直齒齒輪公法線在線檢驗及評價系統開發

朱瑞祥 王 毅 翟長遠 付乾坤

西北農林科技大學，楊凌，712100

0 引言

測量公法線長度是齒輪檢驗的常用方法之一，相比周節累積誤差和齒圈徑向跳動，公法線長度的測量既簡便又準確，故在齒輪生產中得到了廣泛的應用［1-2］。公法線測量有公法線千分尺測量、公法線卡表(卡規)測量和萬能測齒儀測量三種。這三種測量方法均采用機械式手動操作，效率低、誤差大，不適用于大批量齒輪檢驗，不能滿足工業化大生產的需求［3-4］。近年來開發的數顯公法線千分尺，雖提高了公法線測量精度及測量效率，但在檢驗中依然存在兩個亟待解決的問題:一方面需要人工讀數、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算應跨齒數、公法線平均長度極限偏差等參數，影響了檢驗效率。

績效考核與管理是企業提高經濟效益和社會效益、企業競爭力和市場份額的重要手段，有利于揚優抑劣，調動員工的工作積極性和責任心，實現企業不斷發展［5］。但在績效考核時，往往會出現因主觀片面評分而產生的負面影響。因此，制定一種客觀的評價方法，不僅有利于增加被考核者對管理者的信任，也有利于考核結果的公平、公正，激勵員工，實現管理目標［6-8］。

基于上述原因，本文開發了一套公法線在線檢驗及評價系統，該系統實現了公法線檢驗、績效評價、質量獎罰、檔案管理的自動化。

1 系統總體設計

本系統主要由公法線檢驗和評價兩個模塊組成。系統總體框圖見圖1。

檢驗模塊包括硬件電路和上位機的檢驗子系統兩部分;評價模塊則由績效評價子系統、質量獎罰子系統、檔案管理子系統組成。檢驗模塊中硬件電路實現了數據采集、處理及傳送，通過USB接口將數據信號傳送到上位機的檢驗子系統，調用數據庫，得到公法線檢驗要求的各項參數，經數據處理，完成對齒輪公法線檢驗的質量判斷。評價模塊基于熵值賦權算法，量化了績效評價，實現了績效評價、質量獎罰及檔案管理的自動化。上位機軟件用 C#語言和 SQL Server數據庫開發完成。

圖1 系統總體框圖

本系統使用的數據庫開發平臺是SQL Server數據庫，它以文件形式保存，文件的擴展名是MDF［9］。在數據庫中創建5個表，分別實現測量數據、員工檔案、獎罰明細、產品質量評價信息及工人績效評價信息的存儲和調用。

2 檢驗模塊

2.1 硬件電路

硬件電路主要由比較器電路、RS232－USB轉換電路、電壓轉換電路組成，實物圖、原理圖分別見圖2、圖3。

圖2 硬件電路實物圖

圖3 硬件電路原理圖

(1)比較器電路。以LM358為核心設計比較器電路，經實驗得出比較電平約為1.2V，比較器輸入腳通過音頻2.5四極插頭與數顯公法線千分尺連接。

(2)RS232－USB轉換電路。以MAX232芯片為核心設計了串口通信電路，為方便使用，設計了以PL2303為核心的RS232－USB轉換電路。實驗證明，該電路能準確實現串口RS232和USB接口的轉換，且工作穩定。

(3)電壓轉換電路。本系統RS232－USB轉換電路需要DC3V電壓供電，因此以LM1117－3.3芯片為核心設計了降壓穩壓電路，實測表明，電壓準確、穩定。

2.2 公法線檢驗子系統

2.2.1 流程圖

圖4 檢驗子系統流程圖

2.2.2質量評價依據

本研究依據機械設計手冊關于公法線檢驗有關量的規定，采用公法線長度變動量ΔFw、公法線平均長度偏差ΔEw作為評價依據［10-12］。

如滿足式(1)條件，則判斷被測齒輪合格。

3 評價模塊

3.1 結構功能圖

評價模塊分為績效評價子系統、質量獎罰子系統、檔案管理子系統，另外還設置系統管理功能，方便管理員對系統進行數據備份和恢復。結構功能圖見圖5。

圖5 評價模塊結構框圖

(1)績效評價子系統。對員工加工總數、合格總數、合格率、平均ΔFw、標準差S進行計算并顯示，同時給出合格率排名、標準差排名，并按照熵值賦權法［5，7，8，13］給出綜合排名，為科學的質量獎罰提供依據。

(2)質量獎罰系統。質量獎罰系統采用平均先進原則［5］，設置并顯示獎勵名額與懲罰名額，管理員可以添加獎罰明細，如獎罰金額、原因等，實現人性化的質量獎罰。

(3)檔案管理系統。檔案管理系統較為完整地實現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)系統管理。系統管理可實現管理員管理、對數據的備份和恢復等功能。

3.2 績效評價算法

對于多指標綜合性評估問題，權重的確定是一個相當重要的基本步驟，權重值的變化，將直接影響到綜合評估結果的科學合理性。

本文采用熵值賦權法確定權重。通過熵值賦權算法，確定指標綜合權系數的數學模型，并給出模型的精確解。相較于主觀賦權法，這種賦權法更客觀地反映了評價指標的數據信息與差別，避免了人為因素的干擾，具有很強的說服力［5，7-8，13］。步驟如下:

(1)選取n個工人，h項評價指標，x'ij是第i個工人的第j項指標數值。

(2)指標的標準化處理。由于各項指標的計量單位并不統一，且分為正向指標和負向指標，正向指標數值要求越高越好，負向指標則相反，因此進行如下標準化處理。

正向指標:

負向指標:

其中，xij為處理后第i個工人的第j項指標數值(i=1，2，…，n;j=1，2，…，h)。

(3)計算第j項指標下第i個工人占該指標的比重pij:

(4)計算第j項指標的熵值ej:

其中，k ＞ 0，k=1/lnn，ej≥ 0。

(5)計算第j項指標的差異系數:對第j項指標，標準值的差異越大，對方案評價的左右就越大，熵值就越小。定義差異系數gj:

(6)求權值Wj:

(7)計算每個工人的綜合得分值si:

4 試驗與結果分析

試驗在西北農林科技大學機械與電子工程學院工程訓練中心進行。試驗設備可檢驗齒輪的參數范圍為:齒數15～50，精度等級5～12級。試驗使用某量具刃具有限責任公司生產的數顯公法線千分尺，量程是25～50mm，精度為0.001mm，并在試驗開始前對公法線千分尺、硬件電路、上位機軟件進行校準、初始化。

抽取6個工人加工的47個直齒圓柱齒輪作為測試對象，齒輪規格如表1所示。

表1 齒輪參數

在檔案管理子系統中添加6位工人的基本信息，并設置兩位檢驗員、一位系統管理員。進入檢驗子系統，設置串口號、選擇工人代號、檢驗員代號，填寫模數m、齒數z、加工精度p(級)，開始采集數據。數據采集完成后，顯示各參數值及數據處理結果，并給出被測齒輪質量評定值。在評價子系統中選擇工人代號進行評價，通過績效評價算法公式(式(2)～式(8))，系統自動得到綜合評價結果。評價參數及結果如表2、表3所示。

表2 熵值法賦權

表3 熵值法評價結果

由表2、表3分析可知:

(1)本文采用的評價指標權重由大到小依次為:標準差≥加工總數≥合格率。

(2)1號工人三項指標均最高，故熵值法得分最高，排名第一;對比2號、4號工人，2號工人加工總數多于4號工人，且標準差小，說明2號工人技術水平較穩定，但合格率卻仍需提高;對比3號、5號工人，3號工人雖然加工總數多于5號工人，但合格率、標準差均不及5號工人，依熵值算法認為5號工人優于3號工人。由此可見，熵值法賦權更能客觀、準確地反映工人的績效情況，具有更高的參考價值。

在獎罰子系統中，設置獎罰依據、獎罰名額、獎罰明細，進行質量獎罰。本次試驗擬定獎罰依據是綜合排名，獎勵前兩名，懲罰最后兩名，假設獎勵金額依次為100元、50元，懲罰金額依次為50元、100元，基本工資為4000元。結果如表4所示。

表4 獎罰記錄

5 結論

(1)公法線檢驗與評價系統可極大提高檢驗效率，由于增加了檔案管理、質量獎罰、質量評價功能，使得評價更為公平、客觀。該系統已經申請中華人民共和國軟件著作權。

(2)針對某量具刃具有限責任公司生產的數顯公法線千分尺，自主開發了數據導出硬件電路，實現了公法線千分尺測得數據實時導入上位機。經實驗證明，該電路工作穩定、可靠，完全可以實現公法線檢驗μm級精度。

(3)基于熵值賦權算法的評價系統，量化了工人績效評價，使評價結果更公平、客觀。這種評價算法在多種指標下的績效評價中，具有一定參考價值。

(4)本文的試驗數據樣本容量不大，但不影響檢驗與評價軟件的運行。試驗數據的處理已經達到了測試軟件功能的目的，評價結果也具有一定的客觀性。但是在實際生產中，根據數理統計原理，加工總數越多，評價指標的客觀性越強，評價結果越準確。

本研究還需完成檢驗平臺的設計，使被測齒輪固定于檢驗平臺，通過上位機與下位機實時通訊，最終實現公法線檢驗與評價的自動化。

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