（材料加工工程专业论文）电阻焊大电流检测系统的研究.pdf

摘要 摘要 检测技术作为人类在研究未知世界的一种重要手段，广泛地应用在各个学科 和领域的科学研究和生产控制工作中。随着计算机技术的发展，产生了一系列的 以计算机为中心的各种检测系统。本论文论述了以单片机8 9 c 5 5 为中心的电阻焊 焊接电流有效值在线检测系统。 焊接电流是电阻焊的三要素( 电流、时间、压力) 之一。在焊点形成的过程 中，在线精确地测量出电阻焊焊接电流有效值是控制焊接质量的关键。由于电阻 焊焊接电流为非完整正弦波，因此测量电阻焊焊接电流有其特殊性。目前，国内 外测量电阻焊焊接电流有效值的方法有两大类，即模拟法和数字法。在模拟法中 包括有按有效值刻度的平均值转换器和真有效值转换器。以平均值转换器制作的 测量仪表，当被测波形不是纯正弦波时，就要产生可观的附加误差。采用真有效 值转换器制作的测量仪表精度较高，但电路技术复杂、成本较高。在数字法中包 括导通角系数法、峰值角计算法、逐点积分法等。其共同特点是借助计算机对信 号进行采样、计算。导通角系数法、峰值角计算法，它们都存在原理误差，且对功率 因素角或导通角的范围有要求，当波形因素增加时，产生的误差也随之增大。逐点 积分法依据电流有效值的定义进行计算，优点是不存在原理误差，适用范围广，但采 用逐点积分法计算焊接电流的有效值对器件的性能要求很苛刻，如单片机的性能、 运算能力以及运算速度等。但是随着硬件的发展、软件算法设计的优化，利用逐 点积分法单片机可以精确地测量、计算焊接电流的有效值。 本文根据电阻焊及单片机的特点，探索单片机使用逐点积分法在线检测电阻 焊焊接电流有效值的方法，解决检测时的占用机时过多的难题，提高了在线检测 的测量精度。 在硬件上，对无芯线圈采集的焊接变压器次级电流信号进行放大、积分和整 流，然后利用m a x l 9 1 ( 1 2 位a d ) 进行快速的模数转换，同时单片机8 9 c 5 5 对 采集数据进行快速的处理，并保存采集处理得到的数据。检测完之后，该系统可 以通过键盘的操作来查阅检测的电流参数，检测参数通过o c m j 中文模块液晶图 文显示器显示，操作方便、直观。 在软件上，用逐点积分法对采样的数据进行处理。平方的计算本文采用查表 的方法，该方法可以快速、精确的得到计算值；在平方根的计算上本文采用一种 快速的多字节开方算法，解决了平方根计算用时多的难题，同时在软件的设计上 采用了指令冗余、数据复核等抗干扰措施。该系统实现了对焊接电流有效值的检 测、处理和显示等功能，并达到了较高的精度。 关键词电阻焊：单片机；在线检测：逐点积分法 华南理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t m e a s u r i n gt e c h n o l o g y ，a sai m p o r t a n t m e t h o du s e dt or e s e a r c ht h eu n k n o w n f i e l d ， i sw i d e l ya p p l i e di nm a n u f a c t u r ec o n t r o la n ds c i e n t i f i cr e s e a r c hi nl o t so ff i e l d s w i t h t h ec o m p u t e rt e c h n o l o g yd e v e l o p i n g ，t h e r ea r es e r i e so fc o m p u t e r - c e n t e r e dm e a s u r i n g s y s t e m t h i sp a p e r d i s c u s s e sao n l i n e m e a s u r i n gs y s t e m w h i c hi sc e n t e r e d b y s i n g l e - - c h i p m i c r o - - p r o c e s s o r8 9 c 5 5t om e a s u r et h ev i r t u a lv a l u eo fr e s i s t a n c e w e l d i n g c u r r e n t w e l d i n gc u r r e n ti so n eo f t h e r ee s s e n t i a lf a c t o r so fr e s i s t a n c ew e l d i n g d u r i n g t h ec o u r s eo fw e l d i n gs p o tf o r m i n g ，i ti s s t i c k i n gp o i n to fc o n t r o l l i n gw e l d i n gq u a l i t y t h a tt h ev i r t u a lv a l u eo fr e s i s t a n c ew e l d i n gc u r r e n ti sm e a s u r e d a c c u r a t e l yi nr e a lt i m e r e s i s t a n c ew e l d i n gc u r r e n ti s n o n i n t e g r a t e ds i n ew a v e ，s oi t s m e a s u r em e t h o di s s p e c i a l a tp r e s e n t ，t h e r et w om e t h o d so fm e a s u r i n gt h ev i r t u a lv a l u eo fr e s i s t a n c e w e l d i n gc u r r e n t ，n a m e l y s i m u l a t i o nm e t h o da n d d i g i t a l m e t h o di nt h ew o r l d s i m u l a t i o nm e t h o di n c l u d e sa v e r a g ev a l u ei n v e r t e ra n dr e a lv i r t u a lv a l u ei n v e r t e r i t w i l l b r i n g c o n s i d e r a b l ea p p e n d e de r r o rt h a t a v e r a g e v a l u ei n v e r t e ri su s e dw h e n m e a s u r ew a v ei sn o tp u r es i n ew a v e i t st e c h n i q u ei sv e r yc o m p l e xa n di t sc o s ti sv e r y h i g h ，a l t h o u g hr e a lv i r t u a lv a l u ei n v e r t e r sa c c u r a c yi sh i g h d i g i t a lm e t h o d i n c l u d e s c o n d u c t i o n a n g l e m o d u l u sm e t h o d ，p e a kv a l u e a n g l ec a l c u l a t i o n m e t h o da n d i n t e g r a lp o i n tb yp o i n tm e t h o d ，e t c t h e i r c o m m o n s p e c i a l t yi si nv i r t u eo fc o m p u t e r t o s a m p l et h es i g n a la n dc o m p u t e b u t t h ef o r m e rt w o sh a v e p r i n c i p l ee r r o ra n d t h ee r r o r i n c r e a s e sa l o n gw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h ew a v e f a c t o r i n t e g r a lp o i n tb yp o i n tm e t h o d c a l c u l a t e sv i r t u a lv a l u ea c c o r d i n gt ot h ed e f i n i t i o no ft h ec u r r e n tv i r t u a lv a l u e s oi t s v i r t u ei sn op r i n c i p l ee r r o ra n di t s a p p l i e dr a n g ei s w i d e b u ti n t e g r a lp o i n tb yp o i n t m e t h o dh a v eh i g hp e r f o r m a n c er e q u e s tt op a r t so fa na p p a r a t u s ，s u c ha ss i n g l e c h i p m i c r o p r o c e s s o r sp e r f o r m a n c e ，c a l c u l a t i o na b i l i t ya n dc o m p u t es p e e d ，e t c b u tw i t h t h ed e v e l o p m e n to fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r i t h m e t i cd e s i g n so p t i m i z i n g ，s i n g l e c h i p m i c r o p r o c e s s o rc a nm e a s u r ea n dc o m p u t et h ew e l d i n gc u r r e n tv i r t u a lv a l u ea c c u r a t e l y u s e db yi n t e g r a lp o i n tb yp o i n tm e t h o d b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co fr e s i s t a n c e w e l d i n g a n d s i n g l e c h i p m i c r o p r o c e s s o r , am e t h o do fr e s i s t a n c ew e l d i n go n l i n em e a s u r ei se x p l o r e dw h i c h m a ys o l v et h ep r o b l e m o fm u c ht i m es p e n di nc a l c u l a t i n gt h ev i r t u a lv a l u eo fw e l d i n g c u r r e n ta d o p t i n gi n t e g r a lp o i n tb yp o i n tm e t h o di no r d e rt oi m p r o v et h em e a s u r e a c c u r a c yo fw e l d i n g c u r r e n ti nt h i sp a p e r o nh a r d w a r e ，t h es i g n a lo fw e l d i n gt r a n s f o r m e r sh y p o p o l ec o l l e c t e db ya i r i i a b s l k a u j 。 c o i t i l o o pi sa m p l i f i e d ，i n t e g r a t e da n dc o m m u t a t e d ，t h e nt h e 1 2 一b i ta 国c o n v e r t e r m a x l 9 1i su s e dt oc o n v e r tt h ea n a l o gs i g n a lq u i c k l y ，s i n g l e c h i pm i c r o p r o c e s s o r 8 9 c 5 5c a nq u i c k l yt r e a tt h ec o l l e c t e dd a t aa n ds a v et h e m a f t e rt h em e a s u r ea n d c a l c u l a t i o n ，t h es y s t e mc a nl o o k u pt h ec u r r e n tp a r a m e t e rt h r o u g ht h ek e y s ，a n dt h e p a r a m e t e rd i s p l a yo nt h eo c m c h i n e s em o d u l el c d ，t h eo p e r a t i o ni sc o n v e n i e n ta n d s i m p l e o n s o f t w a r e ，i n t e g r a lp o i n tb yp o i n tm e t h o d i su s e dt ot r e a tt h ec o l l e c t e dd a t a 。 c o n s u l tt a b l em e t h o di su s e dt oc a l c u l a t et h es q u a r e ，i tc a ng e tt h er e s u l tq u i c k l ya n d a c c u r a t e l y ；o n t h ec a l c u l a t i o no f s q u a r er o o t ，i t u s e sa r a p i dm u l t i b y t e e v o l u t i o n a r i t h m e t i c ，i ts o l v ee v o l u t i o n sm u c ht i m es p e n dp r o b l e m a tt h es a l l l et i m e ，s o f t w a r e a d o p t ss o m ea n t i - j a m m i n gm e a s u r e s ，s u c ha si n s t r u c t i o nr e d u n d a n c y , d a t ac h e c k i n g ， e t c t h es y s t e mr e a l i z e st h ew e l d i n gv i r t u a lv a l u e sm e a s u r i n g ，t r e a t i n ga n dd i s p l a y p e r f o r m a n c e s ，a n di tr e a c h e sah i g ha c c u r a c y k e y w o r d s r e s i s t a n c e w e l d i n g ；s i n g l e c h i pm i c r o - p r o c e s s o r ；o n l i n e m e a s u r e ； i n t e g r a lp o i n tb yp o i n tm e t h o d m 学位论文原创性声明 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：计移“ 1 日期：跏 年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并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。本人授权华南理工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、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密匦 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 日期：净，年1 f 月 日 日期：乒乡年多月 日 第一章绪论 1 1 电阻缂检测技术理论 第一章绪论 电阻焊越一种将电网的交流能蠹经转换后直接对工件进行熔合的自动化程縻 较高的焊接方法。它广泛地应用于汽车、航空及航天事业。随着电阻焊废用领域 的不断扩展及深入，时焊接质量也掇出了越来越高的要求。在实际生产审，人们 为了避免网腋波动、工件的分流、焊接回路阻抗变化、电极磨损蒋干扰因素对焊 接质鼙的影响，已醋稍了多种类螫的电隘弹质量控毹器，对弹接过程中漱现静备 种干扰进行补偿，以确保稳定的焊接质量。人们要对焊接质量进行精确的控制， 浑接彀流及英状态惫流参数翡在线梭涮是簿接质蘩控翻酶关键雒l 。由予彩响浑绞 质量的因素怒多方面的，但主要原因是焊接工艺电流参数的波动。为了保证良好 的浮接质量，应当了解、磷究电隘弹及其稔灏技拳稻理论。 1 。 。1 电器焦焊的溶含遂程翻彩晌因素 1 电阻点焊的熔合过 程堍灌点烊是将爆箨装 配成搭接接头，并聪紧在 两宅缀之霹，裁强鸯疆热 熔化母材金属，形成焊点 费迄骧焊方浚。 电阻点焊原理如图 卜l 殛示。耀麓述为：褥 焊件3 压紧程两电极之间， 蓬加邀极压力后，彀阻焊 变压器l 向焊接区通过强 大鹣焊接电濂，在烽接接 触面上形成真实的物理接 1 一电阻焊交攫嚣2 电援3 一焊羚4 一熔拔 图1 1 电阻点惮原理 f i g h f e1 - lt h ep r i n c i p l e o fr e s i s t a n c ep o i n t w e l d i n g 触点，并随麓通电加热的进行两不断的扩大。塑变能与热能使接触点的原子不断 激活，消失了接触面，继续加热形成熔化核心4 ，简称熔禳。熔核中的液淼金属在 电动力 # 用下发生强烈搅拌，熔核内的金属成分均匀化，结合面遇速消失。加热 停止偌，核心液态众属从自由能最低熔核边界，戳半熔傀晶粒表筒为晶核开始熊 晶，然后沿与散热棚反方向不断以枝晶形式向中间延伸。通常熔拨以柱状晶形式 成长，将台衾浓度较高的成分排至晶叉及彼晶前端，直至生长的彼晶楣甄抵住， 华嘉理工大学工学鞭士学经论文 获得牢固的众属键结合，接触面消失了，得到了柱状晶生长较充分的焊点。或因 合金过冷条件不同，熔孩中心区同时形成等轴晶被，褥到柱袄晶与等辅黼两种凝 固组织并存的焊点。同时，液态熔核周围的高温固态金属，在电极压力“f 产生塑 性交形和强黧再结晶两形戒塑性环，该环先于熔祓形成鼓始终俸箍着熔羧一起长 大。它的存在可舫止周围气体侵入羊口保证熔核液态金属不楚于沿板缝向外喷溅2 1 。 2 彩藕蠢阻浑黢藿蠹孽三簧素惫隘霹时静电流i 、压力p 帮遴电或翻嚣时闻t 以及电极直径是影响焊接质量的主要工艺参数。辫中电极直径随着焊点数的增加 两扩大，是可醚蘸菇静，又辩刻照子搡佟者豹嚣褫中，霞魏电滚l 、匿力p 帮辩 问t 构成了影响电敝焊质量的三要素。这三个要素的组合产生了电阻焊过程的备 种熬锤繇帮力循臻，各循环篱奔魏下： 基本循环( 图1 2 ) ：包含预雁、 挥攘、维蔫帮傣壹鞫工步。必有在烬接 工步中才有电流通道。基本循环的电极 名义筵力是壤定静，强孛基力麴线载虚 线部分表示在焊接结束时增加压力可 敬进行锻压，基不餍手基本力獯强。基 本循环用于一般结构的焊接。 多辣渖缓巧：綦零鹱繇中豹爆接 工步采用脉冲通电方式即为多脉冲循 - q 颈露| 一簿搂_ 维持 嘲盘 图1 - 2 媳魁焊基零锤环 f i g u r e1 - 2b a s i cc y c l e o fr e s i s t a n c ew e l d i n g 嚣；驻常见熬双辣渖媾巧，又稼为二次脉冲锺环。熬秘循环多用于中、厚援( 2 ，5 m m 以上) 的电阻焊。 带预热及回火电滚脉挣豹热循繇：该键环分为八工步，即在基本循环的焊接 工步前后分测增加预热、冷却和冷却、回火工步。预热、焊接和回火工步都有电 流通过，一般情况一f ，这三个工步中的电漩大小甄不相尉，且焊接工步本身又可 以采用多脉冲通电。带预热及回火电流脉、抻的循环多用予中碳钢、合金结构钢融 及其他可热处理强化的材料，也可用于中、厚扳的电阻焊 电流缓升缓降的热循环：这种循环的烨接工多中的电流通断其有渐交的特征。 这种循环多用于镀屡钢板的焊接和热轧酸洗钢板的焊接。 2 电阻烽焊接墨要素的控铺稀度电流i ：由于电阻缛的原臻楚利用焦耳燕效 用来进行焊接，因此电流i 是影响电阻焊的最主要、最黧要的因索。汽车零件的 辉接电流一般在1 0 1 5k a 之间。影响电流准确豫静主要干扰因索是丽嚣波动、 分流、焊接嗣路阻抗变化、电极磨损以及板材的厚度和焊接的层数变化嚣。对于 焊按电流的控澍要求在诸多干挠斡彩嘀下仍要保符其稳定，其交傀率不麓遘5 ， 不超过3 怒较高的要求，这也是豳际汽攀生产中通常的要求。2 是控制的较好 求平溺。 2 第一章德论 聪力p ：压力的波动主蒙来自于压力源( 压缩空气、压力1 浦等) 的波动以及 巍援辘擒酌黪擦力沟交纯等，潜子透力，一簸瘟该控铡程1 0 叛两，较高懿要漆 是5 默内1 3 j 。 对淹t ：奄隧烊各工黟酶黠闻簸澈嗣渡旁荤稼。我麓窀秘瓣颓率筵5 0 灞渡。 对闻的波动来囊予计时电流参数的变他，同压的波动镣。汽车零 牛焊接中一般炼 构容许时间谈差为1 0 ，重要结构要求时悯误差为零p l 。 s 。三要素冬辉接镶裴的关系 电流、压力和时间三要素与材料的焊 接魏巍静关系可弑遥过挥接经驻萄 束表示。塑t - 3 怒羝碳钢冷轧缀电阻 霹溽攘性蘸黼豹一个铽予。幽图可 见，魄漉与邋电时阀粳不同缀合产生 了三个区域。上方是焊接飞溅区，焊 接畿鼹差；串阉斜线部分楚合格捍接 点区，焊接性能好，可在该区间选择 生产蕊范，该处瓣线区闯越宽寝示材 料翳臻接牲链熬好。下方是熙缓热量 不足蕊，该鬣闯秘爆点澄宵足够的强 度。 电极压力增大，图中的斜线区将 毫移，电援藤力躐少露壹移，瓣线区 2 0 螂 疆 = 1 6 1 2i 31 4 l ( 苄寮) 毫羧嚣力：4 4 k n 篷投囊挺：8 r a m 瞄1 32 + 2 r a m 低碳冷轧镡9 板焊接性能圈 f i g u r e1 - 3w e l d i n g p e r f o r m a n c ec h a r to f2 + 2 r a ms o f t s t e e lc o l d r o l l i n g 的宽窄也将商所改变，但熊形状可以太体上褥以保持。 。2 毫酲焊的监控捡测技寒 电阻焊翼簸控梭测酶参数有；电流、辩阊、联力、弹接证移和速度、浑接瞄 疼的壤参数等。溪慰其遴嚣援测，就褥要了鳃各圭要参数麴特点。电阻浮的趣磐 数规范具有如下的特点： f l j 电滚夫奄隧霹楚裂惩奄阻蒸遴嚣翱熬戆一秘聪弹方法。除了洋接蒸力参 数外，焊接电流憝其主要参数之一。溪在短时间内姆挥接区加热到焊接所要求的 温殿，需要通j 妻檄大的电流，其数值一般为几千劐几十千安培，麓至达到十万蜜 薅戳主；筵努，逐存在毫滚簸在浮接过穗中不翁变琵熬特点。这终现象给魄滚瓣 测爨带来了檑当大的困难。 f 2 ) 跨瓣短噻阻焊瓣一黢懿逶毫焊接瓣阉戈零熹尼秽，奁遗容髓爱焊接中， 这个时阕更辍，通常为予分之几秒。在这榉短的对闻浅，要对舰藏参数进行耩确 麓测爨是禳瀚雅熬。 华南理工大学工学硕士学位论文 ( 3 ) 应用多种电流波形除了应用工频交流供电外，尚有非工频电流供电。在 电阻焊中，除了常见的工频交流焊机外，还有应用各种脉冲电流的焊机。其频率 从12 h z ( 大厚度钢板的低频焊接) 到几百赫( 小厚度焊件的储能焊接) ，有的 甚至更高( 如高频焊接) 。而焊接的波形通常为非正弦波形，这也给测量带来困难 和误差。 以上仅叙述了规范中电参数的一些特点。由于电阻焊中焊接电流是影响焊接 质量的主要因素，也是检测中极其重要的一项。目前焊接电流的测试大体可以分 为两大类。一类是模拟电路法，即模拟法；另一类是应用微型处理机作为主要检 测装置的方法，即数字法。 模拟电路的电流表，由于焊接电流有效值的数学模型需要经过积分、平方及 开方等运算，使得电流表的电路比较复杂，而且这类电流表通常只能检测焊接过 程中某一周波的电流值。但焊接过程中，由于工件自身电阻的变化和各种因素的 干扰，焊接电流是一动态过程。因此用这类电流表检测焊接电流的误差较大【4 】。 微型处理机作为主要检测装置，其基本的原理是采样一计算的方法。这种方 法需要机时较多，但是随着计算机硬件的发展，这问题已经得到解决【4 。以微机 为核心的检测装置可以检测焊接过程每一个周波以及多次通电情况下的焊接电流 值，以及导通角、峰值角等，并且能够灵活、直观的显示这些检测参数。 微型处理机系统为了实时检测电流有效值，一般要采用工程简化方法进行计 算，目前主要有以下几种方法： ( 1 ) 离散化积分法该方法中有效值是以半波周期求出的，是将连续函数 牿f z 2 出的求解离散化为持挚的数字量槲鼢t 区间平分成n 等分 所以对i2 在0 - t 的积分离散化为：i l2 * t n + i 2 2 斗t n + 一_ + f 7 * t n ) ) 。其中为s c r 全 导通时每半周内采样次数，i ，为电流采样值。由微机在每次采样间隔时间内完成 y i ；运算，半周结束后对f f ；求平均值和开方运算即可得出半波电流有效值。 其检测精度与有关，越大则精度越高，但受a d 转换时间及c p u 处理速度 的限制。此方法的缺点是占用c p u 时间较多【4 j 。 ( 2 ) 导通角系数法由理论分析可以得知，电流有效值i 及电流峰值i u 均为 导通角0 及功率因数角巾的函数，所以它们的比值也是0 和巾的函数，即 i i 。= k 。( e ，巾) 。由计算机计算及分析可知，当中在3 0 一8 0 。，e 在6 8 一1 8 0 范围时，用某一0 角下的k 。平均值来代替该e 下不同的k ，其误差均小，故可近 似地认为k ，仅是。的函数，即： 4 第一章绪论 i i 。= k 。( 0 )( 1 一1 ) 事先将k ( 0 ) 曲线按一定步长离散化为数据表格存入微机e p r o m ，检测时 由微机测出每一周波的i 。及0 ，经查k 。( o ) 表后由上式即可算出电流有效值i 。 该方法最大理论误差为0 7 8 5 。 ( 3 ) 峰值角系数法该方法与2 不同之处是测电流峰值i 。及峰值角y 后间接 求出电流有效值i 。经理论分析及简化，当。在3 5 6 0 范围时，有： i = k ：( ，) i ” ( 1 2 ) 由微机测出每一周波的i 。及y ，经查k ：( r ) 表后由上式算出电流有效值i 。 因y 的测量可在s c r 触发后的1 4 周完成，而电流由峰值点降至零点的时间内c p u 可进行其它处理，故具有占机时间少、测量快速的特点。该方法最大理论误差为 4 5 【6 1 。 1 2 焊接电流的数学模型及逐点积分法原理 1 2 1 焊接电流的数学模型 由于电阻焊焊接电流为非完整正弦波，因此测量电阻焊焊接电流有其特殊性。 如前所述，目前国内外测量电阻焊焊接电流有效值的方法有两太类，即模拟法和 数字法。在模拟法中包括按有效值刻度的平均值转换器和真有效值转换器。以平 均值转换器制作的测量仪表，当被测波形不是纯正弦波时，就要产生可观的附加 误差。采用真有效值转换器制作的测量仪表精度较高，但电路技术复杂、成本较 高。在数字法中包括导通角系数法、峰值角计算法、逐点积分法( 离散化积分法) 等。其共同特点是借助计算机对信号进行采样、计算。导通角系数法、峰值角计 算法，它们都存在原理误差，且对功率因素角或导通角的范围有要求，当波形因素增 加时，产生的误差也随之增大。逐点积分法依据电流有效值的定义进行计算，优点是 不存在原理误差，适用范围广。但采用逐点积分法计算焊接电流的有效值对器件 的性能要求很苛刻，如单片机的性能、运算能力以及运算速度等但随着硬件的发展， 使利用逐点积分法来精确测量、计算焊接电流的有效值成为司- u e , 。本课题就采用 逐点积分法对焊接电流进行在线精确检测。 单相交流电阻焊机主电力电路及焊接波形如图l 一4 所示。其中s c r 为反向并 联的两个可控硅作为主电力回路的电力开关。 由图卜4 可见，交流电阻焊的电流f 为非正弦波怕j ，即： “= 芋面卜刊岫抄p 告 m 。， 华南理工大学工学硕士学位论文 其中z 为折算到变压器原边的总阻抗。 i 页 、 - b y “厂r h - 、 、 i 、 蕊勿 0 7 弋j oh 卜_ ， y 1 1 r ( a ) ( b ) 五电源电压 f 稳态电流i ，一一暂态电流 f 一一焊接电流口一一功率因数角 口s c r 控制角0 s c r 导通角妒一一电流滞后角卢一一s c r 熄灭角y 峰值角 图1 4 交流电阻焊机主电力电路和波形图 f i g u r e1 4w a v e c h a r ta n dm a i ne l e c t r i cc i r c u i to f a l t e r n a t i n gc u r r e n tr e s i s t a n c ew e l d i n gm a c h i n e 焊接电流有效值公式根据有效值的定义和焊接电流的特点可知焊接电流的 有效值可以用下式来表达( 参见图卜4 ) ： i = 这是焊接电流有效值的基本表达式。 ( 1 4 ) 1 2 2 逐点积分法原理 根据定积分原始定义，可对以上焊接电流有效值公式进行求解：函数i 在区 间 必a + 日 上连续，故该式是可积的。为了方便，将区间 d ，a + 0 分成n 等分， 分点为( a t ，：旦j ，( ，2 7 3埘一1)，这样每个小xel司ox川，oxl 2x e l 4 ， 的长度为分点为 ，2 i j ，( j 2 ， 3 埘一1 ) ，这样每个小川，一 的长厦为 目 甜= 一，于是便有： i = 上式中，当n 趋于无穷时 ( 1 5 ) 第一章绪论 i = 在日角内的采样次数为 口 n 2 石 实际使用逐点积分公式( 卜6 ) 时 能为无穷大，但计算机采样速度很快， 续，所以误差很小。 将( 1 - 7 ) 代入( 卜6 ) 式得： i = ( 1 6 ) ( 1 7 ) 通常以有限点代替无限点求和，即n 不可 所得到的离散信号非常密集，可以近似连 公式中= 云为周期万内的采样次数，即半波采样次数。 图卜5 为逐点积分法原理示意 图 因此，利用a d 转换器对传感 器输出信号逐点以一定的时间间 隔采样，8 9 c 5 5 单片机对采样所得 的数据根据以上焊接电流有效值 的离散化公式就可计算出焊接电 流的有效值。 ( 1 8 ) 1 3 电阻焊电流检测的发展趋势 图1 5 逐点积分法原理示意图 f i g u r e1 - 5p r i n c i p l es k e t c hs a po f p o i n t - p o i n t i n t e g r a lm e t h o d 在焊接的质量控制上，目前欧洲及日本的各大汽车公司均采用恒流控制。 恒流控制是一种较为简单可靠的方法，它通过对焊接电流的检测，然后与给定值 进行比较，根据其差值调节晶闸管的控制角使焊接电流与给定值相等，从而达到 输出恒定电流的目的。 早期的电流检测方法多采用模拟电子线路，其效果不理想。现在的检测仪、 控制器基本上都用上了微机控制技术。目前焊接电流有效值的检测计算方法有： 导通角系数法、峰值角计算法、逐点积分法( 离散化积分法) 等。在焊接电流的 华南理王大学工学硕士学键论文 捡瓣中，魄藏蕊号魏袋集楚一个墼要麴润题。裰冀爆接交惑嚣凌缀电流绞丈，采 集有一定的困难，一些控制检测器采用电流互感器从初级检测焊接电流，但初级 著不韪寇全反袄次缀耄漉静炎纯，粥交聪器不阕瓣季蠹头、交蓬嚣瓣帮分键帮等， 从褥降低1 了控镥的精度。为此有的采用麓精度的霍界电流传感器梭测裙级电流来 提褰饕发。毽最壹揍瓣是飙次缀嚣鼹取撵，慕溪纛铁滋魏鬟瓣空心线羹a i r c o r e 与次强鼹鼹台，缮到次缀毫溅辩拜孪淘貔一狳微努，对此信号进行积分整理等，静 可得到电流的有效值，这样可以避免直流偏磁殿频率变化带来的也流变化问题。 对于三榴浚级熬滚电瑕浮瓤，瞧蠢获次嚣路检测滚滚捧受援淀控铡瓣强j 。 华南联工大学的常云忿、黄石生、钟日锋游提出采用双c p u 对点爆焊进行控 裁黏检测，逶遭任务分嚣搜鼓壤系统霹敷鹫爨时耀慕送行羹姆的实时硷溅窝冀法 控翻，谈系统舞多传薅嚣甓惠融合技术静实璃巍篱麓茬割税器人点爆覆量控懿提 供了条件滞l 。中国船舶工啦总公司天津7 0 7 所的徐明蒋采用8 0 9 8 举片机测量点弹 豹嚣正弦电滚鸯效值，该系绕聚爆逐点积分法抉遮、准确静测量姆锻电滚有效谯， 且不受功率因素角范嘲的限锘4 1 1 】。武汉理工的张旭明等提出了以离性能1 6 位单片 辊8 9 c 1 9 6 k c 为硷溯系统羧心，翳璐嘉蘸度的鬈蕊毫滚俦感器，采集王羲点浮裁一 次翻窀漉，秘鲻逐鑫狡分法疑取毫滚豹裔效毽，可浚速、麓确羹魏察瑷辩邀滚有效 值的灏爨，提高恒流羧箭静精度p l 。南罱航空举虢的k d x i 鏊滔辫梳控制箱聚蒂 m c s - 5 1 攀片机为重点，剥用璃散积分法也即逡点积分法对电流进行测量，获襻了 满意的恒流监控效果f l n 。 美爨a t e k 公司开发了熬蠢学翟凄蘸敬恒滚控制嚣难越。掰谓学习珐靛，裁是将 每簿一基麴鑫瓣警导遴费与次缀彀滚黪关系豫存起来，终篱虢嚣瓣点零逶角溪整 豹彼雍。溺对躐琨了多参数练台蓥蕞控技术，该技术囊嫣聿幸籁元掰终偿惑露模赣茬 制技术，泉获取点焊控制的众面的质量信息【l3 1 。国内的张忠典建立了以抗剪载荷 为输出的焊点质量神经网络评估系统1 1 4 ；德国黼j c r e i t m a n n 等入将专家系统技 术爝于选择、谯证点焊工芑参数”鄙；荚强学者扼f a o 等大研制了一静栽的铝台金 煮辫多参数薤按系缝，该系凌霹隘毅集攀葙交浚缮掇瑟莲变溽稳患烽：l 璧翟翡过疆 鼗摇，磐遴抒簸理，获取捺逑点嚣过程瓣蒋鬣蹙u “。 由此w 见，发展多参鬣综合擞测技术是提高点焊质量_ 1 | 菹测精度的有效途裰。 懿筒充分涮蔫虢溺信慧，采爝合瑶觞建模手袋，建立台瑾懿多元嚣线性蕊瓣摸疆， 势傻监测模型憩在较宽条件内提供准确、可靠瀚点烬质量储息，融成为发展多参 量练台羧溅技零骛关键，邈燕蠡爆爱量蓬溺矮蠛中长麓夔寒爨未凝灌瓣决戆难题。 近年寒避逮发袋嚣秘疑元裙终( a n n ) 按零帮人工智撬( a i ) 按拳，可望鳄决轰薄 质崖监测领域中的许多长期以来难以解决的问蹶，人工智能理论的应用，将搬点 海矮量懿测煞磷究稚蠢一个凝的意灞疆“。 8 第一章绪论 1 4 本课题的意义 在实际焊接过程的所有焊接工艺规范参数中，焊接电流是影响焊接质量的最 重要的参数，但它又受到多种因素( 如电网电压的波动、铁磁物质的伸入、电极 压力的波动等) 的影响，分流也是影响焊接质量的因素之一。在焊接中对焊接电 流进行在线检测，具有很重要的意义，可以为焊接的恒流控制提高精度，为焊接 的智能控制提供条件【1 7 】。 在焊接电流检测计算的工程方法中，逐点积分法( 离散化积分法) 是依据电 流有效值的定义进行计算，优点是不存在原理误差，适用范围广。但采用逐点积 分法计算焊接电流的有效值对器件的性能要求很苛刻，如单片机的性能、运算能 力以及运算速度等。以致国内外研究人员在一段时间里，纷纷探讨计算电阻焊焊 接电流有效值的其他方法，由此产生了导通角系数法、峰值角计算法，但它们都 存在原理误差，且对功率因素角或导通角的范围有要求，当波形因素增加时，产 生的误差也随之增大。 在采用逐点积分法对电阻焊焊接电流进行测量时，需要进行大量的计算，因 而会占用大量的c p u 时间，这样就减少了采样次数，降低了检测的精度。所以逐 点积分法电流检测系统需要解决占时过多的问题。这样就需要采用优化的平方和 开方算法，使得单片机快速的计算出平方和，以及开方的值。同时在硬件方面， 采用8 9 c 5 5 单片机为核心，设计精确的积分放大电路，并采用1 2 位快速的a d 转换器m a x l 9 l ，其分辨率为0 0 2 4 4 ，转换速度则达到7 5 u s 。可以精确快速的 采集焊接过程的数据。同时系统采用带电池可保持数据的外部数据存储器，可以 存储多达十个焊接通电段的检测参数，通过l c d 汉字显示模块可以方便、直观的 显示出检测参数，并可对各段、各周波的检测参数进行查询。 1 5 本章小结 本章介绍了电阻焊控制和检测的技术理论、电阻焊焊接电流的数学模型及逐 点积分法的原理、电阻焊大电流检测的发展趋势和本课题的意义。 9 肇蔫理工大学工学硬学位论文 第纛章电阻焊大融流检测系统总体结构的设计 2 1 电阻焊必电流检测系统的功能分析 电阻焊大电流检测舔统是一种在线质量捻测仪袭，它是以微机为核心，酉已合 攘隧捡溅楚理铤鼹窝辩瀑毫蹲，在赣 警瓣控裁下，霹豁实嚣麓肇袋复杂矮接疆垮、 爆接电滚波形熬电流检测，可以获褥媳躲焊烬接过程中吾周波的电流有效魏、导 逶热、静遴时瓣、蜂壤囊鞋藏爆凌粒翁鲻渡数鞠殍攘潜怒，羼时爨绦还瘟谈鬟骞 淹好翡臻户赛掰，笈够实褒较好静久飒交互。嚣就，该捡测添绞藏该包摆露蔽下 足帮分： ( 1 ) 魂流裣灏和篱号处纛电路：该电路将获无铁辙空心线瑟送来酌奄流一阶锾 分绩号联势还鼹、放大、和求绝对焦等，供a d 转换奄路邋褥转换酾微机进行采 集。 娃) a 轻转换电路：该瞧鼯嚣癸采用悛速、嵩精度鼹a o 转换嚣锌，将嵇母处 理电路送来的模拟量快速的转抉为数字爨，减少转换谈差。 ( 3 ) 8 9 c 5 5 攀片极裘缝：该系缝貉藤缓毫爨送来黝数字髂号，避荦亍平方爨蕊帮 开方等计算和处理，并将处理结果保存；同时响应各触发信号并实时的进行处理。 ( 4 ) 键盘l c o 显示篌较：该键盘l c d 显幂模块对l 冀方镁、诀旋、壹观绣畿询 剽捻弱的参数，缒够进行较好均入规嶷夏。 ( 5 ) 复位电路和电源电路，该部分提供缭激统稳定的电源电聪，同时猩需要 黪黪髌系统哥毅复整，蓰系筑霪薪憝予裁鲶状悫。 2 。2 溆阻焊天电流检测系统的总稼设计 2 。2 邀阻辫夭电流检测系绕的源建方糕蚕 镦机电流捡测处理系统昀媳滚梭测媳路遗嚣采用豳2 1 黔示墩路口】，在爆枫次 缀豳爨中放置球形窒心线强，该线鬻瀚输密凳电流瀚徽分，然嚣经_ 过绩专楚溪毫 鼹熬糕努还磊、藏大、绝对毽魄黪( 精穰整濂逛路) 、摸数( a d ) 转换惹邀入镦 梳，霉潮徽梳对采集静数据避李亍遴算簸壤。嘏貉熬瓣靖篷f ，、蜂穰l x 露导瀵露帮 可蔽遴过该电瓣溺褥。图2 ，l 巾虚线部分糟采涮峰毽龠，巍窀流旁蜂德辩徽分电 鼹输出麓零，魏薅过零缱较器发褰箍謦葶l 莛徽瓠孛舔溺彀晦蕊受y 。 窆。窆。窆毫鞋鳟夹耄流检测累缝对徽糗麴要求 电阻焊大电流在线检测系统属于实时控制系统，需要在嫩产现场对焊接电流进 第二章电阻焊大电流梭测繇统总体结钩的设计 图2 1 电流检测电路原理图 f i g u r e2 - 1p r i n c i p l em 叩o f c u r r e n t m e a s u r ec i r c u i t 行检测。谶在线检测系统一般做成便携式的仪表，在检测时安置在焊机的旁边或 者撞谯焊机上。根据电阻焊工艺的特点，被选的微机必须具有下列的功能和特征。 f 1 ) 微枫要有较高的处理速度。电阻烽的撵接电流大( 几千几十千安培) ， 逶魄辩蠲嫒，这撵羲要求系统豹反痤蘧魔莰，筹要亵半波熬对海内完残电瀛豹测 爨、数撵楚趣零缳存。露嚣，麦予系绞袋瑙逐点瑷分法寒诗算浮接电滚畜效 鬟， 这也甏求微机有较高的处理速度，谴徽糗熊在弹接半波内采集是够多靛数据，姣 丽减少采样误差。 ( 2 ) 微机要有较强的中断处理能力。寅时控制过程中，测量、数据处理和计 算的同时，中断能力是保证检测正常进彳亍的关键。 ( 3 ) 微机要求有大的程序存储空间和较强的扩展能力。检测系统需要有1 6 k 以上的程序存储空间，供存放检测系统的獠序和各种数表，同时还应该能够提供 8 k 的外部r a m ，供运行时存放数据。 ( 4 ) 微机要有较强的抗干扰能力。由予现场的工停条件复杂，会出现各羊中形 式豹予挽，使检测系统静检测精度下降，敬在逡撵徽辊和电路设计蹲，要对徽枫 系统戆羧鼍= 挠糍力特蘩兹重褪。 ( 5 ) 徽筏的爨令系统要求耱类丰客，露翊的摇令登矮可靠；这样毒隽梭测系 统豹软伟设计带来极大的方便，也必簿化软l 譬静设计剖造了条俘。 ( 6 ) 微机要有较完善的接口，以便于和榆测对象相连接，便于系统进行扩展。 ( 7 ) 微机要求结构紧凑，体积小，功能丰黼，并且功耗小，这样可使电流检 测系统尽可能的简单，小巧。 2 2 3 电阻焊大电流检测系统0 p u 芯片的选择 1 单片机的选择单板机结构简单、价格低，一般用于学习微机原理的试骏 枫。残麓在野发徽辊在焊接领域应用酌翘期，瞧用它来采集焊接的参数、控制焊 接避穗簿。其缺点是数据线、遮蛙线、蔽铡绫豹分毒嚣积大，抗于藐麓力鞍蓑， 骞鬓邃筏廷瓠，因蹙寝少在生产嚣凌中毽麓蒋l