（材料加工工程专业论文）丝网凸焊质量实时监测分析系统的研制.pdf

中文摘要 机械自动化的发展使钢筋丝网凸焊的生产效率大大提高，但是随之在生产过 程中也出现了很多的质量问题，如虚焊、脱焊等现象。以往人工检测方法的效率 低下并且人为因素的影响比较大，所以需要一种更先进的方法来对生产过程实施 自动化的监测，以达到快速、简便的反映焊接质量好坏的目的。 焊接过程的质量监测多是直接或者间接的利用焊接过程中的电压电流信号， 进行分析得到焊接质量的好坏。针对丝网凸焊过程中出现的质量问题，本文研制 了一套基于虚拟仪器技术并适合在生产过程中实时对质量进行监测的智能系统， 结合合适的硬件设备采集焊接过程中的电压电流信号进行分析计算，在丝网凸焊 焊接过程中实时的监测并反映焊点的质量。 本文结合l a b v i e w 和m a l 广l a b 的优点，在l a b v i e w 中调用m 觚。a b 的 神经网络工具包编写焊接参数的选择部分，利用b p 神经网络的训练可以得到焊 接所需要的参考参数，节省选择、调节参数的时间。监测系统主体应用l a b v i e w 图形化编程语言编写软件部分，结合适合生产现场使用的硬件部分，对丝网凸焊 过程中的电压、电流信号进行时域和频域上的分析，对信号进行初步的认识。然 后计算焊接过程中的动态电阻曲线，通过计算曲线的最大值来反映丝网焊点焊核 的大小，进而推算焊接质量是否合格。并通过大量的试验来验证系统的准确性， 证明本系统是可以在生产现场实现实时监测的功能。 关键词：实时质量监测；丝网凸焊：l a b v i e w ；人工神经网络：动态电阻 a b s t r a ct t h ed ev e l o p m e n to fa u t o m 砷e dm a c h i n e 叮ma k e sth es t e e lme s hw e l d i n g p r o d u c t i o nef n c i e n c y 伊e a t l yim p r 0 v e d ， h o w e v e rth e r eh a sb ee nso m ewe i d i n g p r o b i e m sa pp e a r e d ，s uc ha sfa l s ew e l d i n ga nd la c kof w e l d t h e s ep r o b l e m so f t e n c o u l dn o tb e e nd et e c t e db yar t i f i c i a lma n i p u i a t i o nef r e c t i v e i y ，be c a u s eofit s t i m e - c o n s u m i n ga n d t h en e g a t i v ei m p a c t so fh u m a nf a c t o r s s ot h e r en e e daa d v a n c e d e q u i p m e n t san dco n v e n i e n c e i n s t n l m e n t sb ei n t r o d u c e dt owe l d i n gp ro c e s sfo r q u a n t i t a t i v ea na i y s i stom i n i m i z et h efa c t o 瑙，a st oa c hi e v eth ep u 印o s eo f f as t 托f l e c t i o no ft h ew e i d i n gq u a l i 砂 w e l d i n gq u a l i 妙m o n i t o r i n gp r o c e s s u s e st h ev o l t a g ea n dc u r r e n tsi g n a l si nt h e w e l d i n gp r o c e s s ，d i r e c t l yo ri n d i r e c t l y b ya n a l y z e dt h es i g n a l st og e ti n f o 咖a t i o no f t h ew e i d i n gq u ai 时in th i sp ap e r ，o 眦 m o n i t o r i n gsy s t e mf o rsc r e e np ro j e c t i o n w e l d i n gw a sp u tf o r w a r da g a i n s tt h e f a i s ew e l d i n ga n dla c ko fw e l dint h esc r c e n w e i d i n g ，t h eh a r d w a r ce 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 l l i l l e n t i nth i sp ap e r ，th ead v a n t a g e so fla b v i e wan dm 肖n a ba r eu s e d in l a b v i e w 山yu s i n gt h en e u 豫ln e t 、) ，o r kt 0 0 lo fm a l r l a b t oc o m p i l et h ep a r to fc h o i c e o f w e l d i n gp a r a m e t e r s u s i n gb p n e u r a ln e t w o r k 仃a i n i n gc a nb er e q u i r e dt 0r e f l e r c n c e w e l d i n gp am m e t e r s ，sa v i n go p ti o n s ，a 由u s tp a r a m e t e 邝 o fth eti m e th ema i n 印p l i c a t i o no fl a b e wg r 印h i c a lp ro g r a m m i n gla n g u a g eso f h v a r ec o m p o n e n t sin m o n i t o r i n gs y s t e mto an a l y z esi g n a i sinti m ed om a i nan df r e q u e n c yd o m a i n ，an d c o u i do b ta i nef 1 c c t i v eq u an t i t a t i v ed at aab o u twe l d i n gsp o tq u al i 哆fr o mth e s p e c t r o g r a m th e nc a ic u l a t e d th ed y n a m i cre s i s t a n c ew e l d i n gpr o c e s sc ur v e ，by c a l c u l a t i n gt h em a x i m u mo fc u r v e t or e f l e c tt h es i z eo fn u g g e t ，a n dt h e n ju d g et h e q u a l i t yo fw e l d i n g a n dt i l r o u g hai a 唱en u m b e r o ft e s t st ov e r i 毋t h ea c c u r a c yo ft h e s y s t e m ，卸dp r o v et h es ys t e misab l et oac h i e v et h ef u n c t i o n so fr e a l t i m equ a l 时 m o n i t o r i n gi nt h ew e l d i n gp r o c e s s k e yw o r d s ：r e a l t i m eq u aii t ) ，m l a b v i e w ：a r t i f i c i a in e u r a in e t w o r k ，d y n a m i c o n i t o “n g ， s c r e e npr l d j e c t i o nw e i d i n g ， r e s i s t a n c e 第一章绪论 1 1 选题背景和意义 第一章绪论 丝网在生活中经常见到，用于公路、铁路、飞机场、住宅小区、港口码头、 饲养、畜牧等，每年产量就有3 亿多平米，而这些丝网的大部分都产自河北安平。 安平县是国家命名的“中国丝网之乡”、“中国丝网产业基地”、“中国丝网产 销基地”。安平丝网源远流长，历史悠久，起源于公元1 4 8 8 年，迄今已有5 0 0 多 年的历史。以铜丝为丝网生产原料在1 8 9 5 年传入安平，开始了以金属丝为原材 料生产丝网的时代。经过多年的发展，伴随着机械化的推广，安平丝网生产以多 点凸焊机为主，丝网特色产业集群已初具规模。这里生产的丝网产品已经发展到 8 大系列、4 0 0 多个品种、6 0 0 0 多种规格，广泛应用于石油、化工、建筑、汽车 制造、造纸、医药、养殖、民用等工农业生产、生活以及航空、航天、国防等高 精尖领域【。 丝网中以钢筋丝网为主，而钢筋丝网的生产方式就是焊接。钢筋的焊接有很 多种方法，如电阻点焊、闪光对焊、电弧焊、电渣压力焊及气压焊等。由于丝网 生产中用的钢筋直径相对比较小，多数在m 2 加8 m m 之间，所以目前安平丝网 焊接多采用电阻点焊，所用焊机以多点点焊机，多点凸焊机为主。近几十年来， 随着科学技术和电子技术的发展，安平丝网生产的机械化、自动化也有了明显的 提高，表现在自动焊特别是丝网凸焊及其机器应用范围的日益扩大。这些设备的 应用提高了生产效率，但是也给质量的检验造成了一定程度上的不便。 点焊是一个高度非线性有多变量耦合作用和大量随机不确定因素的过程【2 1 。 焊点质量易受多种因素的影响，像被焊材料的性能、表面处理状况、工艺参数、 电极头等，另外因为焊接过程中时间短以及形成熔核的不可见等特点，给点焊过 程的研究和质量评定工作带来了很大的困难。丝网生产中用的多点焊机同时焊接 几十个点，一片丝网在一道工序上生产出来，焊接过程中有时候会产生虚焊或者 脱焊的情况。在高效的生产率下，如何实时的检测并直观的反映出焊接质量的好 坏就显的非常重要。 第一章绪论 1 2 凸焊监测技术的发展与现状 安平地区丝网焊接生产采用的主要焊接方法是凸焊。凸焊是电阻点焊的一种 特殊形式，它是利用零件原有型面倒角、底面或预制的凸点焊到另外一块面积较 大的零件上。凸焊既可以在点焊机上进行，也可在专用的凸焊机上进行，广泛应 用于成批生产的盖、筛网、管壳以及t 形、十字形、平板等零件的焊接【3 1 。凸焊 类型如图l 所示。安平丝网焊接就是属于线材交叉凸焊。 旦霉 宙国置田角l - - y b j 一一一， 莎漆 t a ) 多点凸焊”环焊c ) t 形焊d ) 滚凸焊e ) 线材交叉焊 图卜l 凸焊类型实例 因为凸焊原理和点焊是一样的，所以一般使用于点焊的检测方法也同样的使 用于凸焊。在点焊过程中，比较重要的参数有焊接电流、焊接时间、电极压力、 焊接过程中的动态电阻等。因此点焊过程中经常用的监控方法也主要是针对这些 参数。在点焊过程中目前经常使用的监控对象主要有以下几种。 1 焊接电流的监控电流是焊接过程中最重要的参数。电阻焊本身就是利用 电流经工件接触表面及邻近区域产生电阻热将工件融化或使之达到塑性状态而 使金属结合的一个工艺。而焊接热量由q = 1 2 r t 决定，可见电流对产热的影响是 很大的，因此它是一个需要严格控制的量，同时也是一个可以反映很多焊接过程 信息的物理量。因此通过的焊接过程中电流的监控，分析它的某些特征值可以反 亡 第一章绪论 映出质量的好坏【4 】。 2 动态电阻的监控焊接过程中焊接接头的动态电阻变化曲线能够反映出熔 核的形成过程。焊接过程中的动态电阻的变化曲线与一定的熔核形成相对应，然 后根据动态电阻的某些特征值( 如最大值，拐点的斜率等) 能够反映熔核形状以 及大小，通过推测得到的熔核信息来判断焊接质量的好坏【5 6 】。 3 电极头位移的监控为了保证焊点的质量，除了熔核直径外，焊透率和压 痕深度也应符合要求。电极头的位移也就是反映压痕深度的一个物理量，这也是 在侧面反映了熔核尺寸的一个量。通过在电极头上安装位移传感器，可以测得焊 接过程中工件的压入深度，通过判断焊点熔核的形状尺寸来反映焊接质量是否合 格【 9 1 。 另外还有通过测量点焊过程中焊点处的热量或者形成熔核时的声音信号来 判断焊接质量的监测方法等【1 0 川。随着科技技术的发展和人们对焊接过程越来越 多的了解，新的监测方法也在不断的出现。 在国内，点焊质量的研究已经有三十年的历史，比如有：西北工业大学杨思 乾对点焊过程中的动态电阻曲线进行频谱分析，通过频谱图来判断熔核的形状尺 寸【lz l ；哈尔滨工业大学的刚铁等人通过对薄钢板的点焊接头通过水浸超声聚焦射 入法进行质量的评价【1 3 】；南昌航空工业学院的方平等人通过分析点焊过程中电信 号的u - i 图来判断点焊过程产生的飞溅和脱焊的缺陷1 1 4 】；天津大学的罗震教授运 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i l5 1 。 在国外，学者对点焊焊接质量的检测也进行了大量的研究。a d 锄st 在1 9 8 5 年就提出用超声波对点焊焊接接头进行检验；c h o 和鼬e e 提出在点焊过程中用 动态电阻也可以反应焊接质量的好坏1 1 6 1 ；t w t a l b o t 和r d b e e m e r 针对电机和 工作电流及其相关性，研究出了点焊非破坏质量分析仪来监测钛合金和铝合金的 质型1 7 】；m h a o 应用线性回归分析理论，建立了焊接过程中的一些参数，如电 流、电极间压力，与铝合金点焊熔核直径以及拉伸强度之间关系的模型【1 8 】； s h i h f ul i n g 等人用神经网络通过对点焊过程中输入电阻抗的训练来判断焊接质 量的好坏等等i l 引。 1 3 虚拟仪器技术及其应用 1 3 1 虚拟仪器技术 虚拟仪器技术首先由n l ( n a t i o n a li ns t r u m e n t s ) 公司提出。“虚拟”一词突 第一章绪论 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。如测量需用的各利- 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【2 0 】。它是以 计算机软件、硬件技术为核心，以自动控制技术、传感器技术，现代信号处理技 术、现代网络技术、数值分析技术为支撑，以各专业学科为应用背景的现代测试 技术。它利用高性能的模块化集成概念和方法，结合软件设计平台的高效、简便 的程序编译功能，依据用户各类特殊需求创建出人机对话界面，实现并取代各类 特殊、昂贵的测试仪器的功能，目前已成为测试理论和应用试验研究的重要支撑， 表1 1 中列出了虚拟仪器与传统仪器性能上的比较【2 1 1 。 表l - l 虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器 传统仪器 用户自定义 开发和维护费用低 技术更新周期短( o 5 1 年) 软件是关键 价格低廉 开放灵活、与计算机同步，可重复用和重配置 可利用网络与各远程仪器设备进行通信 图形用户界面( g u i ) ，更易于操作 自动、智能化、远距离传输 做到焊接结果的实时监测，促进改进工艺参数 生产厂家定义 开发和维护费用高 技术更新周期长( 5 1 0 年) 硬件是关键 价格高昂 固定 只可连接有限设备 结果显示单一，不利于操作 功能单一、操作不便 无法做到 由于虚拟仪器上述优点，所以在将来的检测领域，传统的仪器被虚拟仪器取 代将是一种趋势。一种典型的虚拟仪器结构的工作原理如图1 2 所示。 图1 - 2 典型的虚拟仪器结构的工作原理 实际应用原理就是温度、压力、位移等被测量的物理量被传感器采集、传输 第一章绪论 并将它们转变成电信号( 如果被采集的信号本来就是电信号的话，则直接由传感 器采集、传输) ，由于这个电信号一般都比较微弱，并且由于外界的影响常常夹 杂着干扰信号，所以选用信号调理器对电信号进行放大、滤波等初步的处理；然 后数据采集卡在程序的驱动下将处理完的模拟电信号转换为电脑能够处理的数 字信号，再由应用程序读取输送过来的数字信号，并进行显示、计算、分析、储 存和传输等。 由虚拟仪器的结构工作原理可以看出，虚拟仪器的硬件部分可以完成各种测 试系统通用的任务，例如信号的放大、滤波和加转换等，而测试系统特有的 任务则由软件部分来完成，也就是说改变测试任务只需要对系统的软件部分进行 调整，因此利用虚拟仪器技术搭建测试系统可以实现更加丰富的功能，具有更强 的适用性，得具有更高的性价比。 目前虚拟仪器应用程序的开发平台有很多种，如h pv e e 、l a b v i e w 、 l a b w i n d o w s c 等。但是目前最流行的就是美国n i 公司的l a b v i e w 。l a b v i e w 是l a b o r a t o r yv i r n j a ll n s t m m e n te n g i n e e r i n gw 6 r k b e n c h ( 实验室虚拟仪器工程平 台) 每个单词首字母的组合，在l a b e w 环境中开发的每个程序被称作一个 ( n u a l l n s t m m e n t ) 。l a b v i e w 诞生于1 9 8 6 年，到2 0 0 6 年2 0 周年的时候推 出了8 2 版第一次有了汉化的界面和中文的文档，目前已经推出了l a b v i e w2 0 0 9 版。l a b v i e w 是一种在测试领域领先的“工业标准图形化编程工具”，它把软件 和各种测量设备硬件集成在一起，搭建虚拟仪器测试系统，供用户在这个平台上 开发，以形成自己的解决方案。经过二十多年的发展和改进，l a b e w 已经确 立了其在业内的主导地位，并成为行业内的事实标准。l a b v i e w 的影响不仅仅 体现在工业上，国外很多高校已将虚拟仪器技术作为了一门课程，相信国内在未 来可能也会将其引进到教育中，测试领域将发生重大的概念更替。 选用l a b v i e w 作为虚拟仪器技术搭建平台的最大优势就是极大的提高了程 序开发的效率，因为它提供了几乎所有的经典信号处理函数和现代高级的信号分 析函数，并将这些函数用图表节点的方式提供给用户，开发者采用图标与连线的 方式，就可以像画电路板一样编写程序，非常直观形象，并且对程序进行修改和 移植也特别的方便。此外l a b v i e w 程序非常容易和各种数据采集硬件集成，还 可以和多种主流的工业现场总线通信以及与大多数通用标准的数据库链接。根据 经验，使用l a b v i e w 开发虚拟仪器比使用基本文本的语言开发效率提高大约1 0 倍，同时l a b v i e w 在信号处理等方面的强大功能也不是组态软件可比的【2 2 1 。 由于l a b v i e w 具有上述的优点，结合试验的实际情况，本文选用l a b v i e w 作为信号采集及处理的软件部分。一个完整的l a b v i e w 应用程序包括前面板和 程序框图两部分。 第一章绪论 1 3 2l a b v i e w 在焊接中的应用 国内外的焊接工作者采用基于l a b v i e w 虚拟仪器的研究已经有了很大的成果。 国外，a s l a n l a rs 采用l a b v i e w 虚拟仪器研究分析了在汽车用薄板电阻点焊时， 焊接时间对其机械性能的影响渊。c u l i e njd 等人利用多个传感器将采用基于 l a b v i e w 虚拟仪器的电阻点焊质量分析系统应用于汽车工业的焊接中，取得了 较理想的效果l 洲。b o u y o u s f ib 等采用l a b v i e w 虚拟仪器技术研究了电阻点焊时 各参数对焊接结果的影响【2 5 1 。在国内，上海交通大学的蔡艳将l a b v i e w 虚拟仪 器技术引入到弧焊品质评估领域，为优化焊接电源、填充金属和焊接规范提供了 理论依据和标准1 2 引。北京工业大学的杨云强教授等人利用l a b v i e w 开发了焊接 过程信号检测与分析系统的实际程序并通过频谱分析等分析其在焊接中的应用 i z 7 。山东大学的陈茂爱等人利用l a b v i e w 中的q u e u e 技术简化了数据采集，并 在此基础上设计了g m a w 午焊接信号采集和分析系统，试验了熔滴过渡图像和 电信号同步采集，并可对其进行在线和离线的分析【2 引。天津大学的罗震教授带领 的课题组利用l a b v i e w 开发了点焊监控系统，对铝合金焊接过程中的电流信号 和电极压力信号进行实时采集，进行分析点焊熔核质量的变化【2 9 1 。上海大学的陈 方泉等人利用l a b v i e w 搭建软件平台结合相应的硬件对核电用燃料棒上端塞压 力电阻焊焊接过程进行研究，得到合适的焊接参数1 3 0 】。其他研究单位还有兰州理 工大学，哈尔滨工业大学，吉林大学等国内高校科研单位。 1 4 人工神经网络 在钢筋丝网的生产过程中，所需要的焊接参数有时候并不是很明确的。有的 资料上给出了几种钢筋直径的焊接参数，但不是全部。当碰到资料上没有给出参 数的直径的钢筋时，我们就需要做大量的实验来获得相应的参数，这样是不经济 的，并且也降低了生产效率。本文用人工神经网络来解决这个问题。 用电脑计算来代替人大脑的劳动是现代科技发展的重要标志。人工神经网络 ( a r t i f i c i a ln e u m ln e m o r k ，简称a 】、i n ) ，就人类在对自己大脑神经网络认识的 基础上构造的能够实现目标功能的“神经网络”。它是理论化的人脑神经网络的 数学模型，是基于模仿大脑神经网络结构和功能而建立的一种信息化处理系统。 人工神经网络实际上是由大量的简单元件按着某种数学关系相互连接而成的复 杂网络，具有高度的非线性，能够进行复杂的逻辑运算和非线性关系实现。简单 元件就相当于是网上的网结，也就是是神经网络中的神经元，是人工神经网络的 基本处理单元。神经元一般是一个多输入单输出的非线性元件，其模型图如图 第一章绪论 1 3 所示【3 i 】。单层神经网络以及多层神经网络都是通过对简单神经元的并联组成 的，从而实现更加复杂的功能。 p l p 2 p 3 、_、。 输入 神经元 图卜3 单个神经元模型图 a 图卜3 中p ，( _ ，l ，2 ，彳) 为输入分量，w ，( j ，2 ，r ) 为权值分量，p ，通过 与和它相乘的_ 相连，以m 乃的形式求和后，形成激活函数( ) 的输出，神 i i 经元的偏差6 是激活函数的另外一个输入。 输入p ，和权值w ，的矩阵形式由尸的列矢量和矽的行矢量来表示： p = 瞻p 2 p ，】1 矿= 【w l w 2 w ，】 神经元模型的输出矢量可表示为： l 彳= 厂( 形尸+ 6 ) = ( 乃+ 6 ) ( 1 - 1 ) l i 在人工神经网络的实际应用中，8 0 - 9 0 的人工神经网络模型采用b p 网络 或它的变化形式。b p ( b a c kp r o p a g a t i o n ) 神经网络，即反向传播网络，由信息的 正向传播和误差的反馈两个过程组成。是前向网络的核心部分，是人工神经网络 的精华部分。工作原理为：输入层各神经元负责接收来自外界的输入信息，并传 递给中问层各神经元：中间层是内部信息处理层，负责信息变换，根据信息变化 能力的需求，中间层可以设计为单隐层或者多隐层结构；最后一个隐层传递到输 出层各神经元的信息，经进一步处理后，完成一次学习的正向传播处理过程，由 输出层向外界输出信息处理结果。当实际输出与期望输出不符时，进入误差的反 向传播阶段。误差通过输出层，按误差梯度下降的方式修正各层权值，向隐层、 输入层逐层反传。周而复始的信息正向传播和误差反向传播过程，是各层权值不 第一章绪论 断调整的过程，也是神经网络学习训练的过程，此过程一直进行到网络输出的误 差减少到可以接受的程度，或者预先设定的学习次数为止【3 2 】。 b p 网络主要用于： ( 1 ) 函数逼近用己知的输入矢量和相应的输出矢量训练一个网络模型逼近 函数，实现的功能类似于函数拟合一样； ( 2 ) 分类对输入矢量按着定义的方式进行合适的分类； ( 3 ) 数据压缩对输出矢量进行压缩，以达到减少维数，便于传输或储存； ( 4 ) 模式识别用一个特定的输出矢量将它与输入矢量联系起来。 本文在l a b v i e w 平台上调用m 御广l a b 的神经网络，利用b p 网络的优势， 通过已知的数据，进行模型训练，得到一个“黑匣子”系统，进而得到其它直径 的钢筋点焊或者不同压下量时所需要的焊接参数。 1 5 本文的研究目的和主要研究内容 针对钢筋丝网在点焊过程中( 主要以凸焊为主) 出现的虚焊、漏焊问题，利 用基于l a b v i e w 强大功能的虚拟仪器技术加上合适的外部硬件，研制出一套钢 筋丝网焊接质量的实时监测系统。通过l a b v i e w 对采集到的信号进行处理、分 析得到焊接质量是否合格的判断标准，进而直观的显示出来，反馈给生产者。这 对于钢筋丝网焊接的生产率提高有重要意义。 本文将主要包括以下内容： ( 1 ) 结合实际生产现场的条件，选取合适的硬件设施，利用l a b v i e w 编 写一套实时监测钢筋丝网凸焊过程中焊接质量的系统。该系统将焊接过程中的电 压电流信号进行采集、处理并记录，最终将焊接质量不合格的焊点直观的显示在 前面板； ( 2 ) 在l a b v i e w 平台上调用m 棚，a b 神经网络工具，编写焊接参数预测 系统。对于没有给定焊接参数的直径的钢筋，通过该系统，可以得到质量合格的 焊接参考参数： ( 3 ) 用试验来验证整个系统的正确性，并从微观角度出发来分析合格焊点 的熔核形貌。 第二章钢筋丝网焊接原理及j l 【测参数的选择 第二章钢筋丝网焊接原理及监测参数的选择 2 1 钢筋丝网焊接原理 2 1 1 凸焊焊接原理 凸焊的焊接原理和点焊是一样的，焊接过程包括：预压、焊接、维持和休 止四个阶段( 见图2 1 ) 。 加压 凸点 压溃 妒电迤 ，l i 一。 焊接电流 i 竽y 楠蒯 洲卜 焊孩牛成时雕 f 通电初期凸 1|ij 膨胀量 、- j 点的压溃量 v 二 厂一 加匪预热焊接维持 预压通电时间 ，冷却时间 图2 1 点焊焊接过程电极压力、电极位移及焊接电流随时间的变化 ( 1 ) 预压( f o 。，= o ) 预压时凸点在电极压力作用下开始变形，两根钢 筋间的接触面积增大。当电极压力达到预定值时，凸点有一定的压溃。预压的目 的是建立稳定的电流通道，以保证焊接过程获得重复性好的电流密度。 ( 2 ) 焊接( ，= e ，= i 。，) 这个阶段是焊件加热熔化形成熔核的阶段。在 此期间焊件焊接区的温度分布经历复杂的变化后趋向稳定。电流集中流过凸点接 触面，加热集中，在极短的时间内凸点所余高度全部被压溃，形成较大的加热区， 自个别接触点的熔化逐渐扩大成足够尺寸的熔核和塑性区，完成凸焊的第二个阶 段。 ( 3 ) 维持( ， 0 ，= o ) 此阶段没有热量的输入，加上电极头的水冷作用， 熔核部位快速冷却。但冷却过程中由于应力的作用极易产生缩孔等缺陷，所以此 时需要保持足够的电极压力。 第二章钢筋丝网焊接原理及监测参数的选择 ( 4 ) 休止( f = 0 ，= 0 ) 此阶段为恢复到起始状态所必须的工艺时例3 1 。 虽然在焊接原理上是一样的，但是凸焊与点焊相比还是具有以下优点： ( 1 ) 凸点的位置准确、尺寸一致，各点的强度比较均匀。因此对于给定的 强度，凸焊焊点尺寸可以小于点焊； ( 2 ) 在一个焊接循环内可同时焊接多个焊点，不仅生产率高，而且没有分 流影响。因此可在窄小的部位上布置焊点而不受点距的限制； ( 3 ) 由于电流密集于凸点，电流密度大，故可用较小的电流进行焊接，并 能可靠地形成较小的熔核； ( 4 ) 与点焊相比，工件表面的油、锈、氧化皮、镀层和其它涂层对凸焊的 影响比较小； ( 5 ) 由于采用大平面电极，大平面电极的电流密度小，散热好，电极的磨 损要比点焊小得多，因此大大降低了电极的保养和维修费用【3 3 1 。 与点焊相比，凸焊的不足之处是需要冲制凸点的附加工序，但是在钢筋丝网 焊接过程中，两根钢筋的接触点就是天然的凸点，所以这一不足在钢筋丝网的生 产中是不存在的。 2 1 2 凸焊的工艺参数对焊接质量的影响 真正在焊接过程中决定焊接质量的主要是焊接参数。凸焊参数主要有焊接电 流、焊接时间和电极压力【3 3 1 。 ( 1 ) 焊接电流凸焊一个焊点所需的电流比点焊同样一个焊点要小，但在完 全压溃凸点之前电流必须要能够使凸点熔化。推荐的电流应该是在采用适当的电 极压力下不会挤出过多金属的最大电流。对于尺寸一定的凸点，挤出的金属量随 着电流的增加而增加，采用递增的调幅电流可以减小挤出金属。和点焊一样，被 焊金属的性能和厚度仍然是选择焊接电流的主要依据。 多点凸焊生产时，总的焊接电流大约等于单个凸点所需电流乘以凸点数。但 考虑到工件形状、焊机次级回路的阻抗等影响因素，焊接电流可能还需要做一些 适当的调整。 ( 2 ) 焊接时间对于给定的材料和工件尺寸，焊接时间由焊接电流和凸点刚 度决定。在凸焊低碳钢和低合金钢时，与电极压力和焊接电流相比，焊接时间是 次要的，所以一般生产时都是在确定合适的电极压力和焊接电流后再调节焊接 时间，以获得质量满意的焊点。如果想缩短焊接时间，就需要相应的增大焊接电 流，但过分增大焊接电流可能引起金属过热和喷溅，通常凸焊的焊接时间比点焊 长，而焊接所用电流则比点焊时小。 多点凸焊的焊接时间稍长与单点凸焊，以减少因凸点高度不一致而引起各点 第章钢筋丝网焊接原理及监测参数的选择 加热的差异，采用预热电流或电流斜率控制，效果会更好，从而可以提高焊点强 度的均匀性并减少喷溅。 ( 3 ) 电极压力凸焊的电极压力取决于被焊金属的性质、凸点的尺寸和次 焊成的凸点数量等。电极压力应足以在凸点达到焊接温度时将其完全压溃，并使 两工件紧密贴合。电极压力过大会过早地压溃凸点，失去凸焊的意义，同时因电 流密度减小而降低接头强度，压力过小又会引起严重喷溅。 可见焊接参数选择对焊点质量的影响是非常大的，本文在参考数据的基础上 做了大量的实验来得到适当的焊接参数。 2 1 3 钢筋丝网多点凸焊生产工艺 钢筋丝网生产工艺为多点钢筋十字交叉凸焊，现场生产设备示意图如图2 - 2 所示。 喝岔 下e l 嚣 m 图2 2 钢筋丝网多点凸焊主机示意图 为保证生产过程的连续进行而又不费过多的手工劳动，一台钢筋十字交叉多 点凸焊焊机起码应包括以下几个基本组成部分：焊接主机、拖网机构、纵筋喂料 装置、横筋喂料装置、焊接变压器、电气控制装置和气路、水路系统等【3 4 1 。目前 丝网凸焊多采用w h j 系列多点排焊机，以及d n 系列单点焊机，生产现场使用 的焊机如图2 3 所示，产品如图2 4 所示。 第一：章钢筋丝刚焊接原理及临测参数的选择 一 图2 - 3 钢筋丝网生产设备 图2 4 丝网产品 第二章钢筋丝网焊接原理及监测参数的选择 2 2 钢筋丝网焊接过程实时监测参数的选择 焊接过程中的动态参数包含了大量的熔核形成信息，因此准确测量钢筋丝网 凸焊过程中的动态参数对监测焊接质量有着重要意义。目前对点焊接头质量的监 测参数主要有电流、电极间电压、动态电阻、电极力、焊接能量等其它参数。本 文的主要监测参数是动态电阻。因为焊机是一个整体回路，焊接过程的动态电阻 不能直接测量，采用的测量方法是通过传感器采集焊接过程中的电压和电流，进 而通过计算获得焊接过程中的焊点动态电阻变化曲线。通过对计算得到的动态电 阻曲线进行分析，寻求合适的特征值来描述焊接质量。 2 2 1 凸焊过程电阻的组成 凸焊过程中电阻的组成如图2 5 所示【3 5 】。 r 。 图2 5 凸焊过程中电阻的组成 电阻包括工件本身电阻凡、两工件间接触电阻足、电极与工件间接触电阻 第二章钢筋丝网焊接原理及监测参数的选择 r = 2 r w + 尺c + 2 i 乙w ( 2 1 ) 当工件和电极已定时，工件的电阻取决于它的电阻率。电阻率高的金属导热 性差( 如不锈钢) ，电阻率低的金属其导热性好( 如铝合金) 。因此，点焊不锈钢 时产热容易而散热比较难，点焊铝合金时产热难而散热容易。实际点焊生产时， 前者可以用较小电流，后者就必须用很大的电流。 电阻率不仅取决于金属种类，还与金属的热处理状态和加工方式有关。通常 金属中含合金元素越多，电阻率就越高。淬火状态的又比退火状态的高。金属经 过冷加工后，其电阻率也增加。 各种金属的电阻率还与温度有关，一般随着温度的升高电阻率会相应的增高， 并且金属融化时的电阻率比融化前耍提高l 2 倍。 随着温度升高，电阻率增高会使工件电阻增高，但同时金属的压溃强度降低 会使工件与工件、工件与电极间的接触面积增大，因而引起工件电阻减小。因此 低碳钢进行点焊时，在两种矛盾的因素影响下，加热开始工件处的电阻逐渐增高， 熔核形成时又逐渐降低。曲线的变化现象给当前已开始应用于生产的动态电阻监 控提供了依据。 电极压力变化将改变工件与工件、工件与电极间的接触面积，从而也将影响 通过接触凸点的电流线的分布。随着电极压力的增大，电流线的分布将较分散， 因而工件电阻将减小。熔核形成时，由于熔化区的电阻增大，将使更多的电流从 熔核周围的塑性焊接环处流过。使该区再陆续熔化，熔核不断扩展，但熔核直径 由于受电极端面直径的制约，一般不超过电极端面直径的2 0 。如果熔核过分扩 展的话，将使塑性焊接环因失压较难形成，从而导致熔化金属的溅出喷溅。 式( 2 1 ) 中的接触电阻r c 由两方面原因形成： ( i ) 工件和电极表面有高电阻系数的氧化物或赃物层，使电流受到较大阻 碍，过厚的氧化物和赃物层甚至会使电流不能导通； ( 2 ) 即使表面十分清洁，但由于表面的微观不平度，使工件只在局部形成 接触点。电流线将在接触点处形成收拢，由于电流通道的缩小而增加了接触处的 电阻： 电极压力增大时，凸点的粗糙表面被压溃使接触面和数量都增大，表面上的 氧化膜也更容易被挤破。温度升高时，金属的压溃强度降低，即使电极压力不变， 也会出现凸点接触面增大、数量增多的现象。可见，接触电阻将随电极压力的增 大和温度的升高而显著减小。 2 2 2 低碳钢点焊过程中电阻的变化曲线 低碳钢点焊电阻的变化最早是在1 9 5 1 年由r o b e r t s 提出的1 3 6 】，他发现在低碳 第二章钢筋丝网焊接原理及监测参数的选择 钢点焊的过程中，测得的接触电阻会在开始的阶段快速下降，随后随着焊接过程 的进行逐渐上升达到最大值，紧接着再逐渐减小。1 9 8 2 年，k a i s e r 等人通过对低 碳钢进行点焊实验研究得到其准确的动态曲线形状【3 7 1 ，如图2 6 所示。 l 2 6 低碳钢点焊过程中动态电阻的变化曲线 由图可见电阻曲线在变化过程中会出现最大值，最大值与焊点熔核形成相对 应。在熔核没有形成的时候，动态电阻的变化曲线为单值曲线，然后随着电流的 加大，形成熔核，曲线出现最大值，并且熔核越大，电阻最大值也越大。台湾高 雄中山大学的s c w a n g 对低碳钢的点焊过程中电阻的动态变化也做了细致的研 究，研究指出点焊过程中动态电阻曲线的峰值和熔核的尺寸有密切的关系，曲线 后期的下降程度可以作为焊接过程中有无飞溅的判的判定【3 引。 因此本研究最后的对比参量就是钢筋丝网凸焊焊接过程中电阻曲线的最大 值，由此来反映焊点质量的好坏。 2 3 监测系统的智能辅助部分焊接参数的选择 焊接参数决定了焊接质量，因此可靠的焊接参数在生产过程中是很重要的。 因为点焊工艺已经比较成熟，所以很多资料上都给出了一些参考的焊接参数。对 于低碳钢线材交叉凸焊，相应的推荐焊接参数如下表2 1 【3 1 。 第二章钢筋丝网焊接原理及监测参数的选择 表2 1 低碳钢冷拔线材交叉凸焊相应的推荐焊接参数 注：压下量指电阻焊中一根钢丝压入另一根钢丝的数量，较大的压下量导致较大的接头强度 表中给出了冷拔钢丝不同直径的焊接参考参数，直观的判断标准是压下量。 由于不同机器使用相同的参数得到的焊接质量不一样，所以上表中的参数只是一 个参考，在实际焊接时在此基础上需要自己调试。由于钢丝网的种类很多，使用 的钢丝直径范围比较宽，很多都是表中没有给出的，对于这样的情况，可以根据 上表给出的参考数据进行插值，然后在此基础上实验。但是这样的效率比较低， 通过插值得到的数值存在比较大的误差，增加了调整的工作量，本文通过b p 神 经网络，快速准确的得到一个较精确的参考参数。 神经网络最强大的用处之一就是在函数逼近上。它可以用在诸如被控对象的 模型辨识中，即将过程看做黑箱子，通过测量其输入输出特性，然后利用所得 实际过程的输入输出数据训练处一个神经网络，使其输出对输入的响应特性具 有与被辨识过程相同的外部特性。 b p 神经网络的建立核心是b p 算法。b p 算法属于艿算法，是一种监督式的 学习算法。其主要思想是：对于口个输入学习样本：户1 ，尸2 ，户- ，已知与其 对应的输出样本为：r 1 ，r 2 ，r g 。学习的目的是利用网络的实际输出么1 ，彳2 ， 彳9 与目标矢量r 1 ，丁2 ，p 之间的误差来修改其权值，使彳。( ，= 1 ，2 ，口) 与期望r 。( ，= 1 ，2 ，g ) 每一次权值和偏差的变化都与网络误差的影响成正比， 并以方向传播的方式传递尽可能地接近，即使网络输出层的误差平方和达到最小。 它通过连续不断地在相对于误差函数斜率下降的方向上计算网络权值和偏差的 变化而逐渐逼近目标的【3 9 】。b p 算法由两部分组成1 4 0 】：信息的正向传递和误差的 反向传播，简化图如图2 7 所示。 第二章钢筋丝网焊接原理及监测参数的选择 图2 7b p 网络原理简化图 本文用l a b v i e w 与m a l la b 混合编程的方法来实现参考参数的预测系统。 m a t l a b 同样也是一种工程师常用的编程语言，具有强大的计算仿真等功能， 但是其在网络通信、界面开发等方面的功能远远不如l a b v i e w 强大，因此将两 者结合起来混合运用，就可以充分体现两者的优点。l a b v i e w 与m a t i ，a b 混合 编程的方法有多种，常用的是通过l a b v i e wm a th s c r i p t 节点、m 枷，a bs cr i p 节点和利用a c t i v e x 与m a l l ，a b 相连三种方法。本文中采用的是第二种利用 m a t l a bs c r i p 节点1 4 1 j 。利用l a b v i e w 调用m 枷，a b 的神经网络工具箱建立的 b p 网络用来预测得到焊接参数，比如当凸焊钢丝直径是3 8 m m 时，这个时候参 考数据上没有，就可以通过此智能预测系统得到其在焊接时的参考参数，训练模 型用的原始数据来源于表2 1 。程序前后面板如图2 8 所示。 ( a ) 前面板结果显示 第二章钢筋丝网焊接原理及监测参数的选择 2 4 本章小结 ( b ) 程序框图部分 图2 8 焊接参数智能预测系统 ( 1 ) 介绍钢筋丝网凸焊的焊接原理及几个主要的焊接参数对焊接质量的影 响。 ( 2 ) 选择焊接过程中的动态电阻作为监测参数，介绍凸焊过程中电阻的组 成、影响因素及其与焊接质量的关系。 ( 3 ) 应用l a b v i e w 与m a l l a b 混合编程，在l a b v i e w 中调用m a n ，a b 中利用神经网络工具箱建立的b p 神经网络来预测一定直径的钢丝在凸焊时的焊 接参数，在此参数的基础上进行适当的调整进而得到合适的参数。 第三章丝网焊接质量监测系统的设计 第三章丝网焊接质量监测系统的设计 丝网凸焊质量监测分析系统主要由两部分组成：信号数据的采集和数据的处 理、结果显示，如图3 - l 所示。 图3 1 丝网凸焊质量监测系统 其中焊接信号数据的采集部分是系统的硬件部分，也是整个系统的基础，只 有准确、快速的采集到焊接过程中的有效信息才能得到有效的判断数据，进而获 得良好的结果。数据处理及显示部分是系统的软件部分，本部分通过l a b v i e w 软件编写程序对采集到的电压、电流信号进行处理，得到有用的信号波形，然后 通过计算得到焊点的动态电阻曲线，再通过曲线的最大值来反映焊点质量的好坏。 3 1 焊接质量信号监测系统的硬件选择 由图3 1 可以看出系统的硬件系统包括传感器、信号调理板、数据采集卡和 安装采集卡的计算机。 3 1 1 传感器的选择 信号采集是本研究的基础。快速获得真实可靠的、信噪比高的焊接过程信息， 第三章丝网焊接质量监测系统的设计 是对焊接过程信息进行分析的第一步。前文已经说过焊接过程中可以检测的信息 对象很多，本文主要是采集焊接过程的电压和电流信息，因此主要涉及的是电流 传感器和电压传感器。目前市场上传感器的种类很多，适用的范围也不一样，根 据本实验的具体情况，所需传感器应满足：要适用与生产现场的使用环境，因为 凸焊过程很短暂，因此也要求传感器具有良好的静态特性和动态特性。 3 1 1 1 电流传感器 焊接电流对凸焊接头质量起着决定