为了保证测试结果精准、可重复、可追溯，提高生产效率，利用信息化、自动化、智能化等技术建立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测试全自动实验室[1]，已经成为这个领域的发展方向[2]。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而言，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。
国内最早使用全自动拉伸试验机是在2005年左右，这些全自动拉伸试验机是国内几个大钢铁企业实验室最先开始引进的。其中做薄板拉伸试验的小吨位全自动拉伸试验机采用往复式机械手；做厚板拉伸试验的大吨位全自动拉伸试验机采用龙门桁架式机械手。早期试验机以国外品牌为主，如德国兹威克（ZwickRoell）、美国英斯特朗（Instron）、意大利高达比尼（GADABINI）等，这些设备整体技术成熟、性能稳定。
2015年以来，国内部分一线品牌的试验机制造厂家根据钢铁企业实验室检验量大、产品规格相对集中、检验项目相对简单、检验周期短、流水线重复性检验等作业特点，运用自动化、智能化、信息化等先进技术，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，推进了钢铁企业智慧实验室的建设工作。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。在力学性能试样的加工方面，自动化加工起步较晚，试样加工的装备由开始的牛头刨床、锯床、铣床发展到使用机械手、数控加工中心来完成，试样加工正在步入现代化的进程。企业提出了多种试样在线加工及测试的智能化实验室建设方案。这些方案深度融合了试样加工设备与材料测试仪器、视觉识别、非接触测试等智能化控制与在线测试等多个系统。
2020年，太钢加入中国宝武集团，在中国宝武“四个一律”，“三高两化”，抢占智能制造高地的号召下，太钢适时启动了力学性能智能制样及测试自动化实验室的建设工作。业务范围为不锈钢、碳钢（板材、卷板）产品力学性能试样的加工检验，满足国标、欧标、美标、日标的取样方法、室温拉伸测试方法、冲击测试方法的标准要求。
1. 智能化实验室的方案设计与系统组成
1.1 方案设计
目标是建成两条智能化自动无人值守的板材力学性能试样加工及测试线。其中一条以加工碳钢板材为主（拉伸、冲击、弯曲测试等），另一条以加工不锈钢板材为主（拉伸、硬度测试，其中厚度不大于3 mm的不锈钢板材使用叠片加工工艺）。两条测试线可相互兼容替代使用。
根据产品和加工设备能力，两条测试线适用的板材厚度为0.5~25 mm。由于实验室为集中式布局，最远的取样点距离实验室达3 km，需利用车辆倒运及人工搬运，因此力学性能样坯尺寸不宜过大。目前采用的样坯尺寸（长度×宽度）有：550 mm×200 mm，550 mm×100 mm，600 mm×200 mm，600 mm×100 mm[3]。
常温板状矩形横截面试样的平行部宽度分别为12.5，20，25，30，40 mm（含比例和非比例试样）。常温棒状试样直径分别为10，12.5，15 mm（厚度大于16 mm的板材产品，依据相关产品标准要求，可加工成棒材试样）。
高温板材矩形横截面试样的平行部宽度分别为12.5，15 mm（夹持端打孔）。高温棒材试样直径分别为5，6，10 mm（螺纹头部）。
1.2 系统组成
整个系统由自动制样系统、自动测试系统、智能集控系统、数据管理系统（LIMS）构成。自动化制样设备包括激光切割机、数控加工中心、冲击加工中心、机械手、数控系统、视觉控制系统、激光打标机、AGV（自动引导车）等。该设备可加工常温拉伸、高温拉伸试样，长度分别为5，7.5，10 mm，宽度和高度为10 mm的方形截面冲击试样，2种矩形截面冷弯试样（薄板冷弯宽度为20 mm，中板冷弯宽度为30 mm），以及尺寸为40 mm×40 mm（长度×宽度）的布氏、维氏硬度试样。高温拉伸试样、冷弯试样、布氏硬度试样、维氏硬度试样只制样加工，不进行自动化测试。
自动化测试设备包括全自动洛氏硬度试验一体机（薄板）、全自动拉伸试验机、全自动冲击试验机、自动测量台、自动引伸计、试样标识装置、废样收集装置等。可以进行板状、棒状试样的常温自动化拉伸测试，常温及低温自动化冲击测试。
智能集控系统利用网络连接从上级数据管理系统获取测试委托信息，然后发出指令对自动化加工、测试设备进行智能化控制，该系统具备用户管理、设备管理、料架和托盘管理、AGV管理、试验信息管理、标样管理等全周期管理功能。
数据管理系统用于力学性能测试结果的数据收集、审核、上传、保存和数据统计分析等工作。
2. 智能化实验室的制样及测试流程
2.1 全自动制样工艺流程
拉伸、弯曲试样的加工工艺为：标识上样→台车上样→激光切割→数控加工中心加工为成品→成品分拣。冲击试样的加工工艺为：标识上样→台车上样→激光切割→圆盘锯加工→冲击加工中心加工为成品→成品分拣。
在试样指定位置贴二维码标签，将试样小车推入工位，利用机械手上的扫码装置对试样进行视觉识别，对加工信息及厚度信息进行确认，将不合格的试样放入缓存区。激光切割机根据集控加工指令自动匹配加工工艺，并根据任务分拣到中转平台、试样框、小样框。将拉伸、弯曲试样送到数控加工中心并加工为成品试样。将冲击试样送到圆盘锯加工、冲击加工中心并加工为成品试样。
全自动拉伸 冲击测试工艺流程
全自动拉伸测试：集控系统下达指令→成品分拣取样及试样识别→测量试样长度→测量横截面尺寸→装夹试样→自动引伸计跟踪试验过程→开始试验→试验结束→装卸和回收断样→复位试验。
全自动拉伸硬度一体化测试：集控系统下达指令→成品分拣取样及试样识别→机械手将试样放置在洛氏硬度试验台→完成硬度测试→测量试样长度→测量横截面尺寸→装夹试样→自动引伸计跟踪试验过程→开始试验→试验结束→装卸和回收断样→复位试验。在拉伸试样端部进行洛氏硬度试验，试样先经硬度试验后再进行拉伸试验。
全自动冲击测试：集控系统下达指令→成品分拣取样及试样识别→机械手夹持冲击试样进行视觉识别→开始试验→试验结束→废样回收→复位试验。
集控系统收到成品分拣台的信息，调度分拣机械手对拉伸试样或冲击试样进行分拣，冲击试样统一放在冲击试样托盘中，拉伸试样按设定规则分别放入不同拉伸试样托盘。将集控系统和LIMS系统下发的试样信息结合，并与托盘试样位置进行匹配，需要做洛氏硬度试验的试样先进行硬度试验。
集控系统向全自动拉伸试验机控制系统下达指令，控制机械手为试验机上样。机械手夹持试样送至横截面测量装置处，对试样的宽度、厚度进行测量；若测试出现异常，系统将触发报警并进行处理。随后，机械手夹持试样送入夹具并夹紧，之后退出试验机。拉伸试验机根据集控系统下发的试验标准号，调用自身控制系统内存储的对应试验标准开展拉伸试验。试验完成后，试验机将试验结果上传至集控系统，集控系统对试验数据进行修约后，再上传至数据管理系统。试验后的合格试样与不合格试样由机械手取走并分别放置到对应料盘内，料盘放满后由AGV转运。
集控系统向冲击试验机自动控制系统下达指令，该系统按试验温度和试样规格对来样进行分类。每个托盘设定唯一编号，且仅存放同一试验温度要求的试样，即一个托盘的试验批次以统一的试验温度和试样规格为标准。系统调度机械手将托盘内的试样组架整体抓取至操作台，再由机械手从试样组架内按顺序逐一抓取试样送入试验机进行测试，低温试样经保温处理后的取出流程与此一致。
低温冲击测试时，机械手夹持试样送至低温箱，箱门自动打开，机械手完成装样作业后，箱门自动关闭。系统根据试验标准控制低温箱进行保温，当保温温度达到设定要求时，箱门自动打开，机械手取出一个冲击试样并进行视觉对中检测。检测完成后，立即将该试样送入冲击试验机，试验结果上传与废样处理流程同拉伸试验一致。
3. 智能化实验室的应用
截至2023年底，自动线依次经历了设备安装期、设备调试期、系统磨合期、产能爬坡期、运行稳定期，两条自动制样线与一条力学性能自动测试线已实现基本稳定运行。目前日均切割试样千余件，其中拉伸试样400件、冲击试样300件、冷弯及其他类型试样约 300件，大幅改善了现场作业环境，同时显著提高了作业效率。
在提升制样与测试自动化线产能的同时，实验室也采取多项举措强化自动线质量控制：一是在整个自动制样与测试系统中设置固定断点，便于人工介入开展试样质量抽查；二是利用拉伸数控铣床设备，根据加工尺寸反馈信号实现自动进刀补偿修正；三是在拉伸、冲击试验机自动测量台增设原始测量公差判断功能（拉伸、冲击试样尺寸公差均需满足相关标准要求），可自动识别不合格试样并将其放入不合格试样框；四是在集控系统中设置拉伸、冲击测试项目的上下限判断功能（上下限要求自动从上级系统获取），当数据偏离范围时触发报警或变色提示；五是系统定期高频使用内控标准试样，对整个测试系统的设备稳定性进行有效性监控，若试样尺寸或性能指标超出范围，将自动触发报警提示。
借助集控系统，可实时查看每个试样在制样、测试各环节的状态，实现了试样全周期管理功能。同时，利用系列智能规则开发完善系统能力，可开发智能切割算法规则，满足不同过程样板、不同测试项目的切割需求（单块样板最多可切割7个不同类型的试样）。开发AGV的智能调度规则，满足两条制样线与力学性能自动测试线的联动需求，可自动优化计算最优搬运路线。开发智能试样分拣规则，实现试样与试验机的自动匹配，并根据任务需求自主调配试验机资源。开发智能试验方案与修约规则，系统可根据预先设定的试验要求及修约规则，向自动试验机系统下达指令并完成试验。上述举措在一定程度上实现了“智能化控制大脑”的核心功能。
4. 结语
钢板力学性能测试智能化实验室建成并投运，实现了力学性能试样从制样端到试验端的全程自动任务分配，达成无人值守运行模式。这一成果是智能化测试的具象化应用实践，可为同类型实验室提供参考借鉴。
全自动制样与测试设备在检化验实验室的应用，替代了传统人工机械加工及测试方式，不仅大幅降低了岗位操作人员的劳动强度、规避了安全风险，还改善了作业环境、提升了工作效率。同时，该应用保障了试验数据的及时性与准确性，有效避免了人为因素造成的检验结果误差
来源--材料与测试网