智能感知技术在锻压设备上的应用

韩浩然 余朝辉 邓永泉 杜俊雷 李飞

(二重(德阳)重型装备有限公司,四川 德阳 618000)

2023年《政府工作报告》中提出,要“加快传统产业和中小企业数字化转型,着力提升高端化、智能化、绿色化水平”。同年,工业和信息化部等三部委联合印发了《关于推动铸造和锻压行业高质量发展的指导意见》,意见中提出要“推动行业企业工艺革新、装备升级、管理优化和生产过程智能化”[1]。制造业是立国之本,强国之基,锻压装备更是被誉为“工业现代化基石”的工业母机之一,加快锻压装备的智能化高质量发展,已经成为共识。锻压装备的智能化水平将会为制造业尤其是汽车工业、航空工业等产业带来深远影响[2-4]。

智能感知技术是重型装备在智能化上发展的第一步,也是最关键、最基础的一步。锻压装备相比于其它的机床来说具有一定的特殊性,主要体现在设备种类多、产品差异大、锻造工艺复杂、生产环境恶劣等。因此,锻压企业既有少品种、大批量的制造模式,也有多品种、小批量的制造模式。锻压设备的工作环境往往具有环境温度高、设备压力大、震动大、噪音大、车间粉尘多等特点[5]。基于以上特点,锻压设备上智能感知技术的应用必须综合考虑设备、产品、工艺、生产模式和工作环境的特性,以简便、经济、高效、实用为原则进行选型、布置及设计。本文通过介绍热模锻压力机步进梁机械手、平锻机自动化生产线、大型模锻液压机等设备的智能感知解决方案及设计思路,为锻压设备智能化发展提供一些参考。

1 锻压设备的智能感知技术发展现状

智能感知技术主要特点是通过传感器的深度融合以及多源异构数据的采集与处理,从而实现对设备内、外在运行状态、功能状态、质量状态等综合信息的实时掌握,以支撑机器智能推理及决策。智能感知技术在锻压设备上的应用主要体现在生产线功能状态监测、工艺参数寻优、设备故障诊断、工件状态监测、锻件质量检测、生产计划监测等几个方面[6-7]。下面,列举一些先进智能感知技术在锻压设备上的应用现状。

在锻压行业,国际上先进的智能感知技术应用以德国企业为代表。目前,德国企业的锻压设备在自动化、节能、高效、融合锻造工艺理念的柔性化方面有明显的技术优势,同时在智能化升级方面也有突出表现[8]。

(1)在生产线功能状态监测方面,德国舒勒公司在其最新的伺服压力机中配备了工艺流程监控功能,通过对生产过程中的滑块运动曲线和压力曲线进行监控,能及时发现设备过载等情况,还能起到保护模具、提高锻件质量的作用[9]。

(2)在工艺参数寻优方面,二重装备设计制造的800 MN模锻液压机,具备应力、应变、速度、位移、吨位等实时工艺参数监控功能,并能输出工艺曲线。通过对压机活动横梁四角位移的高精度实时感知,测算出压机实际偏载情况,并通过智能调平系统,动态调整滑块的水平,保证了模锻件的精度与质量[10]。

(3)在设备故障诊断方面,舒勒等公司的新设备还安装了振动传感器、加速度传感器等多种传感器,通过逻辑运算实现设备多方位的监控,并显示在操作画面上,可以预防故障意外停机,减少维护时间,提高设备生产效率[9]。西马克公司开发了一种辅助硬件——AR眼镜,可以将现场操作者的画面远程反馈给西马克的工程师,从而可以将指导建议和专业信息显示在AR眼镜的屏幕上,实现了远程运维服务[11]。

(4)在工件状态监测方面,德国西马克公司也开发了数字化系统,该系统能读取设备的工艺信息和运行状况,还能记录锻件的生产过程和质量信息[11]。

(5)在锻件质量检测方面,西马克公司在其最新的生产线上配备了先进的传感器技术和高分辨率相机,设备能够根据相关数据和评估做出智能、独立的决策。用于检测裂纹和预测磨损的iForge模块显示了实际应用中的情况。例如,借助裂纹检测功能,系统可以在锻件质量或生产线运行状态受到影响之前,识别出模具中刚出现的裂纹。磨损预测功能同样如此。

(6)在生产线计划监测方面,舒勒设备的监控系统采集的生产数据包括所有计划内以及计划外的停机时间及其原因、故障信息、目标产量/实际产量与零部件质量。通过对参数永久性记录,在需要时可以实时进行周期精准响应;通过条件监控,可以定期检查损坏与磨损情况[9]。

综上,国际上先进锻压设备企业在智能感知技术上进行了多方面的应用和尝试,并在效率提升、精益化管理、质量提升、工艺优化、碳足迹追踪等方面起到了一定的促进作用。国内锻压设备生产企业该技术的应用目前还处于追赶和快速发展阶段。

2 用于自动化生产线集成的智能感知技术

2.1 步进梁机械手的智能感知应用

步进梁机械手是热模锻压力机等设备上使用的先进自动化搬运设备。该设备的特点是在成对的两根梁体上布置一定数量的夹爪,夹爪数量根据压机工位数量和上料形式决定,每个工位的成对夹爪是与半成品锻件形状对应的。步进梁机械手可以实现多件半成品、成品锻件的同时搬运,在压力机能力和锻造工艺允许的情况下,最多可实现满工位同时搬运与锻造。相比于传统的单件逐工位锻造成形,步进梁机械手使得压机可以同时多件一起锻造,工作节拍也比工业机器人搬运快,从而成倍提升了生产效率。步进梁机械手适用于少品种、大批量的生产模式,在三工位及以上的锻造成形工艺方案中更能发挥其效率优势。

步进梁机械手已经过了多代的演变,其主要变化发生在驱动、传动系统。最早的步进梁机械手采用机械凸轮机构,也有气缸驱动等形式,这类设备结构复杂、行程范围短、同步性、稳定性差,已逐渐被市场淘汰。随着伺服电机的快速普及和相关控制技术的提高,主流步进梁机械手开始采用伺服电机加精密滚珠丝杠、齿轮齿条或多连杆的驱动、传动形式。根据伺服电机数量和传动轴划分,步进梁机械手分为五轴、六轴、十轴和十二轴。其中十轴步进梁机械手两个梁体独立驱动,设备结构简单、柔性化程度高,更加适应现代锻造行业产品个性化、换代速度快的生产模式,已成为目前国际上主流的步进梁机械手结构形式。

以二重装备自主开发的十轴步进梁机械手为例,在实际的热模锻压力机生产过程中,步进梁机械手通过伺服电机同步精密控制梁体位置配合压机锻造,该步进梁机械手的结构如图1所示。由于每个伺服电机中均安装有编码器,可将伺服电机的角位移转化为电信号,通过现场总线传送给压机控制器,压机可实时掌握步进梁梁体的位置及状态,因此压机在每次锻打时都可以知道步进梁是否在“安全区”,从而判断是否发出打击信号。但是,由于热模锻压力机的锻造过程属于一种动态平衡过程,每一次成功锻打和搬运,需要锻件温度、模具温度、模具型腔状态、脱模剂喷涂效果、顶料杆动作、滑块封闭高度位置等均在一个合适的状态范围内,才能保证生产线稳定运行。若锻件温度较低、模具温度不够等会容易造成模具开裂,锻件被卡在模具裂缝中,顶料力不足无法脱模从而发生粘模现象,此时步进梁无法将该工位上的半成品锻件顺利移送至下一工位,若是满工位锻造,则前一工位的锻件将会跟该工位锻件发生堆叠。这种情况下,压机是绝对不允许打击的,一旦打击动作执行,压机将会面临“闷车”,模具将会面临损坏,设备机械结构也会受到一定的损伤或影响。步进梁生产线的模具寿命一般在5000到20000件左右,在模具寿命接近临界时,也容易发生锻件充型不满、表面缺陷、粘模等现象,从而导致步进梁夹料不成功或在搬运过程中掉料等现象。若半成品锻件掉落在模具台面上,压机打击也是极其危险的。因此,步进梁机械手具备夹料智能感知功能是非常必要的,通过步进梁夹爪实时感知夹料状态,能有效确认步进梁机械手搬运是否成功,为压机打击信号的发出提供判断依据,保证生产线的安全与稳定。

图1 二重装备十轴步进梁机械手外形结构Figure 1 Outline structure of a ten-1axis walking beam robotic arm by Erzhong

步进梁机械手夹料智能感知技术主要是通过夹爪机构的特殊设计和多传感器的深度融合来实现的。在一侧梁体上每个工位夹爪内部设计有弹簧装置,夹料时通过压缩弹簧产生的位移触发内部传感器开关量信号,可得到步进梁在搬运过程中的实时夹料情况。但是仅通过梁体信号是无法实现感知功能的,还需要知晓每次夹持锻件时锻件的实际位置。获取锻件实际位置的方法是通过前序接料杯装置上触发的来料信号,经过实时记录和逻辑运算即可得出锻件的实际位置。最后将获取到的锻件实际位置信息与夹爪上的夹料信号进行比对判断,即可得出所要感知的信息:每次步进梁夹料时热模锻压力机上的理论和实际有料情况,以及各工位锻件是否都夹持搬运成功。步进梁机械手夹料智能感知功能的实现逻辑见图2。通过此方案,实现了对热模锻步进梁生产线工件状态的检测,夹料智能感知功能显示界面见图3。显示界面中,在工位信息栏上方是传感器信号指示灯,工位信息栏的绿色亮起表示理论坯料位置,工位信息栏下方是判断匹配结果指示灯。夹料时上方的传感器指示灯变暗表示夹料成功,与工位信息栏的绿灯判断匹配后,底部结果指示灯绿色表示搬运成功,若判断失败则显示红色,并向生产线发出停止信号。在实际应用中检测到夹料失败并控制生产线停机的成功率达到100%,大大提高了生产线的稳定性和安全性。步进梁机械手实际工作情况见图4。

图2 步进梁机械手夹料智能感知功能逻辑图Figure 2 Logic of intelligent perception function for material clamping of walking beam robotic arm

图3 步进梁机械手操作台监控画面Figure 3 Monitoring screen of the walking beam robotic arm operating platform

图4 步进梁机械手实际工作情况Figure 4 Actual working situation of walking beam robotic arm

2.2 长杆类锻件多工位传输过程中的智能感知

杆类锻件特别是长杆类锻件一般在平锻机上进行锻造生产,长杆类锻件中抽油杆是很典型的一种。二重装备研制的高效率抽油杆全自动锻造生产线以9 MN平锻机为主体,以抽油杆锻件为产品,设计制造了6种规格的锻造模具和专用自动锻造机械手,配以上料、中频炉加热及传输、自动不合格料分选装置、下料等设备及辅助装置和电气控制系统、气动系统、液压系统、润滑系统等组成一条全自动锻造生产线。该全自动锻造生产线能生产∅19～38 mm规格的抽油杆锻件,棒料长度范围7000～11 000 mm,设计节拍最快10件/min。图5为抽油杆全自动锻造生产线。

图5 高效率抽油杆全自动锻造生产线Figure 5 Fully automatic forging production line for high efficiency sucker rods

在该生产线上,一个很重要的环节是对棒料的直线度进行检测、分选。因为棒料直线度超差不但影响到锻件质量,还直接影响到第一工位的镦粗成形,甚至导致棒料端部被折断,造成生产线的停机。该生产线在设计初期曾考虑用视觉扫描或者光栅检测来判断棒料的直线度,但实际上对锻压设备来说,视觉扫描对环境要求高,不太适用平锻机生产线震动大的场景,另外也无法布置固定光源;光栅检测一般只能测量出投影方向的尺寸,且精度相对较低,无法准确测量棒料的径向各方向的偏差。因此,最终设计了一种机械结构的棒料直线度感知系统。在该抽油杆全自动锻造生产线中,棒料自动落入直线度检测V型槽中,检测台尾部的推料气缸将棒料推至检测位置。棒料直线度检测装置的原理是在目标规格棒料的轴线上设置筛孔,筛孔尺寸等于棒料直线度的最大公差。检测装置通过驱动气缸主动靠近棒料端部,棒料进入筛孔则通过布置在筛孔背后的检测机构和传感器发出棒料合格信号,被筛孔挡出则判断棒料直线度不合格。合格的棒料由V型架的翻转机构送入中频炉加热传送带。不合格的棒料可以通过V型架翻转机构反转抛出,或者经过逻辑运算跟加热温度检测不合格的棒料一起分选。生产线棒料直线度感知系统如图6所示。通过此方案攻克了超长杆类件全自动生产线中合格率偏低的难题,在省略棒料校直工序的情况下,实际生产合格率达到99.14%,保证了全自动生产线的稳定性和易用性,直线度不合格的棒料经过校直后仍可以正常生产使用,一定程度上缩短了工艺流程。该生产线实际工作情况见图7。

图6 棒料直线度感知系统Figure 6 Bar straightness perception system

图7 抽油杆全自动锻造生产线实际工作情况Figure 7 Actual working situation of the fully automatic forging production line for sucker rods

2.3 大型模锻液压机上的智能感知

航空模锻件具有生产过程工艺复杂、产品精度质量稳定性要求高、多品种、小批量生产等特点。随着航空工业的高速发展,对航空模锻件生产效率、精度和质量要求越来越高。大型模锻液压机作为重要的航空模锻件生产设备,对其控制精度要求非常高。由于航空模锻件多为钛合金、铝合金、高温合金等高性能、难变形材料,因此对锻件的控形、控性尤为重要。针对以上需求,在大型模锻液压机上运用智能感知技术,对压机活动横梁的精确位置、锻件尺寸和温度场进行感知。

关于活动横梁精确位置智能感知的解决方案首先是在压机的活动横梁四角与压机机架顶部之间安装4只直线位移传感器。4只位移传感器检测到活动横梁四角的位置,一方面用于活动横梁的同步平衡控制,另一方面用于活动横梁位置的检测。但是位移传感器只能测量出活动横梁到压机机架顶部的相对位置,实际上,大型模锻压机在压下过程中,由于锻件的变形抗力,导致压机机架发生弹性变形,同时模具自身也由于受力产生变形,从而使得压机活动横梁到达原先合模位置时,上、下模具之间的欠压量将会出现较大的误差。为解决欠压量的测量精度问题,再运用视觉测量系统,对采集的压机图像进行标识、畸变校正、防抖校正和尺寸运算,最终得到锻造欠压量的实际数值并补偿压机滑块的运动行程,保证工件的锻造尺寸精度。

锻件尺寸和温度的测量采集,对智能工艺专家系统的开发尤为重要。目前可采用的解决方案是:采用矩阵相机,通过对图像锻件外形特征和光谱特征的提出和分选,实现大型锻件三维尺寸及温度的测量。通过对滑块的精确位置、锻件尺寸和温度场等参数的智能感知,可有效提高压机的控制精度,并为工艺过程优化提供重要的数据支撑。

3 智能感知技术的应用思路

智能感知技术是多传感器集成加逻辑推理运算的应用技术。区别于普通的传感技术,智能感知技术整合了多个传感器的采集信息,对某一技术特征做出全面、精确的判断。

在锻压设备或产线的设计过程中,需要从实际工艺流程和用户需求的角度出发,整理出需要提取、判断的技术特征。根据该技术特征特点,设计合适的逻辑判断策略,确定需要采集的技术参数。设计逻辑判断策略时,可采用机械机构转换测量或数据转换提取等手段,如通过电机电流变化的采集换算出扭矩输出变化等。确定需采集的技术参数后选择合适精度的传感器及安装方法。最后通过逻辑运算编程,最终提取、判断出目标技术特征。

4 结束语

通过对智能感知技术在锻压设备上应用情况的梳理,可以判断出未来锻压设备智能感知技术的发展,主要围绕设备精密控制、智能决策、工艺专家系统和智能运维系统四个方向。智能感知技术的应用,并不是一定要采用最先进的传感器,而是要根据设备、环境、锻件、生产线和工艺的特点,以目标为导向,选择合适精度及信号输出模式的传感器,重点是掌握目标功能的内在机理,在系统传感器组合、逻辑运算及判断上理清思路。在紧跟智能制造发展的同时,还需要根据企业特点和实际需求综合制定解决方案,以期能达到最大效能。