年产百万件曲轴数字化锻造车间研制与应用

摘 要：为了实现曲轴锻造车间的数字化监测、控制及智能生产，以桂林福达重工锻造有限公司曲轴锻造车间为研究和应用背景，研制和开发了年产百万件曲轴数字化锻造车间，构建完备的智能化锻造装备与锻造车间数字化体系。利用现代化自动锻造生产线及成套锻造技术装备，结合智能化感知与在线检测装备搭建曲轴锻造车间的数字化平台，实现数字化锻造智能控制系统的高度集成，并采用profibus网络构架实现系统的实时远程集中监测与维护。为改善锻造生产的劳动环境，将锻造产业从劳动密集型转变为技术密集型提供了一种重要的技术手段。

关键词：曲轴；数字化；锻造车间

中图分类号：TG31 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）15-0069-02

1 曲轴数字化锻造车间系统组成

桂林福达智能化锻造车间由四个系统集成：现代化锻造生产线及相关锻造成套技术与设备；锻造生产智能化感知与在线监测装备；数字化锻造智能控制系统集成及网络构架和锻造生产专家决策系统。

1.1 现代化锻造生产线及相关锻造成套技术与设备

根据锻造生产过程中物料的传输过程和锻造工艺特点，整个智能化锻造线的物料传送均由多关节工业机器人实现，所配设备均配置了数字化系统和在线监控装置，关键智能部件包括自动上下料、均衡化柔性生产、加工参数优化、生产过程实时监控、数字化物流跟踪、在线高精度监测、设备故障自动预警、MES管理、安全冗余生产监控、远程诊断与维护系统，以及专家决策系统。可在线进行温度检测、关键设备打击力、轧制力、输出能量、锻件位置检测等，并可在线进行典型曲轴产品锻造生产的故障诊断和智能处理，此外，还可实现典型曲轴产品锻造生产的管理监控，包括产能统计、物流管理、成本统计、生产进度、生产质量等。

1.2 锻造生产智能化感知与在线检测装备

锻造自动智能化感知与在线检测装备包括成型过程中位置精度的在线检测系统、智能视觉识别系统、成型过程中关键设备的打击力、轧制力、输出能量实时测量和记录以及锻件温度、模具温度实时测量和记录。

成型过程中位置精度的在线检测系统采用激光对射检测系统和智能视觉识别系统实时检测、实时反馈，通过上级专家决策层来解决此类故障；成型过程中模具磨损程度的在线检测采用二维检测传感器检测技术来实现成型过程中模具磨损程度的在线检测，并将统计存储数据实时或在一定生产周期结束后一次性通过MES系统上传到工艺设计部门，作为修改工艺和模具设计的依据，以便操作人员实时了解模具状态并对模具进行及时保养；锻件的终锻温度变化对于锻后热处理结果有着重要的影响，终锻结束检测锻件实时温度，经专家系统分析和处理，由总线控制系统支配执行元件机器人送到不同的锻后热处理工艺通道。

1.3 数字化锻造智能控制系统集成及网络构架

数字化锻造智能控制系统以实现以下四部分功能：首先，联接生产线各单机设备、现场级感知元件与执行系统，并将采集到的信号分析重组、通过中央PLC进行智能决策后，对生产线各设备进行协调管理与监控。其次，它能联接车间级多条生产线，通过MES系统优化企业的信息化管理，加强企业对生产状态的了解，以及对生产成本的控制。再者，锻造线的锻件高温、机器人高速、压力机重载特性使得生产线控制系统必须集成安全功能才能更好的保护人员和设备。为此，开辟安全数据专属流通通道，提升控制系统的安全等级也是智能控制系统集成的重要组成部分。最后，建立能快速排查生产线故障的远程诊断系统，可实现对现场设备的状态监控、故障诊断、故障排除、远程协助等功能。

基于上述智能控制系统，网络构架对应划分为四层：现场总线profibus-dp网络，现场级安全总线saftybus-p总线，车间级profinet工业以太网络以及工厂级以太网，上述四层网络层叠相交，组成了数字化锻造线融合式网络架构。

1.4 锻造生产专家决策系统

专家决策系统示意图如图1所示。在锻造的过程中，一旦出现问题，操作界面能够自动弹出专家决策系统，将发现的问题及提供的决策方案告知用户。对于专家决策系统来说，要求能实时采集各种现场检测和控制数据信息，并且能够在问题出现时，迅速分析出解决方案，因而专家决策系统的实时性显得尤为重要。而当专家决策系统推理过程较快时，其推理结果需要在规定的时间内满足要求，并且还要保证推理结果的正确性。所以专家系统的推理时间、自身的推理模式、知识库结构和知识条内容翔实程度、计算机性能及专家系统支持语言等元素如何进行综合考虑，也是专家决策系统先进性体现的重点。

2 上位机界面平台

上位机界面平台用于实时显示曲轴数字化锻造车间系统的各项数据，并对数据进行分析以及实现历史信息的查询。

2.1 数据管理界面

数据管理界面如图2所示。用户设置查询条件生产线，设备，参数 起始时间查看历史数据，数据按照采样时间排列；并在图框中显示相应数据的散点图，方便工作人员直观掌握设备状态。

2.2 控制图及故障诊断界面

控制图及故障诊断界面如图3所示。当SPC控制图发生异常时，点击诊断按钮可到处理意见的诊断报告；同时可以选取观察到的异常现象，结合SPC控制图得出的结论以及故障树，进行故障的规则推理，得到诊断报告。如果SPC控制图未发生异常，可直接通过异常现象查找故障原因，生成故障报告并可以以word文档形式保存。

3 项目实施效果及效益分析

桂林福达股份有限公司是一家生产销售发动机曲轴、汽车离合器、汽车齿轮等汽车零部件和精密锻件为主营业务的高新技术企业，是桂林市的龙头企业。旗下桂林福达重工锻造有限公司建成的14000T、12500T、8000T、6300T热模锻生产线，主要生产发动机曲轴、汽车前轴、转向节以及工程机械、船舶机械、航空航天等大型精密锻件。是目前国内规模最大、工艺装备水平最先进的精密锻件生产企业，年产发动机曲轴锻件100万件以上。

曲轴数字化锻造车间的建立对锻造行业具有引领示范效果，该项目也是中国锻造行业第一个得到国家智能专项支持的项目。通过项目实施，实现了锻造车间的数字化建设和智能装备系统的集成化应用，提高了锻件生产的稳定性和生产节拍。同时通过锻造车间的数字化控制和管理，提升生产效率、降低能耗，利用设备故障诊断专家系统实现故障的快速诊断和恢复，从而提高生产节拍，降低生产成本。通过本项目的实施，关键设备数控化率达到84.4%，生产效率提升38.28%，能耗降低31.08%，人员减少42.9%。将锻造生产从人工依赖的模式提升到定量化和数字化制造模式，同时产品质量显著提高，交付周期缩短，产能提升，增强了市场竞争力，项目的实施给企业发展带来了显著的经济效益。建立了数字化锻造示范工程，带动并推进整个锻造行业的数字化进步。

4 结语

本文以桂林福达股份有限公司曲轴生产车间为例，研究和开发了年产百万件曲轴数字化锻造车间，改进了曲轴锻造生产线、构建了数字化锻造车间的智能监测系统、上位机组态监测平台以及网络架构，实现了对锻件生产工艺流程各环节的设备、装置进行基于视觉检测等技术的智能感知与数字化控制，通过本项目的实施，桂林福达重工锻造有限公司解决了已建成锻造生产线所存在的智能化程度低的问题，实现数字化锻造车间的建设和智能装备系统的集成化应用，提高锻件生产的稳定性和生产节拍，为企业的发展带来了显著的经济效益。

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