21世紀以來，數(shù)字化、智能化技術在制造業(yè)廣泛應用，制造系統(tǒng)集成式創(chuàng)新不 斷發(fā)展，形成了新一輪工業(yè)革命的主要驅(qū)動力[1] 。在當前的數(shù)字化時代，“云計算、 大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)”正在深刻地影響著每個人的生活方式和每個企業(yè)的運 營方式。《中國制造2025 》明確提出，要以新一代信息技術與制造業(yè)深度融合為主 線，以推進智能制造為主攻方向[2-5] 。
鑄造是制造業(yè)的重要組成部分，也是先進制造技術的重要內(nèi)容，隨著汽車、 機械、石油、化工、航空航天等工業(yè)的發(fā)展，新世紀的鑄造技術正朝著更輕、更 薄、更精、更強、更韌及質(zhì)量高、成本低、流程短的方向發(fā)展。因此，鑄造這個傳 統(tǒng)行業(yè)逐步從依賴勞動力、資源等生產(chǎn)要素轉(zhuǎn)向知識密集型行業(yè)，在新形勢下的這 一變革必然會導致鑄造數(shù)字化、智能化的迫切需求。特別是在工業(yè)化和信息化深度 融合的大背景下，計算機、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術的飛速發(fā)展，將加速推進信息 化技術與傳統(tǒng)鑄造行業(yè)的深度融合，數(shù)字化、智能化、大數(shù)據(jù)等鑄造技術將加速鑄 造行業(yè)轉(zhuǎn)型升級[6-7] 。鑄造工藝設計系統(tǒng)( CAD/CAE )、產(chǎn)品信息及生產(chǎn)管理系統(tǒng)( PDM/ERP )、車間執(zhí)行系統(tǒng)( MES )以及鑄造設備 采集與監(jiān)控系統(tǒng)( SCADA )等工業(yè)軟件則是轉(zhuǎn)型升級 的“軟實力”基礎。
其中，鑄造工藝設計系統(tǒng)包含CAD 、CAE等。鑄 造CAD軟件是一套集三維實體造型文件接口、模數(shù)分 塊計算(或孤立熔池收縮體積自動確定)、補縮區(qū)域 確定、澆注系統(tǒng)設計、冒口、冷鐵設計、工藝圖、工 藝卡繪制為一體的集成軟件系統(tǒng)。借助這個軟件系統(tǒng) 鑄造技術人員可以實現(xiàn)對鑄件快速補縮系統(tǒng)設計、澆 注系統(tǒng)設計、工藝圖、工藝卡片繪制，從而實現(xiàn)對鑄 造工藝方案快速制定。
鑄造CAE系統(tǒng)是利用計算機模擬仿真實際的鑄 造工藝，變傳統(tǒng)“睜眼造型，閉眼澆注”為“睜眼造 型，睜眼澆注”，使工藝人員不必經(jīng)過工藝試驗就 能快速了解工藝結(jié)果，大大減少了傳統(tǒng)“輸錯法”次 數(shù)，也極大提高了工藝設計優(yōu)化的效率，縮短開發(fā)周 期的同時節(jié)省了時間、人力和物力[8] 。
鑄造PDM系統(tǒng)是以產(chǎn)品為核心，實現(xiàn)對產(chǎn)品相 關的數(shù)據(jù)、過程、資源一體化集成管理的技術。鑄造 PDM實現(xiàn)了鑄造工藝( CAD 、CAE等)全流程數(shù)據(jù)的 規(guī)范管理和全三維工藝的協(xié)同設計。并作為部分數(shù)字 化系統(tǒng)集成的數(shù)據(jù)中樞，通過PDM系統(tǒng)向制造系統(tǒng)傳 遞工藝路線、生產(chǎn)定額、 BOM清單及質(zhì)量參數(shù)等。
鑄造ERP系統(tǒng)內(nèi)涵主要是“打破鑄造企業(yè)的四 壁，把信息集成的范圍擴大到企業(yè)的上下游，管理整 個供需鏈，實現(xiàn)供需鏈制造?！彼孟冗M的管理理 論和管理思想，基于最前沿的計算機信息處理技術， 最大化的優(yōu)化鑄造企業(yè)的物資流、信息流、資金流， 為鑄造企業(yè)制造產(chǎn)品或提供服務創(chuàng)造最佳的解決方 案，最終達到鑄造企業(yè)的高效管理目標。
鑄造MES系統(tǒng)是鑄造企業(yè)車間層面生產(chǎn)管理技 術與實時信息系統(tǒng)，能夠幫助企業(yè)降低成本、按期交 貨、提高產(chǎn)品的質(zhì)量和提高服務質(zhì)量。填補ERP系統(tǒng)在 車間層的管理空白。
鑄造SCADA系統(tǒng)是鑄造設備的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控 制系統(tǒng)，其計算機為基礎的鑄造生產(chǎn)過程控制與調(diào)度 自動化系統(tǒng)。它可以對鑄造車間現(xiàn)場的運行設備進行 監(jiān)視和控制。
以上四大部分工業(yè)軟件，從工藝、生產(chǎn)、管理、 設備等多個角度形成整體鑄造企業(yè)的“軟實力”系 統(tǒng)，是衡量鑄造企業(yè)水平的一個重要標準[9] 。熔模鑄造 由于可保持鑄件高尺寸精度和優(yōu)質(zhì)表面，廣泛應用于 在各類要求關鍵任務部件的終端市場，如航空航天、 國防、汽車、工程機械、液壓設備等。正因為高端制 造的需求以及工藝流程長等特點，熔模鑄造升級轉(zhuǎn)型 對于“軟實力”的工業(yè)軟件需求更為迫切[10- 11] 。本文主 要內(nèi)容是結(jié)合作者所在團隊30多年的發(fā)展，尤其是近年來在鑄造企業(yè)數(shù)字化智能化等工業(yè)軟件方面研發(fā)和 應用工作經(jīng)驗，以及筆者出版的《鑄造充型凝固過程 數(shù)值模擬系統(tǒng)及應用》《鑄造企業(yè)數(shù)字化管理系統(tǒng)及 應用》兩本書籍，對熔模鑄造數(shù)字化智能化大數(shù)據(jù)工 業(yè)軟件從國內(nèi)外現(xiàn)狀進行分析，指明其存在的關鍵技 術，最后列舉部分數(shù)字化智能化工業(yè)軟件在熔模鑄造 企業(yè)應用較好的實例。
1 國內(nèi)外概況
1.1 鑄造工藝設計軟件系統(tǒng)國內(nèi)外進展
鑄造工藝CAD與CAE是工藝設計系統(tǒng)的最為重 要的組成部分。從20世紀60年代開始，國內(nèi)外研究機 構(gòu)對鑄造CAE技術的不斷研究和開發(fā)。近60年發(fā)展， 鑄造數(shù)值模擬物理量已經(jīng)從最初的凝固過程溫度場擴 充至三維的流動場、應力場、濃度場、電磁場等。目 前，鑄造充型凝固溫度場、流動場數(shù)值模擬已較為成 熟，可以很好指導鑄造工藝優(yōu)化。而鑄造凝固應力場 由于尚沒有較好數(shù)學模型表征含液- 固轉(zhuǎn)變大范圍溫 度變化下的力學行為，因此目前大都采用固體材料力 學理論來近似鑄造凝固的熱力學模擬，結(jié)果也可以部 分的指導鑄造工藝優(yōu)化。濃度場以及電磁場等其他物 理量的模擬則是針對一些特殊鑄造方式的需求，目前 的結(jié)果也能定性的指導工藝優(yōu)化。因此也涌現(xiàn)了多個 商業(yè)化的鑄造CAE模擬仿真軟件以及在實際中的成功 應用案列。這些CAE模擬仿真軟件可以進行鑄件充型 凝固過程的計算，預測鑄件可能出現(xiàn)的缺陷，并且 已經(jīng)廣泛應用于包含熔模鑄造的各種鑄造方式以及 各種鑄造合金[12- 13] 。目前，商業(yè)化的鑄造 CAE軟件主 要采用的方法是有限差分法、有限元法、有限體積 法等。采用有限差分法的鑄造 CAE 軟件如國內(nèi)清華 大學鑄造之星、華中科技大學的華鑄 CAE、德國的 MAGMASOFT ；采用有限元法的鑄造CAE軟件如法國 的ProCAST等。
總體來說，鑄造數(shù)值模擬近 60 年發(fā)展在宏觀方 面已經(jīng)較為成熟。后續(xù)基礎研究重點正由宏觀模擬走 向微觀模擬，包括毫米級、微米級及納米級，涉及 結(jié)晶生核長大、樹枝晶與柱狀晶轉(zhuǎn)變到金屬基體控制 及宏、介、微觀之間模型的耦合計算等各個方面。另 外，質(zhì)量控制模擬正在由原來的控形向微觀組織模 擬、性能及使用壽命預測的控性方向發(fā)展[14] 。應用研 究重點則正走向鑄造數(shù)值模擬智能化的道路，主要是 基于大數(shù)據(jù)、云計算等高效計算技術，與CAD/ERP等 組建的鑄造數(shù)字化智能化平臺等[15] 。
1983年，美國密歇根大學的Pehlke教授和佐治亞理 工學院的Derry教授提出了鑄造工藝CAD的概念，將它 歸結(jié)為計算機模擬、幾何造型和數(shù)據(jù)庫的有機結(jié)合。
自此，各國相繼開始了對鑄造工藝CAD 的研究。如美 國鑄造協(xié)會的AFS-software軟件，可以進行澆冒口系 統(tǒng)的工藝設計；英國的Foseco公司的FEEDERCALC軟 件，可以計算鑄鋼件澆冒口系統(tǒng)的工藝尺寸等。國內(nèi) 主要側(cè)重于幾何造型和數(shù)據(jù)庫的結(jié)合，不包含計算機 模擬部分，即鑄造CAD與鑄造CAE是獨立的。國內(nèi)對 它的研究始于“七五”期間。沈陽鑄造研究所開發(fā)了 轉(zhuǎn)輪單鑄葉片澆冒口系統(tǒng)工藝輔助設計程序。此外， 清華大學、哈爾濱工業(yè)大學、大連理工大學、華中科 技大學等也對鑄造工藝CAD進行了研究與開發(fā)，這些 研究主要基于商業(yè)CAD軟件進行二次開發(fā)。成果都側(cè) 重于鑄造工藝如冒口、澆道、分型面等的設計，而對 于三維CAD軟件幾何建模等研究則很少涉及[16- 18] 。
鑄造CAE和鑄造工藝CAD的發(fā)展方向體現(xiàn)在集成 化、智能化等方面。清華大學、華中科技大學、北京 科技大學、中北大學均在此方面進行了大量的工作。 在集成化方面開展了CAD 、CAE甚至與ERP等工業(yè)軟 件數(shù)據(jù)層面上互通研究；在智能化方面，基于中性文 件格式的智能化的工藝CAD設計、智能化的鑄造CAE 仿真模擬都有很多有益研究，但是離實際應用還有待 進一步深入持續(xù)研究[19-20] 。
1.2 鑄造 ERP、PDM 等管理系統(tǒng)國內(nèi)外進展
企業(yè)資源規(guī)劃系統(tǒng)ERP ( Enterprise Resource Planning)是20世紀90年代美國Gartner Group公司提 出的，對ERP 的定義：打破企業(yè)的四壁，把信息集成 的范圍擴大到企業(yè)的上下游，管理整個供需鏈，實現(xiàn) 企業(yè)信息的集成、共享、規(guī)范和控制；包含MRP 、 FM 、CRM 、HRM 、SCM等，實現(xiàn)企業(yè)的物流、資金 流、信息流的集成。 ERP 的發(fā)展經(jīng)歷了50年代數(shù)據(jù)記 錄形式的管理信息系統(tǒng)MIS ( Management Information System)、庫存管理等， 60年代線性計劃形式的物料 需求計劃系統(tǒng)MRP ，70年代閉環(huán)MRP ，80年代閉環(huán)計 劃形式的制造資源計劃MRPⅡ， 到90年代的企業(yè)資源 計劃ERP ，逐步形成了趨于完善的現(xiàn)代化管理理念。 ERP要從企業(yè)內(nèi)部信息集成開始，核心價值在于管理整 個供需鏈，實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)外信息共享[21] 。
產(chǎn)品生命周期管理 PL M ( Prod uc t L i fe c yc l e Management)根據(jù)CIMDATA 的定義， PLM是一種解 決方案，能夠應用于在單點/多點的企業(yè)內(nèi)部/企業(yè)之 間、支持產(chǎn)品協(xié)同研發(fā)，支持產(chǎn)品全生命周期的信息 創(chuàng)建、管理、分發(fā)和應用，能夠集成與產(chǎn)品相關的人 力資源、流程、應用系統(tǒng)和信息， PLM完全包含了 PDM。根據(jù)John Stark 的定義， PLM管理每一個產(chǎn)品 的生命周期，從搖籃到墳墓，從產(chǎn)品最初的概念到報 廢處理。 PLM 的理念是以產(chǎn)品為中心，對產(chǎn)品的全生命周期(從概念創(chuàng)建、設計、制造、交付、到客戶 使用、到最終報廢，跨越供應鏈)的數(shù)據(jù)信息進行管 理、跟蹤、追溯和利用。
鑄造行業(yè)處于制造業(yè)的底部，為裝備制造業(yè)提供 毛坯鑄件，其信息化發(fā)展水平相對低于其他制造業(yè)， 例如鋼鐵行業(yè)、工程機械行業(yè)和汽車行業(yè)。
對制造管理系統(tǒng)的研究與應用， 國外起步較早， 始于20世紀60年代，目前在歐、美、日、韓等發(fā)達國 家，管理系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應用于制造業(yè)且成為企業(yè)的標 準配置。在國內(nèi)，制造業(yè)信息化始于20世紀80年代， 從沈陽鼓風機廠和沈陽第一機床廠率先引進MRPII系 統(tǒng)開始，經(jīng)過多年的探索和發(fā)展，取得了非常大的成 績，它促生了系列國產(chǎn)品牌的制造業(yè)信息管理系統(tǒng)， 如用友、浪潮、艾普工華、開目等廠商的機械加工業(yè) ERP企業(yè)資源規(guī)劃系統(tǒng)、 PDM/PLM產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理產(chǎn)品 生命周期管理系統(tǒng)等。
對鑄造管理系統(tǒng)的研究與應用，發(fā)達國家起步 早，現(xiàn)在應用比較成熟。我國起步晚，始于20世紀90 年代，目前處于蓬勃發(fā)展階段。國內(nèi)一些科研單位及 學者對此進行了積極的探索和研究，在企業(yè)中取得了 一定的應用效果。相關的研究團隊和人員不斷地呼吁 “加強企業(yè)管理”。這些研究團隊和學者都為推動鑄 造行業(yè)信息化進程做出了積極的工作。從初期為企業(yè) 開發(fā)某些模塊的計算機系統(tǒng)(如質(zhì)量管理，銷售生產(chǎn) 管理等)，到后來的多個模塊構(gòu)成的信息系統(tǒng)，再到 更加全面的通用性ERP系統(tǒng)，現(xiàn)在發(fā)展到基于ERP系 統(tǒng)的某些模塊的深入研究， 模式從C/S到基于Intranet/ Internet的B/S，以及信息系統(tǒng)和ERP系統(tǒng)在企業(yè)實施的 實踐研究，研究越來越全面，越來越深入。鑄造企業(yè) ERP系統(tǒng)的研究已經(jīng)從通用性深入發(fā)展到專業(yè)性、柔性 排產(chǎn)、集成性，研究向精細化、智能化、柔性化、考 核精細化、管理在線化、業(yè)務集成化、硬件集成化、 管理云端化、管理移動化等方面發(fā)展[22-23] 。
近年來，華中科技大學華鑄軟件中心在鑄造數(shù)字 化信息化管理方面的研究具有鮮明的特色， 圍繞ERP 、 PLM ，提出了鑄件單件管理模型、工期盈余期模型、 任務驅(qū)動模型等，并構(gòu)建了單件化管理方法體系、智 能化方法體系、柔性化方法體系等，研發(fā)的鑄造ERP 、 PDM管理系統(tǒng)成功應用于航空航天、軍工兵器、鐵路 汽車、核電石油、工程機械、建筑五金等領域鑄造企 業(yè)，為推動鑄造行業(yè)兩化融合轉(zhuǎn)型升級做出了積極的 貢獻。如針對航空航天、汽車鐵路、核電石油等領域 鑄造多工序、多品種、自由組批/混批/拆批模式下單件 生產(chǎn)質(zhì)量管控和追溯的共性難題，創(chuàng)建了基于產(chǎn)品全 生命周期( PLM )理論和全面質(zhì)量管理(TQM)理論 的鑄件單件管理模型和方法體系(圖 1 )，實現(xiàn)了鑄件串并聯(lián)多工位單件化溯源，解決了大容量的鑄件單件 生產(chǎn)和質(zhì)量全過程的自動化跟蹤與追溯難題，滿足了 復雜鑄件、大件、關鍵件的單件化生產(chǎn)管控與客戶質(zhì) 量要求。
1.3 鑄造 SCADA 系統(tǒng)國內(nèi)外進展
在設備數(shù)據(jù)監(jiān)測領域應用最廣的系統(tǒng)軟件就是 SCADA ( Supervisory Control And Data Acquisition)， 即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)。它綜合利用了計算機技術、 控制技術、通信與網(wǎng)絡技術等技術，完成對測控點比 較分散設備的數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)本地或遠程的控制， 對設備的運行過程進行全面監(jiān)控、安全控制、故障診 斷，并為上級的MES 車間制造執(zhí)行系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)接 口。
SCADA 系統(tǒng)作為企業(yè)生產(chǎn)過程和事務管理自動 化最有效的計算機軟硬件系統(tǒng)之一。主要包含三個部 分，下位機、上位機以及將二者連接的數(shù)據(jù)通信網(wǎng) 絡。下位機是基于分布式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，上位機是 設備運行過程監(jiān)控與管理系統(tǒng)。 SCADA系統(tǒng)的三個組 成部分功能雖然不一致，但三者的結(jié)合使SCADA系統(tǒng) 具有強大的功能，從而實現(xiàn)對整個設備的有效監(jiān)控。 “管理集中、控制分散”的集散控制思想是SCADA系 統(tǒng)的主要特點，因此，即使上位機和下位機的通信中 斷，也不會影響到上位機和下位機的運行?，F(xiàn)場的設 備監(jiān)控裝置仍然可以正常使用，確保了系統(tǒng)的可靠運 行。
SCADA 系統(tǒng)大致可包括設備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)可視化、關鍵參數(shù)異常監(jiān)測及參數(shù)偏離預警與處置等內(nèi) 容，其研究與應用在機械制造業(yè)應用比較多，如車 床、刀具信號采集與監(jiān)控與壽命預期，設備監(jiān)測與預 測性保養(yǎng)等，在鑄造企業(yè)研究與應用剛起步。
現(xiàn)在越來越多的鑄造企業(yè)意識到設備數(shù)據(jù)監(jiān)測 與數(shù)據(jù)可視化是企業(yè)實現(xiàn)智能制造的重要環(huán)節(jié)。設備 數(shù)據(jù)采集是鑄造企業(yè)走向智能制造的重要關卡和必 經(jīng)之路，設備運行中關鍵參數(shù)的變化與產(chǎn)品質(zhì)量息息 相關，如澆注溫度、澆注時間等。由于大部分鑄造企 業(yè)設備種類繁多、部分設備老舊且所處環(huán)境惡劣、運 行過程產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，使得現(xiàn)有的人工監(jiān)測與記錄方 式存在監(jiān)測困難、數(shù)據(jù)記錄效率低、數(shù)據(jù)可視化效果 差、數(shù)據(jù)利用率低等問題。當前鑄造車間設備運行關 鍵數(shù)據(jù)主要依靠人工記錄或拷貝等，實時性差、效率 慢、數(shù)據(jù)存在失真可能；且車間設備眾多、來源廣、 自動化程度不一，針對特定設備的數(shù)據(jù)采集方法實施 周期長，難以快速適用于不同設備，普適性差。對 此，華中科技大學華鑄軟件中心對鈦合金熔模鑄造企 業(yè)根據(jù)鑄造設備的數(shù)據(jù)存儲方式，分別設計了基于PLC 與組態(tài)相結(jié)合的設備數(shù)據(jù)柔性采集和基于數(shù)據(jù)庫的設 備數(shù)據(jù)柔性采集兩種方法，研發(fā)了相應技術并應用于 兩家典型鑄造企業(yè)，快速實現(xiàn)了車間不同來源、不同 自動化程度設備運行數(shù)據(jù)的柔性采集與存儲；還開發(fā) 了一套設備監(jiān)測與數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)，并應用于該鑄造 企業(yè)，實現(xiàn)了系統(tǒng)三個主要功能模塊：設備數(shù)據(jù)監(jiān) 測、歷史數(shù)據(jù)分析、報警管理模塊，取得了良好的應 用效果[24] 。
2 熔模鑄造數(shù)字化智能化大數(shù)據(jù)工 業(yè)軟件平臺的構(gòu)建及關鍵技術
近些年數(shù)字化、智能化、大數(shù)據(jù)等技術飛速發(fā) 展，鑄造企業(yè)普遍已經(jīng)接受并應用數(shù)字化及其相關技 術， 有不少企業(yè)甚至開始向智能化方向發(fā)展[25] 。但是 大多數(shù)都是針對單項點需求的技術應用，且由于熔模 鑄造工序控制難(流程長、熱工序多耦合作用復雜) 以及國內(nèi)大多數(shù)企業(yè)都是點到面的數(shù)字化技術的布 局，就導致了熔模鑄造企業(yè)數(shù)字化應用系統(tǒng)多，存在 諸多數(shù)據(jù)重復、數(shù)據(jù)孤島、不一致等問題，長時間積 累造成系統(tǒng)維護困難、使用效率低下。
本文針對熔模鑄造特點，圍繞鑄造工藝設計系統(tǒng)( CAD/CAE )、產(chǎn)品信息與生產(chǎn)管理系統(tǒng)( PDM/ ERP )、車間執(zhí)行系統(tǒng)( MES )以及鑄造設備采集與監(jiān) 控系統(tǒng)( SCADA )四個方面來構(gòu)建鑄造數(shù)字化智能化 大數(shù)據(jù)工業(yè)軟件平臺(圖2 )。
在鑄造企業(yè)突破業(yè)務價 值層、技術設計層、制造執(zhí)行層和設備數(shù)據(jù)傳感采集 層之間通信壁壘，形成對應的數(shù)據(jù)通訊機制(圖3 )， 消除鑄造企業(yè)各部門之間及系統(tǒng)間信息孤島，從而實 現(xiàn)鑄造特別是精鑄企業(yè)由數(shù)字化、自動化、信息化走 向智能化[26] 。
針對上述平臺的建立需要開展高精高效的工藝設 計、全流程單件化柔性化智能化的信息管理、工業(yè)軟 件集成化等方面的研究，以下重點介紹具體需要突破 的關鍵技術。
2.1 熔煉、充型凝固與熱處理等全流程多尺度多物
理場多相耦合建模
相對于鍛造、焊接、增材等熱工工藝，鑄造數(shù)值 模擬應用最為成功，但是也僅限于在鑄造充型與凝固 工序的數(shù)值模擬。因此，研究包含鑄造熔煉、澆注、 熱處理等全流程的氣-液- 固三相仿真和互反饋式優(yōu)化技 術，溫度、速度、成分等多物理場和宏-介-微觀多尺度 的自動耦合仿真，實現(xiàn)鑄造熔煉、澆注、熱處理等相 關工藝智能化仿真。
2.2 復雜鑄件成形全流程過程缺陷定量預測模型建立
鑄造缺陷種類繁多，對應涉及到形成機理各不相 同，而預測的缺陷結(jié)果是優(yōu)化鑄造工藝的重要依據(jù)， 因此，缺陷的定量預測將是鑄造數(shù)字化智能化一致要 做的基礎研究。在前述多尺度多物理場多相耦合數(shù)學 模型建立基礎之上，采用數(shù)字化智能化鑄造技術構(gòu)建 復雜鑄件的成形過程缺陷定量預測模型，從而快速實 現(xiàn)復雜鑄件缺陷信息反饋和工藝再優(yōu)化[27-29] 。
2.3 復雜鑄件成形過程中各種工藝數(shù)據(jù)庫的建立及應用
數(shù)值模擬理論與基礎學科的研究發(fā)展到現(xiàn)在已 經(jīng)很難有顛覆性的突破，因此工藝數(shù)據(jù)庫的豐富與準 確則是鑄造CAE數(shù)值模擬準確的核心。因此，綜合利 用試驗、物性參數(shù)反求、商業(yè)化數(shù)據(jù)庫軟件等獲得復 雜鑄件熱物性參數(shù)，為模擬仿真的準確性提供數(shù)據(jù)保 障?；跀?shù)據(jù)庫技術，建立其研制相關合金工藝數(shù)據(jù) 庫及專家系統(tǒng)，借助數(shù)據(jù)庫技術驅(qū)動控制復雜鑄件質(zhì) 量。
2.4 先進的復雜鑄件全流程模擬仿真和工藝優(yōu)化平臺技術
采集復雜鑄件各種熱物性參數(shù)， 進行鑄造參數(shù)數(shù)字化智能化集成，應用于復雜鑄件鑄造成形全流程仿 真模擬技術，將模擬結(jié)果與實際比對，在此基礎上完 善模擬仿真技術。以數(shù)字化鑄造工藝設計技術以及智 能優(yōu)化算法為基礎，研究澆注系統(tǒng)和補縮系統(tǒng)智能化 工藝優(yōu)化系統(tǒng)，實現(xiàn)智能化的冒口設計、分型面設計 和澆往系統(tǒng)設計。
2.5 鑄件單件化管理技術
鑄件單件化管理技術是采用基于產(chǎn)品全生命周期 理論和全面質(zhì)量管理理論的鑄件單件全生命周期管理 模型CLM (Casting Lifecycle Management)，能夠以單 件標識/單件號(單個鑄件的唯一標識)為索引，通過 生產(chǎn)計劃與驗收中批次操作單件化自動管控功能，實 現(xiàn)自動記錄、管理、跟蹤與追溯單個鑄件的生產(chǎn)和質(zhì) 量全過程信息，如成分金相性能質(zhì)量信息、各個過程 的操作人員、設備、材料等信息[30-31] 。單件化管理， 將管理理念由傳統(tǒng)的以流程化(物流、資金流、信息 流)為觀察中心深化為以流程化中的單個產(chǎn)品為觀察 中心，將傳統(tǒng)的批次管理帶到單件化管理。單件化 管理是一種精細化管理，是一種精益生產(chǎn)管理，是一 種面向全流程的工作流管理。利用鑄件單件化管理技 術，可實現(xiàn)鑄件串并聯(lián)多工位單件化溯源，解決大容 量的鑄件單件生產(chǎn)和質(zhì)量全過程的自動化跟蹤與追溯 難題，滿足復雜鑄件、大件、關鍵件的單件化生產(chǎn)管 控與客戶質(zhì)量要求
2.6 設備數(shù)據(jù)采集技術
構(gòu)建基于組態(tài)-PLC組件與基于數(shù)據(jù)庫集成的設備 數(shù)據(jù)采集方法、以及自適應高低頻數(shù)據(jù)柔性采集與存 儲方法，實現(xiàn)分布式、多數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、多PLC型號、多廠 商等各類復雜形式鑄造設備集成、數(shù)據(jù)實時采集與監(jiān) 控，解決多源數(shù)據(jù)獲取范圍窄、準確率低、時效性差 的難題。
2.7 信息系統(tǒng)柔性化技術
信息系統(tǒng)柔性化技術即系統(tǒng)柔性化技術，是一 組提升信息系統(tǒng)適應和應對企業(yè)管理模式多樣性和多 變性能力的方法和技術體系，是一種支持鑄造管理系 統(tǒng)業(yè)務“即時重構(gòu)”的參數(shù)化配置式的多維度即時柔 性方法體系。該柔性方法體系基于信息系統(tǒng)三層四維 結(jié)構(gòu)模型和參數(shù)化與組件技術，本著“管理業(yè)務即時 滿足、管理系統(tǒng)即時重構(gòu)”的理念，包括系統(tǒng)表單柔 性、功能柔性、模塊柔性和流程柔性四方面。該技術 突破了傳統(tǒng)的定制化方式和常規(guī)柔性化方式，可顯著 提升系統(tǒng)可重用性和應變能力、縮短實施周期長、降 低鑄造業(yè)信息化推進難度。
2.8 工業(yè)軟件系統(tǒng)智能化技術
系統(tǒng)智能化技術即工業(yè)軟件系統(tǒng)智能化技術，基 于人機交互的“交互動作分解”、人工智能的“系統(tǒng) 代替人”、專家系統(tǒng)的“專家推理”三個方面思想， 是一組實現(xiàn)工業(yè)軟件系統(tǒng)自動化任務分配、方案分 析、校核等方法體系和技術，從而能夠智能指導、推 動用戶工作，能夠代替用戶的部分工作甚至是能夠替 代部分用戶進行工作。大數(shù)據(jù)、云計算等工業(yè)4.0技術 的發(fā)展，給工業(yè)軟件系統(tǒng)智能化技術的發(fā)展帶了新的 技術途徑[32] 。雖然在鑄造領域目前已經(jīng)有了一些點的 突破，但極少仍然是一片空白，也是后續(xù)特別是在熔 模鑄造行業(yè)持續(xù)研究的熱點。
2.9 “1+N”數(shù)字化智能化集成技術
創(chuàng)建類腦協(xié)同調(diào)度方法，實現(xiàn)其他軟件與主控系 統(tǒng)邏輯層協(xié)同；創(chuàng)建共享數(shù)據(jù)池方法，實現(xiàn)同構(gòu)/同源 軟件間數(shù)據(jù)層通信；創(chuàng)建資源Agent智能體方法，實現(xiàn)異構(gòu)/異源軟件間及與硬件的應用層連接。通過邏輯層 協(xié)同-數(shù)據(jù)層通信-應用層連接的軟硬件集成方法，實現(xiàn) “1”個主控軟件EMPS系統(tǒng)和“N ”個鑄造數(shù)值模擬、 工藝優(yōu)化設計、生產(chǎn)質(zhì)量管理等軟件以及車間/生產(chǎn)/ 質(zhì)檢/輔助顯示等硬件的集成，構(gòu)建“1+N ”模式數(shù)字 化鑄造創(chuàng)新平臺(圖4 )，實現(xiàn)鑄造數(shù)字化工藝設計優(yōu) 化、生產(chǎn)質(zhì)量監(jiān)測管控“N ”個軟硬件到“ 1”個主控 軟件系統(tǒng)的一體化集成應用[33] 。
3 應用案列
3.1 熔模鑄造數(shù)值模擬 CAE 應用實例
下面將以某企業(yè)正在生產(chǎn)的鑄鋼件閥體鑄件為 例，描述如何使用本研究完成鑄造工藝的設計、模擬 分析評估以及實現(xiàn)工藝優(yōu)化。該鑄件的三維圖形如圖5 所示，材料的化學成分如表1所示
( 1 )初始工藝設計。考慮到閥體的結(jié)構(gòu)特點以 及熔模精鑄的設計原則，對該鑄件的工藝進行初始設 計，如圖6所示。然而，在使用該工藝進行試制過程 中，發(fā)現(xiàn)鑄件內(nèi)部的關鍵受力部位出現(xiàn)明顯的縮松缺 陷。因此，采用華鑄CAE對該工藝進行模擬分析，找 到出現(xiàn)缺陷的原因，并進行相應的改進措施。模擬內(nèi) 容包括充型過程和凝固過程的模擬分析。
在充型過程中，金屬流體的溫度分布和壓力分 布是兩個重要的分析對象。其中，通過對不同時刻 的流體溫度進行觀察和分析(圖 7a-d) ，充型時間為 0.93~2.20 s時，溫度分布較為均勻，有利于液體保持良 好的流動性，降低出現(xiàn)冷隔、澆不足等缺陷的可能性； 充型時間到了3.98 s ，鑄件邊角部分有一定的溫度下降， 但整個溫度分布還是較為均勻，表明工藝的金屬填充慢 后溫度分布合理。再考察不同時刻的流體壓力分布(圖8a-d)，充型時間為0.93~1.39 s時，由于金屬從上往下 掉落，流體形成瀑布和雨淋狀，并存在大面積的負壓區(qū) 域，這樣的流動狀態(tài)，容易形成卷氣和夾雜缺陷；充型 時間2.20 s時，負壓區(qū)域開始減少，到了3.98 s時，壓力 分布趨于合理。
基于以上分析，根據(jù)熔模精鑄的特點，澆注系統(tǒng) 基本設置合理，但需要控制穩(wěn)定的澆注速度和金屬熔 煉的純凈度，以降低出現(xiàn)卷氣和夾雜缺陷的可能性。
通過對凝固過程液相分布分析發(fā)現(xiàn)，在鑄件的內(nèi) 部出現(xiàn)了孤立液相區(qū)(圖9 ) ，這說明該區(qū)域不能得到澆冒部分金屬液的補充，在進一步的凝固過程中，容 易形成縮松缺陷(圖10 )。
通過華鑄 CAE 提供的定量化預測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在 鑄件的底部出現(xiàn)了3個較大面積的縮松缺陷，如圖 10 所示。缺陷的出現(xiàn)會嚴重影響鑄件的質(zhì)量，使其達不 到使用的要求。通過華鑄 CAE 軟件提供的數(shù)值鼠標 功能，能否方便快速地追蹤到某一個缺陷的位置和體 積，統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。在實際生產(chǎn)中，通過試制 鑄件檢測發(fā)現(xiàn)在相應位置出現(xiàn)不同嚴重程度的縮松缺 陷，與模擬結(jié)果高度吻合。由于鑄件存在較嚴重的縮 松缺陷，因此需要對其補縮工藝進行必要的改進。
( 2 )優(yōu)化設計與工藝修改。華鑄軟件提供輔助補 縮系統(tǒng)設計的分析功能，能夠快速地提供優(yōu)化的補縮 方案。由于縮松缺陷出現(xiàn)在3個開口處的底部，將上部 分的澆冒系統(tǒng)向下延長，增大補縮通道的厚度，以便 在凝固過程中實現(xiàn)有效的補縮， 如圖 11所示。將改進 后的工藝再一次放入到華鑄CAE中模擬進行驗證。
模擬結(jié)果(圖 13 )分析發(fā)現(xiàn)，在凝固過程中，未 凝固的液相能夠與補縮系統(tǒng)保持連接，直到最后凝固 的液相都移至澆冒系統(tǒng)內(nèi)部，在鑄件內(nèi)部沒有出現(xiàn)孤 立液相區(qū)，因此冒口能夠較好地對鑄件進行補縮。
試驗結(jié)果對比表明(圖 13a， 13b )，改進后的工 藝很好地解決初始方案出現(xiàn)的縮松缺陷，只在鑄件中 出現(xiàn)了很小的、分散的縮松，不會影響到鑄件的正常 使用，并且符合質(zhì)檢要求的缺陷控制標準。模擬結(jié)果 與實驗結(jié)果吻合度較高，并且該方案已經(jīng)應用到實際 的生產(chǎn)當中。
3.2 熔模鑄造 ERP 應用實例
S公司是一家熔模精鑄為主、砂鑄為輔的民營中大 型集團式企業(yè)，主要面向核電、石油等領域，是中國鑄 造行業(yè)的百強企業(yè)之一，其主要產(chǎn)品為各類閥門、泵、 管道等復雜鑄件。一方面，隨著S公司快速發(fā)展，客戶 交貨要求愈發(fā)嚴苛，原有的管理方法無法滿足企業(yè)現(xiàn)有 需求。另一方面， S公司以多品種小批量為主、工序多 流程長、組批混批拆批頻繁、質(zhì)量要求高、交期要求 短、過程要求可追溯等，這種生產(chǎn)模式造成了生產(chǎn)管理 極大混亂和困難，依賴人工電子表格管理模式無法解決 此問題。
為了更好地加強內(nèi)控、規(guī)范化流程、控制庫存和 加強質(zhì)量管控等， S公司2016年引進華中科技大學的華 鑄ERP軟件，逐步實現(xiàn)了閥門、泵等大型復雜鑄件的單 件串聯(lián)多工位全流程管理和溯源，生產(chǎn)工藝質(zhì)量三角 協(xié)同缺陷統(tǒng)計與控制，以及生產(chǎn)質(zhì)檢流程優(yōu)化，實現(xiàn) 了總部計劃部對分廠生產(chǎn)的有效調(diào)度、控制，以及生 產(chǎn)過程全流程的準確、實時、嚴格控制；最終實現(xiàn)了 大型復雜鑄件產(chǎn)品單件化全流程管理，大幅提升企業(yè)管理水平。圖 14所示為S熔模鑄造企業(yè)ERP系統(tǒng)應用流 程指導中心，包括訂單管理、工藝管理、計劃管理、 鑄造生產(chǎn)管理、加工管理、質(zhì)量管理、采購管理、物 流轉(zhuǎn)運管理、銷售發(fā)貨管理等。
應用效果與傳統(tǒng)方法對比，降低了對人工經(jīng)驗的 依賴程度，公司全流程管控能力成倍提升，生產(chǎn)效率 提升50% ；生產(chǎn)質(zhì)量分析追溯效率提升明顯，鑄件質(zhì)量 和工藝穩(wěn)定性提升了20%左右；把傳統(tǒng)紙質(zhì)記錄、文檔 等轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信息，實現(xiàn)了過程記錄對質(zhì)量分析、工 藝改進的支撐，達到了數(shù)字化管理的目的與效果。相 關研究成果已成為保證高質(zhì)量完成客戶訂單的重要手 段，促進了S公司整體技術水平的提升，自2017年穩(wěn)定 應用以來為公司帶來了良好的經(jīng)濟效益。
3.3 熔模鑄造 PDM 應用實例
圖15所示為應用于某航空鈦合金熔模鑄造企業(yè)的 PDM系統(tǒng)模塊中鑄件產(chǎn)品的工序工藝數(shù)據(jù)文件編制，包括產(chǎn)品工藝狀態(tài)的基本信息、參考規(guī)程、模具工 裝、設備準備、技術參數(shù)、操作步驟、檢驗要求、變 更記錄等。
圖16所示為熔模鑄件產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量全過程數(shù)據(jù) 管理，如壓蠟工序的現(xiàn)場工藝、熔煉澆注過程記錄、焊接過程、 X光檢驗、外觀檢驗、理化檢驗等過程數(shù) 據(jù)，甚至是產(chǎn)品服役使用過程的性能數(shù)據(jù)等。
3.4 熔模鑄造 SCADA 應用實例
B公司是中國鈦合金精密鑄造企業(yè)， 由于鑄造行 業(yè)的特殊性， B公司部分鑄造設備所處的環(huán)境比較惡 劣，有些設備所處的環(huán)境粉塵較多，空氣濕度大，溫 度高，導致設備改造和數(shù)據(jù)采集難度很大，而且有些 特殊設備所處的環(huán)境空氣存在有毒物質(zhì)，工作人員需 要帶防毒面具才能進入，所以通過遠程監(jiān)控設備的運 行數(shù)據(jù)就顯得尤為重要。
數(shù)據(jù)采集的流程圖如圖 17 所示。在設備層，由 于企業(yè)的設備種類繁多，設備的數(shù)據(jù)存儲也是種類不 一，有的設備具備PLC ，有的設備不具備PLC ，有的設 備只有開關量，有的只有模擬量。通過PLC將鑄造設備 的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到新增的PLC 中，在PLC站點將采集到的數(shù)據(jù)保存到組態(tài)軟件的實時數(shù)據(jù)庫中。采集過程主要包 含以下幾個步驟：①把需要采集的設備開關量和模擬 量信號在原有的基礎上分流集成到附件的數(shù)據(jù)采集站 點， 同時，要在PLC寄存器中設置好變量的存儲地址和 上位機通訊所需要的通訊參數(shù)。②新建的采集站點通過 通信協(xié)議實現(xiàn)與上位機的通訊，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸 到上位機中。③上位機軟件可以設置數(shù)據(jù)的傳輸方式， 通過ODBC或ADO傳輸?shù)皆O備互聯(lián)系統(tǒng)的SQL SERVER 2008中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲。④最后在設備監(jiān)測與數(shù)據(jù)可視 化系統(tǒng)中進行數(shù)據(jù)展示和數(shù)據(jù)分析。
根據(jù)B公司的復雜鑄造設備現(xiàn)狀，成功應用基于 PLC與組態(tài)的設備數(shù)據(jù)柔性采集方法。實現(xiàn)對鑄造設 備的數(shù)據(jù)實時采集與存儲，并通過華鑄ERP 、華鑄 SCADA系統(tǒng)訪問歷史數(shù)據(jù)和實時監(jiān)控設備運行，為企 業(yè)后期的工藝參數(shù)預警和工藝分析提供基礎。
3.5 熔模鑄造 1+N 數(shù)字化智能化鑄造平臺應用實例
針對鑄造企業(yè)信息化進程中陸續(xù)應用多套系統(tǒng)、 缺乏全局規(guī)劃和整合造成各系統(tǒng)間的“信息孤島”問 題，作者2012年提出了“ 1+N ”模式的數(shù)字化鑄造平 臺。在當前新時代背景下，鑄造企業(yè)兩化融合呈現(xiàn)新 特點和趨勢：傾向整體規(guī)劃、選用專業(yè)面向鑄造的 ERP 、MES 、PDM/PLM 、SCADA等信息化集成系統(tǒng)解 決方案。針對此， 團隊構(gòu)建研制了“華鑄 1+N ”數(shù)字化 鑄造創(chuàng)新平臺2.0 (圖 18 )，實現(xiàn)了以華鑄EMPS集成化 系統(tǒng)為“ 1 ”，代替原來鑄造ERP系統(tǒng)，與其他“N” 個軟件、硬件系統(tǒng)進行同異構(gòu)/源軟件間、軟件與硬件 間集成互聯(lián)。
在“工業(yè)4.0”的大背景下， B公司從2015年開始 積極探索與實踐數(shù)字化智能化制造，逐步建立起企業(yè) 的“1+N”模式的熔模鑄造數(shù)字化智能化制造平臺，平臺中的“ 1”-EMPS系統(tǒng)架構(gòu)如圖 19所示。在車間現(xiàn)場 數(shù)字化方面，基于華鑄ERP/MES/PDM集成系統(tǒng)，包括 制模、制殼、熔煉澆注、熒光檢、X光檢等車間工序全 過程生產(chǎn)/工藝/質(zhì)量的信息數(shù)字化方法，大幅提升了現(xiàn) 場管理水平，并給出了典型產(chǎn)品的全過程應用案例。 在車間設備互聯(lián)方面，基于華鑄SCADA系統(tǒng)，包括設 備數(shù)據(jù)監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)分析、報警管理和設備管理， 實現(xiàn)了第一批試點設備的運行數(shù)據(jù)實時監(jiān)測與異常預 警，為生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)準確性、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性和基于 工業(yè)大數(shù)據(jù)的質(zhì)量診斷與控制奠定良好基礎。
圖20為B公司熔模鑄造“ 1+N ”數(shù)字化智能化鑄造 平臺的應用，一方面滿足了企業(yè)信息化第一階段的需 求，構(gòu)建了ERP 、MES 、PDM集成化系統(tǒng)，消除了信 息孤島、重復和不一致，實現(xiàn)了全局信息共享，大幅 提高了企業(yè)人機物協(xié)同效率；另一方面促進了企業(yè)信 息化第二階段的發(fā)展，集成構(gòu)建SCADA系統(tǒng)，對鑄造 設備運行中各關鍵參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控及預警， 并積累工業(yè)大數(shù)據(jù)為下一步的深度智能感知、自由學 習、自律執(zhí)行及智能優(yōu)化打基礎。
B公司從2015開始建設和應用“ 1+N ”數(shù)字化智能 化鑄造平臺，產(chǎn)值從2014年不足2億元提升到2019年超 4億元；研制批產(chǎn)混線模式下得到了很好應用，解決了 多工序多品種頻繁組批/混批/拆批生產(chǎn)模式下單件缺陷 溯源困難，質(zhì)量分析追溯效率提升了3~4倍；有效解決 了質(zhì)量失控和缺陷修復不及時問題，鑄件質(zhì)量和工藝 穩(wěn)定性得到了顯著提升?！?1+N ”熔模鑄造平臺已成為 保證高質(zhì)量重要手段，促進了B公司的整體技術水平的 提升，幾年來帶來了巨大經(jīng)濟效益。建成的數(shù)字化制 造平臺成為航材院標桿，發(fā)揮了行業(yè)引領示范作用， 來訪學習交流單位包括國外波音、空客、 RR 、SF等， 國內(nèi)的商發(fā)、航發(fā)各主機廠、航天科技等。
4 結(jié)束語
數(shù)字化管理技術作為智能制造的重要組成， 是改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和實現(xiàn)信息化帶動工業(yè)化的突破口。進入新世紀， 尤其是近十年，我國鑄造數(shù)字化管理技術在應用中快速發(fā)展，目前，數(shù)字化、智能化、大數(shù)據(jù)等技術所形成的工業(yè) 軟件指導鑄造生產(chǎn)主要是在鑄造工藝設計系統(tǒng)( CAD/CAE )、產(chǎn)品信息及生產(chǎn)管理系統(tǒng)( PDM/ERP )、車間執(zhí)行 系統(tǒng)( MES )以及鑄造設備采集與監(jiān)控系統(tǒng)( SCADA )這四個方面對鑄造企業(yè)信息化的支持。本文首先介紹了熔 模鑄造工藝設計軟件系統(tǒng)國內(nèi)外研究進展，其次提出了數(shù)字化智能化鑄造技術涉及的關鍵技術，最后給出了在熔模 鑄造企業(yè)的應用實例，表明數(shù)字化智能化工業(yè)軟件平臺將有助于促進精密鑄造企業(yè)生成與管理的科學轉(zhuǎn)變，該平臺 能極大提升軟實力并促進智能轉(zhuǎn)型。下一步可進行的研究為人工智能與工業(yè)軟件、鑄造生產(chǎn)的結(jié)合，如基于元啟發(fā) 式的鑄造智能排產(chǎn)、基于圖像處理的質(zhì)量智能檢測、基于多源數(shù)據(jù)的質(zhì)量/工藝優(yōu)化，將進一步提升工業(yè)軟件、鑄 造生產(chǎn)的智能化水平。
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