基于ARM的自動(dòng)電阻焊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 帆，程 鑫，同軍超，張衛(wèi)超

(1.武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢430070；2.湖北省磁懸浮工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430070)

電阻焊由于無(wú)需填充金屬，輔助工序少，焊接效率高，可靠性強(qiáng)，焊接質(zhì)量好，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，是高端設(shè)備和制造中必不可少的技術(shù)，但其一般采用380 V三相交流電供電，焊接電流高[3]，可達(dá)幾千甚至幾萬(wàn)安，電極溫度甚至高達(dá)1 000 ℃，還會(huì)出現(xiàn)金屬飛濺。采用人工控制焊接部件進(jìn)行焊接，準(zhǔn)確度不高，效率較低，難以完成大批量焊接工件的焊接，且人工成本較高。目前焊接技術(shù)朝著自動(dòng)化、智能化和數(shù)字化方向發(fā)展[4]，機(jī)器焊接代替手工焊接成為制造業(yè)必然的趨勢(shì)，且采用自動(dòng)焊接技術(shù)，可以極大地提高焊接效率，改善焊接衛(wèi)生及安全條件，對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

傳統(tǒng)的自動(dòng)焊接多采用人工示教或離線編程。人工示教[5-6]是人工通過(guò)示教盒控制裝有焊頭的機(jī)器人末端進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，這種方法需要現(xiàn)場(chǎng)人工示教，為保證軌跡精度，示教點(diǎn)要足夠多，導(dǎo)致規(guī)劃時(shí)間長(zhǎng)，效率低，且適應(yīng)環(huán)境變化的能力弱，若工件的形狀或位置發(fā)生變化，則需要重新進(jìn)行示教，花費(fèi)大量的時(shí)間和人力。離線編程[7-8]是在仿真環(huán)境用三維模型模擬實(shí)際的作業(yè)過(guò)程，在仿真環(huán)境中通過(guò)虛擬示教獲取焊接路徑后輸入到機(jī)器人控制器中，這種示教方式相比于人工示教的方式減少了示教時(shí)間，提高了生產(chǎn)率，并且能通過(guò)仿真提前驗(yàn)證焊接作業(yè)的正確性和安全性，但需要針對(duì)不同的工件建立不同的模型，耗時(shí)長(zhǎng)，效率不高。

以上兩種方法均對(duì)小批量、多規(guī)格、多品類的焊接工件支持不足，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)針對(duì)電阻焊的非接觸、精度高、速度快、適應(yīng)性強(qiáng)的控制系統(tǒng)是必不可少的，是迫在眉睫的。筆者基于“ARM(advanced RISC machines)+RS485+步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器+步進(jìn)電機(jī)+上位機(jī)”的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了自動(dòng)電阻焊控制系統(tǒng)，系統(tǒng)由軟硬件構(gòu)成，上下位機(jī)通過(guò)RS485串口總線進(jìn)行通信實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。該系統(tǒng)具有開(kāi)發(fā)周期短、適應(yīng)性強(qiáng)、靈活性高、經(jīng)濟(jì)可靠等優(yōu)點(diǎn)，不僅可用于電阻焊焊接，對(duì)于其他的焊接方式也有指導(dǎo)意義,設(shè)計(jì)理念具有實(shí)際推廣價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)電阻焊控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)復(fù)位、定位、啟停、加減速、運(yùn)動(dòng)方向等三維運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制，并通過(guò)控制這些功能的實(shí)現(xiàn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)電極到達(dá)目標(biāo)焊點(diǎn)完成焊接的工作。上位機(jī)對(duì)控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與進(jìn)程顯示，對(duì)焊接總數(shù)、合格數(shù)、次品數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，便于對(duì)生產(chǎn)效率、產(chǎn)能進(jìn)行管理。下位機(jī)采用ARM微處理器作為主控芯片，控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)焊接的直線運(yùn)動(dòng)，控制旋轉(zhuǎn)氣缸實(shí)現(xiàn)焊接的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[9-10]。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)電阻焊運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由主控模塊、功能模塊以及人機(jī)交互模塊組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

主控模塊主要包括主控芯片、外設(shè)電路和電源電路。主控制器是整個(gè)設(shè)備的核心部分，采用ARM公司的STM32F103ZET6作為主控芯片，其主頻可達(dá)72 M，外設(shè)豐富，主要包括DMA(direct memory access)、ADC(analog to digital)、PWM(pulse width modulation)、UART(universal asynchronous receiver transmitter)、RS485、SPI(serial peripheral interface)、IIC(inter-integrated circuit)，可兼容多種RTOS(real time operating system)，且價(jià)格便宜。電源電路為主控芯片及外設(shè)電路供電，穩(wěn)定輸出12 V、5 V及3.3 V電壓，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。外設(shè)電路負(fù)責(zé)主控芯片及功能模塊的信息傳輸，將主控芯片的控制信號(hào)放大，將功能模塊的反饋信號(hào)輸入到芯片。

功能模塊由行程開(kāi)關(guān)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、啟動(dòng)按鍵、急停按鍵、警報(bào)燈、繼電器、旋轉(zhuǎn)氣缸、電阻焊機(jī)組成。行程開(kāi)關(guān)將機(jī)械位移信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，用于限制步進(jìn)電機(jī)的行程，進(jìn)行終端限位保護(hù)及復(fù)位。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件，在非超載情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，電機(jī)的角位移或線位移與脈沖數(shù)成正比，易于實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)精確控制，可靠性高。對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制多采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、位移、方向及使能，可低噪聲、小振動(dòng)、高速度地驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。本系統(tǒng)采用的是FSL40開(kāi)放式絲杠模組，精度為0.05 mm，絲杠導(dǎo)程為10 mm，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，帶載能力強(qiáng)。啟動(dòng)按鍵采用兩個(gè)按鈕串聯(lián)，需左右手同時(shí)按下按鍵，避免員工的誤觸啟動(dòng)，提高設(shè)備的安全系數(shù)。急停按鍵可在緊急情況下快速按下按鈕停止設(shè)備的運(yùn)行，避免設(shè)備損壞及人員傷亡，重新啟動(dòng)時(shí)需順時(shí)針旋轉(zhuǎn)大約45°后松開(kāi)。警報(bào)燈將設(shè)備狀態(tài)通過(guò)視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)的信號(hào)傳遞給工人，當(dāng)設(shè)備焊接完成則綠燈閃爍，當(dāng)設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)黃燈閃爍，當(dāng)設(shè)備焊接失敗時(shí)則紅燈閃爍且蜂鳴器長(zhǎng)鳴。旋轉(zhuǎn)氣缸通過(guò)繼電器來(lái)控制氣缸控制閥帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)，滿足焊接工件多角度的焊接要求，減少焊接工件的反復(fù)裝夾，縮短焊接時(shí)間。電阻焊電源通過(guò)繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)不同工件不同焊接程序，使其在到達(dá)目標(biāo)焊點(diǎn)后再啟動(dòng)焊接程序完成焊接過(guò)程。

人機(jī)交互模塊主要是通過(guò)上位機(jī)對(duì)整個(gè)焊接運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行控制，對(duì)焊接通過(guò)握手協(xié)議確認(rèn)上下位機(jī)通信的波特率、奇偶校驗(yàn)是匹配的，再通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，對(duì)系統(tǒng)的目標(biāo)焊點(diǎn)位置及脈沖頻率進(jìn)行設(shè)置。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源電路

電源電路需要給主控芯片及外設(shè)電路提供穩(wěn)定的12 V、5 V、3.3 V直流電，其性能和穩(wěn)定性直接影響整個(gè)主控模塊性能的優(yōu)劣。電路設(shè)計(jì)中電源架構(gòu)主要分為集中式電源架構(gòu)和分布式電源架構(gòu)，采用分布式電源架構(gòu)可節(jié)省成本、節(jié)約PCB板面積，第一級(jí)進(jìn)行AC/DC轉(zhuǎn)換將輸入端電源220 V轉(zhuǎn)換成輸入端中間電源12 V，第二極進(jìn)行DC/DC轉(zhuǎn)換將輸入端中間電源12 V轉(zhuǎn)換成5 V，再將5 V轉(zhuǎn)換成3.3 V。

第一級(jí)220 V轉(zhuǎn)12 V的轉(zhuǎn)換電路如圖2所示，采用反激式變壓器開(kāi)關(guān)電源，電路簡(jiǎn)單，體積小，成本低。在輸入端采用保險(xiǎn)絲、壓敏電阻、熱敏電阻以及共模電感提供過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)溫保護(hù)，保證系統(tǒng)的可靠性，經(jīng)整流、濾波、變壓后得到輸出端電壓，通過(guò)光耦反饋使輸出電壓穩(wěn)定在12 V，滿足項(xiàng)目需求。

圖2 第一級(jí)轉(zhuǎn)換電路

第二級(jí)12 V轉(zhuǎn)5 V的轉(zhuǎn)換電路如圖3所示，12 V轉(zhuǎn)5 V壓差較大，采用Buck電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，選取芯片型號(hào)為MP2482DN,用R9和R10分壓反饋的方式將輸出電壓穩(wěn)定在5 V。

圖3 第二級(jí)12 V轉(zhuǎn)5 V的轉(zhuǎn)換電路

第三級(jí)5 V轉(zhuǎn)3.3 V的轉(zhuǎn)換電路如圖4所示,對(duì)于3.3 V電壓，電流需求不高，但要求紋波和噪聲較小，因此采用LDO(low dropout regulator)電路實(shí)現(xiàn)，選取芯片型號(hào)為AMS1117_3.3。

圖4 第三級(jí)5 V轉(zhuǎn)3.3 V的轉(zhuǎn)換電路

2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式有3種：整步驅(qū)動(dòng)、半步驅(qū)動(dòng)和細(xì)分驅(qū)動(dòng)[11]。對(duì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)多采用步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)，細(xì)分驅(qū)動(dòng)的細(xì)分?jǐn)?shù)越大，電流矢量分割圓越來(lái)越稠密，提高步進(jìn)電機(jī)的精度和輸出轉(zhuǎn)矩，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn)、更順暢，完全消除步進(jìn)電機(jī)的低頻振蕩，緩解步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)和噪聲，從而提高步進(jìn)電機(jī)的使用壽命。

驅(qū)動(dòng)器主要由邏輯控制電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路及電源組成，接收來(lái)自主控芯片的脈沖控制信號(hào)，將其進(jìn)行功率放大后，按一定的勵(lì)磁時(shí)序產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)各相勵(lì)磁繞組的導(dǎo)通或截止信號(hào)，從而控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、位移、方向及使能，控制原理如圖5所示。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器主要電路如圖6所示，采用TB67S109AFTG芯片，該芯片是一種配備PWM斬波器的雙極性混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)置邏輯控制電路和功率驅(qū)動(dòng)電路，由PWM控制的恒流驅(qū)動(dòng)，通過(guò)3位撥碼開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)7檔細(xì)分控制，通過(guò)3位撥碼開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)8檔電流控制，輸入都經(jīng)光耦實(shí)現(xiàn)電氣隔離、抗干擾，經(jīng)測(cè)試該驅(qū)動(dòng)器電路可低噪聲、小振動(dòng)、高速度地驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。

圖5 步進(jìn)電機(jī)控制原理圖

圖6 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路

2.3 行程開(kāi)關(guān)電平轉(zhuǎn)換電路

行程開(kāi)關(guān)可分為兩種：機(jī)械式行程開(kāi)關(guān)和接近式行程開(kāi)關(guān)，機(jī)械式行程開(kāi)關(guān)無(wú)需外加電源，但受環(huán)境因素影響大，響應(yīng)速度慢；接近式行程開(kāi)關(guān)需外加電源，響應(yīng)速度快，使用壽命長(zhǎng)，能適應(yīng)各種惡劣工作環(huán)境。本系統(tǒng)采用6個(gè)FC-SPX30型號(hào)的接近式行程開(kāi)關(guān)檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)位置，分別置于X軸左端、X軸右端、Y軸前端、Y軸后端、Z軸上端、Z軸下端，采集信號(hào)輸入到主控模塊中。未觸發(fā)時(shí)為高電平，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行到檢測(cè)范圍時(shí)，有效觸發(fā)為低電平，防止步進(jìn)電機(jī)超過(guò)既定行程范圍，并在開(kāi)始運(yùn)行時(shí)進(jìn)行行程復(fù)位返回原點(diǎn)。行程開(kāi)關(guān)供電電壓為直流電12 V，信號(hào)線未觸發(fā)時(shí)為高電平12 V，觸發(fā)時(shí)為0 V，對(duì)信號(hào)線要經(jīng)過(guò)處理后才能接到主控芯片IO口。在信號(hào)線上直接采用串聯(lián)電阻分壓的方式，會(huì)導(dǎo)致分壓電阻難選擇，可維護(hù)性差，因此采用電平轉(zhuǎn)換電路直接將12 V轉(zhuǎn)換成5 V。

電平轉(zhuǎn)換電路如圖7所示，可將1+與1-之間的電壓差通過(guò)點(diǎn)亮光耦內(nèi)部發(fā)光二極管，使光控晶閘管閉合，實(shí)現(xiàn)“電-光-電”的轉(zhuǎn)換，使輸入端為高電平時(shí)輸出端為低電平，輸入端為低電平時(shí)輸出端為高電平，且進(jìn)行電氣隔離。但由于行程開(kāi)關(guān)的帶載能力較弱，驅(qū)動(dòng)不了光耦的發(fā)光二極管，因此采用共陽(yáng)極接法，將1+接+12 V，1-接信號(hào)線，利用兩者間壓差驅(qū)動(dòng)光耦，當(dāng)信號(hào)線為高電平時(shí)輸出高電平，信號(hào)線為低電平時(shí)輸出低電平，邏輯符合要求。

圖7 電平轉(zhuǎn)換電路

2.4 RS485通信電路

基于串行通信的物理層有很多標(biāo)準(zhǔn)和變種，RS485是基于UART的半雙工通信方式，外接邏輯電平轉(zhuǎn)換接口，正電平電壓范圍為+2～+6 V，負(fù)電平電壓范圍為-2～-6 V，采用差分信號(hào)進(jìn)行傳輸，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)，可外掛節(jié)點(diǎn)多，本系統(tǒng)采用RS485進(jìn)行主控芯片與上位機(jī)之間的通信。RS485通常采用屏蔽雙絞線進(jìn)行傳輸，但接收器的共模電壓范圍為-7～+12 V，超過(guò)此范圍會(huì)影響通信的穩(wěn)定性，甚至損壞接口，且輸出信號(hào)需返回路徑，否則會(huì)向外輻射電磁波，產(chǎn)生EMI(electro magnetic interference)問(wèn)題，因此在差分線中增加地線有利于系統(tǒng)穩(wěn)定。

RS485的通信電路如圖8所示，采用SP3845芯片，將其RO及DI引腳分別與UART的RX及DI引腳相連，將RE與DE引腳直接用普通IO口來(lái)控制數(shù)據(jù)傳輸方向，發(fā)送采用輪詢的方式，接收采用中斷的方式。A與B之間接120 Ω電阻避免信號(hào)發(fā)射問(wèn)題，R19是下拉電阻接到B上，R24是上拉電阻接到A上，調(diào)節(jié)空閑狀態(tài)下的電壓值，使通信穩(wěn)定。使用瞬態(tài)抑制二極管SAF12A吸收浪涌與靜電，保護(hù)SP3485芯片。

圖8 RS485通信電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主控程序設(shè)計(jì)

主控程序流程如圖9所示，下位機(jī)為STM32主控芯片，上位機(jī)為可收發(fā)操控指令的計(jì)算機(jī)。下位機(jī)時(shí)鐘配置及外設(shè)初始化采用STM32CubeMX，可通過(guò)圖形化界面生成代碼，大大減輕了開(kāi)發(fā)工作、成本和時(shí)間。時(shí)鐘配置選取高速外部時(shí)鐘為時(shí)鐘源，頻率為8 MHz，經(jīng)PLL 9倍頻后系統(tǒng)時(shí)鐘為72 MHz，為外設(shè)提供時(shí)鐘信號(hào)，外設(shè)初始化主要包括RS485初始化、PWM輸出初始化、中斷初始化、普通IO口初始化，總共使用到29個(gè)IO端口。經(jīng)STM32CubeMX生成初始代碼后，再由Keil uVision5根據(jù)項(xiàng)目需求完善代碼，主要包括中斷服務(wù)函數(shù)、RS485接收及發(fā)送函數(shù)、PWM的頻率及占空比設(shè)置、應(yīng)用層等代碼編寫。上位機(jī)開(kāi)發(fā)軟件為Microsoft Visual Studio 2017，以控件和代碼組合的方式實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的開(kāi)發(fā)，主要負(fù)責(zé)與下位機(jī)進(jìn)行通信、對(duì)焊接的焊點(diǎn)位置及步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行速度進(jìn)行設(shè)置、顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及焊接成功與失敗數(shù)量統(tǒng)計(jì)。

圖9 主控程序流程圖

3.2 上位機(jī)程序

上位機(jī)焊接系統(tǒng)顯示界面如圖10所示，左邊對(duì)通信的端口、波特率、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位、停止位進(jìn)行設(shè)置，右上方對(duì)焊接總數(shù)、合格數(shù)、次品數(shù)及系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行顯示，右下角是對(duì)焊點(diǎn)位置進(jìn)行設(shè)置，便于對(duì)多批量產(chǎn)品中的不同焊點(diǎn)進(jìn)行焊接，并通過(guò)設(shè)置頻率來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)速度，調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間。

圖10 焊接系統(tǒng)顯示界面

上下位機(jī)通過(guò)RS485進(jìn)行通信，約定協(xié)議為波特率9 600 Bit/s、無(wú)數(shù)據(jù)校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位為8位、停止位為1位，其通信狀態(tài)機(jī)如圖所11所示。

圖11 通信狀態(tài)機(jī)

4 焊接流程與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

整個(gè)焊接過(guò)程可以分為準(zhǔn)備階段、焊接流程階段和數(shù)據(jù)顯示階段。準(zhǔn)備階段主要是進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)復(fù)位，在上位機(jī)界面設(shè)置相應(yīng)的串口和相關(guān)的焊接參數(shù)等信息。焊接流程階段中，步進(jìn)電機(jī)復(fù)位，上下位機(jī)握手，握手成功后上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送焊接的相關(guān)參數(shù)，命令下位機(jī)控制焊頭到達(dá)目標(biāo)的焊點(diǎn)進(jìn)行焊接。在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，會(huì)實(shí)時(shí)反饋下位機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行進(jìn)程條的顯示，焊接結(jié)束后，會(huì)將焊接總數(shù)、焊接成功和失敗的數(shù)量進(jìn)行顯示，界面直觀。搭建的電阻焊控制系統(tǒng)平臺(tái)及其焊接結(jié)果界面分別如圖12和圖13所示。

圖12 電阻焊控制系統(tǒng)平臺(tái)

圖13 測(cè)試結(jié)果界面

5 結(jié)論

筆者設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了以ARM微處理器為核心的自動(dòng)電阻焊控制系統(tǒng)，綜合電源電路、步進(jìn)電機(jī)控制、旋轉(zhuǎn)氣缸控制、繼電器控制、串口通信和上位機(jī)界面等多個(gè)模塊，控制焊頭到達(dá)目標(biāo)焊點(diǎn)完成焊接工作。焊接實(shí)驗(yàn)表明，焊接過(guò)程與預(yù)設(shè)的焊接過(guò)程基本重合，保證了良好的質(zhì)量，且該系統(tǒng)支持小批量、多規(guī)格、多品類的工件焊接，只需在上位機(jī)上進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置，即可按預(yù)定的焊接軌跡進(jìn)行焊接，能有效提高電阻焊的焊接效率和自動(dòng)化水平，為我國(guó)焊接設(shè)備的升級(jí)和普及應(yīng)用提供技術(shù)和理論參考。