（材料加工工程专业论文）基于虚拟仪器的丝网凸焊质量监测系统的研制.pdf

摘要 随着科技的发展焊接丝网机械化水平越来越高，然而也随之出现了不少质量 焊接问题，如经常出现虚焊、漏焊现象。这些问题往往不能采用以前的人工方法 检测，费时以及人为凶素的负面影响也比较多，为减少上述因素，需要采用先进 的设备和便利的仪器对焊接过程进行量化分析，进而判断焊点的质量。 针对丝网凸焊焊接出现的虚焊、漏焊问题，本文提出了一套适合应对丝网焊 接问题的监测系统，并根据工厂现场环境遴选了适合该套系统的硬件设备。 该系统采用的在l a b v i e w 开发环境下，应用虚拟仪器技术进行编辑。该系统能实 时对钢筋丝十字交叉凸焊过程的信号进行采集、分析处理、显示以及存储。 对于凸焊焊点信号的提取主要采用电流和电压有效监测信号，对采集信号进 行了时域和频域处理分析，从频谱图分析上可以得到焊点质量判断的特征量。从 u - i 曲线图上能得到焊点焊接过程的电压和电流瞬时曲线图，从能量角度建模分 析，可以反映出对应焊点焊接过程中能量的变化程度。利用l a b v i e w 软件强大的 数据分析能力，对丝网凸焊过程的一些参数进行了信号处理。 通过钢筋丝十字交叉凸焊实验，在现有条件下对本文设计的丝网凸焊质量监 测系统进行了验证以及分析讨论，可以认为该系统适合解决丝网焊接质量问题。 关键词：丝网凸焊：l a b v i e w ；频谱分析 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y , t h em e c h a n i z a t i o nw e l d i n gl e v e lo ft h e s c r e e ni sh i g h e ra n dh i g h e r , h o w e v e rt h e r eh a sb e e ns o m ew e l d i n gp r o b l e m sa p p e a r e d ， s u c ha sf a l s ew e l d i n ga n dl a c ko f w e l d t h e s ep r o b l e m so f t e nc o u l dn o tb e e nd e t e c t e d b ya r t i f i c i a lm a m p u l a t i o ne f f e c t i v e l y , b e c a u s eo fi t st i m e - c o n s u m i n ga n dt h en e g a t i v e i m p a c t so fh u m a nf a c t o r s 。s oa st om i n i m i z et h ef a c t o r s ，a d v a n c e de q u i p m e n t sa n d c o n v e n i e n c ei n s t m m e n t sn e e dt ob ei n t r o d u c e dt ow e l d i n gp r o c e s sf o rq u a n t i t a t i v e a n a l y s i s ，f u r t h e rf o rt h ew e l d i n gq u a l i t y i nt h i s p a p e r , o n em o n i t o r i n gs y s t e mf o rs c l - e e nw e l d i n gw a sp u t f o r w a r d a c c o r d i n gt ot h ef a l s ew e l d i n ga n dl a c ko fw e l di nt h es c r e e nw e l d i n g ，t h eh a r d w a r e e q u i p m e n t sw e r ea l s os e l e c t e dt ot h ei n d u s t r i a le n v i r o n m e n t t h es y s t e mw a se d i t e d b yv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yb a s e do nl a b v i e wd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t i t c o u l da c q u i r ed a t ap r o c e s s i n g ，s h o wa n ds t o r et h es i g n a l sr e a l - t i m ed u r i n gt h e r e i n f o r c e ds c r e e nu n d e rd e c u s s a t i o no f p r o j e c t i o nw e l d i n g d 盯吨t h ew e l d i n gp r o c e s s ，v o l t a g ea n dc u r r e n ts i g n a l sw e r ee x t r a c t e da st h e e f f e c t i v em o n i t o r i n gs i g n a l s t h es i g n a l sw e r ea l s oa n a l y z e di nt i m ed o m a i na n d f i e q u e n c yd o m a i n ，a n dc o u l do b t a i ne f f e c t i v eq u a n t k a t w ed a t aa b o u tw e l d i n gs p o t q u a l i t yf i - o mt h es p e c t r o g r a m i nt h eu - ic u r v e ，t h ei n s t a n t a n e o u sv o r a g ea n dc u r r e n t c u r v ed m g r a ma b o u tw e l d i n gs p o tw a sg o td u r i n gw e l d i n gp r o c e s s ，a n dt h ec h a n g e d e g r e eo fe n e r g yf o rw e l d i n gq u a l i t yi nt h ev i e wo ft h ee n e r g y w e l d i n gp a r a m e t e r s w e r ee x t r a c t e db yt h ep o w e r f u ld a t aa n a l y s i sf u n c t i o no f t h el a b v i e ws o f t w a r e o nt h ec u l t e n tc o n d i t i o n , t h es y s t e mw a sv e r i f i e dt h r o u g ht h er e i n f o r c e dm e s h u n d e rd e c u s s a t i o no fp r o j e c t i o nw e l d i n g ，a l s ot h ef f u r t h e ra n a l y s i sw a sp u tf o r w a r d , a n di ti sb e l i e v e dt h a tt h i ss y s t e mi ss u i t e df o ru st os o l v et h ew e l d i n gp r o b l e m s k e yw o r d s ：s c r e e np r o j e c t i o nw e l d i n g ，l a b v i e w ，s p e c t r u ma n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：袁帖影 签字日期：川年二月弓口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： j 签- 7 - 日期：卅年岁月扣日 导师签名： 签字日期：少可年上月岁，日 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 中国丝网加工业最早出现于河北省衡水市安平县，始源于绢罗加工，已有5 0 0 多年的历史，县内起源地为黄城乡唐贝村，早在明弘治元年( 公元1 4 8 8 年) ，该 村就有织绢罗者。光绪二十六年深州风土记载：“安平之绢皆一境独胜，如 此比者不能多也”。当时安平绢罗加工，已具有相当规模，1 8 9 5 年，以铜丝为原 料生产丝网传入了安平。至此，安平开始了以金属丝为原料生产丝网的时代。1 9 8 5 年，“1 5 1 1 织机”改造成功标志着安平丝网由手工作业生产转为机械化生产。1 9 9 5 年，安平第一家用电脑数控做冲孔网的企业。目前，安平丝网焊接焊机以多点点 焊机，多点凸焊机为主，约有4 5 0 0 台。目前安平丝网业，丝网生产遍及全县所 有乡村，企业摊点达1 万多家，产品有8 大系列、4 0 0 多个品种、6 0 0 0 多种规格， 产销量和出口量均占全国的8 0 以上，远销1 0 0 多个国家和地区。 近十年来，随着近代科学技术和电子电力技术的飞速发展，安平丝网生产的 机械化、自动化有了明显的提高，其象征为自动焊特别是丝网凸焊及其机器应用 范围的日益扩大。在我国焊接机械化、自动化水平的提高同时，焊接技术也有了 较高发展，但焊接生产对工人的操作技能要求也随之提高，焊接质量仍在一定程 度上仍受操作者的技术、体力和责任心的影响。实施焊接自动化就是要大量采用 新技术以减少人为因素对焊接过程带来的负面影响，取代以往由有经验的焊工根 据焊接过程稳定性和焊后手工操作来判定焊接质量的方法，使得整个焊接制造过 程更趋于集成化、智能化、柔性化并能降低成本【l 】。这对于推动我国焊机技术的 发展满足各行业需求，提高企业生产效率，改善产品焊接质量，减轻工人劳动强 度，降低成本都有重要意义。因此提供焊接质量的监测仪器保证焊接质量是关键 环节，尤其是对于安平丝网更细致化，高效化焊接更具重要意义。这需要在焊接 过程中能实时的对焊接丝网的各个信息有效提取、分析、显示、存储，保证监测 仪器功能的正常准确实现。 1 1 1 虚拟仪器技术及应用 通常把以计算机为核心，能够在程序的控制下，自动完成特定测试任务的仪 3 第一章绪论 器系统称为自动测试系统( a u t o m a t i ct e s ts y s t e m , a t s ) 。1 9 8 6 年，美国国家仪 器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t ，n i ) 突出了虚拟仪器的概念( v n - t u a li n s t r u m e n t a t i o n ) ， 虚拟仪器是指通过计算机作为系统控制器、由软件来实现人机交互和大部分仪器 功能的一种计算机系统，其有硬件和软件两大部分构成，如图1 1 示。 用户 应用软件一仪器功能应用软件一虚拟仪器 仪器驱动器软件 操作系统 通用计算机 外围硬件设备 被测系统 图1 1 虚拟仪器的系统构成 表1 - 1 虚拟仪器和传统仪器测试方法的对比 虚拟仪器测试、测量方法传统仪器测试、测量方法 对输入信号的处理和计算可以更加复杂，而且处对信号程度采集分析处理有较大 理速度更快要求 测试结果的表达方式丰富多彩结果表达单一跟硬件有关 可以方便的存储和交换测试数据，数据存储几乎数据存储手续繁多，存储容量受仪 无限的存储容量器硬件的限制 开放、灵活、于计算机技术保持同步封闭、固定 技术更新周期短( 1 2 年) 技术更新周期长( 5 1 0 年) 所有的程控仪器的控制信息可集成在软件模块仪器操作手工进行，程序繁杂 中，无需专门查阅、学习一起的程控方法与程控 指令可对仪器进行操作 价格低、可复用、可重配置性强价格昂贵 计算机强大的图形用户界面( g u ) 增强了仪器结果显示单一，不利于操作 的结果显示功能，更易于操作 做到焊接结果的实时监测，促进改进工艺参数 无法做到 4 盈 置 第一章绪论 这种仪器系统的操控和测量结果显示是借助于计算机显示器以虚拟面板的 形式来实现的，而且数据的传送、分析、处理、存储都是有计算机软件来完成， 这就大大突破了传统仪器仪表在这方面的限制，方便了用户对仪器的使用、维护、 扩展和升级等。“虚拟”一词突出在以下两个方面：( 1 ) 虚拟仪器面板。以形象 的控件来代替传统的物理面板上的各种开关、按键等。( 2 ) 由软件编程来实现仪 器功能。如测量需用的各种激励触发信号能用编辑软件产生的数字采样序列控制 d a 转换器来产生【引。表1 1 是对比虚拟仪器和传统仪器测试、测量方法的特点。 就目前交流行的虚拟仪器开发的集成开发环境有h pv e e 、l a b v i e w l a b w m d o w 北等。目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国n i 公司的l a b v l e w ，目前n i 公司已经推出了l a b v i e w 8 6 1 试用版本。 1 1 2l a b v i e w l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 是一种业 界领先的工业标准化编程工具，主要用于开发测试、测量与控制系统。它是一种 高效图形化应用开发环境，将软件和各种不同的测量仪硬件及计算机集成在一 起，建立虚拟系统，以形成用户自定义的解决方案。结合了简单易用的图形化开 发方式和灵活强大的编程语言，提供一个直觉性环境，并通过与测量硬件的密切 结合，使数据采集和控制非常迅速，并实现数据分析和数据显示的应用系统。它 广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器 控制软件。利用n i 的虚拟仪器技术，让以往复杂的数据采集工作变得异常简单， 使得工作人员可以集中精神和时间用于实验的执行。数据的分析及结论的总结 上，而不用将大量的时间花费在实验系统的搭建中【3 - 9 】。 l a b v i e w 应用程序包括前面板( f r o mp a n e l ) 、流程图( b l o c kd i a g r a m ) 以及 图标连结器( i c o n c o n n e c t o r ) - - - 部分。 1 前面板 前面板是图形用户界面( 图1 - 2 a ) ，也就是的虚拟仪器面板，这一界面上 有交互式的输入和输出两类控件，如有数据输入( 图1 2 a 中3 ) 、开关、旋钮、 图形、波形显示( 图1 2 a 中2 ) 等其他控制( c o n t r 0 1 ) ( 图1 2 a 中4 ) 和显示对 象( i n d i c a t o r ) 。 2 流程图 流程图实现逻辑功能的图形化源源代码( 图1 2 b ) 。在流程图中对v i 编 程，以控制和操纵定义在前而板上的输入和输出功能。流程图中包括前面板上的 5 第一4 绪论 控件的连线端于( 图1 2 b 中6 ) 迁有些前面扳上没有，但编程必须有的东西， 例如函数、结构和连线等。图1 2 b 是与圈1 2 a 对应豹流程图。我们可以看到流 程图中包括了前面板上的数据输八和波形显示器的连线端子，此v i 为了使它 持续工作下左，设置r 一个w h i l e 循环，由循环次数由控制前面板中输入控件1 2 a t 斗4 控制这循环的是否结柬。 如果将与标准仪器相比较，那么前面板i - 的东两就足仪器面板卜的东两， 而流程图上的东西相当于仪器箱内的东西，在许多情况下，使用v i 可咀仿真标 准仪器，不仅在屏幕上出现一个惟妙惟肖的标准仪器面板，而且其功能也与标准 仪器相差无几。 3 图标连接器 图标是为该程序的简单显示，如图1 + 2 b 中右r 角的小方形图标( 图中标号5 ) 解释了此程序为一个示例并且，v i 具有层次化和结构化的特征，一个v i 可阱 作为子程序，这罩称为子v i ( s u b v l ) ，被其他v i 调用。图标与连接器在这旱相 当于图形化的参数。 p 霉澎i 1 2 电阻焊焊接检测技术的发展 安平地区丝网焊接采爿j 的主要焊接方法是电阻焊中的凸掉方法，凸焊是电阻 点焊的种特殊形式凸埠( p r o l e e t i o n w e l d i n g ) 是在焊件的贴合面上预先加工 出一个或是多个突出点，是与另一个焊件表面相接处井通电加热、然后压塌使 这些接触点形成焊点的电阻焊方法。丝网凸焊不同于点焊的是：利用线材轮廓的 突起韶分相接触部位作为凸点，进行焊接。而同点焊一样其原理很简单，但是焊 接过程是一个瞬时突变过程，涉及到力学、电学热学、物理冶金学等交叉多学 第一章绪论 科领域知识，这就给焊接时候实时监测焊接质量也就是封闭的熔核形成过程提出 了挑战。就目前的研究方法主要有两大类：是以点焊数学物理规律为基础，模 拟点焊过程与温度场、通电过程以及机械受力过程预应力应变场，主要是以机理 研究为主；二是以实验为主，利用点焊以及焊材焊接时候涉及到的力学、热学、 电学、冶金学等物理化学变化中的物理量，采用先进的传感技术来采集焊接时候 的有效信息分析处理，反馈出有关熔核的信息，以进行质量的监测和控制。 国外的专家学者对电阻焊，尤其是点焊质量监测系统进行了较大研究， s h e a r e r 等人基于电极位移引起加压系统压力变化特征量焊接达到预先设定值，停 止加热建立的一套监测系统。s c h u m a c h e r 和d i l a y i 刃：制的系统，其采集焊接时的 电流、电压继而导出动态电阻，通过动态电阻的变化调节电流的变化率。c e c i l 研制出一套基于电极位移的监测系统。v a h a v i o l o s 通过监测声音信号中的应力波 对点焊进行了质量评定。b a n g 等人采用热成像法监测点焊温度以对点焊时刻进行 实时监测。以上研究点焊质量都是基于单信息监测点焊质量的，随着研究的深入， 越来越多的学者，将更多的焊接参数融入监测系统范围内。s c a r p e l l i 等人研制的 系统，采用了5 个特征参量：软化点、突变信号。顶锻时间、焊接时间、输入的 能量，对这五个参量设定区域范围，超出即认为不合格。g e d e o n 等人采用基于电 极位移和动态电阻参量，对焊接质量能有较好的评价。w a t e r s 等人研制成了电压、 电流和位移的三个传感器组成的单片机控制系统，通过设定一些阙值来判断熔核 质量。德国学者b u i m e i s t e r 采用模糊分类理论和现有的专家系统，建立了电流、 电压、工件电阻以及电极位移和电极加速度五个信息与熔核直径之间的非线性关 系，实现了低碳钢点焊质量的在线等级评定。r d b e e m e r 币i t w t a l b o t 利用电机 的唯一和工作电流以及其相关性，研制了点焊非破坏质量分析仪对钛合金和铝合 金的质量进行了监测。英国学者m h a o 采用线性回归分析理论，分别建立了一些 过程参数( 电流、电极间压力) 与铝合金点焊熔核直径和拉伸强度之间的关系模 型。然而，即目前来看点焊的质量监测有了较大发展，但是产业化的进程还需大 量的工作。 就国内来讲，点焊的质量研究已有近三十年的发展，主要研究单位有：哈尔 滨工业大学曹彪等采用基于热膨胀的参量对点焊进行分析监测。吉林大学的赵熹 华等人对点焊的熔核流场和热场进行了分析。兰州理工大学的张鹏贤基于模糊控 制、神经网络、焊点图像化处理的一些方法对点焊进行了分析。天津大学的单平、 罗震点焊课题组运用神经网络方法构架了一种基于遗传算法的神经网络数据融 合点焊质量预测与评估模型。 1 2 1 基于l a b v i e w 的焊接质量监测系统的研究现状 7 第一章绪论 国外焊接工作者采用基于l a b v i e w 虚拟仪器的焊接质量分析系统，有很大 的研究成果。就分析仪器来讲德国汉诺威工业大学d r e h f e l d t 教授发明的焊接质 量分析仪( a h 弧焊分析仪) 是一个快速的数据获取与分析系统，采用该系统能 获取焊接电压、电流瞬时值，能以每秒2 0 万次的速度实时采样，并通过其内部 集成程序对数据统计分析生成对焊接质量有参考价值的结果，以进行焊接质量的 评定【1 0 1 。c u l l e njd 等人采用多传感器采用基于l a b v i e w 虚拟仪器的电阻点焊 质量分析系统应用在汽车工业焊接中，取得了较好的效果l 。a s l a n l a rs 采用 l a b v i e w 虚拟仪器对汽车用薄板在电阻点焊时，焊接时间对其机械性能影响做 了分析【12 1 。b o u y o u s f ib 等应用l a b v l e w 虚拟仪器技术对电阻点焊时各参数影响 做了分析说明【l3 1 。国内研究基于虚拟仪器技术焊接质量分析在弧焊方面有较好的 成果，如杨运强采用l a b v i e w 程序采集焊接数据分析处理后，在其假设范围内 可以对焊接质量进行预测【1 4 1 。许轲建立了基于虚拟仪器技术的c 0 2 短路过渡焊 接过程的统计分析系统和基于d s p 技术的短路过渡过程数字化信息实时提取系 统，实现了对c 0 2 焊接短路过渡过程数字化信息快速提取和基于统计技术的在 线监测【”】，南京理工大学的王克鸿教授研究了焊接过程实时监测与质量分析 系统。就虚拟仪器应用于电阻点焊，国内研究主要有天津大学的罗震教授领导的 课题组，对铝合金点焊焊接较为成熟，取得了很好的研究成果f l 。7 1 。内蒙古农业大 学的武佩教授对电阻点焊设计开发了动态参数测试系统【1 引，其他研究，还有兰州 理工大学的张鹏贤，哈尔滨工业大学，吉林大学等国内高校科研单位。 然而到目前，发展点焊质量监测技术难点仍在于对焊点质量，如熔核尺寸、 强度等影响焊点质量的直接参量等进行直接测量，只能通过一些过程参数进行间 接的推断，因此采用多信息融合的技术对焊接质量进行监测是相对来讲提高监测 熔核质量精度的主要途径。 由于上述点焊形成涉及原因，就焊接监测技术发展4 0 多年来，点焊监控技术 不断发展，就监控系统的特点以及用途可将监控系统分为两大类：质量评价和点 焊质量控制【l9 1 。本文是基于采集电流和电压有效信息的质量评价方法。 1 3 丝网焊接质量监控的重要意义 自从1 8 8 6 年e 1 日a u t h o m p s o n 发明世界上第一台点焊机以来，点焊原理几乎 没有变化。但是随着科技的发展焊机自动化程度的增加，对于焊接质量的要求是 越来越高。点焊r s w ( r e s i s t a n c es p o t w e l d m g ) ，是焊件接触后电极下压同时施加 压力，利用电流通过接头的接触面以及临近r 域产生的电阻热进行焊接的种方 法，在薄板焊接方面鹿j j 较为广泛，常见用于航空、航天、电子技术、汽车工业 制造咀及轻工业等部门。原理简单无需操作人员有较高的技能，焊接时无需填 充焊机材料生产率高，比如目前汽车上业制造方断一辆汽车点焊有3 0 0 0 到5 0 0 0 焊点，采用自动化高速生产线的点焊使其焊接效率更高，点焊应用于汽车工业榍 对于原先的铆接、胶结具有静强度高、可靠| 生好、性能稳定等优点“。 生活中常见用于公路，铁路、飞机场、件宅小区、港口码头、花园、饲养、 畜牧等的护栏防护网见| 冬l1 3 ，每年产量就有3 亿平米，这磐耗材加工成型的方 法多川电阻焊接尤其是点焊的特殊彤式 焊为土。然而此焊接过程是个高度 非线性、有多变量耦合作用和大量随机不确定因素相互影响的过程口“，而且由于 凸焊是一个熔核存封闭情况下彤成过程，时间瞬时突变，焊接条件短时间的波动 就会造戒严乖的飞溅、虚焊或是脱焊，这对于多个焊点的丝网焊接更是如此。 就日前，凸焊最大的缺点是缺乏可靠、丈用的尢损检验技术和方法。在实际 生产巾，由于焊接材料表面的状态( 有无油污等) 、电极磨损、装配间隙或足机 械结构的扰动等众多因素，即使同样的焊接参数质量亦有波动，一旦小现质量 问题，常用大量的解剖实验或是补焊来保证焊点的质量，这样工作或是工程的进 度就会受到很大的影响成本也会随之增加。这对于丝网焊接来讲也是一个实际 和关注的问题，焊点的好纠、不仅影响企业的成本，还会对以后的丝刚上作提出很 大挑战，因此无论是从经济效益、材料节省、环境保护方而来讲其焊接质量来讲 是个实际撕重要的问题。 固1 3n 焊护栏网雏形 丝网焊接，质量要求首先体现在接头要具有一定的强度，主要取决与熔核尺 寸( 直径和焊透率( 或是压下量) ) 、熔核和其周围热影响区的金属显微组织及缺 陷情况其次对下丝叫实际应用环境来讲需要具有一定的剪切强度。而丝叫焊接 中主要常见并且缺陷有：脱焊，漏焊，虚焊见图1 _ 4 。仅从外观上看，其表面的 成形效果很好涸1 - 4 a ) ，但是就其焊台程度不商，如下图l _ 4 b 所示： b 图1 4 卜 空义铡丝，1 悍虚焊战形罔 电阻焊焊接中存在的质量问题是相对于检验标准而言的，常用的电阻焊标准 有：g b t 1 5 1 1 1 1 9 9 4 点焊接头剪切拉仲疲劳试验方法、h b 5 2 8 2 1 9 8 4 结构 钢和不锈钢电阻点焊和缝焊质量检验( 航空工业部标准) ，对于丝网凸焊来讲， 需要做疲劳试验以及扭转试验米验证焊点质量问题。丝网钏筋的焊接检验通常包 括外观检验、内部缺陷检验、机械性能试验，直前进的疲劳和扭转等试验。就焊 接检验的项目有：目视检验、撕破检验、低倍放大镜检验、x 光检验和强度检验 等等。在评价钢筋丝网焊点主要两个定量参数有：焊点“压陷深度”和“相对压 陷深度”这晒个是检验和考核埠点外肌质量的一个重要的定量参数。因此如何 促进工艺有效改善，解捷丝咐焊接缺陷问题是一个实际而重要的课题研究。 1 4 本文的研究目的和主要研究内容 本课题针对安平丝i 棚悍接( 主耍以凸焊为土) 利用基于l a b v i e w 强大功能 的虚拟仪器技术咀及选择适当的外部硬件完成了一套丝网焊接监测系统通过 第一章绪论 l a b v i e w 虚拟仪器技术编辑算法实现对焊接过程中的有效信息采集、处理、结 果显示存储，最后得到焊接质量达标与否的判断结果，针对丝网焊接有重要的理 论意义和良好的经济发展前景。 本研究课题将主要包括以下内容： 1 利用l a b v i e w 编写一套钢筋丝十字交叉凸焊质量监测信号数据采集分析 评价系统，将丝网焊接即多点凸焊焊点电压、电流信息进行实时采集显示，经过 程序算法运算将信息分析，得到能反映焊点质量的有用信息并判断焊接质量，实 时的显示，以及记录下来； 2 选择合适的硬件构建丝网凸焊信号采集系统，使得该硬件系统能适应现场 焊接各种要求。 3 验证该系统，利用所构建的信号监测采集系统采集焊接电压、电流信息记 录并整理结果。 第二章丝网焊接原理及监测设备的硬件选定 第二章丝网焊接原理及监测设备的硬件选定 2 1 丝网焊接原理 丝网焊接采用的方法是点焊的一种特殊形式，凸焊( p r o j e c t i o nw e l d i n g ) 是 点焊的一种特殊形式，它是利用零件原有型面倒角，底面或是预制的凸点焊到另 一个零件之上，因为是凸点接触，提高了单位面积上的电极压力与焊接电流，有 利于焊件表面氧化膜破裂与热量集中，减少了分流电流。实际生产中，采用多点 凸焊可以提高生产率和降低接头变形，如线材交叉焊接，其利用线材轮廓的突起 部分相接处而进行凸焊的方法，主要用于焊接筋网等，线材多为直径小于l o m m 的低碳钢、低碳合金钢或是不锈钢圆 2 2 - 2 4 】。 良好的凸焊过程分为预压、通电加热和冷却结晶三个连续阶段组成( 图2 1 ) 。 加压 凸点 压溃 泸 7l t r 焊接电流 ，卢火 沁 4 6 卜捍核生成时雕 l 膨胀量 、一 通电初期凸 ?r ，一 点的压浈置 加压 预热焊接，维持 预压通电时间 ，冷却对问 图2 1 凸焊焊接过程电极压力、电极位移及焊接电流随时间的变化 由上图所示，钢筋十字交叉凸焊在预压阶段，是焊件在电极压力的作用下的 使表面的氧化膜得到破坏，使得焊点形成良好的物理物理接触，第二阶段，通电 加热阶段可以分为两个过程组成，一是凸点压溃时段，二是成核时段，在此过程 中，焊接参数起着重要的作用。凸焊的第三个阶段是冷却结晶阶段，切断焊接电 流，熔核在压力的作用下冷却结晶。 根据凸焊方法的不同，凸焊接头可为熔化连接或是固相连接，其中单点凸焊、 1 2 = # 月* d d & * 口勺# m m 多点凸焊和线材变叉焊多为熔化焊；环焊、t 行焊和禳凸焊等多为固相连接，本 文苹点关注的是前者，丰要针对线材交叉焊。 2 2 丝网焊接方法 钢筋丝交叉凸焊除了单点凸焊外，多为多点钢筋十字交叉凸焊，焊接设备为 钢筋多点焊机其殴各主要包括：焊接土机、拖阿机构、纵筋喂料机构、横筋喂 料机构、焊接变压器、控制箱、气路和水路系统等部分，主要部分焊接原理示意 图2 - 2 ： 幽2 - 2 丝蚓多点凸焊焊接上机不意图 f l 前雉网焊接多采用w h j 系列多点排焊机，以及d n 系列单点凸焊机。焊 机宴施焊接实况圉( 型2 - 3 ) 如下： 圈2 - 3 钢丝网凸焊焊接设备 第：章丝网焊接原理及监测设备的硬件选定 丝网焊接质量主要来源于焊接规范参数，主要有四爪【2 5 】：1 焊接电流i a ； 2 焊接电流接通的时间t s ：3 电极压力p m p a ：4 电极工作表面的直径d m r a 2 。 其中前三者是决定焊接质量的主要参数。 1 凸焊电流i ： 对于焊接电流，钢筋交叉焊接时，电阻热和电流的二次方成正比，焊后焊点 强度s k g c m 2 与焊接电流的关系如图2 4 所示： s ( 走g c 柳2 ) 图2 - 4 焊点强度s 与焊接电流i 之间的关系 由上图可以看出，刚开始随着电流的增大，强度几乎成直线上升，达到一个 极值时强度就会下降，因此焊接时候就要选择合适的电流值，以达到最大效果的 焊接强度。在合适的规范参数内，焊点强度随着电流的增大而增大，如图中 厶 时，强度在时要好于厶。但是如果焊接电流过大，通电瞬间钢筋接触处金属迅 速熔化，产生很大飞溅，就会将十字交叉的钢筋压溃，图2 5 所示为焊接电流对 焊点成形影响示意图。 1 l ab 图2 5 焊点成形与焊接电流i 之间的关系 如上图示，当焊接电流大小适宜时，成形图2 5 a ，成形良好，当焊接电流过 大时会将钢筋丝压溃，如图2 5 b 所示，严重影响丝网强度以及在实际环境的使 用寿命。 1 4 第= 章丝网焊接原理及监测设备的硬件选定 2 凸焊电极压力p ： 电极压力是阻焊时最重要的焊接规范参数之一，电极压力p 对焊点的质量有 双重的影响：即影响焊接区的发热量，有影响焊接区( 包含焊核及其周围热影响 区) 金属的塑性变形程度的大小。而电极压力对焊接热量的影响不像焊接电流以 及通电时间那么直观，电极压力主要是通过影响焊接点处接触电阻的大小以及通 过焊接区的金属中电流密度的分布特征而间接的影响焊接区的发热量。 众所周知，在电阻点焊时，形成熔核的热量o 主要是电阻热，满足下式： q = o 2 4 r 【蜀( f ) + 2 恐( f ) + 2 马( f ) 】z 2 ( t ) d t ( 2 1 ) 式中：墨( f ) 两焊件之间( 接触点处) 的接触电阻( q ) ： r ( ) 电极与焊件之间的接触电阻( q ) ： r ( f ) 焊接件本身电阻( q ) ； j ( ) 焊接电流( a ) ； f 焊接时间( s ) 。 当焊接电流与焊接时间不变时，焊点发热量决定于上述电阻值的大小，而这 些电阻值的大小又与电极压力的大小和温度的高低有关，常温下接触电阻r 的大 小和申。极压力p 之间有下面公式( 2 2 ) ： d ， 玛2 可 ( 2 2 ) 式中：厂当压力为一公斤时的接触电阻值( q ) ； 口指数，0 5 1 0 之间。 当采用铜合金作为电极时，电极与钢焊接件之间的接触电阻r 2 可有 式：足0 5 冠估计，随着电极压力p 的加大，接触表面上的微观不平物被，再点 击与焊点之间及两个焊件之间，真正的有效接触面积加大了，接触电阻会急剧下 降。焊接本身电阻大小决定于焊件的厚度、电极有效直径d 以及电极压力p ，随 着电极压力的增大、电极直径的加大，电阻r 3 也减小见图2 - 6 。 第二章丝网焊接原理及监测设备的硬件选定 图2 - 6 电阻与电极压力的关系 尸 而电极压力p 对熔核直径d 和焊点强度s 的影响规律示意图( 图2 7 ) 如下： p 图2 7 电极压力影响熔核直径与焊点强度示意图 当钢筋十字交叉凸焊时，若电极压力过高，由于发热量不足，就会产生所谓 的“环状焊缝”( a n n u l a rw e l d ) 。这会造成焊核的中心熔合不良，整个接头的破 坏扭矩m 和破坏时的扭转角口会显著的降低( 图2 - 8 ) 。 图2 - 8 电极压力对扭矩以及扭转角影响示意图 在凸焊过程中，通过电极施加到焊点上的电极压力有部分用于焊点周围的金 1 6 第二章丝网焊接原理及监测设备的硬件选定 属变形，在焊接起始，使两交叉钢筋丝能够良好的接触，当电极压力过小时，不 足与克服钢筋丝的刚性，两焊点接触不良，使得接触点的发热量不稳定，因而使 焊接质量也不稳定就会发生虚焊现象。而且由于很大部分的电极压力被用于克服 钢筋丝的弹性变形，因而实际用于锻压冷却结晶的熔核金属的压力则不足，因而 焊核可能产生裂纹等缺陷，所以，电极压力过小是很不利的。因而在实际焊接中 需要将电极压力设定稍大一些，以求焊点质量稳定，这样在加大电极压力的同时， 有适当增大焊接电流或是延长焊接电流通电时间，以保证所必需的焊接热量，从 而保持焊核尺寸和焊点强度稳定不变。 2 3 传感器的选择 信息传感是焊接质量监测系统的基础，目的是获得真实可靠、特征明显、信 噪比高的焊接质量信息，从而为质量判定提供依据。如前所述焊接过程可监测的 信息很多，如：电流、电压、能量、动态电阻、电极压力、电极位移、声发射、 超声波、红外辐射等，寻找和焊接质量有明显对应关系的特征信息是实现在线监 测和质量评定的关键【26 | 。 焊接过程干扰因素多，并且交互影响，属于瞬间、非线性的复杂动态过程。 因此，特征信息的选择及其相应的传感器是本课题的关键技术之一，所选特征信 息应满足以下要求： ( 1 ) 选择或定制传感器必须适用于工业应用环境：即防尘、防潮、防油、绝 缘隔离、抗大电流电磁场干扰； ( 2 ) 特征信息与质量关系简单明确、信噪比高、容易处理，实现快速、准确 判定虚焊或飞溅等焊接缺陷； ( 3 ) 传感器获得的信号相对参考点线性变化，信号变化值是一个相对量，不 需要标定。 2 3 1 电流传感器 r o g o w s k i 线圈( 罗氏线圈) 是在一个由塑料棒( 材料可以是聚酰胺等非磁性 材料) 构成界面的均匀的环形骨架芯如图示，均匀密绕n 匝小线匝后，再在线圈 两端街上终端电阻r ，就可以测量相对于传统的安培表、电流互感器、分流器等 电流测量方法的一种柔性电流传感器，具有以下优点：1 可以测量频率从几赫 兹到几百兆赫兹的宽频带范围【2 7 】；2 可以测量电流的范围宽( 从几a 到几百 1 7 # 一章月* 8 & * f & 件 k a ) ，井具有极佳的瞬态跟踪能力口：3 隔离性好，囡罗氏线圈安装与被测回 路没有直接的电连接，因此对原边的信号影响很小口q ：4 对于要求精度并且有 安装位置要求的电路罗氏线圈具有很大优势，对大电流测量准确有效p ，因此广 泛麻片j 干传统的电流的c t 无法正常使用的大电流测量。基于上述有点以及现场 焊接各参数及焊接环境要求，本设计系统采用r o g o w s k i 线圈作为电流传感器， 选取的r o g o w s l d 线圈参数见下表2 1 ： 袁2 1 r o g o w s k i 线圈参数殷性能 名称 r o g o w s k t 线圈 测最范围从几a 到1 0 k a 输出信号及形式：交流m v 信q 性能长度标准4 0 0 m m ，可定制本系统试验采用3 7 0 m m 直径8 m m 纠，构彤式：插拔结构 本文选择罗氏线嘲实物喇如r o 此种线罔为开环形式，特点是十焊接现场能“即用b u 装”，闻此在丝网交叉 凸焊多点焊接时能够方便灵活应用。 图2 - 1 0 为罗氏线圈的测量原理： 第二章丝网焊接原理及监测设备的硬件选定 图2 1 0r o g o w s k i 线圈结构示意图 当被测电流i 通过r o g o w s k i 线圈时，在线圈出现端感应出电势e ，e 与初级电 流的变化率d i d t 成正比，当线圈每单位长度讲上的线匝上所交链的磁链 d 妒w b t 3 1 1 为： 却= n - - ，b a d l 式中：卜线圈的匝数( t ) ； i f _ 圆环的平均周长( i n t o ) ； b _ 线圈的轴线方向上的磁感应强度( g s ) ； a 每匝的横截面积( m m 2 ) 。 则总的线圈所交链的磁链为： 妒= 等a b d t = 等a h d l ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 根据全电流定律，磁场强度h 沿任意封闭轮廓的线积分等于穿过这封闭轮廓 所限定面的电流，即h i d l = i ，故得： 故感应电动势为： 妒= 了n 风彳f 叱) = 一警= 一孚觞4 掣 ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 第二章丝网焊接原理及脆测设备的硬件选定 令肘= 孚肌贶 2 3 2 电压传感器 比) = 埘掣 ( 2 7 ) 仅采用单个信息如上电流采集参数值不能完伞将凸焊丝网焊点的质量信息 有效反映，因此还需要另一个有效的信息，文章选择电压信号。大多数的研究者 研究中选择用双绞线将电压传感器直接连接于焊机的次级的上下级，这种安装方 式能够直接采集焊接程中电极两端的电压信号值，能够最直接反映焊接过程中上 下电极间电压的变化情况【3 引。 根据焊接中采集的电流与电压信号，可以通过编辑的算法计算出焊点动态电 阻变化，进而有效反映出焊点熔核形成情况，以判断焊点质量。 2 3 3 信号放大器 由于本系统针对丝网凸焊，要根据丝网的各种型号，来分析焊接是采集信号 进而对焊接的质量进行判断。因此不同的材料焊接信号不同，表现在信号的强弱 不同，在焊接信号较弱的时候，要分析信号得到的有效的信号就需要对信号进行 放大处理。 在一般信号放大的应用中，通常只要透过差动放大电路及可满足要求，然而 基本的差动放大电路精密度较差，且差动放大电路中变更放大增益时，必须调整 两个电阻，影响整个信号放大精度的原因就更复杂。仪表放大电路则没有上述缺 点，因此本文采用a d 6 2 0 仪表来对焊接进行采集信号放大处理。a d 6 2 0 能确保 高增益精密放大所需的低失调电压、低失调电压漂移和低噪声等性能指标；具有 高共模抑制比、高输入阻抗、低功耗等优点，并且放大倍数值需要调节一个电阻 就可设定。其放大倍数彳：。4 9 4 k + l ，初步拟定a ：5 ，因此，精密电阻： 。 1 2 3 5 尼q ，原理图如图2 1 1 所示。 第二章丝网焊接原理及监测设备的硬件选定 2 4 工业控制计算机 一c 图2 1 1a d 6 2 0 放大电路 由于现场焊接环境恶劣，普通的计算机或是个人p c 都不适宜在现场实际操 作，以及要求高强度的系统以及数据存储稳定性，凶此选择了性能较好适宜现场 工厂环境的工业计算机，其部分参数为( 表2 - 2 ) ： 表2 - 2 工控机型号、性能 型号p c a 一6 0 0 6 性能 c p u ：p 42 8 g 内存：d d r 2 5 6 m 硬盘：8 0 g 触摸屏界面 2 5 本章小结 1 针对丝网凸焊原理以及现场焊接环境，搭建了焊接数据采集与质量监控的 硬件系统。 2 对比选择了合适的电流传感器，电压传感器，可根据焊接材料以及参数变 化而设计选择了对较小信号能放大处理的信号放大器，以及适合恶劣环境的工业 控制计算机。 2 1 第三章丝网焊接过程信号监测系统的设计 第三章丝网焊接过程信号监测系统的设计 丝网凸焊焊接过程信号监测系统主要包括两个主要部分( 图3 1 ) ，一是整个焊 接过程的信号采集部分，为了从信号中提取有用信息以对焊接质量进行判断，则 所需信号的量与程度是一个关键，因此这一部分程序是整个监测系统的基础。另 一个主要部分是数据处理分析部分，能提取出有效的信息反映出焊接质量好坏是 最终目的，因此这一部分程序是整个监测系统的关键。 数据采集部分是整个监测系统的基础部分。它既涉及到硬件又涉及到软件， 硬件上组成较为简单，重点在于选取合适的传感器及数据采集方案，并采取各种 措施以减小干扰；软件上则要求实现相应采样参数的设置、采样时间的控制及数 据文件存盘等功能。采集到焊接过程的信号不是最终目的，需要对信号进行处理 分析进而与焊接的质量联系起来才是系统的丰要目的。 数据处理与分析主要功能，第一