一种水泥复合电杆钢制地基支座自动化焊接系统

展先彪 辛尚青 李雪文 郭昊洵 张献一 檀朝彬

摘要：为了减少人工作业强度，提高水泥复合电杆钢制地基支座焊接效率，保證焊接质量，基于STM32F103嵌入式处理器设计了一种单片机控制自动化焊接系统。通过控制系统驱动回转平台转动，使工装在回转平台上的钢制地基支座与焊枪产生相对运动，配合避障、跟踪和状态监测传感器，实现了一种水泥复合电杆钢制地基支座自动化焊接系统设计开发，对于大型回转焊件自动化焊接具有一定参考意义。

关键词： STM32 自动化焊接  地基支座  水泥复合电杆

大型水泥复合电杆钢制地基支座在使用过程中承载整体杆塔重量，具有板材厚，焊接连接结构多，重量大的特点。传统手动焊接加工方式不仅人工作业强度高而且焊接效率十分底下，实际生产过程中也不能够保证焊接质量稳定性。因此需要设计开发一套高效率，低成本的自动化焊接系统，实现水泥复合电杆钢制地基支座自动化焊接。

1 总体设计

水泥复合电杆钢制地基支座自动化焊接系统以STM32F103作为控制芯片，控制步进电机驱动回转平台使焊件与焊枪产生相对运动，实现自动化焊接。采用避障传感器、跟踪传感器和状态监测传感器来保证焊接过程中的精准定位和运动控制精度。回转平台采用实时读取步进电机和避障模块的数据信息，通过无线通信模块完成与上位机系统的数据通信，开发的上位机控制系统通过无线通信模块实现对自动化焊接系统的监控。

1.1焊件的描述

回转平台的焊件是电力电杆的钢制地基支座，该焊件质量为180kg，体积为0.023m3的圆形钢铁。其直径为560mm，厚度210mm的法兰和直径446mm法兰孔组成，大端面直径为850mm，厚度20mm，小端面直径500mm，厚度20mm。含有12个直径为58mm的孔，均匀分布在大端面上。用于连接的肋板均匀分布并连接大端面和小端面，用于加固整体结构，自动焊接施工为法兰和内管径和套筒进行焊接，法兰连接使用方便，能够承受较大的压力。

1.2回转平台的设计

该回转平台焊接的设计是由驱动齿轮，焊机，焊枪，送丝装置和带有编码器的步进电机组成。在回转平台上开了4个槽，让放物件，拱起焊接，采用减重设计，减小电动机的能量损耗。带动回转平台转动的电动机放在了回转平台的外围，这样比放在轴上降低了电动机的输出功率，更加环保节能。

2模块的选择

2.1电机的选择

带动回转平台转动的电机采用SH2141编码电动机。带动物件转动的电机，采用步进电机[1]，步进电机的角位移与输入脉冲个数成正比，转速与脉冲频率成正比，转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关[2]，可以直接用信号控制。在本文建模中选用步进电机为SH2141系列电机。

2.2红外避障传感器

采用高精度的OMEGA红外避障传感器，两个STM32单片机分别通过一个驱动器控制步进电机，PUL为PWM输入端口，DIR为电机转向控制端口，避障传感器通过检测焊盘上有无钢件给单片机发送指令，单片机根据不同的指令做出相应的控制命令，通过步进电机控制焊枪与焊盘协同工作，驱动器有两个供电端，分别进行5V和24V供电。

2.3焊接跟踪

采用激光结构光焊道跟踪系统，选用650nm“一”字LED激光结构光产生“一”字光束，经光学系统聚焦成像于焊道表面。投射光束经650nm带通滤光片滤除干扰光后成像于CMOS感光器上，获得数字图像。跟踪传感器摄取的焊道数字图像首先传给图形处理计算机，经图像处理与解析计算得到焊道的横向/纵向偏差和对口间隙及错边量信息，并将这些参量转换为±10V（对应偏差量为±10nm）的电压信号，传给焊道跟踪系统，跟踪系统根据横向/纵向偏差量控制电机实时调整焊炬，在焊接过程中保证误差小于设定值，实现精准队中，传感器参数见表。

2.4 PID控制

运用增量式PID算法去驱动步进电机，精确控制步进电机的速度，下图为PID算法调节的系统控制原理图。

3软件设计

3.1上位机训练模块设计

上位机训练模块采用LabVIEW基于PC机开发，界面分为显示区和操作区，如图5所示，使用 RS-485通信接口作为计算机与电焊控制系统之间的通信，可以实现远程发送数据监控焊接设备进行生产工作。

3.2焊接工艺试验

该设备焊接工艺流程主要包括，控制焊接设备的启动和停止，控制电磁气阀动作，实现提前送气和滞后停气，使焊接区受到良好保护，控制引弧和熄弧，控制送丝和转盘转动等。具体流程图如下图所示。整个圆盘式焊接是基于STM32控制的，可以通过控制电源空载电压调节电弧电压，通过控制送丝速度来调节焊接电流，如图6所示。

4 结语

基于STM32控制的回转平台焊接，摆脱了传统工业手焊所造成的误差大，效率低等缺陷。采用推拉式送丝机构提高了焊接效率，减少了焊丝的浪费。回转平台的焊接实现了自动化，只需要操控数字控制台和PC机就可以实现物件的焊接，减少了劳动力的使用，并且实现了高效率，低成本，稳定可靠的目标。

作者简介：展先彪，男，1994年生，2018年硕士主要研究方向：电子与通信工程。

通信作者：檀朝彬，男，博士，教授，1977年生，现主要从事北斗导航与应用方向的研究工作等。

参考文献

[1]谢鹏飞，基于PLC步进电机的控制，[J]. 中国科技博览，2013

[2]毛昀，杨峰.基于PLC的步进电机控制系统设计[J].工业仪表与自动化装置，2014（04）：87-89+98.