自由锻造液压机锻造工艺参数监测系统开发

胡巧丽胡延东刘军武

摘要：随着自由锻件应用范围的多元化及成形零件的复杂化，人们对自由锻件成形质量和成形工艺提出了更高的要求。锻件成形的高精密化势必要求对其成形过程进行实时精准控制。基于此，本文以生产某型号航空发动机的零件为例，在原有自由锻造液压机控制系统基础上，开发了基于锻件成形工艺参数的在线监测系统。该系统借助相关的传感设备，实现了锻件成形过程工艺参数的实时自动采集、分析计算和存储等功能，工艺人员可以据此得到变形速度、成形温度、成形力等工艺参数对锻件质量的影响，进而为改善锻造工艺提供依据。

关键词：锻造液压机；锻造工艺；数据采集

引言

锻件是装备制造行业的基础构件，其成形质量的优劣直接影响零部件的使用性能及寿命。借助于传感设备对自由锻件成形过程工艺参数进行实时监控，并据此开发了一套工艺参数监测系统，实施工艺调整。重点阐述了系统网络通信结构及软件的开发方法。该系统采用ModbusTCP协议网关传输锻件锻造过程中的生产工艺参数，为工艺人员分析变形速度、成形温度、成形力对锻件质量的影响提供了技术支持，并为相应的工艺改进提供理论依据。本系统可实时动态显示锻件生产过程中的温度、压力、位移、变形量、变形力等参数，并通过Oracle数据库实现历史数据存储检索与导出等功能。本系统可在锻造生产线上进行推广使用

1.监测系统需求分析

工艺人员为了研究成形温度、成形力、变形速度等工艺参数对锻件质量的影响，需要采集相对应的成形过程数据。依托于既有的成形控制系统，在生产现场安装温度传感器，可以实时得到锻件的成形温度，相应地借助于位移传感设备，每一道次锻造过程中锻件的变形速度可以通过液压机的位移和时间计算得到，而锻件的成形力则由压力传感设备采集得到的工作缸压力获得。

2.通信网络的设计

在锻造液压机控制系统中，PLC部分采用Profi-busDP网络进行连接。为了研究变形速度、成形温度、成形力等工艺参数对锻件成形质量的影响情况，在对原有压机控制系统不做改动的前提下，新增一套数据采集系统，对锻件成形过程实时精准监控。系统通信结构，网关具有一个以太网接口和一个ProfibusDP接口，用以实现ProfibusDP协议与ModbusTCP协议之间的转换。网关的ProfibusDP接口与压机控制系统相连，以太网接口与数据采集计算机连接。

数据采集系统的ModbusTCP一端作为ModbusTCP主站，向网关发送写命令，此时PLC作为ProfibusDP主站，从网关中读取数据采集系统发过来的数据；在ProfibusDP端，PLC输出区将温度、位移等工艺传感参数数据发送到网关中，这时数据采集系统通过发送读命令，读取ModbusTCP从站的数据，从而获得压机锻造过程的工艺数据。ModbusTCP数据帧包含报文头、功能码和数据3部分组成。

3.数据采集方案

3.1数据存储与访问实现

锻件锻造完成后生成的锻造温度、变形速度等工艺参数需要保存在本地计算机中，采用Oracle数据库作为生产工艺参数的存储中心，通过数据访问组件ODAC（即OracleDataAccessComponents），实现存取Oracle数据库的全部功能。ODAC中读写Oracle数据库有多种方式：ODBC、OracleClient和OleDb。OleDb是底层的组件，运行性能高，可扩展性好，使用OleDb组件可以获得较高的效率和性能。综合考虑，本文访问Oracle数据库采用OleDb方式。在项目中添加命名空间：UsingSystem.Data.OleDb，调用其提供的API访问Oracle数据库。OleDbConnection类用于数据库的连接；OleDbDataAdapter类用于填充DataSet和更新数据源；OleDbCommand类用于执行sql语句，实现删除、修改、增加数据的功能。借助于C#编程语言实现锻造工艺参数监测系统的全部功能。

3.2锻件成形工艺参数处理

首先，工艺参数显示。计算机通过ModbusTCP协议与网关通信直接获得的工艺参数有时间、锻造温度、锻造压力、压机位移，而锻件的变形量、变形速度等则需要通过相应的算法对锻造压力、压机位移及时间等参数进行处理间接得到。通过开源ZedGraph控件将采集的传感器参数实时显示在界面上，工艺传感参数实时显示。

锻件变形参数采集过程如下：当压机开始接触锻件时，工作缸压力会从较小的值跳变到较大的临界值，标记此时的压机位移值为锻件开始变形位置，其中临界值与锻件的材质有关，临界值的确定需要依据实际锻件锻造生产的工作缸的压力变化趋势来得到；随后压机不断下移，锻件变形量增大，同时工作缸压力不断增大，这种趋势一直保持在压机回程之前；当压机下移至最低点时，此时工作缸压力和压机位移达到最大[1]，标记此时的压机位移值为锻件最终变形位置。另外，数据处理。锻件变形参数计算过程如图4所示：利用队列存储与网关通信得到一组组数据（包括位移、温度、压力、时间），首先设定压机接触锻件临界压力值为criticalValueMPa；Sflag为程序设置标志位，为1时，则开始计算锻造位移，为0时，则不进行计算；press为压机回程离开锻件时的压力值。当工作缸压力值大于等于criticalValueMPa时，说明压机刚好接触到工件，将此刻的时间、温度、位移分别记录成开始加压时间、开始加压温度、开始加压位置；选取后续数据中工作缸压力逐渐增大至最大、并且位移也增加至最大时的时间、温度、位置、压力，分别记录成结束加压时间、结束加压温度、结束加压位移、结束加压压力；锻件变形量等于结束加压位移减去开始加压位移，由此即可生成一条完整的锻造工艺参数记录。

4.软件功能

针对某厂航空发动机零件的锻造生产，结合生产需求及相关监控软件设计，所开发的数据采集系统软件设计方案如图所示，主要是由用户管理、实时监测、数据处理和历史数据管理等4个模块组成[2]。其中实时监测模块用来对采集到的工艺传感参数进行实时监测，包含变形工艺数据的采集与显示；历史数据管理模块用来实现生产数据的存储、查询与导出功能。

图：数据采集系统软件组成：

结论

简而言之，本文以某公司生产航空发动机零件的锻造液压机为例，采用ModbusTCP协议与网关通信，借助于相关传感设备进行收集锻件锻造过程中的时间、位移、压力、温度，实现锻件成形过程工艺传感参数的实时动态显示；同时，自动分析得到压机每一道次锻造过程的变形量、变形速度、成形力等参数，为工艺人员研究变形速度、成形温度、成形力对锻件质量的影响及改善工艺参数提供了依据。本系统可在目前广泛使用的锻造液压机上推广应用[3]。

参考文献：

[1]郑钦，张真真，唐宏芬．基于Modbus/TCP的风机数据采集方案设计［J］．网络安全技术与应用，2018，（10）：112－120．

[2]董蓓蓓，李国俊，张治民，等．不同工艺参数对某薄板多筋类零件成形的影响及优化［J］．锻压技术，2018，43（4）：42－46．

[3]甘绪桐，张厚武，何勇，等．一种智能环境监测系统的设计与实现［J］．计算机技术与发展，2018，（7）：1－9．