精密銅管拉拔智能化配模系統的設計研究

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模應用，我國銅管產量保持世界第一。然而，隨著行業的發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、低成本方向發展[1-2］。傳統銅管拉拔工序具有道次多、管材尺寸型號多、生產節拍快、模具多等特點，配模工藝極度依賴工人的經驗和操作熟悉程度。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難以跟蹤和實時更新。因此，現有的人工配模和數據管理方式難以滿足精密銅管高效、高質量拉拔工藝的要求。模具庫的智能化配模系統有利于提高企業生產運營效率，降低員工培訓成本，但是目前還沒有拉拔配模的專門系統，因此開發拉拔配模智能系統非常有必要。

針對以上問題，專門開發了拉拔配模的智能化系統，通過Spring Boot+Vue+Hibernate的架構設計實現智能化配模系統的搭建。智能化系統以雙遞減拉拔算法作為理論計算的基礎，設計了專門的系統架構，按照業務需求選擇模具并自動計算，根據借、還登記信息等更新模具在數據庫中的狀態，實現了對大量拉拔配模數據的自動管理，保障了銅管拉拔配模系統的穩定性和可靠性。同時，此系統又為優化配模算法保留空間，使生產質量得到保證，并能根據實際生產狀況靈活調整[3］。拉拔模具庫智能化信息管理系統作為銅管生產智能化的一部分，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的智能化。

2 主要研究內容

拉拔模具庫智能化信息管理系統的開發目標是提供面向生產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決策方法等信息有效集成，有利于對模具的信息狀態進行監測與追蹤，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量，同時減少人工誤差。針對以上目標，本文研究內容主要包括智能配模系統的前后端分離架構設計、前端架構設計、數據庫設計，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計和代碼實現。合理運用前后端分離工程技術并與拉拔理論算法相結合，實現生產過程控制的最優化、管理結構的最優化。

3 架構設計

3.1 系統整體架構設計

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

Java三層架構中的表現層運用Spring Boot架構[4］，實現了Web展示中MVC思想的開發框架，三層架構中的另外兩層將業務邏輯和數據進行分離，前端通過JSON傳值，后端接收并在Java三層架構中的業務層進行處理，業務層處理完畢傳遞給數據庫訪問，通過DAO（Data Access Object）接口生成SQL語句對數據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，根據模具信息對模具尺寸進行調整并觸發結果檢驗界面，對方案可行性進行檢驗，配模結束后進行配模登記并保存到數據庫中以便隨時調用查看。

后端除了運用Java三層架構還運用了Hibernate數據庫架構[5］。Hibernate具備強大的映射結構和HQL（Hibernate Query Language）語言，大大降低了對象與數據庫(oracle、mysql等)的耦合性，業務層接收到修改模具庫數據的指令后傳遞給數據訪問層，Hibernate根據指示自動封裝MySQL數據庫可識別的SQL語句，修改調整數據庫中的數據并保存。

此系統選用Vue編寫的程序作為客戶端界面，后端業務處理完畢后將值返回前端并配合Vue.js[6］中的SSR服務器端把拉拔部分各個操作模塊的結構設計、內容樣式和數據展示渲染完成，最后將它們直接發送到瀏覽器界面。

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。由于企業生產線只有初始壁厚1.35 mm、初始管材外徑Φ30 mm這一種規格，因此在盤拉過程中，銅管需要經過多道次拉拔工序，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，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;為平均道次延伸系數（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，是企業常參考應用的計算方法[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：

拉拔次數四舍五入取整后，可得到實際的平均道次延伸系數：

式中，λD為外徑平均道次延伸系數；λS為壁厚道次延伸系數。

各道次外徑減縮系數及壁厚減縮系數：

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

表2 增量系數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、拉拔模具領用登記和拉拔模具歸還表。這四個模塊實現了所有數據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的尺寸，管理員可對庫存中的內容進行增刪改查。在列表上方配有“搜索”快捷鍵，可輸入想查詢的尺寸，觸發“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，然后對其進行數據及信息的更新處理，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，根據理論算法并結合實際庫存調整每道次外模和游芯尺寸，再根據算法檢驗調整過后的模具是否能夠用于生產。下面以第一行數據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“查看配模結果”鍵，系統經過計算給出配模結果。

圖3 拉拔配模工作臺操作界面

配模結果如圖4所示，前三列為根據雙遞減算法計算出的道次數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據庫中匹配到與理論值最小差值的模具，相關尺寸可以根據需要進行更改，根據模塊中內嵌隨動算法，游芯小頭直徑隨著外模內徑尺寸的變動自動計算更新。

圖4 配模結果操作界面

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、間隙和理論大徑都有各自的現場使用算法，這些數據會隨著修改后的每道次模具尺寸實時更新。根據配模結果，界面的“檢驗結果”鍵觸發生成的彈框可判斷減徑量和減壁量是否滿足遞減規律，如不滿足，返回配模結果操作界面進行調整。

圖6 檢驗結果配模彈框

4.3 拉拔模具領用和歸還模塊

拉拔模具領用登記表（如圖7所示）和拉拔模具歸還表可代替企業紙質表，采用MySQL數據庫將登記的內容實時存儲到數據庫中。根據模具ID號，將已經領用登記的模具狀態信息自動更新到數據庫，模具狀態在外模庫中顯示為“正在生產”。拉拔模具領用和歸還表模塊實現了信息化工作，節省查詢時間，避免了不必要的人工失誤。

圖7 拉拔模具領用登記

5 結束語

本文通過Spring Boot、Hibernate和Vue技術框架為系統的編寫提供了技術支持，內嵌拉拔算法為系統提供了科學支持。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技術架構設計。模具庫的智能化配模系統能夠快速計算出可用于生產的模具信息，并且在客戶端頁面操作即可。配模過程中的關鍵數據、模具使用后的狀態信息也會更新并保存到數據庫。配模系統實現了模具庫調度信息化、模具分配科學化，提高了企業管理效率。該系統優化了企業管理結構，提高了生產效率，降低了企業培養員工的成本。智能化系統的建設保障了工藝流程運行的穩定性、可靠性，進而保障了生產系統的穩定性、可靠性。