鋁合金鑄造工藝過程在線檢測技術(shù)的應用研究

劉 泉，黃 斌，胡 興，李志娟

（湖南航天天麓新材料檢測有限責任公司，湖南 長沙 410600）

在經(jīng)濟轉(zhuǎn)型過程中，鑄造產(chǎn)業(yè)無疑將繼續(xù)發(fā)揮基礎(chǔ)性的作用。近年來，國外鑄造產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展朝著自動化、智能化、信息化邁進。越來越多的鑄造企業(yè)開始大量引進自動化生產(chǎn)設備、技術(shù)，部分鑄造企業(yè)已經(jīng)開始建設“數(shù)字化鑄造廠”或“智能鑄造車間”，并陸續(xù)投產(chǎn)使用，這些都給鑄造行業(yè)傳遞了一個發(fā)展趨勢：智能化方式進行生產(chǎn)正在逐步取代傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式。

在科學技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展的推動下，工業(yè)零部件的檢測技術(shù)也得到了迅速發(fā)展，尤其是近些年，在傳統(tǒng)檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上，不斷地有新的檢測原理和方法涌現(xiàn)，結(jié)合自動化、智能化和流程化等手段，各類先進檢測技術(shù)和儀器開發(fā)出來，并成功應用到生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了零部件制造過程質(zhì)量控制關(guān)鍵參數(shù)以及工藝過程參數(shù)的在線檢測、控制，達到提升產(chǎn)品生產(chǎn)效率和質(zhì)量的目標。

鋁合金高端結(jié)構(gòu)鑄件的生產(chǎn)工序繁雜、流程長，任何一道工序質(zhì)量和作業(yè)環(huán)境都會影響鑄件的質(zhì)量，因此，有必要對每一道工序進行相關(guān)的實時檢測與反饋分析，從而確保鑄件生產(chǎn)質(zhì)量的穩(wěn)定。比如在鋁合金鑄造熔煉過程，首先需要對對金屬液中Al、Mn、Mg、Ti、Fe、Si等元素進行在線檢測分析，判定各元素化學成分是否合格，若檢測合格，溶體進入后續(xù)工序，若判定不合格，則需及時調(diào)整化學成分直至滿足要求。其次，鋁合金熔煉過程中需要對溶體中含氫量進行控制，對鋁合金溶體含氫量進行在線檢測，判定含氫量是否超標，決定是否需要進行二次除氣精煉。同時，熔煉及澆注過程中鋁合金液的溫度亦需要在線監(jiān)測來控制和保證金屬液質(zhì)量。但由于現(xiàn)有鑄件生產(chǎn)過程的檢測技術(shù)和裝備的原因，目前尚無法做到實時快速檢測以及對檢測數(shù)據(jù)實現(xiàn)深度的挖掘利用。

基于實時在線檢測技術(shù)，獲取鑄造工藝過程第一手數(shù)據(jù)及信息，并結(jié)合大數(shù)據(jù)分析，反過來指導和提升產(chǎn)品的優(yōu)化設計與仿真、結(jié)構(gòu)計算與分析、材料的基因，從而形成制造過程改進閉環(huán)控制調(diào)節(jié)，對鑄件產(chǎn)品質(zhì)量控制及提升至關(guān)重要。

1 方案概述

1.1 總體框架

鋁合金鑄造工藝過程在線檢測系統(tǒng)以生產(chǎn)高質(zhì)量要求的鋁合金鑄件產(chǎn)品為目標，在現(xiàn)有生產(chǎn)制造設備的基礎(chǔ)上，以模塊化方式布置相應在線檢測環(huán)節(jié)，實現(xiàn)原材料成分、熔煉過程及工藝參數(shù)、混砂過程型砂成分及性能、鑄造充型澆注過程仿真對標參數(shù)、鑄件及模具外形尺寸、鑄件表面缺陷、鑄件內(nèi)部缺陷、鑄件性能參數(shù)、生產(chǎn)過程環(huán)境溫濕度等在線檢測功能，構(gòu)建完整的全工藝過程在線檢測系統(tǒng)。結(jié)合先進的質(zhì)量管理與數(shù)據(jù)分析軟件，實現(xiàn)生產(chǎn)制造工藝數(shù)據(jù)以及在線檢測數(shù)據(jù)信息化管理與實時反饋分析，實現(xiàn)生產(chǎn)要素及時判定，實現(xiàn)生產(chǎn)過程可視化監(jiān)控。

1.2 技術(shù)方案

1.2.1 在線檢測模塊

在線檢測模塊是系統(tǒng)的核心，聚焦鋁合金鑄造全過程零件表面缺陷、材料結(jié)構(gòu)缺陷、主要化學元素在線檢測需求，研究磁粉無損在線檢測、三維激光掃描、自動在線測厚、X射線成像無損在線檢測、近紅外光譜檢測、X射線熒光光譜分析、機器視覺在線檢測、在線晶體結(jié)構(gòu)物相及應力檢測、全自動化化學成分在線檢測等關(guān)鍵技術(shù)應用。以工部檢測方式，針對生產(chǎn)過程每個工序的檢測需求，梳理為完整的在線檢測環(huán)節(jié)，采用模塊化的設計理念，將每一種在線檢測技術(shù)及設備設計為鑄造工藝過程的一個工位，如主要化學成分在線檢測工位模塊、表面缺陷在線檢測工位模塊、材料結(jié)構(gòu)缺陷在線檢測工位模塊等等，嵌入式設計各在線檢測分系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)上各分系統(tǒng)分體化、模塊化設計，結(jié)合生產(chǎn)線進行合理布局，在各分系統(tǒng)分別設置數(shù)據(jù)傳輸與控制程序擴展接口，通過各模塊的高效集成與深度融合，實現(xiàn)了系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)一體化。

1.2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

鋁合金鑄造工藝過程數(shù)據(jù)采集包含五個部分：生產(chǎn)制造過程的各個在線檢測環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)采集，同時應用具備移動檢測和移動通信功能的“移動檢測模塊”，如便攜式的自動識別、在線檢測、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，與各工位模塊配合，彌補不足之處；生產(chǎn)區(qū)域環(huán)境溫濕度參數(shù)采集實現(xiàn)鑄造工藝過程環(huán)境的監(jiān)測，實時監(jiān)測鑄造生產(chǎn)現(xiàn)場的溫濕度等現(xiàn)場數(shù)據(jù)對控制鑄件的生產(chǎn)質(zhì)量也是非常重要；生產(chǎn)制造設備參數(shù)采集實現(xiàn)鑄造工藝生產(chǎn)線設備的參數(shù)、運行狀態(tài)的監(jiān)測；智能傳感器數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)鑄造工藝過程其他關(guān)鍵點的在線監(jiān)測需求；整機自動控制數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)鑄造工藝過程生產(chǎn)制造設備與在線檢測模塊的聯(lián)動控制與調(diào)節(jié)。

圖1 總體框架圖示

通過對鑄造工藝過程在線檢測模塊與制造過程設備的集成，構(gòu)建在線檢測系統(tǒng)的通訊構(gòu)架，各個在線檢測環(huán)節(jié)（在線檢測設備）或生產(chǎn)制造設備（條碼打印和讀取設備、表面清潔等前處理設備、加工中心、操控顯示屏、運動控制設備等）具備互聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)卡功能，形成星型布局的LAN網(wǎng)絡。采用工業(yè)級的交換機通過主控工控機(PLC或者IPC)與監(jiān)控層的服務器通信，所產(chǎn)生的檢測數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)與業(yè)務數(shù)據(jù)一起，可與上層的生產(chǎn)制造系統(tǒng)MES和企業(yè)資源規(guī)劃管理系統(tǒng)ERP等相接。

鋁合金鑄造過程中表征產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵質(zhì)量指標（零件表面缺陷、材料結(jié)構(gòu)缺陷、主要化學元素）和影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵過程參數(shù)（人、機、料、法、環(huán)、測）進行集成、統(tǒng)計、分析，為制造過程工藝優(yōu)化、設計優(yōu)化提供數(shù)據(jù)參考。

1.2.3 自動控制模塊

主要體現(xiàn)在鑄造工藝過程生產(chǎn)線自動化、智能化改造；工具、原材料、零部件以及標樣倉庫，通過數(shù)據(jù)庫進行管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在線化；配置必要的檢測預處理工序或環(huán)節(jié)。

1.2.4 在線檢測軟件

鋁合金鑄造工藝過程在線檢測系統(tǒng)軟件在完成鋁鎂合金鑄造工藝過程數(shù)據(jù)的采集、傳輸?shù)幕A(chǔ)上，結(jié)合先進的質(zhì)量管理理念所研發(fā)，包括鑄造工藝全過程數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)處理與分析、制造過程自動化控制程序、可視化管理、文檔管理、檢測業(yè)務流程管理等功能，輸出分析數(shù)據(jù)至制造參數(shù)反饋優(yōu)化調(diào)節(jié)模塊；中央顯示屏實時顯示整個工藝過程制造設備、環(huán)境參數(shù)以及在線檢測信息；單位鑄造工藝過程質(zhì)量管理平臺整合單位所有鑄造工藝生產(chǎn)線，并與MES、ERP以及更高級層的管理系統(tǒng)實現(xiàn)互聯(lián)，建立單位鑄造工藝過程數(shù)據(jù)管理平臺，最終以系統(tǒng)集成的方式，整合單位各鑄造工藝過程的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)單位級質(zhì)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、分析。

2 實施路徑探索

（1）第一階段，構(gòu)建基于智能制造模式的鋁合金鑄造全過程在線檢測硬件系統(tǒng)架構(gòu)，零件表面缺陷、材料結(jié)構(gòu)缺陷、主要化學元素在線檢測模塊上線應用，初步實現(xiàn)軟件信息系統(tǒng)的搭建，通過對在線檢測數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊、工藝過程數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊、自動控制模塊以及智能傳感器模塊的研制開發(fā)，完成典型鑄造工藝過程數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理與分析，通過綜合分析評估，反饋并修正工藝參數(shù)，實現(xiàn)鑄件生產(chǎn)制造、在線檢測、工藝優(yōu)化以及質(zhì)量提升的閉環(huán)控制，減少成品件的缺陷數(shù)。

（2）第二階段，研究在線檢測系統(tǒng)與上層的生產(chǎn)制造系統(tǒng)MES和企業(yè)資源規(guī)劃管理系統(tǒng)ERP等相接，構(gòu)建中央控制展示系統(tǒng)，實現(xiàn)典型鑄造工藝過程在線檢測數(shù)據(jù)、關(guān)鍵設備參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等的在線監(jiān)測、控制與展示。構(gòu)建在線檢測關(guān)鍵控制點專家系統(tǒng)技術(shù)應用基礎(chǔ)，完善軟件信息系統(tǒng)，初步建立單位級鑄造工藝過程在線檢測數(shù)據(jù)管理平臺。

（3）第三階段，研究將實時檢測評定標準納入軟件信息系統(tǒng)，使其具有人工智能的自動識別和自學習功能；最終系統(tǒng)集成的方式，整合單位各鑄造工藝過程的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)單位級質(zhì)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、分析，為單位產(chǎn)品質(zhì)量控制提供數(shù)據(jù)支持。

3 結(jié)語

本文提出鋁合金鑄造工藝全過程在線檢測技術(shù)的應用研究，通過對鋁合金鑄造工藝過程在線檢測總體框架設計、技術(shù)方案分析以及實施路徑探索，為鑄造工藝過程質(zhì)量控制提供了有效方法，鑄造過程檢測環(huán)節(jié)的數(shù)字化、信息化以及智能化，鑄造過程工藝特性信息以及質(zhì)量缺陷數(shù)據(jù)的管理與分析并反饋至鑄造生產(chǎn)現(xiàn)場，使得鑄造各工藝流程參數(shù)得到及時調(diào)整與優(yōu)化，有助于減少人為因素引起的產(chǎn)品質(zhì)量問題，提升產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性，提高了生產(chǎn)效率，本文技術(shù)方案中提出的集成、開放式軟件信息系統(tǒng)，與單位其他信息化軟件實現(xiàn)互聯(lián)互通，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源共享，提升了單位質(zhì)量和管理水平。