CN117872896A

CN117872896A - 一种摩擦焊智能控制装置、方法和设备

Info

Publication number: CN117872896A
Application number: CN202410056322.1A
Authority: CN
Inventors: 原通文; 谢兵兵; 刘新; 王宁威; 韩立新; 韩林洁; 张溪哲; 刘微
Original assignee: Beijing Research Institute of Auotomation for Machinery Industry Co Ltd
Current assignee: Beijing Research Institute of Auotomation for Machinery Industry Co Ltd
Priority date: 2024-01-15
Filing date: 2024-01-15
Publication date: 2024-04-12

Abstract

本申请提供一种摩擦焊智能控制装置、方法和设备。本申请提供的装置至少包括采集模块、实时控制模块以及非实时控制模块；其中，采集模块，用于采集摩擦焊的位移和加速度信息；实时控制模块，用于基于摩擦焊的位移和加速度信息预测第一时间段内的摩擦焊的未来轨迹，基于未来轨迹和摩擦焊的规划轨迹输出实时控制信号至非实时控制模块，实时控制信号用于控制摩擦焊的速度和运动方向，以使摩擦焊在第一时间段内的实际轨迹与摩擦焊的规划轨迹保持一致；非实时控制模块，用于基于实时控制信号生成非实时控制信号集，非实时控制信号集中包括多个具有执行优先级的控制指令，非实时控制模块还用于根据非实时控制信号集控制摩擦焊的运动轨迹。

Description

一种摩擦焊智能控制装置、方法和设备

技术领域

本申请涉及自动控制技术领域，尤其涉及一种摩擦焊智能控制装置、方法和设备。

背景技术

摩擦焊是一种焊接新技术，不使用另外的连接件或结合剂就能将可以将方形、圆形、多边形截面的金属或塑料材料焊接在一起，它具有优质、高效、低耗环保的优点，满足了企业自动化生产的需求。

近年来，由于摩擦焊灵活、可靠的特点，国内外已经开展了大量摩擦焊的相关研究。由于不同材料之间的焊接可能存在兼容性问题，特别是对于异材料的焊接，可能需要更加复杂的控制技术以确保焊接质量，因此摩擦焊的控制技术逐渐成为研究的重点。现有的摩擦焊控制技术采用常用的控制器完成计算、指令发送的工作，然而摩擦焊是精密工作，其计算量高、对计算的准确性、实时性要求较高，否则会直接影响焊件的质量，现有的控制器无法满足焊接过程中实时控制焊接的需求，会影响焊接的效率以及质量。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种摩擦焊智能控制装置、方法和设备，用以实时控制摩擦焊。

具体地，本申请是通过如下技术方案实现的：

本申请第一方面提供一种摩擦焊智能控制装置，所述智能控制装置至少包括采集模块、实时控制模块以及非实时控制模块；其中，

所述采集模块，用于采集摩擦焊的位移和加速度信息；

所述实时控制模块，用于基于所述摩擦焊的位移和加速度信息预测第一时间段内的所述摩擦焊的未来轨迹，基于所述未来轨迹和所述摩擦焊的规划轨迹输出实时控制信号至所述非实时控制模块，所述实时控制信号用于控制所述摩擦焊的速度和运动方向，以使所述摩擦焊在所述第一时间段内的实际轨迹与所述摩擦焊的规划轨迹保持一致；

其中，所述实时控制信号至少包括第一驱动信号、第二驱动信号和第三驱动信号，所述第一驱动信号用于控制所述摩擦焊的加速度，所述第二驱动信号用于控制所述摩擦焊振动滑台的振中位置，以使所述摩擦焊振动滑台的振中位置与第一振前位置相同，所述第三驱动信号用于控制所述摩擦焊振动滑台的振后位置，以使所述摩擦焊振动滑台的振后位置与第二振前位置相同；

所述非实时控制模块，用于基于所述实时控制信号生成非实时控制信号集，所述非实时控制信号集中包括多个具有执行优先级的控制指令，所述非实时控制模块还用于根据所述非实时控制信号集控制所述摩擦焊的运动轨迹。

本申请第二方面提供一种摩擦焊智能控制方法，所述方法包括：

采集摩擦焊的位移和加速度信息；

基于所述摩擦焊的位移和加速度信息预测第一时间段内的所述摩擦焊的未来轨迹，基于所述未来轨迹和所述摩擦焊的规划轨迹输出实时控制信号至所述非实时控制模块，所述实时控制信号用于控制所述摩擦焊的速度和运动方向，以使所述摩擦焊在所述第一时间段内的实际轨迹与所述摩擦焊的规划轨迹保持一致；

基于所述实时控制信号生成非实时控制信号集，所述非实时控制信号集中包括多个具有执行优先级的控制指令，所述非实时控制模块还用于根据所述非实时控制信号集控制所述摩擦焊的运动轨迹。

本申请第三方面提供一种摩擦焊智能控制设备，所述设备包括本申请第一方面提供的任一项所述装置。

本申请提供的摩擦焊智能控制装置、方法和设备，基于摩擦焊的位移和加速度预测摩擦焊的未来轨迹，进而根据未来轨迹与规划轨迹生成实时控制信号控制摩擦焊的速度和方向，然后基于实时控制信号生成非实时控制信号集以控制摩擦焊的运动轨迹。这样，通过摩擦焊的位移和加速度信息得到实时控制信号，并得到非实时控制信号集，进而控制摩擦焊的运动方向以及运动轨迹，由于综合了摩擦焊的位移和加速度信息，得到的实时控制信号和非实时控制信号集可以实时的对摩擦焊进行调整。一方面，在每一轮次的控制过程中，通过双控制模块的设置，利用实时控制模块实现对实时性要求较高、运算的准确性和时效性要求较高等过程的计算，利用非实时控制模块执行传输、串口、I/O口通讯控制等过程，提高了摩擦焊控制的实时性和准确性。另一方面，在每一轮的控制指令中，为了进一步提高控制的准确性，利用实时控制模块高计算能力同时计算了摩擦焊加速度偏差和摩擦焊振动台的位移偏差，摩擦焊的作业依赖振动滑台和摩擦焊共同运作实现，相较于仅控制摩擦焊的加速度，本发明提高了控制指令的准确性。最后，本发明提供的实时控制模块和非控制模块之间的交互，不存在复杂的通信协议，其主要实现的仅为指令传递的过程，即仅需要将指令进行翻译执行即可，简化了二者的通讯管理过程，提高了控制装置的适用性。

附图说明

图1为本申请提供的摩擦焊智能控制装置实施例一的结构示意图；

图2为本申请一示例性实施例示出的GNU Make目标平台工具链的结构示意图；

图3为本申请一示例性实施例示出的FPGA的结构示意图；

图4为本申请一示例性实施例示出的高速AO扩展板的结构示意图；

图5为本申请一示例性实施例提供的嵌入式硬件板卡的结构示意图；

图6为本申请提供的应用于摩擦焊的智能控制方法实施例一的流程图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

下面给出具体的实施例，用以详细介绍本申请的技术方案。

图1为本申请提供的摩擦焊智能控制装置实施例一的结构示意图。请参照图1，在图1所示示例中，所述智能控制装置至少包括采集模块、实时控制模块以及非实时控制模块；其中，

所述采集模块，用于采集摩擦焊的位移和加速度信息；

具体的，振动滑台用于支撑并带动焊件进行往复振动，以使摩擦焊进行焊接。需要说明的是，振动滑台可以采用正弦运动的方式带动焊件进行振动，该正弦运动的频率即为目标振动频率。

进一步地，摩擦焊的位移和加速度信息是影响焊接效果的重要参数。在线性摩擦焊中，振动滑台的周期性运动会导致工件之间的相对位移，摩擦焊的位移是指振动滑台在振动方向上的位置变化。在振动滑台的运动中，加速度描述了振动滑台的运动速度如何随时间变化。在焊接过程中，通过调整振动滑台的加速度，可以影响材料的塑性变形。此外，摩擦焊振动滑台通过液压系统控制停振位置，同时振动滑台焊接后需要快速准确地回到振动焊接前的位置。传统的线性摩擦焊工艺中，液压系统控制的位置与振动焊接前的位置会产生一定量的偏差。

进一步地，采集模块可以包含安装在振动滑台上的位移传感器和加速度传感器，在摩擦焊的过程中，通过位移传感器和加速度传感器完成位移和加速度信息的采集。

进一步地，摩擦焊的未来轨迹为振动滑台在未来预设第一时间段内的运动路径，是根据采集模块采集到的信息预测计算出的运动路径。由于摩擦焊的运动为规律性的周期运动，通过采集模块采集到的位移和加速度信息可以得到摩擦焊的未来轨迹。

进一步地，第一时间段的具体时长是工作人员根据实际需要设定的，本实施例中，不对第一时间段的具体时长进行限定。需要说明的是，采集模块是实时高频的采集摩擦焊的位移和加速度信息，因此可以将第一时间段设置为极短的时长。例如，一实施例中，可以将第一时间段设置为0.01毫秒。作为另一种可选的时间段，根据实时采集到的位移计算当前位移与规划轨迹之间的差距，基于差距和实时采集到的加速度计算第一时间段，第一时间段的时长与差距和实时采集到的加速度的大小成反比。当前的实时位移与规划轨迹的差距越大，说明摩擦焊的偏差越大，此时加速度若同样很大，第一时间段需要很小，例如，0.01ms、0.1s，即短时间快速进行调整；反之，则第一时间可以较长，例如1min等。本发明提供的第一时间段计算方式，首先在偏差较大时，利用实时控制模块的快速性，快速进行响应控制，以便尽快调整，保证摩擦焊的工作精度；若摩擦焊工作在正常范围内，此时检测、调整的频率可以较低，保持一个较低的运算量和运算状态。

进一步地，摩擦焊的规划轨迹为工作人员根据焊接的需求，在焊接前预先规划好的振动滑台的运动轨迹，该规划轨迹可以是摩擦焊在焊接过程中设定好的路径或形状。

进一步地，摩擦焊的实际轨迹为摩擦焊在第一时间段内实际的运动路径。摩擦焊的实际轨迹可以由实时控制信号进行控制。

进一步地，实时控制信号是基于摩擦焊的未来轨迹和摩擦焊的规划轨迹之间的差异确定的，通过实时控制信号可以控制摩擦焊的实际轨迹更贴近摩擦焊的规划轨迹。具体实现时，可以基于实时控制信号控制摩擦焊的速度和运动方向，以使所述摩擦焊在第一时间段内的实际轨迹与摩擦焊的规划轨迹保持一致。

所述实时控制信号用于控制所述摩擦焊的速度和运动方向，以使所述摩擦焊在所述第一时间段内的实际轨迹与所述摩擦焊的规划轨迹保持一致。具体实现时，实时控制信号通过改变摩擦焊的加速度以及加速度方向，可以改变摩擦焊的运动和运动方向。需要说明的是，实时控制信号的数量与需要控制的控制对象的数量相同，在实施控制信号控制摩擦焊的速度和运动方向后，将通知信号加入非实时控制信号集中，以便完成后续处理。优选的，实时控制信号可以为一个或多个，同时每一计算周期，可以产生一个实时控制信号，实时控制信号可以包括一个或多个控制对象。

优选的，所述实时控制信号至少包括第一驱动信号、第二驱动信号和第三驱动信号，所述第一驱动信号用于控制所述摩擦焊的加速度，所述第二驱动信号用于控制摩擦焊振动滑台的振中位置，以使所述摩擦焊振动滑台的振中位置与第一振前位置相同，所述第三驱动信号用于控制所述摩擦焊振动滑台的振后位置，以使所述摩擦焊振动滑台的振后位置与第二振前位置相同；

进一步地，非实时控制信号集中包括多个具有执行优先级的控制指令。需要说明的是，控制指令的优先级用于指示控制指令的控制顺序，先执行优先级高的控制指令，然后执行优先级低的控制指令。

进一步地，控制指令用于控制摩擦焊的运动轨迹，以完成焊接。

本实施例提供的摩擦焊智能控制装置，基于摩擦焊的位移和加速度预测摩擦焊的未来轨迹，进而根据未来轨迹与规划轨迹生成实时控制信号控制摩擦焊的速度和方向，然后基于实时控制信号生成非实时控制信号集以控制摩擦焊的运动轨迹。这样，通过摩擦焊的位移和加速度信息得到实时控制信号，并得到非实时控制信号集，进而控制摩擦焊的运动方向以及运动轨迹，由于综合了摩擦焊的位移和加速度信息，得到的实时控制信号和非实时控制信号集可以准确的对摩擦焊进行调整。

具体实现时，实时控制模块可以选取国产实时操作系统锐华，该操作系统的源代码完全自主可控，可以摆脱国内一些关键性设备对国外嵌入式操作系统的依赖。

需要说明的是，智能控制器可以采用Profinet IO协议栈进行智能自动化控制的工业以太网通信协议,并已成为IEC61158和IEC61784标准的一部分，本项目采用的RT-LabsProfinetp-net协议栈进行Profinet IO协议栈的移植适配。

获取所述非实时控制信号集中振动指令和所述摩擦焊的实时加速度和实时移动方向；其中，所述振动指令包含目标加速度和目标移动方向；

基于所述非实时控制信号集中振动指令和所述摩擦焊的实时加速度、实时移动方向获取第一驱动信号；

基于第一位移传感器采集所述摩擦焊振动滑台振动启动前的第一振前位置及振动运行中的振中位置；

基于第二位移传感器采集所述摩擦焊振动滑台振动启动前的第二振前位置及所述摩擦焊振动滑台振动结束后的振后位置；

基于所述第一振前位置和所述振中位置获取第二驱动信号；

基于所述第二振前位置和所述振后位置获取第三驱动信号；

基于所述第一驱动信号、所述第二驱动信号和所述第三驱动信号控制所述摩擦焊和所述摩擦焊振动滑台运动；

所述第一位移传感器采集所述第一振前位置及所述振中位置的第一采样频响高于所述第二位移传感器采集所述第二振前位置及所述振后位置的第二采样频响。

本发明提供的摩擦焊工艺中，包括两个控制对象，第一个为摩擦焊，对工件进行焊接，第二个为摩擦焊振动滑台，用于搭载焊件并进行往返振动。控制信号也包括两个控制对象，第一个为摩擦焊，其具有预设的焊接路线、深度等，由第一驱动信号控制；另一个为摩擦焊振动滑台，为了进一步调整其往返振动的位移偏差，利用第二驱动信号和第三驱动信号控制，以避免在往返运动中焊件偏移。

第一驱动信号通过将实际和目标的加速度和移动方向进行对比，以准确控制摩擦焊按照预设规划的轨迹移动；第二驱动信号和第三驱动信号通过振前、振中和振后位置的比较，控制振动滑台补偿性移动，从而避免累积移动误差，每次都能够准确移动到目标位置，即振动滑台按照预设规划的轨迹移动。最终实现整体按照预设规划的轨迹移动，实现精准、实时焊接。

需要说明的是，第一振前位置即为振动滑台的初始位置，可以由第一位移传感器一次性测得。振中位置是在振动滑台振动期间持续进行测量的，其中，测量的振中位置的具体测量次数是根据实际需要设定的，本实施例中，不对测量的振中位置的具体测量次数进行限定。例如，可以在每个正弦运动的振动周期中测量3000次振中位置。第一位移传感器采集第一振前位置及振中位置的第一采样频响高于第二位移传感器采集第二振前位置及振后位置的第二采样频响。例如，一实施例中，第一位移传感器可以采用频响较高的模拟传感器，采集第一振前位置和振中位置的模拟信号，便于动态调节；第二位移传感器可以采用频响较低的数字传感器，采集第二振前位置及振后位置，便于静态调节。

频响较高的位移传感器更有利于捕捉位移变化较快，尤其是正弦的运动过程中的位移，而对位移采集的精度要求较高的位移传感器通常对频响的限制较为苛刻。振动过程中，振动滑台的位移变化速度较快，采用频响较高的位移传感器更有利于跟随振动过程中振动滑台的位移变化，进而对获得的表征振动滑台位移的模拟信号进行处理及自适应调整，从而使得振动过程中振动滑台能够基本满足回零要求，缩短停振后需要调节的位移长度，降低停振后的回零调节难度。在停振后，振动滑台基本保持静止，这为采用对位移变化速度不敏感，但位移采集精度更高的低频响的位移传感器提供了基础。停振后，在振动过程中已经自适应调整振动滑台基本满足回零要求的基础上，进一步根据低频响的位移传感器采集的数据及停振后的控制算法获得的控制信号调整停振位置，从而提高回零的控制精度。将第一位移传感器与第二位移传感器均安装在振动滑台上。

具体的，基于第一振前位置和所述振中位置的差异信息获得第二驱动信号，基于第二振前位置和振后位置的差异信息获取第三驱动信号。通过提供在振动过程中基于高频响的位移传感器采样获得的位移数据进行位置调整，缩短停振后需要调整的位移长度，在停振后基于低频响的位移传感器采样获得的位移数据进行闭环控制，解决停振位置与启振位置之间的偏移，提高振动的回零精度。这样，可以快速、高精度的控制振动滑台准确回零。

作为一种可选的实施例，基于第一振前位置和所述振中位置的差异信息获得第二驱动信号，基于第二振前位置和振后位置的差异信息获取第三驱动信号。若第一振前位置与预设时间段内平均振中位置的差异信息大于预设阈值，则若第一振前位置大于平均振中位置，计算第二驱动信号：U_v2(t+1)＝U_v2(t)+β×U_v2(t)其中，β为预设的驱动信号的调节步长系数，U_v2(t)为当前时刻的驱动信号。若第一振前位置小于等于平均振中位置，计算第二驱动信号：U_v2(t+1)＝U_v2(t)-β×U_v2(t),其中，β为预设的驱动信号的调节步长系数，U_v2(t)为当前时刻的驱动信号。若差异信息小于等于预设阈值，则无需补偿，无第二驱动信号。

具体实现时，计算第三驱动信号：

其中，T为振动滑台的振动周期，Kp′为比例增益，T_i′为积分时间常数，e(t)为当前振动周期T第二振前位置与振后位置的差值，e(j)为当前振动周期内j时刻时第二振前位置与振后位置的差值。

可选的，所述基于所述未来轨迹和所述摩擦焊的规划轨迹输出实时控制信号至所述非实时控制模块，具体包括：

所述实时控制模块用于基于所述未来轨迹和所述摩擦焊的规划轨迹生成运行误差；

所述实时控制模块，还用于基于所述运行误差和所述第一时间段的时长，确定速度误差和运动方向偏差，根据PID算法计算与速度误差和运动方向偏差匹配的加速度和调整运动方向；

所述实时控制模块还用于基于加速度和调整运动方向生成所述第一驱动信号，以控制所述摩擦焊按照加速度和调整运动方向运动。

具体的，运行误差即为未来轨迹与规划轨迹之间的差别。换言之，运行误差即为需要调整的轨迹。具体实现时，可以基于预先训练好的运行误差获取模型获取运行误差。

进一步地，速度误差为摩擦焊运行速度在第一时间段内的误差；运动方向偏差为摩擦焊的运动方向第一时间段内的偏差。通过速度误差与运动方向误差可以对摩擦焊进行调整。

需要说明的是，由于运行误差的第一时间段内测量得到的差异，因此对摩擦焊的调整也在第一时间段内，通过第一时间段的时长以及运行误差的大小可以确定控制摩擦焊的加速度以及加速度的方向。

进一步地，PID(Proportion Integral Differential，简称PID)算法是根据输入的速度误差和运动方向偏差，按照比例、积分、微分的函数关系进行运算，运算得到的结果用于调整加速度和运动方向。

具体实现时，例如，一实施例中，PID算法的输入从传感器获取，采用差分输入。经过PID算法计算后，输出为正弦波和直流偏置电压，为保证振动频率的波形和响应速度，由PID算法程序控制高速DA电路输出给伺服阀，从而闭环控制摩擦焊。需要说明的是，在PID算法进行控制的过程中，多组PID算法共同计算得到不同的输出参与调节。

再例如，另一实施例中，结合上面的例子将采集模块采集到的位移和加速度信息差分输入PID算法程序中，得到控制摩擦焊运动轨迹的第一驱动信号和控制摩擦焊振动中心偏移的偏置电压，完成对摩擦焊的控制。

这样，基于PID算法控制所述摩擦焊按照加速度和调整运动方向运动，完成摩擦焊在运行过程中的实时精准调节。

可选的，所述采集模块，具体用于利用差分输入获取摩擦焊的所述位移和加速度信息，其中，所述位移和加速度信息为模拟量；

所述采集模块输出与采集到的位移和加速度信息对应的直流偏置电压至所述实时控制模块；其中，基于所述直流偏置电压补偿所述摩擦焊的振动中心偏移量。

具体的，将摩擦焊的位移和加速度信息通过差分输入免去了误差，可以提高调节的精准度。通过直流偏置电压补偿摩擦焊的振动中心偏移的问题，保证了摩擦焊的精准度。

可选的，所述非实时控制模块，还用于识别所述实时控制信号的控制对象信息，所述控制对象信息至少包括控制对象和控制内容，基于所述控制对象信息确定所述实时控制信号的优先级，基于所述优先级将所述实时控制信号加入非实时控制信号集中，其中，所述实时控制信号在所述非实时控制信号集中的位置由所述优先级决定；

所述非实时控制模块，还具体用于按照优先级从高到低的顺序执行所述非实时控制信号集中的控制指令。

具体的，控制对象为摩擦焊过程中受到智能控制装置调节的部分。例如，控制对象可以为振动滑台。控制内容为智能控制器输出的具体控制指令的类别。例如，控制内容可以包括加速、减速、不变等。

需要说明的是，可以基于控制对象信息确定其对应的实时控制信号的优先级，通过非实时控制信号的优先级执行非实时控制信号集中的控制指令。这样，可以确保智能控制装置的稳定性和响应性。

需要说明的是，智能控制装置的代码部分是基于C代码编写实现的。可以根据实际需要选取合适的代码编辑器，本申请不对具体的代码编辑器进行限定。例如，一实施例中，可以选取Visual Studio Code作为代码编辑器。Visual Studio Code是一款免费开源的现代化轻量级代码编辑器，支持语法高亮、智能代码补全、自定义热键、括号匹配、代码片段、代码对比Diff、Git等特性。Visual Studio Code可以软件跨平台支持Win、Mac以及Linux操作系统。

进一步地，在代码编译过程中，可以采用GNU Make目标平台工具链完成对源代码的自动编译并生成可执行文件。GNU Make目标平台工具链是一个针对特定平台的编译工具链，包括编译器、链接器、库文件等，可以使得在该平台上的代码编译和构建更加方便和高效。GNU Make目标平台工具链的使用可以大大简化项目的构建流程，提高开发效率。

图2为本申请一示例性实施例示出的GNU Make目标平台工具链的结构示意图。请参照图2，在GNU Make中，Makefile是最重要的组成部分，它描述了构建系统的规则和依赖关系，指定了源文件、目标文件和中间文件的位置和名称，并定义了构建过程中需要执行的命令。make命令是执行Makefile规则的工具，它会根据Makefile中定义的依赖关系，自动地决定哪些文件需要重新编译和链接。编译器和链接器是将源代码编译成可执行文件的工具，库文件和头文件则是提供了一些通用的函数和代码，可以被多个程序共享，避免了重复编写相同的代码。通过这些组成部分的协作，GNU Make可以自动化地构建一个复杂的软件系统。本实施例中，主要提取GNU Make目标平台工具链中的E2000D平台对应的实时操作系统ARMV8对应相关编译工具链进行构建。

进一步地，动态链接的实现过程可以分为两个阶段：加载和链接。加载阶段是指将程序所需的库文件加载到内存中，而链接阶段是指将程序中的符号表和重定位表与加载的库文件进行链接，从而实现程序的运行。在加载阶段，智能控制装置会将程序所需的库文件加载到内存中，并将其映射到程序的地址空间中。同时，智能控制装置会将程序的符号表和重定位表添加到程序的地址空间中，以便程序在运行时能够查找和链接所需的库文件。在链接阶段，程序会根据符号表和重定位表中的信息，将程序中的符号和库文件中的符号进行链接。这个过程是动态的，可以在程序运行的任何时候进行，从而实现动态链接的效果。

进一步地，加载器是智能控制装置中的一个重要组件，它的主要作用是将可执行文件从磁盘加载到内存中，并执行程序。加载器的工作流程如下

(1)读取可执行文件的头部信息，确定程序的入口地址和各个段的大小和位置。

(2)为程序分配内存空间，并将可执行文件中的代码、数据和堆栈等段复制到相应的内存空间中。

(3)处理可执行文件中的重定位信息，将程序中使用的地址映射到正确的内存地址。

(4)将控制权转移到程序的入口地址，开始执行程序。

以上步骤的具体介绍可以参见现有技术中的相关描述，此处不再赘述。需要说明的是，在加载器的工作过程中，还需要考虑一些特殊情况，比如动态链接库的加载和符号解析等。动态链接库是一种可重用的代码库，它可以在程序运行时动态加载到内存中从而减少程序的内存占用和提高代码的重用性。符号解析是指在程序执行过程中，将符号名称映射到相应的地址上，从而实现函数调用和变量访问等功能。加载器需要解析可执行文件中的符号表，将符号名称和地址进行映射，并在程序执行时进行符号解析。

可选的，所述采集模块包括高速AI扩展板；所述高速AI扩展板前端集成有EMC、滤波和防护电路；所述高速AI扩展板后端为高速串行通信接口；所述高速AI扩展板内部依次集成有模拟前端的ADC芯片以及低通滤波器；所述采集摩擦焊的位移和加速度信息，包括：

采集所述摩擦焊的位移和加速度，通过差分输入至所述高速AI扩展板；

所述低通滤波器用于扫描所述ADC芯片，以获取满足输入阻抗要求的输出信号；

所述EMC、滤波和防护电路用于保护所述高速AI扩展板，并对所述高速AI扩展板的输出信号进行去噪处理。

具体的，高速AI扩展板可以提供更高的性能处理。具体实现时，高速AI扩展板中的ADC芯片可以选用核芯互联的CL1656，它是一个16-bit、快速、低功耗逐次逼近型ADC芯片，吞吐速率高达250kSPS，并且内置低噪声、宽带宽采样保持放大器。CL1656具有一个高速并行接口和一个高速串行接口，为器件与微处理器或DSP的接口连接创造了条件。输入信号可在±4×VREF和±2×VREF范围内支持真双极性输入信号，此外还内置一个2.5V片内基准电压源，满足国产自主可控高速采集的要求。

进一步地，该高速AI扩展板包括6路差分方式输入±10V电压信号，支持分辨率16bit，最高采样率250kHz。

进一步地，该高速AI扩展板集成有模拟前端的ADC芯片，ADC芯片内部自带用于调整信号量程范围的可编程增益放大器，调整输入信号带宽滤除噪声用的可

进一步地，该高速AI扩展板还集成有编程低通滤波器，扫描开关和高速高精度SAR型ADC芯片。模拟前端满足项目的1MΩ输入阻抗的要求，因此可以直接与传感器或变送器相连。此外，ADC芯片的前端带有EMC、滤波和防护电路，对ADC芯片的模拟通道进行保护和噪声滤除。

进一步地，ADC芯片和后端为高速串行通信接口，通过FPGA(Field-ProgrammableGateArray，简称FPGA)中的控制逻辑可以实现对高速ADC芯片的配置、状态监测和数据采集。

具体实现时，图3为本申请一示例性实施例示出的FPGA的结构示意图。请参照图3，该FPGA可以选用成熟稳定的国产型号，FPGA还实现SSI接口与光栅接口的数据处理功能。其中，FPGA内部ADC芯片控制逻辑向上为MCU(MicrocontrollerUnit，简称MCU)提供FIFO(First In First Out，简称FIFO)数据接口，FIFO数据接口的最大深度为4096个数据点，满足项目对高速AI数据采样深度的要求。

可选的，所述智能控制装置还包括高速AO扩展板，所述高速AO扩展板与所述非实时控制模块连接；

所述高速AO扩展板用于基于所述非实时控制信号集中控制指令的紧急程度匹配对应的更新频率，按照所述更新频率从RAM接口中读取执行的控制指令对应的目标数据；

所述高速AO扩展板还包括DAC模块，所述DAC模块用于将所述目标数据转换为高速模拟输出信号。

具体的，高速AO扩展板可以提供更高的性能处理。图4为本申请一示例性实施例示出的高速AO扩展板的结构示意图。请参照图4，该高速AO扩展板可以实现4路±10V电压输出，分辨率16位，精度为±10mV。

进一步地，该高速AO扩展板内部包含DAC模块的控制逻辑，其对MCU提供一个RAM接口。控制逻辑负责按指定的更新频率将RAM中的数据输出到高速AO扩展板接口。数据的更新频率不低于250kHz，高速AO扩展板输出的驱动电流不低于5mA。

进一步地，继续参照图4，DAC模块选用圣邦微电子的SGM5353-16模块，SGM5353-16模块是一个16位、单通道、串行输入、电压输出的DAC模块。它的供电电压为2.7V至5.5V。DAC模块输出范围为0V至VREF。SGM5353-16模块的输出是单调的，在整个工作温度范围内是1LSB积分非线性。SGM5353-16模块具有低噪声和快速设置时间输出(在1.5μs内设置为满刻度输出的0.5LSB)。SGM535316模块使用3线串行SPI兼容接口。需要说明的是，SGM5353-16模块具有支持无缓冲电压输出能力，通电复位到零标度，0.39mW低功耗等特点。

可选的，所述智能控制装置还包括监控应用程序，所述监控应用程序用于实时检测所述智能控制装置的工作数据，基于所述工作数据识别所述智能控制装置的工作状态；若所述工作状态为异常，根据所述工作数据识别所述智能控制装置的异常位置，根据异常位置和异常内容报警以提示用户。

具体实现时，监控应用程序可以通过工作人员通过编程软件预先编写好，检测所述智能控制装置的工作数据，进而确定其工作状态。在工作状态为异常时，对智能控制器进行故障诊断和处理，保证智能控制器的正常运行，降低智能控制器的运营成本。

进一步地，在工作状态为异常时，监控应用程序还可根据异常位置和异常内容向用户发出警报，通过警报用户可以及时对智能控制装置进行处理。

可选的，智能控制装置在可以基于嵌入式硬件板卡完成智能控制，图5为本申请一示例性实施例提供的嵌入式硬件板卡的结构示意图。请参照图5，通过该嵌入式硬件板卡可以完成智能控制器对摩擦焊的控制。具体实现时，一实施例中，通过SSI(SynchronousSerial Interface，简称SSI)同步串行接口协议将传感器和其他设备连接完成通信，然后通过AD/DA模数转换器将模拟量转换为数字量，进而通过高速AI扩展板输入信号，通过高速AO扩展板输出信号至FPGA中，完成对摩擦焊控制信号的运算。进一步地，FPGA将信号输出至多核CPU中，通过多核CPU完成控制以及放入TF卡中存储等功能。

与前述一种摩擦焊智能控制装置的实施例相对应，本申请还提供了一种应用于摩擦焊的智能控制方法的实施例。

图6为本申请提供的应用于摩擦焊的智能控制方法实施例一的流程图。请参照图6，本实施例提供的方法，应用本申请第一方面提供的任一个装置，所述方法，可以包括：

S701、采集摩擦焊的位移和加速度信息。

S702、基于所述摩擦焊的位移和加速度信息预测第一时间段内的所述摩擦焊的未来轨迹，基于所述未来轨迹和所述摩擦焊的规划轨迹输出实时控制信号至所述非实时控制模块，所述实时控制信号用于控制所述摩擦焊的速度和运动方向，以使所述摩擦焊在所述第一时间段内的实际轨迹与所述摩擦焊的规划轨迹保持一致。

S703、基于所述实时控制信号生成非实时控制信号集，所述非实时控制信号集中包括多个具有执行优先级的控制指令，所述非实时控制模块还用于根据所述非实时控制信号集控制所述摩擦焊的运动轨迹。

有关各步骤的具体实现过程和实现原理可以参见前面实施例中的描述，此处不再赘述。

本实施例提供的应用于摩擦焊的智能控制方法，能够基于一套设备，智能高效的控制摩擦焊，提高摩擦焊控制的精准度。

本申请还提供一种摩擦焊智能控制设备，所述设备包括本申请第一方面提供的任一项所述装置。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims

1.一种摩擦焊智能控制装置，其特征在于，所述智能控制装置至少包括采集模块、实时控制模块以及非实时控制模块；其中，

所述采集模块，用于采集摩擦焊的位移和加速度信息；

其中，所述实时控制信号至少包括第一驱动信号、第二驱动信号和第三驱动信号，所述第一驱动信号用于控制所述摩擦焊的加速度，所述第二驱动信号用于控制摩擦焊振动滑台的振中位置，以使所述摩擦焊振动滑台的振中位置与第一振前位置相同，所述第三驱动信号用于控制所述摩擦焊振动滑台的振后位置，以使所述摩擦焊振动滑台的振后位置与第二振前位置相同；

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述基于所述未来轨迹和所述摩擦焊的规划轨迹输出实时控制信号至所述非实时控制模块，具体包括：

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述非实时控制模块，还用于识别所述实时控制信号的控制对象信息，所述控制对象信息至少包括控制对象和控制内容，基于所述控制对象信息确定所述实时控制信号的优先级，基于所述优先级将所述实时控制信号加入非实时控制信号集中，其中，所述实时控制信号在所述非实时控制信号集中的位置由所述优先级决定；

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述采集模块，具体用于利用差分输入获取摩擦焊的所述位移和加速度信息，其中，所述位移和加速度信息为模拟量；

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述采集模块包括高速AI扩展板；所述高速AI扩展板前端集成有EMC、滤波和防护电路；所述高速AI扩展板后端为高速串行通信接口；所述高速AI扩展板内部依次集成有模拟前端的ADC芯片以及低通滤波器；所述采集摩擦焊的位移和加速度信息，包括：

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述智能控制装置还包括高速AO扩展板，所述高速AO扩展板与所述非实时控制模块连接；

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述智能控制装置还包括监控应用程序，所述监控应用程序用于实时检测所述智能控制装置的工作数据，基于所述工作数据识别所述智能控制装置的工作状态；若所述工作状态为异常，根据所述工作数据识别所述智能控制装置的异常位置，根据异常位置和异常内容报警以提示用户。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述根据所述非实时控制信号集控制所述摩擦焊的运动轨迹之后，还包括：

基于所述第一振前位置和所述振中位置获取第二驱动信号；

基于所述第二振前位置和所述振后位置获取第三驱动信号；

9.一种应用于摩擦焊的智能控制方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1-8任一项所述的装置，所述方法包括：

采集摩擦焊的位移和加速度信息；

10.一种应用于摩擦焊的智能控制设备，其特征在于，所述设备包括权利要求1-8任一项所述的装置。