展先彪 辛尚青 李雪文 郭昊洵 張獻(xiàn)一 檀朝彬

摘要：為了減少人工作業(yè)強(qiáng)度，提高水泥復(fù)合電桿鋼制地基支座焊接效率，保證焊接質(zhì)量，基于STM32F103嵌入式處理器設(shè)計(jì)了一種單片機(jī)控制自動(dòng)化焊接系統(tǒng)。通過(guò)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，使工裝在回轉(zhuǎn)平臺(tái)上的鋼制地基支座與焊槍產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，配合避障、跟蹤和狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器，實(shí)現(xiàn)了一種水泥復(fù)合電桿鋼制地基支座自動(dòng)化焊接系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)，對(duì)于大型回轉(zhuǎn)焊件自動(dòng)化焊接具有一定參考意義。

關(guān)鍵詞： STM32 自動(dòng)化焊接? 地基支座? 水泥復(fù)合電桿

大型水泥復(fù)合電桿鋼制地基支座在使用過(guò)程中承載整體桿塔重量，具有板材厚，焊接連接結(jié)構(gòu)多，重量大的特點(diǎn)。傳統(tǒng)手動(dòng)焊接加工方式不僅人工作業(yè)強(qiáng)度高而且焊接效率十分底下，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中也不能夠保證焊接質(zhì)量穩(wěn)定性。因此需要設(shè)計(jì)開發(fā)一套高效率，低成本的自動(dòng)化焊接系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水泥復(fù)合電桿鋼制地基支座自動(dòng)化焊接。

1 總體設(shè)計(jì)

水泥復(fù)合電桿鋼制地基支座自動(dòng)化焊接系統(tǒng)以STM32F103作為控制芯片，控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)平臺(tái)使焊件與焊槍產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接。采用避障傳感器、跟蹤傳感器和狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器來(lái)保證焊接過(guò)程中的精準(zhǔn)定位和運(yùn)動(dòng)控制精度?；剞D(zhuǎn)平臺(tái)采用實(shí)時(shí)讀取步進(jìn)電機(jī)和避障模塊的數(shù)據(jù)信息，通過(guò)無(wú)線通信模塊完成與上位機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，開發(fā)的上位機(jī)控制系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線通信模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)化焊接系統(tǒng)的監(jiān)控。

1.1焊件的描述

回轉(zhuǎn)平臺(tái)的焊件是電力電桿的鋼制地基支座，該焊件質(zhì)量為180kg，體積為0.023m3的圓形鋼鐵。其直徑為560mm，厚度210mm的法蘭和直徑446mm法蘭孔組成，大端面直徑為850mm，厚度20mm，小端面直徑500mm，厚度20mm。含有12個(gè)直徑為58mm的孔，均勻分布在大端面上。用于連接的肋板均勻分布并連接大端面和小端面，用于加固整體結(jié)構(gòu)，自動(dòng)焊接施工為法蘭和內(nèi)管徑和套筒進(jìn)行焊接，法蘭連接使用方便，能夠承受較大的壓力。

1.2回轉(zhuǎn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

該回轉(zhuǎn)平臺(tái)焊接的設(shè)計(jì)是由驅(qū)動(dòng)齒輪，焊機(jī)，焊槍，送絲裝置和帶有編碼器的步進(jìn)電機(jī)組成。在回轉(zhuǎn)平臺(tái)上開了4個(gè)槽，讓放物件，拱起焊接，采用減重設(shè)計(jì)，減小電動(dòng)機(jī)的能量損耗。帶動(dòng)回轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)放在了回轉(zhuǎn)平臺(tái)的外圍，這樣比放在軸上降低了電動(dòng)機(jī)的輸出功率，更加環(huán)保節(jié)能。

2模塊的選擇

2.1電機(jī)的選擇

帶動(dòng)回轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)采用SH2141編碼電動(dòng)機(jī)。帶動(dòng)物件轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)，采用步進(jìn)電機(jī)[1]，步進(jìn)電機(jī)的角位移與輸入脈沖個(gè)數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，轉(zhuǎn)向與脈沖分配到步進(jìn)電機(jī)的各相繞組的相序有關(guān)[2]，可以直接用信號(hào)控制。在本文建模中選用步進(jìn)電機(jī)為SH2141系列電機(jī)。

2.2紅外避障傳感器

采用高精度的OMEGA紅外避障傳感器，兩個(gè)STM32單片機(jī)分別通過(guò)一個(gè)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)，PUL為PWM輸入端口，DIR為電機(jī)轉(zhuǎn)向控制端口，避障傳感器通過(guò)檢測(cè)焊盤上有無(wú)鋼件給單片機(jī)發(fā)送指令，單片機(jī)根據(jù)不同的指令做出相應(yīng)的控制命令，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制焊槍與焊盤協(xié)同工作，驅(qū)動(dòng)器有兩個(gè)供電端，分別進(jìn)行5V和24V供電。

2.3焊接跟蹤

采用激光結(jié)構(gòu)光焊道跟蹤系統(tǒng)，選用650nm“一”字LED激光結(jié)構(gòu)光產(chǎn)生“一”字光束，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)聚焦成像于焊道表面。投射光束經(jīng)650nm帶通濾光片濾除干擾光后成像于CMOS感光器上，獲得數(shù)字圖像。跟蹤傳感器攝取的焊道數(shù)字圖像首先傳給圖形處理計(jì)算機(jī)，經(jīng)圖像處理與解析計(jì)算得到焊道的橫向/縱向偏差和對(duì)口間隙及錯(cuò)邊量信息，并將這些參量轉(zhuǎn)換為±10V（對(duì)應(yīng)偏差量為±10nm）的電壓信號(hào)，傳給焊道跟蹤系統(tǒng)，跟蹤系統(tǒng)根據(jù)橫向/縱向偏差量控制電機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)整焊炬，在焊接過(guò)程中保證誤差小于設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)隊(duì)中，傳感器參數(shù)見(jiàn)表。

2.4 PID控制

運(yùn)用增量式PID算法去驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，精確控制步進(jìn)電機(jī)的速度，下圖為PID算法調(diào)節(jié)的系統(tǒng)控制原理圖。

3軟件設(shè)計(jì)

3.1上位機(jī)訓(xùn)練模塊設(shè)計(jì)

上位機(jī)訓(xùn)練模塊采用LabVIEW基于PC機(jī)開發(fā)，界面分為顯示區(qū)和操作區(qū)，如圖5所示，使用 RS-485通信接口作為計(jì)算機(jī)與電焊控制系統(tǒng)之間的通信，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程發(fā)送數(shù)據(jù)監(jiān)控焊接設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)工作。

3.2焊接工藝試驗(yàn)

該設(shè)備焊接工藝流程主要包括，控制焊接設(shè)備的啟動(dòng)和停止，控制電磁氣閥動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)提前送氣和滯后停氣，使焊接區(qū)受到良好保護(hù)，控制引弧和熄弧，控制送絲和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)等。具體流程圖如下圖所示。整個(gè)圓盤式焊接是基于STM32控制的，可以通過(guò)控制電源空載電壓調(diào)節(jié)電弧電壓，通過(guò)控制送絲速度來(lái)調(diào)節(jié)焊接電流，如圖6所示。

4 結(jié)語(yǔ)

基于STM32控制的回轉(zhuǎn)平臺(tái)焊接，擺脫了傳統(tǒng)工業(yè)手焊所造成的誤差大，效率低等缺陷。采用推拉式送絲機(jī)構(gòu)提高了焊接效率，減少了焊絲的浪費(fèi)?；剞D(zhuǎn)平臺(tái)的焊接實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，只需要操控?cái)?shù)字控制臺(tái)和PC機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)物件的焊接，減少了勞動(dòng)力的使用，并且實(shí)現(xiàn)了高效率，低成本，穩(wěn)定可靠的目標(biāo)。

作者簡(jiǎn)介：展先彪，男，1994年生，2018年碩士主要研究方向：電子與通信工程。

通信作者：檀朝彬，男，博士，教授，1977年生，現(xiàn)主要從事北斗導(dǎo)航與應(yīng)用方向的研究工作等。

參考文獻(xiàn)

[1]謝鵬飛，基于PLC步進(jìn)電機(jī)的控制，[J]. 中國(guó)科技博覽，2013

[2]毛昀，楊峰.基于PLC的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2014（04）：87-89+98.