基于STM32的三轴焊接平台控制系统设计

第39卷 第3期 2017-03 

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收稿日期：2016-12-18

基金项目：镇江市重点研发项目（SYF120150110019）

作者简介：周智勇（1991 -），男，江苏淮安人，硕士，研究方向为仪器仪表与自动化装置。

基于STM32的三轴焊接平台控制系统设计

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

周智勇，潘天红

ZHOU Zhi-Yong, PAN Tian-hong

（江苏大学 电气信息工程学院，镇江 212013）

摘 要：应对传统焊接环境中人力成本高、生产效率不稳定、重复性的疲劳操作问题和先进焊接技术

的需求，对具体应用进行分析和设计，开发了一种基于STM32的三轴焊接平台，实现采集定位、存储、焊料进给和循环自动焊接功能，提高焊接的自动化和效率，解决上述所述传统环境中遇到的问题，具有一定参考意义。

关键词：三轴；STM32；焊接平台；系统设计中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2017)03-0139-03

0 引言

焊接直接影响生产效率和产品的整体性能，选择合适的焊接技术很大程度上保证焊接质量和提高整体制造水平[1]。同轴电缆被大量地应用于通信系统，其需求量很大。而传统焊接存在劳动力相对紧张、人力成本支出费用较高、生产效率不稳定等若干问题，必须通过先进焊接技术增强机械产品的质量、降低生产成本、改善生产环境，获得经济效益[2]。因此，自动化和智能化成为焊接设备的主要发展趋势，并且设备朝着精密化方向 发展。

本文设计了一种基于STM32F103为控制器、带有触摸屏的三轴焊接平台，用于同轴电缆的轴头与轴线的焊接。它可以通过摇杆控制三个轴向机械的运动，并取得任意空间点相对于原点的位置，依次记录所有需要的焊接点位和之间的过渡点，实现焊接过程的自动化。

1 系统结构及工作流程

结构框图如图1所示，硬件上主要由STM32、三轴机体、步进电机、触摸屏、摇杆、送丝器、高频焊接头等组成，功能上主要部分由在三轴运动平台、人机交互系统、传动与控制系统、点位采集系统、送丝系统、焊接系统和电源等组成。

三轴平台有6个电机，用于控制3个轴向运动、2个送丝器电机、1个转台电机。由3个限位传感器在三轴运动的零点处组成硬限位。根据触摸屏数据格式编写控制指令，将摇杆的输出进行角度控制步进电机转速。高频焊接头受控于STM32控制的继电器。不同工艺的产品参数存储在片上FLASH中，以后续采用。

系统的工作流程，如图2所示。

1）焊接工作前，开机系统初始化工作，使各参数变为默认初始数值、三轴位置回到零点位于初始位置、各功能模块恢复初始状态，将同轴电缆的轴头放在转台上，并将轴线夹在转台上的夹持工具上。

2）初始化工作完后，设置所需的工艺参数，并采集过渡点和焊接点。通过人机交互的触摸屏给控制器设定欲加工的各种工艺参数，通过摇杆给焊接平台记录下焊接过程中各个轴头对应的过渡点和焊接点位。

3）完成设置和采集后，系统开始焊接工作。三轴先回零，平台开始工作，传动系统运动将焊接头依次推进到下一个待焊接点的过渡点，再到焊接点，到达焊接点后，焊接系统开始工作。送丝器上的电机正转将焊丝从送丝管里送出，继电器的持续通断改变高频焊接头开关状态使焊丝熔化，熔化的焊料使焊接部件固定连接在一起；焊完一个点位后，焊接头退出到当前点的过渡点，再行进到下一个焊接点的过渡点，重复地依次焊完

图1 结构框图

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所有轴头。焊接平台工作示意图，如图3所示。

一排的轴头工件全部焊完后，焊接头在平台运动下回到零点，转台旋转半圈，使转台上另一半的工件转到焊接工位等待焊接。同时，工作人员可以在转台的另一侧进行已经焊完的轴头的拆卸和下一批次的轴头、轴线的安装。其中，根据是否需要循环工作选择往复工作。

2 控制系统设计

2.1 电源系统

系统中的各部分需要不同电压的电源，需要设计不

同的电压转换电路。以触摸屏电源设计为例，由开关电

源接入220V电压，输出24V电压作为转换电路的输入，采用LM2576-12V芯片输出12V供应触摸屏，如图4所示。同样的，摇杆、STM32采用类似电源转换电路（采用LM2576-5V），而接近传感器和步进电机驱动器则直

接接入24V的开关电源。

图4 12V电压转换电路

2.2 人机交互系统

通过人机界面对生产参数进行调整，使同一套自动焊接平台可以焊接多种不同规格的产品[3]。触摸屏采用北京迪文的DMT10600T102_02W，根据通信格式设置指令。控制器接收触摸屏发送过来的指令，根据相应键值在主程序中进行的运动控制，可以完成多种参数的设定和测试、运动控制等功能。触摸屏的串口电路，如图5所示。

2.3 点位采集系统

点位采集可使用摇杆控制，控制平台的X、Y、Z 轴。将摇杆的连续输出离散成n段进行角度控制，当摇杆被要到某一角度时，计算出电机对应的当前速度。通

图2 工作流程

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Y 䕈 图3 焊接平台示意图

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过人机交互，根据是否需要过渡点和焊接点选择存储。摇杆的串口电路类似于液晶屏。2.4 传动系统

传动系统采用与电机轴同轴连接的丝杠带动轴向运动实现，而且由固定在平台上的每个轴向的步进电机提供动力。通过丝杠，不仅可以传递一定的动力，将步进电机的旋转运动转换成X、Y、Z三轴的直线运动，还可以精确地确定每个轴头工件的坐标位置，提高焊接点位的精度。2.5 运动控制系统

电机控制部分为单轴的单独运动，左、右送丝器的送、回丝和转台运动。每个电机都由一路PWM和一个方

向信号控制，以其中的一路电机控制为例，如图6所示。

图6 电机控制电路

平滑的电机速度控制是保持机台平稳的关键。保证伺服平台运转角度的准确性和运行平稳性，要求电机在启动和停止时能减少冲击，因此需要进行加减速控制[4]，将冲击的启、停状态改善，转变为柔性的曲线变速运动。目前国内外步进电机加减速控制方法，主要包括三种：

1）直线型加减速速度曲线；2）指数型加减速曲线；3）S型加减速曲线[5]。S型曲线变速是常用的柔性化方法。Logistic曲线是一种常见的S型曲线。方程为：

1a bx

K y e −=+其中：e为指数，K、a、b为参数，K影响y最大值，a影响曲线的陡峭程度，b影响曲线的x的中点值。

在电机速度变化过程中，速度不是连续变化的，而是按分档阶梯变化[6]。通过控制器的定时器方式产生PWM驱动步进电机转动，改变定时器参数可以得到不同周期的PWM，得到不同的速度。焊接机单轴通过丝

杠从一点移动到另一点，速度曲线如图7所示。

图7 S型速度曲线

3 结束语

该文所设计的一种基于STM32及触摸屏的三轴焊接平台，记忆学习多个工艺参数和焊接点位，通过曲线加减速减少冲撞达到柔性运动，焊接中的高频焊接头可以实现无接触焊接。在实际使用中可以达到一次设定的重复焊接，提高对不同工艺的产品的适应性，提高生产稳定性，实现小批量、多种类产品的焊接自动化。同时提高单片机自身片上资源的利用率，可减小相应的外部设备投资。

参考文献：

[1] 韩以伦,朱倩,陈佩,等.基于PLC的管件自动焊接系统的设计[J].

制造业自动化,2016,38(5):72-75.

[2] 仝钟.浅谈自动焊接在机械焊接中的应用[J ].机电信

息,2012(36),164-165.

[3] 孙阳,孟凡军,何毅,等.基于PLC和伺服控制技术的梯子梁自动

焊接平台控制系统[J].新技术新工艺,2013(2),111-114.

[4] 谢守勇,李锡文,杨叔子,等. 一种三轴伺服平台运动控制研究[J].

西南大学学报（自然科学版）,2007,29(9):169-172.

[5] 李晓菲,胡泓,王炜.步进电机加减速控制规律[J].机电产品开发

与创新,2006,19(1):85-87.

[6] 王建,张玉峰,李磊.步进电机加减速控制技术研究[J].工况自动

化,2006(6),65-67.

图5 触摸屏串口