最終將背壓力設(shè)置為20kN。

研究結(jié)果表明，帶背壓結(jié)構(gòu)的凹模所受等效應(yīng)力大于帶控制腔結(jié)構(gòu)的凹模，發(fā)生斷裂失效的概率大于帶控制腔結(jié)構(gòu)的凹模。

(2)面向渦旋盤模具應(yīng)力優(yōu)化的智能算法框架。

利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，通過MATLAB使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立汽車熱模鍛生產(chǎn)線中生產(chǎn)工藝參數(shù)和目標(biāo)參數(shù)之間的函數(shù)模型。

(3)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)搭建。

分別對(duì)三個(gè)輸出工藝參數(shù)和輸入工藝參數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練建模，利用測(cè)試數(shù)組測(cè)試模型的準(zhǔn)確性。

(4)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型評(píng)價(jià)。

結(jié)果表明，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算得到的成形載荷、殘余應(yīng)力和模具變形量與測(cè)試數(shù)組的結(jié)果存在一定的誤差，但整體趨勢(shì)一致，且誤差值在可接受范圍內(nèi)，這說明所建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有一定的預(yù)測(cè)能力和參考價(jià)值。對(duì)于成形載荷的預(yù)測(cè)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的計(jì)算結(jié)果與測(cè)試數(shù)組結(jié)果的誤差較小，且在前35個(gè)訓(xùn)練數(shù)據(jù)點(diǎn)的范圍內(nèi)，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果較為接近。對(duì)于殘余應(yīng)力和模具變形量的預(yù)測(cè)，雖然存在一些波動(dòng)，但整體趨勢(shì)與測(cè)試數(shù)組結(jié)果相符，且誤差值并未出現(xiàn)明顯的偏離。

值得注意的是，測(cè)試數(shù)據(jù)在建模時(shí)并未參與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過程，因此測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性可以反映模型的泛化能力。從測(cè)試結(jié)果來看，所建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有一定的泛化能力，可以對(duì)未知數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)。

汽車萬向節(jié)鐘形罩熱模鍛設(shè)計(jì)

(1)鐘形罩參數(shù)與工藝。

①鐘形罩鍛造設(shè)計(jì)模型。

通過對(duì)現(xiàn)有的萬向節(jié)鐘形罩的形狀進(jìn)行研究.選擇了三種單元來表達(dá)鐘形罩的熱模鍛特征信息.萬向節(jié)鐘形罩是由上面三種單元經(jīng)過一系列空間位置的排列所組成的。

②單元成形模型。

經(jīng)過分析選擇如圖28所示的單元成形模型，此模型是一個(gè)正擠壓模型，下模由擠壓筒和擠壓型腔組成。

③輸入和輸出設(shè)計(jì)。

輸出和輸入的向量設(shè)計(jì)，是將鍛件的特征信息模型進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)處理，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，把所有的數(shù)據(jù)都放置于[0.1]之間，主要原因?yàn)殡[藏層所選用的是Sigmod型激勵(lì)函數(shù)。圖29是萬向節(jié)鐘形罩最終鍛件的外形簡(jiǎn)要圖，鍛件特征信息模型的初始數(shù)據(jù)取自此圖。圖30是萬向節(jié)鐘形罩的模具圖，輸出向量的數(shù)據(jù)取自此圖，主要是相應(yīng)模具的關(guān)鍵尺寸。

圖28 單元成形模型

圖29 最終鍛件簡(jiǎn)要圖

圖30 凸模圖

(2)鐘形罩模具壽命的建模與分析。

本神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型采用擁有兩個(gè)隱藏層的四層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖31所示，輸入層有6個(gè)神經(jīng)元，即為對(duì)熱模鍛過程中模具的磨損量造成影響的參數(shù)(鍛造的溫度。壓力，圓角半徑、上模下壓的速度、模具的硬度和上下模的間隙)。隱藏層1和2都采用1個(gè)神經(jīng)元，輸出層即為模具的磨損量。輸入層和隱藏層的函數(shù)連接采用logsig,隱藏層和輸出層的函數(shù)采用tansig。

圖31 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

隨后，我們根據(jù)具體數(shù)據(jù)建立與分析神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。結(jié)果表明，這四種算法的擬合度都較差，但Levenberg-Marguardt算法的擬合度處于第二的水平并且其經(jīng)過8步的訓(xùn)練后，誤差達(dá)到0.086483,誤差最低，因此選用此算法進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的驗(yàn)證。

驗(yàn)證所使用的數(shù)據(jù)和結(jié)果，其文獻(xiàn)中的結(jié)果值為3.79,可見，雖然此算法仍存在一定誤差，但能夠在一定范圍內(nèi)預(yù)測(cè)。

(3)鐘形罩質(zhì)量模型的建模與分析。

①熱模鍛質(zhì)量數(shù)據(jù)的預(yù)處理過程。

在鍛造過程的數(shù)據(jù)特征集合中，挑選出幾組最能影響鍛造過程穩(wěn)定性的因素，去除掉影響因素不大的幾種變量，從而達(dá)到降維的目的，并顯著提高質(zhì)量分析模型的建模效率和模型性能。其過程一般包括產(chǎn)生過程、評(píng)價(jià)函數(shù)、停止準(zhǔn)則和驗(yàn)證過程。

②鐘形罩質(zhì)量模型特征選擇。

查閱大量的文獻(xiàn)資料，分析熱模鍛生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)后得到熱模鍛產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)主要包括原材料成分、鍛件幾何尺寸、鍛件硬度、表面質(zhì)量、探傷缺陷、金相組織、力學(xué)性能、晶粒度和脫碳層等?；谏鲜?/span>質(zhì)量指標(biāo)，將質(zhì)量模型分成4種：材料成分模型、力學(xué)性能模型、外觀尺寸模型和內(nèi)部組織模型。根據(jù)特征提取過程，得到各質(zhì)量模型包含特征，如圖32所示。

構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型采用三層結(jié)構(gòu)，即輸入層、隱含層和輸出層。模型結(jié)構(gòu)如圖33所示，輸入層的參數(shù)分別是鍛造溫度、變形程度、固溶時(shí)間、時(shí)效溫度、時(shí)效時(shí)間，輸出層的參數(shù)為抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率。

將準(zhǔn)備的輸入和輸出數(shù)據(jù)導(dǎo)入到MATLAB中，調(diào)出自帶的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱；再將導(dǎo)入的數(shù)據(jù)放入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱中；創(chuàng)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，選擇BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，選擇輸入輸出的數(shù)據(jù)，訓(xùn)練函數(shù)選擇Levenberg-Marguardt算法，自適應(yīng)學(xué)習(xí)函數(shù)選擇learngdm,性能函數(shù)選擇MSE(均方誤差函數(shù)),層數(shù)為兩層，神經(jīng)元的節(jié)點(diǎn)數(shù)為10個(gè)，第一層傳遞函數(shù)選擇logsig函數(shù)，第二層為tansig函數(shù)。

圖32 熱模鍛產(chǎn)品質(zhì)量分析模型與特征的關(guān)系

圖33 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

(5)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練和結(jié)果分析。

采用Traingdm算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的總擬合度接近于0.92,擬合度較差，而且數(shù)據(jù)證明該模型在運(yùn)行6步后，性能函數(shù)收斂于370.4839,并且該誤差隨著步數(shù)的增多精度逐漸變差，所以不適合。

使用Trainrp算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型擬合度為0.99167,說明其擬合度十分高，該模型經(jīng)過13步訓(xùn)練后，性能函數(shù)收斂于82.4969,收斂性能一般。

Powell-Beale算法的擬合精度為0.99674,擬合精度很高。訓(xùn)練步數(shù)為15步時(shí)性能函數(shù)就收斂于631.3422。該算法模型的誤差較大.精度也不夠高，收斂性能較差。

Levenberg-Marguardt算法的總體擬合度為0.98962.該算法在經(jīng)過7次訓(xùn)練后性能函數(shù)收斂于22.3847.說明該函數(shù)的收斂性能較好，而且誤差較小。

綜上分析四種不同算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，發(fā)現(xiàn)當(dāng)擬合度相差不多時(shí)，Levenberg-Marguardt算法的性能較好，因此選擇該算法用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在汽車零件熱模鍛應(yīng)用的驗(yàn)證

針對(duì)汽車熱模鍛智能生產(chǎn)線中生產(chǎn)工藝參數(shù)與成形結(jié)果關(guān)系復(fù)雜難以用公式表達(dá)，因此通過數(shù)值模擬獲取數(shù)據(jù)并通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建知識(shí)圖譜。選擇修正函數(shù)后通過梯度下降法確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值，使得每組生產(chǎn)工藝參數(shù)經(jīng)過加權(quán)、求和、修正并帶入激活函數(shù)后所得結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果之間的誤差盡可能小。由于樣本數(shù)據(jù)量少，此處將最后一組的數(shù)據(jù)和文章最后所得的最優(yōu)工藝參數(shù)進(jìn)行輸入.并用來對(duì)構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果顯示，兩組數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的結(jié)果分別為425、300、19.5和465,362、20.7。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)雖然存在些許誤差，但此模型能夠較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)不同輸出量所導(dǎo)致的輸出量的值。結(jié)果表明：計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果誤差最大不超過15%,至此函數(shù)模型擬合完成，知識(shí)圖譜搭建完畢。

智能化鍛造生產(chǎn)線全生命周期數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)搭建

全生命周期數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)路線

本項(xiàng)目構(gòu)建鍛造系統(tǒng)數(shù)據(jù)知識(shí)圖譜與智能算法庫，形成汽車典型零件熱模鍛智能庫，研究熱模鍛核心設(shè)備實(shí)時(shí)感知與自動(dòng)決策智能化控制技術(shù)，建立鍛造生產(chǎn)線鍛件幾何結(jié)構(gòu)、工藝數(shù)據(jù)、生產(chǎn)過程與成形質(zhì)量數(shù)據(jù)等在內(nèi)的產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)管理與控制系統(tǒng)，開發(fā)一套面向汽車行業(yè)熱模鍛智能化鍛造系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能化鍛造大數(shù)據(jù)分析模型與算法、優(yōu)化決策模型與算法的封裝，形成智能熱模鍛工業(yè)大數(shù)據(jù)綜合技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，為不少于50家浙江省汽車零配件熱模鍛中小企業(yè)開放服務(wù)，本項(xiàng)目的整體研究?jī)?nèi)容與路線架構(gòu)圖如圖34所示。

圖34 項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容與路線架構(gòu)圖

全生命周期數(shù)據(jù)管理與質(zhì)量控制系統(tǒng)

智能化鍛造生產(chǎn)線全生命周期數(shù)據(jù)包括生產(chǎn)、物料、資源和定額等需求計(jì)劃數(shù)據(jù)、設(shè)備工作和設(shè)備故障狀態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)、設(shè)備，模具供求數(shù)據(jù)，工藝流程和工藝技術(shù)數(shù)據(jù)及各分層任務(wù)完成后的數(shù)據(jù)。MES,PCS各層之間以及與ERP系統(tǒng)的數(shù)據(jù)及通信傳遞關(guān)系圖見圖35所示，實(shí)現(xiàn)鍛造生產(chǎn)線全生命周期數(shù)據(jù)管理與質(zhì)量控制，解決好與上下級(jí)分系統(tǒng)之間的通信協(xié)調(diào)問題，以及與加工設(shè)備的通信連接問題。

圖35 MES、PCS各層之間以及與ERP數(shù)據(jù)及通信傳遞關(guān)系

(1)鍛造生產(chǎn)線全生命周期數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)。鍛造生產(chǎn)線全生命周期數(shù)據(jù)采集包括壓力機(jī)工作過程、溫度、位置精度、模具工作狀態(tài)、輔助設(shè)備使用情況、原材料及模具使用數(shù)據(jù)等?；跀?shù)據(jù)知識(shí)圖譜及智能算法庫，將產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)與人工智能生產(chǎn)技術(shù)相融合，研發(fā)智能化數(shù)據(jù)處理技術(shù)。

(2)鍛造生產(chǎn)線全生命周期數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。鍛造智能化執(zhí)行管理系統(tǒng)分為設(shè)備層、控制層(數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析層)、執(zhí)行層和應(yīng)用層。來自于底層總線系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息上傳給智能化執(zhí)行管理系統(tǒng)后，經(jīng)執(zhí)行系統(tǒng)對(duì)大數(shù)據(jù)的匯總、統(tǒng)計(jì)、分析、計(jì)算，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)鍛件鍛造生產(chǎn)的質(zhì)量、能源和設(shè)備使用效率等模塊的管理，從而滿足企業(yè)對(duì)整個(gè)鍛造生產(chǎn)過程的量化和可控以及客戶對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量可追溯的要求。

(3)鍛造生產(chǎn)線產(chǎn)品質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)對(duì)底層控制系統(tǒng)中采集的與生產(chǎn)有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析優(yōu)化短期生產(chǎn)作業(yè)的計(jì)劃調(diào)度、監(jiān)控、資源配置和生產(chǎn)過程。對(duì)從生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃下達(dá)到產(chǎn)品最終完成的整個(gè)生產(chǎn)過程、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)發(fā)生前加工和質(zhì)量事件加工設(shè)備運(yùn)行效率等方面及時(shí)做出反應(yīng)、報(bào)告，并提供當(dāng)前的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)輔助管理人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行指導(dǎo)和處理。

基于工業(yè)大數(shù)據(jù)的全生命周期數(shù)據(jù)管理服務(wù)平臺(tái)建設(shè)

以智能化鍛造生產(chǎn)閉環(huán)線為核心，基于鍛件的工藝、生產(chǎn)過程、在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、銷售數(shù)據(jù)和使用過程等，與人工智能生產(chǎn)技術(shù)相融合，開發(fā)一套智能化鍛造服務(wù)平臺(tái)。平臺(tái)具有鍛件產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督、智能工藝設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制調(diào)節(jié)設(shè)備參數(shù)、自動(dòng)調(diào)節(jié)生產(chǎn)頻率等功能。通過圖36所示熱模鍛數(shù)據(jù)服務(wù)創(chuàng)新服務(wù)平臺(tái)顯示系統(tǒng)呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、精準(zhǔn)執(zhí)行及自主決策。

圖36 熱模鍛數(shù)據(jù)服務(wù)創(chuàng)新服務(wù)平臺(tái)數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)