李志剛 呂 杰 董小飛 王 斌 季明坤

(①蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院軟件與服務(wù)外包學(xué)院，江蘇蘇州215411;②鹽城工學(xué)院機(jī)械優(yōu)集學(xué)院，江蘇鹽城224051;③江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013)

模具不僅是當(dāng)今制造業(yè)進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)工藝 設(shè)備，其發(fā)展水平也決定了一個(gè)國(guó)家制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的高低。由于模具進(jìn)行生產(chǎn)加工所具有的高效率、高精度、大批量、低成本等優(yōu)越性，已廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)械、醫(yī)療、電器等行業(yè)產(chǎn)品制造［1］。模具壽命作為生產(chǎn)調(diào)控的基礎(chǔ)信息，對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)效率及合格率起著決定性作用，及時(shí)獲取模次信息有助于模具維護(hù)與管理，不僅能提高合格產(chǎn)品的數(shù)目與生產(chǎn)效率，并有效降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本［2］。目前，科研人員針對(duì)模具管理進(jìn)行了相關(guān)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，王偉驎等［3］利用RFID技術(shù)設(shè)計(jì)了一套應(yīng)用于射出成形車間模具的管理系統(tǒng);米永東等［4］基于大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出了一種模具維修保養(yǎng)管理系統(tǒng)方案;蘇越等［5］開(kāi)發(fā)了一套基于Justep X3平臺(tái)的模具生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)，降低了企業(yè)生產(chǎn)和管理成本。目前關(guān)于模具管理系統(tǒng)大多針對(duì)模具生產(chǎn)與倉(cāng)儲(chǔ)管理進(jìn)行設(shè)計(jì)，而對(duì)于模具使用壽命的檢測(cè)與管理則較少。為了有效彌補(bǔ)實(shí)際應(yīng)用的空白，本文結(jié)合電子技術(shù)與STM32系列單片機(jī)［6－8］等設(shè)計(jì)了一種模具壽命管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)模具壽命的管理、維護(hù)、數(shù)據(jù)交互等工作。

1 檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

模次即模具開(kāi)合模次數(shù)的計(jì)數(shù)，是模具使用壽命的重要參考標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)對(duì)模具壽命進(jìn)行準(zhǔn)確地管理，可有效防止生產(chǎn)過(guò)程中次品率的增高。因統(tǒng)計(jì)困難，目前模次統(tǒng)計(jì)大多為人工經(jīng)驗(yàn)計(jì)算，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行定期停機(jī)檢測(cè)模具狀態(tài)，自動(dòng)化程度較低。通過(guò)利用傳感器、ZigBee［9］等自動(dòng)化、信息化技術(shù)對(duì)模具管理系統(tǒng)進(jìn)行改造升級(jí)，促進(jìn)傳統(tǒng)工業(yè)信息化建設(shè)，使模次檢測(cè)更為精確、便捷。

基于單片機(jī)控制的模具壽命檢測(cè)裝置實(shí)物如圖1所示。系統(tǒng)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(zhuǎn)換器［11］、指示燈、蜂鳴報(bào)警器、復(fù)位鍵等組成。裝置的控制系統(tǒng)以自身單片機(jī)作為核心控制部件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸至PC端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與管理。通過(guò)模具壽命管理所具備的模次數(shù)據(jù)采集、模具維護(hù)和使用壽命自動(dòng)報(bào)警等基礎(chǔ)功能，實(shí)現(xiàn)可視化管理、智能生產(chǎn)指導(dǎo)及輔助功能等人機(jī)交互技術(shù)。

系統(tǒng)功能設(shè)定如下:

(1)當(dāng)模次超過(guò)設(shè)定值時(shí)，蜂鳴報(bào)警器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

(2)系統(tǒng)掉電后數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，通過(guò)復(fù)位鍵實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)整。

(3)通信模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸與交互。

(4)系統(tǒng)精確到個(gè)位數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

模次檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。模具在工作過(guò)程中，凸模做無(wú)限循環(huán)伸縮運(yùn)動(dòng)，當(dāng)模具進(jìn)行一次開(kāi)合模動(dòng)作時(shí)，安裝在凸模頂端的霍爾傳感器根據(jù)磁場(chǎng)變化記錄部件發(fā)生一次動(dòng)作，傳感器將產(chǎn)生的電壓信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，傳輸至中央處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，LED顯示屏將模次數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，通過(guò)射頻模塊將數(shù)據(jù)傳輸至管理終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，形成模次信息的雙向更新和現(xiàn)場(chǎng)反饋控制，管理者通過(guò)屏幕實(shí)時(shí)關(guān)注模具動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)模具壽命管理，達(dá)到智能化人機(jī)交互的目的，實(shí)現(xiàn)模具生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程的可約束和可監(jiān)控。傳感器采用RS485接口，通信模塊使用RS232接口。當(dāng)模次達(dá)到設(shè)定值，蜂鳴器會(huì)提醒現(xiàn)場(chǎng)操作工人停機(jī)進(jìn)行模具狀態(tài)檢查。

1.1 中央處理單元

系統(tǒng)選用超低功耗的STM32L151作為CPU，器件配有高速嵌入式存儲(chǔ)器(高達(dá)256 kB的閃存和高達(dá)32 kB的RAM)以及連接到兩個(gè)APB總線的大量增強(qiáng)型I/O和外設(shè)，滿足系統(tǒng)功能開(kāi)發(fā)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(nèi)核結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)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(nèi)使用，并安裝有記憶保護(hù)單元(MPU)、一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘和一組在備用模式下保持供電的備份寄存器，防止數(shù)據(jù)丟失。該單片機(jī)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、報(bào)警系統(tǒng)、有線和無(wú)線傳感器、視頻對(duì)講等應(yīng)用系統(tǒng)中。

1.2 通信模塊

為了確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，系統(tǒng)采用ATRF212－ZU作為通信模塊的控制芯片，利用ZigBee進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，具有低功耗、低成本、大功率(最大可達(dá)7db)和接收靈敏度高等特點(diǎn)，傳輸距離可以達(dá)到1.8 km，是無(wú)線傳感器的理想選擇。芯片采用780 MHz頻段，繞射能力強(qiáng)，且采用ZigBee進(jìn)行通信，啟動(dòng)速度快，較藍(lán)牙、WiFi縮短近百倍的響應(yīng)時(shí)間，具有較高的可靠性。

1.3 模次計(jì)數(shù)模塊

模次計(jì)數(shù)模塊主要采用霍爾傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(wěn)壓器集成于同一芯片，應(yīng)用簡(jiǎn)便，元件可提供線性單端輸出。根據(jù)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(shù);I為控制電流;B為磁感應(yīng)強(qiáng)度。

其輸出電壓與所感應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。當(dāng)凸模發(fā)生一次動(dòng)作時(shí)，霍爾傳感器磁感應(yīng)強(qiáng)度由于元件位移而產(chǎn)生變化，產(chǎn)生相應(yīng)定量的脈沖個(gè)數(shù)，由霍爾器件電路輸出，成為模次計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖。設(shè)定計(jì)數(shù)周期，即可實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值對(duì)應(yīng)模次值。

1.4 顯示模塊

根據(jù)實(shí)際情況，模具壽命的設(shè)定值往往為萬(wàn)次以上，為了實(shí)現(xiàn)滿足使用要求，系統(tǒng)采用LED顯示屏進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，最大可顯示7位數(shù)模次計(jì)數(shù)信息，根據(jù)模次信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)數(shù)顯示。

2 檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)采用C語(yǔ)言進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，主要為控制模塊和傳輸模塊2個(gè)部分。控制模塊負(fù)責(zé)信號(hào)處理、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)控制、警報(bào)發(fā)布、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)復(fù)位等，傳輸模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。程序流程圖如圖3所示。當(dāng)單片機(jī)上電后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作，然后根據(jù)讀取到的脈沖信號(hào)得出模次數(shù)據(jù)，將結(jié)果顯示在LED顯示屏上，通過(guò)通信模塊與PC進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。按下復(fù)位鍵數(shù)據(jù)置零并重新計(jì)數(shù)。

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 檢測(cè)模型設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)了一套壽命實(shí)時(shí)管理系統(tǒng)。沖壓模具在工作原理為通過(guò)凸模對(duì)板件進(jìn)行沖壓來(lái)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)件，模具在工作過(guò)程中做循環(huán)開(kāi)合模動(dòng)作，根據(jù)此項(xiàng)特征，設(shè)計(jì)了用于模擬模具沖壓過(guò)程的模型，如圖4所示。

3.2 模次檢測(cè)結(jié)果

凸模每運(yùn)動(dòng)一次，系統(tǒng)根據(jù)傳感器信號(hào)變化進(jìn)行一次計(jì)數(shù)。如圖5所示，在實(shí)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(jìn)行了一次運(yùn)動(dòng)。為了保證每個(gè)模具的唯一性，安裝了RFID［13］電子標(biāo)簽進(jìn)行區(qū)分，通過(guò)對(duì)應(yīng)的RFID編號(hào)可在管理系統(tǒng)中查詢?cè)撃＞呦嚓P(guān)信息。

3.3 計(jì)數(shù)及周期設(shè)置

為了針對(duì)不同的模具壽命和維護(hù)要求對(duì)檢測(cè)條件進(jìn)行更改，系統(tǒng)設(shè)置了模次計(jì)數(shù)及周期設(shè)置器。如圖6所示，在計(jì)數(shù)設(shè)置器中，3 850表示沖壓模具當(dāng)前加工次數(shù)，50 000為模具壽命設(shè)置上限。當(dāng)模具模次達(dá)到設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警以提醒工作人員對(duì)模具進(jìn)行維護(hù)或者更換。周期設(shè)置器用于對(duì)沖壓模具運(yùn)動(dòng)周期進(jìn)行設(shè)定，本次實(shí)驗(yàn)將其設(shè)置為4 s，因此數(shù)值顯示將會(huì)從00跳動(dòng)至03，表示每間隔4 s進(jìn)行一次計(jì)數(shù)。綠色按鈕為復(fù)位鍵，用于報(bào)警復(fù)位等動(dòng)作的歸零。

3.4 管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

管理系統(tǒng)針對(duì)模具企業(yè)進(jìn)行設(shè)計(jì)使用，以SQL Server 2008和Java為基礎(chǔ)進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，用戶通過(guò)輸入用戶名和密碼后，即可進(jìn)入管理系統(tǒng)。管理系統(tǒng)中主要設(shè)置基礎(chǔ)資料、日常處理、統(tǒng)計(jì)分析以及幫助4個(gè)基礎(chǔ)功能模塊，每一個(gè)模塊中開(kāi)發(fā)有相應(yīng)的子模塊，基礎(chǔ)資料中包括:網(wǎng)關(guān)資料設(shè)置、歷史記錄查詢、終端對(duì)應(yīng)模號(hào)、模具對(duì)應(yīng)產(chǎn)品和歷史記錄導(dǎo)入;日常處理包括:模具保養(yǎng)記錄和每日模具產(chǎn)量設(shè)定;統(tǒng)計(jì)分析中包括:CYCLETIME、模具當(dāng)前次數(shù)、實(shí)時(shí)產(chǎn)能列表、效率異常分析;幫助選項(xiàng)中包括一些功能設(shè)置以及其他幫助等功能，如圖7所示。

3.5 數(shù)據(jù)記錄查詢

數(shù)據(jù)記錄查詢中，通過(guò)模具上的RFID電子標(biāo)簽，可以查詢出對(duì)應(yīng)的模具在不同的時(shí)間所運(yùn)行的次數(shù)。此外，根據(jù)模具的ID號(hào)可以查詢出當(dāng)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(guī)格、需要保養(yǎng)的次數(shù)、模具壽命、重量、生產(chǎn)廠以及客戶等等有效信息，如圖8所示。系統(tǒng)詳細(xì)顯示出模具的相關(guān)信息，提供了有效模具產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。管理人員無(wú)需在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)即可把握模具的加工信息，從而統(tǒng)計(jì)出生產(chǎn)訂單信息，為其他生產(chǎn)計(jì)劃制定不同的生產(chǎn)要求以滿足企業(yè)生產(chǎn)的需要，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)記錄的實(shí)時(shí)管理和信息的有效把握，對(duì)以后模具維護(hù)和保養(yǎng)提供參考。

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)模具行業(yè)使用需要，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的模具壽命管理系統(tǒng)。霍爾傳感器根據(jù)磁感應(yīng)變化獲得模具運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)單片機(jī)對(duì)調(diào)理后的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)從而獲得模次信息，然后利用無(wú)線傳輸實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。測(cè)試結(jié)果表明，檢測(cè)裝置使用方便、計(jì)數(shù)精準(zhǔn)，可根據(jù)模具型號(hào)靈活設(shè)置檢測(cè)條件，且對(duì)模具工作過(guò)程沒(méi)有影響。管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)模次信息的查詢、記錄與統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)模具使用壽命的有效管理，提高了企業(yè)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率。此外，該系統(tǒng)可根據(jù)模具型號(hào)的不同進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)。