嵌入式电镦智能控制

1 引言
    气门是汽车发动机的重要零部件，是控制气缸吸入混合气或排出废气的阀门，形状呈菌形、平项，头部外缘做成圆锥面与气门座相配合。气门质量的好坏直接影响着发动机的动力和油耗。随着汽车行业的迅速发展，对气门品种和数量的需求愈来愈多，同时对质量要求也越来越高。
    目前气门的生产毛坯成型工艺主要有两种：挤压成型法和电热镦粗法。对比挤压成型法，电热镦粗法投资少，节能高效，是国内气门毛坯的主要生产方式，如图1所示为气门棒料、气门镦件和气门半成品。电热镦粗工艺是利用工件本身的电阻，在通以低电压大电流同时对其施加外力，当工件被加热到塑性变形温度时逐渐被镦粗的过程。

2 嵌入式智能电镦控制系统的设计
2．1 电镦控制系统结构
    电镦机控制系统主要是实现电热镦粗工作过程中电流、压力和上下料的控制。嵌入式智能电镦机控制系统的硬件设计主要采用以ARM7微处理器为核心的硬件平台，系统结构如图2所示。

    控制器根据预设参数，通过总线驱动D／A控制镦粗顶锻压力、镦粗电流、砧子回退的速度。位移和温度等参数由传感器读取，经过比较计算之后再经总线输出，实现闭环控制。自动上下料机械手的控制使用光电隔离分隔电磁阀与核心板电信号，提高抗干扰能力；镦粗过程中的状态和参数分别通过信号指示灯和LCD屏监控显示；同时LCD触摸屏还具有参数输入和调试控制功能。
2．2 电镦系统控制流程
    电镦工艺是根据朔性力学和传热学原理，利用工件本身的电阻，通过控制加载在工件上的电流和压力，使工件通电发热，当工件被加热到塑性变形温度时逐渐被镦粗成型。在嵌入式智能电镦机上，还设计有自动上下料机械手，实现电镦过程的连续自动生产。设计中，将电镦控制过程分为：上料，预热，上料复位，热镦，上料准备，热镦结束，热镦复位，下料等过程。
    在这些过程中，动作之间的协调配合不但可以提高生产效率，而且还可以提高加工质量。采用嵌入式实时操作系统，可以大大优化工作过程中各动作的协调配合。μC／OS-II是一种可剥夺内核的实时多任务操作系统，具有良好的实时性能和多任务功能，结构小巧、执行效率高、占用空间小。在μC／OS-Ⅱ操作系统上，将控制流程中的一些加工步骤并行触发，使加工流程更加紧凑高效，有助于提高电镦生产效率。
2．3 核心控制电路
    核心控制电路是嵌入式硬件的最小系统，存储操作系统、应用软件及提供硬件运行平台。在核心控制系统中主要是采用ARM微处理器作为主控制器，电镦机的控制软件和工艺参数文件保存在2MB的NorFlash中，控制程序在8MB的SDRAM中执行。RS232通信接口用于PC机下载程序和反馈硬件平台的调试信息。JTAG是微处理器配置的调试接口，可以使用仿真器通过JTAG接口对硬件平台进行仿真调试；同时，JTAG接口还可以实现Nor Flash程序固化功能。微处理器芯片已经提供了LCD控制器，因此不需要外接控制器，使用方便。数据总线输出压力、速度、电压等数据信号量，要经过总线驱动器保证数据的传输无误。AD输入经电平转换后直接输入到处理器上。
2．4 基于μC／OS—II的控制系统设计
    嵌入式智能电镦控制系统在ARM7内核的S3C4480微处理器上移植了μC／OS-II，并开发了电镦控制系统应用程序。整个控制系统分为6个任务：上料，下料，镦粗缸，砧子缸，变压器，人机界面。各任务优先级从高到低如下分配：砧子缸8，镦粗缸12，变压器14，上料16，下料20，人机界面24。任务间通过预先创建的信号量进行任务切换。为了保证控制位移的实时采集，位移传感器信号以中断方式输入。
    人机界面在移植到S3C4480的μC／GUI基础上设计。由于S3C4480有LCD控制器，所以在移植μC／GUI时，只需要移植μC／GUI驱动层9个函数。
    LCD_L0_Init()； 初始化显示屏并清屏；
    LCD_L0_Rinit()； 重新初始化显示屏，不清屏；
    LCD_L0_Off()； 关闭LCD；
    LCD_L0_On()； 开启LCD；
    LCD_L0_DrawBitmap()；画位图；
    LCD_L0_DrawHLine()；绘水平线；
    LCD_L0_DrawVLine()；绘垂直线；
    LCD_L0_FillRect()； 矩形填充框：
    LCD_L0_XorPixel； 反转一个像素点：
    移植完成以后，就可以直接在μC／GUI应用层上设计人机界面。通过其提供的窗口管理控件，为电镦控制系统设计了主界面、参数设置界面、调试界面等窗口。在各窗口下，根据功能设置的不同，分别创建了l～4个子窗口。重绘函数通过LCD触摸屏或者时钟信号激活，发送信号量后，由系统调度刷新LCD显示屏。人机界面简单方便，操作设计人性化。

3 电镦机控制特性分析
3．1 电镦常见缺陷
    气门毛坯成型过程中，由于各方面的参数影响，会出现不同类型的废品，主要缺陷有：头部有裂纹、顶部出现折叠、成型歪斜不均匀。
    当毛坯成形时棒料过热、变形量大，在附加拉应力的作用下产生轴向裂纹。折叠产生原因是始镦温度与终镦温度相差较大，金属聚集结合不好，有明显的分界线，形成台阶状的折叠。而成型歪斜是由于砧子块棒料接触电阻相差悬殊，造成两边电流不均匀，棒料过多地流向温度高的一侧，引起歪斜。
    从上面分析可见，常见缺陷成因主要可以归结为：压力不稳定，电流不均匀，驱动系统有时滞性。
3．2 气液结合驱动
    电镦机振动本身是复杂的非线性系统，无法获得精确的数值解，为建立电镦机的振动力学模型，在此做如下假设：
    (1)将电镦机机身、工件、砧子缸看作刚性质量块；忽略电镦机连接及驱动部件之间的间隙对电镦机振动的影响。
    (2)将电镦机机身及镦粗缸等效为线性弹簧。
    (3)只考虑电镦机纵向方向的振动。
    由工程振动理论知：振动系统受到激励发生的振动，是由有阻尼自由振动与稳态振动组成的。如图3所示为电镦机等效弹簧一质量系统简图，k为弹簧刚度，c为粘性阻尼系数，F为一阶跃激励，所谓阶跃激励就是受到常力F的突然作用，即F(t)=F。

    系统的运动微分方程为：

   
    阻尼比ξ的大小可以用来表示振幅衰减的快慢，阻尼比越大，振幅的衰减越快；阻尼比越小，则超调量越大。由于液压缸弹簧刚度k值远大于气缸k值，故液压缸系统阻尼比小于气缸系统阻尼比，可以判断在同样阶跃激励作用下，液压系统振动更厉害。
    在嵌入式智能电镦机上，选择了气液结合驱动。气液联合驱动是指以压缩空气为动力源，通过气液转换元件将气体动力转换成液体动力的驱动方式。在本系统中，采用气液联动驱动砧子块，镦粗缸采用直接气体动力驱动。图4是在镦粗缸换向时，压力传感器测得的压力振动曲线示波器截图。液压驱动式镦粗缸振动幅值比气体驱动大25倍，振荡次数超过10次。实验证明，气液结合驱动系统压力稳定性好。

4 模糊自整定PID控制策略
    电镦控制系统属于非线性时滞系统，涉及温度、压力、电流等参数的控制。用常规的PID控制器，难以达到较好的效果。模糊PID是将模糊控制与经典PID控制相结合的控制器，适用毛非线性、数学模型不确定的系统。
    模糊自整定PID是在PID算法的基础上，通过计算当前系统误差e和误差变化ec，利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行参数调整。模糊控制设计的核心问题是总结设计人员的技术知识和实际操作经验，建立合适的模糊规则表，得到针对kD、ki、kd三个参数分别整定的模糊控制表。kp、ki、kd的模糊规则表建立后，再应用模糊合成推理设计PID参数的模糊矩阵表，查出修正参数带入下式计算：

   
    在线运行过程中，控制系统通过对模糊逻辑规则的结果处理、查表和运算，完成对PID参数在线自校正。
    在电镦控制系统中，分别有电流、压力、速度三个控制参数；以压力为例来说明。在初始阶段，由于棒料加热温度没达到形变要求，形变较慢。在热镦阶段，温度已到达要求，形变较快。所以，可通过检测温度实时值，来控制压力输出。把经验所得的温度和压力对应表作为模糊集。温度作为控制器的输入量，经过模糊矢量化后输入给PID控制器，最终得到PID输出量后，转换位压力控制量输出给气压比例阀实现压力控制。系统框图如图5所示。

5 结语
    嵌入式智能电镦机采用ARM7微处理器为核心的控制平台，实现了电镦加工过程的自动控制。基于μC／OS-II操作系统设计的控制软件，人机界面简单方便，操作人性化。选用模糊PID控制策略，克服了系统的非线性和时滞性问题，鲁棒性大大增强。本系统经某汽配厂电镦现场使用表明，提高了气门生产自动化程度，有助于提高工厂的经济效益。