弹簧拉压试验机数字化改造尝试

■ 陈海牛 卓伟伟 叶忠阳/国营锦江机器厂

0 引言

在工业数字化的时代背景下，提高工作人员工作效率、提升工作质量的同时兼顾运营成本是现代工业企业关注的核心问题。我国工业化起步较晚但发展迅猛，伴随着科技的进步及企业设备的更新升级，一大批功能正常的老旧设备因无法跟上工业自动化、数字化的步伐面临淘汰。对于企业而言，研究如何利用先进的仪器控制技术赋能老旧设备，使其在工业数字化时代背景下继续发挥作用，具有重要意义。本文以老旧型号的弹簧拉压试验机为例开展数字化改造尝试，实现了弹簧的批量、快速测量及测量结果的数字化共享。

1 设备改造

弹簧是发动机油液控制系统中核心且常见的机械元件，在精密的机械调节系统中，弹簧需要满足自由长度、预压缩长度下弹力、预压力下长度、指定情况下再压缩等多项长度和弹力的性能要求，弹簧性能的好坏直接影响其装配产品性能的稳定性，甚至影响产品功能的实现。在实际的测量操作过程中，使用传统的弹簧拉压试验机测量时，操作者需要按照工艺规定的各项性能测量要求，将弹簧拉压试验机的弹簧检测参数调整至指定的工作状态，读取测量出的数值并手工记录在相应格式的工作卡上。实施过程中试验设备参数的调整、数据的读取及记录均为人工方式，操作烦琐、效率低且存在人为差错质量风险，无法满足多种类、大批量的弹簧检测需求。

本次改造主要通过对传统的弹簧拉压试验机数据采集模块、测试程序模块及测量数据输出模块三个方面进行软硬件的改造，实现弹簧自动测量、过程全程监控、测量结果自动判断、测量数据自动保存，并可根据质量记录的需要输出指定格式的参数记录卡。

在数字化应用方面，改造后的弹簧拉压试验机可通过程序控制实现测量数据的分类存储，其测量的数据可直接提取用于大数据统计、分析。

1.1 硬件系统

改造后的弹簧测量系统主要由弹簧拉压试验机、电脑、打印机组成，如图1 所示。

图1 弹簧测量改造示意图

弹簧拉压试验机作为测量执行机构，实施弹簧的测量及数据的传输；电脑作为弹簧拉压试验机控制软件的载体，存储各型弹簧测试参数要求并根据测量工作的实际需要编制测量方案，同时控制弹簧拉压试验机完成指定的测量操作，最后接收并存储测量数据，生成电子工卡；打印机负责完成电子工卡的打印。

1.2 软件系统

软件应实现如下功能：

1）可与弹簧拉压试验机进行通信传输、数据交换；

2）可对使用人员进行分类管控并保存操作记录；

3）可按工艺要求在软件中预设参考值，采集数据后，分析、对比数据，判定弹簧是否满足工艺要求；

4）可根据不同弹簧的数据记录要求，创建工作卡模板，并将数值自动录入工作卡指定位置；

5）可实现测量数据追溯，即通过弹簧的名称、测量日期、工作号追溯查询出该弹簧的测量数据、测量人员及检验人员等相关信息；

6）可对测量出的数据单独保存，并输出EXCEL 表格；

7）测量软件应包含超量程、产品不合格等异常情况的提醒及后续补充确认操作。

1.3 可行性分析

本次改造的弹簧拉压试验机具备一定的自动控制基础，能够利用自带的单片机实现单一弹簧参数设置及自动测量，且其结构框架、压力传感器、步进电机及其驱动器状态良好，可直接使用。

测控程序基于C 语言编写，通过程序逻辑控制能够实现参数的实时测量、数据的实时显示及处理、结果的存储及输出等各种功能。

测控程序以电脑为载体，通过PCI卡与弹簧拉压试验机联通，在PCI 卡给弹簧拉压试验机供电的同时按照程序要求驱动步进电机转动，依据步进电机转速，实现位移量控制。压力传感器受力可产生电压信号，经过PCI 卡转换为负荷a/d 数，根据软件数模转化实现压力值的传输。

综上所述，该设备数字化改造可行。

1.4 测量流程

开启测量设备，在电脑上选择/录入对应的弹簧件号或批量测量方案进入测量流程。待弹簧测力仪自动校零后，将弹簧放置于弹簧拉压试验机上，在电脑端启动测量操作，弹簧拉压试验机按照指定弹簧的既定程序进行测量，并将测量数据实时输出至电脑进行记录、分析计算、录入工卡模板的指定位置，完成测量。

2 改造效果

通过硬件改造及软件调试，完成了弹簧拉压试验机的改造，经检验、试验验证合格，实现了弹簧的数字化在线测量及数据的存储、输出。改造前后对比如图2 所示。

图2 改造前后对比

3 改造经验

经过本次设备的改造，不断尝试及完善，针对应重点关注之处提出经验总结。

1）设备改造可行性评估。在现有设备的基础上开展数字化改造，势必会根据改造需要增加相应的现代化组件及相关工装夹具等，因此需结合设备自身工作特点，识别出改造工作涉及需更换安装的传感器、驱动器、工作平台等元器件，从功能、功率、空间等方面评估待改造设备主体框架是否满足后续改造要求。

2）软件功能设置。软件是数字化设备的大脑，控制着设备功能的实现以及数据的采集输出，改造后的数字化设备不仅需要自动完成指定的工作，还需要将工作过程中产生的数据存储、输出。在数据存储方面，经过对比验证，推荐以EXCEL 文件作为数据记录载体，便于后续数字化中心的数据调用。在单台数据输出方面，应考虑根据实际应用需求广泛收集应用场景，建立通用输出模板。

3）其他注意事项。对具有较高精度的设备进行改造时应考虑其公差等级控制，避免公差累积，验证时应重点关注改造后的工作精度及重复性。

4 结语

老旧设备是企业的宝贵财富，设备数字化改造对于推进工业企业数字化转型发展及降低运营成本有重要意义。本次弹簧拉压试验机改造是在数字化时代发展的背景下发挥老旧设备作用的一次有益尝试，可为后续同类型设备改造提供参考。