一种锻件生产过程中的物料框跟踪方法与流程

1.本发明属于锻件生产制造领域，具体涉及一种生产过程中的物料框跟踪方法。


背景技术：

2.锻件广泛应用在电力行业、冶金行业、船舶行业、军工领域、重矿机械、航空航天等战略性产业设备中。锻件的生产与制造在一定程度上反映了一个国家的工业水平，对于国家的发展与建设具有重要的意义。但是现在的很多锻件生产线由人工调控，物料框追踪管理采用人工管理和操作，作业员长时间重复繁重的体力劳动容易产生疲劳，往往无法实时获取锻件以及物料框在输送过程时的状态和信息，从而直接影响整个生产过程的精益管控。
3.物料流转过程黑箱而导致的物料框追踪效率低、制造信息不全、无法保存形成批次完整的档案、物料框转移速度过慢导致在制品大量积压等问题使锻件的生产效率和产品质量大大降低。传统的物料框追踪管理方法进行锻件运输时，锻件可能在运输过程中丢失，甚至导致严重的安全事故，可靠性低。
4.因此，如何提供一种在锻件生产过程中的物料框跟踪管理方法将很有必要。


技术实现要素：

5.为了改善锻件的生产效率和产品质量低的问题，本发明提供一种锻件生产过程中的物料框跟踪方法，实现物料框的有效追踪，提升锻件的追踪管理效率，保证了物料框追踪过程的准确性和实时性。
6.本发明的技术方案是：一种锻件生产过程中的物料框跟踪方法，网络服务器接收到接受来自管理人员应用终端下发的含有产品名称、产量、批次号信息的工单，网络服务器也接收节点监控模块传递的数据，在数据库中记录各个车间所提供的锻件信息，并提供给应用终端访问；
7.按照锻件的加工流程布置的每个车间均配有节点监控模块，节点监控模块包括电子秤、两个物料框监控节点的扫码器、联网控制设备；每个车间的两个物料框监控节点为1号物料框监控节点、2号物料框监控节点，每个物料框监控节点的扫码器扫描安装在物料框的金属条形码得到物料框信息，1号物料框监控节点为进入节点，2号物料框监控节点为出去节点，设置于每个车间的出料口处的电子秤得到称量数据；联网控制设备以stm32f103核心板为核心控制模块，能获取电子秤称量的实时数据显示于显示屏上，并通过http协议将其传输到网络服务器，网络服务器再根据锻件的单重以及当前称量数据计算出本出料口锻件的数量，经过测算的数据将与锻件、联网控制设备信息、物料框当前车间信息、调度的时间和单号信息一同存入数据库，以便工厂后期物料管理。
8.联网控制设备的设备联网部分采用esp8266(即wifi芯片)作为无线通信模组，通过串口实现stm32f103核心板与esp8266的数据通信；无线通信模组外接天线棒，采用at指令实现无线通讯功能；初次联网时，进行无线通信模组连接测试和联网模式配置；后续若断
网，无线通信模组会根据上一次配置的路由，自动连接无线网络并获取网络服务器连接。
9.联网控制设备通过无线通信模组外接天线的方式，加强信号识别灵敏度，确保运作过程中的wifi信号强度，外接的天线棒工作频段包含wifi频段，可满足设备wifi通讯要求。
10.当无线通信模组连接电源后，电源指示灯便会点亮，并在无线通信模组工作期间保持点亮状态；当无线通信模组接入网络和服务器成功后，联网指示灯会闪烁两次、蜂鸣器鸣叫，提示无线通信模组联网成功，并且在网络已连接状态下联网指示灯始终保持点亮状态；无线通信模组需要通过按键控制称量数据的上传与否，当按下开始按键表示数据上传开始，按下结束按键则表示终止数据上传；其中无线通信模组的oled显示屏会显示无线通信模组基本信息、当前时间与无线通信模组联网状态，并且每隔0.5s会显示屏会刷新一次电子秤称量重量，确保数据显示的实时性。
11.用于对物料框进行标识的金属条形码安装在物料框的4个侧面上，4个金属条形码均相同大小，编码相同，方面扫描识别。
12.当电子秤上的重力传感器测量的测量数据有变化且电子秤数据输入接口接收的数据波动后能平稳保持一段时间即开始测量物料框总重，将获取的数据打包，通过无线通信模组将数据上传至网络服务器的emqx mqtt消息代理处，并存至数据库，基于tcp的mqtt协议发布数据到该节点监控模块对应的主题，网络服务器订阅该主题便可获取到称量数据实现对出料口出料情况的跟踪，网络服务器根据获得的称量数据计算出料口的锻件数；
13.当电子秤上的重力传感器测量的测量数据不变时，不会继续上传数据。
14.当电子秤数据输入接口连续接受到n帧相同数据时，则断定电子秤输入接口接收的数据波动后能平稳保持，n＝10，上传数据；
15.当电子秤输入接口连续接收到n n帧相同数据时，不上传数据，其中n为任意正整数；所以每次数据上传，都存在于数据变化后连续接受10帧相同数据的情况下；每次上传的数据都为一次称量稳定后的数据，数据持续10帧以上不变说明此时锻件重量保持在当前稳定数值，即锻件框内锻件状态没有变化，没有新加入锻件或减少锻件，所以不用上传数据。10帧是通过市面上部分电子秤的稳定时间确定的，电子秤采集的数据保持1s不变判断此时称量已稳定。电子秤传感器与mcu连接的串口数据传输波特率最低可设置为1200，每秒可以不间断传输120个字节，即10个数据帧，每0.1s会输出一个当下的称量结果，可以说对数据的采集还是较为密集的，并且上传都是能够连续稳定数帧不变的结果而不是一个过程量，偶尔有字节错误舍去一帧数据并不会影响数据采集的最终效果。
16.电子秤数据输入接口的每帧数据由12字节组成，第1个字节为开始位，第2个字节为符号位，第3至8个字节为称量数据位，第9个字节为小数点位数，第10-11个字节为异或校验位，第12个字节为结束位。
17.所述应用终端为手持工业pda，带有摄像头和触摸屏，键盘和wifi模块，其内运行android操作系统，android操作系统内运行物料框跟踪app，物料框跟踪app通过摄像头扫描物料框上的金属条形码得到该条形码编号，并通过网络访问网络服务器查询条形码编号对应的记录并显示物料框在物料框跟踪app内的相关信息，通过该物料框跟踪app的操作界面将物料框在网络服务器内的信息与当前监控节点或生产信息绑定并更新到网络服务器中进行存储，存储信息包括物料框状态改变，内装锻件数量及型号信息；当物料框内装锻件
数量和型号发生变化时，在该物料框跟踪app提供的操作界面中修改信息，并通过wifi模块更新到网络服务器中。
18.网络服务器接收到接受来自管理人员应用终端下发的含有产品名称、产量、批次号信息的工单，网络服务器也接收节点监控模块传递的数据，在数据库中记录各个车间所提供的锻件信息，并提供给应用终端访问；
19.按照锻件的加工流程布置的每个车间均配有节点监控模块，节点监控模块包括电子秤、两个物料框监控节点、联网控制设备；每个车间的两个物料框监控节点为1号物料框监控节点、2号物料框监控节点，每个物料框监控节点的扫码器扫描安装在物料框的金属条形码得到物料框信息，1号物料框监控节点为进入节点，2号物料框监控节点为出去节点，设置于每个车间的出料口处的电子秤得到称量数据；联网控制设备以stm32f103核心板为核心控制模块，能获取电子秤称量的实时数据显示于显示屏上，并通过http协议将其传输到网络服务器，网络服务器再根据锻件的单重以及当前称量数据计算出本出料口锻件的数量，经过测算的数据将与锻件、联网控制设备信息、物料框当前车间信息、调度的时间和单号信息一同存入数据库，以便工厂后期物料管理。
20.联网控制设备的设备联网部分采用esp8266(即wifi芯片)作为无线通信模组，通过串口实现stm32f103核心板与esp8266的数据通信；无线通信模组外接天线棒，采用at指令实现无线通讯功能；初次联网时，进行无线通信模组连接测试和联网模式配置；后续若断网，无线通信模组会根据上一次配置的路由，自动连接无线网络并获取网络服务器连接。
21.联网控制设备通过无线通信模组外接天线的方式，加强信号识别灵敏度，确保运作过程中的wifi信号强度，外接的天线棒工作频段包含wifi频段，可满足设备wifi通讯要求。
22.当无线通信模组连接电源后，电源指示灯便会点亮，并在无线通信模组工作期间保持点亮状态；当无线通信模组接入网络和服务器成功后，联网指示灯会闪烁两次、蜂鸣器鸣叫，提示无线通信模组联网成功，并且在网络已连接状态下联网指示灯始终保持点亮状态；无线通信模组需要通过按键控制称量数据的上传与否，当按下开始按键表示数据上传开始，按下结束按键则表示终止数据上传；其中无线通信模组的oled显示屏会显示无线通信模组基本信息、当前时间与无线通信模组联网状态，并且每隔0.5s会显示屏会刷新一次电子秤称量重量，确保数据显示的实时性。
23.用于对物料框进行标识的金属条形码安装在物料框的4个侧面上，4个金属条形码均相同大小，编码相同，方面扫描识别。
24.当电子秤上的重力传感器测量的测量数据有变化且电子秤数据输入接口接收的数据波动后能平稳保持一段时间即开始测量物料框总重，将获取的数据打包，通过无线通信模组(esp8266 wifi模块)将数据上传至网络服务器的emqx mqtt消息代理处，并存至数据库，基于tcp的mqtt协议发布数据到该节点监控模块对应的主题，网络服务器订阅该主题便可获取到称量数据实现对出料口出料情况的跟踪，网络服务器根据获得的称量数据计算出料口的锻件数；
25.当电子秤上的重力传感器测量的测量数据不变时，不会继续上传数据。
26.当电子秤数据输入接口连续接受到n帧相同数据时，则断定电子秤输入接口接收的数据波动后能平稳保持，n＝10，上传数据；
27.当电子秤输入接口连续接收到n n帧相同数据时，不上传数据，其中n为任意正整数；所以每次数据上传，都存在于数据变化后连续接受10帧相同数据的情况下；
28.每次上传的数据都为一次称量稳定后的数据，数据持续10帧以上不变说明此时锻件重量保持在当前稳定数值，即锻件框内锻件状态没有变化，没有新加入锻件或减少锻件，所以不用上传数据。10帧是通过市面上部分电子秤的稳定时间确定的，电子秤采集的数据保持1s不变判断此时称量已稳定。电子秤传感器与mcu连接的串口数据传输波特率最低可设置为1200，每秒可以不间断传输120个字节，即10个数据帧，每0.1s会输出一个当下的称量结果，可以说对数据的采集还是较为密集的，并且上传都是能够连续稳定数帧不变的结果而不是一个过程量，偶尔有字节错误舍去一帧数据并不会影响数据采集的最终效果。
29.电子秤数据输入接口的每帧数据由12字节组成，第1个字节为开始位，第2个字节为符号位，第3至8个字节为称量数据位，第9个字节为小数点位数，第10-11个字节为异或校验位，第12个字节为结束位。
30.所述应用终端为手持工业pda，带有摄像头和触摸屏，键盘和wifi模块，其内运行android操作系统，android操作系统内运行物料框跟踪app，物料框跟踪app通过摄像头扫描物料框上的金属条形码得到该条形码编号，并通过网络访问服务器查询编号对应的记录并显示物料框在物料框跟踪app内的相关信息，通过该物料框跟踪app的操作界面可以将物料框在网络服务器内的信息与当前监控节点或生产信息绑定并更新到网络服务器中进行存储，包括物料框状态改变，内装锻件数量及型号信息；当物料框内装锻件数量和型号发生变化时，可以在该app提供的界面中修改信息，并通过wifi模块更新到网络服务器中。
31.本方法在现有锻造生产线的基础上，结合现场设备，利用节点监控模块、物料框标记模块、数据存储模块、应用终端，在锻件的生产制造过程中实现物料框追踪管理。在智能物料框追踪管理方法中，与网络服务器建立网络连接，来实现物料框追踪管理，解决传统制造过程采用人工管理和操作、物料流转过程黑箱等问题，本发明提出的方法保证了物料框追踪过程的准确性和实时性，并且具有实现简单、成本较低等优点。
32.节点监控模块包括装于各车间的1号物料框监控节点、2号物料框监控节点的扫码器、电子秤；各个车间的电子秤上设有重力传感器、振动传感器；节点监控模块与联网控制设备相连,联网控制设备将电子秤里的振动传感器和重力传感器所获得的锻件落框次数和物料框总重数据与网络服务器相连,上传落入物料框的锻件数量和总重量。
33.物料框标记模块包括金属条形码。金属条形码用于对物料框进行标识，金属条形码安装在物料框的4个侧面上，4个金属条形码均相同大小，编码相同，方面扫描识别。
34.联网控制设备以stm32f103核心板(也称stm32f103单片机、stm32f103开发板)为核心控制模块，能获取电子秤称量的实时数据显示于显示屏上，并通过http协议将其传输到网络服务器，服务器端再根据锻件的单重以及当前称量数据计算出本出料口锻件的数量。联网控制设备简称设备。经过测算的数据将与时间、设备信息一同存入工厂生产信息库(即数据库)，以便工厂后期物料管理。当设备连接电源后，电源指示灯便会点亮，并在设备工作期间保持点亮状态；当设备接入网络和服务器成功后，联网指示灯会闪烁两次、蜂鸣器鸣叫，提示设备联网成功，并且在网络已连接状态下联网指示灯始终保持点亮状态；设备需要通过按键控制称量数据的上传与否，当按下开始按键表示数据上传开始，按下结束按键则表示终止数据上传。其中设备的oled显示屏会显示设备基本信息、当前时间与设备联网
状态，并且每隔0.5s会显示屏会刷新一次电子秤称量重量，确保数据显示的实时性。
35.联网控制设备的设备联网部分，采用esp8266(即wifi芯片)作为wifi模块(即无线通信模组)，通过串口实现stm32f103开发板与esp8266的数据通信。wifi模块外接天线棒，采用at指令实现无线通讯功能。初次联网时，需进行模块连接测试和联网模式配置；后续若断网，wifi模块会根据上一次配置的路由，自动连接无线网络并获取服务器连接。为确保运作过程中的wifi信号强度，设备通过wifi模块外接天线的方式，加强信号识别灵敏度。外接的天线棒工作频段包含wifi频段，可满足设备wifi通讯要求。
36.每个车间均配有两个物料框监控节点，传输数据至数据存储模块，并提供给应用终端访问。
37.数据存储模块包含一个数据库软件。数据库软件用于创建标识数据库，用以存储锻件生产制造过程中通过物料框、锻件和车间绑定信息。网络服务器可以接收到接受来自管理人员应用终端pda下发的含有产品名称、产量、批次号信息的工单，也可以接收物料框节点监控模块传递的数据，在数据库中记录各个车间所提供的锻件信息，并提供给应用终端访问。
附图说明
38.图1为锻件生产工艺流程简图；
39.图2为本发明的结构说明图；
40.图3为联网控制设备的原理图；
41.图4为联网控制设备示意图；
42.图5是联网控制设备的数据解析流程图。
具体实施方式
43.图1-4中，以stm32f103核心板为核心控制模块，设计了联网控制设备(简称设备)，本设备能获取电子秤称量的实时数据显示于oled显示屏上，并通过wifi将其传输到网络服务器，网络服务器再根据锻件的单重以及当前称量数据计算出出料口锻件的数量。经过测算的历史数据将与时间、设备信息一同存入工厂生产信息库，以便工厂生产管理。当设备连接电源后，电源指示灯便会点亮，并在设备工作期间保持点亮状态；当设备接入网络和网络服务器成功后，联网指示灯会闪烁两次、蜂鸣器发出提示声，提示设备联网成功，并且在网络已连接状态下联网指示灯始终保持点亮状态；设备需要通过按键控制称量数据的上传与否，当按下开始按键表示开始准备上传，按下结束按键则表示终止数据上传。
44.联网控制设备采用低压供电，供电电压范围：2v～3.6v，最高工作电压3.6v。采用micro usb电源接口，当连接220v交流电连时，需经过转换器进行电压调制。
45.电子秤数据采集部分，采用的是串口通讯，stm32f103核心板通过串口连接电子秤的rs232接口，接收到来自电子秤不间断的数据帧，并随即对其进行解析，根据数据帧的结构提取出电子秤当前称量的锻件重量数据。经过数据波动后，若开发板获取到10次相同数据帧，且当前设备处于数据上传状态，便会将该称量数据及时间、设备信息，通过wifi模块上传至网络服务器。
46.设备联网部分，采用esp8266作为wifi模块，同样通过串口实现stm32f103开发板
与esp8266的数据通信。esp8266 wifi模块外接天线棒，采用at指令实现无线通讯功能。初次联网时，需进行模块连接测试和联网模式配置；后续若断网，wifi模块会根据上一次配置的路由，自动连接无线网络并获取网络服务器连接。
47.状态指示部分，电源指示灯在设备通电后持续点亮；联网指示灯在设备网络状态变化时闪烁、联网状态下持续点亮；蜂鸣器在网络连接状态变化时会提示，同时蜂鸣声也作为按键状态变化的提示音。
48.联网控制设备外观图如图4，设备封装盒内为以stm32f103为核心，控制外设功能的pcb电路板，并在其上接出micro usb电源接口、电子秤rs232接口，同时引出数据上传、上传结束按键和电源、网络状态指示灯。当数据上传按键按下，设备开始将从当前采集开始的数据传至云服务器；当上传结束按键按下时，数据上传立即结束。电源指示灯在设备通电时保持点亮状态；网络状态指示灯在设备网络状态变化时闪烁片刻，正常联网时持续点亮状态，无网络连接时保持熄灭状态。连接的oled显示屏会显示设备基本信息、当前时间与设备联网状态，并且每隔0.5s会显示屏会刷新一次电子秤称量重量，确保数据显示的实时性。stm32f103核心开发板包含usart1、usart2、usart3三个通信串口，usart1作为调试信息输出接口、usart2作为wifi模块通信接口、usart3作为电子秤数据输入接口。
49.为确保运作过程中的wifi信号强度，设备通过esp8266 wifi模块外接天线的方式，加强信号识别灵敏度。外接的天线棒工作频段包含wifi频段，可满足设备wifi通讯要求。
50.无线通信模组的usart3接口波特率配合电子秤传感器输出波特率设置为2400、8位数据位、1位停止位。电子秤串口通讯使用连续方式4，该通讯方式每帧包含12个字节，具体规则如下：
51.所传送的数据为仪表显示的当前重量(毛重)数据(超载时重量值为999999)。每帧数据由12组数据组成。格式如下表所示：(异或＝2
⊕3⊕……8⊕
9)
[0052][0053]
持续检测usart3的数据接收情况，一帧数据若有任意字节不符合要求将从后面接收的第一个字节开始重新检测，直接丢弃有误的字节数据。
[0054]
当串口接收的数据波动后能平稳保持(连续接受到10帧相同数据)时，会将此数据上传到网络服务器，即发布数据到该电子秤对应的主题，若后续仍保持该数据不变，不会继
续上传数据，所以每次数据上传，都存在于数据变化后连续接受10帧相同数据的情况下。
[0055]
图5是串口的数据解析流程图，每帧数据包含12个字节，通过switch-case语句接受数据和更新串口状态。当串口状态置0时，接受到的字节为0x02时开始进行解析，否则继续等待开始字节。若接受到开始字节为0x02将串口状态置1，接受符号位的数据，符号位的接受数据字节为0x2b时符号为正，符号位的接受数据字节为0x2d时符号为负。当符号位的数据既不为0x2b，也不为0x2d，则判断数据不符合要求，将串口状态置0，重新开始检测开始字节。若符号位数据无误，将串口状态置2，接受称重数据，称重数据由6个字节组成。只有称重数据在0x30～0x39内并且为6个字节组成才是有限数据，当称重数据不符合要求时，将串口状态置0，重新开始检测开始字节。若称重数据无误，将串口状态置3，接受小数点位数据。只有小数点位数据在0x30～0x34内才是有限数据，当小数点位数据不符合要求时，将串口状态置0，重新开始检测开始字节。若称重数据无误，将串口状态置4，接受高4位校验数据。当高4位校验数据不正确时，将串口状态置0，重新开始检测开始字节。若高4位校验数据无误，将串口状态置5，接受低4位校验数据。当低4位校验数据不正确时，将串口状态置0，重新开始检测开始字节。若低4位校验数据无误，将串口状态置6，接受结束数据。当结束数据字节不是0x03时，将串口状态置0，重新开始检测开始字节。若接受到的字节为0x03时，提取该帧的有效数据并解析。提取一帧有效数据后，将串口状态置0接受下一帧的数据，形成一套完整串口数据解析流程。
[0056]
以锻件加工流程布置的锻造车间为例，对本发明的一种锻件生产过程中的物料框跟踪方法进行说明：
[0057]
原材料首先送往锻造车间加工，锻造完成后生成这批锻件转移运输到热处理车间任务和生成锻件与锻造车间的绑定信息，记录调度的时间和单号信息。转移运输任务包括单批锻件的总数量和重量、锻件的批次号、单个锻件是否为大件、运输起点和运输终点，网络服务器在接收到锻造车间转移运输任务时，网络服务器针对转移运输任务生成搬运指令，并赋予搬运指令优先级，根据搬运指令本车间获取处于闲置状态的金属条形码，比对运输任务与本车间闲置状态的物料框的载重量限额。
[0058]
锻造车间单个批次锻件的总重量大于本车间处于闲置状态的物料框的载重量限额时，会导致该批锻件的运输效率降低，此时网络服务器会将搬运指令发送至其他车间，从其他车间的闲置状态的物料框中选取。网络服务器会根据搬运指令优先级就近选取其他车间的闲置状态物料框转移至锻造车间，尽量选择离锻造车间路径最短的热处理车间转移。
[0059]
由于不同批次的锻件的总重量和数量不一致以及锻件的种类不同，不同型号的物料框的载重量限额也不一致。当单个批次锻件为大件锻件时，网络服务器针对大件锻件转移运输任务生成搬运指令，并赋予搬运指令优先级，根据搬运指令获取处于闲置状态的大件金属条形码，比对本车间闲置状态的大件物料框载重量限额。单个批次大件锻件的重量大于本车间处于闲置状态的大件物料框的载重量限额时，此时网络服务器会将搬运指令发送至其他车间，从其他车间的闲置状态的大件物料框中选取。网络服务器会根据不同优先级的搬运指令进行合理分配物料框，并优先选择附近车间的大件物料框转移。
[0060]
其他车间的闲置状态物料框转移至锻造车间时，本批锻件的总重量等于或小于当前车间处于闲置状态的物料框的载重量限额，物料框在锻造车间的1号物料框监控节点进行扫描上传网络服务器，网络服务器上传数据库新建标识条目，写入物料框绑定锻造车间
信息，记录调度的时间和单号信息。
[0061]
物料框通过传送带到达流水线接收锻件，流水线上不间断的时间掉入锻件，电子称的振动传感器通过每次掉入锻件掉落产生的新增重量，并判断改重量是否在为单个锻件合理重量范围内，是则计一个新增锻件数量，电子称上的重力传感器通过不断增加的重量来判断物料框是否装入一个新增锻件，联网控制设备将电子秤里的振动传感器和重力传感器所获得的锻件落框次数和物料框总重数据与网络服务器相连,上传落入物料框的锻件数量和总重量，网络服务器再根据锻件的单重以及当前称量数据计算出出料口锻件的数量，经过测算的历史数据、节点监控模块信息将绑定锻件、物料框和锻造车间信息，记录调度的时间和单号信息。
[0062]
锻造车间一批锻件装框完成后，通过传送带到达2号物料框监控节点，通过2号物料框监控节点扫码器转出锻造车间，送往下一车间进行下一轮加工处理。同时网络服务器上传数据库修改标识条目，擦除物料框绑定锻造车间信息，保留这批锻件和锻造车间的绑定记录，等待网络服务器下达这批锻件转入下一车间的加工任务指令。