基于氣動測量的數(shù)據(jù)優(yōu)化及監(jiān)管系統(tǒng)開發(fā)

杜小虎，任志俊*，戚呈輝

（1.江南大學 機械工程學院，無錫 214122；2.江蘇省食品先進制造裝備技術(shù)重點實驗室，無錫 214122)

0 引言

隨著工業(yè)4.0的提出以及智能制造的持續(xù)推進，制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)融合更加緊密，越來越多零部件的加工檢測趨于智能化、數(shù)字化；但在傳統(tǒng)生產(chǎn)管理中，在質(zhì)量監(jiān)管方面仍存在明顯不足：其一，大部分企業(yè)仍采用人工測量且采用抽檢方式，費時費力的同時難以保證測量精度，也就容易引起質(zhì)量問題；其二，缺乏數(shù)據(jù)存儲管理的持久性，沒有對質(zhì)量數(shù)據(jù)進行分析和監(jiān)控，難以及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)問題，容易給企業(yè)帶來大量財產(chǎn)損失[1]。

針對這些實際問題，提出采用氣動量儀進行質(zhì)量參數(shù)的測量，同時通過Java等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立數(shù)據(jù)優(yōu)化及監(jiān)管系統(tǒng)，實現(xiàn)對生產(chǎn)質(zhì)量的可視化監(jiān)管，本文針對其測量特性，進行了試驗算法優(yōu)化，進一步提高了其測量精確性。近年來也有不少專家學者對氣動量儀的測量進行了大量的理論研究和實踐工作，胡小平等對背壓氣路的特性曲線進行了分析，研究了各主要參數(shù)對量儀的影響[2]；Cz.J.Jermak等對氣動量儀的校準不確定度和線性度問題進行了研究，用不同的線性函數(shù)近似，使非線性度降低[3]；Miroslaw Ruck等對氣動量儀作為尺寸檢查系統(tǒng)的一部分進行了研究，提出使用兩個以上的設(shè)置主機可以顯著地改善線性度[4]；許多專家學者都對氣動量儀的測量精確度的提高提出了各自的見解。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本系統(tǒng)以齒輪內(nèi)徑為研究對象，主要通過氣動量儀的壓差特性獲取齒輪加工后的內(nèi)徑測量數(shù)據(jù)，為保證氣動量儀測量的精確性，通過對測頭進行優(yōu)化設(shè)計及測量算法的實驗優(yōu)化以提高測量值的準確性；數(shù)據(jù)優(yōu)化及監(jiān)管系統(tǒng)使用Java編程，配合使用相關(guān)框架軟件，實現(xiàn)通過瀏覽器直接對系統(tǒng)進行訪問，其拓展性強，能夠基于該系統(tǒng)快速轉(zhuǎn)換為針對其他零件的相關(guān)分析系統(tǒng)；數(shù)據(jù)通信方面采用基于以太網(wǎng)卡的TCP/IP協(xié)議，實現(xiàn)自動化數(shù)據(jù)傳輸。全系統(tǒng)對齒輪的加工制造及質(zhì)量監(jiān)管起到了重要的作用。系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)底層結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)開發(fā)過程中，對于編譯語言及框架的選擇是極為重要的，本系統(tǒng)采用Java語言進行編寫，其具有良好的跨平臺性、可移植性，同時具有簡潔高效、面向?qū)ο蟮葍?yōu)良性能。該系統(tǒng)設(shè)計采用B/S架構(gòu)，與傳統(tǒng)工業(yè)C/S架構(gòu)相比，其主要有以下優(yōu)點：

1）操作使用簡單，僅需安裝瀏覽器，無需安裝客戶端軟件，做到了客戶端零維護，拓展性強。

2）維護和升級簡單，僅需對服務(wù)器進行維護和升級，必要時遠程升級維護即可[5]。

3）降低企業(yè)成本，大部分操作由服務(wù)器完成，對計算機配置要求不高。

框架能夠提高系統(tǒng)的拓展性和移植性，同時可以加速系統(tǒng)開發(fā)進程、減少相關(guān)工作量；為此本系統(tǒng)采用SSM框架，即Spring、SpringMvc、Mybatis相互整合，該框架具有良好的性能及較快的開發(fā)效率，是一種主流的web應(yīng)用開發(fā)框架；SpringMvc是Spring基于MVC設(shè)計模式的一種實現(xiàn)[6]，即model、view、controller的三層架構(gòu)，整體實現(xiàn)了業(yè)務(wù)處理與視圖的分離，降低了系統(tǒng)耦合度[7]；Mybatis支持對多種關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的訪問，是一個強大的數(shù)據(jù)訪問工具，主要負責數(shù)據(jù)持久層，完成與數(shù)據(jù)庫的相關(guān)操作；Spring主要有容器的作用，實現(xiàn)了持久層、表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)層的整合，即完成對SpringMvc和Mybatis的整合工作；SSM整合關(guān)系如圖2所示。

圖2 SSM整合關(guān)系圖

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

在數(shù)據(jù)庫架構(gòu)設(shè)計上，本系統(tǒng)采用MySQL作為持久化存儲的數(shù)據(jù)庫，Redis作為緩存數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建形式；MySQL是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，同時是開源的，兼具性能優(yōu)異、可移植性強等優(yōu)點；但其薄弱點在于每次訪問數(shù)據(jù)庫都會有I/O操作，會造成效率低、負載大等問題，通過使用Redis作為緩存數(shù)據(jù)庫的方式，使常用的數(shù)據(jù)存儲在了緩存中，不需要每次都訪問MySQL取值，提升了效率的同時使讀取速度更快。

齒輪內(nèi)徑數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫部分，除系統(tǒng)管理中的用戶表、角色表、角色權(quán)限表等必備數(shù)據(jù)庫表之外；主要由內(nèi)徑測量數(shù)據(jù)采集優(yōu)化表及齒輪數(shù)據(jù)分析表組成；數(shù)據(jù)采集優(yōu)化表主要用于記錄齒輪加工后的內(nèi)徑測量值、壓差值、內(nèi)徑優(yōu)化值、測量日期、測量時間、生產(chǎn)批次等字段，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的入庫存儲及查詢功能，其數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)表字段信息如表1所示；齒輪數(shù)據(jù)分析表主要記錄齒輪加工后的生產(chǎn)批次、良品率、生產(chǎn)總量、生產(chǎn)日期、工位號等字段，實現(xiàn)對產(chǎn)品加工質(zhì)量實時監(jiān)控，實時顯示，后續(xù)還可用于質(zhì)量分析，其數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)表字段信息如表2所示。

表1 齒輪內(nèi)徑數(shù)據(jù)采集優(yōu)化表字段

表2 齒輪內(nèi)徑數(shù)據(jù)分析表字段

3 氣動量儀相關(guān)優(yōu)化設(shè)計

3.1 基礎(chǔ)理論

氣動量儀是以空氣為介質(zhì)，利用空氣流動特性進行幾何量測量的儀器，其根據(jù)流量壓力等的變化量表征尺寸等幾何值的變化，同時其兼具性能穩(wěn)定、工作可靠、操作簡單、環(huán)境適應(yīng)性強等特點[8]。本系統(tǒng)采用差壓式氣動量儀，其測量氣路原理如圖3所示，根據(jù)噴嘴與擋板之間的間隙引起的壓力變化ΔP，從而判斷間隙值的大小，如式(1)所示：

圖3 差壓式氣動測量原理圖

式中Pb——定壓氣路的壓力值；

Px——測量氣路的壓力測量值；

在測量過程中，Pb一般是不變的，Px是一個定值；是變化的，根據(jù)間隙的變化而變化，是與間隙相關(guān)的一個函數(shù)值。

3.2 測頭參數(shù)設(shè)計

測頭是量儀中對測量準確性起到關(guān)鍵作用的部件，需要根據(jù)測量零件結(jié)構(gòu)及位置不同，選擇合適的測頭形式以及適當?shù)臏y頭尺寸，使測量時壓差與間隙的變化關(guān)系近似成線性，可以使測量結(jié)果更加精準，這點在算法優(yōu)化部分有更準確的闡述。由于本系統(tǒng)主要用于測量齒輪內(nèi)徑，其內(nèi)徑尺寸為，因此測頭的形式采用非接觸式內(nèi)徑測頭，噴嘴孔徑根據(jù)被測工件孔徑而定，但需要大于測量間隙的四倍[8]，噴嘴孔徑d及節(jié)流孔孔徑d1均取1mm；測頭直徑與工件內(nèi)孔尺寸之間的間隙為導(dǎo)向間隙，該間隙越大將造成測頭與工件相對位置誤差增大，所以導(dǎo)向間隙較小有利于控制相對位置誤差，故取測頭直徑D比齒輪內(nèi)徑尺寸小0.02mm，即取測頭直徑D為29.07mm，但由于導(dǎo)向間隙較小易造成測頭外圓部分磨損，為減少噴嘴孔部分的磨損，保證測量的準確性，設(shè)置一定的下沉量，噴嘴下沉量a取0.02mm，因存在加工誤差，實際加工尺寸D為29.0706mm，a分別為0.0207mm、0.0203mm，d及d1約為1mm，測頭總體尺寸及結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 測頭結(jié)構(gòu)尺寸圖

3.3 測量算法實驗優(yōu)化

氣動量儀測量氣路簡圖如圖5所示，由流體力學易知，根據(jù)及是否大于等于1.894可將流體狀態(tài)分為臨界狀態(tài)與亞臨界狀態(tài)兩種[8]；據(jù)此可將測量氣路分為四種工況，如表3所示。

圖5 差壓測量氣路系統(tǒng)圖

表3 工況狀態(tài)表

某截面的亞臨界狀態(tài)流量公式如式(2)所示，臨界狀態(tài)流量公式如式(3)所示[8]：

式中：Q為流過截面重量流量；c為流量系數(shù)；F為截面積；k為定熵指數(shù)，空氣取1.41；p1截面前壓力；p2為截面后壓力；γ1為氣體重度。

對于量儀工作壓力的選擇需要在兼顧測量準確性的同時考慮氣壓對工件的清潔作用，工作壓力不宜過低，將工作壓力設(shè)為0.2Mpa；而標準大氣壓近似為0.1Mpa。根據(jù)表1可知，在0.2Mpa的工作壓力下，測量氣路將經(jīng)歷的工況狀態(tài)，由測頭相關(guān)參數(shù)取值，結(jié)合通過節(jié)流孔的流量與通過測量噴嘴擋板間隙處的流量相等，可得各工況下的ΔP與間隙x的關(guān)系公式：

根據(jù)式(4)～式(6)，結(jié)合表3，利用MATLAB做出包含全工況的Δp-x理論曲線圖6，在間隙x接近于0時，有一段非線性狀態(tài)，在Δp靠近0.1Mpa時，斜率很小，難以反映壓差間隙間的變化關(guān)系，而在中間部分存在一段近似線性區(qū)，繪制Δp-x工況三理論曲線圖7，由圖7可以更清晰地比較出間隙接近0時存在明顯曲線段且斜率較小，中間部分近似線性區(qū)斜率較大，能更好的反映壓差與間隙的關(guān)系，從而更準確地通過壓差測量間隙值；在0.05mm～0.09mm區(qū)間的Δp-x理論曲線圖8較好的反映了這一近似線性關(guān)系；通過對測頭的結(jié)構(gòu)與尺寸設(shè)計，使得測量區(qū)間線性度好，較好地提升了測量的準確性，計算易得最小測量間隙為0.0604mm，最大測量間隙為0.0804mm，建立在0.0604mm～0.0804mm區(qū)間的理論曲線圖9，目前工業(yè)測量中，主要通過設(shè)計制造尺寸為工件最小極限尺寸與最大極限尺寸的兩個校對規(guī)，測定它們各自的壓差值，對兩端點進行直線擬合作為測量標準，由圖9對比可知，其結(jié)果仍存在誤差，精確性不足，需要對其進行優(yōu)化。

圖6 理論曲線圖

圖7 工況三理論曲線圖

圖8 （0.05mm-0.09mm）理論曲線圖

圖9 （0.0604mm～0.0804mm）對比圖

為驗證理論壓差間隙曲線與實際壓差間隙曲線的關(guān)系，進行壓差間隙實驗；采用高精度壓差傳感器測量壓差值Δp，因齒輪內(nèi)孔尺寸為29.10+0.01-0.01，加工內(nèi)孔設(shè)計尺寸為29.09、29.095、29.10、29.105、29.11的五個標準校對規(guī)，采用瑞士TRIMOS測長儀（精度0.07μ+L/2000μ）測量相關(guān)尺寸，以其測量值作為實際尺寸，通過校對規(guī)與測頭尺寸差值表征間隙大小，實驗結(jié)果如表4所示。

表4 壓差間隙實驗結(jié)果

實驗結(jié)果散點分布如圖10所示，由于相關(guān)因素影響（如氣流純凈性、工件與測頭間的相對位置誤差等），實驗結(jié)果與理論結(jié)果存在一定偏差，但其散點位置分布符合理論分布，斜率大致相似，說明理論結(jié)果是可行的，通過給予理論公式y(tǒng)軸方向誤差補償b，通過使用MATLAB的函數(shù)進行數(shù)據(jù)擬合，其偽代碼如下：

計算得到誤差補償值b為0.00066，散點擬合曲線如圖10所示，由圖易知，該擬合曲線較好的反映了實驗結(jié)果，相比與理論曲線的測量準確性，實驗擬合曲線測量準確性大幅提高；目前工業(yè)實際應(yīng)用中的端點擬合直線如圖10所示，對比可知，工業(yè)測量值與實際值之間仍存在誤差，且在測量中值附近誤差較大，下面對曲線擬合值、線性測量值與實際值間的準確性進行對比分析，其結(jié)果如表5所示。

表5 結(jié)果對比分析表

圖10 組合對比圖

由表5對比分析可得，首先通過測頭相關(guān)尺寸設(shè)計，使得曲線在0.06mm至0.08mm間線性度較高，使得通過兩端線性擬合，得到的結(jié)果準確性也相對較高；但其中值附近誤差相對較大，通過曲線擬合較好地提高了中間區(qū)段的測量準確性，線性測量中間三值的平均測量誤差為1.37%，而曲線擬合中間三值平均誤差僅為0.57%，這只是三組的測量誤差，隨著實驗數(shù)據(jù)量的增加，可以預(yù)見線性測量的誤差會更高，通過曲線擬合的方式，中間區(qū)段的測量準確性得到有效提升；同時汲取線性擬合兩端值的測量精確性，將兩端點的實驗壓差值作為判斷產(chǎn)品是否合格的標準，使用量儀的線性測量返回值，轉(zhuǎn)換得到壓差值，代入曲線擬合公式，即式(7)中：

從而得到間隙值，將其轉(zhuǎn)化為優(yōu)化測量值，將該優(yōu)化測量值作為中間值的測量結(jié)果；通過這種方式，有效地保證了產(chǎn)品合格判定標準，同時測量值的準確性、特別是區(qū)間中值的準確性得到了有效的保障。

4 通信入庫，系統(tǒng)展示

由于量儀使用的PLC型號是SIMATIC S7-1200，故采用基于以太網(wǎng)卡的TCP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)通訊，將量儀與計算機的IP地址調(diào)至同一頻段內(nèi)，通過使用相關(guān)組態(tài)軟件進行編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳輸功能；總體步驟為在數(shù)據(jù)字典新建相關(guān)變量，包括日期、時間、內(nèi)徑測量值等，將PLC寄存器號與相關(guān)變量建立連接，進行通訊測試，當能夠讀取寄存器內(nèi)數(shù)據(jù)后，創(chuàng)建表格模板與記錄體，建立表格模板的主要作用是在數(shù)據(jù)庫與組態(tài)軟件之間建立一個橋梁，使數(shù)據(jù)能夠相互映射，創(chuàng)建記錄體將新建變量與表格模板建立聯(lián)系，隨后需要實現(xiàn)組態(tài)軟件與MySQL的連接，將接收的測量數(shù)據(jù)自動寫入MySQL數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)自動數(shù)據(jù)傳輸，其相關(guān)偽代碼如下所示：

測量數(shù)據(jù)被寫入MySQL后，系統(tǒng)將根據(jù)線性優(yōu)化公式反推出壓差值，隨后將壓差值代入式(7)得到間隙值，轉(zhuǎn)化得到齒輪內(nèi)徑優(yōu)化值，隨后將壓差值及優(yōu)化測量值存入數(shù)據(jù)庫中，系統(tǒng)會將測量數(shù)據(jù)、測量時間、優(yōu)化數(shù)據(jù)等實時性的界面化展示給用戶，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的持久化存儲的同時支持各類查詢操作，系統(tǒng)登錄界面如圖11所示，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及優(yōu)化界面如圖12所示；系統(tǒng)同時會對生產(chǎn)加工數(shù)據(jù)進行實時數(shù)據(jù)監(jiān)控，自動處理接收的測量數(shù)據(jù)完成轉(zhuǎn)化，自動判定產(chǎn)品是否合格，統(tǒng)計產(chǎn)品總量、合格率等關(guān)鍵指標，將界面化地實時顯示加工批次、加工日期、加工總量、良品率等關(guān)鍵信息，對測量優(yōu)化值、合格率通過折線圖及餅狀圖的形式實時展示給工作人員，其監(jiān)控界面如圖13所示，同時支持對良品率的閾值設(shè)置，當數(shù)據(jù)監(jiān)控過程中良品率低于閾值或連續(xù)出現(xiàn)不合格工件時，系統(tǒng)將給出警告，提醒用戶檢查生產(chǎn)環(huán)節(jié)，避免損失；實現(xiàn)了對生產(chǎn)加工質(zhì)量數(shù)據(jù)的全面把控。

圖11 系統(tǒng)登錄頁面

圖12 內(nèi)徑采集優(yōu)化界面

圖13 可視化數(shù)據(jù)監(jiān)控界面

5 結(jié)語

本系統(tǒng)實現(xiàn)了將量儀的測量精確性與軟件數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)持久性相結(jié)合；從測頭設(shè)計及測量算法實驗優(yōu)化兩方面對氣動量儀的測量精確性進行了提高，取得了不錯的效果，另一方面建立數(shù)據(jù)優(yōu)化及監(jiān)管系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)持久性管理，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)界面化顯示以及對質(zhì)量數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控，本系統(tǒng)的應(yīng)用提高了零件尺寸測量準確率，提升了相關(guān)企業(yè)的智能化綜合管理水平，對制造業(yè)其他相關(guān)零部件的智能化監(jiān)管有著極強的借鑒意義。