传统钢铁板材的力学性能测试工艺主要采用单体机床加工+单体试验机检验的模式，主要流程为：人工收样核对→转移试样至机床→锯床、冲床等机床分解试样→转移试样至铣床、磨床或加工中心等机床精细加工→转移试样至试验机→进行试验→上传数据。采用叉车或人工搬运的方式进行物料流转，采用油漆笔手写或打钢号的方式进行物料标识。基于传统工艺板材的力学性能测试方法具有需要大量人力、劳动强度大、工作环境差、作业过程中容易混样、无法做到全过程监督与回溯等缺点，且操作人员的技能水平对数据准确度影响较大。

 

    结合视觉识别、工业机械手、激光切割及AGV（自动引导车）物流等技术，将激光切割制样、机床制样、试验机检验等工序串联起来，进行无人化、智能化的测试，是目前板材力学性能测试的发展趋势。

 

     笔者介绍了不同规格的板材从制样到力学性能测试的全流程全自动检验工艺，并对实验室建设提出了建议。

 

1、 全自动力学性能测试工艺设计

 

1.1 测试技术

 

1.1.1 AGV技术

 

     AGV是一种自动化无人驾驶搬运设备，能够沿预设的路径行驶，并智能地避开路线上的障碍物，是现代工业自动化物流系统中的关键设备之一，可实现生产过程的柔性化运输。将AGV技术应用于钢材的力学性能测试中，可24h不间断作业，提高生产效率，代替人工进行物料的流转，将各工序串联起来，实现物料运输的无人化。

 

     AGV的数量可以根据系统搬运能力进行配置。单位时间的搬运次数和单次搬运量可作为评价系统搬运能力的指标。一辆车，一个搬运场所时，每小时搬运次数M的计算方法如式（1）和式（2）所示。

 

     当一辆车，i个搬运场所时，每小时搬运次数M1的计算方法如式（3）和式（4）所示。

 

     当多辆车时，每小时搬运次数M2的计算方法如式（5）和式（6）所示。

 

     需要注意的是，AGV的使用会受到许多因素的限制。AGV对生产现场地面条件有一定要求，地面不能有大的起伏和坡度。要求AGV运行应能以可控的额定速度通过在1m2范围内，平面度不小于3mm、台阶高度不小于5m、沟槽宽度不小于8mm、坡度不小于0.05的路面，并在路面坡度不小于0.01的停车点可靠停止。AGV对生产现场通行线路有一定要求。大多数实验室的智能化建设主要是对现有实验室的改造，在阶段性改造过程中，避免不了AGV和操作人员时空交叉的情况，因此要考虑AGV专用通道的规划以及AGV自动规避行人功能的配备。

 

1.1.2 激光切割

 

     激光切割是利用激光准直性和功率密度高的特点，使工件与光斑结合处的材料熔化或汽化，以分离材料的一种切割工艺。相较传统的钢板切割工艺，激光切割工艺在切割速率、切割精度、切割成本等方面有着巨大优势。目前，其最大切割厚度可达到100mm。以20mm厚的钢板为例，激光切割速率约为0.65m/min。连续作业情况下，以拉伸、冲击、弯曲试样为一组，单台设备加工能力不低于13组/h。在GB/T 2975—2018《钢及钢产品 力学性能试验取样位置及试样制备》中明确规定：当直径或厚度不大于15mm时，加工余量为1~2mm；当直径为15~25mm时，加工余量为2~3mm。

 

     在激光切割过程中，需要用氮气或者氧气作为辅助气体。冷轧薄板切割需要用氮气作为保护气，单台功率为2kW的激光切割设备对氮气的要求为，流量大于500m3/h，压力为3MPa，纯度大于99.95%；中厚板切割时需要用氧气助燃以保证切割效果，单台功率为12kW的激光切割设备对氧气的要求为，压力为0.4~0.6MPa，流量为10~15m3/h，纯度大于99.95%。气体消耗量虽不大，但对一些前期没有敷设这两种气体管道的实验室来说，如果采用汇流排的方式进行气体供给，显然是不可行的。可以采用空压机制取压缩空气，但是氧气必须从制氧站中敷管接入，才能保证其纯度、压力及流量等满足要求。在实际运行中，由于切割功率对切口宽度和热影响区的影响，最大切割厚度只能达到25mm，厚度大于25mm的板材需要较高的切割功率，会影响切割质量，进而影响后续加工。

 

1.1.3 工业机械手

 

     工业机械手是面向工业领域的多关节或多自由度的机器人。工业机械手可以满足大批量生产制造的需求，能够依靠自身动力和控制能力自动执行工作任务。目前，工业机械手已成为替代人力进行高重复性、高强度、高精密作业及恶劣环境下作业的可靠工具。

 

1.2 测试设备

 

1.2.1 集成式试样加工中心

 

     集成式试样加工中心是集铣削、磨削等加工工艺于一体的加工设备，试样在设备内部通过机械手进行移动、翻面等操作。力学性能实验室需要配备的试样加工中心主要有：平面加工中心，用于对拉伸、弯曲、硬度等试样进行精细加工；冲击试样加工中心，用于对冲击毛坯料进行精细加工及开槽；圆棒加工中心，用于对圆棒拉伸试样、高温拉伸试样进行精细加工。

 

1.2.2 全自动拉伸试验机

 

     全自动拉伸试验机是在传统拉伸试验机的基础上，增加机械手、全自动横截面测量台及全自动引伸计，以实现全自动拉伸性能测试的试验机。拉伸试验是在规定速率下进行的，而机械手的运动速率很快，因此建议采用一台机械手配合两台拉伸试验机的配置，可以节省部分资金。目前，引伸计常采用的组合模式为全自动纵向视频引伸计/全自动机械式纵向引伸计+ 全自动光学式横向引伸计。建议采用全自动纵向视频引伸计+全自动光学式横向引伸计，其测量数据更加稳定、精确，且不需要频繁调整和保养。全自动拉伸试验机可以选择电子万能试验机，其性能更加稳定，避免频繁调整和维修，同时根据产品结构合理选择试验机量程及数量。

 

1.2.3 全自动冲击试验机

 

     全自动冲击试验机是在传统冲击试验机的基础上，增加了机械手及全自动保温箱，可实现全自动冲击性能测试。目前，全自动冲击试验机的缺口对中方式有：基于视觉识别的光学对中，其优点是可同时实现缺口对中和试样尺寸测量，并且在接入全自动检验线时，对试样摆放精度及尺寸精度要求低，缺点是对V型缺口的加工精度要求高，V型缺口内的铁屑等可能对缺口的识别造成干扰；V型定位销的机械对中，该方式是通过带有V型定位销的冲击试样架实现的，其优点是长期使用稳定性高，不易受环境干扰，缺点是在接入全自动检验线时，对摆放精度要求高。目前，这两种对中方式均可达到0.1mm的定位精度。

 

2、 不同产品的自动化力学性能测试流程

 

2.1 中厚板及热轧平直板

 

     板材越厚，需要的激光切割功率越大，导致切口宽度和热影响区越宽，切口断面或下表面更易挂渣，影响试样掉落。随着板材厚度的增大，切割时需要的辅助气体纯度越高，成本越高。因此，中厚板普遍采用的切割方案为：对于厚度不大于25mm的试样，采用激光切割，激光器需达到10kW以上功率；对于厚度大于25mm的试样，采用全自动圆盘锯切割，通过机械手进行试样反转及拿取，并接入全自动加工检验线中。

 

2.1.1 试样登记

 

      如果实验室紧邻轧线，可通过传送带将试样直接从产线运输至机械手抓取区域。利用红外扫描仪可判断试样的位置及摆放角度，通过调整机械手的姿态，修正抓取角度，保证机械手能够准确抓取试样。如实验室距离轧线较远，可使用车辆运输试样。生产厂切割的试样按规定的形状、尺寸放在指定规格的试样框内。进行试验时需将试样框放在机械手抓取区域。利用上料机械手上的扫码器扫描试样上的代码，识别标称规格、试样类型、试样方向等信息。利用喷码器喷码、激光打码或纸质打印贴码等方法标识试样上的代码。

 

2.1.2 试样尺寸测量

 

     利用上料机械手将样板抓取至尺寸测量台，通过视觉系统识别试样的长度、宽度，用激光测量试样的厚度等信息。如果试样厚度异常，或长度和宽度无法满足加工要求，利用机械手抓取试样至异常料筐内，并在信息化平台上提示错误信息，后续可由操作人员确认是否调整切割项目，以进行下一步切割作业。

 

     当试样厚度不大于25mm时，利用机械手抓取试样至激光切割加工区；当试样厚度大于25mm时，利用机械手抓取试样至全自动圆盘锯切割加工区。

 

2.1.3 试样分解加工

 

    按照实验室信息管理系统（LIMS）指令中的切割信息，自动匹配预设的切割工艺进行切割。

 

2.1.4 试样分拣及打标

 

     切割后的试样掉落至传送带。为避免因切割不彻底或者边部挂渣而导致试样未掉落，可利用机械手上的施力杆向试样施加向下的力，协助试样掉落。分拣机械手通过视觉系统识别试样类型，抓取试样至打标台，在取样位置的适当区域刻蚀上能够在后续工序识别的标识，并按照检验项目等要求，将试样分类放到不同的试样盒内。试样盒的设计需方便AGV搬运及后续机械手拿取。废样板由上料机械手抓取至废样斗。

 

2.1.5 试样精加工

 

     板状拉伸试样的工艺流程为：AGV转移试样至综合加工中心点位→机械手抓取试样至综合加工中心→试样加工→机械手抓取试样进行尺寸测量、打标距点及标识码→机械手抓取试样至试样框→AGV运输试样至拉伸试验机点位→机械手抓取试样框至待测料架。

 

     圆棒拉伸试样的工艺流程为：AGV转移试样至圆棒试样加工中心点位→机械手抓取试样至圆棒试样加工中心→试样加工→机械手抓取试样进行尺寸测量、打标距点及标识码→机械手抓取试样至试样框→ AGV运输试样至拉伸试验机点位→机械手抓取试样框至待测料架。

 

    厚度不大于20mm冲击试样的工艺流程为：AGV转移试样至冲击加工中心→试样加工→机械手抓取试样进行尺寸测量及打标识码→机械手抓取试样至试样架→ AGV运输试样至冲击试验机点位→机械手抓取试样架至待测料架。

 

    厚度大于20mm冲击试样的工艺流程为：AGV转移试样至减薄圆盘锯点位→机械手抓取试样至减薄圆盘锯减薄→机械手转移试样至冲击加工中心精加工→试样加工→机械手抓取试样进行试样尺寸测量及打标识码→机械手抓取试样至试样架→ AGV运输试样至冲击试验机点位→机械手抓取试样架至待测料架。

 

     弯曲试样的工艺流程为：AGV转移试样至综合加工中心点位→机械手抓取试样至综合加工中心机床→加工→机械手抓取试样进行试样尺寸测量及打标识码→机械手抓取试样至试样框→ AGV运输试样至弯曲试验机点位→机械手抓取试样框至待测料架。

 

     硬度试样的工艺流程为：AGV转移试样至综合加工中心点位→机械手抓取试样至综合加工中心→试样加工→机械手抓取试样进行试样尺寸测量及打标识码→机械手抓取试样至试样框中→ AGV运输试样至硬度试验机点位→机械手抓取试样框至待测料架。

 

     落锤试样的工艺流程为：AGV转移试样至综合加工中心点位→机械手抓取试样至综合加工中心机床→试样加工→机械手抓取试样进行试样尺寸测量及打标识码→机械手抓取试样至试样框中→ AGV运输试样至硬度试验机点位→机械手抓取试样框至待测料架。

 

2.1.6 试验

 

      机械手从待测料架上抓取试样，扫码后进行全自动试验。试验后的废料由机械手抓取至废料框或待回收料框，之后由AGV运输至废钢区进行倾倒，或运输至试样库点位进行后续作业。

 

2.2 冷轧板

 

2.2.1 试样登记

 

     如果实验室紧邻轧线，可通过传送带将试样直接从产线运输至机械手抓取区域。如果实验室距离轧线较远，可使用车辆运输，试样可叠放。

 

      利用上料机械手上的扫码器扫描试样上指定区域的代码，识别标称规格、试样类型、试样方向等信息。需要注意的是，由于冷轧板来料较中厚板来料尺寸大，为提高扫码器的识别准确率，来料样板上的识别码宜统一标记在指定位置。利用喷码器喷码、激光打码或纸质打印贴码等方法标识试样上的代码。

 

2.2.2 试样分张及定位

 

     冷轧板在抓取时存在连张风险，应在机械手上设置分张机构，通过施力杆的敲打进行分张。因来料位置与角度各异，需将试样抓取至样板定位装置上进行试样位置定位，以实现精准切割。采用重力定位，定位装置为倾斜的不锈钢板，底边部有直角型限位装置。

 

2.2.3 试样打标识码并加工

 

     机械手抓取试样至激光切割平台。系统根据前一步的试样识别已确定切割图形及路径，并控制对应试样下方模具上的吸盘工作，确保切割试样稳定。

 

     机械手上的激光刻蚀器在试样切取区域内的合适位置刻蚀上标识码。激光切割器进行切割作业。

 

2.2.4 试样分拣

 

     切割完成后，利用上料机械手的真空吸盘吸走废料板，放置在废料斗内。利用分拣机械手一次性抓取试样，并按检验试样种类分拣至试样盒内。

 

2.2.5 试验

 

     拉伸试样由AGV送至冷轧拉伸试样加工中心，进行平行段精铣后，再由AGV运输至拉伸试验机点位，进行尺寸测量、刻蚀标距点、拉伸试验和数据上传等。其他试样直接由AGV运输至各相应试验机点位，由机械手抓取进行全自动检验。

 

2.3 热轧瓢曲板

 

     热轧瓢曲板因厚度普遍小于25mm，因此在进行试样加工时采用激光切割。其加工检验流程基本与平直板材相同，不同点在于进行热轧瓢曲板加工的激光切割器切割头带有Z向的行程，目前最高为140mm，可贴合钢板弧度进行上下移动。

 

2.4 备样储存

 

     根据需要，建立备样立体储样库。通过AGV和机械手进行备样的运输、储存和调取。

 

3、 板材全自动力学性能测试实验室建设

 

3.1 建立集中式的实验室

 

     目前实验室建设布局分为两种：一种是紧邻轧线建立实验室，这种布局的优点是取样后能够通过传送带将试样实时运输至实验室，测试周期短，缺点是设备人员分散，造成浪费；另一种是在几个产线中间建立集中式的实验室，这种布局的优点是人员、设备配置精简，利用率高，便于人员管理，缺点是需要占用试样运输人力资源，并且测试周期相对较长。笔者推荐集中式实验室布局，因为集中式实验室优化的人力相较试样运输浪费的人力要高出十几倍，且试样人工运输后期可用无人卡车等技术替代。

 

3.2 实验室内部布局

 

     实验室内部布局按照收样区、下料区、精加工区、性能检验区在一楼串联排列分布。二楼建立中控室，二楼除中控室外，其他地方做天井式留空，沿墙壁设置巡检参观通道及行车轨道。废钢区并行建立在加工检验区旁，废钢区的施工要考虑基于AGV物流的智能废钢回收。笔者建议废钢区低于实验室地面开挖，后期通过行车配合电磁吸盘的方式进行废钢清理。

 

3.3 信息化系统建设

 

     为实现测试信息在各工序的流通，笔者建议采取收发电报文的形式进行信息传递。订单质量设计时，由产品设计人员在制造执行系统（MES）中输入测试方法、试样型号、取样方向、测试温度等信息。由MES将所有测试信息下发至LIMS。LIMS将收到的测试信息进行处理、整合，形成电报文式的作业代码指令。各工序通过扫描标识即可自动破译测试信息，执行相应作业。

 

4、 结语

 

     介绍了全自动板材力学性能测试的相关技术、主要设备、检验流程及目前存在的问题，并对智能实验室建设提出了几点建议，研究结果可为无人化、智能化实验室建设提供参考。

 

作者：张康，栾兆亮

 

单位：山东钢铁集团日照有限公司

 

来源：《理化检验-物理分册》2024年第11期