基于数字化制造的在线检测数据采集技术的研究.doc

基于数字化制造的在线检测数据采集技术的研究王世刚,付宜利(哈尔滨工业大学现代生产技术中心,黑龙江哈尔滨150001Research on Online Inspecting Data Collection Technology Based on Digitalization WANG ShigangFU Ytn(Advanced Manufacturing Technology Center.Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China摘要:在研究了数字化制造系统的质量控制和 质量保证技术的基础上,为实现其统计过程控制的 要求,设计了质量数据采集分析系统。系统具有2条数据采集通道,可以实现手动和自动检测。实践 证明,在线检测数据采集技术为集成质量系统中加 工质量自动补偿提供了.必要的技术支持。关键词:数字化制造;在线检测;数据采集;容 栅;光栅中图分类号:TP274.2文献标识码:A文章编号:10012257(200912004203 Abstract:On the basis of quality control and assurance technology of digital manufacturing sys tem,we need to design a online inspecting data col lection and analysis system to meet the need of sta tistical process contr01.The system has tWO data collection channel,can accomplish manual and flU tomatic inspection.Practice showed that the tech nology of online inspecting data collection can pro vide necessary technology support for machining quality automatic compensation in the integrated quality system.Key words:digital manufacturing;online in specting;data collection;capacitive transducer; gratingO 引言市场的全球化、多样化以及高新技术的出现及 快速发展,推动了制造业的新变革,导致制造活动发 生了极大的变化,同时也拓宽了制造领域的广度和收稿日期:20090508基金项目z黑龙江省高校青年学术骨干支持计划项目(1153G053 42 深度1。对市场的响应时间已经成为21世纪企业 赢得竞争优势的最主要因素。因而,网络化和数字 化已逐渐成为产品全生命周期中不可或缺的重要因 素,以制造过程的知识融合为基础,以数字化建模仿 真与优化为特征的“数字化制造”就是基于这样的背 景下产生的r21。数字化制造系统中的主要加工设备 是数控机床和加工中心等。三坐标测量机作为系统 中的主要检测设备可以实现产品的下线终检,尽管 测量机功能强、精度高,但各种测量都在上面进行是 不经济的,它会增加生产的辅助时间,降低生产效 率,特别是产品下线终检不合格会造成产品的报废。 因此,希望每个加工单元(设备都配备相应的检测 装置和系统,并能够实现工序间和循环内在线检 测3。考虑到数字化制造过程的高度自动化,加工 对象多样化,生产节拍高速化,信息传输的网络化, 数据采集处理的实时化,过程控制的计算机化等基 本特性,开发信息转换方便,响应速度快,与计算机 相结合的集检测、处理、反馈控制于一体的在线集成 测控系统是非常必要的。1数据采集系统总体结构在线检测数据采集系统可与目前投放到市场的 国内外最新型量仪配套使用。系统前端的量仪采用 2条通道实现数据采集。a.手工测量数据采集通道。采用一些常规的容 栅数显量仪通过容栅接口电路,连接到便携式数据 采集器,并可与计算机进行通讯。常用的有数显卡 尺,分辨率0.01mm;数显千分尺,分辨率0.001 mm;数显千分表,分辨率0.001mm。这条通道主 要实现工序间循环内检测,可以对在线测头不便测 量而又需要检测的工件特征参数进行采集。如外接 数显卡尺能对各种长度进行绝对测量和相对测量; 外接数显千分表能对零件的形位误差进行测量;外 机械与电子2009(12万方数据接数显千分尺能对轴类零件的直径 参数进行测量;外接数显内径百分表能对零件的孔径进行测量。该通 道仪器具有便携、灵活特点,在机械 加工领域具有广泛的应用范围和较 大的通用性。b.自动测量数据采集通道。该 通道前端传感器由光栅尺和触发测 头组成,通过光栅接口、测头接口和 SCIC卡实现与计算机之间通讯。 在高精度数控机床上,使用光栅作 为位置检测装置,将机械位移或模P0P7 P25 P2.0nP24卿广.瓜F丽 DATAINdMC嘲U器?拟量转变为数字脉冲,反馈给CNC控制器,实现闭 环控制。由于激光技术的发展,光栅制作精度得到 很大提高,现在光栅精度可达到微米级,通过细分电 路分辩率可达到0.1/.tm,甚至更高。数据采集系统硬件以PC机为核心进行数据的 采集与处理,通过数据采集器、SCIC卡以及接口电 路,向下与传感器、数显量仪相连,实现机床状态和 工件尺寸信息的采集。数据采集系统的总体结构如 图1所示。膊 型 等 x,Y光栅传感器F_叫 光栅接目 计 算 机 及 数 据 处 理 软 件图1数据采集系统总体结构2手工测量数据采集通道硬件组成及 工作原理2.1数据采集器结构对硬件电路的设计,考虑到功能实现的可靠性, 功能模块之间的可兼容性,组成的灵活性,以及组成 系统后的可扩充性等,从这些因素出发,数据采集器 的硬件结构选用工业控制标准模块结构“STD BUS”技术引。采集器采用CMOS器件,主要由于它的低功耗 特性和较高的抗干扰能力,适于在电噪声很高的环 境中工作,其电路结构如图2所示。该采集器以 80C31为微处理器,程序存储器为EPROM27C128, 数据存储器为RAM6264,地址锁存器为74HC373, 译码器为74HCl38,键盘显示接口芯片为82C79。 机械与电子2009(12D0D叮RAMA0A764A8一A12圆捍攀图2数据采集器结构通信接口芯片为INTERSIL公司的新型RS232接 口芯片ICL232。设计了具有16个键,6位显示的 键盘和显示控制电路,用于完成键盘输入数据和显 示功能。设计有可靠的掉电保护电路,具有足够的 掉电保护存储空间,能存储批量零件的检测数据。 2.2容栅接口电路原理容栅量具有四线输出口,输出口四线的外侧为 正负电源线。中间两线,其一为时钟信号,另一为二 进制测量值信号。信号分前后二段各23位。自第 三位开始以二进制表示动栅的位置数据。前段表示 的是位置的绝对值,后段是以复零位置为起点且具 有正负符号的相对位移值。由于数显量具的输出信 号电平不超过1.5V,不足以驱动CMOS和TTL 电路,需经过电乎放大电路将其电平提高到标准 CMOS和TTL电平,以输出的一路同步信号作为 串入并出移位寄存器的时钟CLK,另一路数据信号 接到串人并出移位寄存器的串行输入端,输出的并 行数据被CPU取走。其原理如图3所示。新罐鲁呈ATAH电平放数显量具CLKL一吴舌嚣卜-叫”。”DATA移位寄存器CLK STBP080C3l P1.7图3容栅接口电路原理3自动测量数据采集通道硬件组成及 工作原理自动测量数据采集通道传感器为光栅尺。光栅 传感器在几何测量领域中有着广泛的应用,与长度 和角度测量有关的精密仪器都经常使用光栅传感 器,此外,在测量振动、速度、应力和应变等机械量测 量中也有应用5。光栅测量技术是以光栅形成的莫 尔条纹为基础的。由于2块叠放在一起的光栅的相 43嚣一 毽 举一鼢啪岱甜磐差一 万方数据对移动,所以会产生与之同步移动的莫尔条纹信号, 对此信号进行一系列处理,即可获得光栅相对移动 的位移量6。基于CPLD器件,利用硬件描述语言 VHDL和Verilog设计光栅信号处理电路7_8。光 栅信号处理电路结构原理如图4所示。控制信号|锁存信号l、 pl(3:O吲译码器R一清零信号三三三嚣箍笔蠡臣至匿画 图4光栅接口电路结构原理A,B信号是光栅传感器输出的正交方波信号, 经过滤波、细分、辨向、可逆计数、锁存和多路复用处 理后,将对A,B方波进行计数的计数值传给单片 机。P1(3:o为单片机P1脚的低四位,通过译码 器向可逆计数器发送软件清零、上电清零和状态复 位控制;向锁存器发送锁存控制。信号P15是单 片机的Pl一5脚,向零位信号处理电路发送过零清零、过零无关控制,R是光栅传感器输出的零位标志 信号,在过零清零控制方式下,光栅传感器的动尺经 过零位标志时,向单片机发送零位标志信号,同时输 出清零信号给可逆计数器,当P15表示过零无关 时,不输出零位标志信号和清零信号,不影响可逆计 数器的正常工作。光栅数据采集检测系统的包括:接触测头传感 器,当它与工件接触时,发出一开关信号;X/Y方向 直线位移光栅传感器及相关二次仪表,用于记录X/Y方向坐标值;光栅传感器并行接口PCL733,32路 BCD码接口板,用于将光栅的尺寸信息传输给计算 机;专用通讯接口(SCIC,根据控制计算机的指令, 驱动测头运动,完成计算机与加工中心的信号传递。 4结束语基于数字化制造的在线检测数据采集系统可根据质量保证系统确定的检测计划,对零件的制造过 程参数进行在线循环内手动和自动检验,获得正确 的质量数据,利用各种统计图表工具准确地掌握质 量动态,及时发现制造过程的质量变化趋势,并进行 相应的调整,从而预防废品的产生,使制造过程处于 工艺稳定状态。其中,手动测量数据采集通道除具 有与数显量具相接,采集其输出数据的功能外,还具 有键盘输入数据的功能,可作为通用的数据录入终44端,广泛应用于机械制造以及其它行业的质量管理 过程中。自动测量数据采集通道可在CAD/CAM 已实现的前提下,由计算机根据产品的几何特征造 型生成相应的产品加工用NC程序(G代码,并生 成相关的测量驱动程序。当产品的一关键工序加工 完毕后,计算机自动调用测量程序,驱动测头进行测 量。当测头移动过程中遇到工件时,测头就会发出 一个触发信号给测头接口电路,该电路通过RS主 从触发器滤掉机械抖动噪声信号,并将信号传递给 专用通讯接口卡。通过该接口,计算机收到测头触 发信号,并立即从光栅传感器接口读取此刻坐标信 息。因此,通过该系统,可以实现产品的坐标尺寸自 动测量、公差偏离检查和精加工进给量的决定等。实践证明,在线检测数据采集系统对于数字化 制造环境中,促进制造企业把相互分离的单元质量 保证技术通过计算机网络有机的结合起来,及时采 集处理与质量有关的信息,使质量活动协调进行,提 高产品质量,并提高对多变质量的适应能力,从而形 成集成质量系统(IQS,具有重要的现实意义。参考文献:11杨叔子.吴波.先进制造技术及其发展趋势J.机械工程学报。2003.39(10:7478.2马自勤。王秀伦。杨志刚.数字工艺及其关键技术仁j.机床与液压。2005,(1:5-8. 3Cho M W,eta1.Inspection planningstrategyfor the onmachine measurementprocessbasedonCAD/CAM/CAIintegrationJ.International Journalof AdvancedManufacturing Technology.2002.19(8:607617.4徐祥康.单片机基本总线规范及应用J.电子技术.1992.3:17.5强锡富.传感器.3版M.北京:机械工业出版社,2001.6HeXiaoyuan。Zou Daqing.Phaseshifting analysisonmoir6interferometry and its applications in electronicpackagingJ-.OpticalEngineering.1998,37(5:14101419.7范贤光.等.基于PCI总线的光栅传感器数据采集系统 的设计J.测控技术,2005。(3:l一3.8Renishaw Inc.RG2EncoderSystem Installation Guidez.ReaishawIne.1997.作者简介t王世剐 (1970一,男,辽宁建平人,博士研究生,教授,研究方向为先进制造及其质量控制技术.机械与电子2009(12万方数据 基于数字化制造的在线检测数据采集技术的研究作者:王世刚 , 付宜利 , WANG Shi-gang, FU Yi-li作者单位:哈尔滨工业大学现代生产技术中心,黑龙江,哈尔滨,150001刊名:机械与电子英文刊名:MACHINERY & ELECTRONICS年,卷(期:2009,(12引用次数:3次参考文献(8条1. 杨叔子 . 吴波 先进制造技术及其发展趋势 期刊论文-机械工程学报 2003(102. 马自勤 . 王秀伦 . 杨志刚 数字工艺及其关键技术 期刊论文-机床与液压 2005(013. Cho M WInspection planning strategy for the on-machine measurement process based on CAD/CAM/CAI integration 2002(084. 徐祥康 单片机基本总线规范及应用