直縫焊管用軋輥虛擬制造技術(shù)

曹?chē)?guó)富

（廣東省江門(mén)市儉美實(shí)業(yè)有限公司，廣東 江門(mén)529000）

直縫焊管用軋輥虛擬制造技術(shù)

曹?chē)?guó)富

（廣東省江門(mén)市儉美實(shí)業(yè)有限公司，廣東 江門(mén)529000）

為了使焊管生產(chǎn)滿(mǎn)足多元化的市場(chǎng)需求，提高焊管生產(chǎn)效率、降低制造成本，提出了軋輥虛擬制造技術(shù)，分析了焊管用軋輥虛擬制造技術(shù)的特點(diǎn)、體系結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)以及與軋輥實(shí)際制造的關(guān)系，指出該技術(shù)與實(shí)際焊管生產(chǎn)相結(jié)合，能以較短的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品質(zhì)量、較好的技術(shù)支持與售后服務(wù)和低廉的制造成本設(shè)計(jì)出軋輥，從而滿(mǎn)足焊管生產(chǎn)中對(duì)不同規(guī)格、形狀軋制的需求。軋輥虛擬制造技術(shù)的成果轉(zhuǎn)化將給焊管生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)管理注入新的活力，更好地服務(wù)于焊管生產(chǎn)。

焊管；軋輥；虛擬制造；孔型設(shè)計(jì)；關(guān)鍵技術(shù)

1 軋輥虛擬制造技術(shù)

1.1 軋輥虛擬制造技術(shù)簡(jiǎn)介

軋輥虛擬制造技術(shù)是指在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及虛擬環(huán)境中，利用制造系統(tǒng)各層次和不同側(cè)面的數(shù)學(xué)模型，對(duì)包括軋輥孔型設(shè)計(jì)、制造、使用與管理等各個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)方案和技術(shù)策略進(jìn)行模擬、評(píng)估與優(yōu)化的綜合過(guò)程。以高逼真度仿真軋輥形成和軋輥工作過(guò)程為特色，來(lái)建立與軋輥相關(guān)的各種模型。

1.1.1 軋輥虛擬制造技術(shù)的四種模型

（1）建立用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言表示的軋輥參數(shù)、孔型參數(shù)、設(shè)備參數(shù)、管坯參數(shù)等產(chǎn)品模型，實(shí)現(xiàn)只需將所要開(kāi)發(fā)的焊管斷面形狀輸入計(jì)算機(jī)，就能自動(dòng)生成該焊管用的各道次軋輥孔型。

（2）建立與軋輥有關(guān)的孔型設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、加工制造、裝配拆卸以及性能分析的各種過(guò)程模型。

（3）建立與企業(yè)生產(chǎn)組織和軋輥銷(xiāo)售有關(guān)的活動(dòng)模型。

（4）建立與軋輥制造如鍛坯、熱處理、精加工企業(yè)的人力、物力和財(cái)力資源模型。

1.1.2 軋輥虛擬制造技術(shù)中的高逼真度仿真

將仿真技術(shù)引入軋輥孔型設(shè)計(jì)模型，提供軋輥與變形管坯成型過(guò)程的虛擬環(huán)境，并對(duì)仿真過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，使焊管用軋輥孔型更加符合焊管坯變形規(guī)律和生產(chǎn)實(shí)際的需要。

1.2 軋輥虛擬制造技術(shù)的特點(diǎn)

1.2.1 高度集成

將軋輥孔型設(shè)計(jì)、孔型優(yōu)化、孔型應(yīng)用等集成在由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的一個(gè)虛擬環(huán)境中，并在這個(gè)虛擬環(huán)境中利用與軋輥有關(guān)的虛擬模型進(jìn)行虛擬軋輥制造、加工和測(cè)試；同時(shí)，根據(jù)軋輥孔型設(shè)計(jì)具有理論與經(jīng)驗(yàn)并重的特征，甚至可以邀請(qǐng)用戶(hù)、售后、焊管操作工以及其他技術(shù)人員一起“進(jìn)入”虛擬制造環(huán)境中，對(duì)軋輥提出修改和優(yōu)化建議?？蓪⒋罅俊爱a(chǎn)成品”——軋輥設(shè)計(jì)方案存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，隨時(shí)根據(jù)市場(chǎng)需要投入生產(chǎn)，可大幅縮短復(fù)雜斷面異型管的開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成本，提高新產(chǎn)品的一次成功率。

1.2.2 更改靈活、成本低廉

在尚未形成實(shí)物軋輥的虛擬制造環(huán)境中，企業(yè)可根據(jù)客戶(hù)要求或市場(chǎng)變化，即時(shí)、迅速、低成本地更改軋輥斷面形狀。然而，在傳統(tǒng)制造中，若要實(shí)現(xiàn)軋輥孔型形狀的改變，便意味著原有軋輥報(bào)廢，前期投入的人力物力瞬間成為徒勞。

1.2.3 跨區(qū)域合作

傳統(tǒng)軋輥設(shè)計(jì)受設(shè)計(jì)師個(gè)人知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)限制，導(dǎo)致所設(shè)計(jì)的軋輥在使用過(guò)程中難免會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題和缺陷。虛擬制造能夠不受時(shí)間、空間制約，匯聚IT專(zhuān)家、材料專(zhuān)家、力學(xué)專(zhuān)家、工藝專(zhuān)家、設(shè)計(jì)師和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富的操作工在同一虛擬網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上相互交流、信息共享，集思廣益，為優(yōu)質(zhì)、高效、低耗地生產(chǎn)出實(shí)物軋輥及其焊管提供保證。

2 軋輥虛擬制造技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)

2.1 軋輥虛擬開(kāi)發(fā)平臺(tái)

2.1.1 虛擬軋輥孔型設(shè)計(jì)

運(yùn)用軟件與模型對(duì)包括焊管成型、焊接、定徑過(guò)程進(jìn)行有限元分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析和金屬?gòu)椝苄宰冃畏治龅?，并在此基礎(chǔ)上利用CAD與相關(guān)軟件，如德國(guó)data M公司的COPRA軟件，只需輸入最終焊管斷面輪廓，就可自動(dòng)計(jì)算出母管尺寸、用料寬度并繪制出各道軋輥孔型的中間尺寸。圖1為異邊矩形管線(xiàn)性拓?fù)涑蓤A變異圖。 圖1中， 點(diǎn) A→A′、B→B′……H→H′等一一呈現(xiàn)線(xiàn)性拓?fù)潢P(guān)系，虛擬制造成圖路徑為9→1，實(shí)際制造路徑則是1→9。

圖1 18 mm×22 mm×44 mm異邊矩形管線(xiàn)性拓?fù)涑蓤A變異圖

2.1.2 虛擬軋輥加工

軋輥虛擬加工由單個(gè)軋輥孔型工藝優(yōu)化、軋輥加工工藝過(guò)程優(yōu)化、輔助成型工具設(shè)計(jì)優(yōu)化及軋輥加工過(guò)程優(yōu)化等構(gòu)成。目的是通過(guò)此過(guò)程，為現(xiàn)實(shí)的工藝計(jì)劃和生產(chǎn)計(jì)劃生成、工藝資源落實(shí)與評(píng)價(jià)等提供一個(gè)載體，以便能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)際制造中可能發(fā)生的問(wèn)題并加以解決。

2.1.3 虛擬軋輥安裝

軋輥虛擬加工包括虛擬換輥工藝規(guī)劃、虛擬換輥路徑和虛擬換輥質(zhì)量檢驗(yàn)等，排除實(shí)際換輥時(shí)可能發(fā)生的機(jī)組與軋輥、軋輥與管坯相互干涉因素，為順利調(diào)試出成品焊管做好準(zhǔn)備工作。

2.2 軋輥虛擬生產(chǎn)平臺(tái)

2.2.1 虛擬布局

虛擬布局包括虛擬軋輥生產(chǎn)環(huán)境、虛擬軋輥生產(chǎn)動(dòng)態(tài)過(guò)程與優(yōu)化軋輥生產(chǎn)環(huán)境及實(shí)現(xiàn)時(shí)間資源和物流資源在現(xiàn)實(shí)區(qū)域內(nèi)合理分配，確保軋輥實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程能夠順利進(jìn)行。

2.2.2 虛擬設(shè)備

虛擬設(shè)備主要包括虛擬數(shù)控機(jī)床（CNC）等集成支承環(huán)境和優(yōu)化集成方案，虛擬對(duì)經(jīng)過(guò)淬火與低溫回火后的軋輥及其孔型進(jìn)行精加工，并對(duì)虛擬軋輥進(jìn)行檢驗(yàn)。

2.2.3 虛擬調(diào)度

模擬從軋輥開(kāi)坯到成品軋輥生產(chǎn)全過(guò)程，并對(duì)該過(guò)程進(jìn)行調(diào)度、糾偏與優(yōu)化。

2.3 虛擬軋輥生產(chǎn)企業(yè)平臺(tái)

2.3.1 虛擬各企業(yè)協(xié)同工作環(huán)境

虛擬各企業(yè)協(xié)同工作環(huán)境包括支持異地設(shè)計(jì)、異地開(kāi)坯鍛打、異地?zé)崽幚?、異地粗精加工、組合和品質(zhì)檢測(cè)環(huán)境等。

2.3.2 虛擬企業(yè)動(dòng)態(tài)組合

將不同性質(zhì)、不同類(lèi)型、不同地域的關(guān)聯(lián)企業(yè)集成在一個(gè)虛擬“公司”環(huán)境下，對(duì)軋輥生產(chǎn)實(shí)行統(tǒng)一組織、統(tǒng)一指揮、統(tǒng)一調(diào)度，達(dá)到最大限度地整合及利用各種資源的目的。如協(xié)調(diào)異地?zé)崽幚韽S(chǎng)與異地粗精加工廠(chǎng)間的工作安排，縮短制品時(shí)間，確保準(zhǔn)時(shí)交貨。

2.4 三個(gè)虛擬平臺(tái)之間的關(guān)系

虛擬軋輥開(kāi)發(fā)平臺(tái)、虛擬軋輥生產(chǎn)平臺(tái)和虛擬企業(yè)平臺(tái)雖然三者各自側(cè)重點(diǎn)不同，但是它們聯(lián)系緊密、信息共享，在同一個(gè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)平臺(tái)上被整合成有機(jī)整體，形成一個(gè)完整的軋輥虛擬制造體系架構(gòu)（如圖2所示）。

圖2 軋輥虛擬制造體系與結(jié)構(gòu)

3 軋輥虛擬制造與實(shí)際制造的區(qū)別與聯(lián)系

實(shí)際制造系統(tǒng)是物質(zhì)流及信息流在控制流的協(xié)調(diào)和控制下，在各個(gè)層次上進(jìn)行相應(yīng)的決策，實(shí)現(xiàn)從軋輥坯投入到成品軋輥產(chǎn)出的有效轉(zhuǎn)變，其中物質(zhì)流和信息流是協(xié)調(diào)工作的主體。

虛擬制造系統(tǒng)是在分布式協(xié)同工作等多學(xué)科技術(shù)支持的虛擬環(huán)境下實(shí)際制造系統(tǒng)的映射，是實(shí)際制造系統(tǒng)的抽象，實(shí)際制造系統(tǒng)是虛擬制造系統(tǒng)的實(shí)例。如將經(jīng)過(guò)虛擬、仿真和優(yōu)化的軋輥輪廓CAD設(shè)計(jì)與CAM相結(jié)合，轉(zhuǎn)換為數(shù)控加工代碼，通過(guò)計(jì)算機(jī)通訊接口導(dǎo)入數(shù)控機(jī)床（CNC），直接加工出成品軋輥。這樣，不但減少編程時(shí)間和輸入時(shí)間，還可保證數(shù)據(jù)傳輸及傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)軋輥從虛擬到現(xiàn)實(shí)的CAD/CAM/CNC一體化技術(shù)（如圖3所示）。

軋輥虛擬制造與實(shí)際制造的區(qū)別與聯(lián)系表現(xiàn)在4個(gè)方面：

圖3 軋輥虛擬制造與實(shí)際制造的區(qū)別與聯(lián)系

（1）虛擬是信息流加控制流；實(shí)際制造是信息流、控制流加物流，完成從輥坯到實(shí)物軋輥的轉(zhuǎn)換。

（2）虛擬制造是圖上作業(yè)，通過(guò)CAD視窗模擬仿真看到軋輥形成過(guò)程和工作過(guò)程，并加以?xún)?yōu)化，預(yù)先為實(shí)際制造順利進(jìn)行，清除盡可能多的障礙；實(shí)際制造是運(yùn)用實(shí)物形態(tài)的機(jī)床真實(shí)地生產(chǎn)軋輥，并利用軋輥生產(chǎn)焊管，是虛擬制造的物化形態(tài)。

（3）虛擬制造可以集成材料學(xué)專(zhuān)家、孔型設(shè)計(jì)師、機(jī)械工程師、電氣工程師和設(shè)備工程師等專(zhuān)家的智慧，事前盡可能為實(shí)際制造過(guò)程排除一切不利因素；實(shí)際制造則是充分利用虛擬制造的成果，同時(shí)收集、整理、反饋實(shí)際操作過(guò)程中遇到的問(wèn)題，不斷修正、充實(shí)、完善虛擬制造系統(tǒng)，為下一次更優(yōu)化的實(shí)際制造打好基礎(chǔ)。

（4）虛擬制造的參與者多為工程技術(shù)人員和客戶(hù)，從理論的角度盡量滿(mǎn)足客戶(hù)提出的要求，但反映的問(wèn)題有時(shí)過(guò)于理想化，缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和缺乏實(shí)踐積累；而實(shí)際制造的參與者多為技術(shù)工人，素質(zhì)參差不齊，必須要有詳細(xì)的操作指引與規(guī)范，但是他們實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富，可彌補(bǔ)前者的不足，不過(guò)也會(huì)在實(shí)際制造過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤的情況。為此，對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)都必須要有清醒認(rèn)識(shí)，相互取長(zhǎng)補(bǔ)短，強(qiáng)化信息反饋與偏差糾正。

4 軋輥虛擬制造的關(guān)鍵技術(shù)

軋輥虛擬制造的關(guān)鍵技術(shù)包括軋輥虛擬設(shè)計(jì)與安裝技術(shù)、虛擬軋輥實(shí)現(xiàn)技術(shù)、虛擬軋輥檢測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)、虛擬軋輥分析技術(shù)、虛擬軋輥試驗(yàn)技術(shù)和虛擬軋輥生產(chǎn)技術(shù)（如圖4所示）。

圖4 軋輥虛擬制造的關(guān)鍵技術(shù)

5 結(jié) 語(yǔ)

焊管用軋輥虛擬制造技術(shù)作為一門(mén)新興技術(shù)，匯聚多門(mén)學(xué)科于一身，為焊管行業(yè)高效率、低成本地實(shí)現(xiàn)焊管新品種的研發(fā)與銷(xiāo)售開(kāi)拓了新途徑。其與軋輥孔型設(shè)計(jì)、焊管生產(chǎn)結(jié)合后，必將給焊管生產(chǎn)技術(shù)和經(jīng)營(yíng)管理注入新的活力。焊管生產(chǎn)單位尤其要注重軋輥虛擬制造成果的轉(zhuǎn)化，使之更好地服務(wù)于現(xiàn)實(shí)焊管生產(chǎn)。

[1]侯榮濤.AutoCAD2007計(jì)算機(jī)鋪助設(shè)計(jì)教程（中文版）[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008.

[2]朱明栓，章樹(shù)生.虛擬制造系統(tǒng)與現(xiàn)實(shí)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2001.

[3]LIU Jiying,SEDLMAIRE A.Computer aided design for rollforming shaped tube⑴[C]//Proeedings of the 5th Tube tech China 2002 Shaanghai.Shaanghai:[s.n.],2002:87-92.

[4]劉繼英，艾正青.冷彎成型的CAD/CAM/CAE技術(shù)[J].焊管，2006，29（2）：38-42.

[5]楊仙,張文灼，楊超，等.虛擬制造技術(shù)應(yīng)用于焊管生產(chǎn)的探索[J].焊管,2006,29（5）：52-54.

[6]楊仙,祁翠琴,馮之權(quán),等.虛擬制造技術(shù)在冷彎型鋼生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用探索[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009（4）：102-104.

[7]蔡自新，徐光佑.人工智能及其應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[8]曹?chē)?guó)富.異型管孔型設(shè)計(jì)的CAD組裝法[J].鋼管,2012，26（6）：33-38.

[9]班納吉.虛擬制造[M].北京:清華大學(xué)出版社，2005.

[10]姚涵珍，周桂英，楚大慶,等.AutoCAD2004交互工程繪圖及二次開(kāi)發(fā)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

Virtual Manufacturing Technology Used for SAWL Pipe Roller

CAO Guofu
（Guangdong Jiangmen Jianmei Industry Co.,Ltd.,Jiangmen 529000,Guangdong,China）

In order to make the welded pipe manufacture meet the diversified market requirements,improve the production efficiency of welded pipe,reduce manufacturing cost,it put forward roller virtual manufacturing technology,analyzed the characteristics,system structure,key technology of the above virtual manufacturing technology,as well as the relationship with actual manufacturing.It pointed that only combine the technology with practical production,it will develop the roller in the shorter product development cycle,the high-quality product quality,the better technical support and after-sales service,and the cheap manufacturing cost,so as to meet the rolled demand for welded pipe with different specification and shape.The achievements transformation of virtual manufacturing technology will inject new vatility to welded pipe production and management,better service to welded pipe production.

welded pipe;roller;virtual manufacturing;pass design;key technology

TG332

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.06.008

曹?chē)?guó)富（1957—），男，長(zhǎng)期從事焊管生產(chǎn)工藝、孔型設(shè)計(jì)及生產(chǎn)管理工作，發(fā)表論文40余篇。

2016-01-26

羅 剛