分析全自動(dòng)線(xiàn)束端子插入機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高修張

摘要：為完善全自動(dòng)線(xiàn)束端子插入機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效果，本文在解讀插入機(jī)作業(yè)過(guò)程的基礎(chǔ)上，構(gòu)建出控制系統(tǒng)的的綜合結(jié)構(gòu)與主要功能模塊，較詳細(xì)的解讀了構(gòu)成控制軟件的3個(gè)核心模塊，即運(yùn)動(dòng)控制、質(zhì)量監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)管理模塊。于插入機(jī)樣機(jī)上測(cè)試分析控制系統(tǒng)，確定該系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求，端子插入處精度±0.1mm，速度1800pin/h，符合設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：線(xiàn)束端子;控制系統(tǒng);機(jī)器視角;智能化插入

引言

在電氣設(shè)備內(nèi)，線(xiàn)束是銜接線(xiàn)路、傳輸信號(hào)的常用組件之一，在家用電器、汽車(chē)、計(jì)算機(jī)等產(chǎn)品制造領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。線(xiàn)束的加工牽扯到很多工序，構(gòu)成線(xiàn)束的線(xiàn)材的顏色、線(xiàn)徑大小繁雜多變，既往多利用傳統(tǒng)人工制造或智能化生產(chǎn)局部工序，最后手工插進(jìn)與拼裝。近些年中，產(chǎn)品朝著精巧化方向發(fā)展，線(xiàn)材的線(xiàn)徑日漸微小，人工法很難插進(jìn)與拼裝[1]。

端子壓接插入機(jī)作為線(xiàn)束加工生產(chǎn)線(xiàn)上的一種重要裝置，其通過(guò)執(zhí)行多種工序，結(jié)合不同線(xiàn)材和端子并統(tǒng)一插進(jìn)連接器內(nèi)，當(dāng)下插入機(jī)以進(jìn)口為主，設(shè)計(jì)研發(fā)有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的設(shè)備具有很大現(xiàn)實(shí)意義。

1插入機(jī)架構(gòu)

插入機(jī)主要有轉(zhuǎn)塔型、拱架型兩類(lèi)，圖1為拱架型插入機(jī)的設(shè)計(jì)圖[2]。機(jī)器左右兩側(cè)分別安裝了活動(dòng)工作臺(tái)1與固定工作14，拉線(xiàn)機(jī)構(gòu)3最大的作用是把線(xiàn)材由右至左拉伸到適宜的長(zhǎng)度，隨后進(jìn)行裁剪，搬線(xiàn)機(jī)構(gòu)4將其排出。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一大特色是在重端子的底部設(shè)計(jì) 單條低摩擦的鋼絲作為端子底部支撐，上下高度可調(diào)來(lái)滿(mǎn)足特殊的一端重鋁端子的烤管需求;隨雙端線(xiàn)束自動(dòng)烤管機(jī)的研發(fā)，以兼容性強(qiáng)，高效生產(chǎn)的屬性，在功能上超過(guò)了客戶(hù)預(yù)期，為后期贏(yíng)取長(zhǎng)度在500m以上電瓶線(xiàn)的項(xiàng)目研發(fā)打下了更好的基礎(chǔ)。

設(shè)備的操作過(guò)程可以分成如下兩步：

（1）單步調(diào)試與設(shè)置。即依照設(shè)計(jì)的工藝流程，設(shè)定運(yùn)動(dòng)零點(diǎn)、檢測(cè)位置、線(xiàn)材顏色、插入次序等參數(shù)，基于單步調(diào)試過(guò)程，規(guī)劃出實(shí)際的工藝程序、壓接與插入工藝參數(shù)。

（2）智能循環(huán)式插進(jìn)。按照如上設(shè)置的闡述與程序，智能循環(huán)壓接插進(jìn)單個(gè)線(xiàn)材，最后將其拼裝成線(xiàn)束。

2控制系統(tǒng)架構(gòu)即設(shè)計(jì)

依照插入機(jī)的結(jié)構(gòu)與工藝流程設(shè)計(jì)情況，端子插入機(jī)控制系統(tǒng)軟件應(yīng)由運(yùn)動(dòng)控制、質(zhì)量監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)管理模塊等幾大部分構(gòu)成（見(jiàn)圖2）[3]。

因工業(yè)PC自帶友好型的人機(jī)交互界面、超強(qiáng)的聯(lián)網(wǎng)通信及處理數(shù)據(jù)的功能，本課題決定選用研華工控機(jī)作為本系統(tǒng)的上位機(jī)，上位機(jī)的作用主要是控制人機(jī)交互界面及綜合情況與調(diào)度各類(lèi)可用資源，其囊括了數(shù)個(gè)操作窗口與控件，用于協(xié)調(diào)以上三個(gè)核心功能模塊，進(jìn)而精準(zhǔn)控制各運(yùn)動(dòng)部件的伺服運(yùn)動(dòng)過(guò)程、設(shè)計(jì)與反饋各種參數(shù)信息、視覺(jué)與壓力檢測(cè)、管理與呈現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)等。

2.1運(yùn)動(dòng)控制模塊

運(yùn)動(dòng)控制為插入機(jī)設(shè)備的核心功能，參照插入機(jī)的工藝流程，運(yùn)動(dòng)控制主要由選線(xiàn)及拉線(xiàn)運(yùn)動(dòng)、裁剪、剝皮、壓接、插入等構(gòu)成，其運(yùn)動(dòng)過(guò)程有行程短、加速度大、頻率高、需監(jiān)測(cè)百余個(gè)I/O控制點(diǎn)、信號(hào)類(lèi)型繁多且關(guān)系復(fù)雜等特點(diǎn)。鑒于此，設(shè)計(jì)出上位機(jī)+脈沖系列多軸運(yùn)動(dòng)控制卡的控制模式，ARM與FPGA是控制卡的核心構(gòu)成，能動(dòng)態(tài)執(zhí)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)計(jì)算過(guò)程，精準(zhǔn)的調(diào)控伺服濾波及方位，進(jìn)而在確?？刂葡到y(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、高效性、高精準(zhǔn)度及智能化[4]。

應(yīng)用控制卡內(nèi)設(shè)的PVT函數(shù)，輸進(jìn)方位、時(shí)間、速度等參數(shù)信息去規(guī)劃運(yùn)行軌跡，以上在提升運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的可行方法。為使系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程平穩(wěn)性得到更大保障，應(yīng)布置對(duì)稱(chēng)式與非對(duì)稱(chēng)式的T形、S形速度控制。為達(dá)成以上目標(biāo)，上位機(jī)內(nèi)，編寫(xiě)程序時(shí)集成以上這些控制函數(shù)和控制模塊需要的闡述、狀態(tài)信號(hào)等。為使上位機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程能實(shí)現(xiàn)同步，可應(yīng)用標(biāo)志信號(hào)量去達(dá)到。

2.2質(zhì)量監(jiān)測(cè)模塊

（1）視覺(jué)檢測(cè)：主要由光源、鏡頭、相機(jī)及圖像處理軟件等幾部分組成，可以把視覺(jué)模塊設(shè)計(jì)分層示教、剝皮后線(xiàn)芯斷面及端子外觀(guān)檢測(cè)模塊三部分。在示教模塊內(nèi)，先搜集線(xiàn)束剝皮以后對(duì)應(yīng)的銅絲斷面圖片，而后在變形模板匹配法的協(xié)助下，精準(zhǔn)探尋到指定區(qū)域中圓形銅絲截面的數(shù)目，若實(shí)際個(gè)數(shù)和設(shè)定值存在出入，則提示在裁剪或剝皮操作時(shí)鋼絲折斷。具體示教環(huán)節(jié)中，曲線(xiàn)1圍繞出的圓形區(qū)為指定銅絲的范疇。壓接端子以后，需監(jiān)測(cè)端子外觀(guān)質(zhì)量。這就需要在示教過(guò)程中，拍下端子的圖像后，將檢測(cè)窗口添加至其內(nèi)，檢測(cè)時(shí)，比較實(shí)時(shí)獲得的圖像圖像特征和示教環(huán)節(jié)的制定值，這樣便能順利判斷出外觀(guān)質(zhì)量缺陷[5]。

（2）壓力監(jiān)測(cè)：端子壓接時(shí)，伴隨壓力值提高，金屬片朝下壓緊，進(jìn)而使端子將整個(gè)線(xiàn)芯包裹起來(lái)。在以上過(guò)程中，應(yīng)強(qiáng)壓力值調(diào)控在一個(gè)合理區(qū)間內(nèi)，具體是將一個(gè)傳感器增設(shè)在刀具上，能實(shí)時(shí)獲取及顯示端子壓接階段的沖壓波形對(duì)應(yīng)值。

2.3數(shù)據(jù)管理模塊

因?yàn)槎俗硬迦霗C(jī)運(yùn)作階段需要執(zhí)行一系列工序，與其相關(guān)的參數(shù)與變量相對(duì)較復(fù)雜，此時(shí)需要實(shí)時(shí)采集與處置的數(shù)據(jù)量龐大、類(lèi)型繁多，維持本系統(tǒng)軟件底層應(yīng)用了SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)，ADO 有簡(jiǎn)便、易學(xué)等特點(diǎn)，故而本課題在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)擬定采用這種接口去訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)信息[6]。為便于在工藝流程中應(yīng)用ADO建設(shè)數(shù)據(jù)庫(kù)連接和操作數(shù)據(jù)表，在上位機(jī)內(nèi)應(yīng)用MFC去封裝實(shí)際應(yīng)用的ADO操作，搭建了CADOCon-nection和CADODataSet，明顯提高了編程操作的精簡(jiǎn)性。針對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)新建、顯示、查找、瀏覽、增減等基本操作，均可以應(yīng)用ADO內(nèi)的類(lèi)去達(dá)到。

2.4烤管的優(yōu)化設(shè)計(jì)

首先，把烤管過(guò)程設(shè)計(jì)成工裝鏈條輸送線(xiàn)結(jié)構(gòu)，在輸送線(xiàn)上固定加熱板。其次，把原本線(xiàn)束一端烤管轉(zhuǎn)變成同時(shí)兩端烤管。再者，把最初取料的操作整改成收料倉(cāng)收料，達(dá)到200根成品線(xiàn)后再進(jìn)行處理。最后，將冷卻風(fēng)扇固定在工裝鏈條輸送線(xiàn)上。病針對(duì)對(duì)兩端烤管，在真實(shí)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)內(nèi)其運(yùn)行效率提升2倍左右;放線(xiàn)、烤管和冷卻時(shí)間是重疊的，取料時(shí)間頻率減少90%以上，明顯短縮了烤管時(shí)間長(zhǎng)度。

3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

結(jié)合以上所闡述的設(shè)計(jì)方法，基于Visual Studio 2013平臺(tái)設(shè)計(jì)研發(fā)出了插入機(jī)軟件控制系統(tǒng)，并進(jìn)行相應(yīng)測(cè)試檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)的主要技術(shù)指標(biāo)有[7]：

（1）線(xiàn)材斷切長(zhǎng)度：75～3000mm，定位精準(zhǔn)度±0.5mm;

（2）剝皮長(zhǎng)度：<10 mm;長(zhǎng)度、深度定位精度分別是±0.1mm、±0.2mm;

（3）端子壓接重復(fù)、插入位置定位精度分別為±0.0mm、±0.1mm;

（4）產(chǎn)能達(dá)到1800pin/h，符合設(shè)計(jì)要求。

結(jié)束語(yǔ)：

在簡(jiǎn)單分析插入機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)與功能的基礎(chǔ)上，以拱架式插入機(jī)位基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)，重點(diǎn)探究了三大核心控制模塊設(shè)計(jì)及烤管的完善方法。統(tǒng)計(jì)測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，本課題設(shè)計(jì)研發(fā)出的控制系統(tǒng)有精準(zhǔn)度高、運(yùn)行速度快等特征，端子插進(jìn)速度高達(dá)1800pin/h，能較好的滿(mǎn)足30#線(xiàn)的工藝要求，不管是端子壓接重復(fù)還是插入位置定位精準(zhǔn)度，均較好的智能化插入的應(yīng)用需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]周波， 涂清， 高川. 超聲速風(fēng)洞模型插入機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù)，2019， 038（012）：122-125，135.

[2]李海龍， 車(chē)剛， 萬(wàn)霖，等. 變溫保質(zhì)干燥機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究， 2020， v.42（08）：80-85.

[3]趙學(xué)觀(guān)、金鑫、鄒偉、翟長(zhǎng)遠(yuǎn)、張春鳳、王秀. 基于雙測(cè)速模式的玉米追肥機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2020， v.51（S1）：152-160.

[4]王麗君. PLC技術(shù)下的造紙機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 造紙科學(xué)與技術(shù)， 2020，17（4）：147-149.

[5]朱嘉琦， 韓哈斯敖其爾， 于鵬，等. 在軌組裝機(jī)器人抓取機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制系統(tǒng)研究[J]. 機(jī)械傳動(dòng)， 2019， 43（02）：85-90.

[6]聶元?jiǎng)P. 有軌電車(chē)路口綜合控制系統(tǒng)方案研究[J]. 工程建設(shè)與設(shè)計(jì)， 2019，47（12）：71-73.

[7]葉太強(qiáng)， 何勇， 沈小其，等. 基于STM32F4嵌入式的劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 自動(dòng)化與儀表， 2019， 34（03）：10-14.