大型鍛件工藝數(shù)據(jù)智能化處理與優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文/劉凱泉，王光明·天津重型裝備工程研究有限公司

大型鍛件傳統(tǒng)生產(chǎn)流程中普遍存在的問題是工程數(shù)據(jù)缺乏有效的歸納和整理，數(shù)據(jù)得不到有效的反饋，數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)的流傳和共享性差。大型鍛件工藝數(shù)據(jù)智能化處理與優(yōu)化系統(tǒng)能把更多與產(chǎn)品研發(fā)相關(guān)的數(shù)據(jù)集中到一起統(tǒng)一管理，最大限度地提高工藝設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，保證工藝數(shù)據(jù)能得到準(zhǔn)確反饋和及時(shí)修訂。

當(dāng)前制造業(yè)競爭壓力越來越大，企業(yè)要想保持競爭優(yōu)勢，需要在較短的時(shí)間內(nèi)推出高質(zhì)量、低成本的產(chǎn)品。目前制造業(yè)普遍存在的問題是工程數(shù)據(jù)缺乏有效的歸納和整理，數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)流轉(zhuǎn)和共享性差。

大型鍛件生產(chǎn)的主要流程有產(chǎn)品研發(fā)、工藝審查、工藝規(guī)劃、工藝仿真、工藝發(fā)布、生產(chǎn)制造、結(jié)果反饋和工藝優(yōu)化。在工藝規(guī)劃階段，鍛造工藝設(shè)計(jì)主要通過工藝人員查詢相關(guān)規(guī)范進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，并結(jié)合CAD軟件輔助來完成工藝文件的輸出。從形式來看，早已實(shí)現(xiàn)了工藝數(shù)字化，鍛造工藝設(shè)計(jì)的過程得到了一定程度的簡化。但從內(nèi)容上來看，工藝知識的積累，工藝流程的固化，工藝數(shù)據(jù)的共享都存在較大的問題。

同一類型的大型鍛件尤其是形狀簡單的鍛件如筒節(jié)，鍛造工藝經(jīng)過實(shí)際生產(chǎn)的多次檢驗(yàn)，工藝已經(jīng)相對成熟，鍛造工藝流程也大體相同，區(qū)別主要體現(xiàn)在尺寸方面。設(shè)計(jì)鍛造工藝時(shí)，工藝人員首先根據(jù)零件形狀及零件尺寸添加鍛造余量從而得到鍛件圖，然后根據(jù)鍛件尺寸逆向推導(dǎo)各火次的工藝參數(shù)，初選得到所需的鋼錠重量；最后以初選得到的鋼錠為坯料，逐步計(jì)算各火次的工藝參數(shù)，進(jìn)而完成工藝設(shè)計(jì)。假如有100個(gè)尺寸不同的筒節(jié)鍛件，這就需要按照上述流程進(jìn)行100次計(jì)算。在這些計(jì)算中，大多數(shù)的運(yùn)算都是機(jī)械式的重復(fù)運(yùn)算，鍛造工藝人員需要花費(fèi)大量的時(shí)間來處理鍛件各個(gè)火次的工藝參數(shù)。

鍛件制造過程結(jié)束后，相關(guān)的檢測、分析和統(tǒng)計(jì)將陸續(xù)展開。當(dāng)前，由于缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，各類信息還散落在各個(gè)子業(yè)務(wù)系統(tǒng)中，以電子或紙質(zhì)文檔方式存在，相關(guān)的統(tǒng)計(jì)和分析業(yè)務(wù)缺乏有效的信息化支撐。以某鍛件為例，受鍛件結(jié)構(gòu)及變形方式的限制，按照鍛造規(guī)范添加鍛造余量，容易出現(xiàn)局部加工余量小的問題。如鍛件尺寸檢測數(shù)據(jù)得不到有效的反饋，鍛造規(guī)范得不到及時(shí)的修訂，下次年輕的工程技術(shù)人員在處理同類產(chǎn)品時(shí)，仍將重蹈覆轍，犯前人犯過的錯(cuò)誤。在此背景下，企業(yè)開始了大型鍛件工藝數(shù)據(jù)智能化處理與優(yōu)化系統(tǒng)項(xiàng)目。

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

大型鍛件工藝數(shù)據(jù)智能化處理與優(yōu)化系統(tǒng)主要由四個(gè)模塊組成，其流程圖如圖1所示。

⑴鍛造工藝編制計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)模塊。此模塊中集成有材料庫、鍛造規(guī)范、輔具庫、鋼錠規(guī)格等數(shù)據(jù)庫。目前，鍛造工藝的輔助設(shè)計(jì)模塊主要針對形狀簡單，工藝流程相對固化的幾種鍛件，如筒節(jié)、餅類件、錐形筒體和臺(tái)階軸。

⑵鍛件尺寸統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)模塊。此模塊主要負(fù)責(zé)收集測控設(shè)備反饋的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)反饋給鍛件尺寸數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

⑶鍛件尺寸數(shù)據(jù)處理反饋系統(tǒng)模塊。此模塊主要負(fù)責(zé)鍛件毛坯尺寸與粗加工尺寸的對比，結(jié)合企業(yè)自定義判據(jù)，分析鍛件添加的余量是否合適。對于余量過大或過小的產(chǎn)品，系統(tǒng)將自動(dòng)發(fā)送預(yù)警信息，建議用戶修改規(guī)范。

⑷鍛造工藝規(guī)范人工智能系統(tǒng)模塊。此模塊主要負(fù)責(zé)鍛造工藝規(guī)范的修訂和優(yōu)化。

功能介紹

從大型鍛件工藝數(shù)據(jù)智能化處理與優(yōu)化系統(tǒng)流程圖（圖1）可知，“鍛造工藝編制計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)”模塊是整個(gè)系統(tǒng)的“起始點(diǎn)”。只有“鍛造工藝編制計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)”模塊設(shè)計(jì)出鍛造工藝，才能有鍛件毛坯為“鍛件尺寸數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)”模塊提供相應(yīng)的尺寸數(shù)據(jù)，并開展后續(xù)鍛造工藝規(guī)范的修訂。因此，本系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)工作從“鍛造工藝編制計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)”模塊開始。

目前，大型鍛件工藝數(shù)據(jù)智能化處理與優(yōu)化系統(tǒng)已經(jīng)完成了“鍛造工藝編制計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)”模塊的相關(guān)設(shè)計(jì)。此模塊基于VC++平臺(tái)開發(fā)，新建有一個(gè)MFC（即Microsoft Foundation Class Library，能幫助程序員建立Windows下的應(yīng)用程序）的工程；所有的程序都采用C++語言編寫，并設(shè)計(jì)有人機(jī)互換式的程序界面。系統(tǒng)主界面是Windows風(fēng)格的視窗界面，各項(xiàng)命令分類放在菜單欄中，通過下拉式菜單給出，由彈出式對話框提示操作，全中文提示，人機(jī)交互界面良好，操作方便，能實(shí)現(xiàn)以下主要功能。

鍛件圖自動(dòng)繪制

以餅類件為例，程序主界面的主菜單欄中設(shè)計(jì)有兩個(gè)下拉式子菜單，分別是“新建”和“打印鍛造工藝”。當(dāng)用戶點(diǎn)擊下拉式子菜單“新建”后，程序?qū)⒆詣?dòng)彈出對話框“輸入粗加工尺寸”，如圖2所示；工藝人員輸入尺寸參數(shù)并點(diǎn)擊按鈕“確定”，程序?qū)⒆詣?dòng)獲取編輯框中的數(shù)值，并傳遞給程序的相關(guān)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)運(yùn)算結(jié)束后，系統(tǒng)將自動(dòng)繪制鍛件的鍛件圖，并在主界面中顯示，如圖3所示。

圖1 大型鍛件工藝數(shù)據(jù)智能化處理與優(yōu)化系統(tǒng)流程圖

圖2 對話框“輸入粗加工尺寸”

圖3 鍛件圖自動(dòng)繪制

同時(shí)，為了靈活應(yīng)對不同材質(zhì)、不同規(guī)格尺寸鍛件，便于工藝設(shè)計(jì)人員調(diào)整余量及鍛件尺寸公差，本程序也設(shè)計(jì)有“修改”功能，如圖4所示。鍛件圖自動(dòng)繪制后，程序提示用戶確認(rèn)鍛件圖，如需修改調(diào)整鍛件尺寸，可選擇對話框中的“修改”按鈕并點(diǎn)擊確定，程序?qū)⒆詣?dòng)彈出對話框“自行輸入鍛件尺寸”，如圖5所示。當(dāng)然，對于用戶手動(dòng)輸入的數(shù)值，系統(tǒng)也會(huì)進(jìn)行簡單的“有效性檢查”，如輸入的餅類鍛件直徑小于粗加工直徑尺寸，系統(tǒng)將自動(dòng)提示用戶“輸入的尺寸有誤”。用戶手動(dòng)修改鍛件尺寸后，編輯框中的數(shù)值將自動(dòng)傳遞給相關(guān)的程序語句，鍛件圖也將自動(dòng)重新繪制。

圖4 對話框“修改”

圖5 對話框“自行輸入鍛件尺寸”

鍛件重量的自動(dòng)計(jì)算及鍛造設(shè)備的自動(dòng)選取

在工藝設(shè)計(jì)人員確認(rèn)鍛件尺寸之后，程序?qū)⒏鶕?jù)產(chǎn)品的形狀、材質(zhì)等信息自動(dòng)計(jì)算鍛件重量，并且根據(jù)坯料尺寸、鍛件重量、預(yù)估成形力等因素自動(dòng)匹配鍛件的成形設(shè)備。

鋼錠自動(dòng)篩選并推薦最佳的鋼錠規(guī)格

鍛件重量計(jì)算結(jié)束后，程序?qū)⒔Y(jié)合企業(yè)多年來生產(chǎn)同類產(chǎn)品的鋼錠利用率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從錠型庫中自動(dòng)篩選出較為合理的鋼錠規(guī)格；如篩選得到較為合理的鋼錠規(guī)格為多個(gè)，系統(tǒng)還將自動(dòng)推薦最合理的鋼錠規(guī)格。在沒有特殊要求的情況下，鋼錠重量小、材料利用率高的鋼錠規(guī)格為最佳鋼錠規(guī)格。

各火次的鍛造工藝參數(shù)自動(dòng)計(jì)算及修改

以筒節(jié)鍛件為例，企業(yè)目前生產(chǎn)筒節(jié)鍛件的工藝流程相對固定（除特殊材質(zhì)外），主要有下料、鐓粗、沖孔、芯棒拔長和馬杠擴(kuò)孔等工序。在下料火次，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)鋼錠水口端切除量、下料尺寸等參數(shù)的自動(dòng)確定；在鐓粗沖孔火次，程序能實(shí)現(xiàn)鐓粗后坯料高度、坯料直徑、沖子形式及沖子規(guī)格等工藝參數(shù)的確定或自動(dòng)選擇；在芯棒拔長和馬杠擴(kuò)孔火次，系統(tǒng)可計(jì)算中間坯料的尺寸、實(shí)現(xiàn)馬杠等輔具的自動(dòng)選擇，并合理分配每一火次的鍛比。同時(shí)，系統(tǒng)在此階段也設(shè)計(jì)有工藝參數(shù)修改的功能，用戶可參考系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行修改，如圖6和圖7所示。所有的工藝參數(shù)計(jì)算結(jié)果也將和鍛件圖一起在程序的主界面進(jìn)行顯示。

圖6 對話框“修改工藝參數(shù)”

圖7 對話框“自行確定工藝參數(shù)”

鍛造工藝卡片自動(dòng)繪制

當(dāng)用戶完成子菜單“新建”中所有的操作時(shí)，系統(tǒng)后臺(tái)存儲(chǔ)了鍛件所有的工藝參數(shù)結(jié)果。用戶只需點(diǎn)擊下拉式菜單中“打印鍛造工藝”，系統(tǒng)將自動(dòng)輸出完整的結(jié)果，生成鍛造工藝卡片，如圖8所示。對于鋼錠多余的料，用戶還可選擇保留余料或者舍棄余料，系統(tǒng)將根據(jù)用戶的選擇進(jìn)行相應(yīng)的輸出，保證自動(dòng)設(shè)計(jì)的鍛造工藝更接近實(shí)際生產(chǎn)的需要。

圖8 自動(dòng)生成鍛造工藝卡片

通過大量實(shí)例的測驗(yàn)，程序設(shè)計(jì)的鍛造工藝符合企業(yè)實(shí)際設(shè)計(jì)規(guī)范，基本滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。相對于工藝人員設(shè)計(jì)鍛造工藝，可提高效率幾十倍甚至百倍以上，大大簡化了鍛造工藝設(shè)計(jì)。但就目前而言，大型鍛件工藝數(shù)據(jù)智能化處理與優(yōu)化系統(tǒng)輸出的計(jì)算結(jié)果與通用的CAD軟件還存在一定的接口問題。

而“系統(tǒng)將鍛件尺寸統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)”模塊、“鍛件尺寸數(shù)據(jù)處理反饋系統(tǒng)”模塊、“鍛造工藝規(guī)范人工智能系統(tǒng)”模塊初步計(jì)劃采用目前流行的“大數(shù)據(jù)”進(jìn)行開發(fā)。大數(shù)據(jù)擁有大量、高速、多樣、低密度價(jià)值和真實(shí)性五大特點(diǎn)。系統(tǒng)將收集各類鍛件毛坯尺寸（鍛造規(guī)范添加鍛造余量）、鍛造輔具參數(shù)、鍛件成形方式、加工方式等數(shù)據(jù)，利用“大數(shù)據(jù)”對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析、提取，實(shí)現(xiàn)大型鍛件工藝數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)和共享。

結(jié)束語

大型鍛件工藝數(shù)據(jù)智能化處理與優(yōu)化系統(tǒng)把更多與產(chǎn)品研發(fā)相關(guān)的數(shù)據(jù)集中到一起統(tǒng)一管理，最大限度地提高工藝設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，保證工藝數(shù)據(jù)能得到準(zhǔn)確的反饋和及時(shí)的修訂，有利于工藝人員有更多的時(shí)間去從事工藝改進(jìn)和其他科研工作。