Micrologiciel Arduino de la soudeuse par points 1-2-3 : 7 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:05

Pourquoi un autre projet de soudage par points ?

Construire une soudeuse par points est l'un des (sans doute peu) cas dans lesquels vous pouvez construire quelque chose pour une fraction du prix de la version commerciale avec une qualité comparable. Et même si le build-before-buy n'était pas une stratégie gagnante, c'est très amusant !

J'ai donc décidé de me lancer dans le projet, et j'ai regardé comment d'autres personnes l'ont fait. Il y a littéralement une tonne d'informations et de vidéos intéressantes à ce sujet sur le net, avec une assez grande variation dans la qualité de la conception et de la construction.

La qualité de la construction que l'on peut réaliser de manière réaliste dépend de l'outillage, des machines et des installations disponibles, il n'était donc pas surprenant de voir une assez grande variation sur ce front. D'un autre côté, je ne m'attendais pas à voir que la plupart des projets utilisent simplement un simple interrupteur manuel pour démarrer et arrêter le processus de soudage.

En fait, un contrôle précis du temps de soudage est la clé de la qualité de vos soudures, et vous ne pouvez pas y parvenir en actionnant un interrupteur à la main.

Je pensais que, bien que se construire une soudeuse par points soit un sujet qui a probablement déjà été battu à mort, on pourrait peut-être fabriquer une meilleure machine en utilisant le processus de soudage en trois étapes avec des minutages précis, comme le font les machines professionnelles. Je me suis donc fixé cinq objectifs de conception principaux pour mon projet:

Prise en charge du processus de soudage en trois étapes

Horaires précis et configurables

Capacité de stocker et de récupérer de manière persistante des profils de soudage

Simplicité de conception et de construction

Utilisation de composants couramment disponibles uniquement

Le résultat est mon soudeur par points 1-2-3, et dans ce instructable j'expliquerai la partie contrôle du processus de soudage du projet. La vidéo et cette instructable montrent des images de la soudeuse de test prototype, avant que tous les composants ne soient montés dans un boîtier approprié. Une planche pour ce projet est décrite dans une instructable séparée.

Si vous avez besoin de vous familiariser avec le concept de soudage par résistance et comment fabriquer un soudeur à l'aide d'un transformateur à micro-ondes, veuillez le faire avant de poursuivre votre lecture. Je me concentrerai sur le contrôle du soudeur, pas sur la façon dont fonctionne un soudeur ou comment en construire un. Je pense que c'est bien couvert ailleurs.

Étape 1: Recette

Regardons les composants de la soudeuse par résistance:

Transformateur de soudage. Fournit la sortie basse tension/courant élevé nécessaire au soudage par résistance par conversion de la tension de ligne CA. Pour un soudeur auto-fabriqué, le transformateur de soudage est normalement obtenu en convertissant un transformateur de four à micro-ondes pour une sortie basse tension et haute intensité. Cela se fait en retirant l'enroulement secondaire haute tension du MOT et en enroulant un nouveau secondaire constitué de quelques tours d'un câble de cuivre très épais. Il y a beaucoup de vidéos sur YouTube qui vous montrent comment faire cela

Circuit d'alimentation. Allume et éteint le transformateur de soudage et son fonctionnement est contrôlé par le circuit de commande. Le circuit de puissance fonctionne à la tension secteur

Circuit de contrôle. Contrôle toutes les opérations pour le soudeur:

Permet à l'utilisateur de définir et de modifier les horaires de soudage

• Permet à l'utilisateur de stocker et de récupérer les horaires de soudage.
• Et, last but not least, permet à l'utilisateur de démarrer un processus de soudage en envoyant des commandes au circuit d'alimentation, qui allume et éteint le transformateur.

Interface utilisateur. L'utilisateur communique avec le circuit de commande via une interface utilisateur

Cette instructable décrit l'interface utilisateur et le circuit de contrôle. La conception de l'interface utilisateur et du circuit de contrôle que je propose sont en fait assez indépendantes des autres blocs et peuvent être facilement adaptées à une soudeuse par points existante, à condition que votre incarnation actuelle du circuit d'alimentation puisse gérer le signal de sortie numérique du circuit de contrôle. Donc, si vous avez déjà une soudeuse à commutation électronique, vous pouvez ajouter les composants de contrôle et d'interface utilisateur décrits ici en plus de cela sans aucune autre modification.

Si vous ne disposez actuellement que d'un interrupteur d'alimentation manuel, vous devrez également créer un circuit d'alimentation.

Avant de décrire le fonctionnement du micrologiciel du circuit de contrôle, voyons un peu plus en détail comment fonctionne le processus de soudage.

Étape 2: 1-2-3 Soudage

Les machines à souder professionnelles ne soudent pas en une seule étape; ils utilisent une séquence automatisée en trois étapes. Le soudage par résistance en trois étapes consiste à:

Étape d'échauffement. Le transformateur de soudage est allumé et le courant circule via les électrodes à travers les pièces à usiner. C'est juste pour réchauffer le métal

Appuyez sur étape: le transformateur de soudage est éteint; les pièces à usiner sont maintenues serrées les unes contre les autres. Les surfaces de pièces en métal chaud ramollies font maintenant un très bon contact mécanique et électrique

Étape de soudage: le transformateur de soudage est à nouveau allumé. Les surfaces métalliques maintenant en contact intime sont soudées sous pression

La durée des différentes étapes n'est généralement pas uniforme et dépend du courant disponible du soudeur, du type de matériau que vous essayez de souder (principalement sa résistance et son point de fusion) et de l'épaisseur des pièces à usiner.

La plupart des soudeurs auto-construits dont j'ai entendu parler n'ont pas de contrôle de synchronisation automatisé, ce qui rend très difficile un fonctionnement reproductible et fiable.

Certains ont la possibilité de régler un temps de soudage, souvent via un potentiomètre. Kerry Wong en a fait une très belle dans cette classe avec une paire d'électrodes supplémentaire spécialement pour souder les batteries.

Très peu de soudeurs auto-construits sont capables d'exécuter automatiquement les trois étapes de soudage décrites ci-dessus. Certains n'ont qu'un seul ensemble de durées fixes, comme celle-ci et celle-ci. Avec d'autres, vous pouvez modifier certaines durées, comme celle-ci. Il a une durée fixe pour les étapes de préchauffage et de pressage, tandis que la durée de l'étape de soudage peut être modifiée via un potentiomètre.

Cela rend le processus partiellement réglable, mais il peut être difficile de retrouver un réglage lorsque vous souhaitez souder à nouveau ce matériau de languette de batterie particulier après un certain temps. Une fois que vous avez trouvé les bons timings pour une combinaison de matériau et d'épaisseur particulière, vous ne voulez pas avoir à tout recommencer. C'est une perte de temps (et de matériel), et cela peut être un peu frustrant.

Ce que vous (enfin, je) veux vraiment ici, c'est une flexibilité totale (configurabilité) pour toutes les synchronisations et la possibilité de stocker et de récupérer les paramètres une fois que nous les avons correctement définis.

Heureusement, ce n'est pas si difficile. Voyons comment contrôler le soudage par résistance en trois étapes.

Étape 3: 1-2-3 Contrôle du soudage

Nous implémentons le circuit de contrôle avec un microcontrôleur (MCU). Le micrologiciel MCU fonctionne comme une machine à états avec quatre états comme nous l'avons vu à l'étape précédente:

o Etat 0: ne soude pas

o Etat 1: Soudage, étape d'échauffement

o État 2: Soudage, appuyez sur l'étape

o Etat 3: Soudage, étape de soudage

J'utilise ici un pseudo-code de style C pour décrire le déroulement du programme car il est facile de le relier au code MCU réel qui est écrit en C/C++.

Après l'étape de configuration, la boucle principale du MCU gère les entrées utilisateur et les transitions d'état comme suit:

01: boucle

02: switch (état) { 03: case 0: 04: readUserInput 05: case 1, 2, 3: 06: if (timer de soudage a expiré) { 07: // passer à l'état suivant 08: state = (state + 1) % 4; 09: basculer le contrôle de puissance 10: si (l'état n'est pas 0) { 11: régler la nouvelle durée de pas et redémarrer la minuterie de soudage 12: } 13: } 14: terminer la boucle

Si l'état actuel est 0, nous lisons l'état de l'interface utilisateur pour traiter les entrées utilisateur et passer à l'itération suivante.

Nous utilisons une minuterie de soudage pour contrôler la durée des étapes de soudage. Supposons maintenant que la séquence de soudage vient de commencer lorsque nous entrons dans l'instruction switch. La commande de puissance est activée, le transformateur de soudage est sous tension et l'état actuel est 1.

Si le minuteur de soudage n'a pas expiré, le conditionnel (ligne 6) est évalué à faux, nous sortons de l'instruction switch et passons à la prochaine itération de la boucle d'événement.

Si la minuterie de soudage a expiré, nous entrons dans le conditionnel (ligne 6) et continuons:

1. Calculez et enregistrez l'état suivant (ligne 8). Nous utilisons l'arithmétique modulo 4 pour suivre la séquence d'états correcte 1-2-3-0. Si l'état actuel était 1, nous passons maintenant à l'état 2.

2. Ensuite, nous basculons le contrôle de puissance (ligne 9). Dans l'état 1, la commande de puissance était allumée, elle est donc maintenant éteinte (comme elle devrait l'être dans l'état 2, appuyez sur step, avec le transformateur de soudage non alimenté).

3. L'état est maintenant 2, nous entrons donc le conditionnel à la ligne 10.

4. Régler le temporisateur de soudage pour la nouvelle durée d'étape (durée de l'étape de presse) et redémarrer le temporisateur de soudage (ligne 11).

Les itérations suivantes de la boucle principale se dérouleront sans incident jusqu'à ce que la minuterie de soudage expire à nouveau, c'est-à-dire que l'étape de presse soit terminée.

A ce moment nous entrons dans le corps du conditionnel à la ligne 6. L'état suivant (état 3) est calculé à la ligne 8; l'alimentation du transformateur est remise sous tension (ligne 9); le temporisateur de soudage est réglé sur la durée de l'étape de soudage, et redémarré.

Lorsque le temporisateur expire à nouveau, l'état suivant (état 0) est calculé sur la ligne 8, mais maintenant la ligne 11 n'est pas exécutée, donc le temporisateur n'est pas redémarré car nous avons terminé le cycle de soudage.

Lors de l'itération de boucle suivante, nous revenons au traitement des entrées utilisateur (ligne 4). Terminé.

Mais comment commençons-nous le processus de soudage ? Eh bien, nous commençons lorsque l'utilisateur appuie sur le bouton de soudage.

Le bouton de soudage est connecté à une broche d'entrée MCU, qui est reliée à une interruption matérielle. Une pression sur le bouton provoque une interruption. Le gestionnaire d'interruption démarre le processus de soudage en réglant l'état sur 1, en réglant la minuterie de soudage sur la durée de l'étape de préchauffage, en lançant la minuterie de soudage et en activant la commande de puissance:

19: début de soudage

20: état = 1 21: régler la durée de l'étape de préchauffage et démarrer la minuterie de soudage 22: activer la commande de puissance 23: terminer le démarrage du soudage

Étape 4: gestion de l'interface utilisateur, veille et autres complications du micrologiciel

L'interface utilisateur se compose d'un affichage, d'un encodeur avec bouton poussoir, d'un bouton poussoir momentané et d'une led. Ils sont utilisés comme suit:

L'écran fournit un retour d'information à l'utilisateur pour la configuration et indique la progression pendant le soudage

L'encodeur avec bouton poussoir contrôle toutes les interactions avec le firmware, à l'exception du démarrage d'une séquence de soudage

Le bouton-poussoir momentané est enfoncé pour démarrer une séquence de soudage

La LED s'allume pendant une séquence de soudage et s'allume et s'éteint à plusieurs reprises pendant la veille

Il y a un certain nombre de choses que le micrologiciel doit faire au-delà du contrôle du processus de soudage, comme expliqué à l'étape précédente:

Lecture de l'entrée utilisateur. Cela implique la lecture de la position de l'encodeur et de l'état du bouton. L'utilisateur peut tourner l'encodeur vers la gauche ou vers la droite pour passer d'un élément de menu à l'autre et pour modifier les paramètres à l'écran, ou peut appuyer sur le bouton de l'encodeur pour confirmer une valeur entrée ou pour remonter d'un niveau dans la structure du menu

• Mise à jour de l'interface utilisateur.

  L'affichage est mis à jour pour refléter les actions de l'utilisateur

  L'affichage est mis à jour pour refléter la progression du processus de soudage (nous affichons un indicateur à côté de la durée de l'étape en cours dans la séquence de soudage)

  La led est allumée lorsque nous commençons à souder et éteinte lorsque nous avons terminé

Etre prêt. Le code garde une trace de la durée d'inactivité de l'utilisateur et passe en veille lorsque la période d'inactivité dépasse une limite prédéfinie. En veille, l'affichage est éteint et le voyant de l'interface utilisateur s'allume et s'éteint à plusieurs reprises pour signaler l'état de veille. L'utilisateur peut sortir du mode veille en tournant l'encodeur dans un sens ou dans l'autre. Lorsqu'elle est en veille, l'interface utilisateur ne doit pas réagir aux autres interactions de l'utilisateur. Notez que le soudeur n'est autorisé à entrer en veille que lorsqu'il est à l'état 0, par ex. pas pendant qu'il soude

Gestion des valeurs par défaut, stockage et récupération des profils. Le firmware prend en charge 3 profils de soudage différents, c'est-à-dire des réglages pour 3 matériaux/épaisseurs différents. Les profils sont stockés dans la mémoire flash, ils ne seront donc pas perdus lorsque vous éteignez la soudeuse

Au cas où vous vous poseriez la question, j'ai ajouté la fonction de veille pour éviter le burn-in de l'écran. Lorsque la soudeuse est alimentée et que vous n'utilisez pas l'interface utilisateur, les caractères affichés à l'écran ne changent pas et peuvent provoquer des brûlures. Votre kilométrage peut varier en fonction de la technologie d'affichage, mais j'utilise un écran OLED et ils sont susceptibles de brûler assez rapidement s'il n'est pas entretenu, il est donc judicieux de désactiver l'affichage automatique.

Tout ce qui précède complique bien sûr le « vrai » code. Vous pouvez voir qu'il y a un peu plus de travail à faire que ce que nous avons examiné dans les étapes précédentes pour obtenir un logiciel bien emballé.

Cela confirme la règle selon laquelle, avec un logiciel, la mise en œuvre de ce que vous construisez autour de la fonctionnalité principale est souvent plus complexe que la mise en œuvre de la fonctionnalité principale elle-même !

Vous trouverez le code complet dans le lien du référentiel à la fin de cette instructable.

Étape 5: Circuit de contrôle

Le firmware a été développé et testé en utilisant ces composants:

• Circuit de contrôle:

  Arduino Pro Mini 5V 16MHz

• Interface utilisateur:

  • Encodeur rotatif avec bouton poussoir
  • 0.91" 128x32 I2C Blanc OLED Display DIY basé sur SSD1306
  • Bouton poussoir momentané avec led intégrée

Bien sûr, vous n'avez pas besoin d'utiliser exactement ces composants dans votre build, mais vous devrez peut-être apporter quelques modifications au code si vous ne le faites pas, en particulier si vous changez l'interface d'affichage, le type ou la taille.

Affectation des broches Arduino:

• Saisir:

  • Broches A1 A2 A3 de l'encodeur rotatif utilisé pour sélectionner/modifier les profils et les paramètres
  • Broche 2 connectée à un bouton poussoir temporaire qui est pressé pour démarrer le soudage. Le bouton-poussoir est normalement monté sur un panneau à côté de l'encodeur et peut être connecté en parallèle à un interrupteur à pédale.

• Sortir:

  • Broches A4/A5 pour I2C contrôlant l'affichage.
  • Broche 11 pour la sortie numérique vers la led, qui est allumée pendant un cycle de soudage, et s'éteint et s'éteint pendant la veille. Il n'y a pas de résistance de limitation de courant pour la led dans le schéma car j'ai utilisé une led intégrée au bouton de soudage fourni avec une résistance en série. Si vous utilisez une led séparée, vous devrez soit ajouter une résistance en série entre la broche 11 du Pro Mini et la broche 3 du connecteur J2, soit la souder en série avec la led sur le panneau avant.
  • Broche 12 pour la sortie numérique vers le circuit d'alimentation secteur (entrée vers le circuit d'alimentation). Cette broche est normalement FAIBLE et passera à HAUT-BAS-HAUT pendant un cycle de soudage.

Après le prototypage sur une maquette, j'ai monté le circuit de contrôle sur une carte proto autonome comprenant un module d'alimentation secteur (HiLink HLK-5M05), le condensateur et les résistances pour anti-rebond le bouton de soudage, et des connecteurs pour affichage, encodeur, led, bouton et sortie du circuit d'alimentation. Les connexions et les composants sont indiqués sur le schéma (à l'exception du module d'alimentation secteur).

Il y a aussi un connecteur (J3 sur le schéma) pour un interrupteur à pied connecté en parallèle au bouton de soudage, donc on peut commencer à souder soit à partir du panneau, soit à l'aide d'un interrupteur à pied, ce que je trouve bien plus pratique.

Le connecteur J4 est connecté à l'entrée de l'optocoupleur du circuit d'alimentation, qui est monté sur une carte proto séparée dans le prototype.

Pour la connexion à l'écran (connecteur J6), j'ai en fait trouvé plus simple d'utiliser un câble plat à 4 fils avec deux fils allant à un connecteur à deux broches (correspondant aux broches 1, 2 de J6), et deux fils avec Dupont femelle connecteurs allant directement aux broches A4 et A5. Sur A4 et A5, j'ai soudé un en-tête mâle à deux broches directement sur la carte Pro Mini.

J'ajouterai probablement également un anti-rebond pour le bouton de l'encodeur dans la version finale. Une conception de PCB améliorée pour ce projet est décrite dans une instructable séparée.

Étape 6: Circuit d'alimentation

AVERTISSEMENT: Le circuit d'alimentation fonctionne à la tension secteur avec des courants amplement suffisants pour vous tuer. Si vous n'êtes pas habitué aux circuits de tension secteur, n'essayez pas d'en construire un. Au minimum, vous devez utiliser un transformateur d'isolement pour effectuer tout travail sur les circuits de tension secteur.

Le schéma du circuit de puissance est très standard pour un contrôle d'une charge inductive avec un TRIAC. Le signal du circuit de commande de commande pilote le côté émetteur de l'optocoupleur MOC1, le côté détecteur pilote à son tour la grille du triac T1. Le triac commute la charge (le MOT) via un réseau d'amortissement R4/CX1.

Optocoupleur. Le MOC3052 est un optocoupleur à phase aléatoire, pas du type à passage par zéro. L'utilisation d'une commutation à phase aléatoire est plus appropriée que la commutation par passage par zéro pour une charge inductive lourde telle que le MOT.

TRIAC. Le triac T1 est un BTA40 conçu pour un courant continu de 40 A, ce qui peut sembler excessif en termes de courant consommé par le MOT en régime permanent. Étant donné que la charge a une inductance assez élevée, la valeur nominale dont nous devons nous préoccuper est le courant de crête de surtension non répétitif à l'état passant. C'est le courant d'appel de la charge. Il sera tiré à chaque fois pendant le transitoire de mise sous tension par le MOT, et il sera plusieurs fois supérieur au courant à l'état passant. Le BTA40 a un courant de crête à l'état passant non répétitif de 400 A à 50 Hz et de 420 A à 60 Hz.

Forfait TRIAC. Une autre raison de choisir un BTA40 est qu'il est livré dans un emballage RD91 avec une languette isolée et qu'il comporte des cosses mâles. Je ne sais pas pour vous, mais je préfère plutôt une languette isolée pour les semi-conducteurs de puissance à tension secteur. De plus, les cosses mâles offrent une connexion mécanique solide qui permet de garder le chemin de courant élevé (fils marqués A dans le schéma) complètement hors du proto ou de la carte PCB. Le chemin de courant élevé passe par les fils marron (plus épais) marqués A sur l'image. Les fils marrons sont connectés aux bornes à fourche du triac via des bornes de ferroutage qui sont également connectées au réseau RC de la carte via les fils bleus (plus fins). Avec cette astuce de montage, le chemin de courant élevé est hors du proto ou de la carte PCB. En principe, vous pourriez faire la même chose avec des fils à souder sur les pattes du boîtier TOP3 plus courant, mais l'assemblage serait mécaniquement moins fiable.

Pour le prototype j'ai monté le triac sur un petit dissipateur avec l'idée de prendre quelques mesures de température et éventuellement de le monter sur un plus grand dissipateur ou même en contact direct avec le boîtier métallique pour la construction finale. J'ai observé que le triac se réchauffe à peine, en partie parce qu'il est surdimensionné de manière appropriée, mais principalement parce que la majeure partie de la dissipation de puissance dans la jonction est due à la commutation d'état de conduction et que le triac ne commute clairement pas fréquemment dans cette application.

Réseau d'amortissement. R4 et CX1 sont le réseau d'amortissement pour limiter le taux de changement vu par le triac lorsque la charge est éteinte. N'utilisez aucun condensateur que vous pourriez avoir dans votre bac de pièces de rechange: CX1 doit être un condensateur de type X (ou mieux de type Y) conçu pour un fonctionnement sous tension secteur.

Varistance. R3 est une varistance dimensionnée en fonction de la valeur de crête de votre tension secteur. Le schéma montre une varistance nominale de 430 V, ce qui est approprié pour une tension secteur de 240 V (attention ici, la tension nominale dans le code de varistance est une valeur de crête, pas une valeur RMS). Utilisez une varistance conçue pour une pointe de 220 V pour une tension secteur de 120 V.

Défaillance d'un composant. Il est bon de se demander quelles seraient les conséquences de la défaillance d'un composant et d'identifier les pires scénarios. Une mauvaise chose qui pourrait arriver dans ce circuit est la défaillance du triac et le court-circuit des bornes A1/A2. Si cela se produit, le MOT serait sous tension en permanence tant que le triac est court-circuité. Si vous ne remarquiez pas le bourdonnement du transformateur et que vous soudiez avec le MOT en permanence, vous surchaufferiez / ruineriez la pièce / les électrodes (pas agréable), et éventuellement surchaufferiez / fondriez l'isolation du câble (très mauvaise). C'est donc une bonne idée d'intégrer un avertissement pour cette condition d'échec. Le plus simple est de brancher une lampe en parallèle sur le primaire MOT. La lampe s'allumera lorsque le contrôle technique sera allumé et fournira une indication visuelle que le soudeur fonctionne comme prévu. Si la lumière s'allume et reste allumée, alors vous savez qu'il est temps de débrancher la prise. Si vous avez regardé la vidéo au début, vous avez peut-être remarqué une ampoule rouge qui s'allume et s'éteint en arrière-plan pendant le soudage. C'est ce qu'est ce feu rouge.

Un MOT n'est pas une charge très bien comportée, mais malgré le fait que j'étais au départ un peu préoccupé par la fiabilité de la commutation via le circuit d'alimentation, je n'ai vu aucun problème.

Étape 7: Notes finales

Eh bien, tout d'abord merci beaucoup aux nombreuses personnes qui ont pris le temps d'expliquer sur le net comment construire une soudeuse par points à l'aide d'un transformateur de four à micro-ondes réutilisé. Cela a été un énorme démarrage pour l'ensemble du projet.

En ce qui concerne le firmware Spot Welder 1-2-3, cela aurait été un travail long et fastidieux d'écrire le code sans les abstractions fournies par un certain nombre de bibliothèques en plus de l'IDE Arduino standard. Je trouve ces bibliothèques de minuterie (RBD_Timer), d'encodeur (ClickEncoder), de menus (MenuSystem) et d'EEPROM (EEPROMex) très utiles.

Le code du micrologiciel peut être téléchargé à partir du référentiel de codes Spot Welder 1-2-3.

Si vous envisagez de le construire, je vous suggère fortement d'utiliser la conception de PCB décrite ici, qui intègre un certain nombre de raffinements.