自動化鍛造生產線在線監測技術

文/曾琦,蔣鵬·北京機電研究所

任學平·北京科技大學

自動化鍛造生產線在線監測技術

文/曾琦,蔣鵬·北京機電研究所

任學平·北京科技大學

曾琦，高級工程師，

主要從事鍛造自動化技術的研究。

根據產品工藝需求，將鍛造生產所需的設備有機結合在一起，實現產品生產的連續性和高效率，所構成的完整的生產流程，就是鍛造生產線。目前，國外部分發達國家已經實現了鍛造生產線的全線自動化，但國內許多生產線仍處于半自動化狀態，即主要工序仍需要人工干預。

相比國外的鍛造技術，國內的鍛造生產還大都處于半機械、半人工生產狀態，小鍛件的中轉搬運基本上都由人工實現，大鍛件的中轉搬運由機械手實現，設備和機械手之間的信號傳遞采取點對點的方式，靠人工判斷進行操作，生產效率低下、依賴工人經驗等都造成了產品難以走向國際市場。因此，實現鍛造生產線的自動化是提升國內鍛造產品在國際市場競爭力的有效方法。

控制方式

傳統的鍛造生產線采用的是點對點的控制方式，這也是我國大部分現有生產線所采用的控制方式。在這種控制方式下，設備之間的信號傳遞是類似串聯的一種方式，由于只能實現點與點之間的銜接，每個設備只與其相關的相鄰設備發生信號交換，因此一旦生產線中某個設備出現故障，故障信號就無法發送給與之不直接相關的設備，則這些設備依然按照預定程序運行，勢必會造成整條生產線的混亂，甚至發生嚴重事故。因此，這種點對點的控制方式已經逐步被淘汰。

要實現鍛造生產線的自動化，必須采用更新的控制技術，即現場總線控制技術。與傳統點對點的控制方法相比，現場總線控制系統具有無可比擬的優勢。

現場總線控制技術是控制信號和安全信號為一體的控制技術，系統采用兩層總線結構，工業以太網為上層網，PROFIBUS-DP（或PROFINET）為下層網，此外單獨設置安全總線，專門處理安全信號，這種控制網絡構成如圖1所示。只有在生產線中所有設備信號和安全信號均處于正常情況，生產線才能正常生產，一旦有任何意外發生，總線控制系統將通知各設備急停，并啟動相應處理程序進行處理，意外處理完畢后再啟動各個設備。

從自動化鍛造生產線總線控制網絡構成圖中可以看出，對于總線控制技術而言，能夠正確判斷生產線的故障是保證生產能夠順利進行的關鍵。也就是說，一旦生產出現問題，總線控制系統必須能夠在第一時間識別這個問題，并做出相應的判斷和處理。

圖1自動化鍛造生產線總線控制網絡構成

自動化生產

鍛造生產是個復雜的過程，由于涉及內容包括加熱、預成形、鍛造、切邊和整形等若干工序，因此生產中影響因素非常多。對于要求自動化生產的鍛造生產線來說，鍛造生產過程中的不穩定因素就更多了，正確判斷并總結這些不穩定因素是總線控制系統設計的一個重要項目。

這里僅就生產中機器人搬運鍛件可能存在的不穩定因素進行分析：

⑴由于鍛件受坯料加熱溫度、模具溫度、下料尺寸等因素影響，鍛件成形時金屬材料流動不同，使得鍛造后鍛件的飛邊大小不一致，這時采用機器人或機械手搬運鍛件，就可能產生夾持困難，或出現搬運不穩定的問題。

⑵設備的意外失效也可能造成生產線的中斷，主要表現在以下2點。

1）鍛造后因設備機械故障或液壓故障，壓力機頂桿未能頂出，若總線控制系統未做出響應，則必須人為干預，防止機器人夾持鍛件時發生碰撞而損壞夾鉗或模具。

2）鍛造后頂桿頂出，但由于鍛件粘模，鍛件未頂起，這時機器人去夾持鍛件同樣會損壞夾鉗或模具。

⑶由于潤滑不充分，或者存在潤滑死點，鍛造后，鍛件粘在上模無法正常脫模，或粘在上模一段時間后自動掉落，且掉落后的位置發生錯移，這也會造成機器人夾持的過程中損壞夾鉗或模具。

上述不穩定因素都屬于生產線的意外事故，在工藝尚未穩定的情況下，這些意外經常發生，即使工藝已經穩定，也有發生的可能。如果沒有良好的在線監測系統，總線控制系統無法識別鍛造中產生的故障，各設備仍然按照既定程序運行，勢必產生更大的問題，甚至損壞設備。另外，如果沒有良好的監測系統，就需要人工對生產線進行監測，以便生產線出現故障時及時進行干預，因此無法實現生產線的無人化操作，也就不能真正實現全自動化鍛造生產。因此，要實現鍛造生產線的自動化，必須在總線控制系統中配置準確高效的監測系統。

在線監測系統

由于在線監測系統對于鍛造生產的自動化起著非常重要的作用，因此需要根據鍛造生產線的特點選擇適當的在線監測方法。

目前，國內的鍛造生產線大都還處于手動或半自動化狀態，由于主要靠人工或者需要人工參與進行生產，因此無需安裝在線監測系統。但是，近幾年來，尤其是2005年以后，隨著國內制造業對鍛造產品需求的高速增長，同時國外發達國家逐步將鍛造生產往國內轉移，使得國內鍛造行業面臨著提升其自身行業競爭力的壓力，于是紛紛開始新建自動化鍛造生產線，基于以上幾點，在線監測技術的應用需求也就逐漸產生并逐步擴展。

德國萬家頓公司總承包在內蒙古第一機械制造（集團）有限公司建成的萬噸級電動螺旋壓力機生產線是國內第一條大噸位全自動化鍛造生產線，但該生產線尚未配置在線監測系統，生產時需要人工監控生產狀況。據悉，德國的蒂森克虜伯公司在美國建成的全自動化鍛造生產線采用了光柵監測系統，蒂森克虜伯在南京新建的萬噸熱模鍛壓力機生產線也要求增加監測系統。

北京機電研究所承擔并成功地完成了桂林福達重工鍛造公司多條熱模鍛壓力機鍛造生產線的自動化系統設計建設工作，圖2為該鍛造公司140MN自動化鍛造生產線，幾條生產線均采用總線控制，但建線初期尚未配備在線監測系統。全線投產以來，在鍛造生產線使用過程中，已經逐步感覺到在線監測系統的重要性，目前正在設計試驗在線監測系統，并已取得初步成效。

在線監測系統的組成

要增加在線監測系統，首先必須找出鍛造生產線的薄弱環節，即易出故障環節，通過在薄弱環節安裝各類監測儀表，對生產及設備狀況進行連續自動檢測。在線監測可以實時監測被測裝置或產品的實時狀態，配合故障處理系統，可以實現生產線的無人化操作。

作為總線控制系統的重要輔助功能，在線監測系統是主控系統的一個子模塊，可以作為一個獨立的部分與主控系統進行信息傳遞和交互。主控系統和在線監控系統的結構示意圖如圖3所示。

圖2 140MN自動化鍛造生產線

圖3 主控系統與在線監測系統結構示意圖

根據在線監測設備的不同，信息的分析和處理可以由監測設備完成，也可以由總線控制系統完成。在線監測系統主要由以下部分組成：

圖4 圖像識別的流程

⑴監測信息接收。監測設備檢測出反映設備狀態的物理量，并將其轉換為合適的電信號，傳送到后續單元。

⑵監測信號處理。對監測設備送來的信號進行預處理，對干擾信號進行排除或抑制。

⑶數據采集。對經過處理的信號進行采集、轉換和記錄。

⑷數據分析和處理。對所采集到的數據進行處理和分析。

⑸數據傳輸。將處理后的數據輸送給總線控制系統。

⑹故障診斷。總線控制系統對歷史數據和當前數據進行分析、比較后，解決問題。

⑺故障處理。總線控制系統根據故障類型做出相應處理。

在線監測方法

⑴紅外線反射測距法。紅外線作為特殊的光波，具有光波的基本物理傳輸特性，紅外線反射測距系統工作時，紅外線發射器不斷發射紅外線，經障礙物反射后，接收器接收反射波信號。

監測系統工作時，紅外線掃描鍛件周圍或鍛件上特定點，只要鍛件發生粘模或跳動，紅外反射光波長就會發生變化，監測系統將信息發送給總線控制系統，總線控制系統根據已有程序設計采用適當的處理程序進行處理。試驗結果表明，紅外掃描可以將信息正確傳遞給總線控制系統，采用紅外反射監測方案可行。

⑵圖像識別法。圖像識別技術包括數字視頻監控器和數字圖像識別系統兩方面的內容。系統工作時，數字視頻接收生產現場采集的數字視頻信號，然后根據生產需要對采集到的數字視頻圖像進行圖像分析、處理和識別，并將處理結果輸出給總線控制系統，圖像識別的流程見圖4。

試驗結果表明，采用圖像識別技術可以實時了解鍛造是否處于正常狀態，該技術方案可靠，對粘模、跳模和飛邊頂穿等現象都能準確測出。缺點在于圖像識別系統的成本比較高。

⑶激光對射法。由于激光束的方向性極好，光能集中，傳輸效率非常高，適合遠距離傳輸，此外，激光束屬于閉路傳輸，不存在紅外對射探測器在直線上連續布設或者鄰近系統互相干擾的問題，可以長距離連續直線布設或近距離交叉布設，同樣也不存在紅外光漏泄干擾周圍其他敏感紅外設備的問題。

但是，經過試驗發現，對于處于1000℃高溫以上的鍛造毛坯件來說，由于毛坯件表面具有高溫反射光，激光束受到極大干擾，因此，在熱鍛生產線上不適宜用激光對射法。

⑷紅外成像技術。紅外熱像儀是通過非接觸探測紅外熱量，并將其轉換生成熱圖像和溫度值，進而顯示在顯示器上，并可以對溫度值進行計算的一種檢測設備。

利用紅外熱像儀可以準確測量鍛件的溫度場，與預置的溫度場進行比較，就能夠確定鍛件是否處于正常的位置。但是，紅外熱像儀成本太高，通用性不強。

結束語

實現鍛造生產的全線自動化是我國鍛造企業面臨的一大挑戰，也是我國鍛造行業走向世界的一級階梯，為了實現鍛造生產線的自動化，必須能夠識別生產中出現的各種問題，并對問題做出相應處理，這就要求總線控制系統具備鍛件的在線監測和處理功能。因此，本文介紹的前兩種適合鍛造生產的在線監測方法必將在未來的先進自動化鍛造生產線中得到廣泛應用。