楊志權(quán), 張廣治, 趙乃勝, 雷 娜, 楊艷龍

(北京首鋼股份有限公司, 唐山 064400)

拉伸試驗、彎曲試驗、沖擊試驗、硬度測試、金相檢驗等是熱軋板材出廠交付前的必要檢測項目，是評價熱軋板材質(zhì)量的重要依據(jù)。傳統(tǒng)試樣的加工工藝采取的是人工核對樣板、編寫樣號、剪切和銑削等加工方式，這種方式不僅效率低而且存在試樣編號、方向、尺寸等易出錯的問題[1-2]。筆者通過對檢驗項目進(jìn)行分解，制定了相對應(yīng)的試樣標(biāo)示、項目類型、尺寸及位置代碼規(guī)則定義，結(jié)合自動化技術(shù)，實現(xiàn)了對板材試樣的自動加工、自動試驗，提高了試樣加工和檢測的效率及精度，避免了人為錯誤，滿足了試樣檢驗的準(zhǔn)確性、及時性及溯源性要求。

熱軋板材全自動智能檢測線的主要設(shè)備包括激光切割機、多功能加工中心、全自動拉伸試驗機、關(guān)節(jié)機器人等，配套了先進(jìn)的視覺識別、定位碼放、智能料倉、尺寸測量等裝置，并與產(chǎn)銷一體化、LIMS(實驗室數(shù)據(jù)管理專用系統(tǒng))無縫銜接。特有的集成管控系統(tǒng)可實現(xiàn)試樣分揀、激光切割、精加工以及拉伸檢測全流程自動化，提升熱軋板卷的試樣加工能力、檢測效率和質(zhì)量管控水平。全自動加工檢測流程圖如圖1所示。

1 自動化技術(shù)在熱軋成品檢驗中應(yīng)用的必要性

1.1 提高試樣制備的安全可控程度

熱軋成品的力學(xué)性能檢測試樣制備需要機械加工設(shè)備，然而機械加工設(shè)備經(jīng)常發(fā)生安全事故。這些事故發(fā)生的原因是多方面的，如：操作人員的安全意識薄弱、設(shè)備不安全、管理不到位和環(huán)境的影響等。自動生產(chǎn)線配套的防護(hù)圍欄及安全門、安全光柵，控制自動生產(chǎn)線內(nèi)各設(shè)備的運動等可以降低事故發(fā)生的概率[3-4]。

1.2 提高試樣的加工和檢測效率

拉伸試樣的加工與檢測需要經(jīng)過以下4個步驟：① 使用剪板機(厚度小于10 mm的材料)或鋸床(厚度不小于10 mm的材料)分切出毛坯樣；② 使用立式銑床加工兩個側(cè)面；③ 雙開肩加工平行長度部分；④ 使用自動拉伸試驗機和手動拉伸試驗機進(jìn)行拉伸試驗。

彎曲試樣的加工與檢測需要經(jīng)過以下3個步驟：① 使用剪板機(厚度小于10 mm材料)或鋸床(厚度不小于10 mm材料)分切出毛坯樣；② 使用立式銑床加工兩個側(cè)面；③ 使用手動彎曲試驗機進(jìn)行彎曲試驗。

沖擊試樣加工與檢測需要經(jīng)過以下9個步驟：① 使用剪板機(厚度小于10 mm材料)或鋸床(厚度不小于10 mm材料)分切出毛坯樣；② 使用立式銑床加工兩個側(cè)面；③ 轉(zhuǎn)移樣號，樣號字頭朝向軋制面(關(guān)系到開槽，開V型槽要沿厚度方向)，使用立式銑床去除厚度；④ 使用鋸床分切出3個小樣；⑤ 使用立式銑床加工每個小樣的兩個側(cè)面；⑥ 使用平面磨床磨四面，保證表面粗糙度小于5 μm；⑦ 使用拉床加工V型槽；⑧ 抽查V型槽的深度及角度；⑨ 使用自動沖擊試驗機或手動沖擊試驗機進(jìn)行沖擊試驗。

硬度試樣加工和檢測需要經(jīng)過以下4個步驟：① 使用剪板機(厚度小于10 mm材料)或鋸床(厚度不小于10 mm材料)分切出毛坯樣；② 使用立式銑床加工兩個側(cè)面；③ 在金相制樣室進(jìn)行磨拋；④ 使用手動布氏硬度計、手動洛氏硬度計、手動維氏硬度計或自動維氏硬度計進(jìn)行硬度測試。

這些工藝存在的問題主要表現(xiàn)在：① 所有試樣均為人工加工，工作時間長，勞動效率低；② 加工流程復(fù)雜，核對試樣、剪切、鋸切、銑、開口等各環(huán)節(jié)對樣號的控制困難，需多次核對試樣，不便于試樣的過程質(zhì)量控制；③ 由于均為人工加工，且加工設(shè)備比較陳舊，因此存在試樣的加工精度偏差和波動大的問題，影響檢測精度；④ 對于高強鋼，如鋸片鋼，因其合金含量較高，且硬度大，現(xiàn)在的加工設(shè)備存在能力不足的問題；⑤ 試樣標(biāo)記全部為手動打號。

自動生產(chǎn)線的優(yōu)點在于：① 可以滿足熱軋板卷的加工和檢測需求，單批試樣檢測周期實現(xiàn)了從小時級到分鐘級的跨越，平均檢測時間縮短近40%，為加快庫存周轉(zhuǎn)提供了有力的支撐；② 自動化系統(tǒng)集樣料的識別、分揀、切割、加工、檢測等環(huán)節(jié)于一體，全流程“一鍵式”操作，控制閉環(huán)、無人干預(yù)，且試樣加工精度由±0.1 mm提高到±0.02 mm，更好地滿足了高端客戶對質(zhì)量的要求；③ 現(xiàn)場安全生產(chǎn)條件及作業(yè)環(huán)境得到改善，全流程設(shè)備設(shè)施均配套安全連鎖防護(hù)裝置，有效提升了安全管理水平；④ 形成了一批可示范、可復(fù)制、可推廣的熱軋板卷試樣的加工、檢測等先進(jìn)制造技術(shù)，成為自動化、信息化、智能化技術(shù)集成應(yīng)用的行業(yè)示范項目。

2 自動化技術(shù)在熱軋成品檢驗中的應(yīng)用方向

提高熱軋成品物理性能檢驗機械設(shè)備的工作效率，實現(xiàn)機械與電氣自動化的結(jié)合是當(dāng)前理化檢驗行業(yè)內(nèi)的共識。自動化技術(shù)就相當(dāng)于理化檢驗行業(yè)的一場機械改革，只有牢牢抓住這個改革機遇，企業(yè)才能有更好的發(fā)展、更光明的未來[5-6]。在面對一場改革時，企業(yè)一般猶豫不決，但是未來理化檢驗行業(yè)的發(fā)展方向就是建設(shè)一套完整的自動化機械設(shè)備，實現(xiàn)加工、檢測一體化，將精密的電子信息控制技術(shù)應(yīng)用在理化檢驗行業(yè)中，切實提高企業(yè)的工作效率和安全控制[7-8]。接下來具體分析自動化技術(shù)在鋼鐵企業(yè)物理性能檢驗實驗室中的應(yīng)用實例。

2.1 集中管控系統(tǒng)技術(shù)

管控系統(tǒng)與自動分揀上料單元、激光切割下料單元、復(fù)合精加工單元、全自動拉伸試驗單元進(jìn)行信息交互、指令收發(fā)，實現(xiàn)試料、坯料及試樣的檢驗任務(wù)分配及全流程狀態(tài)跟蹤。管控系統(tǒng)具有質(zhì)量檢驗相關(guān)規(guī)則的維護(hù)、匹配功能；具有設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲和分析，以及安全、可靠的連鎖控制功能。

集中管控系統(tǒng)包括：任務(wù)分配跟蹤系統(tǒng)、工藝規(guī)則配置系統(tǒng)、一級PLC(可編程邏輯控制器)控制系統(tǒng)、設(shè)備管控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)等。根據(jù)LIMS委托和來樣信息，集中管控系統(tǒng)按照預(yù)設(shè)規(guī)則自動編排加工、檢測工藝流程，進(jìn)行動態(tài)模擬、直觀顯示；集中管控系統(tǒng)具有人工干預(yù)、調(diào)整功能，支持人工新增加急、科研等任務(wù)，支持對所有待執(zhí)行任務(wù)進(jìn)行查詢、調(diào)整、刪除操作，可以實現(xiàn)任務(wù)明細(xì)定制化流程，對系統(tǒng)自動生成或人工創(chuàng)建的加工、檢測任務(wù)統(tǒng)一進(jìn)行管理，并實現(xiàn)單條任務(wù)執(zhí)行的全流程跟蹤，實時顯示任務(wù)明細(xì)和待處理狀態(tài)。實現(xiàn)對關(guān)鍵裝備工作狀態(tài)及試樣傳遞位置的動態(tài)跟蹤，下發(fā)上料、下料、碼放、收集等指令，實現(xiàn)試樣(含廢料、殘樣)的全流程跟蹤、管理，確保加工、檢測全流程信息的可追溯性。

系統(tǒng)設(shè)有報警機制，執(zhí)行任務(wù)時間超過限定時長或某個環(huán)節(jié)無法正常按照計劃要求工作時，執(zhí)行報警工作，人工確認(rèn)后可以切換工作模式，調(diào)整工藝路線。集中管控系統(tǒng)可對任務(wù)執(zhí)行進(jìn)行統(tǒng)計和分析，不斷優(yōu)化工藝模型，確保生產(chǎn)效率的最大化；其可對激光切割機、精加工中心、拉伸試驗機、自動分揀上料機器人、激光切割下料機器人、精加工上下料機器人、拉伸試驗上料機器人以及相應(yīng)的視覺識別、等待位、轉(zhuǎn)出位、廢料輸出裝置等設(shè)備設(shè)施的工藝邏輯、控制規(guī)則進(jìn)行配置和調(diào)整。

系統(tǒng)可顯示各個設(shè)備設(shè)施狀態(tài)(包含工作狀態(tài)和非工作狀態(tài))，結(jié)合實際加工和檢測信息，對設(shè)備運行效率進(jìn)行量化統(tǒng)計、分析。對各個單元和設(shè)備設(shè)施的電氣、潤滑、液壓等運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，部分設(shè)備出現(xiàn)故障后可實現(xiàn)自檢功能、故障報警、故障類型和故障點信息提示，便于故障點的查找和維修。出現(xiàn)設(shè)備故障時，系統(tǒng)自動將故障設(shè)備停運；如果下道工序設(shè)備出現(xiàn)故障，上道工序設(shè)備正常運行，則試樣從人工位輸出并有相應(yīng)提示，任何單體設(shè)備故障不得影響其他子系統(tǒng)的正常運行。所有設(shè)備設(shè)施具有單體控制、調(diào)試功能，方便日常維修以及校準(zhǔn)、檢定。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)具有安全、可靠的大數(shù)據(jù)存儲、統(tǒng)計、分析功能，可對試樣分析數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、梳理、歸檔存儲，便于試樣制樣溯源。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)還可優(yōu)化檢測結(jié)果報出流程，根據(jù)預(yù)設(shè)規(guī)則進(jìn)行數(shù)值比對、報警，自動審核、上傳。

2.2 自動激光切割技術(shù)

全自動激光切割系統(tǒng)配備功率為6 000 W的激光器，可伸縮式試樣臺，試樣識別分揀、小樣放置平臺，設(shè)備除塵、水冷系統(tǒng)等。通過接收總控系統(tǒng)下達(dá)的切割指令和切割圖形，該系統(tǒng)可完成試樣形狀、尺寸、位置等信息的匹配，快速完成不同試樣的切割任務(wù)。視覺系統(tǒng)識別切割試樣的位置，分揀機械手逐個抓取至指定位置。帶可視系統(tǒng)的分揀機器人將拉伸和彎曲試樣按種類分揀到加工中心區(qū)域的放樣平臺上，根據(jù)切割指令，自動將其他檢驗項目的試樣分配到交替式料盒中，將試樣按用途分類，人工取走試樣進(jìn)行下一步檢驗。整臺設(shè)備滿足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》、GB/T 228.1—2010 《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》的相關(guān)要求。

整個子系統(tǒng)按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7247.14—2012 《激光產(chǎn)品的安全 第14部分：用戶指南》執(zhí)行任務(wù)，防護(hù)等級按照4類激光防護(hù)；依靠可變化承托式夾具承托不同規(guī)格的樣板，設(shè)備可根據(jù)來料信息厚度、切割信息等指令，適應(yīng)毛坯試樣的來料尺寸，以保證試樣切割尺寸的準(zhǔn)確度。高速響應(yīng)的激光功率坡調(diào)可保證拐角及尖角的切割質(zhì)量；插補補償功能保證直線、圓弧插補和割縫補償，保證切割工件的成品率；特有的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可按照管控系統(tǒng)指令切割的材料及其厚度，控制器自動從數(shù)據(jù)庫中調(diào)出切割參數(shù)，提高了加工的靈活性；系統(tǒng)有具體的報警信息并附帶故障處理方法。

2.3 復(fù)合精加工中心技術(shù)

全自動復(fù)合精加工中心是建設(shè)一條薄規(guī)格試樣物理性能的全自動加工、檢測系統(tǒng)。該子系統(tǒng)由一臺全自動機床與機械手組成，通過單元自動化系統(tǒng)與總控自動化系統(tǒng)高度結(jié)合，實現(xiàn)了試樣從下料到成品加工的全過程控制和加工。全自動拉伸試樣加工系統(tǒng)集成了1臺多功能板材試樣加工中心、1臺機械手、多個緩存平臺與測量設(shè)備，可實現(xiàn)對拉伸試樣、彎曲試樣、金相試樣、硬度試樣的精加工及切邊加工，消除熱影響區(qū)。機械手將試樣放入拉伸加工中心指定工位，自動夾持緊固，試樣的加工信息通過上位控制系統(tǒng)傳入拉伸加工中心，拉伸加工中心根據(jù)上位控制系統(tǒng)傳入的指令和信息對材料進(jìn)行確認(rèn)，確認(rèn)完成后，加工中心自動根據(jù)指令調(diào)用相關(guān)程序完成材料的加工，加工完成后，試樣由機械手取樣輸送至下料中轉(zhuǎn)托盤，準(zhǔn)備進(jìn)行試驗。

整套設(shè)備對試樣加工均滿足GB/T 2975—2018、GB/T 228.1—2010、GB/T 229—2007 《金屬材料夏比沖擊試驗方法》、GB/T 5313—2010 《厚度方向性能鋼板》、ASTM A370—2017 《鋼制品力學(xué)性能試驗的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法和定義》、ASTM E8—2016 《金屬材料拉伸試驗方法》、ASTM E23—2018 《金屬材料缺口試樣標(biāo)準(zhǔn)沖擊試驗方法》等的相關(guān)要求。

2.4 自動拉伸試驗技術(shù)

通過管控系統(tǒng)信息指令，全自動拉伸試驗機系統(tǒng)將需要進(jìn)行試驗的數(shù)據(jù)發(fā)送至計算機，機器人把加工好的試樣放置到拉伸試驗機暫存臺，自動拉伸試驗系統(tǒng)對試樣信息進(jìn)行掃碼復(fù)核，自動識別試樣字串碼，自動匹配檢測管控系統(tǒng)中相對應(yīng)的試樣信息。自動抓取試樣，并通過3點測量試樣的截面尺寸，上樣對中裝置自動將試樣送到拉伸試驗機上，自動按設(shè)定程序進(jìn)行拉伸試驗，自動完成試驗數(shù)據(jù)的分析，自動上傳試驗結(jié)果到管控系統(tǒng)，管控系統(tǒng)自動對比數(shù)據(jù)是否合格，將不合格的殘樣放置在不合格殘樣收集盒內(nèi)，管控系統(tǒng)報警提示，人工處理。

3 熱軋成品檢驗中自動化技術(shù)的發(fā)展前景

自動化技術(shù)與熱軋成品力學(xué)性能試樣加工、檢測設(shè)備的融合應(yīng)用已經(jīng)是大勢所趨。在未來，智能自動化技術(shù)將會進(jìn)一步融合到力學(xué)性能檢驗設(shè)備的生產(chǎn)研究中。隨著人工的減少，鋼鐵企業(yè)需要探索設(shè)備維修和故障診斷，重視培養(yǎng)維修人員的專業(yè)技能，提高自動化機械設(shè)備的維護(hù)程度，因為損失一臺自動化機械設(shè)備就會影響試樣的檢測進(jìn)度和工作效率。同時，還應(yīng)該加強對自動化傳感器的研究，提高系統(tǒng)的監(jiān)控能力[9]。