（材料加工工程专业论文）轿车车身焊点质量监控系统的研究.pdf

硕十学位论文 摘要 在轿车车身制造过程中，电阻点焊是主要的装配连接手段。由于点焊过程易受材料 性能、表面状况、工艺参数、网压波动等多种因素的影响，造成焊接过程的不稳定，易 导致不合格焊点的出现。目前，为保证车身焊点质量，大多数企业采用焊前保证工艺条 件焊接过程反馈控制焊后抽检的质量保证体系，但这种质量保证体系无法获得每一个 焊点的确定质量信息。本文提出了一种质量保证新模式，开发一套在线焊点监测与管理 的软件系统，实时监测点焊过程、获得每一个焊点质量信息、实现焊点质量评判和信息 管理。 焊点质量与焊接工艺参数之间密切相关，结合车身焊接过程与点焊的基本原理，分 析了不同点焊参数对焊点质量的影响。根据点焊过程实时控制的要求，搭建了点焊过程 的实时获取信号的计算机系统的硬件平台，在获得数字信号的基础上，提出了基于数据 驱动的车身焊点质量监控系统体系。 基于轿车焊装总成过程柔性化需求，开发了轿车车身总成工艺焊点质量监测与管理 系统。第一，采用软件工程方法，建立了系统需求分析模型，构造了系统状态图、活动 图模型、并进行了系统模型运行机制分析；第二，进行了系统结构功能设计、划分以及 功能分析，设计了系统总体流程图，并且用数据流图进行了各个模块间信息流分析；第 三，按照数据库设计流程，进行了数据库需求分析、e r 图设计、逻辑模式设计和物理 设计以及数据的维护、运行；第四，对系统信息监测、故障诊断、质量评判等主要模块 进行了设计。最后，采用v b6 0 面向对象编程语言对信息监测、质量评判、报表生成、 信息管理等功能进行了模块化实现。 在开发了焊点质量监测与管理系统的基础上，建立了p l s s v m 的数据挖掘模型， 实现了焊点质量评判。首先，提取数据库中的动态监测数据，进行数据清理，提取特征 值，建立了数据集市。其次，建立p l s s v m 的焊点质量的预测模型，对焊点抗剪切强 度进行了预测和评判。最后，综合质量评判对焊点质量模型的预测结果进行了分析和评 价。 实际测试表明，该系统可实现每一焊点的质量信息实时监测、故障诊断、质量评判 及报表动态管理等功能。操作简单、方便，是一种低成本的质量监控方法。 关键词：焊点质量：软件建模：信息监测：质量管理：数据挖掘：p l s s v m 轿车车身焊点质量监控系统的研究 a b s t r a c t r s wi st h em a i na s s e m b l yc o n n e c t i o nr e c a l l si nc a rb o d ym a n u f a c t u r i n gp r o c e s s s p o t w e l d i n gp r o c e s si ss u s c e p t i b l et ov a r i e t yo ff a c t o r s ，s u c h 船m a t e r i a lp r o p e r t i e s ，s u r f a c e c o n d i t i o n s ，p r o c e s sp a r a m e t e r s ，t h en e t w o r kv o l t a g ef l u c t u a t i o n se t c i tc a u s e db y t h e i n s t a b i l i t yo ft h ew e l d i n gp r o c e s sa n dl e a dt ot h ed e f e c t so fs o l d e rj o i n t se a s i l y i no r d e rt o e n s u r et h eq u a l i t yo ft h eb o d ys o l d e r , m o s te n t e r p r i s e su s e dq u a l i t ya s s u r a n c es y s t e m ，i t c o n t a i n e de n s u r ew e l d i n gc o n d i t i o n sb e f o r ew e l d i n g w e l d i n gp r o c e s sf e e d b a c kc o n t r o l - s a m p l i n ga f t e rw e l d i n g ，b u ti t c a l ln o ta s c e r t a i nt h eq u a l i t yo fe a c hs o l d e rj o i n t t l l i sp a p e r p r o p o s e saq u a l i t ya s s u r a n c em o d e l aq u a l i t ym o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n ts o f t w a r es y s t e mi s d e v e l o p e d i tc a nr e a l - t i m em o n i t o r i n gt h ew e l d i n gp r o c e s s ，o b t a i n i n gq u a l i t yi n f o r m a t i o n , r e a l i z i n gq u a l i t ye v a l u a t i o na n dm a n a g e m e n to f e a c h j o i n t t h e r ei sac e r t a i nr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ew e l d i n gp a r a m e t e r sa n dt h ej o i n tq u a l i t y , a c o m b i n a t i o no ft h ea c t u a lb o d yw e l d i n gp r o c e s sa n dt h eb a s i cp r i n c i p l e so fr s w a n a l y s i st h e i m p a c to fd i f f e r e n tw e l d i n gp a r a m e t e r s0 1 1t h ej o i n tq u a l i t y a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so f r e a l - t i m ec o n t r o lo ft h ew e l d i n gp r o c e s s ，t h ep l a t f o r mo fr e a l - t i m ec o m p u t e rm o n i t o r i n g h a r d w a r ei sb u i l t o nt h eb a s i so fo b t a i n i n gt h ed i g i t a ls i g n a l ，t h ef r a m e w o r ko ft h ej o i n t q u a l i t yc o n t r o ls y s t e mb a s e do nd a t a - d r i v e ni sp u t f o r w a r d an e wq u a l i t yg u a r a n t e em o d ei sp u tf o r w a r dt om o n i t o re a c hj o i n ti nr s wp r o c e s sf o r f l e x i b l ec a ra s s e m b l i n gl i n e t h eq u a l i t ym o n i t o r i n ga n d m a n a g e m e n ts y s t e mi sd e v e l o p e df o r i na u t oc a ra s s e m b l i n gl i n e f i r s t l y , t h r o u g hs o f t w a r ee n g i n e e r i n gm e t h o d ，a f t e rt h ea n a l y s i so f t h es y s t e md e m a n d s ，t h eu m l m o d e l i n gt o o la r eu s e dt os e tu pt h es y s t e mm o d e lo f t h en e e d s ， s u c h 弱e x a m p l e - c h a r t , s t a t e c h a r ta n da c t i v i t y c h a r te t c ，a n dt h eo p e r a t i o nm e c h a n i s mo ft h e s y s t e mm o d e li sa n a l y z e d s e c o n d l y , t h ef u n c t i o ns t r u c t u r ea n dt h ef l o wc h a r to ft h ef u n c t i o n a n a l y s i si sd e s i g n e d , a n dt h ed a t af l o wg r a p ha n a l y s i st h ei n f o r m a t i o nf l o wb e t w e e ne a c h m o d u l e t h i r d l y , a c c o r d i n gt ot h ed a t a b a s ed e s i g np r o c e s s ，t h en e e d sa n a l y s i s ，e rd i a g r a m ， t h ep h y s i c a la n dl o g i cm o d e li sd e s i g n e d f o u r t h , i n f o r m a t i o nm o n i t o r i n g ，f a u l td i a g n o s i s q u a l i t ye v a l u a t i o na n do t h e rm a j o rm o d u l ec a r r i e do nt h ed e t a i l e dd e s i g n o nt h eb a s i s ，t h e s o m eb r a n c hm o d u l e s ，s u c ha si n f o r m a t i o nm o n i t o r i n g ，q u a l i t ye v a l u a t i o n , r e p o r tg e n e r a t i o n a n di n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ti sr e a l i z e db ym e a n so fo b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n gl a n g u a g e v b6 。0 b a s i so nt h es y s t e mo fm o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n t , t h ep l s s v md a t am i n i n gm o d e l s i se s t a b l i s h ，i ti s k e yt o a c h i e v eas o l d e rj o i n tq u a l i t ye v a l u a t i o n f i r s t l y , t h ed y n a m i c m o n i t o r i n gd a t ai se x t r a c t e df r o mt h ed a t a b a s e ，f e a t u r ev a l u e si se x t r a c t e d ，a n dd a t am a r k e ti s e s t a b l i s h e d s e c o n d l y , t h ep r e d i c t i o nm o d e lt h a tt h ep l s s v me s t a b l i s h e df o rt h eq u a l i t yj o i n t t op r e d i c t e da n dj u d g e dt h ej o i n ts h e a rs t r e n g t h f i n a l l y ，t h er e s u l t so ft h em o d e lt h a ts o l d e r j o i n tq u a l i t yp r e d i c t i o ni sa n a l y s i sa n de v a l u a t e i i 硕l 学位论文 p r a c t i c a lt e s tr e s u l ti ss h o w nt h a t , t h es y s t e mc a na c c o m p l i s h q u a l i t yi n f o r m a t i o n m o n i t o r i n g ，f a u l td i a g n o s i s ，q u a l i t ye v a l u a t i o na n dm a n a g e m e n tf u n c t i o no fe a c hj o i n t i ti sa l o wc o s t ，e a s ya n dc o n v e n i e n tq u a l i t yc o n t r o lm e t h o d k e y w o r d s ：j o i n tq u a l i t y , s o f t w a r em o d e l ，i n f o r m a t i o nm o n i t o r i n g ，q u a l i t ym a n a g e m e n t ， d a t am i n i n g ，p l s s v m i i l 硕1 二学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 中国汽车工业经历了5 0 多年的发展，特别是在近2 0 多年的快速发展阶段世界各大 汽车企业纷纷进入中国市场，中国汽车工业进入了一个真正竞争的时代。与此同时，汽 车零部件行业也真正进入竞争时代。中国汽车及零部件工业已经发展成为了一个种类比 较齐全、生产能力不断增长、产品水平日益提高的汽车工业体系f l 】。q ( 质量) s ( 服务) t ( 技术) p ( 价格) 成为汽车行业各大整机厂选择供应商的关键参数。在技术，价格及 服务之外，质量的控制方法已经成为企业的生命，因而先期质量控制更为重要。 轿车白车身是由冲压成形的板料通过装配和焊接形成的车身壳体。车身制造的传统 四大工艺冲压、焊装、涂装、总装，其中焊装工艺起着决定性作用：决定车身的外 形轮廓及装配精度；决定和影响车身的刚度及安全性；决定车身的内部空间、承载能力 及舒适性；决定和影响车身自重及燃油经济性 2 1 。衡量和考核轿车白车身焊装质量的性 能指标主要有以下三项：焊点强度质量水平nqst ，焊装外观缺陷扣分p o i n t 和几何尺 寸质量水平i q g l 3 j 。近年来，轿车厂商通过科学建立和有效实施一整套质量控制体系， 白车身焊装质量不断提高，目前已接近国际先进水平，在国内同行业中处于领先地位。 在轿车车身的制造过程中，焊接工艺，特别是电阻点焊n i 艺是主要的装配连接手 段，电阻点焊焊接接头质量的好坏，不仅直接决定了车体焊接装配过程的制造偏差，同 时也决定了轿车使用的可靠性和安全性，所以说，点焊的水平直接决定车身的质量，反 映了企业轿车制造水平的高低。相对于其它的焊接方法，点焊有很多的特点：比如高效、 成本低、易于操作，易实现焊接自动化，适用于大批量生产的。由于上述优点，点焊已 经成为轿车制造工业中的主要连接工艺方法，轿车白车身主要采用电阻点焊来完成绝大 部分焊接工作量，在轿车制造工业中发挥着不可替代的重要作用。首先应用于车身焊装， 包括车身底板、侧围、车架、车项、车门、车身总成等部分，在它的焊接过程中大量采 用电阻点焊工艺。例如，富康轿车白车身，属于无独立车架的承载式全焊接结构，是由 2 0 多个大总成、数百种薄板冲压件经焊接而成的复杂结构件，其焊接方法有电阻点焊、 混合气体保护焊( m a g 焊) 、螺柱焊等，而主要采用电阻点焊，白车身上电阻焊焊点有 3 6 0 0 多个；上海大众“帕萨特 自车身上的焊点数达到5 8 9 2 点，三箱p o l o 车的整个 车身共有3 7 2 5 个焊点，几乎遍及每一个总成；在神龙公司焊装分厂全部焊接设备中， 点焊设备占9 2 4 。因此保证点焊焊接质量成为轿车车身装配质量、控制车体误差的关 键。 一个自车身，在车身底板、侧围、车架、车顶、车门及车身总成等部分的焊装中【5 1 ， 大量采用电阻点焊工艺。据统计每一辆轿车车身上，约有4 0 0 0 到6 0 0 0 个电阻点焊焊点。 由于点焊过程是一种动态变化过程，焊点的质量受多种随机因素的综合影响【6 1 ，在大批 量生产中，采用人工抽样检验的方法来保证其质量，且抽检存在一定的随机行，仍然不 能确定每一个焊点的质量状态，使得焊点的质量呈现随机性和不稳定性( 7 】。 轿车车身焊点质量监控系统的研究 随着计算机与通讯技术的发展，越来越多的企业采用先进的制造技术和质量管理理 念。先进制造技术需要有先进质量管理与控制的支持，需求的多样性决定了轿车是多品 种、大批量，为了求得生存和发展，各种先进制造模式迅猛发展。提出了多种先进制造 技术，例如，计算机集成制造( c m i s ) ，即时制造( j i t ：j u s t - i n t i m e ) ，敏捷制造( a m ：a g i l e m a n u f a c t u r e ) 等。这些先进的制造技术都需要有先进的质量管理与控制( 例如：计算机辅助 质量控制c a q ) 来保证，正如美国a b 公司在总结其经营经验时认为：“没有c a q 的 c i m s 是不完善的，也是没有生命力的。，i 副 目前在生产线上还没有一种可靠的无损检测手段对每一个焊点进行质量检测， 而 是凭借操作者的经验对焊点的质量状况进行判断【9 , 1 0 。显然，这种方法是不科学的，也 无法满足工业化发展对点焊质量提出的高可靠性、低成本的要求。此外，在现代化的质 量管理体系中，明确规定了对生产过程中的每个部件产品质量的可记录性和可追溯性， 这在传统的生产方式下是很难实现的。为了改变这种现状，有必要将信息技术引入到轿 车车身点焊过程中来，建立焊接过程质量信息检测与评定系统，在线逐个检验焊点质量， 及时检出不合格的焊点，使操作者能够及时进行在线补救，以有效提高和稳定点焊的质 量。同时将相关信息记录到数据库中，使得每一个焊点的质量状况都有据可查。 因此，针对如上轿车车身焊装生产线中，焊点质量的检验过程效率低下，技术落后 的现状，为确保轿车车身焊接自动化生产高效、高质量的进行，实现“零次品”、“零缺 陷”的产品管理目标，迫切需要开发出一种在线、非破坏性、低成本、诊断可靠性高的 具有质量评判的计算机监测与管理系统j 。 1 2 课题来源 本课题研究主要来源于以下项目的支持： 轿车生产线基于动态过程信号特征的点焊质量在线监测系统的研究( 国家自然 基金资助项目5 0 2 7 5 0 2 8 ) 1 3 焊点质量检验及评价方法 在车身制造中，焊点的质量检验是生产中十分重要的一个环节，是保证产品质量、 防止废品出厂的必不可少的手段。传统生产中，焊点的质量是通过稳定工艺参数和焊后 检验来保证的。在产品焊接前和焊接过程中，通过稳定工艺参数和焊接条件，但是由于 点焊过程是非常复杂，难以确保每一个焊点的质量，仅仅依靠稳定工艺参数并不能全面 保证焊点的质量。在产品或零件焊接之后，针对车身点焊接头质量的检验，各大汽车公 司仍然耗费大量的人物力进行破坏抽检。对焊件采用非破坏性或破坏性检验方法等评 价，鉴别焊接的质量等级与使用寿命1 1 2 j 。 在车身制造中生产现场常用的点焊检验方法及检验内容如下： ( 1 ) 外观检验：主要检验焊点熔核尺寸，表面质量( 包括压痕深度、飞溅、烧伤、 烧穿、未焊透等) 。 ( 2 ) 撕破检验( 又称剥离检验) ：主要检查焊点尺寸、未熔合和未完成熔合等。撕 2 硕上学位论文 破检验是破坏性检验方法，检验过后，焊件需要进行补焊。 ( 3 ) 楔张检验( 经验方法) ：利用扁铲、手锤等工具对焊件进行楔张检查，如图1 1 所示，将扁铲楔入被点焊的板料中间，若板料的张开在焊点处受到明显的阻碍或板料虽 被张开，但焊点未破坏而焊点周围母材被拉环，表示焊点己焊牢：若在楔张过程中，焊 点被拉开则表示未焊牢。该方法属于非破坏性检验方法，在生产现场经常采用以检验焊 点的牢固性。 图1 1 楔张检查 表1 1 是某公司轻型轿车的车身点焊质量要求： 表1 1 车身焊点质量管理技术指标 可见，实际生产中对点焊接头的质量检验过程效率和精度都很低，主要表现在以下 几个方面： ( 1 ) 采用抽检的办法，存在小样本的缺点，即无法对每一个焊点的质量状态进行 检验，不能保证每个焊点的质量均满足要求。 ( 2 ) 由于大部分的检验过程均为破坏性检查或者需要辅助性工具，而且考虑到流 轿车车身焊点质量监控系统的研究 水线生产过程，大部分焊点的检验均为离线焊后检验，仍然没有实现在线实时的监测焊 点质量状况，一定程度上拉长了生产周期，降低生产效率。 ( 3 ) 在重要的焊点强度检查过程中，除了熔接开焊采用剥离检查，属于非破坏性 检查外，其它项目的检查均为破坏性检查，而且需要人工对某些重要尺寸进行测量，如： 焊点的长径，短径等。这种质量检验方法可重复性低，鲁棒性差，而且耗费了过多的时 间和人力，提高了生产成本。 ( 4 ) 在焊点的外观检查过程中，采用检验员目测的方法，受检测人员素质及外界 环境的影响较大，检验效果不是很理想。 ( 5 ) 由于白车身主要由薄板冲压零件组成，存在大量自由曲面，难以进行焊点质 量的强度的检查。同时，车身生产在大规模和高生产率条件下，不可能实现1 0 0 离线 检测。 ( 6 ) 除了焊后对焊点进行以上一系列的质量检测外，在焊接过程中，制造厂家会 在严格保证焊接工艺参数的基础上，采用设计冗余焊点的方法来提高焊点质量的稳定 性。无疑这种方法会耗费大量生产成本，拉长生产周期。 1 4 焊点质量控制及研究现状 保证点焊接头质量的稳定性，不仅需要选取可靠的鲁棒性高的监测参数，更重要的 是如何运用现代先进的设备及日趋完善的控制理论来实现对焊接过程的实时控制。近2 0 多年来，随着微电子技术和计算机控制技术的快速发展及广泛应用，以人工神经网络、 模糊逻辑控制、专家系统为标志的人工智能技术的应用已经渗透到各个领域，点焊质量 控制也不例外。 在国外，y c h o 等以点焊过程初级动态电阻信号监测特征参量为b p 神经网络输入， 建立焊点抗剪强度、熔核尺寸映射模型，收到不错的效果【1 3 j ；兰州理工大学马跃洲、种 玉宝f 1 4 】以交流电阻点焊过程电极间电压和焊接电流全周波有效值作为输入向量，以熔核 直径和熔核高度为输出向量，利用r b f 神经网络对焊点熔核尺寸进行预测，试验结果 证明r b f 神经网络用于这类应用场合的可行性和有效性。学者0 z y i x r e k d t l s l 以多个信息 参量作为a n n 的输入向量，以t s l b c ( 抗剪切强度) 作为输出向量，建立接头强度的 预测模型，最终按t s l b c 的值，将r s w 接头的质量水平划分为三类，实现了焊点质量 的分类。j d c u l l e n 1 6 j 以电流，电压，动态电阻，红外线，电极压力，超声波作为信息 源，将与焊点质量相关性较大的数据作为双层神经网络的输入，实现对焊点熔核直径， 焊点质量和压痕深度的预测。m e s s l e r l r 7 】等结合人工神经网络建模与模糊控制实时调节焊 接电流的大小以使得采集到的电极位移的信号曲线沿着合格焊点的位移曲线的趋势发 展，以保证焊点的质量。o s c a rm a r t i n l l 8 】利用超声波分析仪，以焊点的回波特征参数作 为人工神经网络的输入，并按照超声波的特性，将焊点分为良好，熔核过小，粘结，虚 焊四类，实现了对焊点的快速识别分类。在焊点外观质量方面，c h o n g j i a n t l 9 1 设计了一种 视觉系统可以利用一个c c d 传感器而同时捕获焊接熔池三个方向的图像信息，经过一 系列图像处理及特征提取后，实现了对被焊工件熔深的实时控制。一些学者 2 0 - - 2 4 通过对 4 硕十学位论文 接头射线图像的进行适当的图像分割及特征分析，提取图像的偏心率，欧拉数，方位等 几何特征参数，借助神经网络分类器实现了对焊接缺陷的检测和分类。 在国内，潘存海等人1 2 5 j 同步采集铝合金点焊过程中的多个信号，利用l a bv i e w 图 形化语言编制相关数据处理软件，实现了点焊质量的判定和分类。王蕤等人 2 6 1 基于 l a b v i e w 编程软件设计出一套铝合金点焊质量监测系统，利用相关系数法表征磁场信号， 混沌理论与方法处理电压和位移信号，运用模糊理论对各信号特征值进行融合判断，最 终用模糊理论来判断焊点熔核的质量。最近的有曹建，陈关龙| 6 1 等人：在对上海大众车 身焊装生产线进行详细调研的基础上，介绍点焊信息管理系统数据库设计、建立及基于 a d o 编程技术的应用程序开发等关键技术，而在车身质量控制上，程志广，陈杰，胡彩 旗，李忠掣z 7 j 分别用有c i i 指数、a u d i t 扣分和p a s sr a t e 等三种，它们分别从车身尺 寸标准差的波动、车身表面缺陷、车身测点尺寸在公差带范围内的通过率等三个不同的 角度来评价车身焊装质量，阐述了各评价方法的原理，并结合车身生产过程的质量控制 对各评价方法的特点进行分析，指出各车身焊装质量评价方法存在的问题。而华南理工 大学的康新龙、宋永伦、叶峰【2 8 - 2 9 1 等人以桑塔纳轿车前悬架焊接总成焊接生产和管理的 实际生产需求为背景，在所开发的焊接质量数据库中应用s p c 方法，对焊接生产过程及 产品质量状况进行分析和监控，确保整个生产线生产能力的稳定，该数据库的建立，为 各级技术和质量管理部门随时获得生产质量情况的反馈提供了有效的手段。张春华，李 迪 3 0 - 3 2 1 等人已经从车间已积累的大量的生产历史数据中获得潜在的规律性和趋势，为管 理者提供决策支持，文中在已有的质量在线监测平台和数据库系统上提出了基于先进的 数据挖掘技术的焊接生产管理平台，同时为了获得有效的挖掘模式，对数据进行了预处 理，建立了焊接车间数据集市。该平台主要使用控制图控制焊接生产产量和废品数量， 利用决策树方法分析废品产生因素，获得了有效的数据挖掘模型。 1 5 研究内容 轿车生产厂家现有点焊控制设备主要通过实现恒流控制来进行点焊的质量控制，对 焊点质量的检测也是离线进行，检测效率较低。本课题研究目的：基于轿车焊装生产线 在线焊点质量监测和管理的需求，开发一种能够实现焊接质量在线评判和质量信息数字 化管理的计算机软硬件系统，以保证焊点质量的稳定性，提高焊点合格率，达到降低成 本和提高生产效率的目的。具体研究内容如下： ( 1 ) 搭建点焊过程的信息采集系统，实现焊接工况状态、设备、焊接过程的信息 监测。 ( 2 ) 建立焊接过程动态信息的数据库。 ( 3 ) 基于数据库挖掘技术，实现质量信息特征的参数化。 ( 4 ) 基于v b6 0 实现点焊过程监测与管理系统的结构、功能、以及人机界面设计。 ( 5 ) 焊点监测与管理系统的测试与优化。 软件的开发过程如图1 2 所示： 轿车车身焊点质量监控系统的研究 图1 2 软件开发流程 6 硕上学位论文 第2 章车身焊点质量保证体系的构建 随着计算机与通信技术的工业应用，促进了传统的焊接生产向“精量化 的制造方 向发展，以计算机和信息技术为平台的车身焊点质量监控系统，实现了轿车焊接过程的 质量控制。根据车身焊接过程特点，论述了焊点质量缺陷产生的影响因素，搭建了点焊 过程的信号实时监测和焊后焊点图像信息获取的计算机监测的硬件平台，提出了基于数 据驱动的车身焊点质量监控系统体系。 2 1 车身焊接过程特点 轿车制造的批量化、高效率，使机器人生产方式在轿车车身焊接中获得了大量应用。 焊接机器人是本体独立、动作自由度多、程序变更灵活、自动化程度高和柔性程度极高 的焊接设备。具有重复精度高、焊接质量好、运动速度快和动作稳定可靠等特点，焊接 机器人是焊接设备柔性化的最佳选择。 轿车生产的工艺流程为冲压、焊装、涂装、总装。在轿车白车身的生产过程中，来 自冲压过程的各种冲压件，首先在车身的分拼线上，通过自动点焊分为总成，然后在总 拼线上自动点焊机器人对各个总成和某些冲压零件按一定的工艺顺序进行焊装；最后， 通过补焊、打磨等工序得到轿车白车身。轿车车身就是焊装车间的“最终产品 ，轿车 车身的质量就是质量控制的最终目标。从轿车生产的工艺流程来看，白车身制造的焊装 过程处于中间过程，从而它的生产质量的好坏将对它后面的涂装和总装工序产生很大的 影响，同时它的质量状况又受它前一个工艺过程的影响。在轿车车身的焊接过程中，其 焊接的要求具有： ( 1 ) 对焊接件的尺寸精度要求高 为了保证产品的装配精度和尺寸稳定性，要求尽可能减少薄板件在焊前的精度偏 差和焊后的热应力与变形。 ( 2 ) 对焊缝接头的性能要求高 焊接接头不仅要满足静态和动态的力学性能指标，而且有苛刻的低周疲劳性能要 求。 ( 3 ) 对批量焊接生产品质高且一致性好的要求 ( 4 ) 对焊接生产过程高节拍、高效率的要求 3 3 】 ( 5 ) 对“零缺陷”的质量控制与保证，提出了自动化焊接过程的监测与信息化管 理的要求 2 2 焊点质量影响因素 在生产中，车身焊点质量问题，点焊过程质量影响因素不仅包括板材的原始参数如 板厚、表面清洁度、是否扭曲等，还包括点焊过程中监测工艺参数的变化、工况状态的 影响、操作员和环境等因素。 7 轿车车身焊点质量监控系统的研究 ( 1 ) 板料的表面状况 板料的表面有油污、水分、氧化膜及其它附着物时，表面接触电阻急剧增大并在很 大范围内波动，直接影响到焊接质量的稳定性。板料的表面状况直接影响表面接触电阻 大小和电流场的分布，对吸热与散热有重大影响，其结果将影响电极的使用寿命、板料 的表面状况质量、熔核尺寸与形状及焊点强度的稳定性。 ( 2 ) 焊接时间和焊接电流的影响 为了保证熔核尺寸和焊点强度，焊接时间与焊接电流在一定范围内可以相互补充。 为了获得一定强度的焊点，可以采用大电流和短时间( 强条件，又称硬规范) ，也可采用 小电流和长时间( 弱条件，也称软规范) 。选用硬规范还是软规范，取决于金属的性能、 厚度和所用焊机的功率。对于不同性能和厚度的金属所需的电流和时间，都有一个上下 限，使用时以此为准。 ( 3 ) 电极压力的影响 电极压力对两电极间总电阻r 有明显的影响，随着电极压力的增大，尺显著减小， 但电流增加而使产热递增的幅度并不大，解决的办法是在增大焊接压力的同时，增大焊 接电流。但电极压力过大，容易在焊接过程中将液态会属挤到熔核周围，反而使点焊质 量降低。 ( 4 ) 电极头磨损 由于电极的接触面积决定着电流密度，电极材料的电阻率和导热性关系热量的产生 和散失，因此，电极的形状和材料对熔核的形成有显著影响。在点焊过程中，由于电极 不同程度的磨损，随着电极端头的变形和磨损【3 4 1 ，电极端面会逐渐增大，接触面积增大， 相应电流密度逐渐减小，焊点强度将降低，焊点产生未焊透现象，常常造成焊点质量的 波动。 ( 5 ) 电极位移 由于金属在点焊过程中受到焊接电流的加热，产生体积膨胀，特别是金属熔化变成 液态后，体积明显增大。但是熔化了的金属为冷态会属包围，膨胀困难，而在熔化金属 焊点的上下方，其外围固态会属很薄，因此只能够沿着这一方向上膨胀，数千n 的电极 力不足以遏止焊点的膨胀力，因而电极发生移位。焊点受热强烈则电极移位量就大，因 此，电极位移量的大小是焊点会属熔化量多少的度量和压痕深度的体现，也就是焊点熔 核尺寸的度量。 除了以上参数影响定性分析之外，由于电流的分流、电极头磨损及材料表面状态的 变化等与变压器次级回路中焊接电流无关的影响因素不够敏感，补偿作用较差。特别在 阻焊设备较多的焊接车间，同时工作的焊机相互感应，对电网产生影响，导致焊接质量 的稳定性和一致性较差汹1 。具体造成这么多焊点出现不合格情况的原因，经过分析主要 有以下几种原因： ( 1 ) 在工件上的焊点比较集中的时候，由于点与点之间的距离较近，所以容易出 现分流的影响，而不能实时检测到焊点电流密度的减小，所以造成了焊点熔核变小，强 度不够。 8 硕士学位论文 ( 2 ) 随着工位上焊枪焊的点数的增多，电极磨损越来越大，而在电极压力不变， 接触面积变大的情况下，也造成了电流密度变小，焊点抗剪切强度变小。 ( 3 ) 其它一些原因如板材的性能变化引起需要的电流不同，而恒流系统又不具有 实时调节焊接电流功能，也会造成焊点质量不合格的情况。 由于上述原因，焊接过程中设定的焊接电流并不能保证焊点质量良好，因此生产企 业往往只能依靠增加焊点数来保证整车的质量。这样既增大了电极的磨损率，也浪费了 大量的工时，所以有必要寻求一种更加有效的质量监控技术，一方面能够实时反映焊点 质量，另一方面还可以更有效的保证当前焊点的质量，尽可能的提高焊点的合格率。 2 3 数据获取 在基于数据驱动的车身焊点质量控制技术中，数据是该技术体系的重点。准确客观 地评价车身焊点质量，前提是要保证测量数据的质量。基于数据驱动的轿车质量控制技 术体系中有监测设备、处理方法等规定。 2 3 1 传感器的选择 ( 1 ) 霍尔电压传感器 电极间电压信号传感采用南京中旭电子科技公司生产的霍尔型电压传感器，型号为 h n v 0 2 5 a ，测量范围：0 - - 一+ 1 4 m a ，匝数比：2 5 0 0 ：1 0 0 0 ： ( 2 ) r o g o w s k i 电流传感器 由于点焊机焊接回路的阻抗很低，焊接区的电阻又非常小，为了在短暂的焊接时间 里获得足以形成熔核的热量，必须以极大的电流通过电极流向焊件。根据焊件金属的性 能和厚度，焊接电流常常高达数千至数万安。洛氏线圈是测量脉冲大电流时常用的一种 传感器，由于其结构和测量原理方面的特点，受到了广泛的关注。与带铁心的传统互感 器相比，洛氏线圈电流传感器具有测量范围宽，精度高；稳定可靠，同时具有测量和继 电保护功能；响应频带宽；体积小、重量轻安全且符合环保要求；易于实现微机化、网 络化等优点。基于罗氏线圈的电流传感器具有电流可实时测量、提供继电保护信号、具 有微机通讯接口等基本功能。 ( 3 ) 电极位移传感器 d a - 5 型直流差动变压器位移传感器由同心分布在线圈骨架上一个初级线圈p ，二 个次级线圈s l 和s 2 组成，线圈组件内有一个可自由移动的杆状磁芯( 铁芯) ，当铁芯在 线圈内移动时，改变了空间磁场分布，从而改变了初次级线圈之间的互感量m ，当初级 线圈供给一定频率的交变电压时，次级线圈就产生感应电动势，随着铁芯的位置不同， 次级线圈产生的感应电动势也不同，这样，就将铁芯的位移量变成了电压信号输出。为 了提高传感器灵敏度改善线性度，实际工作时是将两个次级线圈反串接，故两个次级线 圈电压极性相反，于是传感器的输出是两个次级线圈电压之差，其电压差值与位移量成 线性关系。 d a 5 型直流差动变压器位移传感器具有体积小，结构简单，工作可靠，线性度好， 9 轿车下身焊点质量监控系统的研究 重复性好，精度高，动态特性好，可用于高速在线检测，进行自动测量和自动控制，可 在强磁场，大电流，潮湿等恶劣环境下工作等特点，故可用于测量电阻点焊过程中的电 极位移信号。实际使用中的位移传感器采用捆绑式安装方法，利用刚性夹具将其固定在 与电极中轴线平行位置，弹簧触头紧贴在下面的绝缘平板上。 ( 4 ) 信号调理板 信号调理器的主要用途是为位移传感器提供相应的激励电压，并为位移信号提供隔 离和滤波。 ( 5 ) 数据采集卡 a c 6 1 1 5 是一款中速度通用a d 卡，采用p c i 总线支持即插即用。具有8 路无相差 模拟输入、2 路1 2 位d a 输出、1 6 路可编程开关量、一路1 6 位计数器、采集转换支持 多种触发形式。a c 6 1 1 5 采用大规模可编程门阵列设计，提高可靠性。 a d 部分采用d b 2 5 接头，8 路并行采样保持器，支持无相差同步采样，同时支持 通用的通道扫描模式；1 2 位4 0 0 k h za d 转换器；8 路无相差模式下最大采样速度 3 3 k h z 通道；4 路无相差模式下最大采样速度5 0 k n z 通道；普通扫描模式时( 通道等 时间间隔采样) ，每通道速度4 0 0 k h z ：拟输入通道支持自动扫描模式，可以设置任意起 始、截止通道；5 伏、1 0 伏、5 伏l o 伏四种输入量程选择；输入通道模式包括并行模式、 等时间间距通道扫描模式；a d 启动模式分为软件及外部硬件触发；a d 定时器模式有 板上1 6 位定时器( 基准时钟4 m h z ) 、外部同步时钟( o c l k ) ；时钟触发工作在并行模 式时，每个触发转换n 个通道，工作在等时间间距通道扫描模式时，每个时钟触发转换 一个通道；a d 接口采用4 k 字f i f o ，支持大容量数据采集。 ( 6 ) 信号适配电路 为了达到将焊接回路、和采集系统之间的强电弱电信号隔离，不同传感器输出信号 满足采集卡输入量程要求等信号调理的目的，设计图2 1 所示的信号适配电路。 1 1 1 1 f ”j。一+ 叶t j 一+ 一一t l 州 f f ”j。一| 串叶l 删- 串一 ， 气甜 图2 1 适配电路图 采用7 8 1 5 和7 9 1 5 搭建了为传感器和适配电路中的运算放大器提供双极性的供电电 源。霍尔电压传感器通过导线直接接在上下两个电极头上，作为电极间电压信号的输入 端。从传感器输出端获得的电流信号被转换为电压信号，经限幅接入a c 6 1 1 5 的c h 0 1 0 硕t 学位论文 通道；从r o g o w s k i 线圈和位移传感器的信号输出端获得焊接电流和电极位移信号，分 别经运算放大器t l 0 8 4 放大，电压信号跟随限幅后进入c h l 采集通道。根据采集卡的 位数设计电路增益分别为0 4 7 6 和3 0 ，采样分辨率为6 0 1 l a 和o 1 2 2 1 a n 。采用电极位移 信号主要为了考察焊接区金属受热膨胀及相变过程使上电极头向上产生的相对微观位 移( 下电极头固定不动) 。为此，专门为电极位移信号获取设计了调零电路，通过调节 电路中的4 7 k 精密电位器，将通电焊接前上电极头压紧被焊工件的位置，设定为相对位 移的零点所对应的参考电位。经运算放大器t l 0 8 4 构成的信号减法电路运算，最终由数 据采集卡c h 2 通道获得的就是所需的焊接过程电极位移信号。 2 3 2 硬件系统的搭建 实验室模拟轿车生产上的点焊过程，搭建了集点焊过程与数据采集于一体的试验平 台。搭建的点焊过程信号采集系统，如图2 2 所示。试验焊机选用恒流控制方式的唐山 松下y f - - 0 2 0 1 2 2 交流电阻点焊机，由双目立体视觉测量装置、激光位移传感器、霍尔 电压传感器、r o g o w s k i 电流传感器、信号调理板、a d 转换卡以及计算机等构成，对次 级电极间电压、焊接电流、电极位移、冷却水流量、焊点表面数字图像信号进行同步无 相差采集。 2 4 数据处理方法 国一圉 图2 2 数据采集与原理框图 在搭建了数据采集系统之后，获取了数字信号的数据，在基于数据驱动的车身焊点 质量控制体系中，要使用一下数据统计方法： ( 1 ) 过程控制 统计过程控制( s p c s t a t i s t i c a lp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 由美国休哈特( w a s h e w a r t ) 、朱 兰、戴明等人于上个世纪2 0 到3 0 年代间提出，并按照数理统计的“6o ( 3o ) 原则形成了一整套方法，其代表性的作法是通过对产品的测量，应用统计技术分析测量 数据的均值、方差等，来判定产品的生产是否处于控制状态。代表作是休哈特1 9 3 1 年 所著工业产品质量的经济控制。第二次世界大战期间，美国政府和国防部以休哈特 质量控制图为基础先后制订了三个工业标准：质量控制法指南、数据分析用的控制 图法和生产中质量管理用的制造图法，并广泛推广到包括汽车工业在内的各个工 业领域。战后，由于采用数理统计原理的质量控制方法给企业带来了巨大利润，在全球 兴起了产品质量统计过程控制的研究和应用，并在5 0 年代达到高潮。现在统计过程控 轿_ 乍车身焊点质量监控系统的研究 制向着小批量、多变量方向发展。 ( 2 ) 统计和基于知识的故障诊断技术结合 上个世纪8 0 年代以来，随着车身在线检测技术的发展，多元数理统计得到迅速有 效的应用。多元数理统计的主要内容包括：回归分析、方差分析、聚类分析、判别分析、 主成分分析、因子分析、相关分析等。在9 0 年初，美国m i c h i g a n 大学吴贤铭等人开创 性地将多元数理统计中的相关分析、主向量分析等方法与基于知识的故障诊断技术结 合，对解决车身尺寸波动问题的故障诊断、稳定生产质量起到了重要作用，成为现代车 身及总成检测数据处理和故障诊断中的经典方法。 ( 3 ) b a y e s 方法原理与算法 英国学者贝叶斯( t r b