基于嵌入式系統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊飛濺信息在線判讀

張 軍，黃東龍，李 強(qiáng)，白立來(lái)，張永強(qiáng)

(1.北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124；2.無(wú)錫市東大電力自動(dòng)化設(shè)備有限公司，江蘇 無(wú)錫 214001)

基于嵌入式系統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊飛濺信息在線判讀

張 軍1，黃東龍1，李 強(qiáng)1，白立來(lái)1，張永強(qiáng)2

(1.北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124；2.無(wú)錫市東大電力自動(dòng)化設(shè)備有限公司，江蘇 無(wú)錫 214001)

鋼材的電阻點(diǎn)焊過(guò)程中，動(dòng)態(tài)電阻的變化表征了豐富的焊接質(zhì)量信息。采用嵌入式系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焊接過(guò)程動(dòng)態(tài)電阻的變化有利于提高對(duì)焊接質(zhì)量的認(rèn)識(shí)。設(shè)計(jì)了嵌入式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)同時(shí)監(jiān)測(cè)焊接電流、電極間壓力和電極間的電壓、電極位移信號(hào)。分析了雙相鋼DP600焊接過(guò)程中的動(dòng)態(tài)電阻變化與焊點(diǎn)熔核之間的關(guān)系，并闡明用焊點(diǎn)兩端的電壓信號(hào)替代動(dòng)態(tài)電阻來(lái)分析焊點(diǎn)質(zhì)量的原理。在嵌入式系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)范圍圖(DR)法，用該方法分析焊點(diǎn)兩端的電壓信息可在線獲取在雙相鋼焊接中焊點(diǎn)的飛濺信息。

嵌入式系統(tǒng)；電阻點(diǎn)焊；動(dòng)態(tài)電阻；動(dòng)態(tài)范圍圖

0 前言

焊接產(chǎn)品的合格率直接決定了焊接加工企業(yè)的效益和企業(yè)形象，焊接質(zhì)量的在線監(jiān)測(cè)是提高產(chǎn)品合格率的一種有效手段。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)檢測(cè)電阻點(diǎn)焊過(guò)程的單個(gè)或者多個(gè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)焊接質(zhì)量的在線判讀，利用電極壓力、電極電壓和焊接電流來(lái)提取焊接過(guò)程質(zhì)量。文獻(xiàn)[1]中，基于電信號(hào)和力信號(hào)預(yù)測(cè)焊點(diǎn)質(zhì)量的方法，為在線檢測(cè)焊點(diǎn)信息提供了探索；文獻(xiàn)[2]中，采用動(dòng)態(tài)電阻、焊接電流、電極位移等信號(hào)提取焊接質(zhì)量特征信息，研究了特征信息和焊點(diǎn)抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系；文獻(xiàn)[3-5]研究了采用不同方法判讀焊接質(zhì)量；文獻(xiàn)[6]采用機(jī)器視覺(jué)的方法來(lái)監(jiān)測(cè)焊接質(zhì)量。這些文獻(xiàn)集中研究了信號(hào)的分析手段，為焊接過(guò)程信息化做出了探索。在此以ARM內(nèi)核微控制器作為平臺(tái)，設(shè)計(jì)了嵌入式監(jiān)測(cè)平臺(tái)，用于實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程參數(shù)的檢測(cè)；采用移動(dòng)范圍圖法，實(shí)現(xiàn)了智能判斷焊接過(guò)程的飛濺缺陷。

1 利用移動(dòng)范圍圖檢測(cè)DP600雙相鋼電阻點(diǎn)焊飛濺信息的機(jī)理

電阻點(diǎn)焊動(dòng)態(tài)電阻是不斷變化的。DP600雙相鋼動(dòng)態(tài)電阻隨時(shí)間變化曲線如圖1所示，縱軸單位毫歐，橫軸表示在時(shí)間序列上的動(dòng)態(tài)電阻樣本。由圖1可知，焊接開(kāi)始階段，在壓力和電流的共同作用下，焊接區(qū)溫度快速升高，試件表面的氧化膜迅速燒結(jié)，粗糙的表面迅速瓦解，動(dòng)態(tài)電阻陡降；隨著焊接時(shí)間的推進(jìn)，表面接觸電阻的減少受到限制，動(dòng)態(tài)電阻緩降；同時(shí)，焊接區(qū)的溫度升高，材料內(nèi)阻增加，動(dòng)態(tài)電阻有一個(gè)微小的上升趨勢(shì)；在此之后，材料熔化，液態(tài)金屬電阻率更小，動(dòng)態(tài)電阻再次緩降。在動(dòng)態(tài)電阻再次緩降期，動(dòng)態(tài)電阻降低得越多，說(shuō)明熔化的液相金屬就越多，焊點(diǎn)無(wú)飛濺時(shí)，熔核直徑越大，但是過(guò)多的液相金屬在電極力的作用下易導(dǎo)致后期飛濺，飛濺產(chǎn)生時(shí)，動(dòng)態(tài)電阻發(fā)生突變。動(dòng)態(tài)電阻在再次緩降期內(nèi)急劇變化，可以作為飛濺產(chǎn)生的特征信息。

圖1 DP600雙相鋼動(dòng)態(tài)電阻曲線

2 嵌入式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 嵌入式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能描述

電阻點(diǎn)焊是力和電同時(shí)作用的過(guò)程。嵌入式檢測(cè)系統(tǒng)同時(shí)采集電極壓力、電極位移、焊接電流和電極電壓四路信號(hào)，采集的數(shù)據(jù)按照一定的管理模式存儲(chǔ)在SD卡存儲(chǔ)器中，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了嵌入式數(shù)據(jù)管理軟件，便于數(shù)據(jù)的查找；系統(tǒng)采用觸摸屏實(shí)時(shí)顯示所采集的參數(shù)曲線。

2.2 嵌入式監(jiān)測(cè)平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

嵌入式點(diǎn)焊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以ARM內(nèi)核的STM32F103 VET6微處理器為控制核心。如圖2所示，基于該微控制器建立的嵌入式平臺(tái)包括I／O接口、PS2接口、ADC接口、RS232接口和SD卡接口。

I／O接口用來(lái)接入起動(dòng)焊接過(guò)程的開(kāi)關(guān)(腳踏開(kāi)關(guān))和報(bào)警指示；PS2接口用于擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)小鍵盤(pán)，小鍵盤(pán)用于輸入字符或者數(shù)字；ADC接口連接傳感器的信號(hào)調(diào)理電路，用于采集焊接過(guò)程信號(hào)；RS232接口用于連接觸摸屏，觸摸屏即可顯示采集的結(jié)果和輸入一些控制信號(hào)；8 GB容量的SD卡能夠存儲(chǔ)大量的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，微控制器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)SD卡接口傳入SD卡。

圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖

壓力、位移傳感器安裝如圖3所示。壓力傳感器采用壓電式傳感器，傳感器串入氣缸加壓回路中，用于測(cè)量氣缸施加在電極棒上的力；位移傳感器采用線性可變差動(dòng)變壓器(LVDT)式傳感器，線圈靜止，固定在上電極臂上，鐵心隨電極棒而動(dòng)，位移傳感器測(cè)量電極棒和上電極臂之間的相對(duì)位移；基于霍爾式磁場(chǎng)測(cè)量芯片SS496的電流傳感器通過(guò)測(cè)量電極周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度，計(jì)算出電流的大??；電極電壓則利用導(dǎo)線直接拾取兩個(gè)電極之間的電壓并分壓獲得。這些焊接過(guò)程的參數(shù)經(jīng)信號(hào)調(diào)理后接入嵌入式監(jiān)測(cè)平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集(ADC)通道。

南海海洋環(huán)境日益惡化，生物資源迅速衰退的現(xiàn)實(shí)已擺在南海各國(guó)面前。包括南海地區(qū)在內(nèi)的世界各大海域都已清醒認(rèn)識(shí)到，海洋是人類的公有地和共同財(cái)富，海洋環(huán)境保護(hù)是沿岸國(guó)家的共同責(zé)任。南海周邊國(guó)家也早已認(rèn)識(shí)到，只有共同合作才能真正有效地應(yīng)對(duì)海洋環(huán)境污染和生態(tài)退化。早在2002年的《南海各方行為宣言》中，南海各國(guó)就明確了海洋環(huán)保合作的意愿和決心，但是16年過(guò)去了，海洋環(huán)保合作的機(jī)制化建設(shè)仍未正式開(kāi)啟。

圖3 傳感器安裝示意

2.4 嵌入式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.4.1 數(shù)據(jù)采集程序

數(shù)據(jù)采集程序，首先初始化ADC模塊，設(shè)置掃描模式、轉(zhuǎn)換通道、ADC轉(zhuǎn)換時(shí)鐘、采樣周期等參數(shù)，初始化流程如圖4所示。

圖4 ADC初始化流程框圖

采集軟件采用規(guī)則通道組轉(zhuǎn)換的掃描模式，用于掃描一組模擬通道，模擬通道設(shè)置為四個(gè)通道，分別監(jiān)測(cè)焊接過(guò)程中的電壓、電流、壓力和位移信號(hào)。起動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換后，ADC模塊依次對(duì)四個(gè)模擬通道進(jìn)行掃描、轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換所得的結(jié)果通過(guò)DMA存儲(chǔ)在SRAM中。

2.4.2 嵌入式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特征信息提取

信息蘊(yùn)含于數(shù)據(jù)之中，從大量的數(shù)據(jù)中挖掘出有用信息是提取特征信息的途徑。SPC領(lǐng)域有多種數(shù)據(jù)壓縮、信息提取的方法，其中統(tǒng)計(jì)控制圖是統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制中最典型的方法。統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制理論認(rèn)為，生產(chǎn)過(guò)程的參數(shù)受到偶然因素和系統(tǒng)因素影響，偶然因素影響造成的參數(shù)波動(dòng)被認(rèn)為生產(chǎn)過(guò)程處于受控狀態(tài)，系統(tǒng)因素造成的參數(shù)波動(dòng)被認(rèn)為生產(chǎn)過(guò)程處于失控狀態(tài)。如果掌握了參數(shù)波動(dòng)的現(xiàn)象和系統(tǒng)因素之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，則可以通過(guò)檢測(cè)參數(shù)的波動(dòng)，在線智能判讀是否出現(xiàn)了導(dǎo)致生產(chǎn)過(guò)程失控因素。

嵌入式檢測(cè)系統(tǒng)采集力、位移和電信號(hào)。所采集到的參數(shù)是連續(xù)的信號(hào)，在這些信號(hào)中的一些突變信息有對(duì)應(yīng)的物理本質(zhì)。在嵌入式檢測(cè)系統(tǒng)上采用移動(dòng)范圍圖(MRC)實(shí)現(xiàn)了這些突變信號(hào)的智能化提取。移動(dòng)范圍圖將樣本合理劃分成若干個(gè)“分塊”，求取每個(gè)“分塊”中的范圍(即最大值和最小值的差值)，根據(jù)這些求得的“范圍”畫(huà)控制圖，可用于觀察加工過(guò)程參數(shù)的分散性。在嵌入式檢測(cè)系統(tǒng)上可將移動(dòng)范圍圖應(yīng)用于不同的變量，觀察這些變量的分散性，即這些變量的突變情況。移動(dòng)范圍圖的建立步驟如下：

(1)計(jì)算范圍圖。

(2)確定控制域。

a.計(jì)算范圍絕對(duì)值的均值μ，對(duì)K-n+1組數(shù)據(jù)的范圍的絕對(duì)值求標(biāo)準(zhǔn)差σ。b.確定控制域?yàn)棣獭?.09·σ或μ±3·σ。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在雙相鋼DP600中的應(yīng)用

3.1 實(shí)驗(yàn)條件

選用厚1.3 mm的雙相鋼DP600進(jìn)行點(diǎn)焊，實(shí)驗(yàn)試片尺寸為100 mm×30 mm，搭接量30 mm，實(shí)驗(yàn)前用砂紙打磨除銹，用丙酮溶液清洗。選用自制中頻直流點(diǎn)焊機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，焊機(jī)容量為90 kVA，最大焊接電流19kA；采用氣缸加壓，最大電極壓力6100N；電極頭直徑8 mm；電流、壓力時(shí)序如圖5所示。分別采用三個(gè)規(guī)范(只有焊接電流發(fā)生變化，其他均相同)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如表1所示。

圖5 電流、壓力-時(shí)間曲線示意

表1 焊接規(guī)范

3.2 信號(hào)特征

在雙相鋼DP600的焊接過(guò)程中，由于焊前有工件表面清理工序，所以前期飛濺非常少，一般為后期飛濺，即因?yàn)闊崃枯斎脒^(guò)多導(dǎo)致過(guò)多的熔融金屬而產(chǎn)生飛濺。圖6給出了三個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程在焊接階段動(dòng)態(tài)電阻變化曲線，1#和2#實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)電阻在焊接的后期，變化較??；而3#實(shí)驗(yàn)在焊接后期的動(dòng)態(tài)電阻有明顯的突變特征，即飛濺的特征信息。

圖6 動(dòng)態(tài)電阻曲線

實(shí)驗(yàn)所用焊接設(shè)備是中頻逆變電源，焊接時(shí)恒電流輸出，所以當(dāng)焊接過(guò)程中存在動(dòng)態(tài)電阻突變時(shí)，信號(hào)的突變?cè)陔姌O電壓上有所反映。圖7為兩個(gè)焊點(diǎn)的電壓隨時(shí)間變化的曲線，在有飛濺的焊接過(guò)程中，焊接電極電壓有明顯的特征信息。因此，通過(guò)提取電極電壓數(shù)據(jù)中的特征信息也可以判讀焊點(diǎn)的飛濺情況。

圖7 電極電壓曲線

3.3 特征信號(hào)提取方法

由圖6、圖7可知，動(dòng)態(tài)電阻和電極電壓均有表征飛濺信息的突變信號(hào)，即從電極電壓信號(hào)上可提取飛濺的特征信息。為了提取該特征信息，將移動(dòng)范圍圖應(yīng)用于電極電壓信號(hào)。移動(dòng)范圍圖中最重要的參數(shù)是范圍所包括的樣本數(shù)和控制限。

移動(dòng)范圍圖首先要確定范圍(即數(shù)據(jù)分塊)所包括的樣本數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，單通道采樣頻率為10 kSPS(樣本每秒)，焊接電源的逆變頻率1 kHz，若范圍所包括的樣本數(shù)較小，則逆變電源輸出電流的紋波會(huì)影響范圍的值；K值太大則降低了時(shí)間分辨率，無(wú)法確定非受控狀態(tài)發(fā)生的時(shí)刻。根據(jù)試驗(yàn)，在此選K＝25。

在標(biāo)定控制限時(shí)是根據(jù)范圍的K值查表確定標(biāo)準(zhǔn)差因子，然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差因子確定控制限。本研究中，控制限是根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果訓(xùn)練得到的，在此標(biāo)準(zhǔn)差因子取3。為了滿足實(shí)時(shí)檢測(cè)的需要，焊接條件一致的焊接過(guò)程取相同的控制限，由于實(shí)驗(yàn)中的樣本標(biāo)準(zhǔn)差在0.6～0.7，范圍的平均值在接近0.1，在此只取高控制限值，根據(jù)移動(dòng)范圍圖高控制限計(jì)算公式可知

式中 N為總的樣本數(shù)；Xi為第i個(gè)樣本的值。

本研究中，焊接時(shí)間200 ms，由于通電和斷電的瞬間，電壓變化劇烈，所以在繪制移動(dòng)范圍圖時(shí)，將通電開(kāi)始的10個(gè)ms和斷電前的10個(gè)ms去除，以免發(fā)生誤判，所以在移動(dòng)范圍圖中只有180 ms內(nèi)采集的樣本，樣本容量是1 800。如圖8所示，圖中超過(guò)控制線的點(diǎn)對(duì)應(yīng)3#焊接過(guò)程的飛濺發(fā)生的時(shí)刻，沒(méi)有超過(guò)控制線的動(dòng)態(tài)范圍圖是對(duì)應(yīng)1#焊接過(guò)程。

圖8 1#和3#焊接過(guò)程電極電壓的動(dòng)態(tài)范圍

4 結(jié)論

(1)建立了基于嵌入式系統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊信息化平臺(tái)，采集焊接過(guò)程中電極壓力、電極位移和電信號(hào)等，為電阻點(diǎn)焊信息化提供了技術(shù)支撐。

(2)在嵌入式監(jiān)測(cè)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了電極電壓的動(dòng)態(tài)范圍圖，用該方法監(jiān)測(cè)焊接過(guò)程參數(shù)的異常變化。

(3)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于雙相鋼DP600的電阻點(diǎn)焊中，可以智能判讀焊點(diǎn)飛濺信息。

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Application and development on embedded online monitoring system for resistance spot welding

ZHANG Jun1，HUANG Dong-long1，LI Qiang1，BAI Li-lai1，ZHANG Yong-qiang2
(1.College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China；2.Wuxi Dongda Power Electronic Device＆Automation Co.，Ltd.，Wuxi 214001，China)

During the process of steel resistance spot welding，there are a lot of information on welding quality in the variety of dynamic resistance.Using embedded system to online monitoring the resistance of spot welding can improve the understanding on welding quality.The online monitoring system was developed to monitor welding current，electrode pressure，voltage between electrodes and displacement of electrode synchronously.Analyzed the relationship between the variety of resistance and the welding nugget information in the dual-phase steel DP600 spot welding，and introduced the principle on using the voltage signal instead of dynamic resistance to analysis welding quality.On the embedded system the Dynamic Range Chart method was used to analysis the splash information in DP600 spot welding.

embedded system；resistance spot welding；dynamic resistance；dynamic range chart

TG438.2

A

1001-2303(2011)10-0021-04

2011-05-05

張 軍(1975—)，男，山東單縣人，博士，主要從事過(guò)程控制、中厚鋼板自動(dòng)化焊接工藝和裝備的研究工作。