全自動智能型超聲波焊機(jī)的設(shè)計(jì)

鄭乾 張超良

摘 要：自動化與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代生產(chǎn)和工業(yè)發(fā)展中主導(dǎo)了整個(gè)方向。新型超聲波焊接機(jī)系統(tǒng)，融入了stm32技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、自動化控制技術(shù);以stm32f103c8t6為主控器，利用串口通信與PC端上位機(jī)實(shí)時(shí)通信監(jiān)測焊接機(jī)狀態(tài)并進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整與控制，同時(shí)利用ESP8266連接中國移動OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺將超聲波焊接機(jī)的狀態(tài)信息上傳給云端數(shù)據(jù)庫，增加了對焊接機(jī)的監(jiān)測內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：自動化;物聯(lián)網(wǎng);ESP8266;STM32;超聲波焊接機(jī)

Abstract： Automation and Internet of things technology in modern production and industrial development led the whole direction. The new ultrasonic welding machine system integrates STM32 technology， Internet of things technology， automatic control technology; with stm32f103c8t6 as the main controller， real-time communication between serial communication and PC upper computer is used to monitor the status of welding machine and make timely adjustment and control. At the same time， the status information of ultrasonic welding machine is uploaded to cloud data by connecting China Mobile onenet Internet of things platform with esp8266 The monitoring content of welding machine is added.

Keywords： automation; Internet of things; esp8266; STM32; ultrasonic welding machine

1、背景

1.1物聯(lián)網(wǎng)

在國外，物聯(lián)網(wǎng)的概念早在20世紀(jì)90年代就被提出了，但是一直沒有受到各個(gè)學(xué)術(shù)界和各國政府的重視。直到21世紀(jì)初，各國才開始對應(yīng)自己國家的情況開始制定物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)的技術(shù)。自此以后，物聯(lián)網(wǎng)才成功迎來高調(diào)時(shí)代。伴隨著當(dāng)今社會的電子技術(shù)的高速發(fā)展，傳感器的技術(shù)逐漸成熟和完善，再加上網(wǎng)絡(luò)的普及和應(yīng)用，使得現(xiàn)如今的海量信息的收集能力和分類處理數(shù)據(jù)信息的能力大幅度提高，為物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。

1.2相關(guān)研究

超聲波焊機(jī)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厚的鋁板，對此進(jìn)行改進(jìn)后，可以更改廣泛的應(yīng)用在塑料焊接上。

2相關(guān)原理

全智能自動超聲波焊接機(jī)利用振動波的方式，把高頻振動波傳遞到兩個(gè)需要焊接的物體表面，在加壓的情況下促使兩個(gè)物體表面進(jìn)行相互摩擦，然后形成兩個(gè)物體分子層之間的融合。超聲波作用于物體表面時(shí)，會在局部產(chǎn)生每秒幾萬次的高溫。當(dāng)超聲波停止工作后，讓壓力持續(xù)幾秒鐘，促使兩個(gè)物體凝固成型，最后可以發(fā)現(xiàn)其焊接強(qiáng)度能接近于原材料強(qiáng)度。

3.1、創(chuàng)新性設(shè)計(jì).

目前市面上的焊接機(jī)大多為半自動焊接機(jī)，缺點(diǎn)極其明顯，而本焊接機(jī)對傳統(tǒng)焊接機(jī)進(jìn)行改造，利用STM32技術(shù)、軟件技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)出一種全自動型智能焊接機(jī)。主控芯片與PC端上位機(jī)實(shí)時(shí)通信并且監(jiān)測焊接機(jī)的狀態(tài)并進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整和控制，同時(shí)利用ESP8266連接中國移動OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺將超聲波焊接機(jī)的狀態(tài)信息時(shí)時(shí)上傳給云端數(shù)據(jù)庫記錄超聲波焊接機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。需要焊接的原材料只需放在指定的位置，然后啟動超聲波焊接機(jī)，全自動超聲波焊接機(jī)即可進(jìn)行正常流水線工作。

3.2、全智能自動化超聲波焊接機(jī)的總體設(shè)計(jì)

焊接機(jī)的主要組成部分為以下幾個(gè)模塊，如焊接機(jī)的主控系統(tǒng)、信息采集及反饋系統(tǒng)、WI-FI通信上報(bào)系統(tǒng)以及云平臺數(shù)據(jù)庫處理系統(tǒng)。

焊接機(jī)整個(gè)系統(tǒng)的主要部分使用一塊STM32F407型高性能微控制器實(shí)現(xiàn)，是整個(gè)系統(tǒng)的“大腦”，控制著焊接機(jī)的焊接功率、超聲波的頻率和焊接時(shí)長，并對這幾項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

信息采集及反饋系統(tǒng)會定時(shí)采集焊接機(jī)工作狀態(tài)，監(jiān)控焊接過程，并向上位機(jī)輸出狀態(tài)信息。信息的采集利用攝像頭和溫度傳感器對正在被焊接器件檢測來采集信息，并反饋給主控系統(tǒng)。

WI-FI通信上報(bào)系統(tǒng)是我們的全自動超聲波焊接機(jī)體現(xiàn)智能化的另外的一部分，利用安信可科技有限公司生產(chǎn)的ESP8266WI-FI模塊，通過串口與主控芯片連接同是通過WI-FI模塊連接物聯(lián)網(wǎng)平臺即可將主控系統(tǒng)處理好的數(shù)據(jù)上報(bào)到云平臺數(shù)據(jù)庫進(jìn)行記錄。

云平臺數(shù)據(jù)庫主要用來記錄一些焊接機(jī)工作時(shí)的相關(guān)信息，包括焊接機(jī)啟動時(shí)間，每個(gè)焊接部件焊接用時(shí)，焊接溫度，焊接成果圖，焊接器件數(shù)量等。

4、全智能自動化超聲波焊接機(jī)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

全智能自動化超聲波焊接機(jī)使用一塊STM32F407高性能MCU的核心電路板控制機(jī)器，以電路板為基礎(chǔ)板載其他通信接口與外設(shè)接口，例如串口通信接口，WI-FI模塊接口等。

ST公司推出的以CortexTM-M4為內(nèi)核基礎(chǔ)的STM32F4系列的高性能微電子控制器自帶自適應(yīng)實(shí)時(shí)加速器，使得STM32F4系列能夠讓主頻達(dá)到168MHz的頻率，能夠完全釋放Cortex-M4內(nèi)核的性能;當(dāng)CPU工作于所有允許的頻率段時(shí)，在閃存中運(yùn)行或者等待的程序，可以達(dá)到相當(dāng)于零等待周期的性能。

STM32F407MCU時(shí)鐘頻率為168MHz，擁有一百多個(gè)高速I/O端口，數(shù)據(jù)處理速度非?？?，而且擁有多種通信接口，能滿足絕大多數(shù)控制電路的應(yīng)用，是STM32產(chǎn)品中性價(jià)比最高的一個(gè)。

目前市面上的ESP8266 WI-FI模塊，自帶WI-FI天線和無線驅(qū)動固件，而且ESP8266 擁有完整的而且自成體系的 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)功能，既能夠獨(dú)立應(yīng)用也可以作為從機(jī)搭載于其他主機(jī) MCU 運(yùn)行，支持 110-4608000 bps數(shù)據(jù)傳輸速率，體積小，功耗極低，在同類通信器件中具有相當(dāng)優(yōu)越的水平。

4.1通信接口模塊

RS-232-C接口是目前市面上最經(jīng)常使用的一種串行通訊接口。RS-232總線規(guī)定了25條線，包含了兩個(gè)信號通道，即第一通道（稱為主通道）和第二通道（稱為副通道）。利用RS- 232總線可以實(shí)現(xiàn)全雙工通信，通常使用的是主通道，而副通道使用較少。在一般應(yīng)用中，使用3條～9條信號線就可以實(shí)現(xiàn)全雙工通信，采用三條信號線（接收線、發(fā)送線和信號地）能實(shí)現(xiàn)簡單的全雙工通信過程。RS-232信號總是在在正負(fù)電平之間來回?cái)[動，在發(fā)送所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送端驅(qū)動器輸出正電平在正5V～15V之間，負(fù)電平在負(fù)5～15V電平之間。當(dāng)沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，線上為TTL電平，從數(shù)據(jù)傳送的開始到結(jié)束，線上電平從TTL電平到RS-232電平最后再返回為TTL電平。接收器典型的工作電平在正3V～12V之間或者負(fù)3V～12V之間。由于發(fā)送電平與接收電平的差僅為2V-3V左右，所以其共模抑制能力較差，再加上雙絞線上的分布電容，其傳送距離最大不超過15米左右。但是RS-232是為點(diǎn)對點(diǎn)（即只用一對收、發(fā)設(shè)備）通訊而設(shè)計(jì)的，所以也正好符合我們的要求。

經(jīng)過 串口-RS232 電路的接通，主控電路板就能連接電腦，將焊接機(jī)的狀態(tài)信息發(fā)送給電腦端的數(shù)據(jù)接收器，方便對焊接機(jī)的狀態(tài)檢測。RS232接口連接是主控芯片的串口3接口。

4.2 ?WI-FI模塊接口設(shè)計(jì)

ESP8266有八個(gè)引腳，但是通信是利用的串口通信的方式，另外加上+3.3V電壓輸入與GND端，四個(gè)引腳就能正常使用，非常的節(jié)省空間。連接WI-FI即可實(shí)現(xiàn)無線通信。

5 軟件設(shè)計(jì)

5.1控制系統(tǒng)

超聲波焊接機(jī)的控制系統(tǒng)軟件部分主要有三部分，控制任務(wù)、狀態(tài)上報(bào)、WI-FI數(shù)據(jù)上報(bào)。STM32F407芯片軟件設(shè)計(jì)利用的是STM32的HAL庫，外加Free-RTOS操作系統(tǒng)，將三個(gè)主要部分分為三個(gè)時(shí)時(shí)任務(wù)，系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

控制算法部分

STM32芯片自帶看門狗功能，打開看門狗功能，能有效防止程序跑偏，避免造成設(shè)備損壞與經(jīng)濟(jì)損失。主要控制任務(wù)控制著整個(gè)焊接機(jī)的運(yùn)作。

主要代碼目錄如圖7：

三個(gè)任務(wù)MainControl_task、USART3_task、WI-FI_task通過信號量可以通信，有序的開始控制和檢測焊接機(jī)的工作。

5.2 物聯(lián)網(wǎng)平臺云端數(shù)據(jù)的收集

利用ESP8266 WI-FI模塊，可以連接物聯(lián)網(wǎng)平臺來記錄數(shù)據(jù)。記錄的數(shù)據(jù)包括以下部分：每個(gè)器件的焊接時(shí)間、焊接溫度、焊接狀態(tài)圖、已經(jīng)焊接的器件的個(gè)數(shù)。

6總結(jié)

隨著自動化、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(gè)解決的思路，同時(shí)開拓了超聲波焊接機(jī)研究的寬度。超聲波焊機(jī)是順應(yīng)人類生活和工業(yè)的需求而產(chǎn)生的奇跡。他將促進(jìn)科技和工業(yè)的發(fā)展，讓電焊不再是技術(shù)人員的工作，促使人類走向更簡潔方便的社會。

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作者簡介：

鄭乾（2001-），男，河南焦作，本科生，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)。

張超良（1999-），男，河南商丘，本科生，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)。

（河南科技大學(xué)信息工程學(xué)院）