CN102059734B - 面向功能陶瓷等静压成型加工车间的多级质量监控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向功能陶瓷等静压成型加工车间的多级质量监控系统。包括工件级检测装置、压机级压力监测装置和车间级集成监控系统；工件级检测装置包括光源、摄像机、采集卡、称重传感器、称重显示控制器和计算机；压机级压力监测装置包括压力传感器、放大器、单片机、液晶模块、地址锁存器、地址译码器、时钟模块和报警灯；车间级集成监控系统包括工件级检测装置和压机级压力监测装置通讯模块、车间级集成分析模块；工件级检测装置用于获得工件的形状和重量参数；压机级压力监测装置用于监测压机的压力和保压时间；车间级集成监控系统用于对工件级和压机级的信息集成分析。本发明能实现加工车间的多层次、多指标、多对象的多级质量监控。
Description
技术领域
本发明涉及一种加工过程中的质量监控系统，尤其是涉及一种面向功能陶瓷等静压成型加工车间的多级质量监控系统。
背景技术
功能陶瓷材料逐渐成为一种重要的新型功能材料，在电子工业、仪表工业、军事等领域均有广泛应用，但现有陶瓷的制备工艺存在稳定性不好、抗干扰能力差等问题。如何改进与优化生产工艺、提高与控制产品质量是其面临的首要任务。
等静压成型加工工艺是功能陶瓷加工的关键工艺之一，其成型质量的好坏将直接影响到陶瓷工件的最终质量。然而，由于影响其成型质量的因素多、不确定性大，目前尚缺乏定量化的管理方法，经验是其工艺质量保证的主要手段。事实上，近年来人们在努力探索制造过程的自动化监控方法，取得了一些进展。例如利用统计过程控制技术对产品质量进行监控，借助于计算机网络技术监管产品加工过程的各工况及其波动状态等，并且在一些行业中得到了较好的应用。但这些技术在功能陶瓷成型加工中并未得到有效的应用。并且由于功能陶瓷成型加工质量控制的复杂性，采用单一层次、单一指标、单一对象的监控方法是很难保证其成型质量，迫切需要从系统工程的角度全方位地进行监控，才能取得实效，确保其产品质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种面向功能陶瓷等静压成型加工车间的多级质量监控系统，实现工件级、压机级和车间级的集成监控。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明包括工件级检测装置、压机级压力监测装置和车间级集成监控系统；其中：
1)工件级检测装置：包括称照明光源、CCD摄像机、图像采集卡、称重传感器、称重显示控制器和计算机；照明光源照射到第一工位的工件反射光通过成像到CCD摄像机上，经图像采集卡接入计算机，到第二工位的工件经称重传感器、称重显示控制器接入计算机；
2)压机级压力监测装置：包括压力传感器、高精度仪器放大器、单片机、液晶显示模块、报警灯、地址译码器、地址锁存器和时钟模块；压力传感器与压机连接，单片机经高精度仪器放大器与压力传感器连接；液晶显示模块、报警灯和时钟模块与单片机相连；液晶显示模块经地址译码器连接到地址锁存器，地址锁存器与单片机、液晶显示模块相连；
3)车间级集成监控系统：包括工件级检测装置通讯模块、压机级压力监测装置通讯模块和车间级集成分析模块；车间级集成分析模块分别与工件级检测装置通讯模块和压机级压力监测装置通讯模块连接；
工件级检测装置、压机级压力监测装置与车间级集成监控系统连接；
所述压机级压力监测装置中的压力传感器经电第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C13、第二电容C14、第三电容C48、第四电容C49、第一电感MB1、第二电感MB2构成调零电路接入高精度仪器放大器的IN+端和IN-端；由第五电容C16、第六电容C29构成的电源滤波电路和由第七电容C15、第八电容C28构成的电源滤波电路分别接在高精度仪器放大器的正负端；由第三电阻R5构成的放大倍数电路接在高精度仪器放大器的1脚Rg端和8脚Rg端；高精度仪器放大器的参考电压端接地；由第九电容C17、第十电容C50、第四电阻R7、第三电感MB3构成的滤波电路接高精度仪器放大器的OUTPUT端；OUTPUT端与单片机的ANIO端相连接，液晶显示模块的数据输入/输出端与单片机地址/数据信号端连接，报警灯和时钟模块与单片机相连，液晶显示模块的地址输入端通过地址锁存器、地址译码器和单片机的信号端连接；
所述工件级检测装置通讯模块利用TCP/IP协议与车间级集成分析模块相连；
所述压机级压力监测装置通讯模块包括：SC 16SI752扩展UART 口芯片，MAX3485芯片，单片机；使用SC16SI752扩展2路RS485接口总线，单片机与SC16SI752芯片使用SPI接口连接，单片机的P1.4、P1.3、P1.2连接SC16SI752的SCLK、SO、SI；单片机的P1.1连接SC16SI752的片选信号/CS；SC16SI752的复位脚RST接单片机的TDI脚，SC16SI752的TXA，RXA、TXB、RXB分别接2路MAX3485的RO、DI脚，SC16SI752的URAT的请求发送端通过74HC04反相器连接到MAX3485的驱动使能端和接收使能端。SC16SI752的中断输入端通过第四电阻R8接高电平；SC16SI752的URAT的请求发送端通过74HC04反相器连接到MAX3485的驱动使能端和接收使能端；单片机复位端连接电源监控芯片CAT810的复位端。
与背景技术相比，本发明具有的有益效果：
1)本发明的工件级尺寸和密度检测装置通过TCP/IP协议传输到车间级，让工程技术人员能够随时了解生产线的实时加工情况，减少了工作的复杂度；
2)本发明的压机级压力监测装置可以不受加工压机的类型或生产厂家定制程序的限制，方便地安装在压机上，用以监测和优化等静压成型加工的工艺参数；
3)本发明的车间级集成监控系统，可以实时地显示和监控工件的质量信息和压机的状态，实现全自动的告警和控制，并建立工件质量和压机参数之间的耦合关系，实现功能陶瓷成型加工车间的多层次、多指标、多对象的多级质量监控。
本发明主要用于工业领域中的质量监控。
附图说明
图1是本发明的总体结构原理框图。
图2是压力监测接口模块图。
图3是压机级压力监测装置原理图。
图4是压机级压力监测装置通讯模块图。
图5是SPI写时序图。
图6是SPI读时序图。
图7是电压转换模块24V转5V图。
图8是电压转化模块5V转3.3V图。
图9是电压转化模块5V转+5V和-5V图。
图10是时钟模块图。
图11是电压检测和复位模块图。
图12是单片机模块图。
图13是电压滤波模块图。
图14是报警灯模块图。
图中：1、工件级检测装置，2、压机级压力监测装置，3、车间级集成监控系统，11、照明光源，12、工件，13、CCD摄像机，14、图像采集卡，15、称重传感器，16称重显示控制器，17、计算机，21、压机，22、压力传感器，23、高精度仪器放大器，24、单片机，25、报警灯，26、液晶显示模块，27、地址译码器，28、地址锁存器，29、时钟模块，31、工件级检测装置通讯模块，32、压机级压力监测装置通讯模块，33、车间级集成分析模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明包括工件级检测装置1、压机级压力监测装置2和车间级集成监控系统3；
工件级检测装置，用于获得工件的形状参数和重量参数，进而获得工件的密度参数，实时显示工件级的质量状况；
压机级压力监测装置，用于监测压机的最大压力和保压时间，并通过液晶显示模块、报警灯等显示压机的工作状态；
车间级集成监控系统，用于接收工件级检测装置和压机级压力监测装置所获得的信息，并对工件级和压机级的信息进行集成分析，建立工件质量和压机参数之间的耦合关系，实现功能陶瓷成型加工车间的多层次、多指标、多对象的多级质量监控。其中：
1)工件级检测装置1：如图1所示，首先照明光源11照射到第一工位的工件12上，考虑到工件12的形状，本装置采用小角度轴向LED照明光源，然后工件的反射光通过镜头成像到CCD摄像机13上，可以采用可调焦的CBC公司型号为TEC-MS 5镜头，其接口类型为C型，焦距为55-146mm，大景深，50mm焦阑，镜头最大孔径比为1∶2.8。接着图像采集卡14把CCD摄像机上的光信号转换成电信号，也就是把原始图像转化为数字图像，可以采用使用NI公司的IMAQ-PCI-1409图像采集卡。此采集卡支持多种视频制式：PAL，NTSC等。IMAQ-PCI-1409图像采集卡输入的视频信号经数字解码器，模数转换器，比例缩放，裁减，色空变换等处理，通过PCI总线传到计算机内存实时存储。计算机用开发的软件系统对数字图像进行处理，进而获得工件的高度和厚度信息并计算出工件的体积；然后称重传感器15测量出到第二工位的工件12的重量，接入称重显示控制器16，称重显示控制器接入计算机17。可以采用鸿瑞传感仪器有限公司生产的称重传感器N420，该称重传感器的量程为：0.3～7kg，综合误差为0.2％F.S，重复性、线性为0.2％F.S，经称重显示控制器接入计算机。称重显示控制器可以采用鸿瑞传感仪器有限公司生产的YH805型称重显示控制器，YH805是一款面向工业控制领域(或其他需要模拟量输出的应用场所)的称重显示控制器。它集重量显示与模拟信号输出于一体，重量变送器前端信号处理采用高精度的24位专用A/D转换器，模拟信号输出采用16位的D/A转换器。最大A/D脉冲数：1,000,00，可选择RS232与RS485两种数字通讯接口方式。其满量程温度系数：5PPM/℃，零点温度漂移：0.06uV/℃，最高灵敏度：0.6uV/d，非线性：优于0.01％FS，模拟输出偏移漂移(0mA或4mA)：50PPM/℃，最后计算机软件利用体积参数和重量参数计算出工件12的密度；
2)压机级压力监测装置2：如图2所示，压力监测接口模块。采用+5V的电压。如图3所示，压力传感器22经第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C13、第二电容C14、第三电容C48、第四电容C49、第一电感MB1、第二电感MB2构成调零电路接入高精度仪器放大器23的IN+端和IN-端；压力传感器可以采用北京必创科技有限公司生产的规格为10mm的途箔金属应变片，工作温度范围：-196-+120℃，常温下自带温度补偿：±1.0×10-6应变/℃，变形极限5％。高精度仪器放大器23可以采用AD620。AD620是一款低成本，高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至10000。AD620具有高精度(最大非线性度40ppm)、低失调电压(最大50uV)和低失调漂移(最大0.6uV/c)特性。由第五电容C16、第六电容C29构成的电源滤波电路和由第八电容C15、第九电容C28构成的电源滤波电路分别接在高精度仪器放大器23的的正负端；由第三电阻R5构成的放大倍数电路接在高精度仪器放大器23的的1脚Rg端和8脚Rg端；高精度仪器放大器23的参考电压端接地；由第十电容C17、第十一电容C50、第四电阻R7、第三电感MB3构成的滤波电路接高精度仪器放大器23的的OUTPUT端；OUTPUT端与单片机24的ANIO端相连接，单片机可以采用C8051F064。液晶显示模块26、报警灯25和时钟模块29与单片机24相连；液晶显示模块26经地址译码器27连接到地址锁存器28，地址锁存器28与单片机24、液晶显示模块26相连，液晶显示模块的型号为TRULY M240128-1A1型。单片机接口如图12所示。
3)车间级集成监控系统包括工件级检测装置通讯模块、压机级压力监测装置通讯模块，车间集成监控分析模块。
工件级检测装置通讯模块采用scock套接字实现。工件级检测装置中的PC机向车间级集成监控系统发起连接请求，车间级集成监控系统监听到连接请求后，就建立了两者之间的连接。
压机级压力监测装置通讯模块：如图4所示，包括：SC16SI752扩展UART口芯片，2片MAX3485芯片。使用SC16SI752扩展2路RS485接口总线，SC16SI752是NXP公司推出的带I2C/SPI总线接口转双通道URAT的转换芯片，可提供高达5Mbit/s的速率。单片机与SC16SI752芯片使用SPI接口连接，单片机的型号可以采用C8051F064。单片机的P1.4、P1.3、P1.2连接SC16SI752的SCLK、SO、SI；单片机的P1.1连接SC16SI752的片选信号/CS；单片机用IO口模拟SPI总线协议，实现与SC16SI752的通讯。SC16SI752采用11.0592M的晶振，振荡电路由第十一电容C11、第十二电容C10组成，连接到SC16SI752的晶振的输入输出脚。SC16SI752的复位脚RST接单片机的TDI脚，通过单片机进行复位。SC16SI752的TXA，RXA、TXB、RXB分别接2路MAX3485的RO、DI脚，SC16SI752的URAT的请求发送端通过74HC04反相器连接到MAX3485的驱动使能端和接收使能端。
单片机的IO脚根据上面的时序进行模拟，SC16SI752的中断输入端通过电阻R8接高电平，SC16SI752采用的是查询工作模式。SC16SI752的收发寄存器RHR、THR的地址为0x00。
如图5所示，当单片机发送数据时，单片机的IO口模拟SPI写时序：设置R/W位为0，A[3:0]位为0000。如果是通道A，则CH[1:0]位为00；如果是通道B，则CH[1:0]位为01，D[7:0]位为待发送的数据；
如图6所示，当单片机接收数据时，单片机的IO口模拟SPI读时序：设置R/W位为1，A[3:0]位为0000。如果是通道A，则CH[1:0]位为00；如果是通道B，CH[1:0]位为01，D[7:0]位为待接收的数据。
车间集成监控分析模块完成对工件级和压机级的信息进行集成分析，这部分工作主要利用软件实现。实现工件级工件尺寸和工件密度的统计过程控制，利用控制图实时显示工件的质量状况；实时显示压机工作的最大压力和保压时间，并与以往样本数据进行比对，进而判断压机的工作状态；利用人工神经网络建立工件质量的尺寸信息和密度信息和压机压力参数之间的耦合关系。
4)电压转换模块：如图7所示，开关电源输出的+24V电压经过由第一二极管、第十三电容C40构成的掉电保护电路后与LM2575的VIN、ON/OF端相连，LM2575的OUTPUT端经第十四电容C43、第十五电容C31、第十六电容出C33、第四电感L6，第一磁珠输出5V电压；
如图8所示，+5V电压输出端经过第十七电容C41接第一G1117的Vin端，第一G1117的Vout端接第十八电容C42、第十九电容C30、第二十电容C32、第五电感H1输出一路+3.3V电压；+5V电压输出端经过第二十一电容C44接第二G1117的Vin端，第二G1117的Vout端接第二十二电容C37、第二十三电容C45、第二十四电容C36、第六电感H3输出另一路+3.3V电压，一路供给单片机C8051F064，另一路供给通讯芯片SC16SI752。
如图9所示，+5V电压接正负双输出的电源模块A0509的VIN端，A0509VOUT+和VOUT-经第二十五电容C46，第二十六电容C47分别接两片MC78L05CP芯片的Vin端，第一片MC78L05CP芯片的+5V输出端经第二十七电容C35、第二十八电容C39和第三磁珠C5输出+5V稳定电压；第二片MC78L05CP芯片的-5V输出端经第三十电容C34、第三十一电容C38和第四磁珠C4输出-5V稳定电压；这个2路正负5V电压为仪器放大器AD620提供电压。
为了更好地检测电压和对电压进行复位，采用如图11所示的电压检测和复位模块。采用如图13所示的电路对电压进行滤波。
5)时钟模块：如图10所示，当主板在向上位机传输数据时，需要附加数据的采集时间，此处采用DS1302时钟芯片来获取系统时间，作为数据的附加信息，一同传输到计算机。
6)报警灯模块，采用LED灯实时显示压机的工作状态，LED报警灯模块如图14所示。
Claims (4)
1.一种面向功能陶瓷等静压成型加工车间的多级质量监控系统，其特征在于包括工件级检测装置(1)、压机级压力监测装置(2)和车间级集成监控系统(3)；其中：
1)工件级检测装置(1)：包括照明光源(11)、CCD摄像机(13)、图像采集卡(14)、称重传感器(15)、称重显示控制器(16)和计算机(17)；照明光源(11)照射到第一工位的工件(12)反射光通过成像到CCD摄像机(13)上，经图像采集卡(14)接入计算机(17)，到第二工位的工件(12)经称重传感器(15)、称重显示控制器(16)接入计算机(17)；
2)压机级压力监测装置(2)：包括压力传感器(22)、AD620高精度仪器放大器(23)、C8051F064单片机(24)、液晶显示模块(26)、报警灯(25)、地址译码器(27)、地址锁存器(28)和时钟模块(29)；压力传感器(22)与压机(21)连接，C8051F064单片机(24)经所述高精度仪器放大器(23)与压力传感器(22)连接；液晶显示模块(26)、报警灯(25)和时钟模块(29)与所述单片机(24)相连；液晶显示模块(26)经地址译码器(27)连接到地址锁存器(28)，地址锁存器(28)与所述单片机(24)、液晶显示模块(26)相连；
3)车间级集成监控系统(3)：包括工件级检测装置通讯模块(31)、压机级压力监测装置通讯模块(32)和车间级集成分析模块(33)；车间级集成分析模块(33)分别与工件级检测装置通讯模块(31)和压机级压力监测装置通讯模块(32)连接；
工件级检测装置(1)、压机级压力监测装置(2)与车间级集成监控系统(3)连接。
2.根据权利要求1所述的一种面向功能陶瓷等静压成型加工车间的多级质量监控系统，其特征在于：所述压机级压力监测装置(2)中的压力传感器(22)经第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第一电容(C13)、第二电容(C14)、第三电容(C48)、第四电容(C49)、第一电感(MB1)、第二电感(MB2)构成调零电路接入所述高精度仪器放大器(23)的+IN端和-IN端；由第五电容(C16)、第六电容(C29)构成的电源滤波电路和由第七电容(C15)、第八电容(C28)构成的电源滤波电路分别接在所述高精度仪器放大器(23)的正负端；由第三电阻(R5)构成的放大倍数电路接在所述高精度仪器放大器(23)的1脚Rg端和8脚Rg端；所述高精度仪器放大器(23)的参考电压端接地；由第九电容(C17)、第十电容(C50)、第四电阻(R7)、第三电感(MB3)构成的滤波电路接所述高精度仪器放大器(23)的OUTPUT端；OUTPUT端与所述单片机(24)的AINO端相连接，液晶显示模块(26)的数据输入/输出端与所述单片机(24)地址/数据信号端连接，报警灯(25)和时钟模块(29)与所述单片机(24)相连，液晶显示模块(26)的地址输入端通过地址锁存器(28)、地址译码器(27)和所述单片机(24)的信号端连接。
3.根据权利要求1所述的一种面向功能陶瓷等静压成型加工车间的多级质量监控系统，其特征在于：所述工件级检测装置通讯模块(31)利用TCP/IP协议与车间级集成分析模块(33)相连。
4.根据权利要求1所述的一种面向功能陶瓷等静压成型加工车间的多级质量监控系统，其特征在于：所述压机级压力监测装置通讯模块(32)包括：SC16IS752扩展UART口芯片，MAX3485芯片；使用SC16IS752扩展2路RS485接口总线，压机级压力监测装置(2)中的所述单片机(24)与SC16IS752芯片使用SPI接口连接，压机级压力监测装置(2)中的所述单片机(24)的P1.4、P1.3、P1.2连接SC16IS752的SCLK、SO、SI；压机级压力监测装置中(2)的所述单片机(24)的P1.1连接SC16IS752的片选信号SC16IS752的复位脚
接所述单片机(24)的TDI脚，SC16IS752的TXA，RXA、TXB、RXB分别接2路MAX3485的RO、DI脚，SC16IS752的URAT的请求发送端通过74HC04反相器连接到MAX3485的驱动使能端和接收使能端，SC16IS752的中断输入端通过第四电阻R8接高电平；所述单片机(24)复位端连接电源监控芯片CAT810的复位端。
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