■ 陳海牛 卓偉偉 葉忠陽/國營錦江機器廠

0 引言

在工業(yè)數(shù)字化的時代背景下，提高工作人員工作效率、提升工作質(zhì)量的同時兼顧運營成本是現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)關(guān)注的核心問題。我國工業(yè)化起步較晚但發(fā)展迅猛，伴隨著科技的進步及企業(yè)設(shè)備的更新升級，一大批功能正常的老舊設(shè)備因無法跟上工業(yè)自動化、數(shù)字化的步伐面臨淘汰。對于企業(yè)而言，研究如何利用先進的儀器控制技術(shù)賦能老舊設(shè)備，使其在工業(yè)數(shù)字化時代背景下繼續(xù)發(fā)揮作用，具有重要意義。本文以老舊型號的彈簧拉壓試驗機為例開展數(shù)字化改造嘗試，實現(xiàn)了彈簧的批量、快速測量及測量結(jié)果的數(shù)字化共享。

1 設(shè)備改造

彈簧是發(fā)動機油液控制系統(tǒng)中核心且常見的機械元件，在精密的機械調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，彈簧需要滿足自由長度、預(yù)壓縮長度下彈力、預(yù)壓力下長度、指定情況下再壓縮等多項長度和彈力的性能要求，彈簧性能的好壞直接影響其裝配產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性，甚至影響產(chǎn)品功能的實現(xiàn)。在實際的測量操作過程中，使用傳統(tǒng)的彈簧拉壓試驗機測量時，操作者需要按照工藝規(guī)定的各項性能測量要求，將彈簧拉壓試驗機的彈簧檢測參數(shù)調(diào)整至指定的工作狀態(tài)，讀取測量出的數(shù)值并手工記錄在相應(yīng)格式的工作卡上。實施過程中試驗設(shè)備參數(shù)的調(diào)整、數(shù)據(jù)的讀取及記錄均為人工方式，操作煩瑣、效率低且存在人為差錯質(zhì)量風(fēng)險，無法滿足多種類、大批量的彈簧檢測需求。

本次改造主要通過對傳統(tǒng)的彈簧拉壓試驗機數(shù)據(jù)采集模塊、測試程序模塊及測量數(shù)據(jù)輸出模塊三個方面進行軟硬件的改造，實現(xiàn)彈簧自動測量、過程全程監(jiān)控、測量結(jié)果自動判斷、測量數(shù)據(jù)自動保存，并可根據(jù)質(zhì)量記錄的需要輸出指定格式的參數(shù)記錄卡。

在數(shù)字化應(yīng)用方面，改造后的彈簧拉壓試驗機可通過程序控制實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的分類存儲，其測量的數(shù)據(jù)可直接提取用于大數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析。

1.1 硬件系統(tǒng)

改造后的彈簧測量系統(tǒng)主要由彈簧拉壓試驗機、電腦、打印機組成，如圖1 所示。

圖1 彈簧測量改造示意圖

彈簧拉壓試驗機作為測量執(zhí)行機構(gòu)，實施彈簧的測量及數(shù)據(jù)的傳輸；電腦作為彈簧拉壓試驗機控制軟件的載體，存儲各型彈簧測試參數(shù)要求并根據(jù)測量工作的實際需要編制測量方案，同時控制彈簧拉壓試驗機完成指定的測量操作，最后接收并存儲測量數(shù)據(jù)，生成電子工卡；打印機負責(zé)完成電子工卡的打印。

1.2 軟件系統(tǒng)

軟件應(yīng)實現(xiàn)如下功能：

1）可與彈簧拉壓試驗機進行通信傳輸、數(shù)據(jù)交換；

2）可對使用人員進行分類管控并保存操作記錄；

3）可按工藝要求在軟件中預(yù)設(shè)參考值，采集數(shù)據(jù)后，分析、對比數(shù)據(jù)，判定彈簧是否滿足工藝要求；

4）可根據(jù)不同彈簧的數(shù)據(jù)記錄要求，創(chuàng)建工作卡模板，并將數(shù)值自動錄入工作卡指定位置；

5）可實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)追溯，即通過彈簧的名稱、測量日期、工作號追溯查詢出該彈簧的測量數(shù)據(jù)、測量人員及檢驗人員等相關(guān)信息；

6）可對測量出的數(shù)據(jù)單獨保存，并輸出EXCEL 表格；

7）測量軟件應(yīng)包含超量程、產(chǎn)品不合格等異常情況的提醒及后續(xù)補充確認操作。

1.3 可行性分析

本次改造的彈簧拉壓試驗機具備一定的自動控制基礎(chǔ)，能夠利用自帶的單片機實現(xiàn)單一彈簧參數(shù)設(shè)置及自動測量，且其結(jié)構(gòu)框架、壓力傳感器、步進電機及其驅(qū)動器狀態(tài)良好，可直接使用。

測控程序基于C 語言編寫，通過程序邏輯控制能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)的實時測量、數(shù)據(jù)的實時顯示及處理、結(jié)果的存儲及輸出等各種功能。

測控程序以電腦為載體，通過PCI卡與彈簧拉壓試驗機聯(lián)通，在PCI 卡給彈簧拉壓試驗機供電的同時按照程序要求驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動，依據(jù)步進電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)位移量控制。壓力傳感器受力可產(chǎn)生電壓信號，經(jīng)過PCI 卡轉(zhuǎn)換為負荷a/d 數(shù)，根據(jù)軟件數(shù)模轉(zhuǎn)化實現(xiàn)壓力值的傳輸。

綜上所述，該設(shè)備數(shù)字化改造可行。

1.4 測量流程

開啟測量設(shè)備，在電腦上選擇/錄入對應(yīng)的彈簧件號或批量測量方案進入測量流程。待彈簧測力儀自動校零后，將彈簧放置于彈簧拉壓試驗機上，在電腦端啟動測量操作，彈簧拉壓試驗機按照指定彈簧的既定程序進行測量，并將測量數(shù)據(jù)實時輸出至電腦進行記錄、分析計算、錄入工卡模板的指定位置，完成測量。

2 改造效果

通過硬件改造及軟件調(diào)試，完成了彈簧拉壓試驗機的改造，經(jīng)檢驗、試驗驗證合格，實現(xiàn)了彈簧的數(shù)字化在線測量及數(shù)據(jù)的存儲、輸出。改造前后對比如圖2 所示。

圖2 改造前后對比

3 改造經(jīng)驗

經(jīng)過本次設(shè)備的改造，不斷嘗試及完善，針對應(yīng)重點關(guān)注之處提出經(jīng)驗總結(jié)。

1）設(shè)備改造可行性評估。在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上開展數(shù)字化改造，勢必會根據(jù)改造需要增加相應(yīng)的現(xiàn)代化組件及相關(guān)工裝夾具等，因此需結(jié)合設(shè)備自身工作特點，識別出改造工作涉及需更換安裝的傳感器、驅(qū)動器、工作平臺等元器件，從功能、功率、空間等方面評估待改造設(shè)備主體框架是否滿足后續(xù)改造要求。

2）軟件功能設(shè)置。軟件是數(shù)字化設(shè)備的大腦，控制著設(shè)備功能的實現(xiàn)以及數(shù)據(jù)的采集輸出，改造后的數(shù)字化設(shè)備不僅需要自動完成指定的工作，還需要將工作過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)存儲、輸出。在數(shù)據(jù)存儲方面，經(jīng)過對比驗證，推薦以EXCEL 文件作為數(shù)據(jù)記錄載體，便于后續(xù)數(shù)字化中心的數(shù)據(jù)調(diào)用。在單臺數(shù)據(jù)輸出方面，應(yīng)考慮根據(jù)實際應(yīng)用需求廣泛收集應(yīng)用場景，建立通用輸出模板。

3）其他注意事項。對具有較高精度的設(shè)備進行改造時應(yīng)考慮其公差等級控制，避免公差累積，驗證時應(yīng)重點關(guān)注改造后的工作精度及重復(fù)性。

4 結(jié)語

老舊設(shè)備是企業(yè)的寶貴財富，設(shè)備數(shù)字化改造對于推進工業(yè)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展及降低運營成本有重要意義。本次彈簧拉壓試驗機改造是在數(shù)字化時代發(fā)展的背景下發(fā)揮老舊設(shè)備作用的一次有益嘗試，可為后續(xù)同類型設(shè)備改造提供參考。