乐金涛：我国全自动拉伸试验机技术的发展、挑战与前景

  乐金涛，1983年开始在宝钢集团从事金属材料力学性能检验测试工作，目前还兼任中国仪器仪表学会试验机分会副秘书长、广东省金属学会理化检验专业委员会副主任委员、全国冶金物理测试网力学与试样加工技术委员会副主任委员、全国钢标准化技术委员会力学及工艺性能测试分技术委员会顾问、《理化检验-物理分册》副主编、中国国际招标网机电产品评标专家等。

  近日，仪器信息网有幸采访了乐金涛老师，请他谈一谈国内全自动拉伸试验机技术的发展、挑战与前景。

  乐金涛老师：三年疫情给智慧制造的发展带来很有利的机遇，如何让试验室利用先进的技术提高自动化检测和抗风险的能力，在特殊情况下也可以稳定、高质量、无人值守的开展检测工作，是业内同行普遍关心问题。为了能够更好的保证测试结果精准、可重复、可追溯，提高劳动生产率，利用信息化、自动化、智能化等技术建设一个能轻松实现整个试验过程无人值守、无人干预的钢铁材料力学性能检验测试全自动试验室，慢慢的变成了这样的领域的发展趋势。随工业发展至4.0时代，制造业逐渐步入智能化、数字化时代，对于钢铁材料生产企业，质量检验环节中的材料拉伸试验也向半自动化、全自动化快速发展。

  近年来，国内钢铁企业检测系统已经在许多领域实现了全流程的自动化检测。国内一些大型钢铁企业的力学试验室，依靠多套全自动拉伸试验机一天能轻松地完成1000多件拉伸试样的自动检测。

  材料试验机如实现了自动化智能化后，能轻松实现试验室装备水平的大幅度提升；减少人为因素影响，提高检测精度，确保试验数据准确性；缩短检验周期；提高劳动生产率等。

  要建设好一个自动化力学性能检验测试试验室，必须要了解试验室的工艺流程、特点，掌握当前拉伸试验机和自动化、智能化等最新技术的发展状况。1. 钢铁企业成品力学性能检验特点和对设备配置的要求

  自动化、智能化建设适合于流水线、重复性等作业，根据钢铁企业试验室的流程和特点，其更适合开展自动化项目的建设工作。要建设一个成功的自动化力学性能检验测试试验室，必须包含以下基本的关键技术：

  我国试验机制造业通过近二十年的努力，在钢铁材料力学性能检验测试中最主要、使用最多的拉伸试验机产量、品种和得到了加快速度进行发展，技术水平有了很大的提升。通过验证或比对试验可以证明，我们国内试验机制造行业的一线品牌的试验机制造厂家制造的静态电子试验机、微机控制电液伺服试验机的技术指标已接近或已达到国际同种类型的产品的水平，完全能满足如ISO6892-1和GB/T 228.1等试验方法标准的要求，虽然还存在不少的问题，但并不是想像中的那么差。国内最早使用全自动拉伸试验机大概是在2005年左右，是国内几个特大型的钢铁企业试验室开始引进的。它们主要是做薄板拉伸试验的采用往复式机械手的小吨位全自动拉伸试验机、做厚板拉伸试验的采用龙门桁架式机械手的大吨位全自动拉伸试验机。记得在当时，国内有试验机厂家想仿制，但由于种种原因没有成功。

  2015年以来，根据钢铁企业试验室检验量大、产品规格相对集中、检验项目相对简单、检验周期紧、流水线重复性检验等作业特点，国内部分一线品牌的试验机制造厂家，运用自动化、智能化、信息化等先进的技术，开发研制了各种全自动试验机，国内全自动试验机的技术才真正开始发展，大大地推进了钢铁企业智慧试验室的建设工作。其中早期的小吨位往复式机械手全自动拉伸试验机、大吨位龙门桁架式机械手全自动拉伸试验机，到目前采取了比较多的多工位六轴机械手全自动拉伸试验机的开发运用，实现了对很多类型全自动试验机的全覆盖。

  全自动拉伸试验机试验时，试验人员根据自动接收到的试验顺序、试验项目要求等，将经过打标的试样用机械手放入试样架内或通过AGV小车送达指定的位置→机械手根据预先在试验程序上设置好的试样位置抓取试样→进行试样长度测量→进行试样平行部分位置对中测量→试样横截面尺寸测量（可取n次测量数据的最小值或者平均值等）→机械手将试样放置到试验机测试位置，在确保按平行段对中的情况下自动调用预定的试验办法来进行试验→试验结束后机械手自动取下断样→自动分拣合格与不合格试样→试验数据自动保存并发送给上位机。全自动拉伸试验机的工作效率一般不低于每小时15件。

  简单介绍一下全自动拉伸试验机中主要的配套零部件视频引伸计在总系统中的应用。在全自动化拉伸试验系统中常用的变形观测手段是自动化接触式引伸计，但接触式引伸计大多只能测量一组标距变形，使用中常常遇到试样断裂在标距外或是贴近标距的位置，导致测试数据的不准确甚至不可用。

  1) 视频引伸计采用标准化DIC技术，可非接触实现三维变形测量，在拉伸试验过程中能同时测量多组纵向和横向标距变形。配合全自动拉伸试验系统使用时，可实现同步触发、自动测量、实时以数字信号或模拟信号向试验机传输数据。

  2) 视频引伸计可自动识别多种标距标识，同时也可对试样进行无标识点自动识别测量，监控试样直至其断裂，可自动测量试样断裂伸长率，大幅度的提升检测效率。

  3) 自动识别应变分布状态，可以在整个试验过程中自动追踪最大应变产生的实际位置，从而将原始标距L0重新定位在最高应变区域的中心。

  4) 与接触式引伸计相比，使用视频引伸计避免了试样断在标距外或标距附近时的无效测试，有效提升试样利用率，节省试样成本。

  5) 带全自动引伸计的电子拉伸试验机的普及，特别是视频引伸计开发运用，加速了应变硬化指数n值和塑性应变比r值等全自动测量技术的发展，根据宝钢湛江钢铁有限公司验证试验的文献介绍：

  ——采用人工、半自动、全自动方法测量的r值不存在非常明显性差异，其中全自动测量方法测量r值的精度最高；

  常规的全自动拉伸试验机在一根试验结束后，机械手自动取下断样→自动分拣合格与不合格试样→机械手将断样扔到对应的料框里。但经常会碰到有些重要的、异常的断样需要试验室保留以备查验等情况，传统的模式是试验室人员要等这一批次试验全部完毕后再按编号在留样框里翻找拼接，方式原始繁琐、效率低。现在全自动拉伸试验机断样收集专用料斗的配套设计，机械手可以按需按组收集需要保留的断样，大大方便了样品留存工作。

  另外，如许多钢铁公司制作的螺纹钢或圆钢，由于轧钢工艺的需要，产出的产品是呈盘状的，俗称盘圆或盘螺。为了能够更好的保证试样能够顺利的在全自动拉伸试验机上装夹或保证试验时的同轴度，此类产品在做拉伸试验前，需要对带有一定弧度的样品进行矫直处理，目前国内绝大部分试验室都是采用人工矫直的方法。目前在常规全自动试验机里配套开发的全自动盘条多轮交叉弯曲矫直系统，比较完美的避免了用其他如敲击方式在矫直过程中应力集中等缺陷的产生，提高了盘圆盘螺类产品检验测试精度。

  针对繁琐的热轧带肋钢筋外部和内在质量的检验测试的项目和不同的试验工位，运用自动化、智能化、信息化和机器人技术，宝钢武钢有限公司成功应用了钢筋全自动检测系统。该系统由电子拉伸主机，配上全自动视频引伸计、扫码系统、称重测长装置、ABB机器人、试样架、控制管理系统、软件等组成，集钢筋称重、测长、拉伸试验、弯曲和反复弯曲试验等功能，在一套全自动系统里实现全部检测功能。该系统还能够最终靠配置钢筋全自动弯曲校直、筋肋测量装置、温度养护箱等装置，完成试样矫直、钢筋外形检测、钢筋人工时效等工序。系统自动化模式运行时，可以同时在系统的不同组件上测试不同的样品，极大的提高测试效率。

  当前，国内全自动拉伸试验机急需解决的关键技术主要归纳起来分如下几个维度：1) 激光引伸计、视频引伸计、全自动引伸计、高低温引伸计等技术；

  在国外1000KN以上的电子拉伸试验机技术已非常成熟，在国内常规的电子拉伸试验机绝大部分企业只能做到600KN。近三年，国内几家一线品牌的试验机制造厂家已经有在开发制造1000KN的电子拉伸试验机，但据了解总数也就在十台左右。国内已经有自主研发制造的2000kN电子拉力试验机，开创了中国试验机行业在大吨位电子拉力试验机的先河，为大吨位全自动拉伸试验机的开发运用打下了良好的基础。目前国内制造的全自动拉伸试验机如主要的配套零部件力传感器、位移传感器、引伸计等品牌选型更好，在其功能、试验精度等方面，可完全胜任日常检验任务。

  随着钢铁企业智慧制造风潮的兴起，由拉伸试验机和机器人组合的全自动试验机需求大增，现在许多试验机厂家都去做全自动拉伸试验机或系统。目前我们的祖国研发制造的全自动试验机或系统的主要特征是集成其他自动化配套装置，但平心而论对试验机本身技术没有大的提高。

  我们现在国内生产的全自动拉伸试验机的长期稳定性和故障率等指标，和国外同类设备比还存在一定的差距。

  希望国内的试验机制造厂家要重视市场需求和研发技术，以自动化、智能化为发展目标和发展趋势，来使用户得到满足个性化需求。要多与相关试验室合作开发关键技术，在高档或专用试验设备的研发制造等方面争取再获突破，包括对原来进口全自动拉伸试验机的技术消化和升级工作，以促进我国试验设备在自动化技术方面水平的提升，切实减少全自动试验设备的进口数量。

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