CN110286241A - 一种全自动金属或者合金成分在线检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全自动金属或者合金成分在线检测系统，涉及金属或者合金材料制备技术领域。所述系统包括样品转运系统、多个检测装置以及控制系统，控制系统通过检测装置的检测信号控制样品在样品转运线路上的自动化流转，并由控制系统控制样品在各个工位上完成对应工序，实现金属或者合金成分的在线检测，最后将检测数据反馈至工厂MES系统，实现生产数据的信息化。

Description

一种全自动金属或者合金成分在线检测系统

技术领域

本发明属于金属或者合金材料制备技术领域，尤其涉及一种全自动金属或者合金成分在线检测系统。

背景技术

近年来，金属或者合金铸件类产品已被广泛应用于各大领域，一些高性能、高精度、高韧性的优质金属或者合金铸件也是航空航天关键结构件中的主要铸件材料之一。而现有的金属或者合金成分检测方法存在以下缺陷：

1、金属或者合金在熔炼过程中，现有的实验室检测方法不能在线的对熔体中Al、Mn、Mg、Ti、Fe、Si等元素进行在线检测分析，判定化学成分是否合格，需要人工浇筑样品，冷却、铣样再检测，一个流程下来花费时间太长，大概需要2-3天，等检测结果出来，这一批铸件的后序生产工艺已经完成。若是检测出来样品不合格，这一批铸件就得全部报废，不能做到过程控制，浪费大量人力、物力以及财力资源。

2、由于国内金属或者合金成分检测大都以实验室人工形式进行检测，在样品的制样、铣样、放置和存储过程中都需要人工进行操作，由此，对检测人员的要求非常高；并且由于检测人员技能素质的不同，样品成分的检测结果会存在一定的误差性。

3、金属或者合金成分检测数据化管理偏弱，采用现有的实验室检测方式，检测的数据结果都是显示以及保存在实验室的那台电脑上，不能数据直接上传到工厂中控室与工厂MES系统对接，不能与工厂生产工艺形成一个良好的闭环反馈。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种全自动金属或者合金成分在线检测系统，通过以PLC控制器为核心的电气控制系统控制样品运转系统实现样品在各个工位上的自动化流转，并由PLC控制器控制各个系统完成对样品的操作，最后将数据信息反馈至工厂MES系统，实现生产数据的信息化。

本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种全自动金属或者合金成分在线检测系统，包括：

样品转运系统，用于将样品输送至样品转运线路的各个工位上；

多个检测装置，分设于各个工位上，且分别与控制系统连接；所述检测装置，用于检测样品是否处于对应工位上；

控制系统，用于根据所述检测装置的检测信号，控制样品的流转或者在对应工位上完成对应工序，实现到样品成分的在线检测。

本发明的控制系统通过各个工位上检测装置的触发信号来确定样品处于何种位置何种状态，在各个工位上完成对应的工序，实现样品成分的在线检测。

进一步地，所述工位包括依次设置的打标工位、铣样工位和成分检测工位，且在所述打标工位、铣样工位以及成分检测工位对应安装有打标系统、铣样系统以及成分检测系统；所述打标系统、铣样系统以及成分检测系统均与所述控制系统连接。

进一步地，所述检测装置采用光电传感器，采用光电传感器进行检测，对样品的材质无要求，且响应时间短，可以实现非接触式检测。

当样品到达某个工位时，该工位上的光电传感器被遮挡而触发，该触发信号反馈给控制系统，控制系统根据该光电传感器所处的工位控制样品流转到下一个工位或者在该工位上完成对应工序，再流转到下一个工位。

进一步地，所述样品转运系统包括皮带输送装置、直线模组以及转运机器人；所述皮带输送装置铺设在所述转运线路的入口端至第一个工位段；所述直线模组铺设在所述转运线路的第一个工位至最后一个工位段，且所述直线模组与皮带输送装置毗邻连接；所述转运机器人设置在直线模组上且能在所述直线模组上移动；

所述皮带输送装置的输送电机、直线模组以及转运机器人分别与所述控制系统连接。

通过皮带输送装置将样品输送至第一个工位，控制系统再控制转运机器人在直线模组上的移动，并控制机器人机械手抓取样品将样品转运各个工位，实现样品在转运线路上的自动化流转。毗邻连接，是指皮带输送装置的出口端与直线模组的一端连接，根据各个工位的位置，皮带输送装置可以与直线模组呈直线设置，也可以是相互垂直设置。

进一步地，在所述皮带输送装置的入口端和出口端均设置有检测装置。

当样品置于皮带输送装置的入口端（即转运线路的入口端）时，触发入口端检测装置，控制系统控制皮带输送装置启动并运转，将样品输送至皮带输送装置的出口端（即第一个工位处），此时，触发出口端检测装置，控制系统控制转运机器人在直线模组上移动，并控制机械手执行抓取动作，将样品移至第一个工位上。

进一步地，在所述皮带输送装置的出口端设置有定位挡板，以防止样品跌落。

进一步地，所述控制系统包括电气控制系统和上位机数据化管理系统；

所述电气控制系统与多个检测装置连接；所述电气控制系统获取各个工位的检测信号，在样品未到达相应工位时控制所述样品转运系统将样品输送到相应工位上，在相应工位上的工序完成后再将数据传输给上位机数据化管理系统；

所述上位机数据化管理系统，用于根据所述电气控制系统的反馈数据控制对样品的成分检测；以及与工厂MES系统进行数据交互。

通过上位机数据化管理系统与工厂MES系统交互数据，可将工厂MES系统的批次生产批号下发，并在打标工位对样品执行打标工序，完成了样品成分检测结果的数据追溯；同时，通过将工厂MES系统的金属或者合金成分配方与实际检测的样品成分结果对比，来判断实际样品是否合格。

进一步地，所述电气控制系统包括PLC控制器、触摸屏以及通讯模块；所述PLC控制器与触摸屏、通讯模块连接。

进一步地，所述全自动金属或者合金成分在线检测系统还包括设置在成分检测工位的下一个工位处的定位样品架；

所述定位样品架包括多行/多列样品存放格。

完成成分检测的样品通过机械手依次存放在定位样品架上，当样品置于最后一行最后一列时，控制系统提示定位样品架已满，通知工厂工人更换定位样品架；定位样品架通过地面设置的定位稍固定位置，保证了机械手放置样品时的精度。

进一步地，所述全自动金属或者合金成分在线检测系统还包括可移动式集装箱体，所述的样品转运系统、多个检测装置以及控制系统均置于所述可移动式集装箱体内。

通过可移动式集装箱体，可将整个全自动金属或者合金成分在线检测系统移动至所需场地，在出厂前将整个系统调试完毕，再整体移动至现场，大大地缩短了现场调试时间，减少了人力成本。

进一步地，在所述可移动式集装箱体的外侧壁上安装有与所述控制系统连接的可视化液晶显示屏；所述可视化液晶显示屏，用于实时显示整个系统的工作状态、整个系统中样品的流转位置、以及检测出的金属或者合金中各种元素含量。

相应的，本发明还提供了一种全自动金属或者合金成分在线检测方法，其包括以下几个步骤：

步骤（1）获取第一个工位的检测信号，根据该检测信号判断样品是否到达第一个工位；若样品到达第一个工位，则在第一个工位对样品执行第一个工位对应的工序；否则，将样品设置于第一个工位上，并执行第一个工位对应的工序；

步骤（2）将样品输送至下一个工位，并执行下一个工位对应的工序；

步骤（3）重复所述步骤（2），当样品到达成分检测工位时，根据样品准备就绪信息启动并完成对样品的第一次成分检测；

步骤（4）调整样品的位置，启动并完成对样品的下一次成分检测；

步骤（5）判断样品成分检测次数是否达到预设次数；若样品成分检测次数小于预设次数，则重复步骤（4）；若样品成分检测次数等于预设次数，则取成分检测结果的平均值作为最终成分检测结果。

有益效果

与现有技术相比，本发明提出的全自动金属或者合金成分在线检测系统具有以下优势：

1、将浇筑冷却好的金属或者合金样品置于皮带输送装置的入口端，后续样品的流转以及所有检测均可自动完成，且在可视化液晶显示屏上能实时掌握样品的动态，大大降低了对检测人员的技能素质，且保证了样品成分检测的精度。

2、从样品置于皮带输送装置入口端开始计时，直到样品检测结果出来不超过15分钟，大大减少了时间，提高了效率；且根据检测结果可以直接决定后续工序的方向，实现了产品的过程控制，大量减少了产品的报废率，实现了经济效益的大幅度提升。

3、检测结果能实时显示并保存到工厂MES系统上，且能根据检测结果以及MES系统的该批次金属或者合金生产工艺的配方数据得出配方优化方案，形成了很好的一个闭环反馈，保证了产品的质量控制；并且数据实时保存在工厂MES服务器上，方便后期的数据追溯，实现了生产数据的信息化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明整个系统的结构示意图。

图2是本发明整个系统的网络架构图。

图3是本发明整个系统进行成分检测的控制流程图。

其中，1-可移动式集装箱体，2-样品转运系统，3-打标系统，4-铣样系统，5-成分检测系统，6-定位样品架，7-电气控制系统，8-上位机数据化管理系统。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明所提供的一种全自动金属或者合金成分在线检测系统，包括可移动式集装箱体，以及安装在可移动式集装箱体内的样品转运系统、多个检测装置以及控制系统；控制系统根据多个检测装置的检测信号控制样品在转运线路的各个工位上自动化流转。

以铝合金成分检测为例，本发明中的工位具体包括依次设置的打标工位、铣样工位和成分检测工位，控制系统控制样品先后流转到打标工位、铣样工位和成分检测工位，在打标工位、铣样工位和成分检测工位再由控制系统分别控制打标系统、铣样系统、成分检测系统在对应工位上完成打标、铣样和成分检测动作。在本发明中，打标系统、铣样系统、成分检测系统均为现有技术，在目前市面上，有打标机、铣样机以及成分检测或分析仪出售，例如大族激光H20光纤激光打标机，深圳明美SKX2铣床，布鲁克Q4-170火花直读光谱仪（即成分检测设备）。

如图2所示，控制系统包括能进行数据交互的电气控制系统和上位机数据化管理系统，上位机数据化管理系统又能与工厂MES系统进行数据交互。整个系统采用工业以太网进行组网控制以及数据交换，PLC控制器作为电气控制系统的核心，其主要职责在于：1、负责控制样品转运系统实现样品在打标、铣样、成分检测以及定位样品架工位的自动化流转；2、控制打标系统的启动、停止以及执行打标动作；3、控制铣样系统的启动、停止以及执行铣样动作；4、控制样品在各个工位的流转节奏和各个系统的信息采集；5、还负责与上位机数据化管理系统进行数据交互，完成系统的数据可视化以及系统信息化。

样品转运系统包括皮带输送装置、直线模组以及转运机器人；皮带输送装置铺设在转运线路的入口端至第一个工位（本实施例为打标工位）段；直线模组铺设在转运线路的第一个工位至最后一个工位（本实施例为成分检测工位）段，且直线模组与皮带输送装置毗邻连接；转运机器人设置在直线模组上且能在所述直线模组上移动；皮带输送装置的输送电机、直线模组以及转运机器人均与PLC控制器连接。本实施例中，皮带输送装置与直线模组相互垂直设置。

在皮带输送装置的入口端和出口端分别安装有与PLC控制器连接的第一光电传感器和第二光电传感器，在打标工位、铣样工位以及成分检测工位分别安装有与PLC控制器连接的第三光电传感器、第四光电传感器和第五光电传感器。在本实施例中，转运机器人采用六轴机器人，六轴机器人具有更好的自由度和灵活性，实现了样品在各工位的转运，能做到样品的柔性流转。

样品进行自动化流转的具体控制过程为：当样品置于入口端时，触发第一光电传感器（光电传感器的触发时间为2S），PLC控制器控制输送电机动作，皮带输送装置开始输送，当样品输送至出口端（出口端的定位挡板防止样品跌落）时，触发第二光电传感器，PLC控制器控制机器人在直线模组上移动，并抓取样品移至打标工位上（触发第三光电传感器），PLC控制器控制打标机开始打标，打标完成又抓取样品移至铣样工位上（触发第四光电传感器），开始铣样，铣样完成又抓取样品移至成分检测设备工位上（触发第五光电传感器）进行铝合金成分检测，检测完成后又抓取样品移至定位样品架上进行样品中转保存。样品在各个工位的流转就是PLC控制器通过控制样品转运系统的节奏得以完成的，全程自动化，无需人工参与。

PLC控制器通过以太网控制样品打标系统（或者打标机）的打标动作。当样品被机器人放至打标工位上时，触发第三光电传感器，提示PLC控制器可以控制打标系统开始打标，打标系统开始打标，打标内容是由上位机数据化管理系统下发给PLC控制器，再由PLC控制器发送给打标系统。若打标正常完成，会反馈给PLC控制器一个打标完成信号，PLC控制器会执行样品的下一个工序的流转。若打标出现故障，PLC控制器会发出报警，在电气控制系统的触摸屏、可视化液晶显示屏、上位机数据化管理系统的电脑上均会有显示，可移动式集装箱体上安装的三色灯也会报警提示。需要人工复位无故障后才能继续下一个样品流转工序。

PLC控制器通过以太网控制样品铣样系统（或者铣样机）的铣样动作。当样品被机器人放至铣样工位上时，机器人退出铣样系统作业范围，与PLC控制器连接的光栅传感器用于检测机器人是否退出该作业范围，确认后，PLC控制器控制铣样系统的电动门关闭，PLC控制器启动铣样系统的控制程序，铣样系统开始对样品铣样。铣样过程由铣样系统本体的程序控制，整个铣样过程的状态（包括运行是否正常，是否故障，运行到哪一步）都会发送给PLC控制器接收。当铣样正常完成，铣样系统会反馈一个完成信号给PLC控制器，PLC控制器会执行样品的下一个工序的流转。若铣样出现故障，PLC控制器会发出报警，在电气控制系统的触摸屏、可视化液晶显示屏、上位机数据化管理系统的电脑上均会有显示，可移动式集装箱体上安装的三色灯也会报警提示。需要人工复位无故障后才能继续下一个样品流转工序。

PLC控制器通过以太网控制成分检测系统（或者合金成分分析仪）的铝合金成分检测。当铣样系统将样品铣样完成后，PLC控制器会控制机器人抓取样品放至成分检测设备的火花台上（即成分检测工位），确保样品表面完全覆盖火花台上的激发孔，机械手指旋转气动旋钮，气动压杆将样品固定，此时，PLC控制器反馈成分检测样品已准备就绪信息给上位机数据化管理系统，上位机数据化管理系统启动成分检测设备开始测量并对收集的信息进行自动处理。测量结束后，分析结果自动显示在上位机数据化管理系统的电脑以及可视化液晶显示屏上；上位机数据化管理系统通知PLC控制器进行第二次测量，PLC控制器控制机械手旋转气动旋钮，气动压杆会松开样品，机械手抓取样品旋转一个角度再重复上述过程进行第二次测量，直到满足测量次数，本实施例中，预设次数为三次。当完成预设次数时，上位机数据化管理系统将多次测量结果取平均值作为最终的测量结果反馈给MES系统。上位机数据化管理系统保存数据，MES系统根据测量结果判断该批次铝合金是否符合要求。成分检测需要进行多次，每次成分测量完成后，需要将样品调整位置再进行下一次测量，当满足测量次数时，成分检测完成，并将多次测量结果的平均值作为最终的成分检测结果，以防止单次测量结果引起判断误差。

本发明的金属或者合金成分在线检测系统能够实现金属或者合金成分在线检测的全自动化，操作人员只需要在皮带输送装置入口端放置样品，剩余的过程全部能够自动化实现，操作人员只需要等待5-15分钟即可得到想要的检测结果。

如图3所示，整个系统的自动化实现过程如下：

1、可移动式集装箱体内所有设备上电，打开电脑，准备就绪；

2、人工将浇筑冷却好的金属或者合金样品置于样品转运系统的皮带输送装置的入口端，触发入口端光电传感器，电气控制系统启动，开始自动化检测过程；

3、PLC控制器控制皮带输送装置的输送电机启动，输送电机带动输送带将样品输送至皮带输送装置的另一端（即出口端），在皮带输送装置的另一端设置有定位挡板；当样品到达出口端时，此处的光电传感器被触发，输送带停止传送；

4、PLC控制器控制机器人在直线模组上移动，将出口端处的样品抓取至打标工位上，打标工位光电传感器被触发，通知PLC控制器可以开始打标，PLC控制器向打标系统发送打标内容并控制打标系统开始自动对样品进行打标；

5、打标完成打标系统反馈一个完成信号给PLC控制器，PLC控制器控制机器人机械手来打标工位抓取样品，然后移动到铣样工位，PLC控制器控制电动门打开后，机械手将样品放置到铣样系统的工作台（即铣样工位），机器人退出铣样系统工作范围，关闭电动门后，启动铣样系统的铣样程序，开始对样品铣样；

6、铣样完成后，铣样系统反馈完成信息给PLC控制器，电动门开启，机械手进入铣样系统工作台抓取样品离开，并移动到成分检测设备工位；

7、机械手将样品放置到成分检测设备的火花台上（即成分检测工位）；样品在火花台上是松动状态，气动压杆下降即可压紧样品，气动压杆由气动旋钮控制，顺时针旋转，气动压杆下降，逆时针旋转，气动压杆上升；通过PLC控制器控制机械手旋转气动旋钮，完成样品压紧或松动的自动化；当样品放置在火花台上后，机械手控制气动旋钮顺时针旋转，压紧固定样品；

8、PLC控制器通知上位机数据化管理系统，成分检测样品已准备就绪，上位机数据化管理系统启动成分检测设备开始并完成第一次测量；

9、第一次测量完成后，上位机数据化管理系统通知PLC控制器进行第二次测量，PLC控制器控制机械手逆时针旋转气动旋钮，样品松动，再抓取样品旋转一定角度，重新放置到火花台上并固定样品，旋转一定角度使样品在第二次测量时的位置与第一次测量时的位置不同；PLC控制器再通知上位机数据化管理系统进行第二次测量；

10、第二次测量完成后，重复操作再进行第三次测量；第三次测量完成后，取三次测量的平均值作为最终的成分检测结果；

11、上位机数据化管理系统保存数据，并发送检测完成信号给PLC控制器，机械手会抓取样品移动到定位样品架工位并将样品放置到定位样品架上；

本实施例中，定位样品架包括6行/8列样品存放格，可存放48个样品，样品满时会通知工厂工人更换定位样品架，定位样品架采用定位稍整体更换，更换定位样品架不会移动位置，保证了机器人的放置样品的精度；

12、机器人回归至原点等待下一个铝合金样品的自动化成分检测。

本发明的全自动金属或者合金成分在线检测系统，通过电气控制系统负责整个系统的自动化运行，包括样品在各个系统工位的流转节奏，各个系统的启动与停止以及各个系统的信息采集，并实现与上位机数据管理系统的数据交互，是整个系统动力源泉；上位机数据化管理系统是现场控制层与工厂MES系统层的桥梁，通过与现场电气控制系统以及样品成分检测设备数据交互，完成了现场数据的上传，并根据工厂MES系统的金属或者合金批次生产批号下发给样品打标，完成了样品成分检测结果的数据追溯，同时，通过将工厂MES系统的金属或者合金成分配方与实际检测的样品成分结果对比，来判断实际样品是否合格。由于整套系统样品的检测时间不超过15分钟，工作人员能马上根据检测结果判定是将这批金属或者合金直接后续的工艺生产还是重新回炉熔炼，很好的做到了过程控制。

以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全自动金属或者合金成分在线检测系统，其特征在于，包括：

样品转运系统，用于将样品输送至样品转运线路的各个工位上；

多个检测装置，分设于各个工位上，且分别与控制系统连接；所述检测装置用于检测样品是否处于对应工位上；

控制系统，用于根据所述检测装置的检测信号，控制样品的流转或者在对应工位上完成对应工序，并实现样品成分的在线检测。

2.如权利要求1所述的一种全自动金属或者合金成分在线检测系统，其特征在于：所述工位包括依次设置的打标工位、铣样工位以及成分检测工位，且在所述打标工位、铣样工位以及成分检测工位对应安装有打标系统、铣样系统以及成分检测系统；所述打标系统、铣样系统以及成分检测系统均与所述控制系统连接。

3.如权利要求1所述的一种全自动金属或者合金成分在线检测系统，其特征在于：所述检测装置采用光电传感器。

4.如权利要求1所述的一种全自动金属或者合金成分在线检测系统，其特征在于：所述样品转运系统包括皮带输送装置、直线模组以及转运机器人；所述皮带输送装置铺设在所述转运线路的入口端至第一个工位段；所述直线模组铺设在所述转运线路的第一个工位至最后一个工位段，且所述直线模组与皮带输送装置毗邻连接；所述转运机器人设置在直线模组上且能在所述直线模组上移动；

所述皮带输送装置的输送电机、直线模组以及转运机器人分别与所述控制系统连接。

5.如权利要求4所述的一种全自动金属或者合金成分在线检测系统，其特征在于：在所述皮带输送装置的入口端和出口端均设置有检测装置。

6.如权利要求2所述的一种全自动金属或者合金成分在线检测系统，其特征在于：所述控制系统包括电气控制系统和上位机数据化管理系统；

所述电气控制系统与多个检测装置连接；所述电气控制系统获取各个工位的检测信号，在样品未到达相应工位时控制所述样品转运系统将样品输送到相应工位上，在相应工位上的工序完成后再将数据传输给上位机数据化管理系统；

所述上位机数据化管理系统，用于根据所述电气控制系统的反馈数据控制对样品的成分检测；以及与工厂MES系统进行数据交互。

7.如权利要求6所述的一种全自动金属或者合金成分在线检测系统，其特征在于：所述电气控制系统包括PLC控制器、触摸屏以及通讯模块；所述PLC控制器与触摸屏、通讯模块连接。

8.如权利要求2所述的一种全自动金属或者合金成分在线检测系统，其特征在于：还包括设置在成分检测工位的下一个工位处的定位样品架；

所述定位样品架包括多行/多列样品存放格。

9.如权利要求1所述的一种全自动金属或者合金成分在线检测系统，其特征在于：还包括可移动式集装箱体，所述的样品转运系统、多个检测装置以及控制系统均置于所述可移动式集装箱体内。

10.一种全自动金属或者合金成分在线检测方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤（1）获取第一个工位的检测信号，根据该检测信号判断样品是否到达第一个工位；若样品到达第一个工位，则在第一个工位对样品执行第一个工位对应的工序；否则，将样品设置于第一个工位上，并执行第一个工位对应的工序；

步骤（2）将样品输送至下一个工位，并执行下一个工位对应的工序；

步骤（3）重复所述步骤（2），当样品到达成分检测工位时，根据样品准备就绪信息启动并完成对样品的第一次成分检测；

步骤（4）调整样品的位置，启动并完成对样品的下一次成分检测；

步骤（5）判断样品成分检测次数是否达到预设次数；若样品成分检测次数小于预设次数，则重复步骤（4）；若样品成分检测次数等于预设次数，则取成分检测结果的平均值作为最终成分检测结果。