彈簧拉壓試驗(yàn)機(jī)數(shù)字化改造嘗試

■ 陳海牛 卓偉偉 葉忠陽(yáng)/國(guó)營(yíng)錦江機(jī)器廠

0 引言

在工業(yè)數(shù)字化的時(shí)代背景下，提高工作人員工作效率、提升工作質(zhì)量的同時(shí)兼顧運(yùn)營(yíng)成本是現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)關(guān)注的核心問(wèn)題。我國(guó)工業(yè)化起步較晚但發(fā)展迅猛，伴隨著科技的進(jìn)步及企業(yè)設(shè)備的更新升級(jí)，一大批功能正常的老舊設(shè)備因無(wú)法跟上工業(yè)自動(dòng)化、數(shù)字化的步伐面臨淘汰。對(duì)于企業(yè)而言，研究如何利用先進(jìn)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(shí)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(hào)的彈簧拉壓試驗(yàn)機(jī)為例開(kāi)展數(shù)字化改造嘗試，實(shí)現(xiàn)了彈簧的批量、快速測(cè)量及測(cè)量結(jié)果的數(shù)字化共享。

1 設(shè)備改造

彈簧是發(fā)動(dòng)機(jī)油液控制系統(tǒng)中核心且常見(jiàn)的機(jī)械元件，在精密的機(jī)械調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，彈簧需要滿足自由長(zhǎng)度、預(yù)壓縮長(zhǎng)度下彈力、預(yù)壓力下長(zhǎng)度、指定情況下再壓縮等多項(xiàng)長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)。在實(shí)際的測(cè)量操作過(guò)程中，使用傳統(tǒng)的彈簧拉壓試驗(yàn)機(jī)測(cè)量時(shí)，操作者需要按照工藝規(guī)定的各項(xiàng)性能測(cè)量要求，將彈簧拉壓試驗(yàn)機(jī)的彈簧檢測(cè)參數(shù)調(diào)整至指定的工作狀態(tài)，讀取測(cè)量出的數(shù)值并手工記錄在相應(yīng)格式的工作卡上。實(shí)施過(guò)程中試驗(yàn)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(cuò)質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，無(wú)法滿足多種類、大批量的彈簧檢測(cè)需求。

本次改造主要通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的彈簧拉壓試驗(yàn)機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊、測(cè)試程序模塊及測(cè)量數(shù)據(jù)輸出模塊三個(gè)方面進(jìn)行軟硬件的改造，實(shí)現(xiàn)彈簧自動(dòng)測(cè)量、過(guò)程全程監(jiān)控、測(cè)量結(jié)果自動(dòng)判斷、測(cè)量數(shù)據(jù)自動(dòng)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(yàn)機(jī)可通過(guò)程序控制實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的分類存儲(chǔ)，其測(cè)量的數(shù)據(jù)可直接提取用于大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析。

1.1 硬件系統(tǒng)

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

圖1 彈簧測(cè)量改造示意圖

彈簧拉壓試驗(yàn)機(jī)作為測(cè)量執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)施彈簧的測(cè)量及數(shù)據(jù)的傳輸；電腦作為彈簧拉壓試驗(yàn)機(jī)控制軟件的載體，存儲(chǔ)各型彈簧測(cè)試參數(shù)要求并根據(jù)測(cè)量工作的實(shí)際需要編制測(cè)量方案，同時(shí)控制彈簧拉壓試驗(yàn)機(jī)完成指定的測(cè)量操作，最后接收并存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)，生成電子工卡；打印機(jī)負(fù)責(zé)完成電子工卡的打印。

1.2 軟件系統(tǒng)

軟件應(yīng)實(shí)現(xiàn)如下功能：

1）可與彈簧拉壓試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行通信傳輸、數(shù)據(jù)交換；

2）可對(duì)使用人員進(jìn)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(duì)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(dòng)錄入工作卡指定位置；

5）可實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)追溯，即通過(guò)彈簧的名稱、測(cè)量日期、工作號(hào)追溯查詢出該彈簧的測(cè)量數(shù)據(jù)、測(cè)量人員及檢驗(yàn)人員等相關(guān)信息；

6）可對(duì)測(cè)量出的數(shù)據(jù)單獨(dú)保存，并輸出EXCEL 表格；

7）測(cè)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(bǔ)充確認(rèn)操作。

1.3 可行性分析

本次改造的彈簧拉壓試驗(yàn)機(jī)具備一定的自動(dòng)控制基礎(chǔ)，能夠利用自帶的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)單一彈簧參數(shù)設(shè)置及自動(dòng)測(cè)量，且其結(jié)構(gòu)框架、壓力傳感器、步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)良好，可直接使用。

測(cè)控程序基于C 語(yǔ)言編寫(xiě)，通過(guò)程序邏輯控制能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示及處理、結(jié)果的存儲(chǔ)及輸出等各種功能。

測(cè)控程序以電腦為載體，通過(guò)PCI卡與彈簧拉壓試驗(yàn)機(jī)聯(lián)通，在PCI 卡給彈簧拉壓試驗(yàn)機(jī)供電的同時(shí)按照程序要求驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，依據(jù)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)位移量控制。壓力傳感器受力可產(chǎn)生電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)PCI 卡轉(zhuǎn)換為負(fù)荷a/d 數(shù)，根據(jù)軟件數(shù)模轉(zhuǎn)化實(shí)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(cè)量流程

開(kāi)啟測(cè)量設(shè)備，在電腦上選擇/錄入對(duì)應(yīng)的彈簧件號(hào)或批量測(cè)量方案進(jìn)入測(cè)量流程。待彈簧測(cè)力儀自動(dòng)校零后，將彈簧放置于彈簧拉壓試驗(yàn)機(jī)上，在電腦端啟動(dòng)測(cè)量操作，彈簧拉壓試驗(yàn)機(jī)按照指定彈簧的既定程序進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸出至電腦進(jìn)行記錄、分析計(jì)算、錄入工卡模板的指定位置，完成測(cè)量。

2 改造效果

通過(guò)硬件改造及軟件調(diào)試，完成了彈簧拉壓試驗(yàn)機(jī)的改造，經(jīng)檢驗(yàn)、試驗(yàn)驗(yàn)證合格，實(shí)現(xiàn)了彈簧的數(shù)字化在線測(cè)量及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、輸出。改造前后對(duì)比如圖2 所示。

圖2 改造前后對(duì)比

3 改造經(jīng)驗(yàn)

經(jīng)過(guò)本次設(shè)備的改造，不斷嘗試及完善，針對(duì)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注之處提出經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

1）設(shè)備改造可行性評(píng)估。在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上開(kāi)展數(shù)字化改造，勢(shì)必會(huì)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(diǎn)，識(shí)別出改造工作涉及需更換安裝的傳感器、驅(qū)動(dòng)器、工作平臺(tái)等元器件，從功能、功率、空間等方面評(píng)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(shí)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(dòng)完成指定的工作，還需要將工作過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、輸出。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，經(jīng)過(guò)對(duì)比驗(yàn)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(tái)數(shù)據(jù)輸出方面，應(yīng)考慮根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求廣泛收集應(yīng)用場(chǎng)景，建立通用輸出模板。

3）其他注意事項(xiàng)。對(duì)具有較高精度的設(shè)備進(jìn)行改造時(shí)應(yīng)考慮其公差等級(jí)控制，避免公差累積，驗(yàn)證時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注改造后的工作精度及重復(fù)性。

4 結(jié)語(yǔ)

老舊設(shè)備是企業(yè)的寶貴財(cái)富，設(shè)備數(shù)字化改造對(duì)于推進(jìn)工業(yè)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展及降低運(yùn)營(yíng)成本有重要意義。本次彈簧拉壓試驗(yàn)機(jī)改造是在數(shù)字化時(shí)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。