于紅波，胡中潮，張 勝，焦 健，趙慧玲

（1.中聯(lián)認(rèn)證（北京）有限公司，北京 100044；2.佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，佛山 528137；3.機(jī)科發(fā)展科技股份有限公司，北京 100044）

0 引言

鋁合金是工業(yè)中應(yīng)用非常廣泛的一類(lèi)有色金屬材料，在航空航天、汽車(chē)、機(jī)械制造、軌道交通及化學(xué)工業(yè)中大量應(yīng)用。鋁合金鍛造技術(shù)是加工高性能鋁合金制品的重要制造方式。近年來(lái)鋁合金車(chē)輪鍛造生產(chǎn)技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，已形成了比較完整的鋁合金鍛造生產(chǎn)體系，基本能滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的需求。但與國(guó)外先進(jìn)國(guó)家相比，我國(guó)鋁合金車(chē)輪鍛造行業(yè)整體智能化水平存在一定的差距，主要存在的問(wèn)題有：鋁合金鍛造裝備數(shù)字化水平不高，生產(chǎn)車(chē)間“信息孤島”問(wèn)題較嚴(yán)重；小型企業(yè)生產(chǎn)較多依賴人工，部分大型企業(yè)實(shí)現(xiàn)了部分工藝段的數(shù)字化，但未做到全流程自動(dòng)化生產(chǎn)、信息化管控，產(chǎn)品質(zhì)量追溯困難；缺少對(duì)鍛造設(shè)備數(shù)據(jù)的統(tǒng)一規(guī)定，需針對(duì)不同制造商、不同型號(hào)的裝備進(jìn)行一對(duì)一的解析與集成，增加許多繁瑣重復(fù)性工作與成本；車(chē)間信息系統(tǒng)功能單一，集成的信息量少，不能滿足鋁合金鍛造智能制造及產(chǎn)品質(zhì)量追溯的要求。這些問(wèn)題導(dǎo)致鋁合金車(chē)輪鍛造企業(yè)不適應(yīng)柔性化生產(chǎn)需求、生產(chǎn)過(guò)程不可控、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、運(yùn)行維護(hù)成本高等問(wèn)題。

1 鋁合金車(chē)輪鍛造工藝流程

鋁合金車(chē)輪鍛造過(guò)程包含加熱/熔煉、成型、熱處理、機(jī)加工、鈍化處理及包裝物流六大核心工序。此外，還包括來(lái)料檢測(cè)、下料、工序間檢測(cè)等輔助工序。工藝流程如圖1所示。根據(jù)數(shù)字化車(chē)間產(chǎn)品制造工藝及產(chǎn)品質(zhì)量要求，在原料上線前、鍛造毛坯件下線后、熱處理后、機(jī)加工后（預(yù)加工、機(jī)加工、精加工）均需通過(guò)自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行制造過(guò)程質(zhì)量數(shù)據(jù)檢測(cè)，其中原材料檢測(cè)設(shè)備有光譜分析儀、材料拉伸試驗(yàn)機(jī)、金相分析儀、金相顯微鏡、布氏硬度計(jì)等檢測(cè)設(shè)備；鍛造毛坯件下線后檢測(cè)設(shè)備有尺寸檢具、粗糙度檢具等；粗加工后檢測(cè)設(shè)備有三維光學(xué)掃描儀、電子拉伸機(jī)、硬度計(jì)、金相顯微鏡、電導(dǎo)率測(cè)試儀等；精加工后檢測(cè)設(shè)備有坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、動(dòng)平衡測(cè)量機(jī)；成品車(chē)輪下線前檢測(cè)設(shè)備有二維碼在線識(shí)別機(jī)、尺寸檢測(cè)機(jī)等。檢測(cè)數(shù)據(jù)則通過(guò)檢測(cè)設(shè)備或系統(tǒng)上傳到構(gòu)建的數(shù)字化車(chē)間制造執(zhí)行系統(tǒng)MES，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵核心功能質(zhì)量管理的需求。

圖1 鋁合金車(chē)輪鍛造工藝流程圖

2 質(zhì)量管控過(guò)程

鋁合金鍛造車(chē)間質(zhì)量控制從進(jìn)貨到售后，實(shí)現(xiàn)來(lái)料、制程和成品檢驗(yàn)以及售后質(zhì)量的管控，如圖2所示的質(zhì)量管控流程圖。

圖2 質(zhì)量管控流程圖

來(lái)料檢主要是對(duì)于鋁錠、輔助材料、包裝材料等采購(gòu)原料進(jìn)行抽驗(yàn)檢驗(yàn)。過(guò)程質(zhì)量管控采用人工檢驗(yàn)和設(shè)備在線檢測(cè)結(jié)合的方式，通過(guò)在線檢測(cè)和設(shè)備檢測(cè)數(shù)據(jù)采集對(duì)關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和實(shí)現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題的預(yù)測(cè)和及時(shí)處理。在過(guò)程處理中結(jié)合人工抽查、稽核和不良問(wèn)題的閉環(huán)處置，實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制和記錄。對(duì)于成品檢驗(yàn)依靠自動(dòng)圖像識(shí)別設(shè)備進(jìn)行外觀檢驗(yàn)，全程實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集。售后質(zhì)量管理則作為產(chǎn)品檔案的重要組成部分在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)記錄和閉環(huán)處置。

各工序段質(zhì)量管控信息如表1所示。

表1 各工藝段質(zhì)量管控信息

3 全流程信息追溯

鋁合金車(chē)輪鍛造產(chǎn)品信息追溯包括原料追溯、工藝標(biāo)準(zhǔn)追溯及單件產(chǎn)成品的信息綜合追溯過(guò)程，鋁合金車(chē)輪毛坯的信息追溯主要涉及原材料及加工設(shè)備信息的追溯；機(jī)加工刻碼前的產(chǎn)品信息追溯采用圖像在線識(shí)別技術(shù)識(shí)別鍛造產(chǎn)品上的明碼作為唯一身份代號(hào)；機(jī)加工后刻錄二維碼后采用圖像在線識(shí)別技術(shù)識(shí)別產(chǎn)品的二維碼信息，作為后續(xù)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的唯一身份代號(hào)。明碼和二維碼作為鍛造產(chǎn)品的唯一身份標(biāo)識(shí)，為產(chǎn)品全生命周期信息追溯提供基礎(chǔ)保證。

3.1 信息追溯工序范圍

鋁合金車(chē)輪鍛造生產(chǎn)各個(gè)工序段（加熱、模鍛、熱處理、機(jī)加工、表面鈍化處理、包裝倉(cāng)儲(chǔ)）都涉及追溯，如圖3所示。

圖3 產(chǎn)品追溯的工序范圍圖

1）加熱工序：主要是對(duì)鋁錠投料批次、加熱爐、靜置爐、轉(zhuǎn)運(yùn)澆包、保溫爐等的信息采集。

2）模鍛工序追溯范圍：主要是對(duì)模鍛機(jī)臺(tái)、模具、毛坯尺寸檢測(cè)、X光檢驗(yàn)等信息采集。

3）熱處理工序追溯范圍：主要是對(duì)熱處理爐等信息采集。

4）機(jī)加工工序追溯范圍：主要是機(jī)加工設(shè)備、稱重機(jī)、產(chǎn)品尺寸檢測(cè)、動(dòng)平衡、氣密檢測(cè)、硬度檢測(cè)等信息采集。

5）表面鈍化處理工序追溯范圍：主要是對(duì)表面鈍化設(shè)備、外觀檢測(cè)等信息采集。

6）包裝倉(cāng)儲(chǔ)工序追溯范圍：主要對(duì)鍛造產(chǎn)品包裝、托盤(pán)信息、客戶信息、庫(kù)存信息等采集。

3.2 信息追溯要素

1）鋁錠原材料追溯

根據(jù)鋁錠投入產(chǎn)出信息，并結(jié)合生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)物料的流轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)物料雙向追溯過(guò)程。

表2 鋁錠原材料追溯信息

（續(xù)）

2）工藝標(biāo)準(zhǔn)追溯

工藝標(biāo)準(zhǔn)追溯代表了產(chǎn)品的所有生產(chǎn)履歷信息的集合，生產(chǎn)制造過(guò)程中生產(chǎn)實(shí)績(jī)、質(zhì)檢數(shù)據(jù)及其它自動(dòng)采集的工藝數(shù)據(jù)、人工錄入數(shù)據(jù)等追溯信息。針對(duì)不同的型號(hào)車(chē)輪產(chǎn)品，可以進(jìn)行導(dǎo)入或人工維護(hù)各種型號(hào)產(chǎn)品的相關(guān)工藝標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、檢具校準(zhǔn)計(jì)劃等信息，追溯時(shí)可以將單件產(chǎn)品與對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，同時(shí)將實(shí)際采集的工藝數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)的工藝標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比顯示與分析，用不同顏色進(jìn)行區(qū)分顯示。

同時(shí)可根據(jù)毛坯明碼、成品二維碼、生產(chǎn)時(shí)間、車(chē)間、生產(chǎn)線、機(jī)臺(tái)、產(chǎn)品規(guī)格等信息查詢到生產(chǎn)該產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的各個(gè)工序加工工藝參數(shù)信息、工藝標(biāo)準(zhǔn)信息、在線質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果檔案、檢測(cè)明細(xì)信息、工藝標(biāo)準(zhǔn)信息等內(nèi)容。

3）單件產(chǎn)品綜合信息追溯

單件產(chǎn)品綜合信息追溯可根據(jù)產(chǎn)品二維碼、生產(chǎn)時(shí)間、車(chē)間、生產(chǎn)線、機(jī)臺(tái)、產(chǎn)品屬性等信息查詢到產(chǎn)品在制造過(guò)程的鋁錠信息，靜置爐信息，轉(zhuǎn)運(yùn)澆包信息，保溫爐信息，鑄造信息，各個(gè)工序加工工藝參數(shù)信息及工藝標(biāo)準(zhǔn)信息，各個(gè)工序在線質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果檔案、檢查明細(xì)信息、工藝標(biāo)準(zhǔn)信息。

4 質(zhì)量管控和信息追溯關(guān)鍵技術(shù)

在鋁合金車(chē)輪鍛造數(shù)字化車(chē)間，質(zhì)量管控和信息追溯主要依托鍛造后的毛坯車(chē)輪明碼針刻字識(shí)別和機(jī)加工后車(chē)輪上激光燒錄的二維碼的信息識(shí)別，因此毛坯明碼和機(jī)加工后車(chē)輪二維碼在線識(shí)別的通過(guò)率、準(zhǔn)確率成為本論文的關(guān)鍵技術(shù)。

設(shè)備硬件主要包括智能工業(yè)相機(jī)（含工業(yè)鏡頭）、視覺(jué)專(zhuān)用光源、工業(yè)計(jì)算機(jī)、IO模塊、輥道及其控制器等，設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，圖中實(shí)線代表電信號(hào)，虛線代表光信號(hào)。

圖4 在線識(shí)別系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

在線識(shí)別系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，軟件功能包括進(jìn)程管理、人機(jī)交互、外部通信、圖像采集處理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理等功能。進(jìn)程管理模塊是系統(tǒng)的主模塊，負(fù)責(zé)管理整個(gè)系統(tǒng)的整體運(yùn)行，并適時(shí)調(diào)用內(nèi)部處理和外部通信模塊；人機(jī)交互模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)備的人機(jī)交互功能；圖像采集處理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的采集、處理、記錄、存儲(chǔ)等功能；外部通信模塊實(shí)現(xiàn)與IO模塊、MES系統(tǒng)的通信功能。

圖5 在線識(shí)別系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖

1）毛坯針刻字符視覺(jué)在線識(shí)別技術(shù)

毛坯針刻字符位置示意圖如圖6所示，針對(duì)生產(chǎn)線車(chē)輪工件復(fù)雜光照和表面污染情況下的針刻字符視覺(jué)識(shí)別難題，通過(guò)引入基于深度學(xué)習(xí)新一代人工智能技術(shù)的自然場(chǎng)景視覺(jué)字符識(shí)別算法，分別應(yīng)用于液鍛、預(yù)加工/熱旋壓、熱處理后等工序，實(shí)現(xiàn)識(shí)別通過(guò)率達(dá)98%以上，識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)100%。

圖6 毛坯針刻字符位置示意圖

在線識(shí)別系統(tǒng)流程圖如圖7所示，當(dāng)輪轂到達(dá)指定位置時(shí)，觸發(fā)光電開(kāi)關(guān)到位信號(hào)，傳遞給MES和工業(yè)計(jì)算機(jī)。MES收到信號(hào)后使輥道暫停運(yùn)行，計(jì)算機(jī)控制工業(yè)相機(jī)對(duì)輪轂進(jìn)行拍照，軟件對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理，識(shí)別出字符圖像的特征，確定所識(shí)別的輪轂的型號(hào)。視覺(jué)系統(tǒng)將檢測(cè)結(jié)果（識(shí)別成功或未識(shí)別）存入本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)并上傳MES系統(tǒng)。同時(shí)輥道開(kāi)始運(yùn)行，等待下一個(gè)輪轂。

圖7 毛坯刻字字符在線視覺(jué)識(shí)別流程圖

2）金屬二維碼視覺(jué)在線識(shí)別關(guān)鍵技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量管控和信息追溯，在機(jī)加工完畢后需在線刻錄金屬二維碼，金屬二維碼具體位置如圖8所示，針對(duì)輪轂成品表面存在反光、金屬二維碼識(shí)別難題，應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)智能圖像處理、識(shí)別算法，研制了成品車(chē)輪二維碼視覺(jué)在線識(shí)別設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備單次拍照識(shí)別時(shí)間約70ms，分別應(yīng)用于精加工、前處理和全檢前工序，實(shí)現(xiàn)識(shí)別設(shè)備通過(guò)率達(dá)99.98%，識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)100%。

圖8 金屬二維碼位置示意圖

當(dāng)輪轂到達(dá)指定位置后，工裝使輪轂開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，IO模塊將信號(hào)傳給計(jì)算機(jī)，同時(shí)工業(yè)相機(jī)開(kāi)始檢測(cè)輪轂二維碼位置；當(dāng)一個(gè)工業(yè)相機(jī)檢測(cè)到二維碼位置后，輪轂停止旋轉(zhuǎn)；工業(yè)相機(jī)進(jìn)行拍照、識(shí)別二維碼，并將結(jié)果存入本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)、上傳MES系統(tǒng)，當(dāng)前輪轂下行，等待下一個(gè)輪轂，識(shí)別流程圖如圖9所示。

圖9 金屬二維碼在線視覺(jué)識(shí)別流程圖

5 結(jié)語(yǔ)

鋁合金車(chē)輪鍛造數(shù)字化車(chē)間屬于中國(guó)《智能制造2025》十大領(lǐng)域的節(jié)能與新能源汽車(chē)領(lǐng)域，本文研究對(duì)象鋁合金鍛造車(chē)輪產(chǎn)品是符合國(guó)家輕量化汽車(chē)關(guān)鍵零部件發(fā)展戰(zhàn)略，重點(diǎn)圍繞數(shù)字化車(chē)間制造執(zhí)行系統(tǒng)MES實(shí)現(xiàn)質(zhì)量管控和產(chǎn)品追溯。質(zhì)量管控從鋁錠等原材料采購(gòu)到成品下線入庫(kù)，實(shí)現(xiàn)來(lái)料檢驗(yàn)、制程在線檢測(cè)和成品檢驗(yàn)的管理，最終全程實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集；產(chǎn)品追溯則涉及物料追溯和工藝過(guò)程追溯，在整個(gè)鋁合金鍛造車(chē)輪數(shù)字化車(chē)間各主要生產(chǎn)工序段均涉及。

本文所提出的鋁合金車(chē)輪鍛造數(shù)字化車(chē)間產(chǎn)品制造過(guò)程質(zhì)量管控和信息追溯關(guān)鍵技術(shù)研究用于指導(dǎo)該行業(yè)及相關(guān)行業(yè)進(jìn)行質(zhì)量管控、信息追溯及系統(tǒng)集成建設(shè)與實(shí)施具有重要的指導(dǎo)意義。