張 帆，程 鑫，同軍超，張衛(wèi)超

(1.武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢430070；2.湖北省磁懸浮工程技術研究中心，湖北 武漢 430070)

電阻焊由于無需填充金屬，輔助工序少，焊接效率高，可靠性強，焊接質量好，易實現(xiàn)自動化等優(yōu)點[1-2]，是高端設備和制造中必不可少的技術，但其一般采用380 V三相交流電供電，焊接電流高[3]，可達幾千甚至幾萬安，電極溫度甚至高達1 000 ℃，還會出現(xiàn)金屬飛濺。采用人工控制焊接部件進行焊接，準確度不高，效率較低，難以完成大批量焊接工件的焊接，且人工成本較高。目前焊接技術朝著自動化、智能化和數(shù)字化方向發(fā)展[4]，機器焊接代替手工焊接成為制造業(yè)必然的趨勢，且采用自動焊接技術，可以極大地提高焊接效率，改善焊接衛(wèi)生及安全條件，對生產實踐有著重要的現(xiàn)實意義。

傳統(tǒng)的自動焊接多采用人工示教或離線編程。人工示教[5-6]是人工通過示教盒控制裝有焊頭的機器人末端進行運動，這種方法需要現(xiàn)場人工示教，為保證軌跡精度，示教點要足夠多，導致規(guī)劃時間長，效率低，且適應環(huán)境變化的能力弱，若工件的形狀或位置發(fā)生變化，則需要重新進行示教，花費大量的時間和人力。離線編程[7-8]是在仿真環(huán)境用三維模型模擬實際的作業(yè)過程，在仿真環(huán)境中通過虛擬示教獲取焊接路徑后輸入到機器人控制器中，這種示教方式相比于人工示教的方式減少了示教時間，提高了生產率，并且能通過仿真提前驗證焊接作業(yè)的正確性和安全性，但需要針對不同的工件建立不同的模型，耗時長，效率不高。

以上兩種方法均對小批量、多規(guī)格、多品類的焊接工件支持不足，設計并實現(xiàn)針對電阻焊的非接觸、精度高、速度快、適應性強的控制系統(tǒng)是必不可少的，是迫在眉睫的。筆者基于“ARM(advanced RISC machines)+RS485+步進電機驅動器+步進電機+上位機”的系統(tǒng)結構設計了自動電阻焊控制系統(tǒng)，系統(tǒng)由軟硬件構成，上下位機通過RS485串口總線進行通信實現(xiàn)人機交互。該系統(tǒng)具有開發(fā)周期短、適應性強、靈活性高、經濟可靠等優(yōu)點，不僅可用于電阻焊焊接，對于其他的焊接方式也有指導意義,設計理念具有實際推廣價值。

1 系統(tǒng)總體方案設計

1.1 系統(tǒng)設計

自動電阻焊控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)復位、定位、啟停、加減速、運動方向等三維運動狀態(tài)的控制，并通過控制這些功能的實現(xiàn)，來實現(xiàn)電極到達目標焊點完成焊接的工作。上位機對控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)實時監(jiān)測與進程顯示，對焊接總數(shù)、合格數(shù)、次品數(shù)進行統(tǒng)計，便于對生產效率、產能進行管理。下位機采用ARM微處理器作為主控芯片，控制步進電機實現(xiàn)焊接的直線運動，控制旋轉氣缸實現(xiàn)焊接的旋轉運動[9-10]。

1.2 系統(tǒng)結構設計

自動電阻焊運動控制系統(tǒng)主要由主控模塊、功能模塊以及人機交互模塊組成，其系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構示意圖

主控模塊主要包括主控芯片、外設電路和電源電路。主控制器是整個設備的核心部分，采用ARM公司的STM32F103ZET6作為主控芯片，其主頻可達72 M，外設豐富，主要包括DMA(direct memory access)、ADC(analog to digital)、PWM(pulse width modulation)、UART(universal asynchronous receiver transmitter)、RS485、SPI(serial peripheral interface)、IIC(inter-integrated circuit)，可兼容多種RTOS(real time operating system)，且價格便宜。電源電路為主控芯片及外設電路供電，穩(wěn)定輸出12 V、5 V及3.3 V電壓，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。外設電路負責主控芯片及功能模塊的信息傳輸，將主控芯片的控制信號放大，將功能模塊的反饋信號輸入到芯片。

功能模塊由行程開關、步進電機驅動器、步進電機、啟動按鍵、急停按鍵、警報燈、繼電器、旋轉氣缸、電阻焊機組成。行程開關將機械位移信號轉變成電信號，用于限制步進電機的行程，進行終端限位保護及復位。步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件，在非超載情況下，電機的轉速與脈沖頻率成正比，電機的角位移或線位移與脈沖數(shù)成正比，易于實現(xiàn)開環(huán)精確控制，可靠性高。對步進電機的控制多采用步進電機驅動器，控制步進電機的轉速、位移、方向及使能，可低噪聲、小振動、高速度地驅動步進電機。本系統(tǒng)采用的是FSL40開放式絲杠模組，精度為0.05 mm，絲杠導程為10 mm，結構簡單，運行穩(wěn)定可靠，帶載能力強。啟動按鍵采用兩個按鈕串聯(lián)，需左右手同時按下按鍵，避免員工的誤觸啟動，提高設備的安全系數(shù)。急停按鍵可在緊急情況下快速按下按鈕停止設備的運行，避免設備損壞及人員傷亡，重新啟動時需順時針旋轉大約45°后松開。警報燈將設備狀態(tài)通過視覺和聽覺的信號傳遞給工人，當設備焊接完成則綠燈閃爍，當設備處于運行狀態(tài)時黃燈閃爍，當設備焊接失敗時則紅燈閃爍且蜂鳴器長鳴。旋轉氣缸通過繼電器來控制氣缸控制閥帶動工件旋轉，滿足焊接工件多角度的焊接要求，減少焊接工件的反復裝夾，縮短焊接時間。電阻焊電源通過繼電器來實現(xiàn)不同工件不同焊接程序，使其在到達目標焊點后再啟動焊接程序完成焊接過程。

人機交互模塊主要是通過上位機對整個焊接運動過程進行控制，對焊接通過握手協(xié)議確認上下位機通信的波特率、奇偶校驗是匹配的，再通過上位機進行參數(shù)設置，對系統(tǒng)的目標焊點位置及脈沖頻率進行設置。

2 硬件設計

2.1 電源電路

電源電路需要給主控芯片及外設電路提供穩(wěn)定的12 V、5 V、3.3 V直流電，其性能和穩(wěn)定性直接影響整個主控模塊性能的優(yōu)劣。電路設計中電源架構主要分為集中式電源架構和分布式電源架構，采用分布式電源架構可節(jié)省成本、節(jié)約PCB板面積，第一級進行AC/DC轉換將輸入端電源220 V轉換成輸入端中間電源12 V，第二極進行DC/DC轉換將輸入端中間電源12 V轉換成5 V，再將5 V轉換成3.3 V。

第一級220 V轉12 V的轉換電路如圖2所示，采用反激式變壓器開關電源，電路簡單，體積小，成本低。在輸入端采用保險絲、壓敏電阻、熱敏電阻以及共模電感提供過壓、過流、過溫保護，保證系統(tǒng)的可靠性，經整流、濾波、變壓后得到輸出端電壓，通過光耦反饋使輸出電壓穩(wěn)定在12 V，滿足項目需求。

圖2 第一級轉換電路

第二級12 V轉5 V的轉換電路如圖3所示，12 V轉5 V壓差較大，采用Buck電路來實現(xiàn)，選取芯片型號為MP2482DN,用R9和R10分壓反饋的方式將輸出電壓穩(wěn)定在5 V。

圖3 第二級12 V轉5 V的轉換電路

第三級5 V轉3.3 V的轉換電路如圖4所示,對于3.3 V電壓，電流需求不高，但要求紋波和噪聲較小，因此采用LDO(low dropout regulator)電路實現(xiàn)，選取芯片型號為AMS1117_3.3。

圖4 第三級5 V轉3.3 V的轉換電路

2.2 步進電機驅動器電路

步進電機的驅動方式有3種：整步驅動、半步驅動和細分驅動[11]。對步進電機的驅動多采用步進電機細分驅動技術，細分驅動的細分數(shù)越大，電流矢量分割圓越來越稠密，提高步進電機的精度和輸出轉矩，步進電機運行更平穩(wěn)、更順暢，完全消除步進電機的低頻振蕩，緩解步進電機運行過程中的振動和噪聲，從而提高步進電機的使用壽命。

驅動器主要由邏輯控制電路、功率驅動電路、保護電路及電源組成，接收來自主控芯片的脈沖控制信號，將其進行功率放大后，按一定的勵磁時序產生步進電機各相勵磁繞組的導通或截止信號，從而控制步進電機的轉速、位移、方向及使能，控制原理如圖5所示。步進電機驅動器主要電路如圖6所示，采用TB67S109AFTG芯片，該芯片是一種配備PWM斬波器的雙極性混合式步進電機驅動芯片，內置邏輯控制電路和功率驅動電路，由PWM控制的恒流驅動，通過3位撥碼開關實現(xiàn)7檔細分控制，通過3位撥碼開關實現(xiàn)8檔電流控制，輸入都經光耦實現(xiàn)電氣隔離、抗干擾，經測試該驅動器電路可低噪聲、小振動、高速度地驅動步進電機。

圖5 步進電機控制原理圖

圖6 步進電機驅動器電路

2.3 行程開關電平轉換電路

行程開關可分為兩種：機械式行程開關和接近式行程開關，機械式行程開關無需外加電源，但受環(huán)境因素影響大，響應速度慢；接近式行程開關需外加電源，響應速度快，使用壽命長，能適應各種惡劣工作環(huán)境。本系統(tǒng)采用6個FC-SPX30型號的接近式行程開關檢測步進電機位置，分別置于X軸左端、X軸右端、Y軸前端、Y軸后端、Z軸上端、Z軸下端，采集信號輸入到主控模塊中。未觸發(fā)時為高電平，當步進電機運行到檢測范圍時，有效觸發(fā)為低電平，防止步進電機超過既定行程范圍，并在開始運行時進行行程復位返回原點。行程開關供電電壓為直流電12 V，信號線未觸發(fā)時為高電平12 V，觸發(fā)時為0 V，對信號線要經過處理后才能接到主控芯片IO口。在信號線上直接采用串聯(lián)電阻分壓的方式，會導致分壓電阻難選擇，可維護性差，因此采用電平轉換電路直接將12 V轉換成5 V。

電平轉換電路如圖7所示，可將1+與1-之間的電壓差通過點亮光耦內部發(fā)光二極管，使光控晶閘管閉合，實現(xiàn)“電-光-電”的轉換，使輸入端為高電平時輸出端為低電平，輸入端為低電平時輸出端為高電平，且進行電氣隔離。但由于行程開關的帶載能力較弱，驅動不了光耦的發(fā)光二極管，因此采用共陽極接法，將1+接+12 V，1-接信號線，利用兩者間壓差驅動光耦，當信號線為高電平時輸出高電平，信號線為低電平時輸出低電平，邏輯符合要求。

圖7 電平轉換電路

2.4 RS485通信電路

基于串行通信的物理層有很多標準和變種，RS485是基于UART的半雙工通信方式，外接邏輯電平轉換接口，正電平電壓范圍為+2～+6 V，負電平電壓范圍為-2～-6 V，采用差分信號進行傳輸，抗干擾能力強，傳輸距離遠，可外掛節(jié)點多，本系統(tǒng)采用RS485進行主控芯片與上位機之間的通信。RS485通常采用屏蔽雙絞線進行傳輸，但接收器的共模電壓范圍為-7～+12 V，超過此范圍會影響通信的穩(wěn)定性，甚至損壞接口，且輸出信號需返回路徑，否則會向外輻射電磁波，產生EMI(electro magnetic interference)問題，因此在差分線中增加地線有利于系統(tǒng)穩(wěn)定。

RS485的通信電路如圖8所示，采用SP3845芯片，將其RO及DI引腳分別與UART的RX及DI引腳相連，將RE與DE引腳直接用普通IO口來控制數(shù)據傳輸方向，發(fā)送采用輪詢的方式，接收采用中斷的方式。A與B之間接120 Ω電阻避免信號發(fā)射問題，R19是下拉電阻接到B上，R24是上拉電阻接到A上，調節(jié)空閑狀態(tài)下的電壓值，使通信穩(wěn)定。使用瞬態(tài)抑制二極管SAF12A吸收浪涌與靜電，保護SP3485芯片。

圖8 RS485通信電路

3 軟件設計

3.1 主控程序設計

主控程序流程如圖9所示，下位機為STM32主控芯片，上位機為可收發(fā)操控指令的計算機。下位機時鐘配置及外設初始化采用STM32CubeMX，可通過圖形化界面生成代碼，大大減輕了開發(fā)工作、成本和時間。時鐘配置選取高速外部時鐘為時鐘源，頻率為8 MHz，經PLL 9倍頻后系統(tǒng)時鐘為72 MHz，為外設提供時鐘信號，外設初始化主要包括RS485初始化、PWM輸出初始化、中斷初始化、普通IO口初始化，總共使用到29個IO端口。經STM32CubeMX生成初始代碼后，再由Keil uVision5根據項目需求完善代碼，主要包括中斷服務函數(shù)、RS485接收及發(fā)送函數(shù)、PWM的頻率及占空比設置、應用層等代碼編寫。上位機開發(fā)軟件為Microsoft Visual Studio 2017，以控件和代碼組合的方式實現(xiàn)人機界面的開發(fā)，主要負責與下位機進行通信、對焊接的焊點位置及步進電機運行速度進行設置、顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)及焊接成功與失敗數(shù)量統(tǒng)計。

圖9 主控程序流程圖

3.2 上位機程序

上位機焊接系統(tǒng)顯示界面如圖10所示，左邊對通信的端口、波特率、校驗位、數(shù)據位、停止位進行設置，右上方對焊接總數(shù)、合格數(shù)、次品數(shù)及系統(tǒng)當前運行狀態(tài)進行顯示，右下角是對焊點位置進行設置，便于對多批量產品中的不同焊點進行焊接，并通過設置頻率來控制步進電機速度，調節(jié)系統(tǒng)運行時間。

圖10 焊接系統(tǒng)顯示界面

上下位機通過RS485進行通信，約定協(xié)議為波特率9 600 Bit/s、無數(shù)據校驗位、數(shù)據位為8位、停止位為1位，其通信狀態(tài)機如圖所11所示。

圖11 通信狀態(tài)機

4 焊接流程與實驗結果分析

整個焊接過程可以分為準備階段、焊接流程階段和數(shù)據顯示階段。準備階段主要是進行步進電機復位，在上位機界面設置相應的串口和相關的焊接參數(shù)等信息。焊接流程階段中，步進電機復位，上下位機握手，握手成功后上位機向下位機發(fā)送焊接的相關參數(shù)，命令下位機控制焊頭到達目標的焊點進行焊接。在系統(tǒng)運行的過程中，會實時反饋下位機的運行狀態(tài)進行進程條的顯示，焊接結束后，會將焊接總數(shù)、焊接成功和失敗的數(shù)量進行顯示，界面直觀。搭建的電阻焊控制系統(tǒng)平臺及其焊接結果界面分別如圖12和圖13所示。

圖12 電阻焊控制系統(tǒng)平臺

圖13 測試結果界面

5 結論

筆者設計并實現(xiàn)了以ARM微處理器為核心的自動電阻焊控制系統(tǒng)，綜合電源電路、步進電機控制、旋轉氣缸控制、繼電器控制、串口通信和上位機界面等多個模塊，控制焊頭到達目標焊點完成焊接工作。焊接實驗表明，焊接過程與預設的焊接過程基本重合，保證了良好的質量，且該系統(tǒng)支持小批量、多規(guī)格、多品類的工件焊接，只需在上位機上進行相關的設置，即可按預定的焊接軌跡進行焊接，能有效提高電阻焊的焊接效率和自動化水平，為我國焊接設備的升級和普及應用提供技術和理論參考。