鍛壓裝備信息化道路的回顧與展望

文/關(guān)世偉·北京航空航天大學(xué)

鍛壓裝備信息化道路的回顧與展望

文/關(guān)世偉·北京航空航天大學(xué)

智能化工具又稱信息化的生產(chǎn)工具。它一般必須具備信息獲取、信息傳遞、信息處理、信息再生、信息利用的功能。智能化生產(chǎn)工具與過(guò)去生產(chǎn)力中的生產(chǎn)工具是不一樣的，它不是一件孤立分散的東西，而是一個(gè)具有龐大規(guī)模的、自上而下的、有組織的信息網(wǎng)絡(luò)體系。

智能制造裝備是具有感知、分析、推理、決策、控制功能的制造裝備，它是先進(jìn)制造技術(shù)、信息技術(shù)和智能技術(shù)的集成和深度融合。

鍛壓是對(duì)坯料施加外力，使其產(chǎn)生塑性變形、改變尺寸與形狀，及改善性能，用以制造機(jī)械零件、工件或毛坯的成形加工方法。鍛壓裝備是指鍛壓生產(chǎn)需要的鍛壓機(jī)械及其附屬裝置。鍛壓裝備信息化就是使鍛壓裝備成為智能制造裝備的發(fā)展過(guò)程。

信息化是鍛壓裝備的發(fā)展方向。為了使鍛壓裝備信息化沿著正確的方向發(fā)展，就有必要深刻理解鍛壓裝備并對(duì)鍛壓裝備的發(fā)展過(guò)程有所了解。

鍛壓裝備的系統(tǒng)分析

鍛壓裝備是一個(gè)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)輸入的是物質(zhì)、能量和信息，輸出的同樣是物質(zhì)、能量和信息，如圖1所示。輸出的物質(zhì)、能量和信息被集成在一起形成了鍛壓零件（或毛坯）。對(duì)于形成的零件，物質(zhì)反映的是零件的材料，能量反映的是零件的內(nèi)能和表面能，信息反映的是零件的幾何形狀。這樣看來(lái)，在鍛壓裝備系統(tǒng)中便包含了物質(zhì)流、能量流和信息流。

物質(zhì)流體現(xiàn)的是原材料到零件的變化過(guò)程。對(duì)于鍛壓裝備輸入的物質(zhì)是坯料，輸出的是機(jī)械零件和廢料。在這一轉(zhuǎn)換過(guò)程中，物質(zhì)的幾何形狀和性能發(fā)生變化，但是輸入和輸出的物質(zhì)質(zhì)量保持不變。輸出的零件質(zhì)量與輸入的物質(zhì)質(zhì)量之比就是材料的利用率。

能量流體現(xiàn)的是能量的傳遞和轉(zhuǎn)換。一般鍛壓裝備的主要能量轉(zhuǎn)換過(guò)程是：電源的電能→裝備的機(jī)械能或液壓能→零件的變形能和表面能。除此之外還有部分能量被裝備本身消耗。零件的變形能和表面能與電源消耗的電能之比就是裝備的效率。

信息流體現(xiàn)了信息的傳遞過(guò)程。零件的幾何信息寫入材料便形成零件。除零件的幾何信息之外，鍛壓裝備還有大量的其他信息。根據(jù)信息的來(lái)源，鍛壓裝備的信息可以分為內(nèi)部信息和外部信息。內(nèi)部信息主要反映鍛壓裝備及其零部件的工作狀態(tài)，如油液的壓力、流量、溫度和液位，電器的電壓、電流和溫度，運(yùn)動(dòng)零部件的內(nèi)力、位移、速度和溫度，還有設(shè)備的工作時(shí)間和加工數(shù)量等等。外部信息就是鍛壓裝備從外界獲取的信息，包括零件信息、工藝信息、操作信息、環(huán)境信息和查詢請(qǐng)求信息等。作為信息化裝備的信息處理系統(tǒng)應(yīng)能全面而準(zhǔn)確地獲取這些信息，經(jīng)過(guò)分析、推理做出決策，進(jìn)而控制裝備的運(yùn)行。

圖1 鍛壓裝備系統(tǒng)

鍛壓裝備的信息化歷程

信息化的概念起源于20世紀(jì)60年代，是一個(gè)現(xiàn)代的概念，但是回顧鍛壓裝備的歷史，可以發(fā)現(xiàn)鍛壓裝備信息化的腳步從來(lái)就沒(méi)有停止過(guò)，沒(méi)有過(guò)去的基礎(chǔ)，就不會(huì)出現(xiàn)今天的信息化。以下是在鍛壓裝備歷史上對(duì)信息化有重要作用的發(fā)明。

⑴手工工具和人力機(jī)械。手工工具和人力機(jī)械是鍛壓裝備原始形態(tài)，手工工具和人力機(jī)械本身和信息沒(méi)有任何關(guān)系，但是它們是通過(guò)人力操縱的，如果將人的作用考慮進(jìn)來(lái)，那么原始的鍛壓作業(yè)將具有智能化的全部特點(diǎn)。原始的鍛壓作業(yè)，感知、決策和執(zhí)行分別由人的感官、大腦和手腳完成。然而這樣的“信息化作業(yè)”并不完美，主要不足之處就是能量不足和信息不能進(jìn)行精確地定量處理。這就導(dǎo)致原始鍛壓作業(yè)能力弱、效率低和質(zhì)量差。鍛壓設(shè)備在后來(lái)的發(fā)展過(guò)程中都是在能量和信息方面的進(jìn)步。

⑵有動(dòng)力機(jī)械。有動(dòng)力鍛壓機(jī)械的出現(xiàn)解決了手工操作的能量不足問(wèn)題，使得鍛壓的能力和效率都得到了很大的提高。同時(shí)鍛壓機(jī)械也具有了最簡(jiǎn)單的信息獲取和信息處理能力，實(shí)現(xiàn)這種能力的原件就是開關(guān)。通過(guò)開關(guān)獲取人的啟閉信息，并控制機(jī)械的啟動(dòng)和停止。

⑶模具。模具的一般概念是在外力作用下使坯料成為有特定形狀和尺寸的制件工具。然而，從信息化角度來(lái)看，模具是將零件的幾何形狀信息固化其中的工具。這是一種特殊的信息利用方式，模具是零件幾何信息的載體，它通過(guò)機(jī)械加工得到零件的幾何信息。在鍛壓裝備上安裝模具的過(guò)程就是鍛壓裝備獲取零件幾何信息的過(guò)程。在鍛壓設(shè)備的驅(qū)動(dòng)下，模具的幾何形狀再控制原料的成形或分離，并把零件的幾何信息寫入原料，進(jìn)而形成零件。因此，模具也是鍛壓裝備的一個(gè)重要的信息元件。模具的出現(xiàn)提高了鍛壓的效率和鍛壓零件的質(zhì)量。

⑷傳感器。在鍛壓裝備上引入傳感器之后，極大地提高了鍛壓設(shè)備獲取信息的能力。利用傳感器可以定量地得到鍛壓設(shè)備的內(nèi)、外部信息。傳感器和自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合不但提高了鍛壓裝備的自動(dòng)化程度，而且還提高了零件質(zhì)量、加工效率和裝備的安全性，使鍛壓裝備邁上了一個(gè)新臺(tái)階。

⑸計(jì)算機(jī)。傳感器解決了很多的信息輸入問(wèn)題，但在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)之前，鍛壓設(shè)備信息的傳遞還是以模擬量和開關(guān)量為主，還不能處理更復(fù)雜信息，控制能力也不強(qiáng)。計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)使鍛壓設(shè)備進(jìn)入了數(shù)字控制的全新時(shí)代。信息的傳遞由模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，信息獲取、信息傳遞和信息處理的能力都得到了更大地提高，為實(shí)現(xiàn)信息化提供了一個(gè)理想的平臺(tái)。

⑹網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)提高了鍛壓設(shè)備的通訊能力，擴(kuò)展了信息傳遞的空間。為設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控提供了理想的手段。

我國(guó)鍛壓裝備信息化的前途

高端裝備制造業(yè)是國(guó)家“十二五”規(guī)劃提出的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)七大領(lǐng)域之一，其中智能制造裝備是高端裝備制造業(yè)的重點(diǎn)方向之一。在制造業(yè)推進(jìn)智能制造裝備可以實(shí)現(xiàn)各種制造過(guò)程自動(dòng)化、智能化、精益化，帶動(dòng)整體智能裝備水平的提升。根據(jù)國(guó)家的戰(zhàn)略規(guī)劃，信息化一定是鍛壓裝備的發(fā)展方向。

根據(jù)智能制造裝備的定義，智能鍛壓裝備也應(yīng)該具有感知、決策和執(zhí)行能力，下面就從這三個(gè)方面來(lái)分析鍛壓裝備的發(fā)展問(wèn)題。

⑴感知就是獲取信息。獲取信息主要有傳感器和網(wǎng)絡(luò)兩條途徑。目前，這兩項(xiàng)技術(shù)都比較成熟，但是遺憾的是在鍛壓行業(yè)大部分的傳感器和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品使用的都是國(guó)外產(chǎn)品。這也從一個(gè)側(cè)面說(shuō)明我國(guó)的信息化原件與國(guó)外相比還存在一定的差距。所以提高信息化原件的制造水平是我們的一項(xiàng)重要任務(wù)。針對(duì)鍛壓行業(yè)，還需要開發(fā)出能夠在惡劣環(huán)境中工作的傳感器，比如能適應(yīng)高溫、強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境的傳感器。

⑵決策要求能夠?qū)Λ@取的信息進(jìn)行分析、推理和擇優(yōu)。決策的工作由計(jì)算機(jī)來(lái)完成。這就需要高性能的計(jì)算機(jī)硬件和智能軟件。目前，智能軟件的開發(fā)是鍛壓裝備智能化的最薄弱環(huán)節(jié)，也是最重要的環(huán)節(jié)，裝備的智能主要體現(xiàn)在這一環(huán)節(jié)之上。傳統(tǒng)的工程計(jì)算能夠解決部分問(wèn)題，但要達(dá)到完美還需要使用人工智能的理論和技術(shù)，比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法和模糊數(shù)學(xué)等，使鍛壓裝備真正成為自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)和自組織系統(tǒng)。這就要求從事鍛壓研究和開發(fā)的人員要學(xué)習(xí)新知識(shí)，自覺(jué)使用新原理和新技術(shù)。

⑶執(zhí)行就是根據(jù)決策的結(jié)果控制執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)，執(zhí)行系統(tǒng)包括動(dòng)力、傳動(dòng)和控制。理想的執(zhí)行系統(tǒng)應(yīng)能不折不扣地執(zhí)行決策，因此伺服系統(tǒng)應(yīng)該是執(zhí)行系統(tǒng)的主要形式。大功率伺服電機(jī)用于鍛壓裝備不但能夠提高執(zhí)行系統(tǒng)的水平，同時(shí)也能降低能耗。執(zhí)行系統(tǒng)反映的是鍛壓裝備的主體，牽扯著多方面的技術(shù)，只有鍛壓裝備制造企業(yè)的綜合制造水平得到提高才能提高執(zhí)行系統(tǒng)的水平。