董清宇，魏 容，段 榮

(北京航天控制儀器研究所，北京100039)

當(dāng)前，數(shù)字化、信息化、智能化制造正在催生世界工業(yè)制造又一次新的革命。精密超精密制造零件是國(guó)防武器裝備不可缺少的核心支撐技術(shù)，是國(guó)防尖端制造領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展的重要保障，實(shí)現(xiàn)智能化是其發(fā)展的必由之路[1]。

陀螺儀表是慣性導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)的核心器件，其精度性能直接決定了導(dǎo)航與制導(dǎo)的精度。導(dǎo)電游絲是慣性?xún)x表中連接活動(dòng)部件(浮子)和固定部件(殼體等)的輸電裝置，為儀表活動(dòng)部件中的諸項(xiàng)電器部件(如馬達(dá)、力矩器等)提供電能輸入和電信號(hào)輸出[2]。導(dǎo)電游絲干擾力矩是影響儀表零次項(xiàng)誤差的主要因素，直接關(guān)系到儀表的精度，因此控制導(dǎo)電游絲的焊裝干擾力矩是提高儀表精度的關(guān)鍵[3]。

導(dǎo)電游絲自動(dòng)化焊接系統(tǒng)采用激光軟釬焊代替?zhèn)鹘y(tǒng)手工電烙鐵焊接，采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電游絲非接觸精密檢測(cè)和精確定位，從初始階段對(duì)導(dǎo)電游絲進(jìn)行質(zhì)量控制，極大地提高了焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率。利用導(dǎo)電游絲自動(dòng)化焊接系統(tǒng)控制軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)各子設(shè)備的通信和控制，其中融入了包括機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在內(nèi)的先進(jìn)技術(shù)手段，根據(jù)焊接流程控制系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電游絲自動(dòng)化焊接。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 硬件組成

系統(tǒng)硬件組成主要包括工控機(jī)、點(diǎn)膠機(jī)、激光器、電動(dòng)位移臺(tái)、工業(yè)相機(jī)和電磁開(kāi)關(guān)等。其中，工控機(jī)是系統(tǒng)的主控設(shè)備，控制軟件的載體，通過(guò)各種通信接口與各個(gè)設(shè)備進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體控制；點(diǎn)膠機(jī)用于焊接過(guò)程中點(diǎn)錫膏，通過(guò)壓力和時(shí)間的調(diào)節(jié)控制出錫量；激光器用于激光焊接，通過(guò)激光功率和出光時(shí)間的調(diào)節(jié)控制激光能量；電動(dòng)位移臺(tái)用于焊接過(guò)程中的位置移動(dòng)控制，包括1個(gè)三軸直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)位移臺(tái)和2個(gè)旋轉(zhuǎn)位移臺(tái)；工業(yè)相機(jī)用于機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)和焊接過(guò)程監(jiān)測(cè)，包括導(dǎo)電游絲形狀檢測(cè)相機(jī)、定位檢測(cè)相機(jī)以及激光焊接過(guò)程監(jiān)測(cè)相機(jī)；電磁開(kāi)關(guān)用于氣路開(kāi)關(guān)和拾取機(jī)構(gòu)的控制，通過(guò)高低電平輸出控制電磁閥的開(kāi)關(guān)以及電磁鐵的吸合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。導(dǎo)電游絲自動(dòng)化焊接系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 導(dǎo)電游絲自動(dòng)化焊接系統(tǒng)框圖

1.2 通信接口

導(dǎo)電游絲自動(dòng)化焊接系統(tǒng)中的通信接口主要包括RS232串口、USB總線(xiàn)接口以及I/O控制接口。其中，RS232串口通信用于控制激光器和點(diǎn)膠機(jī)，上位機(jī)通過(guò)發(fā)送串口指令控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能；USB總線(xiàn)接口用于控制工業(yè)相機(jī)和位移臺(tái)，利用工業(yè)相機(jī)和位移臺(tái)控制軟件的API接口，通過(guò)控制軟件的二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備相應(yīng)功能；I/O控制接口用于氣路和拾取機(jī)構(gòu)的控制，通過(guò)I/O口輸出電平的高低來(lái)控制電磁閥、電磁鐵的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備相應(yīng)功能。

1.3 開(kāi)發(fā)平臺(tái)

導(dǎo)電游絲自動(dòng)化焊接系統(tǒng)控制軟件是基于Windows.NET平臺(tái)，C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的人機(jī)交互界面程序。.NET Framework是微軟公司為開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序而創(chuàng)建的一個(gè)平臺(tái)，C#是微軟專(zhuān)門(mén)為.NET平臺(tái)而設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，它從C和C++演化而來(lái)，是一種簡(jiǎn)單而強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言[4-5]?？刂栖浖x用Visual Studio 2015開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行C#編程。

2 軟件功能設(shè)計(jì)

軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括點(diǎn)膠機(jī)控制模塊、激光器控制模塊、位移臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制模塊、工業(yè)相機(jī)控制模塊、機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)模塊、I/O控制模塊和焊接流程自動(dòng)化控制模塊。系統(tǒng)控制軟件框圖如圖2所示。

圖2 導(dǎo)電游絲自動(dòng)化焊接系統(tǒng)軟件框圖

2.1 點(diǎn)膠機(jī)控制模塊

點(diǎn)膠機(jī)控制模塊用于點(diǎn)膠機(jī)的操作控制，包括通道參數(shù)設(shè)置、參數(shù)讀取顯示、串口通信設(shè)置和吐出錫膏等功能。控制模塊與點(diǎn)膠機(jī)之間采用RS232串口通信[6]，根據(jù)通信協(xié)議發(fā)送和接收相應(yīng)的通信指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)膠機(jī)的通道、壓力和時(shí)間等參數(shù)的設(shè)置，能夠讀取并顯示當(dāng)前使用通道的參數(shù)值，控制錫膏吐出。

2.2 激光器控制模塊

激光器控制模塊用于激光器的操作控制，包括組段參數(shù)設(shè)置、參數(shù)讀取顯示、串口通信設(shè)置以及其他功能操作。激光器的每組參數(shù)分為15段數(shù)據(jù)，每一段的出光時(shí)間和出光功率可單獨(dú)設(shè)置，整組數(shù)據(jù)構(gòu)成激光器出光的功率曲線(xiàn)?？刂颇K與激光器之間采用RS232串口通信，根據(jù)通信協(xié)議發(fā)送和接收相應(yīng)的通信指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器的組段、功率和時(shí)間的設(shè)置，讀取并顯示當(dāng)前參數(shù)組的各段功率和時(shí)間、激光器的報(bào)警狀態(tài)，控制指示燈的打開(kāi)、關(guān)閉，激光器出光和停止等。

2.3 位移臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制模塊

位移臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制模塊用于電動(dòng)位移臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作過(guò)程中執(zhí)行機(jī)構(gòu)的坐標(biāo)移動(dòng)，主要包括運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)讀取、執(zhí)行運(yùn)動(dòng)類(lèi)型以及其他功能操作。工控機(jī)與位移臺(tái)控制器之間通過(guò)USB總線(xiàn)連接，并安裝了控制器驅(qū)動(dòng)程序?？刂颇K通過(guò)讀取控制器的句柄號(hào)，調(diào)用位移臺(tái)控制程序的庫(kù)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)位移臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制[7]。

2.4 工業(yè)相機(jī)控制模塊

工業(yè)相機(jī)控制模塊用于工業(yè)相機(jī)的通信控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)和焊接過(guò)程監(jiān)測(cè)的圖像采集。機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)相機(jī)用于視覺(jué)檢測(cè)圖像的采集和參數(shù)控制，相機(jī)與工控機(jī)之間通過(guò)USB3.0總線(xiàn)連接[8]。控制模塊主要實(shí)現(xiàn)相機(jī)的打開(kāi)、關(guān)閉、暫停，顯示圖像的縮小放大，相機(jī)增益控制，灰度/彩色顯示切換，平滑處理，圖像保存和相機(jī)光源調(diào)節(jié)等功能。焊接過(guò)程監(jiān)測(cè)相機(jī)用于調(diào)整焊接點(diǎn)位置，觀測(cè)激光焊接過(guò)程。相機(jī)與工控機(jī)之間通過(guò)USB總線(xiàn)連接。

2.5 機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)模塊

機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)模塊用于焊接前導(dǎo)電游絲的質(zhì)量檢測(cè)、儀表接線(xiàn)柱的間距檢測(cè)以及焊接過(guò)程中導(dǎo)電游絲與接線(xiàn)柱的定位檢測(cè)。利用機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)相機(jī)采集導(dǎo)電游絲圖像和儀表接線(xiàn)柱圖像，通過(guò)圖像處理，獲得導(dǎo)電游絲的形狀參數(shù)信息和接線(xiàn)柱間距信息。獲得導(dǎo)電游絲參數(shù)信息和接線(xiàn)柱間距信息后，即可從檢測(cè)完的導(dǎo)電游絲中篩選出與接線(xiàn)柱間距相匹配的導(dǎo)線(xiàn)。同樣，利用機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)相機(jī)采集導(dǎo)電游絲與儀表接線(xiàn)柱的圖像，通過(guò)圖像處理獲得導(dǎo)電游絲與接線(xiàn)柱之間的相對(duì)位置參數(shù)，為放置導(dǎo)電游絲提供位置信息[9]。

2.6 I/O控制模塊

I/O控制模塊用于控制電磁閥和電磁鐵，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)氣路開(kāi)關(guān)和拾取機(jī)構(gòu)的控制。系統(tǒng)氣路控制主要實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電游絲支承墊塊和錫餅的吸取和放置。吸取支承墊塊時(shí)電磁閥B打開(kāi)，放置時(shí)電磁閥B關(guān)閉。吸取錫餅時(shí)電磁閥A1、A2、A3打開(kāi)，將錫餅吹落時(shí)電磁閥A1、A3關(guān)閉、A2打開(kāi)，氣路關(guān)閉時(shí)A1、A2、A3關(guān)閉。拾取機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)電游絲的抓取，抓取導(dǎo)電游絲時(shí)電磁鐵松開(kāi)，拾取機(jī)構(gòu)能夠抓取導(dǎo)電游絲；導(dǎo)電游絲放置完成后，電磁鐵吸合，使拾取機(jī)構(gòu)能夠從儀表中退出，退出后電磁鐵松開(kāi)，恢復(fù)正常狀態(tài)。

2.7 焊接流程自動(dòng)化控制模塊

焊接流程自動(dòng)化控制模塊根據(jù)焊接工藝流程控制各設(shè)備按照相應(yīng)步驟運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電游絲自動(dòng)化焊接[10]。自動(dòng)化焊接流程主要包括接線(xiàn)柱間距檢測(cè)、墊塊放置、導(dǎo)電游絲形狀檢測(cè)和抓取、導(dǎo)電游絲定位檢測(cè)和放置、點(diǎn)錫膏、激光器焊接和墊塊移取等。系統(tǒng)自動(dòng)化焊接流程如圖3所示。

圖3 導(dǎo)電游絲自動(dòng)化焊接流程圖

3 結(jié)語(yǔ)

采用導(dǎo)電游絲自動(dòng)化焊接系統(tǒng)能夠大幅度提高導(dǎo)電游絲焊接質(zhì)量和可靠性，并從根本上解決以往導(dǎo)電游絲焊接工藝上的不可控問(wèn)題，打通儀表研制關(guān)鍵瓶頸，縮短生產(chǎn)周期。本文從工程化角度介紹了該系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。該軟件包含了多種設(shè)備的二次開(kāi)發(fā)和系統(tǒng)集成，并根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)和需求自定義了各設(shè)備的功能操作界面。系統(tǒng)設(shè)備的通信接口復(fù)雜多樣，控制軟件通過(guò)多種通信接口與各硬件設(shè)備進(jìn)行通信連接，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各設(shè)備的單獨(dú)控制以及系統(tǒng)的整體控制，并根據(jù)自動(dòng)化焊接流程，控制設(shè)備協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)電游絲自動(dòng)化焊接。