周永杰 陶曉杰 史曉杰

（合肥工業(yè)大學儀器科學與光電工程學院，安徽合肥 230000）

0.引言

近年來，點焊工藝在各個行業(yè)特別是汽車行業(yè)發(fā)展迅速，點焊鉗作為點焊工藝不可或缺的重要組成部分，研究和發(fā)展點焊鉗對于提高點焊質(zhì)量，提升生產(chǎn)效率具有非常重要的意義[1-3]。本文設(shè)計的點焊鉗以實現(xiàn)加壓穩(wěn)定、電流輸出精確、焊接效率高以及保證安全性為目的，力圖實現(xiàn)體積小、重量輕、操作簡單。

1.點焊鉗的整體設(shè)計

點焊鉗總共分為3個模塊：伺服加壓模塊、電源模塊和控制模塊。其中伺服加壓模塊主要由伺服電機、絲杠副和減速器組成，伺服電機通過絲杠帶動電極的運動，提供焊接時所需要的壓力。電源模塊由三相整流橋、IGBT模塊、變壓器和二次整流模塊組成，實現(xiàn)了三相電到焊接直流電轉(zhuǎn)變的過程，為焊接提供穩(wěn)定的電流?？刂颇K采用STM32單片機作為控制核心[4]，用來控制電機的運行、電源的電流輸出以及上位機的數(shù)據(jù)交互[5]。

本文設(shè)計的點焊鉗根據(jù)實際焊接材料在點焊過程中對壓力和電流大小的需求，設(shè)計的額定壓力為5000N，最大輸出電流15000A。在功能性方面，設(shè)計了電極位置力矩的點動和示教、多段壓力和放電的點焊等功能，方便探索不同材料點焊時的工藝參數(shù)。

2.伺服點焊鉗工作原理

點焊原理如圖1所示，下電極為靜電極，上電極為動電極。首先將靜電極貼緊被焊件，動電極以位置模式快速移動到靠近被焊件的位置。然后將帶電機切換成力矩模式使動電極開始進行加壓，即對被焊件進行預壓，使被焊件之間緊密接觸。隨后再進行加壓、放電，在電阻熱的作用下，電極和被焊件接觸處融化形成熔核。最后停止通電，電極對被焊件維持一定壓力直到熔核熱量消散，冷卻成可靠點后，打開電極，結(jié)束焊接。

圖1 點焊原理示意圖

3.伺服點焊鉗的結(jié)構(gòu)

3.1 伺服加壓模塊

如圖2所示，伺服加壓模塊主要由松下A6系列的伺服電機、THK的滾珠絲杠副和行星減速器組成。電機轉(zhuǎn)動通過減速機再帶動絲桿的轉(zhuǎn)動，絲桿的轉(zhuǎn)動通過絲桿螺母轉(zhuǎn)化成電極的直線運動。當電機使用力矩模式運行時，動電極運動碰到靜電極堵轉(zhuǎn)后即可以產(chǎn)生較為穩(wěn)定的壓力。

圖2 加壓模塊示意圖

點焊鉗在加壓方面模塊采用伺服電機為動力源，有著可控性強，響應快，輸出壓力穩(wěn)定以及噪音小等優(yōu)點，絲杠副的螺旋傳動將電機的旋轉(zhuǎn)動作轉(zhuǎn)化成直線運動，有著傳動效率高、可以實現(xiàn)自鎖以及精度高等優(yōu)點。

3.2 逆變電源模塊

點焊鉗的電源模塊是先將三相電通過三相整流橋電路變成直流電，而后直流電通過IGBT的高速通斷逆變成1kHz左右的中頻交流電，交流電再通過變壓器降壓，最后通過二次橋式整流電路將交流電變成焊接直流電。

由于電源模塊將原本50Hz的交流電轉(zhuǎn)變成了1kHz的中頻電，根據(jù)公式E=4.44fNφ，其中E為感應電勢有效值，f為電流頻率，N為變壓器繞組匝數(shù)，φ為主磁通最大值。由于電流頻率的上升，匝數(shù)和主磁通都可以減少，此時變壓器的體積和重量可以大大減少。因此焊鉗可以做到結(jié)構(gòu)緊湊，體積更小。此外，由于變壓器二次側(cè)為直流回路，功率因素可以達到95%，減少了焊接過程的電能損耗，節(jié)能可達到35%以上。

4.焊鉗的控制系統(tǒng)

本文焊鉗控制系統(tǒng)主要由電機的控制，電源的控制以及人機交互模塊組成?？刂瓶驁D如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)框圖

4.1 電機控制模塊

電機控制模塊分為5個部分，分別為485通訊模塊、DI控制模塊、脈沖控制模塊、力矩控制模塊和編碼器模塊。其中485通訊采用松下的MINAS協(xié)議與電機驅(qū)動器進行通訊，實現(xiàn)對電機錯誤的清除和位置清零等功能。DI控制模塊主要由一些IO口組成，通過IO口輸出或者接受高低電來控制電機的模式、伺服的通斷以及電機的錯誤判斷等功能。脈沖控制模塊是通過單片機定時器的主從模式可以發(fā)送指定個數(shù)和頻率的脈沖用來控制電機的位置和速度，其中定時器主從模式發(fā)生脈沖如圖4所示，當主定時器為低電平時，觸發(fā)從定時器的脈沖輸出，這種方式不僅可以產(chǎn)生精準，快速的脈沖，而且不占用主程序時鐘，占用MCU資源少。力矩模塊通過DAC輸出模擬電壓值從而控制電機的轉(zhuǎn)動力矩，此外通過ADC采樣獲取電機的實時力矩。編碼器模塊通過定時器的編碼器模式接受編碼器AB相的信號，即電機單圈的位置信息。設(shè)定一個外部中斷來接受編碼器Z相的信號，即電機多圈值的數(shù)據(jù)，從而得知電機的實時位置。通過以上幾個部分，就可以實現(xiàn)對電機位置、速度以及力矩的精確控制，同時可以監(jiān)控到電機的實際位置、速度、力矩以及狀態(tài)等信息。

圖4 脈沖控制原理圖

4.2 電源控制模塊

電源控制模塊的恒流控制原理如圖5所示，通過單片機內(nèi)部的比較器來控制PWM的輸出，從而控制IGBT的通斷來決定輸出電流的大小。其中比較器負端的電壓值是根據(jù)設(shè)置電流的大小來確定的DAC輸出模擬電壓值，正端的電壓值是ADC采樣互感器電壓值，反映了在變壓器一次側(cè)采樣的電流大小。當正端值大于負端值時，表示輸出電流值大于設(shè)定電流值，比較器輸出上升沿觸發(fā)定時器剎車事件，如圖6所示，PWM停止輸出，待電流值小于設(shè)定值時，PWM繼續(xù)輸出。通過這樣的周期性的電流控制，可以達到近乎恒定的電流輸出。

圖5 恒流控制原理圖

圖6 比較器原理圖

4.3 人機交互模塊

人機交互模塊通過自定義數(shù)據(jù)幀來和上位機進行數(shù)據(jù)交互，界面如圖7所示。通過上位機就可以來對焊鉗進行基本參數(shù)和焊接參數(shù)的寫入、點焊和電極示教的執(zhí)行以及一鍵找零點等。還可以監(jiān)視點焊鉗的運動狀態(tài)、電極的當前位置、焊鉗的實時壓力大小、焊接過程的電流數(shù)據(jù)以及焊接點個數(shù)等信息。此外還設(shè)置了急停鍵，當遇到危險情況時，可以一鍵停止焊鉗的所有動作，保證了焊鉗使用時的安全性。

圖7 人機交互界面

5.結(jié)語

本文設(shè)計的伺服點焊鉗，采用STM32單片機實現(xiàn)了對點焊鉗焊接時壓力和電流穩(wěn)定、精確控制。通過上位機界面可以簡單方便地控制焊鉗的動作和監(jiān)控焊鉗的運動狀態(tài)等信息，此款焊鉗有著重量輕、焊接效率高和智能化程度高等特點。隨著工業(yè)4.0的到來和汽車行業(yè)的發(fā)展，有利于工廠點焊流程全自動化和智能化的實現(xiàn)。