一种数据可追溯的弹簧快速检测设备

摘 要：基于弹簧实际测量的物理特性与胡克定律的差异性，本文设计了一种弹簧数据采集及处理方案，并依据该方案实现了一套弹簧检测设备。该设备将传统多点测量方式改进为一次数据采集，同时将检测结果同步保存至数据库，并通过条码实现弹簧检测数据的可追溯。通过使用该系统可以提高弹簧的检验效率，确保后序流程的可靠生产及检验数据的跟踪。

关键词：胡克定律；弹簧检测；数据追溯

弹簧是一种利用弹性工作的机械零件，作为工业系统中的重要元件，目前常用的检测方式是随机抽样，并使用弹簧拉压仪人工观测多点行程压力数据判断其合格性，该方式主要存在检测率不高，检测速度慢以及数据无法保存等缺陷。本文阐述的自动采集方案将传统手眼配合的多点检查方式改进为一次多点的数据采集，同时将检测结果同步保存至数据库，并通过条码确保被测弹簧的检测数据能够可追溯。检测设备测量速度约4-5秒/个，行程测量精度为5微米，压力测量精度为0.001N。

1系统设计方案

弹簧只有在自由端匀速运动，或静止时， 则在弹性限度内的作用力才服从胡克定律 ； 或在弹簧质量可以忽略不计 ，胡克定律才近似成立。因此实际的生产过程中，对弹簧的性能检测往往是在胡克定律理论曲线上做一定的偏差以符合实际的应用情况。所以，当前弹簧的检测是通过观测弹簧拉压仪上多个行程点的压力值判断其合格性。

目前的检测流程必须依靠操作员的手眼配合对多个行程点进行压力判断。其缺陷首先是检测时间长，工作效率低；其次是人为判断结果，可靠性无法保证；第三，检测数据无法跟随产品进入销售或生产流程。尽管有些数显拉压仪配备热敏打印机，但其打印小票在跟随弹簧的流转过程中可能遗失，或者因外部温度的变化导致字迹模糊，使之无法具备数据可追溯性。

为了改进上述检测设备的缺陷，本文提出了一种基于高速光栅尺、压力传感器、光电传感器、PLC、网络和数据库结合的弹簧检测方案。

服务器通过工单系统下发检测工单及规格数据至工业现场PC。工业现场PC通过工业交换机接收服务器下发的检测工单指令，将工单内的检测规格通过485转接口下发到PLC；操作员将弹簧放置在弹簧拉压仪上，高速光栅尺实时接收弹簧压迫的形变量，并将形变数据通过AB相高速口传送至PLC，压力传感器的模拟量数据通过模拟量采集模块传送至PLC，PLC根据检测规格判断弹簧是否合格，并将检测数据通过485转接口上传至工业现场PC，工业现场PC将检测结果上传至数据库服务器。检测结果通过指示灯展现给用户。如果弹簧检验合格，则打印唯一性条码。

2弹簧检测设备改造

为了使被测弹簧在检测过程中行程和压力数据可以同步变化，本系统设计的弹簧拉压仪的机械结构中将光栅尺的滑块与齿条的底部圆盘固定在一起。当齿条运动时，光栅尺的滑块也随之同步运动，此时，光栅尺生成弹簧形变的行程数据，测量盘内部的压力传感器获得弹簧的压力数据。

3电气设计

PLC的主要作用是采集行程压力值，并将其上传至工业现场PC。行程压力处理采用的是先采集后上传的方式。本系统采用的压力传感器是悬臂梁式称重传感器，其测量范围为0～2000N，输出信号为电压量，范围为0～200mv。为了保证传输的准确性，采用4～20mA输出变送器作为信号转换输入到PLC。

PLC从上位机获得行程规格数据并设定高速采集的行程范围。在检测过程中，当弹簧的压缩行程到达规定范围，便立刻高速采集多个压力数据，将采集结果保存在指定寄存器中，当全部的数据采集完毕，上位机通过ModbusRTU方式读取PLC的寄存器中的行程和压力数据，通过比较规格数据判定该弹簧是否合格。

4 上位机设计

4.1软件总体设计

工业现场PC构建了实时检测系统，服务器端构建了条码查询系统。二者调用相同的TCProducingLine库的函数，通过数据访问模块（DAC）实现了数据的保存和访问。

TCProducingLine模块主要处理检测数据逻辑的相关功能，将界面层的数据处理后传递给DAC模块，DAC模块将TCProducingLine中的数据与数据库进行互通。该结构采用的多层架构设计可以有效限制上下模块之间的依赖关系，降低软件的耦合度，较好的达到易于维护和扩展的目的。

4.2 现场数据采集功能实现

工业现场PC的主要功能是与PLC之间进行数据处理与交换，由于PC与PLC之间是基于ModbusRTU协议的RS485通讯方式，因此为了保证系统运行的稳定性及便捷性，本功能采用C#语言开发基于微软.Net框架的Windows桌面系统。.Net是微软的一个平台，该平台包含了广泛的产品系列。本系统将.Net框架下的串口类封装成可以实现ModbusRTU通讯的功能集，使之与上位机之间可以进行每隔100ms的实时数据交换，达到与PLC通讯的目的。

为了保证产品的唯一性，本系统采用工业Code128码为产品进行条码定义。CODE128码是广泛应用在企业内部管理、生产流程、物流控制系统方面的条码码制，由于其优良的特性在管理信息系统的设计中被广泛使用。

4.3 检测数据查询功能实现

数据查询功能主要针对的是生产管理人员，因该功能使用人员较少，使用频率较小，所以考虑到开发成本，该功能也采用基于C#开发的Windows的桌面系统。用户只需扫描或者输入条码即可查询测量数据。

5 总结

本文阐述的弹簧检测系统由于检测方式的改进，使原本30-40秒/个的检测速度提高到4-5秒/个，提高了检测的效率，其数据自动保存方式对质量把控起到了一定的作用，迎合了生产数据全程可追溯的趋势，得到了企业的认可。

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