一种便携式机械加工数字化工厂管理二维编码溯源装置的制作方法

本实用新型涉及计算机、数据库、电子信息技术领域，具体地说是一种便携式机械加工数字化工厂管理二维编码溯源装置。

背景技术：

在桥式起重机制造与运维的安全管理问题中，桥式超重机制造过程的数字化工厂管理是解决问题的关键，数字化工厂管理应该贯穿产品全生命周期。起重机产品全生命周期中制造周期从工艺制定开始，工艺制定是制造周期的基础，包括：分析零件图样；确定毛坯类型或型材规格；拟定工艺路线；确定各工序的焊接和工序尺寸及公差；确定各工序的焊接工具；确定焊接过程、顺序；确定工时定额；填写工艺文件并完成审批手续。工艺制定后对加工过程进行物料管理，从理论上说，在本系统中，物料代码是物料的标识，是人和计算机使用所有其他数据元素的基础。它主要用于记录在生产活动中运动的物料。生产控制要求每项生产活动和库存变化都记入计算机，由于处理数量很大，物料代码应尽量简短，各个软件规定的位数也不相同，但一般不超过20位。位数过长会增加录入时间且容易出错。物料号的唯一性是最基本的要素。所谓唯一性，就是说同一种物料，不论出现在什么产品上，只能用同一个代码；而不同的物料，那怕有极微小的区别也不得用同一个代码。确定物料号时要考虑所选软件的其他查询功能，若软件可以通过其他代码（如分类码、分组码）查询，在物料号中不必考虑过多的标识因素，以免增加字段长度。企业在数据准备阶段的一项非常重要的工作就是确定物料代码的编码原则和编码方法。多数软件对设定好的物料号不允许轻易变动，如要修改，必须先把所有该物料的记录（如库存、加工单、会计科目等记录中有该项物料时）统统清除干净，这是一件十分麻烦的工作。因此，确定物料号的编码原则要特别慎重，不但要考虑当前的方便，而且要考虑今后发展扩充的需求。在实施中可以用条形码来配合。起重机产品零部件的加工大多在工厂完成，这是起重机产品制造周期的关键一环。为保证零部件的质量，这一环节的加工信息要做到可追溯。在加工过程中对每一个零部件进行编号和识别，零部件的编号具有唯一性，为方便编号的查询和反溯，可采用激光刻印机打码。对于起重机产品而言，多部零部件为焊接件，零部件检验要通过至少三次焊接确认来保证焊接质量。第一次为焊接前确认，通过拍照或录像形式对焊接前的焊缝状态进行记录，以确保焊缝宽度在标准宽度内，不能太宽也不能太窄，这时要通过第一次拍照或录像来记录；第二次为第一遍焊接后拍照，这次要记录下第一次焊接后有无应力变形发生，如果有则及时改正，如果焊接过程不能保证焊缝标准宽度，有必要设计工装夹具对焊接件进行固定以保证焊接质量；最后一次拍照记录在最终焊接完成后进行，这一次要完整记录焊接件的焊缝质量，确保牢固，记录完成后可通过生产管理数据处理页面向系统提交零部件检验请求，当质检员收到检验申请后到现场对完成件进行质量检验，完成零部件检验周期。

技术实现要素：

本实用新型的目的就是提供一种便携式机械加工数字化工厂管理二维编码溯源装置，以便人们能够方便、快捷、准确地对产品全生命周期的物料信息、加工信息、质检信息等进行追溯。

本实用新型的目的是这样实现的：一种便携式机械加工数字化工厂管理二维编码溯源装置，包括pc104系统，所述pc104系统包括pc104主板以及与所述pc104主板相接的数据库模块、鼠标、键盘和显示器；在所述pc104主板的扩展槽内安装有pci板卡，所述pci板卡分别与手持式二维码激光刻印机、手持式二维码读取机和所述pc104主板相接；

所述数据库模块包括二维码生成模块以及零部件或成品信息可追溯模块；所述手持式二维码激光刻印机用于在所述二维码生成模块的控制下在每一道工序后对零部件或成品进行刻印从而形成二维码，每一个二维码与相应零部件或成品的物料信息、加工信息、质检信息一一对应；所述手持式二维码读取机用于扫描零部件或成品上的二维码，并通过零部件或成品信息可追溯模块读取相应零部件或成品的物料信息、加工信息以及质检信息，从而实现对零部件或成品进行溯源。

所述pci板卡包括控制芯片pci9054、处理模拟数据的单片机stm32f101r6t6、处理数字数据的芯片fpgaxc3s400-4pq208i、提供+24v、+5v、+3.3v、+2.5v、+1.5v电压的电源芯片tps75003以及可实现rs485、gsm、wifi、usb通信的通信模块。

所述控制芯片pci9054提供三种物理总线接口：pci总线接口、local总线接口及串行eprom接口。

所述手持式二维码激光刻印机包括脉冲光纤激光器，在所述脉冲光纤激光器上设有磁吸装置。

所述脉冲光纤激光器可在脉冲宽度小于28ns的情况下，输出高达135kw的峰值功率，具有接近衍射极限的高光束质量m2<1.1。

所述pc104主板的型号是epc97a1。

本实用新型通过在pc104主板上嵌入pci板卡，并使pci板卡连接两个功能模组，两个功能模组分别是手持式二维码激光刻印机和手持式二维码读取机，通过手持式二维码激光刻印机可以在零部件或成品上刻印出二维码，通过手持式二维码读取机扫描二维码可以读取相应零部件或成品的物料信息、加工信息、质检信息等。整个pc104系统小巧、轻便，可实现加工现场便携使用，与pc104主板相接的数据库模块包括二维码生成模块以及零部件或成品信息可追溯模块，可实现产品中每一个零部件以及成品的可追溯性，从而实现产品的数字化加工管理。

本实用新型通过整合计算机、数据库、应用程序、激光刻印、二维码读取、电源模组和通信模块为一体，整个装置体积小、功能强大、方便携带，且成本较低，特别适合工厂内移动工作或远距离现场作业。而且，还可以利用智能手机来代替手持式二维码读取机，实现实时在线查看机械加工数字化工厂二维码，对产品零部件或成品进行溯源。

附图说明

图1是本实用新型中便携式机械加工数字化工厂管理二维编码溯源装置结构图。

图2是本实用新型中便携式机械加工数字化工厂管理二维编码溯源装置模块框图。

图3是本实用新型中便携式机械加工数字化工厂管理二维编码溯源数据流框图。

图4是本实用新型中二维码（rfid）阅读器随工艺流程安装示意图。

图5~图14是本实用新型中pci板卡的主要电路结构及其工作原理示意图。

图中：1、pc104系统，2、手持式二维码激光刻印机，3、手持式二维码读取机，4、pci板卡，5、数据线，6、智能手机。

具体实施方式

结合图1和图2，本实用新型所提供的便携式机械加工数字化工厂管理二维编码溯源装置包括核心部分pc104系统1，该pc104系统1包括一个pc104槽、一个pc104plus槽、一个vga接口、六个usb接口、四个串口、八路gpio接口以及两个网口。pc104系统1对应的硬件包括pc104主板、鼠标、键盘和显示器等。pc104主板嵌接在pc104槽内，pc104主板的型号是epc97a1，尺寸是11.5cm*9.6cm。显示器为7寸显示器，鼠标为嵌入式工控滚球鼠标。pc104系统小巧、轻便，可实现加工现场便携使用。

pc104系统的软件安装win7操作系统，安装sqlserver2008数据库系统。该数据库系统中包括了申请人自主开发的机械加工数字化工厂管理二维编码溯源数据库系统，机械加工数字化工厂管理二维编码溯源数据库系统具体包括二维码生成模块以及零部件或成品信息可追溯模块。零部件或成品信息可追溯模块中，设计有第三方供应商零部件可追溯数据库和零部件及产品可追溯数据库，并设计机械加工数字化工厂管理软件，软件功能有erp（工艺清单库管）管理软件模块、产品加工可溯源管理模块、产品加工质量保障管理模块、加工现场数据化管理模块等。通过机械加工数字化工厂管理二维编码溯源数据库系统，可对机械加工领域数字化工厂管理中各个零部件和成品进行产品溯源，数据库中包括物料清单、加工信息、质检信息等。

在pc104主板的pci扩展槽内安装有申请人自主设计开发的pci板卡4，pci板卡4连接两个可独立使用的设备，两个可独立使用的设备分别是手持式二维码激光刻印机2和手持式二维码读取机3。本实施例中pci板卡4通过数据线5连接手持式二维码激光刻印机2和手持式二维码读取机3，以实现rs485通信；其他实施例中pci板卡4还可以通过gsm、wifi或usb与手持式二维码激光刻印机2和手持式二维码读取机3之间实现通信。

手持式二维码激光刻印机2通过数据线5连接到pci板卡4上，pci板卡4集成激光转换单元，通过光纤连接激光头。手持式二维码激光刻印机2采用脉冲光纤激光器，在脉冲宽度小于28ns的情况下，输出高达135kw的峰值功率，具有接近衍射极限的高光束质量m2<1.1。激光器带有磁吸装置，可以工作于一定冲击、震动、较高温度或有灰尘等恶劣的环境。

脉冲光纤激光器的相关工作参数如下表所示：

手持式二维码激光刻印机2负责为信息可追溯进行打码，手持式二维码激光刻印机2在二维码生成模块的控制下在每一道工序后在零部件或成品上进行刻印从而形成二维码，每一个二维码与相应零部件或成品的物料信息、加工信息、质检信息一一对应。手持式二维码激光刻印机2例如可以在机械加工的金属制品上进行打码，因为是手持式，故可方便在户外使用，比较容易对体积大、重量重的大型零部件进行现场加工打码，满足工业现场24小时工作的要求，所打的二维码可实现长期保存，不易掉。手持式二维码读取机3通过扫码配合零部件或成品信息可追溯模块可实现对物料信息、加工信息、质检信息等的溯源。

智能手机6也可代替手持式二维码读取机3，在智能手机6内安装二维码扫描app，通过gsm、wifi通讯可实现智能手机app对物料信息、加工信息、质检信息等的溯源。

图3是便携式机械加工数字化工厂管理二维编码溯源数据流走向，数据的走向围绕工件进行，目的是保证工件的质量和加工进度，实现产品的可追溯。

基于rfid的机械加工生产车间信息采集具体步骤如下：

（1）在机械加工生产线上需要管理控制的工序位置安装rfid阅读器及天线。

（2）接收客户订单。根据客户订单制定生产计划，根据生产计划确定采购订单。原材料进厂检验没有问题之后，进行入库登记。领料人员根据领料单据从仓库领取需要加工的材料，对于一些大型板材，在开料处理之后可进入车间直接进行加工。

（3）当工件准备进入车间加工时，需要根据生产计划对电子标签进行初始化，系统将自动生成本次生产信息（如名称、编号、批次等）并写入rfid电子标签。处理过的电子标签部署到工件上的最前端和最后端，有许多工件需要进行全身处理时，如车床加工等，可采用将电子标签贴在托盘或者工装板的做法代替贴在工件上。

（4）进入某道工序，阅读器自动读取标签内容进行分析处理，确定零件的加工态。

（5）零件加工过程当中若出现质量问题，阅读器读取相关信息并上传至控制中心，然后通知相关负责人及时做出调整，协调生产计划。

（6）对已完成生产的零件，机械加工生产跟踪系统自动将rfid标签解绑，并生成二维码信息存入数据库。

以起重机中轴工艺流程为例，需在每个设备或每道工序旁安装rfid阅读器，其示意图如图4所示。

当机械加工零件工艺制作完成及检验合格之后，生成加工日志，二维码生成模块将加工日志信息及生产厂家、生产批次、出厂时间等信息转换成二维码，并采用手持式二维码激光刻印机将二维码刻印在机械加工零件的非工作表面对其进行唯一标识，同时建立关重件质量信息追溯平台。当产品运行现场出现关重件损坏情况发生时，客户使用手持式二维码读取机或智能手机app扫一扫功能，就可以查询到该关重件的名称、批次、生产厂家、加工日志、出厂时间等等信息。随后客户就可以第一时间向机械加工生产企业描述出问题零部件的具体信息，而企业内部也可以根据相关的信息，快速定位问题零部件的批次及相关负责人信息，同时及时的做出相应的解决方案。

图5~图14是申请人自主开发的连接pc104主板和手持式二维码激光刻印机以及手持式二维码读取机的核心电路。其中，图5是线束插座，通过线束连接pc机的pci板卡和手持式二维码激光刻印机、手持式二维码读取机。图6是pci板卡的金手指插头，用于安装于pc104主板上。图7是支持pci板卡能正常工作的芯片9054。图8是处理模拟数据的单片机stm32f101r6t6。图9是提供+24v、+5v、+3.3v、+2.5v、+1.5v电压的电源芯片tps75003。图10是50mhz晶振。图11是为e²prom，提供pci9054正常工作的初始化数据。图12是flashrom，提供fpgaxc3s400-4pq208i正常工作的数据。图13是fpgaxc3s400-4pq208i芯片。图14是fpga程序烧写接口jtag。

pci板卡中，与pc104主板的接口采用高速的pci接口，电路中pci板卡的控制芯片为pci9054，pci9054以其强大的功能和简单的用户接口，为pci总线接口的开发提供了一种简洁的方法，设计者只需设计出本地总线接口控制电路，即可实现与pci总线的高速数据传输。pci9054提供了三种物理总线接口：pci总线接口、local总线接口及串行eprom接口。local总线的数据宽度为32位，时钟频率可达到50mhz并且支持数据预取功能。pci9054的总线操作包括pci总线操作和本地总线操作。对于pci总线操作，它完全遵守2.2版本pci规范。pci9054本地总线支持非多路复用32位地址/数据总线，多路复用32位和8位，16位或32位本地总线设备从属访问，运行速率高达50mhz，可以获得200mb/s的本地总线突发传输速率。

pci9054的local总线与pci总线之间数据传输有三种方式：主模式(directmaster)、从模式(directslave)和dma方式。其内部具有两个dma数据通道，双向数据通路上各有六个fifo进行数据缓冲，可同时进行高速的数据接收和发送。pci9054还提供了一个串行eeprom接口，容量2k字节。初始化时，系统自动将串行eeprom中的配置参数装入pci配置寄存器，并根据本地总线对内存、i/o端口和中断的需求统一划分，自动配置。其中本地端寄存器也可以由本地cpu读写，直接进行配置。

图5~图14所示pci板卡的核心电路，可以分为三个功能模块。第一部分是9054和pci插槽间的连接信号线。这些信号包括地址数据复用信号ad[31：0]，总线命令信号c/be[31:0]#，和pci协议控制信号par、frame#、irdy#、trdy#、stop#、ldsel、perr#和serr#。第二部分是9054与eeprom的连线。这里有四根信号线：eesk、eedo、eedi、eecs，串行eeprom的数据通过烧写编程的方式，也可以通过本地cpu直接编程的方式来完成初始化。第三部分就是9054与应用电路的连接。其中la地址总线、ld数据总线、lbe#字节使能信号和fpga相连；lw/r读写信号、blast#、ready#、ads#和stm32f101r6t6单片机相连。

pci9054工作在初始化模式时，要求本地端的总线是32位的。用fpga实现stm32f101r6t6单片机的32位的数据实时发送与接收，使用ram的目的是提高stm32f101r6t6的数据传输速度和处理复杂的tcp/ip协议，eeprom用来保存相关的信息状态等。

软件程序主要分为两大部分，一是对pci9054芯片的pci端配置寄存器和本地端配置寄存器进行正确的编程配置；二是通讯，包括数据采集的初始化、发送控制和接收控制三部分。用pci9054开发各种高速数据采集系统、图像处理系统等pci设备，能够减少许多相应的外围器件，降低开发难度，缩短开发周期，大幅度压缩成本。