基于嵌入式攪拌摩擦焊攪拌頭智能清洗裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

肖錫旺，喬宇碟，范偉東，陳 昊，于 影（通訊作者）

（佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 黑龍江 佳木斯 154007）

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，焊接車間、大型焊接加工中心大型場(chǎng)所的規(guī)模和數(shù)量不斷擴(kuò)大，這些場(chǎng)所是摩擦焊攪拌焊清洗問題出現(xiàn)的高發(fā)區(qū)，而制約攪拌頭性能發(fā)揮和工廠成產(chǎn)效率的主要因素是攪拌頭上雜質(zhì)[1]。目前，這些場(chǎng)所攪拌摩擦焊攪拌頭主要由工人們進(jìn)行定時(shí)檢查清洗、定時(shí)替換來完成，因攪拌摩擦焊攪拌頭人工檢查存在檢查死區(qū)、工人數(shù)量有限、人的安全意識(shí)麻痹及疲勞性等原因，易出現(xiàn)紕漏現(xiàn)象，進(jìn)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(cè)、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(tǒng)，能對(duì)加工時(shí)的攪拌頭附著物情況及時(shí)反饋，對(duì)攪拌頭的及時(shí)清洗，能降低因人工清洗而效率低下的問題。

對(duì)此，本研究基于MCU開發(fā)環(huán)境搭建攪拌摩擦焊攪拌頭智能清洗裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主控采用stm32F103芯片，通過IIC、串口等接口的傳感器檢測(cè)攪拌頭各項(xiàng)數(shù)據(jù)并上報(bào)。上位機(jī)采用OpenMV視覺處理系統(tǒng)，根據(jù)特征點(diǎn)匹配的返回值和傳感器數(shù)據(jù)按照邏輯程序進(jìn)行不同等級(jí)的清洗行為。在清洗過程中傳感器和視覺處理系統(tǒng)始終檢測(cè)攪拌頭的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，使整個(gè)系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。在用戶端，系統(tǒng)加入ESP8266無線網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)信息共享，通過物聯(lián)網(wǎng)提供商的手機(jī)端APP，實(shí)時(shí)獲取傳感器溫度、距離，當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由控制端和用戶端兩部分構(gòu)成：控制端主要包括溫度傳感器、距離傳感器、視覺處理系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)、行走系統(tǒng)等；用戶端主要包括網(wǎng)絡(luò)模塊、手機(jī)APP等，采用stm32控制器將子系統(tǒng)和模塊相連。控制端溫度傳感器感知攪拌頭的溫度等參數(shù)，當(dāng)溫度適宜時(shí)，視覺處理系統(tǒng)將會(huì)識(shí)別攪拌頭并對(duì)當(dāng)前攪拌頭狀態(tài)進(jìn)行評(píng)級(jí)，當(dāng)需要清洗時(shí)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的行走系統(tǒng)搭配距離感應(yīng)器將會(huì)接近攪拌頭，并通過清洗系統(tǒng)清洗攪拌頭。清洗結(jié)束后會(huì)再次對(duì)攪拌頭評(píng)級(jí)，檢測(cè)清洗情況，若不合格則再次清洗。清洗結(jié)束后行走裝置會(huì)離開攪拌頭，開始下一周期的識(shí)別檢測(cè)工作。在整個(gè)工作期間，網(wǎng)絡(luò)模塊會(huì)把溫度數(shù)據(jù)、距離數(shù)據(jù)、評(píng)級(jí)情況、清洗狀態(tài)等發(fā)送至手機(jī)APP供用戶查看。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件搭建

3.1 STM32控制板

所需模塊和系統(tǒng)：溫度傳感器、距離傳感器、視覺處理系統(tǒng)、清洗模塊、行走模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊；綜合經(jīng)濟(jì)性和編程靈活性，采用ST公司的STM32F103ZET6單片機(jī)，其主頻為72 MHz，有144路輸入/輸出引腳、2個(gè)IIC控制器、3個(gè)SPI控制器、8路定時(shí)器和5個(gè)串口控制器。程序容量為512 KB，運(yùn)行內(nèi)存為64 KB。

3.2 網(wǎng)絡(luò)模塊

傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)模塊大多采用通用型強(qiáng)的GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，但系統(tǒng)響應(yīng)速度較慢。對(duì)此，選擇安信可（Ai- thinker）公司ESP8266系列Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)模組，其支持802.11 b/g/n，網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度更快，待機(jī)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(shù)據(jù)。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)方案商：點(diǎn)燈科技（blinker）提供的API接口和手機(jī)APP，可以很方便快速地實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)功能。

3.3 溫度傳感器

由于攪拌頭的特殊性，只能使用遠(yuǎn)距離溫度傳感器。故采用MLX90614溫度傳感器，測(cè)量范圍：-40 ℃～125 ℃，精度可達(dá)到0.5 ℃，采用IIC接口，如圖2為典型應(yīng)用電路圖。其工作原理：MLX90614是由內(nèi)部狀態(tài)機(jī)控制物體溫度和環(huán)境溫度的測(cè)量和計(jì)算，進(jìn)行溫度后處理，并將結(jié)果通過IIC接口輸出[3]。單片機(jī)通過IIC讀取溫度傳感器內(nèi)部的寄存器，從而獲得溫度數(shù)據(jù)。

圖2 典型應(yīng)用電路圖

3.4 距離傳感器

采用TOF10120距離傳感器，測(cè)量范圍：可達(dá)1.8 m，精度在5%以內(nèi)。測(cè)量時(shí)間小于30 ms，采用標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平串口或IIC接口。TOF10120測(cè)距傳感器提供了精確和可重復(fù)的遠(yuǎn)距離測(cè)量和用于高速自動(dòng)對(duì)焦的TOF time-offlight技術(shù)，使該傳感器性能獨(dú)立于目標(biāo)物體的反射率，達(dá)到精確測(cè)量距離的目的。

3.5 視覺處理系統(tǒng)

考慮到嵌入式設(shè)備的體積，故采用體積小巧的OpenMV來進(jìn)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(jī)器視覺應(yīng)用。通過高級(jí)語言Python腳本，不使用復(fù)雜的C++。Python的高級(jí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)很容易在機(jī)器視覺算法中處理復(fù)雜的輸出。由于OpenMV本身使用單片機(jī)作為主控，故使用串口和STM32單片機(jī)進(jìn)行通信。通過準(zhǔn)備在OpenMV中評(píng)級(jí)之后的攪拌頭圖片，OpenMV會(huì)采用ncc算法，遞歸尋找和當(dāng)前目標(biāo)一致的攪拌頭圖片，將圖片的級(jí)數(shù)通過串口發(fā)送至控制器，達(dá)到視覺處理的目的。

3.6 清洗模塊

使用4個(gè)直流電機(jī)帶動(dòng)不同材質(zhì)可拆卸的刷子對(duì)攪拌頭進(jìn)行清洗，對(duì)攪拌頭評(píng)級(jí)后，通過調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速和使用舵機(jī)調(diào)整清洗的方向，針對(duì)不同的情況進(jìn)行清洗。

3.7 行走模塊

行走模塊整體采用履帶式設(shè)計(jì)，動(dòng)力使用2個(gè)MG540直流減速電機(jī)，額定電壓為12 V，輸出轉(zhuǎn)矩為2.6 kg·cm。電機(jī)自帶霍爾編碼器，自帶上拉整形。通過STM32定時(shí)器直接和電機(jī)接口相連，單片機(jī)輸出的兩路互補(bǔ)的PWM直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度和方向，通過讀取編碼器獲取電機(jī)速度，使用PID速度閉環(huán)控制算法，可以使行走模塊運(yùn)行更加穩(wěn)定。

4 主控制器程序設(shè)計(jì)

基于KEIL MDK編程環(huán)境，按照識(shí)別、清洗控制過程，編寫程序代碼。主程序工作時(shí)，首先檢測(cè)和判斷各傳感器模塊采集的參數(shù)及視覺處理系統(tǒng)返回的評(píng)級(jí)，通過與設(shè)定值進(jìn)行比較，滿足條件時(shí)則清洗攪拌頭。

控制端程序，調(diào)用“GetTemperature()”溫度獲取函數(shù)，檢測(cè)攪拌頭的實(shí)時(shí)溫度。若溫度過高，攪拌頭清洗設(shè)備無法在高溫下工作，等待其降溫至安全溫度。調(diào)用“GetOpenMVDate()”函數(shù)，獲得當(dāng)前視覺處理系統(tǒng)對(duì)攪拌頭的評(píng)級(jí)，若評(píng)級(jí)為“0級(jí)”，則代表攪拌頭不需要清理。若非“0級(jí)”，系統(tǒng)會(huì)調(diào)用“GetDistance()”距離獲取函數(shù)，檢測(cè)攪拌頭清洗裝置和攪拌頭之間的距離。通過行走機(jī)構(gòu)，移動(dòng)至距攪拌頭適合的距離，執(zhí)行相應(yīng)級(jí)數(shù)的清洗函數(shù)。清洗結(jié)束后再次對(duì)攪拌頭評(píng)級(jí)，若評(píng)級(jí)為“0級(jí)”，則清洗達(dá)到要求，攪拌頭清洗裝置會(huì)返回至原區(qū)域。若非“0級(jí)”，則繼續(xù)清洗。重復(fù)上述步驟，直至攪拌頭清洗合格。

用戶端程序，在系統(tǒng)開始后，STM32會(huì)開啟一個(gè)5 s為一個(gè)周期的定時(shí)器中斷，在中斷服務(wù)函數(shù)中，系統(tǒng)調(diào)用“ESPTransmit()”發(fā)送函數(shù)，將傳感器數(shù)據(jù)、系統(tǒng)評(píng)級(jí)結(jié)果、行走裝置運(yùn)行速度等數(shù)據(jù)封裝成JSON字符串，通過串口發(fā)送至ESP8266。ESP8266接受數(shù)據(jù)后上傳至服務(wù)器，服務(wù)器通過密匙發(fā)送給手機(jī)APP，通過解析JSON字符串進(jìn)而獲得系統(tǒng)數(shù)據(jù)。同樣通過手機(jī)APP可以對(duì)攪拌頭清洗裝置進(jìn)行控制。見圖3。

圖3 主程序流程圖

5 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(yàn)證本文設(shè)計(jì)攪拌摩擦焊攪拌頭清洗裝置控制系統(tǒng)中視覺處理的效果，該裝置在室內(nèi)啟動(dòng)視覺識(shí)別程序節(jié)點(diǎn)，對(duì)輪廓進(jìn)行識(shí)別，待該裝置識(shí)別后，觀察識(shí)別構(gòu)建出來的輪廓和系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫理論輪廓的區(qū)別，從而做出清洗判斷。經(jīng)過實(shí)際搭建測(cè)試可以觀察出實(shí)際場(chǎng)景應(yīng)用可以滿足使用需求。

6 結(jié)語

基于嵌入式攪拌摩擦焊攪拌頭智能清洗裝置系統(tǒng)，主控采用stm32F103芯片，通過IIC、串口等接口的傳感器檢測(cè)攪拌頭各項(xiàng)數(shù)據(jù)并上報(bào)。利用TOF10120測(cè)距傳感器精確測(cè)量距離。通過STM32定時(shí)器直接和電機(jī)接口相連，讀取編碼器獲取電機(jī)速度，使用PID速度閉環(huán)控制算法，完成移動(dòng)。使用openMV攝像頭檢測(cè)攪拌摩擦焊攪拌頭是否附著物過多。4個(gè)由直流電機(jī)帶動(dòng)的不同材質(zhì)可拆卸的刷子，通過調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速和使用舵機(jī)調(diào)整清洗的方向，針對(duì)評(píng)級(jí)后的攪拌頭進(jìn)行清洗。用戶端程序?qū)鞲衅鲾?shù)據(jù)、系統(tǒng)評(píng)級(jí)結(jié)果、行走裝置運(yùn)行速度等數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，服務(wù)器通過密匙發(fā)送給手機(jī)APP，同樣通過手機(jī)APP可以對(duì)攪拌頭清洗裝置進(jìn)行控制。經(jīng)樣機(jī)測(cè)試，清洗效果良好，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸高效，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，對(duì)促進(jìn)摩擦焊的高效化及智能化具有深遠(yuǎn)意義。