（模式识别与智能系统专业论文）基于模糊综合评判的电阻焊机群控系统的开发.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 电阻焊机群控指对电阻焊机群组系统的协调管理和监控，是运用c a n 总线技术将各种设备和仪器的状态进行同步采集、综合分析、推理、判断， 实现对电阻焊机的基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、 优化及控管一体化的综合自动化功能。为保证焊接工作正常进行，提高焊 接质量，采用通电管制的思想对群组中焊机的运行进行管理与控制。本文 对电阻焊机群控系统进行了细致的研究和设计主要内容包括以下几个方 面： 首先，论文从电气工艺特性方面，定性分析了焊接电流对焊点的熔核 成型以及供电电压的影响焊接质量取决于稳定的焊接电流，在大规模焊 机群组系统中，如何保证每台焊机进行焊接时都能获得足够的焊接电流是 保证焊接质量的关键。群控系统通过模糊算法对焊机进行最优化通电管制 以保证每台焊机都能获得足够的焊接电流，从而达到保证焊接质量的目 的。 其次，对群组焊机工作过程中电网供电随焊机运行的变化情况进行了 分析探讨。电阻焊机具有大电流、短时间的工作特点供电变压器容量一 定时，多台大功耗焊机同时启动时所需的总焊接电流有可能超过供电变压 器的额定容限，将导致各台焊机供电不足，影响焊接质量，形成“虚焊” 另外目前常用的大功率电阻焊机多为单相焊机，焊机群组中焊机的随机启 动会导致三相不平衡，从而影响供电变压器的使用寿命。 第三，结合实际焊接生产，进行了电阻焊机群控系统的总体设计从 功能任务和实现方式等角度进行了详细地论述，并做了实际的开发设计 实现了c a n 总线与上位监控p c 机以及下位机焊机控制器的接口电路。制 定了上位机与下位机之间的c a n 数据通讯报文协议。 第四，提出了通电管制算法和优化的通电优先级模糊决策算法，优化 了对焊机通电请求的应答策略，实现了对焊接生产过程的绩效管理，限制 三相电路中的焊接电流不超过额定容限，在保证焊接电流的情况下，尽可 山东大学硕士学位论文 能实现三相平衡，保证了焊点的焊接质量和产品可靠性，优化了用户现有 资源的利用。 第五，基于w i n d o w s 系统，用v i s u a lc + + 编程实现了电阻焊群控系统 的软件开发。具有良好的人机交互平台和简单方便的操作模式，实时动态 显示以及故障处理和预警，优化可靠的生产管理和调度。以及完善的数据 交换、处理、存储和历史记录查询等功能。 关键词：电阻焊；群控系统；通电管制：模糊综合评判；生产管理 2 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s i s t 孤c cw e l d i n gg r o u pc o n t r o l ( r w g c ) r e f 打st ot h ec o o r d i n a t i o na n d m a n a g e m e n tc o n t r o lo fa 伊o u po fr e s i s t a n c ew e l d e 娼b yu s i n gt h cc 八nb u s t e c h n o l o g y ，r w g cs y s t c mc 0 1 l e c t s 蚰d 她a l y z e st h ed a t a 行o mt h ew e l d e r s 姐dt h cw e l d i n gp r o c e s s ，蛐dt h e np e r f o m sc o n t r o l ，c o m p e n s a t i o n ，p 盯锄e t e 船 m o d i f i c a t i o n ，a l a m i n g ， m o n i t o r i n g a n do p t i m i z a t i o n t h r o u g hs y n t h e t i c 锄a l y s i 8 孤dr c a s o n i n g t 0e n s u r en o 咖a 1w e l d i n g 锄di m p r o v ct h ew c l d i n g q u a l i t y ，t h i sp a p c rp r o p o s c sae l e c t r i c i t ys w i t c h i n gc o n t r o ls t r a t e g yt oc o n t r o l t h ew e l d c r so ft h cs y s t e m i i lt h i sp a p e r ，t h er e s e a r c h 粕dd e s i g no ft h e s i s t a n c ew e l d i n g 野o u pc o n t r o ls y 8 t c ma g i v e ni nd e t a i l t h em a i nc o n t 如t s o ft h i sp a p e r 盯c 粕f o l l o w s f i 髂t l y t h ci n n u c n c eo fw e l d i n gc u r r e n tt ot h em o l d i n go fw c l d i n gj o i n t m e l tk e m c la n dt h c8 u p p l yv o n a g ei sa n a l y z e dq u a l i t a t i v e l y t h cw e l d i n g q u a l “yd e p e n d so nt h cs t a b i l i t yo ft h ew e l d i n gc u r r c m d u r i n gt h ew e l d i n g p r o c c s sw i t ha 霉枷l po fw e l d e r 8 ，t oe n s u r ct h a tc a c hw e l d 盯w o r k sw i t h a d e q u a t cw c l d i n gc u r r e n ti s c r i t i c a lt ow e l d i n gq u a l i t y ：t h cr w g c8 y s t e m a d o p t sm z z yc l e c t r i c i t ys w i t c h i n gc o n 协d ls t 豫t e g yt oe n 8 u c a c hw c l d e f w o r k sw i t ha d c q u a t ew c l d i n gc u r r e n t s c c o n d l y ，t h i 8p 印c rd i 8 c u s s e st h ci n n u c n c eo ft h ew e l d i n gp r o c e s 8t o t h ep o w c rs u p p l ys y s t e m w e l d i n gp r o c e s sh a sc h a r a c t e r i s t i c so fh ig ：hc u r r c n t a n ds h o r tw o r l 【i n gp e r i o d w h e nan u m b e ro fw e l d e rw o r k ss i m u l t a n e o u s l y t h e t o t a lw e l d i n gc u m n tm a ye x c e e dt h cc a p a c i t yo f t h et r 狮s f b m e 伪，w h i c hw i u l e a dt ot h es h o n a g eo fw e l d i n gc u 盯e n ts u p p l y ，a n da f f e c tt h cw e l d i n gq u a l i t y u s u a l l yt h ew e l d e r sh a v es i n g l cp h a s ep o w e rs u p p l y i nt h cw e l d i n gp r o c e s s w i t hag r o u po fw c l d e r s ，t h cw e l d 盯sw o r km d o m l y t h i sw i l ll e a dt o 姐 i m b a l 锄c eo ft h r e ep h a s cp o w 盱s u p p l y 锄dm a ym a k cp o w 盯t r a n s f o 皿e r s w o r ki m p r o p c 订y t h i r d l y t h i sp a p e rp r e s e n t st h ef u n c t i o nd e s i g na n di t si m p l e m e m a t i o n o ft h cr w g cs y s t 锄i nd e t a i l na l s od e s i g n st h ei n t e r f a c cc i r c u i tb e t w e c n s j a l o o oc a n c h i pa n dp c ，a n dd e v e l o p st h ep a c k c td a t ac o m m u n i c a t i o n p r o t o c 0 1 f o u r t h l y aw o r k i n gr e q u e s tq u e u ec o n t r o la l g o r i t h ma n da no p t i m i z e d 山东大学硕士学位论文 p o w c r o np r i o r i t yf u z z yd e c i s i o nm a k i n ga l g o r i t h m 盯ep r o p o s e d ， w h i c h o p t i m i z e st h ew e l d i n gp r o c e s s蚰dt h ew o r k s h o pr e s o u r c e s ， e n s u r e st h e w e l d i n gq u a l i t y 锄d e n s u r e sm a tt h ep o w e rs u p p i ys y s t e mw o “【si nab a l a n c e d w a y f i n a n y t h er w g cs o f t w a i sd e v e l o p e dw i t hv i s u a lc + + b a s e do n w i n d o w sx p t h es y s t e mh a sag o o dm a n - m a c h i n ei n t e r f a c e 柚dt h ef u n c t i o n s o fd y i l 锄i cd i s p l a y ，f a u l ta l 删i n g ，c o m p r c h e n s i v c 觚d l i a b l ed a t a 懿c h 柚g e ， p r o c e s s i n g 锄ds t o r a g e ，e t c k e y w o r d s ：r e s i s t 锄c cw e l d i n g g r o u pc o n t m ls y s t 锄，p o w e ro n o f fc o n t r o l ， f u z z ys y n t h e t i ce v a l u a t i o n ，p r o d u c t i o nm a n a g c m e m 2 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：_ ；扯孽了一日期：她 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名：弦鑫字印 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 焊接技术是机械制造业、建筑业及其他行业中广泛应用的加工技术之 一。工业发达国家钢产量的4 0 左右是经过焊接加工才成为工业产品。焊 接作为现代工业重要的加工工艺，已广泛应用于造船、化工、冶金、建筑、 机械、汽车、轻工、电力等多个行业，同时在航天、电子、原子能等国防 尖端工业中也起到了关键的作用 电阻焊是焊接方式的一种，因其操作简单。易于实现机械化和自动化， 改善劳动条件，生产率高，且无噪声及有害气体，在大批量生产中，可以 和其他制造工序一起编到组装线上等优点越来越受到重视。随着汽车、航 空航天、建筑、运输以及轻工家电等工业的飞速发展，为了适应新材料、 新工艺、新产品在工业上开发应用的需要，以满足现代化生产的要求，电 阻焊作为工业产品制造中的一种广泛使用的材料加工工艺，也受到了很大 的挑战。近十年来，各国焊接界在电阻焊工艺和设备控制方面做了大量的 研究工作 焊机市场的迅猛发展，对焊接技术、工艺的发展和生产的机械化、自 动化水平的要求进一步提高现代化大生产作业趋向于规模化和智能 化，焊机生产线的批量式、流水线工作方式势在必行由此，对大规模电 阻焊机群组的协调管理和监控就成为了一个新的研究课题电阻焊机 群控系统的研究和开发 1 2 国内外智能化焊机控制系统的发展状况 从七十年代起，计算机技术开始在焊接行业中得到广泛的应用九十 年代初国际焊接学会就把这类应用概括为“计算机辅助焊接技术” ( c o m p u t c r a i d e dw e l d i n g ，c a w ) 现在c a w 除了包含焊接结构和接头的 计算机辅助设计、焊接工装计算机辅助设计、焊接工艺计算机辅助计划， 焊接工艺过程计算机辅助管理等主要方面外，还涵盖了焊接过程模拟、焊 接工艺过程控制、传感器以及生产过程自动化等与计算机应用有关的方面 山东大学硕士学位论文 1 9 9 7 年7 月英国焊接研究所( t w i ) 和美国焊接学会( a w s ) 、美国 国家标准与技术研究所( n i s t ) 等单位联合起来在国际焊接学会5 0 周年 大会前召开了第七次c o m p u t e rt e c h n o l o g y i n w e l d i n g 国际会议，就应用实 例、软件开发、焊接过程模拟与控制等方面进行了交流。我国也曾召开过 “焊接专家系统研讨会”、“全国计算机在焊接中的应用交流会”等，对我 国焊接工程中的计算机应用起了很大的促进作用。 目前，计算机在焊接工程中的应用主要表现为几个方面，如图1 1 所 示。 图1 1 计算机辅助焊接技术示意图 其中焊接信息数据库、焊接生产文档管理、生产过程计划与管理中计 算机的应用促进了生产过程管理的规范化、标准化，大大提高了生产效率， 缩短了生产周期，提高了产品质量，降低了成本，特别的是可以使焊接技 术人员从繁重的日常事务工作中解脱出来，将主要精力放在重要技术问题 的研发上 如果不是仅从某一工艺出发加以考虑，而是从整个生产过程考虑全面 2 山东大学硕士学位论文 地应用计算机和网络技术，自8 0 年代以来提出了计算机集成制造系统 ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m 一一c i m s ) 的设想【2 1 可以认 为，c i m s 是从订货到加工、直至发货的全部过程的各步骤都可以从计算 机中及时地得到必需信息的集成系统。在机械加工领域中，c i m s 是围绕 数控加工中心的c a d 、c a p p 、c a q 、c a m 等的信息集成系统在焊接结 构生产中，c i m s 则是围绕焊接机器人进行装配、焊接的信息集成系统。 示意地概括为图1 2 ：蔓：重：、o ；：孝妻：竺i 篓：曩：衍谕一j 一一。 = - 一；遍：? 赫f ：一： ：j = ：j ：装运、发货；： 。 图1 2 焊接结构c i m s 示意图 焊接c i m s 中，c 舢讧部分的核心是焊接机器人。 此外，更多计算机技术的新发展也在焊接工程中得到了应用，如：人 工智能、专家系统、神经网络、模糊理论、模糊控制、数据挖掘( d a t 锄i n i n g ) 等 英国焊接研究所和不少单位都在焊接工程中引入神经网络技术方面 山东大学硕士学位论文 开展过研究工作美国n a t e c h n o i o g i e s 公司为美国海军和福特汽车公司 提供了将神经网络用于焊接工程的技术支持。针对不同的生产条件n a t 公司开发了相应的神经网络软件包解决生产中的问题。例如，为福特汽车 公司开发的神经网络系统，可以模拟钎焊搭接街头的生产效果。神经网络 的输入参数为保护气体成分、填充金属种类、脉冲电流频率、钎焊速度、 焊接电压及钎焊送丝速度等。在国内，清华大学、华南理工大学等单位也 曾研究过在焊接工程中应用神经网络的技术【3 1 。 专家系统起步较早，目前各国研究机构已从不同侧面、以不同形式， 研制了多种类型的焊接专家系统，主要集中于工艺的制定、缺陷分析、材 料设备选择等方面比较典型的如：美国科罗拉多矿业学院( c s m ) 与美 国焊接研究所( a w i ) 联合研制的w e l d s e l e c t o r 材料选择专家系统，该软件 开发得到美国国家标准局( n b s ) 的支持、英国焊接研究所( t w i ) 研制 的g a ss e l e c t o r 焊接保护气体选择专家系统和w e l d g 吼焊接工艺制定专 家系统、德国a c h e n 工业大学焊接研究所( i s f ) 研制的m a g w i n 焊接 工艺优化及焊接缺陷分析专家系统以及清华大学研制的“弧焊工艺制定与 咨询专家系统”e s w 等【4 】。 模糊理论主要应用于控制领域，日本大岛等人一直从事将模糊控制理 论用于焊缝跟踪方面的研究【5 1 。 数据挖掘是近年来才发展起来的一种人工智能技术数据挖掘是通过 某一种算法，在若干相关的数据库中发掘出此前不知道的有价值的可供决 策参考的因素。数据挖掘所采用的算法可以是神经网络、模糊逻辑、数理 统计或决策树等，由此可见，运用数据挖掘技术的前提是已具备了相当数 量的相关的数据库，而且这些数据库要能够相互支持【6 l 。 微机控制技术在焊接设备中的应用已愈来愈广泛，从以上介绍的内容 来看，国外发达国家的发展趋势是：在高性能的微机控制焊接电源基础上 发展智能化焊接设备与在现有的焊接机器人基础上发展柔性焊接工作站 或焊接生产线。而国内，在微机控制焊机及低成本焊接自动化方面的研究 起步早，但商品化的产品少，成套产品更少，今后努力的方向是将研究成 果二次开发为批量产品，以形成良性循环。目前看来迫切需要重视发展的 是【7 1 ： 4 山东大学硕士学位论文 ( 1 )优化选择较成熟的微机控制焊机研究成果，在制造工艺上加以 改进使之应用于批量式生产。形成规模。 ( 2 )进一步研究开发模块化的微机控制系统硬件与软件产品，包括 硬、软件的接口扩展配套产品。、 ( 3 )加强焊机设备智能化控制的实用性研究。可以是整机结构的专 用焊机，也可以是灵活组合微机控制的自动焊头、跟踪器、视 觉控制器、焊接参数编程器、群控系统等的组合结构。 1 3 电阻焊群控系统的研究背景 目前在国内外电阻焊接领域，应用最广泛的仍是单相工频交流电阻焊 机【叭，这种交流焊机的功率一般都在l o o k v a 以上，有的甚至达上万千伏安 电阻焊机群控系统作为当前焊机控制的一种发展方向，国外一些机构已经 进行了研究开发我国从八十年代末才开始引进电阻焊机群控的概念，目、 前电阻焊机群控的应用多为低级的控制产品，以天津商科为代表的焊机公 司开发研究的群控产品，均为p l c 控制，自动化、智能化程度不高，应用 范围受到很大局限另外，焊接企业中，群控系统的应用尚处于初级阶段， 更高层次和水平的群控系统仍有待进一步开发。 通过研究发现，目前群组电阻焊机系统的开发存在的主要问题有： ( 1 )焊接电流不足造成“虚焊”现象。多台焊机同时工作时，由于 供电变压器容量一定，往往会导致焊机供电不足，焊接电流达 不到设定的工作电流，形成“虚焊”，影响焊点的焊接质量。 用户往往通过增设变压器的方法解决该问题。投资大，周期长 ( 2 )三相不平衡的问题。9 5 的电阻焊机为单相供电，当电阻焊机 随机启动时，往往造成三相不平衡，甚至使供电变压器处于超 负荷运行状态，缩短其使用寿命，进而引起对供电变压器的严 重损坏 ( 3 )单片机、p l c 群控系统，多采用r s 4 8 5 通讯方式，通讯速度慢。 适合于简单的小规模群组系统，速度慢。工作效率低，达不到 阻焊群控系统快速响应的实时性要求，而且无法实现高级决策 优化算法控制，应用范围窄，智能化程度不高 5 山东大学硕士学位论文 开发的最大难点在于：控制算法的最优化，即最优化的通电管制。 本论文采用计算机群控的方法解决以上问题，由上位监控计算机实施 对焊机运行的决策和控制，限制某一时刻三相线路中工作焊机的总功耗不 超过额定容量，通过智能调节使多台焊接机即便同步完成机械动作也能保 证焊接瞬间错开，使得每个焊点进行焊接时获得足够的焊接电流，内核成 型稳定，提高了焊接质量，同时满足焊接实时性等各种要求，也保证了焊 接工作效率。 较增设变压器的方法，群控系统具有成本低、见效快，可实行有效的 智能化管理等优点。尤其适合于企业对现有生产系统进行升级和改造。 1 4 本论文主要研究及贡献 本论文采用计算机群控技术，通过计算机统一协调管理各设备的运行 引入了模糊综合评判算法，改变了以往控制系统中单一的高低优先级决策 算法，基于实时控制及实际生产要求，保证能够同时达到生产活动的实时 性以及最大效益的要求。 本文主要研究内容是： ( 1 )论文从电气工艺特性方面，定性分析了焊接电流对焊点的熔核 成型以及供电电压的影响； ( 2 )对群组焊机工作过程中电网供电随焊机运行而发生变化的情 况进行了分析探讨； ( 3 )结合实际的焊接生产，进行了电阻焊机群控系统的总体设计， 制定了c a n 通讯数据报文协议； ( 4 )提出了通电管制算法和优化的通电优先级模糊决策算法，实现 了对群控系统的优化管理和有效控制： ( 5 )基于、矾n d o w s 系统，用v i s u a lc + + 编程实现了电阻焊群控系统 的软件开发。 1 5 本章小结 基于电阻焊机的应用发展及现代工业化大生产的发展要求，分析了电 阻焊机群控系统的研究意义；系统分析和介绍了国内外焊机控制领域的发 6 山东大学硕士学位论文 展现状及其工业化、智能化、柔性控制等主要的研究方向；深入探讨了电 阻焊机群控的课题背景 7 山东大学硕士学位论文 第二章电阻焊接工作过程及性能研究 本章以山大奥太x d 1 6 0 x d 2 0 0 d n 3 1 6 0 t d n 1 0 0 等型号焊机为例， 对电阻焊机的工作过程及性能进行了深入的研究和分析。 图2 1t d n 1 0 0 型固定式点焊机 图2 2d n 3 1 6 0 型点焊机 山东大学硕士学位论文 2 1 电阻焊接工作原理 电阻焊是将被焊工件压紧于两电极之间，并通以电流，利用电流流经 工件接触面及邻近区域产生的电阻热，将其加热到熔化或塑性状态，使之 形成金属结合的一种焊接方法【9 ，1 0 】如图2 3 所示 电 晶闸管加压 图2 - 3 电阻焊原理 焊区所产生的热量可根据“焦耳定律”确定 ，1 q 。i 2 r ( f ) 疵 ( 2 i 1 ) 式中砸) 为通过焊接区的瞬时电流值( 单位：a ) ；用”为两电极间的 总电阻，包括工件电阻与接触电阻( 单位：q ) ，是时间的函数：f ：为 焊接电源流通时间( 单位：s ) 。以有效值表示，上式可简化为： q = ，2 甩 ( 2 1 2 ) 焊接的工艺规范参数指的就是在焊接过程中，决定金属加热和塑性变 形的参数。基本的规范参数包括焊接电流、焊接时间、电极压力以及电机 工作端面尺寸 焊接电流对热量的产生影响最大；焊接时间影响析热与散热。焊接时， 根据材料的物理性能、焊件厚度与装配精度、焊机容量、焊接表面质量的 要求等来确定通电时间的长短；电极力影响接触电阻和焊件内部电阻，即 影响热源的强度与分布，同时影响电机散热的效果和焊接区的塑性变形。 但其他参数不变时，随着电极力的增大，电极一焊件、焊件一焊件接触面积 增大，使焊接区加热减弱，散热增强，熔核尺寸减小，强度下降，稳定性 9 山东大学硕士学位论文 f 降 电阻焊机按其焊接方式的不同，一般有点焊机、凸焊机、缝焊机和对 焊机等几种类型。采用的电源有工频、低频、直流冲击波、二次侧整流与 电容储能等。 电阻焊电源具有如下特点： ( 1 )由于电源要对焊机提供瞬时大电流，因而要求电源二次电压低 ( 固定式焊机不超过1 2 v ，分体悬挂式点焊机不超过2 4 v ) 。回 路阻抗小( 一般在几微欧到几十微欧内) 。 ( 2 )功率大( 变压器功率一般在几十到几百千伏安，甚至可达上千 千伏安) ，且具有较好的调节性能，调节方便，控制精确。 ( 3 )工作不连续。电阻焊电源的负载持续率比一般弧焊电源低。 2 2 焊接工作过程与工艺分析 加压和通电是电阻焊接的重要过程，不同的加压和通电时间，不同的 电极力、电流强度及其变化形式等组成各种焊接循环。但是无论哪种循环 过程，都包括三个基本阶段：预压阶段、焊接阶段和冷却结晶锻压阶段 【“1 2 】。正确选择三个基本阶段的有关参数，是提高生产力和获得优质焊接 效果的保障。图2 4 表示一个基本焊接循环，图中，代表焊接电流，代表 施加电极压力。 1 0 o d ， 飞一 ， i ，f ( a )( b ) 图2 4 点焊时电流，及电极压力f 随时间，的变化 ( 1 )预压阶段 预压阶段的作用是使焊件的焊接部位形成紧密接触点，要求电极压力 山东大学硕士学位论文 在焊接电流接通以前达到焊接工艺规范规定的参数数值。由于电极压力与 接触电阻成反比，如果电流过早接通，此时接触电阻很大，将在接触电阻 处产生过多热量造成金属熔化，焊件与电极都可能被烧坏【1 3 l 。 ( 2 ) 加热阶段 被挤压在电极问的焊件由电流通过时产生的热量加热，达到熔化状态， 形成熔核，结晶后在焊件之间形成牢固的结合。熔核外部的金属，因通过的 电流较小，只能达到塑性状态，形成包围熔核的塑性金属环，防止熔化的液 体金属飞溅。 合理的焊点尺寸，必须用合理的工艺条件来保证，包括焊前、焊后处 理，焊接循环和焊接规范参数等 ( 3 ) 冷却结晶阶段 此段又称煅压阶段，熔核是在电极压力的作用下冷却结晶的，电极的 挤压可使正在结晶的金属变得致密，不会产生缩孔及裂纹【1 4 l 。所以，电极 压力在焊接电流断开、熔核金属全部结晶后才能去除对于1 8 伽厚的钢 板，煅压时间为o 1 2 5 s ，焊接较厚焊件( 1 5 衄的铝合金，5 m m 的 钢板) ，在切断焊接电流经间歇时间0 o 2 s 后加大煅压压力1 5 ，1 6 1 进行电阻焊接时，焊接电流强度大，通电时间短通常，习惯于把一 次通电称作一个电流脉冲每焊接一个焊点都需要一个或几个用来形成熔 核的主脉冲。根据材料与焊接要求，有时还带有预热和后热等辅助电流脉 冲【l7 1 ( 1 )单脉冲规范：一个焊接循环中，只通一次电流脉冲，焊接电流 脉冲的幅值可以是不变或带有递增和递减。 ( 2 )双脉冲规范：根据辅助电流脉冲加入的时间和所起的作用，可 以分为预热和后热两种规范，如图2 5 所示 山东大学硕士学位论文 1 2 j 以l l 一 丁 ； l l f ( - ) 带预热脉冲 ( b ) 带后热脉冲 圈2 - 5 双脉冲规范及焊接区温度( t ) 变化 预热电流脉冲规范，是在焊接电流脉冲之前通一较小的( 4 0 5 0 ，) 电流脉冲，用于对焊接区金属进行预热，提高塑性变 形力，使电极能更好的压紧焊件，避免在接通焊接电流脉冲时， 产生飞溅或烧毁焊件与电极。两次电流脉冲之间的间隔时间f 。 应尽可能短或等于零。 后热电流脉冲规范，在熔核冷却结晶时，需再接通一个较小的 电流脉冲( 7 0 8 0 ，) 进行缓冷，延缓熔核的冷却结晶速度， 避免产生淬火组织，提高锻压力作用。f 也应尽量短。 ( 3 )多脉冲规范：在焊接电流主脉冲之外，再附两个以上的辅助脉 冲，对焊接区进行预热、缓冷，延缓熔合结晶，以改善焊接质 山东大学硕士学位论文 量 电阻焊机实际工作过程中影响最大的是工作循环，即每个焊接周期内 电极压力和电流对时间的动态变化及其相互关系。本系统中涉及到的工作 循环如图2 6 。 其中：t l ：初期加压延迟 t 3 ：斜升时间 t 5 ：第一冷却时间 t 7 ：第二冷却时间 t 9 ：维持时间 圈2 6 焊接工作循环 t 2 ：初期加压时间 “：第一焊接时间 t 6 ：第二焊接时间 t 8 ：第三焊接时间 2 3 电阻焊电气工艺特性的实验分析 电阻焊机工作时的一个突出特点是大电流、短时问焊接电流值视焊 接规范的不同，往往都在几千安培，甚至上万安培。在群控系统中，经常 存在多台这样大电流焊机要求同时运行的情况，这可能对系统的稳定性及 工作效率等方面产生不良影响。对此，我们进行试验分析如下： 常用的焊接电流脉冲波形如图2 7 所示【哺】 1 3 山东大学硕士学位论文 l 氛一瓣一极狐一锻 上一 喇v 乞vvy 。 图2 7 常用焊接电流波形 2 3 1 焊接电流对电网电压影响的实验及分析 因为电阻焊机群组中，悬点类型焊机的数目占了所有焊机群组的最大 部分以武汉一汽的2 0 0 0 台焊机群组生产线和淄博轻骑集团的上百台阻 焊加工线为例，其中约有9 0 的焊机为悬点式焊机所以本文选取悬点焊 机的工作过程作为实验对象。 以奥太x d 一1 6 0 型悬点电阻焊机为例就焊接电流对供电电压影响进行 分析，焊机变压器变比为1 6 ：1 ，以8 0 0 0 a 焊接电流对1 5 衄+ 1 5 咖镀锌 板进行焊接，焊接规范如表2 1 所示，供电电压随焊接电流变化波形通过 示波器显示如下图2 8 示。 表2 - 1 镀锌板点焊规范 i 焊接材板厚焊接时间焊接电流电极力焊接脉冲 f料 ( m m )( 周)( k a )( n )数 l 镀锌板 1 5 + 1 51 582 9 5 0l 1 4 v v 矿 t 、一 联+ r + “ j m 。j 。一 ”i71 7 。 l 一”l 驻：量粥毒- 蝥：一i 陂：i i 拔： ； 图2 - 8 焊接电流对网压的影响 山东大学硕士学位论文 对图2 8 进行分析，l 号波段对应焊接电流值为零，表示可控硅未触 发时的网压波形。2 号波段对应实际焊接过程，表示焊接电流对网压的影 响情况。3 号波段为示波器的“余辉”显示。从2 号波段可以明显地看出， 大电流焊接过程对供电电压产生了巨大的影响，供电波形发生严重畸变。 由此可知，当阻焊群控系统中多台焊机同时进行焊接工作时，总电流 对供电电压的影响将会进一步加大，导致不可预想的后果。因此。在群控 系统中需要对这种大电流焊接工作进行控制，禁止超出容限的焊接工作进 行，尽量将对电网的这种不良影响保证在一定范围之内 2 3 2 焊接电流对内核成型的分析 内核成型，即指金属经加热达到熔化或塑性状态，然后经冷却凝结成 金属熔核的过程【1 焊点熔核示意图如图2 9 所示。 ff 以一熔核直径4 一塑性环外径吃一熔核高 一压痕深度 图2 9 焊点的示意图 分析式( 2 1 2 ) 可以看出，焊接电流是影响析热的主要因素，它对 焊点的牢靠度、接头性能起着至关重要的作用焊点接头抗剪载荷是衡量 焊点质量的一个重要参数。图2 一l o 示出了焊点接头抗剪载荷随焊接电流 山东大学硕士学位论文 变化的曲线。 时 枢 锚 钕 辐 d l z ， n 罕， j l 世 i i j 4 ， a 焊接电流l 圈 圈 _ 魄 “镢肺 1 一板厚1 6 m m 以上； 2 一板厚1 6 m m 以下 图2 1 0 焊点抗剪载荷随焊接电流的变化 从图中看出焊接电流过小时，能量不足不能形成熔核或熔核很小，所 以焊点强度低且不稳定；当焊接电流在适当范围内变化时，随着焊接电流 增加，熔核尺寸稳定增大，焊点强度也随之提高，当焊接温度场进入准稳 态后，焊点强度基本不随焊接电流的增加而增加；但当焊接电流超过一定 范围，工件过热，产生飞溅和压痕过深，焊点强度反而下降。电流脉冲形 状及电流的波形对焊接质量也有一定影响。从工艺上考虑，焊接电流波形 陡升与陡降时，会因加热、冷却速度过快引起飞溅和在内部产生收缩性缺 陷；而具有缓升与缓降段的电流脉冲和波形有预热与缓冷的作用，可有效 的减少或防止飞溅和内部收缩性缺陷。焊接时间可以与之在一定范围内互 相补充。为获得一定强度的焊点可以选择大电流和短时间( 强规范) ，也 可以选择小电流和长时间( 弱规范) 。视不同性能和厚度的金属及焊机功 率而定。 基于以上分析，焊接电流对焊点的形成有着至关重要的作用，直接影 响了焊接质量。因此，在大规模电阻焊群控系统中，须采取通电管制对焊 机运行进行控制，保证完成合格焊点所需的焊接电流。 1 6 山东大学硕士学位论文 2 4 本章小结 电阻焊按焊接形式的不同可以分为：点焊、凸焊、缝焊和对焊，其工 作原理基本相同。本文以山大奥太电气有限公司各种型号焊机为例，进行 了焊机电气、工艺特性的试验和研究。电阻焊理论是整个阻焊群控系统开 发的理论基础，是实现复杂焊接过程控制和开发阻焊群控系统的前提。 根据对电阻焊的工作过程、性能研究以及焊点内核形成过程的分析， 对焊接过程的控制主要集中在三个方面：焊接电流、焊接时间和焊接过程 中的电极压力。这三方面因素决定了内核的形成形状、焊点的焊接质量。 其中，对焊点的形成起最大影响作用的是焊接电流大小和波形，它将直接 决定焊点的合格与否 基于以上研究分析，在供电变压器额定容量不变的情况下，必须采取 合理的方法保证各台焊机进行焊接时的额定焊接电流值。由此看出，采用 通电管制算法对焊机工作进行控制显得特别重要。 本章节按照由浅入深的原则对电阻焊的工作原理、工作过程、电气性 能等进行了概括地阐述，最后对电阻焊机实际工作过程中影响最大的工作 循环，即每个焊接周期内电极压力和电流对时间的动态变化及其相互关 系，做了详细地介绍和分析 1 7 山东大学硕士学位论文 第三章电阻焊群控系统总体设计 工业的发展趋向于大规模和自动化，为达到流水作业提高工作效率， 生产现场往往是几十台乃至上百台电阻焊机同时运行，为使各焊机协调工 作、作业现场保证较好的效率效益生产目标，则必须对群组焊机进行有效 控制。由于目前对焊接质量的检测方法还不尽完善，只能靠工艺试样和工 件的破坏性试验来检查，因此各种监控技术的保证尤为重要。 电阻焊机的一个突出特点是机械化、自动化程度较高，设备功率大 为了获得电阻焊所需的低电压、大电流，常采用降压变压器供电，由此电 阻焊负载呈较强的感性，造成负载的功率因数较低，使电力变压器的利用 率下降。当供电变压器总容量一定，多台大功率焊机的启动将造成供电不 足，严重影响焊接质量。 目前解决上述问题可以通过三相次级整流。有两种方法，其一是每相 电先经变压器降压、再整流，然后三路并联给负载供电；其二是经三相变 压器降压和三相整流后再使用。不论哪种方法都将使变压器的体积和重量 增加。由于阻焊时变压器次级电流大( 1 0 k a 甚至更高) ，对可控硅的电流 容量要求较高，并且可控硅自身发热严重，必须增加水冷却系统的冷却能 力和套数。这样势必增加制造成本，其造价约为交流电阻焊机的两倍。 另外，供电变压器为三相，现今常用的大功率电阻焊机均为单相，加 之各个工位焊机启动较随机，尽管我们在安装焊机时考虑三相平衡，但也 不可避免出现某一时间焊机启动造成三相不平衡的问题。这将严重影响变 压器的使用率和使用寿命。 电网的波动是无规则随机瞬间变化的，而真正点焊本身也是在瞬间和 大容量状态下完成的，焊接时间在几十个周波之内。所以可以通过智能调 节使多台焊接机即便同步完成机械动作也能保证焊接瞬间错开，避免电网 超负荷运行。同时又提高了焊接质量以及焊接工作效率。 基于以上分析和现状需求，本文采用了加入最优化通电管制决策算法 的群控方法，实施对焊机群组的管理和智能控制一一电阻焊机群控系统。 山东大学硕士学位论文 3 1 系统的总体结构设计 目前国内群控系统尚处于初级发展应用阶段，主要有两种成果：以天 津商科为代表的研发产品一型p l c 群控和随后改良了的二型p c 机 p l c r s 4 8 5 群控。这类系统的缺点是：一、控制功能简单，智能化程度不 高；二，r s 4 8 5 通讯方式多为主机呼叫通讯方式，下位机故障等信号不能 主动上传，实时性差，使系统功能受到限制 根据实际生产和应用需求，本系统需要达到的设计性能指标如下： ( 1 )实时性强，动态响应速度快，一般要求不超过5 个周波； ( 2 )故障等信号可以实现自动上传； ( 3 )实现焊机通电申请的自动排队和优先权的判定； ( 4 ) 最大任务等待时间的设定，一般不超过一分钟( 用户可自行调 节) ； ( 5 )通讯波特率要求，5 k b 8 一l m b s ； “ ( 6 )焊机台数的限制，总线驱动能力达l l o 个节点； ( 7 )实现总线竞争与故障自动离线的功能要求( c a n 总线可以自动 决定) ； ( 8 )“夭折”请求处理，即下位机自动取消通电请求的处理； ( 9 )最大通信距离：1 0 k m 。 本阻焊群控系统主要由三大部分组成：上位监控计算机系统模块、数 据通讯模块和单机电阻焊控制器模块，三大模块协调工作完成对整个系统 的管理和监控工作。系统结构如图3 1 所示 1 9 山东大学硕士学位论文 图3 一l 电阻焊群控系统结构 3 2 上位监控计算机模块 上位监控计算机系统模块，是群组焊机运行时的总中央处理器，群控 制系统的中枢神经，是整个群控系统的“大脑”。由它进行分派任务和监 控工作，主要作用分为两个部分： ( 1 )与各个单机控制器通信，负责下达通电命令及接受焊接完成的 停止工作反馈信息；实现对焊接过程的现场监控、显示、设备 管理和故障的查询、处理；对数据进行存储和交换、在线修改 和编写焊接规范、完成历史记录以及报表的打印等。 ( 2 )完成通电管制和优先级排队的决策算法。当单台焊机开始焊接 任务之前，通过通信网络向上位主控计算机发出通电申请时， 主控计算机根据当前的焊机群组运行情况，调用应答控制算法 计算出最佳方案，对通电申请进行反馈，即将通电允许命令及 时分配给最合理的电阻焊机，然后焊机才能通电完成焊接任 务。 山东大学硕士学位论文 3 3 单机阻焊控制器模块 3 3 1 焊机控制器结构概述 下位机一一单机阻焊控制器，实现实时的焊接控制工作。由于复杂的 电阻焊机工作过程对工艺、时序以及故障检测控制要求较高，加之进行不 同焊接任务时所需的焊接规范不尽相同，这就需要一种智能化的控制设备 控制完成整个焊接过程。它要满足电阻焊大电流、短时间、高速度等工艺 要求的全部控制任务，响应速度快能够实现焊接过程自动化，并具有高的 使用可靠性。基于以处理技术为核心的可编程多功能控制器还要可以通过 键盘对焊接工艺等进行编程。 典型焊机控制器的系统结构，由焊接变压器、开关、焊接电流控制器、 焊接时间控制器、电网同步装置等部分组成。焊接变压器是提供大电流的 电源，焊接电流的通、断由大功率可控硅开关实现，焊接电流控制器和焊 接时间控制器是控制系统的两大核心部分2 们。 3 3 2 焊机控制器的工作特性及设计 焊接控制器的任务概述为以下几方面： ( 1 )实现焊接过程电流通、断的控制： ( 2 )实现对焊接电流波形及电流值大小的调节控制； ( 3 )实现对焊接过程中，每个程序段时间的调节； ( 4 )对于缝焊机和对焊机而言，还具有改变焊轮转动速度和改变夹 具移动速度的控制作用； ( 5 )实现电极压力的施加和调节作用； ( 6 )配合相应的电气、气压和液压的执行装置，实现规定的焊接循 环； ( 7 )任意选择预压、压紧、锻压、预热、焊接、后热、冷却、维持 等工艺步骤以及电流脉冲、电流增、降等参数； ( 8 )储存多至数十套的焊接规范。 不同的焊机控制器采用不同的工作方式实现对焊接过程的控制任务 对山大奥太电气有限公司的x d 一1 6 0 型悬点焊机控制器进行研究，它的主要 2 l 山东大学硕士学位论文 特点是： ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) ( 7 ) ( 8 ) ( 9 ) ( 1 0 ) 恒流控制方式，焊接过程由微机进行闭环控制，在电网电压波 动和焊接负载变化的情况下，都能够保证焊接电流恒定，进而 保证焊点质量； 电源变压器功率。最大可达5 0 0 k v a ：电磁气阀控制电压2 4 v d c ： 控制精度：电网电压波动2 0 ，电流波动1 ；恒流控制 范围2 o k a 4 0 k a ； 参数设定有汉字式与数字式两种； 可进行三脉冲焊接控制，特别适用于厚板焊接； 具有斜坡上升和斜坡下降控制功能； 具有单点焊和连续点焊功能； 可进行两个加压电磁气阀控制( 双焊钳) ，每把焊钳可同时设定 2 种( 4 规范) 或7 种以上( 1 5 规范) 独立的焊接规范，通过两个启 动开关任选其中的一种焊接规范； 断电