基于氣動測量的數據優化及監管系統開發

杜小虎，任志俊*，戚呈輝

（1.江南大學 機械工程學院，無錫 214122；2.江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，無錫 214122)

0 引言

隨著工業4.0的提出以及智能制造的持續推進，制造業與互聯網的產業融合更加緊密，越來越多零部件的加工檢測趨于智能化、數字化；但在傳統生產管理中，在質量監管方面仍存在明顯不足：其一，大部分企業仍采用人工測量且采用抽檢方式，費時費力的同時難以保證測量精度，也就容易引起質量問題；其二，缺乏數據存儲管理的持久性，沒有對質量數據進行分析和監控，難以及時發現生產問題，容易給企業帶來大量財產損失[1]。

針對這些實際問題，提出采用氣動量儀進行質量參數的測量，同時通過Java等網絡技術建立數據優化及監管系統，實現對生產質量的可視化監管，本文針對其測量特性，進行了試驗算法優化，進一步提高了其測量精確性。近年來也有不少專家學者對氣動量儀的測量進行了大量的理論研究和實踐工作，胡小平等對背壓氣路的特性曲線進行了分析，研究了各主要參數對量儀的影響[2]；Cz.J.Jermak等對氣動量儀的校準不確定度和線性度問題進行了研究，用不同的線性函數近似，使非線性度降低[3]；Miroslaw Ruck等對氣動量儀作為尺寸檢查系統的一部分進行了研究，提出使用兩個以上的設置主機可以顯著地改善線性度[4]；許多專家學者都對氣動量儀的測量精確度的提高提出了各自的見解。

1 系統總體架構

本系統以齒輪內徑為研究對象，主要通過氣動量儀的壓差特性獲取齒輪加工后的內徑測量數據，為保證氣動量儀測量的精確性，通過對測頭進行優化設計及測量算法的實驗優化以提高測量值的準確性；數據優化及監管系統使用Java編程，配合使用相關框架軟件，實現通過瀏覽器直接對系統進行訪問，其拓展性強，能夠基于該系統快速轉換為針對其他零件的相關分析系統；數據通信方面采用基于以太網卡的TCP/IP協議，實現自動化數據傳輸。全系統對齒輪的加工制造及質量監管起到了重要的作用。系統的總體架構如圖1所示。

圖1 系統總體架構圖

2 系統相關設計

2.1 系統底層結構設計

系統開發過程中，對于編譯語言及框架的選擇是極為重要的，本系統采用Java語言進行編寫，其具有良好的跨平臺性、可移植性，同時具有簡潔高效、面向對象等優良性能。該系統設計采用B/S架構，與傳統工業C/S架構相比，其主要有以下優點：

1）操作使用簡單，僅需安裝瀏覽器，無需安裝客戶端軟件，做到了客戶端零維護，拓展性強。

2）維護和升級簡單，僅需對服務器進行維護和升級，必要時遠程升級維護即可[5]。

3）降低企業成本，大部分操作由服務器完成，對計算機配置要求不高。

框架能夠提高系統的拓展性和移植性，同時可以加速系統開發進程、減少相關工作量；為此本系統采用SSM框架，即Spring、SpringMvc、Mybatis相互整合，該框架具有良好的性能及較快的開發效率，是一種主流的web應用開發框架；SpringMvc是Spring基于MVC設計模式的一種實現[6]，即model、view、controller的三層架構，整體實現了業務處理與視圖的分離，降低了系統耦合度[7]；Mybatis支持對多種關系型數據庫的訪問，是一個強大的數據訪問工具，主要負責數據持久層，完成與數據庫的相關操作；Spring主要有容器的作用，實現了持久層、表現層、業務層的整合，即完成對SpringMvc和Mybatis的整合工作；SSM整合關系如圖2所示。

圖2 SSM整合關系圖

2.2 系統數據庫設計

在數據庫架構設計上，本系統采用MySQL作為持久化存儲的數據庫，Redis作為緩存數據庫的構建形式；MySQL是關系型數據庫，同時是開源的，兼具性能優異、可移植性強等優點；但其薄弱點在于每次訪問數據庫都會有I/O操作，會造成效率低、負載大等問題，通過使用Redis作為緩存數據庫的方式，使常用的數據存儲在了緩存中，不需要每次都訪問MySQL取值，提升了效率的同時使讀取速度更快。

齒輪內徑數據采集系統數據庫部分，除系統管理中的用戶表、角色表、角色權限表等必備數據庫表之外；主要由內徑測量數據采集優化表及齒輪數據分析表組成；數據采集優化表主要用于記錄齒輪加工后的內徑測量值、壓差值、內徑優化值、測量日期、測量時間、生產批次等字段，實現測量數據的入庫存儲及查詢功能，其數據庫數據表字段信息如表1所示；齒輪數據分析表主要記錄齒輪加工后的生產批次、良品率、生產總量、生產日期、工位號等字段，實現對產品加工質量實時監控，實時顯示，后續還可用于質量分析，其數據庫數據表字段信息如表2所示。

表1 齒輪內徑數據采集優化表字段

表2 齒輪內徑數據分析表字段

3 氣動量儀相關優化設計

3.1 基礎理論

氣動量儀是以空氣為介質，利用空氣流動特性進行幾何量測量的儀器，其根據流量壓力等的變化量表征尺寸等幾何值的變化，同時其兼具性能穩定、工作可靠、操作簡單、環境適應性強等特點[8]。本系統采用差壓式氣動量儀，其測量氣路原理如圖3所示，根據噴嘴與擋板之間的間隙引起的壓力變化ΔP，從而判斷間隙值的大小，如式(1)所示：

圖3 差壓式氣動測量原理圖

式中Pb——定壓氣路的壓力值；

Px——測量氣路的壓力測量值；

在測量過程中，Pb一般是不變的，Px是一個定值；是變化的，根據間隙的變化而變化，是與間隙相關的一個函數值。

3.2 測頭參數設計

測頭是量儀中對測量準確性起到關鍵作用的部件，需要根據測量零件結構及位置不同，選擇合適的測頭形式以及適當的測頭尺寸，使測量時壓差與間隙的變化關系近似成線性，可以使測量結果更加精準，這點在算法優化部分有更準確的闡述。由于本系統主要用于測量齒輪內徑，其內徑尺寸為，因此測頭的形式采用非接觸式內徑測頭，噴嘴孔徑根據被測工件孔徑而定，但需要大于測量間隙的四倍[8]，噴嘴孔徑d及節流孔孔徑d1均取1mm；測頭直徑與工件內孔尺寸之間的間隙為導向間隙，該間隙越大將造成測頭與工件相對位置誤差增大，所以導向間隙較小有利于控制相對位置誤差，故取測頭直徑D比齒輪內徑尺寸小0.02mm，即取測頭直徑D為29.07mm，但由于導向間隙較小易造成測頭外圓部分磨損，為減少噴嘴孔部分的磨損，保證測量的準確性，設置一定的下沉量，噴嘴下沉量a取0.02mm，因存在加工誤差，實際加工尺寸D為29.0706mm，a分別為0.0207mm、0.0203mm，d及d1約為1mm，測頭總體尺寸及結構如圖4所示。

圖4 測頭結構尺寸圖

3.3 測量算法實驗優化

氣動量儀測量氣路簡圖如圖5所示，由流體力學易知，根據及是否大于等于1.894可將流體狀態分為臨界狀態與亞臨界狀態兩種[8]；據此可將測量氣路分為四種工況，如表3所示。

圖5 差壓測量氣路系統圖

表3 工況狀態表

某截面的亞臨界狀態流量公式如式(2)所示，臨界狀態流量公式如式(3)所示[8]：

式中：Q為流過截面重量流量；c為流量系數；F為截面積；k為定熵指數，空氣取1.41；p1截面前壓力；p2為截面后壓力；γ1為氣體重度。

對于量儀工作壓力的選擇需要在兼顧測量準確性的同時考慮氣壓對工件的清潔作用，工作壓力不宜過低，將工作壓力設為0.2Mpa；而標準大氣壓近似為0.1Mpa。根據表1可知，在0.2Mpa的工作壓力下，測量氣路將經歷的工況狀態，由測頭相關參數取值，結合通過節流孔的流量與通過測量噴嘴擋板間隙處的流量相等，可得各工況下的ΔP與間隙x的關系公式：

根據式(4)～式(6)，結合表3，利用MATLAB做出包含全工況的Δp-x理論曲線圖6，在間隙x接近于0時，有一段非線性狀態，在Δp靠近0.1Mpa時，斜率很小，難以反映壓差間隙間的變化關系，而在中間部分存在一段近似線性區，繪制Δp-x工況三理論曲線圖7，由圖7可以更清晰地比較出間隙接近0時存在明顯曲線段且斜率較小，中間部分近似線性區斜率較大，能更好的反映壓差與間隙的關系，從而更準確地通過壓差測量間隙值；在0.05mm～0.09mm區間的Δp-x理論曲線圖8較好的反映了這一近似線性關系；通過對測頭的結構與尺寸設計，使得測量區間線性度好，較好地提升了測量的準確性，計算易得最小測量間隙為0.0604mm，最大測量間隙為0.0804mm，建立在0.0604mm～0.0804mm區間的理論曲線圖9，目前工業測量中，主要通過設計制造尺寸為工件最小極限尺寸與最大極限尺寸的兩個校對規，測定它們各自的壓差值，對兩端點進行直線擬合作為測量標準，由圖9對比可知，其結果仍存在誤差，精確性不足，需要對其進行優化。

圖6 理論曲線圖

圖7 工況三理論曲線圖

圖8 （0.05mm-0.09mm）理論曲線圖

圖9 （0.0604mm～0.0804mm）對比圖

為驗證理論壓差間隙曲線與實際壓差間隙曲線的關系，進行壓差間隙實驗；采用高精度壓差傳感器測量壓差值Δp，因齒輪內孔尺寸為29.10+0.01-0.01，加工內孔設計尺寸為29.09、29.095、29.10、29.105、29.11的五個標準校對規，采用瑞士TRIMOS測長儀（精度0.07μ+L/2000μ）測量相關尺寸，以其測量值作為實際尺寸，通過校對規與測頭尺寸差值表征間隙大小，實驗結果如表4所示。

表4 壓差間隙實驗結果

實驗結果散點分布如圖10所示，由于相關因素影響（如氣流純凈性、工件與測頭間的相對位置誤差等），實驗結果與理論結果存在一定偏差，但其散點位置分布符合理論分布，斜率大致相似，說明理論結果是可行的，通過給予理論公式y軸方向誤差補償b，通過使用MATLAB的函數進行數據擬合，其偽代碼如下：

計算得到誤差補償值b為0.00066，散點擬合曲線如圖10所示，由圖易知，該擬合曲線較好的反映了實驗結果，相比與理論曲線的測量準確性，實驗擬合曲線測量準確性大幅提高；目前工業實際應用中的端點擬合直線如圖10所示，對比可知，工業測量值與實際值之間仍存在誤差，且在測量中值附近誤差較大，下面對曲線擬合值、線性測量值與實際值間的準確性進行對比分析，其結果如表5所示。

表5 結果對比分析表

圖10 組合對比圖

由表5對比分析可得，首先通過測頭相關尺寸設計，使得曲線在0.06mm至0.08mm間線性度較高，使得通過兩端線性擬合，得到的結果準確性也相對較高；但其中值附近誤差相對較大，通過曲線擬合較好地提高了中間區段的測量準確性，線性測量中間三值的平均測量誤差為1.37%，而曲線擬合中間三值平均誤差僅為0.57%，這只是三組的測量誤差，隨著實驗數據量的增加，可以預見線性測量的誤差會更高，通過曲線擬合的方式，中間區段的測量準確性得到有效提升；同時汲取線性擬合兩端值的測量精確性，將兩端點的實驗壓差值作為判斷產品是否合格的標準，使用量儀的線性測量返回值，轉換得到壓差值，代入曲線擬合公式，即式(7)中：

從而得到間隙值，將其轉化為優化測量值，將該優化測量值作為中間值的測量結果；通過這種方式，有效地保證了產品合格判定標準，同時測量值的準確性、特別是區間中值的準確性得到了有效的保障。

4 通信入庫，系統展示

由于量儀使用的PLC型號是SIMATIC S7-1200，故采用基于以太網卡的TCP/IP協議進行數據通訊，將量儀與計算機的IP地址調至同一頻段內，通過使用相關組態軟件進行編程實現數據實時傳輸功能；總體步驟為在數據字典新建相關變量，包括日期、時間、內徑測量值等，將PLC寄存器號與相關變量建立連接，進行通訊測試，當能夠讀取寄存器內數據后，創建表格模板與記錄體，建立表格模板的主要作用是在數據庫與組態軟件之間建立一個橋梁，使數據能夠相互映射，創建記錄體將新建變量與表格模板建立聯系，隨后需要實現組態軟件與MySQL的連接，將接收的測量數據自動寫入MySQL數據庫中，實現自動數據傳輸，其相關偽代碼如下所示：

測量數據被寫入MySQL后，系統將根據線性優化公式反推出壓差值，隨后將壓差值代入式(7)得到間隙值，轉化得到齒輪內徑優化值，隨后將壓差值及優化測量值存入數據庫中，系統會將測量數據、測量時間、優化數據等實時性的界面化展示給用戶，實現數據的持久化存儲的同時支持各類查詢操作，系統登錄界面如圖11所示，系統數據采集及優化界面如圖12所示；系統同時會對生產加工數據進行實時數據監控，自動處理接收的測量數據完成轉化，自動判定產品是否合格，統計產品總量、合格率等關鍵指標，將界面化地實時顯示加工批次、加工日期、加工總量、良品率等關鍵信息，對測量優化值、合格率通過折線圖及餅狀圖的形式實時展示給工作人員，其監控界面如圖13所示，同時支持對良品率的閾值設置，當數據監控過程中良品率低于閾值或連續出現不合格工件時，系統將給出警告，提醒用戶檢查生產環節，避免損失；實現了對生產加工質量數據的全面把控。

圖11 系統登錄頁面

圖12 內徑采集優化界面

圖13 可視化數據監控界面

5 結語

本系統實現了將量儀的測量精確性與軟件數據庫的數據持久性相結合；從測頭設計及測量算法實驗優化兩方面對氣動量儀的測量精確性進行了提高，取得了不錯的效果，另一方面建立數據優化及監管系統，實現了數據持久性管理，實現對數據界面化顯示以及對質量數據的實時監控，本系統的應用提高了零件尺寸測量準確率，提升了相關企業的智能化綜合管理水平，對制造業其他相關零部件的智能化監管有著極強的借鑒意義。