石振東,胡映秋,陳 磊,尹長城

(湖北汽車工業(yè)學院汽車工程學院,湖北十堰 442002)

1 研究引入

為保證汽車線束裝配時的正確性、條理化以及維護檢查時的方便性,每根線纜都需要做識別標識[1]。隨著線纜標識技術的發(fā)展,某汽車線束企業(yè)引進噴碼機[2],搭配使用全自動端子壓接機(簡稱壓接機),實現(xiàn)了線纜噴印標識、裁切、剝皮、壓接端子的全自動加工,生產(chǎn)線基本結構如圖1所示。

圖1 全自動端子壓接生產(chǎn)線結構

生產(chǎn)中,伺服電機通過驅動輪組帶動線纜,噴碼機每間隔30 mm噴印一組字符標識,線纜前進到位后,壓接機執(zhí)行切線、壓接等動作。一組線纜加工完成,電機停轉,工人手動操作噴碼機、壓接機更新下一組線纜的生產(chǎn)參數(shù)。

由于油墨字符干燥過程中線纜必須保持無接觸懸置狀態(tài),噴頭固定位置與切刀存在約500 mm的間距,導致每組線纜加工完成時,處于噴頭與切刀之間的500 mm線纜已被噴印與之相同的字符(對應圖1無效字符段),相應線纜報廢。經(jīng)企業(yè)測算,由此造成的年平均經(jīng)濟損失達90余萬元。

針對此問題,在不改變噴碼機、壓接機原有組成的基礎上,提出了開發(fā)自適應噴碼控制系統(tǒng),控制噴碼機由原來的在線纜靜止狀態(tài)下切換字符改造為在線纜前進過程中切換噴印字符的方案[3],達到在相鄰兩組線纜銜接位置自動切換噴印字符的效果。先后進行了方案可行性評估、軟硬件開發(fā)、臺架驗證、實機驗證等工作。結果表明該方案能夠有效解決前述的線纜報廢問題。

2 系統(tǒng)總體方案設計及評估

生產(chǎn)線配套使用S8C2噴碼機。其主體結構如圖2所示,包括輸入面板、電子艙、油墨艙、油墨噴頭等幾個主要部分。

圖2 S8C2噴碼機結構

噴印功能的實現(xiàn)主要依靠電子艙中的輸入面板控制器、油墨噴頭控制器[4]。輸入面板控制器(簡稱上位機)用于存儲噴印參數(shù);油墨噴頭控制器(簡稱下位機)用于采集旋轉編碼器脈沖,計算線纜前進距離,并驅動噴頭噴印字符。二者通過排線進行數(shù)據(jù)交互[5]。

2.1 總體方案設計

結合噴碼機的電氣結構及控制模式,引入自動化控制技術,開發(fā)自適應噴碼控制系統(tǒng),基本工作原理如圖3所示。

圖3 自適應噴碼控制系統(tǒng)工作原理

切斷噴碼機上、下位機之間的數(shù)據(jù)線,將自適應噴碼控制器串聯(lián)接入其中。正常狀態(tài)下,接收上(下)位機數(shù)據(jù)并原樣轉發(fā)至下(上)位機;需要切換噴印的字符時,模擬噴碼機數(shù)據(jù)通訊協(xié)議及時序規(guī)范,對接收的數(shù)據(jù)幀傳輸內容做相應的調整發(fā)送,實現(xiàn)切換噴印字符的控制效果。同時,采樣旋轉編碼器[6]脈沖信號和壓接機切線執(zhí)行器的控制信號,實時監(jiān)控線纜加工狀態(tài)。

至此,通過該系統(tǒng)控制噴碼機在相鄰線纜組銜接位置處切換噴印的字符成為可能,線纜上始終噴印為有效字符。

同步開發(fā)人機交互控制程序[7],通過PC機設置多組線纜生產(chǎn)參數(shù),組間自動切換噴印字符,實現(xiàn)連續(xù)加工。

2.2 總體方案可行性評估

不同于停機狀態(tài)下手動切換噴印字符,本方案字符切換過程線纜處于運動狀態(tài),噴碼響應時間[8](下位機接收到切換字符指令至噴頭噴出目標字符所需的時間)不可忽略。

總體方案可行性評估的核心內容是研究噴碼機指令響應特性是否明確、噴碼響應時間是否穩(wěn)定,這關系到是否可能控制切換前、后字符的噴印位置滿足生產(chǎn)工藝規(guī)范的要求。

搭建如圖4所示的噴碼響應時間測算實驗臺架[9],研究上述問題。

圖4 噴碼響應時間測算實驗臺架

該實驗臺架保留了拉線、測長、噴碼功能,而弱化了壓接機的其他加工功能。

響應時間測算原理[10]:初始狀態(tài)在線纜表面標記一起始點,啟動電機后使用單片機采樣過程數(shù)據(jù)(脈沖計數(shù)值、時間值)。某時刻向下位機發(fā)送切換字符指令,同步開始以T為周期發(fā)送脈沖計數(shù)值n、時間計數(shù)值t至PC機[11]。

脈沖計數(shù)值n與線纜位移S(mm)的換算關系:

(1)

式中:d為編碼器橡膠輪直徑,mm;2 000表示編碼器軸每轉動一周輸出2 000個脈沖。

由式(1)將脈沖計數(shù)值換算為線纜位移,再將首個采樣點對應的時間值t標定為時間零點,得字符切換過程的S-t散點圖,如圖5所示。測出切換字符(圖5中用“2”表示)的起始位置與起始點的間距S0,近似認為相鄰采樣點間為勻速運動,可通過線性插值計算得到相應的噴碼響應時間t0。

圖5 響應時間測算原理圖

由測算結果得噴碼機指令響應特性:

接收到切換字符指令后,下位機不會立刻響應,其響應過程分為2種工況。

(1)工況一:收到指令瞬間噴頭處于空閑狀態(tài)。噴碼機會等待線纜前進到下一噴印位置,并噴印一次原字符后才開始響應指令。響應完成后,待線纜前進距離達到設定的字符間距(30 mm)時,開始噴印切換的字符。

(2)工況二:收到指令瞬間噴頭處于噴印字符狀態(tài),噴碼機會等待當前字符噴印完成后開始響應指令,后續(xù)過程與工況一相同。

噴碼響應時間t=指令發(fā)送至最后一位原字符噴印完成所需時間t1+響應指令所需時間t2+線纜前進距離到位所需時間t3。

t1與切換字符指令發(fā)送時刻、線纜速度、字符間距相關;t3與線纜速度、字符間距相關;而t2只與噴碼機自身指令響應速度相關。

設計實驗測算2種工況下的t2值,結果如圖6所示。

圖6 噴碼機響應指令時間t2

2種工況下t2值均存在一定波動,這是由于每次實驗中噴碼機狀態(tài)存在差異,且存在長度測量誤差。工況一對應的50組數(shù)據(jù)中,t2為9.12～9.8 ms,工況二對應的50組數(shù)據(jù)中,t2為9.15～9.78 ms,t2值的最大上下偏差均不超過1 ms。

綜上,噴碼機指令響應特性明確,t2基本恒定,證明系統(tǒng)總體方案合理、可行。

3 系統(tǒng)硬件設計

控制系統(tǒng)硬件包括由自行設計的自適應噴碼控制器、AC/DC開關電源、多路脈沖分配器封裝而成的硬件控制箱,以及人機交互終端PC機。其中自適應噴碼控制器的硬件連接、應用架構如圖7所示。

圖7 自適應噴碼控制器硬件架構

系統(tǒng)選用2片MC9S12XEP100單片機實現(xiàn)控制功能(MCU1、MCU2)。保留壓接機配套的旋轉編碼器,使用脈沖分配器[12]將編碼器脈沖分為3通道同步輸出。

3路通道分別輸出至MCU1、噴碼機、壓接機,實現(xiàn)線纜長度計算功能;另外,為噴碼機設計一種通過MCU1仿真輸出編碼器脈沖的預留方案,兩種方案通過自適應噴碼控制器板內繼電器切換。

MCU2連接壓接機執(zhí)行器控制端口,采樣加工動作信號;連接噴碼機上、下位機收、發(fā)數(shù)據(jù)線,控制噴碼機切換噴印字符;控制通訊狀態(tài)指示燈、故障報警燈、故障蜂鳴器等;通過串行數(shù)據(jù)線連接PC機,與人機交互終端進行數(shù)據(jù)交互。

MCU1實現(xiàn)采樣計算功能,MCU2實現(xiàn)系統(tǒng)主要控制功能。二者之間通過高速并口線實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互和命令傳輸[13]。

將自適應噴碼控制器、脈沖分配器、開關電源封裝為硬件控制器,如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)硬件控制器

4 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件部分包括自適應噴碼控制器、人機交互終端PC對應程序。

4.1 自適應噴碼控制器程序設計

4.1.1 主程序設計

自適應噴碼控制器上電后,進行系統(tǒng)初始化、獲取加工參數(shù),開機后實時監(jiān)控生產(chǎn)狀態(tài)。線纜組正常加工過程判定當前字符有效,自適應噴碼控制器對來自上、下位機的數(shù)據(jù)直接做轉發(fā)處理;組間銜接過程判定當前字符無效,發(fā)送切換字符的指令至下位機;線纜組全部噴印完成后,發(fā)送相關指令關閉噴頭,避免噴印無效字符。

由于MCU1控制功能相對簡單,此處主要描述MCU2主程序流程,如圖9所示。

圖9 MCU2主程序流程

4.1.2 核心軟件算法設計

系統(tǒng)核心控制目標是使切換前、后的字符噴印位置滿足生產(chǎn)工藝規(guī)范的要求,即每根線纜端部40 mm范圍內至少噴印一組完整的字符標識,且絕對禁止出現(xiàn)串碼(后一線纜對應字符噴印在前一線纜上,或相反)現(xiàn)象。

噴碼響應時間由t1、t2、t33部分組成,記3段時間內線纜位移分別為S1、S2、S3。

常規(guī)生產(chǎn)中字符標識寬度上限為10 mm,字符切換過程線纜速度范圍1～4 m/s(與所加工線纜的長度有關)。當字符切換過程線纜速度為4 m/s,切換前后的字符寬度均為10 mm時,兩字符與字符間距總寬度范圍為86.48～89.2 mm,已超出80 mm,字符噴印位置必然超出允許范圍。

于是,考慮由MCU1仿真生成合適頻率的脈沖替換旋轉編碼器脈沖輸出至噴碼機,通過調節(jié)S1、S3長度使字符噴印位置滿足生產(chǎn)規(guī)范的要求,原理如圖10所示。中間實線為相鄰線纜組分界線,兩端的40 mm表示前、后線纜端部允許的字符噴印范圍,虛線為兩線纜的中部、端部分界線。“1”和“2”分別表示切換前、后的字符(原字符、新字符)。

圖10 字符位置控制算法

根據(jù)當前線纜組的線纜長度、字符寬度和字符間距,計算最后一根線纜中部末位完整字符的結束位置,作為切換字符指令的發(fā)送位置(與前一線纜中部、端部分界線間距為L1)。MCU1檢測到線纜到達該位置時觸發(fā)MCU2向下位機發(fā)送切換字符指令,同步預測L1段內的線纜速度,調節(jié)MCU1仿真輸出的脈沖頻率,使線纜前進距離為L1時,仿真輸出脈沖對應的線纜虛擬前進距離達到噴碼機設定的字符間距(30 mm),觸發(fā)最后一次噴印原字符。

線纜速度曲線是伺服電機的控制算法和線纜絕緣皮表面狀態(tài)綜合作用的結果,建立模糊模型預測L1段內線纜速度:以同組前一線纜的速度曲線為標準,基于當前線纜過去5個采樣點的速度值、采樣周期內的位移值,對局部線纜表面狀態(tài)進行模糊綜合評價[14],從而預測其在L1段內的速度。

設計臺架實驗,線纜速度為4 m/s,設置L1(長度范圍0～40 mm)長度為5、10、15、20、25、30、35 mm的7種測試條件,每種條件測試100次,統(tǒng)計原字符噴印位置偏差,結果如表1所示。

表1 預測模型偏差

不同測試條件下,預測模型偏差最大不超過5%。對速度預測值給定-5%的修正量,MCU1仿真輸出相應頻率的脈沖,即可確保線纜虛擬前進距離為30 mm時,實際距離大于L1。即最后一個原字符噴印在允許范圍內。

線纜前進至原線纜中部、端部分界線位置時,MCU1仿真輸出與編碼器同頻的脈沖信號至噴碼機,脈沖頻率與線纜真實速度同步,字符噴印效果正常。

線纜前進至兩線纜組分界線位置時,采用前述的速度預測模型,仿真輸出頻率為旋轉編碼器二倍頻的脈沖信號至噴碼機,噴碼機接收的脈沖頻率對應2倍真實線纜速度頻率,字符整體寬度約為正常寬度的一半(經(jīng)測試能夠正常辨識)。

線纜前進至新線纜中部、端部分界線位置時,重新將旋轉編碼器脈沖信號輸出至噴碼機,字符切換過程結束。

MCU1子程序流程如圖11所示。

圖11 字符位置調節(jié)程序流程

理論上,本算法能確保任意長度的線纜組正常加工銜接時噴印字符正常切換,且字符噴印位置滿足要求。但會導致每組線纜中某線纜的一端字符寬度被壓縮,經(jīng)與企業(yè)協(xié)商,此問題可忽略。

4.2 人機交互終端LabVIEW軟件設計

基于LabVIEW開發(fā)了人機交互軟件[15],通過串行數(shù)據(jù)線與自適應噴碼控制器進行通訊,操作界面如圖12所示。

軟件具有系統(tǒng)調試功能和線纜加工參數(shù)設置功能。操作人員可一鍵導入排產(chǎn)表,錄入當前班次所有加工參數(shù)。加工一組線纜時提前將下一組噴印參數(shù)對應的控制指令寫入自適應噴碼控制器保存,判定達到切換字符觸發(fā)條件后自動發(fā)送控制指令至噴碼機,同時將下一組控制指令寫入自適應噴碼控制器,重復上述步驟直至一組線纜加工完成。

5 系統(tǒng)控制功能驗證

首先在臺架上進行系統(tǒng)功能驗證,再測試其在真實生產(chǎn)線上的控制效果。

臺架驗證中,設計L1長度為5、10、15、20、25、30、35 mm的7種實驗條件。切換前、后的字符分別設置為隨機字符標識、最大寬度字符標識。每種條件下測試線纜速度為1 m/s和4 m /s的數(shù)據(jù)各50組,共100組數(shù)據(jù)。

定義前一線纜中部、端部分界線坐標為0,兩線纜組分界線坐標為40 mm,后一線纜中部、端部分界線坐標為80 mm,切換前后的字符分別為原字符、新字符。

2種速度下原字符、新字符起始位置的坐標范圍如表2所示。

表2 臺架測試結果 mm

由于預測模型加入了偏于安全的補償量,臺架測試中原、新字符的噴印位置均滿足生產(chǎn)工藝規(guī)范要求。

對同一L1值,低速和高速狀況下,主要是新字符起點偏差較大,原因是高速狀況下S2較大,同時由原字符起點的偏差可見高速下預測模型效果略差。同一速度下,L1長度較長的實驗組絕對偏差量較大,但不同長度下偏差的整體比例都不超過5%。

臺架實驗中的控制效果能夠達到系統(tǒng)設計預期,滿足應用需求。

隨后,將自適應噴碼控制系統(tǒng)應用于端子壓接生產(chǎn)線,噴印字符切換綜合有效率達98%以上?？傮w來看,噴印字符切換有效率較高,能夠滿足長期使用要求。

6 結束語

保持端子壓接生產(chǎn)線原有軟硬件組成及操作規(guī)程,開發(fā)了自適應噴碼控制系統(tǒng),實現(xiàn)了在線纜運動狀態(tài)下切換噴印字符的功能,能夠有效避免噴印無效字符。系統(tǒng)性能穩(wěn)定、易于維護,取得了良好的節(jié)省原料、節(jié)約資源的效果。