本發(fā)明屬于但不限于發(fā)射器，尤其涉及一種大型航空航天構(gòu)件熱加工質(zhì)量與能耗協(xié)同控制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、大型航空航天構(gòu)件如飛機(jī)起落架、火箭發(fā)動機(jī)封頭等需要具有極高的強(qiáng)度、韌性等性能，一般采用大噸位鍛壓機(jī)進(jìn)行鍛造成形，全流程的制造過程包括：制坯、模鍛和熱處理，其中制坯和模鍛包含加熱、鍛造和保溫過程。鍛件在制造過程中經(jīng)歷了反復(fù)加熱冷卻和大程度形變，工藝過程復(fù)雜。同時，相應(yīng)加工設(shè)備體積龐大，導(dǎo)致生產(chǎn)過程中實際工藝難以穩(wěn)定，容易出現(xiàn)波動進(jìn)而影響鍛件最終的質(zhì)量。

2、大型鍛件制造成形也是高耗能過程。目前鍛造廠對于生產(chǎn)能耗也缺少管理，難以主動地對能耗進(jìn)行有效控制。

3、質(zhì)量和成本是工廠對于產(chǎn)品生產(chǎn)優(yōu)劣的主要評判標(biāo)準(zhǔn)，而能源成本在鍛件成本中占據(jù)較大比重。由于現(xiàn)階段大型航空航天構(gòu)件鍛造過程質(zhì)量和能耗波動較大，當(dāng)質(zhì)量不合格時還會導(dǎo)致返工返修等額外工作，同時進(jìn)一步增加成本。

4、鑒于上述分析，現(xiàn)有技術(shù)存在的急需解決的技術(shù)問題為：

5、工廠亟需對大型構(gòu)件熱加工全流程進(jìn)行動態(tài)管控，確保產(chǎn)品質(zhì)量和能耗的穩(wěn)定。

6、中國專利cn115358889a公開了一種基于反向傳播(backpropagation,bp)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)裝置能耗管控方法，包括：收集工業(yè)裝置歷史能耗信息與影響因素信息及其對應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)構(gòu)成能耗特征數(shù)據(jù)集；將能耗特征數(shù)據(jù)集輸入待訓(xùn)練的bp神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型中進(jìn)行訓(xùn)練，直至接受訓(xùn)練的bp神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型收斂，得到訓(xùn)練好的bp神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型；將采集的工業(yè)裝置實時能耗數(shù)據(jù)輸入訓(xùn)練好的bp神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型中運(yùn)行，得到工業(yè)裝置能耗預(yù)測值；當(dāng)預(yù)測能耗值與實際能耗值之間偏差的絕對值大于設(shè)定的偏差波動值時，工業(yè)裝置進(jìn)行異常報警。該方法能夠利用工業(yè)裝置能耗預(yù)測模型對生產(chǎn)中的異常能耗表現(xiàn)進(jìn)行報警，但無法對設(shè)備進(jìn)行自動調(diào)整以使能耗回歸正常，智能化程度不足。

7、中國專利cn118034212a公開了一種基于數(shù)字孿生的鍛造工藝優(yōu)化系統(tǒng)及優(yōu)化方法，包括：物理實體采集模塊和數(shù)字孿生系統(tǒng)，所述物理實體采集模塊包括數(shù)據(jù)采集模塊，所述數(shù)據(jù)采集模塊用于物理實體采集模塊運(yùn)行過程中的信息數(shù)據(jù)。該專利將數(shù)字孿生技術(shù)融入到鍛造工藝中，通過金屬實際鍛造后的性能與數(shù)字孿生模擬鍛造后的性能對比指導(dǎo)工藝尋優(yōu)過程。上述優(yōu)化方法是基于金屬加工完成后的質(zhì)量對工藝參數(shù)進(jìn)行更新，無法在生產(chǎn)中調(diào)控工藝以控制最終質(zhì)量。由于大型航空航天鍛件生產(chǎn)過程波動較大，導(dǎo)致每件產(chǎn)品的質(zhì)量波動也較大，同時若質(zhì)量不達(dá)標(biāo)將面臨較高的返修或報廢成本，采用上述方法無法在高波動生產(chǎn)環(huán)境中對大型鍛件的生產(chǎn)進(jìn)行動態(tài)的調(diào)整。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種大型航空航天構(gòu)件熱加工質(zhì)量與能耗協(xié)同控制方法及系統(tǒng)。

2、本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種大型航空航天構(gòu)件熱加工質(zhì)量與能耗協(xié)同控制方法，其特征在于，大型航空航天構(gòu)件熱加工質(zhì)量與能耗協(xié)同控制方法，該方法具體包括：

3、s1：采集航空航天構(gòu)件在熱加工過程中各個設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)和工藝數(shù)據(jù)，結(jié)合已有的歷史能耗數(shù)據(jù)，構(gòu)成設(shè)備能耗特征數(shù)據(jù)集；

4、s2：將航空航天構(gòu)件模型和模具模型導(dǎo)入有限元模擬軟件中，基于實際熱加工過程，設(shè)定多組多道次工藝參數(shù)仿真計算得到對應(yīng)的質(zhì)量數(shù)據(jù)，結(jié)合每批次構(gòu)件的質(zhì)檢數(shù)據(jù)和對應(yīng)的工藝數(shù)據(jù)，構(gòu)成質(zhì)量特征數(shù)據(jù)集；

5、s3：將能耗特征數(shù)據(jù)集和質(zhì)量特征數(shù)據(jù)集分別輸入待訓(xùn)練的自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行訓(xùn)練，直至接受訓(xùn)練的模型收斂，得到各個熱加工設(shè)備的能耗預(yù)測模型和熱加工構(gòu)件多道次質(zhì)量預(yù)測模型；

6、s4：將預(yù)設(shè)的熱加工工藝數(shù)據(jù)輸入到能耗預(yù)測模型中，得到航空航天構(gòu)件熱加工過程中各個設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)能耗預(yù)測值，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的熱加工工藝路線數(shù)據(jù)，預(yù)測加工構(gòu)件所需能耗的標(biāo)準(zhǔn)值，作為實際加工中能耗的參考值；

7、s5：將實際熱加工生產(chǎn)中的實時工藝數(shù)據(jù)輸入到質(zhì)量預(yù)測模型中，得到熱加工構(gòu)件產(chǎn)品的質(zhì)量預(yù)測值；

8、s6：基于質(zhì)量預(yù)測值是否達(dá)到質(zhì)量要求、實際設(shè)備能耗值與標(biāo)準(zhǔn)能耗預(yù)測值的偏差，通過粒子群算法對后續(xù)工序的工藝進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，實現(xiàn)對熱加工構(gòu)件的質(zhì)量和能耗協(xié)同控制。

9、進(jìn)一步，所述s1，熱加工過程包括制坯、模鍛和熱處理；各個設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)和工藝數(shù)據(jù)包括鍛壓機(jī)的輸入功率、下壓速度、下壓力、模具溫度、構(gòu)件溫度，加熱爐或熱處理爐的輸入功率或耗氣速率、升溫速率、爐內(nèi)溫度變化曲線。

10、進(jìn)一步，所述s2，質(zhì)量數(shù)據(jù)包括熱加工構(gòu)件最終成品的晶粒尺寸、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等；工藝數(shù)據(jù)包括多道次鍛壓的鍛壓速率、鍛前構(gòu)件溫度、模具溫度，熱處理升溫速率、保溫溫度、保溫時間等。

11、進(jìn)一步，所述s3，能耗預(yù)測模型針對不同熱加工設(shè)備建立，包括：自由鍛壓機(jī)、模鍛壓機(jī)、鍛前加熱爐和熱處理爐，模型的輸入是時間序列的設(shè)備工藝數(shù)據(jù)，輸出是時間序列的設(shè)備功率/耗氣速率，經(jīng)過處理可以轉(zhuǎn)化為設(shè)備一段時間內(nèi)總的耗電量/耗氣量，該預(yù)測模型可以模擬計算實際生產(chǎn)中設(shè)備根據(jù)一系列設(shè)定的工藝參數(shù)運(yùn)行時所對應(yīng)的輸入功率或耗氣速率；

12、質(zhì)量預(yù)測模型針對不同的輸出目標(biāo)分別建立，包括以晶粒尺寸、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等質(zhì)量指標(biāo)作為輸出值的多個預(yù)測模型，模型輸入為全流程工藝參數(shù)矩陣，該模型建立了鍛件最終質(zhì)量與完整熱加工流程工藝的關(guān)聯(lián)。

13、進(jìn)一步，所述s6，當(dāng)預(yù)測到構(gòu)件最終質(zhì)量不合格時，采用粒子群算法對后續(xù)工藝進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，通過算法更新工藝參數(shù)，并將工藝參數(shù)輸入質(zhì)量和能耗預(yù)測模型中，以構(gòu)件最終質(zhì)量預(yù)測達(dá)標(biāo)為約束，預(yù)測所需能耗最低為目標(biāo)反饋更新工藝參數(shù)，最終實現(xiàn)優(yōu)化，目標(biāo)函數(shù)可表示為：

14、

15、其中，x表示工藝參數(shù)組成的多維工藝矩陣，qi(x)表示不同質(zhì)量的預(yù)測值，ai～bi表示不同質(zhì)量的要求范圍，e(x)表示全流程加工消耗的總能耗，為各設(shè)備能耗預(yù)測的總和。

16、本發(fā)明另一目的在于提供一種大型航空航天構(gòu)件熱加工質(zhì)量與能耗協(xié)同控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具體包括：

17、數(shù)據(jù)采集模塊，采集并處理數(shù)據(jù)，構(gòu)建設(shè)備能耗特征數(shù)據(jù)集和質(zhì)量特征數(shù)據(jù)集；

18、能耗預(yù)測模塊，基于能耗預(yù)測模型，得到航空航天構(gòu)件熱加工過程中各個設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)能耗預(yù)測值；

19、質(zhì)量預(yù)測模塊，基于質(zhì)量預(yù)測模型，得到熱加工構(gòu)件產(chǎn)品的質(zhì)量預(yù)測值；

20、優(yōu)化模塊，采用粒子群算法對后續(xù)工藝進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。

21、結(jié)合上述的技術(shù)方案和解決的技術(shù)問題，本發(fā)明所要保護(hù)的技術(shù)方案所具備的優(yōu)點及積極效果為：

22、第一、本發(fā)明通過設(shè)備在實際生產(chǎn)中的運(yùn)行數(shù)據(jù)和能耗數(shù)據(jù)，建立了設(shè)備的能耗預(yù)測模型，該模型可以對不同工藝下的設(shè)備能耗進(jìn)行預(yù)測，通過多個設(shè)備能耗模型，可以對產(chǎn)品全流程加工所耗能源進(jìn)行預(yù)測。

23、本發(fā)明將實際生產(chǎn)中的工藝數(shù)據(jù)、質(zhì)檢結(jié)果與基于材料性能演變機(jī)制的仿真工藝數(shù)據(jù)、性能結(jié)果融合，建立了鍛件成品的質(zhì)量預(yù)測模型，該模型可根據(jù)各個加工階段的工藝參數(shù)預(yù)測最終的鍛件質(zhì)量。

24、本發(fā)明借助質(zhì)量和能耗預(yù)測模型可實現(xiàn)對熱加工全流程的質(zhì)量和能耗管理，通過能耗預(yù)測結(jié)果和實際加工監(jiān)測到的設(shè)備能耗對比，判斷能耗波動情況，通過質(zhì)量預(yù)測結(jié)果和要求質(zhì)量對比，判斷質(zhì)量波動情況，基于能耗和質(zhì)量波動情況，以質(zhì)量達(dá)標(biāo)、能耗最低的目標(biāo)對后續(xù)工藝進(jìn)行組合優(yōu)化。

25、借助本發(fā)明，可以實現(xiàn)對大型航空航天構(gòu)件的鍛造全過程的靈活控制，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量和能耗，提升工廠生產(chǎn)效益。

26、第二，本發(fā)明提供的一種用于大型航空航天構(gòu)件熱加工質(zhì)量與能耗協(xié)同控制的系統(tǒng)，通過集成數(shù)據(jù)采集、有限元模擬、自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練、能耗與質(zhì)量預(yù)測以及優(yōu)化控制等模塊，實現(xiàn)了對熱加工過程中的質(zhì)量控制與能耗管理的雙重優(yōu)化。

27、數(shù)據(jù)采集單元通過傳感器和數(shù)據(jù)接口，實時采集各個熱加工設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)和工藝參數(shù)，并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，形成全面的設(shè)備能耗特征數(shù)據(jù)集。

28、有限元模擬模塊利用有限元分析軟件，對航空航天構(gòu)件及模具模型進(jìn)行多組工藝參數(shù)的仿真計算，生成對應(yīng)的質(zhì)量數(shù)據(jù)，并結(jié)合實際質(zhì)檢數(shù)據(jù)，構(gòu)建質(zhì)量特征數(shù)據(jù)集。

29、自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練模塊通過訓(xùn)練自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，分別生成能耗預(yù)測模型和質(zhì)量預(yù)測模型，確保預(yù)測結(jié)果的高精度和可靠性。

30、能耗預(yù)測模塊基于預(yù)設(shè)的工藝參數(shù)，利用能耗預(yù)測模型生成各設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)能耗預(yù)測值，為實際生產(chǎn)中的能耗管理提供參考基準(zhǔn)。

31、質(zhì)量預(yù)測模塊通過實時工藝數(shù)據(jù)輸入質(zhì)量預(yù)測模型，生成構(gòu)件的質(zhì)量預(yù)測值，確保熱加工過程中的質(zhì)量控制。

32、優(yōu)化控制單元綜合質(zhì)量與能耗的偏差，通過粒子群算法對工藝參數(shù)進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化調(diào)整，實現(xiàn)熱加工過程中的質(zhì)量與能耗協(xié)同控制，提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。

33、本發(fā)明的用于大型航空航天構(gòu)件熱加工質(zhì)量與能耗協(xié)同控制的系統(tǒng)在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中具有以下顯著技術(shù)效果：

34、1.實現(xiàn)質(zhì)量與能耗的雙重優(yōu)化：通過集成質(zhì)量預(yù)測與能耗預(yù)測模型，系統(tǒng)能夠在保證構(gòu)件質(zhì)量的前提下，優(yōu)化工藝參數(shù)，降低能耗，提高生產(chǎn)效率。

35、2.提高預(yù)測的準(zhǔn)確性和可靠性：采用自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模型訓(xùn)練，結(jié)合有限元模擬和歷史數(shù)據(jù)，顯著提升了能耗和質(zhì)量預(yù)測的準(zhǔn)確性，減少了預(yù)測誤差。

36、3.實現(xiàn)實時監(jiān)控與動態(tài)調(diào)整：系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)控?zé)峒庸み^程中的工藝參數(shù)和設(shè)備能耗，通過優(yōu)化控制單元的動態(tài)調(diào)整，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的實時優(yōu)化，確保生產(chǎn)過程的高效穩(wěn)定。

37、4.降低生產(chǎn)成本和能耗：通過優(yōu)化工藝參數(shù)，系統(tǒng)有效降低了熱加工過程中的能耗，減少了生產(chǎn)成本，提高了資源利用率，符合綠色生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展的要求。

38、5.增強(qiáng)系統(tǒng)的智能化和自動化水平：集成多個智能模塊，實現(xiàn)了從數(shù)據(jù)采集、預(yù)測到優(yōu)化控制的全流程自動化，減少了人工干預(yù)，提高了系統(tǒng)的智能化水平和操作效率。

39、6.適應(yīng)大型航空航天構(gòu)件的復(fù)雜加工需求：系統(tǒng)設(shè)計針對大型航空航天構(gòu)件的熱加工特點，能夠處理多道次、多參數(shù)的復(fù)雜工藝需求，確保構(gòu)件在高強(qiáng)度、高精度加工過程中的質(zhì)量和能耗管理。

40、通過以上技術(shù)方案，本發(fā)明有效解決了現(xiàn)有大型航空航天構(gòu)件熱加工過程中質(zhì)量控制與能耗管理分離的問題，實現(xiàn)了兩者的協(xié)同優(yōu)化，顯著提升了熱加工過程的整體效率和經(jīng)濟(jì)效益，具有廣泛的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景和顯著的技術(shù)進(jìn)步。

41、本發(fā)明的技術(shù)方案轉(zhuǎn)化后的預(yù)期收益和商業(yè)價值為：本發(fā)明將保證航空航天大型鍛件生產(chǎn)質(zhì)量和能源消耗的穩(wěn)定，幫助降低企業(yè)生產(chǎn)的成本，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。本發(fā)明提供的航空航天熱加工構(gòu)件質(zhì)量與能耗協(xié)同控制系統(tǒng)，將推進(jìn)傳統(tǒng)航空航天熱加工產(chǎn)業(yè)高質(zhì)高效低耗轉(zhuǎn)型升級。

42、第三，本發(fā)明提供的大型航空航天構(gòu)件熱加工質(zhì)量與能耗協(xié)同控制方法，通過對能耗和質(zhì)量的雙重預(yù)測與控制，有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中的幾大技術(shù)問題，并實現(xiàn)了顯著的技術(shù)進(jìn)步：

43、1.精確控制能耗與減少浪費(fèi)

44、現(xiàn)有技術(shù)中，熱加工過程中設(shè)備能耗的控制缺乏精確的預(yù)測和優(yōu)化手段，往往導(dǎo)致能量浪費(fèi)。本發(fā)明通過采集設(shè)備能耗特征數(shù)據(jù)，結(jié)合自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和粒子群優(yōu)化算法，實現(xiàn)了對能耗的實時預(yù)測和動態(tài)調(diào)整，從而大幅度降低了能耗波動，減少了不必要的能源消耗，顯著提升了節(jié)能效果。

45、2.提高構(gòu)件質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性

46、在傳統(tǒng)熱加工中，由于工藝參數(shù)控制不精確，經(jīng)常出現(xiàn)質(zhì)量不穩(wěn)定的問題。本發(fā)明通過質(zhì)量預(yù)測模型，實現(xiàn)了對產(chǎn)品質(zhì)量的實時監(jiān)控，并在發(fā)現(xiàn)偏差時能夠及時調(diào)整后續(xù)工藝參數(shù)。這種實時的質(zhì)量優(yōu)化控制，確保了構(gòu)件質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性，減少了質(zhì)量波動導(dǎo)致的產(chǎn)品不合格率，提升了加工質(zhì)量。

47、3.降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益

48、本發(fā)明通過標(biāo)準(zhǔn)能耗預(yù)測模型和質(zhì)量預(yù)測模型，優(yōu)化熱加工參數(shù)，減少了不必要的能耗和材料浪費(fèi)，直接降低了生產(chǎn)成本。此外，減少的能源消耗和優(yōu)化的工藝參數(shù)，還縮短了加工時間，提高了設(shè)備利用率，為企業(yè)帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

49、4.工藝參數(shù)的自動化與智能化調(diào)控

50、本發(fā)明的方案依托于自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和粒子群算法，實現(xiàn)了工藝參數(shù)的智能調(diào)控，使得熱加工過程從依賴人工經(jīng)驗轉(zhuǎn)變?yōu)橐揽恐悄芟到y(tǒng)調(diào)控，操作便捷且減少了人為誤差，使生產(chǎn)過程更加高效、可控。

51、5.提升熱加工構(gòu)件的吸附性能和其他關(guān)鍵性能

52、通過對氧化烘焙等工藝的優(yōu)化，本發(fā)明進(jìn)一步提升了構(gòu)件的吸附性能等關(guān)鍵物理性能，滿足了高精度航天器材的嚴(yán)格要求，從而擴(kuò)展了產(chǎn)品的應(yīng)用范圍，增強(qiáng)了產(chǎn)品在航天領(lǐng)域的競爭力。

53、6.促進(jìn)資源的高效利用和環(huán)境友好型生產(chǎn)

54、本發(fā)明實現(xiàn)了廢氣的資源化利用和能耗的優(yōu)化管理，符合節(jié)能減排的發(fā)展方向，推動了環(huán)境友好型生產(chǎn)的實現(xiàn)，展現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)勢。在航空航天構(gòu)件制造中，這種環(huán)保和高效的方案顯著提升了生產(chǎn)過程的可持續(xù)性。

55、通過上述技術(shù)方案，本發(fā)明有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中的能耗浪費(fèi)、質(zhì)量不穩(wěn)定、生產(chǎn)成本高等問題，達(dá)到了顯著的技術(shù)進(jìn)步，不僅推動了航空航天構(gòu)件生產(chǎn)工藝的升級，同時增強(qiáng)了產(chǎn)品的市場競爭力。