周阿维 邵 伟 刘 冲
(①西安工程大学,陕西 西安710048;② 西安理工大学,陕西 西安 710048)
基于物联网的数字化工厂中质量管理信息采集*
陕西省教育厅基金项目(15JK1331);国家自然科学基金项目(51505359);西安工程大学博士科研启动基金项目(BS1428)
周阿维①邵伟②刘冲②
(①西安工程大学,陕西 西安710048;② 西安理工大学,陕西 西安 710048)
提出了基于物联网的零件质量管理信息采集系统,该系统集成多种检测设备,实现零件的检测信息自动提取、收集和存储,为数字化工厂的管理提供工件质量信息的大数据,为现代制造业的升级转型提供必要的技术基础,具有重要的工程应用价值。
数字化工厂;质量管理; 物联网; 自动提取; 大数据
数字化工厂是零件制造的核心单元,通过不断提升数字化制造能力和数字化协同水平,建立起适应全数字量传递的零件数字化工艺设计、数字化加工、生产现场管理和质量检测综合自动化集成应用环境[1-6]。面向数字化工厂的产品数据管理(PDM)可实现零件的数字化设计、数字化工艺、数字化加工和数字化质量信息的集成管理[1]。数字化设计、数字化工艺、数字化加工等技术比较成熟,而目前国内数字化质量信息的获取水平不高,其主要缺点有以下3点。
(1)使用传统量具手工检测,测量结果通过手工录入和纸质保存,信息分散,不利于质量检测数据的实时汇总分析[7]。(2)工厂内不仅有三坐标测量机等自动化检测设备,而且有传统的检测量仪。然而,传统检测量仪的检测信息并不能及时地传给工厂内零件质量检测系统,导致了目前质量检测系统只能对自动化检测设备的检测信息进行有效的管理,造成两种检测信息的分立,并不能完整地体现整个工厂内的加工检测结果。(3)虽然工厂具备自动化检测设备,但是由于测量过程中信息分散管理,每个检测工位上的质量信息无法及时反映,导致在加工完成之后才检测出零件不合格。
对于以上现有情况分析,为实现数字化工厂,建立一个新的数字化零件质量信息管理系统是十分重要的,而数字化零件质量信息数据采集系统已成为数字化工厂信息化的重要环节,采集系统的性能优劣直接决定着数字化工厂的生产效率。因此,建立一个统一的质量信息采集系统是至关重要的,此系统融合自动化检测设备、数控系统和传统的检测量具,这样不仅改善传统的检测方式,也为企业的信息化管理提供可靠的数据。本文提供一种与企业内MES、ERP系统相结合的数字化质量检测系统,使企业管理更加自动化、智能化。该系统以物联网为基础建立数字化工厂中零件质量管理信息采集系统。系统在采集层及传输层进行了系统性设计,可以实现智能采集和组网无线数据传输,该方法具有便捷、高效、准确率高等优点,不但能实现车间内数据采集,还可以通过更大范围的组网实现厂级甚至更大级别的数据采集。质量检测硬件系统主要包括:(1)数据采集接口的统一,实现不同生产厂商的数据转换接口。(2)数据采集终端服务器,实现组网并将数据最终存入检测系统数据库。
在实际生产车间内每个工位上都有一个检验站,每个检验站都配有一定数目的检测量具(如表1所示)。
表1检测设备
检测工位工位1工位2工位3工位4卡尺2#1深度尺3#1卡尺4#1检测量具CMM内径千分尺2#1卡尺3#1卡尺4#1外径千分尺2#1外径千分尺3#1高度尺4#3
其生产厂商主要是马尔和三丰。因此,可根据车间实际情况构建信息采集硬件系统。本信息采集系统硬件组成如图1所示,主要包括数据采集终端服务器和数据转换接口模块。其中,质量检测系统中各种不同的数字化检测器具通过数据转换接口连接至终端服务器,通过数据采集终端服务器实现物联网组网实现通讯协议统一,通过网络上传至上位机,上位机通过工厂内局域网将数据上传至企业数据库,进行检测信息的数字化管理和企业内MES、ERP系统进行信息交换。
1.1数据采集终端服务器
数据采集终端服务器担负着数据转换接口的数据与网络信息转换的任务,它是基于物联网的数字化工厂中零件质量管理信息采集系统硬件设备的核心之一。数据采集终端服务器的原理如图2所示,主要部分由串口服务器和路由器组成。其中,串口服务器的主要功能便是将串口数据转换成网络信号,路由器是将网络信号组网连接至工厂内局域网,这样便实现了测量数据与网络的连接。为了完成串口数据与网络信息转换的任务,设计了串口服务器作为串口转网络设备,该服务器支持多种模式的通讯,其中支持TCP服务器模式、TCP客户端模式、UDP模式、对联模式和反向终端模式等工作模式,允许用户软件通过标准网络应用程序接口(winsock BSD sockets)访问串口设备。搭建的数据采集终端服务器具有8个串口,可支持8种不同检测设备同时连接,并且具有超差报警功能。在实际测量时,红色指示灯亮起则此时所检测对象处于超差状态,若保留目前超差的测量数据则按绿色按钮自动跳过,系统将会转入下一个检测要素进行测量,如果需要重新检测在按下绿色按钮之后,需要人工重新选取进行再一次检测。
1.2数据转换接口模块
数据转换接口的主要目的是将检测量具的检测信号转换成统一的格式,并通过RS232接口接入数据采集终端服务器,实现检测设备与检测系统的数据通讯。目前,各种量具厂商都在常用的检测量具上添加了数字接口,但是由于不同厂家检测器具具有不同的数据规格,检测数据的不统一是质量信息管理系统构建的一大障碍。因此,本数据采集接口模块统一将马尔及三丰量具的16Exd数据线接口转换至通用的RS232通讯接口,再通过数据采集终端服务器内的串口服务器将采集数据通过TCP/IP协议发送至主机。在检测时当检测人员按下量具上的测量数据发送按钮,量具上的测量数据通过处理器后上传至数据采集终端服务器,再经过数据采集终端上传至检验用的计算机。
量具数据接口具有数据输出(DATA)、时钟输出(CLOCK)、准备状态输出(READY)和请求数据端口(REQUEST),它们的时序图如图3所示。
将REQUEST端和DATA端接入单片机的外部中断口上,向REQUEST发送一个低电平请求数据,即可在DATA端口上读取返回数据。返回数据格式是一串二进制数其格式如图4所示,前四位是数据头,d5位上是检测量具的符号位,d6-d11是检测量具的数据位,d12是检测量具的小数点位,d13则是数据的单位格式分别是毫米和英寸。
根据以上数据格式及企业的实际需求设计了两种数据转换接口,分别是有线数据转换接口和无线数据转换接口。
1.2.1有线数据转换接口模块
有线数据转换接口模块采用8052单片机作为主控芯片,其设计原理如图5所示。它是通过量具接口将数字化检测量具所测的数据传入8052单片机,再由其进行数据转换处理,最终通过串口发送至数据采集终端服务器。
1.2.2无线数据采集模块
为了检测的便捷性,系统设计了无线数据传输模块,测量数据可以通过无线的方式传输至数据采集终端,为测量带来了更多的灵活性。选用CC2530F256芯片,CC2530F256是IEEE 802.15.4的无线通讯芯片。CC2530芯片集成了增强工业标准的8051MCU和RF收发器,以及系统可编程Flash存储器,8-KB RAM和许多其他强大的功能。数字化量具通过量具接口电路接入CC2530,单片机对量具的检测信息进行读取,通过Zigbee传输协议将读取到的量具检测信息发送至接收端。接收端通过串口将测量数据上传至数据采集终端服务器实现数字化量具的数据采集,其原理框图如图6所示。
零件质量管理信息采集系统软件包括数据采集终端服务器软件和系统服务器软件设计,而系统服务器软件系统主要任务是采集数据采集终端服务器所传上来的网络数据和实现零件质量信息化管理,可以采用专用软件也可以采用通用MES或ERP软件,这里就不再详述。而数据采集终端服务器软件采用和硬件相适应的软件结构,采集程序的流程如图7所示。
表2测试结果
尺寸/mm15m有线数据转换接口无线数据转换接口20m有线数据转换接口无线数据转换接口10.12510.12510.12510.12510.12510.12510.12510.12510.12510.12510.125/10.125-5.635-5.635-5.635-5.635-5.635-5.635-5.635-5.635-5.635-5.635-5.635-5.635-5.635-8.612-8.612-8.612-8.612-8.612-8.612-8.612-8.612-8.612-8.612-8.612/-8.61225.00125.00125.00125.00125.00125.00125.00125.00125.00125.00125.00125.00125.00112.01312.01312.01312.01312.01312.01312.01312.01312.01312.01312.01312.01312.01310.05510.05510.05510.05510.05510.05510.05510.05510.05510.05510.055/10.05518.01218.01218.01218.01218.01218.01218.01218.01218.01218.01218.01218.01218.01217.03517.03517.03517.03517.03517.03517.03517.03517.03517.03517.03517.03517.03530.01530.01530.01530.01530.01530.01530.01530.01530.01530.01530.01530.015/40.01140.01140.01140.01140.01140.01140.01140.01140.01140.01140.01140.01140.011
本文建立的基于物联网的零件质量管理信息采集系统集成多种检测设备,实现零件的检测信息自动提取、收集和存储,为数字化工厂的管理提供工件质量信息的大数据。根据表1搭建了零件质量管理信息采集系统的测试平台,将测试分为10组,分别对零件检测信息进行测试,并对每组尺寸读写3次,观察上位机测试结果,测试结果如表2所示。有线采集模块准确率100%;无线模块CC2530通讯距离对于系统传输性能有很大影响,所以需要对不同距离情况下的CC2530通讯效率进行测试。经测试,在室内15 m范围内通讯基本无损失,满足一般车间的通讯要求。并且与传统的零件质量管理信息采集效率相比具有效率更高、读写速度快、准确率更高的特点。
本文建立的基于物联网的零件质量管理信息采集系统。该系统集成多种检测设备,实现零件的检测信息自动提取、收集和存储,为数字化工厂的管理提供工件质量信息的大数据。对系统性能进行了测试,测试结果表明:该系统具有通讯效率高、读写速度快、准确率高的特点,能够满足数字化工厂对零件质量管理信息的采集要求,有效地提高了企业的质量管理水平、生产效率和经济效益,为数字化工厂建设提供了数字化检测信息,具有重要的应用前景。
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(编辑谭弘颖)
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·名词解释·
磁力研磨所谓磁力研磨,就是指磁性磨料(必须兼有可磁化及能进行研磨两种性能的颗粒状物)在磁场中形成的磁性刷子,对工件表面进行精加工的一种方法。磁力研磨适用于零件表面的光整加工、棱边倒角和去毛刺。既可用于加工外圆表面,也可用于平面或内表面,甚至齿轮表面、螺纹和钻头等复杂表面的研磨抛光。利用磁力研磨方法去除精密机械零件的毛刺,通常用于液压元件和精密耦合件的去毛刺,效率高、质量好,这是其他工艺方法难以实现的。
挤压挤压是使金属坯料在挤压模内受压被挤出模孔而成形的加工方法。按照金属坯料受挤压时温度的高低,挤压又可分为冷挤压、热挤压和温挤压三种。冷挤压是在室温下进行的;热挤压温度与锻造温度相同;而温挤压则是将金属加热到100~800℃后进行挤压。挤压常用于生产各种形状复杂、深孔、薄壁、异型断面的零件。
Information acquisition of quality control in the digital factory based on internet of things (IOT)
ZHOU Awei①,SHAO Wei②,LIU Chong②
(① Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710048, CHN;② Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, CHN)
An information acquisition system of quality control of the parts based on internet of things (IOT) is proposed. The system can integrate a variety of detection equipment, and can achieve automatic extraction, collection and storage of detection information of the parts, which can be obtained by various measure equipments. Meanwhile, the system can provide the big data of the quality information of the parts for the management of the digital factory and the necessary technical basis for the upgrading and transformation of the modern manufacturing industry, and has important engineering application value.
digital factory; quality control; internet of things (IOT); automatic extraction;big data
TP274
A
10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.07.027
周阿维,女,1981年生,讲师,研究方向为零件质量检测、数字图像处理等。
2016-02-18)
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