ARM控制伺服点焊枪的设计
王军，罗震
天津大学材料学院点焊实验室，天津（300072）
摘 要：设计了一种新型的伺服驱动的悬挂式点焊钳，该焊钳能够在焊接的过程中对电极压力进行实时的调节，实现复杂的焊接循环。伺服焊钳以滚珠丝杠为主要传动机构，结构简单紧凑。系统采用32位的ARM微处理器作为控制核心，并移植了uC/OS-II实时操作系统，系统的稳定性、实时性好。实验证明，伺服焊钳可以在焊接过程中施加马鞍形的电极压力，与恒定压力条件相比，飞溅大幅降低，焊接接头强度、塑性都增加，焊接质量明显提高。 关键词：伺服焊钳，ARM，电阻点焊，uC/OS-II
0. 序
电阻焊作为一种高效、廉价且机械化和自动化程度较高的连接技术，在汽车工业中得到了广泛的应用[1]。但随着汽车工业的发展，气动焊枪逐步暴露了一些缺点。伺服焊枪却有很多优点，在渐进阶段，伺服焊枪可以实现对电极的良好加减速控制以及对焊枪运动路径的程序化优化控制；在预压阶段可实现对工件的软接触且预压力时间大大减少；在焊接阶段伺服焊枪可实现对电极力的准确控制并且使锻压力控制成为可能。
伺服焊枪对于汽车车身装配生产线来说相对较新，目前在日本只有丰田等少数公司将伺服焊枪应用到汽车车身装配生产线上[2]。在国内，已经有人研究了伺服焊枪的特性[3]，并且有人设计了基于PLC的立式伺服点焊枪[4]，但是对电极力的控制基本上是恒力，还未涉足变力的复杂焊接循环。而且对于广泛应用于汽车工业中的悬挂式点焊钳，其伺服驱动的设计和改进，少有人问津。
本文设计了一种新型的X型悬挂式点焊钳，它采用伺服电机作为动力装置，32位的ARM微处理器作为控制核心，该焊钳能够随时准确快速的改变电极压力，实现复杂的焊接循环。
1. 伺服点焊ARM控制系统软硬件
试验系统采用ARM控制器来控制伺服焊枪单一轴，以实现整个点焊过程。伺服焊枪点焊控制系统主要由伺服焊枪、ARM控制系统、信号调理模块等设备组成，它们之间的集成如图1所示。
图1系统框图
1.1.伺服焊枪
悬挂式X型伺服焊枪是在气动的焊枪基础上经过改进设计得到，包括电机（东元交流伺服）、连接套、X型焊钳三部分。我们采用东元TSB1312102A型伺服电机，使用配套的TSTA30驱动器对其进行控制。连接套的作用是将电机和X型焊钳连接固定在一起，它是一个半封闭的圆筒，里面有联轴器、轴承、丝杠，其上开有一个窗口，用于联轴器的紧固。丝杠是日本黑田精工GY2005DS-HULR-0600A型滚珠丝杠，由于长度很小，采用一端固定、一端自由的固定方式，自由端的长度取决于焊钳张开的最大角度。丝杠螺母和焊钳的活动臂通过连杆来连接，丝杠螺母推动连杆前进，连杆在前进的同时绕支点转动，它具有两个方向的自由度，以适合X型焊钳两臂的移动特点。
1.2.ARM控制系统
如图3所示，ARM控制系统是整个伺服点焊系统的核心，控制点焊的全过程。主要由ARM开发板、信号调理模块和交流伺服驱动器组成。ARM选用ATMEL的AT91RM9200，主频180MHz，总线频率60MHz。，ARM主机控制整个焊接过程的时序，信号调理模块完成与外围设备的信息交互和转换，包括电极压力、速度、位置反馈信号的输入，电极压力、速度、焊接电源启动信号的输出等，伺服驱动器接受调理模块的信号控制电机运转。
图3 ARM板硬件框图
1.3.软件层次
从软件的角度来看，整个系统基本上分为底层硬件-板级驱动-操作系统-功能模块-上层应用这几个层次。完成uC/OS-II的移植工作之后，就可以编写底层的驱动程序了。如果有新的硬件加入到系统，首先可以在初始化的C文件中进行基本的配置（也可以推迟到板级驱动中配置），然后在驱动中添加底层操作的实现代码。
uC/OS-II是一个多任务的操作系统[5]，应用程序以任务的形式出现。任务之间采用消息机制来进行通讯。系统中有很多任务，譬如负责输入、显示、维护系统消息队列的系统任务，实验程序、焊接程序等用于任务。
中断的响应时间是衡量一个系统快速性的重要指标，引入操作系统之后，中断的响应过程增加了操作系统的任务调度。利用ARM定时器，测得uC/OS-II任务调度的时间开销在10us之内。
2. 控制方案设计
伺服电机的工作模式在整个焊接过程中是改变的。在渐进和爬行阶段，使其工作在位置模式[6]。电极和工件接触之前，伺服电机工作在扭矩控制模式之下，通过驱动器的反馈信号，实时的检测当前负载的大小，形成扭矩的闭环的控制。
2.1.电极压力的控制
使用BDI-2001A型压力传感器对电机的扭矩输出进行标定，得到控制量和压力基本呈线性关系，每改变1控制量，压力改变40.6N，控制精度约为40N。电极压力可以从-3300N到+3300N进行调节，而且电机过载能力强（大约是额定扭矩的3倍），满足了一般焊接要求。每改变1%额定扭矩，DA数字量改变13，检测的精度大约是3N。
在预紧的情况之，电机扭矩的响应速度很快，图4是实测的电极压力反馈电压曲线，可以看出，从零增加到1/3的额定压力，只需要不到5ms的时间，这将缩短点焊预压阶段的时间，大大提高焊接效率。压力比较稳定，在±2%额定压力波动。
在不预紧的情况，采用电荷放大仪，测量从扭矩命令下达到电极臂动作的加速度曲线，曲线突变的位置视为电极臂开始动作的时刻。由此法测得伺服焊枪机械装置的响应时间在7毫秒之内，在电极位移小的焊接状态，调节一次压力的时间在11ms左右。
2.2.位置和速度控制
位置周波是电机轴旋转一周，驱动器输入和输出的脉冲数，我们设定分周的频率为500，即一周对应500个脉冲，按导程5mm计算，电极位移可以精确到10um。电极的位移Y(mm)=5*位置量/500*K。其中K是一个比例系数，反应了X型的焊钳主动臂和从动臂之间的位移关系。电机的转速由模拟电压来控制，10V电压对应100%额定转速（100r/min）。
3. 控制方案应用结果
做两组对比实验，第一组，恒压力焊接0.4mm低碳钢板，电极直径3.2mm，电流4.5KA，通电时间160ms，电极压力分为750N、1200N，1900N三组。第二组进行马鞍型加压实验。
焊接参数板厚、电极直径、电流、通电时压力和通电时间均不变，焊接压力如图4所示呈马鞍形。改变Fd的值，取1200N，1900N两组。通电结束5ms后开始施加锻压力（T4-T3=5）。
压力 电流
Fd Fw
T2 T3 时间
图5 马鞍形加压焊接循环示意图
实验的结果如表3所示，第1、2、3组数据都是在恒定电极压力下，增加电极压力，飞溅减小，但是最大剪切力却下降，力学性能有所下降。第1组焊接飞溅较大，是由于工件表面只进行了简单清理，而且钢板在焊前未经过压平，接触面上压强分布不均，造成局部电流密度过高，引起早期熔化，而电极压力相对较小，无塑性环保护[7]。第2、3组，加大了电极压力之后，飞溅的问题得到了改善，这是由于，大的电极压力使焊接处紧密接触，接触面趋于平整，电极与钢板、钢板与钢板之间的接触电阻减小，电流密度减小，即增加了散热，又减小了析热，从而抑制了飞溅的产生。但是，与此同时，电极压力的增大，导致了电阻减小、析热量少、散热良好，从而熔核尺寸缩小，焊透率减小，接头的剪切强度下降。
表3低碳钢焊接数据 编号 飞溅 最大剪切力/N 2 4 5 大 较大 无 较大 无 1087.00 1390.84 1454.10 第4、5组施加了马鞍形的压力，在前期增加预压力，避免了飞溅。通电时将压力恢复到小值，增加电流密度，提高析热量，增加熔尺寸，提高接头剪切强度。通电结束之后，还施加锻压力来压紧熔核，防止缩孔和裂纹，提高接头性能。这样，马鞍形的加压方式，焊接质量相对有很大提高。图
5和图6是3#和5#，剪切试验中的拉伸图。从图中看出，后者的塑性明显高于前者。
图6 低碳钢焊点剪切拉伸图（试样3）
图7 低碳钢焊点剪切拉伸图（试样5）
4. 结论
1. 通过分析和计算，设计了一种新型的X型焊钳，它与传统气动焊钳的最大区别是，在焊接过程中，可以实时的对电极压力进行快速的调节。
2. 实验证明，利用设计的伺服焊钳进行通电焊接，对电极压力、时间、速度等都能够进行快速准确控制。
3. 采用伺服焊钳进行焊接比较实验，发现马鞍形的加压曲线，在抑制飞溅，提高接头力学性能等方面，远远比恒压力曲线要好。
参考文献
[1]王敏，电阻焊在汽车工业中的应用，电焊机，2003，33（1）：1~6
[2] 张延松，许敏等，伺服焊枪在轿车车身制造中的应用前景研究，汽车工程，2004，26(4)：504~506
[3]张旭强，陈关龙等，电阻点焊的伺服焊枪技术特性分析，焊接学报，2005，25（6）：60~64
[4]张小云，陈关龙等，伺服焊枪点焊PLC控制系统设计，焊接学报，2006，27（7）：1~4
[5]邵贝贝等译，嵌入式实时操作系统，北京，北京航空航天大学出版社，2003
[6]Slavick SA. Using servoguns for automated resistancewelding[J].Welding Journa,l 1999, 78(7): 29-33.
[7]朱正行等，电阻焊技术，北京，机械工业出版社，2000
Design of ARM Controlled Servo Gun for Spot Welding
Wang Jun, Luo Zhen
RSW Lab of Material Department, Tianjin University, Tianjin (300072)
Abstract
A new type of hanging spot welding gun which is driven by servo motor is designed. The new gun can change the electrode pressure in real time, in order to implement complex welding circles.The servo gun is designed simply and compactly, of which a ball screw is the main transmission machine. The system empolys 32bit ARM micro-controller as the controlling core. And uC/OS-II real-time operating system is migrated into the system, which brings better stability and more rapid response. Experimental results are presented to demonstrate that the servo gun can offer saddle shaped electrode pressure. In comparison with constant electrode pressure, it can efficiently reduce welding expulsion, improve the weld’s intension and plasticity, and obviously improve the welding quality.
Keywords：servo gun, ARM, resistant spot welding, uC/OS-II
ARM控制伺服点焊枪的设计
王军，罗震
天津大学材料学院点焊实验室，天津（300072）
摘 要：设计了一种新型的伺服驱动的悬挂式点焊钳，该焊钳能够在焊接的过程中对电极压力进行实时的调节，实现复杂的焊接循环。伺服焊钳以滚珠丝杠为主要传动机构，结构简单紧凑。系统采用32位的ARM微处理器作为控制核心，并移植了uC/OS-II实时操作系统，系统的稳定性、实时性好。实验证明，伺服焊钳可以在焊接过程中施加马鞍形的电极压力，与恒定压力条件相比，飞溅大幅降低，焊接接头强度、塑性都增加，焊接质量明显提高。 关键词：伺服焊钳，ARM，电阻点焊，uC/OS-II
0. 序
电阻焊作为一种高效、廉价且机械化和自动化程度较高的连接技术，在汽车工业中得到了广泛的应用[1]。但随着汽车工业的发展，气动焊枪逐步暴露了一些缺点。伺服焊枪却有很多优点，在渐进阶段，伺服焊枪可以实现对电极的良好加减速控制以及对焊枪运动路径的程序化优化控制；在预压阶段可实现对工件的软接触且预压力时间大大减少；在焊接阶段伺服焊枪可实现对电极力的准确控制并且使锻压力控制成为可能。
伺服焊枪对于汽车车身装配生产线来说相对较新，目前在日本只有丰田等少数公司将伺服焊枪应用到汽车车身装配生产线上[2]。在国内，已经有人研究了伺服焊枪的特性[3]，并且有人设计了基于PLC的立式伺服点焊枪[4]，但是对电极力的控制基本上是恒力，还未涉足变力的复杂焊接循环。而且对于广泛应用于汽车工业中的悬挂式点焊钳，其伺服驱动的设计和改进，少有人问津。
本文设计了一种新型的X型悬挂式点焊钳，它采用伺服电机作为动力装置，32位的ARM微处理器作为控制核心，该焊钳能够随时准确快速的改变电极压力，实现复杂的焊接循环。
1. 伺服点焊ARM控制系统软硬件
试验系统采用ARM控制器来控制伺服焊枪单一轴，以实现整个点焊过程。伺服焊枪点焊控制系统主要由伺服焊枪、ARM控制系统、信号调理模块等设备组成，它们之间的集成如图1所示。
图1系统框图
1.1.伺服焊枪
悬挂式X型伺服焊枪是在气动的焊枪基础上经过改进设计得到，包括电机（东元交流伺服）、连接套、X型焊钳三部分。我们采用东元TSB1312102A型伺服电机，使用配套的TSTA30驱动器对其进行控制。连接套的作用是将电机和X型焊钳连接固定在一起，它是一个半封闭的圆筒，里面有联轴器、轴承、丝杠，其上开有一个窗口，用于联轴器的紧固。丝杠是日本黑田精工GY2005DS-HULR-0600A型滚珠丝杠，由于长度很小，采用一端固定、一端自由的固定方式，自由端的长度取决于焊钳张开的最大角度。丝杠螺母和焊钳的活动臂通过连杆来连接，丝杠螺母推动连杆前进，连杆在前进的同时绕支点转动，它具有两个方向的自由度，以适合X型焊钳两臂的移动特点。
1.2.ARM控制系统
如图3所示，ARM控制系统是整个伺服点焊系统的核心，控制点焊的全过程。主要由ARM开发板、信号调理模块和交流伺服驱动器组成。ARM选用ATMEL的AT91RM9200，主频180MHz，总线频率60MHz。，ARM主机控制整个焊接过程的时序，信号调理模块完成与外围设备的信息交互和转换，包括电极压力、速度、位置反馈信号的输入，电极压力、速度、焊接电源启动信号的输出等，伺服驱动器接受调理模块的信号控制电机运转。
图3 ARM板硬件框图
1.3.软件层次
从软件的角度来看，整个系统基本上分为底层硬件-板级驱动-操作系统-功能模块-上层应用这几个层次。完成uC/OS-II的移植工作之后，就可以编写底层的驱动程序了。如果有新的硬件加入到系统，首先可以在初始化的C文件中进行基本的配置（也可以推迟到板级驱动中配置），然后在驱动中添加底层操作的实现代码。
uC/OS-II是一个多任务的操作系统[5]，应用程序以任务的形式出现。任务之间采用消息机制来进行通讯。系统中有很多任务，譬如负责输入、显示、维护系统消息队列的系统任务，实验程序、焊接程序等用于任务。
中断的响应时间是衡量一个系统快速性的重要指标，引入操作系统之后，中断的响应过程增加了操作系统的任务调度。利用ARM定时器，测得uC/OS-II任务调度的时间开销在10us之内。
2. 控制方案设计
伺服电机的工作模式在整个焊接过程中是改变的。在渐进和爬行阶段，使其工作在位置模式[6]。电极和工件接触之前，伺服电机工作在扭矩控制模式之下，通过驱动器的反馈信号，实时的检测当前负载的大小，形成扭矩的闭环的控制。
2.1.电极压力的控制
使用BDI-2001A型压力传感器对电机的扭矩输出进行标定，得到控制量和压力基本呈线性关系，每改变1控制量，压力改变40.6N，控制精度约为40N。电极压力可以从-3300N到+3300N进行调节，而且电机过载能力强（大约是额定扭矩的3倍），满足了一般焊接要求。每改变1%额定扭矩，DA数字量改变13，检测的精度大约是3N。
在预紧的情况之，电机扭矩的响应速度很快，图4是实测的电极压力反馈电压曲线，可以看出，从零增加到1/3的额定压力，只需要不到5ms的时间，这将缩短点焊预压阶段的时间，大大提高焊接效率。压力比较稳定，在±2%额定压力波动。
在不预紧的情况，采用电荷放大仪，测量从扭矩命令下达到电极臂动作的加速度曲线，曲线突变的位置视为电极臂开始动作的时刻。由此法测得伺服焊枪机械装置的响应时间在7毫秒之内，在电极位移小的焊接状态，调节一次压力的时间在11ms左右。
2.2.位置和速度控制
位置周波是电机轴旋转一周，驱动器输入和输出的脉冲数，我们设定分周的频率为500，即一周对应500个脉冲，按导程5mm计算，电极位移可以精确到10um。电极的位移Y(mm)=5*位置量/500*K。其中K是一个比例系数，反应了X型的焊钳主动臂和从动臂之间的位移关系。电机的转速由模拟电压来控制，10V电压对应100%额定转速（100r/min）。
3. 控制方案应用结果
做两组对比实验，第一组，恒压力焊接0.4mm低碳钢板，电极直径3.2mm，电流4.5KA，通电时间160ms，电极压力分为750N、1200N，1900N三组。第二组进行马鞍型加压实验。
焊接参数板厚、电极直径、电流、通电时压力和通电时间均不变，焊接压力如图4所示呈马鞍形。改变Fd的值，取1200N，1900N两组。通电结束5ms后开始施加锻压力（T4-T3=5）。
压力 电流
Fd Fw
T2 T3 时间
图5 马鞍形加压焊接循环示意图
实验的结果如表3所示，第1、2、3组数据都是在恒定电极压力下，增加电极压力，飞溅减小，但是最大剪切力却下降，力学性能有所下降。第1组焊接飞溅较大，是由于工件表面只进行了简单清理，而且钢板在焊前未经过压平，接触面上压强分布不均，造成局部电流密度过高，引起早期熔化，而电极压力相对较小，无塑性环保护[7]。第2、3组，加大了电极压力之后，飞溅的问题得到了改善，这是由于，大的电极压力使焊接处紧密接触，接触面趋于平整，电极与钢板、钢板与钢板之间的接触电阻减小，电流密度减小，即增加了散热，又减小了析热，从而抑制了飞溅的产生。但是，与此同时，电极压力的增大，导致了电阻减小、析热量少、散热良好，从而熔核尺寸缩小，焊透率减小，接头的剪切强度下降。
表3低碳钢焊接数据 编号 飞溅 最大剪切力/N 2 4 5 大 较大 无 较大 无 1087.00 1390.84 1454.10 第4、5组施加了马鞍形的压力，在前期增加预压力，避免了飞溅。通电时将压力恢复到小值，增加电流密度，提高析热量，增加熔尺寸，提高接头剪切强度。通电结束之后，还施加锻压力来压紧熔核，防止缩孔和裂纹，提高接头性能。这样，马鞍形的加压方式，焊接质量相对有很大提高。图
5和图6是3#和5#，剪切试验中的拉伸图。从图中看出，后者的塑性明显高于前者。
图6 低碳钢焊点剪切拉伸图（试样3）
图7 低碳钢焊点剪切拉伸图（试样5）
4. 结论
1. 通过分析和计算，设计了一种新型的X型焊钳，它与传统气动焊钳的最大区别是，在焊接过程中，可以实时的对电极压力进行快速的调节。
2. 实验证明，利用设计的伺服焊钳进行通电焊接，对电极压力、时间、速度等都能够进行快速准确控制。
3. 采用伺服焊钳进行焊接比较实验，发现马鞍形的加压曲线，在抑制飞溅，提高接头力学性能等方面，远远比恒压力曲线要好。
参考文献
[1]王敏，电阻焊在汽车工业中的应用，电焊机，2003，33（1）：1~6
[2] 张延松，许敏等，伺服焊枪在轿车车身制造中的应用前景研究，汽车工程，2004，26(4)：504~506
[3]张旭强，陈关龙等，电阻点焊的伺服焊枪技术特性分析，焊接学报，2005，25（6）：60~64
[4]张小云，陈关龙等，伺服焊枪点焊PLC控制系统设计，焊接学报，2006，27（7）：1~4
[5]邵贝贝等译，嵌入式实时操作系统，北京，北京航空航天大学出版社，2003
[6]Slavick SA. Using servoguns for automated resistancewelding[J].Welding Journa,l 1999, 78(7): 29-33.
[7]朱正行等，电阻焊技术，北京，机械工业出版社，2000
Design of ARM Controlled Servo Gun for Spot Welding
Wang Jun, Luo Zhen
RSW Lab of Material Department, Tianjin University, Tianjin (300072)
Abstract
A new type of hanging spot welding gun which is driven by servo motor is designed. The new gun can change the electrode pressure in real time, in order to implement complex welding circles.The servo gun is designed simply and compactly, of which a ball screw is the main transmission machine. The system empolys 32bit ARM micro-controller as the controlling core. And uC/OS-II real-time operating system is migrated into the system, which brings better stability and more rapid response. Experimental results are presented to demonstrate that the servo gun can offer saddle shaped electrode pressure. In comparison with constant electrode pressure, it can efficiently reduce welding expulsion, improve the weld’s intension and plasticity, and obviously improve the welding quality.
Keywords：servo gun, ARM, resistant spot welding, uC/OS-II