乐金涛：我国全自动拉伸试验机技术的发展、挑战与前景

乐金涛老师

乐金涛，1983年开始在宝钢集团从事金属材料力学性能检测工作，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试验分技术委员会顾问、《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。   

仪器信息网：请问，为什么要研发全自动拉伸试验机技术？

乐金涛老师：三年疫情给智慧制造的发展带来非常有利的机遇，如何让试验室利用先进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可以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测全自动试验室，已经成为这个领域的发展方向。 

随着工业发展至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，质量检测环节中的材料拉伸试验也向半自动化、全自动化快速发展。

全自动电子拉伸试验机（薄板材料）

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可以轻松地完成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，可以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。

仪器信息网：要建设好一个自动化检测试验室，需具备哪些条件和掌握哪些关键技术？

乐金涛老师：要建设好一个自动化力学性能检测试验室，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

1) 检验量大，设备要耐用；

2) 产品规格相对集中、检验项目相对简单，设备要专业化配置；

3) 检验周期紧，试样来样量不均匀，设备配置要有一定的富余量；

4) 对检验的精度要求相对较低，主要判断产品是否合格。

2. 建设自动化力学检测试验室的关键技术

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，其比较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测试验室，必须包含以下基本的关键技术：

1) 通过机械手实现试样自动上、下料功能；

2) 样号的自动识别；

3) 试样传送系统；

4) 全自动试验设备；

5) 样品自动收集保存等。

仪器信息网：当前，我国全自动拉伸试验机已经发展到了什么程度？

乐金涛老师：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测中最主要、使用最多的拉伸试验机产量、品种和得到了快速发展，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类产品的水平，完全能够满足如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。记得在那个时候，国内有试验机厂家想仿制，但由于种种原因没有成功。

全自动电液伺服拉伸试验机（中、厚板和螺纹钢）

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，到目前采用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，实现了对各种类型全自动试验机的全覆盖。

仪器信息网：全自动拉伸试验机主要的工作流程是什么？

乐金涛老师：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方法进行试验→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。

仪器信息网：全自动拉伸试验机除了主机以外，其配套的主要零部件技术对于整个系统也是非常关键，请举例介绍一下其优点？

乐金涛老师：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整个系统中的应用。

在全自动化拉伸试验系统中常用的变形测量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，大大提高检测效率。

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，有效提高试样利用率，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值不存在显著性差异，其中全自动测量方法测量r值的精度最高；

——视频引伸计与机械接触式引伸计测量r值的结果接近，但前者的精度更高。

配置视频引伸计的全自动拉伸试验机

仪器信息网：据了解，为了满足用户个性化要求，国内也研发了一些有特殊功能的全自动拉伸试验机，请您介绍一下？

乐金涛老师：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。

带断料回收装置全自动拉伸试验机

另外，如许多钢铁企业生产的螺纹钢或圆钢，由于轧钢工艺的需要，生产出来的产品是呈盘状的，俗称盘圆或盘螺。为了保证试样可以正常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测精度。

带自动校直全自动拉伸试验机

仪器信息网：您长期在中国宝武集团检化验系统工作，能否就宝钢范围的全自动试验技术方面提供一个案例分享给读者？

乐金涛老师：针对繁琐的热轧带肋钢筋外部和内在质量的检测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测试系统。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。该系统还可以通过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。

宝钢武钢有限公司1000kN钢筋试验系统

仪器信息网：当前国内全自动拉伸试验机急需解决的关键技术是什么？

乐金涛老师：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方面：

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；

2)   高精度、高分辨率、宽量程的力传感器等技术；

3)   高精度、高分辨率、宽量程的试样横截面尺寸测量传感器等技术。

仪器信息网：能否针对目前我国全自动拉伸试验机的现状，谈谈您的感受或想法？

乐金涛老师：在国外1000KN以上的电子拉伸试验机技术已经非常成熟，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，完全可以胜任日常检验任务。

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。目前我们国家研发制造的全自动试验机或系统的主要特点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。

仪器信息网：最后，请您对国内的试验机制造厂家提一点要求或希望？

乐金涛老师：希望国内的试验机制造厂家要重视市场需求和技术研发，以自动化、智能化为发展目标和发展方向，来满足用户个性化需求。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。