鄭佳依，劉勁松,，陳大勇，李 旺，崔海濤，邵 俊，王 輝，李慶文

（1.沈陽理工大學材料科學與工程學院， 遼寧 沈陽 110159；2. 中國科學院金屬研究所師昌緒材料創(chuàng)新中心，遼寧 沈陽 110016；3. 東方潤安集團常州潤來科技有限公司，江蘇 常州 213149）

1 引言

近年來，銅管鑄軋工藝在我國大規(guī)模應(yīng)用，我國銅管產(chǎn)量保持世界第一。然而，隨著行業(yè)的發(fā)展和市場競爭的日益激烈，銅管加工將不斷向著高精度、高效率、低成本方向發(fā)展[1-2］。傳統(tǒng)銅管拉拔工序具有道次多、管材尺寸型號多、生產(chǎn)節(jié)拍快、模具多等特點，配模工藝極度依賴工人的經(jīng)驗和操作熟悉程度。目前，對模具的管理主要通過Excel表格等方式，模具的實際尺寸和表面磨損狀態(tài)難以跟蹤和實時更新。因此，現(xiàn)有的人工配模和數(shù)據(jù)管理方式難以滿足精密銅管高效、高質(zhì)量拉拔工藝的要求。模具庫的智能化配模系統(tǒng)有利于提高企業(yè)生產(chǎn)運營效率，降低員工培訓成本，但是目前還沒有拉拔配模的專門系統(tǒng)，因此開發(fā)拉拔配模智能系統(tǒng)非常有必要。

針對以上問題，專門開發(fā)了拉拔配模的智能化系統(tǒng)，通過Spring Boot+Vue+Hibernate的架構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)智能化配模系統(tǒng)的搭建。智能化系統(tǒng)以雙遞減拉拔算法作為理論計算的基礎(chǔ)，設(shè)計了專門的系統(tǒng)架構(gòu)，按照業(yè)務(wù)需求選擇模具并自動計算，根據(jù)借、還登記信息等更新模具在數(shù)據(jù)庫中的狀態(tài)，實現(xiàn)了對大量拉拔配模數(shù)據(jù)的自動管理，保障了銅管拉拔配模系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。同時，此系統(tǒng)又為優(yōu)化配模算法保留空間，使生產(chǎn)質(zhì)量得到保證，并能根據(jù)實際生產(chǎn)狀況靈活調(diào)整[3］。拉拔模具庫智能化信息管理系統(tǒng)作為銅管生產(chǎn)智能化的一部分，是對銅管拉拔成型工序的智能化升級，有望推進精密銅管生產(chǎn)的智能化。

2 主要研究內(nèi)容

拉拔模具庫智能化信息管理系統(tǒng)的開發(fā)目標是提供面向生產(chǎn)的智能信息化解決方案，升級模具庫管理模式，將模具流動信息與拉拔生產(chǎn)決策方法等信息有效集成，有利于對模具的信息狀態(tài)進行監(jiān)測與追蹤，方便清點模具，提高配模效率，有利于配模操作并檢驗可行性，有利于保證管材的拉拔質(zhì)量，同時減少人工誤差。針對以上目標，本文研究內(nèi)容主要包括智能配模系統(tǒng)的前后端分離架構(gòu)設(shè)計、前端架構(gòu)設(shè)計、數(shù)據(jù)庫設(shè)計，以及外模和游芯管理模塊、配模工作臺模塊、借模登記表和歸還登記表四個主要模塊的設(shè)計和代碼實現(xiàn)。合理運用前后端分離工程技術(shù)并與拉拔理論算法相結(jié)合，實現(xiàn)生產(chǎn)過程控制的最優(yōu)化、管理結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化。

3 架構(gòu)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計

精密銅管拉拔智能化配模系統(tǒng)基于Java和JavaScript語言進行開發(fā)，合理運用前后端分離工程技術(shù)，實現(xiàn)集拉拔配模、模塊管理、模具領(lǐng)用與歸還等功能于一體。系統(tǒng)的整體框架設(shè)計思路如圖1所示。運用Vue(Vue.js）構(gòu)建Web 界面的漸進式框架SSR（Server Side Rendering）、Spring Boot框架的MVC（Model View Controller）開發(fā)模式、Hibernate技術(shù)和拉拔理論計算方法相結(jié)合的方式，滿足拉拔模具配模操作的智能化，實現(xiàn)配模信息和模具庫的集中管理，即實現(xiàn)信息化的規(guī)范、標準管理。

Java三層架構(gòu)中的表現(xiàn)層運用Spring Boot架構(gòu)[4］，實現(xiàn)了Web展示中MVC思想的開發(fā)框架，三層架構(gòu)中的另外兩層將業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)進行分離，前端通過JSON傳值，后端接收并在Java三層架構(gòu)中的業(yè)務(wù)層進行處理，業(yè)務(wù)層處理完畢傳遞給數(shù)據(jù)庫訪問，通過DAO（Data Access Object）接口生成SQL語句對數(shù)據(jù)庫中的模具信息進行增刪改查等處理并保存。前端Vue作為Web展示的一種方式，主要負責客戶端的頁面層疊樣式渲染，接收后端的處理值并顯示給用戶。并且，接收前端輸入值作為初始信息，進行雙遞減計算得出道次和每道次拉拔壁厚和管材外徑，注入前端body中反饋到操作界面。同時，根據(jù)模具信息對模具尺寸進行調(diào)整并觸發(fā)結(jié)果檢驗界面，對方案可行性進行檢驗，配模結(jié)束后進行配模登記并保存到數(shù)據(jù)庫中以便隨時調(diào)用查看。

后端除了運用Java三層架構(gòu)還運用了Hibernate數(shù)據(jù)庫架構(gòu)[5］。Hibernate具備強大的映射結(jié)構(gòu)和HQL（Hibernate Query Language）語言，大大降低了對象與數(shù)據(jù)庫(oracle、mysql等)的耦合性，業(yè)務(wù)層接收到修改模具庫數(shù)據(jù)的指令后傳遞給數(shù)據(jù)訪問層，Hibernate根據(jù)指示自動封裝MySQL數(shù)據(jù)庫可識別的SQL語句，修改調(diào)整數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)并保存。

此系統(tǒng)選用Vue編寫的程序作為客戶端界面，后端業(yè)務(wù)處理完畢后將值返回前端并配合Vue.js[6］中的SSR服務(wù)器端把拉拔部分各個操作模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計、內(nèi)容樣式和數(shù)據(jù)展示渲染完成，最后將它們直接發(fā)送到瀏覽器界面。

3.2 配模拉拔算法

在配模模塊的初始值頁面，輸入客戶要求的成品管材尺寸和初始管材尺寸。由于企業(yè)生產(chǎn)線只有初始壁厚1.35 mm、初始管材外徑Φ30 mm這一種規(guī)格，因此在盤拉過程中，銅管需要經(jīng)過多道次拉拔工序，銅管壁厚和管材外徑會隨著道次的增加而遞減，最后一道次達到客戶要求的成品尺寸[7］。目前主要有雙遞減法、ZBL法、均等法、K系數(shù)法和金屬硬化程度法五種拉拔算法[8］，五種算法的拉拔道次數(shù)計算方法相同，具體如下所示：

式中，λ∑為兩次退火總延伸系數(shù)，對于管材：

式中，D0、S0為管坯外徑和壁厚；Dn、Sn分別是成品管材外徑和壁厚；λDΣ、λSΣ分別是外徑及壁厚的總縮減系數(shù);為平均道次延伸系數(shù)（具體取值見表1）。

其中，雙遞減法不僅適用于銅合金板帶材的熱軋和冷軋的工藝計算，還適用于棒線材的冷拔工藝計算，是企業(yè)常參考應(yīng)用的計算方法[9］。因此，在配模模塊中加入了雙遞減法計算理論道次，理論計算如下：

拉拔次數(shù)四舍五入取整后，可得到實際的平均道次延伸系數(shù)：

式中，λD為外徑平均道次延伸系數(shù)；λS為壁厚道次延伸系數(shù)。

各道次外徑減縮系數(shù)及壁厚減縮系數(shù)：

式中，i為拉伸道次，i =1，2，3，…，n；Δλ為增量系數(shù)（見表2）；λDi為第i道次管材外徑減縮系數(shù)；λSi為第i道次壁厚減縮系數(shù)；

表2 增量系數(shù)Δλ

管材各道次壁厚和外徑

管材壁厚計算公式：

計算第一道次時進行修正：

式中，ΔS為管材允許的最大壁厚偏差

管材外徑計算公式：

4 主要模塊與功能

模具庫的智能化配模系統(tǒng)包括四個模塊：拉拔模具庫管理、拉拔配模工作臺、拉拔模具領(lǐng)用登記和拉拔模具歸還表。這四個模塊實現(xiàn)了所有數(shù)據(jù)的信息化管理和配模操作的智能化。

4.1 拉拔模具庫管理模塊

拉拔模具庫管理模塊主要分為外模庫和游芯庫，記錄了庫存中各模具的編號及其相對應(yīng)的尺寸，管理員可對庫存中的內(nèi)容進行增刪改查。在列表上方配有“搜索”快捷鍵，可輸入想查詢的尺寸，觸發(fā)“搜索”鍵就能反饋五個最相近尺寸的模具信息。由于平時生產(chǎn)模具會有磨損甚至報廢，磨損的模具歸還模具庫后，需要打磨拋光后重新入庫，報廢的需要記錄并集中處理，信息化的模塊只需要查找模具的ID號，然后對其進行數(shù)據(jù)及信息的更新處理，再重新存儲，外模庫操作界面如圖2所示。

圖2 外模庫操作界面

4.2 拉拔配模模塊

拉拔配模模塊，即拉拔配模工作臺，操作界面如圖3所示，根據(jù)理論算法并結(jié)合實際庫存調(diào)整每道次外模和游芯尺寸，再根據(jù)算法檢驗調(diào)整過后的模具是否能夠用于生產(chǎn)。下面以第一行數(shù)據(jù)為初始計算值為例進行分析：初始壁厚為1.45 mm，初始管材外徑為Φ30 mm，成品壁厚要求為0.29 mm，成品管材外徑為Φ9.52 mm，鼠標左鍵點擊操作里的“查看配模結(jié)果”鍵，系統(tǒng)經(jīng)過計算給出配模結(jié)果。

圖3 拉拔配模工作臺操作界面

配模結(jié)果如圖4所示，前三列為根據(jù)雙遞減算法計算出的道次數(shù)和每道次的管材理論壁厚和管材理論外徑，只能讀取不能更改。后面三列是庫存實際可匹配出的尺寸,首先默認顯示的值為數(shù)據(jù)庫中匹配到與理論值最小差值的模具，相關(guān)尺寸可以根據(jù)需要進行更改，根據(jù)模塊中內(nèi)嵌隨動算法，游芯小頭直徑隨著外模內(nèi)徑尺寸的變動自動計算更新。

圖4 配模結(jié)果操作界面

若選用模具可點擊頁面下方的“查看外模庫”按鈕查詢，彈框如圖5所示。在搜索框輸入查詢尺寸比（如Φ5 mm），便會自動查詢出庫存中與Φ5 mm相差最小的五個模具信息，點擊“搜索”按鈕就會顯示這五個模具的具體信息。當實際庫存中不存在與理論值相同的模具時，可在得到理論值后，根據(jù)模具的實際庫存，手動操作更改每道次的外模和游芯尺寸。

圖5 外模庫存查詢彈框

修改完成后，配模界面還配備了自動“檢驗結(jié)果”的功能鍵，其檢驗界面如圖6所示。界面上的減徑量、減壁量、延伸系數(shù)、間隙和理論大徑都有各自的現(xiàn)場使用算法，這些數(shù)據(jù)會隨著修改后的每道次模具尺寸實時更新。根據(jù)配模結(jié)果，界面的“檢驗結(jié)果”鍵觸發(fā)生成的彈框可判斷減徑量和減壁量是否滿足遞減規(guī)律，如不滿足，返回配模結(jié)果操作界面進行調(diào)整。

圖6 檢驗結(jié)果配模彈框

4.3 拉拔模具領(lǐng)用和歸還模塊

拉拔模具領(lǐng)用登記表（如圖7所示）和拉拔模具歸還表可代替企業(yè)紙質(zhì)表，采用MySQL數(shù)據(jù)庫將登記的內(nèi)容實時存儲到數(shù)據(jù)庫中。根據(jù)模具ID號，將已經(jīng)領(lǐng)用登記的模具狀態(tài)信息自動更新到數(shù)據(jù)庫，模具狀態(tài)在外模庫中顯示為“正在生產(chǎn)”。拉拔模具領(lǐng)用和歸還表模塊實現(xiàn)了信息化工作，節(jié)省查詢時間，避免了不必要的人工失誤。

圖7 拉拔模具領(lǐng)用登記

5 結(jié)束語

本文通過Spring Boot、Hibernate和Vue技術(shù)框架為系統(tǒng)的編寫提供了技術(shù)支持，內(nèi)嵌拉拔算法為系統(tǒng)提供了科學支持。通過外模和游芯管理模塊、配模工作臺模塊、借模登記表和歸還登記表四個主要模塊實現(xiàn)技術(shù)架構(gòu)設(shè)計。模具庫的智能化配模系統(tǒng)能夠快速計算出可用于生產(chǎn)的模具信息，并且在客戶端頁面操作即可。配模過程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)、模具使用后的狀態(tài)信息也會更新并保存到數(shù)據(jù)庫。配模系統(tǒng)實現(xiàn)了模具庫調(diào)度信息化、模具分配科學化，提高了企業(yè)管理效率。該系統(tǒng)優(yōu)化了企業(yè)管理結(jié)構(gòu)，提高了生產(chǎn)效率，降低了企業(yè)培養(yǎng)員工的成本。智能化系統(tǒng)的建設(shè)保障了工藝流程運行的穩(wěn)定性、可靠性，進而保障了生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。