王世培，孫秋陽(yáng)，王海東，李竹淵，潘國(guó)偉，劉金平，姚舒揚(yáng)

1.核工業(yè)工程研究設(shè)計(jì)有限公司，北京 101300

2.北京市核電先進(jìn)堆型焊接與檢測(cè)工程技術(shù)研究中心，北京 101300

0 前言

近年來(lái)，隨著我國(guó)在“雙碳目標(biāo)”的不斷推進(jìn)，在構(gòu)建低碳化能源體系總體要求下，預(yù)計(jì)到2030年我國(guó)核電裝機(jī)容量將占總發(fā)電量的10%以上，到2060 年將達(dá)到20%以上［1］。面向國(guó)家的重大需求，急需加快我國(guó)核電技術(shù)發(fā)展及建設(shè)規(guī)模，提高核電占比。針對(duì)核電占比的增加，核電站的建設(shè)在未來(lái)幾年將會(huì)面臨多項(xiàng)目同時(shí)施工的問(wèn)題，焊接是核電站建設(shè)中重要的傳統(tǒng)工藝，其中管道焊接是核島安裝中最重要的焊接工作，具有質(zhì)量要求嚴(yán)格、焊接工程量大等特點(diǎn)。隨著科技和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，焊接技術(shù)作為工業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分，傳統(tǒng)的手工焊已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代科技高速發(fā)展需要，現(xiàn)代焊接技術(shù)正朝著機(jī)械化、全自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展。

目前，核電管道焊接還是以手工焊為主，存在焊接效率低，焊接質(zhì)量參差不齊，焊工招聘、人才培養(yǎng)困難等問(wèn)題。雖然已有部分核電項(xiàng)目在管道焊接引進(jìn)了自動(dòng)焊設(shè)備，但自動(dòng)焊占比不足20%，且自動(dòng)焊設(shè)備以進(jìn)口為主，設(shè)備價(jià)格和維修成本高昂，設(shè)備使用、維護(hù)等技術(shù)支持以及售后存在困難和風(fēng)險(xiǎn)，使焊接效率和質(zhì)量難以保證［2］。隨著國(guó)際貿(mào)易形勢(shì)的變化，存在技術(shù)壁壘、“卡脖子”的風(fēng)險(xiǎn)。

為解決上述問(wèn)題，開(kāi)展了核電站管道自動(dòng)焊裝備系統(tǒng)的自主化研發(fā)，設(shè)計(jì)完成了以STM32F407 VGT6 為控制器，帶有線控器、觸摸屏和通信模塊，用于控制4 軸焊接小車(chē)運(yùn)動(dòng)、焊機(jī)的實(shí)時(shí)通訊和搭載互聯(lián)網(wǎng)的管道自動(dòng)焊接系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊設(shè)備控制和監(jiān)測(cè)，降低自動(dòng)焊設(shè)備成本和焊接難度，減少人員投入，改善操作環(huán)境，提高焊接效率和保證焊接質(zhì)量［2］。為核電站建設(shè)焊接技術(shù)自動(dòng)化，焊接設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的推進(jìn)，奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)由主控單元、供電模塊、焊機(jī)通訊單元、物聯(lián)網(wǎng)模塊、線控器、觸摸屏、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元組成，如圖1所示。主控單元以STM32單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心，負(fù)責(zé)各部分的協(xié)同控制和數(shù)據(jù)的處理；供電模塊提供系統(tǒng)需求的工作電壓［3］；焊機(jī)通訊單元實(shí)現(xiàn)主控單元與氬弧焊機(jī)之間雙向?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊機(jī)的精準(zhǔn)控制；物聯(lián)網(wǎng)模塊實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)通訊，可以搭載云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)焊接設(shè)備數(shù)據(jù)與狀態(tài)的實(shí)時(shí)觀測(cè)［4］；電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元實(shí)現(xiàn)主控單元對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)速度、方向的實(shí)時(shí)控制；觸摸屏和線控器作為系統(tǒng)的人機(jī)交互機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)的設(shè)置、焊接位置的調(diào)整等，線控器的設(shè)計(jì)方便操作員實(shí)時(shí)觀測(cè)焊接狀態(tài)，調(diào)整焊機(jī)姿態(tài)及焊接弧壓等焊接參數(shù)；觸摸顯示屏實(shí)現(xiàn)焊接工藝設(shè)定以及焊接狀態(tài)的顯示。各模塊相互配合實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接設(shè)備的控制，保證焊接質(zhì)量及焊接效率［5］。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of system hardware

1.1 主控單元

自動(dòng)焊接系統(tǒng)的主控單元由單片機(jī)和外圍電路組成?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)考慮到成本、設(shè)計(jì)外觀體積、功能穩(wěn)定性及可靠性，選擇高性能的STM32F40 7VGT6 單片機(jī)作為設(shè)計(jì)的核心控制器。該單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，為意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的ARM?Cortex?-M4 內(nèi)核，180 M 主頻，內(nèi)嵌1 M 字節(jié)flash的高性能32 位微控制器，支持所有ARM 單精度數(shù)據(jù)處理指令和數(shù)據(jù)類(lèi)型，可執(zhí)行全套DSP 指令，并包含1個(gè)存儲(chǔ)器保護(hù)單元，加強(qiáng)應(yīng)用的安全性，以及1個(gè)加強(qiáng)范圍的輸入輸出，外部設(shè)備連接至2個(gè)APB總線，3個(gè)AHB總線和1個(gè)32位多AHB總線矩陣。

圖2 單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of MCU system

主控單元作為自動(dòng)焊設(shè)備的控制核心，接受線控器和觸摸屏的指令，將指令經(jīng)過(guò)計(jì)算分析處理之后，傳輸至焊機(jī)通訊單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、物聯(lián)網(wǎng)模塊等執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元

現(xiàn)有的自動(dòng)焊接設(shè)備在機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)上多采用開(kāi)環(huán)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，步進(jìn)電機(jī)是可用于精準(zhǔn)控制的特種電機(jī)，其旋轉(zhuǎn)方式是以固定角度一步一步運(yùn)行，具有零積累誤差的特點(diǎn)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元將發(fā)出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的角位移，控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)脈沖信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器就使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一步距角，所以步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號(hào)的頻率成正比［8］。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)有很多種，設(shè)計(jì)采用的是細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)又稱(chēng)為微步距控制技術(shù)，是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)控制的一項(xiàng)新技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)數(shù)字處理技術(shù)和D/A 轉(zhuǎn)換技術(shù)，將各相繞組電流通過(guò)PWM控制，獲得按規(guī)律改變其幅值的大小和方向，實(shí)現(xiàn)將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一個(gè)整步均分為若干個(gè)更細(xì)的微步［8］。步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)提高了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角精度和運(yùn)行平穩(wěn)性，減小了控制系統(tǒng)的體積，簡(jiǎn)化了電路，同時(shí)進(jìn)一步提高了細(xì)分精度和控制系統(tǒng)的智能化。

基于STM32 的核電站管道自動(dòng)焊控制系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)4個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別控制自動(dòng)焊小車(chē)的行走、AVC 縱向位置變化、OSC 橫向位置變化和送絲系統(tǒng)。

1.3 焊機(jī)通訊單元

通訊單元采用RS485串行通訊，執(zhí)行MODBUS RTU協(xié)議，實(shí)現(xiàn)主控單元和國(guó)產(chǎn)氬弧數(shù)字焊機(jī)之間的信息互通。在焊機(jī)通訊系統(tǒng)中，以主控單元作為主機(jī)，氬弧數(shù)字焊機(jī)為從機(jī)，主要實(shí)現(xiàn)焊接電流、電壓數(shù)值，檢氣、檢水、起弧、熄弧等指令的讀取和寫(xiě)入，具體對(duì)照關(guān)系詳見(jiàn)表1。RS485 具有通信速度快、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、可以實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信等優(yōu)勢(shì)［9］。Modbus RTU 協(xié)議是一種開(kāi)放的串行協(xié)議，具有高效性、高可能性等特點(diǎn)。

表1 通訊指令對(duì)照表Table 1 Correlation of communication instruction

1.4 觸摸屏

觸摸屏作為自動(dòng)焊接系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)焊接工藝數(shù)據(jù)的輸入、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的輸出以及參數(shù)的存儲(chǔ)或?qū)雽?dǎo)出功能。采用觸摸屏能簡(jiǎn)化操作步驟、適應(yīng)大多數(shù)操作員的工作習(xí)慣，更加直觀方便，避免了實(shí)體按鍵混淆誤觸等問(wèn)題。本系統(tǒng)的觸摸屏如圖3 所示，采用的是DMG80480C043_01W型4.3英寸高標(biāo)準(zhǔn)TFT液晶模塊人機(jī)界面智能串口屏，屏幕分辨率為480×800，具有16.7M色彩模式、UART 端口，可由任何單片機(jī)通過(guò)命令控制；DMG80480C043_01W LCD包括GUI和操作系統(tǒng)雙核［6］。GUI內(nèi)核可以支持基于DWIN設(shè)計(jì)的軟件工具的UI界面設(shè)計(jì)，包括數(shù)據(jù)、文本、曲線、基本圖形、鍵值上傳等，操作系統(tǒng)內(nèi)核可以進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，在操作系統(tǒng)下進(jìn)行編譯，加強(qiáng)GUI的功能。

圖3 觸摸屏Fig.3 Touch screen

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括控制程序設(shè)計(jì)和UI 界面設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。

2.1 主控制程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)程序由Keil μVision5 IDE軟件進(jìn)行編寫(xiě)。Keil 軟件可兼容單片機(jī)C 語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，在功能、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)。Keil 提供了包括C 編譯器、宏匯編、鏈接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)方案，通過(guò)一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（μVision）將這些部分組合在一起。

根據(jù)管道自動(dòng)焊接系統(tǒng)主控單元的硬件設(shè)計(jì)及各機(jī)構(gòu)執(zhí)行邏輯順序，開(kāi)展主程序的設(shè)計(jì)，程序流程如圖4 所示。在核電站管道自動(dòng)焊接前，需設(shè)置焊接小車(chē)位置，手動(dòng)調(diào)節(jié)焊槍姿態(tài)，以及焊絲與鎢極的相對(duì)位置。在自動(dòng)焊過(guò)程中，分為自動(dòng)調(diào)節(jié)和手動(dòng)調(diào)節(jié)，根據(jù)設(shè)置焊接工藝，觀測(cè)焊接弧壓變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)跟蹤弧壓、電流、電壓、行走、擺寬和熄弧等焊接參數(shù)；手動(dòng)控制起弧，在因環(huán)境等多因素影響下、系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)不夠的情況下，手動(dòng)調(diào)節(jié)電流、電壓、擺寬和弧壓焊接參數(shù)以及急停等功能［7］。在焊接熄弧過(guò)程中，焊接控制系統(tǒng)不斷檢測(cè)焊接小車(chē)位置與設(shè)置工藝進(jìn)行對(duì)比，到達(dá)熄弧點(diǎn)自動(dòng)熄弧，且熄弧過(guò)程為邊走邊減小電流進(jìn)行熄弧，極大地保證了焊接質(zhì)量。焊接控制系統(tǒng)在完成自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程中不斷進(jìn)行外部信號(hào)掃描，以免漏掉操作員指令，人員在有一定距離的位置監(jiān)控焊接過(guò)程，很大程度上減輕了焊接人員的工作壓力，保障人身健康安全，且與自動(dòng)焊設(shè)備形成功能互補(bǔ)關(guān)系，保證焊接質(zhì)量和效率。

圖4 主程序流程Fig.4 Main program flow chart

2.2 自動(dòng)焊接邏輯程序設(shè)計(jì)

自動(dòng)焊接邏輯包括起弧指令發(fā)出后，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和數(shù)字氬弧焊機(jī)之間需要配合動(dòng)作，其邏輯順序如圖5 所示。在操作員下啟動(dòng)起弧指令后，自動(dòng)焊控制系統(tǒng)將設(shè)定的工藝數(shù)據(jù)寫(xiě)入焊機(jī)，控制焊機(jī)讀取工藝參數(shù)［9］；在起弧前電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元控制AVC電機(jī)運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)鎢極位置控制起弧高度；在焊接過(guò)程中行走電機(jī)控制焊接小車(chē)進(jìn)行移動(dòng)，為適應(yīng)機(jī)械設(shè)計(jì)，保證焊接過(guò)程，設(shè)計(jì)弧壓跟蹤功能，在焊接小車(chē)移動(dòng)過(guò)程中，控制系統(tǒng)不斷讀取焊機(jī)弧壓，根據(jù)弧壓高低實(shí)時(shí)控制AVC電機(jī)，調(diào)節(jié)鎢極高度［10］。焊接控制系統(tǒng)在弧壓跟蹤過(guò)程中時(shí)刻觀測(cè)線控器信號(hào)，判斷操作員是否調(diào)節(jié)焊接參數(shù)，并以線控器操作為先，以保證焊接有序進(jìn)行。在每一次焊接結(jié)束時(shí)，不論自主熄弧還是急停、手動(dòng)熄弧等，焊機(jī)均抬起至安全位置，保證設(shè)備的安全和后續(xù)使用。

圖5 自動(dòng)焊接流程Fig.5 Automatic welding flow chart

2.3 UI界面設(shè)計(jì)

針對(duì)采用的DMG80480C043_01W 觸摸屏的特點(diǎn)及國(guó)內(nèi)焊接操作員習(xí)慣，開(kāi)發(fā)了專(zhuān)屬UI 界面，實(shí)現(xiàn)了操作人員與系統(tǒng)之間的人機(jī)交互。UI 界面和觸摸按鍵設(shè)計(jì)合理，操作簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)功能滿足核電管道焊接需求，提高了管道自動(dòng)焊控制系統(tǒng)的實(shí)用性及設(shè)備融合性。

UI界面分為開(kāi)機(jī)頁(yè)面、主頁(yè)面、焊接工藝參數(shù)、開(kāi)發(fā)者參數(shù)頁(yè)面、設(shè)備基礎(chǔ)參數(shù)頁(yè)面等，如圖6 所示。主頁(yè)面顯示有管道直徑、焊接基本參數(shù)（電流、電壓、行走速度和送絲速度），觸摸按鍵可調(diào)節(jié)焊槍位置、焊接小車(chē)的行走、送絲等。在焊接工藝參數(shù)界面可根據(jù)管道規(guī)格材質(zhì)設(shè)置焊接工藝。在設(shè)備基礎(chǔ)參數(shù)頁(yè)面可設(shè)置起弧及熄弧高度、起弧及熄弧電流、預(yù)送氣及后置氣時(shí)間、上升和下降時(shí)間等設(shè)備基礎(chǔ)參數(shù)。在開(kāi)發(fā)者參數(shù)頁(yè)面可查看系統(tǒng)參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)、顯示版本狀態(tài)及恢復(fù)出廠設(shè)置。

圖6 UI軟件界面Fig.6 UI software interface

3 結(jié)論

本文針對(duì)核電站管道全位置TIG 自動(dòng)焊接，設(shè)計(jì)了一款以STM32單片機(jī)為核心，以開(kāi)環(huán)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)技術(shù)及觸摸屏為實(shí)施載體的全位置焊接系統(tǒng)。該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，現(xiàn)已正式投入工程應(yīng)用中，得到以下結(jié)論：

（1）以STM32 單片機(jī)為核心的硬件電路開(kāi)發(fā)，能夠有效保證系統(tǒng)的運(yùn)算速度和準(zhǔn)確性，同時(shí)有效降低設(shè)備整體的成本，便于設(shè)備的批量化生產(chǎn)。

（2）合理的焊接程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)動(dòng)作與焊接工藝匹配，操作簡(jiǎn)單且保證了焊接質(zhì)量和效率。

（3）利用觸摸屏軟件設(shè)計(jì)了UI 界面，可實(shí)現(xiàn)焊接狀態(tài)的查看和監(jiān)控，焊接工藝參數(shù)、設(shè)備參數(shù)以及開(kāi)發(fā)者參數(shù)的輸入，實(shí)現(xiàn)了良好的人機(jī)交互。

（4）增加線控器填補(bǔ)觸摸屏帶來(lái)的弊端，操作人員可以在有一定距離的情況下調(diào)節(jié)焊接狀態(tài)，制動(dòng)焊機(jī)，使人機(jī)交互形式多樣化，操作更加方便有效。

（5）該系統(tǒng)已在核工程管道焊接中進(jìn)行了推廣應(yīng)用，有效提升了焊接效率和焊接質(zhì)量，降低了自動(dòng)焊設(shè)備的采購(gòu)成本。

（6）該系統(tǒng)與自動(dòng)焊機(jī)設(shè)備融合度高、穩(wěn)定性強(qiáng)，可擴(kuò)展應(yīng)用于其他行業(yè)的管道自動(dòng)焊接中。