基于ST單片機(jī)伺服點(diǎn)焊鉗的設(shè)計(jì)

周永杰 陶曉杰 史曉杰

（合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽合肥 230000）

0.引言

近年來(lái)，點(diǎn)焊工藝在各個(gè)行業(yè)特別是汽車(chē)行業(yè)發(fā)展迅速，點(diǎn)焊鉗作為點(diǎn)焊工藝不可或缺的重要組成部分，研究和發(fā)展點(diǎn)焊鉗對(duì)于提高點(diǎn)焊質(zhì)量，提升生產(chǎn)效率具有非常重要的意義[1-3]。本文設(shè)計(jì)的點(diǎn)焊鉗以實(shí)現(xiàn)加壓穩(wěn)定、電流輸出精確、焊接效率高以及保證安全性為目的，力圖實(shí)現(xiàn)體積小、重量輕、操作簡(jiǎn)單。

1.點(diǎn)焊鉗的整體設(shè)計(jì)

點(diǎn)焊鉗總共分為3個(gè)模塊：伺服加壓模塊、電源模塊和控制模塊。其中伺服加壓模塊主要由伺服電機(jī)、絲杠副和減速器組成，伺服電機(jī)通過(guò)絲杠帶動(dòng)電極的運(yùn)動(dòng)，提供焊接時(shí)所需要的壓力。電源模塊由三相整流橋、IGBT模塊、變壓器和二次整流模塊組成，實(shí)現(xiàn)了三相電到焊接直流電轉(zhuǎn)變的過(guò)程，為焊接提供穩(wěn)定的電流?？刂颇K采用STM32單片機(jī)作為控制核心[4]，用來(lái)控制電機(jī)的運(yùn)行、電源的電流輸出以及上位機(jī)的數(shù)據(jù)交互[5]。

本文設(shè)計(jì)的點(diǎn)焊鉗根據(jù)實(shí)際焊接材料在點(diǎn)焊過(guò)程中對(duì)壓力和電流大小的需求，設(shè)計(jì)的額定壓力為5000N，最大輸出電流15000A。在功能性方面，設(shè)計(jì)了電極位置力矩的點(diǎn)動(dòng)和示教、多段壓力和放電的點(diǎn)焊等功能，方便探索不同材料點(diǎn)焊時(shí)的工藝參數(shù)。

2.伺服點(diǎn)焊鉗工作原理

點(diǎn)焊原理如圖1所示，下電極為靜電極，上電極為動(dòng)電極。首先將靜電極貼緊被焊件，動(dòng)電極以位置模式快速移動(dòng)到靠近被焊件的位置。然后將帶電機(jī)切換成力矩模式使動(dòng)電極開(kāi)始進(jìn)行加壓，即對(duì)被焊件進(jìn)行預(yù)壓，使被焊件之間緊密接觸。隨后再進(jìn)行加壓、放電，在電阻熱的作用下，電極和被焊件接觸處融化形成熔核。最后停止通電，電極對(duì)被焊件維持一定壓力直到熔核熱量消散，冷卻成可靠點(diǎn)后，打開(kāi)電極，結(jié)束焊接。

圖1 點(diǎn)焊原理示意圖

3.伺服點(diǎn)焊鉗的結(jié)構(gòu)

3.1 伺服加壓模塊

如圖2所示，伺服加壓模塊主要由松下A6系列的伺服電機(jī)、THK的滾珠絲杠副和行星減速器組成。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)減速機(jī)再帶動(dòng)絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)絲桿螺母轉(zhuǎn)化成電極的直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)使用力矩模式運(yùn)行時(shí)，動(dòng)電極運(yùn)動(dòng)碰到靜電極堵轉(zhuǎn)后即可以產(chǎn)生較為穩(wěn)定的壓力。

圖2 加壓模塊示意圖

點(diǎn)焊鉗在加壓方面模塊采用伺服電機(jī)為動(dòng)力源，有著可控性強(qiáng)，響應(yīng)快，輸出壓力穩(wěn)定以及噪音小等優(yōu)點(diǎn)，絲杠副的螺旋傳動(dòng)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，有著傳動(dòng)效率高、可以實(shí)現(xiàn)自鎖以及精度高等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 逆變電源模塊

點(diǎn)焊鉗的電源模塊是先將三相電通過(guò)三相整流橋電路變成直流電，而后直流電通過(guò)IGBT的高速通斷逆變成1kHz左右的中頻交流電，交流電再通過(guò)變壓器降壓，最后通過(guò)二次橋式整流電路將交流電變成焊接直流電。

由于電源模塊將原本50Hz的交流電轉(zhuǎn)變成了1kHz的中頻電，根據(jù)公式E=4.44fNφ，其中E為感應(yīng)電勢(shì)有效值，f為電流頻率，N為變壓器繞組匝數(shù)，φ為主磁通最大值。由于電流頻率的上升，匝數(shù)和主磁通都可以減少，此時(shí)變壓器的體積和重量可以大大減少。因此焊鉗可以做到結(jié)構(gòu)緊湊，體積更小。此外，由于變壓器二次側(cè)為直流回路，功率因素可以達(dá)到95%，減少了焊接過(guò)程的電能損耗，節(jié)能可達(dá)到35%以上。

4.焊鉗的控制系統(tǒng)

本文焊鉗控制系統(tǒng)主要由電機(jī)的控制，電源的控制以及人機(jī)交互模塊組成。控制框圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)框圖

4.1 電機(jī)控制模塊

電機(jī)控制模塊分為5個(gè)部分，分別為485通訊模塊、DI控制模塊、脈沖控制模塊、力矩控制模塊和編碼器模塊。其中485通訊采用松下的MINAS協(xié)議與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)錯(cuò)誤的清除和位置清零等功能。DI控制模塊主要由一些IO口組成，通過(guò)IO口輸出或者接受高低電來(lái)控制電機(jī)的模式、伺服的通斷以及電機(jī)的錯(cuò)誤判斷等功能。脈沖控制模塊是通過(guò)單片機(jī)定時(shí)器的主從模式可以發(fā)送指定個(gè)數(shù)和頻率的脈沖用來(lái)控制電機(jī)的位置和速度，其中定時(shí)器主從模式發(fā)生脈沖如圖4所示，當(dāng)主定時(shí)器為低電平時(shí)，觸發(fā)從定時(shí)器的脈沖輸出，這種方式不僅可以產(chǎn)生精準(zhǔn)，快速的脈沖，而且不占用主程序時(shí)鐘，占用MCU資源少。力矩模塊通過(guò)DAC輸出模擬電壓值從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，此外通過(guò)ADC采樣獲取電機(jī)的實(shí)時(shí)力矩。編碼器模塊通過(guò)定時(shí)器的編碼器模式接受編碼器AB相的信號(hào)，即電機(jī)單圈的位置信息。設(shè)定一個(gè)外部中斷來(lái)接受編碼器Z相的信號(hào)，即電機(jī)多圈值的數(shù)據(jù)，從而得知電機(jī)的實(shí)時(shí)位置。通過(guò)以上幾個(gè)部分，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)位置、速度以及力矩的精確控制，同時(shí)可以監(jiān)控到電機(jī)的實(shí)際位置、速度、力矩以及狀態(tài)等信息。

圖4 脈沖控制原理圖

4.2 電源控制模塊

電源控制模塊的恒流控制原理如圖5所示，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的比較器來(lái)控制PWM的輸出，從而控制IGBT的通斷來(lái)決定輸出電流的大小。其中比較器負(fù)端的電壓值是根據(jù)設(shè)置電流的大小來(lái)確定的DAC輸出模擬電壓值，正端的電壓值是ADC采樣互感器電壓值，反映了在變壓器一次側(cè)采樣的電流大小。當(dāng)正端值大于負(fù)端值時(shí)，表示輸出電流值大于設(shè)定電流值，比較器輸出上升沿觸發(fā)定時(shí)器剎車(chē)事件，如圖6所示，PWM停止輸出，待電流值小于設(shè)定值時(shí)，PWM繼續(xù)輸出。通過(guò)這樣的周期性的電流控制，可以達(dá)到近乎恒定的電流輸出。

圖5 恒流控制原理圖

圖6 比較器原理圖

4.3 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊通過(guò)自定義數(shù)據(jù)幀來(lái)和上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，界面如圖7所示。通過(guò)上位機(jī)就可以來(lái)對(duì)焊鉗進(jìn)行基本參數(shù)和焊接參數(shù)的寫(xiě)入、點(diǎn)焊和電極示教的執(zhí)行以及一鍵找零點(diǎn)等。還可以監(jiān)視點(diǎn)焊鉗的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、電極的當(dāng)前位置、焊鉗的實(shí)時(shí)壓力大小、焊接過(guò)程的電流數(shù)據(jù)以及焊接點(diǎn)個(gè)數(shù)等信息。此外還設(shè)置了急停鍵，當(dāng)遇到危險(xiǎn)情況時(shí)，可以一鍵停止焊鉗的所有動(dòng)作，保證了焊鉗使用時(shí)的安全性。

圖7 人機(jī)交互界面

5.結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的伺服點(diǎn)焊鉗，采用STM32單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)點(diǎn)焊鉗焊接時(shí)壓力和電流穩(wěn)定、精確控制。通過(guò)上位機(jī)界面可以簡(jiǎn)單方便地控制焊鉗的動(dòng)作和監(jiān)控焊鉗的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等信息，此款焊鉗有著重量輕、焊接效率高和智能化程度高等特點(diǎn)。隨著工業(yè)4.0的到來(lái)和汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展，有利于工廠點(diǎn)焊流程全自動(dòng)化和智能化的實(shí)現(xiàn)。