锻压装备信息化道路的回顾与展望

文/关世伟·北京航空航天大学

锻压装备信息化道路的回顾与展望

文/关世伟·北京航空航天大学

智能化工具又称信息化的生产工具。它一般必须具备信息获取、信息传递、信息处理、信息再生、信息利用的功能。智能化生产工具与过去生产力中的生产工具是不一样的，它不是一件孤立分散的东西，而是一个具有庞大规模的、自上而下的、有组织的信息网络体系。

智能制造装备是具有感知、分析、推理、决策、控制功能的制造装备，它是先进制造技术、信息技术和智能技术的集成和深度融合。

锻压是对坯料施加外力，使其产生塑性变形、改变尺寸与形状，及改善性能，用以制造机械零件、工件或毛坯的成形加工方法。锻压装备是指锻压生产需要的锻压机械及其附属装置。锻压装备信息化就是使锻压装备成为智能制造装备的发展过程。

信息化是锻压装备的发展方向。为了使锻压装备信息化沿着正确的方向发展，就有必要深刻理解锻压装备并对锻压装备的发展过程有所了解。

锻压装备的系统分析

锻压装备是一个系统。这个系统输入的是物质、能量和信息，输出的同样是物质、能量和信息，如图1所示。输出的物质、能量和信息被集成在一起形成了锻压零件（或毛坯）。对于形成的零件，物质反映的是零件的材料，能量反映的是零件的内能和表面能，信息反映的是零件的几何形状。这样看来，在锻压装备系统中便包含了物质流、能量流和信息流。

物质流体现的是原材料到零件的变化过程。对于锻压装备输入的物质是坯料，输出的是机械零件和废料。在这一转换过程中，物质的几何形状和性能发生变化，但是输入和输出的物质质量保持不变。输出的零件质量与输入的物质质量之比就是材料的利用率。

能量流体现的是能量的传递和转换。一般锻压装备的主要能量转换过程是：电源的电能→装备的机械能或液压能→零件的变形能和表面能。除此之外还有部分能量被装备本身消耗。零件的变形能和表面能与电源消耗的电能之比就是装备的效率。

信息流体现了信息的传递过程。零件的几何信息写入材料便形成零件。除零件的几何信息之外，锻压装备还有大量的其他信息。根据信息的来源，锻压装备的信息可以分为内部信息和外部信息。内部信息主要反映锻压装备及其零部件的工作状态，如油液的压力、流量、温度和液位，电器的电压、电流和温度，运动零部件的内力、位移、速度和温度，还有设备的工作时间和加工数量等等。外部信息就是锻压装备从外界获取的信息，包括零件信息、工艺信息、操作信息、环境信息和查询请求信息等。作为信息化装备的信息处理系统应能全面而准确地获取这些信息，经过分析、推理做出决策，进而控制装备的运行。

图1 锻压装备系统

锻压装备的信息化历程

信息化的概念起源于20世纪60年代，是一个现代的概念，但是回顾锻压装备的历史，可以发现锻压装备信息化的脚步从来就没有停止过，没有过去的基础，就不会出现今天的信息化。以下是在锻压装备历史上对信息化有重要作用的发明。

⑴手工工具和人力机械。手工工具和人力机械是锻压装备原始形态，手工工具和人力机械本身和信息没有任何关系，但是它们是通过人力操纵的，如果将人的作用考虑进来，那么原始的锻压作业将具有智能化的全部特点。原始的锻压作业，感知、决策和执行分别由人的感官、大脑和手脚完成。然而这样的“信息化作业”并不完美，主要不足之处就是能量不足和信息不能进行精确地定量处理。这就导致原始锻压作业能力弱、效率低和质量差。锻压设备在后来的发展过程中都是在能量和信息方面的进步。

⑵有动力机械。有动力锻压机械的出现解决了手工操作的能量不足问题，使得锻压的能力和效率都得到了很大的提高。同时锻压机械也具有了最简单的信息获取和信息处理能力，实现这种能力的原件就是开关。通过开关获取人的启闭信息，并控制机械的启动和停止。

⑶模具。模具的一般概念是在外力作用下使坯料成为有特定形状和尺寸的制件工具。然而，从信息化角度来看，模具是将零件的几何形状信息固化其中的工具。这是一种特殊的信息利用方式，模具是零件几何信息的载体，它通过机械加工得到零件的几何信息。在锻压装备上安装模具的过程就是锻压装备获取零件几何信息的过程。在锻压设备的驱动下，模具的几何形状再控制原料的成形或分离，并把零件的几何信息写入原料，进而形成零件。因此，模具也是锻压装备的一个重要的信息元件。模具的出现提高了锻压的效率和锻压零件的质量。

⑷传感器。在锻压装备上引入传感器之后，极大地提高了锻压设备获取信息的能力。利用传感器可以定量地得到锻压设备的内、外部信息。传感器和自动控制技术相结合不但提高了锻压装备的自动化程度，而且还提高了零件质量、加工效率和装备的安全性，使锻压装备迈上了一个新台阶。

⑸计算机。传感器解决了很多的信息输入问题，但在计算机出现之前，锻压设备信息的传递还是以模拟量和开关量为主，还不能处理更复杂信息，控制能力也不强。计算机的出现使锻压设备进入了数字控制的全新时代。信息的传递由模拟量转变为数字量，信息获取、信息传递和信息处理的能力都得到了更大地提高，为实现信息化提供了一个理想的平台。

⑹网络。网络提高了锻压设备的通讯能力，扩展了信息传递的空间。为设备的远程监控提供了理想的手段。

我国锻压装备信息化的前途

高端装备制造业是国家“十二五”规划提出的战略性新兴产业七大领域之一，其中智能制造装备是高端装备制造业的重点方向之一。在制造业推进智能制造装备可以实现各种制造过程自动化、智能化、精益化，带动整体智能装备水平的提升。根据国家的战略规划，信息化一定是锻压装备的发展方向。

根据智能制造装备的定义，智能锻压装备也应该具有感知、决策和执行能力，下面就从这三个方面来分析锻压装备的发展问题。

⑴感知就是获取信息。获取信息主要有传感器和网络两条途径。目前，这两项技术都比较成熟，但是遗憾的是在锻压行业大部分的传感器和网络产品使用的都是国外产品。这也从一个侧面说明我国的信息化原件与国外相比还存在一定的差距。所以提高信息化原件的制造水平是我们的一项重要任务。针对锻压行业，还需要开发出能够在恶劣环境中工作的传感器，比如能适应高温、强振动环境的传感器。

⑵决策要求能够对获取的信息进行分析、推理和择优。决策的工作由计算机来完成。这就需要高性能的计算机硬件和智能软件。目前，智能软件的开发是锻压装备智能化的最薄弱环节，也是最重要的环节，装备的智能主要体现在这一环节之上。传统的工程计算能够解决部分问题，但要达到完美还需要使用人工智能的理论和技术，比如神经网络、遗传算法和模糊数学等，使锻压装备真正成为自适应、自学习和自组织系统。这就要求从事锻压研究和开发的人员要学习新知识，自觉使用新原理和新技术。

⑶执行就是根据决策的结果控制执行元件的运动，执行系统包括动力、传动和控制。理想的执行系统应能不折不扣地执行决策，因此伺服系统应该是执行系统的主要形式。大功率伺服电机用于锻压装备不但能够提高执行系统的水平，同时也能降低能耗。执行系统反映的是锻压装备的主体，牵扯着多方面的技术，只有锻压装备制造企业的综合制造水平得到提高才能提高执行系统的水平。