摘要：本文在深入研究传统脚踏点焊机动作特点的基础上，研究了一种自动定位点焊机及其电气控制系统，详细设计了电气控制系统的组成及动作流程，实现焊点精准定位及自动点焊，极大的提高了点焊质量及点焊效率。
关键词：点焊；定位；运动控制
1.概述
随着通信技术的发展，手机成为我们生活中不可缺少的一个工具，特别是近年来智能手机的兴起。此外电动自行车、电动摩托车、移动电源的需求也越来越大，所以对锂离子电池的需求也越来越多。
电池包装中的一个很重要的环节就是点焊，将保护板与电芯焊接在一起，目前大部分车间均采用脚踏人工点焊，效率低，焊点位置不一致且经常有焊偏炸焊现象发生，导致焊不牢返工及报废。因此研究一种自动定位精准点焊机成为一种急需，自动定位精准点焊机在治具的辅助下，实现多个焊点的精准自动定位，控制放电主机自动点焊，当一个治具中的所有电池焊接完成后，自动回到取件位，操作员工取走电池后，放上另一个治具又可以重新开始点焊。
由于自动定位点焊机完全由步进电机带动精密丝杆实现二维空间的精准定位，所以各个焊点的位置精度可以控制在0.1mm，所以焊点完全一致。另外焊头也是由电机控制，所以下压的速度及位移也完全一致，只要在工作前调到最佳位置，后面所有焊接对焊点的压力均一致，保证了焊点的质量。
2.控制系统总体方案设计
自动定位点焊机主要由X、Y二维运动控制平台、电动焊头、人机控制界面、放电主机组成。放电主机由传统的脚踏点焊机改装而来，控制系统输出一个继电器开关量信号给主机的脚踏信号输入，主机则开始放电。
X、Y二维运动控制平台由二条精密丝杆滑台组成，每台电动滑台由57步进电机、导程为20mm的精密丝杆、连轴器、轴承座组成。在电机的控制下，实现X、Y座标的精确定位，定位精度为0.1mm。
电动焊头主要是为了取代原脚踏点焊机的气动焊头而设计，气动焊头具有对焊点冲击大、压力和速度不稳定的缺点。电动焊头由伺服电机加精密丝杆组成，动作柔和、稳定，对焊点的压力均匀。
人机控制界面主要完成手动调校座标、配方下载、焊点计数的功能。
整台机器的控制由一个控制器完成，控制器要完成各个IO口的检测与控制、3个步进电机的同步控制、与人机界面通讯的任务。本设计采用主从单片机控制架构，由主单片机完成逻辑控制、与人机界面的通讯、IO控制，3个从单片机完成X、Y、Z三个步进电机的同步运动控制。主从单片机采用串口通讯。
控制系统框图如图1所示。
图1 控制系统框图
3.运动控制器硬件设计
3.1 功能框图设计
根据总体方案，再考虑扩展需要，设计控制器的功能框图，如图2所示。
开关量输入：具有14路开关量输入电路，用于检测启停按钮信号、三轴零位传感器信号、焊头下到位信号、焊头上到位信号。
开关输出：具有8路开关量输出，1路继电器常开触点用于控制主机放电、1路报警指示灯输出，用于提醒用户清洗焊头。
通讯电路：与人机界面通讯。
存储电路：用于存储焊点座标配方。
主处理器电路：整个系统的逻辑控制中心，采集开关量信号、从存储器中读取座标数据运算、控制继电器及三个协处理器工作。
协处理器：受主控制器控制，控制步进电机运动及加减速启停。
图2 控制器功能框图
3.2 详细电路设计
主处理器：采用32位单片机：STM32F103RBT6，该单片机采用cortex - m3内核，运行在72MHz主频，具有三个串口资源。本控制器采用串口1与人机界面进行modbus-rtu通信，串口2与三个协处理器通信。
步进电机协处理器控制电路
CPU采用强型8051 CPU STC15W4K32S4，1T，单时钟/机器周期，24MHZ主频运行。
步进电机控制芯片采用THB6064AH，该芯片采用双全桥MOSFET驱动，最高工作电压为50V，峰值电流4.5A，采用64细分，自动半流锁定功能。与CPU的接口简单，只需要方向、脉冲、使能三根IO线。
开关量输入电路：采用TLP629-4 4合1光藕隔离，在输出端通过10K电阻上拉，当外部信号与VSS短接时，光藕导通，输出低电平，否则输出高电平。电路如图3所示。
图3 开关量输入电路
存储电路：保存各种电池焊接的配方数据，实时记录生产产量，每种配方约470字节，再加上产量计数、报警数计数，需约500字节的存储空间。采用FM24C256铁电存储器。FM24C256具有32k字节容量、读写速度快无延时，可进行100亿次读写，数据可保存10年以上。
电源电路：采用WRB2403ZP-6W隔离电源模块，24V输入，3.3V输出，其中3.3V的地网标为GND，24V电源地网标为VSS。 光藕使用的5V由24V通过K78L05-500得到，两者共地VSS。
4.运动控制器软件设计
主CPU控制软件有四种工作状态：自动、手动、急停、清焊头报警，这四种状态可以进行相互转换。以下为总体流程图以及各个分流程图。
总体流程图如图4所示，自动工作流程如图5所示，手动工作流程如图6所示。
图5 自动工作流程图
图6 手动工作流程图
5.调试与测试
在组装完机架、XYZ三轴运动台，完成电气接线后，就开始系统调试，首先检测各个开关量是否能准确的检测到，然后调试与人机界面的通信，实现座标配方的下载，然后调试XYZ三轴的步进电机运动控制。在设计中特别要注意步进电机的加减速控制，本设计采用S曲线加减速控制算法，实现电机加减速平稳不丢步。
在完成上述调试步骤及准备好电池样品和治具后，可以开始调机，先使用手动方式确定各个焊点的座标配方，输入到人机界面，然后下载配方到控制器中，且保存到存储器，然后将机器打到自动方式，按启动键开始工作。
测试中，本设计采用40个18650电池作为试验对象，焊接成为一个电池组，每个电池焊一个点，电池分成4排，每排10个电池。
按下启动键开始计时，焊完一个电池组需要28秒，是人工的3位，且焊点位置一致、牢固，轻松通过拉力测试。
综上，自动定位点焊机效率高、焊点质量有保证，极大的提高了电池包装生产线的点焊效率，减轻了工人的劳动强度，受到用户的欢迎与好评，具有很好的市场前景。
参考文献
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论文作者:刘小兰
论文发表刊物:《基层建设》2018年第20期
论文发表时间:2018/9/11
标签：点焊论文; 焊点论文; 电池论文; 座标论文; 步进电机论文; 电路论文; 框图论文; 《基层建设》2018年第20期论文;