汽車車身電阻焊接自動控制系統(tǒng)

王 穎，仲穎鑫，張麒麟，張 毅

（1.上海汽車商用車有限公司，上海 200438；2.上海商科焊接設(shè)備有限公司，上海 201804）

0 引言

電阻焊是一種焊接質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動化的焊接方法。因此，自19世紀(jì)末問世以來得到了迅速發(fā)展，廣泛地用于航空航天、汽車車輛、輕工家電等行業(yè)。特別是近年來，隨著汽車工業(yè)等現(xiàn)代化大批量生產(chǎn)企業(yè)的不斷增加，電阻焊方法在整個焊接領(lǐng)域中的比例也在增加。在車身制造過程中電阻焊占到了90%，是最重要的一項(xiàng)工藝手段[1]。電阻焊的自動化運(yùn)用、質(zhì)量監(jiān)控也是現(xiàn)在汽車行業(yè)研究的熱點(diǎn)。

1 工藝要求及控制難點(diǎn)

電阻焊的優(yōu)點(diǎn)在于產(chǎn)熱集中、速度快、生產(chǎn)效率高。但其生產(chǎn)過程中對工藝條件要求也較高，并且質(zhì)量控制有一定的難度。

1.1 焊接質(zhì)量影響，傳統(tǒng)理論難以支持

電阻焊接過程較為復(fù)雜，包含了多種影響焊接質(zhì)量的因素，如被焊材料、焊接電流、電極壓力、焊接時間、設(shè)備冷卻、電極材料、形狀及尺寸、分流和工件表面狀態(tài)等。其中光被焊工件電阻率就分為被焊工件本身電阻、被焊工件之間電阻、工件與電極帽之間電阻，他們之間互相影響，并在焊接過程中不斷變化，對其變化規(guī)律研究較為困難[2]。

1.2 參數(shù)控制困難，生產(chǎn)管理困難

電阻焊焊接過程中，最重要的影響因素為焊接電流、焊接壓力和焊接時間。在生產(chǎn)過程中，多臺焊機(jī)的同時工作和電網(wǎng)電壓的波動都會對焊接電流產(chǎn)生一定的影響；焊接壓力受到工廠整條壓縮空氣管路的影響；通電時間的長短直接影響電流輸入熱量的大小，由于電極是內(nèi)水冷卻，電極上散失的熱量往往是輸入總熱量的一半，要相互配合調(diào)整，客觀的講每個焊點(diǎn)的焊接條件和結(jié)果都是不同的。由于生產(chǎn)節(jié)拍較高，樣本量大，焊接參數(shù)在生產(chǎn)過程中一般不做檢測，由工程師定期使用專用設(shè)備檢查校正，這也增加了由于設(shè)備參數(shù)變動造成質(zhì)量風(fēng)險的可能性。現(xiàn)在各家主機(jī)廠都有自己的焊接參數(shù)設(shè)置規(guī)范，但在實(shí)際設(shè)定過程中，一般都有20%的調(diào)節(jié)量，并且規(guī)范對于一些新工藝條件、新設(shè)備、特殊板材，并不適用。

1.3 控制手段單一

現(xiàn)在使用最多的焊接質(zhì)量檢查手段為生產(chǎn)線鑿檢和定期破檢。這兩種手段都存在一定的局限性[3]。鑿檢單個焊點(diǎn)需要占用一個生產(chǎn)循環(huán)內(nèi)10～20秒，很多被覆蓋焊點(diǎn)和底部焊點(diǎn)無法鑿檢，且鑿檢受工人技能熟練度和水平影響很大。破壞性檢查能夠最直觀反映生產(chǎn)線所有焊點(diǎn)質(zhì)量，但破檢周期一般至少一個月以上，有很大的滯后性，一旦發(fā)現(xiàn)虛焊、漏焊，往往已經(jīng)造成批量事故。并且以單個白車身兩萬元計(jì)算，破檢成本也很高。

1.4 未來的瓶頸

當(dāng)前汽車業(yè)向多品種小批量趨勢發(fā)展明顯，傳統(tǒng)的控制方法不但會對制造商本身帶來大量的成本壓力，同時產(chǎn)品的質(zhì)量風(fēng)險更是不可小覷。比如我們在同一系統(tǒng)上生產(chǎn)面向不同客戶的板材，可能是鍍鋅板與裸板的差異，也可能是高強(qiáng)度板與厚板件的差異，這些問題在某些個性化明顯的產(chǎn)品上甚至?xí)嵏铂F(xiàn)有的控制系統(tǒng)體系。

2 結(jié)合機(jī)電一體化的系統(tǒng)軟硬件改進(jìn)

針對以上問題，我們開發(fā)了焊接自適應(yīng)控制系統(tǒng)和焊接過程群體監(jiān)控系統(tǒng)。

2.1 基于動態(tài)電阻的焊接自適應(yīng)

動態(tài)電阻特性即焊點(diǎn)加熱過程中電阻變化的規(guī)律[5]。它綜合考慮電極間電壓和焊接電流對熔核生長的狀態(tài)影響，對焊接區(qū)熱量波動、表面狀態(tài)、壓力波動、分流、電極磨損、鐵磁性物質(zhì)伸入等影響因素的變化有較靈敏的反映。動態(tài)電阻曲線隨加熱時間變化如圖1所示。由圖可知焊接區(qū)的電阻在加熱的初期，由于工件表面的電流分布很不均勻，電阻很大。當(dāng)溫度增加，熔核開始形成時，接觸電阻消失，內(nèi)部電阻增大，電阻達(dá)到最大值。此后，隨著熔核的長大，接觸面積增大，電阻減小。由此可見，動態(tài)電阻的變化規(guī)律較為真實(shí)的反映了熔核的形成過程，掌握了動態(tài)電阻，可以更好的控制熔核的大小從而控制焊接質(zhì)量。

通過實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)動態(tài)電阻曲線與焊核的尺寸有密切關(guān)系，比如曲線后期下降的程度可作為有無飛濺的判定（一般出現(xiàn)飛濺時，電阻會出現(xiàn)瞬間跌落，如圖2所示）。

圖1 低碳鋼典型電阻曲線圖

圖2 存在焊接飛濺時的電阻曲線

無論是低碳鋼還是鋁合金，都可以使用跟蹤動態(tài)電阻曲線法來監(jiān)測點(diǎn)焊質(zhì)量。其原理為：在監(jiān)測之前，先把合格焊點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)電阻曲線儲存下來。焊接時，對每一個焊點(diǎn)的瞬時電阻值進(jìn)行監(jiān)測，與標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行比較從而判定焊點(diǎn)的質(zhì)量，這叫做動態(tài)電阻閾值法[6]。點(diǎn)焊過程中瞬時電阻可以通過實(shí)時采集次級電流和次級電流[4]，由公式1計(jì)算求得。

式中： wr 為動態(tài)電阻瞬時值；

uw為瞬時電壓；

iw為瞬時電流。

根據(jù)動態(tài)電阻變化及時調(diào)整焊接電流和焊接時間進(jìn)行補(bǔ)償，從而確保焊接能量、熔核直徑和焊點(diǎn)質(zhì)量，這個過程我們稱為自適應(yīng)。

理論上，考慮到設(shè)備的能力，焊接時間是一個大問題，如何滿足這個焊接調(diào)整時間，我們研究了焊接時間的調(diào)節(jié)，其原理簡圖如圖3所示，其中TR MAX1是Rmax(動態(tài)電阻最大值)出現(xiàn)最早時刻，TR Max2是Rmax出現(xiàn)最晚時刻；MT（1）是Rmax出現(xiàn)最早時刻時的焊接時間延長系數(shù)，MT（2）是Rmax出現(xiàn)最晚時刻時的焊接時間延長系數(shù)。

圖3 焊接時間延長

在焊接資料數(shù)據(jù)，即合格焊核的數(shù)據(jù)有效條件下，這個有效數(shù)據(jù)可以通過統(tǒng)計(jì)學(xué)方法來確定TR Max1、TR Max2及MT1，MT2，而補(bǔ)償時間則根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果調(diào)整為：

Rmax出現(xiàn)時刻小于等于TR Max1時，焊接時間為焊接時間（調(diào)試）× MT1。

Rmax出現(xiàn)時刻在TR Max1和TR Max2之間，焊接時間為焊接時間（調(diào)試）×（MT1+MT2）/2。

Rmax出現(xiàn)時刻大于等于TR Max2時，焊接時間為焊接時間（調(diào)試）× MT2。

無Rmax時（即從開始查找Rmax開始，電阻一直呈現(xiàn)遞減趨勢），焊接時間不變系統(tǒng)報錯。

基礎(chǔ)焊接參數(shù)基值電流、焊接時間（調(diào)試）、焊接時間由工藝人員參考焊接規(guī)范而得。通過焊接時參數(shù)的自動調(diào)整，對實(shí)際動態(tài)電阻與合格焊點(diǎn)閾值差進(jìn)行補(bǔ)償以獲得合格的焊點(diǎn)。

2.2 基于以太網(wǎng)的焊接過程群體監(jiān)控系統(tǒng)

如前文所述，實(shí)際生產(chǎn)中焊點(diǎn)質(zhì)量控制方法必須簡單可操作。有了基于自適應(yīng)的焊接系統(tǒng)，焊接系統(tǒng)本身由以往的粗放管理轉(zhuǎn)化到精確管理，報錯和故障的概率大大增加了，需要大量的人員支持這個系統(tǒng)。因此，我們要解決系統(tǒng)的直觀性，如圖4讓問題焊點(diǎn)可以直接通知到生產(chǎn)控制和質(zhì)量管理人員，減少問題發(fā)現(xiàn)的成本，從而從系統(tǒng)上優(yōu)化。通過將工藝文件導(dǎo)入系統(tǒng)，在發(fā)生焊接事故時，能與現(xiàn)場車號和唯一焊點(diǎn)編號相對應(yīng)，方便工藝人員追溯和缺陷快速返修；通過利用SQL建立焊點(diǎn)數(shù)據(jù)庫，記錄合格焊點(diǎn)并增加學(xué)習(xí)功能，利用自適應(yīng)系統(tǒng)不斷優(yōu)化動態(tài)曲線，最終獲得最佳焊點(diǎn)。做到既保證全過程的焊接質(zhì)量，又能保持良好的人員效率。

圖4 焊點(diǎn)監(jiān)控報警圖

基于這個理解，我們建立了基于以太網(wǎng)的焊接數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，如圖5所示，可以使作為現(xiàn)場生產(chǎn)單元的電焊機(jī)與目前基于以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議的企業(yè)信息系統(tǒng)無縫集成，從而使焊接生產(chǎn)過程的網(wǎng)絡(luò)化和信息化及電焊機(jī)的遠(yuǎn)程故障診斷成為可能。整個系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)焊接規(guī)范參數(shù)數(shù)據(jù)庫的維護(hù)、電焊機(jī)參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控和焊接規(guī)范的遠(yuǎn)程設(shè)置與網(wǎng)絡(luò)化管理。

圖5 焊接群體監(jiān)控系統(tǒng)

整套系統(tǒng)包含以下部分：執(zhí)行與采集信號單元（伺服焊槍），信號收集與轉(zhuǎn)換模塊載體（中頻直流焊機(jī)）以及監(jiān)控終端。整套系統(tǒng)通過以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議進(jìn)行傳輸，上位機(jī)采用C++編寫界面，保證了生產(chǎn)時隨時監(jiān)控焊點(diǎn)狀態(tài)。該套系統(tǒng)最終建立后實(shí)現(xiàn)了以下功能：1）通過監(jiān)測動態(tài)電阻、二次電壓、二次電流曲線發(fā)現(xiàn)可能存在缺陷的焊點(diǎn)發(fā)出報警并記錄。2）可以通過上位機(jī)直接對每臺焊機(jī)的焊接參數(shù)進(jìn)行編輯，改變了傳統(tǒng)的使用焊接編程器逐個修改的方法。

3 驗(yàn)證過程

為了驗(yàn)證自適應(yīng)系統(tǒng)的可行性，對試驗(yàn)工件進(jìn)行了焊接實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，我們使用同一焊接規(guī)范開啟自適應(yīng)功能，觀察在焊接不同板厚和有涂膠狀態(tài)下的動態(tài)曲線變化。

以下展示2組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，第一組是增加板厚；第二組是增加雜質(zhì)或車身膠。

圖6 不同板厚焊接曲線對比

第一組結(jié)果，由圖6對比可以得出，雖然使用的是同一焊接規(guī)范基礎(chǔ)焊接參數(shù)相同，但明顯三層板焊接比兩層板電流增加，焊接時間延長以獲得更好的焊接效果。

圖7 涂膠狀態(tài)下的焊接曲線

第二組結(jié)果，圖7表示存在點(diǎn)焊膠情況下電阻曲線，先通過預(yù)熱段檢測涂膠狀態(tài)，動態(tài)電阻瞬間跌落代表涂膠已被擊穿，然后恢復(fù)正常焊接。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明自適應(yīng)系統(tǒng)可以對焊接過程中的情況自動識別，并做出相應(yīng)補(bǔ)償，焊接效果優(yōu)于傳統(tǒng)恒電流方式。

4 結(jié)束語

通過跟蹤動態(tài)電阻曲線并與合格焊點(diǎn)電阻閾值比較可以準(zhǔn)確的監(jiān)測焊點(diǎn)的質(zhì)量，自適應(yīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)電流、焊接時間對動態(tài)電阻變化進(jìn)行補(bǔ)償，從而可以提高焊接質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)焊接質(zhì)量的自動控制。

通過利用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)備的串聯(lián)和群控，焊接群控系統(tǒng)可以幫助工藝人員快速發(fā)現(xiàn)焊接中的質(zhì)量事故，并在平時的焊接參數(shù)維護(hù)中起到快速調(diào)整的作用，既提高了工作效率也節(jié)約了成本。

隨著自動化和IT技術(shù)的發(fā)展，自動化控制系統(tǒng)能夠?qū)鹘y(tǒng)的車身電阻焊接控制問題提升為精確的系統(tǒng)，產(chǎn)品冗余達(dá)30%的傳統(tǒng)焊點(diǎn)設(shè)計(jì)可能被顛覆，以2013年中國汽車2211.68萬輛，以單車4000點(diǎn)計(jì)算，如果減少10%的冗余焊點(diǎn)，焊接系統(tǒng)的改進(jìn)單能源成本就可以節(jié)約15億，還不包括設(shè)備和人力投入，應(yīng)用潛力巨大。

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