發(fā)動機智能制造研究與實踐

GXF360 2019-11-03

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航空發(fā)動機部件材料的耐高溫水平越來越高，超高溫合金材料和尖端制造技術(shù)不斷突破，使得發(fā)動機性能不斷提升。隨著新型整體結(jié)構(gòu)和精密、高效和低成本制造技術(shù)迅速發(fā)展和應(yīng)用，航空發(fā)動機（見圖1）性能越來越高。

(2)臨時庫到標準庫。標準庫是標準結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫，它是完全參照地籍數(shù)據(jù)庫的標準來創(chuàng)建的，建庫的起始工作大都在標準庫中進行，所有數(shù)據(jù)的內(nèi)容必須參照標準庫的要求完成轉(zhuǎn)換。按照地籍數(shù)據(jù)庫的標準創(chuàng)建標準庫，將非標準格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為嚴格的國標數(shù)據(jù)，SuperMap很好地解決了這一問題，利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模型功能，先將臨時庫中的數(shù)據(jù)和標準庫一一對應(yīng)，再將處理好的數(shù)據(jù)導入到標準庫中。

1. 航空發(fā)動機智能制造主要特征

智能制造包括網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化和智能化3個核心要素，其中網(wǎng)絡(luò)化是基礎(chǔ)，數(shù)字化是手段，智能化是方向。通過本地網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、支持不同設(shè)備間“數(shù)在線”鏈接及數(shù)據(jù)流動，建立協(xié)同系統(tǒng)。特征表現(xiàn)為能力單元動態(tài)配置和優(yōu)化，是實現(xiàn)本地資源集成，實現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)生命周期各個階段集成和模型貫通的手段。另一特征表現(xiàn)為制造過程模型化，定義制造的產(chǎn)品、過程和資源模型，通過仿真、分析和優(yōu)化，實現(xiàn)機器驅(qū)動代碼的自動生成。采用模型驅(qū)動的方法，通過虛擬環(huán)境中的仿真和優(yōu)化，指導物理環(huán)境中的制造過程，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自適應(yīng)化，延展自主化能力，提高自適應(yīng)程度。

綜上，融合發(fā)展的目標在于建構(gòu)命運共同體，包括利益攸關(guān)的經(jīng)濟共同體、相互認同的社會（文化）共同體、互信包容的政治（安全）共同體［8］，以夯實反分裂工作的基礎(chǔ)。

智能制造通過動態(tài)感知、全面感知、檢測生產(chǎn)線設(shè)備以及產(chǎn)品的實時運行狀態(tài)，對獲取的實時運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行及時、快速的分析，即實時分析。自主決策，按照設(shè)定的規(guī)則，根據(jù)分析結(jié)果，自主做出判斷決策，精準執(zhí)行決策，控制產(chǎn)品、設(shè)備和生產(chǎn)線的運行，實現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)整。

圖1 國外先進航空發(fā)動機

圖2 智能數(shù)控機床

2. 智能數(shù)控機床

數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)創(chuàng)新，對于數(shù)控機床智能化起到了極大的推動作用。智能機床（見圖2）能夠?qū)Ω鞣N信息進行儲存、分析、處理、判斷、調(diào)節(jié)、優(yōu)化和控制。智能數(shù)控設(shè)備的主要功能包括：全面感知、檢測生產(chǎn)線、設(shè)備以及產(chǎn)品的實時運行狀態(tài)。主要功能包括自動檢查機床零點和幾何精度、系統(tǒng)檢測各軸狀態(tài)、連續(xù)自動的檢測輔助時間和碰撞保護系統(tǒng)等。

通過這些措施，常見的停機原因，如碰撞、精度偏差、漏油或漏氣以及灰塵或腐蝕等可以檢測出來，可以在機床真正停機或加工出廢品之前采取措施。同時具有工夾具數(shù)據(jù)庫、對話型編程、刀具路徑檢驗、工序加工時間分析、開工時間狀況解析和實際加工負荷監(jiān)視等功能。產(chǎn)品加工將全程自動化，全自動化物料輸送物流能力下，產(chǎn)品工藝路線將比傳統(tǒng)工藝路線縮短75%左右，將使生產(chǎn)線實現(xiàn)智能化管控。

田卓聽完匯報也很興奮，鼓勵大家再努力一把，爭取在兩個月之內(nèi)，就給這個活動畫上一個完美的句號。臨散會的時候，田卓還專門安排高潮說，高先生，你該提前做新的項目策劃了。從田卓的話音里，高潮可以感覺出她對自己的策劃能力認可了，心里的興奮又陡增了幾分。

3. 智能刀具管理

機械加工是智能制造的主戰(zhàn)場！90% 的零件材料去除加工仍然是依靠切削加工來完成。

在零件加工過程中將加工刀具、加工參數(shù)和走刀路線在程序中設(shè)定并固化。在零件的加工過程中，無人控制、無人換刀以及無人測量，是數(shù)控機床高智能化加工的完美體現(xiàn)。

機械加工中刀具的質(zhì)量壽命尤其重要。刀具的質(zhì)量壽命是刀具使用過程中，即在精加工條件下，能夠保證表面質(zhì)量標準的刀具有效切削時間。對于刀具來說，只有刀具質(zhì)量壽命穩(wěn)定才能在智能化制造中發(fā)揮作用。

加工現(xiàn)場配備帶有刀具管理軟件的專用刀具柜，可簡易地經(jīng)由觸摸屏的操作，方便地提取刀具、返還刀具以及管理刀具。可通過更方便高效地進行刀具消耗品的分發(fā)、管理，達到減少刀具使用成本、減少機床停機時間、提高生產(chǎn)效率以及方便庫存管理等目的，從而實現(xiàn)智能化刀具管理。

SMAP衛(wèi)星[3]是NASA于2015年1月31日成功發(fā)射人類首顆用于“土壤水分主被動觀察衛(wèi)星”。SMAP衛(wèi)星天線采用周邊桁架式可展開機構(gòu)，外圈是通過平行四邊單元組成，通過改變對角線長度來實現(xiàn)機構(gòu)的整個天線收攏展開，展開口徑達6 m(圖2)。

4. 智能制造與自適應(yīng)加工

目前的零件切削加工制造過程中所用的刀具多數(shù)為通用半通用刀具，無感知反饋能力，性能得不到充分利用，加工過程的可控性差。在生產(chǎn)準備以及零件加工過程中人工干預(yù)較多，加工效率一般。刀具磨損快、效率低導致加工成本較高。加工過程不穩(wěn)定，各零件的一致性較差。加工過程信息的獲取和控制還不能實現(xiàn)自動化。刀具狀態(tài)監(jiān)控方面，刀具折斷和磨損、切屑纏繞等無法提前預(yù)見，刀具壽命對于經(jīng)驗的依賴性更強。

在自適應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)方面，新一代的自適應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)可以實時檢測刀具使用狀況，并具有過載保護、沖擊保護和自適應(yīng)加工的功能。對于加工過程監(jiān)控做到實時、準確，極大減少空切削時間。

自適應(yīng)加工系統(tǒng)的特點：自動實時識別零件加工過程的異常情況，確保加工過程穩(wěn)定；減少加工風險，降低生產(chǎn)成本；提質(zhì)增效?？梢杂涗浖庸み^程的實時狀態(tài)，保護整個加工系統(tǒng)，延長刀具的質(zhì)量壽命。提高加工過程的安全性和機床的穩(wěn)定性，實現(xiàn)高效加工和無人值守。

在使用自適應(yīng)加工系統(tǒng)前機床操作人員主要通過查看機床負載、聽加工時的聲音，目測零件切削加工中排屑是否通暢，感受機床振動是否增大。這樣做的最大缺點是：人為觀察和判斷有可能不及時、準確度不高，無法對加工效果做出正確評估。

自適應(yīng)控制系統(tǒng)通過檢測機床主軸的負載，采用專家系統(tǒng)對采集的主軸負載信號和相應(yīng)的刀具以及材料進行分析處理，調(diào)整數(shù)控設(shè)備的進給速度，使數(shù)控設(shè)備處于最佳的工作狀態(tài)。

為了找出相同聽力水平班級和不同聽力水平班級在主測1和主測2中的平均分數(shù)是否存在顯著不同，所有原始數(shù)據(jù)都進行獨立樣本T檢驗和配對樣本T檢驗。數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果如表2和表3所示。

使用自適應(yīng)加工系統(tǒng)可以準確判斷零件加工異常，快速發(fā)送警告或暫停機床指令，有效評估刀具壽命，自動顯示換刀提醒。在程序設(shè)定的基礎(chǔ)上根據(jù)材料性能特點及實際零件余量自動調(diào)整切削參數(shù)。

刀具磨損自動進給調(diào)節(jié)：技術(shù)人員針對刀具情況設(shè)定進給速度，在加工過程中刀具逐漸磨損、主軸的負荷會逐漸增加，自適應(yīng)系統(tǒng)每隔一定時間測量一次實時功率，專家系統(tǒng)根據(jù)刀具的磨損情況自動調(diào)節(jié)進給速度，以滿足加工中主軸負荷恒定的要求。刀具的切入、切出過程以及材料的余量變化都會對零件和刀具產(chǎn)生沖擊，自適應(yīng)系統(tǒng)可以對刀具和工件進行有效的沖擊保護。當?shù)毒咴谇腥牍ぜ囊凰查g，自適應(yīng)系統(tǒng)會根據(jù)負載的大小降低進給速度，并且持續(xù)一段時間后恢復(fù)到合理加工狀態(tài)。自適應(yīng)系統(tǒng)通過降低進給速度，減小因刀具碰撞所帶來的損害，達到延長刀具質(zhì)量壽命的目的。

加工過程優(yōu)化：在加工過程中，系統(tǒng)要對進給量進行實時測量、調(diào)整，避免切削力過大或突變對刀具和工件造成沖擊，降低機床顫振，保證機床精度。同時使零件的加工表面顫紋減小，提高加工零件的表面質(zhì)量，縮短加工時間，真正達到提質(zhì)增效的目的?？梢源龠M部分工序達到無人值守的水平，為零件加工工藝優(yōu)化提供實時數(shù)據(jù)支持，使零件的加工質(zhì)量及效率得到提高。