全自動智能型超聲波焊機的設計

鄭乾 張超良

摘 要：自動化與物聯(lián)網技術在現(xiàn)代生產和工業(yè)發(fā)展中主導了整個方向。新型超聲波焊接機系統(tǒng)，融入了stm32技術，物聯(lián)網技術、自動化控制技術;以stm32f103c8t6為主控器，利用串口通信與PC端上位機實時通信監(jiān)測焊接機狀態(tài)并進行及時的調整與控制，同時利用ESP8266連接中國移動OneNET物聯(lián)網平臺將超聲波焊接機的狀態(tài)信息上傳給云端數據庫，增加了對焊接機的監(jiān)測內容。

關鍵詞：自動化;物聯(lián)網;ESP8266;STM32;超聲波焊接機

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

在國外，物聯(lián)網的概念早在20世紀90年代就被提出了，但是一直沒有受到各個學術界和各國政府的重視。直到21世紀初，各國才開始對應自己國家的情況開始制定物聯(lián)網開發(fā)的技術。自此以后，物聯(lián)網才成功迎來高調時代。伴隨著當今社會的電子技術的高速發(fā)展，傳感器的技術逐漸成熟和完善，再加上網絡的普及和應用，使得現(xiàn)如今的海量信息的收集能力和分類處理數據信息的能力大幅度提高，為物聯(lián)網的高速發(fā)展奠定了良好的基礎。

1.2相關研究

超聲波焊機在將近70年的發(fā)展中，理論研究主要集中在應用方面，比如20世紀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以上的高強度超聲開辟新的方法。20世紀80年代的日本神奈川大學創(chuàng)造性的研發(fā)超聲波對焊裝置，可以處理1cm厚的鋁板，對此進行改進后，可以更改廣泛的應用在塑料焊接上。

2相關原理

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

3.1、創(chuàng)新性設計.

目前市面上的焊接機大多為半自動焊接機，缺點極其明顯，而本焊接機對傳統(tǒng)焊接機進行改造，利用STM32技術、軟件技術以及物聯(lián)網技術設計出一種全自動型智能焊接機。主控芯片與PC端上位機實時通信并且監(jiān)測焊接機的狀態(tài)并進行及時的調整和控制，同時利用ESP8266連接中國移動OneNET物聯(lián)網平臺將超聲波焊接機的狀態(tài)信息時時上傳給云端數據庫記錄超聲波焊接機運行狀態(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，全自動超聲波焊接機即可進行正常流水線工作。

3.2、全智能自動化超聲波焊接機的總體設計

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

焊接機整個系統(tǒng)的主要部分使用一塊STM32F407型高性能微控制器實現(xiàn)，是整個系統(tǒng)的“大腦”，控制著焊接機的焊接功率、超聲波的頻率和焊接時長，并對這幾項參數進行實時監(jiān)測。

信息采集及反饋系統(tǒng)會定時采集焊接機工作狀態(tài)，監(jiān)控焊接過程，并向上位機輸出狀態(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通信上報系統(tǒng)是我們的全自動超聲波焊接機體現(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)網平臺即可將主控系統(tǒng)處理好的數據上報到云平臺數據庫進行記錄。

云平臺數據庫主要用來記錄一些焊接機工作時的相關信息，包括焊接機啟動時間，每個焊接部件焊接用時，焊接溫度，焊接成果圖，焊接器件數量等。

4、全智能自動化超聲波焊接機的硬件系統(tǒng)設計

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

ST公司推出的以CortexTM-M4為內核基礎的STM32F4系列的高性能微電子控制器自帶自適應實時加速器，使得STM32F4系列能夠讓主頻達到168MHz的頻率，能夠完全釋放Cortex-M4內核的性能;當CPU工作于所有允許的頻率段時，在閃存中運行或者等待的程序，可以達到相當于零等待周期的性能。

STM32F407MCU時鐘頻率為168MHz，擁有一百多個高速I/O端口，數據處理速度非?？?，而且擁有多種通信接口，能滿足絕大多數控制電路的應用，是STM32產品中性價比最高的一個。

目前市面上的ESP8266 WI-FI模塊，自帶WI-FI天線和無線驅動固件，而且ESP8266 擁有完整的而且自成體系的 Wi-Fi 網絡功能，既能夠獨立應用也可以作為從機搭載于其他主機 MCU 運行，支持 110-4608000 bps數據傳輸速率，體積小，功耗極低，在同類通信器件中具有相當優(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。在一般應用中，使用3條～9條信號線就可以實現(xiàn)全雙工通信，采用三條信號線（接收線、發(fā)送線和信號地）能實現(xiàn)簡單的全雙工通信過程。RS-232信號總是在在正負電平之間來回擺動，在發(fā)送所要傳輸的數據時，發(fā)送端驅動器輸出正電平在正5V～15V之間，負電平在負5～15V電平之間。當沒有數據傳輸時，線上為TTL電平，從數據傳送的開始到結束，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是為點對點（即只用一對收、發(fā)設備）通訊而設計的，所以也正好符合我們的要求。

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

4.2 ?WI-FI模塊接口設計

ESP8266有八個引腳，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，四個引腳就能正常使用，非常的節(jié)省空間。連接WI-FI即可實現(xiàn)無線通信。

5 軟件設計

5.1控制系統(tǒng)

超聲波焊接機的控制系統(tǒng)軟件部分主要有三部分，控制任務、狀態(tài)上報、WI-FI數據上報。STM32F407芯片軟件設計利用的是STM32的HAL庫，外加Free-RTOS操作系統(tǒng)，將三個主要部分分為三個時時任務，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，避免造成設備損壞與經濟損失。主要控制任務控制著整個焊接機的運作。

主要代碼目錄如圖7：

三個任務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的工作。

5.2 物聯(lián)網平臺云端數據的收集

利用ESP8266 WI-FI模塊，可以連接物聯(lián)網平臺來記錄數據。記錄的數據包括以下部分：每個器件的焊接時間、焊接溫度、焊接狀態(tài)圖、已經焊接的器件的個數。

6總結

隨著自動化、物聯(lián)網技術的不斷深化，本文提出一種基于STM32的新型智能焊接機設計，實現(xiàn)了焊接數據的管理和總結，通過大量的數據記錄，幫助提高焊接工藝的水平，彌補了傳統(tǒng)焊接機的缺陷，為工業(yè)化大生產的焊接提供了一個解決的思路，同時開拓了超聲波焊接機研究的寬度。超聲波焊機是順應人類生活和工業(yè)的需求而產生的奇跡。他將促進科技和工業(yè)的發(fā)展，讓電焊不再是技術人員的工作，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，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)。

張超良（1999-），男，河南商丘，本科生，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)。

（河南科技大學信息工程學院）