精密電阻點(diǎn)焊伺服加壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510640;2.廣州市精源電子設(shè)備有限公司，廣州 510735)

精密電阻點(diǎn)焊伺服加壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃紹枝1朱振柏1曹彪1楊凱2

(1.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510640;2.廣州市精源電子設(shè)備有限公司，廣州 510735)

針對電阻點(diǎn)焊氣動加壓方式存在的接觸沖擊力大、加壓過程中壓力波動大、焊接壓力和電極位移不可控等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種精密電阻點(diǎn)焊伺服加壓控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用伺服加壓和彈簧隨動相結(jié)合的加壓方式，采用高精度壓力傳感器對電極壓力檢測反饋，基于DSP控制器實(shí)現(xiàn)焊接壓力和電極位移的精密控制。采用分階段控制方法，該系統(tǒng)即實(shí)現(xiàn)了電極快速下壓，電極與工件軟接觸，又有利于優(yōu)化焊接加壓速度，具有更寬的工藝適應(yīng)性。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)加壓速度快，壓力曲線過渡平滑，焊接啟動壓力對焊接質(zhì)量影響明顯。

精密電阻點(diǎn)焊伺服加壓壓力控制位移控制

0 序 言

電阻點(diǎn)焊作為一種低成本，高效率的焊接方法，在汽車、電子、航天等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛[1]。目前電阻點(diǎn)焊最常用的加壓方式為氣動加壓方式。實(shí)踐應(yīng)用表明氣動加壓方式具有加壓過程中對零件表面沖擊力大，加壓壓力波動大且焊接壓力和焊接位移無法控制等缺點(diǎn)[2]。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子器件越來越趨向微型化和集成化，對于微型件的焊接需要精密的加壓控制保證，包括小壓力穩(wěn)定性、機(jī)械系統(tǒng)的隨動性等，然而傳統(tǒng)的氣動加壓方式已經(jīng)不能滿足上述控制要求。為了解決上述問題，必須要尋求可靠的加壓方式和控制技術(shù)來滿足對焊接壓力和電極位移控制的要求，從而保證微型零件的焊接質(zhì)量。伺服加壓具有響應(yīng)速度快，位移控制精度高，控制穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于電阻點(diǎn)焊設(shè)備具有焊接質(zhì)量優(yōu)良以及能顯著降低電極磨損等優(yōu)點(diǎn)[3-4]，應(yīng)用前景廣泛。

文中基于伺服控制系統(tǒng)、DSP控制器和小壓力控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種精密電阻點(diǎn)焊伺服加壓控制系統(tǒng)。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)控制要求，在焊接過程中能穩(wěn)定的控制焊接壓力、電極位移以及焊接過程中加壓速度，具有響應(yīng)速度快、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，能有效提高微型零件的焊接質(zhì)量和效率，具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 伺服加壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

伺服加壓控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，DSP控制器控制伺服放大器，伺服放大器驅(qū)動伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，滾珠絲桿模組將伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成點(diǎn)焊機(jī)頭的直線運(yùn)動，人機(jī)交互系統(tǒng)用于設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)。點(diǎn)焊機(jī)頭內(nèi)置彈簧和壓力傳感器，壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測電極壓力并將壓力信號輸出給DSP控制器。系統(tǒng)整個(gè)控制過程實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)對焊接壓力和電極位移的準(zhǔn)確、穩(wěn)定控制。

圖1 點(diǎn)焊伺服加壓控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.1 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1.1點(diǎn)焊機(jī)頭設(shè)計(jì)

基于微型零件的電阻點(diǎn)焊要求，設(shè)計(jì)的點(diǎn)焊機(jī)頭應(yīng)滿足如下條件：

(1)能方便調(diào)節(jié)彈簧預(yù)壓縮量。

(2)壓力傳感器安裝必須穩(wěn)定可靠且能準(zhǔn)確、穩(wěn)定地測量電極壓力。

(3)運(yùn)動機(jī)構(gòu)摩擦力小且保證加壓過程中上電極具有較高的直線度。

首先選取一款具有較好的剛度系數(shù)且抗疲勞性能好的精密壓縮彈簧，彈簧最大壓縮量為30 mm，最大壓力為30 N，根據(jù)公式(1)可知彈簧剛度系數(shù)為1 N/mm。

F=KΔx

(1)

式中,F為彈簧力;Δx為彈簧壓縮量;K為彈簧剛度系數(shù)。

根據(jù)設(shè)計(jì)的彈簧尺寸和所選壓力傳感器尺寸，確定傳感器安裝方式，采用彈簧預(yù)壓縮量結(jié)構(gòu)，保證在焊接加壓前通過預(yù)調(diào)節(jié)彈簧預(yù)壓縮量從而為焊接提供預(yù)壓力，提高焊接效率。

采用連接軸連接上電極夾具和彈簧支撐座，加壓過程中軸帶動支撐座壓縮彈簧，通過微型精密導(dǎo)軌滑塊固定連接軸，從而保證了電極下壓過程的直線度和電極力檢測的準(zhǔn)確性，加壓過程中僅滑塊和導(dǎo)軌間存在較小的摩擦力。

1.1.2傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一套傳動機(jī)構(gòu)將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成點(diǎn)焊機(jī)頭的直線運(yùn)動，機(jī)構(gòu)需具有如下特點(diǎn)：

(1)傳動效率高。

(2)運(yùn)動平穩(wěn)、可逆，剛性好。

(3)可實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給和微進(jìn)給運(yùn)動，進(jìn)給位移控制分辨率高且無滑移，重復(fù)位移精度高。

(4)方便與伺服電機(jī)軸相連且機(jī)頭安裝方便。

根據(jù)上述特點(diǎn)，選取滾珠絲桿運(yùn)動副作為傳動機(jī)構(gòu)[5]，伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器與絲桿直連，傳動比為1∶1，絲桿旋轉(zhuǎn)帶動滾珠螺母直線運(yùn)動，設(shè)計(jì)滾珠螺母有效行程為50 mm，螺母上固定一個(gè)滑塊用于安裝機(jī)頭，從而將電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成機(jī)頭的直線運(yùn)動。其中電機(jī)轉(zhuǎn)速與螺母進(jìn)給關(guān)系如公式(2)：

(2)

式中,n為伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速;v為滑塊進(jìn)給速度;p為絲桿導(dǎo)程。

取伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，滑塊進(jìn)給最大速度為250 mm/s，計(jì)算得絲桿導(dǎo)程為5 mm，設(shè)計(jì)最大焊接壓力30 N，為了保證加壓過程中絲桿的剛度，選取絲桿直徑為12 mm，重復(fù)位移精度為2 μm。

滾珠絲桿模組采取垂直安裝方式，設(shè)計(jì)模組支撐板和底座，根據(jù)模組安裝高度和承重，支撐板需具有較高的連接強(qiáng)度和剛度，從而保證加壓時(shí)電極偏移量在可控范圍內(nèi)。

1.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.2.1控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用32位DSP高速數(shù)字信號處理芯片，該芯片具有如下功能模塊：

(1)12-bit高速ADC采樣模塊。

(2)多路高速PWM輸出模塊。

(3)QEP正交編碼模塊。

(4)豐富的中斷模塊。

(5)豐富的I/O接口。

加壓過程中壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測電極壓力，ADC對輸出壓力信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，DSP根據(jù)采樣壓力信號和設(shè)定壓力值控制伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

高速PWM模塊輸出兩路高速PWM，設(shè)計(jì)PWM轉(zhuǎn)換電路將DSP單脈沖PWM轉(zhuǎn)換成一對相位差為180°的差動脈沖供伺服放大器驅(qū)動伺服電機(jī)，兩路差動脈沖分別控制伺服電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。其中，差動脈沖個(gè)數(shù)控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，可通過伺服放大器設(shè)定(在電子齒輪設(shè)置中選擇每轉(zhuǎn)指令輸入脈沖數(shù)為5 000 pulse/rev，即DSP輸出5 000個(gè)脈沖對應(yīng)伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈)；脈沖頻率控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度，其對應(yīng)關(guān)系如公式：

(3)

式中,n為伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速;f為DSP輸出脈沖頻率。

QEP正交編碼模塊用于對伺服編碼器反饋信號進(jìn)行編碼和計(jì)數(shù)，通過編碼器反饋信號可知伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和位置，該功能結(jié)合絲桿傳動參數(shù)可檢測和控制電極位移，其編碼器輸出值與電極位移量如公式：

(4)

式中,s為電極位移量;m為編碼器輸出值;p為絲桿導(dǎo)程。

中斷模塊包括外部中斷和內(nèi)部中斷，其中內(nèi)部中斷包括ADC中斷，PWM中斷等；外部中斷通過配置I/O口對外部輸入信號進(jìn)行控制，如通過配置外部中斷對伺服電機(jī)正、反轉(zhuǎn)極限行程控制，報(bào)警控制等。

I/O口用于配置整個(gè)系統(tǒng)間輸入/輸出信號，如焊接電源、人機(jī)交互系統(tǒng)、伺服電機(jī)等和DSP之間的輸入/輸出信號等。

伺服電機(jī)采用擁有131 072 pulses/rev高分辨率的增量式編碼器，輸出功率100 W，額定轉(zhuǎn)矩為0.32 Nm，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，伺服放大器設(shè)置最高脈沖頻率可達(dá)4兆脈沖/秒。

1.2.2壓力傳感器輸出信號處理

采用高精度壓力傳感器檢測電極壓力，測量范圍為0～50 N。傳感器輸出信號為一對共模差分信號，ADC采樣電壓范圍為0～3.3 V的單端電壓信號，設(shè)計(jì)壓力傳感器輸出信號調(diào)理電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 壓力傳感器輸出信號調(diào)理電路結(jié)構(gòu)圖

壓力傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出，經(jīng)過濾波、差分放大電路處理后轉(zhuǎn)換成單端電壓信號輸出，輸出電壓經(jīng)過減法電路調(diào)零，通過濾波、鉗位后輸出供ADC采樣。

在實(shí)際測量過程中得到傳感器壓力值和輸出電壓關(guān)系如圖3所示。

圖3 傳感器輸出電壓與壓力關(guān)系

如圖3所示，其中散點(diǎn)為實(shí)測壓力值和輸出電壓關(guān)系，線條為線性擬合曲線，其擬合方程式為：

y=0.091 64+0.019 61x

(5)

其線性擬合確定系數(shù)R2=0.999 92，表明回歸直線對實(shí)測值擬合程度較好，由此可以確定所用壓力傳感器滿足設(shè)計(jì)使用要求。

1.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

DSP控制器是電阻點(diǎn)焊伺服加壓控制系統(tǒng)的核心，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對焊接壓力和電極位移的精確控制很大程度上需要依靠控制器的軟件來實(shí)現(xiàn)。因此在完成控制系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)后，需要對控制系統(tǒng)進(jìn)行軟件編寫。

根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，軟件主要實(shí)現(xiàn)的功能為：

(1)系統(tǒng)初始化回原點(diǎn)。

(2)參數(shù)設(shè)置人機(jī)界面。

(3)電極位移控制。

(4)焊接壓力控制。

(5)整個(gè)焊接過程時(shí)序控制。

控制系統(tǒng)運(yùn)行主程序流程如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)主程序流程圖

開機(jī)系統(tǒng)完成初始化設(shè)置后，DSP控制器控制系統(tǒng)自動進(jìn)行原點(diǎn)，保證每次焊接前上電極都處于相同的位置。系統(tǒng)完成回原點(diǎn)后進(jìn)入人機(jī)界面掃描程序，此時(shí)可對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，人機(jī)界面為觸摸屏。參數(shù)設(shè)置人機(jī)界面設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 參數(shù)設(shè)置人機(jī)界面圖

系統(tǒng)主要參數(shù)如圖5所示，其中速度1和行程1分別為電極快速下壓至與工件進(jìn)行對位位置的速度和位移量；行程2為對位完成后電極以速度1快速下壓至接近工件的位移量；速度2為電極與工件軟接觸時(shí)的加壓速度；速度3為焊接過程中的加壓速度；啟動壓力為焊接電源放電時(shí)的電極壓力；對位時(shí)間為行程1和行程2之間電極停頓的時(shí)間。參數(shù)設(shè)置完成后系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)，此時(shí)啟動系統(tǒng)便可進(jìn)入工件對位和焊接操作，焊接完成后，DSP控制機(jī)頭回原點(diǎn)結(jié)束焊接。

此外，伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)行程限位開關(guān)，故障等信號檢測也需通過DSP進(jìn)行控制。

2 試驗(yàn)及分析

2.1 試驗(yàn)焊接對象及參數(shù)選取

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)能滿足設(shè)計(jì)要求，且在焊接過程中能實(shí)施穩(wěn)定的焊接，在完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)后需進(jìn)行焊接試驗(yàn)來驗(yàn)證。

2.1.1焊接試驗(yàn)對象

選取鎳片作為焊接對象，其尺寸及搭接長度如圖6所示。

選擇鎳片厚度為0.2 mm，焊接時(shí)，為了避免加壓時(shí)電極與工件表面產(chǎn)生硬接觸使工件表面產(chǎn)生壓痕，在焊接過程中需要控制電極與鎳片表面實(shí)現(xiàn)軟接觸，從而避免表面壓痕對焊接質(zhì)量產(chǎn)生影響。

圖6 焊件尺寸及搭接長度

2.1.2焊接參數(shù)選取

在進(jìn)行焊接試驗(yàn)前，首先針對焊接對象進(jìn)行大量的焊接試驗(yàn)并通過拉伸試驗(yàn)機(jī)驗(yàn)證焊點(diǎn)強(qiáng)度，以此通過不斷的試驗(yàn)優(yōu)化焊接電流、焊接時(shí)間和加壓速度。優(yōu)化后的焊接參數(shù)見表1。

表1 焊接工藝參數(shù)

優(yōu)化后焊接參數(shù)后，在相同的焊接參數(shù)下，通過改變焊接啟動壓力進(jìn)行試驗(yàn)得到不同焊接啟動壓力下焊點(diǎn)的強(qiáng)度。

2.1.3焊接試驗(yàn)

焊接試驗(yàn)過程選擇焊接啟動壓力分別為20 N,15 N,10 N,5 N和3 N進(jìn)行焊接，并通過拉伸試驗(yàn)檢測不同焊接啟動壓力下焊點(diǎn)的拉伸強(qiáng)度見表2。

表2 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

焊接完成后通過人機(jī)界面顯示焊接壓力曲線如圖7所示。由圖7可知，焊接過程中壓力曲線可分為四段，t1時(shí)刻前對應(yīng)焊接前預(yù)壓力曲線；t1～t2時(shí)間段對應(yīng)軟接觸階段壓力曲線；t2～t3對應(yīng)焊接過程中的加壓曲線；t4時(shí)刻為焊接結(jié)束后電極回退時(shí)的壓力曲線。

焊接過程中采用示波器檢測壓力傳感器輸出信號波形如圖8所示。

2.2 試驗(yàn)分析

焊接過程中采用不同的焊接啟動壓力進(jìn)行焊接，通過拉伸試驗(yàn)檢測不同壓力下焊點(diǎn)的強(qiáng)度。由表2可知，針對上述焊接對象，設(shè)定焊接啟動壓力在5 N附近時(shí)，焊點(diǎn)強(qiáng)度最穩(wěn)定且強(qiáng)度較好，當(dāng)壓力逐漸增大時(shí)，焊點(diǎn)強(qiáng)度逐漸降低，這是因?yàn)閴毫χ饾u增大，接觸電阻逐漸變小，使得散熱過多導(dǎo)致焊接區(qū)熱量減少從而降低了焊件的抗拉強(qiáng)度和焊接質(zhì)量。該試驗(yàn)表明設(shè)計(jì)的伺服加壓控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定地焊接，進(jìn)一步表明焊接過程中焊接壓力對焊接質(zhì)量具有明顯的影響。

圖7 人機(jī)界面壓力曲線圖

圖8 示波器檢測壓力信號波形圖

由圖7可知，焊接過程中壓力曲線可分為四段，第一段為焊接前預(yù)壓力曲線；第二段為軟接觸階段的加壓力曲線；第三段為焊接過程中的加壓曲線；第四段為焊接結(jié)束后電極回退時(shí)的壓力曲線。通過對比圖8可知，試驗(yàn)得到的焊接壓力曲線和示波器檢測所得壓力傳感器壓力信號曲線趨勢一致且不同階段壓力曲線過渡平滑，由此表明設(shè)計(jì)的伺服加壓控制系統(tǒng)滿足壓力控制設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié) 論

(1)采用伺服加壓和彈簧隨動加壓的方式，結(jié)合壓力反饋和編碼器反饋，可實(shí)現(xiàn)焊接過程壓力和位移的精密控制，適合微型零件的小壓力焊接。

(2) 采用分階段控制方式，既可實(shí)現(xiàn)電極快速移動、電極與工件的軟接觸，又可調(diào)整焊接壓力，焊接效率高，尤其適用于需要人工對位的手動焊接。

(3) 焊接過程中壓力曲線平滑過渡，焊接壓力穩(wěn)定，焊接啟動壓力對焊接質(zhì)量具有明顯的影響，焊接時(shí)優(yōu)化焊接啟動壓力可有效提高焊接質(zhì)量。

[1] 王亞榮，張忠典，馮吉才. 電阻點(diǎn)焊過程中動態(tài)電阻的變化規(guī)律[J]. 電焊機(jī)，2006，36(2): 42-44.

[2] Chien C S，Kannatey-Asibu E. Investigation of monitoring systems for resistance spot welding [J]. Welding Journal，2002，81(9): 195s-199s.

[3] 張小云，陳關(guān)龍，張延松，等. 伺服焊槍點(diǎn)焊PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 焊接學(xué)報(bào)，2006，27(7): 1-4.

[4] 張旭強(qiáng)，陳關(guān)龍，張延松，等. 電阻點(diǎn)焊的伺服焊槍技術(shù)特性分析[J]. 焊接學(xué)報(bào)，2005，26(6): 60-64.

[5] 周志紅，文懷興，楊東生. 滾珠絲桿安裝方式的研究[J]. 制造業(yè)自動化，2007，29(6): 68-72.

TG438.2

2017-06-21

廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目-珠江科技新星(2017010160466)

黃紹枝，1990年出生，碩士研究生。主要從事電阻點(diǎn)焊方向研究。