基于STM32的三軸焊接平臺控制系統設計

周智勇，潘天紅

（江蘇大學 電氣信息工程學院，鎮江 212013）

基于STM32的三軸焊接平臺控制系統設計

周智勇，潘天紅

（江蘇大學 電氣信息工程學院，鎮江 212013）

應對傳統焊接環境中人力成本高、生產效率不穩定、重復性的疲勞操作問題和先進焊接技術的需求，對具體應用進行分析和設計，開發了一種基于STM32的三軸焊接平臺，實現采集定位、存儲、焊料進給和循環自動焊接功能，提高焊接的自動化和效率，解決上述所述傳統環境中遇到的問題，具有一定參考意義。

三軸；STM32；焊接平臺；系統設計

0 引言

焊接直接影響生產效率和產品的整體性能，選擇合適的焊接技術很大程度上保證焊接質量和提高整體制造水平[1]。同軸電纜被大量地應用于通信系統，其需求量很大。而傳統焊接存在勞動力相對緊張、人力成本支出費用較高、生產效率不穩定等若干問題，必須通過先進焊接技術增強機械產品的質量、降低生產成本、改善生產環境，獲得經濟效益[2]。因此，自動化和智能化成為焊接設備的主要發展趨勢，并且設備朝著精密化方向發展。

本文設計了一種基于STM32F103為控制器、帶有觸摸屏的三軸焊接平臺，用于同軸電纜的軸頭與軸線的焊接。它可以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，實現焊接過程的自動化。

1 系統結構及工作流程

結構框圖如圖1所示，硬件上主要由STM32、三軸機體、步進電機、觸摸屏、搖桿、送絲器、高頻焊接頭等組成，功能上主要部分由在三軸運動平臺、人機交互系統、傳動與控制系統、點位采集系統、送絲系統、焊接系統和電源等組成。

三軸平臺有6個電機，用于控制3個軸向運動、2個送絲器電機、1個轉臺電機。由3個限位傳感器在三軸運動的零點處組成硬限位。根據觸摸屏數據格式編寫控制指令，將搖桿的輸出進行角度控制步進電機轉速。高頻焊接頭受控于STM32控制的繼電器。不同工藝的產品參數存儲在片上FLASH中，以后續采用。

圖1 結構框圖

系統的工作流程，如圖2所示。

1）焊接工作前，開機系統初始化工作，使各參數變為默認初始數值、三軸位置回到零點位于初始位置、各功能模塊恢復初始狀態，將同軸電纜的軸頭放在轉臺上，并將軸線夾在轉臺上的夾持工具上。

2）初始化工作完后，設置所需的工藝參數，并采集過渡點和焊接點。通過人機交互的觸摸屏給控制器設定欲加工的各種工藝參數，通過搖桿給焊接平臺記錄下焊接過程中各個軸頭對應的過渡點和焊接點位。

3）完成設置和采集后，系統開始焊接工作。三軸先回零，平臺開始工作，傳動系統運動將焊接頭依次推進到下一個待焊接點的過渡點，再到焊接點，到達焊接點后，焊接系統開始工作。送絲器上的電機正轉將焊絲從送絲管里送出，繼電器的持續通斷改變高頻焊接頭開關狀態使焊絲熔化，熔化的焊料使焊接部件固定連接在一起；焊完一個點位后，焊接頭退出到當前點的過渡點，再行進到下一個焊接點的過渡點，重復地依次焊完所有軸頭。焊接平臺工作示意圖，如圖3所示。

圖2 工作流程

一排的軸頭工件全部焊完后，焊接頭在平臺運動下回到零點，轉臺旋轉半圈，使轉臺上另一半的工件轉到焊接工位等待焊接。同時，工作人員可以在轉臺的另一側進行已經焊完的軸頭的拆卸和下一批次的軸頭、軸線的安裝。其中，根據是否需要循環工作選擇往復工作。

2 控制系統設計

2.1 電源系統

圖3 焊接平臺示意圖

系統中的各部分需要不同電壓的電源，需要設計不同的電壓轉換電路。以觸摸屏電源設計為例，由開關電源接入220V電壓，輸出24V電壓作為轉換電路的輸入，采用LM2576-12V芯片輸出12V供應觸摸屏，如圖4所示。同樣的，搖桿、STM32采用類似電源轉換電路（采用LM2576-5V），而接近傳感器和步進電機驅動器則直接接入24V的開關電源。

圖4 12V電壓轉換電路

2.2 人機交互系統

通過人機界面對生產參數進行調整，使同一套自動焊接平臺可以焊接多種不同規格的產品[3]。觸摸屏采用北京迪文的DMT10600T102_02W，根據通信格式設置指令。控制器接收觸摸屏發送過來的指令，根據相應鍵值在主程序中進行的運動控制，可以完成多種參數的設定和測試、運動控制等功能。觸摸屏的串口電路，如圖5所示。

2.3 點位采集系統

點位采集可使用搖桿控制，控制平臺的X、Y、Z軸。將搖桿的連續輸出離散成n段進行角度控制，當搖桿被要到某一角度時，計算出電機對應的當前速度。通過人機交互，根據是否需要過渡點和焊接點選擇存儲。搖桿的串口電路類似于液晶屏。

圖5 觸摸屏串口

2.4 傳動系統

傳動系統采用與電機軸同軸連接的絲杠帶動軸向運動實現，而且由固定在平臺上的每個軸向的步進電機提供動力。通過絲杠，不僅可以傳遞一定的動力，將步進電機的旋轉運動轉換成X、Y、Z三軸的直線運動，還可以精確地確定每個軸頭工件的坐標位置，提高焊接點位的精度。

2.5 運動控制系統

電機控制部分為單軸的單獨運動，左、右送絲器的送、回絲和轉臺運動。每個電機都由一路PWM和一個方向信號控制，以其中的一路電機控制為例，如圖6所示。

圖6 電機控制電路

平滑的電機速度控制是保持機臺平穩的關鍵。保證伺服平臺運轉角度的準確性和運行平穩性，要求電機在啟動和停止時能減少沖擊，因此需要進行加減速控制[4]，將沖擊的啟、停狀態改善，轉變為柔性的曲線變速運動。目前國內外步進電機加減速控制方法，主要包括三種：1）直線型加減速速度曲線；2）指數型加減速曲線；3）S型加減速曲線[5]。S型曲線變速是常用的柔性化方法。Logistic曲線是一種常見的S型曲線。方程為：

其中：e為指數，K、a、b為參數，K影響y最大值，a影響曲線的陡峭程度，b影響曲線的x的中點值。

在電機速度變化過程中，速度不是連續變化的，而是按分檔階梯變化[6]。通過控制器的定時器方式產生PWM驅動步進電機轉動，改變定時器參數可以得到不同周期的PWM，得到不同的速度。焊接機單軸通過絲杠從一點移動到另一點，速度曲線如圖7所示。

圖7 S型速度曲線

3 結束語

該文所設計的一種基于STM32及觸摸屏的三軸焊接平臺，記憶學習多個工藝參數和焊接點位，通過曲線加減速減少沖撞達到柔性運動，焊接中的高頻焊接頭可以實現無接觸焊接。在實際使用中可以達到一次設定的重復焊接，提高對不同工藝的產品的適應性，提高生產穩定性，實現小批量、多種類產品的焊接自動化。同時提高單片機自身片上資源的利用率，可減小相應的外部設備投資。

[1] 韓以倫,朱倩,陳佩,等.基于PLC的管件自動焊接系統的設計[J].制造業自動化,2016,38(5):72-75.

[2] 仝鐘.淺談自動焊接在機械焊接中的應用[J].機電信息,2012(36),164-165.

[3] 孫陽,孟凡軍,何毅,等.基于PLC和伺服控制技術的梯子梁自動焊接平臺控制系統[J].新技術新工藝,2013(2),111-114.

[4] 謝守勇,李錫文,楊叔子,等. 一種三軸伺服平臺運動控制研究[J].西南大學學報（自然科學版）,2007,29(9):169-172.

[5] 李曉菲,胡泓,王煒.步進電機加減速控制規律[J].機電產品開發與創新,2006,19(1):85-87.

[6] 王建,張玉峰,李磊.步進電機加減速控制技術研究[J].工況自動化,2006(6),65-67.

Design of control system of three - axis welding platform based on STM32

ZHOU Zhi-Yong, PAN Tian-hong

TP23

：A

1009-0134(2017)03-0139-03

2016-12-18

鎮江市重點研發項目（SYF120150110019）

周智勇（1991 -），男，江蘇淮安人，碩士，研究方向為儀器儀表與自動化裝置。