CN105353726B - 一种电子压装机专用控制器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子压装机专用控制器及控制方法，属于装备制造领域。本发明的控制器包括ARM微控制器和FPGA，FPGA与ARM微控制器通过高速总线进行通信；ARM微控制器通过接口与外部传感器、上位机等相连，用于实现压力数据的高速采集、运算，压装过程的实时监测与判断、压力—位移实时显示、通讯以及系统管理等；FPGA是运动控制的核心，其通过伺服接口模块与伺服驱动器相连，在所述ARM微控制器的配合下利用内嵌模糊神经网路PID专用运动控制算法对伺服电机的速度、加速度、转矩和位移等控制，实现精确压装与定位，并通过触摸屏实时监测与判断，提高装配产品质量。

Description

一种电子压装机专用控制器及控制方法

技术领域

本发明涉及一种压装机专用控制器及控制方法，属于装备制造领域。

背景技术

在零部件生产过程中，采用压装机进行装配是常用的手段，如轴类装配、销钉装配等。传统的机械、液压或气液增力型压装设备，由于压装力和压装位移不能准确控制，在汽车零部件、电子、家电等行业已经无法满足企业对高精度装配的需求。电子压装机采用交流伺服电机作为动力源，配合精密行星齿轮减速机带动丝杠实现产品压装，其结构如图1所示。电子压装机不但能产生准确的压装位移和压装力，还能够实现压装过程的在线监测与评估，极大的提高产品的合格率，是压装机未来的发展方向。目前国产电子压装机，多采用PLC+伺服系统模式，这种电子压装机虽然成本低，但由于PLC运动控制性能较弱，无法实现压装过程的最优控制，且工艺适应性、柔性较差；国外企业由于研发实力强，多采用控制、检测、伺服驱动一体化的控制器模式，性能稳定，功能完善，但价格昂贵；无论是国内还是进口电子压装机，对压装结果的判定都是通过对几个特定位移的压力进行监测来实现的，无法实时显示压力—位移曲线，更不能全面反映压装过程压力—位移的变化，可能会导致不合格产品流入市场，虽然可以额外配置昂贵的专用压力—位移监测器或基于PC机的专用压力位移监测软件系统，但无疑会大幅度增加企业成本。

发明内容

为了解决上述背景技术中电子压装机存在的不足，本发明提出一种电子压装机专用控制器，内嵌适应压装机压装过程的优化神经网络控制算法，不仅能实现压力、位移的准确控制，还能够实现压装过程的实时监控和压力-位移曲线的实时采集与显示，且成本低廉。具体技术方案如下：

一种电子压装机专用控制器，包括：控制模块、接口模块、存储模块和传感器模块；所述接口模块和所述存储模块均与所述控制模块相连；所述传感器模块与所述接口模块相连；所述传感器模块用于采集电子压装机的压装信息并通过所述接口模块传递给所述控制模块；所述控制模块根据压装信息进行运算处理后输出控制信息并通过所述接口模块传递给电子压装机；所述接口模块还用于和外围设备进行交互；所述存储模块用于保存采集的压装信息数据。

作为优选技术方案，所述控制模块包括ARM微控制器和FPGA模块，所述ARM微控制器通过总线连接FPGA模块，所述FPGA模块在所述ARM微控制器的配合下通过内嵌算法实现对压装机的控制。

作为优选技术方案，所述内嵌算法采用模糊神经网路PID专用运动控制算法。

作为优选技术方案，所述ARM微控制器采用ARMCortex-M7架构芯片。

作为优选技术方案，所述接口模块包括A/D接口、D/A接口、数字I/O、伺服接口、USB接口、以太网接口以及触摸屏接口；所述A/D接口一端连接ARM微控制器、另一端连接传感器模块，所述D/A接口一端连接ARM微控制器、另一端连接电子压装机的伺服驱动器，所述伺服接口一端连接FPGA模块、另一端连接伺服驱动器，所述USB接口的一端和所述以太网接口的一端均连接ARM微控制器、所述USB接口的另一端和所述以太网接口的另一端均连接上位机，所述触摸屏接口一端连接ARM微控制器、另一端连接触摸屏，所述数字I/O用于连接开关按钮、指示灯以及上位机的开关量通道。

作为优选技术方案，所述传感器模块包括压力传感器和位移传感器；所述压力传感器安装在下模具上，所述位移传感器安装在上模具上。

作为优选技术方案，所述位移传感器采用磁尺或者光栅尺；所述压力传感器为应变片式传感器。

作为优选技术方案，所述存储模块为Flash ROM和SRAM。

基于上述控制器，本发明还提出了一种电子压装机的控制方法，包括如下步骤：

步骤1，通过通信接口与上位机连接，利用上位机配套编程软件或触摸屏创建加工程序，设置压装参数，所述参数包括位移、压力，并选择合适的判定方法；也可以直接通过触摸屏进行操作；

步骤2，开始压装，专用控制器控制伺服电机驱动伸缩杆快速下压，当压力传感器探测到压头与工件接触，专用控制器控制压装速度迅速降低，开始将一个工件压入到另一工件中；

步骤3，压装完成，压头上升到初始位置，同时触摸屏显示压装结果，并将检测到的压力、位移数据和检测结果进行存储。

作为优选技术方案，

步骤2还包括：压力传感器和位移传感器不断采集信号给控制模块，控制模块一方面根据压力、位移信号，利用模糊神经网络PID控制算法不断调整电机转速和转矩、另一方面将压力、位移信号与设置的参数进行对比，以判断压装是否合格，同时将压力、位移信号以曲线形式实时显示到触摸屏。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)采用ARM+FPGA的嵌入式结构，可以运行复杂的专用控制算法，实现PLC无法完成的复杂运动控制。

(2)可以实现压装过程压力、位移的全程精准测控，并实现压力—位移曲线的实时显示与历史记录。

(3)压装结果判定方法多样，适应性强，灵活性好。

(4)设备成本低，竞争力强。

附图说明

图1为本发明应用的电子压装机结构示意图；

图2为本发明的模块框图；

图3为本发明采用的模糊神经网络PID原理结构图；

图4为本发明采用的模糊神经网络PID控制原理图。

图中标记：1、伺服电机，2、减速机，3、伸缩杆，4、位移传感器，5、压头，6、工件，7、压力传感器，8、专用控制器，9、伺服驱动器，10、电控箱，11、触摸屏，12、机架，13、固定座。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

图1所示，伺服电机1、减速机2、伸缩杆3和压头5构成压装动力机构；伺服电机1通过固定座13安装在机架12上；专用控制器8、伺服驱动器9一起安装在电控箱10内(本发明中电控箱为铁盒子)，通过专用接口与伺服电机1、位移传感器4、压力传感器7、触摸屏11等连接。

作为优选，所述位移传感器4可以是光栅尺，也可以采用磁尺，光栅尺是数字式的传感器，需要通过接口传给FPGA进行解码，磁尺是模拟量的，需要通过A/D通道输入，具体根据用户精度要求选定，如果采用光栅尺需要与专用控制器8的正交编码接口相连，如果采用磁尺需要与专用控制器8的模拟量专用接口相连。所述压力传感器安装在下模具上，所述位移传感器安装在上模具上，所述压力传感器为应变片式传感器。

如图2所示，本发明以ARMCortex-M7架构芯片为核心，以SRAM和Flash ROM为存储设备，组成微处理器模块。具体包括：ARM微控制器(如STM32F7)，FPGA模块、A/D接口模块、D/A接口模块、数字I/O模块、伺服接口模块、通信接口模块、触摸屏接口模块等。

所述ARM微控制器通过A/D接口模块、D/A接口模块、数字I/O模块和通信模块等与压装机上的按钮(启动、复位、急停按钮)、传感器(包括压力传感器和位移传感器)、上位机或触摸屏等相连，用于实现压力数据的高速采集、运算、压装过程压力-位移的实时监测、判断和显示，以及与上位机的通讯与系统管理等，并实现与FPGA模块运动控制功能的协作；与所述ARM微控制器通过高速总线相连的FPGA模块是运动控制的核心，其通过伺服接口模块与伺服驱动器相连，在所述ARM微控制器的配合下通过内嵌模糊神经网路PID专用运动控制算法实现对伺服电机的速度、加速度、转矩和位移等控制，并实现光栅尺A、B相位移传感器位置检测信号的接收与解码。

另外，本发明中的USB接口、以太网接口、A/D接口、D/A接口、触摸屏接口、数字I/O和伺服接口等组成外部接口，是专用控制器与外部设备(如上位机等)、传感器、按钮等进行信息交流的通道。

所述A/D接口模块部分通道用于连接压力传感器，部分通道用于连接磁尺位移传感器(或光栅尺位移传感器)等模拟量的采集。

所述D/A接口模块用于输出模拟量电压给伺服驱动器，以实现模糊神经网路PID专用运动控制算法。

所述数字I/O模块用于连接开关按钮、开关量传感器、指示灯以及上位机的开关量通道。

所述通信接口模块包括USB接口、以太网接口等，用于与上位机进行通信。

所述伺服接口模块，是专用控制器与伺服驱动器连接的专用通道。

所述触摸屏接口用于连接触摸屏11，可以通过触摸屏11设置参数，也可以通过触摸屏11来显示数据信息。

微处理器模块利用ARM芯片强大的数据处理能力、浮点运算能力和内置A/D、D/A处理能力实现压力的采集和压力-位移曲线的显示与判断，利用内置USB、以太网通信协议能力实现与上位机和外围设备的通信，并完成整个系统的管理与信息显示。

FPGA模块是运动控制的核心，其与ARM微控制器通过总线进行高速通信，从微控制器接收电子压装机工作数据，如位移、速度、加速度等参数，并根据内置的模糊神经网络PID控制算法生成相应的控制信号，控制伺服电机运动，产生高精度压装力，同时采集光栅尺的位移信号，并进行A、B相解码，发送给ARM微控制器。

如图3和图4所示，本发明中模糊神经网路PID专用运动控制算法具体实现过程：ARM微控制器将得到的压头理论速度值实时传递给FPGA模块，FPGA将理论值与实际值进行比较，利用FPGA的高速运算能力通过神经网络训练得到最优模糊规则，根据偏差和偏差的微分通过模糊规则在线查询模糊矩阵对PID控制器参数进行整定之后将压头速度转化为伺服电机转速，并与伺服电机实际转速比较，最终得到伺服电机最佳驱动信号，实现电子压装机的控制精度、响应速度及稳定性。

利用本发明专用控制器实现压装机控制的方法包括如下步骤：

(1)通过通信接口与上位机连接，利用配套编程软件或触摸屏创建加工程序，设置压装参数，如位移、压力范围等，并选择合适的判定方法(判定方法为业内常用标准，包括根据位置检测压力、根据压力检测位置和根据位移检测压力)；也可以直接通过触摸屏进行操作。

(2)开始压装，专用控制器控制伺服电机驱动伸缩杆快速下压，当压力传感器探测到压头与工件接触，专用控制器8控制压装速度迅速降低，开始将一个工件6压入到另一工件6中。

(3)在步骤(2)的压装过程中，压力传感器和位移传感器不断采集信号给控制器，控制器一方面根据压力、位移信号，利用模糊神经网络PID控制算法不断调整电机转速和转矩、另一方面将压力、位移信号与设置的参数进行对比，以判断压装是否合格，同时将压力、位移信号以曲线形式实时显示到触摸屏，方便查看。

(4)压装完成，压头上升到初始位置，同时触摸屏显示压装结果，并将检测到的压力、位移数据和检测结果进行存储。

以上所述仅仅用于描述本发明的技术方案和具体实施例，并不用于限定本发明的保护范围，应当理解，在不违背本发明实质内容和精神的前提下，所作任何修改、改进或等同替换等都将落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种电子压装机专用控制器，包括控制模块、接口模块和传感器模块，所述接口模块与所述控制模块相连，所述传感器模块与所述接口模块相连；所述传感器模块用于采集电子压装机的压装信息并通过所述接口模块传递给所述控制模块；其特征在于，还包括存储模块；所述存储模块与所述控制模块相连；所述控制模块根据压装信息进行运算处理后输出控制信息，并通过所述接口模块传递给电子压装机；所述接口模块还用于和外围设备进行交互；所述存储模块用于保存采集的压装信息数据；所述控制模块包括ARM微控制器和FPGA模块，所述ARM微控制器通过总线连接FPGA模块，所述FPGA模块在所述ARM微控制器的配合下通过内嵌算法实现对压装机的控制；所述内嵌算法采用模糊神经网路PID专用运动控制算法；模糊神经网路PID专用运动控制算法具体实现过程：ARM微控制器将得到的压头理论速度值实时传递给FPGA模块，FPGA将理论值与实际值进行比较，利用FPGA的高速运算能力通过神经网络训练得到最优模糊规则，根据偏差和偏差的微分通过模糊规则在线查询模糊矩阵对PID控制器参数进行整定之后将压头速度转化为伺服电机转速，并与伺服电机实际转速比较，最终得到伺服电机最佳驱动信号。

2.根据权利要求1所述的一种电子压装机专用控制器，其特征在于，所述ARM微控制器采用ARMCortex-M7架构芯片。

3.根据权利要求1所述的一种电子压装机专用控制器，其特征在于，所述接口模块包括A/D接口、D/A接口、数字I/O、伺服接口、USB接口、以太网接口以及触摸屏接口；所述A/D接口一端连接ARM微控制器、另一端连接传感器模块，所述D/A接口一端连接ARM微控制器、另一端连接电子压装机的伺服驱动器，所述伺服接口一端连接FPGA模块、另一端连接伺服驱动器，所述USB接口的一端和所述以太网接口的一端均连接ARM微控制器、所述USB接口的另一端和所述以太网接口的另一端均连接上位机，所述触摸屏接口一端连接ARM微控制器、另一端连接触摸屏，所述数字I/O用于连接开关按钮、指示灯以及上位机的开关量通道。

4.根据权利要求1所述的一种电子压装机专用控制器，其特征在于，所述传感器模块包括压力传感器和位移传感器；所述压力传感器安装在下模具上，所述位移传感器安装在上模具上。

5.根据权利要求4所述的一种电子压装机专用控制器，其特征在于，所述位移传感器采用磁尺或者光栅尺；所述压力传感器为应变片式传感器。

6.根据权利要求1所述的一种电子压装机专用控制器，其特征在于，所述存储模块为Flash ROM、SRAM。

7.一种电子压装机的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，通过通信接口与上位机连接，利用上位机配套编程软件或触摸屏创建加工程序，设置压装参数，所述参数包括位移、压力，并选择合适的判定方法；也可以直接通过触摸屏进行操作；

步骤2，开始压装，如权利要求1-6任一项所述的电子压装机专用控制器控制伺服电机驱动伸缩杆快速下压，当压力传感器探测到压头与工件接触，专用控制器控制压装速度迅速降低，开始将一个工件压入到另一工件中；

步骤3，压装完成，压头上升到初始位置，同时触摸屏显示压装结果，并将检测到的压力、位移数据和检测结果进行存储。

8.根据权利要求7所述的一种电子压装机的控制方法，其特征在于，

步骤2还包括：压力传感器和位移传感器不断采集信号给控制模块，控制模块一方面根据压力、位移信号，利用模糊神经网络PID控制算法不断调整电机转速和转矩、另一方面将压力、位移信号与设置的参数进行对比，以判断压装是否合格，同时将压力、位移信号以曲线形式实时显示到触摸屏。