锻造铝合金车轮智能制造关键技术及其应用

丁有望

摘 要：通过实验获得了适用于锻造铝合金轮毂的表面打标工艺参数，解决了铝合金轮毂全过程可追溯性的瓶颈，实现了生产过程中物料流的透明化。结合工业网络的设备互联和在线三维尺寸测量技术，将一个锻造铝合金轮毂的整个生产过程中的过程数据与质量数据关联并绑定在一起;通过非线性回归算法对数据进行拟合和分析，以获得最佳系数，以使模型更接近于实际生产状态：锻造铝铝合金轮毂行业的智能工厂精益生产提供了有效的方法。

关键词：激光刻码;视觉读码;数据采集;数据驱动

中图分类号：TP99 文献标识码：A

引言

锻造中心在项目中使用了高科技和智能设备，例如实时在线检测，激光编码，可视代码识别，数控设备，机器人等。在信息方面，它基于ERP，PLM，MES和其他信息系统进行了高度的协作和集成。热处理中心提供了核心的智能制造设备-步进式铝轮热处理生产线，可实现全自动和智能操作，同时实现绿色节能。在项目团队的共同努力下，北京机电学院有限公司克服了追踪激光雕刻和热件读取的全过程的问题，充分实现了基于Internet的现场数据采集物联网，并建立了实时生产和敏捷制造。锻造铝合金车轮的智能车间软件系统。

1基于铝合金表面激光标刻的铝车轮追溯技术

锻造铝合金轮毂经过多次处理，从生铝棒到成品包装。在锻件生产领域，铝轮毂表面打标需要考虑高温条件下的激光热效应参数，激光寿命等问题;在热处理区内，工件表面的打标受固溶和时效影响，导致变形，打标对比度差等;在加工区域中，需要通过虚拟编码来处理区域和表面标记，以追踪材料的过程并面临标记等各种困难。因此，为了达到识别单个锻造铝合金轮毂全过程的目的，有必要结合铝合金的材料特性来研究不同条件下不同的激光加工工艺参数和铝合金表面识别技术[1]。铝合金在1064-1070nm波长处的激光吸收率较高，因此选择激光波长为1064nm的光纤激光器作为铝合金车轮的在线打标设备。激光电流是影响激光功率的主要因素，电流大小直接影响处理功率。Pm=（I-I0）（αlnf+β）（1）其中：Pm是激光功率，I0是最小激光电流，f是脉冲频率，并且α和β是匹配常数。扫描速度是影响铝合金车轮在线打标的重要参数。当功率和脉冲频率为固定值时，激光加工的能量效率与扫描速度密切相关。同时，由扫描速度和脉冲频率的耦合形成的脉冲重叠率也对标记的质量有很大的影响[2]。激光脉冲的重叠率如公式（2）所示。ηp=（1-vfD）×100%（2）其中：ηp是重叠率，v是扫描速度，f是脉冲频率，D是光斑直径。通过对激光波长，功率，扫描速度和脉冲频率的上述研究，对激光打标机的各种工艺参数进行了正交试验。通过实验，在激光波长为1070nm，激光功率为30W，扫描速度为150mm/s，脉冲频率为20kHz的参数设置条件下，铝合金表面二维码标记的质量读取率高于99.5%。

2锻造铝合金车轮三维尺寸在线测量技术

目前锻造铝合金车轮生产线通常依赖人工对旋压成形后的工件尺寸进行抽检，由于抽检频次较低且难以对车轮的径向跳动量化，一般要在车轮经过固溶、时效、车削后出现黑皮才能判断工件的旋压成形不合格，对企业能源产生了较大了浪费。

为了更好的对测量数据关键尺寸进行自动分析，需要将测量坐标系与设计坐标系进行对齐。坐标系精确对齐可分解为2个步骤：1）初始对齐。测量坐标系与设计坐标系的初始对齐关系可以在自动化测量系统安装后调试确定。2）精确对齐。在粗配准基础上，采用迭代最近点算法对测量数据与设计数模进行精确对齐。最终提取数模对应特征的点云数据，并对点云数据进行计算和分析，如图所示。在铝合金车轮旋压工序后对工件进行三维迟，锻造铝合金车轮三维尺寸数据提取流程寸的在线测量，可以对超差零件进行及时处理，不进入后续高能耗的热处理环节，有效节约能源;一旦发现锻件的尺寸有缺陷，可快速将信息传输至工艺流程的入口处，对工艺参数进行及时修改，实现对车轮成形工艺的精细化控制，提高产品合格率[3]。

3基于非线性回归的锻造过程预测方法的研究

3.1基于非线性回归的建模

判断锻造生产过程稳定性的最直接指标是拍子数据，包括从熔炉到机器人抓取的拍子，锻造拍子和冲头拍子。本文将机器人抓拍拍子定义为从炉子到机器人抓拍的拍子，与炉子放电后短棒的冷却时间呈线性关系，即T=K（t1-t2）（3）对于非线性回归方法分析中的多项式回归算法，在考虑拟合程度和实际工作条件的情况下，选择最适合伪造某些数据和建模中变量n的建模方法[4]。自变量的数量应在样品数量的多项式回归以及锻造前的温度与炉温之间的温差回归之前确定。应确定自变量的数量。使用MATLAB曲线拟合工具箱的Cruve拟合工具分别模拟n=4，n=5，n=6，n=7，以得到拟合曲线。当n=4时，样品数量大于200后，整个曲线呈下降趋势，锻造温度将越来越接近实际温度，不符合锻造生产逻辑。当n=5时，样品数量超过200后，数据显示上升趋势，并且斜率大，这意味着锻造过程将显示不稳定趋势，并且温差会变得越来越大，这不会符合实际的锻件生产工艺;当n=6时，更合适，曲线面积稳定，可以实际反映出锻造过程的趋势。它可以反映出锻件生产过程中的复杂性和不确定性;当n=7时，拟合效果类似于n=5，并且误差超过n=5时的误差。

3.2型号含义

在公司A的实际生产条件下，可以通过三个数据项来区分生产条件：预锻和预热之间的温差，锻造节拍和冲压节拍。从数据的角度来看，甲公司的锻造生产过程中有6个工作条件会影响节拍和温差数据。其中：在正常模式下，锻造周期和冲压周期都在75s的稳定范围内，预锻炉与预热炉之间的温差在35℃范围内。第二种模式是多次喷涂或手动灭火[5]。这种情况会增加下一种材料的等待时间，因此会增加锻造前的下一种材料与卸料时的温度之间的温差。第三种情况是预热炉人员太慢，即炉子太慢，这会增加锻造周期。在第四方式中，在锻造生产过程中发生故障并且不抛掷材料。在这种模式下，锻造周期将太大，而下部锻造毛坯的温度在成型之前会太低。第五种情况是在锻造过程中有抛出，例如不合格的锻造形状，机器人掉落（这种情况极少发生）;根据第五种情况，该部分将不会有打音。第六种情况是冲压生产线的故障，包括冲压机故障，R2机械手故障和雕刻机故障。在这种模式下，打孔周期会太大;这种设计中的锻造周期不会抵消冲压周期，节拍产生影响。

结语

随着国家节能和新能源汽车产业政策的实施，汽车制造商对轻量化零部件的需求急剧增加。特别地，锻造铝合金轮毂不仅具有重量轻的优点，而且具有更致密的金相组织和更好的机械性能。因此，國内铝合金锻造轮毂企业正在以前所未有的速度发展，产品的市场竞争越来越激烈，企业面临的压力越来越大。如何通过智能制造提高生产效率，稳定产品质量，降低生产成本是每个企业都亟待解决的问题。

参考文献

[1] 凌云汉.锻造铝合金车轮单件全流程质量追溯系统关键技术研究[D].机械科学研究总院，2018.

[2] 王丹晨.铝合金车轮锻造工艺及质量控制技术研究[D].机械科学研究总院，2018.

[3] 赵铁石.锻造铝合金商用车车轮的设计、仿真与开发[D].燕山大学，2017.

[4] 王璐雯.锻造铝合金车轮结构优化设计[D].燕山大学，2012.

[5] 高军，赵国群.整体式锻造铝合金车轮及其发展[J].汽车工艺与材料，2001（05）：14-16.