一種低成本自動焊接平臺設計

常州信息職業技術學院 王世鶴

隨著《中國制造2025》的頒布實施，中國制造業全面邁向智能化、自動化。而焊接技術是現代生產制造業中關鍵技術環節之一，焊接自動化程度直接影響生產制造業的生產效率、生產成本以及產品質量，在當下現代工業發展中的地位很重要，因此實現焊接過程的智能化、自動化也成為焊接領域今后發展的必然趨勢。單片機作為比較成熟的微型控制器，具備體積小、集成度高、控制能力強等特點，廣泛應用于各個領域。

本文根據國內中小企業實際需求，將單片機技術和焊接技術相結合，開發設計一種以STM32為控制核心，采用工業串口屏作為人機交互系統界面，并以三軸霍爾操縱桿進行點位信息采集和控制的自動焊接平臺，充分發揮信息豐富、響應迅速和操作簡便等優勢，實現高效安全可靠的工作模式。針對焊接生產任務解決焊點精準問題，主控制器配合接近開關傳感器的有效定位，以及人機交互系統實現焊點位置姿態準確定位，引導高頻焊接頭完成準確焊接功能。為縮短生產周期、提高勞動效率，改善焊接環境并提升焊接質量發揮了積極作用。

1 平臺結構及硬件設計

本平臺由三部分組成，分別是機械本體、焊接系統和控制系統。其中機械本體包括三維運動機構、步進電機和工作轉臺；焊接系統包含高頻焊接裝置和送絲機構；控制系統包含STM32主控制器、步進電機驅動器、工業串口屏、三維霍爾操縱桿、接近開關傳感器和繼電器控制等外圍電路單元。該平臺以STM32F103ZE為控制核心，通過搖桿控制三個軸向機械的運動，并取得任意空間點相對于原點的位置，依次記錄所有需要的焊接點位和之間的過渡點，通過曲線加減速減少沖撞，達到柔性運動，并且焊接過程中的高頻焊接頭可以實現無接觸焊接。本平臺整體框架如圖1所示。

圖1 平臺結構框圖

STM32F103是三軸自動焊接平臺的控制主體，主要作用有接收來自工業串口屏和操作桿的命令信號，對自動焊接平臺的X、Y、Z軸三個方向進行有效的速度和方向控制；檢測接近傳感器所接限位開關狀態，保護步進電機不至于沖出軌道；根據接收的工業串口屏所發指令，設置和調試生產工藝參數；根據接收的工業串口屏所發指令，配合操作桿操作，記錄保存焊接點與過渡點位置；根據接收的工業串口屏所發指令，依照所設生產工藝的參數和所保存的焊接點和過渡點的位置信息，接通高頻焊接控制器，實現自動化焊接操作?？刂葡到y硬件組成框圖如圖2所示。

圖2 控制系統硬件組成框圖

2 平臺軟件設計

本文根據機械平臺和硬件電路進行軟件設計，其中軟件系統包含主控模塊程序、人機交互控制模塊、驅動控制模塊、接近開關控制模塊和高頻焊接控制模塊等。本文采用Keil MDK5作為軟件開發工具進行控制系統開發。

STM32主控制器的主要工作主要根據工業串口屏和三軸霍爾操作桿的指令完成相應操作。系統初始化操作包括對相應主控制器內部模塊進行設置和三軸步進電機的回零操作等工作。主控模塊程序流程圖如圖3所示。

圖3 主控程序流程圖

步進電機作為執行機構的主體，能否精確執行控制系統發出的指令至關重要，而控制系統對步進電機的起停、正轉、反轉、轉速、轉矩、轉角等物理量的控制，都需要通過電機驅動器來完成。步進電機驅動器主要由三部分組成，分別是脈沖發生控制部分、脈沖分配部分和功率驅動放大部分。具體如圖4所示。

圖4 步進電機驅動系統示意圖

本文所選步進電機驅動設備性能完善，在控制系統中應用時，只需輸入PWM脈沖信號和方向控制信號，即可完成對步進電機的控制。在實際應用中，步進電機的啟動頻率遠低于連續運行頻率，才能克服較大的慣性轉矩以及負載轉矩和電機內部轉矩，產生更高的電磁轉矩量，步進電機才能啟動成功。所以步進電機運行時，一般經歷的過程為加速，勻速，減速。

根據上文可知，電機運動到終點前，步進電機減速到零，然后低于停止頻率運動，到完成規定的步數后停機，步進電機就可以用快速短時間完成所有計劃長度，且不失步。如果到了終點戛然而止，會因為慣性導致步進電機過沖，出現位置誤差。所以要對步進電機的加減速嚴格控制。

S型加減速曲線其實是一個分段的二次多項式函數。如果采用標準S型加減速速度曲線模型，鑒于分段較多、計算量較大的情況，在實際應用時，常會采用化簡的S型加減速速度曲線模型（5段S型曲線）。化簡型5段S型曲線加減速控制方式是基于7段S型加減速曲線精簡運動控制進程分段得到的。5段S型曲線模型是由加加速、減加速、勻速、加減速和減減速5部分組成的。該模型具有計算簡單、速度快、效率高等特點。

本設計采用S型加減速曲線進行加減速控制。設定曲線如圖5所示。

圖5 S型加減速曲線

3 實驗結果

系統調試在系統設計完畢后，需要對系統的性能進行實驗調試，并分析解決調試過程中所遇到的軟硬件問題，使其達到預期的目的。主控系統實物如圖6所示。

圖6 控制系統的硬件電路實物圖

對系統硬件電路進行調試，用萬用表測試電源模塊輸出電壓是否標準、其他外圍控制模塊工作電壓是否符合要求，以及根據調試過程中遇到的問題檢測各元器件之間的布線是否正確。利用JLINK調試工具可以對STM32進行下載和實時跟蹤程序，找出程序中的bug，完成在線調試。圖7為實驗結果，符合預期設定曲線。

圖7 實驗結果

本文以STM32為控制核心的控制系統，搭建控制系統硬件電路，開發相應的控制系統軟件程序部分，完成以工業串口屏作為人機交互界面，設計了用于焊接通信電纜工件的自動焊接平臺。系統成本較低同時大大改善焊接環境，提高焊接效率和質量，對于國內相關中小型企業來說，具有一定的現實意義和實用價值。