基于ARM、弧焊机器人配套用焊机的制作方法

本发明涉及焊机控制技术领域，具体为一种基于arm、弧焊机器人配套用焊机。

背景技术：

弧焊机器人具有高效、高质量焊接的特点，工业应用领域越来越广泛，但是与机器人配套的焊机技术相对来说发展比较滞后，制约了弧焊机器人的应用范围。大多数焊机还是采用模拟或单片机控制技术，无法对熔滴过渡过程精确控制，焊接质量一般，仅应用于手工焊接，对焊工的技术水平要求高。

技术实现要素：

为了解决现有焊机焊接控制精确性差，焊接质量一般的问题，本发明提供了一种基于arm、弧焊机器人配套用焊机，其能够实现焊机的精确控制，提高焊接质量。

其技术方案是这样的：一种基于arm、弧焊机器人配套用焊机，其包括焊机机壳，所述焊机机壳内安装有主控制板和驱动板，其特征在于，所述主控制板上安装有arm控制芯片、mcu控制芯片、送丝控制电路、焊接控制电路、电流电压反馈电路，所述驱动板上安装有pwm生成电路和脉冲放大隔离电路，所述arm控制芯片和所述mcu控制芯片之间通过光耦连接实现数据交换，所述arm控制芯片用于控制熔滴过程，所述mcu控制芯片用于控制焊接过程，所述arm控制芯片电控连接机器人模拟接口板，所述机器人模拟接口板上设置有与机器人对接的机器人模拟接口。

其进一步特征在于，所述焊机机壳内设置有中板，所述中板下方为强电区、上方为弱电区，所述强电区布置有风机、整流模块、整流散热器、igbt散热器、变压器、快恢复二极管、电抗器，所述弱电区设置有主控制板、igbt模块、驱动板、机器人模拟接口板、控制面板；

所述中板上开有通孔，所述igbt散热器位于所述通孔下方并通过第一螺钉安装于所述中板底部，所述igbt散热器四个角与所述中板底面之间设置有第一绝缘垫片，所述第一绝缘垫片之间设置有四个围成矩形的密封条，所述密封条、所述第一绝缘垫片、igbt散热器将所述通孔与所述强电区隔离，所述igbt模块安装于所述igbt散热器顶部并穿过所述通孔位于所述弱电区；

所述第一螺钉与所述中板之间设置有第二绝缘垫片，所述igbt模块上方通过第二螺钉设置有罩壳；

所述mcu控制芯片包括stm8s系列单片机u3，所述arm控制芯片包括stm32系列芯片u5，所述stm8s系列单片机u3的10脚、11脚分别通过光耦u18、光耦u15连接所述stm32系列芯片u5的42脚、42脚，所述stm8s系列单片机u3的26脚连接温度继电器，所述stm8s系列单片机u3的62脚、62脚通过插座cn7连接控制面板；

所述送丝控制电路包括送丝供电电路和电机控制电路，所述送丝供电电路通过整流电路将变压器电压整流成送丝电机工作电压，所述电机控制电路包括送丝电机，所述送丝电机连接插座cn3，所述插座cn3的2脚和3脚相连后连接电容c20一端和地，所述插座cn3的4脚和5脚相连后连接所述电容c20另一端、电阻r30一端、电容e13一端、电阻r31一端、三极管q3的集电极、mos管q4的漏端、mos管q5的源端，所述电容e13另一端连接二极管v10的负极、电阻r22一端、三极管q1的发射极，所述三极管q1的基极连接所述电阻r22另一端、三极管q2的集电极，所述三极管q2的发射极通过电阻r32后接地，所述三极管q2的基极连接电阻r23一端，所述电阻r23另一端连接电阻r24一端和所述stm8s系列单片机u3的34脚，所述电阻r24另一端接地，所述三极管q1的集电极连接二极管v13的正极、所述电阻r31另一端、所述三极管q3的基极，所述三极管q3的发射极连接电阻r33一端、所述mos管q5的栅端，所述电阻r33另一端连接所述二极管v13的负极，所述mos管q5的漏端输入送丝电机工作电压，所述电阻r30另一端连接滑动变阻器w1的滑动端、运放u2b的正相输入端，所述运放u2b的反相输入端与输出端相连后连接电阻r37一端，所述电阻r37另一端连接二极管v15的正极、电容c62一端、所述stm8s系列单片机u3的17脚，所述电容c62另一端接地，所述二极管v15的负极连接vcc，所述滑动变阻器w1的固定端通过电阻r38接地，所述mos管的源端接地、栅端连接电阻r41一端、电阻r40一端、三极管q6的集电极，所述电阻r40另一端连接vcc，所述三极管q6的发射极、所述电阻r41另一端均接地，所述三极管q6的基极通过电阻r39连接所述stm8s系列单片机u3的53脚；

所述焊接控制电路包括焊接电流电压调节电路、气阀控制电路、焊枪控制电路，所述焊接电流电压调节电路包括电压调节电位器和电流调节电位器，通过调节所述电压调节电位器和所述电流调节电位器实现焊接电流和焊接电压的调整，所述气阀控制电路包括插座cn3，所述插座cn3上安装有气阀，所述插座cn3的1脚连接保险丝f2一端，所述保险丝f2另一端连接整流器b2的2脚，所述整流器b2的4脚通过保险丝f3接地，所述整流器b2的1脚连接单向可控硅的正极，所述单向可控硅的负极连接电阻r34一端、电容c61一端、插座cn4的2脚，所述单向可控硅的控制极连接所述电阻r34另一端、光耦ic4的6脚，所述电容c61另一端通过电阻r35连接所述光耦ic4的4脚，所述光耦ic4的1脚连接vcc、2脚通过电阻r28连接所述stm8s系列单片机u3的23脚，所述插座cn4的2脚连接所述整流器b2的3脚，所述插座cn4送入交流电，所述焊枪控制电路包括安装于所述插座cn3的焊枪开关s1和点动送丝开关s2，所述插座cn3的7脚连接电阻r10一端，所述电阻r10另一端连接二极管v3的正极、电阻r9一端、电容c53一端、运放u2a的正相输入端，所述电容c53另一端接地，所述二极管v3的负极、电阻r9另一端连接vcc，所述运放u2a的反相输入端与输出端相连后连接二极管v6的正极，所述二极管v6的负极连接电阻r3一端，所述电阻r3另一端连接电阻r4一端、所述stm8s系列单片机u3的24脚，所述电阻r4另一端接地；

所述电流电压反馈电路包括差分放大电路、低通滤波电路、钳位滤波电路，所述差分放大电路包括第一运放u8a，所述第一运放u8a的正相输入端连接二极管v21的正极、二极管v23的负极、电阻r67一端、电阻r69一端，所述第一运放u8a的反相输入端连接二极管v24的正极、二极管v22的负极、电阻r70一端、电阻r68一端，所述电阻r67另一端接地，所述电阻r69另一端连接电阻r73一端，所述电阻r70另一端连接所述电阻r73另一端，所述电阻r73两端连接插座cn10的5脚和6脚，所述二极管v21的负极、二极管v24的负极连接+vcc，所述二极管v22的正极、二极管v23的正极连接-vcc，所述电阻r68另一端连接所述第一运放u8a的输出端、所述低通滤波电路中的电阻r62一端，所述电阻r62另一端连接电阻r84一端、电容c96一端，所述电阻r84另一端连接电容c126一端、第二运放u8d的正相输入端，所述第二运放u8d的反相输入端连接电阻r83一端和电阻r81一端，所述电阻r83另一端连接，所述电阻r81另一端、第二运放u8d的输出端、电容c96另一端相连后连接所述钳位滤波电路的滑动变动器w2的滑动引脚，所述滑动变阻器w2的一固定引脚连接电阻r132一端和第三运放u8c的正相输入端，所述第三运放u8c的反相输入端与输出端相连后连接电阻r59一端、所述电阻r59另一端连接二极管v18正极、电容c98一端、所述stm32系列芯片u5的16脚，所述插座cn10的2脚连接滑动变阻器w3的滑动引脚，所述滑动变阻器w3的一个固定引脚连接运放u8b的正向输入端、电阻r137一端，所述电阻r137另一端接地，所述运放u8b的反相输入端和输出端相连后连接电阻r61一端，所述电阻r61另一端连接二极管v10的正极、电容c99一端、stm32系列芯片u5的15脚，所述二极管v10另一端连接vcc，所述电容c99另一端接地，所述插座10输入弧压信号和电流信号；

所述驱动板与所述stm32系列芯片u5之间通过放大电路电控连接，所述pwm生成电路根据stm32系列芯片u5的电压信号，由pwm控制芯片生成pwm信号，经过脉冲放大隔离电路隔离后驱动igbt；

所述机器人模拟接口板上设置有机器人接口电路，所述机器人接口电路包括所述机器人模拟接口j6，所述机器人模拟接口j6的2脚连接电阻r91一端，所述电阻r91另一端连接电容c16一端、电阻r92一端、运放u9a的正相输入端，所述电容c16另一端与所述电阻r92另一端接地，所述运放u9a的反相输入端与输出端相连后连接电阻r96一端，所述电阻r96另一端连接电阻r97一端、运放u9b的反相输入端，所述运放u9b的正向输入端通过电阻r90接地，所述电阻r97另一端连接滑动变阻器vr1的固定引脚，所述滑动变阻器vr1的滑动引脚连接所述运放u9b的输出端、电阻r98一端，所述电阻r98另一端连接二极管v31的正极，所述二极管v31的负极连接二极管v32的负极、电容c190一端、二极管v33的正极、接口j5的2脚，所述接口j5通过所述插座cn3连接所述主控制板，所述电容c190另一端与所述二极管v32的正极均接地，所述二极管v33的负极连接电阻r21一端，所述电阻r21另一端连接滑动变阻器vr2的一个固定引脚、运放u9c的输出端，所述滑动变阻器vr2的另一固定引脚接地、滑动引脚连接所述运放u9c的反相输入端，所述运放u9c的正向输入端连接电阻r95一端、运放u9d的输出端和反相输入端，所述运放u9d的正向输入端连接电阻r94一端、电容c110一端、电阻r93一端，所述电阻r94另一端和所述电容c110另一端均接地，所述电阻r93另一端连接所述机器人模拟接口j6的3脚。

采用本发明后，在主控制板上集成了arm控制芯片、mcu控制芯片，arm控制芯片通过电流电压反馈电路和mcu控制芯片的信号，输送给pwm生成电路，控制焊机的电流和电压，实现了熔滴过渡过程精确控制，配合mcu控制芯片实现焊枪和送丝操作，提高了整体焊接质量。

附图说明

图1为本发明焊机外部结构示意图；

图2为本发明焊机内部结构示意图；

图3为本发明焊机罩壳处结构示意图；

图4为mcu控制芯片电路原理图；

图5为电流电压调节电路原理图；

图6为气阀控制电路、焊枪控制电路原理图；

图7为送丝控制电路原理图；

图8为arm控制芯片电路原理图；

图9为电流电压反馈电路原理图；

图10为放大电路原理图；

图11为pwm生成电路原理图；

图12为脉冲放大隔离电路；

图13为机器人模拟接口板电路原理图。

具体实施方式

见图1至图13所示，一种基于arm、弧焊机器人配套用焊机，其包括焊机机壳，焊机机壳内安装有主控制板和驱动板，主控制板上安装有arm控制芯片、mcu控制芯片、送丝控制电路、焊接控制电路、电流电压反馈电路，驱动板上安装有pwm生成电路和脉冲放大隔离电路，arm控制芯片和mcu控制芯片之间通过光耦连接实现数据交换，arm控制芯片用于控制熔滴过程，mcu控制芯片用于控制焊接过程，arm控制芯片电控连接机器人模拟接口板，机器人模拟接口板上设置有与机器人对接的机器人模拟接口。

焊机机壳1内设置有中板2，中板2下方为强电区、上方为弱电区，强电区布置有风机、整流模块、整流散热器3、igbt散热器4、变压器、快恢复二极管、电抗器，弱电区设置有主控制板、igbt模块5、驱动板、机器人模拟接口板、控制面板；中板2上开有通孔，igbt散热器4位于通孔下方并通过第一螺钉6安装于中板2底部，igbt散热器4四个角与中板2底面之间设置有第一绝缘垫片7，第一绝缘垫片7之间设置有四个围成矩形的密封条8，密封条8、第一绝缘垫片7、igbt散热器4将通孔与强电区隔离，igbt模块5安装于igbt散热器4顶部并穿过通孔位于弱电区。由于中板2上方是弱电区，功率损耗很低，无需通风散热，通过中板2、igbt散热器4、密封条8、第一绝缘垫片7实现与下层强电区的隔离，有效防止外界粉尘进入，下层由风扇9实现风冷散热。

第一螺钉6与中板2之间设置有第二绝缘垫片10，igbt模块5上方通过第二螺钉11设置有罩壳12，起到进一步保护作用。机壳1正面和侧面均开有散热孔13。

mcu控制芯片包括stm8s系列单片机u3，arm控制芯片包括stm32系列芯片u5，stm8s系列单片机u3的10脚、11脚分别通过光耦u18、光耦u15连接stm32系列芯片u5的42脚、42脚，stm8s系列单片机u3的26脚连接温度继电器，stm8s系列单片机u3的62脚、62脚通过插座cn7连接控制面板。

送丝控制电路包括送丝供电电路和电机控制电路，送丝供电电路通过整流电路将变压器电压整流成送丝电机工作电压，电机控制电路包括送丝电机，送丝电机连接插座cn3，插座cn3的2脚和3脚相连后连接电容c20一端和地，插座cn3的4脚和5脚相连后连接电容c20另一端、电阻r30一端、电容e13一端、电阻r31一端、三极管q3的集电极、mos管q4的漏端、mos管q5的源端，电容e13另一端连接二极管v10的负极、电阻r22一端、三极管q1的发射极，三极管q1的基极连接电阻r22另一端、三极管q2的集电极，三极管q2的发射极通过电阻r32后接地，三极管q2的基极连接电阻r23一端，电阻r23另一端连接电阻r24一端和stm8s系列单片机u3的34脚，电阻r24另一端接地，三极管q1的集电极连接二极管v13的正极、电阻r31另一端、三极管q3的基极，三极管q3的发射极连接电阻r33一端、mos管q5的栅端，电阻r33另一端连接二极管v13的负极，mos管q5的漏端输入送丝电机工作电压，电阻r30另一端连接滑动变阻器w1的滑动端、运放u2b的正相输入端，运放u2b的反相输入端与输出端相连后连接电阻r37一端，电阻r37另一端连接二极管v15的正极、电容c62一端、stm8s系列单片机u3的17脚，电容c62另一端接地，二极管v15的负极连接vcc，滑动变阻器w1的固定端通过电阻r38接地，mos管的源端接地、栅端连接电阻r41一端、电阻r40一端、三极管q6的集电极，电阻r40另一端连接vcc，三极管q6的发射极、电阻r41另一端均接地，三极管q6的基极通过电阻r39连接stm8s系列单片机u3的53脚。

焊接控制电路包括焊接电流电压调节电路、气阀控制电路、焊枪控制电路，焊接电流电压调节电路包括电压调节电位器和电流调节电位器，通过调节电压调节电位器和电流调节电位器实现焊接电流和焊接电压的调整，气阀控制电路包括插座cn3，插座cn3上安装有气阀，插座cn3的1脚连接保险丝f2一端，保险丝f2另一端连接整流器b2的2脚，整流器b2的4脚通过保险丝f3接地，整流器b2的1脚连接单向可控硅的正极，单向可控硅的负极连接电阻r34一端、电容c61一端、插座cn4的2脚，单向可控硅的控制极连接电阻r34另一端、光耦ic4的6脚，电容c61另一端通过电阻r35连接光耦ic4的4脚，光耦ic4的1脚连接vcc、2脚通过电阻r28连接stm8s系列单片机u3的23脚，插座cn4的2脚连接整流器b2的3脚，插座cn4送入交流电，焊枪控制电路包括安装于插座cn3的焊枪开关s1和点动送丝开关s2，插座cn3的7脚连接电阻r10一端，电阻r10另一端连接二极管v3的正极、电阻r9一端、电容c53一端、运放u2a的正相输入端，电容c53另一端接地，二极管v3的负极、电阻r9另一端连接vcc，运放u2a的反相输入端与输出端相连后连接二极管v6的正极，二极管v6的负极连接电阻r3一端，电阻r3另一端连接电阻r4一端、stm8s系列单片机u3的24脚，电阻r4另一端接地。

电流电压反馈电路包括差分放大电路、低通滤波电路、钳位滤波电路，差分放大电路包括第一运放u8a，第一运放u8a的正相输入端连接二极管v21的正极、二极管v23的负极、电阻r67一端、电阻r69一端，第一运放u8a的反相输入端连接二极管v24的正极、二极管v22的负极、电阻r70一端、电阻r68一端，电阻r67另一端接地，电阻r69另一端连接电阻r73一端，电阻r70另一端连接电阻r73另一端，电阻r73两端连接插座cn10的5脚和6脚，二极管v21的负极、二极管v24的负极连接+vcc，二极管v22的正极、二极管v23的正极连接-vcc，电阻r68另一端连接第一运放u8a的输出端、低通滤波电路中的电阻r62一端，电阻r62另一端连接电阻r84一端、电容c96一端，电阻r84另一端连接电容c126一端、第二运放u8d的正相输入端，第二运放u8d的反相输入端连接电阻r83一端和电阻r81一端，电阻r83另一端连接，电阻r81另一端、第二运放u8d的输出端、电容c96另一端相连后连接钳位滤波电路的滑动变动器w2的滑动引脚，滑动变阻器w2的一固定引脚连接电阻r132一端和第三运放u8c的正相输入端，第三运放u8c的反相输入端与输出端相连后连接电阻r59一端、电阻r59另一端连接二极管v18正极、电容c98一端、stm32系列芯片u5的16脚，插座cn10的2脚连接滑动变阻器w3的滑动引脚，滑动变阻器w3的一个固定引脚连接运放u8b的正向输入端、电阻r137一端，电阻r137另一端接地，运放u8b的反相输入端和输出端相连后连接电阻r61一端，电阻r61另一端连接二极管v10的正极、电容c99一端、stm32系列芯片u5的15脚，二极管v10另一端连接vcc，电容c99另一端接地，插座10输入弧压信号和电流信号。

驱动板与stm32系列芯片u5之间通过放大电路电控连接，pwm生成电路根据stm32系列芯片u5的电压信号，由pwm控制芯片生成pwm信号，经过脉冲放大隔离电路隔离后驱动igbt。

机器人模拟接口板上设置有机器人接口电路，机器人接口电路包括机器人模拟接口j6，机器人模拟接口j6的2脚连接电阻r91一端，电阻r91另一端连接电容c16一端、电阻r92一端、运放u9a的正相输入端，电容c16另一端与电阻r92另一端接地，运放u9a的反相输入端与输出端相连后连接电阻r96一端，电阻r96另一端连接电阻r97一端、运放u9b的反相输入端，运放u9b的正向输入端通过电阻r90接地，电阻r97另一端连接滑动变阻器vr1的固定引脚，滑动变阻器vr1的滑动引脚连接运放u9b的输出端、电阻r98一端，电阻r98另一端连接二极管v31的正极，二极管v31的负极连接二极管v32的负极、电容c190一端、二极管v33的正极、接口j5的2脚，接口j5通过插座cn3连接主控制板，电容c190另一端与二极管v32的正极均接地，二极管v33的负极连接电阻r21一端，电阻r21另一端连接滑动变阻器vr2的一个固定引脚、运放u9c的输出端，滑动变阻器vr2的另一固定引脚接地、滑动引脚连接运放u9c的反相输入端，运放u9c的正向输入端连接电阻r95一端、运放u9d的输出端和反相输入端，运放u9d的正向输入端连接电阻r94一端、电容c110一端、电阻r93一端，电阻r94另一端和电容c110另一端均接地，电阻r93另一端连接机器人模拟接口j6的3脚。

本实施例中，u3采用了stm8s207芯片，u5采用了stm32f103芯片。stm8s207芯片u3通过高速光耦u15、u18与stm32f103芯片u5交换数据。stm32f103芯片u5作为熔滴过渡控芯片，是整个系统的核心，为了避免其他电路的干扰，作隔离处理。

本发明工作原理如下所述：电流电压调节电路中，运放u1b的反相输入端接收stm8s207芯片u3的方波信号，通过改变焊接电流、焊接电压电位器的阻值，改变运放u1输出端的方波的正负电平值，经运放u1c、运放u1d的反向或正向放大得到可调节的模拟量adc_para_volt和adc_para_curr输入到stm8s207芯片u3，stm8s207芯片u3根据这两个电平，决定焊接电流和焊接电压值。stm8s207芯片u3连接的温度继电器经插座cn5接入，stm8s207芯片u3检测error_flag值，高电平时，中断程序，停止焊接。

27v交流电经插座cn4送入气阀控制电路，焊接开始后，gas_ctl为低电平，单向可控硅v14导通，气阀开通。焊枪开关s1通过插座cn3接入焊枪控制电路，当焊枪开关s1开关闭合时，u2a的正向输入端为0电平，stm8s207芯片u3通过检测gun_sw的电平，执行焊接程序。点动送丝开关s2通过插座cn3接入焊枪控制电路，当开关闭合时，u2a的正相输入端为7v电平，stm8s207芯片u3通过检测gun_sw的电平，执行点动送丝程序。送丝系统的供电通常取自工频变压器，本发明取自主变压器，有效降低工频变压器的体积，降低功耗，从插座cn2输入，经整流得到24vdc。mos管q5与送丝电机构成直流斩波电路，正常焊接时，stm8s207芯片u3输出电机控制信号silk_pwm驱动mos管q5，改变silk_pwm脉冲值，从而改变送丝电机转速。停止焊接时，关闭silk_pwm，stm8s207芯片u3将stop_silk2置0,，mos管饱和导通，短接送丝电机线圈，对送丝电机进行制动。

stm32f103芯片u5是本发明的核心器件，负责对焊接熔滴过程的控制，通过分析stm8s207芯片u3、电流和电压反馈信号实时输出合适的电平信号，输送给pwm生成电路，进而控制焊机的电流、电压。通常电压反馈电路采用电压霍尔传感器或线性光耦构成，以降低干扰信号对系统的影响，但成本相对很高，本发明由运放u8构成，电路采用差分结构，可有效降低共模信号对系统的干扰，而且成本低廉。脉冲生成电路由pwm控制芯片uc3846构成，是价格低廉、稳定可靠的基本应用电路。为了能与pwm控制芯片uc3846配合使用，stm32f103芯片u5内部进行da转换，经运放u7a放大后，通过插座cn9与驱动板相连。

驱动板部分，cn13通过导线与主控制板的插座cn9相连，根据stm32f103芯片u5的电平信号，pwm控制芯片uc3846生成pwm信号，经变压器t1、t2隔离后，驱动igbt。

机器人模拟接口板部分，用于沟通机器人与焊机。机器人控制柜通常输出0-10v的电平，用此电平控制焊机焊接电流、焊接电压，由图13的电路来实现，本领域技术人员都能理解。