導電游絲自動化焊接系統(tǒng)控制軟件設計

董清宇，魏 容，段 榮

(北京航天控制儀器研究所，北京100039)

當前，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防武器裝備不可缺少的核心支撐技術，是國防尖端制造領域可持續(xù)發(fā)展的重要保障，實現(xiàn)智能化是其發(fā)展的必由之路[1]。

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

導電游絲自動化焊接系統(tǒng)采用激光軟釬焊代替?zhèn)鹘y(tǒng)手工電烙鐵焊接，采用機器視覺技術實現(xiàn)導電游絲非接觸精密檢測和精確定位，從初始階段對導電游絲進行質(zhì)量控制，極大地提高了焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率。利用導電游絲自動化焊接系統(tǒng)控制軟件，實現(xiàn)對各子設備的通信和控制，其中融入了包括機器視覺技術在內(nèi)的先進技術手段，根據(jù)焊接流程控制系統(tǒng)聯(lián)動，實現(xiàn)導電游絲自動化焊接。

1 總體設計

1.1 硬件組成

系統(tǒng)硬件組成主要包括工控機、點膠機、激光器、電動位移臺、工業(yè)相機和電磁開關等。其中，工控機是系統(tǒng)的主控設備，控制軟件的載體，通過各種通信接口與各個設備進行連接，實現(xiàn)系統(tǒng)整體控制；點膠機用于焊接過程中點錫膏，通過壓力和時間的調(diào)節(jié)控制出錫量；激光器用于激光焊接，通過激光功率和出光時間的調(diào)節(jié)控制激光能量；電動位移臺用于焊接過程中的位置移動控制，包括1個三軸直線運動位移臺和2個旋轉位移臺；工業(yè)相機用于機器視覺檢測和焊接過程監(jiān)測，包括導電游絲形狀檢測相機、定位檢測相機以及激光焊接過程監(jiān)測相機；電磁開關用于氣路開關和拾取機構的控制，通過高低電平輸出控制電磁閥的開關以及電磁鐵的吸合，實現(xiàn)系統(tǒng)功能。導電游絲自動化焊接系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 導電游絲自動化焊接系統(tǒng)框圖

1.2 通信接口

導電游絲自動化焊接系統(tǒng)中的通信接口主要包括RS232串口、USB總線接口以及I/O控制接口。其中，RS232串口通信用于控制激光器和點膠機，上位機通過發(fā)送串口指令控制設備實現(xiàn)相應功能；USB總線接口用于控制工業(yè)相機和位移臺，利用工業(yè)相機和位移臺控制軟件的API接口，通過控制軟件的二次開發(fā)，實現(xiàn)設備相應功能；I/O控制接口用于氣路和拾取機構的控制，通過I/O口輸出電平的高低來控制電磁閥、電磁鐵的開關，實現(xiàn)設備相應功能。

1.3 開發(fā)平臺

導電游絲自動化焊接系統(tǒng)控制軟件是基于Windows.NET平臺，C#語言開發(fā)的人機交互界面程序。.NET Framework是微軟公司為開發(fā)應用程序而創(chuàng)建的一個平臺，C#是微軟專門為.NET平臺而設計的開發(fā)語言，它從C和C++演化而來，是一種簡單而強大的開發(fā)語言[4-5]。控制軟件選用Visual Studio 2015開發(fā)工具進行C#編程。

2 軟件功能設計

軟件采用模塊化設計，主要包括點膠機控制模塊、激光器控制模塊、位移臺運動控制模塊、工業(yè)相機控制模塊、機器視覺檢測模塊、I/O控制模塊和焊接流程自動化控制模塊。系統(tǒng)控制軟件框圖如圖2所示。

圖2 導電游絲自動化焊接系統(tǒng)軟件框圖

2.1 點膠機控制模塊

點膠機控制模塊用于點膠機的操作控制，包括通道參數(shù)設置、參數(shù)讀取顯示、串口通信設置和吐出錫膏等功能?？刂颇K與點膠機之間采用RS232串口通信[6]，根據(jù)通信協(xié)議發(fā)送和接收相應的通信指令，實現(xiàn)對點膠機的通道、壓力和時間等參數(shù)的設置，能夠讀取并顯示當前使用通道的參數(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)設置、參數(shù)讀取顯示、串口通信設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)，每一段的出光時間和出光功率可單獨設置，整組數(shù)據(jù)構成激光器出光的功率曲線?？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)送和接收相應的通信指令，實現(xiàn)對激光器的組段、功率和時間的設置，讀取并顯示當前參數(shù)組的各段功率和時間、激光器的報警狀態(tài)，控制指示燈的打開、關閉，激光器出光和停止等。

2.3 位移臺運動控制模塊

位移臺運動控制模塊用于電動位移臺的運動控制，實現(xiàn)系統(tǒng)工作過程中執(zhí)行機構的坐標移動，主要包括運動參數(shù)設置、運動狀態(tài)讀取、執(zhí)行運動類型以及其他功能操作。工控機與位移臺控制器之間通過USB總線連接，并安裝了控制器驅(qū)動程序?？刂颇K通過讀取控制器的句柄號，調(diào)用位移臺控制程序的庫函數(shù)，實現(xiàn)位移臺的運動控制[7]。

2.4 工業(yè)相機控制模塊

工業(yè)相機控制模塊用于工業(yè)相機的通信控制，實現(xiàn)機器視覺檢測和焊接過程監(jiān)測的圖像采集。機器視覺檢測相機用于視覺檢測圖像的采集和參數(shù)控制，相機與工控機之間通過USB3.0總線連接[8]?？刂颇K主要實現(xiàn)相機的打開、關閉、暫停，顯示圖像的縮小放大，相機增益控制，灰度/彩色顯示切換，平滑處理，圖像保存和相機光源調(diào)節(jié)等功能。焊接過程監(jiān)測相機用于調(diào)整焊接點位置，觀測激光焊接過程。相機與工控機之間通過USB總線連接。

2.5 機器視覺檢測模塊

機器視覺檢測模塊用于焊接前導電游絲的質(zhì)量檢測、儀表接線柱的間距檢測以及焊接過程中導電游絲與接線柱的定位檢測。利用機器視覺檢測相機采集導電游絲圖像和儀表接線柱圖像，通過圖像處理，獲得導電游絲的形狀參數(shù)信息和接線柱間距信息。獲得導電游絲參數(shù)信息和接線柱間距信息后，即可從檢測完的導電游絲中篩選出與接線柱間距相匹配的導線。同樣，利用機器視覺檢測相機采集導電游絲與儀表接線柱的圖像，通過圖像處理獲得導電游絲與接線柱之間的相對位置參數(shù)，為放置導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，實現(xiàn)對系統(tǒng)氣路開關和拾取機構的控制。系統(tǒng)氣路控制主要實現(xiàn)導電游絲支承墊塊和錫餅的吸取和放置。吸取支承墊塊時電磁閥B打開，放置時電磁閥B關閉。吸取錫餅時電磁閥A1、A2、A3打開，將錫餅吹落時電磁閥A1、A3關閉、A2打開，氣路關閉時A1、A2、A3關閉。拾取機構主要實現(xiàn)對導電游絲的抓取，抓取導電游絲時電磁鐵松開，拾取機構能夠抓取導電游絲；導電游絲放置完成后，電磁鐵吸合，使拾取機構能夠從儀表中退出，退出后電磁鐵松開，恢復正常狀態(tài)。

2.7 焊接流程自動化控制模塊

焊接流程自動化控制模塊根據(jù)焊接工藝流程控制各設備按照相應步驟運轉，實現(xiàn)導電游絲自動化焊接[10]。自動化焊接流程主要包括接線柱間距檢測、墊塊放置、導電游絲形狀檢測和抓取、導電游絲定位檢測和放置、點錫膏、激光器焊接和墊塊移取等。系統(tǒng)自動化焊接流程如圖3所示。

圖3 導電游絲自動化焊接流程圖

3 結語

采用導電游絲自動化焊接系統(tǒng)能夠大幅度提高導電游絲焊接質(zhì)量和可靠性，并從根本上解決以往導電游絲焊接工藝上的不可控問題，打通儀表研制關鍵瓶頸，縮短生產(chǎn)周期。本文從工程化角度介紹了該系統(tǒng)控制軟件的設計和實現(xiàn)。該軟件包含了多種設備的二次開發(fā)和系統(tǒng)集成，并根據(jù)項目特點和需求自定義了各設備的功能操作界面。系統(tǒng)設備的通信接口復雜多樣，控制軟件通過多種通信接口與各硬件設備進行通信連接，實現(xiàn)了對各設備的單獨控制以及系統(tǒng)的整體控制，并根據(jù)自動化焊接流程，控制設備協(xié)調(diào)運轉，實現(xiàn)了導電游絲自動化焊接。