基于嵌入式攪拌摩擦焊攪拌頭智能清洗裝置系統設計

肖錫旺，喬宇碟，范偉東，陳 昊，于 影（通訊作者）

（佳木斯大學機械工程學院 黑龍江 佳木斯 154007）

1 引言

隨著社會經濟的發展，焊接車間、大型焊接加工中心大型場所的規模和數量不斷擴大，這些場所是摩擦焊攪拌焊清洗問題出現的高發區，而制約攪拌頭性能發揮和工廠成產效率的主要因素是攪拌頭上雜質[1]。目前，這些場所攪拌摩擦焊攪拌頭主要由工人們進行定時檢查清洗、定時替換來完成，因攪拌摩擦焊攪拌頭人工檢查存在檢查死區、工人數量有限、人的安全意識麻痹及疲勞性等原因，易出現紕漏現象，進而增加了攪拌摩擦焊攪拌頭附著物過多影響加工以及攪拌頭損壞的可能性。為此，提出一種集智能檢測、快速清洗、自主處理一體的摩擦焊攪拌頭智能清洗裝置系統，能對加工時的攪拌頭附著物情況及時反饋，對攪拌頭的及時清洗，能降低因人工清洗而效率低下的問題。

對此，本研究基于MCU開發環境搭建攪拌摩擦焊攪拌頭智能清洗裝置系統設計，主控采用stm32F103芯片，通過IIC、串口等接口的傳感器檢測攪拌頭各項數據并上報。上位機采用OpenMV視覺處理系統，根據特征點匹配的返回值和傳感器數據按照邏輯程序進行不同等級的清洗行為。在清洗過程中傳感器和視覺處理系統始終檢測攪拌頭的狀態，從而實現閉環控制，使整個系統更加穩定可靠。在用戶端，系統加入ESP8266無線網絡模塊實現物聯網信息共享，通過物聯網提供商的手機端APP，實時獲取傳感器溫度、距離，當前系統狀態等數據，實現系統遠程監控。

2 系統結構

系統由控制端和用戶端兩部分構成：控制端主要包括溫度傳感器、距離傳感器、視覺處理系統、清洗系統、行走系統等；用戶端主要包括網絡模塊、手機APP等，采用stm32控制器將子系統和模塊相連。控制端溫度傳感器感知攪拌頭的溫度等參數，當溫度適宜時，視覺處理系統將會識別攪拌頭并對當前攪拌頭狀態進行評級，當需要清洗時，由電機驅動的行走系統搭配距離感應器將會接近攪拌頭，并通過清洗系統清洗攪拌頭。清洗結束后會再次對攪拌頭評級，檢測清洗情況，若不合格則再次清洗。清洗結束后行走裝置會離開攪拌頭，開始下一周期的識別檢測工作。在整個工作期間，網絡模塊會把溫度數據、距離數據、評級情況、清洗狀態等發送至手機APP供用戶查看。系統總體結構見圖1。

圖1 系統結構圖

3 系統設計硬件搭建

3.1 STM32控制板

所需模塊和系統：溫度傳感器、距離傳感器、視覺處理系統、清洗模塊、行走模塊、網絡模塊；綜合經濟性和編程靈活性，采用ST公司的STM32F103ZET6單片機，其主頻為72 MHz，有144路輸入/輸出引腳、2個IIC控制器、3個SPI控制器、8路定時器和5個串口控制器。程序容量為512 KB，運行內存為64 KB。

3.2 網絡模塊

傳統物聯網模塊大多采用通用型強的GPRS網絡傳輸數據，但系統響應速度較慢。對此，選擇安信可（Ai- thinker）公司ESP8266系列Wi-Fi網絡模組，其支持802.11 b/g/n，網絡響應速度更快，待機最低功耗小于1 mW[2]。并且可以使用自帶的串口控制器和STM32交互數據。結合物聯網方案商：點燈科技（blinker）提供的API接口和手機APP，可以很方便快速地實現物聯網功能。

3.3 溫度傳感器

由于攪拌頭的特殊性，只能使用遠距離溫度傳感器。故采用MLX90614溫度傳感器，測量范圍：-40 ℃～125 ℃，精度可達到0.5 ℃，采用IIC接口，如圖2為典型應用電路圖。其工作原理：MLX90614是由內部狀態機控制物體溫度和環境溫度的測量和計算，進行溫度后處理，并將結果通過IIC接口輸出[3]。單片機通過IIC讀取溫度傳感器內部的寄存器，從而獲得溫度數據。

圖2 典型應用電路圖

3.4 距離傳感器

采用TOF10120距離傳感器，測量范圍：可達1.8 m，精度在5%以內。測量時間小于30 ms，采用標準的TTL電平串口或IIC接口。TOF10120測距傳感器提供了精確和可重復的遠距離測量和用于高速自動對焦的TOF time-offlight技術，使該傳感器性能獨立于目標物體的反射率，達到精確測量距離的目的。

3.5 視覺處理系統

考慮到嵌入式設備的體積，故采用體積小巧的OpenMV來進行視覺處理。OpenMV攝像頭是一款小巧、低功耗、低成本的電路板，可以輕松的完成機器視覺應用。通過高級語言Python腳本，不使用復雜的C++。Python的高級數據結構很容易在機器視覺算法中處理復雜的輸出。由于OpenMV本身使用單片機作為主控，故使用串口和STM32單片機進行通信。通過準備在OpenMV中評級之后的攪拌頭圖片，OpenMV會采用ncc算法，遞歸尋找和當前目標一致的攪拌頭圖片，將圖片的級數通過串口發送至控制器，達到視覺處理的目的。

3.6 清洗模塊

使用4個直流電機帶動不同材質可拆卸的刷子對攪拌頭進行清洗，對攪拌頭評級后，通過調整電機的轉速和使用舵機調整清洗的方向，針對不同的情況進行清洗。

3.7 行走模塊

行走模塊整體采用履帶式設計，動力使用2個MG540直流減速電機，額定電壓為12 V，輸出轉矩為2.6 kg·cm。電機自帶霍爾編碼器，自帶上拉整形。通過STM32定時器直接和電機接口相連，單片機輸出的兩路互補的PWM直接驅動電機速度和方向，通過讀取編碼器獲取電機速度，使用PID速度閉環控制算法，可以使行走模塊運行更加穩定。

4 主控制器程序設計

基于KEIL MDK編程環境，按照識別、清洗控制過程，編寫程序代碼。主程序工作時，首先檢測和判斷各傳感器模塊采集的參數及視覺處理系統返回的評級，通過與設定值進行比較，滿足條件時則清洗攪拌頭。

控制端程序，調用“GetTemperature()”溫度獲取函數，檢測攪拌頭的實時溫度。若溫度過高，攪拌頭清洗設備無法在高溫下工作，等待其降溫至安全溫度。調用“GetOpenMVDate()”函數，獲得當前視覺處理系統對攪拌頭的評級，若評級為“0級”，則代表攪拌頭不需要清理。若非“0級”，系統會調用“GetDistance()”距離獲取函數，檢測攪拌頭清洗裝置和攪拌頭之間的距離。通過行走機構，移動至距攪拌頭適合的距離，執行相應級數的清洗函數。清洗結束后再次對攪拌頭評級，若評級為“0級”，則清洗達到要求，攪拌頭清洗裝置會返回至原區域。若非“0級”，則繼續清洗。重復上述步驟，直至攪拌頭清洗合格。

用戶端程序，在系統開始后，STM32會開啟一個5 s為一個周期的定時器中斷，在中斷服務函數中，系統調用“ESPTransmit()”發送函數，將傳感器數據、系統評級結果、行走裝置運行速度等數據封裝成JSON字符串，通過串口發送至ESP8266。ESP8266接受數據后上傳至服務器，服務器通過密匙發送給手機APP，通過解析JSON字符串進而獲得系統數據。同樣通過手機APP可以對攪拌頭清洗裝置進行控制。見圖3。

圖3 主程序流程圖

5 系統實驗測試

在本文攪拌摩擦焊攪拌清洗裝置中視覺處理功能在工作中起到重要作用。為驗證本文設計攪拌摩擦焊攪拌頭清洗裝置控制系統中視覺處理的效果，該裝置在室內啟動視覺識別程序節點，對輪廓進行識別，待該裝置識別后，觀察識別構建出來的輪廓和系統數據庫理論輪廓的區別，從而做出清洗判斷。經過實際搭建測試可以觀察出實際場景應用可以滿足使用需求。

6 結語

基于嵌入式攪拌摩擦焊攪拌頭智能清洗裝置系統，主控采用stm32F103芯片，通過IIC、串口等接口的傳感器檢測攪拌頭各項數據并上報。利用TOF10120測距傳感器精確測量距離。通過STM32定時器直接和電機接口相連，讀取編碼器獲取電機速度，使用PID速度閉環控制算法，完成移動。使用openMV攝像頭檢測攪拌摩擦焊攪拌頭是否附著物過多。4個由直流電機帶動的不同材質可拆卸的刷子，通過調整電機的轉速和使用舵機調整清洗的方向，針對評級后的攪拌頭進行清洗。用戶端程序將傳感器數據、系統評級結果、行走裝置運行速度等數據上傳至服務器，服務器通過密匙發送給手機APP，同樣通過手機APP可以對攪拌頭清洗裝置進行控制。經樣機測試，清洗效果良好，遠程數據傳輸高效，系統運行穩定，對促進摩擦焊的高效化及智能化具有深遠意義。