汽車線束端子壓接生產(chǎn)線系統(tǒng)集成與智能化改造

石振東,胡映秋,陳 磊,尹長城

(湖北汽車工業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)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(hù)檢查時的方便性,每根線纜都需要做識別標(biāo)識[1]。隨著線纜標(biāo)識技術(shù)的發(fā)展,某汽車線束企業(yè)引進(jìn)噴碼機(jī)[2],搭配使用全自動端子壓接機(jī)(簡稱壓接機(jī)),實現(xiàn)了線纜噴印標(biāo)識、裁切、剝皮、壓接端子的全自動加工,生產(chǎn)線基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 全自動端子壓接生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)

生產(chǎn)中,伺服電機(jī)通過驅(qū)動輪組帶動線纜,噴碼機(jī)每間隔30 mm噴印一組字符標(biāo)識,線纜前進(jìn)到位后,壓接機(jī)執(zhí)行切線、壓接等動作。一組線纜加工完成,電機(jī)停轉(zhuǎn),工人手動操作噴碼機(jī)、壓接機(jī)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(dǎo)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(yīng)圖1無效字符段),相應(yīng)線纜報廢。經(jīng)企業(yè)測算,由此造成的年平均經(jīng)濟(jì)損失達(dá)90余萬元。

針對此問題,在不改變噴碼機(jī)、壓接機(jī)原有組成的基礎(chǔ)上,提出了開發(fā)自適應(yīng)噴碼控制系統(tǒng),控制噴碼機(jī)由原來的在線纜靜止?fàn)顟B(tài)下切換字符改造為在線纜前進(jìn)過程中切換噴印字符的方案[3],達(dá)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(jìn)行了方案可行性評估、軟硬件開發(fā)、臺架驗證、實機(jī)驗證等工作。結(jié)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(shè)計及評估

生產(chǎn)線配套使用S8C2噴碼機(jī)。其主體結(jié)構(gòu)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(jī)結(jié)構(gòu)

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(jī))用于存儲噴印參數(shù);油墨噴頭控制器(簡稱下位機(jī))用于采集旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖,計算線纜前進(jìn)距離,并驅(qū)動噴頭噴印字符。二者通過排線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互[5]。

2.1 總體方案設(shè)計

結(jié)合噴碼機(jī)的電氣結(jié)構(gòu)及控制模式,引入自動化控制技術(shù),開發(fā)自適應(yīng)噴碼控制系統(tǒng),基本工作原理如圖3所示。

圖3 自適應(yīng)噴碼控制系統(tǒng)工作原理

切斷噴碼機(jī)上、下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)線,將自適應(yīng)噴碼控制器串聯(lián)接入其中。正常狀態(tài)下,接收上(下)位機(jī)數(shù)據(jù)并原樣轉(zhuǎn)發(fā)至下(上)位機(jī);需要切換噴印的字符時,模擬噴碼機(jī)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(nèi)容做相應(yīng)的調(diào)整發(fā)送,實現(xiàn)切換噴印字符的控制效果。同時,采樣旋轉(zhuǎn)編碼器[6]脈沖信號和壓接機(jī)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(jī)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(jī)交互控制程序[7],通過PC機(jī)設(shè)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(jī)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(yīng)時間[8](下位機(jī)接收到切換字符指令至噴頭噴出目標(biāo)字符所需的時間)不可忽略。

總體方案可行性評估的核心內(nèi)容是研究噴碼機(jī)指令響應(yīng)特性是否明確、噴碼響應(yīng)時間是否穩(wěn)定,這關(guān)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(yīng)時間測算實驗臺架[9],研究上述問題。

圖4 噴碼響應(yīng)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(jī)的其他加工功能。

響應(yīng)時間測算原理[10]:初始狀態(tài)在線纜表面標(biāo)記一起始點,啟動電機(jī)后使用單片機(jī)采樣過程數(shù)據(jù)(脈沖計數(shù)值、時間值)。某時刻向下位機(jī)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(jī)[11]。

脈沖計數(shù)值n與線纜位移S(mm)的換算關(guān)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(zhuǎn)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(yīng)的時間值t標(biāo)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(rèn)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(yīng)的噴碼響應(yīng)時間t0。

圖5 響應(yīng)時間測算原理圖

由測算結(jié)果得噴碼機(jī)指令響應(yīng)特性:

接收到切換字符指令后,下位機(jī)不會立刻響應(yīng),其響應(yīng)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(jī)會等待線纜前進(jìn)到下一噴印位置,并噴印一次原字符后才開始響應(yīng)指令。響應(yīng)完成后,待線纜前進(jìn)距離達(dá)到設(shè)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(jī)會等待當(dāng)前字符噴印完成后開始響應(yīng)指令,后續(xù)過程與工況一相同。

噴碼響應(yīng)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(yīng)指令所需時間t2+線纜前進(jìn)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(guān);t3與線纜速度、字符間距相關(guān);而t2只與噴碼機(jī)自身指令響應(yīng)速度相關(guān)。

設(shè)計實驗測算2種工況下的t2值,結(jié)果如圖6所示。

圖6 噴碼機(jī)響應(yīng)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(jī)狀態(tài)存在差異,且存在長度測量誤差。工況一對應(yīng)的50組數(shù)據(jù)中,t2為9.12～9.8 ms,工況二對應(yīng)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(jī)指令響應(yīng)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(shè)計

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

圖7 自適應(yīng)噴碼控制器硬件架構(gòu)

系統(tǒng)選用2片MC9S12XEP100單片機(jī)實現(xiàn)控制功能(MCU1、MCU2)。保留壓接機(jī)配套的旋轉(zhuǎn)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(jī)、壓接機(jī),實現(xiàn)線纜長度計算功能;另外,為噴碼機(jī)設(shè)計一種通過MCU1仿真輸出編碼器脈沖的預(yù)留方案,兩種方案通過自適應(yīng)噴碼控制器板內(nèi)繼電器切換。

MCU2連接壓接機(jī)執(zhí)行器控制端口,采樣加工動作信號;連接噴碼機(jī)上、下位機(jī)收、發(fā)數(shù)據(jù)線,控制噴碼機(jī)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(jī),與人機(jī)交互終端進(jìn)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(yīng)噴碼控制器、脈沖分配器、開關(guān)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(shè)計

系統(tǒng)軟件部分包括自適應(yīng)噴碼控制器、人機(jī)交互終端PC對應(yīng)程序。

4.1 自適應(yīng)噴碼控制器程序設(shè)計

4.1.1 主程序設(shè)計

自適應(yīng)噴碼控制器上電后,進(jìn)行系統(tǒng)初始化、獲取加工參數(shù),開機(jī)后實時監(jiān)控生產(chǎn)狀態(tài)。線纜組正常加工過程判定當(dāng)前字符有效,自適應(yīng)噴碼控制器對來自上、下位機(jī)的數(shù)據(jù)直接做轉(zhuǎn)發(fā)處理;組間銜接過程判定當(dāng)前字符無效,發(fā)送切換字符的指令至下位機(jī);線纜組全部噴印完成后,發(fā)送相關(guān)指令關(guān)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(shè)計

系統(tǒng)核心控制目標(biāo)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(nèi)至少噴印一組完整的字符標(biāo)識,且絕對禁止出現(xiàn)串碼(后一線纜對應(yīng)字符噴印在前一線纜上,或相反)現(xiàn)象。

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

常規(guī)生產(chǎn)中字符標(biāo)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(guān))。當(dāng)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(zhuǎn)編碼器脈沖輸出至噴碼機(jī),通過調(diào)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?！?”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(dāng)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(jié)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(dá)該位置時觸發(fā)MCU2向下位機(jī)發(fā)送切換字符指令,同步預(yù)測L1段內(nèi)的線纜速度,調(diào)節(jié)MCU1仿真輸出的脈沖頻率,使線纜前進(jìn)距離為L1時,仿真輸出脈沖對應(yīng)的線纜虛擬前進(jìn)距離達(dá)到噴碼機(jī)設(shè)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(jī)的控制算法和線纜絕緣皮表面狀態(tài)綜合作用的結(jié)果,建立模糊模型預(yù)測L1段內(nèi)線纜速度:以同組前一線纜的速度曲線為標(biāo)準(zhǔn),基于當(dāng)前線纜過去5個采樣點的速度值、采樣周期內(nèi)的位移值,對局部線纜表面狀態(tài)進(jìn)行模糊綜合評價[14],從而預(yù)測其在L1段內(nèi)的速度。

設(shè)計臺架實驗,線纜速度為4 m/s,設(shè)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(jié)果如表1所示。

表1 預(yù)測模型偏差

不同測試條件下,預(yù)測模型偏差最大不超過5%。對速度預(yù)測值給定-5%的修正量,MCU1仿真輸出相應(yīng)頻率的脈沖,即可確保線纜虛擬前進(jìn)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(nèi)。

線纜前進(jìn)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(jī),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(jìn)至兩線纜組分界線位置時,采用前述的速度預(yù)測模型,仿真輸出頻率為旋轉(zhuǎn)編碼器二倍頻的脈沖信號至噴碼機(jī),噴碼機(jī)接收的脈沖頻率對應(yīng)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(jìn)至新線纜中部、端部分界線位置時,重新將旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖信號輸出至噴碼機(jī),字符切換過程結(jié)束。

MCU1子程序流程如圖11所示。

圖11 字符位置調(diào)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(dǎo)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(jī)交互終端LabVIEW軟件設(shè)計

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

軟件具有系統(tǒng)調(diào)試功能和線纜加工參數(shù)設(shè)置功能。操作人員可一鍵導(dǎo)入排產(chǎn)表,錄入當(dāng)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(yīng)的控制指令寫入自適應(yīng)噴碼控制器保存,判定達(dá)到切換字符觸發(fā)條件后自動發(fā)送控制指令至噴碼機(jī),同時將下一組控制指令寫入自適應(yīng)噴碼控制器,重復(fù)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(jìn)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(shè)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(shè)置為隨機(jī)字符標(biāo)識、最大寬度字符標(biāo)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(biāo)為0,兩線纜組分界線坐標(biāo)為40 mm,后一線纜中部、端部分界線坐標(biāo)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(biāo)范圍如表2所示。

表2 臺架測試結(jié)果 mm

由于預(yù)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(yù)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(dá)到系統(tǒng)設(shè)計預(yù)期,滿足應(yīng)用需求。

隨后,將自適應(yīng)噴碼控制系統(tǒng)應(yīng)用于端子壓接生產(chǎn)線,噴印字符切換綜合有效率達(dá)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(jié)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(yīng)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(hù),取得了良好的節(jié)省原料、節(jié)約資源的效果。