分享：热轧成品检验中自动化技术的应用与实践

杨志权,张广治,赵乃胜,雷 娜,杨艳龙

(北京首钢股份有限公司,唐山 064400)

摘 要:为了实现安全、高效和稳定的企业生产,并提高检验效率,自动化技术被广泛应用到钢 铁企业智能化生产和管理中。阐述了热轧成品检验中应用自动化的意义,具体分析了自动化技术 在理化检验实验室中的应用。 

关键词:热轧成品检验;自动化技术;理化检验;实验室 中图分类号:TG115.5 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)10-0001-04

拉伸试验、弯曲试验、冲击试验、硬度测试、金相 检验等是热轧板材出厂交付前的必要检测项目,是 评价热轧板材质量的重要依据。传统试样的加工工 艺采取的是人工核对样板、编写样号、剪切和铣削等 加工方式,这种方式不仅效率低而且存在试样编号、 方向、尺寸等易出错的问题[1-2]。笔者通过对检验项 目进行分解,制定了相对应的试样标示、项目类型、 尺寸及位置代码规则定义,结合自动化技术,实现了 对板材试样的自动加工、自动试验,提高了试样加工 和检测的效率及精度,避免了人为错误,满足了试样 检验的准确性、及时性及溯源性要求。 热轧板材全自动智能检测线的主要设备包括激 光切割机、多功能加工中心、全自动拉伸试验机、关 节机器人等,配套了先进的视觉识别、定位码放、智 能料仓、尺寸测量等装置,并与产销一体化、LIMS (实验室数据管理专用系统)无缝衔接。特有的集成 管控系统可实现试样分拣、激光切割、精加工以及拉 伸检测全流程自动化,提升热轧板卷的试样加工能 力、检测效率和质量管控水平。全自动加工检测流 程图如图1所示。

1 自动化技术在热轧成品检验中应用的必 要性 

1.1 提高试样制备的安全可控程度 

热轧成品的力学性能检测试样制备需要机械加 工设备,然而机械加工设备经常发生安全事故。这 些事故发生的原因是多方面的,如:操作人员的安全 意识薄弱、设备不安全、管理不到位和环境的影响 等。自动生产线配套的防护围栏及安全门、安全光 栅,控制自动生产线内各设备的运动等可以降低事 故发生的概率[3-4]。

1.2 提高试样的加工和检测效率

拉伸试样的加工与检测需要经过以下 4 个步 骤 :① 使用剪板机(厚度小于10mm的材料)或锯床(厚度不小于10 mm 的材料)分切出毛坯样;② 使用立式铣床加工两个侧面;③ 双开肩加工平行长 度部分;④ 使用自动拉伸试验机和手动拉伸试验机 进行拉伸试验。 弯曲试样的加工与检测需要经过以下 3 个步 骤:① 使用剪板机(厚度小于10 mm 材料)或锯床 (厚度不小于10 mm 材料)分切出毛坯样;② 使用 立式铣床加工两个侧面;③ 使用手动弯曲试验机进 行弯曲试验。 冲击试样加工与检测需要经过以下9个步骤: ① 使用剪板机(厚度小于10 mm 材料)或锯床(厚 度不小于10mm 材料)分切出毛坯样;② 使用立式 铣床加工两个侧面;③ 转移样号,样号字头朝向轧 制面(关系到开槽,开 V 型槽要沿厚度方向),使用 立式铣床去除厚度;④ 使用锯床分切出3个小样; ⑤ 使用立式铣床加工每个小样的两个侧面;⑥ 使 用平面磨床磨四面,保证表面粗糙度小于5μm;⑦ 使用拉床加工 V 型槽;⑧ 抽查 V 型槽的深度及角 度;⑨ 使用自动冲击试验机或手动冲击试验机进行 冲击试验。 硬度试样加工和检测需要经过以下4个步骤: ① 使用剪板机(厚度小于10 mm 材料)或锯床(厚 度不小于10mm 材料)分切出毛坯样;② 使用立式 铣床加工两个侧面;③ 在金相制样室进行磨抛;④ 使用手动布氏硬度计、手动洛氏硬度计、手动维氏硬 度计或自动维氏硬度计进行硬度测试。 这些工艺存在的问题主要表现在:① 所有试样 均为人工加工,工作时间长,劳动效率低;② 加工流 程复杂,核对试样、剪切、锯切、铣、开口等各环节对 样号的控制困难,需多次核对试样,不便于试样的过 程质量控制;③ 由于均为人工加工,且加工设备比 较陈旧,因此存在试样的加工精度偏差和波动大的 问题,影响检测精度;④ 对于高强钢,如锯片钢,因 其合金含量较高,且硬度大,现在的加工设备存在能 力不足的问题;⑤ 试样标记全部为手动打号。 自动生产线的优点在于:① 可以满足热轧板卷 的加工和检测需求,单批试样检测周期实现了从小 时级到分钟级的跨越,平均检测时间缩短近40%, 为加快库存周转提供了有力的支撑;② 自动化系统 集样料的识别、分拣、切割、加工、检测等环节于一 体,全流程“一键式”操作,控制闭环、无人干预,且试 样加工精度由±0.1mm 提高到±0.02mm,更好地 满足了高端客户对质量的要求;③ 现场安全生产条 件及作业环境得到改善,全流程设备设施均配套安 全连锁防护装置,有效提升了安全管理水平;④ 形 成了一批可示范、可复制、可推广的热轧板卷试样的 加工、检测等先进制造技术,成为自动化、信息化、智 能化技术集成应用的行业示范项目。

2 自 动 化 技 术 在 热 轧 成 品 检 验 中 的 应 用 方向 

提高热轧成品物理性能检验机械设备的工作效 率,实现机械与电气自动化的结合是当前理化检验 行业内的共识。自动化技术就相当于理化检验行业 的一场机械改革,只有牢牢抓住这个改革机遇,企业 才能有更好的发展、更光明的未来[5-6]。在面对一场 改革时,企业一般犹豫不决,但是未来理化检验行业 的发展方向就是建设一套完整的自动化机械设备,实 现加工、检测一体化,将精密的电子信息控制技术应 用在理化检验行业中,切实提高企业的工作效率和安 全控制[7-8]。接下来具体分析自动化技术在钢铁企业 物理性能检验实验室中的应用实例。 2.1 集中管控系统技术 管控系统与自动分拣上料单元、激光切割下料 单元、复合精加工单元、全自动拉伸试验单元进行信 息交互、指令收发,实现试料、坯料及试样的检验任 务分配及全流程状态跟踪。管控系统具有质量检验 相关规则的维护、匹配功能;具有设备状态监控、数 据存储和分析,以及安全、可靠的连锁控制功能。 集中管控系统包括:任务分配跟踪系统、工艺 规则配置系统、一级 PLC(可 编 程 逻 辑 控 制 器)控 制系统、设 备 管 控 系 统、数 据 处 理 系 统、视 频 监 控 系统、环 境 监 控 系 统、安 全 防 护 系 统 等。 根 据 LIMS委托和来样信息,集中管控系统按照预设规 则自动编 排 加 工、检 测 工 艺 流 程,进 行 动 态 模 拟、 直观显 示;集 中 管 控 系 统 具 有 人 工 干 预、调 整 功 能,支持人 工 新 增 加 急、科 研 等 任 务,支 持 对 所 有 待执行任 务 进 行 查 询、调 整、删 除 操 作,可 以 实 现 任务明细定 制 化 流 程,对 系 统 自 动 生 成 或 人 工 创 建的加工、检测任务统一进行管理,并实现单条任 务执行的全 流 程 跟 踪,实 时 显 示 任 务 明 细 和 待 处 理状态。实现对关键装备工作状态及试样传递位 置的动 态 跟 踪,下 发 上 料、下 料、码 放、收 集 等 指 令,实现试样(含废料、残样)的全流程跟踪、管理, 确保加工、检测全流程信息的可追溯性。 系统设有报警机制,执行任务时间超过限定时 长或某个环节无法正常按照计划要求工作时,执行 报警工作,人工确认后可以切换工作模式,调整工艺 路线。集中管控系统可对任务执行进行统计和分 析,不断优化工艺模型,确保生产效率的最大化;其 可对激光切割机、精加工中心、拉伸试验机、自动分 拣上料机器人、激光切割下料机器人、精加工上下料 机器人、拉伸试验上料机器人以及相应的视觉识别、 等待位、转出位、废料输出装置等设备设施的工艺逻 辑、控制规则进行配置和调整。 系统可显示各个设备设施状态(包含工作状态 和非工作状态),结合实际加工和检测信息,对设备 运行效率进行量化统计、分析。对各个单元和设备 设施的电气、润滑、液压等运行状态进行监控,部分 设备出现故障后可实现自检功能、故障报警、故障类 型和故障点信息提示,便于故障点的查找和维修。 出现设备故障时,系统自动将故障设备停运;如果下 道工序设备出现故障,上道工序设备正常运行,则试 样从人工位输出并有相应提示,任何单体设备故障 不得影响其他子系统的正常运行。所有设备设施具 有单体控制、调试功能,方便日常维修以及校准、检 定。数据处理系统具有安全、可靠的大数据存储、统 计、分析功能,可对试样分析数据进行分析、梳理、归 档存储,便于试样制样溯源。数据处理系统还可优 化检测结果报出流程,根据预设规则进行数值比对、 报警,自动审核、上传。

2.2 自动激光切割技术

全自动激光切割系统配备功率为6000W 的激 光器,可伸缩式试样台,试样识别分拣、小样放置平 台,设备除尘、水冷系统等。通过接收总控系统下达 的切割指令和切割图形,该系统可完成试样形状、尺 寸、位置等信息的匹配,快速完成不同试样的切割任 务。视觉系统识别切割试样的位置,分拣机械手逐 个抓取至指定位置。带可视系统的分拣机器人将拉 伸和弯曲试样按种类分拣到加工中心区域的放样平 台上,根据切割指令,自动将其他检验项目的试样分 配到交替式料盒中,将试样按用途分类,人工取走试 样进行下一步检验。整台设备满足 GB/T2975— 2018《钢及钢产品 力学性能试验取样位置及试样 制备》、GB/T228.1—2010 《金属材料 拉伸试验 第 1部分:室温试验方法》的相关要求。 整 个 子 系 统 按 照 标 准 GB/T 7247.14—2012 《激光产品的安全 第14部分:用户指南》执行任务, 防护等级按照4类激光防护;依靠可变化承托式夹 具承托不同规格的样板,设备可根据来料信息厚度、 切割信息等指令,适应毛坯试样的来料尺寸,以保证 试样切割尺寸的准确度。高速响应的激光功率坡调 可保证拐角及尖角的切割质量;插补补偿功能保证 直线、圆弧插补和割缝补偿,保证切割工件的成品 率;特有的数据库系统可按照管控系统指令切割的 材料及其厚度,控制器自动从数据库中调出切割参 数,提高了加工的灵活性;系统有具体的报警信息并 附带故障处理方法。

2.3 复合精加工中心技术

全自动复合精加工中心是建设一条薄规格试样 物理性能的全自动加工、检测系统。该子系统由一 台全自动机床与机械手组成,通过单元自动化系统 与总控自动化系统高度结合,实现了试样从下料到 成品加工的全过程控制和加工。全自动拉伸试样加 工系统集成了1台多功能板材试样加工中心、1台 机械手、多个缓存平台与测量设备,可实现对拉伸试 样、弯曲试样、金相试样、硬度试样的精加工及切边 加工,消除热影响区。机械手将试样放入拉伸加工 中心指定工位,自动夹持紧固,试样的加工信息通过 上位控制系统传入拉伸加工中心,拉伸加工中心根 据上位控制系统传入的指令和信息对材料进行确 认,确认完成后,加工中心自动根据指令调用相关程 序完成材料的加工,加工完成后,试样由机械手取样 输送至下料中转托盘,准备进行试验。 整套 设 备 对 试 样 加 工 均 满 足 GB/T 2975— 2018、GB/T228.1—2010、GB/T229—2007 《金属 材料夏比冲击试验方法》、GB/T5313—2010 《厚度 方向性能钢板》、ASTM A370—2017 《钢制品力学 性能试 验 的 标 准 试 验 方 法 和 定 义》、ASTM E8— 2016《金属材料拉伸试验方法》、ASTM E23—2018 《金属材料缺口试样标准冲击试验方法》等的相关 要求。

2.4 自动拉伸试验技术 通过管控系统信息指令,全自动拉伸试验机系 统将需要进行试验的数据发送至计算机,机器人把 加工好的试样放置到拉伸试验机暂存台,自动拉伸 试验系统对试样信息进行扫码复核,自动识别试样 字串码,自动匹配检测管控系统中相对应的试样信 息。自动抓取试样,并通过3点测量试样的截面尺 寸,上样对中装置自动将试样送到拉伸试验机上,自 动按设定程序进行拉伸试验,自动完成试验数据的 分析,自动上传试验结果到管控系统,管控系统自动 对比数据是否合格,将不合格的残样放置在不合格 残样收集盒内,管控系统报警提示,人工处理。

3 热轧成品检验中自动化技术的发展前景 

自动化技术与热轧成品力学性能试样加工、检 测设备的融合应用已经是大势所趋。在未来,智能 自动化技术将会进一步融合到力学性能检验设备的 生产研究中。随着人工的减少,钢铁企业需要探索 设备维修和故障诊断,重视培养维修人员的专业技 能,提高自动化机械设备的维护程度,因为损失一台 自动化机械设备就会影响试样的检测进度和工作效 率。同时,还应该加强对自动化传感器的研究,提高 系统的监控能力[9]。

来源：材料与测试网