航天产品旋压智能制造技术发展设想①

2021-11-24王北平李俊峰王兆楠

固体火箭技术 2021年5期

王北平，韩冬，李俊峰，王兆楠，张岩

(西安航天动力机械有限公司，西安 710025)

0 引言

强力旋压技术加工精度高、制品性能优良，现已广泛用于固体火箭发动机金属壳体制造领域。旋压加工作为一个时变复杂、非线性过程，产品质量影响因素多，再加上金属材料弹塑性变形规律复杂和旋压设备系统刚性的不确定性，导致旋压产品在线加工精度控制难度大。传统旋压工艺对经验依赖性强，甚至还需要反复进行“试制→检验→再试制→再检验”的迭代优化试验，研制周期长、效率低，难以满足现代国防工业对军工装备的高精度、高可靠、高效率制造发展要求。现阶段的智能制造技术已将数字技术、网络技术集成应用于产品工艺设计、生产管理和服务的全生命周期，能够在制造过程中进行感知、分析、推理、决策与控制，实现产品需求的动态响应。强力旋压机作为薄壁筒形件制造的关键设备，现阶段还不具备在线工况感知、分析与决策等智能化特征。

智能化设计与制造是未来固体火箭发动机的重要发展方向[1]。旋压加工技术作为一种固体火箭发动机重要构件的关键加工技术，现就航天产品旋压如何智能化制造、研发工作如何开展等提出初步设想。

1 旋压智能制造技术发展设想

按照文献[1]对固体火箭推进技术的智能化发展建议，金属材料加工领域也应积极谋划旋压智能制造行业布局，大力推进智能加工技术在固体火箭发动机制造中的应用。未来旋压智能化制造的核心思想是工艺专家系统和在线检测技术在旋压装备上的集成应用，基本框架如图1所示。工艺专家系统利用强力旋压技术经验的数字化转化，是智能工艺设计与旋压智能制造的技术关键和基础。首先，在工艺专家系统中，利用产品信息和“智能工艺设计与管理模块”应用软件获取旋压工艺方案及参数，然后，通过网络信息接口输入旋压智能装备进行产品加工。加工过程中，在线检测系统实时测量，并反馈工件几何形状信息，在线自主决策后实时修正机床控制系统的相关工艺参数，从而实现旋压设备相关运动副的全闭环动态控制。

图1 旋压智能制造基本框架

1.1 开发旋压智能工艺设计与优化系统

虚拟制造技术是现代智能化制造领域的研究热点之一。为实现旋压智能工艺设计与优化目标，需要综合利用工艺专家系统、数值模拟与虚拟制造技术，建立旋压工艺优化系统。旋压数值模拟仿真可得到金属材料弹塑性变形过程中的复杂应力、应变规律，从中预测旋压工艺参数对加工质量的影响。现阶段，ABAQUAS、ANSYS等软件对复杂强力旋压过程的分析效率不高。因此，有必要开发针对强力旋压加工的“智能化工艺设计”模块，以适应用户个性化需求，提高模拟分析效率和准确度。

1.2 加快开发强力旋压工艺专家系统

工艺专家系统使用计算机存储领域专家的理论与经验，并以逻辑推理方式解决领域内的专业问题。鉴于旋压加工的复杂性与高度经验依赖性，开发旋压工艺专家系统是实现智能工艺设计与智能制造的关键。目前，美国实现了计算机控制的强力旋压操作；法国里昂大学提出了整个旋压工艺及制造的计算机系统；日本完成了强力旋压的数据库系统。但是，我国该领域仍处于概念层面。因此，应加大研发与投入，加快开发出强力旋压工艺专家系统，以实现高效高质量旋压智能加工。

工艺专家系统需包含以下模块：基于工艺设计向导与工艺指导书的工艺设计与管理模块，主要完成已有指导书的输入管理功能；主要用于存放管理旋压工艺基础类、事实类和规则类数据的知识库管理模块；负责工艺专家数据库的备份、恢复和升级等工作的系统维护模块。其中，知识库是工艺专家系统的核心组成部分和系统运行的基本条件，由三部分组成：一是系统预定义的法规标准知识库，其中存放有关旋压方面的国家法规、行业标准、企业标准等；二是专家经验知识库，存放用户工艺经验知识，是海量旋压工艺经验在专家数据库中的显性表达，主要包括旋压材料及状态、设备、旋压方式、产品结构形式、工艺装备、旋压技术路线及工艺参数等信息；三是旋压规则知识库，存放推理路径、推理过程、中间事实、所得结论等，主要用于问题求解。

1.3 开发旋压加工三维在线检测技术

随着自动化、智能化发展水平的不断提高，具备实时监控功能的在线视觉检测技术为装备制造智能化发展奠定了技术基础，并在模具制造、汽车生产等领域取得了良好的工程应用效果。三维在线视觉检测技术利用机器视觉系统采集关键产品质量信息，实时反馈给智能工艺专家系统进行分析和决策，从而为产品质量控制在线工艺优化决策提供支持。强力旋压加工光线不佳、冷却液飞溅等的工况特点导致实时在线检测困难，因此需要针对强力旋压加工工况特点，开发专用机器视觉线检测系统，确保检测的有效性。