基于STM32的智能超声波焊接机系统设计

刘　帅

(武汉工程大学 计算机科学与技术学院，湖北 武汉　430073)

基于STM32的智能超声波焊接机系统设计

刘帅

(武汉工程大学 计算机科学与技术学院，湖北 武汉430073)

摘要：现在工业发展中，智能化的物联网技术主导了发展方向，以传统的数控超声波焊接机为研究对象，融入了LCD显示技术，STM32技术，物联网技术，设计出一套新的焊接机系统，扩展了传统焊接工业研究的内容，提供了一个智能焊接机解决方案的思路。

关键词：物联网;STM32;超声波焊接机

中图分类号：TF39

文献标识码：A

文章编号：1009-2714(2015)04- 0094- 06

doi:10.3969/j.issn.1009-2714.2015.04.018

收稿日期：2015—03—08

作者简介：刘帅(1990—)，男，湖北黄石人，在读硕士研究生，主要研究方向为嵌入式计算机.

1课题背景

1.1　物联网

2013年4月，德国政府在2013年4月的汉诺威工业博览会上正式推出提出“工业4.0”战略，其目的是为了提高德国工业的竞争力。德国学术界和产业界认为，“工业4.0”概念即是以智能制造为主导的第四次工业革命，或革命性的生产方法。该战略旨在通过充分利用信息通讯技术和网络空间虚拟系统-信息物理系统(Cyber-Physical System)相结合的手段，将制造业向智能化转型。这次工业革命的目的就是建立一个涵盖整个产品的生命周期的管理体系。

1.2　焊接机

超声波金属焊接是一种加工技术，在1950年美国人发明这项技术之后，广泛的应用在汽车，电子，航空等行业中。在将近70年的发展中，理论研究主要集中在应用方面，比如20世纪60年代艾斯纳 E的形状因素概念，发展出了高斯型变幅杆，森荣斯的振动方向变换器，则为获取50kw以上的高强度超声开辟新的方法。20世纪80年代的日本神奈川大学创造性的研发超声波对焊装置，可以处理1cm厚度的铝板，加以改进之后，可以更广泛的应用在塑料焊接上。而对于超声波焊接的基理研究却一直没有一个统一的观点，主要分为融化论和非融化论2个理论派别，日本的松冈新一教授在证明了焊接区域温度达不到材料熔点，但是热电偶测到只是焊接区的平均温度，并不能直接否定焊接时有局部融化的理论。英国谢菲尔德大学的格拉斯麦伊教授提出了超声波焊接引起金属表面和内部的双重软化理论，通过实验和仿真结果的对比，比较好的证明了他的理论，使得超声波基理的研究前进了一大步。

2相关研究

2.1　物联网

德国工业-科学研究联盟交流促进组织成员 Johannes Helbig指出，物联网和服务网在制造业中拥有巨大的创新潜力，如果我们成功把基于网络的服务整合进工业4.0，将极大地扩展这种潜力。物联网研究和工业4.0如何紧密结合，成为了现在物联网研究的主要方向。

M2M技术成则成为了物联网与工业4.0连立的桥梁，这种技术覆盖和拓展了工业信息化(工业化和信息化的融合,两化融合)中传统的SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition)系统。但是由于M2M是基于互联网的新技术,与传统的SCADA是有很大的区别。工业信息化系统包含很广的范围,其中基础的和智能设备直接相关的系统有HMI，组态软件等。工业控制和信息化主要依赖有线短距离通信,以现场总线连接,然后并入网络。

2.2　焊接机

现在的超声波焊接机的研究主要方向还是集中在改进焊接振动杆，焊接方法还有基理研究方面。安徽工学院研制的新型超声波焊接机，可以实现塑料与塑料，塑料与金属，不同金属之间焊接，应用非常广泛，极大的提高了焊接机的泛用性。而天津焊接研究所研制的太阳能基热板超声波焊接机，解决了太阳能集热板焊接的难题，降低了生产成本。华南理工大学机械工程学院的杨圣文和汤勇在焊接基理方面也做出了重大的突破，认为超声波焊接是一种基于焊接区域金属充分贴合和表面局部高温而熔化基础上的金属键合，机械嵌合等作用的物理冶金过程。通过SEM图分析，得出金属发生了局部熔化，或至少达到熔点的80%,以实现焊接。但是当前的研究存在的问题也很多。

1)对超声波焊接的基理依然不明，没有决定性证据证明这种焊接是否有金属熔化存在。

2)大功率超声波焊接机的研发制造非常困难，随着工件厚度和硬度的提高，功率需求也呈现指数化增长，对其他相关科学发展较为依赖。

3)超声波金属焊接影响工艺的因素较多，多靠工人经验总结，难以提高焊接工艺。

3基于STM32的智能焊接机系统总体设计

面对传统金属焊接机的诸多问题，本文通过引入物联网的概念，对传统焊接机进行改造，设计出一种基于物联网技术，M2M理念和STM32技术，面向工业焊接设备的新型智能焊接机，提出一种工业焊接机的工业物联网架构。

如图1所示，焊接机的主要模块分为，焊接机控制系统，信息收集反馈系统，wifi通信系统，数据库系统。

焊接机控制系统，使用一块STM32F103增强型CPU实现，接收控制者输入信息，控制焊接机的焊接功率和时长，收集信息反馈系统返回的信息，在输出设备上显示，同时监控焊接过程。信息收集反馈系统，通过摄像头，红外温度测量等设备收集焊接的信息，反馈给控制系统。

图1　智能焊接机系统整体设计

Wifi通信系统智能化的核心部分，通过使用STM32F205内核串口透传设备完成数据的发送，这种设计只需要增加一个外挂设备，就能直接使用wifi功能，大大降低的研发的成本，区别于传统的使用CAN总线来实现wifi功能。

数据库系统独立在焊接机之外，收集焊接信息，包括了焊接人，焊接时间，焊接用时，焊接温度，焊接成果图等信息，同时记录了焊接机的运行状况，记录错误日志等，对于改进工艺提供了大量的数据作为基础。

4硬件设计

焊接机使用一块搭载有STM32F103增强型CPU的核心电路板控制，并以电路板为基础，外挂wifi通信模块。

STM32F205内核的WiFi模块，自带WiFi天线和驱动程序，最高可实现200Mbps的数据传输速率，具有体积小，低功耗的特点，可以达到同类产品中较好的水平。

STM32F103增强型CPU，时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品，拥有最多112个的快速I/O端口，除了模拟输入，所有的都接口可以接受5V以内的输入。13个通信接口可以满足大部分需求。

4.1　输入输出模块

焊接机的输入输出设备使用一块LCD屏幕，硬件设计如图2所示，LCD屏幕可以直观的显示需要的各种数据，提高焊接的效率。

图2　焊接机输入输出模块电路设计

4.2　通信接口模块

RS-485采用差分信号负逻辑，逻辑“1”以两线间的电压差为+(2~6)V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-(2~6)V表示。接口信号电平比RS-232降低，不易损坏接口电路的芯片， 且该电平与TTL电平兼容。

图3　通信接口电路设计

4.3　看门狗模块

为了避免焊接机出现生产事故，添加一个保护模块，出现问题之后提示工作人员，然后切断焊接机的供电，保护机器和人员安全。

图4　焊接保护电路

5软件设计

智能焊接机系统的软件部分可以分为，控制系统，wifi控制模块和数据库三个主要模块组成。传统的数控焊接机采用的基本为51单片机，性能不及与现在的STM32单片机，无法满足现在物联网化的工业要求，通过使用STM32单片机，可以实现智能化焊接的要求。

5.1　控制系统

因为采用了STM32型CPU，软件设计时候可以采用实时管理系统，焊接主控系统主要组成为焊接机控制系统，用户界面，焊接数据存储，设备驱动几个主要模块。主要代码目录如图5所示。

图5　焊接机主控系统代码目录

其中控制文件Controler主要包含以下函数

void DrawControlerState();//显示状态

void PerformControlerTask();//执行控制器任务

void UpdateLoad();//数据更新

void SaveCoolTime(u8 time);//存储冷却时间

u8 LoadCoolTime();

5.2　WIFI模块

焊接机的WiFi模块用于对信息的传输，接收控制板上串口发送的数据，并通过无线传输方式向数据库发送这些数据。当控制主板采集到的实时数据，Wifi系统接收这些数据，进行打包，发送大小为8比特的数据包，通过TCP数据传输。包含了运行信息，工人信息，测量数据。

5.3　数据库

数据库系统用来存储和管理焊接机工作状态。需要有以下功能：

收集焊接机的基本信息

收集焊接成品的测量数据

收集焊接工人的信息

收集焊接机的工作状态

根据以上功能，设计出数据库E-R图，如图6所示。

图6　数据库E-R图

顶层数据流图如图7所示

图7　顶层数据流图

6总结

随着物联网技术的不断深化，本文提出一种基于STM32的新型智能焊接机设计，实现了焊接数据的管理和总结，通过大量的数据记录，帮助提高焊接工艺的水平，弥补了传统焊接机的缺陷，为工业化大生产的焊接提供了一个解决的思路，同时开拓了超声波焊接机研究的宽度。除设计已有功能之外，预留接口较多，也为升级留出了空间。

感谢我的导师冉全教授的悉心指导！

参考文献：

[1]安筱鹏.工业是物联网应用的重要领域——物联网在工业领域中的应用专题研讨会综述[J].中国经济和信息化.2010,(5):62~63.

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[3]曹凤国, 张勤俭. 超声加工技术的研究现状及其发展趋势[J]. 电加工与模具, 2005.25~31.

[4]朱洪波,杨龙祥,于全. 物联网的技术思想与应用策略研究[J]. 通信学报,2010,11:2~9.

[5]黄广霖.CSH-831型超声波塑料焊接机[J].声学技术,1986,(4):11~14.

Design of intelligent ultrasonic

welding machine system based on STM32

LIU Shuai

(School of Computer Science and Engineering,

Wuhan Institute of Technology,Wuhan430205,China)

Abstract:in the present industrial development, the intelligent networking technology has led the development direction, this paper takes the traditional numerical control ultrasonic welding machine as the research object, integrated the LCD display technology, STM32 technology, the Internet of things technology, designs a set of new welding machine system, which expands the content of the research on the transmission system, and provides a solution for intelligent welding machine.

Key words：internet of things;STM32; ultrasonic welding machine