基于數(shù)字化車間的加工精度自優(yōu)化技術研究

張志耀，馬 良，韋 杰，田 芳

( 中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原030024)

智能制造是基于新一代信息通信技術與先進制造技術深度融合，貫穿于設計、生產(chǎn)、管理、服務等制造活動的各個環(huán)節(jié)，具有自感知、自學習、自決策、自執(zhí)行、自適應等功能的新型生產(chǎn)方式。信息技術在經(jīng)濟和社會發(fā)展中的作用已經(jīng)從提升效率和勞動生產(chǎn)力的輔助角色上升為基礎創(chuàng)新和創(chuàng)造的使能者，演變?yōu)橹С纸?jīng)濟社會創(chuàng)新和可持續(xù)快速發(fā)展的一個主要角色。

在裝備研發(fā)制造領域，隨著信息化、網(wǎng)絡化、智能化的發(fā)展，賦予裝備研發(fā)更豐富、高效的技術手段，使各種工藝裝備呈現(xiàn)控制智能化、性能極限化等發(fā)展趨勢，如：通過裝備狀態(tài)實時監(jiān)測、誤差自補償、自主編程等使制造裝備性能加速提升，呈現(xiàn)高精度、高效率、高可靠等特征。

本文以一種基于低溫共燒陶瓷數(shù)字化車間基礎上的生瓷片沖孔精度自優(yōu)化方法為例，探討在數(shù)字化車間的新模式下，裝備研發(fā)的新方式、產(chǎn)品加工質(zhì)量提升的新方法。

1 低溫共燒陶瓷數(shù)字化車間概述

低溫共燒陶瓷數(shù)字化車間主要進行各類低溫共燒陶瓷基板、器件的生產(chǎn)，車間基本實現(xiàn)了各類信息的數(shù)字化、網(wǎng)絡化。

車間主要由現(xiàn)場設備層、數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）和制造執(zhí)行管理系統(tǒng)（MES）3 個部分組成。

現(xiàn)場設備層：包括生瓷沖孔、電路印刷、漿料填充、多層疊片等生產(chǎn)工藝設備、工裝工具、檢測設備、物流配送和緩存系統(tǒng)等（物理布局如圖1 所示），接受監(jiān)控系統(tǒng)的指令，實現(xiàn)車間現(xiàn)場各種硬件的自動化控制。

圖1 低溫共燒陶瓷數(shù)字化車間布局

數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）：可以對現(xiàn)場的運行設備進行監(jiān)視和控制，主要是執(zhí)行和發(fā)布生產(chǎn)過程中的各種生產(chǎn)指令，實現(xiàn)現(xiàn)場產(chǎn)品、工藝、設備、測試儀器、人員等各種數(shù)據(jù)的傳遞、采集、分析、判斷。

制造執(zhí)行管理（MES）：針對智能車間的生產(chǎn)管理和現(xiàn)場執(zhí)行，進行生產(chǎn)過程集中管控，解決生產(chǎn)的追溯性、生產(chǎn)控制和信息流通不暢等問題。

車間打通了各單元間的信息壁壘，實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，如：通過SQL 數(shù)據(jù)庫通訊方式，可實現(xiàn)孔位誤差數(shù)據(jù)在通孔檢測設備、MES 及打孔設備間相互傳輸；具備產(chǎn)品質(zhì)量追溯功能，通過識別每片生瓷片上的二維碼，可獲取該產(chǎn)品的規(guī)格型號、材料編號及所經(jīng)過的加工設備編號及加工時間等。

2 傳統(tǒng)精度補償方式及其不足

沖孔是低溫共燒陶瓷生產(chǎn)流程的關鍵工序，包括定位孔、互聯(lián)孔、腔體等的加工，其加工精度直接影響產(chǎn)品性能。因此，沖孔精度被認為是衡量沖孔設備性能的核心指標。目前先進的沖孔設備，其沖孔精度可達±10 μm[1]。

提高設備精度有兩條途徑：一是誤差預防；其二是誤差補償。誤差預防也稱為精度設計，是試圖通過設計和制造途徑消除可能的誤差源。單純采用誤差預防的方法來提高機床的加工精度是十分困難的，而必須輔以誤差補償?shù)牟呗訹2]。

2.1 沖孔工藝設備傳統(tǒng)精度補償方式

沖孔設備誤差補償主要包括運動平臺誤差補償、各沖孔單元沖孔誤差補償、沖孔單元之間位置誤差補償3 個環(huán)節(jié)。

2.1.1 運動平臺誤差補償

沖孔設備工作時，生瓷帶在運動平臺的帶動下精確移動至程序設定位置，沖孔單元完成沖孔動作。因此，平臺的運動精度是實現(xiàn)精確沖孔的前提條件，平臺裝調(diào)完成后須借助激光干涉儀對其X、Y 軸定位精度分別進行測量和補償。

以X 軸為例，測量和補償方式：

（1）在X 軸的行程（L）范圍內(nèi)，等間距取點n個；

（2）X 軸運動至各點Xi，使用激光干涉儀測量其實際運動距離Xreali，則可得出在各點的定位誤差：

（3）根據(jù)各點誤差值，擬合成整個行程范圍內(nèi)的誤差函數(shù)：δ(X)；

（4）沖孔時各點的運動坐標則補償為Xa=Xδ(X)。

如圖2 所示，X 軸定位精度未補償時為12.8 μm，補償后達到1.3 μm。

圖2 平臺X 軸定位精度補償前后對比

2.1.2 各單元沖孔誤差補償

沖孔單元是沖孔動作的執(zhí)行機構(gòu)，每個沖孔單元可加工一種規(guī)格的孔，根據(jù)所加工產(chǎn)品孔徑種類要求，一臺沖孔設備上通常需配置多個沖孔單元，DKJ-08 系列沖孔設備標配為8 個沖孔單元。

在實際沖孔過程中，由于料片和吸附盤的影響，即使運動平臺有較高定位精度，各個沖孔單元所加工孔的位置依然存在較大誤差，且各單元沖孔誤差各不相同，因此需根據(jù)各單元沖孔誤差分別進行誤差補償。

測量和補償方式：

（1）在料片的整個范圍內(nèi)，沖出均布的陣列孔；

（2）采用圖像測量儀，測量各孔位坐標，得出各孔的誤差值；

（3）根據(jù)各孔位置誤差值，擬合成整個料片范圍內(nèi)的誤差分布函數(shù)：ρX(X，Y)、ρY(X，Y)；

（4）沖孔時各點的運動坐標則補償為：

如圖3 所示，同一沖孔單元未補償時沖孔精度約為50 μm，補償后基本達到10 μm。

圖3 同一沖孔單元沖孔精度補償前后對比

2.1.3 沖孔單元之間位置誤差補償

設備在使用中，更換沖針、凹模時，需將沖孔單元拆下，沖孔單元在重復安裝過程中，很難保證安裝位置的一致性。因此，設備配置了專用的沖孔單元視覺定心系統(tǒng)，用來測量、校準單元之間的位置關系。通過該定心系統(tǒng)，可使單元之間的位置關系精度控制在一定范圍內(nèi)，但還是與設備的整體精度要求有一定差距，還需根據(jù)同一料片中，包含不同沖孔單元所沖孔的位置精度，進一步補償、修正單元之間的位置關系。

如圖4（a）所示，為單元只經(jīng)過定心，未根據(jù)孔位精度補償?shù)恼`差圖；圖4（b）所示為根據(jù)兩個單元所沖孔孔位精度補償后的誤差圖。

圖4 沖孔單元位置補償前后對比

2.2 傳統(tǒng)精度補償方式存在的不足

通過補償能夠有效地提高設備的沖孔精度，但在生產(chǎn)實踐中，發(fā)現(xiàn)該精度補償方式依然存在明顯的不足[3]。

2.2.1 沖孔過程產(chǎn)生的料片變形無法補償

隨著陶瓷器件向高密度、小型化的方向發(fā)展，在一張生瓷片上，動輒需要數(shù)萬孔的加工，每沖一個孔，沖頭、脫料模都會對生瓷片產(chǎn)生一次沖擊，在數(shù)萬次的沖擊力作用下，生瓷片會產(chǎn)生明顯變形，導致孔位精度變差，且料片變形狀態(tài)與沖孔數(shù)量及沖孔圖形相關，傳統(tǒng)沖矩陣補償方法對該誤差無法補償。

2.2.2 無法補償生瓷片材質(zhì)、規(guī)格引起的誤差值

不同的陶瓷器件可能需要采用不同的生瓷片來加工，生瓷片除了化學成分的區(qū)別外，還存在厚度、是否帶膜等的區(qū)別。在設備使用過程中，發(fā)現(xiàn)同一臺設備在加工不同規(guī)格的生瓷片時，其孔位誤差也不盡相同。傳統(tǒng)補償方法只能采用某種指定規(guī)格生瓷片來完成精度補償，難以兼容不同種類料片的高精度加工。

2.2.3 設備加工精度問題

設備在出廠時，完成誤差補償，在后續(xù)客戶使用過程中由于各種原因引起的沖孔誤差，即使是固定的系統(tǒng)性誤差，客戶也無法修正，只能等待生產(chǎn)廠家解決，設備修復時間較長，且成本較高。

2.2.4 補償過程費時費力

設備誤差補償主要包括運動平臺誤差補償、各沖孔單元沖孔誤差補償、沖孔單元之間位置誤差補償三個環(huán)節(jié)，需要花費較多的時間和精力。

3 數(shù)字化車間的打孔精度補償方式

低溫共燒陶瓷數(shù)字化車間具備檢測結(jié)果全數(shù)據(jù)反饋、產(chǎn)品生命周期質(zhì)量跟蹤等功能，針對打孔工藝設備提出一種新的補償方式，主要特點為：針對不同規(guī)格產(chǎn)品采用不同的補償參數(shù)，依據(jù)相同型號產(chǎn)品相同坐標孔的歷史誤差數(shù)據(jù)，對其精準補償；設備無需人工補償，整個過程依靠軟件對沖孔精度進行自優(yōu)化。基本原理框圖如圖5 所示。

圖5 數(shù)字化車間基礎上的沖孔精度補償流程

沖孔坐標補償數(shù)組中誤差補償數(shù)據(jù)依據(jù)相同型號產(chǎn)品相同坐標孔的歷史誤差統(tǒng)計數(shù)據(jù)建立。如：對于坐標為（X、Y）的孔，其沖孔誤差為（δx、δy），該型號產(chǎn)品相同坐標孔歷史誤差統(tǒng)計值為，則，該孔的誤差補償值可設定為λ（aδx，其中a、b為權重，a+b=1，λ 為補償系數(shù)，a、b、λ 的取值可根據(jù)實際補償效果進行設定、調(diào)整。

對于首次加工的產(chǎn)品，補償數(shù)組可通過各種產(chǎn)品的歷史誤差值擬合形成補償函數(shù)，該函數(shù)以孔的坐標值為自變量。

該補償方法的優(yōu)點：

（1）精度更高。傳統(tǒng)誤差補償采用沖矩陣孔，測量其誤差做擬合處理，近似地補償產(chǎn)品沖孔誤差；該補償方式是基于同型號產(chǎn)品相同坐標孔的誤差值來進行補償，可實現(xiàn)更高的沖孔精度。

（2）效率更高。傳統(tǒng)補償方式，在設備出廠前需進行大量的補償工作，設備到達客戶調(diào)試現(xiàn)場，由于運輸?shù)仍?，設備狀態(tài)有可能發(fā)生變化，還需再次進行補償修正。該補償方式幾乎不需要人工參與，完全依靠檢測設備將誤差數(shù)據(jù)反饋至打孔設備，通過軟件程序自動完成運算、補償，可有效地節(jié)約設備研發(fā)成本。

（3）誤差補償更具實時性、動態(tài)性。傳統(tǒng)的誤差補償屬于靜態(tài)的、非實時的誤差補償方法，如：設備工作過程中發(fā)熱產(chǎn)生的誤差，傳統(tǒng)方式無法進行補償；而該方法每加工完1 片，即可自動進行一次補償，可消除設備發(fā)熱引起的誤差，具有較好的實時性、動態(tài)性。

（4）可監(jiān)測設備運行狀態(tài)、保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠。由于在其運行方式下，設備沖孔精度一直處于被檢測狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)某產(chǎn)品加工誤差超過正常范圍，能夠即時預警，對設備問題及早處理，保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。

補償方法的通用性：

該補償方式不僅可用于打孔設備的誤差補償，也可推廣應用到數(shù)字化生產(chǎn)線的其它加工設備，其通用補償流程模型如圖6 所示。

如該產(chǎn)品為首次加工，則依據(jù)其它產(chǎn)品歷史加工數(shù)據(jù)進行補償。

如該型產(chǎn)品不是首次加工，則依據(jù)該產(chǎn)品歷史相同參數(shù)誤差測量值進行補償。由于該補償方式補償參數(shù)的建立，是完全依照同型號產(chǎn)品加工工況完全相同的條件下產(chǎn)生的誤差數(shù)據(jù)，該誤差數(shù)據(jù)具有很好的代表性，因此可實現(xiàn)很好的補償效果。

4 結(jié)束語

該補償方法通過通孔檢測設備“自感知”設備沖孔精度，對歷史誤差數(shù)據(jù)“自學習”的基礎上，“自決策”生成補償數(shù)組，“自執(zhí)行”完成設備精度補償，實時、動態(tài)的補償方式可“自適應”溫度等因素的變化，有效地提升了設備性能。

本文以數(shù)字化車間基礎上的生瓷片沖孔精度自優(yōu)化方法為例，拋磚引玉，實踐了數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化技術在提升產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)周期等方面的作用；這種誤差補償方式可推廣應用于其他領域，可促進產(chǎn)品加工精度的提高，提升數(shù)字化生產(chǎn)車間附加值，推動數(shù)字化工廠的建設、推廣。

圖6 數(shù)字化車間基礎上的通用補償流程