基于物聯網的數字化工廠中質量管理信息采集*

周阿維　邵　偉　劉　沖

(①西安工程大學，陜西 西安710048；② 西安理工大學，陜西 西安 710048)

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基于物聯網的數字化工廠中質量管理信息采集*

陜西省教育廳基金項目(15JK1331)；國家自然科學基金項目(51505359)；西安工程大學博士科研啟動基金項目(BS1428)

周阿維①邵偉②劉沖②

(①西安工程大學，陜西 西安710048；② 西安理工大學，陜西 西安 710048)

提出了基于物聯網的零件質量管理信息采集系統，該系統集成多種檢測設備，實現零件的檢測信息自動提取、收集和存儲，為數字化工廠的管理提供工件質量信息的大數據，為現代制造業的升級轉型提供必要的技術基礎，具有重要的工程應用價值。

數字化工廠;質量管理; 物聯網; 自動提取; 大數據

數字化工廠是零件制造的核心單元，通過不斷提升數字化制造能力和數字化協同水平，建立起適應全數字量傳遞的零件數字化工藝設計、數字化加工、生產現場管理和質量檢測綜合自動化集成應用環境[1-6]。面向數字化工廠的產品數據管理(PDM)可實現零件的數字化設計、數字化工藝、數字化加工和數字化質量信息的集成管理[1]。數字化設計、數字化工藝、數字化加工等技術比較成熟，而目前國內數字化質量信息的獲取水平不高，其主要缺點有以下3點。

(1)使用傳統量具手工檢測，測量結果通過手工錄入和紙質保存，信息分散，不利于質量檢測數據的實時匯總分析[7]。(2)工廠內不僅有三坐標測量機等自動化檢測設備，而且有傳統的檢測量儀。然而，傳統檢測量儀的檢測信息并不能及時地傳給工廠內零件質量檢測系統，導致了目前質量檢測系統只能對自動化檢測設備的檢測信息進行有效的管理，造成兩種檢測信息的分立，并不能完整地體現整個工廠內的加工檢測結果。(3)雖然工廠具備自動化檢測設備，但是由于測量過程中信息分散管理，每個檢測工位上的質量信息無法及時反映，導致在加工完成之后才檢測出零件不合格。

對于以上現有情況分析，為實現數字化工廠，建立一個新的數字化零件質量信息管理系統是十分重要的，而數字化零件質量信息數據采集系統已成為數字化工廠信息化的重要環節，采集系統的性能優劣直接決定著數字化工廠的生產效率。因此，建立一個統一的質量信息采集系統是至關重要的，此系統融合自動化檢測設備、數控系統和傳統的檢測量具，這樣不僅改善傳統的檢測方式，也為企業的信息化管理提供可靠的數據。本文提供一種與企業內MES、ERP系統相結合的數字化質量檢測系統，使企業管理更加自動化、智能化。該系統以物聯網為基礎建立數字化工廠中零件質量管理信息采集系統。系統在采集層及傳輸層進行了系統性設計，可以實現智能采集和組網無線數據傳輸，該方法具有便捷、高效、準確率高等優點，不但能實現車間內數據采集，還可以通過更大范圍的組網實現廠級甚至更大級別的數據采集。質量檢測硬件系統主要包括：(1)數據采集接口的統一，實現不同生產廠商的數據轉換接口。(2)數據采集終端服務器，實現組網并將數據最終存入檢測系統數據庫。

1　基于物聯網的采集系統硬件構建

在實際生產車間內每個工位上都有一個檢驗站，每個檢驗站都配有一定數目的檢測量具(如表1所示)。

表1檢測設備

檢測工位工位1工位2工位3工位4卡尺2#1深度尺3#1卡尺4#1檢測量具CMM內徑千分尺2#1卡尺3#1卡尺4#1外徑千分尺2#1外徑千分尺3#1高度尺4#3

其生產廠商主要是馬爾和三豐。因此，可根據車間實際情況構建信息采集硬件系統。本信息采集系統硬件組成如圖1所示，主要包括數據采集終端服務器和數據轉換接口模塊。其中，質量檢測系統中各種不同的數字化檢測器具通過數據轉換接口連接至終端服務器，通過數據采集終端服務器實現物聯網組網實現通訊協議統一，通過網絡上傳至上位機，上位機通過工廠內局域網將數據上傳至企業數據庫，進行檢測信息的數字化管理和企業內MES、ERP系統進行信息交換。

1.1數據采集終端服務器

數據采集終端服務器擔負著數據轉換接口的數據與網絡信息轉換的任務，它是基于物聯網的數字化工廠中零件質量管理信息采集系統硬件設備的核心之一。數據采集終端服務器的原理如圖2所示，主要部分由串口服務器和路由器組成。其中，串口服務器的主要功能便是將串口數據轉換成網絡信號，路由器是將網絡信號組網連接至工廠內局域網，這樣便實現了測量數據與網絡的連接。為了完成串口數據與網絡信息轉換的任務，設計了串口服務器作為串口轉網絡設備，該服務器支持多種模式的通訊，其中支持TCP服務器模式、TCP客戶端模式、UDP模式、對聯模式和反向終端模式等工作模式，允許用戶軟件通過標準網絡應用程序接口(winsock BSD sockets)訪問串口設備。搭建的數據采集終端服務器具有8個串口，可支持8種不同檢測設備同時連接，并且具有超差報警功能。在實際測量時，紅色指示燈亮起則此時所檢測對象處于超差狀態，若保留目前超差的測量數據則按綠色按鈕自動跳過，系統將會轉入下一個檢測要素進行測量，如果需要重新檢測在按下綠色按鈕之后，需要人工重新選取進行再一次檢測。

1.2數據轉換接口模塊

數據轉換接口的主要目的是將檢測量具的檢測信號轉換成統一的格式，并通過RS232接口接入數據采集終端服務器，實現檢測設備與檢測系統的數據通訊。目前，各種量具廠商都在常用的檢測量具上添加了數字接口，但是由于不同廠家檢測器具具有不同的數據規格，檢測數據的不統一是質量信息管理系統構建的一大障礙。因此，本數據采集接口模塊統一將馬爾及三豐量具的16Exd數據線接口轉換至通用的RS232通訊接口，再通過數據采集終端服務器內的串口服務器將采集數據通過TCP/IP協議發送至主機。在檢測時當檢測人員按下量具上的測量數據發送按鈕，量具上的測量數據通過處理器后上傳至數據采集終端服務器，再經過數據采集終端上傳至檢驗用的計算機。

量具數據接口具有數據輸出(DATA)、時鐘輸出(CLOCK)、準備狀態輸出(READY)和請求數據端口(REQUEST)，它們的時序圖如圖3所示。

將REQUEST端和DATA端接入單片機的外部中斷口上，向REQUEST發送一個低電平請求數據，即可在DATA端口上讀取返回數據。返回數據格式是一串二進制數其格式如圖4所示，前四位是數據頭，d5位上是檢測量具的符號位，d6-d11是檢測量具的數據位，d12是檢測量具的小數點位，d13則是數據的單位格式分別是毫米和英寸。

根據以上數據格式及企業的實際需求設計了兩種數據轉換接口，分別是有線數據轉換接口和無線數據轉換接口。

1.2.1有線數據轉換接口模塊

有線數據轉換接口模塊采用8052單片機作為主控芯片，其設計原理如圖5所示。它是通過量具接口將數字化檢測量具所測的數據傳入8052單片機，再由其進行數據轉換處理，最終通過串口發送至數據采集終端服務器。

1.2.2無線數據采集模塊

為了檢測的便捷性，系統設計了無線數據傳輸模塊，測量數據可以通過無線的方式傳輸至數據采集終端，為測量帶來了更多的靈活性。選用CC2530F256芯片，CC2530F256是IEEE 802.15.4的無線通訊芯片。CC2530芯片集成了增強工業標準的8051MCU和RF收發器，以及系統可編程Flash存儲器，8-KB RAM和許多其他強大的功能。數字化量具通過量具接口電路接入CC2530，單片機對量具的檢測信息進行讀取，通過Zigbee傳輸協議將讀取到的量具檢測信息發送至接收端。接收端通過串口將測量數據上傳至數據采集終端服務器實現數字化量具的數據采集，其原理框圖如圖6所示。

2　采集系統軟件設計

零件質量管理信息采集系統軟件包括數據采集終端服務器軟件和系統服務器軟件設計，而系統服務器軟件系統主要任務是采集數據采集終端服務器所傳上來的網絡數據和實現零件質量信息化管理，可以采用專用軟件也可以采用通用MES或ERP軟件，這里就不再詳述。而數據采集終端服務器軟件采用和硬件相適應的軟件結構，采集程序的流程如圖7所示。

表2測試結果

尺寸/mm15m有線數據轉換接口無線數據轉換接口20m有線數據轉換接口無線數據轉換接口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

3　系統測試

本文建立的基于物聯網的零件質量管理信息采集系統集成多種檢測設備，實現零件的檢測信息自動提取、收集和存儲，為數字化工廠的管理提供工件質量信息的大數據。根據表1搭建了零件質量管理信息采集系統的測試平臺，將測試分為10組，分別對零件檢測信息進行測試，并對每組尺寸讀寫3次，觀察上位機測試結果，測試結果如表2所示。有線采集模塊準確率100%；無線模塊CC2530通訊距離對于系統傳輸性能有很大影響，所以需要對不同距離情況下的CC2530通訊效率進行測試。經測試，在室內15 m范圍內通訊基本無損失，滿足一般車間的通訊要求。并且與傳統的零件質量管理信息采集效率相比具有效率更高、讀寫速度快、準確率更高的特點。

4　結語

本文建立的基于物聯網的零件質量管理信息采集系統。該系統集成多種檢測設備，實現零件的檢測信息自動提取、收集和存儲，為數字化工廠的管理提供工件質量信息的大數據。對系統性能進行了測試，測試結果表明：該系統具有通訊效率高、讀寫速度快、準確率高的特點，能夠滿足數字化工廠對零件質量管理信息的采集要求，有效地提高了企業的質量管理水平、生產效率和經濟效益，為數字化工廠建設提供了數字化檢測信息，具有重要的應用前景。

[1]舒曉君, 魏棟．現代車間信息數字化技術發展趨勢[J]．CAD/CAM與制造業信息化, 2011(12): 34-36．

[2]夏尊鳳, 郝詩明．基于網絡環境下的數字化工廠[J]．長沙大學學報, 2001, 15(2):36-38．

[3]陳大蓬, 吉衛喜, 劉烜鳴．基于數字化工廠下的集成質量管理系統研究[J]．機械設計與制造, 2009(10):251-253．

[4]張國軍, 黃剛．數字化工廠技術的應用現狀與趨勢[J]．航空制造技術, 2013(8):34-37．

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[7]郭鈞．整車制造企業生產過程質量控制及評價方法研究[D]．武漢: 武漢理工大學, 2012．

(編輯譚弘穎)

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·名詞解釋·

磁力研磨所謂磁力研磨，就是指磁性磨料(必須兼有可磁化及能進行研磨兩種性能的顆粒狀物)在磁場中形成的磁性刷子，對工件表面進行精加工的一種方法。磁力研磨適用于零件表面的光整加工、棱邊倒角和去毛刺。既可用于加工外圓表面，也可用于平面或內表面，甚至齒輪表面、螺紋和鉆頭等復雜表面的研磨拋光。利用磁力研磨方法去除精密機械零件的毛刺，通常用于液壓元件和精密耦合件的去毛刺，效率高、質量好，這是其他工藝方法難以實現的。

擠壓擠壓是使金屬坯料在擠壓模內受壓被擠出?？锥尚蔚募庸し椒?。按照金屬坯料受擠壓時溫度的高低，擠壓又可分為冷擠壓、熱擠壓和溫擠壓三種。冷擠壓是在室溫下進行的；熱擠壓溫度與鍛造溫度相同；而溫擠壓則是將金屬加熱到100～800℃后進行擠壓。擠壓常用于生產各種形狀復雜、深孔、薄壁、異型斷面的零件。

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

周阿維，女，1981年生，講師，研究方向為零件質量檢測、數字圖像處理等。

2016-02-18)

160736