基于ARM的自动电阻焊控制系统的设计与实现

张 帆，程 鑫，同军超，张卫超

(1.武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉430070；2.湖北省磁悬浮工程技术研究中心，湖北 武汉 430070)

电阻焊由于无需填充金属，辅助工序少，焊接效率高，可靠性强，焊接质量好，易实现自动化等优点[1-2]，是高端设备和制造中必不可少的技术，但其一般采用380 V三相交流电供电，焊接电流高[3]，可达几千甚至几万安，电极温度甚至高达1 000 ℃，还会出现金属飞溅。采用人工控制焊接部件进行焊接，准确度不高，效率较低，难以完成大批量焊接工件的焊接，且人工成本较高。目前焊接技术朝着自动化、智能化和数字化方向发展[4]，机器焊接代替手工焊接成为制造业必然的趋势，且采用自动焊接技术，可以极大地提高焊接效率，改善焊接卫生及安全条件，对生产实践有着重要的现实意义。

传统的自动焊接多采用人工示教或离线编程。人工示教[5-6]是人工通过示教盒控制装有焊头的机器人末端进行运动，这种方法需要现场人工示教，为保证轨迹精度，示教点要足够多，导致规划时间长，效率低，且适应环境变化的能力弱，若工件的形状或位置发生变化，则需要重新进行示教，花费大量的时间和人力。离线编程[7-8]是在仿真环境用三维模型模拟实际的作业过程，在仿真环境中通过虚拟示教获取焊接路径后输入到机器人控制器中，这种示教方式相比于人工示教的方式减少了示教时间，提高了生产率，并且能通过仿真提前验证焊接作业的正确性和安全性，但需要针对不同的工件建立不同的模型，耗时长，效率不高。

以上两种方法均对小批量、多规格、多品类的焊接工件支持不足，设计并实现针对电阻焊的非接触、精度高、速度快、适应性强的控制系统是必不可少的，是迫在眉睫的。笔者基于“ARM(advanced RISC machines)+RS485+步进电机驱动器+步进电机+上位机”的系统结构设计了自动电阻焊控制系统，系统由软硬件构成，上下位机通过RS485串口总线进行通信实现人机交互。该系统具有开发周期短、适应性强、灵活性高、经济可靠等优点，不仅可用于电阻焊焊接，对于其他的焊接方式也有指导意义,设计理念具有实际推广价值。

1 系统总体方案设计

1.1 系统设计

自动电阻焊控制系统主要实现复位、定位、启停、加减速、运动方向等三维运动状态的控制，并通过控制这些功能的实现，来实现电极到达目标焊点完成焊接的工作。上位机对控制系统的运行状态实时监测与进程显示，对焊接总数、合格数、次品数进行统计，便于对生产效率、产能进行管理。下位机采用ARM微处理器作为主控芯片，控制步进电机实现焊接的直线运动，控制旋转气缸实现焊接的旋转运动[9-10]。

1.2 系统结构设计

自动电阻焊运动控制系统主要由主控模块、功能模块以及人机交互模块组成，其系统结构如图1所示。

图1 系统结构示意图

主控模块主要包括主控芯片、外设电路和电源电路。主控制器是整个设备的核心部分，采用ARM公司的STM32F103ZET6作为主控芯片，其主频可达72 M，外设丰富，主要包括DMA(direct memory access)、ADC(analog to digital)、PWM(pulse width modulation)、UART(universal asynchronous receiver transmitter)、RS485、SPI(serial peripheral interface)、IIC(inter-integrated circuit)，可兼容多种RTOS(real time operating system)，且价格便宜。电源电路为主控芯片及外设电路供电，稳定输出12 V、5 V及3.3 V电压，保证系统稳定运行。外设电路负责主控芯片及功能模块的信息传输，将主控芯片的控制信号放大，将功能模块的反馈信号输入到芯片。

功能模块由行程开关、步进电机驱动器、步进电机、启动按键、急停按键、警报灯、继电器、旋转气缸、电阻焊机组成。行程开关将机械位移信号转变成电信号，用于限制步进电机的行程，进行终端限位保护及复位。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件，在非超载情况下，电机的转速与脉冲频率成正比，电机的角位移或线位移与脉冲数成正比，易于实现开环精确控制，可靠性高。对步进电机的控制多采用步进电机驱动器，控制步进电机的转速、位移、方向及使能，可低噪声、小振动、高速度地驱动步进电机。本系统采用的是FSL40开放式丝杠模组，精度为0.05 mm，丝杠导程为10 mm，结构简单，运行稳定可靠，带载能力强。启动按键采用两个按钮串联，需左右手同时按下按键，避免员工的误触启动，提高设备的安全系数。急停按键可在紧急情况下快速按下按钮停止设备的运行，避免设备损坏及人员伤亡，重新启动时需顺时针旋转大约45°后松开。警报灯将设备状态通过视觉和听觉的信号传递给工人，当设备焊接完成则绿灯闪烁，当设备处于运行状态时黄灯闪烁，当设备焊接失败时则红灯闪烁且蜂鸣器长鸣。旋转气缸通过继电器来控制气缸控制阀带动工件旋转，满足焊接工件多角度的焊接要求，减少焊接工件的反复装夹，缩短焊接时间。电阻焊电源通过继电器来实现不同工件不同焊接程序，使其在到达目标焊点后再启动焊接程序完成焊接过程。

人机交互模块主要是通过上位机对整个焊接运动过程进行控制，对焊接通过握手协议确认上下位机通信的波特率、奇偶校验是匹配的，再通过上位机进行参数设置，对系统的目标焊点位置及脉冲频率进行设置。

2 硬件设计

2.1 电源电路

电源电路需要给主控芯片及外设电路提供稳定的12 V、5 V、3.3 V直流电，其性能和稳定性直接影响整个主控模块性能的优劣。电路设计中电源架构主要分为集中式电源架构和分布式电源架构，采用分布式电源架构可节省成本、节约PCB板面积，第一级进行AC/DC转换将输入端电源220 V转换成输入端中间电源12 V，第二极进行DC/DC转换将输入端中间电源12 V转换成5 V，再将5 V转换成3.3 V。

第一级220 V转12 V的转换电路如图2所示，采用反激式变压器开关电源，电路简单，体积小，成本低。在输入端采用保险丝、压敏电阻、热敏电阻以及共模电感提供过压、过流、过温保护，保证系统的可靠性，经整流、滤波、变压后得到输出端电压，通过光耦反馈使输出电压稳定在12 V，满足项目需求。

图2 第一级转换电路

第二级12 V转5 V的转换电路如图3所示，12 V转5 V压差较大，采用Buck电路来实现，选取芯片型号为MP2482DN,用R9和R10分压反馈的方式将输出电压稳定在5 V。

图3 第二级12 V转5 V的转换电路

第三级5 V转3.3 V的转换电路如图4所示,对于3.3 V电压，电流需求不高，但要求纹波和噪声较小，因此采用LDO(low dropout regulator)电路实现，选取芯片型号为AMS1117_3.3。

图4 第三级5 V转3.3 V的转换电路

2.2 步进电机驱动器电路

步进电机的驱动方式有3种：整步驱动、半步驱动和细分驱动[11]。对步进电机的驱动多采用步进电机细分驱动技术，细分驱动的细分数越大，电流矢量分割圆越来越稠密，提高步进电机的精度和输出转矩，步进电机运行更平稳、更顺畅，完全消除步进电机的低频振荡，缓解步进电机运行过程中的振动和噪声，从而提高步进电机的使用寿命。

驱动器主要由逻辑控制电路、功率驱动电路、保护电路及电源组成，接收来自主控芯片的脉冲控制信号，将其进行功率放大后，按一定的励磁时序产生步进电机各相励磁绕组的导通或截止信号，从而控制步进电机的转速、位移、方向及使能，控制原理如图5所示。步进电机驱动器主要电路如图6所示，采用TB67S109AFTG芯片，该芯片是一种配备PWM斩波器的双极性混合式步进电机驱动芯片，内置逻辑控制电路和功率驱动电路，由PWM控制的恒流驱动，通过3位拨码开关实现7档细分控制，通过3位拨码开关实现8档电流控制，输入都经光耦实现电气隔离、抗干扰，经测试该驱动器电路可低噪声、小振动、高速度地驱动步进电机。

图5 步进电机控制原理图

图6 步进电机驱动器电路

2.3 行程开关电平转换电路

行程开关可分为两种：机械式行程开关和接近式行程开关，机械式行程开关无需外加电源，但受环境因素影响大，响应速度慢；接近式行程开关需外加电源，响应速度快，使用寿命长，能适应各种恶劣工作环境。本系统采用6个FC-SPX30型号的接近式行程开关检测步进电机位置，分别置于X轴左端、X轴右端、Y轴前端、Y轴后端、Z轴上端、Z轴下端，采集信号输入到主控模块中。未触发时为高电平，当步进电机运行到检测范围时，有效触发为低电平，防止步进电机超过既定行程范围，并在开始运行时进行行程复位返回原点。行程开关供电电压为直流电12 V，信号线未触发时为高电平12 V，触发时为0 V，对信号线要经过处理后才能接到主控芯片IO口。在信号线上直接采用串联电阻分压的方式，会导致分压电阻难选择，可维护性差，因此采用电平转换电路直接将12 V转换成5 V。

电平转换电路如图7所示，可将1+与1-之间的电压差通过点亮光耦内部发光二极管，使光控晶闸管闭合，实现“电-光-电”的转换，使输入端为高电平时输出端为低电平，输入端为低电平时输出端为高电平，且进行电气隔离。但由于行程开关的带载能力较弱，驱动不了光耦的发光二极管，因此采用共阳极接法，将1+接+12 V，1-接信号线，利用两者间压差驱动光耦，当信号线为高电平时输出高电平，信号线为低电平时输出低电平，逻辑符合要求。

图7 电平转换电路

2.4 RS485通信电路

基于串行通信的物理层有很多标准和变种，RS485是基于UART的半双工通信方式，外接逻辑电平转换接口，正电平电压范围为+2～+6 V，负电平电压范围为-2～-6 V，采用差分信号进行传输，抗干扰能力强，传输距离远，可外挂节点多，本系统采用RS485进行主控芯片与上位机之间的通信。RS485通常采用屏蔽双绞线进行传输，但接收器的共模电压范围为-7～+12 V，超过此范围会影响通信的稳定性，甚至损坏接口，且输出信号需返回路径，否则会向外辐射电磁波，产生EMI(electro magnetic interference)问题，因此在差分线中增加地线有利于系统稳定。

RS485的通信电路如图8所示，采用SP3845芯片，将其RO及DI引脚分别与UART的RX及DI引脚相连，将RE与DE引脚直接用普通IO口来控制数据传输方向，发送采用轮询的方式，接收采用中断的方式。A与B之间接120 Ω电阻避免信号发射问题，R19是下拉电阻接到B上，R24是上拉电阻接到A上，调节空闲状态下的电压值，使通信稳定。使用瞬态抑制二极管SAF12A吸收浪涌与静电，保护SP3485芯片。

图8 RS485通信电路

3 软件设计

3.1 主控程序设计

主控程序流程如图9所示，下位机为STM32主控芯片，上位机为可收发操控指令的计算机。下位机时钟配置及外设初始化采用STM32CubeMX，可通过图形化界面生成代码，大大减轻了开发工作、成本和时间。时钟配置选取高速外部时钟为时钟源，频率为8 MHz，经PLL 9倍频后系统时钟为72 MHz，为外设提供时钟信号，外设初始化主要包括RS485初始化、PWM输出初始化、中断初始化、普通IO口初始化，总共使用到29个IO端口。经STM32CubeMX生成初始代码后，再由Keil uVision5根据项目需求完善代码，主要包括中断服务函数、RS485接收及发送函数、PWM的频率及占空比设置、应用层等代码编写。上位机开发软件为Microsoft Visual Studio 2017，以控件和代码组合的方式实现人机界面的开发，主要负责与下位机进行通信、对焊接的焊点位置及步进电机运行速度进行设置、显示系统运行状态及焊接成功与失败数量统计。

图9 主控程序流程图

3.2 上位机程序

上位机焊接系统显示界面如图10所示，左边对通信的端口、波特率、校验位、数据位、停止位进行设置，右上方对焊接总数、合格数、次品数及系统当前运行状态进行显示，右下角是对焊点位置进行设置，便于对多批量产品中的不同焊点进行焊接，并通过设置频率来控制步进电机速度，调节系统运行时间。

图10 焊接系统显示界面

上下位机通过RS485进行通信，约定协议为波特率9 600 Bit/s、无数据校验位、数据位为8位、停止位为1位，其通信状态机如图所11所示。

图11 通信状态机

4 焊接流程与实验结果分析

整个焊接过程可以分为准备阶段、焊接流程阶段和数据显示阶段。准备阶段主要是进行步进电机复位，在上位机界面设置相应的串口和相关的焊接参数等信息。焊接流程阶段中，步进电机复位，上下位机握手，握手成功后上位机向下位机发送焊接的相关参数，命令下位机控制焊头到达目标的焊点进行焊接。在系统运行的过程中，会实时反馈下位机的运行状态进行进程条的显示，焊接结束后，会将焊接总数、焊接成功和失败的数量进行显示，界面直观。搭建的电阻焊控制系统平台及其焊接结果界面分别如图12和图13所示。

图12 电阻焊控制系统平台

图13 测试结果界面

5 结论

笔者设计并实现了以ARM微处理器为核心的自动电阻焊控制系统，综合电源电路、步进电机控制、旋转气缸控制、继电器控制、串口通信和上位机界面等多个模块，控制焊头到达目标焊点完成焊接工作。焊接实验表明，焊接过程与预设的焊接过程基本重合，保证了良好的质量，且该系统支持小批量、多规格、多品类的工件焊接，只需在上位机上进行相关的设置，即可按预定的焊接轨迹进行焊接，能有效提高电阻焊的焊接效率和自动化水平，为我国焊接设备的升级和普及应用提供技术和理论参考。