電阻點焊焊接監(jiān)測儀的設計

管景凱 ，楊 凱 ，吳 敏 ，曾家銓 ，曹 彪

（1.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州510640；2.廣州市精源電子設備有限公司，廣東 廣州 510535）

0 前言

電阻點焊具有成本低、生產(chǎn)效率高和易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，在工業(yè)領域得到廣泛應用[1]。電阻點焊的過程具有高度非線性，存在多變量耦合作用和大量隨機因素相互影響，焊接條件短時波動可能造成飛濺、虛焊或脫焊。由于點焊形核時間短，無法直接觀察，目前對于點焊質(zhì)量還缺乏可靠、實用的無損檢測手段。

基于此，設計了以Microchip單片機為控制核心、觸摸屏為操作和顯示裝置的電阻點焊焊接監(jiān)測儀，用于在線監(jiān)測電阻點焊過程，實現(xiàn)各項參數(shù)的便捷設置和統(tǒng)一管理，焊接過程中電極電壓、電流、功率和動態(tài)電阻曲線的實時顯示以及焊接過程參數(shù)的實時監(jiān)測，為提高焊點質(zhì)量奠定了良好的基礎。

1 系統(tǒng)硬件設計

1.1 總體方案設計

電阻點焊焊接監(jiān)測系統(tǒng)主要由傳感器和控制系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)主要由單片機、觸摸屏、電流調(diào)理電路、電壓調(diào)理電路、RS485通信電路、串口在線調(diào)試電路、供電電路和網(wǎng)壓監(jiān)測電路組成。傳感器由羅氏線圈和測量雙絞線組成，如圖1所示。電阻點焊焊接監(jiān)測儀的控制器選用Microchip公司的PIC32 MZ0512EFE100型32位單片機，其主要特征為：工作性能高達330 DMIPS，頻率可達200 MHz，程序存儲容量512 kB和數(shù)據(jù)存儲容量128 kB，6個帶有8級FIFO緩沖區(qū)的UART模塊，支持RS232和RS485，最多6個采樣和保持電路，12位流水線型ADC。主要實現(xiàn)電阻點焊焊接監(jiān)測儀人機交互系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)采集、處理和發(fā)送控制等功能，RS485通信電路主要用于實現(xiàn)焊接過程數(shù)據(jù)實時發(fā)往PssC端以供進一步分析和觸摸屏實時顯示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 System block diagram

1.2 電壓調(diào)理電路

直接檢測電阻點焊輸出電壓可能會干擾控制電路，從而導致控制電路損壞。因此需要隔離主電路和控制電路，考慮到隔離器件昂貴，本研究使用高共模電壓差動放大器AD629ARZ作為接口檢測器件，其能夠在高達±270 V的共模電壓下實現(xiàn)對差動信號的精確測量，可保證檢測的安全。為了減小電極電壓測量的干擾，可選用雙絞線作為電壓的測量線，經(jīng)過低通濾波電路、差分放大電路和放大濾波后直接進入單片機。調(diào)理電路框圖如圖2所示。

圖2 調(diào)理電路框圖Fig.2 Conditioning circuit diagram

1.3 電流調(diào)理電路

電阻點焊次級電流的測量方法主要有：電流互感法、分流器法、羅氏線圈法及霍爾元件法[2]。由于所測電流為次級整流后含紋波的脈動直流電流，電流值遠大于初級電流值，采用霍爾傳感器或互感器測量存在磁滯、偏磁及磁飽和等問題，且體積較大，價格昂貴。柔性羅氏線圈具有體積小，便于安裝，無磁滯、磁飽和等優(yōu)點[3]，故選用羅氏線圈作為電流傳感器。

由于羅氏線圈輸出電壓與被測電流的微分成比例關系，故要從羅氏線圈的輸出信號中還原被測電流信號波形，應根據(jù)被測電流特點，對羅氏線圈兩端的輸出信號進行積分處理后再經(jīng)過放大及濾波處理，輸入單片機進行進一步的處理。

2 系統(tǒng)軟件設計

該系統(tǒng)控制軟件運用模塊化思想，根據(jù)電阻點焊焊接監(jiān)測儀的功能需求進行設計，使程序便于調(diào)試、維護和擴展功能，通過各模塊互相協(xié)作實現(xiàn)監(jiān)測儀的整體控制功能。電阻點焊監(jiān)測儀的程序結(jié)構(gòu)框圖如圖3a所示。其中系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)主要分為檢測采樣處理程序、與PC端通信程序和人機交互系統(tǒng)程序三部分。其中，檢測采樣處理程序主要用于實時采集焊接過程的電流和電壓數(shù)據(jù)、計算動態(tài)電阻和功率等；與PC端通信程序主要用于接收PC的指令和發(fā)送數(shù)據(jù)；人機交互系統(tǒng)程序主要功能是實現(xiàn)控制觸摸屏顯示曲線和數(shù)據(jù)變量等。

圖3 軟件框圖Fig.3 Software diagram

主程序的流程如圖3b所示，主程序主要包括設定測量模式子程序、波形顯示控制、在線監(jiān)測程序、統(tǒng)計分析子程序、人機交互子程序和掉電保存子程序等，整個程序相互協(xié)調(diào)運作。在ADC開始工作前，首先建立存放電流數(shù)據(jù)和電壓數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，根據(jù)設置測量參數(shù)的不同（如觸發(fā)方式和觸發(fā)電平等）采集電壓數(shù)據(jù)和電路數(shù)據(jù)，在測量并轉(zhuǎn)換的過程中，切換數(shù)據(jù)通道，從而實現(xiàn)電流數(shù)據(jù)和電壓數(shù)據(jù)的同步采樣，同時實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果決定是否報警并跳轉(zhuǎn)到相應的報警界面，當監(jiān)測無誤后，進入統(tǒng)計分析子程序，數(shù)據(jù)統(tǒng)計完成后，將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)打包處理后發(fā)往觸摸屏，觸摸屏根據(jù)曲線顯示設置顯示曲線。

3 人機界面的設計

觸摸屏集操作與顯示功能于一體，是一種較為簡單方便的人機交互方式，可以較大地較少按鍵電路和顯示電路的設計[4]。故選用觸摸屏作為人機交互系統(tǒng)界面的硬件載體，通過RS485通信電路實現(xiàn)單片機與觸摸屏的通信?？紤]到用戶操作的簡便性，將交互設計理念運用于人機界面設計中。人機界面采用扁平化設計，界面簡明[5]。該界面主要采用菜單式結(jié)構(gòu)，包括波形、通訊、測量設置、監(jiān)測、報警界面和鍵盤輸入界面等。主要人機交互界面如圖4所示。

圖4 人機交互界面Fig.4 Human-machine interaction interface

3.1 測量顯示界面

波形界面主要顯示區(qū)域：（1）顯示波形的曲線有電流波形曲線、電極電壓波形曲線、動態(tài)電阻波形曲線和功率波形曲線；（2）顯示焊接完一次后的電流最大值、電流有效值、電壓最大值、電壓有效值等。波形界面的布局如圖4a所示。

3.2 測量設置界面

測量設置界面主要用于設置測量參數(shù)，包括測量脈沖數(shù)量、觸發(fā)、采樣頻率、觸發(fā)電平和顯示曲線設定；本界面采用彈出數(shù)字鍵盤菜單式的參數(shù)輸入和簡單明了的風格。測量設置的界面布局如圖4b所示。

3.3 焊接監(jiān)測設置界面

監(jiān)測功能可用于實時監(jiān)測焊接過程的電極電壓、焊接電流和動態(tài)電阻，在用戶輸入需監(jiān)測的上下限值后，監(jiān)測儀實時對比設定值與采樣值，并根據(jù)對比結(jié)果來決定是否報警。測量設置的界面布局如圖4c所示。

4 試驗結(jié)果

4.1 測量曲線

試驗采用#D5型點焊頭和JYD-01L型電阻點焊電源對直徑0.06 mm的漆包線進行焊接試驗，焊接時間設置為55 ms，在恒流模式下焊接電流設置為450 A，在焊接過程中實時顯示電流波形、電壓波形、動態(tài)電阻波形、功率波形、電流最大值、電流有效值、電壓最大值、電壓有效值、電阻最大值、電阻有效值、功率最大值和功率有效值，如圖5所示。

圖5 實測波形Fig.5 Measured waveform

4.2 焊接過程信息監(jiān)控

在實際焊接過程中，焊機設定的電流和電壓如果超出或者低于設計的工藝參數(shù)，可能會發(fā)生質(zhì)量問題。例如，焊接電流過大可能會導致燒穿，焊接電流過小可能造成未焊透等。針對影響焊點質(zhì)量的主要工藝參數(shù)（如焊接電流、電極電壓、動態(tài)電阻和功率）進行監(jiān)測，監(jiān)測儀可根據(jù)設定上下限值實時監(jiān)測焊接過程。若超限即跳轉(zhuǎn)到相應的報警界面。電流超過上限的報警界面如圖6所示。

圖6 報警界面Fig.6 Alarm interface

4.3 測量精度對比

使用JYD-01L型電阻點焊電源，其最大輸出電流1 000 A、逆變頻率4 kHz；在恒流模式下設置不同電流參數(shù)并測試監(jiān)測儀精度，以MIYACHI產(chǎn)的MM-370B型焊接監(jiān)測儀所測電流為實測值，本監(jiān)測儀所測電流為顯示值。測試數(shù)據(jù)如表1所示。試驗結(jié)果表明，顯示值與實測值的相對誤差在±1%范圍內(nèi)，電流測量精度較高，符合預期要求。

表1 實測電流值Table 1 Measured current value

5 結(jié)論

（1）通過RS485串口通信實現(xiàn)單片機與觸摸屏的通信，設計了電阻點焊焊接監(jiān)測儀數(shù)字化人機交互系統(tǒng)界面，具有操作簡單和界面友好的特點。

（2）以Microchip公司的32位單片機PIC32MZ 0512EFE100為控制核心，實現(xiàn)了在不同測量參數(shù)下焊接電流曲線、電極電壓曲線、動態(tài)電阻曲線和功率曲線等的實時顯示。

（3）電阻點焊焊接監(jiān)測儀功能豐富，具有波形、測量設置、焊接監(jiān)測設置、通訊設置和焊接數(shù)據(jù)統(tǒng)計等功能，可為電阻點焊在線監(jiān)測和挖掘電阻點焊焊接過程信息提供技術支撐平臺。