鍛造鋁合金車輪智能制造關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用

丁有望

摘 要：通過實(shí)驗(yàn)獲得了適用于鍛造鋁合金輪轂的表面打標(biāo)工藝參數(shù)，解決了鋁合金輪轂全過程可追溯性的瓶頸，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程中物料流的透明化。結(jié)合工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備互聯(lián)和在線三維尺寸測量技術(shù)，將一個(gè)鍛造鋁合金輪轂的整個(gè)生產(chǎn)過程中的過程數(shù)據(jù)與質(zhì)量數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)并綁定在一起;通過非線性回歸算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合和分析，以獲得最佳系數(shù)，以使模型更接近于實(shí)際生產(chǎn)狀態(tài)：鍛造鋁鋁合金輪轂行業(yè)的智能工廠精益生產(chǎn)提供了有效的方法。

關(guān)鍵詞：激光刻碼;視覺讀碼;數(shù)據(jù)采集;數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)

中圖分類號(hào)：TP99 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

引言

鍛造中心在項(xiàng)目中使用了高科技和智能設(shè)備，例如實(shí)時(shí)在線檢測，激光編碼，可視代碼識(shí)別，數(shù)控設(shè)備，機(jī)器人等。在信息方面，它基于ERP，PLM，MES和其他信息系統(tǒng)進(jìn)行了高度的協(xié)作和集成。熱處理中心提供了核心的智能制造設(shè)備-步進(jìn)式鋁輪熱處理生產(chǎn)線，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)和智能操作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能。在項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的共同努力下，北京機(jī)電學(xué)院有限公司克服了追蹤激光雕刻和熱件讀取的全過程的問題，充分實(shí)現(xiàn)了基于Internet的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集物聯(lián)網(wǎng)，并建立了實(shí)時(shí)生產(chǎn)和敏捷制造。鍛造鋁合金車輪的智能車間軟件系統(tǒng)。

1基于鋁合金表面激光標(biāo)刻的鋁車輪追溯技術(shù)

鍛造鋁合金輪轂經(jīng)過多次處理，從生鋁棒到成品包裝。在鍛件生產(chǎn)領(lǐng)域，鋁輪轂表面打標(biāo)需要考慮高溫條件下的激光熱效應(yīng)參數(shù)，激光壽命等問題;在熱處理區(qū)內(nèi)，工件表面的打標(biāo)受固溶和時(shí)效影響，導(dǎo)致變形，打標(biāo)對(duì)比度差等;在加工區(qū)域中，需要通過虛擬編碼來處理區(qū)域和表面標(biāo)記，以追蹤材料的過程并面臨標(biāo)記等各種困難。因此，為了達(dá)到識(shí)別單個(gè)鍛造鋁合金輪轂全過程的目的，有必要結(jié)合鋁合金的材料特性來研究不同條件下不同的激光加工工藝參數(shù)和鋁合金表面識(shí)別技術(shù)[1]。鋁合金在1064-1070nm波長處的激光吸收率較高，因此選擇激光波長為1064nm的光纖激光器作為鋁合金車輪的在線打標(biāo)設(shè)備。激光電流是影響激光功率的主要因素，電流大小直接影響處理功率。Pm=（I-I0）（αlnf+β）（1）其中：Pm是激光功率，I0是最小激光電流，f是脈沖頻率，并且α和β是匹配常數(shù)。掃描速度是影響鋁合金車輪在線打標(biāo)的重要參數(shù)。當(dāng)功率和脈沖頻率為固定值時(shí)，激光加工的能量效率與掃描速度密切相關(guān)。同時(shí)，由掃描速度和脈沖頻率的耦合形成的脈沖重疊率也對(duì)標(biāo)記的質(zhì)量有很大的影響[2]。激光脈沖的重疊率如公式（2）所示。ηp=（1-vfD）×100%（2）其中：ηp是重疊率，v是掃描速度，f是脈沖頻率，D是光斑直徑。通過對(duì)激光波長，功率，掃描速度和脈沖頻率的上述研究，對(duì)激光打標(biāo)機(jī)的各種工藝參數(shù)進(jìn)行了正交試驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)，在激光波長為1070nm，激光功率為30W，掃描速度為150mm/s，脈沖頻率為20kHz的參數(shù)設(shè)置條件下，鋁合金表面二維碼標(biāo)記的質(zhì)量讀取率高于99.5%。

2鍛造鋁合金車輪三維尺寸在線測量技術(shù)

目前鍛造鋁合金車輪生產(chǎn)線通常依賴人工對(duì)旋壓成形后的工件尺寸進(jìn)行抽檢，由于抽檢頻次較低且難以對(duì)車輪的徑向跳動(dòng)量化，一般要在車輪經(jīng)過固溶、時(shí)效、車削后出現(xiàn)黑皮才能判斷工件的旋壓成形不合格，對(duì)企業(yè)能源產(chǎn)生了較大了浪費(fèi)。

為了更好的對(duì)測量數(shù)據(jù)關(guān)鍵尺寸進(jìn)行自動(dòng)分析，需要將測量坐標(biāo)系與設(shè)計(jì)坐標(biāo)系進(jìn)行對(duì)齊。坐標(biāo)系精確對(duì)齊可分解為2個(gè)步驟：1）初始對(duì)齊。測量坐標(biāo)系與設(shè)計(jì)坐標(biāo)系的初始對(duì)齊關(guān)系可以在自動(dòng)化測量系統(tǒng)安裝后調(diào)試確定。2）精確對(duì)齊。在粗配準(zhǔn)基礎(chǔ)上，采用迭代最近點(diǎn)算法對(duì)測量數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)模進(jìn)行精確對(duì)齊。最終提取數(shù)模對(duì)應(yīng)特征的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析，如圖所示。在鋁合金車輪旋壓工序后對(duì)工件進(jìn)行三維遲，鍛造鋁合金車輪三維尺寸數(shù)據(jù)提取流程寸的在線測量，可以對(duì)超差零件進(jìn)行及時(shí)處理，不進(jìn)入后續(xù)高能耗的熱處理環(huán)節(jié)，有效節(jié)約能源;一旦發(fā)現(xiàn)鍛件的尺寸有缺陷，可快速將信息傳輸至工藝流程的入口處，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行及時(shí)修改，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輪成形工藝的精細(xì)化控制，提高產(chǎn)品合格率[3]。

3基于非線性回歸的鍛造過程預(yù)測方法的研究

3.1基于非線性回歸的建模

判斷鍛造生產(chǎn)過程穩(wěn)定性的最直接指標(biāo)是拍子數(shù)據(jù)，包括從熔爐到機(jī)器人抓取的拍子，鍛造拍子和沖頭拍子。本文將機(jī)器人抓拍拍子定義為從爐子到機(jī)器人抓拍的拍子，與爐子放電后短棒的冷卻時(shí)間呈線性關(guān)系，即T=K（t1-t2）（3）對(duì)于非線性回歸方法分析中的多項(xiàng)式回歸算法，在考慮擬合程度和實(shí)際工作條件的情況下，選擇最適合偽造某些數(shù)據(jù)和建模中變量n的建模方法[4]。自變量的數(shù)量應(yīng)在樣品數(shù)量的多項(xiàng)式回歸以及鍛造前的溫度與爐溫之間的溫差回歸之前確定。應(yīng)確定自變量的數(shù)量。使用MATLAB曲線擬合工具箱的Cruve擬合工具分別模擬n=4，n=5，n=6，n=7，以得到擬合曲線。當(dāng)n=4時(shí)，樣品數(shù)量大于200后，整個(gè)曲線呈下降趨勢，鍛造溫度將越來越接近實(shí)際溫度，不符合鍛造生產(chǎn)邏輯。當(dāng)n=5時(shí)，樣品數(shù)量超過200后，數(shù)據(jù)顯示上升趨勢，并且斜率大，這意味著鍛造過程將顯示不穩(wěn)定趨勢，并且溫差會(huì)變得越來越大，這不會(huì)符合實(shí)際的鍛件生產(chǎn)工藝;當(dāng)n=6時(shí)，更合適，曲線面積穩(wěn)定，可以實(shí)際反映出鍛造過程的趨勢。它可以反映出鍛件生產(chǎn)過程中的復(fù)雜性和不確定性;當(dāng)n=7時(shí)，擬合效果類似于n=5，并且誤差超過n=5時(shí)的誤差。

3.2型號(hào)含義

在公司A的實(shí)際生產(chǎn)條件下，可以通過三個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)來區(qū)分生產(chǎn)條件：預(yù)鍛和預(yù)熱之間的溫差，鍛造節(jié)拍和沖壓節(jié)拍。從數(shù)據(jù)的角度來看，甲公司的鍛造生產(chǎn)過程中有6個(gè)工作條件會(huì)影響節(jié)拍和溫差數(shù)據(jù)。其中：在正常模式下，鍛造周期和沖壓周期都在75s的穩(wěn)定范圍內(nèi)，預(yù)鍛爐與預(yù)熱爐之間的溫差在35℃范圍內(nèi)。第二種模式是多次噴涂或手動(dòng)滅火[5]。這種情況會(huì)增加下一種材料的等待時(shí)間，因此會(huì)增加鍛造前的下一種材料與卸料時(shí)的溫度之間的溫差。第三種情況是預(yù)熱爐人員太慢，即爐子太慢，這會(huì)增加鍛造周期。在第四方式中，在鍛造生產(chǎn)過程中發(fā)生故障并且不拋擲材料。在這種模式下，鍛造周期將太大，而下部鍛造毛坯的溫度在成型之前會(huì)太低。第五種情況是在鍛造過程中有拋出，例如不合格的鍛造形狀，機(jī)器人掉落（這種情況極少發(fā)生）;根據(jù)第五種情況，該部分將不會(huì)有打音。第六種情況是沖壓生產(chǎn)線的故障，包括沖壓機(jī)故障，R2機(jī)械手故障和雕刻機(jī)故障。在這種模式下，打孔周期會(huì)太大;這種設(shè)計(jì)中的鍛造周期不會(huì)抵消沖壓周期，節(jié)拍產(chǎn)生影響。

結(jié)語

隨著國家節(jié)能和新能源汽車產(chǎn)業(yè)政策的實(shí)施，汽車制造商對(duì)輕量化零部件的需求急劇增加。特別地，鍛造鋁合金輪轂不僅具有重量輕的優(yōu)點(diǎn)，而且具有更致密的金相組織和更好的機(jī)械性能。因此，國內(nèi)鋁合金鍛造輪轂企業(yè)正在以前所未有的速度發(fā)展，產(chǎn)品的市場競爭越來越激烈，企業(yè)面臨的壓力越來越大。如何通過智能制造提高生產(chǎn)效率，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本是每個(gè)企業(yè)都亟待解決的問題。

參考文獻(xiàn)

[1] 凌云漢.鍛造鋁合金車輪單件全流程質(zhì)量追溯系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].機(jī)械科學(xué)研究總院，2018.

[2] 王丹晨.鋁合金車輪鍛造工藝及質(zhì)量控制技術(shù)研究[D].機(jī)械科學(xué)研究總院，2018.

[3] 趙鐵石.鍛造鋁合金商用車車輪的設(shè)計(jì)、仿真與開發(fā)[D].燕山大學(xué)，2017.

[4] 王璐雯.鍛造鋁合金車輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].燕山大學(xué)，2012.

[5] 高軍，趙國群.整體式鍛造鋁合金車輪及其發(fā)展[J].汽車工藝與材料，2001（05）：14-16.