攪拌摩擦點焊設(shè)備單MCU便攜控制終端集成研究

王力，文姍姍，喬鳳斌，王永強

(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)計和綠色環(huán)保制造技術(shù)成為重要的發(fā)展方向。高比強度材料如鋁合金、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，并逐步取代電阻點焊、鉚接等傳統(tǒng)點連接方式。攪拌摩擦點焊技術(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，采用摩擦點焊技術(shù)進(jìn)行車身點焊接，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焊設(shè)備人機交互裝置和手持操作裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，對單MCU 便攜控制終端與攪拌摩擦點焊設(shè)備的控制集成設(shè)計進(jìn)行描述，以解決點焊設(shè)備操控空間要求、操控與觀測繁雜、多品牌工控系統(tǒng)非兼容性以及移植困難等問題。

圖3 系列化攪拌摩擦點焊設(shè)備

1 便攜控制終端設(shè)計總體描述

根據(jù)系列化異構(gòu)性攪拌摩擦點焊設(shè)備的便攜終端開發(fā)需要，建立統(tǒng)一的總線層級結(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)的攪拌摩擦點焊設(shè)備控制系統(tǒng)與傳動系統(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設(shè)備中，嵌入式文件系統(tǒng)將通過腳本文件對應(yīng)用程序進(jìn)行調(diào)用。

圖4 層級結(jié)構(gòu)框架

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

在此將以某公司開發(fā)的攪拌摩擦點焊設(shè)備為研究對象，如圖5 所示，對作為控制決策層便攜終端集成于攪拌摩擦點焊的軟硬件進(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)計方法，邏輯控制模塊與運動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，實現(xiàn)延時、計數(shù)、邏輯控制以及運動控制等功能并依據(jù)現(xiàn)場操作執(zhí)行反饋等任務(wù)。

圖5 青島四方車輛可移動式攪拌摩擦點焊設(shè)備

2 便攜控制終端集成模塊功能與硬件

攪拌摩擦點焊設(shè)備單MCU 便攜終端與攪拌摩擦點焊設(shè)備連接的硬件結(jié)構(gòu)原理如圖6 所示、實物方案如圖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)計的可靠性與實時性，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 運動控制與PLC 邏輯控制進(jìn)行分類，以控制相應(yīng)的傳動執(zhí)行器件，其中的傳動執(zhí)行器件包括以DriveCliq 總線通信的進(jìn)給軸伺服驅(qū)動電機與主軸伺服驅(qū)動電機、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、制動剎車裝置、冷卻氣體供給閥等。

圖6 點焊設(shè)備便攜終端集成連接硬件結(jié)構(gòu)原理

圖7 點焊設(shè)備便攜終端集成實物方案

3 便攜終端控制系統(tǒng)軟件與集成解析器

便攜終端按人機互動操作方式主要分為:手動控制功能、自動控制功能、報警信息數(shù)據(jù)庫以及工藝配方數(shù)據(jù)庫4 個部分。該終端通過多線程方式控制攪拌摩擦點焊設(shè)備加工制造過程，多線程在手動和自動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時控制與安全響應(yīng)能力，采用中斷線程網(wǎng)絡(luò)通信傳遞人機控制與報警響應(yīng)信息，并設(shè)定中斷響應(yīng)級別狀態(tài)機，在高優(yōu)先級產(chǎn)生時將優(yōu)先實現(xiàn);同時通過循環(huán)線程進(jìn)行數(shù)據(jù)反饋，如電機反饋速度和位置、伺服驅(qū)動報警等信息的傳遞。與攪拌摩擦點焊設(shè)備的集成主要設(shè)計邏輯如圖8 所示。

圖8 便攜終端與攪拌摩擦點焊設(shè)備設(shè)計邏輯

在便攜終端與攪拌摩擦點焊設(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文后，對控制指令報文進(jìn)行解釋，通過有限狀態(tài)機進(jìn)行描述并分配給對應(yīng)的邏輯控制模塊與運動控制模塊，以實現(xiàn)計時、計數(shù)、邏輯控制以及運動控制等功能;而用戶控制解析器在接收到點焊設(shè)備控制系統(tǒng)發(fā)送的指令報文后，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)機描述的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)先級判斷后執(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、定時器、計數(shù)器4 個功能表達(dá)式［3］，組成的表達(dá)式組如式(1)所示:

式(1)中:Yi為第i 個輸出邏輯變量，Xi為第i 個輸入邏輯變量，Mi為第i 個中間邏輯變量，DBi為第i 個中間實數(shù)變量，Ti為第i 個定時器，Ci為第i 個計 數(shù) 器，f 為Xi、Yi、Mi、DBi、Ti、Ci邏輯運算關(guān)系，∑f(．．．)表示多個f(．．．)的邏輯或關(guān)系。Ti表達(dá)式中f(．．．)為定時器Ti啟動條件，當(dāng)定時器滿足啟動條件時Ti啟動，T0為啟動起始時間;Ci同理。

解析器通過上述表達(dá)式，有效地將總線通信報文組織起來，并通過有限狀態(tài)機進(jìn)行分析。有限狀態(tài)機首先檢查總線報文格式的正確性，包括起始段、字符長度、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［4］。

3.2 有限狀態(tài)機對總線報文解釋與應(yīng)用

有限狀態(tài)機通過掃描匹配，過濾不同類別的報文段并發(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，從報文段中掃描過濾需要實現(xiàn)的目的類型段，有限狀態(tài)機［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，總線報文數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至第2 階段不同目的類別的狀態(tài)機中進(jìn)行下一步過濾處理，與此同時，不屬于任一表達(dá)式類別的目的字段將進(jìn)入錯誤處理模塊。

第2 階段有限狀態(tài)機處理如圖10 所示，首先進(jìn)行類別字段操作序號判別，通過此序號的判別可保證該類別操作的連續(xù)性;此外，采用5 級預(yù)讀以提高運行的連續(xù)性和實時性。在保存目的類別序號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)機處理。

圖9 有限狀態(tài)機處理第1 階段

圖10 有限狀態(tài)機處理第2 階段

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

圖11 有限狀態(tài)機處理第3 階段

3.3 解析器操作實例

攪拌摩擦點焊便攜終端經(jīng)過對工藝配方數(shù)據(jù)的處理與自動加工過程的響應(yīng)開始進(jìn)行攪拌摩擦點焊加工操作，便攜終端將整理完畢的總線報文控制指令在滿足工藝加工實時性要求(加工工步間隔最端時間為100 ms)情況下，將報文指令以間隔10 ms 時間5 級預(yù)讀方式發(fā)送給攪拌摩擦點焊控制系統(tǒng)中的解析器，由解析器中的3 階段有限狀態(tài)機進(jìn)行掃描匹配過濾處理。例如，在焊接加工接近完成時，攪拌摩擦點焊主機頭傳動系統(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，此時主機頭液壓缸需要根據(jù)加工完成時各軸到位與轉(zhuǎn)速降低完成信號結(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主機頭與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式攪拌摩擦點焊設(shè)備測試實驗，實驗結(jié)果滿足整個焊接工藝與操作要求。

3.4 人機交互GUI 設(shè)計

便攜終端人機交互采用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。Qt Creator 是一個跨平臺的、完整的Qt 集成開發(fā)環(huán)境［4］，通過Qt Creator 可以通過PC 機進(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，從而可實現(xiàn)在Windows 與Linux 之間跨平臺應(yīng)用程序的運行。便攜終端人機交互界面如圖12 所示。

圖12 便攜終端人機交互界面

4 結(jié)束語

通過對嵌入式控制系統(tǒng)與攪拌摩擦點焊設(shè)備控制系統(tǒng)的開發(fā)與研究，建立統(tǒng)一的總線層級結(jié)構(gòu)框架，實現(xiàn)了便攜終端與系列化異構(gòu)性攪拌摩擦點焊控制系統(tǒng)的集成。該終端與模塊化的點焊系統(tǒng)集成，在根據(jù)客戶需求與開發(fā)的攪拌摩擦點焊設(shè)備控制系統(tǒng)與傳動系統(tǒng)特性上更大限度滿足了設(shè)計的可移植性，提高了開發(fā)效率，增加了系列化點焊設(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)的可移植性與實時性，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)控類攪拌摩擦點焊設(shè)備中的應(yīng)用。

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