精密銅管拉拔智能化配模系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110159；2. 中國科學(xué)院金屬研究所師昌緒材料創(chuàng)新中心，遼寧 沈陽 110016；3. 東方潤安集團(tuán)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(guī)模應(yīng)用，我國銅管產(chǎn)量保持世界第一。然而，隨著行業(yè)的發(fā)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(fā)展[1-2］。傳統(tǒng)銅管拉拔工序具有道次多、管材尺寸型號(hào)多、生產(chǎn)節(jié)拍快、模具多等特點(diǎn)，配模工藝極度依賴工人的經(jīng)驗(yàn)和操作熟悉程度。目前，對(duì)模具的管理主要通過Excel表格等方式，模具的實(shí)際尺寸和表面磨損狀態(tài)難以跟蹤和實(shí)時(shí)更新。因此，現(xiàn)有的人工配模和數(shù)據(jù)管理方式難以滿足精密銅管高效、高質(zhì)量拉拔工藝的要求。模具庫的智能化配模系統(tǒng)有利于提高企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營效率，降低員工培訓(xùn)成本，但是目前還沒有拉拔配模的專門系統(tǒng)，因此開發(fā)拉拔配模智能系統(tǒng)非常有必要。

針對(duì)以上問題，專門開發(fā)了拉拔配模的智能化系統(tǒng)，通過Spring Boot+Vue+Hibernate的架構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)智能化配模系統(tǒng)的搭建。智能化系統(tǒng)以雙遞減拉拔算法作為理論計(jì)算的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了專門的系統(tǒng)架構(gòu)，按照業(yè)務(wù)需求選擇模具并自動(dòng)計(jì)算，根據(jù)借、還登記信息等更新模具在數(shù)據(jù)庫中的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大量拉拔配模數(shù)據(jù)的自動(dòng)管理，保障了銅管拉拔配模系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)，此系統(tǒng)又為優(yōu)化配模算法保留空間，使生產(chǎn)質(zhì)量得到保證，并能根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)狀況靈活調(diào)整[3］。拉拔模具庫智能化信息管理系統(tǒng)作為銅管生產(chǎn)智能化的一部分，是對(duì)銅管拉拔成型工序的智能化升級(jí)，有望推進(jìn)精密銅管生產(chǎn)的智能化。

2 主要研究內(nèi)容

拉拔模具庫智能化信息管理系統(tǒng)的開發(fā)目標(biāo)是提供面向生產(chǎn)的智能信息化解決方案，升級(jí)模具庫管理模式，將模具流動(dòng)信息與拉拔生產(chǎn)決策方法等信息有效集成，有利于對(duì)模具的信息狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測與追蹤，方便清點(diǎn)模具，提高配模效率，有利于配模操作并檢驗(yàn)可行性，有利于保證管材的拉拔質(zhì)量，同時(shí)減少人工誤差。針對(duì)以上目標(biāo)，本文研究內(nèi)容主要包括智能配模系統(tǒng)的前后端分離架構(gòu)設(shè)計(jì)、前端架構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)，以及外模和游芯管理模塊、配模工作臺(tái)模塊、借模登記表和歸還登記表四個(gè)主要模塊的設(shè)計(jì)和代碼實(shí)現(xiàn)。合理運(yùn)用前后端分離工程技術(shù)并與拉拔理論算法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程控制的最優(yōu)化、管理結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化。

3 架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

精密銅管拉拔智能化配模系統(tǒng)基于Java和JavaScript語言進(jìn)行開發(fā)，合理運(yùn)用前后端分離工程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)集拉拔配模、模塊管理、模具領(lǐng)用與歸還等功能于一體。系統(tǒng)的整體框架設(shè)計(jì)思路如圖1所示。運(yùn)用Vue(Vue.js）構(gòu)建Web 界面的漸進(jìn)式框架SSR（Server Side Rendering）、Spring Boot框架的MVC（Model View Controller）開發(fā)模式、Hibernate技術(shù)和拉拔理論計(jì)算方法相結(jié)合的方式，滿足拉拔模具配模操作的智能化，實(shí)現(xiàn)配模信息和模具庫的集中管理，即實(shí)現(xiàn)信息化的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)管理。

Java三層架構(gòu)中的表現(xiàn)層運(yùn)用Spring Boot架構(gòu)[4］，實(shí)現(xiàn)了Web展示中MVC思想的開發(fā)框架，三層架構(gòu)中的另外兩層將業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)進(jìn)行分離，前端通過JSON傳值，后端接收并在Java三層架構(gòu)中的業(yè)務(wù)層進(jìn)行處理，業(yè)務(wù)層處理完畢傳遞給數(shù)據(jù)庫訪問，通過DAO（Data Access Object）接口生成SQL語句對(duì)數(shù)據(jù)庫中的模具信息進(jìn)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(fù)責(zé)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(jìn)行雙遞減計(jì)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(shí)，根據(jù)模具信息對(duì)模具尺寸進(jìn)行調(diào)整并觸發(fā)結(jié)果檢驗(yàn)界面，對(duì)方案可行性進(jìn)行檢驗(yàn)，配模結(jié)束后進(jìn)行配模登記并保存到數(shù)據(jù)庫中以便隨時(shí)調(diào)用查看。

后端除了運(yùn)用Java三層架構(gòu)還運(yùn)用了Hibernate數(shù)據(jù)庫架構(gòu)[5］。Hibernate具備強(qiáng)大的映射結(jié)構(gòu)和HQL（Hibernate Query Language）語言，大大降低了對(duì)象與數(shù)據(jù)庫(oracle、mysql等)的耦合性，業(yè)務(wù)層接收到修改模具庫數(shù)據(jù)的指令后傳遞給數(shù)據(jù)訪問層，Hibernate根據(jù)指示自動(dòng)封裝MySQL數(shù)據(jù)庫可識(shí)別的SQL語句，修改調(diào)整數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)并保存。

此系統(tǒng)選用Vue編寫的程序作為客戶端界面，后端業(yè)務(wù)處理完畢后將值返回前端并配合Vue.js[6］中的SSR服務(wù)器端把拉拔部分各個(gè)操作模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、內(nèi)容樣式和數(shù)據(jù)展示渲染完成，最后將它們直接發(fā)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(yè)生產(chǎn)線只有初始壁厚1.35 mm、初始管材外徑Φ30 mm這一種規(guī)格，因此在盤拉過程中，銅管需要經(jīng)過多道次拉拔工序，銅管壁厚和管材外徑會(huì)隨著道次的增加而遞減，最后一道次達(dá)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(shù)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(shù)計(jì)算方法相同，具體如下所示：

式中，λ∑為兩次退火總延伸系數(shù)，對(duì)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(shù);為平均道次延伸系數(shù)（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(jì)算，還適用于棒線材的冷拔工藝計(jì)算，是企業(yè)常參考應(yīng)用的計(jì)算方法[9］。因此，在配模模塊中加入了雙遞減法計(jì)算理論道次，理論計(jì)算如下：

拉拔次數(shù)四舍五入取整后，可得到實(shí)際的平均道次延伸系數(shù)：

式中，λD為外徑平均道次延伸系數(shù)；λS為壁厚道次延伸系數(shù)。

各道次外徑減縮系數(shù)及壁厚減縮系數(shù)：

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

表2 增量系數(shù)Δλ

管材各道次壁厚和外徑

管材壁厚計(jì)算公式：

計(jì)算第一道次時(shí)進(jìn)行修正：

式中，ΔS為管材允許的最大壁厚偏差

管材外徑計(jì)算公式：

4 主要模塊與功能

模具庫的智能化配模系統(tǒng)包括四個(gè)模塊：拉拔模具庫管理、拉拔配模工作臺(tái)、拉拔模具領(lǐng)用登記和拉拔模具歸還表。這四個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)了所有數(shù)據(jù)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(hào)及其相對(duì)應(yīng)的尺寸，管理員可對(duì)庫存中的內(nèi)容進(jìn)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(fā)“搜索”鍵就能反饋五個(gè)最相近尺寸的模具信息。由于平時(shí)生產(chǎn)模具會(huì)有磨損甚至報(bào)廢，磨損的模具歸還模具庫后，需要打磨拋光后重新入庫，報(bào)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(hào)，然后對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)及信息的更新處理，再重新存儲(chǔ)，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(tái)，操作界面如圖3所示，根據(jù)理論算法并結(jié)合實(shí)際庫存調(diào)整每道次外模和游芯尺寸，再根據(jù)算法檢驗(yàn)調(diào)整過后的模具是否能夠用于生產(chǎn)。下面以第一行數(shù)據(jù)為初始計(jì)算值為例進(jìn)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(biāo)左鍵點(diǎn)擊操作里的“查看配模結(jié)果”鍵，系統(tǒng)經(jīng)過計(jì)算給出配模結(jié)果。

圖3 拉拔配模工作臺(tái)操作界面

配模結(jié)果如圖4所示，前三列為根據(jù)雙遞減算法計(jì)算出的道次數(shù)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(shí)際可匹配出的尺寸,首先默認(rèn)顯示的值為數(shù)據(jù)庫中匹配到與理論值最小差值的模具，相關(guān)尺寸可以根據(jù)需要進(jìn)行更改，根據(jù)模塊中內(nèi)嵌隨動(dòng)算法，游芯小頭直徑隨著外模內(nèi)徑尺寸的變動(dòng)自動(dòng)計(jì)算更新。

圖4 配模結(jié)果操作界面

若選用模具可點(diǎn)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(huì)自動(dòng)查詢出庫存中與Φ5 mm相差最小的五個(gè)模具信息，點(diǎn)擊“搜索”按鈕就會(huì)顯示這五個(gè)模具的具體信息。當(dāng)實(shí)際庫存中不存在與理論值相同的模具時(shí)，可在得到理論值后，根據(jù)模具的實(shí)際庫存，手動(dòng)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(dòng)“檢驗(yàn)結(jié)果”的功能鍵，其檢驗(yàn)界面如圖6所示。界面上的減徑量、減壁量、延伸系數(shù)、間隙和理論大徑都有各自的現(xiàn)場使用算法，這些數(shù)據(jù)會(huì)隨著修改后的每道次模具尺寸實(shí)時(shí)更新。根據(jù)配模結(jié)果，界面的“檢驗(yàn)結(jié)果”鍵觸發(fā)生成的彈框可判斷減徑量和減壁量是否滿足遞減規(guī)律，如不滿足，返回配模結(jié)果操作界面進(jìn)行調(diào)整。

圖6 檢驗(yàn)結(jié)果配模彈框

4.3 拉拔模具領(lǐng)用和歸還模塊

拉拔模具領(lǐng)用登記表（如圖7所示）和拉拔模具歸還表可代替企業(yè)紙質(zhì)表，采用MySQL數(shù)據(jù)庫將登記的內(nèi)容實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。根據(jù)模具ID號(hào)，將已經(jīng)領(lǐng)用登記的模具狀態(tài)信息自動(dòng)更新到數(shù)據(jù)庫，模具狀態(tài)在外模庫中顯示為“正在生產(chǎn)”。拉拔模具領(lǐng)用和歸還表模塊實(shí)現(xiàn)了信息化工作，節(jié)省查詢時(shí)間，避免了不必要的人工失誤。

圖7 拉拔模具領(lǐng)用登記

5 結(jié)束語

本文通過Spring Boot、Hibernate和Vue技術(shù)框架為系統(tǒng)的編寫提供了技術(shù)支持，內(nèi)嵌拉拔算法為系統(tǒng)提供了科學(xué)支持。通過外模和游芯管理模塊、配模工作臺(tái)模塊、借模登記表和歸還登記表四個(gè)主要模塊實(shí)現(xiàn)技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)。模具庫的智能化配模系統(tǒng)能夠快速計(jì)算出可用于生產(chǎn)的模具信息，并且在客戶端頁面操作即可。配模過程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)、模具使用后的狀態(tài)信息也會(huì)更新并保存到數(shù)據(jù)庫。配模系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了模具庫調(diào)度信息化、模具分配科學(xué)化，提高了企業(yè)管理效率。該系統(tǒng)優(yōu)化了企業(yè)管理結(jié)構(gòu)，提高了生產(chǎn)效率，降低了企業(yè)培養(yǎng)員工的成本。智能化系統(tǒng)的建設(shè)保障了工藝流程運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性，進(jìn)而保障了生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。