一種水泥復合電桿鋼制地基支座自動化焊接系統

展先彪 辛尚青 李雪文 郭昊洵 張獻一 檀朝彬

摘要：為了減少人工作業強度，提高水泥復合電桿鋼制地基支座焊接效率，保證焊接質量，基于STM32F103嵌入式處理器設計了一種單片機控制自動化焊接系統。通過控制系統驅動回轉平臺轉動，使工裝在回轉平臺上的鋼制地基支座與焊槍產生相對運動，配合避障、跟蹤和狀態監測傳感器，實現了一種水泥復合電桿鋼制地基支座自動化焊接系統設計開發，對于大型回轉焊件自動化焊接具有一定參考意義。

關鍵詞： STM32 自動化焊接? 地基支座? 水泥復合電桿

大型水泥復合電桿鋼制地基支座在使用過程中承載整體桿塔重量，具有板材厚，焊接連接結構多，重量大的特點。傳統手動焊接加工方式不僅人工作業強度高而且焊接效率十分底下，實際生產過程中也不能夠保證焊接質量穩定性。因此需要設計開發一套高效率，低成本的自動化焊接系統，實現水泥復合電桿鋼制地基支座自動化焊接。

1 總體設計

水泥復合電桿鋼制地基支座自動化焊接系統以STM32F103作為控制芯片，控制步進電機驅動回轉平臺使焊件與焊槍產生相對運動，實現自動化焊接。采用避障傳感器、跟蹤傳感器和狀態監測傳感器來保證焊接過程中的精準定位和運動控制精度。回轉平臺采用實時讀取步進電機和避障模塊的數據信息，通過無線通信模塊完成與上位機系統的數據通信，開發的上位機控制系統通過無線通信模塊實現對自動化焊接系統的監控。

1.1焊件的描述

回轉平臺的焊件是電力電桿的鋼制地基支座，該焊件質量為180kg，體積為0.023m3的圓形鋼鐵。其直徑為560mm，厚度210mm的法蘭和直徑446mm法蘭孔組成，大端面直徑為850mm，厚度20mm，小端面直徑500mm，厚度20mm。含有12個直徑為58mm的孔，均勻分布在大端面上。用于連接的肋板均勻分布并連接大端面和小端面，用于加固整體結構，自動焊接施工為法蘭和內管徑和套筒進行焊接，法蘭連接使用方便，能夠承受較大的壓力。

1.2回轉平臺的設計

該回轉平臺焊接的設計是由驅動齒輪，焊機，焊槍，送絲裝置和帶有編碼器的步進電機組成。在回轉平臺上開了4個槽，讓放物件，拱起焊接，采用減重設計，減小電動機的能量損耗。帶動回轉平臺轉動的電動機放在了回轉平臺的外圍，這樣比放在軸上降低了電動機的輸出功率，更加環保節能。

2模塊的選擇

2.1電機的選擇

帶動回轉平臺轉動的電機采用SH2141編碼電動機。帶動物件轉動的電機，采用步進電機[1]，步進電機的角位移與輸入脈沖個數成正比，轉速與脈沖頻率成正比，轉向與脈沖分配到步進電機的各相繞組的相序有關[2]，可以直接用信號控制。在本文建模中選用步進電機為SH2141系列電機。

2.2紅外避障傳感器

采用高精度的OMEGA紅外避障傳感器，兩個STM32單片機分別通過一個驅動器控制步進電機，PUL為PWM輸入端口，DIR為電機轉向控制端口，避障傳感器通過檢測焊盤上有無鋼件給單片機發送指令，單片機根據不同的指令做出相應的控制命令，通過步進電機控制焊槍與焊盤協同工作，驅動器有兩個供電端，分別進行5V和24V供電。

2.3焊接跟蹤

采用激光結構光焊道跟蹤系統，選用650nm“一”字LED激光結構光產生“一”字光束，經光學系統聚焦成像于焊道表面。投射光束經650nm帶通濾光片濾除干擾光后成像于CMOS感光器上，獲得數字圖像。跟蹤傳感器攝取的焊道數字圖像首先傳給圖形處理計算機，經圖像處理與解析計算得到焊道的橫向/縱向偏差和對口間隙及錯邊量信息，并將這些參量轉換為±10V（對應偏差量為±10nm）的電壓信號，傳給焊道跟蹤系統，跟蹤系統根據橫向/縱向偏差量控制電機實時調整焊炬，在焊接過程中保證誤差小于設定值，實現精準隊中，傳感器參數見表。

2.4 PID控制

運用增量式PID算法去驅動步進電機，精確控制步進電機的速度，下圖為PID算法調節的系統控制原理圖。

3軟件設計

3.1上位機訓練模塊設計

上位機訓練模塊采用LabVIEW基于PC機開發，界面分為顯示區和操作區，如圖5所示，使用 RS-485通信接口作為計算機與電焊控制系統之間的通信，可以實現遠程發送數據監控焊接設備進行生產工作。

3.2焊接工藝試驗

該設備焊接工藝流程主要包括，控制焊接設備的啟動和停止，控制電磁氣閥動作，實現提前送氣和滯后停氣，使焊接區受到良好保護，控制引弧和熄弧，控制送絲和轉盤轉動等。具體流程圖如下圖所示。整個圓盤式焊接是基于STM32控制的，可以通過控制電源空載電壓調節電弧電壓，通過控制送絲速度來調節焊接電流，如圖6所示。

4 結語

基于STM32控制的回轉平臺焊接，擺脫了傳統工業手焊所造成的誤差大，效率低等缺陷。采用推拉式送絲機構提高了焊接效率，減少了焊絲的浪費。回轉平臺的焊接實現了自動化，只需要操控數字控制臺和PC機就可以實現物件的焊接，減少了勞動力的使用，并且實現了高效率，低成本，穩定可靠的目標。

作者簡介：展先彪，男，1994年生，2018年碩士主要研究方向：電子與通信工程。

通信作者：檀朝彬，男，博士，教授，1977年生，現主要從事北斗導航與應用方向的研究工作等。

參考文獻

[1]謝鵬飛，基于PLC步進電機的控制，[J]. 中國科技博覽，2013

[2]毛昀，楊峰.基于PLC的步進電機控制系統設計[J].工業儀表與自動化裝置，2014（04）：87-89+98.