點(diǎn)焊規(guī)范參數(shù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

白志范，蔡洪豐，王文權(quán)

（吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130022）

點(diǎn)焊規(guī)范參數(shù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

白志范，蔡洪豐，王文權(quán)

（吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130022）

在不更換原來點(diǎn)焊控制器的基礎(chǔ)上，增加價(jià)格不高的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焊接電流、電極壓力以及電纜線損壞程度等焊接規(guī)范參數(shù)。通過單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換和逐點(diǎn)積分法實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接電流、焊接電纜兩端電壓、電極壓力的監(jiān)測(cè)和有效值的計(jì)算。通過計(jì)算電纜線電阻的方法判斷焊接電纜損壞的程度，結(jié)果表明，以ATMEGA128為核心的電阻點(diǎn)焊規(guī)范參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠有效監(jiān)測(cè)以懸掛式點(diǎn)焊機(jī)為代表的工頻交流點(diǎn)焊機(jī)的焊接參數(shù)，并且可以把相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)上，實(shí)現(xiàn)焊裝車間電阻點(diǎn)焊的網(wǎng)絡(luò)化管理。

電阻點(diǎn)焊；規(guī)范參數(shù)；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

0 前言[1]

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鐵路客車及汽車生產(chǎn)產(chǎn)量逐年攀升，汽車工業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一。軌道客車車體和汽車車身生產(chǎn)所使用的鋼板主要是薄板，厚度1.0～3.0 mm，接頭形式以搭接為主，電阻點(diǎn)焊是最合適的焊接方法。在產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，每一個(gè)焊點(diǎn)的焊接質(zhì)量直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量。懸掛式點(diǎn)焊機(jī)使用水冷二次電纜，電纜長(zhǎng)度約2.5 m，壽命約6個(gè)月。當(dāng)電纜的導(dǎo)線產(chǎn)生破斷的時(shí)候，并不容易被發(fā)現(xiàn)，只有在最后全部破斷無焊接電流時(shí)候才會(huì)被發(fā)現(xiàn)。在電纜導(dǎo)線破損初期，就會(huì)引起焊接電流下降，焊核尺寸不足，強(qiáng)度下降，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)無法形核，影響產(chǎn)品的質(zhì)量。懸掛式點(diǎn)焊機(jī)的電極帽也是易損零件，焊接了一定數(shù)量的焊點(diǎn)之后，電極帽的尺寸增大，導(dǎo)致焊接電流密度下降，焊核尺寸不足。另外，在網(wǎng)壓波動(dòng)、電極壓力不穩(wěn)定的時(shí)候，也會(huì)影響焊接質(zhì)量。

在不更換原來點(diǎn)焊控制器的基礎(chǔ)上，增加價(jià)格不高的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焊接電流、焊接電壓、電極壓力以及電纜線損壞程度等焊接規(guī)范參數(shù)。點(diǎn)焊規(guī)范參數(shù)系統(tǒng)還具備與上位機(jī)（服務(wù)器）保持通信的功能，這樣就把車間所有的點(diǎn)焊機(jī)用一臺(tái)或者幾臺(tái)服務(wù)器管理起來，對(duì)于焊接質(zhì)量的提高具有實(shí)質(zhì)的推動(dòng)作用，減少了產(chǎn)品的廢品率，節(jié)約了成本，提升了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

1 監(jiān)測(cè)原理

懸掛式點(diǎn)焊機(jī)采用的是恒電流控制器[1]。恒電流控制法的監(jiān)控原理為：在焊接過程中，對(duì)焊接電流有效值進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋監(jiān)控和調(diào)節(jié)，當(dāng)電流與規(guī)定值不相符時(shí)，調(diào)整晶閘管的導(dǎo)通角，使焊接電流穩(wěn)定在一定的范圍之內(nèi)[2]。恒電流控制法的缺點(diǎn)是對(duì)電極壓力波動(dòng)、電極磨損、分流以及材料表面狀態(tài)變化等影響因素的補(bǔ)償作用不大。鑒于恒電流控制器的特點(diǎn)，在焊接電纜損壞初期，電流并沒有發(fā)生多少變化，而此時(shí)焊接質(zhì)量已經(jīng)發(fā)生了明顯的變化。

1.1 電流有效值、焊極壓力監(jiān)測(cè)

電流有效值、電壓有效值、焊極壓力參數(shù)的監(jiān)測(cè)：通過電流傳感器、電壓傳感器、壓力傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)過調(diào)理電路之后，再通過單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和處理。

根據(jù)奈奎斯特采樣定理，當(dāng)采樣頻率大于信號(hào)中最高頻率的兩倍時(shí)，采樣之后的數(shù)字信號(hào)完整地保留了原始信號(hào)中的信息。工頻交流點(diǎn)焊機(jī)的電流頻率是50 Hz，20次諧波的頻率是1 kHz，一般實(shí)際應(yīng)用中保證采樣頻率為信號(hào)最高頻率的5～10倍，即采樣頻率為5～10 kHz。

計(jì)算電流有效值的常用方法有三種：峰值角計(jì)算法、導(dǎo)通角系數(shù)法、逐點(diǎn)積分法。由于本研究測(cè)得的數(shù)據(jù)量很大，且焊接電纜電阻很小，所以精度成為首要考慮因素，加之計(jì)算是在焊點(diǎn)的間隙時(shí)間，計(jì)算時(shí)間十分充裕，因此優(yōu)先選用逐點(diǎn)積分法。

根據(jù)逐點(diǎn)積分法的計(jì)算公式

MEGA128內(nèi)置8路10位精度的A/D轉(zhuǎn)換器，足以滿足要求。在理想情況下，A/D連續(xù)轉(zhuǎn)換的時(shí)間間隔是固定的，通過選擇合適的ADC時(shí)鐘，可以滿足采樣速度和精度的要求。

1.2 電纜損壞程度監(jiān)測(cè)

根據(jù)恒電流控制器的特點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)焊機(jī)焊接電纜損壞程度的方法是計(jì)算焊接電纜電阻。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件總體設(shè)計(jì)

點(diǎn)焊規(guī)范參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由上位機(jī)和下位機(jī)組成，下位機(jī)包括傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、單片機(jī)、外部ram、警報(bào)電路、程序下載電路、串口收發(fā)電路，如圖1所示。上位機(jī)使用串口助手軟件。

2.2 單片機(jī)

從單片機(jī)的價(jià)格、性能、片內(nèi)資源、開發(fā)環(huán)境、芯片的常用性等考慮，本研究采用ATMEL公司生產(chǎn)的ATMEGA128A-AU單片機(jī)，ATMEGA128A-AU具有豐富的片內(nèi)資源，是帶128 KB Flash程序存儲(chǔ)器的可編程8位微控制器，具有高性能、低功耗的特點(diǎn)，是AVR單片機(jī)中功能強(qiáng)大的單片機(jī)。

2.3 傳感器

（1）電流傳感器。

目前，電阻點(diǎn)焊過程中的焊接電流測(cè)量主要采用分流器法、電流互感器法、霍爾元件法和羅氏線圈法（次級(jí)回路空心線圈法）等。

羅氏線圈電流傳感器沒有磁飽和及磁滯效應(yīng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、體積小、頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大、絕緣性好、撓性線圈便于安裝等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電阻點(diǎn)焊的焊接電流測(cè)量。

本研究選用羅氏線圈作為電流傳感器，羅氏線圈電流傳感器主要應(yīng)用在焊接次級(jí)回路。

（2）電壓傳感器。

對(duì)于次級(jí)回路的電壓或者焊接電纜的壓降可以直接從電極或者電纜兩端引出兩條導(dǎo)線，這種安裝方式可以直接采集點(diǎn)焊過程中電極兩端的電壓值，能夠最直接反映點(diǎn)焊過程中上下電極間電壓的變化情況[4]。

（3）壓力傳感器。

電極力是采用氣閥（對(duì)氣壓式焊機(jī)）或者液壓閥（對(duì)液壓式焊機(jī)）調(diào)節(jié)的，它的反應(yīng)速度較慢，對(duì)壓力變化不敏感。近幾年已經(jīng)發(fā)展了數(shù)字式氣壓閥，調(diào)節(jié)精度可達(dá)9.8 N以下，并用微機(jī)控制，可以做到電極力基本平穩(wěn)，所以監(jiān)測(cè)氣路的氣壓也能反映電極的壓力。氣壓傳感器在電源供電的情況下，可以輸出0～5 V的電壓信號(hào)，提供給單片機(jī)用來采集壓力。

2.4 調(diào)理電路

調(diào)理電路框圖如圖2所示。

（1）電流信號(hào)調(diào)理。

羅氏線圈輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電流信號(hào)的微分成正比，因此，經(jīng)過積分電路以后再經(jīng)過多重反饋濾波電路LPF、精密整流電路，輸入到單片機(jī)作A/D轉(zhuǎn)換。

（2）電壓信號(hào)首先經(jīng)過Burr-Brown公司生產(chǎn)的隔離放大器ISO122P的隔離作用（ISO122P主要用于保護(hù)單片機(jī)的安全與可靠工作），經(jīng)過隔離放大器、多重反饋型LPF、精密整流輸入到單片機(jī)作A/D轉(zhuǎn)換。普通橋式整流電路由于二極管的正向壓降影響，當(dāng)輸入電壓在±0.5 V之間時(shí)是沒有輸出的，精密整流電路解決了一般整流電路由二極管所引起的非線性和門檻電壓所引起的影響（硅材料的二極管的導(dǎo)通電壓在0.6～0.8 V），實(shí)現(xiàn)了精密整流。

（3）壓力傳感器直接輸出0～5 V的電壓信號(hào)到單片機(jī)做A/D轉(zhuǎn)換。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

程序主要模塊如圖3所示，主程序流程如圖4所示。

A/D轉(zhuǎn)換之前，首先建立數(shù)組a[5 000]b[5 000]，在RAM開辟存儲(chǔ)空間，并判斷焊接是否開始，當(dāng)焊接已經(jīng)開始，則進(jìn)行連續(xù)的A/D轉(zhuǎn)換，并實(shí)時(shí)保存轉(zhuǎn)換結(jié)果。在轉(zhuǎn)換過程中，要不斷地切換通道，實(shí)現(xiàn)焊接電流、焊接電壓的同時(shí)檢測(cè)，由于在相位上焊接電流要滯后于焊接電壓，所以首先對(duì)焊接電壓信號(hào)采樣，再對(duì)焊接電流采樣。采樣子程序流程如圖5所示。

在每一個(gè)焊點(diǎn)的間隙時(shí)間內(nèi)，首先確定有效的采樣點(diǎn)數(shù)N，根據(jù)逐點(diǎn)積分法的計(jì)算公式，計(jì)算焊接電流I1、焊接電纜兩端的電壓U1的有效值，I1與焊接電流測(cè)試儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，通過多次修訂，最終得到一個(gè)比例系數(shù)K，在后期的電流測(cè)試中，通過I=K·I1獲得準(zhǔn)確的電流值。電壓中途經(jīng)過了比例電路，真實(shí)的電壓有效值U=K2·U2。再根據(jù)電阻值計(jì)算公式計(jì)算電阻R。

4 結(jié)果分析

低碳鋼電阻點(diǎn)焊采用恒電流控制法經(jīng)過還原后的實(shí)時(shí)采樣波形如圖6所示，給定熱量是55%，設(shè)定電流8.8 kA，周波數(shù)14，電極壓力2 400 N，采集點(diǎn)數(shù)5 000。相同焊接規(guī)范參數(shù)的條件下的電壓波形如圖7所示。

由圖6可知，采集的波形曲線十分平滑，與示波器波形比較，證明羅氏線圈+積分器真實(shí)的還原了電流波形，羅氏線圈對(duì)于點(diǎn)焊電流測(cè)試表現(xiàn)出很高的精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)，低通濾波電路對(duì)于諧波的抑制也起到了關(guān)鍵作用，測(cè)試曲線幾乎沒有諧波的產(chǎn)生。綜合對(duì)比多次的測(cè)試結(jié)果，證明設(shè)計(jì)的點(diǎn)焊監(jiān)控系統(tǒng)能夠精確測(cè)量工頻交流電阻點(diǎn)焊機(jī)的焊接電流、電纜兩端電壓等參數(shù)。

低碳鋼和高強(qiáng)鋼在不同焊接規(guī)范參數(shù)下得到的測(cè)試結(jié)果如表1所示，形核狀態(tài)也各不相同，經(jīng)計(jì)算系統(tǒng)測(cè)試得到的電流有效值與真實(shí)電流值的誤差最大為2.6%。證明系統(tǒng)采用逐點(diǎn)積分法具有較高的精度。

5 結(jié)論

（1）以ATMEGA128為核心的點(diǎn)焊規(guī)范參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)焊接電流、焊接電壓、電極壓力、電纜線損壞程度，波形真實(shí)地反映了焊機(jī)的工作狀況，證明傳感器的選擇、硬件電路的設(shè)計(jì)、軟件程序的編寫是合理的，實(shí)驗(yàn)證明在每個(gè)焊點(diǎn)的間隙時(shí)間足以完成數(shù)據(jù)的計(jì)算以及與上位機(jī)的通信。

（2）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是在不同的焊接材質(zhì)和焊接規(guī)范下測(cè)得，計(jì)算所得的焊接電流有效值、電纜線的電阻值的誤差都在5%之內(nèi)，可以滿足設(shè)計(jì)要求。證明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于不同焊接規(guī)范的適應(yīng)性良好。

（3）設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)重點(diǎn)是下位機(jī)，下位機(jī)具備以太網(wǎng)的擴(kuò)展接口，配合網(wǎng)絡(luò)控制器和上位機(jī)軟件，可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)設(shè)備的同時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)焊裝車間電阻點(diǎn)焊的網(wǎng)絡(luò)化管理。

[1] Natale T，Irving B.Automakers Set the Pace for Spot Welding the New Galvanized Steels.[J]Weld.J.1992，48（3）：47-52.

[2]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).電阻焊理論與實(shí)踐[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.

[3]李 韜，白 鋼.基于單片機(jī)的點(diǎn)焊電流有效值檢測(cè)系統(tǒng)[J].電焊機(jī)，2005，35（10）：20-24.

[4] Broomhead J.Monitoring the Quality of Resistance Spot Welding[J].Production Engineer（London），2005，58（2）：27-28.

申明

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特此申明。

《電焊機(jī)》雜志社

2014年1月1日

Real-time monitoring system for spot welding parameters

BAI Zhi-fan，CAI Hong-feng，WANG Wen-quan
（College of Materials Science and Engineering，Jilin University，Changchun 130022，China）

A network controller of low cost is added instead of by not replacement of existing spot welding controller to realize the real-time monitoring of welding parameters including cable damage degree，welding current、welding electrode pressure of all spot welding machines by one computer.Monitoring of welding current,welding voltage of cable,electrode pressure and their effective values are calculated by the MCU internal A/D conversion and point-by-point integration method.Judge the welding cable damage degree by calculating the cable resistance.The results show that the real-time monitoring system based on ATMEGA128 make effective monitoring for AC spot welding machine represented by suspension spot welding machine.The system can send data to the computer to realize the network management of welding workshop.

spot welding；welding parameters；real-time monitoring

TG438.2

：A

：1001-2303（2014）02-0014-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2014.02.03

2013-12-16

長(zhǎng)春市科技支撐項(xiàng)目（長(zhǎng)科技合（2011168））

白志范（1956—），男，教授，碩士，主要從事焊接新電源及焊接自動(dòng)化的研究工作。