航天產(chǎn)品旋壓智能制造技術(shù)發(fā)展設(shè)想①

王北平，韓 冬，李俊峰，王兆楠，張 巖

(西安航天動力機械有限公司，西安 710025)

0 引言

強力旋壓技術(shù)加工精度高、制品性能優(yōu)良，現(xiàn)已廣泛用于固體火箭發(fā)動機金屬殼體制造領(lǐng)域。旋壓加工作為一個時變復(fù)雜、非線性過程，產(chǎn)品質(zhì)量影響因素多，再加上金屬材料彈塑性變形規(guī)律復(fù)雜和旋壓設(shè)備系統(tǒng)剛性的不確定性，導(dǎo)致旋壓產(chǎn)品在線加工精度控制難度大。傳統(tǒng)旋壓工藝對經(jīng)驗依賴性強，甚至還需要反復(fù)進行“試制→檢驗→再試制→再檢驗”的迭代優(yōu)化試驗，研制周期長、效率低，難以滿足現(xiàn)代國防工業(yè)對軍工裝備的高精度、高可靠、高效率制造發(fā)展要求。現(xiàn)階段的智能制造技術(shù)已將數(shù)字技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)集成應(yīng)用于產(chǎn)品工藝設(shè)計、生產(chǎn)管理和服務(wù)的全生命周期，能夠在制造過程中進行感知、分析、推理、決策與控制，實現(xiàn)產(chǎn)品需求的動態(tài)響應(yīng)。強力旋壓機作為薄壁筒形件制造的關(guān)鍵設(shè)備，現(xiàn)階段還不具備在線工況感知、分析與決策等智能化特征。

智能化設(shè)計與制造是未來固體火箭發(fā)動機的重要發(fā)展方向[1]。旋壓加工技術(shù)作為一種固體火箭發(fā)動機重要構(gòu)件的關(guān)鍵加工技術(shù)，現(xiàn)就航天產(chǎn)品旋壓如何智能化制造、研發(fā)工作如何開展等提出初步設(shè)想。

1 旋壓智能制造技術(shù)發(fā)展設(shè)想

按照文獻[1]對固體火箭推進技術(shù)的智能化發(fā)展建議，金屬材料加工領(lǐng)域也應(yīng)積極謀劃旋壓智能制造行業(yè)布局，大力推進智能加工技術(shù)在固體火箭發(fā)動機制造中的應(yīng)用。未來旋壓智能化制造的核心思想是工藝專家系統(tǒng)和在線檢測技術(shù)在旋壓裝備上的集成應(yīng)用，基本框架如圖1所示。工藝專家系統(tǒng)利用強力旋壓技術(shù)經(jīng)驗的數(shù)字化轉(zhuǎn)化，是智能工藝設(shè)計與旋壓智能制造的技術(shù)關(guān)鍵和基礎(chǔ)。首先，在工藝專家系統(tǒng)中，利用產(chǎn)品信息和“智能工藝設(shè)計與管理模塊”應(yīng)用軟件獲取旋壓工藝方案及參數(shù)，然后，通過網(wǎng)絡(luò)信息接口輸入旋壓智能裝備進行產(chǎn)品加工。加工過程中，在線檢測系統(tǒng)實時測量，并反饋工件幾何形狀信息，在線自主決策后實時修正機床控制系統(tǒng)的相關(guān)工藝參數(shù)，從而實現(xiàn)旋壓設(shè)備相關(guān)運動副的全閉環(huán)動態(tài)控制。

圖1 旋壓智能制造基本框架

1.1 開發(fā)旋壓智能工藝設(shè)計與優(yōu)化系統(tǒng)

虛擬制造技術(shù)是現(xiàn)代智能化制造領(lǐng)域的研究熱點之一。為實現(xiàn)旋壓智能工藝設(shè)計與優(yōu)化目標，需要綜合利用工藝專家系統(tǒng)、數(shù)值模擬與虛擬制造技術(shù)，建立旋壓工藝優(yōu)化系統(tǒng)。旋壓數(shù)值模擬仿真可得到金屬材料彈塑性變形過程中的復(fù)雜應(yīng)力、應(yīng)變規(guī)律，從中預(yù)測旋壓工藝參數(shù)對加工質(zhì)量的影響?，F(xiàn)階段，ABAQUAS、ANSYS等軟件對復(fù)雜強力旋壓過程的分析效率不高。因此，有必要開發(fā)針對強力旋壓加工的“智能化工藝設(shè)計”模塊，以適應(yīng)用戶個性化需求，提高模擬分析效率和準確度。

1.2 加快開發(fā)強力旋壓工藝專家系統(tǒng)

工藝專家系統(tǒng)使用計算機存儲領(lǐng)域?qū)＜业睦碚撆c經(jīng)驗，并以邏輯推理方式解決領(lǐng)域內(nèi)的專業(yè)問題。鑒于旋壓加工的復(fù)雜性與高度經(jīng)驗依賴性，開發(fā)旋壓工藝專家系統(tǒng)是實現(xiàn)智能工藝設(shè)計與智能制造的關(guān)鍵。目前，美國實現(xiàn)了計算機控制的強力旋壓操作；法國里昂大學(xué)提出了整個旋壓工藝及制造的計算機系統(tǒng)；日本完成了強力旋壓的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。但是，我國該領(lǐng)域仍處于概念層面。因此，應(yīng)加大研發(fā)與投入，加快開發(fā)出強力旋壓工藝專家系統(tǒng)，以實現(xiàn)高效高質(zhì)量旋壓智能加工。

工藝專家系統(tǒng)需包含以下模塊：基于工藝設(shè)計向?qū)c工藝指導(dǎo)書的工藝設(shè)計與管理模塊，主要完成已有指導(dǎo)書的輸入管理功能；主要用于存放管理旋壓工藝基礎(chǔ)類、事實類和規(guī)則類數(shù)據(jù)的知識庫管理模塊；負責(zé)工藝專家數(shù)據(jù)庫的備份、恢復(fù)和升級等工作的系統(tǒng)維護模塊。其中，知識庫是工藝專家系統(tǒng)的核心組成部分和系統(tǒng)運行的基本條件，由三部分組成：一是系統(tǒng)預(yù)定義的法規(guī)標準知識庫，其中存放有關(guān)旋壓方面的國家法規(guī)、行業(yè)標準、企業(yè)標準等；二是專家經(jīng)驗知識庫，存放用戶工藝經(jīng)驗知識，是海量旋壓工藝經(jīng)驗在專家數(shù)據(jù)庫中的顯性表達，主要包括旋壓材料及狀態(tài)、設(shè)備、旋壓方式、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式、工藝裝備、旋壓技術(shù)路線及工藝參數(shù)等信息；三是旋壓規(guī)則知識庫，存放推理路徑、推理過程、中間事實、所得結(jié)論等，主要用于問題求解。

1.3 開發(fā)旋壓加工三維在線檢測技術(shù)

隨著自動化、智能化發(fā)展水平的不斷提高，具備實時監(jiān)控功能的在線視覺檢測技術(shù)為裝備制造智能化發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，并在模具制造、汽車生產(chǎn)等領(lǐng)域取得了良好的工程應(yīng)用效果。三維在線視覺檢測技術(shù)利用機器視覺系統(tǒng)采集關(guān)鍵產(chǎn)品質(zhì)量信息，實時反饋給智能工藝專家系統(tǒng)進行分析和決策，從而為產(chǎn)品質(zhì)量控制在線工藝優(yōu)化決策提供支持。強力旋壓加工光線不佳、冷卻液飛濺等的工況特點導(dǎo)致實時在線檢測困難，因此需要針對強力旋壓加工工況特點，開發(fā)專用機器視覺線檢測系統(tǒng)，確保檢測的有效性。

2 結(jié)束語

本文針對航天產(chǎn)品旋壓智能制造發(fā)展問題，提出了未來旋壓智能化制造技術(shù)框架及相關(guān)系統(tǒng)的構(gòu)成設(shè)想，供大家思考與討論。