基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化工廠中質(zhì)量管理信息采集*

周阿維　邵　偉　劉　沖

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

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基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化工廠中質(zhì)量管理信息采集*

陜西省教育廳基金項(xiàng)目(15JK1331)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51505359)；西安工程大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(BS1428)

周阿維①邵偉②劉沖②

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

提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的零件質(zhì)量管理信息采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成多種檢測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)零件的檢測(cè)信息自動(dòng)提取、收集和存儲(chǔ)，為數(shù)字化工廠的管理提供工件質(zhì)量信息的大數(shù)據(jù)，為現(xiàn)代制造業(yè)的升級(jí)轉(zhuǎn)型提供必要的技術(shù)基礎(chǔ)，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

數(shù)字化工廠;質(zhì)量管理; 物聯(lián)網(wǎng); 自動(dòng)提取; 大數(shù)據(jù)

數(shù)字化工廠是零件制造的核心單元，通過不斷提升數(shù)字化制造能力和數(shù)字化協(xié)同水平，建立起適應(yīng)全數(shù)字量傳遞的零件數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)、數(shù)字化加工、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理和質(zhì)量檢測(cè)綜合自動(dòng)化集成應(yīng)用環(huán)境[1-6]。面向數(shù)字化工廠的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)可實(shí)現(xiàn)零件的數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化工藝、數(shù)字化加工和數(shù)字化質(zhì)量信息的集成管理[1]。數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化工藝、數(shù)字化加工等技術(shù)比較成熟，而目前國(guó)內(nèi)數(shù)字化質(zhì)量信息的獲取水平不高，其主要缺點(diǎn)有以下3點(diǎn)。

(1)使用傳統(tǒng)量具手工檢測(cè)，測(cè)量結(jié)果通過手工錄入和紙質(zhì)保存，信息分散，不利于質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)匯總分析[7]。(2)工廠內(nèi)不僅有三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備，而且有傳統(tǒng)的檢測(cè)量?jī)x。然而，傳統(tǒng)檢測(cè)量?jī)x的檢測(cè)信息并不能及時(shí)地傳給工廠內(nèi)零件質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，導(dǎo)致了目前質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)只能對(duì)自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)信息進(jìn)行有效的管理，造成兩種檢測(cè)信息的分立，并不能完整地體現(xiàn)整個(gè)工廠內(nèi)的加工檢測(cè)結(jié)果。(3)雖然工廠具備自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備，但是由于測(cè)量過程中信息分散管理，每個(gè)檢測(cè)工位上的質(zhì)量信息無法及時(shí)反映，導(dǎo)致在加工完成之后才檢測(cè)出零件不合格。

對(duì)于以上現(xiàn)有情況分析，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化工廠，建立一個(gè)新的數(shù)字化零件質(zhì)量信息管理系統(tǒng)是十分重要的，而數(shù)字化零件質(zhì)量信息數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已成為數(shù)字化工廠信息化的重要環(huán)節(jié)，采集系統(tǒng)的性能優(yōu)劣直接決定著數(shù)字化工廠的生產(chǎn)效率。因此，建立一個(gè)統(tǒng)一的質(zhì)量信息采集系統(tǒng)是至關(guān)重要的，此系統(tǒng)融合自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備、數(shù)控系統(tǒng)和傳統(tǒng)的檢測(cè)量具，這樣不僅改善傳統(tǒng)的檢測(cè)方式，也為企業(yè)的信息化管理提供可靠的數(shù)據(jù)。本文提供一種與企業(yè)內(nèi)MES、ERP系統(tǒng)相結(jié)合的數(shù)字化質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，使企業(yè)管理更加自動(dòng)化、智能化。該系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)建立數(shù)字化工廠中零件質(zhì)量管理信息采集系統(tǒng)。系統(tǒng)在采集層及傳輸層進(jìn)行了系統(tǒng)性設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)智能采集和組網(wǎng)無線數(shù)據(jù)傳輸，該方法具有便捷、高效、準(zhǔn)確率高等優(yōu)點(diǎn)，不但能實(shí)現(xiàn)車間內(nèi)數(shù)據(jù)采集，還可以通過更大范圍的組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)廠級(jí)甚至更大級(jí)別的數(shù)據(jù)采集。質(zhì)量檢測(cè)硬件系統(tǒng)主要包括：(1)數(shù)據(jù)采集接口的統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)不同生產(chǎn)廠商的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口。(2)數(shù)據(jù)采集終端服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)并將數(shù)據(jù)最終存入檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)。

1　基于物聯(lián)網(wǎng)的采集系統(tǒng)硬件構(gòu)建

在實(shí)際生產(chǎn)車間內(nèi)每個(gè)工位上都有一個(gè)檢驗(yàn)站，每個(gè)檢驗(yàn)站都配有一定數(shù)目的檢測(cè)量具(如表1所示)。

表1檢測(cè)設(shè)備

檢測(cè)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(cè)量具CMM內(nèi)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(chǎn)廠商主要是馬爾和三豐。因此，可根據(jù)車間實(shí)際情況構(gòu)建信息采集硬件系統(tǒng)。本信息采集系統(tǒng)硬件組成如圖1所示，主要包括數(shù)據(jù)采集終端服務(wù)器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口模塊。其中，質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)中各種不同的數(shù)字化檢測(cè)器具通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口連接至終端服務(wù)器，通過數(shù)據(jù)采集終端服務(wù)器實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通訊協(xié)議統(tǒng)一，通過網(wǎng)絡(luò)上傳至上位機(jī)，上位機(jī)通過工廠內(nèi)局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行檢測(cè)信息的數(shù)字化管理和企業(yè)內(nèi)MES、ERP系統(tǒng)進(jìn)行信息交換。

1.1數(shù)據(jù)采集終端服務(wù)器

數(shù)據(jù)采集終端服務(wù)器擔(dān)負(fù)著數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口的數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)信息轉(zhuǎn)換的任務(wù)，它是基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化工廠中零件質(zhì)量管理信息采集系統(tǒng)硬件設(shè)備的核心之一。數(shù)據(jù)采集終端服務(wù)器的原理如圖2所示，主要部分由串口服務(wù)器和路由器組成。其中，串口服務(wù)器的主要功能便是將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，路由器是將網(wǎng)絡(luò)信號(hào)組網(wǎng)連接至工廠內(nèi)局域網(wǎng)，這樣便實(shí)現(xiàn)了測(cè)量數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)的連接。為了完成串口數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)信息轉(zhuǎn)換的任務(wù)，設(shè)計(jì)了串口服務(wù)器作為串口轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，該服務(wù)器支持多種模式的通訊，其中支持TCP服務(wù)器模式、TCP客戶端模式、UDP模式、對(duì)聯(lián)模式和反向終端模式等工作模式，允許用戶軟件通過標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序接口(winsock BSD sockets)訪問串口設(shè)備。搭建的數(shù)據(jù)采集終端服務(wù)器具有8個(gè)串口，可支持8種不同檢測(cè)設(shè)備同時(shí)連接，并且具有超差報(bào)警功能。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，紅色指示燈亮起則此時(shí)所檢測(cè)對(duì)象處于超差狀態(tài)，若保留目前超差的測(cè)量數(shù)據(jù)則按綠色按鈕自動(dòng)跳過，系統(tǒng)將會(huì)轉(zhuǎn)入下一個(gè)檢測(cè)要素進(jìn)行測(cè)量，如果需要重新檢測(cè)在按下綠色按鈕之后，需要人工重新選取進(jìn)行再一次檢測(cè)。

1.2數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口模塊

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口的主要目的是將檢測(cè)量具的檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的格式，并通過RS232接口接入數(shù)據(jù)采集終端服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)設(shè)備與檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊。目前，各種量具廠商都在常用的檢測(cè)量具上添加了數(shù)字接口，但是由于不同廠家檢測(cè)器具具有不同的數(shù)據(jù)規(guī)格，檢測(cè)數(shù)據(jù)的不統(tǒng)一是質(zhì)量信息管理系統(tǒng)構(gòu)建的一大障礙。因此，本數(shù)據(jù)采集接口模塊統(tǒng)一將馬爾及三豐量具的16Exd數(shù)據(jù)線接口轉(zhuǎn)換至通用的RS232通訊接口，再通過數(shù)據(jù)采集終端服務(wù)器內(nèi)的串口服務(wù)器將采集數(shù)據(jù)通過TCP/IP協(xié)議發(fā)送至主機(jī)。在檢測(cè)時(shí)當(dāng)檢測(cè)人員按下量具上的測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送按鈕，量具上的測(cè)量數(shù)據(jù)通過處理器后上傳至數(shù)據(jù)采集終端服務(wù)器，再經(jīng)過數(shù)據(jù)采集終端上傳至檢驗(yàn)用的計(jì)算機(jī)。

量具數(shù)據(jù)接口具有數(shù)據(jù)輸出(DATA)、時(shí)鐘輸出(CLOCK)、準(zhǔn)備狀態(tài)輸出(READY)和請(qǐng)求數(shù)據(jù)端口(REQUEST)，它們的時(shí)序圖如圖3所示。

將REQUEST端和DATA端接入單片機(jī)的外部中斷口上，向REQUEST發(fā)送一個(gè)低電平請(qǐng)求數(shù)據(jù)，即可在DATA端口上讀取返回?cái)?shù)據(jù)。返回?cái)?shù)據(jù)格式是一串二進(jìn)制數(shù)其格式如圖4所示，前四位是數(shù)據(jù)頭，d5位上是檢測(cè)量具的符號(hào)位，d6-d11是檢測(cè)量具的數(shù)據(jù)位，d12是檢測(cè)量具的小數(shù)點(diǎn)位，d13則是數(shù)據(jù)的單位格式分別是毫米和英寸。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)格式及企業(yè)的實(shí)際需求設(shè)計(jì)了兩種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，分別是有線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口和無線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口。

1.2.1有線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口模塊

有線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口模塊采用8052單片機(jī)作為主控芯片，其設(shè)計(jì)原理如圖5所示。它是通過量具接口將數(shù)字化檢測(cè)量具所測(cè)的數(shù)據(jù)傳入8052單片機(jī)，再由其進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理，最終通過串口發(fā)送至數(shù)據(jù)采集終端服務(wù)器。

1.2.2無線數(shù)據(jù)采集模塊

為了檢測(cè)的便捷性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，測(cè)量數(shù)據(jù)可以通過無線的方式傳輸至數(shù)據(jù)采集終端，為測(cè)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(qiáng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8051MCU和RF收發(fā)器，以及系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器，8-KB RAM和許多其他強(qiáng)大的功能。數(shù)字化量具通過量具接口電路接入CC2530，單片機(jī)對(duì)量具的檢測(cè)信息進(jìn)行讀取，通過Zigbee傳輸協(xié)議將讀取到的量具檢測(cè)信息發(fā)送至接收端。接收端通過串口將測(cè)量數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)采集終端服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)字化量具的數(shù)據(jù)采集，其原理框圖如圖6所示。

2　采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

零件質(zhì)量管理信息采集系統(tǒng)軟件包括數(shù)據(jù)采集終端服務(wù)器軟件和系統(tǒng)服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)，而系統(tǒng)服務(wù)器軟件系統(tǒng)主要任務(wù)是采集數(shù)據(jù)采集終端服務(wù)器所傳上來的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)零件質(zhì)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(shù)據(jù)采集終端服務(wù)器軟件采用和硬件相適應(yīng)的軟件結(jié)構(gòu)，采集程序的流程如圖7所示。

表2測(cè)試結(jié)果

尺寸/mm15m有線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口無線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口20m有線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口無線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(tǒng)測(cè)試

本文建立的基于物聯(lián)網(wǎng)的零件質(zhì)量管理信息采集系統(tǒng)集成多種檢測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)零件的檢測(cè)信息自動(dòng)提取、收集和存儲(chǔ)，為數(shù)字化工廠的管理提供工件質(zhì)量信息的大數(shù)據(jù)。根據(jù)表1搭建了零件質(zhì)量管理信息采集系統(tǒng)的測(cè)試平臺(tái)，將測(cè)試分為10組，分別對(duì)零件檢測(cè)信息進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)每組尺寸讀寫3次，觀察上位機(jī)測(cè)試結(jié)果，測(cè)試結(jié)果如表2所示。有線采集模塊準(zhǔn)確率100%；無線模塊CC2530通訊距離對(duì)于系統(tǒng)傳輸性能有很大影響，所以需要對(duì)不同距離情況下的CC2530通訊效率進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)測(cè)試，在室內(nèi)15 m范圍內(nèi)通訊基本無損失，滿足一般車間的通訊要求。并且與傳統(tǒng)的零件質(zhì)量管理信息采集效率相比具有效率更高、讀寫速度快、準(zhǔn)確率更高的特點(diǎn)。

4　結(jié)語(yǔ)

本文建立的基于物聯(lián)網(wǎng)的零件質(zhì)量管理信息采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成多種檢測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)零件的檢測(cè)信息自動(dòng)提取、收集和存儲(chǔ)，為數(shù)字化工廠的管理提供工件質(zhì)量信息的大數(shù)據(jù)。對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)具有通訊效率高、讀寫速度快、準(zhǔn)確率高的特點(diǎn)，能夠滿足數(shù)字化工廠對(duì)零件質(zhì)量管理信息的采集要求，有效地提高了企業(yè)的質(zhì)量管理水平、生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益，為數(shù)字化工廠建設(shè)提供了數(shù)字化檢測(cè)信息，具有重要的應(yīng)用前景。

[1]舒曉君, 魏棟．現(xiàn)代車間信息數(shù)字化技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[J]．CAD/CAM與制造業(yè)信息化, 2011(12): 34-36．

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[3]陳大蓬, 吉衛(wèi)喜, 劉烜鳴．基于數(shù)字化工廠下的集成質(zhì)量管理系統(tǒng)研究[J]．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2009(10):251-253．

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(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(jìn)行研磨兩種性能的顆粒狀物)在磁場(chǎng)中形成的磁性刷子，對(duì)工件表面進(jìn)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(nèi)表面，甚至齒輪表面、螺紋和鉆頭等復(fù)雜表面的研磨拋光。利用磁力研磨方法去除精密機(jī)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(zhì)量好，這是其他工藝方法難以實(shí)現(xiàn)的。

擠壓擠壓是使金屬坯料在擠壓模內(nèi)受壓被擠出?？锥尚蔚募庸し椒?。按照金屬坯料受擠壓時(shí)溫度的高低，擠壓又可分為冷擠壓、熱擠壓和溫?cái)D壓三種。冷擠壓是在室溫下進(jìn)行的；熱擠壓溫度與鍛造溫度相同；而溫?cái)D壓則是將金屬加熱到100～800℃后進(jìn)行擠壓。擠壓常用于生產(chǎn)各種形狀復(fù)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?yàn)榱慵|(zhì)量檢測(cè)、數(shù)字圖像處理等。

2016-02-18)

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