杜啟亮，莫鴻強(qiáng)，盧宏達(dá)，譚廣尉

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

（1.華南理工大學(xué) 自動化科學(xué)與工程學(xué)院，廣州 510641；2.佛山市業(yè)精機(jī)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(qiáng)重比、耐腐蝕性強(qiáng)和易加工等特點，己經(jīng)在許多行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)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瑫鹬破奉^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(chǎn)生扭曲、裂紋等較嚴(yán)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(chǎn)率與質(zhì)量均具有十分重要的意義[2]。為保證等溫擠壓的生產(chǎn)條件，目前主要有三種方法來實現(xiàn)。一是對鑄錠進(jìn)行梯度加熱或梯度冷卻，通過鑄錠溫度梯度來補(bǔ)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(shù)的熱-力耦合仿真，即對擠壓過程的速度、溫度參數(shù)進(jìn)行熱-力耦合仿真，用所得的溫度-速度曲線，對擠壓速度進(jìn)行控制[3～5]。

某鋁合金型材生產(chǎn)設(shè)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(shè)計一樣，鋁合金型材擠壓過程的控制需要對被控過程進(jìn)行建模。由于擠壓過程機(jī)理復(fù)雜，所以數(shù)據(jù)建模是一個適合的建模方法。這類方法中，過程數(shù)據(jù)的獲取是其中首要的一步，而且這一步是在控制器的設(shè)計和實現(xiàn)之前完成的，故本文設(shè)計了一種簡易的數(shù)據(jù)采集方案，硬件上采用計算機(jī)+USB數(shù)據(jù)采集卡的架構(gòu)，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(jìn)行二次開發(fā)來完成。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

擠壓機(jī)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(fù)位。與此同時，擠壓筒和模具進(jìn)行預(yù)熱。最后，由工作缸對坯料進(jìn)行擠壓加工。在加工過程中，棒料由裝在筒內(nèi)的電熱元件提供熱能，以保持一定的溫度。擠壓結(jié)束后，由剪切裝置將制成品送入溜槽，并使擠壓機(jī)各部件全部復(fù)位，一次擠壓加工結(jié)束[7]。

本文設(shè)計的鋁合金型材擠壓過程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jìn)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(xiàn)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(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)化為電壓信號。采用電機(jī)+液壓泵來驅(qū)動主缸，電機(jī)驅(qū)動器對外輸出0～5V的電壓信號，表示電機(jī)轉(zhuǎn)速值。數(shù)據(jù)采集卡采用北京阿爾泰公司生產(chǎn)的USB2817數(shù)據(jù)采集卡，其是一款USB接口的數(shù)據(jù)采集卡，方便和桌面型和筆記本計算機(jī)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(shù)字量觸發(fā)方式，還帶DA、DIO、計數(shù)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 基于VBA的程序設(shè)計與實現(xiàn)

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)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(shè)計前，需為USB2817數(shù)據(jù)采集卡安裝驅(qū)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(dǎo)入到Excel文件的VBA工程目錄中。

2.1 界面設(shè)計方法

本系統(tǒng)的程序界面是在Excel的工作表上進(jìn)行設(shè)計的，新建一張工作表，命名為“main”，將該表劃分為參數(shù)設(shè)置區(qū)、數(shù)據(jù)顯示區(qū)、功能按鈕區(qū)和曲線顯示區(qū)，調(diào)節(jié)各功能區(qū)的大小使得在顯示屏內(nèi)能顯示全部功能區(qū)。參數(shù)設(shè)置區(qū)用組合框控件供用戶進(jìn)行選擇輸入，數(shù)據(jù)顯示區(qū)用文本框控件作為動態(tài)數(shù)據(jù)的顯示單元，功能按鈕區(qū)主要包含“開始采集”和“結(jié)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(shù)據(jù)，作為圖表的數(shù)據(jù)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(shè)計后，功能性的程序包括初始化、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)存儲和實時數(shù)據(jù)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(shè)置，清空臨時數(shù)據(jù)表“temp”等。這些都是在Workbook對象的Open事件中實現(xiàn)的。

2.2.2 數(shù)據(jù)獲取子程序

數(shù)據(jù)獲取子程序的程序流程圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)獲取子程序流程圖

采集卡需要設(shè)置的參數(shù)如表1所示。這些參數(shù)的設(shè)置是通過一個名為USB2817_PARA_AD的用戶自定義類型來實現(xiàn)的，其各字段均為Long數(shù)據(jù)類型。

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

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

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

初始化A D 轉(zhuǎn)換設(shè)備使用函數(shù)U S B 2 8 1 7 _InitDeviceAD 來完成，其函數(shù)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(shù)hDevice為設(shè)備句柄，取函數(shù)USB2817_CreateDevice的返回值；參數(shù)pADPara為采集卡參數(shù)設(shè)置的用戶自定義類型變量。

讀取A D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)使用函數(shù)U S B 2 8 1 7 _ReadDeviceAD來完成，其函數(shù)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(shù)hDevice的取值同上；ADBuffer為接收數(shù)據(jù)的用戶緩沖區(qū)，可取值為一個Integer型的數(shù)組的第一個元素；nReadSizeWords為讀取AD數(shù)據(jù)的長度，取值為256；nRetSizeWords為實際返回數(shù)據(jù)的長度，傳入一個Long型的變量即可。

原始數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換是將讀入的源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為原來的具有物理意義的測量數(shù)據(jù)。

釋放A D 轉(zhuǎn)換設(shè)備和釋放采集設(shè)備對象分別用USB2817_ReleaseDeviceAD和USB2817_ReleaseDevice函數(shù)，兩者的傳入函數(shù)均為一個hDevice參數(shù)，取值同上。

在Excel VBA中沒有Timer控件，要實現(xiàn)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(shù)據(jù)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(xiàn)1秒后重新運行該子程序，總的來看，即可達(dá)到每隔1秒該子程序運行一次，即周期性進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的效果。

Application.OnTime Now _

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

2.2.3 數(shù)據(jù)存儲子程序

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲利用Excel的表格作為存儲媒介。數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，字段為“時間，出口溫度，擠壓速度”。每個采樣時刻采集的數(shù)據(jù)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(dá)到可容納的最大行數(shù)，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(shù)據(jù)放在一個臨時數(shù)據(jù)表“temp”中，嵌入式圖表的數(shù)據(jù)源設(shè)定為該臨時表的對應(yīng)區(qū)域，那么數(shù)據(jù)一有更新，圖表中的曲線馬上有變化，實現(xiàn)動態(tài)曲線的顯示效果。考慮到繪制曲線的清晰和美觀，本系統(tǒng)取60個采樣時刻的數(shù)據(jù)點畫曲線，出口溫度和擠壓速度用主要縱坐標(biāo)和次要縱坐標(biāo)方式，以兩個系列畫在同一幅散點圖類型的圖表中，橫軸數(shù)據(jù)源為采樣時刻。每個采樣時刻采集的數(shù)據(jù)均放到“temp”表的第60行，而原來的數(shù)據(jù)均向上一行移動，第1行的數(shù)據(jù)移除，形成一個隊列[10]。這樣，表中的數(shù)據(jù)必然為最新的數(shù)據(jù)，可供實時曲線繪制使用。為了避免橫軸單位太密導(dǎo)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(shù)據(jù)。

表1 采集卡參數(shù)設(shè)置表

圖4 運行主界面

3 結(jié)論

本文為滿足鋁合金型材擠壓過程的數(shù)據(jù)建模的要求，基于VBA和USB2817數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計和實現(xiàn)了一個簡易的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)分析和建模提供了條件。

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

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