基于單片機的模具壽命管理系統設計*＊

李志剛 呂 杰 董小飛 王 斌 季明坤

(①蘇州健雄職業技術學院軟件與服務外包學院，江蘇蘇州215411;②鹽城工學院機械優集學院，江蘇鹽城224051;③江蘇大學機械工程學院，江蘇鎮江212013)

模具不僅是當今制造業進行工業生產的基礎工藝 設備，其發展水平也決定了一個國家制造業競爭力的高低。由于模具進行生產加工所具有的高效率、高精度、大批量、低成本等優越性，已廣泛應用于汽車、機械、醫療、電器等行業產品制造［1］。模具壽命作為生產調控的基礎信息，對產品生產效率及合格率起著決定性作用，及時獲取模次信息有助于模具維護與管理，不僅能提高合格產品的數目與生產效率，并有效降低產品生產成本［2］。目前，科研人員針對模具管理進行了相關系統開發，王偉驎等［3］利用RFID技術設計了一套應用于射出成形車間模具的管理系統;米永東等［4］基于大數據和物聯網技術，提出了一種模具維修保養管理系統方案;蘇越等［5］開發了一套基于Justep X3平臺的模具生產管理信息系統，降低了企業生產和管理成本。目前關于模具管理系統大多針對模具生產與倉儲管理進行設計，而對于模具使用壽命的檢測與管理則較少。為了有效彌補實際應用的空白，本文結合電子技術與STM32系列單片機［6－8］等設計了一種模具壽命管理系統，可實現模具壽命的管理、維護、數據交互等工作。

1 檢測系統總體設計

模次即模具開合模次數的計數，是模具使用壽命的重要參考標準。通過對模具壽命進行準確地管理，可有效防止生產過程中次品率的增高。因統計困難，目前模次統計大多為人工經驗計算，根據實際情況進行定期停機檢測模具狀態，自動化程度較低。通過利用傳感器、ZigBee［9］等自動化、信息化技術對模具管理系統進行改造升級，促進傳統工業信息化建設，使模次檢測更為精確、便捷。

基于單片機控制的模具壽命檢測裝置實物如圖1所示。系統主要由中央處理單元、通信模塊、霍爾傳感器［10］、LED 顯示器、A/D 轉換器［11］、指示燈、蜂鳴報警器、復位鍵等組成。裝置的控制系統以自身單片機作為核心控制部件進行數據處理，利用通信模塊將數據傳輸至PC端實現數據的統計與管理。通過模具壽命管理所具備的模次數據采集、模具維護和使用壽命自動報警等基礎功能，實現可視化管理、智能生產指導及輔助功能等人機交互技術。

系統功能設定如下:

(1)當模次超過設定值時，蜂鳴報警器發出報警信號。

(2)系統掉電后數據不會丟失，通過復位鍵實現數據調整。

(3)通信模塊實現遠距離數據傳輸與交互。

(4)系統精確到個位數據統計。

模次檢測系統結構如圖2所示。模具在工作過程中，凸模做無限循環伸縮運動，當模具進行一次開合模動作時，安裝在凸模頂端的霍爾傳感器根據磁場變化記錄部件發生一次動作，傳感器將產生的電壓信號通過A/D轉換器轉換成相應的數字信號，傳輸至中央處理單元進行數據處理，LED顯示屏將模次數據顯示出來，通過射頻模塊將數據傳輸至管理終端實現數據交互，形成模次信息的雙向更新和現場反饋控制，管理者通過屏幕實時關注模具動態數據，進而實現模具壽命管理，達到智能化人機交互的目的，實現模具生產作業過程的可約束和可監控。傳感器采用RS485接口，通信模塊使用RS232接口。當模次達到設定值，蜂鳴器會提醒現場操作工人停機進行模具狀態檢查。

1.1 中央處理單元

系統選用超低功耗的STM32L151作為CPU，器件配有高速嵌入式存儲器(高達256 kB的閃存和高達32 kB的RAM)以及連接到兩個APB總線的大量增強型I/O和外設，滿足系統功能開發要求。將通用串行總線(USB)的連接功能與高性能ARMS CortexS－M3 32位RISC內核結合使用，實現數據的有效傳輸。器件采用1.8～3.6 V電源，可在－40℃～85℃溫度范圍內使用，并安裝有記憶保護單元(MPU)、一個實時時鐘和一組在備用模式下保持供電的備份寄存器，防止數據丟失。該單片機現已廣泛應用于醫療、報警系統、有線和無線傳感器、視頻對講等應用系統中。

1.2 通信模塊

為了確保數據傳輸的穩定性，系統采用ATRF212－ZU作為通信模塊的控制芯片，利用ZigBee進行數據通信，具有低功耗、低成本、大功率(最大可達7db)和接收靈敏度高等特點，傳輸距離可以達到1.8 km，是無線傳感器的理想選擇。芯片采用780 MHz頻段，繞射能力強，且采用ZigBee進行通信，啟動速度快，較藍牙、WiFi縮短近百倍的響應時間，具有較高的可靠性。

1.3 模次計數模塊

模次計數模塊主要采用霍爾傳感器進行設計，它是一種敏感性集成元件，磁敏元件與高增益放大器、電源穩壓器集成于同一芯片，應用簡便，元件可提供線性單端輸出。根據霍爾電壓公式［12］:

式中:UH為霍爾電壓;KH為霍爾傳感器靈敏度系數;I為控制電流;B為磁感應強度。

其輸出電壓與所感應的磁場強度成正比。當凸模發生一次動作時，霍爾傳感器磁感應強度由于元件位移而產生變化，產生相應定量的脈沖個數，由霍爾器件電路輸出，成為模次計數器的計數脈沖。設定計數周期，即可實現計數器的計數值對應模次值。

1.4 顯示模塊

根據實際情況，模具壽命的設定值往往為萬次以上，為了實現滿足使用要求，系統采用LED顯示屏進行數據顯示，最大可顯示7位數模次計數信息，根據模次信息進行動態計數顯示。

2 檢測系統軟件設計

檢測系統采用C語言進行軟件設計，主要為控制模塊和傳輸模塊2個部分。控制模塊負責信號處理、數據采集、信號控制、警報發布、數據顯示、數據復位等，傳輸模塊負責數據輸入、數據交互、數據存儲等。程序流程圖如圖3所示。當單片機上電后，系統進行初始化操作，然后根據讀取到的脈沖信號得出模次數據，將結果顯示在LED顯示屏上，通過通信模塊與PC進行數據交互。按下復位鍵數據置零并重新計數。

3 系統實驗結果

3.1 檢測模型設計

本文以沖壓模具為例，與昆山一家電子科技有限公司共同合作設計了一套壽命實時管理系統。沖壓模具在工作原理為通過凸模對板件進行沖壓來生產結構件，模具在工作過程中做循環開合模動作，根據此項特征，設計了用于模擬模具沖壓過程的模型，如圖4所示。

3.2 模次檢測結果

凸模每運動一次，系統根據傳感器信號變化進行一次計數。如圖5所示，在實際操作中，LED顯示模次從232 798次累加至232 799次，表示沖壓模具進行了一次運動。為了保證每個模具的唯一性，安裝了RFID［13］電子標簽進行區分，通過對應的RFID編號可在管理系統中查詢該模具相關信息。

3.3 計數及周期設置

為了針對不同的模具壽命和維護要求對檢測條件進行更改，系統設置了模次計數及周期設置器。如圖6所示，在計數設置器中，3 850表示沖壓模具當前加工次數，50 000為模具壽命設置上限。當模具模次達到設定值時，系統將發出報警以提醒工作人員對模具進行維護或者更換。周期設置器用于對沖壓模具運動周期進行設定，本次實驗將其設置為4 s，因此數值顯示將會從00跳動至03，表示每間隔4 s進行一次計數。綠色按鈕為復位鍵，用于報警復位等動作的歸零。

3.4 管理系統設計

管理系統針對模具企業進行設計使用，以SQL Server 2008和Java為基礎進行系統開發，用戶通過輸入用戶名和密碼后，即可進入管理系統。管理系統中主要設置基礎資料、日常處理、統計分析以及幫助4個基礎功能模塊，每一個模塊中開發有相應的子模塊，基礎資料中包括:網關資料設置、歷史記錄查詢、終端對應模號、模具對應產品和歷史記錄導入;日常處理包括:模具保養記錄和每日模具產量設定;統計分析中包括:CYCLETIME、模具當前次數、實時產能列表、效率異常分析;幫助選項中包括一些功能設置以及其他幫助等功能，如圖7所示。

3.5 數據記錄查詢

數據記錄查詢中，通過模具上的RFID電子標簽，可以查詢出對應的模具在不同的時間所運行的次數。此外，根據模具的ID號可以查詢出當前模次信息，可以查詢出模具的一些基本信息，具體包括:模具名稱、模具規格、需要保養的次數、模具壽命、重量、生產廠以及客戶等等有效信息，如圖8所示。系統詳細顯示出模具的相關信息，提供了有效模具產品的標準數據。管理人員無需在生產現場即可把握模具的加工信息，從而統計出生產訂單信息，為其他生產計劃制定不同的生產要求以滿足企業生產的需要，實現了生產記錄的實時管理和信息的有效把握，對以后模具維護和保養提供參考。

4 結語

本文根據模具行業使用需要，設計了一種基于單片機的模具壽命管理系統?；魻杺鞲衅鞲鶕鸥袘兓@得模具運動狀態，通過單片機對調理后的脈沖進行計數從而獲得模次信息，然后利用無線傳輸實現數據交互。測試結果表明，檢測裝置使用方便、計數精準，可根據模具型號靈活設置檢測條件，且對模具工作過程沒有影響。管理系統可實現模次信息的查詢、記錄與統計，實現對模具使用壽命的有效管理，提高了企業的運轉效率。此外，該系統可根據模具型號的不同進行靈活設計。