金屬材料智能制樣管理系統的設計與實施

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、質量穩定性不高、成本費用高、且制樣現場管理難度大的現狀，設計開發了金屬材料智能制樣系統，該金屬材料智能制樣系統成功設計并應用在金屬材料試樣加工領域，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，提高經濟效率，可廣泛應用推廣，顯著提高了試樣加工領域專用設備的整體制造水平和自主研發能力。簡要介紹了該智能制樣系統的設計思路及主要特點，并指出了下一步需要改進的問題。

關鍵詞：智能制樣;關節機器人;金屬材料;管理創新;高速高效

引言

在“中國制造2025”規劃的實施，在“互聯網+”、大數據和云計算等現代移動技術的支撐下，智能化管理系統正在逐步成為金屬材料制樣領域的需求[1]。針對金屬材料試樣加工費時費力、樣件不成套、質量穩定性不高、成本費用高、且制樣現場管理難度大的現狀，基于此，以信息化為指導，引入智能制造管理理念，自主研制金屬材料制樣系統，采用關節機器人來完成上下料，并通過智能控制裝置來實現試樣加工，實時進行分析并計算出優化后的工作參數，將所述優化后的工作參數通過相應模塊反饋給操作人員，保證了制樣系統高速、高精度、高效率運行，徹底改變了傳統制樣現場鐵屑多、樣件不成套、信息不準確、測量記錄繁雜等管理突出問題。

1 國內外研究現狀

1.1國外現狀分

國外以材料機械加工為主的機床制造企業發展較早，但在金屬材料制樣領域還處于空白狀態，目前未見相關設備聯動、集成的自動化、智能化研究。當前前國外以材料機械加工為主的機床制造企業已基本完成了從勞動密集型向技術密集型和自動化轉型升級。機器人、自動化生產線等智能裝備在生產中得到廣泛應用，“機器換人”已經成為企業提高生產效率、提高過程質量控制能力和降低人力成本的重要手段。綜合而言，國外相關研究多集中于金屬材料零件生產過程中問題的解決，包括機床性能優化、硬件改進、機床的組合以及機加工序的智能化， 但在金屬材料制樣領域還未見相關設備聯動、集成的自動化、智能化研究[ 2 ]。

1.2 國內現狀分析

國內起步較晚，由于缺乏管理創新和相應技術創新，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備大多為采用鋸床、車床、磨床、銑床、刨床等設備所組成的生產線不僅費時費力，而且對產品的質量穩定性方面也難以保證。管理創新不足、加工成本高昂等問題嚴重制約著行業的持續發展。2005年，周軍等人提出復合加工機床的管理理念，為機械加工領域由單機管理向復合管理提供了理論基礎。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的控制系統適應性差、控制精度低的缺點，王濤、韓秋實等人建立了基于神經網絡的數控車磨復合管理模型。2014年，張志巍等人結合試樣加工、試樣標識，提出了建立自動化力學性能實驗室的設想[3]。2016年，齊齊哈爾華工機床股份公司結合GB/T228—2007、GB/T 229—2007標準對“棒材拉伸、沖擊試樣制取”的要求，開發了棒材拉伸與沖擊試樣一體加工的車銑復合機床，便于統一管理?？偟膩碇v，國內試樣機械加工管理的自動化和智能化程度還相對較低。

2 智能制樣管理系統需求分析

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

3 實施方案

本智能化管理系統方案設計如下：該智能化管理系統基于PDPS軟件仿真技術開發，利用機器人及自動化設備建模來分析金屬材料的加工節拍，各個模塊發出加工信號，機器人自動完成對該模塊的上下料。包括激光自動打碼，關節機器人自動分、撿、裝、夾材料，傳輸裝置傳送至試樣加工裝置加工試樣，并通過系統中的智能控制裝置來掃描試樣，檢測試樣的數據（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，分析數據并優化參數，棄樣暫存，機器人自動下料裝箱。該管理系統裝有故障報警監控，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計的智能化管理系統投入使用，實現了金屬材料試樣加工自動化、智能化、標準化的管理模式，相關管理創新取得關鍵性突破，打造了國內首套金屬材料的制樣智能管理系統。

該管理系統包含關節機器人、試樣加工裝置、故障報警裝置及智能控制裝置等核心部件，保證了制樣系統高速、高精度的運行。1min內就能自動檢測試樣所有幾何尺寸，且檢測精度在0.01mm以內。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、自動輸出檢測結果，無需人工干預，智能制樣管理系統比傳統人工制樣效率提高了10倍。

在金屬材料的制樣領域，傳統設備所組成的試樣加工生產線不僅費時費力，而且對試樣的質量穩定性方面也難以保證。技術創新不足、加工成本高昂等問題嚴重制約著行業的持續發展。該管理系統的成功開發，有效簡化了以往結構，并且提高了試樣加工質量。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，該制樣管理系統已獲得國家專利，并在公司內部進行推廣應用，可實現全自動無人值守制樣，減少人為因素影響，應用前景廣闊。

參考文獻

[1]馮圓 . 經濟新常態下的成本管理創新研究 [J]. 新會計 ，2015（11）.

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

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