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嘉峪檢測網(wǎng) 2025-01-14 15:42
傳統(tǒng)鋼鐵板材的力學(xué)性能測試工藝主要采用單體機床加工+單體試驗機檢驗的模式，主要流程為：人工收樣核對→轉(zhuǎn)移試樣至機床→鋸床、沖床等機床分解試樣→轉(zhuǎn)移試樣至銑床、磨床或加工中心等機床精細加工→轉(zhuǎn)移試樣至試驗機→進行試驗→上傳數(shù)據(jù)。采用叉車或人工搬運的方式進行物料流轉(zhuǎn)，采用油漆筆手寫或打鋼號的方式進行物料標(biāo)識。基于傳統(tǒng)工藝板材的力學(xué)性能測試方法具有需要大量人力、勞動強度大、工作環(huán)境差、作業(yè)過程中容易混樣、無法做到全過程監(jiān)督與回溯等缺點，且操作人員的技能水平對數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度影響較大。
結(jié)合視覺識別、工業(yè)機械手、激光切割及AGV（自動引導(dǎo)車）物流等技術(shù)，將激光切割制樣、機床制樣、試驗機檢驗等工序串聯(lián)起來，進行無人化、智能化的測試，是目前板材力學(xué)性能測試的發(fā)展趨勢。
筆者介紹了不同規(guī)格的板材從制樣到力學(xué)性能測試的全流程全自動檢驗工藝，并對實驗室建設(shè)提出了建議。
1、 全自動力學(xué)性能測試工藝設(shè)計
1.1 測試技術(shù)
1.1.1 AGV技術(shù)
AGV是一種自動化無人駕駛搬運設(shè)備，能夠沿預(yù)設(shè)的路徑行駛，并智能地避開路線上的障礙物，是現(xiàn)代工業(yè)自動化物流系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，可實現(xiàn)生產(chǎn)過程的柔性化運輸。將AGV技術(shù)應(yīng)用于鋼材的力學(xué)性能測試中，可24h不間斷作業(yè)，提高生產(chǎn)效率，代替人工進行物料的流轉(zhuǎn)，將各工序串聯(lián)起來，實現(xiàn)物料運輸?shù)臒o人化。
AGV的數(shù)量可以根據(jù)系統(tǒng)搬運能力進行配置。單位時間的搬運次數(shù)和單次搬運量可作為評價系統(tǒng)搬運能力的指標(biāo)。一輛車，一個搬運場所時，每小時搬運次數(shù)M的計算方法如式（1）和式（2）所示。
當(dāng)一輛車，i個搬運場所時，每小時搬運次數(shù)M1的計算方法如式（3）和式（4）所示。
當(dāng)多輛車時，每小時搬運次數(shù)M2的計算方法如式（5）和式（6）所示。
需要注意的是，AGV的使用會受到許多因素的限制。AGV對生產(chǎn)現(xiàn)場地面條件有一定要求，地面不能有大的起伏和坡度。要求AGV運行應(yīng)能以可控的額定速度通過在1m2范圍內(nèi)，平面度不小于3mm、臺階高度不小于5m、溝槽寬度不小于8mm、坡度不小于0.05的路面，并在路面坡度不小于0.01的停車點可靠停止。AGV對生產(chǎn)現(xiàn)場通行線路有一定要求。大多數(shù)實驗室的智能化建設(shè)主要是對現(xiàn)有實驗室的改造，在階段性改造過程中，避免不了AGV和操作人員時空交叉的情況，因此要考慮AGV專用通道的規(guī)劃以及AGV自動規(guī)避行人功能的配備。
1.1.2 激光切割
激光切割是利用激光準(zhǔn)直性和功率密度高的特點，使工件與光斑結(jié)合處的材料熔化或汽化，以分離材料的一種切割工藝。相較傳統(tǒng)的鋼板切割工藝，激光切割工藝在切割速率、切割精度、切割成本等方面有著巨大優(yōu)勢。目前，其最大切割厚度可達到100mm。以20mm厚的鋼板為例，激光切割速率約為0.65m/min。連續(xù)作業(yè)情況下，以拉伸、沖擊、彎曲試樣為一組，單臺設(shè)備加工能力不低于13組/h。在GB/T 2975—2018《鋼及鋼產(chǎn)品 力學(xué)性能試驗取樣位置及試樣制備》中明確規(guī)定：當(dāng)直徑或厚度不大于15mm時，加工余量為1~2mm；當(dāng)直徑為15~25mm時，加工余量為2~3mm。
在激光切割過程中，需要用氮氣或者氧氣作為輔助氣體。冷軋薄板切割需要用氮氣作為保護氣，單臺功率為2kW的激光切割設(shè)備對氮氣的要求為，流量大于500m3/h，壓力為3MPa，純度大于99.95%；中厚板切割時需要用氧氣助燃以保證切割效果，單臺功率為12kW的激光切割設(shè)備對氧氣的要求為，壓力為0.4~0.6MPa，流量為10~15m3/h，純度大于99.95%。氣體消耗量雖不大，但對一些前期沒有敷設(shè)這兩種氣體管道的實驗室來說，如果采用匯流排的方式進行氣體供給，顯然是不可行的。可以采用空壓機制取壓縮空氣，但是氧氣必須從制氧站中敷管接入，才能保證其純度、壓力及流量等滿足要求。在實際運行中，由于切割功率對切口寬度和熱影響區(qū)的影響，最大切割厚度只能達到25mm，厚度大于25mm的板材需要較高的切割功率，會影響切割質(zhì)量，進而影響后續(xù)加工。
1.1.3 工業(yè)機械手
工業(yè)機械手是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)或多自由度的機器人。工業(yè)機械手可以滿足大批量生產(chǎn)制造的需求，能夠依靠自身動力和控制能力自動執(zhí)行工作任務(wù)。目前，工業(yè)機械手已成為替代人力進行高重復(fù)性、高強度、高精密作業(yè)及惡劣環(huán)境下作業(yè)的可靠工具。
1.2 測試設(shè)備
1.2.1 集成式試樣加工中心
集成式試樣加工中心是集銑削、磨削等加工工藝于一體的加工設(shè)備，試樣在設(shè)備內(nèi)部通過機械手進行移動、翻面等操作。力學(xué)性能實驗室需要配備的試樣加工中心主要有：平面加工中心，用于對拉伸、彎曲、硬度等試樣進行精細加工；沖擊試樣加工中心，用于對沖擊毛坯料進行精細加工及開槽；圓棒加工中心，用于對圓棒拉伸試樣、高溫拉伸試樣進行精細加工。
1.2.2 全自動拉伸試驗機
全自動拉伸試驗機是在傳統(tǒng)拉伸試驗機的基礎(chǔ)上，增加機械手、全自動橫截面測量臺及全自動引伸計，以實現(xiàn)全自動拉伸性能測試的試驗機。拉伸試驗是在規(guī)定速率下進行的，而機械手的運動速率很快，因此建議采用一臺機械手配合兩臺拉伸試驗機的配置，可以節(jié)省部分資金。目前，引伸計常采用的組合模式為全自動縱向視頻引伸計/全自動機械式縱向引伸計+ 全自動光學(xué)式橫向引伸計。建議采用全自動縱向視頻引伸計+全自動光學(xué)式橫向引伸計，其測量數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定、精確，且不需要頻繁調(diào)整和保養(yǎng)。全自動拉伸試驗機可以選擇電子萬能試驗機，其性能更加穩(wěn)定，避免頻繁調(diào)整和維修，同時根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)合理選擇試驗機量程及數(shù)量。
1.2.3 全自動沖擊試驗機
全自動沖擊試驗機是在傳統(tǒng)沖擊試驗機的基礎(chǔ)上，增加了機械手及全自動保溫箱，可實現(xiàn)全自動沖擊性能測試。目前，全自動沖擊試驗機的缺口對中方式有：基于視覺識別的光學(xué)對中，其優(yōu)點是可同時實現(xiàn)缺口對中和試樣尺寸測量，并且在接入全自動檢驗線時，對試樣擺放精度及尺寸精度要求低，缺點是對V型缺口的加工精度要求高，V型缺口內(nèi)的鐵屑等可能對缺口的識別造成干擾；V型定位銷的機械對中，該方式是通過帶有V型定位銷的沖擊試樣架實現(xiàn)的，其優(yōu)點是長期使用穩(wěn)定性高，不易受環(huán)境干擾，缺點是在接入全自動檢驗線時，對擺放精度要求高。目前，這兩種對中方式均可達到0.1mm的定位精度。
2、 不同產(chǎn)品的自動化力學(xué)性能測試流程
2.1 中厚板及熱軋平直板
板材越厚，需要的激光切割功率越大，導(dǎo)致切口寬度和熱影響區(qū)越寬，切口斷面或下表面更易掛渣，影響試樣掉落。隨著板材厚度的增大，切割時需要的輔助氣體純度越高，成本越高。因此，中厚板普遍采用的切割方案為：對于厚度不大于25mm的試樣，采用激光切割，激光器需達到10kW以上功率；對于厚度大于25mm的試樣，采用全自動圓盤鋸切割，通過機械手進行試樣反轉(zhuǎn)及拿取，并接入全自動加工檢驗線中。
2.1.1 試樣登記
如果實驗室緊鄰軋線，可通過傳送帶將試樣直接從產(chǎn)線運輸至機械手抓取區(qū)域。利用紅外掃描儀可判斷試樣的位置及擺放角度，通過調(diào)整機械手的姿態(tài)，修正抓取角度，保證機械手能夠準(zhǔn)確抓取試樣。如實驗室距離軋線較遠，可使用車輛運輸試樣。生產(chǎn)廠切割的試樣按規(guī)定的形狀、尺寸放在指定規(guī)格的試樣框內(nèi)。進行試驗時需將試樣框放在機械手抓取區(qū)域。利用上料機械手上的掃碼器掃描試樣上的代碼，識別標(biāo)稱規(guī)格、試樣類型、試樣方向等信息。利用噴碼器噴碼、激光打碼或紙質(zhì)打印貼碼等方法標(biāo)識試樣上的代碼。
2.1.2 試樣尺寸測量
利用上料機械手將樣板抓取至尺寸測量臺，通過視覺系統(tǒng)識別試樣的長度、寬度，用激光測量試樣的厚度等信息。如果試樣厚度異常，或長度和寬度無法滿足加工要求，利用機械手抓取試樣至異常料筐內(nèi)，并在信息化平臺上提示錯誤信息，后續(xù)可由操作人員確認是否調(diào)整切割項目，以進行下一步切割作業(yè)。
當(dāng)試樣厚度不大于25mm時，利用機械手抓取試樣至激光切割加工區(qū)；當(dāng)試樣厚度大于25mm時，利用機械手抓取試樣至全自動圓盤鋸切割加工區(qū)。
2.1.3 試樣分解加工
按照實驗室信息管理系統(tǒng)（LIMS）指令中的切割信息，自動匹配預(yù)設(shè)的切割工藝進行切割。
2.1.4 試樣分揀及打標(biāo)
切割后的試樣掉落至傳送帶。為避免因切割不徹底或者邊部掛渣而導(dǎo)致試樣未掉落，可利用機械手上的施力桿向試樣施加向下的力，協(xié)助試樣掉落。分揀機械手通過視覺系統(tǒng)識別試樣類型，抓取試樣至打標(biāo)臺，在取樣位置的適當(dāng)區(qū)域刻蝕上能夠在后續(xù)工序識別的標(biāo)識，并按照檢驗項目等要求，將試樣分類放到不同的試樣盒內(nèi)。試樣盒的設(shè)計需方便AGV搬運及后續(xù)機械手拿取。廢樣板由上料機械手抓取至廢樣斗。
2.1.5 試樣精加工
板狀拉伸試樣的工藝流程為：AGV轉(zhuǎn)移試樣至綜合加工中心點位→機械手抓取試樣至綜合加工中心→試樣加工→機械手抓取試樣進行尺寸測量、打標(biāo)距點及標(biāo)識碼→機械手抓取試樣至試樣框→AGV運輸試樣至拉伸試驗機點位→機械手抓取試樣框至待測料架。
圓棒拉伸試樣的工藝流程為：AGV轉(zhuǎn)移試樣至圓棒試樣加工中心點位→機械手抓取試樣至圓棒試樣加工中心→試樣加工→機械手抓取試樣進行尺寸測量、打標(biāo)距點及標(biāo)識碼→機械手抓取試樣至試樣框→ AGV運輸試樣至拉伸試驗機點位→機械手抓取試樣框至待測料架。
厚度不大于20mm沖擊試樣的工藝流程為：AGV轉(zhuǎn)移試樣至沖擊加工中心→試樣加工→機械手抓取試樣進行尺寸測量及打標(biāo)識碼→機械手抓取試樣至試樣架→ AGV運輸試樣至沖擊試驗機點位→機械手抓取試樣架至待測料架。
厚度大于20mm沖擊試樣的工藝流程為：AGV轉(zhuǎn)移試樣至減薄圓盤鋸點位→機械手抓取試樣至減薄圓盤鋸減薄→機械手轉(zhuǎn)移試樣至沖擊加工中心精加工→試樣加工→機械手抓取試樣進行試樣尺寸測量及打標(biāo)識碼→機械手抓取試樣至試樣架→ AGV運輸試樣至沖擊試驗機點位→機械手抓取試樣架至待測料架。
彎曲試樣的工藝流程為：AGV轉(zhuǎn)移試樣至綜合加工中心點位→機械手抓取試樣至綜合加工中心機床→加工→機械手抓取試樣進行試樣尺寸測量及打標(biāo)識碼→機械手抓取試樣至試樣框→ AGV運輸試樣至彎曲試驗機點位→機械手抓取試樣框至待測料架。
硬度試樣的工藝流程為：AGV轉(zhuǎn)移試樣至綜合加工中心點位→機械手抓取試樣至綜合加工中心→試樣加工→機械手抓取試樣進行試樣尺寸測量及打標(biāo)識碼→機械手抓取試樣至試樣框中→ AGV運輸試樣至硬度試驗機點位→機械手抓取試樣框至待測料架。
落錘試樣的工藝流程為：AGV轉(zhuǎn)移試樣至綜合加工中心點位→機械手抓取試樣至綜合加工中心機床→試樣加工→機械手抓取試樣進行試樣尺寸測量及打標(biāo)識碼→機械手抓取試樣至試樣框中→ AGV運輸試樣至硬度試驗機點位→機械手抓取試樣框至待測料架。
2.1.6 試驗
機械手從待測料架上抓取試樣，掃碼后進行全自動試驗。試驗后的廢料由機械手抓取至廢料框或待回收料框，之后由AGV運輸至廢鋼區(qū)進行傾倒，或運輸至試樣庫點位進行后續(xù)作業(yè)。
2.2 冷軋板
2.2.1 試樣登記
如果實驗室緊鄰軋線，可通過傳送帶將試樣直接從產(chǎn)線運輸至機械手抓取區(qū)域。如果實驗室距離軋線較遠，可使用車輛運輸，試樣可疊放。
利用上料機械手上的掃碼器掃描試樣上指定區(qū)域的代碼，識別標(biāo)稱規(guī)格、試樣類型、試樣方向等信息。需要注意的是，由于冷軋板來料較中厚板來料尺寸大，為提高掃碼器的識別準(zhǔn)確率，來料樣板上的識別碼宜統(tǒng)一標(biāo)記在指定位置。利用噴碼器噴碼、激光打碼或紙質(zhì)打印貼碼等方法標(biāo)識試樣上的代碼。
2.2.2 試樣分張及定位
冷軋板在抓取時存在連張風(fēng)險，應(yīng)在機械手上設(shè)置分張機構(gòu)，通過施力桿的敲打進行分張。因來料位置與角度各異，需將試樣抓取至樣板定位裝置上進行試樣位置定位，以實現(xiàn)精準(zhǔn)切割。采用重力定位，定位裝置為傾斜的不銹鋼板，底邊部有直角型限位裝置。
2.2.3 試樣打標(biāo)識碼并加工
機械手抓取試樣至激光切割平臺。系統(tǒng)根據(jù)前一步的試樣識別已確定切割圖形及路徑，并控制對應(yīng)試樣下方模具上的吸盤工作，確保切割試樣穩(wěn)定。
機械手上的激光刻蝕器在試樣切取區(qū)域內(nèi)的合適位置刻蝕上標(biāo)識碼。激光切割器進行切割作業(yè)。
2.2.4 試樣分揀
切割完成后，利用上料機械手的真空吸盤吸走廢料板，放置在廢料斗內(nèi)。利用分揀機械手一次性抓取試樣，并按檢驗試樣種類分揀至試樣盒內(nèi)。
2.2.5 試驗
拉伸試樣由AGV送至冷軋拉伸試樣加工中心，進行平行段精銑后，再由AGV運輸至拉伸試驗機點位，進行尺寸測量、刻蝕標(biāo)距點、拉伸試驗和數(shù)據(jù)上傳等。其他試樣直接由AGV運輸至各相應(yīng)試驗機點位，由機械手抓取進行全自動檢驗。
2.3 熱軋瓢曲板
熱軋瓢曲板因厚度普遍小于25mm，因此在進行試樣加工時采用激光切割。其加工檢驗流程基本與平直板材相同，不同點在于進行熱軋瓢曲板加工的激光切割器切割頭帶有Z向的行程，目前最高為140mm，可貼合鋼板弧度進行上下移動。
2.4 備樣儲存
根據(jù)需要，建立備樣立體儲樣庫。通過AGV和機械手進行備樣的運輸、儲存和調(diào)取。
3、 板材全自動力學(xué)性能測試實驗室建設(shè)
3.1 建立集中式的實驗室
目前實驗室建設(shè)布局分為兩種：一種是緊鄰軋線建立實驗室，這種布局的優(yōu)點是取樣后能夠通過傳送帶將試樣實時運輸至實驗室，測試周期短，缺點是設(shè)備人員分散，造成浪費；另一種是在幾個產(chǎn)線中間建立集中式的實驗室，這種布局的優(yōu)點是人員、設(shè)備配置精簡，利用率高，便于人員管理，缺點是需要占用試樣運輸人力資源，并且測試周期相對較長。筆者推薦集中式實驗室布局，因為集中式實驗室優(yōu)化的人力相較試樣運輸浪費的人力要高出十幾倍，且試樣人工運輸后期可用無人卡車等技術(shù)替代。
3.2 實驗室內(nèi)部布局
實驗室內(nèi)部布局按照收樣區(qū)、下料區(qū)、精加工區(qū)、性能檢驗區(qū)在一樓串聯(lián)排列分布。二樓建立中控室，二樓除中控室外，其他地方做天井式留空，沿墻壁設(shè)置巡檢參觀通道及行車軌道。廢鋼區(qū)并行建立在加工檢驗區(qū)旁，廢鋼區(qū)的施工要考慮基于AGV物流的智能廢鋼回收。筆者建議廢鋼區(qū)低于實驗室地面開挖，后期通過行車配合電磁吸盤的方式進行廢鋼清理。
3.3 信息化系統(tǒng)建設(shè)
為實現(xiàn)測試信息在各工序的流通，筆者建議采取收發(fā)電報文的形式進行信息傳遞。訂單質(zhì)量設(shè)計時，由產(chǎn)品設(shè)計人員在制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）中輸入測試方法、試樣型號、取樣方向、測試溫度等信息。由MES將所有測試信息下發(fā)至LIMS。LIMS將收到的測試信息進行處理、整合，形成電報文式的作業(yè)代碼指令。各工序通過掃描標(biāo)識即可自動破譯測試信息，執(zhí)行相應(yīng)作業(yè)。
4、 結(jié)語
介紹了全自動板材力學(xué)性能測試的相關(guān)技術(shù)、主要設(shè)備、檢驗流程及目前存在的問題，并對智能實驗室建設(shè)提出了幾點建議，研究結(jié)果可為無人化、智能化實驗室建設(shè)提供參考。
作者：張康，欒兆亮
單位：山東鋼鐵集團日照有限公司
來源：《理化檢驗-物理分冊》2024年第11期
來源：理化檢驗物理分冊
