基于STM32的三軸焊接平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周智勇，潘天紅

（江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013）

基于STM32的三軸焊接平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周智勇，潘天紅

（江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013）

應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)焊接環(huán)境中人力成本高、生產(chǎn)效率不穩(wěn)定、重復(fù)性的疲勞操作問(wèn)題和先進(jìn)焊接技術(shù)的需求，對(duì)具體應(yīng)用進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)了一種基于STM32的三軸焊接平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)采集定位、存儲(chǔ)、焊料進(jìn)給和循環(huán)自動(dòng)焊接功能，提高焊接的自動(dòng)化和效率，解決上述所述傳統(tǒng)環(huán)境中遇到的問(wèn)題，具有一定參考意義。

三軸；STM32；焊接平臺(tái)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

焊接直接影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的整體性能，選擇合適的焊接技術(shù)很大程度上保證焊接質(zhì)量和提高整體制造水平[1]。同軸電纜被大量地應(yīng)用于通信系統(tǒng)，其需求量很大。而傳統(tǒng)焊接存在勞動(dòng)力相對(duì)緊張、人力成本支出費(fèi)用較高、生產(chǎn)效率不穩(wěn)定等若干問(wèn)題，必須通過(guò)先進(jìn)焊接技術(shù)增強(qiáng)機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、改善生產(chǎn)環(huán)境，獲得經(jīng)濟(jì)效益[2]。因此，自動(dòng)化和智能化成為焊接設(shè)備的主要發(fā)展趨勢(shì)，并且設(shè)備朝著精密化方向發(fā)展。

本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32F103為控制器、帶有觸摸屏的三軸焊接平臺(tái)，用于同軸電纜的軸頭與軸線的焊接。它可以通過(guò)搖桿控制三個(gè)軸向機(jī)械的運(yùn)動(dòng)，并取得任意空間點(diǎn)相對(duì)于原點(diǎn)的位置，依次記錄所有需要的焊接點(diǎn)位和之間的過(guò)渡點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的自動(dòng)化。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作流程

結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，硬件上主要由STM32、三軸機(jī)體、步進(jìn)電機(jī)、觸摸屏、搖桿、送絲器、高頻焊接頭等組成，功能上主要部分由在三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、人機(jī)交互系統(tǒng)、傳動(dòng)與控制系統(tǒng)、點(diǎn)位采集系統(tǒng)、送絲系統(tǒng)、焊接系統(tǒng)和電源等組成。

三軸平臺(tái)有6個(gè)電機(jī)，用于控制3個(gè)軸向運(yùn)動(dòng)、2個(gè)送絲器電機(jī)、1個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)。由3個(gè)限位傳感器在三軸運(yùn)動(dòng)的零點(diǎn)處組成硬限位。根據(jù)觸摸屏數(shù)據(jù)格式編寫(xiě)控制指令，將搖桿的輸出進(jìn)行角度控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速。高頻焊接頭受控于STM32控制的繼電器。不同工藝的產(chǎn)品參數(shù)存儲(chǔ)在片上FLASH中，以后續(xù)采用。

圖1 結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)的工作流程，如圖2所示。

1）焊接工作前，開(kāi)機(jī)系統(tǒng)初始化工作，使各參數(shù)變?yōu)槟J(rèn)初始數(shù)值、三軸位置回到零點(diǎn)位于初始位置、各功能模塊恢復(fù)初始狀態(tài)，將同軸電纜的軸頭放在轉(zhuǎn)臺(tái)上，并將軸線夾在轉(zhuǎn)臺(tái)上的夾持工具上。

2）初始化工作完后，設(shè)置所需的工藝參數(shù)，并采集過(guò)渡點(diǎn)和焊接點(diǎn)。通過(guò)人機(jī)交互的觸摸屏給控制器設(shè)定欲加工的各種工藝參數(shù)，通過(guò)搖桿給焊接平臺(tái)記錄下焊接過(guò)程中各個(gè)軸頭對(duì)應(yīng)的過(guò)渡點(diǎn)和焊接點(diǎn)位。

3）完成設(shè)置和采集后，系統(tǒng)開(kāi)始焊接工作。三軸先回零，平臺(tái)開(kāi)始工作，傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)將焊接頭依次推進(jìn)到下一個(gè)待焊接點(diǎn)的過(guò)渡點(diǎn)，再到焊接點(diǎn)，到達(dá)焊接點(diǎn)后，焊接系統(tǒng)開(kāi)始工作。送絲器上的電機(jī)正轉(zhuǎn)將焊絲從送絲管里送出，繼電器的持續(xù)通斷改變高頻焊接頭開(kāi)關(guān)狀態(tài)使焊絲熔化，熔化的焊料使焊接部件固定連接在一起；焊完一個(gè)點(diǎn)位后，焊接頭退出到當(dāng)前點(diǎn)的過(guò)渡點(diǎn)，再行進(jìn)到下一個(gè)焊接點(diǎn)的過(guò)渡點(diǎn)，重復(fù)地依次焊完所有軸頭。焊接平臺(tái)工作示意圖，如圖3所示。

圖2 工作流程

一排的軸頭工件全部焊完后，焊接頭在平臺(tái)運(yùn)動(dòng)下回到零點(diǎn)，轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)半圈，使轉(zhuǎn)臺(tái)上另一半的工件轉(zhuǎn)到焊接工位等待焊接。同時(shí)，工作人員可以在轉(zhuǎn)臺(tái)的另一側(cè)進(jìn)行已經(jīng)焊完的軸頭的拆卸和下一批次的軸頭、軸線的安裝。其中，根據(jù)是否需要循環(huán)工作選擇往復(fù)工作。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電源系統(tǒng)

圖3 焊接平臺(tái)示意圖

系統(tǒng)中的各部分需要不同電壓的電源，需要設(shè)計(jì)不同的電壓轉(zhuǎn)換電路。以觸摸屏電源設(shè)計(jì)為例，由開(kāi)關(guān)電源接入220V電壓，輸出24V電壓作為轉(zhuǎn)換電路的輸入，采用LM2576-12V芯片輸出12V供應(yīng)觸摸屏，如圖4所示。同樣的，搖桿、STM32采用類(lèi)似電源轉(zhuǎn)換電路（采用LM2576-5V），而接近傳感器和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器則直接接入24V的開(kāi)關(guān)電源。

圖4 12V電壓轉(zhuǎn)換電路

2.2 人機(jī)交互系統(tǒng)

通過(guò)人機(jī)界面對(duì)生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使同一套自動(dòng)焊接平臺(tái)可以焊接多種不同規(guī)格的產(chǎn)品[3]。觸摸屏采用北京迪文的DMT10600T102_02W，根據(jù)通信格式設(shè)置指令?？刂破鹘邮沼|摸屏發(fā)送過(guò)來(lái)的指令，根據(jù)相應(yīng)鍵值在主程序中進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)控制，可以完成多種參數(shù)的設(shè)定和測(cè)試、運(yùn)動(dòng)控制等功能。觸摸屏的串口電路，如圖5所示。

2.3 點(diǎn)位采集系統(tǒng)

點(diǎn)位采集可使用搖桿控制，控制平臺(tái)的X、Y、Z軸。將搖桿的連續(xù)輸出離散成n段進(jìn)行角度控制，當(dāng)搖桿被要到某一角度時(shí)，計(jì)算出電機(jī)對(duì)應(yīng)的當(dāng)前速度。通過(guò)人機(jī)交互，根據(jù)是否需要過(guò)渡點(diǎn)和焊接點(diǎn)選擇存儲(chǔ)。搖桿的串口電路類(lèi)似于液晶屏。

圖5 觸摸屏串口

2.4 傳動(dòng)系統(tǒng)

傳動(dòng)系統(tǒng)采用與電機(jī)軸同軸連接的絲杠帶動(dòng)軸向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，而且由固定在平臺(tái)上的每個(gè)軸向的步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力。通過(guò)絲杠，不僅可以傳遞一定的動(dòng)力，將步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成X、Y、Z三軸的直線運(yùn)動(dòng)，還可以精確地確定每個(gè)軸頭工件的坐標(biāo)位置，提高焊接點(diǎn)位的精度。

2.5 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

電機(jī)控制部分為單軸的單獨(dú)運(yùn)動(dòng)，左、右送絲器的送、回絲和轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)。每個(gè)電機(jī)都由一路PWM和一個(gè)方向信號(hào)控制，以其中的一路電機(jī)控制為例，如圖6所示。

圖6 電機(jī)控制電路

平滑的電機(jī)速度控制是保持機(jī)臺(tái)平穩(wěn)的關(guān)鍵。保證伺服平臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)角度的準(zhǔn)確性和運(yùn)行平穩(wěn)性，要求電機(jī)在啟動(dòng)和停止時(shí)能減少?zèng)_擊，因此需要進(jìn)行加減速控制[4]，將沖擊的啟、停狀態(tài)改善，轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝缘那€變速運(yùn)動(dòng)。目前國(guó)內(nèi)外步進(jìn)電機(jī)加減速控制方法，主要包括三種：1）直線型加減速速度曲線；2）指數(shù)型加減速曲線；3）S型加減速曲線[5]。S型曲線變速是常用的柔性化方法。Logistic曲線是一種常見(jiàn)的S型曲線。方程為：

其中：e為指數(shù)，K、a、b為參數(shù)，K影響y最大值，a影響曲線的陡峭程度，b影響曲線的x的中點(diǎn)值。

在電機(jī)速度變化過(guò)程中，速度不是連續(xù)變化的，而是按分檔階梯變化[6]。通過(guò)控制器的定時(shí)器方式產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，改變定時(shí)器參數(shù)可以得到不同周期的PWM，得到不同的速度。焊接機(jī)單軸通過(guò)絲杠從一點(diǎn)移動(dòng)到另一點(diǎn)，速度曲線如圖7所示。

圖7 S型速度曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

該文所設(shè)計(jì)的一種基于STM32及觸摸屏的三軸焊接平臺(tái)，記憶學(xué)習(xí)多個(gè)工藝參數(shù)和焊接點(diǎn)位，通過(guò)曲線加減速減少?zèng)_撞達(dá)到柔性運(yùn)動(dòng)，焊接中的高頻焊接頭可以實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸焊接。在實(shí)際使用中可以達(dá)到一次設(shè)定的重復(fù)焊接，提高對(duì)不同工藝的產(chǎn)品的適應(yīng)性，提高生產(chǎn)穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)小批量、多種類(lèi)產(chǎn)品的焊接自動(dòng)化。同時(shí)提高單片機(jī)自身片上資源的利用率，可減小相應(yīng)的外部設(shè)備投資。

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Design of control system of three - axis welding platform based on STM32

ZHOU Zhi-Yong, PAN Tian-hong

TP23

：A

1009-0134(2017)03-0139-03

2016-12-18

鎮(zhèn)江市重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（SYF120150110019）

周智勇（1991 -），男，江蘇淮安人，碩士，研究方向?yàn)閮x器儀表與自動(dòng)化裝置。