動態(tài)信號處理在分析塑料焊接質(zhì)量上的應(yīng)用

□于海

沈陽新松機器人自動化股份有限公司 沈陽 110168

激光塑料焊接是一項新興的焊接技術(shù)，我國在這方面的技術(shù)尚在起步階段。目前，國內(nèi)企業(yè)在激光塑料焊接方面開發(fā)的設(shè)備還處于起步階段，在實際應(yīng)用中，塑料焊接質(zhì)量還很難控制，一般靠壓力測試來判斷，或?qū)⑺芰狭慵书_來觀察焊接表面的狀況，由此給產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測和生產(chǎn)效率帶來很大的影響。為了解決這些問題，本文介紹一種利用機械動態(tài)信號理論來分析焊接質(zhì)量的方法，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行焊接質(zhì)量的監(jiān)控和判斷。具體方法是：在原有激光焊接機的基礎(chǔ)上升級激光器，并對激光頭進(jìn)行功能改進(jìn)，采用動態(tài)信號分析原理，有效反饋焊接溫度的信息，使激光器焊接系統(tǒng)具有信號采樣收集、時域圖像顯示、PID參數(shù)設(shè)定等功能。并在此基礎(chǔ)上，分析得出一些判斷焊接質(zhì)量的規(guī)律，以及通過設(shè)定PID參數(shù)來達(dá)到理想的焊接質(zhì)量。

1 激光塑料焊接工作原理

該焊接機采用激光透射原理，將兩個塑料零件邊緣焊接在一起，兩個零件一個要求具有良好的透光性，另一個要求具有良好的吸光性，如圖1所示。當(dāng)激光頭發(fā)出激光束穿過透光性良好的零件Ⅰ，照射在具有吸光性的零件Ⅱ表面時，瞬間產(chǎn)生高溫，使零件Ⅱ表面融化，并使兩零件黏結(jié)在一起。由于塑料存在穩(wěn)定性差、易變形的特性，使得塑料零件的實際尺寸與理論尺寸有一定差別。為了使兩個塑料零件的焊接面能夠無縫緊密地接合在一起，必須用夾具將兩個零件邊緣牢固地夾緊，這樣焊后質(zhì)量較好。

▲圖1 激光焊接原理圖

▲圖2 升級后的信號收集原理圖

2 判斷焊接質(zhì)量的依據(jù)

①要保證夾具對零件的有效夾緊；②設(shè)定合理的焊接溫度，溫度過低焊接失效，溫度過高則會出現(xiàn)燒焦現(xiàn)象；③保持溫度恒定，否則焊接會出現(xiàn)不牢固現(xiàn)象。

3 改進(jìn)后的激光器焊接工作原理

改進(jìn)后的激光器在激光頭內(nèi)部增加了溫度傳感器，如圖2所示。當(dāng)激光束照射在零件上時，除了一部分光被吸收外，還有一部分光被零件反射（被反射的激光束），通過激光頭的鏡片進(jìn)入激光頭內(nèi)部，被溫度傳感器感應(yīng)，這樣就完成了系統(tǒng)的信號采集。

系統(tǒng)從焊接過程中提取了光學(xué)信息，這些信息本身具有能量，被溫度傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)闇囟刃盘枴囟葌鞲衅髅? ms采集一次光學(xué)信息，這樣對于整個系統(tǒng)的信號輸入就是離散的，理論時域圖如圖3所示。

4 反饋系統(tǒng)

▲圖3 理論時域圖

當(dāng)把溫度設(shè)定為某一值Ts時，希望實際焊接溫度與其相差不大，但是由于焊接表面的不光滑性，對激光的吸收和反射是不穩(wěn)定的，所以焊接溫度也是不恒定的，有時偏差很大，這就需要有閉環(huán)反饋系統(tǒng)，對焊接溫度不斷地調(diào)節(jié)，升級后的激光器反饋系統(tǒng)如圖4所示。

該反饋系統(tǒng)可以使輸入和輸出溫度接近一致，保證了溫度的恒定，這是保持良好焊接質(zhì)量的前提。溫度傳感器在反饋系統(tǒng)中對信號的采樣起到了重要作用。設(shè)定的溫度Ts是根據(jù)材料的本身特性通過實驗得到的，溫度信號通過反饋系統(tǒng)經(jīng)過幾次波動后，得到如圖5所示的溫度曲線。

然而，焊接中激光頭在伺服電機的帶動下以一定的速度在移動，也就是激光束也在不停地移動，這樣溫度傳感器采樣到的信號在零件表面不光滑的情況下總是以Ts為基礎(chǔ)上下波動，如圖6所示。從圖中可以看出，溫度曲線的波動是隨機的，但卻真實地反應(yīng)了正常焊接情況下溫度的曲線，這也是在焊接質(zhì)量良好的情況下得到的曲線。溫度信號本身蘊含著能量，用電流或功率表示會更確切，將圖6的曲線圖轉(zhuǎn)化為電流或功率的曲線圖，如圖7所示。

這種上下波動的曲線其波峰與波谷的差值有時很大，只要在允許的范圍內(nèi)就不會出現(xiàn)焊接無效或燒焦的現(xiàn)象。

圖4 閉環(huán)反饋系統(tǒng)

▲圖5 理論溫度曲線

▲圖6 實際溫度曲線

▲圖7 電流/功率曲線

5 PID調(diào)節(jié)和曲線分析

圖中上面的曲線是溫度曲線，下面的是功率曲線，可以看出，當(dāng)溫度設(shè)定在260℃、比例因子KP=1500、積分因子KI=100時，大部分區(qū)間段曲線基本平穩(wěn)，實踐證明，這樣的曲線是正常焊接時的反饋。但是，圖中劇烈波動區(qū)間（圖中畫圈處）的溫度曲線偏低，而功率曲線偏高，說明該段的焊接質(zhì)量不好，由于實際的焊接速度是勻速的，所以可以根據(jù)圖示的位置找到零件對應(yīng)的焊接無效的地方，然后將該段零件剖開，如圖9所示。

▲圖8 溫度/功率曲線

▲圖10 對應(yīng)零件的溫度/功率曲線

▲圖9 焊接無效圖

▲圖11 焊接燒焦圖

圖中黑色的線條是融化了的塑料痕跡，說明這些區(qū)間段焊接質(zhì)量良好，白色斷開區(qū)間段（圖中畫圈處）是焊接無效的地方，與圖8中的劇烈波動區(qū)間段對應(yīng)吻合，曲線如圖10所示。溫度曲線峰值高于Tmax（330℃），說明該點有可能燒焦，圖11是對應(yīng)的工件表面圖。可以判斷出實際的燒焦點（圖中畫圈處）和曲線的波峰處基本吻合，這樣就可以通過觀察系統(tǒng)輸出的溫度/功率的時域圖來判斷焊接質(zhì)量是否合格，如果不合格就通過調(diào)整PID參數(shù)值或溫度值來干預(yù)溫度曲線波形，使其穩(wěn)定，達(dá)到理想效果。

6 結(jié)論

綜上所述，改進(jìn)后的激光器通過運用機械動態(tài)信號的分析方法，增加了信號的反饋、采樣、處理和轉(zhuǎn)化的功能，并得到時域分析曲線，通過曲線來判斷焊接不良的區(qū)間段，并且通過系統(tǒng)的函數(shù)來影響干預(yù)曲線波形的平穩(wěn)性，來改善焊接質(zhì)量。這臺改進(jìn)后的激光塑料焊接機填補了國內(nèi)空白，并在實際應(yīng)用中達(dá)到了理想的效果。隨著控制系統(tǒng)的不斷發(fā)展和對溫度曲線函數(shù)化的研究不斷深入，還可以用更加準(zhǔn)確的函數(shù)波形來干預(yù)溫度曲線和用傅里葉變換或小波包分解等方法分析，可以給企業(yè)帶來更高的實際價值。

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