代坤义 唐伟 李向东 李继园 罗浪

摘要：针对金属材料试样加工费时费力、样件不成套、质量稳定性不高、成本费用高、且制样现场管理难度大的现状，设计开发了金属材料智能制样系统，该金属材料智能制样系统成功设计并应用在金属材料试样加工领域，能够减少人工成本、降低劳动强度、提高工作效率，提高试样加工合格率，提高经济效率，可广泛应用推广，显著提高了试样加工领域专用设备的整体制造水平和自主研发能力。简要介绍了该智能制样系统的设计思路及主要特点，并指出了下一步需要改进的问题。

关键词：智能制样;关节机器人;金属材料;管理创新;高速高效

引言

在“中国制造2025”规划的实施，在“互联网+”、大数据和云计算等现代移动技术的支撑下，智能化管理系统正在逐步成为金属材料制样领域的需求[1]。针对金属材料试样加工费时费力、样件不成套、质量稳定性不高、成本费用高、且制样现场管理难度大的现状，基于此，以信息化为指导，引入智能制造管理理念，自主研制金属材料制样系统，采用关节机器人来完成上下料，并通过智能控制装置来实现试样加工，实时进行分析并计算出优化后的工作参数，将所述优化后的工作参数通过相应模块反馈给操作人员，保证了制样系统高速、高精度、高效率运行，彻底改变了传统制样现场铁屑多、样件不成套、信息不准确、测量记录繁杂等管理突出问题。

1 国内外研究现状

1.1国外现状分

国外以材料机械加工为主的机床制造企业发展较早，但在金属材料制样领域还处于空白状态，目前未见相关设备联动、集成的自动化、智能化研究。当前前国外以材料机械加工为主的机床制造企业已基本完成了从劳动密集型向技术密集型和自动化转型升级。机器人、自动化生产线等智能装备在生产中得到广泛应用，“机器换人”已经成为企业提高生产效率、提高过程质量控制能力和降低人力成本的重要手段。综合而言，国外相关研究多集中于金属材料零件生产过程中问题的解决，包括机床性能优化、硬件改进、机床的組合以及机加工序的智能化， 但在金属材料制样领域还未见相关设备联动、集成的自动化、智能化研究[ 2 ]。

1.2 国内现状分析

国内起步较晚，由于缺乏管理创新和相应技术创新，与国外还存在着一定差距。近年来，常见的金属材料制样加工设备大多为采用锯床、车床、磨床、铣床、刨床等设备所组成的生产线不仅费时费力，而且对产品的质量稳定性方面也难以保证。管理创新不足、加工成本高昂等问题严重制约着行业的持续发展。2005年，周军等人提出复合加工机床的管理理念，为机械加工领域由单机管理向复合管理提供了理论基础。2009年，为了解决凸轮轴的磨削加工过程中被控对象的不确定性以及常规的控制系统适应性差、控制精度低的缺点，王涛、韩秋实等人建立了基于神经网络的数控车磨复合管理模型。2014年，张志巍等人结合试样加工、试样标识，提出了建立自动化力学性能实验室的设想[3]。2016年，齐齐哈尔华工机床股份公司结合GB/T228—2007、GB/T 229—2007标准对“棒材拉伸、冲击试样制取”的要求，开发了棒材拉伸与冲击试样一体加工的车铣复合机床，便于统一管理。总的来讲，国内试样机械加工管理的自动化和智能化程度还相对较低。

2 智能制样管理系统需求分析

金属材料由于具有优异的综合力学和理化性能，是人类社会发展中最重要的结构材料，有着强大的市场空间。国家统计局数据显示，2018年我国金属材料市场成交额达19838.4亿元，同比增长0.34%。力学性能作为金属材料非常重要的指标，几乎是所有金属材料检验检测都必须测定的数据，在金属材料领域，每年需要制备的试样数量极其庞大，据不完全统计，每年的制样需求约为7000万件。该智能管理系统可以广泛运用于涉及金属材料的行业，如航空航天、军用武器、核电、钢铁冶金、机械制造、汽车生产、电线电缆、商检仲裁等行业，高等院校、科研试验所、企业等各类性质单位，应用前景巨大。制样管理智能化是当前发展的趋势，各行各业有着急切的市场需求。

3 实施方案

本智能化管理系统方案设计如下：该智能化管理系统基于PDPS软件仿真技术开发，利用机器人及自动化设备建模来分析金属材料的加工节拍，各个模块发出加工信号，机器人自动完成对该模块的上下料。包括激光自动打码，关节机器人自动分、捡、装、夹材料，传输装置传送至试样加工装置加工试样，并通过系统中的智能控制装置来扫描试样，检测试样的数据（包括：圆柱中心尺寸、螺纹、V型槽深度尺寸、缺口及表面粗糙度），自动判定试样是否加工合格，分析数据并优化参数，弃样暂存，机器人自动下料装箱。该管理系统装有故障报警监控，在快要“超差”时，提前自动反馈给工作人员，确保刀具等耗材的及时更换。

4实施效果

航天江南所属航天新力公司自主设计的智能化管理系统投入使用，实现了金属材料试样加工自动化、智能化、标准化的管理模式，相关管理创新取得关键性突破，打造了国内首套金属材料的制样智能管理系统。

该管理系统包含关节机器人、试样加工装置、故障报警装置及智能控制装置等核心部件，保证了制样系统高速、高精度的运行。1min内就能自动检测试样所有几何尺寸，且检测精度在0.01mm以内。整个试样加工过程采用一键式操作，自动采集控制、自动分析处理、自动输出检测结果，无需人工干预，智能制样管理系统比传统人工制样效率提高了10倍。

在金属材料的制样领域，传统设备所组成的试样加工生产线不仅费时费力，而且对试样的质量稳定性方面也难以保证。技术创新不足、加工成本高昂等问题严重制约着行业的持续发展。该管理系统的成功开发，有效简化了以往结构，并且提高了试样加工质量。试样加工的合格率可提升50%以上，降低用人成本30%以上。目前，该制样管理系统已获得国家专利，并在公司内部进行推广应用，可实现全自动无人值守制样，减少人为因素影响，应用前景广阔。

参考文献

[1]冯圆 . 经济新常态下的成本管理创新研究 [J]. 新会计 ，2015（11）.

[ 2] 虞行国.国内外复合车铣加工中心典型机综述[J].金属加工，2012（16）：7

[ 3] 张志巍.全自动力学性能实验室建立设想[J]. 物理测试，2014，32（3）：59.