杜啟亮，莫鴻強，盧宏達，譚廣尉

DU Qi-liang1, MO Hong-qiang1, LU Hong-da2, TAN Guang-wei2

（1.華南理工大學 自動化科學與工程學院，廣州 510641；2.佛山市業(yè)精機械制造有限公司，廣州 528137）

0 引言

由于鋁合金型材具有較高的強重比、耐腐蝕性強和易加工等特點，己經在許多行業(yè)得到了廣泛的應用, 尤其是航空航天、交通運輸和船舶等行業(yè)[1]。在常規(guī)的鋁及鋁合金熱擠壓過程中，出?？诟浇臏囟茸兓?，會引起制品頭尾的組織與性能不均勻，制件斷面的組織與性能不均勻，甚至產生扭曲、裂紋等較嚴重的缺陷。而等溫擠壓是解決這一問題最好的方式。等溫擠壓的特點就是要確保在整個擠壓過程中，?？赘浇冃螀^(qū)金屬的溫度始終保持恒定或基本恒定，盡量保持金屬變形抗力和金屬流動的均勻性，使?？椎膲毫Σ蛔兓蚧静蛔?，從而獲得較高的擠壓速度，同時擠壓型材的形狀與尺寸精度、組織與性能沿斷面和長度方向的均勻性也獲得提高。因此，實施等溫擠壓，對提高鋁合金擠壓制品的生產率與質量均具有十分重要的意義[2]。為保證等溫擠壓的生產條件，目前主要有三種方法來實現。一是對鑄錠進行梯度加熱或梯度冷卻，通過鑄錠溫度梯度來補償擠壓的溫升；二是使用溫度-速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過出口溫度的精確測量并實時反饋用于控制主缸的擠壓速度；第三種是通過擠壓參數的熱-力耦合仿真，即對擠壓過程的速度、溫度參數進行熱-力耦合仿真，用所得的溫度-速度曲線，對擠壓速度進行控制[3～5]。

某鋁合金型材生產設備擬采用閉環(huán)控制系統(tǒng)對擠壓過程實施等溫擠壓。和很多控制系統(tǒng)的設計一樣，鋁合金型材擠壓過程的控制需要對被控過程進行建模。由于擠壓過程機理復雜，所以數據建模是一個適合的建模方法。這類方法中，過程數據的獲取是其中首要的一步，而且這一步是在控制器的設計和實現之前完成的，故本文設計了一種簡易的數據采集方案，硬件上采用計算機+USB數據采集卡的架構，軟件上采用VBA作為編程語言[6]，利用配套的SDK，在Excel軟件上進行二次開發(fā)來完成。

1 數據采集系統(tǒng)結構

擠壓機工作時，先由加熱爐將鋁棒坯料加熱到所需的擠壓溫度，然后送到供錠器中，供錠器自動將坯料和擠壓墊送到模筒口，并由工作活塞將它們推入模筒，直到?？?。在快速推料時，供錠器自動復位。與此同時，擠壓筒和模具進行預熱。最后，由工作缸對坯料進行擠壓加工。在加工過程中，棒料由裝在筒內的電熱元件提供熱能，以保持一定的溫度。擠壓結束后，由剪切裝置將制成品送入溜槽，并使擠壓機各部件全部復位，一次擠壓加工結束[7]。

本文設計的鋁合金型材擠壓過程數據采集系統(tǒng)結構示意圖如圖1所示。系統(tǒng)采用西安光圣能源公司的OIT6OAL測溫儀對擠壓出口溫度進行測量。該測溫儀基于光纖傳感原理捕捉鋁材輻射的特征波波長，實現高性能的溫度測量[8]，對外可輸出4mA～20mA的電流信號，表示溫度值，可通過簡單的電壓-電流轉換電路將其轉化為電壓信號。采用電機+液壓泵來驅動主缸，電機驅動器對外輸出0～5V的電壓信號，表示電機轉速值。數據采集卡采用北京阿爾泰公司生產的USB2817數據采集卡，其是一款USB接口的數據采集卡，方便和桌面型和筆記本計算機連接。其具有16路采樣頻率為250kS/s的16位模擬量輸入，可用作單端16路或差分8路， AD存諸器為8k字FIFO存儲器，AD量程有±10V、±5V、±2.5V、0～10V、0～5V供選擇，有多種程控增益可選擇，AD觸發(fā)方式也有多種模擬量、數字量觸發(fā)方式，還帶DA、DIO、計數器等功能[9]。在本系統(tǒng)中，只使用兩個通道，均為單端連接方式，0～5V的輸入量程。

圖1 擠壓過程數據采集系統(tǒng)結構示意圖

2 基于VBA的程序設計與實現

本系統(tǒng)的數據采集程序是在Windows 7操作系統(tǒng)下，以Excel 2007作為開發(fā)平臺開發(fā)的。程序設計前，需為USB2817數據采集卡安裝驅動程序，其SDK開發(fā)包同時。然后將安裝目錄下的Common.bas和USB2817.bas兩個模塊導入到Excel文件的VBA工程目錄中。

2.1 界面設計方法

本系統(tǒng)的程序界面是在Excel的工作表上進行設計的，新建一張工作表，命名為“main”，將該表劃分為參數設置區(qū)、數據顯示區(qū)、功能按鈕區(qū)和曲線顯示區(qū)，調節(jié)各功能區(qū)的大小使得在顯示屏內能顯示全部功能區(qū)。參數設置區(qū)用組合框控件供用戶進行選擇輸入，數據顯示區(qū)用文本框控件作為動態(tài)數據的顯示單元，功能按鈕區(qū)主要包含“開始采集”和“結束采集”按鈕，曲線顯示區(qū)由一張嵌入到工作表中的圖表組成。另建一張工作表，命名為“temp”，用作存儲臨時數據，作為圖表的數據源。

2.2 主程序

主程序流程圖如圖2所示。可見，在通過手動添加、編輯等方式完成界面設計后，功能性的程序包括初始化、數據獲取、數據存儲和實時數據顯示四個部分。

圖2 主程序流程圖

2.2.1 初始化子程序

初始化子程序完成的工作有組合框、文本框、按鈕等控件的初始化設置，清空臨時數據表“temp”等。這些都是在Workbook對象的Open事件中實現的。

2.2.2 數據獲取子程序

數據獲取子程序的程序流程圖如圖3所示。

圖3 數據獲取子程序流程圖

采集卡需要設置的參數如表1所示。這些參數的設置是通過一個名為USB2817_PARA_AD的用戶自定義類型來實現的，其各字段均為Long數據類型。

創(chuàng)建采集設備對象使用函數USB2817_CreateDevice來完成，其函數聲明如下：

Declare Function USB2817_CreateDevice Lib "USB2817" (ByVal DeviceLgcID As Integer) As Long

其中，參數DeviceLgcID為數據采集卡的設備號，本系統(tǒng)中由于計算機只使用了一個數據采集卡，所以設為0即可；返回值代表所創(chuàng)建的設備對象的設備句柄。

初始化A D 轉換設備使用函數U S B 2 8 1 7 _InitDeviceAD 來完成，其函數聲明如下：

Declare Function USB2817_InitDeviceAD Lib "USB2817" (ByVal hDevice As Long, ByRef pADPara As USB2817_PARA_AD) As Boolean

其中，參數hDevice為設備句柄，取函數USB2817_CreateDevice的返回值；參數pADPara為采集卡參數設置的用戶自定義類型變量。

讀取A D 轉換數據使用函數U S B 2 8 1 7 _ReadDeviceAD來完成，其函數聲明如下：

Declare Function USB2817_ReadDeviceAD Lib "USB2817" (ByVal hDevice As Long, ByRef ADBuffer As Integer, ByVal nReadSizeWords As Long, ByRef nRetSizeWords As Long) As Boolean

其中，參數hDevice的取值同上；ADBuffer為接收數據的用戶緩沖區(qū)，可取值為一個Integer型的數組的第一個元素；nReadSizeWords為讀取AD數據的長度，取值為256；nRetSizeWords為實際返回數據的長度，傳入一個Long型的變量即可。

原始數據的轉換是將讀入的源數據轉化為原來的具有物理意義的測量數據。

釋放A D 轉換設備和釋放采集設備對象分別用USB2817_ReleaseDeviceAD和USB2817_ReleaseDevice函數，兩者的傳入函數均為一個hDevice參數，取值同上。

在Excel VBA中沒有Timer控件，要實現周期性的程序運行，可采用Application.OnTime方法。該方法將安排一個過程在將來的特定時間運行（既可以是具體指定的某個時間，也可以是指定的一段時間之后）。本系統(tǒng)中數據采集子程序名為sample_data，則在該子程序的最后，加上如下語句，可實現1秒后重新運行該子程序，總的來看，即可達到每隔1秒該子程序運行一次，即周期性進行數據采集的效果。

Application.OnTime Now _

+ TimeValue("00:00:1"), "sample_data"

2.2.3 數據存儲子程序

本系統(tǒng)的數據存儲利用Excel的表格作為存儲媒介。數據的組織采用連續(xù)的存放方式，即一張表接一張表不間斷地存放，每張表的一行保存一個采樣時刻的數據，字段為“時間，出口溫度，擠壓速度”。每個采樣時刻采集的數據均放到最新的工作表的最后一行。在存儲過程中，若一張表達到可容納的最大行數，則在此表后新建一張表，從新表的第一行開始記錄，以此類推。表的名稱按升序排列命名。

2.2.4 實時曲線顯示子程序

實時曲線的繪制利用了Excel豐富的繪圖功能，將所需繪制的數據放在一個臨時數據表“temp”中，嵌入式圖表的數據源設定為該臨時表的對應區(qū)域，那么數據一有更新，圖表中的曲線馬上有變化，實現動態(tài)曲線的顯示效果?？紤]到繪制曲線的清晰和美觀，本系統(tǒng)取60個采樣時刻的數據點畫曲線，出口溫度和擠壓速度用主要縱坐標和次要縱坐標方式，以兩個系列畫在同一幅散點圖類型的圖表中，橫軸數據源為采樣時刻。每個采樣時刻采集的數據均放到“temp”表的第60行，而原來的數據均向上一行移動，第1行的數據移除，形成一個隊列[10]。這樣，表中的數據必然為最新的數據，可供實時曲線繪制使用。為了避免橫軸單位太密導致顯示不清晰，本系統(tǒng)將X軸的刻度單位固定為0.0002，這樣可以間隔幾點顯示一個采樣時間。

2.3 運行實例

程序運行主界面如圖4所示。圖中兩條曲線中，菱形點折線代表出口溫度，方形點折線代表擠壓速度?！癲ata1”和“data2”兩個工作表，用于存儲采集數據。

表1 采集卡參數設置表

圖4 運行主界面

3 結論

本文為滿足鋁合金型材擠壓過程的數據建模的要求，基于VBA和USB2817數據采集卡設計和實現了一個簡易的數據采集系統(tǒng)，完成了該過程中出口溫度和擠壓速度兩個重要的過程變量的采集。該系統(tǒng)具有開發(fā)難度小、開發(fā)周期短、功能實用的特點，為后續(xù)的數據分析和建模提供了條件。

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[8] 西安光圣能源傳感系統(tǒng)有限公司.鋁材專用紅外測溫儀[EB/OL].http://www.xiangoldsun.cpooo.com/.

[9] 北京阿爾泰科技發(fā)展有限公司產品研發(fā)部.USB2817數據采集卡硬件使用說明書[EB/OL].http://www.art-control.com/.

[10] Sartaj S.著.汪詩林,孫曉東,譯.數據結構、算法與應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2000.