基于STM32的智能超聲波焊接機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉　帥

(武漢工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢　430073)

基于STM32的智能超聲波焊接機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉帥

(武漢工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢430073)

摘要：現(xiàn)在工業(yè)發(fā)展中，智能化的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主導(dǎo)了發(fā)展方向，以傳統(tǒng)的數(shù)控超聲波焊接機(jī)為研究對象，融入了LCD顯示技術(shù)，STM32技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)出一套新的焊接機(jī)系統(tǒng)，擴(kuò)展了傳統(tǒng)焊接工業(yè)研究的內(nèi)容，提供了一個智能焊接機(jī)解決方案的思路。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);STM32;超聲波焊接機(jī)

中圖分類號：TF39

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-2714(2015)04- 0094- 06

doi:10.3969/j.issn.1009-2714.2015.04.018

收稿日期：2015—03—08

作者簡介：劉帥(1990—)，男，湖北黃石人，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)榍度胧接?jì)算機(jī).

1課題背景

1.1　物聯(lián)網(wǎng)

2013年4月，德國政府在2013年4月的漢諾威工業(yè)博覽會上正式推出提出“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略，其目的是為了提高德國工業(yè)的競爭力。德國學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界認(rèn)為，“工業(yè)4.0”概念即是以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命，或革命性的生產(chǎn)方法。該戰(zhàn)略旨在通過充分利用信息通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)空間虛擬系統(tǒng)-信息物理系統(tǒng)(Cyber-Physical System)相結(jié)合的手段，將制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型。這次工業(yè)革命的目的就是建立一個涵蓋整個產(chǎn)品的生命周期的管理體系。

1.2　焊接機(jī)

超聲波金屬焊接是一種加工技術(shù)，在1950年美國人發(fā)明這項(xiàng)技術(shù)之后，廣泛的應(yīng)用在汽車，電子，航空等行業(yè)中。在將近70年的發(fā)展中，理論研究主要集中在應(yīng)用方面，比如20世紀(jì)60年代艾斯納 E的形狀因素概念，發(fā)展出了高斯型變幅桿，森榮斯的振動方向變換器，則為獲取50kw以上的高強(qiáng)度超聲開辟新的方法。20世紀(jì)80年代的日本神奈川大學(xué)創(chuàng)造性的研發(fā)超聲波對焊裝置，可以處理1cm厚度的鋁板，加以改進(jìn)之后，可以更廣泛的應(yīng)用在塑料焊接上。而對于超聲波焊接的基理研究卻一直沒有一個統(tǒng)一的觀點(diǎn)，主要分為融化論和非融化論2個理論派別，日本的松岡新一教授在證明了焊接區(qū)域溫度達(dá)不到材料熔點(diǎn)，但是熱電偶測到只是焊接區(qū)的平均溫度，并不能直接否定焊接時有局部融化的理論。英國謝菲爾德大學(xué)的格拉斯麥伊教授提出了超聲波焊接引起金屬表面和內(nèi)部的雙重軟化理論，通過實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果的對比，比較好的證明了他的理論，使得超聲波基理的研究前進(jìn)了一大步。

2相關(guān)研究

2.1　物聯(lián)網(wǎng)

德國工業(yè)-科學(xué)研究聯(lián)盟交流促進(jìn)組織成員 Johannes Helbig指出，物聯(lián)網(wǎng)和服務(wù)網(wǎng)在制造業(yè)中擁有巨大的創(chuàng)新潛力，如果我們成功把基于網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)整合進(jìn)工業(yè)4.0，將極大地?cái)U(kuò)展這種潛力。物聯(lián)網(wǎng)研究和工業(yè)4.0如何緊密結(jié)合，成為了現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)研究的主要方向。

M2M技術(shù)成則成為了物聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)4.0連立的橋梁，這種技術(shù)覆蓋和拓展了工業(yè)信息化(工業(yè)化和信息化的融合,兩化融合)中傳統(tǒng)的SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng)。但是由于M2M是基于互聯(lián)網(wǎng)的新技術(shù),與傳統(tǒng)的SCADA是有很大的區(qū)別。工業(yè)信息化系統(tǒng)包含很廣的范圍,其中基礎(chǔ)的和智能設(shè)備直接相關(guān)的系統(tǒng)有HMI，組態(tài)軟件等。工業(yè)控制和信息化主要依賴有線短距離通信,以現(xiàn)場總線連接,然后并入網(wǎng)絡(luò)。

2.2　焊接機(jī)

現(xiàn)在的超聲波焊接機(jī)的研究主要方向還是集中在改進(jìn)焊接振動桿，焊接方法還有基理研究方面。安徽工學(xué)院研制的新型超聲波焊接機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)塑料與塑料，塑料與金屬，不同金屬之間焊接，應(yīng)用非常廣泛，極大的提高了焊接機(jī)的泛用性。而天津焊接研究所研制的太陽能基熱板超聲波焊接機(jī)，解決了太陽能集熱板焊接的難題，降低了生產(chǎn)成本。華南理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的楊圣文和湯勇在焊接基理方面也做出了重大的突破，認(rèn)為超聲波焊接是一種基于焊接區(qū)域金屬充分貼合和表面局部高溫而熔化基礎(chǔ)上的金屬鍵合，機(jī)械嵌合等作用的物理冶金過程。通過SEM圖分析，得出金屬發(fā)生了局部熔化，或至少達(dá)到熔點(diǎn)的80%,以實(shí)現(xiàn)焊接。但是當(dāng)前的研究存在的問題也很多。

1)對超聲波焊接的基理依然不明，沒有決定性證據(jù)證明這種焊接是否有金屬熔化存在。

2)大功率超聲波焊接機(jī)的研發(fā)制造非常困難，隨著工件厚度和硬度的提高，功率需求也呈現(xiàn)指數(shù)化增長，對其他相關(guān)科學(xué)發(fā)展較為依賴。

3)超聲波金屬焊接影響工藝的因素較多，多靠工人經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，難以提高焊接工藝。

3基于STM32的智能焊接機(jī)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

面對傳統(tǒng)金屬焊接機(jī)的諸多問題，本文通過引入物聯(lián)網(wǎng)的概念，對傳統(tǒng)焊接機(jī)進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，M2M理念和STM32技術(shù)，面向工業(yè)焊接設(shè)備的新型智能焊接機(jī)，提出一種工業(yè)焊接機(jī)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)。

如圖1所示，焊接機(jī)的主要模塊分為，焊接機(jī)控制系統(tǒng)，信息收集反饋系統(tǒng)，wifi通信系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

焊接機(jī)控制系統(tǒng)，使用一塊STM32F103增強(qiáng)型CPU實(shí)現(xiàn)，接收控制者輸入信息，控制焊接機(jī)的焊接功率和時長，收集信息反饋系統(tǒng)返回的信息，在輸出設(shè)備上顯示，同時監(jiān)控焊接過程。信息收集反饋系統(tǒng)，通過攝像頭，紅外溫度測量等設(shè)備收集焊接的信息，反饋給控制系統(tǒng)。

圖1　智能焊接機(jī)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

Wifi通信系統(tǒng)智能化的核心部分，通過使用STM32F205內(nèi)核串口透傳設(shè)備完成數(shù)據(jù)的發(fā)送，這種設(shè)計(jì)只需要增加一個外掛設(shè)備，就能直接使用wifi功能，大大降低的研發(fā)的成本，區(qū)別于傳統(tǒng)的使用CAN總線來實(shí)現(xiàn)wifi功能。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)獨(dú)立在焊接機(jī)之外，收集焊接信息，包括了焊接人，焊接時間，焊接用時，焊接溫度，焊接成果圖等信息，同時記錄了焊接機(jī)的運(yùn)行狀況，記錄錯誤日志等，對于改進(jìn)工藝提供了大量的數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)。

4硬件設(shè)計(jì)

焊接機(jī)使用一塊搭載有STM32F103增強(qiáng)型CPU的核心電路板控制，并以電路板為基礎(chǔ)，外掛wifi通信模塊。

STM32F205內(nèi)核的WiFi模塊，自帶WiFi天線和驅(qū)動程序，最高可實(shí)現(xiàn)200Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，具有體積小，低功耗的特點(diǎn)，可以達(dá)到同類產(chǎn)品中較好的水平。

STM32F103增強(qiáng)型CPU，時鐘頻率達(dá)到72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品，擁有最多112個的快速I/O端口，除了模擬輸入，所有的都接口可以接受5V以內(nèi)的輸入。13個通信接口可以滿足大部分需求。

4.1　輸入輸出模塊

焊接機(jī)的輸入輸出設(shè)備使用一塊LCD屏幕，硬件設(shè)計(jì)如圖2所示，LCD屏幕可以直觀的顯示需要的各種數(shù)據(jù)，提高焊接的效率。

圖2　焊接機(jī)輸入輸出模塊電路設(shè)計(jì)

4.2　通信接口模塊

RS-485采用差分信號負(fù)邏輯，邏輯“1”以兩線間的電壓差為+(2~6)V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為-(2~6)V表示。接口信號電平比RS-232降低，不易損壞接口電路的芯片， 且該電平與TTL電平兼容。

圖3　通信接口電路設(shè)計(jì)

4.3　看門狗模塊

為了避免焊接機(jī)出現(xiàn)生產(chǎn)事故，添加一個保護(hù)模塊，出現(xiàn)問題之后提示工作人員，然后切斷焊接機(jī)的供電，保護(hù)機(jī)器和人員安全。

圖4　焊接保護(hù)電路

5軟件設(shè)計(jì)

智能焊接機(jī)系統(tǒng)的軟件部分可以分為，控制系統(tǒng)，wifi控制模塊和數(shù)據(jù)庫三個主要模塊組成。傳統(tǒng)的數(shù)控焊接機(jī)采用的基本為51單片機(jī)，性能不及與現(xiàn)在的STM32單片機(jī)，無法滿足現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)化的工業(yè)要求，通過使用STM32單片機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)智能化焊接的要求。

5.1　控制系統(tǒng)

因?yàn)椴捎昧薙TM32型CPU，軟件設(shè)計(jì)時候可以采用實(shí)時管理系統(tǒng)，焊接主控系統(tǒng)主要組成為焊接機(jī)控制系統(tǒng)，用戶界面，焊接數(shù)據(jù)存儲，設(shè)備驅(qū)動幾個主要模塊。主要代碼目錄如圖5所示。

圖5　焊接機(jī)主控系統(tǒng)代碼目錄

其中控制文件Controler主要包含以下函數(shù)

void DrawControlerState();//顯示狀態(tài)

void PerformControlerTask();//執(zhí)行控制器任務(wù)

void UpdateLoad();//數(shù)據(jù)更新

void SaveCoolTime(u8 time);//存儲冷卻時間

u8 LoadCoolTime();

5.2　WIFI模塊

焊接機(jī)的WiFi模塊用于對信息的傳輸，接收控制板上串口發(fā)送的數(shù)據(jù)，并通過無線傳輸方式向數(shù)據(jù)庫發(fā)送這些數(shù)據(jù)。當(dāng)控制主板采集到的實(shí)時數(shù)據(jù)，Wifi系統(tǒng)接收這些數(shù)據(jù)，進(jìn)行打包，發(fā)送大小為8比特的數(shù)據(jù)包，通過TCP數(shù)據(jù)傳輸。包含了運(yùn)行信息，工人信息，測量數(shù)據(jù)。

5.3　數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)用來存儲和管理焊接機(jī)工作狀態(tài)。需要有以下功能：

收集焊接機(jī)的基本信息

收集焊接成品的測量數(shù)據(jù)

收集焊接工人的信息

收集焊接機(jī)的工作狀態(tài)

根據(jù)以上功能，設(shè)計(jì)出數(shù)據(jù)庫E-R圖，如圖6所示。

圖6　數(shù)據(jù)庫E-R圖

頂層數(shù)據(jù)流圖如圖7所示

圖7　頂層數(shù)據(jù)流圖

6總結(jié)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷深化，本文提出一種基于STM32的新型智能焊接機(jī)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了焊接數(shù)據(jù)的管理和總結(jié)，通過大量的數(shù)據(jù)記錄，幫助提高焊接工藝的水平，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)焊接機(jī)的缺陷，為工業(yè)化大生產(chǎn)的焊接提供了一個解決的思路，同時開拓了超聲波焊接機(jī)研究的寬度。除設(shè)計(jì)已有功能之外，預(yù)留接口較多，也為升級留出了空間。

感謝我的導(dǎo)師冉全教授的悉心指導(dǎo)！

參考文獻(xiàn)：

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Design of intelligent ultrasonic

welding machine system based on STM32

LIU Shuai

(School of Computer Science and Engineering,

Wuhan Institute of Technology,Wuhan430205,China)

Abstract:in the present industrial development, the intelligent networking technology has led the development direction, this paper takes the traditional numerical control ultrasonic welding machine as the research object, integrated the LCD display technology, STM32 technology, the Internet of things technology, designs a set of new welding machine system, which expands the content of the research on the transmission system, and provides a solution for intelligent welding machine.

Key words：internet of things;STM32; ultrasonic welding machine