一種數(shù)據(jù)可追溯的彈簧快速檢測(cè)設(shè)備

栗小寬 景鑫

摘 要：基于彈簧實(shí)際測(cè)量的物理特性與胡克定律的差異性，本文設(shè)計(jì)了一種彈簧數(shù)據(jù)采集及處理方案，并依據(jù)該方案實(shí)現(xiàn)了一套彈簧檢測(cè)設(shè)備。該設(shè)備將傳統(tǒng)多點(diǎn)測(cè)量方式改進(jìn)為一次數(shù)據(jù)采集，同時(shí)將檢測(cè)結(jié)果同步保存至數(shù)據(jù)庫(kù)，并通過(guò)條碼實(shí)現(xiàn)彈簧檢測(cè)數(shù)據(jù)的可追溯。通過(guò)使用該系統(tǒng)可以提高彈簧的檢驗(yàn)效率，確保后序流程的可靠生產(chǎn)及檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的跟蹤。

關(guān)鍵詞：胡克定律；彈簧檢測(cè)；數(shù)據(jù)追溯

彈簧是一種利用彈性工作的機(jī)械零件，作為工業(yè)系統(tǒng)中的重要元件，目前常用的檢測(cè)方式是隨機(jī)抽樣，并使用彈簧拉壓儀人工觀測(cè)多點(diǎn)行程壓力數(shù)據(jù)判斷其合格性，該方式主要存在檢測(cè)率不高，檢測(cè)速度慢以及數(shù)據(jù)無(wú)法保存等缺陷。本文闡述的自動(dòng)采集方案將傳統(tǒng)手眼配合的多點(diǎn)檢查方式改進(jìn)為一次多點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，同時(shí)將檢測(cè)結(jié)果同步保存至數(shù)據(jù)庫(kù)，并通過(guò)條碼確保被測(cè)彈簧的檢測(cè)數(shù)據(jù)能夠可追溯。檢測(cè)設(shè)備測(cè)量速度約4-5秒/個(gè)，行程測(cè)量精度為5微米，壓力測(cè)量精度為0.001N。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

彈簧只有在自由端勻速運(yùn)動(dòng)，或靜止時(shí)， 則在彈性限度內(nèi)的作用力才服從胡克定律 ； 或在彈簧質(zhì)量可以忽略不計(jì) ，胡克定律才近似成立。因此實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)彈簧的性能檢測(cè)往往是在胡克定律理論曲線上做一定的偏差以符合實(shí)際的應(yīng)用情況。所以，當(dāng)前彈簧的檢測(cè)是通過(guò)觀測(cè)彈簧拉壓儀上多個(gè)行程點(diǎn)的壓力值判斷其合格性。

目前的檢測(cè)流程必須依靠操作員的手眼配合對(duì)多個(gè)行程點(diǎn)進(jìn)行壓力判斷。其缺陷首先是檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，工作效率低；其次是人為判斷結(jié)果，可靠性無(wú)法保證；第三，檢測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)法跟隨產(chǎn)品進(jìn)入銷(xiāo)售或生產(chǎn)流程。盡管有些數(shù)顯拉壓儀配備熱敏打印機(jī)，但其打印小票在跟隨彈簧的流轉(zhuǎn)過(guò)程中可能遺失，或者因外部溫度的變化導(dǎo)致字跡模糊，使之無(wú)法具備數(shù)據(jù)可追溯性。

為了改進(jìn)上述檢測(cè)設(shè)備的缺陷，本文提出了一種基于高速光柵尺、壓力傳感器、光電傳感器、PLC、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合的彈簧檢測(cè)方案。

服務(wù)器通過(guò)工單系統(tǒng)下發(fā)檢測(cè)工單及規(guī)格數(shù)據(jù)至工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)PC。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)PC通過(guò)工業(yè)交換機(jī)接收服務(wù)器下發(fā)的檢測(cè)工單指令，將工單內(nèi)的檢測(cè)規(guī)格通過(guò)485轉(zhuǎn)接口下發(fā)到PLC；操作員將彈簧放置在彈簧拉壓儀上，高速光柵尺實(shí)時(shí)接收彈簧壓迫的形變量，并將形變數(shù)據(jù)通過(guò)AB相高速口傳送至PLC，壓力傳感器的模擬量數(shù)據(jù)通過(guò)模擬量采集模塊傳送至PLC，PLC根據(jù)檢測(cè)規(guī)格判斷彈簧是否合格，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)485轉(zhuǎn)接口上傳至工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)PC，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)PC將檢測(cè)結(jié)果上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。檢測(cè)結(jié)果通過(guò)指示燈展現(xiàn)給用戶。如果彈簧檢驗(yàn)合格，則打印唯一性條碼。

2彈簧檢測(cè)設(shè)備改造

為了使被測(cè)彈簧在檢測(cè)過(guò)程中行程和壓力數(shù)據(jù)可以同步變化，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的彈簧拉壓儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)中將光柵尺的滑塊與齒條的底部圓盤(pán)固定在一起。當(dāng)齒條運(yùn)動(dòng)時(shí)，光柵尺的滑塊也隨之同步運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，光柵尺生成彈簧形變的行程數(shù)據(jù)，測(cè)量盤(pán)內(nèi)部的壓力傳感器獲得彈簧的壓力數(shù)據(jù)。

3電氣設(shè)計(jì)

PLC的主要作用是采集行程壓力值，并將其上傳至工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)PC。行程壓力處理采用的是先采集后上傳的方式。本系統(tǒng)采用的壓力傳感器是懸臂梁式稱重傳感器，其測(cè)量范圍為0～2000N，輸出信號(hào)為電壓量，范圍為0～200mv。為了保證傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，采用4～20mA輸出變送器作為信號(hào)轉(zhuǎn)換輸入到PLC。

PLC從上位機(jī)獲得行程規(guī)格數(shù)據(jù)并設(shè)定高速采集的行程范圍。在檢測(cè)過(guò)程中，當(dāng)彈簧的壓縮行程到達(dá)規(guī)定范圍，便立刻高速采集多個(gè)壓力數(shù)據(jù)，將采集結(jié)果保存在指定寄存器中，當(dāng)全部的數(shù)據(jù)采集完畢，上位機(jī)通過(guò)ModbusRTU方式讀取PLC的寄存器中的行程和壓力數(shù)據(jù)，通過(guò)比較規(guī)格數(shù)據(jù)判定該彈簧是否合格。

4 上位機(jī)設(shè)計(jì)

4.1軟件總體設(shè)計(jì)

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)PC構(gòu)建了實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，服務(wù)器端構(gòu)建了條碼查詢系統(tǒng)。二者調(diào)用相同的TCProducingLine庫(kù)的函數(shù)，通過(guò)數(shù)據(jù)訪問(wèn)模塊（DAC）實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的保存和訪問(wèn)。

TCProducingLine模塊主要處理檢測(cè)數(shù)據(jù)邏輯的相關(guān)功能，將界面層的數(shù)據(jù)處理后傳遞給DAC模塊，DAC模塊將TCProducingLine中的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行互通。該結(jié)構(gòu)采用的多層架構(gòu)設(shè)計(jì)可以有效限制上下模塊之間的依賴關(guān)系，降低軟件的耦合度，較好的達(dá)到易于維護(hù)和擴(kuò)展的目的。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集功能實(shí)現(xiàn)

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)PC的主要功能是與PLC之間進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與交換，由于PC與PLC之間是基于ModbusRTU協(xié)議的RS485通訊方式，因此為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性及便捷性，本功能采用C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)基于微軟.Net框架的Windows桌面系統(tǒng)。.Net是微軟的一個(gè)平臺(tái)，該平臺(tái)包含了廣泛的產(chǎn)品系列。本系統(tǒng)將.Net框架下的串口類(lèi)封裝成可以實(shí)現(xiàn)ModbusRTU通訊的功能集，使之與上位機(jī)之間可以進(jìn)行每隔100ms的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，達(dá)到與PLC通訊的目的。

為了保證產(chǎn)品的唯一性，本系統(tǒng)采用工業(yè)Code128碼為產(chǎn)品進(jìn)行條碼定義。CODE128碼是廣泛應(yīng)用在企業(yè)內(nèi)部管理、生產(chǎn)流程、物流控制系統(tǒng)方面的條碼碼制，由于其優(yōu)良的特性在管理信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中被廣泛使用。

4.3 檢測(cè)數(shù)據(jù)查詢功能實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)查詢功能主要針對(duì)的是生產(chǎn)管理人員，因該功能使用人員較少，使用頻率較小，所以考慮到開(kāi)發(fā)成本，該功能也采用基于C#開(kāi)發(fā)的Windows的桌面系統(tǒng)。用戶只需掃描或者輸入條碼即可查詢測(cè)量數(shù)據(jù)。

5 總結(jié)

本文闡述的彈簧檢測(cè)系統(tǒng)由于檢測(cè)方式的改進(jìn)，使原本30-40秒/個(gè)的檢測(cè)速度提高到4-5秒/個(gè)，提高了檢測(cè)的效率，其數(shù)據(jù)自動(dòng)保存方式對(duì)質(zhì)量把控起到了一定的作用，迎合了生產(chǎn)數(shù)據(jù)全程可追溯的趨勢(shì)，得到了企業(yè)的認(rèn)可。

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