基于嵌入式SPC的氣動(dòng)量?jī)x系統(tǒng)

陳曉雷，王 旭，王星星，申浩陽(yáng)

(鄭州輕工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，鄭州 450000)

精密零件對(duì)諸如平整度、圓度、同軸度等零件精度方面要求很高，但是在生產(chǎn)過(guò)程中存在的系統(tǒng)誤差和非系統(tǒng)誤差，總是使零件的表面平整度等相關(guān)參數(shù)與理想值存在一定的誤差.由于現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對(duì)在線測(cè)量的需求越來(lái)越多，要求越來(lái)越高[1].因此，適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，保證精密零件的相關(guān)參數(shù)在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，對(duì)產(chǎn)品整體的穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要，尤其是在減小摩擦系數(shù)、降低動(dòng)能消耗等方面.總的來(lái)說(shuō)，產(chǎn)品質(zhì)量是現(xiàn)代企業(yè)立足市場(chǎng)、提高競(jìng)爭(zhēng)力的重要保障[2].單個(gè)零件的相關(guān)參數(shù)直接影響產(chǎn)品的使用性能和壽命.因此，控制精密零件的生產(chǎn)過(guò)程，提高產(chǎn)品生產(chǎn)的合格率，是優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量、提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵因素[3].

傳統(tǒng)的氣動(dòng)量?jī)x采用氣動(dòng)測(cè)量方法，具有非接觸、分辨率高、測(cè)量力小、測(cè)量精度高以及測(cè)量操作簡(jiǎn)單等突出優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)批量生產(chǎn)的精密零件進(jìn)行質(zhì)量判斷[4].針對(duì)一些需要非接觸式測(cè)量，測(cè)量誤差要求達(dá)到微米級(jí)的精密零件，這種測(cè)量方式有幾乎不可替代的優(yōu)勢(shì)[5-6].但是傳統(tǒng)的氣動(dòng)量?jī)x對(duì)使用環(huán)境要求很高，功能單一，僅能對(duì)單個(gè)零件在特殊環(huán)境中判斷其參數(shù)是否合格，并且測(cè)量得到數(shù)據(jù)無(wú)法進(jìn)行分析利用，不能提高精密零件的生產(chǎn)合格率.由于傳統(tǒng)氣動(dòng)量?jī)x的缺陷，在現(xiàn)代工廠對(duì)精密零件大批量大規(guī)模生產(chǎn)的情況下，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某個(gè)產(chǎn)品不合格時(shí)，可能已經(jīng)在生產(chǎn)線上產(chǎn)出大量不合格的產(chǎn)品，造成很大的損失.傳統(tǒng)的氣動(dòng)量?jī)x已經(jīng)越來(lái)越不能適應(yīng)現(xiàn)代化智慧工廠的要求[7].因此，開(kāi)發(fā)一款特殊的氣動(dòng)量?jī)x，使其能夠直接在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)就能對(duì)零件相關(guān)參數(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)，并且能夠利用檢測(cè)的數(shù)據(jù)結(jié)合SPC的方法及時(shí)給出分析意見(jiàn)，以供在出現(xiàn)特殊情況時(shí)，及時(shí)采取相應(yīng)措施.

統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制(SPC)方法經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已經(jīng)得到國(guó)內(nèi)外各大公司的廣泛應(yīng)用，并將其作為評(píng)估供應(yīng)商的一個(gè)重要尺度[8].但是目前SPC方法的應(yīng)用更多的是在現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)后以PC軟件的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)過(guò)程的評(píng)估和指導(dǎo).這種方法同樣不具有工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)性效果.所以利用SPC針對(duì)特定對(duì)象的相關(guān)技術(shù)，結(jié)合嵌入式方法，開(kāi)發(fā)出基于嵌入式SPC型氣動(dòng)量?jī)x，使其能在整個(gè)生產(chǎn)線全員參與的情況下，全面提升零件的生產(chǎn)合格率.同時(shí)提升對(duì)各種生產(chǎn)環(huán)境的適應(yīng)能力，以及人機(jī)交流更加方便的效果.

圖1 系統(tǒng)運(yùn)作流程圖Fig.1 System operation flow chart

圖2 硬件系統(tǒng)框架圖Fig.2 Hardware system framework diagram

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

針對(duì)上述提出的問(wèn)題以及解決思路，本文把特定的SPC方法整合到嵌入式氣動(dòng)測(cè)量產(chǎn)品中，使其能夠?qū)崟r(shí)的檢測(cè)生產(chǎn)線上的產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)采集到的質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行保存并對(duì)其進(jìn)行SPC分析，把分析結(jié)果實(shí)時(shí)的顯示出來(lái).其次，根據(jù)質(zhì)量分析結(jié)果，制定符合生產(chǎn)線的產(chǎn)品質(zhì)量趨勢(shì)控制限，進(jìn)而能夠起到超限報(bào)警的作用.依據(jù)分析結(jié)果和制定的趨勢(shì)控制限，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控，在達(dá)到預(yù)警條件時(shí)，工作人員能及時(shí)接收到報(bào)警信號(hào)，進(jìn)而對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，提高產(chǎn)品生產(chǎn)合格率.本系統(tǒng)運(yùn)作流程圖如圖1所示.

整個(gè)嵌入式SPC氣動(dòng)量?jī)x系統(tǒng)由硬件、軟件兩部分組成.其中硬件部分主要包含信號(hào)接收與處理模塊、系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等.軟件部分主要分為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)、人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)、嵌入式SPC算法設(shè)計(jì)等.

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)硬件系統(tǒng)以ST公司生產(chǎn)的STM32F429為核心.該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)氣動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化與分析，并依據(jù)分析結(jié)果能夠完成相應(yīng)的顯示、存儲(chǔ)、報(bào)警等功能.硬件系統(tǒng)框架如圖2所示.

2.1 信號(hào)接收與處理模塊

信號(hào)接收與處理模塊主要功能是對(duì)模擬信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換以及傳輸.主要由氣動(dòng)測(cè)量傳感器、I2C等組成.氣動(dòng)傳感器在測(cè)量到壓力信號(hào)時(shí)，將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大器、濾波器以及ADC處理后，由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由I2C總線傳輸?shù)絻?nèi)存當(dāng)中，以供其他模塊調(diào)用.

設(shè)計(jì)選用Honeywell公司生產(chǎn)的ASDX030D44R-DO傳感器，其已經(jīng)內(nèi)置了信號(hào)處理集成電路.此集成電路具有放大濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換的功能，兼容I2C通信協(xié)議，與STM32F429通信時(shí)無(wú)需其他電路轉(zhuǎn)化，可以直接對(duì)其輸出數(shù)字信號(hào).而且，與一般的傳感器相比，ASDX030D44R-DO傳感器使用了標(biāo)準(zhǔn)的DIP封裝，同時(shí)可以對(duì)傳感器偏置、靈敏度、溫度系數(shù)和非線性度進(jìn)行數(shù)字校正[9].

2.2 系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理模塊

嵌入式SPC氣動(dòng)量?jī)x的硬件核心是數(shù)據(jù)處理與控制模塊.由于系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)作，同時(shí)集成了數(shù)據(jù)采集、SPC分析以及顯示報(bào)警等功能，所以本系統(tǒng)采用較高工作頻率的CPU為核心.同時(shí)，系統(tǒng)需要處理的數(shù)據(jù)非常龐大，故最終采用ARM體系結(jié)構(gòu)的中的STM32F429.它是一款基于ARM內(nèi)核的32位CPU，帶有FPU和DSP指令集，有更低的ADC工作電壓，高達(dá)180 Mhz的運(yùn)行頻率，且功耗很低，非常適合本系統(tǒng)的相關(guān)功能以及使用環(huán)境.

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

存儲(chǔ)器是整個(gè)系統(tǒng)不可缺少的部分.因系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器容量太小，因此本系統(tǒng)采用外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器.為了方便與微機(jī)接口，最終選用FLASH芯片AT25SF321-SHD-T，并同時(shí)采用DMA通信方法，使CPU與內(nèi)存之間通信更加高效.同時(shí)歷史數(shù)據(jù)可以保存在常規(guī)SD卡中，以便提取調(diào)用.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括多任務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、圖形界面設(shè)計(jì)、SPC算法設(shè)計(jì)等.其主要完成兩項(xiàng)內(nèi)容：第一是對(duì)數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)，并能實(shí)時(shí)在屏幕上顯示；第二就是實(shí)現(xiàn)SPC功能，能夠允許隨時(shí)查看SPC分析結(jié)果，依據(jù)分析結(jié)果控制相關(guān)報(bào)警信息，并對(duì)整個(gè)工作流程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，協(xié)助現(xiàn)場(chǎng)管理人員對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線的改進(jìn).

圖3 系統(tǒng)設(shè)置界面Fig.3 System settings interface

3.1 多任務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

若整個(gè)系統(tǒng)為單一任務(wù)，子系統(tǒng)之間可以實(shí)現(xiàn)很高的實(shí)時(shí)性.但是對(duì)于多任務(wù)系統(tǒng)，想要實(shí)現(xiàn)很高的實(shí)時(shí)性，就需要采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng).FreeRTOS是一種可裁剪且開(kāi)源免費(fèi)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核.其支持搶占式、合作式及時(shí)間片調(diào)度.高移植性，源碼公開(kāi)，已經(jīng)在超過(guò)30種架構(gòu)芯片上進(jìn)行了移植，代碼主要用C語(yǔ)言編寫(xiě)[10].提供單獨(dú)的Tickless低功耗模式.支持實(shí)時(shí)任務(wù)和協(xié)程(協(xié)同程序)，任務(wù)與任務(wù)、任務(wù)與中斷之間可以使用任務(wù)通知、消息隊(duì)列、二值信號(hào)量、數(shù)值型信號(hào)量、遞歸互斥信號(hào)量和互斥信號(hào)量等進(jìn)行通信和同步.高效的軟件定時(shí)器、強(qiáng)大的跟蹤執(zhí)行功能、堆棧溢出檢測(cè)功能、任務(wù)數(shù)量不限以及任務(wù)優(yōu)先級(jí)不限等特點(diǎn)非常適合本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)使用.

部分程序如下：

int main(void)

{

HAL_Init();//初始化HAL庫(kù)

Stm32_Clock_Init(360,25,2,8);//設(shè)置時(shí)鐘為180Mhz

EM_Init();//初始化各個(gè)模塊

//創(chuàng)建任務(wù)

xTaskCreate((TaskFunction_t)SPC_task,

(const char* )”SPC_task”,

(uint16_t )START_STK_SIZE,

(viod* )NULL,

(UBaseType_t )START_TASK_PRIO,

(TaskHandle_t*)&StartTask_Handler);

vTaskStartScheduler();//開(kāi)啟任務(wù)調(diào)度

}

3.2 圖形界面設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)需要完成對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控以及分析，并且能及時(shí)的把數(shù)據(jù)及基于數(shù)據(jù)的分析結(jié)果實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，且在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)需要不同層次的相關(guān)操作，故需要非常強(qiáng)大的人機(jī)交互界面.

emwin主要作用是為任何使用圖形顯示器操作的應(yīng)用程序提供一個(gè)高效、獨(dú)立于處理器和顯示控制器的圖形用戶界面，可用于任何使用圖形顯示進(jìn)行操作的應(yīng)用.它幾乎與任何RTOS多任務(wù)環(huán)境兼容，適合任何尺寸、具有任何顯示的控制器[11].而且，在圖形庫(kù)、字體、值輸出函數(shù)、窗口管理器、界面外觀可選控件、對(duì)觸摸屏和鼠標(biāo)的支持等方面功能完備且強(qiáng)大，非常滿足本系統(tǒng)對(duì)人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)的要求.系統(tǒng)設(shè)置界面如圖3所示.

3.3 SPC算法設(shè)計(jì)

SPC作為一種面向過(guò)程的質(zhì)量控制方法，傳統(tǒng)上是以PC軟件的形式出現(xiàn)的.而嵌入式SPC是SPC面向特定對(duì)象的一個(gè)分支，它可以有效的在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制和提高產(chǎn)品質(zhì)量[12].SPC算法實(shí)施流程圖如圖4所示.

圖4 SPC實(shí)施流程圖Fig.4 SPC implementation flow chart

圖5 嵌入式氣動(dòng)量?jī)x控制圖界面Fig.5 Embedded pneumatic gauge control chart interface

在對(duì)過(guò)程能力進(jìn)行分析時(shí)，最常用的方法是控制圖，其中控制圖選用均值-極差控制圖.在均值-極差控制圖中，需計(jì)算均值和極差.在均值和極差的基礎(chǔ)上，式(1)～(6)是對(duì)數(shù)據(jù)控制限進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)式(1)～(6)的計(jì)算結(jié)果，最終形成均值-極差控制圖.根據(jù)SPC理論，使用3σ控制限管理過(guò)程即可達(dá)到99.73%的正確率.式(7)是對(duì)控制過(guò)程的能力進(jìn)行計(jì)算.

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

其中：根據(jù)樣本容量，A2、D3、D4查表可得.上式中UCL表示控制上線；CL表示控制中心線；LCL表示控制下線；σ表示標(biāo)準(zhǔn)差；CP表示過(guò)程能力指數(shù)，其大于等于1表示滿足過(guò)程能力.

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

某汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸生產(chǎn)廠家關(guān)于氣缸平整度的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示.

表1 某氣缸生產(chǎn)廠氣缸平整度數(shù)據(jù)表Tab.1 Cylinder flatness data sheet of a cylinder production plant

啟動(dòng)SPC氣動(dòng)量?jī)x系統(tǒng)，根據(jù)樣本容量，輸入相關(guān)初始數(shù)值，把表中數(shù)據(jù)模擬輸入嵌入式SPC氣動(dòng)量?jī)x系統(tǒng)，得到數(shù)據(jù)的R型控制圖如圖5所示.由圖5以及分析可知，相關(guān)數(shù)據(jù)運(yùn)行在控制限之內(nèi)，處于受控狀態(tài)，說(shuō)明本系統(tǒng)對(duì)SPC方法設(shè)計(jì)準(zhǔn)確穩(wěn)定.經(jīng)過(guò)大量數(shù)據(jù)的綜合分析與訓(xùn)練糾正，對(duì)相關(guān)過(guò)程能力的判定達(dá)到要求后，即可轉(zhuǎn)入對(duì)整個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)線的監(jiān)控及預(yù)測(cè).最終極大的提高產(chǎn)品生產(chǎn)合格率.

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)將氣動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)與SPC技術(shù)方法緊密的結(jié)合在一起，豐富了SPC相關(guān)理論的實(shí)踐意義，同時(shí)極大的提高了以氣動(dòng)測(cè)量為基礎(chǔ)的工業(yè)生產(chǎn)精密器件的合格率.本系統(tǒng)將氣動(dòng)測(cè)量檢驗(yàn)功能從單一的產(chǎn)品檢驗(yàn)擴(kuò)展到對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線的質(zhì)量監(jiān)控，使生產(chǎn)質(zhì)量全員參與.通過(guò)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量趨勢(shì)的監(jiān)控，大大提高了產(chǎn)品生產(chǎn)合格率和生產(chǎn)水平.同時(shí)，本系統(tǒng)所具有的低成本、低功耗、高適應(yīng)等特點(diǎn)，更加適合現(xiàn)代智慧工廠的建設(shè)需求.