基于知識庫的管徑類零件質(zhì)檢系統(tǒng)

□ 陳 宇 □ 陳 進 □ 馬峰超

江南大學機械工程學院 江蘇無錫 214122

質(zhì)檢工序在所有制造型企業(yè)中是不可或缺的［1］。產(chǎn)品的質(zhì)量體現(xiàn)在零部件的生產(chǎn)質(zhì)量及產(chǎn)品裝配質(zhì)量上，零部件制造質(zhì)量又是產(chǎn)品質(zhì)量的重要保障［2］。在傳統(tǒng)的制造過程質(zhì)檢方案中，存在體系不健全、質(zhì)量監(jiān)管力度弱及質(zhì)量事故發(fā)生時決策滯后等問題［3］。

當前自動化檢測技術(shù)被廣泛應用，主要由傳感裝置、處理電路及顯示裝置組成，基本原理是：將傳感裝置采集到的質(zhì)檢數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電信號，由連接上位機的處理電路經(jīng)通信串口提供給軟件系統(tǒng)，再由軟件系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行判斷和處理；顯示裝置再將軟件系統(tǒng)的分析結(jié)果以易于理解的方式進行展示［4］。統(tǒng)計過程控制理論應用在自動化質(zhì)檢系統(tǒng)中，將采集到的質(zhì)檢數(shù)據(jù)利用數(shù)理統(tǒng)計方法直觀地展示生產(chǎn)過程的受控狀態(tài)，對質(zhì)檢質(zhì)量問題進行診斷，并對生產(chǎn)質(zhì)量進行動態(tài)監(jiān)控，提供預警分析和保障［5-9］。但是整個系統(tǒng)一般成本較高，在中小型企業(yè)中難以推廣。筆者以檢測管徑類零部件直徑尺寸或折彎角度為目的，基于知識庫與統(tǒng)計過程控制理論設計一套成本低廉的管徑類零件質(zhì)檢系統(tǒng)，同時解決人工質(zhì)檢速度慢、準確性低，以及信息無法追蹤等問題。

1 質(zhì)檢系統(tǒng)總體設計

借鑒目前先進的檢測技術(shù)將傳感器、計算機、自動化檢測及數(shù)據(jù)處理等技術(shù)應用在工業(yè)生產(chǎn)的在線監(jiān)測中［10］，這一系統(tǒng)由檢具設計方案、數(shù)據(jù)采集方案、數(shù)據(jù)分析方案、可視化反饋及預警方案組成。

質(zhì)檢系統(tǒng)通過對檢具加裝電子感應裝置進行標準質(zhì)檢，自動記錄并統(tǒng)計檢驗結(jié)果，代替不規(guī)范的人工測量質(zhì)檢和填表統(tǒng)計，同時以折線圖形式實時動態(tài)反饋當前質(zhì)檢情況，以控制圖形式反饋當日零部件制造質(zhì)量是否處在受控范圍內(nèi)，如果脫離受控狀態(tài)，會自動反饋不合格原因及解決方案。質(zhì)檢系統(tǒng)流程如圖1所示。

2 數(shù)據(jù)采集模塊

2.1 檢具及傳感器

管徑類零部件檢具的設計既要簡單實用，又要通用性好。柔性檢具可以降低檢具制作成本，將傳統(tǒng)一一對應的檢測方式通過合理安排，可實現(xiàn)對其它型號甚至不同種類產(chǎn)品的檢測。檢具剖面圖如圖2所示。

▲圖1 管徑類零件質(zhì)檢系統(tǒng)流程

▲圖2 檢具剖面圖

根據(jù)質(zhì)檢原理，檢具采用通-止-通方式對產(chǎn)品進行質(zhì)檢。根據(jù)受檢產(chǎn)品的特點和需求，以及較為惡劣的車間環(huán)境，選擇檢測穩(wěn)定性較高的對射型激光傳感器，利用激光技術(shù)進行干擾物判定或物體尺寸測量。在對產(chǎn)品檢測時，由投光部發(fā)出的光束會被遮擋或反射，導致受光部接收不到連續(xù)的光信號，激光傳感器將不連續(xù)的光信號以電氣信號的方式輸出，從而進行檢測判定。

2.2 單片機及通信

當前51系列單片機、AVR系列單片機及外圍接口控制器單片機應用最為廣泛。應用最為成熟的是51系列單片機，但其只提供了一個通用同步/異步串行接收/發(fā)送器串口，不利于后期系統(tǒng)新功能的擴展。經(jīng)考量，最終決定選擇AVR系列STM32F103RCT6型單片機作為質(zhì)檢終端的主控制器。

在系統(tǒng)中，STM32F103RCT6型單片機是現(xiàn)場終端的關(guān)鍵，要接收和處理前端激光傳感器采集到的信息，利用輸入和輸出端口實現(xiàn)與激光傳感器連接，讀取前端激光傳感器數(shù)據(jù)進行分析處理，其中一路通用異步收發(fā)傳輸器通過收發(fā)器擴展成計算機通信接口電平信號，連接上位機進行通信。

質(zhì)檢數(shù)據(jù)獲得的是每個激光傳感器的檢測狀態(tài)，而單片機傳送的數(shù)據(jù)一般情況下是數(shù)字與字母結(jié)合的形式，因此需對這些數(shù)據(jù)進行加工分析，從而獲得所需要的檢測信息。質(zhì)檢方案中采用了五臺激光傳感器，定義單片機發(fā)送的數(shù)據(jù)共10 Byte：① 字節(jié)1，數(shù)據(jù)的起始位；② 字節(jié)2，主機型號位；③ 字節(jié)3，標志位；④ 字節(jié)4～8，數(shù)據(jù)存儲位，反映五臺激光傳感器的狀態(tài)；⑤字節(jié)9，校驗位；⑥ 字節(jié)10，終止位。

由上位機連接單片機的通信串口來實現(xiàn)通信。在串口通信中，SPComm控件是一款針對Delphi環(huán)境開發(fā)的串口控件，是一種面向?qū)ο蟮木幊探涌跀?shù)據(jù)處理技術(shù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫與功能模塊的實時關(guān)聯(lián)。由此在Delphi環(huán)境中筆者選用了SPComm控件來實現(xiàn)串口通信。

3 檢測案例

直徑為30 mm的圓鋼零件如圖3所示，零件有A、B、C、D四個關(guān)鍵部位參數(shù)需要檢測。A、D處由于滾花工藝使得管徑有變化，因此需要對這兩處做管徑尺寸檢測。B、C處由于折彎工藝呈現(xiàn)一定角度，因此需要對這兩處做角度檢測。在檢具1、2、3、4、5通孔位置上分別安裝一對激光傳感器進行檢測。

▲圖3 零件示意圖

被檢部位標準參數(shù)為φ（30±0.2）mm。根據(jù)直徑的公差范圍，如果零件尺寸為φ（30±0.2）mm，且折彎角度在誤差范圍內(nèi)，則會卡在檢具1、3、4通孔部位，且激光傳感器會感應到有障礙物，檢具2、5通孔位置處的激光傳感器無障礙遮擋，則視為A、D處尺寸合格且B、C處角度合格，這是被檢零件合格的唯一表示形式。

零件不合格類型判斷細則如下：①只有檢具1、3、5通孔被遮擋，判斷為D處尺寸不合格；② 只有檢具2、3、5通孔被遮擋，判斷為A、D處尺寸不合格；③只有檢具2、3、4通孔被遮擋，判斷為A處尺寸不合格；④ 只有檢具1通孔被遮擋，判斷為B處角度不合格；⑤ 只有檢具4通孔被遮擋，判斷為C處角度不合格；⑥ 只有檢具1、3通孔被遮擋，判斷為C處角度不合格；⑦ 只有檢具3、4通孔被遮擋，判斷為B處角度不合格；⑧ 只有檢具2、3通孔被遮擋，判斷為A處尺寸不合格且C處角度不合格；⑨ 只有檢具3、5通孔被遮擋，判斷為D處尺寸不合格且B處角度不合格；⑩只有檢具2通孔被遮擋，判斷為A處尺寸不合格且B處角度不合格；11○ 只有檢具5通孔被遮擋，判斷為D處尺寸不合格且C處角度不合格。

值得注意的是，由于被檢零件兩端放置順序不同，具有多種不合格屬性的情況無法檢測到，如檢具2通孔被遮擋，可能是A處尺寸不合格、B處角度不合格、C處角度不合格、D處尺寸不合格同時存在。被檢零件只要A、D任意一處判斷為尺寸不合格，就按照尺寸不合格類統(tǒng)計，同理，只要B、C任意一處判斷為角度不合格，就按角度不合格類統(tǒng)計，同時存在的情況亦然。質(zhì)檢判斷流程如圖4所示。

4 標準質(zhì)檢模塊通用性

柔性檢具的設計使本系統(tǒng)可以對更多的類似零件和類似屬性進行檢測，只需合理設置傳感器及檢具，即可實現(xiàn)檢驗不同零件的目的。

如在檢測彎管角度同時又需檢測外徑或長度尺寸的零部件，亦可在此基礎上稍作修改即可，通用零件如圖5所示。

5 數(shù)據(jù)采集的應用

質(zhì)檢數(shù)據(jù)采集是一切后續(xù)分析、跟蹤、反饋的基礎，數(shù)據(jù)采集主要是采集并記錄檢測到的零部件尺寸、檢驗時間、日檢驗總數(shù)、檢驗不合格數(shù)、檢驗不合格率等參數(shù)，如圖6所示。

圖形管理可實時動態(tài)顯示質(zhì)檢尺寸的波動曲線。筆者以某管徑類零件的直徑尺寸檢測數(shù)據(jù)為例，該直徑尺寸規(guī)格為φ （30±0.2）mm，質(zhì)檢數(shù)據(jù)實時走勢如圖7所示。

6 統(tǒng)計過程控制圖理論的應用

統(tǒng)計過程控制圖的用途如下：①分析判斷生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性，以達到將生產(chǎn)過程處于統(tǒng)計控制狀態(tài)的目的；②及時發(fā)現(xiàn)潛在的不正常情況，預防或減少不合格品的生產(chǎn)；③驗證生產(chǎn)實際加工精度及工藝的合理性，為技術(shù)改進提供理論依據(jù)；④為評定產(chǎn)品質(zhì)量提供依據(jù)。

統(tǒng)計過程控制圖分為計數(shù)型控制圖和計量型控制圖，受制于專用檢具及軟件，筆者選用計數(shù)型檢驗方式，確認將不合格率控制圖應用到計數(shù)型質(zhì)檢方案上是合適的。

樣本數(shù)為每天采集的質(zhì)檢數(shù)據(jù)量，盡管每日采集質(zhì)檢數(shù)據(jù)量變化較大，但不合格率控制圖的反饋效果準確度卻不會因質(zhì)檢數(shù)據(jù)量的變化而受影響，不合格率控制圖中的上下限會根據(jù)數(shù)據(jù)量的變化而變動，會自動根據(jù)時間跨度計算對應段時間內(nèi)的控制圖走勢。

▲圖4 質(zhì)檢判斷流程

▲圖5 通用零件

根據(jù)質(zhì)檢數(shù)據(jù)計算得到不合格率控制圖基礎數(shù)據(jù)，見表1，不合格率控制圖界面如圖8所示。

操作者只要在不合格率控制圖界面上選擇時間段、零件名稱，系統(tǒng)即會自動計算并顯示對應時段內(nèi)某個零部件的不合格率控制圖參數(shù)。

由圖8可以看出所選日期范圍內(nèi)的不合格率走勢，通過觀察折線圖是否處于上限和下限控制區(qū)域內(nèi)來判斷生產(chǎn)過程是否正常，一旦有個別點越過控制區(qū)域，就要及時檢查生產(chǎn)設備的運行狀態(tài)，若有異常，就要采取必要措施，使生產(chǎn)狀態(tài)恢復穩(wěn)定。同時根據(jù)反饋信息能及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性因素出現(xiàn)的征兆，并可采取措施消除影響，使過程維持在僅受隨機性因素影響的受控狀態(tài)中，以達到控制質(zhì)量的目的。這樣可以保證當生產(chǎn)設備發(fā)生異常時及時反饋信息并進行處置，將損失降到最低。值得注意的是，上述不合格率控制圖并非絕對的實時監(jiān)控，而是以每天的質(zhì)檢數(shù)據(jù)為樣本來處理的，是每日生產(chǎn)狀況的監(jiān)控。若要進行實時監(jiān)控，需要將樣本一定數(shù)量的質(zhì)檢數(shù)據(jù)或一段時間內(nèi)的質(zhì)檢數(shù)據(jù)作為樣本，這適用于每日質(zhì)檢量較大的情況。

7 知識庫的應用

知識庫分為知識獲取、知識表達和知識推理三部分。

7.1 知識獲取

由于檢驗產(chǎn)品沒有復雜的加工工藝及眾多的檢驗參數(shù)，質(zhì)檢系統(tǒng)中的知識庫知識獲取方式主要是人工獲取，即由技術(shù)、工程人員及工作經(jīng)驗豐富的一線工人對知識進行匯總、分析。知識獲取界面如圖9所示。

7.2 知識表達

采取產(chǎn)生式規(guī)則表示法，即用因果關(guān)系的方式表示知識的一種規(guī)則。表示方法為：如果零件折彎角度不合格，就有86%的概率認為是折彎機加工精度存在偏差所導致，有63%的概率認為是原材料的性能不符合要求，零件折彎后有一定程度的反彈所導致。

7.3 知識推理

將數(shù)據(jù)庫中存儲的初始數(shù)據(jù)、外部數(shù)據(jù)庫輸入的數(shù)據(jù)、中間結(jié)果產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和最后結(jié)果數(shù)據(jù)與規(guī)則庫結(jié)合，組成基于正向、反向及雙向推理方式的推理系統(tǒng)。

▲圖6 數(shù)據(jù)采集界面

▲圖7 質(zhì)檢數(shù)據(jù)實時走勢圖

表1 不合格率控制圖基礎數(shù)據(jù)

8 結(jié)束語

筆者基于知識庫設計了管徑類零件質(zhì)檢系統(tǒng)，為此類零件的質(zhì)檢提供了新思路，并從質(zhì)檢數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、可視化展示、統(tǒng)計過程控制圖理論應用等方面作了介紹。這一質(zhì)檢系統(tǒng)以管控質(zhì)檢工序、自動判異為目標，使檢驗過程規(guī)范化。這一質(zhì)檢系統(tǒng)經(jīng)多方驗證可行有效，為企業(yè)實現(xiàn)質(zhì)量安全動態(tài)監(jiān)管、質(zhì)量風險預警提供了保障。

▲圖8 不合格率控制圖界面

▲圖9 知識獲取界面