（材料加工工程专业论文）逆变点焊单片机控制系统研究.pdf

沈阳工业大学碳| 学位论文 摘要 点焊过程的复杂性、熔核形成过程的不确定性，尤其是点焊过程采用的质量监控方 法的单一性决定了点焊质量控制是一项非常艰巨的任务。现代工业对电阻点焊接头质量 的要求越来越严格，从而要求对点焊过程与质量必须采取更加精确的控制方法。在点焊 过程中对有关信息或参数进行实时采集与处理是实现点焊过程与质量控制的前提，信号 采集的正确与否，将直接关系到整个控制系统的正确性。因此，研究点焊过程信号的实 时采集与处理技术，对于点焊质量控制具有非常重要的意义。 本文针对传统的点焊控制器或电参数检测系统存在的参数检测精度不够高、实时性 较差、电路复杂等缺点，提出了通过合理、简单、可靠的硬件电路及软件计算实现对焊 接电流、电极间电压、焊接周波数进行高精度数据采集与处理的方法。 论文首先介绍了逆变主电路的原理、控制参量的选择、控制算法的选择，以及焊接 电流、电压的逐点积分检测原理。其次，介绍了以焊接电流、电极问电压为输入，相移 p w m 芯片控制量为输出的点焊质量控制器设计原理。针对多信息处理对微机系统性能 要求较高的特点，选用8 0 c 1 9 6 k c 作为系统的控制核心，并对以8 0 c 1 9 6 k c 单片机为核 - 山的硬件系统、输入通道、输出通道、键盘显示、报警电路等作了详细的分析。对控制 系统软件的设计思想、主程序、设定程序、中断程序、采样程序、数据处理程序以及系 统的抗干扰措施进行了系统性介绍。文章最后对系统的键盘输入、显示，i o 中断口及 电流、电压检测通道的模拟检测结果进行了调试和分析，并介绍了控制过程的p i d 算法 的调试过程。 设计的电阻焊微机控制系统具有结构简单、运算速度快等特点，能够满足逆变电阻 焊电源控制的需要，具有焊接参数设置、参数显示、故障报警等功能，可实现电阻焊过 程多参数信息检测及处理，对实现逆变电阻焊机的点焊过程与质量的智能化控制有一的 理论与工程实用价值定。 关键词：电阻点焊，8 0 c 1 9 6 k c 单片机，逆变，逐点积分，信号采集与处理 沈阳工业大学烦卜学位论文 r e s e a r c ho nt h ec o n t r o ls y s t e mo fi n v e r t e r - b a s e dr e s i s t a n c es p o t w e l d e rw i t hm i c r o c o m p u t e r a b s t r a c t t h e c o m p l e x i t yo f w e l d i n gc o u r s e ，m e l t n u c l e a r u n c e r t a i n t y o f f o r m i n g p r o c e s s ，e s p e c i a l l y s o m ew e l dc o u r s e sq u a l i t yc o n t r o la d o p ts i m p l em e t h o dd e t e r m i n et h eq u a l i t yc o n t r o lo fs p o t w e l d i n gi sa nv e r ya r d u o u s t a s k t h ep r e m i s eo fr e s i s t a n c es p o tw e l d i n gp r o c e s sa n di t sq u a l i t y i st or e a l t i m es a m p l i n ga n dp r o c e s s i n go ft h ec o n c e r n e dd a t eo rp a r a m e t e r sd u r i n gt h es p o t w e l d i n g ，t h ec o r r e c t i o no fs i g n a ls a m p l i n gi s t h ek e yf a c t o ro fw h o l ec o n t r o ls y s t e m s ot h e r e s e a r c h0 nt h er e a l - t i m es i g n a ls a m p l i n ga n dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi sv e r yi n s t r u c t i v ea n d i m p o r t a n t t ot h eq u a l i t yc o n t r o l l i n go f s p o tw e l d i n g i nt h i sp a p e r ，a i m i n ga tt h el o wp r e c i s i o n ；p o o rr e a l - t i m ea n dc o m p l i c a t e dc i r c u i to ft h e t r a d i t i o n a l s p o tw e l d i n gc o n t r o l l e r a n d p a r a m e t e r st e s t i n gs y s t e m ，a d a t es a m p l i n ga n d p r o c e s s i n gm e t h o d w h i c h c a nb eu s e dt os a m p l i n ga n d p r o c e s s i n gt h ev a l u e o f w e l d i n gc u r r e n t ， t h ev a l u eo f v o l t a g eb e t w e e n e l e c t r o d e sa n d w e l d i n gt i m e w i t h h i g hs p e e d a n d h i g hp r e c i s i o ni s i n t r o d u c e dt h r o u g hs o l w a r ec a l c u l a t i n ga n d r e a s o n a b l e s i m p l eb u t r e l i a b l eh a r d w a r ec i r c u i t t b ep r i n c i p l eo ft h em a i ne i r c u i t ，c h o i c eo ft h ec o n t r o lp a r a m e t e r s ，c h o i c eo ft h ec o n t r o l a l g o r i t h ma n dt h ep r i n c i p l eo fp o i n t - b y - p o i n ti m e g r a t i o nm e t h o da r e f i r s ti n t r o d u c e di nt h i s p a p e r s e c o n d l y ，g a v ea ne x p l a n a t i o na b o u tc o n t r o l l e r sd e s i g np r i n c i p l ew h i c h u s e dw e l d i n g c u r r e n ta n dv o l t a g eb e t w e e nt h ee l e c t r o d e sf o ri n p u ta n do u t p u tav o l t a g et oc o n t r o lt h ep h a s e s h i f t i n go f t h ep w m b a s e do nt h er e q u i r e m e n to fh i g hp e r f o r m a n c ea b o u tt h em i c r o p r o c e s s o r o f m u l t i p a r a m e t e r sc o n t r 0 1s y s t e m ，w ec h o s e8 0 c 1 9 6 k cs c m f o rt h ec o r e ，a n dt h eh a r d w a r e c i r c u i tw h i c hc o n s i s t e do fi n p u tc i r c u i t ：o u t p u tc i r c u i t ，s a m p l i n ge n a b l i n gs i g n a lc i r c u i ta n d a l a m l i n ga r ea n a l y z e d ，t h ei d e o l o g yo f s o f t w a r ed e v e l o p i n g ，t h em a i np r o g r a m ，t h ei n t e r r u p t s e r v i c ep r o g r a m ，t h es a m p l i n gp r o g r a m ，a n do t h e rf i m c t i o np r o g r a ma n dt h es y s t e m sa n t i i n t e r f e r e n c em e a s u r ea r ei n t r o d u c e ds y s t e m a t i c a r t y a tl a s t ，d e b u gt h ek e y b o a r d ，l e dd i s p l a y ， y o p o r tm l d t h ea i d p o r t o f c u r r e n ta n dv o l t a g e ，a n dt h es o f tw a r eo f p i d p r o g r a m ， t h ec o n t r o ls y s t e mw eh a v ed e s i g n e dh a ss i m p l es t r u c t u r e ，o p e r a t i n gf a s t ，c a nm e e tt h e n e e do ft h ei n v e r t e r - b a s e dr e s i s t a n c es p o tw e l d e r ，a n dh a ss u c hf i m c f i o n sa sp a r a m e t e rs e t t i n g u p ，p a r a m e t e rs h o w i n g ，f a u l ta l a r m se t c ，c a p a b l e o ft h em u l t ip a r a m e t e r sa n di n f o r m a t i o n 沈阳工业人学硕士学位论文 s a m p l i n ga n dp r o c e s s i n go f t h es p o tw e l d i n gp r o c e s s ，h a ss o m et h e o r ya n dp r a c t i c a lv a l u eo f t h e r e a l i z a t i o no f t h ei n v e r t e r b a s e dr e s i s t a n c es p o tw e l d e r sp r o c e s sa n d q u a l i t yi n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：r e s i s t a n c es p o t - w e l d i n g ，8 0 c 1 9 6 k cs c m ，i n v e r t ， p o i n t - b yp o i n ti n t e g r a t i o n ，s i g n a ls a m p l i n ga n dp r o c e s s i n g 3 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：靼日期：业 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：半导师签名： 日期：乒t ；舌 沈阳丁业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 概述 电阻点焊是一种广泛应用于机械制造中的焊接方法，具有能量集中、变形小、生产 效率高、操作简便和易于实现自动化等优点。电阻点焊作为一种制造技术，在众多国家 尤其是发达国家的国民经济中占有十分重要的地位。8 0 年代末9 0 年代初，美国根据其 制造业面临的挑战和机遇，为增强制造业的竞争力和促进国家经济增长，首先提出了 “先进制造技术”( a m t ) 的概念，欧洲、日本等国也纷纷不甘落后制定了自己的先进 制造技术发展计划。比较著名的有日本的“智能制造技术计划”。我国的制造技术现在 也有了较大的提高，但差距仍很大，如在计算机应用方面，在先进工艺技术、装备应用 方面，在自动化、柔性化、智能化应用方面等。电阻点焊作为一门机械、力学、电子、 控制等多学科密集交叉的专f i n 造技术，其发展与其它科技的进步与引入应用息息相 关。在我国，随着自动化程度的日益提高，对点焊接头的质量和点焊接头的可靠性也提 出了更高的要求，因此，如何采用精确的控制方法来监控电阻焊过程以满足现代化生产 的需要已经成为电阻焊质量控制研究的重点。 影响电阻点焊质量的因素很多，包括工艺参数，如焊接电流、焊接时间、电极静态 压力、电极尺寸等，还包括一些非工艺参数方面的因素，如工件表面的状况，网压波动 等。这些因素使焊接过程变得很复杂，尤其是点焊过程的瞬时睦和焊接熔核形成的不可 见性，给点焊过程质量的控制带来了很大的困难。就目前点焊质量控制的方法来说，或 在一定假设条件下建立数学模型，或以某些参数的稳定来间接控制焊接质量，这些方法 都有一定的局限性，对参数的控制精度不高，难以获得满意的控制精度。因此，刺焊接 过程进行实时闭环控制，补偿各种影响因素的波动，形成合格的焊点，建立可靠的电阻 点焊过程智能控制方法和系统，是控制电阻点焊质量的最好方法。 1 2 逆变电阻焊电源发展现状 7 0 年代木期，随着大功率晶体管( g t r ) 、场效应管( m o s f e t ) 、双极性绝缘栅晶体 管( i g b t ) 的出现和集成电路技术的发展，为焊接电源的发展提供了更加广阔的发展 沈阳工业大学硕1 学位论文 空f 日j 。以1 9 7 8 年世界上第一台弧焊逆变电源诞生为标志，预示着焊接电源的发展进入 了一个崭新的时代。 逆变技术在焊接电源中的应用为焊接电源的发展带来了革命性的变化。3 。首先，逆 变式焊接电源与工频焊接电源比节能2 0 3 0 ，效率可达8 0 9 0 ，其次，逆变式 焊接电源体积小、重量轻，整机重量仅为传统工频整流焊接电源的1 5 1 1 0 ，减少材料消 耗8 0 9 0 。1 。特别是逆变式焊接电源有着动态反应速度快的优势，它比传统工频整 流焊接电源提高了2 3 个数量级，这样就为焊接的过程控制提供了有利条件，有利于实 现焊接过程的自动化和智能控制。因此，逆变式焊接电源有着广阔的应用前景和市场潜 力。国内外的高校、研究所和企业投入极大的热情和精力进行研究、开发，并取得许多 令人瞩目的成果。逆变点焊机具有高效节能、小型轻量及工艺性好的优点，近年来发展 迅速，国外己应用于汽车焊装线、电子工业的精密焊接等，同时逆变点焊电源的研制开 发工作已受到广泛重视。国内逆变点焊方面基本上都处于研究探索阶段。八十年代初， 国外开始逆变技术在电阻焊中应用的基础研究。九十年代初期已逐步使这项技术产品 化。目前在国内介绍和使用的有日本的宫地、木村和松下公司的产品。美国e d i s o n 焊 接研究所已研制出功率达1 0 0 0 k v a 的逆变电阻焊机，英国焊接研究所( t w i ) 也推出系 列逆变阻焊设备“1 。目前日本国内的汽车生产线上悬挂点焊机( 包括机器人) 已使用逆变 式电阻焊电源。国内也有部分汽车制造厂家使用逆变式电阻焊电源。 11 3 电阻焊微机控制系统现状 计算机又叫数字化计算机，具有3 个基本功能，即数值计算、数值分析和实时采 集。数字信号处理相对于模拟信号处理有很大的优越性，表现在精度高、灵活性大、可 靠性好、易于大规模集成等方面。可用于数字信号处理的处理器大致可分为信号处理器 ( d s p ) ，通用微处理器( m p u ) 、微控制器( m c u ) 3 类。d s p 面向高性能、重复性 、数值运算密集型的实时处理；m p u 大量用于计算机；m c u 则适用于以控制为主的处 理过程。 微机用于点焊控制的技术主要有焊接电源和工艺的控制，焊接过程自适应控制、焊 接机器人控制等，其中电阻焊电源的微机控制对点焊质量的影响最为直接和重要9 ：。采 用微机控制的逆变电源实现了以下功能： 沈阳工业大学硕j ：学位论文 外特性控制通过不同算法可获得恒流特性、恒压特性、斜率不同的其他外特性 的任意控制，以满足各种点焊方法和场合的需要。 动特性控制借助于运放p i 调节器组成的电子电抗器对焊接过程的短路电流上升 率( d i 。d t ) 进行控制。 预置主要参数根据不同的材料，板厚进行预置焊接参数，再现记忆，监控各组 焊接参数，根据不同需要变换参数。 对焊接工艺程序和焊接故障的控制实现焊接中可能发生的电流的递增和衰减、 过电流等故障进行诊断和报警。 传统的点焊控制系统多采用分立元件组成的模拟电路和数字电路，微机控制的实质 是用微机控制系统取而代之。目前常用的微机有单板机、单片机、可编程控制器和工控 机等，而单片机无论是在质量控制方面还是在过程控制方面都有其独特的优点。随着微 型计算机控制技术的发展，现代电阻焊质量监控器几乎都采用了单片机，实现快速、高精 度、灵活、多功能的控制要求，大大提高了电阻焊的质量，扩大了实用范围。由微机实 现的点焊控制系统如图1 1 所示，电阻焊微机控制器是以单片机为核心，配合少量的接 口电路和外围电路，在软件控制下，实现简单或复杂的焊接循环、焊接电流波形调制、热 c p u n 接口 = = = 二= 二= 二二 ；百 l | | 竺竺l l 一 | i 时序控制 图i i 点焊设备控制系统框图 沈阳工业大学硕士学位论文 量规范调整等功能的控制系统”3 。目前，国外利用单片机控制电阻焊设备已经普及如西 德b o s c h 公司的b o s c h e 8 1 、p s 2 0 0 0 新模块系列，美国s q u a r ed 公司的t i m 4 0 0 2 及 f l 本几家公司的微机计时器m w 系列、c k l 8 1 5 1 5 系列和m i c r o c o m b i s d 5 0 1 5 等。其 共同点为：利用软件编程、恒流控制、自动电压补偿、故障诊断、存储1 5 个以上焊接程 序等。国内发展的逆变点焊机大部分采用了微机控制技术：华南理工大学研制2 5 k v a i g b t 逆变式电阻点焊机采用8 0 9 8 单片机，具有恒流控制和故障诊断的功能：成都焊接研 究所研制的悬挂式i g b t 逆变次级整流点焊钳采用8 0 3 1 单片机，并具有电极磨损自动补 偿功能：上海交大研制的g t r 逆变电阻焊以t p 8 0 1 微计算机为控制核心：吉林工业大学 采用8 0 9 8 单片机实现了i g b t 逆变点焊机的时序控制和参数的输入与显示”。 1 4 过程及质量监控方法 由于点焊在机械制造中的广泛应用，尤其是在汽车工业中，点焊质量的提高不仅可 以带来经济效益，而且可以提高企业的核心竞争力。如何稳定质量、降低成本已经成为 电阻焊研究的重点。近三十年来，国内外学者对点焊的监控方法进行了深入的研究和探 索，提出了多种点焊质量监控方法。 1 4 1 传统的点焊质量监控方法 ( 1 ) 恒流控制法：大量实验和生产实践证明，点焊电流表征了焊接时工件的热输入 量，对焊接质量起着决定性的作用“。在点焊过程中，保证焊接电流有效值不变，以保 持焊接区热输入量的不变，从而稳定焊点的质量，这种方法是各国学者关注的重点。其 原理是通过检测焊接变压器二次或一次回路的电流有效值，并与给定的值比较，当出现 偏差时，调整功率器件的导通状态以维持焊接电流有效值的恒定”、“1 。这种方法发展 相对完善并已大量应用于生产实际中。国内外已经研制成功的恒流控制器几乎均以焊接 电流为监控参数。国内进行这方面研究的有西北工大、哈工大、华南理工、天大等大专 院校及部分大汽车厂。在国外，目前欧洲及同本的各大汽车公司仍然以恒流控制为主， 但其产品从精度及控制方式上比国内先进。据报道，a n d r e wc u l l s o n 研制出了高 精度的恒流控制系统，其控制精度可达l ，该系统对来自电流传感器的微分信号采j = j 了软件积分，并研究了一种高精度、快捷的p , m s ( 均方根算法) 来实现对焊接电流的精确 豁控。 沈阳t 业犬学础j 一学位论文 恒流控制能对电流进行闭环控制，对下列原因引起的电流波动具有补偿作用：网压 的平缓波动：焊机自身( 内部阻抗) 在通电时引起的电压降；多台焊机同时工作时造成的 电压下降；板厚及板的层数变化所引起的电阻性负载的变化；被焊材料伸入电极臂内不 同的位置所引起的感性负载的变化；电极压力波动引起的电极与工件间接触电阻的波 动；材料表面原始状况的差异。 但恒流控制对电极端部的压溃变形( 随焊点的增多电极端部直径变大) 及分流引起的 电流密度下降无补偿功能，相应的，对电极使用的管理要求较为严格。也有些工件材质 及形状的特殊性不适宜采用恒流控制方式。另外，有资料报道在焊接电流检测方面，环 形测量线圈的位置、触发相位、变压器抽头、电流计量程等的变化会使电流有效值的测 量结果出现分散性。可见，对焊接电流信号能否精确采集与处理，直接关系到恒流控制 的精度与控制效果。 ( 2 ) 动态电阻法：动态电阻控制方法的控制原理基于：在点焊、缝焊和凸焊过程中， 焊接区的电阻按一定的规律变化( 如图l - 2 所示) ，称为动态电阻曲线。低碳钢、低合 1 a 0 1 2 0 ”0 c ； 1 0 口 型 鲁9 。 怕 需b o 7 0 6 0 7 0 c ； 主” 霜。 督，。 04 b1 21 b2 02 4 04 8 1 21 6 2 02 4 讹以 钔 b 、 图1 2 金属点焊时的动态电阻曲线 a ) 低碳钢b ) 铝 会钢、镀锌钢板、钛合金等金属电焊使的动态电阻曲线都具有最大值特征( 如图j 2 a 所示) ，此类动态电阻曲线达到最大值的时刻开始形成熔核，且随着熔核尺寸的增大动 态电阻值逐渐减小“。因此这类动态电阻曲线能较真实地反应熔核的形成过程，可以作 为实时质量监控的依据。而另一类像铝、奥氏体型不锈钢等电焊的动态电阻啮线( 如图 沈阳工业大学坝卜学位论文 1 2 b ) ，通常没有最大值特征，其变化规律反映不出熔核的大小，故这类材料一般不适 宜用动态电阻方法监控。此外，该法也不适用于硬规范点焊“。 动态电阻监控方法，通常是通过测量焊接过程中的每一时刻的瞬时焊接电流和加在 焊点上的瞬时电压，按下式求得动态电阻的： r = u i( 11 ) 式中：1 - - - 焊点的瞬时电阻，即动态电阻，单位为q ； u - - - - - 焊点得瞬时电压，单位为v ； i - - - 瞬时焊接电流，单位为a 。 根据焊接过程中每一瞬时得瞬时电阻，即可得到点焊时得动态电阻曲线。 电极例动态电阻与熔核生长的状态有密切关系。动态电阻法考虑了电压和电流对熔 核质量的综合影响。动态电阻曲线上的某些特征与熔核尺寸相对应，利用点焊控制过程 中焊接区电阻变化的规律来控制电阻曲线上某些特征参数或跟踪电阻曲线，即可对点焊 过程及质量进行控制。目前所用的动态电阻表征方法主要有：取半波电流的有效值f 考 虑到热量的因素) 和半波的电压峰值( 可排除附加电磁的影响) 计算动态电阻；利用回路的 动态功率因数来表示动态电阻，即r 口, = x l c o s ( p ( ( p 表示焊机回路的感抗) 。( p 角可用 电流对电压的滞后角来替代；利用品闸管的导通角来表征动态电阻。动态电阻法的控制 模式可归纳为三种。第一种是跟踪电阻曲线法，在每一周波的前半波测量出动念电阻值 并与优化设定的电阻值相比较，根据其偏差在下半周波调节焊接电流，使焊点的电阻始 终跟踪设定的动态电阻曲线，即进行模型化控制；第二种是电阻差值法，当动态电阻达 到峰值点后，检测动态电阻的下降幅度，当达到设定值时即认为焊点熔核尺寸达到要 求，切断焊接电流，完成焊接过程。这种方法是将焊接时间作为控制量，针对非涂层钢 板，a g l i v s h | t s 在理论推导的基础上用试验加以修下，提出了基于动态电阻可获得 最大焊点直径的新控制算法，该算法适用范围广，有很强的通用性，试验证明效果良 好：第三种是电阻变化率控制法，它以最大电阻值为基准，当动态电阻变化率达到设定 值时即认为焊点熔核尺寸达到要求，切断电流，结束焊接过程。对于动态电阻曲线较明 显的材料，动态电阻法是一种较为理想的监控方法。 沈阳丁业人学坝l 学位论文 ( 3 ) 热膨胀法：热膨胀法又称电极位移监控法，因电极位移直接反映了熔核的形 成，所以该方法是一种直按质量监控方法。热膨胀法的控制原理是：金属在点焊和缝焊 时，由于电流通过焊件使焊件加热，特别是焊点处金属熔化时，产生体积膨胀，膨胀力 使电极产生一定的位移。“。因此，在整个通电焊接过程中，电极的位移变化曲线反映了 金属的熔化程度。与熔核的尺寸有着很好的对应关系，因此，可以位移的变化作为反馈 信息，对点焊质量进行闭环控制。热膨胀电极位移法的控制思想是以位移量和位移量的 变化率为控制对象，以实际的电极位移曲线去跟踪给定的电极位移曲线来调整焊接电 流、焊接时间和电极压力。目前出现的控制方法有以下几种“”： 跟踪位移曲线法此方法是在焊接过程中不断地测量电极的位移量，调节焊接 电流，是焊点的位移跟踪合格焊点的位移曲线，使实际的电极位移曲线和给定的电极位 移曲线相吻合，直到达到合格焊点的最大位移量为止。 预定位移量法对于一定材料、一定板厚的焊件点焊有一个最佳位移量，以此 值作为预定的位移量，在焊接过程中，不断测量电极位移量，并与预定位移量比较，当 位移量达到预定位置时，即认为焊点熔核尺寸已达要求，立即切断电流。 电极臂挠度监控法焊接过程中，电极位移量是很小的，这样对位移传感器的 精度要求很高，而且要求焊机的机臂刚性要好，加压机构摩擦力耍小，机头随动性好。 否则，控制系统对起始的膨胀信号不敏感或不响应。针对这种情况，哈工大提出了该方 法，利用电极臂根部的应变与焊点质量的对应关系进行实时控制。 热膨胀测位移监控方法对焊接参数、分流、电极磨损、回路感抗、网压等因素的变 化都很敏感，因此，在这类参数变化时，都能获得较好的质量监控效果。其缺点是对于 出现喷溅和板边距较小的场合不适用，位移传感器的安装、不同材料、不同板厚、不同 焊机等因素，导致位移量有所不同，需要重新制定位移曲线。在对热膨胀法的研究过程 中，也有以位移加速度、位移对通电时间的积分值做监控参数井取得较好的效果。 ( 4 ) 电极间电压法：电极电压监控法是以关于核形成过形中电极问电压发生变化的 曲线为依据，取它的某些表征参数作为监控对象，从而控制焊点质量的方法：”i 。电极问 电压可用下式表示： 1 2 ) 沈阳丁业大学顺i 学位论文 式中：l 电流路径，单位为r f l ： 卜一电流密度，单位为a m 2 p 一电阻率，单位为n m 。 由于很多金属的热阻率与电阻率呈线性关系，电极间电压与焊接区温度及电流路径 的扩大有一定的对应关系。因此可以利用电压监测或反馈控制焊接质量。根据所焊材料 的不同可以有以下几种监控方法：用电极间电压最大值监控。这种方法仅使用于低碳 钢，因为其电压变化有一峰值点。电压降低幅度的方法。电压积分的方法。头两种方法 适用于除铝合余以外的其它材料，由于铝合会在点焊时，其电压在最后下降后趋于稳 定。 电压监控方法只取电极头之间的电压信息，比较简单，监控仪器成本低，使用方 便，适用于单相交流点焊，也适用于三相交流、直流脉冲和储能点焊。目前，该监控方 法主要使用电压积分法和电压降低幅度两种控制法 f 5 ) 能量控制法：该方法是建立在焊接区的焦耳热为熔化金属而形成焊点的唯一热 源的基础上的，焊接区产生的热量越多，形成的焊点的熔核尺寸就越大，因此，可以用 焊接区的热输入量作为熔核尺寸大小的判据。“。研究发现。“：在不同电流条件下，能量 与熔核尺寸成f 比关系在改变电极压力条件下，能量随压力增大而减小，熔核直径也 随电极压力增大而减小，二者减小的程度几乎一致。能量控制法目前有三种控制模 式：u i 积分式，u 2 积分式，1 2 积分式。采用积分监控，能较好地监测出由于分流造成的 熔核直径的变化。1 2 积分式监控方法则适用于电流和时间等有关电参数易变的场合，如 电源电压变化和焊机次级回路中引起焊接电流变化的因素，而不适用于电极压力和电流 分流等易变化的场合。 总体上晚，这一力法是比较普遍适用的方法，其关键在于能量设定值的确定和不同 焊接条件下的修正规律，由于目前熔核尺寸与输入能量之问关系比较模糊，对以此为基 础的能量监控方法的效果影响比较大。 i4 2 质量监控方法的新进展 沈阳工业人学坝j 学位论文 现有的各种点焊控制器都有一定的缺陷。为了获得更理想的控制效果，随着计算机 技术和智能控制技术的发展，自上世纪9 0 年代以来，人们又提出了一些新的电阻点焊 的监控方法，包括数理统计方法、计算机模拟方法和智能监控方法。 f 1 1 数理统计方法：数理统计是实验数据处理的一般方法，它以实验数据为基础， 可以帮助人们获得直观实验数据以外的一些信息或规律，并由此可以得出规律的近似表 达式。 国外，沙特k i n gs o u d 大学的s m d a r w i s h 等人针对碳铜，在诈交实验的基础上用 多元回归分析法建立了接头强度、熔核尺寸与焊接参数之间的数学关系；美国m h a o 等人针对铝合金，利用多元回归方法对电参数与熔核直径和静态强度之间的关系进行了 研究。“。国内，西北工业大学的白钢等人针对不锈钢建立了熔核直径、焊透率与焊接电 流、焊接时间、电极压力、电极端面尺寸以及工件厚度之间的数学模型，并采用该模型 对熔核尺寸进行了预测，并得到了很好的应用效果”3 。 ( 2 ) 数值模拟方法：以数学模型为基础，利用计算机技术进行模拟是现代科学研究 的常用方法。 自英国学者jag r e e n w o o d 于1 9 6 1 年发表第一个数值模型以来，许多学者都相继 提出了各种改进模型，使其对点焊过程的描述更近合理。9 0 年代以来。“2 i ，t s a i 等人将 有限元引入点焊质量控制领域中，用数值模拟方法对热膨胀电极位移进行了研究，得出 了一些非常有用的规律，可直接指导点焊过程与质量的实时控制。r 本西田顺纪等人利 用焊接过程中检测到的电压和电流数据按照热传导数学模型进行有限元计算，求解温度 场的分南状况，根据计算得到的中心部位的温度上升速率进行反馈控制。对点焊过程进 行控制。哈工大的曹彪等人用有限元方法建立了数学模型，计算了点焊过程的热膨胀， 探讨了利用热膨胀电极位移控制点焊过程与质量的方法。 f 3 ) 人工智能方法：人工智能方法在处理难以用规律描述的或具有模糊性的问题方 面有着常规方法不可比拟的独特优势。在点焊过程中，各种因素相互耦合，传统的控 制方法难以获得满意的结果。因为传统的控制方法需要建立精确的数学模型，这种模型 是近似的，甚至是粗糙的。现在国内外的学者j 下尝试着将人工智能的主要分支神经网 络、专家系统和模糊控制等技术应用于点焊过程与质量控制领域。 沈阳工业大学硕士学位论文 模糊控制是根据状态变量及操作者的经验或专家的分析进行模糊推理而确定控制系 统的输出，并不需要知道控制对象的精确数学模型，适用于控制对象数学模型复杂及系 统动态变化剧烈的场合，如非线性多输入多输出的控制对象。德国学者b u r m e i s t e r 认为 当前焊接可综合利用3 个电参数( 电极间电压、焊接电流、动态电阻) 和两个机械参数( 电 极位移、电极加速度) 来监测焊点质量。人们总希望将这些参数与焊接质量建立某种确 定关系，然而这种关系并不总是成立的。利用模糊控制理论建立一种机电参数与焊接质 量间的关系，经介绍，该关系可以有效地检测焊点的质量。 人工神经网络技术是从仿生学的角度来模仿大脑的功能，使控制系统具有推理、判 断和学习的能力，而且它可以实现以任意精度逼近任意连续函数。它所构成的学习方法 简明单一，学习时并行使用各种数据，适用于非线性时变系统。由于焊接过程各参数之 间关系复杂，干扰因素多，且有多变量耦合问题，采用多参数监测的传统综合处理来估 测焊点质量的方法通常是不准确的。然而，由神经网络学习方法所得的熔核直径推算方 法，从理论上讲不仅推算精度能得到保证，而且在数据处理时间方面计算量远小于非线 性数学模型的计算方法。因此，利用人工神经网络技术来综合处理各监测参数关系可以 实现对焊接质量精确地监测和控制。i ”。国外学者m e s s l e r 把人工神经网络和模糊控 制逻辑相结合，根据焊接参数，用人工神经网络预测电极位移和位移变化率，作为模糊 控制器的输入，建立实时控制系统，并取得了良好的控制效果。 在国内，开展这方而的研究相对较晚，利用模糊控制对点焊进行控制，从文献上 看，武汉理工人学、湖南大学、洛阳工学院和西北工业大学f 在进行研究。神经网络在 点焊领域的应用，主要是用来对熔核直径的预测。西工大对这方面作了研究，建立了从 于神经网络的专家系统，把熔核质量( 熔核厚度和熔核直径) 和点焊参数( 焊接电流、焊接 时间、电极静压力、焊件厚度和电极端面直径) 联系起来。哈工大的张忠典利用神经网 络把焊接接头的力学性能和焊接参数联系起来。在国内还有其它高校把神经网络引用到 了点焊领域。 f 4 ) 多传感器信息融合，信息融合( i n f o r m m i o nf u s i o n ) 最早出现在7 0 年代术，丌始于 军事背景，并在军事领域率先取得相当进展，随着研究的深入和应用领域的扩大，目 前，信扈融合技术已广泛用于工业各领域，如；机器人与智能仪器系统；图像分析与理 沈m 工业人学硕卜学位论文 解；目标检测与跟踪；自动目标识别；检测诊断控制系统分类；控制决策生成；信号变 换、综合、滤波及合成、故障诊断等。 焊接质量与焊接过程中的参数之间存在着一定关系。为了更好地控制焊接质量，首 先应该尽可能多的检测那些与点焊质量有关的参数( 如焊接电流、电压、动态电阻、电 极位移、电极压力、点焊时间等) ，根据传感器的被控对象( 焊点熔核) 的描述能力选 择传感器。其次找到这些参数与点焊质量( 熔核尺寸) 的关系，即提取对象的特征信 息。单一参数与点焊质量的关系可以通过分析试验获得的一些特征信息来表示，则多参 数与质量的关系即使这些特征信息的集合，可以运用信息融合的方法中模糊集合理论霍 采用结合法、决策法及平均法相结合的最优融合算法对多窗内起数据进行搞精度融合， 最终获得对焊接质量的有效控制。 我国在多信息融合方面的研究起步较晚，研究背景大多是军事和智能机器人系统， 应用实例也很少，在许多领域信息融合技术的研究都尚未开展。国外，日本宫地电子公 司丌发了c u 4 8 0 0 点焊控制器，采用恒流和动态电阻法联合控制，恒流控制s c r 的导 通角，动态电阻控制阻焊时间。国内也有采用恒流和电极位移法以及恒流和动态电阻法 联合控制来提高点焊质量。虽然都没有提到对所获得的信息进行融合处理，实际上已体 现了信息融合的基本思想。 1 5 点焊过程及质量控制发展的新趋势 在控毫4 模式上，已出单模式发展为多模式控制，动态电阻控制、动态电极位移监控 都可实现这种多控制的综合模式“，如动态电阻差值与动态电阻变化率相综合；最大电 极位移与位移速度相综合。 在控制方法上，出现了出利用一种监控方法发展到利用多穆监控方法进行决策点焊 过程及质量控制的趋势。目前已有人在此方向进行了研究。 在调节参数方面，己从初始的单变量调节发展到多变量调节，如在焊接过程中对焊 接电流、焊接时州和电极压力进行调节。 在确定点焊过程及质量监控规律方面，已从仞始的主要靠大量试验的确定方法发展 为用数值分析软件的模拟与仿真确定。 沈阳工业大学坝上学位论文 在控制决策上，己由常规的控制决策模式( 由被控参数的偏差值通过查表确定控制 参数的调节量) 向人工智能( 神经网络、模糊逻辑等) 决策方式发展。 总之，点焊过程及质量控制方法的发展趋势为控制模式及控制方法的综合化f 多信 息融合控制) 、过程及质量控制规律描述的数量化( 或精确化) 和控制决策的智能化。 1 6 本课题的研究内容及意义 为了保证焊点质量，降低生产成本，国内外焊接工作者从提高设备技术入手，围绕 点焊过程与质量控制，做了大量的卓有成效的研究工作，相继研制出了多种类型的点焊 质量监控器，其中不少已成功地应用于实际生产中。近年来，出于新材料、新技术的发 展，对点焊过程有了进一步的认识，同时也对电焊的质量、控制提出了新的要求。仪器 设备的精密化要求点焊的过程更加稳定、可靠，焊接输入能量必须能精密控制，以获得 质量可靠、表面美观、尺寸符合要求的焊点。逆变点焊机由于高频带来的一系列优点， 符合新材料、新技术发展对点焊提出的新要求。微机控制的逆变点焊电源能实现快速、 高精度、灵活、多功能的控制符合了机器人发展的需要，对于促进点焊设备的自动化、 智能化具有重大的意义；并且，随着计算机控制技术的飞速发展与广泛应用，点焊过程 与质量控制己趋向于控制方法的多信息融合化、控制规律描述的数量化( 精确化) 以及控 制决策的智能化。综观点焊过程与质量控制的发展，不难发现，无论哪种控制方法，都 是建立在对焊接过程某些信号的采集处理基础上的。可见，对相关参数进行精确的实时 检测与有效控制，是实现点焊过程与质量控制的必要条件。由于采用单一参数进行质量 监控总存在这样或那样的局限性，对熔核形成与规范参数间的内在联系无法精确描述， 因而专家们试图采用多参数实现点焊过程与质量控制。“。比如，近年来提出的利用人工 神经网络技术融合处理多参数与焊接质量的复杂关系，建立熔核尺寸与多参数间的模型 就是一项前沿性研究课题。但它仍然是以焊接过程中信息的精确采集与处理为前提的， 信号采集的正确与否将直接关系到整个控制系统的正确性。因此，研究点焊过程信号采 集与处理技术对于点焊质量控制具有非常重要的意义。 本研究项目是辽宁省自然科学基金资助课题“微机控制的逆变电阻焊电源及其控制 系统的研究”的子课题，包括智能质量监控系统和电源控制系统两部分，是整个系统的 信息输入通道和电源输出控制通道。将针对传统的电阻点焊控制器或多参数检测系统存 沈阳工业人学硕士学位论文 在的精度不够高、实时| 生不够快、电路复杂、集成度差、体积庞大、造价高等一系列缺 点，采用合理、简单、可靠的硬件电路及软件计算方法，实现对多个焊接信号包括焊接 电流、电极间电压、焊接周波数的拾取、整形放大、a d 转换和数据的采样与处理，以 满足智能控制系统对信号检测精度与实时幽的要求。课题将对以下内容进行深入研究： 设计出简单、实用的焊接电流、电极间电压的信号拾取硬件电路，并保证在焊 接被测信号波形的正确性。同时设计出i g b t 触发控制电路，电磁气阀驱动电路，脚踏 丌关电路和水、压检测等外围电路。 以8 0 c 1 9 6 k c 单片机为核心控制器件，设计出相应的硬件与软件系统，实现对 电流信号、电压信号的高精度的实时采集与数据处理。 设计出方便、简单的键盘显示电路和声光报警电路，并能通过键盘和l e d 来设 定、显示焊接参数和调整系统的控制状态。 用汇编语言实现计算电流、电压有效值和其他子程序的软件系统。 沈阳工业人学坝上学位论文 2 主电路原理及控制模型 2 1 主电路组成及工作原理 2 1 1 主电路的组成 逆变点焊机的主电路由输入整流电路、全桥开关变换器、功率变压器、次缴整流和 滤波电路等几部分组成。，电路如图2 1 所示。 它在基本的全桥移相式z v s p w m 变换器的基础上增加了一个饱和电感l s ，并在 主回路上增加了一个阻挡电容c b 。滞后桥臂开关管q 3 、q 4 实现零电流导通与关断，因 此不再并联电容，以避免开通是电容释放能量加大开关损耗；超前臂利用开关管q 。、 q 2 上并联电容的方法实现零电压开关( z v s ) 。主回路四个开关管的控制信号通过移相 方式控制主回路的有效占空比。阻挡电容c b 与饱和电感l s 适当配合，能使变换器滞后 臂上的主开关管首先零电流开关( z c s ) 。 a 錾 掘 图2 1 双零软开关逆变电阻焊机主电路图 陶2l 所示的电路具有以下优点： ( 1 ) 超前桥臂零电压开关，滞后桥臂零电流开关，改善了功率器件的丌关性能，并 只有最小的二次寄生震荡： 沈阳工业火学硕l 学位论文 ( 2 ) 使占空比损失和续流期间的环路电流减小，提高了变换器的效率和变压器的能 量传输性能； ( 3 ) 只增加1 个隔直电容，使在很大负载范围内实现了软开关切换； ( 4 ) 由于减小了关断和附加环路损耗，给使用具有拖尾电流特点的i g b t 提供了方 便，降低了成本，适于大功率场合下应用。 21 2 主电路的工作原理 在图21 所示电路中，当全桥逆变电路对角的两个i g b t 同时导通时，输入电源将 能