渦旋盤熱模鍛自動化生產線及智能檢測控制系統設計

朱振宇 金國杰 蔡丹云

（浙江水利水電學院，杭州 310018）

渦旋式壓縮機因具有振動小、噪聲低、使用壽命長、質量輕等優點，廣泛應用于新能源電動汽車。渦旋壓縮機中，通過動靜渦旋盤的相互嚙合形成密閉的氣體壓縮腔，以完成氣體壓縮過程。渦旋盤型線的輪廓度、垂直度、直線度等形位尺寸，以及其端面與槽底面的平面度和平行度，均對壓縮性能起著至關重要的作用。但是，渦旋盤線型復雜，鍛造成形過程中易出現飛邊、氣孔、缺料、裂紋等缺陷，因此對渦旋盤成形過程進行智能檢測與控制尤為重要[1]。

《中國鍛壓行業“十四五”發展綱要》提出，隨著汽車產業的發展，未來需要發展自動化、無人化鍛造，滿足汽車產業大批量穩定生產需要。智能化鍛造生產線的設計一般分為2 個環節。一是鍛造自動化生產線設計，分析鍛造成形工序，規劃鍛造生產線上的送料設備、壓力機和鍛造機器人之間的運動路線、速度和時序，實現鍛件的高效穩定生產[2-3]。二是鍛造過程信息采集系統設計，需采集和分析的參數包括坯料質量、加熱溫度、模具溫度、壓力機成形速度以及鍛件尺寸等[4]。例如，林博宇等利用機器視覺算法使熱鍛件尺寸的在線檢測成為可能，同時提高了模具磨損檢測和位置精度檢測的準確性[5]。

1 渦旋盤鍛造自動化生產線設計

根據渦旋盤（見圖1）形狀和工作時的工況要求，選用毛坯直徑為60 mm、高度為16.5 mm 的6061 鋁合金棒料，通過感應加熱爐將毛坯加熱至400 ℃±10 ℃，利用流動控制成形技術（Flow Control Forming，FCF）進行精密模鍛成形。

圖1 渦旋盤

渦旋盤鍛造工序包括下料、稱重、加熱、模鍛等，對應的自動化生產線由如下主要設備組成。履帶輸送機用于輸送鋁棒。全自動切料機（可切斷直徑為20～70 mm）由伺服電機帶動精密滾珠絲杠螺桿進行傳動，用于精確調整坯料長度。自動稱重設備的量程為60 kg，能夠同時進行坯料稱重和傳輸，傳輸速度可根據生產節拍實時調整。感應加熱爐采用鏈板傳輸坯料，其寬度為1 m，可同時加熱5 個坯料，加熱溫度最高可達600 ℃，加熱功率和溫度可根據生產節拍和要求進行調整。機械手包括鍛壓機械手和檢測機械手。其中：鍛壓機械手要求其臂展為1 500 mm，精度為±0.05 mm，最大負載為8 kg；檢測機械手的臂展為940 mm，其他參數與鍛壓機械手相同，安裝三維高清攝像頭，用于檢測鍛件質量。鍛壓機床的公稱壓力為9 810 kN，最大滑塊行程為250 mm，行程次數可調，最高為每分鐘90 次，具有過載保護裝置和頂出裝置。渦旋盤熱模鍛生產線如圖2 所示。

圖2 渦旋盤熱模鍛生產線

2 渦旋盤鍛造生產線在線檢測控制系統設計

2.1 在線檢測控制系統整體方案設計

根據渦旋盤熱模鍛在線檢測和控制需求，確定檢測參數和各類智能傳感器，利用工業級網關完成對現場傳感器、可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、智能網關等設備的數據采集，實現設備的互聯、互通、互操作，如圖3 所示。檢測數據包括原材料各項參數、各工序毛坯溫度、模具表面質量、熱模鍛壓力機運行參數以及鍛件幾何尺寸等。數據采集系統的關鍵設備包括工業控制計算機（Industrial Personal Computer，IPC）、PLC 控制系統、自動稱重裝置、紅外測溫儀、影像檢測儀、壓力傳感器、三維掃描儀、機械手以及伺服驅動器等。

圖3 渦旋盤鍛造在線檢測控制系統示意圖

2.2 下料稱重在線檢測控制子系統設計

質量自動檢測裝置下方安裝質量檢測傳感器，支持RS-485 通信。毛坯被圓盤鋸鋸斷后，由傳送帶送至質量自動檢測裝置。檢測裝置將獲取的質量數據自動反饋給數據處理器。數據處理器對比質量數據與數據庫中的預設數據，判斷下料質量是否合格，并記錄合格坯料的數量。當坯料不合格時，數據處理器自動處理并計算需調整的下料長度，然后將長度數據轉換為電機驅動信號，通過伺服控制器驅動長度定位塊來調整相應長度，從而控制下料質量。

2.3 加熱溫度自適應控制子系統設計

加熱溫度自適應控制子系統的主要設備包括紅外自動測溫儀、模數轉換器和數據處理系統。自動測溫儀檢測坯料加熱溫度，模數轉換器和數據處理系統對數據進行處理、判斷后，將結果輸入調節控制系統，自動調整和控制加熱參數，達到生產過程加熱質量均一化的目的。

2.4 渦旋盤尺寸檢測系統設計

通過電荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）影像檢測技術，檢測渦旋盤輪廓尺寸。檢測系統智能化工作過程如下：壓機操作機器人將鍛件從壓機模具內取出，放入檢測位置進行掃描；成像經模數轉換、狀態判斷、數據處理后，系統自動反饋數據、控制參數，如記錄鍛件質量數據，調整壓機壓力行程參數、下料參數、加熱參數等。如果判斷鍛件外觀及尺寸不合格，則需要檢測模具、報警并停機，由操作人員更換超差的模具輪廓組件。

3 渦旋盤智能檢測生產線人機交互系統設計

為了更加直觀地顯示渦旋盤鍛造智能檢測控制系統中的PLC 程序控制結果，利用組態王軟件設計渦旋盤鍛造控制系統人機界面，如圖4 所示。人機界面主要顯示實時檢測參數和報警信息，實時檢測參數與PLC 采集數據一一對應，當參數超過誤差設定值時，發出警報，方便工作人員及時處理。

圖4 人機交互界面

4 結語

渦旋盤產品具有渦旋高且窄的特點，其鍛造成形難度很大。傳統的鍛造企業主要通過試錯的方法，多次調整模具和工藝參數，既費時費力又效果不佳。文章分析了渦旋盤的成形工藝，設計了渦旋盤鍛造生產線和全流程在線檢測控制系統。在線檢測控制系統可以根據實時檢測結果，自動調整工藝參數，并對測量數據超差進行自動報警，方便工作人員及時發現和處理問題，有效提高了渦旋盤的質量和生產效率。