专利名称：单刀线束机的刀具快速控制系统和方法
技术领域：
本发明提供一种线束机刀具控制系统和方法，特别是一种单刀线束机的刀具快速控制系统和方法。
背景技术：
线束机是自动化生产线束产品专用设备。随着电子技术、信息技术和汽车制造等行业的迅猛发展，线束产品得到越来越广泛的应用。市场对线束末端加工产品的质量要求越来越高，需求量也日益增大，这些需求推动了现代化、自动化线束机设备的发展。为适应这种柔性化生产制造的需求，20世纪80年代，日本、瑞士等相继开始研发并很快推出电子专用设备---CNC全自动端子连接压着机。如日本JAM株式会社的RAINBON和MINIC系列全自动端子压着机，Kodera电子制作所的C系列全自动端子压着机、瑞士Komax公司的R系列全自动线束机器等。
和国外相比，目前国内对线束加工设备研究较少，先进的线束加工设备基本靠国外引进。许多线束设备仍处于单机性质的初级阶段，线束加工生产的基本组织方式是适应国内劳动力密集型的单机组合方式，即采用开线、剥头、压接、组装、检测等人工监控工艺来完成线束产品的生产过程。目前国内线束加工设备较高水平的产品---自动线束机，其运转速度在1000-3000根/小时左右(一般国外先进设备的加工能力都达到6000-9000根/小时)，远低于国外同类设备。因此，国产设备能力限制了线束生产向低成本、高效率、快速、高质量控制方向发展，已成为行业发展的瓶颈。
研究发现，线束机具有加工工艺复杂，动作繁多(达到70个以上，并且40％以上执行动作与刀具相关)，系统单个动作的执行时间以及动作间的衔接时间要求严格等特点。目前国内电子专用线束机主要使用的是单刀设备，在现有线束加工技术中，要用单刀实现双端子的加工，需要通过延时方法来控制刀具加工。目前采用的刀具控制方法所存在的缺点延时时间需要用多次试验方法测试，时间精度难于控制，因此造成加工的效率低下。由于线束机往往用于产品的批量生产，生产效率就成为一项非常重要的指标，要提高线束机加工效率，必须精确分配各个动作流程时间，特别是对刀具的控制更加合理，更为高效，尤其在单刀的线束机上，刀具控制的优劣已经成为制约国内线束机加工效率提高的关键瓶颈技术之一。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种单刀线束机的刀具快速控制系统和方法，在单刀的线束机上，高效利用刀具，单刀实现双刀的功能。
为达到上述目的，本发明的构思如下●系统的模块化及任务时间分配规律。
根据系统的要求，对应用组合软硬件结构实现柔性化配置进行研究，将整个机械和电气系统进行合理拆分，把复杂线束加工进行了模块化处理，分割成相对独立的模块化(前端模块、刀具模块、后端模块)，分别用三片CPU控制，其中刀具模块为单刀。根据加工过程中的各个子过程的时间开销，合理的计算前端模块、刀具模块、后端模块的动作占用时间。确定前端模块、后端模块让刀以及刀具运动的最佳时机，对线束两端加工，高效使用单刀实现双刀的功能。
本发明中，前端模块、后端模块采用无中断四任务调度，刀具模块采用有中断六任务调度。前端模块四任务为前端剥线、前端旋转压接、前端压接检测、前端送线；后端模块四任务为后端剥线、后端旋转压接、后端压接检测、后端取线；刀具模块六任务为配合前端剥线、前端送线、后端剥线的刀具下切和刀具上抬。下面分为不允许任务间互相中断和有任务中断的单调比例调度二种情况进行研究。
(一)对于不允许任务间互相中断的执行过程，其调度时间计算如式(1)所示。左边为利用率计算，右边为利用率边界。
Σj=1n(EjPj)≤n(21n-1)---(1)]]>其中，“n”代表最大的任务数，“E”代表任务“j”的执行时间，“P”代表任务“j”的周期。为保证调度器有足够的时间执行所有的任务，所有任务的执行都必须满足式(1)条件。
随任务量的增加，任务的利用率边界减小，任务量与利用率边界关系如表1所示。
表1任务量与利用率边界关系
在图1四个任务的调度图中，任务运行于不同的周期，执行的时间也不相同。图1中四个任务的调度在没有中断的单调比例调度下，其利用率计算如表2所示。
表2没有任务中断的单调比例调度下利用率的计算
四个任务的利用率边界为0.75左右(见表1)，现在计算出的利用率是0.675，其小于利用率边界值0.75，所以满足调度器的时间边界值。
(二)对于有任务中断的单调比例调度，其实现过程要允许高优先级的任务阻塞低优先级的任务的执行，其调度时间计算如式(2)所示。左边为利用率计算，右边为利用率边界Σj=1n(EjPj)+maxjΣj=1n(BjPj)≤n(21n-1)---(2)]]>其中“n”为最大的任务数，“E”是任务“j”的执行时间，“P”是任务“j”的周期，“B”是任务“j“的阻塞时间。为分析各个任务的阻塞时间，可以找一个优先级高的线程，它可以中断其他各个任务线程。六个任务的调度图如图2所示。
图2所示的六个任务调度在有任务中断的单调比例调度下，其利用率计算如表3所示。
表3有任务中断的单调比例调度下利用率的计算
注意任务1和任务2能够中断任务4、5、6，将任务1和任务2的执行时间之和除以任务3的运行周期，可计算出任务3的阻塞时间为0.075ms。由表3可知，由于利用率0.633低于六个任务的利用率边界0.735，所以满足调度器的时间边界要求。
根据上述式子，我们把整个加工过程分解为前端剥线、前端旋转压接、前端压接检测、前端送线、后端剥线、后端旋转压接、后端压接检测、后端取线八个任务，刀具任务已包括在前端剥线、前端送线、后端剥线任务中。前端和后端会出现同时运动，假设前端剥线时间为T0，前端旋转压接时间为T1，前端压接检测时间为T2，前端送线时间为T3，后端剥线时间为T4，后端旋转压接时间为T5，后端压接检测时间为T6，后端取线时间为T7，根据公式(1)、(2)，把任务时间分配为T0∶T1∶T2∶T3∶T4∶T5∶T6∶T7＝2∶3∶1∶1.5∶2∶3∶1∶4效果最佳。
●系统任务的并行性及通讯实时性模块化的设计为并行技术提供了保证。将所产生的模块在控制上进行合理拆分，形成智能终端的模块化控制方案，三模块实现多任务的并行，多个电机可同时工作，这样可以分摊任务压力，使各模块能够将更多的资源用于对系统的监控和优化上。模块智能化的时候尽可能将模块内的资源进行监控，做到模块和模块间只有关键参数和模块命令的传输。前端模块、刀具模块、后端模块三个模块的划分及PWM技术的采用，不仅使得前端模块、刀具模块、后端模块可以并行动作，而且各模块内部也可以并行动作，这样大大减少了等待的时间，提高了加工效率。
上述模块之间通讯采用通用I/O口来提高了系统的实时性，使用信息编码技术对各模块的状态信息进行编码反馈。通讯时包括状态信息码和验证码，验证码2位，是状态信息码的末四位异或的结果。即状态信息码最后两位异或得到一位验证码，倒数三、四位异或得到一位验证码。验证码用来检验状态信息码正确与否，对于通讯不正确的状态，系统可以自行重发，直到通讯正确。另外，模块之间自动重复发送、软件滤波技术和通讯技术的采用大大提高了系统的健壮性。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案一种单刀线束机的刀具快速控制系统，由一个前端模块、一个刀具模块和一个后端模块组成，其特征在于所述的前端模块、刀具模块和后端模块分别用三片CPU控制执行任务前端模块控制执行四个任务前端剥线、前端旋转压接、前端压接检测和前端送线；后端模块控制执行四个任务后端剥线、后端旋转压接、后端压接检测和后端取线；刀具模块控制执行六个任务配合前端剥线、前端送线和后端剥线的刀具下切和刀具上抬；所述的前端模块和后端模块与刀具模块相连，前端模块和后端模块的让刀及刀具模块的刀具运动任务时间的最佳分配，实现单刀对线束两端加工。
上述的刀具模块的结构是一片CPU通过PWM口连接一个刀具电机、分别通过I/O连接一个上位传感器和一个下位传感器，分别通过I/O口连接所述的前端模块和后端模块。
上述的前端模块的结构是一片CPU分别通过PWM口连接一个前端旋转电机和一个进线电机，分别通过I/O口连接一个前旋电机定位传感器、一个进线检查传感器、一个前压接机和一个前端子检测传感器，分别通过A/D接口连接一个前剥检测传感器和一个前压检测传感器，通过大电流I/O口连接一个前压接同步阀，分别通过I/O口连接刀具模块和后端模块。
上述的后端模块的结构是一片CPU分别通过PWM口连接一个后端剥线电机和一个后端旋转电机，分别通过I/O口连接一个后旋电机定位传感器、一个后压接机、一个后端子检测传感器，分别通过A/D接口连接一个后剥检测传感器和一个后压检测传感器，通过大电流I/O口连接一个后压接同步阀，分别通过I/O口连接所述的刀具模块和前端模块。
一种单刀线束机的刀具快速控制方法，采用上述的单刀线束机的刀具控制系统进行控制，其特征在于根据加工过程中的各子过程的时间开销，合理分配前端模块、刀具模块和后端模块的占用时间，确定前端模块、后端模块的让刀以及刀具模块的刀具运动的最佳时机对线束两端加工，从而线束机的单刀能被高效使用，实现双刀功能。
上述的单刀线束机的刀具快速控制方法的具体控制步骤如下
(1)计算各模块运动时间根据加工过程的时间开销，计算各个任务的时间分配；(2)根据计算的各任务时间分配，确定各个动作最佳时机；(3)按确定的各动作最佳时机依次控制如下各动作(a)前端模块发出请求信号；(b)刀具模块判断，后端让刀，刀具动作；(c)后端模块发出请求信号；(d)刀具模块判断，前端让刀，刀具动作；(e)刀具模块准备接收信号，完成一次循环，加工完成一根线束的两端加工，接着重复步骤(a)至(e)。
在上述的单刀线束机的刀具快速控制方法中，所述的前端模块和后端模块分别采用无中断四任务调度，对所述的刀具模块采用有中断六任务调度(1)所述的无中断四任务调度即对四个任务执行过程中不允许任务间互相中断，其调度时间按下式计算Σj=1n[EjPj]≤n(21n-1),]]>式左边为利用率计算，式右边为利用率边界，式中n为最大的任务数，E为任务j的执行时间，P为任务j的周期；(2)所述的有中断六任务调度即对六个任务执行过程中允许高优先级的任务阻塞，低优先级的任务的执行，其调度时间按下式计算Σj=1n[EjPj]+maxjΣj=1n[BjPj]≤n(21n-1),]]>式左边为利用率计算，式右边为利用率边界，式中n为最大的任务数，E为任务j的执行时间，P为任务j的周期，B为任务j的阻塞时间；上述的刀具模块与前端模块和后端模块之间的通讯，使用信息编码，包括状态信息码和验证码，其验证码为2位，是状态信息码的末四位异或的结果，即状态信息码最后两位异或得到一位验证码，倒数三、四位异或得到一位验证码；验证码用于检验状态信息码正确与否，对于通讯不正确的状态，系统自行重发，直到通讯正确；并采用软件滤波程序，提高其通讯的准确性和健壮性。
本发明与现有技术相比较，具有如下突出实质性特点和显著优点
1、线束电子专用设备的模块化的结构设计方案，通过对系统模块化的结构设计，使得系统功能设置灵活，可配置性强，并可对部件进行分割单独处理，灵活地配置机械部件和电控系统，符合个性加工需求，使得系统具有并行性及开放性。
2、刀具快速控制方法，单刀实现了双刀的加工功能。根据加工过程中的各个子过程的时间开销，合理的分配前端模块、刀具模块、后端模块的占用时间。通过理论计算，对加工过程分解为八个任务，并得出各个任务的时间分配规律。
3、系统模块间的通讯实时性及健壮性。在方法实现过程中，I/O通讯、信息编码技术、自动重发、软件滤波等技术的采用，极大的提高了通讯的实时性、准确性和程序的健壮性。
本发明思路简洁高效、使用方便，能大大提高线束生产效率。而且它不局限于线束机上，经过比较小的改动，可以应用于相似控制功能的系统，该方法适用范围广。
图1是本发明的四个任务的调度示意图。
图2是本发明的六个任务的调度示意图。
图3是本发明的控制系统示意框图。
图4是本发明的刀具模块结构框图。
图5是本发明的前端模块结构框图。
图6是本发明的后端模块结构框图。
图7是本发明控制方法程序框图。
图8是本发明控制方法软件滤波程序框图。
具体实施例方式
本发明的一个优选实施例结合附图详述如下参见图3、图4、图5和图6，本单刀线束机的刀具快速控制系统由一个前端模块1、一个刀具模块2和一个后端模块3组成，分别用三片CPU 4、5、6控制执行任务前端模块1控制执行四个任务前端剥线、前端旋转压接、前端压接检测和前端送线；后端模块3控制执行四个任务后端剥线、后端旋转压接、后端压接检测和后端取线；刀具模块2控制执行六个任务配合前端剥线、前端送线和后端剥线的刀具下切和刀具上抬；所述的前端模块1和后端模块3与刀具模块2相连，前端模块1和后端模块3的让刀及刀具模块2的刀具运动任务时间的最佳分配，实现单刀对线束两端加工。
参见图4，上述的刀具模块2的结构是一片CPU 4通过PWM口连接一个刀具电机7、分别通过I/O连接一个上位传感器8和一个下位传感器9，分别通过I/O口连接所述的前端模块1和后端模块3。CPU4还通过大电流I/O接口连接一个报警灯12，通过UART0口连接一个液晶屏，通过电源接口连接电源，并有JTAG接口和CAN接口。
参见图5，上述的前端模块1的结构是一片CPU 5分别通过PWM口连接一个前端旋转电机13和一个进线电机14，分别通过I/O口连接一个前旋电机定位传感器15、一个进线检查传感器16、一个前压接机19和一个前端子检测传感器20，分别通过A/D接口连接一个前剥检测传感器17和一个前压检测传感器18，通过大电流I/O口连接一个前压接同步阀21，分别通过I/O口连接刀具模块2和后端模块3。CPU5通过电源接口连接电源，并有JTAG接口和CAN接口。
参见图6，上述的后端模块3的结构是一片CPU 6分别通过PWM口连接一个后端剥线电机22和一个后端旋转电机24，分别通过I/O口连接一个后旋电机定位传感器23、一个后压接机27、一个后端子检测传感器28，分别通过A/D接口连接一个后剥检测传感器25和一个后压检测传感器26，通过大电流I/O口连接一个后压接同步阀29，分别通过I/O口连接所述的刀具模块2和前端模块1。CPU 6通过电源接口连接电源，并有JTAG接口和CAN接口。
参见图7，本单刀线束机的刀具快速控制方法是采用上述系统进行控制，其控制步骤如下(1)计算各模块运动时间根据加工过程的时间开销，计算各个任务的时间分配；(2)根据计算的各任务时间分配，确定各个动作最佳时机；(3)按确定的各动作最佳时机依次控制如下各动作(a)前端模块发出请求信号；(b)刀具模块判断，后端让刀，刀具动作；(c)后端模块发出请求信号；(d)刀具模块判断，前端让刀，刀具动作；(e)刀具模块准备接收信号，完成一次循环，加工完成一根线束的两端加工，接着重复步骤(a)至(e)。
上述的前端模块1和后端模块3分别采用无中断四任务调度，对所述的刀具模块2采用有中断六任务调度(1)所述的无中断四任务调度即对四个任务执行过程中不允许任务间互相中断，
其调度时间按下式计算Σj=1n[EjPj]≤n(21n-1),]]>式左边为利用率计算，式右边为利用率边界，式中n为最大的任务数，E为任务j的执行时间，P为任务j的周期；(2)所述的有中断六任务调度即对六个任务执行过程中允许高优先级的任务阻塞，低优先级的任务的执行，其调度时间按下式计算Σj=1n[EjPj]+maxjΣj=1n[BjPj]≤n(21n-1),]]>式左边为利用率计算，式右边为利用率边界，式中n为最大的任务数，E为任务j的执行时间，P为任务j的周期，B为任务j的阻塞时间；上述的刀具模块2与前端模块1和后端模块3之间的通讯，使用信息编码，包括状态信息码和验证码，其验证码为2位，是状态信息码的末四位异或的结果，即状态信息码最后两位异或得到一位验证码，倒数三、四位异或得到一位验证码；验证码用于检验状态信息码正确与否，对于通讯不正确的状态，系统自行重发，直到通讯正确；并采用软件滤波程序，提高其通讯的准确性和健壮性。
本实施例中，三片CPU4、5、6均采用C8051F040单片机。
本例中，根据加工过程中的各个子过程的时间开销，通过理论计算，将加工过程分解为八个任务，并计算出各个任务的时间分配。确定前端模块、后端模块以及刀具运动的最佳时机根据公式(1)、(2)，经过计算得出任务时间分配为T0∶T1∶T2∶T3∶T4∶T5∶T6∶T7＝2∶3∶1∶1.5∶2∶3∶1∶4。其中前端剥线时间为T0、前端旋转压接时间为T1、前端压接检测时间为T2、前端送线时间为T3、后端剥线时间为T4、后端旋转压接时间为T5、后端压接检测时间为T6、后端取线时间为T7。
本例中，按照上述理论计算比例关系调节各任务的PWM脉冲占空比，即占空比的比例关系为2∶3∶1∶1.5∶2∶3∶1∶4，实现伺服电机调速。
本例中，使用信息编码技术对各模块的状态信息进行编码反馈。通讯时包括状态信息码和验证码，验证码2位，是状态信息码的末四位异或的结果。根据需要可以对状态编码，并可以裁减或添加状态。编码如表4、表5、表6(使用的是四根通讯线)。
本例中，采用自动重发、软件滤波等技术提高通讯的实时性、准确性，各子模块在判断收到的状态信息后，发出动作指令，对信息码读多次进行软件滤波，并判断发送与收到的信息是否一致，不一致会重发直到正确为止。该部分程序见图8所示。读取的信息码表见表7，信息码包括两位验证码(C7C6)、两位备用扩展码(C5C4)、四位状态码(C3C2C1C0)。把状态码C3C2异或，C1C0异或，分别与验证码C7、C6比较，判断是否相同，即C3∧C2与C7，C1∧C0与C6是否相同。不同需要回复重发信息，直到相同。相同后即可发送执行相应动作指令。
本例中，通过JTAG接口烧写程序。
表4刀架模块状态信息编码
表5前端模块状态信息编码
表6后端模块状态信息编码
表7读取的信息码格式表
权利要求
1.一种单刀线束机的刀具快速控制系统，由一个前端模块(1)、一个刀具模块(2)和一个后端模块(3)组成，其特征在于所述的前端模块(1)、刀具模块(2)和后端模块(3)分别用三片CPU(4、5、6)控制执行任务前端模块(1)控制执行四个任务前端剥线、前端旋转压接、前端压接检测和前端送线；后端模块(3)控制执行四个任务后端剥线、后端旋转压接、后端压接检测和后端取线；刀具模块(2)控制执行六个任务配合前端剥线、前端送线和后端剥线的刀具下切和刀具上抬；所述的前端模块(1)和后端模块(3)与刀具模块(2)相连，通过前端模块(1)和后端模块(3)的让刀及刀具模块(2)的刀具运动任务时间的最佳分配，实现单刀对线束两端加工。
2.根据权利要求1所述的单刀线束机的刀具快速控制系统，其特征在于所述的刀具模块(2)的结构是一片CPU(4)通过PWM口连接一个刀具电机(7)、分别通过I/O连接一个上位传感器(8)和一个下位传感器(9)，分别通过I/O口连接所述的前端模块(1)和后端模块(3)。
3.根据权利要求1所述的单刀线束机的刀具快速控制系统，其特征在于所述的前端模块(1)的结构是一片CPU(5)分别通过PWM口连接一个前端旋转电机(13)和一个进线电机(14)，分别通过I/O口连接一个前旋电机定位传感器(15)、一个进线检查传感器(16)、一个前压接机(19)和一个前端子检测传感器(20)，分别通过A/D接口连接一个前剥检测传感器(17)和一个前压检测传感器(18)，通过大电流I/O口连接一个前压接同步阀(21)，分别通过I/O口连接刀具模块(2)和后端模块(3)。
4.根据权利要求1所述的单刀线束机的刀具快速控制系统，其特征在于所述的后端模块(3)的结构是一片CPU(6)分别通过PWM口连接一个后端剥线电机(22)和一个后端旋转电机(24)，分别通过I/O口连接一个后旋电机定位传感器(23)、一个后压接机(27)和一个后端子检测传感器(28)，分别通过A/D接口连接一个后剥检测传感器(25)和一个后压检测传感器(26)，通过大电流I/O口连接一个后压接同步阀(29)，分别通过I/O口连接所述的刀具模块(2)和前端模块(1)。
5.一种单刀线束机的刀具快速控制方法，采用根据权利要求1所述的单刀线束机的刀具控制系统进行控制，其特征在于根据加工过程中的各子过程的时间开销，合理分配前端模块(1)、刀具模块(2)和后端模块(3)的占用时间，确定前端模块(1)、后端模块(3)的让刀以及刀具模块(2)的刀具运动的最佳时机对线束两端加工，从而线束机的单刀能被高效使用，实现双刀功能。
6.根据权利要求5所述的单刀线束机的刀具快速控制方法，其特征在于具体控制步骤如下(1)计算各模块运动时间根据加工过程的时间开销，计算各个任务的时间分配；(2)根据计算的各任务时间分配，确定各个动作最佳时机；(3)按确定的各动作最佳时机依次控制如下各动作(a)前端模块发出请求信号；(b)刀具模块判断，后端让刀，刀具动作；(c)后端模块发出请求信号；(d)刀具模块判断，前端让刀，刀具动作；(e)刀具模块准备接收信号，完成一次循环，加工完成一根线束的两端加工，接着重复步骤(a)至(e)。
7.根据权利要求5所述的单刀线束机的刀具快速控制方法，其特征在于对所述的前端模块(1)和后端模块(3)分别采用无中断四任务调度，对所述的刀具模块(2)采用有中断六任务调度(1)所述的无中断四任务调度即对四个任务执行过程中不允许任务间互相中断，其调度时间按下式计算Σj=1n[EjPj]≤n(21n-1),]]>式左边为利用率计算，式右边为利用率边界，式中n为最大的任务数，E为任务j的执行时间，P为任务j的周期；(2)所述的有中断六任务调度即对六个任务执行过程中允许高优先级的任务阻塞，低优先级的任务的执行，其调度时间按下式计算Σj=1n[EjPj]+maxjΣj=1n[BjPj]≤n(21n-1),]]>式左边为利用率计算，式右边为利用率边界，式中n为最大的任务数，E为任务j的执行时间，P为任务j的周期，B为任务j的阻塞时间。
8.根据权利要求5所述的单刀线束机的刀具快速控制方法，其特征在于刀具模块(2)与前端模块(1)和后端模块(3)之间的通讯，使用信息编码，包括状态信息码和验证码，其验证码为2位，是状态信息码的末四位异或的结果，即状态信息码最后两位异或得到一位验证码，倒数三、四位异或得到一位验证码；验证码用于检验状态信息码正确与否，对于通讯不正确的状态，系统自行重发，直到通讯正确；并采用软件滤波程序，提高其通讯的准确性和健壮性。
全文摘要
本发明涉及一种单刀线束机的刀具快速控制系统和方法。本快速控制系统由前端模块、刀具模块和后端模块组成。本快速控制方法是根据加工过程中的各子过程的时间开销，合理分配三模块的占用时间，确定前端模块和后端模块的让刀以及刀具模块的刀具运动的最佳时机对线束两端加工，从而线束机的单刀能被高效使用，实现双刀功能。本发明有效的解决了由于刀具控制问题引起的线束机加工效率低下问题，具有实时性、扩展性和健壮性好的特点，大大提高了线束生产效率。
文档编号H01R43/04GK1949604SQ200610116359
公开日2007年4月18日 申请日期2006年9月21日 优先权日2006年9月21日
发明者郭帅, 何金保, 田应仲, 何永义 申请人:上海大学