直齒齒輪公法線在線檢驗(yàn)及評(píng)價(jià)系統(tǒng)開發(fā)

朱瑞祥 王 毅 翟長(zhǎng)遠(yuǎn) 付乾坤

西北農(nóng)林科技大學(xué)，楊凌，712100

0 引言

測(cè)量公法線長(zhǎng)度是齒輪檢驗(yàn)的常用方法之一，相比周節(jié)累積誤差和齒圈徑向跳動(dòng)，公法線長(zhǎng)度的測(cè)量既簡(jiǎn)便又準(zhǔn)確，故在齒輪生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用［1-2］。公法線測(cè)量有公法線千分尺測(cè)量、公法線卡表(卡規(guī))測(cè)量和萬能測(cè)齒儀測(cè)量三種。這三種測(cè)量方法均采用機(jī)械式手動(dòng)操作，效率低、誤差大，不適用于大批量齒輪檢驗(yàn)，不能滿足工業(yè)化大生產(chǎn)的需求［3-4］。近年來開發(fā)的數(shù)顯公法線千分尺，雖提高了公法線測(cè)量精度及測(cè)量效率，但在檢驗(yàn)中依然存在兩個(gè)亟待解決的問題:一方面需要人工讀數(shù)、人工記錄，增加了人為因素的不確定性;另一方面需要查閱或計(jì)算應(yīng)跨齒數(shù)、公法線平均長(zhǎng)度極限偏差等參數(shù)，影響了檢驗(yàn)效率。

績(jī)效考核與管理是企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益、企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和市場(chǎng)份額的重要手段，有利于揚(yáng)優(yōu)抑劣，調(diào)動(dòng)員工的工作積極性和責(zé)任心，實(shí)現(xiàn)企業(yè)不斷發(fā)展［5］。但在績(jī)效考核時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)因主觀片面評(píng)分而產(chǎn)生的負(fù)面影響。因此，制定一種客觀的評(píng)價(jià)方法，不僅有利于增加被考核者對(duì)管理者的信任，也有利于考核結(jié)果的公平、公正，激勵(lì)員工，實(shí)現(xiàn)管理目標(biāo)［6-8］。

基于上述原因，本文開發(fā)了一套公法線在線檢驗(yàn)及評(píng)價(jià)系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了公法線檢驗(yàn)、績(jī)效評(píng)價(jià)、質(zhì)量獎(jiǎng)罰、檔案管理的自動(dòng)化。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由公法線檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)兩個(gè)模塊組成。系統(tǒng)總體框圖見圖1。

檢驗(yàn)?zāi)K包括硬件電路和上位機(jī)的檢驗(yàn)子系統(tǒng)兩部分;評(píng)價(jià)模塊則由績(jī)效評(píng)價(jià)子系統(tǒng)、質(zhì)量獎(jiǎng)罰子系統(tǒng)、檔案管理子系統(tǒng)組成。檢驗(yàn)?zāi)K中硬件電路實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、處理及傳送，通過USB接口將數(shù)據(jù)信號(hào)傳送到上位機(jī)的檢驗(yàn)子系統(tǒng)，調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)，得到公法線檢驗(yàn)要求的各項(xiàng)參數(shù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，完成對(duì)齒輪公法線檢驗(yàn)的質(zhì)量判斷。評(píng)價(jià)模塊基于熵值賦權(quán)算法，量化了績(jī)效評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)了績(jī)效評(píng)價(jià)、質(zhì)量獎(jiǎng)罰及檔案管理的自動(dòng)化。上位機(jī)軟件用 C#語言和 SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)完成。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

本系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)平臺(tái)是SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)，它以文件形式保存，文件的擴(kuò)展名是MDF［9］。在數(shù)據(jù)庫(kù)中創(chuàng)建5個(gè)表，分別實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)、員工檔案、獎(jiǎng)罰明細(xì)、產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)信息及工人績(jī)效評(píng)價(jià)信息的存儲(chǔ)和調(diào)用。

2 檢驗(yàn)?zāi)K

2.1 硬件電路

硬件電路主要由比較器電路、RS232－USB轉(zhuǎn)換電路、電壓轉(zhuǎn)換電路組成，實(shí)物圖、原理圖分別見圖2、圖3。

圖2 硬件電路實(shí)物圖

圖3 硬件電路原理圖

(1)比較器電路。以LM358為核心設(shè)計(jì)比較器電路，經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出比較電平約為1.2V，比較器輸入腳通過音頻2.5四極插頭與數(shù)顯公法線千分尺連接。

(2)RS232－USB轉(zhuǎn)換電路。以MAX232芯片為核心設(shè)計(jì)了串口通信電路，為方便使用，設(shè)計(jì)了以PL2303為核心的RS232－USB轉(zhuǎn)換電路。實(shí)驗(yàn)證明，該電路能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)串口RS232和USB接口的轉(zhuǎn)換，且工作穩(wěn)定。

(3)電壓轉(zhuǎn)換電路。本系統(tǒng)RS232－USB轉(zhuǎn)換電路需要DC3V電壓供電，因此以LM1117－3.3芯片為核心設(shè)計(jì)了降壓穩(wěn)壓電路，實(shí)測(cè)表明，電壓準(zhǔn)確、穩(wěn)定。

2.2 公法線檢驗(yàn)子系統(tǒng)

2.2.1 流程圖

圖4 檢驗(yàn)子系統(tǒng)流程圖

2.2.2質(zhì)量評(píng)價(jià)依據(jù)

本研究依據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)關(guān)于公法線檢驗(yàn)有關(guān)量的規(guī)定，采用公法線長(zhǎng)度變動(dòng)量ΔFw、公法線平均長(zhǎng)度偏差ΔEw作為評(píng)價(jià)依據(jù)［10-12］。

如滿足式(1)條件，則判斷被測(cè)齒輪合格。

3 評(píng)價(jià)模塊

3.1 結(jié)構(gòu)功能圖

評(píng)價(jià)模塊分為績(jī)效評(píng)價(jià)子系統(tǒng)、質(zhì)量獎(jiǎng)罰子系統(tǒng)、檔案管理子系統(tǒng)，另外還設(shè)置系統(tǒng)管理功能，方便管理員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)。結(jié)構(gòu)功能圖見圖5。

圖5 評(píng)價(jià)模塊結(jié)構(gòu)框圖

(1)績(jī)效評(píng)價(jià)子系統(tǒng)。對(duì)員工加工總數(shù)、合格總數(shù)、合格率、平均ΔFw、標(biāo)準(zhǔn)差S進(jìn)行計(jì)算并顯示，同時(shí)給出合格率排名、標(biāo)準(zhǔn)差排名，并按照熵值賦權(quán)法［5，7，8，13］給出綜合排名，為科學(xué)的質(zhì)量獎(jiǎng)罰提供依據(jù)。

(2)質(zhì)量獎(jiǎng)罰系統(tǒng)。質(zhì)量獎(jiǎng)罰系統(tǒng)采用平均先進(jìn)原則［5］，設(shè)置并顯示獎(jiǎng)勵(lì)名額與懲罰名額，管理員可以添加獎(jiǎng)罰明細(xì)，如獎(jiǎng)罰金額、原因等，實(shí)現(xiàn)人性化的質(zhì)量獎(jiǎng)罰。

(3)檔案管理系統(tǒng)。檔案管理系統(tǒng)較為完整地實(shí)現(xiàn)了員工檔案信息化管理，有增加、修改、刪除、搜索以及分類顯示等功能。

(4)系統(tǒng)管理。系統(tǒng)管理可實(shí)現(xiàn)管理員管理、對(duì)數(shù)據(jù)的備份和恢復(fù)等功能。

3.2 績(jī)效評(píng)價(jià)算法

對(duì)于多指標(biāo)綜合性評(píng)估問題，權(quán)重的確定是一個(gè)相當(dāng)重要的基本步驟，權(quán)重值的變化，將直接影響到綜合評(píng)估結(jié)果的科學(xué)合理性。

本文采用熵值賦權(quán)法確定權(quán)重。通過熵值賦權(quán)算法，確定指標(biāo)綜合權(quán)系數(shù)的數(shù)學(xué)模型，并給出模型的精確解。相較于主觀賦權(quán)法，這種賦權(quán)法更客觀地反映了評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)據(jù)信息與差別，避免了人為因素的干擾，具有很強(qiáng)的說服力［5，7-8，13］。步驟如下:

(1)選取n個(gè)工人，h項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，x'ij是第i個(gè)工人的第j項(xiàng)指標(biāo)數(shù)值。

(2)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化處理。由于各項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)量單位并不統(tǒng)一，且分為正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)，正向指標(biāo)數(shù)值要求越高越好，負(fù)向指標(biāo)則相反，因此進(jìn)行如下標(biāo)準(zhǔn)化處理。

正向指標(biāo):

負(fù)向指標(biāo):

其中，xij為處理后第i個(gè)工人的第j項(xiàng)指標(biāo)數(shù)值(i=1，2，…，n;j=1，2，…，h)。

(3)計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)下第i個(gè)工人占該指標(biāo)的比重pij:

(4)計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的熵值ej:

其中，k ＞ 0，k=1/lnn，ej≥ 0。

(5)計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的差異系數(shù):對(duì)第j項(xiàng)指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)值的差異越大，對(duì)方案評(píng)價(jià)的左右就越大，熵值就越小。定義差異系數(shù)gj:

(6)求權(quán)值Wj:

(7)計(jì)算每個(gè)工人的綜合得分值si:

4 試驗(yàn)與結(jié)果分析

試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院工程訓(xùn)練中心進(jìn)行。試驗(yàn)設(shè)備可檢驗(yàn)齒輪的參數(shù)范圍為:齒數(shù)15～50，精度等級(jí)5～12級(jí)。試驗(yàn)使用某量具刃具有限責(zé)任公司生產(chǎn)的數(shù)顯公法線千分尺，量程是25～50mm，精度為0.001mm，并在試驗(yàn)開始前對(duì)公法線千分尺、硬件電路、上位機(jī)軟件進(jìn)行校準(zhǔn)、初始化。

抽取6個(gè)工人加工的47個(gè)直齒圓柱齒輪作為測(cè)試對(duì)象，齒輪規(guī)格如表1所示。

表1 齒輪參數(shù)

在檔案管理子系統(tǒng)中添加6位工人的基本信息，并設(shè)置兩位檢驗(yàn)員、一位系統(tǒng)管理員。進(jìn)入檢驗(yàn)子系統(tǒng)，設(shè)置串口號(hào)、選擇工人代號(hào)、檢驗(yàn)員代號(hào)，填寫模數(shù)m、齒數(shù)z、加工精度p(級(jí))，開始采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集完成后，顯示各參數(shù)值及數(shù)據(jù)處理結(jié)果，并給出被測(cè)齒輪質(zhì)量評(píng)定值。在評(píng)價(jià)子系統(tǒng)中選擇工人代號(hào)進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過績(jī)效評(píng)價(jià)算法公式(式(2)～式(8))，系統(tǒng)自動(dòng)得到綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。評(píng)價(jià)參數(shù)及結(jié)果如表2、表3所示。

表2 熵值法賦權(quán)

表3 熵值法評(píng)價(jià)結(jié)果

由表2、表3分析可知:

(1)本文采用的評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重由大到小依次為:標(biāo)準(zhǔn)差≥加工總數(shù)≥合格率。

(2)1號(hào)工人三項(xiàng)指標(biāo)均最高，故熵值法得分最高，排名第一;對(duì)比2號(hào)、4號(hào)工人，2號(hào)工人加工總數(shù)多于4號(hào)工人，且標(biāo)準(zhǔn)差小，說明2號(hào)工人技術(shù)水平較穩(wěn)定，但合格率卻仍需提高;對(duì)比3號(hào)、5號(hào)工人，3號(hào)工人雖然加工總數(shù)多于5號(hào)工人，但合格率、標(biāo)準(zhǔn)差均不及5號(hào)工人，依熵值算法認(rèn)為5號(hào)工人優(yōu)于3號(hào)工人。由此可見，熵值法賦權(quán)更能客觀、準(zhǔn)確地反映工人的績(jī)效情況，具有更高的參考價(jià)值。

在獎(jiǎng)罰子系統(tǒng)中，設(shè)置獎(jiǎng)罰依據(jù)、獎(jiǎng)罰名額、獎(jiǎng)罰明細(xì)，進(jìn)行質(zhì)量獎(jiǎng)罰。本次試驗(yàn)擬定獎(jiǎng)罰依據(jù)是綜合排名，獎(jiǎng)勵(lì)前兩名，懲罰最后兩名，假設(shè)獎(jiǎng)勵(lì)金額依次為100元、50元，懲罰金額依次為50元、100元，基本工資為4000元。結(jié)果如表4所示。

表4 獎(jiǎng)罰記錄

5 結(jié)論

(1)公法線檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)系統(tǒng)可極大提高檢驗(yàn)效率，由于增加了檔案管理、質(zhì)量獎(jiǎng)罰、質(zhì)量評(píng)價(jià)功能，使得評(píng)價(jià)更為公平、客觀。該系統(tǒng)已經(jīng)申請(qǐng)中華人民共和國(guó)軟件著作權(quán)。

(2)針對(duì)某量具刃具有限責(zé)任公司生產(chǎn)的數(shù)顯公法線千分尺，自主開發(fā)了數(shù)據(jù)導(dǎo)出硬件電路，實(shí)現(xiàn)了公法線千分尺測(cè)得數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)導(dǎo)入上位機(jī)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該電路工作穩(wěn)定、可靠，完全可以實(shí)現(xiàn)公法線檢驗(yàn)μm級(jí)精度。

(3)基于熵值賦權(quán)算法的評(píng)價(jià)系統(tǒng)，量化了工人績(jī)效評(píng)價(jià)，使評(píng)價(jià)結(jié)果更公平、客觀。這種評(píng)價(jià)算法在多種指標(biāo)下的績(jī)效評(píng)價(jià)中，具有一定參考價(jià)值。

(4)本文的試驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本容量不大，但不影響檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)軟件的運(yùn)行。試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理已經(jīng)達(dá)到了測(cè)試軟件功能的目的，評(píng)價(jià)結(jié)果也具有一定的客觀性。但是在實(shí)際生產(chǎn)中，根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理，加工總數(shù)越多，評(píng)價(jià)指標(biāo)的客觀性越強(qiáng)，評(píng)價(jià)結(jié)果越準(zhǔn)確。

本研究還需完成檢驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，使被測(cè)齒輪固定于檢驗(yàn)平臺(tái)，通過上位機(jī)與下位機(jī)實(shí)時(shí)通訊，最終實(shí)現(xiàn)公法線檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)的自動(dòng)化。

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