代坤義 唐偉 李向東 李繼園 羅浪

摘要：針對金屬材料試樣加工費時費力、樣件不成套、質(zhì)量穩(wěn)定性不高、成本費用高、且制樣現(xiàn)場管理難度大的現(xiàn)狀，設(shè)計開發(fā)了金屬材料智能制樣系統(tǒng)，該金屬材料智能制樣系統(tǒng)成功設(shè)計并應(yīng)用在金屬材料試樣加工領(lǐng)域，能夠減少人工成本、降低勞動強度、提高工作效率，提高試樣加工合格率，提高經(jīng)濟效率，可廣泛應(yīng)用推廣，顯著提高了試樣加工領(lǐng)域?qū)Ｓ迷O(shè)備的整體制造水平和自主研發(fā)能力。簡要介紹了該智能制樣系統(tǒng)的設(shè)計思路及主要特點，并指出了下一步需要改進(jìn)的問題。

關(guān)鍵詞：智能制樣;關(guān)節(jié)機器人;金屬材料;管理創(chuàng)新;高速高效

引言

在“中國制造2025”規(guī)劃的實施，在“互聯(lián)網(wǎng)+”、大數(shù)據(jù)和云計算等現(xiàn)代移動技術(shù)的支撐下，智能化管理系統(tǒng)正在逐步成為金屬材料制樣領(lǐng)域的需求[1]。針對金屬材料試樣加工費時費力、樣件不成套、質(zhì)量穩(wěn)定性不高、成本費用高、且制樣現(xiàn)場管理難度大的現(xiàn)狀，基于此，以信息化為指導(dǎo)，引入智能制造管理理念，自主研制金屬材料制樣系統(tǒng)，采用關(guān)節(jié)機器人來完成上下料，并通過智能控制裝置來實現(xiàn)試樣加工，實時進(jìn)行分析并計算出優(yōu)化后的工作參數(shù)，將所述優(yōu)化后的工作參數(shù)通過相應(yīng)模塊反饋給操作人員，保證了制樣系統(tǒng)高速、高精度、高效率運行，徹底改變了傳統(tǒng)制樣現(xiàn)場鐵屑多、樣件不成套、信息不準(zhǔn)確、測量記錄繁雜等管理突出問題。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1國外現(xiàn)狀分

國外以材料機械加工為主的機床制造企業(yè)發(fā)展較早，但在金屬材料制樣領(lǐng)域還處于空白狀態(tài)，目前未見相關(guān)設(shè)備聯(lián)動、集成的自動化、智能化研究。當(dāng)前前國外以材料機械加工為主的機床制造企業(yè)已基本完成了從勞動密集型向技術(shù)密集型和自動化轉(zhuǎn)型升級。機器人、自動化生產(chǎn)線等智能裝備在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，“機器換人”已經(jīng)成為企業(yè)提高生產(chǎn)效率、提高過程質(zhì)量控制能力和降低人力成本的重要手段。綜合而言，國外相關(guān)研究多集中于金屬材料零件生產(chǎn)過程中問題的解決，包括機床性能優(yōu)化、硬件改進(jìn)、機床的組合以及機加工序的智能化， 但在金屬材料制樣領(lǐng)域還未見相關(guān)設(shè)備聯(lián)動、集成的自動化、智能化研究[ 2 ]。

1.2 國內(nèi)現(xiàn)狀分析

國內(nèi)起步較晚，由于缺乏管理創(chuàng)新和相應(yīng)技術(shù)創(chuàng)新，與國外還存在著一定差距。近年來，常見的金屬材料制樣加工設(shè)備大多為采用鋸床、車床、磨床、銑床、刨床等設(shè)備所組成的生產(chǎn)線不僅費時費力，而且對產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性方面也難以保證。管理創(chuàng)新不足、加工成本高昂等問題嚴(yán)重制約著行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。2005年，周軍等人提出復(fù)合加工機床的管理理念，為機械加工領(lǐng)域由單機管理向復(fù)合管理提供了理論基礎(chǔ)。2009年，為了解決凸輪軸的磨削加工過程中被控對象的不確定性以及常規(guī)的控制系統(tǒng)適應(yīng)性差、控制精度低的缺點，王濤、韓秋實等人建立了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)控車磨復(fù)合管理模型。2014年，張志巍等人結(jié)合試樣加工、試樣標(biāo)識，提出了建立自動化力學(xué)性能實驗室的設(shè)想[3]。2016年，齊齊哈爾華工機床股份公司結(jié)合GB/T228—2007、GB/T 229—2007標(biāo)準(zhǔn)對“棒材拉伸、沖擊試樣制取”的要求，開發(fā)了棒材拉伸與沖擊試樣一體加工的車銑復(fù)合機床，便于統(tǒng)一管理?？偟膩碇v，國內(nèi)試樣機械加工管理的自動化和智能化程度還相對較低。

2 智能制樣管理系統(tǒng)需求分析

金屬材料由于具有優(yōu)異的綜合力學(xué)和理化性能，是人類社會發(fā)展中最重要的結(jié)構(gòu)材料，有著強大的市場空間。國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2018年我國金屬材料市場成交額達(dá)19838.4億元，同比增長0.34%。力學(xué)性能作為金屬材料非常重要的指標(biāo)，幾乎是所有金屬材料檢驗檢測都必須測定的數(shù)據(jù)，在金屬材料領(lǐng)域，每年需要制備的試樣數(shù)量極其龐大，據(jù)不完全統(tǒng)計，每年的制樣需求約為7000萬件。該智能管理系統(tǒng)可以廣泛運用于涉及金屬材料的行業(yè)，如航空航天、軍用武器、核電、鋼鐵冶金、機械制造、汽車生產(chǎn)、電線電纜、商檢仲裁等行業(yè)，高等院校、科研試驗所、企業(yè)等各類性質(zhì)單位，應(yīng)用前景巨大。制樣管理智能化是當(dāng)前發(fā)展的趨勢，各行各業(yè)有著急切的市場需求。

3 實施方案

本智能化管理系統(tǒng)方案設(shè)計如下：該智能化管理系統(tǒng)基于PDPS軟件仿真技術(shù)開發(fā)，利用機器人及自動化設(shè)備建模來分析金屬材料的加工節(jié)拍，各個模塊發(fā)出加工信號，機器人自動完成對該模塊的上下料。包括激光自動打碼，關(guān)節(jié)機器人自動分、撿、裝、夾材料，傳輸裝置傳送至試樣加工裝置加工試樣，并通過系統(tǒng)中的智能控制裝置來掃描試樣，檢測試樣的數(shù)據(jù)（包括：圓柱中心尺寸、螺紋、V型槽深度尺寸、缺口及表面粗糙度），自動判定試樣是否加工合格，分析數(shù)據(jù)并優(yōu)化參數(shù)，棄樣暫存，機器人自動下料裝箱。該管理系統(tǒng)裝有故障報警監(jiān)控，在快要“超差”時，提前自動反饋給工作人員，確保刀具等耗材的及時更換。

4實施效果

航天江南所屬航天新力公司自主設(shè)計的智能化管理系統(tǒng)投入使用，實現(xiàn)了金屬材料試樣加工自動化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化的管理模式，相關(guān)管理創(chuàng)新取得關(guān)鍵性突破，打造了國內(nèi)首套金屬材料的制樣智能管理系統(tǒng)。

該管理系統(tǒng)包含關(guān)節(jié)機器人、試樣加工裝置、故障報警裝置及智能控制裝置等核心部件，保證了制樣系統(tǒng)高速、高精度的運行。1min內(nèi)就能自動檢測試樣所有幾何尺寸，且檢測精度在0.01mm以內(nèi)。整個試樣加工過程采用一鍵式操作，自動采集控制、自動分析處理、自動輸出檢測結(jié)果，無需人工干預(yù)，智能制樣管理系統(tǒng)比傳統(tǒng)人工制樣效率提高了10倍。

在金屬材料的制樣領(lǐng)域，傳統(tǒng)設(shè)備所組成的試樣加工生產(chǎn)線不僅費時費力，而且對試樣的質(zhì)量穩(wěn)定性方面也難以保證。技術(shù)創(chuàng)新不足、加工成本高昂等問題嚴(yán)重制約著行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。該管理系統(tǒng)的成功開發(fā)，有效簡化了以往結(jié)構(gòu)，并且提高了試樣加工質(zhì)量。試樣加工的合格率可提升50%以上，降低用人成本30%以上。目前，該制樣管理系統(tǒng)已獲得國家專利，并在公司內(nèi)部進(jìn)行推廣應(yīng)用，可實現(xiàn)全自動無人值守制樣，減少人為因素影響，應(yīng)用前景廣闊。

參考文獻(xiàn)

[1]馮圓 . 經(jīng)濟新常態(tài)下的成本管理創(chuàng)新研究 [J]. 新會計 ，2015（11）.

[ 2] 虞行國.國內(nèi)外復(fù)合車銑加工中心典型機綜述[J].金屬加工，2012（16）：7

[ 3] 張志巍.全自動力學(xué)性能實驗室建立設(shè)想[J]. 物理測試，2014，32（3）：59.