一種數據可追溯的彈簧快速檢測設備

栗小寬 景鑫

摘 要：基于彈簧實際測量的物理特性與胡克定律的差異性，本文設計了一種彈簧數據采集及處理方案，并依據該方案實現了一套彈簧檢測設備。該設備將傳統多點測量方式改進為一次數據采集，同時將檢測結果同步保存至數據庫，并通過條碼實現彈簧檢測數據的可追溯。通過使用該系統可以提高彈簧的檢驗效率，確保后序流程的可靠生產及檢驗數據的跟蹤。

關鍵詞：胡克定律；彈簧檢測；數據追溯

彈簧是一種利用彈性工作的機械零件，作為工業系統中的重要元件，目前常用的檢測方式是隨機抽樣，并使用彈簧拉壓儀人工觀測多點行程壓力數據判斷其合格性，該方式主要存在檢測率不高，檢測速度慢以及數據無法保存等缺陷。本文闡述的自動采集方案將傳統手眼配合的多點檢查方式改進為一次多點的數據采集，同時將檢測結果同步保存至數據庫，并通過條碼確保被測彈簧的檢測數據能夠可追溯。檢測設備測量速度約4-5秒/個，行程測量精度為5微米，壓力測量精度為0.001N。

1系統設計方案

彈簧只有在自由端勻速運動，或靜止時， 則在彈性限度內的作用力才服從胡克定律 ； 或在彈簧質量可以忽略不計 ，胡克定律才近似成立。因此實際的生產過程中，對彈簧的性能檢測往往是在胡克定律理論曲線上做一定的偏差以符合實際的應用情況。所以，當前彈簧的檢測是通過觀測彈簧拉壓儀上多個行程點的壓力值判斷其合格性。

目前的檢測流程必須依靠操作員的手眼配合對多個行程點進行壓力判斷。其缺陷首先是檢測時間長，工作效率低；其次是人為判斷結果，可靠性無法保證；第三，檢測數據無法跟隨產品進入銷售或生產流程。盡管有些數顯拉壓儀配備熱敏打印機，但其打印小票在跟隨彈簧的流轉過程中可能遺失，或者因外部溫度的變化導致字跡模糊，使之無法具備數據可追溯性。

為了改進上述檢測設備的缺陷，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、網絡和數據庫結合的彈簧檢測方案。

服務器通過工單系統下發檢測工單及規格數據至工業現場PC。工業現場PC通過工業交換機接收服務器下發的檢測工單指令，將工單內的檢測規格通過485轉接口下發到PLC；操作員將彈簧放置在彈簧拉壓儀上，高速光柵尺實時接收彈簧壓迫的形變量，并將形變數據通過AB相高速口傳送至PLC，壓力傳感器的模擬量數據通過模擬量采集模塊傳送至PLC，PLC根據檢測規格判斷彈簧是否合格，并將檢測數據通過485轉接口上傳至工業現場PC，工業現場PC將檢測結果上傳至數據庫服務器。檢測結果通過指示燈展現給用戶。如果彈簧檢驗合格，則打印唯一性條碼。

2彈簧檢測設備改造

為了使被測彈簧在檢測過程中行程和壓力數據可以同步變化，本系統設計的彈簧拉壓儀的機械結構中將光柵尺的滑塊與齒條的底部圓盤固定在一起。當齒條運動時，光柵尺的滑塊也隨之同步運動，此時，光柵尺生成彈簧形變的行程數據，測量盤內部的壓力傳感器獲得彈簧的壓力數據。

3電氣設計

PLC的主要作用是采集行程壓力值，并將其上傳至工業現場PC。行程壓力處理采用的是先采集后上傳的方式。本系統采用的壓力傳感器是懸臂梁式稱重傳感器，其測量范圍為0～2000N，輸出信號為電壓量，范圍為0～200mv。為了保證傳輸的準確性，采用4～20mA輸出變送器作為信號轉換輸入到PLC。

PLC從上位機獲得行程規格數據并設定高速采集的行程范圍。在檢測過程中，當彈簧的壓縮行程到達規定范圍，便立刻高速采集多個壓力數據，將采集結果保存在指定寄存器中，當全部的數據采集完畢，上位機通過ModbusRTU方式讀取PLC的寄存器中的行程和壓力數據，通過比較規格數據判定該彈簧是否合格。

4 上位機設計

4.1軟件總體設計

工業現場PC構建了實時檢測系統，服務器端構建了條碼查詢系統。二者調用相同的TCProducingLine庫的函數，通過數據訪問模塊（DAC）實現了數據的保存和訪問。

TCProducingLine模塊主要處理檢測數據邏輯的相關功能，將界面層的數據處理后傳遞給DAC模塊，DAC模塊將TCProducingLine中的數據與數據庫進行互通。該結構采用的多層架構設計可以有效限制上下模塊之間的依賴關系，降低軟件的耦合度，較好的達到易于維護和擴展的目的。

4.2 現場數據采集功能實現

工業現場PC的主要功能是與PLC之間進行數據處理與交換，由于PC與PLC之間是基于ModbusRTU協議的RS485通訊方式，因此為了保證系統運行的穩定性及便捷性，本功能采用C#語言開發基于微軟.Net框架的Windows桌面系統。.Net是微軟的一個平臺，該平臺包含了廣泛的產品系列。本系統將.Net框架下的串口類封裝成可以實現ModbusRTU通訊的功能集，使之與上位機之間可以進行每隔100ms的實時數據交換，達到與PLC通訊的目的。

為了保證產品的唯一性，本系統采用工業Code128碼為產品進行條碼定義。CODE128碼是廣泛應用在企業內部管理、生產流程、物流控制系統方面的條碼碼制，由于其優良的特性在管理信息系統的設計中被廣泛使用。

4.3 檢測數據查詢功能實現

數據查詢功能主要針對的是生產管理人員，因該功能使用人員較少，使用頻率較小，所以考慮到開發成本，該功能也采用基于C#開發的Windows的桌面系統。用戶只需掃描或者輸入條碼即可查詢測量數據。

5 總結

本文闡述的彈簧檢測系統由于檢測方式的改進，使原本30-40秒/個的檢測速度提高到4-5秒/個，提高了檢測的效率，其數據自動保存方式對質量把控起到了一定的作用，迎合了生產數據全程可追溯的趨勢，得到了企業的認可。

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