王力，文姍姍，喬鳳斌，王永強(qiáng)

(上海航天設(shè)備制造總廠研發(fā)部，上海200245)

在航天、航空、軌道車輛等工業(yè)領(lǐng)域，輕量化設(shè)計(jì)和綠色環(huán)保制造技術(shù)成為重要的發(fā)展方向。高比強(qiáng)度材料如鋁合金、鎂合金等金屬的應(yīng)用越來越廣泛［1］。特別是鋁合金，除了在傳統(tǒng)的航空航天領(lǐng)域，目前在汽車制造、軌道車輛、船舶制造等領(lǐng)域，已逐漸取代傳統(tǒng)的黑色金屬，成為主要結(jié)構(gòu)材料。

摩擦點(diǎn)焊(Friction Spot Welding)技術(shù)作為一種新興的固相焊接技術(shù)，已逐漸在輕金屬合金制造業(yè)中應(yīng)用，并逐步取代電阻點(diǎn)焊、鉚接等傳統(tǒng)點(diǎn)連接方式。攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù)不僅在航天航空等領(lǐng)域中得到了初步應(yīng)用和發(fā)展，而且在汽車制造領(lǐng)域也已有所應(yīng)用，采用摩擦點(diǎn)焊技術(shù)進(jìn)行車身點(diǎn)焊接，如圖1 所示為奧迪A8 的后車門焊接，如圖2 所示為寶馬BMW5的門窗直立柱焊接。

圖1 奧迪A8 的后車門焊接

圖2 寶馬BMW5 的門窗直立柱焊接

目前，攪拌摩擦點(diǎn)焊設(shè)備的開發(fā)已趨于成熟并開始成品化生產(chǎn)，圖3 為企業(yè)自主研發(fā)的系列化攪拌摩擦點(diǎn)焊設(shè)備。在生產(chǎn)應(yīng)用中，由于控制系統(tǒng)隨著設(shè)備的系列化而產(chǎn)生了多樣化，并且為了進(jìn)一步適應(yīng)客戶的應(yīng)用需求，文中將在原有攪拌摩擦點(diǎn)焊設(shè)備人機(jī)交互裝置和手持操作裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)單MCU 便攜控制終端與攪拌摩擦點(diǎn)焊設(shè)備的控制集成設(shè)計(jì)進(jìn)行描述，以解決點(diǎn)焊設(shè)備操控空間要求、操控與觀測(cè)繁雜、多品牌工控系統(tǒng)非兼容性以及移植困難等問題。

圖3 系列化攪拌摩擦點(diǎn)焊設(shè)備

1 便攜控制終端設(shè)計(jì)總體描述

根據(jù)系列化異構(gòu)性攪拌摩擦點(diǎn)焊設(shè)備的便攜終端開發(fā)需要，建立統(tǒng)一的總線層級(jí)結(jié)構(gòu)框架［2］，如圖4所示。以遠(yuǎn)程終端通信網(wǎng)絡(luò)作為管理決策層，根據(jù)客戶需求與開發(fā)的攪拌摩擦點(diǎn)焊設(shè)備控制系統(tǒng)與傳動(dòng)系統(tǒng)特性發(fā)送不同的便攜終端用操作程序，并將此程序作為可執(zhí)行模塊傳輸至便攜終端存儲(chǔ)設(shè)備中，嵌入式文件系統(tǒng)將通過腳本文件對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行調(diào)用。

圖4 層級(jí)結(jié)構(gòu)框架

在便攜控制終端與攪拌摩擦點(diǎn)焊控制系統(tǒng)之間亦采用分級(jí)控制集成方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，便攜終端作為控制決策層完成人機(jī)交互操作，然后通過控制執(zhí)行層用戶解析器對(duì)控制指令進(jìn)行層級(jí)解析與狀態(tài)分類，并傳達(dá)至邏輯控制模塊與運(yùn)動(dòng)控制模塊，指定的邏輯控制模塊與運(yùn)動(dòng)控制模塊將根據(jù)控制決策層發(fā)送的指令完成攪拌摩擦點(diǎn)焊設(shè)備的傳動(dòng)控制加工操作，這些邏輯控制模塊與運(yùn)動(dòng)控制模塊的操控分布于整個(gè)攪拌摩擦點(diǎn)焊?jìng)鲃?dòng)裝置中，包括電氣控制模塊、氣液控制模塊以及機(jī)械軸傳動(dòng)用運(yùn)動(dòng)控制模塊。

在此將以某公司開發(fā)的攪拌摩擦點(diǎn)焊設(shè)備為研究對(duì)象，如圖5 所示，對(duì)作為控制決策層便攜終端集成于攪拌摩擦點(diǎn)焊的軟硬件進(jìn)行描述，并闡明控制決策層與控制執(zhí)行層中的用戶解析器設(shè)計(jì)方法，邏輯控制模塊與運(yùn)動(dòng)控制模塊在收到解析器由控制決策層發(fā)送的控制數(shù)據(jù)進(jìn)行解析后，實(shí)現(xiàn)延時(shí)、計(jì)數(shù)、邏輯控制以及運(yùn)動(dòng)控制等功能并依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)操作執(zhí)行反饋等任務(wù)。

圖5 青島四方車輛可移動(dòng)式攪拌摩擦點(diǎn)焊設(shè)備

2 便攜控制終端集成模塊功能與硬件

攪拌摩擦點(diǎn)焊設(shè)備單MCU 便攜終端與攪拌摩擦點(diǎn)焊設(shè)備連接的硬件結(jié)構(gòu)原理如圖6 所示、實(shí)物方案如圖7 所示。作為決策控制層的便攜終端采用ARM9系列芯片S3C2440 進(jìn)行決策管理，并以Linux 2.6.30作為人機(jī)界面開發(fā)操作系統(tǒng)，并且通過DM9000EP 以太網(wǎng)模塊芯片與攪拌摩擦點(diǎn)焊控制系統(tǒng)Simotion D425連接，除此之外為保證便攜終端上的各類按鍵設(shè)計(jì)的可靠性與實(shí)時(shí)性，采用3.3 V 轉(zhuǎn)24 V 的繼電器模塊直接接入Simotion D425 控制器;在Simotion D425 控制器內(nèi)部，將CU320 運(yùn)動(dòng)控制與PLC 邏輯控制進(jìn)行分類，以控制相應(yīng)的傳動(dòng)執(zhí)行器件，其中的傳動(dòng)執(zhí)行器件包括以DriveCliq 總線通信的進(jìn)給軸伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)與主軸伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)、氣體壓力傳感器、液體壓力傳感器、限位傳感器、氣液增壓缸、LED 指示燈、制動(dòng)剎車裝置、冷卻氣體供給閥等。

圖6 點(diǎn)焊設(shè)備便攜終端集成連接硬件結(jié)構(gòu)原理

圖7 點(diǎn)焊設(shè)備便攜終端集成實(shí)物方案

3 便攜終端控制系統(tǒng)軟件與集成解析器

便攜終端按人機(jī)互動(dòng)操作方式主要分為:手動(dòng)控制功能、自動(dòng)控制功能、報(bào)警信息數(shù)據(jù)庫以及工藝配方數(shù)據(jù)庫4 個(gè)部分。該終端通過多線程方式控制攪拌摩擦點(diǎn)焊設(shè)備加工制造過程，多線程在手動(dòng)和自動(dòng)控制中可分為中斷線程與循環(huán)線程，為了提高便攜終端實(shí)時(shí)控制與安全響應(yīng)能力，采用中斷線程網(wǎng)絡(luò)通信傳遞人機(jī)控制與報(bào)警響應(yīng)信息，并設(shè)定中斷響應(yīng)級(jí)別狀態(tài)機(jī)，在高優(yōu)先級(jí)產(chǎn)生時(shí)將優(yōu)先實(shí)現(xiàn);同時(shí)通過循環(huán)線程進(jìn)行數(shù)據(jù)反饋，如電機(jī)反饋速度和位置、伺服驅(qū)動(dòng)報(bào)警等信息的傳遞。與攪拌摩擦點(diǎn)焊設(shè)備的集成主要設(shè)計(jì)邏輯如圖8 所示。

圖8 便攜終端與攪拌摩擦點(diǎn)焊設(shè)備設(shè)計(jì)邏輯

在便攜終端與攪拌摩擦點(diǎn)焊設(shè)備控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，決策與執(zhí)行解析器以ASCII 字符報(bào)文協(xié)議傳輸，用戶執(zhí)行解析器在接收到便攜終端控制指令報(bào)文后，對(duì)控制指令報(bào)文進(jìn)行解釋，通過有限狀態(tài)機(jī)進(jìn)行描述并分配給對(duì)應(yīng)的邏輯控制模塊與運(yùn)動(dòng)控制模塊，以實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、邏輯控制以及運(yùn)動(dòng)控制等功能;而用戶控制解析器在接收到點(diǎn)焊設(shè)備控制系統(tǒng)發(fā)送的指令報(bào)文后，與用戶執(zhí)行解析器的功能基本一致，區(qū)別在于需要根據(jù)有限狀態(tài)機(jī)描述的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)先級(jí)判斷后執(zhí)行。

3.1 解析器控制指令描述用方程格式

解析器控制指令描述包括:輸出邏輯變量、中間變量、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器4 個(gè)功能表達(dá)式［3］，組成的表達(dá)式組如式(1)所示:

式(1)中:Yi為第i 個(gè)輸出邏輯變量，Xi為第i 個(gè)輸入邏輯變量，Mi為第i 個(gè)中間邏輯變量，DBi為第i 個(gè)中間實(shí)數(shù)變量，Ti為第i 個(gè)定時(shí)器，Ci為第i 個(gè)計(jì) 數(shù) 器，f 為Xi、Yi、Mi、DBi、Ti、Ci邏輯運(yùn)算關(guān)系，∑f(．．．)表示多個(gè)f(．．．)的邏輯或關(guān)系。Ti表達(dá)式中f(．．．)為定時(shí)器Ti啟動(dòng)條件，當(dāng)定時(shí)器滿足啟動(dòng)條件時(shí)Ti啟動(dòng)，T0為啟動(dòng)起始時(shí)間;Ci同理。

解析器通過上述表達(dá)式，有效地將總線通信報(bào)文組織起來，并通過有限狀態(tài)機(jī)進(jìn)行分析。有限狀態(tài)機(jī)首先檢查總線報(bào)文格式的正確性，包括起始段、字符長(zhǎng)度、協(xié)議類型、結(jié)束字符等，通過字段匹配掃描完成格式校驗(yàn)［4］。

3.2 有限狀態(tài)機(jī)對(duì)總線報(bào)文解釋與應(yīng)用

有限狀態(tài)機(jī)通過掃描匹配，過濾不同類別的報(bào)文段并發(fā)送至不同的處理模塊中完成，過濾與處理過程可大致分為3 個(gè)階段并用狀態(tài)圖進(jìn)行描述［5］。根據(jù)表達(dá)式組(1)中各表達(dá)等式左側(cè)表達(dá)結(jié)果，即執(zhí)行該操作的目的，從報(bào)文段中掃描過濾需要實(shí)現(xiàn)的目的類型段，有限狀態(tài)機(jī)［6］處理第1 階段如圖9 所示。

經(jīng)過第1 階段目的字段過濾處理，總線報(bào)文數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至第2 階段不同目的類別的狀態(tài)機(jī)中進(jìn)行下一步過濾處理，與此同時(shí)，不屬于任一表達(dá)式類別的目的字段將進(jìn)入錯(cuò)誤處理模塊。

第2 階段有限狀態(tài)機(jī)處理如圖10 所示，首先進(jìn)行類別字段操作序號(hào)判別，通過此序號(hào)的判別可保證該類別操作的連續(xù)性;此外，采用5 級(jí)預(yù)讀以提高運(yùn)行的連續(xù)性和實(shí)時(shí)性。在保存目的類別序號(hào)i 后，則進(jìn)入各預(yù)讀模塊并等待第3 階段的有限狀態(tài)機(jī)處理。

圖9 有限狀態(tài)機(jī)處理第1 階段

圖10 有限狀態(tài)機(jī)處理第2 階段

第3 階段有限狀態(tài)機(jī)的處理為表達(dá)式組(1)各式的右半部分，處理邏輯如圖11 所示。經(jīng)過對(duì)字段數(shù)據(jù)類別的操作轉(zhuǎn)移，進(jìn)入操作序號(hào)正確性判別，以保證字段操作的連續(xù)性。完成序號(hào)存儲(chǔ)后，轉(zhuǎn)移至各模塊操作并以字段先后處理為序，以確保點(diǎn)焊操作按工藝要求的先后順序。

圖11 有限狀態(tài)機(jī)處理第3 階段

3.3 解析器操作實(shí)例

攪拌摩擦點(diǎn)焊便攜終端經(jīng)過對(duì)工藝配方數(shù)據(jù)的處理與自動(dòng)加工過程的響應(yīng)開始進(jìn)行攪拌摩擦點(diǎn)焊加工操作，便攜終端將整理完畢的總線報(bào)文控制指令在滿足工藝加工實(shí)時(shí)性要求(加工工步間隔最端時(shí)間為100 ms)情況下，將報(bào)文指令以間隔10 ms 時(shí)間5 級(jí)預(yù)讀方式發(fā)送給攪拌摩擦點(diǎn)焊控制系統(tǒng)中的解析器，由解析器中的3 階段有限狀態(tài)機(jī)進(jìn)行掃描匹配過濾處理。例如，在焊接加工接近完成時(shí)，攪拌摩擦點(diǎn)焊主機(jī)頭傳動(dòng)系統(tǒng)中的攪拌針與攪拌套需要從前一加工步位置返回初始旋轉(zhuǎn)位，并且主軸轉(zhuǎn)速將從加工旋轉(zhuǎn)速度降至初始旋轉(zhuǎn)速度，此時(shí)主機(jī)頭液壓缸需要根據(jù)加工完成時(shí)各軸到位與轉(zhuǎn)速降低完成信號(hào)結(jié)束頂斷壓力的保持，并與C 型架脫開。此過程中，需要完成的目的為焊接完成時(shí)主機(jī)頭與C 型架脫開M1，達(dá)到該目的所要完成的任務(wù)包括:攪拌針到達(dá)－0.5 mm 位置DB1、攪拌套到達(dá)－0.5 mm 位置DB2、主旋轉(zhuǎn)軸回初始旋轉(zhuǎn)設(shè)置速度DB3、液壓缸結(jié)束頂斷壓力保持Y1、脫開的判定條件為C 型架傳感器指示反饋輸入X1，形成的表達(dá)式為M1= f(X1+ Y1+ DB1+ DB2+DB3)，而后進(jìn)入解析器處理。通過采用該公司移動(dòng)式攪拌摩擦點(diǎn)焊設(shè)備測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足整個(gè)焊接工藝與操作要求。

3.4 人機(jī)交互GUI 設(shè)計(jì)

便攜終端人機(jī)交互采用QT4 作為GUI 開發(fā)環(huán)境，QT4 適用于Linux 操作系統(tǒng)支持的定制型設(shè)備的主導(dǎo)性應(yīng)用框架，能夠穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行在嵌入式Linux下，并且可以快速構(gòu)建可視化嵌入式軟件系統(tǒng)［3］。在搭建完成嵌入式操作系統(tǒng)移植和QT4 交叉編譯環(huán)境后，通過Qt Creator 進(jìn)行QT4 軟件程序設(shè)計(jì)。Qt Creator 是一個(gè)跨平臺(tái)的、完整的Qt 集成開發(fā)環(huán)境［4］，通過Qt Creator 可以通過PC 機(jī)進(jìn)行Windows 環(huán)境下的程序編輯與調(diào)試，在完成編輯調(diào)試工作后，將原程序通過arm-linux-gcc 交叉編譯器編譯生成嵌入式系統(tǒng)可執(zhí)行程序，從而可實(shí)現(xiàn)在Windows 與Linux 之間跨平臺(tái)應(yīng)用程序的運(yùn)行。便攜終端人機(jī)交互界面如圖12 所示。

圖12 便攜終端人機(jī)交互界面

4 結(jié)束語

通過對(duì)嵌入式控制系統(tǒng)與攪拌摩擦點(diǎn)焊設(shè)備控制系統(tǒng)的開發(fā)與研究，建立統(tǒng)一的總線層級(jí)結(jié)構(gòu)框架，實(shí)現(xiàn)了便攜終端與系列化異構(gòu)性攪拌摩擦點(diǎn)焊控制系統(tǒng)的集成。該終端與模塊化的點(diǎn)焊系統(tǒng)集成，在根據(jù)客戶需求與開發(fā)的攪拌摩擦點(diǎn)焊設(shè)備控制系統(tǒng)與傳動(dòng)系統(tǒng)特性上更大限度滿足了設(shè)計(jì)的可移植性，提高了開發(fā)效率，增加了系列化點(diǎn)焊設(shè)備的集成度。在下一步的工作中，為了進(jìn)一步提高系列化異構(gòu)系統(tǒng)的可移植性與實(shí)時(shí)性，將添加DSP 控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與算法操作，并添加FPGA 對(duì)各類總線數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行并行處理，如10 Mb/s 的Profibus DP 總線與10 Mb/s 的工業(yè)以太網(wǎng)集成通信在數(shù)控類攪拌摩擦點(diǎn)焊設(shè)備中的應(yīng)用。

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