CN112275981B - 一种自由锻造智能生产系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于自由锻造生产线控制技术领域，公开了一种自由锻造智能生产系统及方法，包括一个主站PLC、工控机、专家系统、远程I/O、加热炉，快锻机、操作机、锻压机器人、测量机器人、传送设备、监控设备、温度检测仪。所述主站PLC通过TCP/IP协议与上位机即一台工业控制计算机连接，通过Profinet以太网技术、远程I/O、IP与加热炉，快锻机、操作机、锻压机器人、测量机器人、传送设备、监控设备、温度检测仪相连接。通过构建专家系统实现加工过程中能够根据不同的始锻温度实现击打力最优化调整，来提高加工质量一致性。通过集成管控平台实现数据化的事实监控与决策的智能控制。

Description

一种自由锻造智能生产系统及方法

技术领域

本发明属于自由锻造生产线控制技术领域，尤其涉及一种自由锻造智能生产系统及方法。

背景技术

发动机主轴智造生产属于一种自由锻造过程，对于其中主轴拔长、滚圆等工艺，国内大部分工厂采取的是由工人单机单控操作，难以实现加工质量的一致性，特别是对于航空发动机大质量主轴，对于现场搬运工人以及控制人员都是一种考验，造成发动机主轴锻造过程中质量稳定性差、效率低等问题。此外由于生产主轴生产制造一般是多品种小批量，阻碍了主轴自由锻智能化生产的进程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自由锻造智能生产系统及方法，开展发动机主轴智能锻造单元研究，采用基于复杂环境下主轴锻件形状尺寸快速检测方法及工艺决策与机器人系统联动的控制技术，以及复杂环境下发动机主轴锻件形状尺寸快速检测与质量评估、锻造工艺在线温度采集、智能锻造工艺专家系统集成控制技术，研制发动机主轴锻件智能锻造单元，提高主轴锻造生产智能化程度。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

技术方案一：

一种自由锻造智能生产系统，所述系统包括：工控机1，主控PLC3，监控设备4，传送设备5，锻压机器人6，快锻机8，操作机9，测量机器人10，加热炉11，温度检测仪12，拖车13；

其中，工控机1通过以太网与主控PLC3相连接，主控PLC3通过ProfiNet总线分别与快锻机8、操作机9、锻压机器人6、测量机器人10、加热炉11的控制端相连接，通过Ethernet提供的现场I/O模块与传送设备5、监控设备4、温度检测仪12的I/O端相连接；

快锻机8、操作机9、锻压机器人6、测量机器人10、加热炉11与拖车13组成自由锻造生产模块。

本发明技术方案的特点和进一步的改进为：

(1)主控PLC，用于根据工控机下发的控制指令，对应控制锻压机器人、快锻机、操作机的工作；

加热炉，用于给棒料加热；

拖车，用于运输棒料；

快锻机，用于实施自由锻工艺；

操作机，用于抓取大于150kg的大件棒料，实现大锻件在锻压过程中的进给翻转动作；

锻压机器人，用于抓取小于150kg的小件棒料，实现小锻件在锻压过程中的进给翻转动作；

传送设备，用于输送锻件至后续工序；

测量机器人，用于检测锻压过程中锻件的尺寸形态变化；

温度检测仪，用于检测锻件在锻压过程中的实时温度变化；

监控设备，用于对对现场进行全面监控。

(2)所述生产系统在实际中的布置按照从右至左的顺序依次为：加热炉、拖车、快锻机、测量机器人、温度检测仪、锻压机器人、传送设备、操作机；

其中温度检测仪与测量机器人分别位于快锻机的两侧；

所述操作机、锻压机器人、快锻机、拖车依次分布于产线的中轴位置上，多个加热炉分别安装在中轴两侧，监控设备分布在产线的各个位置。

(3)所述系统还包括：快锻机操作机控制器；

所述主控PLC通过ProfiNet总线与快锻机操作机控制器连接，所述快锻机操作机控制器分别与快锻机的控制端和操作机的控制端连接。

技术方案二：

一种自由锻造智能生产方法，所述方法采用技术方案一所述的智能生产系统实现，所述方法包括：

加热炉将棒料加热以后由拖车进行抓取；

拖车夹爪伸入加热炉夹取锻件，复位后转向快锻机方向，拖车沿地面轨道向快锻机行进，将锻件放到快锻机砧板上，拖车复位；

对于大于150kg的锻件，操作机沿其轨道进给抓取锻件，配合快锻机对锻件进行锻压；

对于小于150kg的锻件，由人工吊装、安装在操作机轨道上的锻压机器人抓取锻件，进行翻转、进给锻件任务；

温度检测仪监测锻件在锻压过程中的温度变化；

测量机器人实时检测锻件形态；

监控设备对整体操作进行实时动态监控。

本发明技术方案二的特点和进一步的改进为：

(1)所述测量机器人，对快锻机上的坯料进行扫描，将锻件的实时形态反馈给主站PLC，直到该坯料结束加工；

主站PLC将测量机器人反馈的锻件的实时形态传输给工控机，工控机根据工艺所设定的锻件最终形态进行对比，确定锻件是否要继续加工，并将指令通过主站PLC发送给锻压机器人、快锻机、操作机。

(2)主站PLC发送给快锻机的控制指令用于指示快锻机的下压量以及下压速度，从而对锻件实施不同的锻压力度。

(3)所述温度检测仪监测锻件在锻压过程中的温度变化，并将监测到的温度数据反馈给主站PLC，主站PLC读取温度变化数据后，依据工艺所设定的始锻温度、终锻温度决定锻压过程的起始与结束时刻。

本发明的优点和效果是：本发明可以完成全自动化轴孔装配作业，应用在自动化装配的生产线上，采用视觉传感器与六维力传感器结合的方式进行位姿的反馈与调整，保证了轴孔装配时的同轴度，实现了装配过程中的偏差测量与矫正，可提高轴孔装配精确度和装配质量，缩短装配的时间，降低操作人员的劳动强度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的自由锻智能生产装置的布置结构示意图；

图2是本发明实施例提供的自由锻智能生产装置的控制结构示意图；

其中，1-工控机 2-专家系统 3-主控PLC 4-监控设备 5-传送设备 6-锻压机器人7-快锻机操作机控制器 8-快锻机 9-操作机 10-测量机器人 11-加热炉 12-温度检测仪13-拖车。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式来对本发明的技术方案作进一步的阐述。

本发明针对发动机主轴锻造过程智能化进程受到阻碍的问题提供一种自由锻造智能生产单元，以提高主轴锻造生产智能化程度。

如图1所示为主轴自由锻生产单元示意图，包括：工控机1，专家系统2，主站PLC3，监控设备4，传送设备5，锻压机器人6，快锻机操作机控制系统7，快锻机8，操作机9，测量机器人10，加热炉11，温度检测仪12，拖车13。

工控机1通过以太网与主站PLC3相连接，PLC控制系统通过ProfiNet总线与快锻机8、操作机9、锻压机器人6、测量机器人10、加热炉11相连接，通过Ethernet提供的现场I/O模块与传送装置、监控设备4、末端执行器、温度传感器相连接。快锻机8、操作机9、锻压机器人6、测量机器人10、加热炉11与拖车13组成自由锻生产模块。

所述自由锻智能生产单元，由用于管理生产的管控平台与下级被控各单元组成。下级单元组成及功能为用于给棒料用于运输棒料的拖车11，用于实施自由锻工艺的锻压机8。用于抓取大于150kg的大件棒料的操作机9，实现大锻件在锻压过程中的进给翻转动作。用于抓取小于150kg棒料的锻压机器人6，进行锻压过程中的锻件进给、翻转等动作。用于输送锻件至后续工序的传送设备5。用于检测锻压过程中锻件尺寸形态变化的测量机器人10，用于检测锻件在锻压过程中实时温度变化的温度检测仪12。用于对对现场进行全面监控的监控设备。

所述工控机1以及主站PLC3作为整个生产单元得到主站，属于生产控制的核心，所述加热炉11、拖车13、锻压机、锻压机器人6、操作机9、测量机器人10、温度检测仪12、监控设备4，传送设备5作为该自由锻生产单元的从站，属于被控制部分。

所述温度检测仪12以温度传感器作为核心，包括一个可调节支架组成的一个检测装置，负责监测锻件在锻压过程中的温度变化，并将监测到的温度数据反馈给上述主站PLC3，主站PLC3读取数据后，依据工艺所定始锻温度、终锻温度决定锻压过程的起始与结束时刻。

所述测量机器人，由机器人以及其末端携带的形状尺寸传感器组成，所述拖车13将坯料放在锻压机处后，测量机器人10对坯料进行扫描，一直到该坯料结束加工为止。测量机器人10将检测到的数据实时反馈给主站PLC3，由主站PLC3将数据传输给工控机1，工控机1根据工艺所定锻件形态进行对比，确定锻件是否要继续加工，并将指令通过主站PLC3发送给各从站。上述快锻机8是自由锻单元的核心机构，通过改变其下压量以及下压速度对锻件实施不同的锻压力度。上述主站PLC3根据监测到锻件的不同变换，下发给快锻机8指令，精确控制快锻机下压量以及下压速度。

所述操作机9与锻压机器人6在锻压机对坯料的锻压过程中对坯料进行抓取，并对锻件进行精确的翻转、进给动作。操作机9实现对大于150kg的锻件进行操作，锻压机器人6对小于150kg的锻件进行操作。操作机9、锻压机器人6与上述锻压机属于自由锻的核心执行组成部分。

自由锻生产单元的控制流程如下：智能控制系统中，以上述主站PLC3以及上述工控机组成的集成管控平台为智能生产单元的控制核心，主站PLC3控制现场设备的途径有两种，第一种是可以接收工控机发出的指令，将控制指令下发到被控制的现场设备，从而实现对设备的远程控制。另一种是实时接收测量机器人、监控设备4、温度测量仪等带有监控功能设备以及其他现场设备反馈的信号数据存放到寄存区，通过主站PLC3中央处理器进行运算处理，并以信号的方式将结果数据发送到现场设备。

所述专家系统2采用SQL server 2014构建轴智能锻造的数据库，通过SQL语言进行编程，录入现有主轴锻造的工艺参数，并给出几种优化工艺方案，实际应用中可根据不同情况进行选择，对锻件的尺寸及质量进行优化调整。专家系统2将工艺流程以及决策告知主控PLC3，从而对锻件的锻造过程进行控制优化。建立系统登录、系统查询、数据优选、数据更新、系统帮助、工艺资料等六个模块，实现现有锻件工艺的录入及优化，新锻件工艺的添加，设备信息的管理等功能。

所述自由锻造生产装置按照从右至左的顺序依次为：加热炉11、拖车13、快锻机8、测量机器人10、温度检测仪12、锻压机器人6、传送设备4、操作机9。其中温度检测仪12与测量机器人10分别位于快锻机8的两侧。

所述操作机9或者锻压机器人6、快锻机8、拖车13依次分布产线的中轴位置上，多个加热炉11分别安装在中轴两侧，监控设备4分布在产线的各个位置。根据现场地基结构和承重情况，加热炉11将棒料加热以后由拖车13进行抓取，拖车13夹爪相对于拖车13底盘加热炉11炉内方向伸入加热炉11夹取锻件，复位后转向中轴快锻机8方向，拖车13整体沿地面轨道向16MN快锻机8行进，将锻件精确放到快锻机8砧板上，拖车13复位。对于大于150kg的锻件操作机9沿其轨道进给抓取锻件，配合快锻机8对锻件进行锻压。对于小于150kg的锻件，由人工吊装、安装在操作机9轨道上的锻压机器人6抓取锻件，进行翻转、进给锻件任务。测量机器人10安装在快锻机8一旁进行实时检测测量。监控设备4用于对整体操作进行实时动态检测。

锻压机器人6末端关节安装有浮动末端执行器，接受集成管控平台的控制。测量机器人10位于快锻机8的另一侧，在物料传送设备5路径的侧方。形状尺寸传感器将安装在该机器人上。测量机器人10针对高温主轴锻件在复杂环境下的材料特性、现场工况，利用合适波段的检测激光，综合考虑测量系统高温防护、低畸变，光电采集系统对干扰波谱的滤波，采用无热化技术对测量系统的光电采集系统进行综合设计。通过被测区域点云和机器人位置信息融合，实时获取高精度、高效率三维测量数据。将测量数据实时转换成被测物体局部表面形貌，并将三维测量数据与锻件数模特征对齐、比对，获取锻件表面尺寸偏差和表面缺陷参数。最终，结合现场工况环境，通过主轴锻件检测验证，实现高温锻件数字化快速检测。

如图2所示为自由锻智能锻造生产单元电气控制系统示意图，智能锻造生产单元电气控制系统用西门子WICC上位机系统和西门子的S7系列PLC作为核心控制，该PLC系统拥有三个ProFinet接口，可以实现以工业以太网现场总线技术与下级生产设备进行通讯。此外使用Ethernet提供的抗干扰能力极强的I/O接口。锻造设备的动作和位置监控均通用ProfiNet及Ethernet连接控制，确保工作台工作准确可靠、维护方便快捷。PLC和机器人等都可以通过ProfiNet连接，实现整条生产线的联网监控及控制，最终实现用户终端控制。

主站PLC3以及工控机组成的集成管控平台为智能生产单元的控制核心，主站PLC3控制现场设备的途径有两种，第一种是可以接收工控机发出的指令，将控制指令下发到被控制的现场设备，从而实现对设备的远程控制。另一种是实时接收测量机器人10、监控设备4、温度测量仪等带有监控功能设备以及其他现场设备反馈的信号数据存放到寄存区，通过主站PLC3中央处理器进行运算处理，并以信号的方式将结果数据发送到现场设备。

专家系统2结合中小型主轴锻件及大型主轴锻件仿真和工艺实验结果，建立主轴锻件加热、拔长等主导工序自动化锻造的工艺规范，探究两类锻造过程形状尺寸和组织性能演化规律。采用关系型数据库SQL Server 2014和.NET框架，构建三层模式的应用程序开发架构和面向对象语言C#，通过迭代优化算法建立优化设计的混合推理机，结合智能决策算法，建立工艺条件、形状尺寸与组织性能的智能锻造工艺专家系统，智能调控自动化锻造的工艺参数(坯料定位、锻造温度、压下速度、压下量、送进量、生产节拍等)。依据智能锻造工艺专家系统和在线检测输入的工艺参数，检索两类锻造实例，对相似的实例进行修改，验证判断是否达到要求，智能调整锻造工艺参数，从而为自动化锻造提供可靠的工艺窗口。

本发明的优点和效果是：本发明可以完成全自动化轴孔装配作业，应用在自动化装配的生产线上，采用视觉传感器与六维力传感器结合的方式进行位姿的反馈与调整，保证了轴孔装配时的同轴度，实现了装配过程中的偏差测量与矫正，可提高轴孔装配精确度和装配质量，缩短装配的时间，降低操作人员的劳动强度。。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种自由锻造智能生产系统，其特征在于，所述系统包括：工控机（1)，主控 PLC(3)，监控设备（4)，传送设备（5)，锻压机器人（6)，快锻机（8)，操作机（9)，测量机器人（10)，加热炉（11)，温度检测仪（12)，拖车（13)；

其中，工控机（1）通过以太网与主控 PLC (3）相连接，主控 PLC (3)通过 ProfiNet 总线分别与快锻机（8)、操作机（9)、锻压机器人（6)、测量机器人（10)、加热炉（11）的控制端相连接，通过 Ethernet 提供的现场 I / O 模块与传送设备（5)、监控设备（4)、温度检测仪（12）的 IO 端相连接：

快锻机（8)、操作机（9)、锻压机器人（6)、测量机

器人（10)、加热炉（11)与拖车（13）组成自由锻造生产模块；

主控 PLC ，用于根据工控机下发的控制指令，对应控制锻压机器人、快锻机、操作机的工作；

加热炉，用于给棒料加热；

拖车，用于运输棒料；

快锻机，用于实施自由锻工艺；

操作机，用于抓取大于150kg的大件棒料，实现大锻件在锻压过程中的进给翻转动作；

锻压机器人，用于抓取小于150kg的小件棒料，实现小锻件在锻压过程中的进给翻转动作；

传送设备，用于输送锻件至后续工序；

测量机器人，用于检测锻压过程中锻件的尺寸形态变化；

温度检测仪，用于检测锻件在锻压过程中的实时温度变化；

监控设备，用于对现场进行全面监控；

采用所述的智能生产系统实现一种自由锻造智能生产方法，包括：

加热炉将棒料加热以后由拖车进行抓取；

拖车夹爪伸入加热炉夹取锻件，复位后转向快锻机方向，拖车沿地面轨道向快锻机行进，将锻件放到快锻机砧板上，拖车复位；

对于大于150kg的锻件，操作机沿其轨道进给抓取锻件，配合快锻机对锻件进行锻压；

对于小于150kg的锻件，由人工吊装、安装在操作机轨道上的锻压机器人抓取锻件，进行翻转、进给锻件任务；

温度检测仪监测锻件在锻压过程中的温度变化；

测量机器人实时检测锻件形态；

监控设备对整体操作进行实时动态监控。

2.根据权利要求1所述的一种自由锻造智能生产系统，其特征在于，所述生产系统在实际中的布置按照从右至左的顺序依次为：加热炉、拖车、快锻机、测量机器人、温度检测仪、锻压机器人、传送设备、操作机；

其中温度检测仪与测量机器人分别位于快锻机的两侧；

所述操作机、锻压机器人、快锻机、拖车依次分布于产线的中轴位置上，多个加热炉分别安装在中轴两侧，监控设备分布在产线的各个位置。

3.根据权利要求1所述的一种自由锻造智能生产系统，其特征在于，所述系统还包括：快锻机操作机控制器；

所述主控 PLC 通过 ProfiNet 总线与快锻机操作机控制器连接，所述快锻机操作机控制器分别与快锻机的控制端和操作机的控制端连接。

4.根据权利要求1所述的一种自由锻造智能生产系统，其特征在于，所述测量机器人，对快锻机上的锻件进行扫描，将锻件的实时形态反馈给主站 PLC ，直到该锻件结束加工；

主站 PLC 将测量机器人反馈的锻件的实时形态传输给工控机，工控机根据工艺所设定的锻件最终形态进行对比，确定锻件是否要继续加工，并将指令通过主站 PLC 发送给锻压机器人、快锻机、操作机。

5.根据权利要求4所述的一种自由锻造智能生产系统，其特征在于，主站 PLC 发送给快锻机的控制指令用于指示快锻机的下压量以及下压速度，从而对锻件实施不同的锻压力度。

6.根据权利要求5所述的一种自由锻造智能生产系统，其特征在于，

所述温度检测仪监测锻件在锻压过程中的温度变化，并将监测到的温度数据反馈给主站 PLC ，主站 PLC读取温度变化数据后，依据工艺所设定的始锻温度、终锻温度决定锻压过程的起始与结束时刻。