1、引言

氣門是汽車發(fā)動機(jī)的重要零部件，是控制氣缸吸入混合氣或排出廢氣的閥門，形狀呈菌形、平項(xiàng)，頭部外緣做成圓錐面與氣門座相配合。氣門質(zhì)量的好壞直接影響著發(fā)動機(jī)的動力和油耗。隨著汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，對氣門品種和數(shù)量的需求愈來愈多，同時對質(zhì)量要求也越來越高。

目前氣門的生產(chǎn)毛坯成型工藝主要有兩種：擠壓成型法和電熱鐓粗法。對比擠壓成型法，電熱鐓粗法投資少，節(jié)能高效，是國內(nèi)氣門毛坯的主要生產(chǎn)方式，如圖1所示為氣門棒料、氣門鐓件和氣門半成品。電熱鐓粗工藝是利用工件本身的電阻，在通以低電壓大電流同時對其施加外力，當(dāng)工件被加熱到塑性變形溫度時逐漸被鐓粗的過程。

2、嵌入式智能電鐓控制系統(tǒng)的設(shè)計

2．1 電鐓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電鐓機(jī)控制系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)電熱鐓粗工作過程中電流、壓力和上下料的控制。嵌入式智能電鐓機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要采用以ARM7微處理器為核心的硬件平臺，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

控制器根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)，通過總線驅(qū)動D／A控制鐓粗頂鍛壓力、鐓粗電流、砧子回退的速度。位移和溫度等參數(shù)由傳感器讀取，經(jīng)過比較計算之后再經(jīng)總線輸出，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。自動上下料機(jī)械手的控制使用光電隔離分隔電磁閥與核心板電信號，提高抗干擾能力；鐓粗過程中的狀態(tài)和參數(shù)分別通過信號指示燈和LCD屏監(jiān)控顯示；同時LCD觸摸屏還具有參數(shù)輸入和調(diào)試控制功能。

2．2 電鐓系統(tǒng)控制流程

電鐓工藝是根據(jù)朔性力學(xué)和傳熱學(xué)原理，利用工件本身的電阻，通過控制加載在工件上的電流和壓力，使工件通電發(fā)熱，當(dāng)工件被加熱到塑性變形溫度時逐漸被鐓粗成型。在嵌入式智能電鐓機(jī)上，還設(shè)計有自動上下料機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)電鐓過程的連續(xù)自動生產(chǎn)。設(shè)計中，將電鐓控制過程分為：上料，預(yù)熱，上料復(fù)位，熱鐓，上料準(zhǔn)備，熱鐓結(jié)束，熱鐓復(fù)位，下料等過程。

在這些過程中，動作之間的協(xié)調(diào)配合不但可以提高生產(chǎn)效率，而且還可以提高加工質(zhì)量。采用嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)，可以大大優(yōu)化工作過程中各動作的協(xié)調(diào)配合。μC／OS-II是一種可剝奪內(nèi)核的實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)，具有良好的實(shí)時性能和多任務(wù)功能，結(jié)構(gòu)小巧、執(zhí)行效率高、占用空間小。在μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)上，將控制流程中的一些加工步驟并行觸發(fā)，使加工流程更加緊湊高效，有助于提高電鐓生產(chǎn)效率。

2．3 核心控制電路

核心控制電路是嵌入式硬件的最小系統(tǒng)，存儲操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件及提供硬件運(yùn)行平臺。在核心控制系統(tǒng)中主要是采用ARM微處理器作為主控制器，電鐓機(jī)的控制軟件和工藝參數(shù)文件保存在2MB的NorFlash中，控制程序在8MB的SDRAM中執(zhí)行。RS232通信接口用于PC機(jī)下載程序和反饋硬件平臺的調(diào)試信息。JTAG是微處理器配置的調(diào)試接口，可以使用仿真器通過JTAG接口對硬件平臺進(jìn)行仿真調(diào)試；同時，JTAG接口還可以實(shí)現(xiàn)Nor Flash程序固化功能。微處理器芯片已經(jīng)提供了LCD控制器，因此不需要外接控制器，使用方便。數(shù)據(jù)總線輸出壓力、速度、電壓等數(shù)據(jù)信號量，要經(jīng)過總線驅(qū)動器保證數(shù)據(jù)的傳輸無誤。AD輸入經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后直接輸入到處理器上。

2．4 基于μC／OS—II的控制系統(tǒng)設(shè)計

嵌入式智能電鐓控制系統(tǒng)在ARM7內(nèi)核的S3C4480微處理器上移植了μC／OS-II，并開發(fā)了電鐓控制系統(tǒng)應(yīng)用程序。整個控制系統(tǒng)分為6個任務(wù)：上料，下料，鐓粗缸，砧子缸，變壓器，人機(jī)界面。各任務(wù)優(yōu)先級從高到低如下分配：砧子缸8，鐓粗缸12，變壓器14，上料16，下料20，人機(jī)界面24。任務(wù)間通過預(yù)先創(chuàng)建的信號量進(jìn)行任務(wù)切換。為了保證控制位移的實(shí)時采集，位移傳感器信號以中斷方式輸入。

人機(jī)界面在移植到S3C4480的μC／GUI基礎(chǔ)上設(shè)計。由于S3C4480有LCD控制器，所以在移植μC／GUI時，只需要移植μC／GUI驅(qū)動層9個函數(shù)。

LCD_L0_Init（）； 初始化顯示屏并清屏；

LCD_L0_Rinit（）； 重新初始化顯示屏，不清屏；

LCD_L0_Off（）； 關(guān)閉LCD；

LCD_L0_On（）； 開啟LCD；

LCD_L0_DrawBitmap（）；畫位圖；

LCD_L0_DrawHLine（）；繪水平線；

LCD_L0_DrawVLine（）；繪垂直線；

LCD_L0_FillRect（）； 矩形填充框：

LCD_L0_XorPixel； 反轉(zhuǎn)一個像素點(diǎn)：

移植完成以后，就可以直接在μC／GUI應(yīng)用層上設(shè)計人機(jī)界面。通過其提供的窗口管理控件，為電鐓控制系統(tǒng)設(shè)計了主界面、參數(shù)設(shè)置界面、調(diào)試界面等窗口。在各窗口下，根據(jù)功能設(shè)置的不同，分別創(chuàng)建了l～4個子窗口。重繪函數(shù)通過LCD觸摸屏或者時鐘信號激活，發(fā)送信號量后，由系統(tǒng)調(diào)度刷新LCD顯示屏。人機(jī)界面簡單方便，操作設(shè)計人性化。

3、電鐓機(jī)控制特性分析

3．1 電鐓常見缺陷

氣門毛坯成型過程中，由于各方面的參數(shù)影響，會出現(xiàn)不同類型的廢品，主要缺陷有：頭部有裂紋、頂部出現(xiàn)折疊、成型歪斜不均勻。

當(dāng)毛坯成形時棒料過熱、變形量大，在附加拉應(yīng)力的作用下產(chǎn)生軸向裂紋。折疊產(chǎn)生原因是始鐓溫度與終鐓溫度相差較大，金屬聚集結(jié)合不好，有明顯的分界線，形成臺階狀的折疊。而成型歪斜是由于砧子塊棒料接觸電阻相差懸殊，造成兩邊電流不均勻，棒料過多地流向溫度高的一側(cè)，引起歪斜。

從上面分析可見，常見缺陷成因主要可以歸結(jié)為：壓力不穩(wěn)定，電流不均勻，驅(qū)動系統(tǒng)有時滯性。

3．2 氣液結(jié)合驅(qū)動

電鐓機(jī)振動本身是復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，無法獲得精確的數(shù)值解，為建立電鐓機(jī)的振動力學(xué)模型，在此做如下假設(shè)：

（1）將電鐓機(jī)機(jī)身、工件、砧子缸看作剛性質(zhì)量塊；忽略電鐓機(jī)連接及驅(qū)動部件之間的間隙對電鐓機(jī)振動的影響。

（2）將電鐓機(jī)機(jī)身及鐓粗缸等效為線性彈簧。

（3）只考慮電鐓機(jī)縱向方向的振動。

由工程振動理論知：振動系統(tǒng)受到激勵發(fā)生的振動，是由有阻尼自由振動與穩(wěn)態(tài)振動組成的。如圖3所示為電鐓機(jī)等效彈簧一質(zhì)量系統(tǒng)簡圖，k為彈簧剛度，c為粘性阻尼系數(shù)，F(xiàn)為一階躍激勵，所謂階躍激勵就是受到常力F的突然作用，即F（t）=F。

系統(tǒng)的運(yùn)動微分方程為：

阻尼比ξ的大小可以用來表示振幅衰減的快慢，阻尼比越大，振幅的衰減越快；阻尼比越小，則超調(diào)量越大。由于液壓缸彈簧剛度k值遠(yuǎn)大于氣缸k值，故液壓缸系統(tǒng)阻尼比小于氣缸系統(tǒng)阻尼比，可以判斷在同樣階躍激勵作用下，液壓系統(tǒng)振動更厲害。

在嵌入式智能電鐓機(jī)上，選擇了氣液結(jié)合驅(qū)動。氣液聯(lián)合驅(qū)動是指以壓縮空氣為動力源，通過氣液轉(zhuǎn)換元件將氣體動力轉(zhuǎn)換成液體動力的驅(qū)動方式。在本系統(tǒng)中，采用氣液聯(lián)動驅(qū)動砧子塊，鐓粗缸采用直接氣體動力驅(qū)動。圖4是在鐓粗缸換向時，壓力傳感器測得的壓力振動曲線示波器截圖。液壓驅(qū)動式鐓粗缸振動幅值比氣體驅(qū)動大25倍，振蕩次數(shù)超過10次。實(shí)驗(yàn)證明，氣液結(jié)合驅(qū)動系統(tǒng)壓力穩(wěn)定性好。

4、模糊自整定PID控制策略

電鐓控制系統(tǒng)屬于非線性時滯系統(tǒng)，涉及溫度、壓力、電流等參數(shù)的控制。用常規(guī)的PID控制器，難以達(dá)到較好的效果。模糊PID是將模糊控制與經(jīng)典PID控制相結(jié)合的控制器，適用毛非線性、數(shù)學(xué)模型不確定的系統(tǒng)。

模糊自整定PID是在PID算法的基礎(chǔ)上，通過計算當(dāng)前系統(tǒng)誤差e和誤差變化ec，利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，查詢模糊矩陣表進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。模糊控制設(shè)計的核心問題是總結(jié)設(shè)計人員的技術(shù)知識和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，建立合適的模糊規(guī)則表，得到針對kD、ki、kd三個參數(shù)分別整定的模糊控制表。kp、ki、kd的模糊規(guī)則表建立后，再應(yīng)用模糊合成推理設(shè)計PID參數(shù)的模糊矩陣表，查出修正參數(shù)帶入下式計算：

在線運(yùn)行過程中，控制系統(tǒng)通過對模糊邏輯規(guī)則的結(jié)果處理、查表和運(yùn)算，完成對PID參數(shù)在線自校正。

在電鐓控制系統(tǒng)中，分別有電流、壓力、速度三個控制參數(shù)；以壓力為例來說明。在初始階段，由于棒料加熱溫度沒達(dá)到形變要求，形變較慢。在熱鐓階段，溫度已到達(dá)要求，形變較快。所以，可通過檢測溫度實(shí)時值，來控制壓力輸出。把經(jīng)驗(yàn)所得的溫度和壓力對應(yīng)表作為模糊集。溫度作為控制器的輸入量，經(jīng)過模糊矢量化后輸入給PID控制器，最終得到PID輸出量后，轉(zhuǎn)換位壓力控制量輸出給氣壓比例閥實(shí)現(xiàn)壓力控制。系統(tǒng)框圖如圖5所示。

5、結(jié)語

嵌入式智能電鐓機(jī)采用ARM7微處理器為核心的控制平臺，實(shí)現(xiàn)了電鐓加工過程的自動控制。基于μC／OS-II操作系統(tǒng)設(shè)計的控制軟件，人機(jī)界面簡單方便，操作人性化。選用模糊PID控制策略，克服了系統(tǒng)的非線性和時滯性問題，魯棒性大大增強(qiáng)。本系統(tǒng)經(jīng)某汽配廠電鐓現(xiàn)場使用表明，提高了氣門生產(chǎn)自動化程度，有助于提高工廠的經(jīng)濟(jì)效益。

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