（材料加工工程专业论文）基于双处理器的点焊质量多信息采集系统.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 本论文设计了基于双处理器的点焊质量多信息采集系统。选用双处理器的目的是为 了克服单一处理器任务繁重、实时性差的缺点，也避免了选用单一的高性能微处理器带 来的开发难度大和成本提高的问题。双处理器系统可在硬件方面为今后采集更多的点焊 信息提供保证：在软件方面为控制器扩展各种智能控制功能打下基础。双处理器均采用 a t 暑9 s 5 l 单片机，充分发挥其应用广泛、功能强大和价格低廉的特点。 本论文采集3 个与点焊质量关系密切的参数，即焊接电流、动态电阻和电极位移。 讨论了各传感器的选型、模拟信号调理、d 转换、测量误差以及系统的电磁兼容( e m c ) 设计等问题。根据实测的电极位移曲线和动态电阻曲线，分析了正常和飞溅时曲线的变 化规律。 控制功能由基于半周波的恒流控制方案实现，控制对象是工频交流点焊机。单片机 系统每半周波( 1 m i i s ) 对焊接电流进行一次p i d 控制，及时修正实际电流与给定电流的 偏差，实现恒流控制。 为验证恒流控制效果，进行了恒流控制与非恒流控制的点焊对比实验。结果表明， 恒流控制可很好地补偿电网电压变化和二次回路感抗的变化。如电网电压波动5 ， 非恒流控制的焊接电流波动1 5 ，而恒流控制时焊接电流仅波动o 3 5 ；三层板焊 接时，非恒流控制熔核直径波动3 0 ，而恒流控制熔核直径只波动8 。 恒流控制不能补偿分流和电极磨损的影响，为此，本文设计了恒电极位移速率单闭 环p i 控制器，实验结果表明，它较好地补偿了分流和电极磨损的影响。 由于本系统具备点焊质量多信息采集的功能，也获得了动态电阻和电极位移的变化 曲线，若将采集的焊接电流、动态电阻和电极位移进行信息融合，提取各自的特征信息， 应用智能控制技术进行点焊质量监控，必将克服单参数控制的不足，使点焊质量的监控 提高到一个新的水平。 关键词；电阻点焊，多信息采集，双处理器，恒流控制，恒电极位移速率控制 基于双处理器的点焊质量多信息采集系统 m u l t i - i 皿i m a t i o ns a m p l i n gs y s t e mo fr e s i s 切n c es p o tw e l d i n gq 砌i 够 b 嬲e do n d u a l - m i c r o p r o c e s s o r a b s t l 僦 m l l l 矗一i n f o 咖a t i o ns 舭l p l i l l g s y s t c mo fm s i s 咖i c cs p o tw c l d i l l gq u a l 时b a 9 c d o n d m l - m i c p r o c e s s o rh 器b 嘲 d e s i g n e d i l lm i s p a p 盱t h ep l l r p o s eo f l e c t i n g a d l l a l n l i c r o p r o c 筋s o rl i e si nc o n q u e r i n gd e f c c t so fs i n g l e m i c r o p r o c e s s o ri n 硎缅em e 够啪 a n dc 0 哪r o l ，a v o i d i n ge x 畔i v ep r o b l 锄o fl l i g hp t 耐o i m a n c ci n i 啪p l _ o c s o r t h e d u a i - 碰c r o p r o c 船s o fc o 山d to 置l i ys 锄p i em o r ei 疵m 丝t i o f l b u ta l s oe x p 缸di n 枷i g e f 鹚 c o 曲r o lf h r l c t i o i l si nm ef i i h l a t 8 9 s 5lc h i pc o m p u t e f ( ak i l l do fi i l i c r o p r o c c s s o r ) w 鹊u s e d b e c a u i th 鹤w i d e - r 柚西n ga p p l i c 撕o i l p o w 枷f i | n c t i o 鹏a n dc h e a pp r i c e 3p a 弱醢n e t e r s ：w c l d i n gc u r i e n t ，d y n 枷cr e s i s t a l l c ea n de l e c 打o ( i ed j s p l a c 锄e n t ) ，e r e s a i i l p l e d t y p eo fs e l l s o 培，a 由l l s n n e n to fa n a l o gs i 掣l a l s ，dt r a 邶f o 咖，m e 硒l l r i n ge f r d ra n d e m c ( e l n i c a lm a 驴鲥cc 伽叩e n s a t i o n ) 懈d i u s s e d c u r v 髓o fr 髓i s t a 】1 c ca n de l e c t r o d e d i s p l a c 啪e mw e 犯n 培d eb ye x p e r i m e n 协t h er c g u l a 瑙o fc u r y h a v eb e e na i l a l y z e di nt h e 圳瑚皿a la n dm ee x p u l s i o n c 删咖lf i m c t i o nw 硒a l i z e db yh a l f - p e r i o dm e 血o d ，觚dc 伽曲o lo b j e c ti sa c5 0 h zs p o t w d d i n gm a c h i n e c h i pc o m p u t c rc o n h d l sw e l d 啦c u te a c h1 0 n l sb yp d ，c 鲫f e c t s 也c c 他m 咖a n dr e a i i 稿sc o i 培劬tc r c n t 陀g u i a t i o n c o i i s 鲥趴dn o n 枷n 差【t a n tq i r 埘l tr e g i l l a t i o nh 觞b nc o m p a r e dt oe s t i m a t ec o n h 口l e 丘b c t t h er e s i l l t si i l d i c a t ct h a tc 咖s t a mc i l r r e mr e g u l a t i o n 啪c o m 肼n 鼢t ef o rm ec h a n g e so f v o i t a j g e 缸dr e t 觚c e f o r 黝p l e i fn e tv 砷瞻i g en l l d 瑚l 钯s5 ，t h e 铡旺e n to f n - c 0 删c u e mr c g u l a t i o nn u c t i l a t e s 1 5 w l 臌它鹊曲峙c t l 黝to fc o 鹏鼬t 咖m r e 刚嘶d o e s 谢也i n o 3 5 w e l d i n g 肌昭c ts 妇so f n s 眦观dn c o n s t a n t r e 鲥a t i f l l l c t u a t ci _ e 删v e l y8 锄d3 d d 耐n g3 一l a y e r - b r dw e l d i n g h o w e v e r t h e 曲咖雠舭dt l l ee 1 咖d ew 龃ra 嵋肿tc o m p i 铂s a o e db yc o n s t a i r cc m 嘲t g i 】l a l i b e u o f 出口e - c l o 瓣l o o p 咖lo f 删s oap ic o n 灯o n e rb 船c d 伽 l l g t a md i s p l a o 锄e n ts p e e dw 笛d e s i 印e d i tw 鹬f - o u n dm 砒t h e 蛐l l i i l go fc o n s 咖t d i s p l a c e m 咄s p l e e dc 缸c o m p c n s a t ct h e 砌u e n c eo f s h u m 锄de l e c t 川ew i i 沈阳工业大学硕士学位论文 ni s 内f t u m t e l ym a tt l l es y s t e mh 船t 1 l ef i l n c t i o 璐o f 删t i - i l l f o 朋 戚o ns 锄n p l i n g ，t l l e c l h 、7 部o ft h ed l m 锄i c s i s t a i l c ea n dn l ee l e c t r o d ed i s p l 戤e m e mh a v ea l s ob 咖o b t a i n c d s o m l i l t i i n f b n n a t i 血s i o nt e c h n o l o g y ，i l l ：t e l l i g e n c ec o l m o lt e c l l l l o g y ，e t c ，啪b eu s e dt 0 i m p l o v et h e1 e v e io f m o i l i t o d n g 锄d 卿帕 o l l i n go f s i s t a n c es p o tw e l d i n gq u a l i 锣 k e yw o r d s ：r 鹤i s 衄n s p o tw e l d i n g ，m h l 6 一i n 如肿a t i o n 姐m p g ， d u a l - m i c r o p m c 伪s o r ， c o n s t a n tc 砌t 蜘tr e g u i a t i o n ， c 蛐s t a n te i t r o d em s p l 耻e m e ts p e e dm g u l a t i o n i i i 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：寻易气日期：7 ，l ， 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：妞导师签名：透三蕉日期：塑亟丝 沈阳工业大学硕士学位论文 1 刖磊 1 1 电阻焊技术国内外发展概况 自1 8 7 7 年e l m u n 舢姻发明了电阻点焊以来，因其具有生产效率高、易实现机械 化和自动化等优点，己经被广泛应用于航天制造、汽车及家电工业中【1 ，2 l 。被焊材料由 不锈钢、低碳钢、高强钢、镀锌钢板扩展到铝合金、镁合金及金属基材料，并可实现不 同材料、不同板厚和多层板件的连接【3 】。 电阻点焊的基本原理是：工件通过电极施加压力，利用电流通过接头及邻近区域产 生电阻热来熔化金属，之后依靠内部水冷的铜电极对焊接区的急冷作用使熔化的金属结 晶，最终形成具有椭圆形熔核的焊点。 电阻点焊有两个最显著的特点：一是采用内部热源，即利用电流通过焊接区的电阻 产生的热量进行加热：二是必须施加压力，整个通电加热和冷却过程中，都是在压力作 用下完成的。电阻点焊的第一个特点决定了它无耗材、无需焊条、焊丝和焊药等： 焊接过程的耗热非常小；不会产生烟尘等有害物质、无刺眼的光污染：工作电压只有几 伏至十几伏。因此电阻点焊是一种安全、经济、高效、可靠、无污染的环保型焊接方法。 电阻点焊的第二个特点说明电极压力可以影响熔核的锻造过程，通过控制电极压力可以 控制熔核的大小、组织的致密程度、防止飞溅的发生等，所以电极压力可以作为点焊质 量的控制手段之一。 电阻点焊由以下四个阶段组成【2 j ： ( 1 ) 预压使焊件在两电极间紧密接触，从而产生一定的预压应力。该应力既可保 证两焊件之间产生所需的接触电阻，又可以减小电极与焊件表面问的接触电阻，从而使 两焊件之间的接触电阻最大嘲。如果预压时间不够，通电时可能烧坏电极或焊件的表面。 ( 2 ) 通电电流通过两焊件之间的接触电阻时产生的热量加热焊接处，使其达到熔 化状态而形成熔核。熔核外部的金属，因通过的电流较小，只能达到塑性状态，形成包 围熔核的塑性环。塑性环对焊点强度有非常重要的影响。 ( 3 ) 保持焊点熔化后，在冷却过程中由于金属的结晶将产生相当大的收缩，特别 是铜电极的迅速散热作用，使收缩加剧，所以在这个阶段一定要延迟解除电极的压力， 基于双处理器的点焊质量多信息采集系统 使焊点在未完全冷却前，在电极的挤压作用下得到更紧密的组织，同时防止飞溅 ( e x d u l s i o n ) 的发生。在采用电极力控制的点焊中，该阶段将继续增加压力，并把电 极压力的增加量( 相对于顸压阶段的电极压力) 叫做锻造力( f o r g i n gf o r c e ) 州。 ( 4 ) 休止焊点形成后的若干个周期，为焊接过程的其他循环做准备。 1 1 1 电阻焊设备 电阻焊具有较高的生产效率，焊接质量易于控制，易于实现生产机械化和自动化， 在大规模豹自动生产线中锝到了极其广泛的应用【1 ，4 1 。在电阻焊设备中，点焊机的应用 范围最广，缝焊机和对焊机相对较小，专用电阻焊机所占比例就更小一些闭。以电阻点 焊机为例，其发展经历了工频交流、直流脉冲、三相低频、二次整流以及电容储能点焊 机的过程。2 0 世纪8 0 年代中期，隧着计算机技术和电力电子技术的发展，发达国家还 先后推出了逆变式电阻焊机和柔性化的电阻焊成套设备，促进了电阻焊设备的自动化、 智能化的进一步发展。下面介绍两种典型的电阻点焊设备： ( 1 ) 工频交流点焊机工频交流点焊机具有结构简单、价格低廉、便于维修和节 约电能等优点，因而在国内外仍大量使用【3 】。这种点焊机的主要部件是焊接变压器，使 用工频交流电源( 如3 8 0 v ，5 0 h z ) ，利用晶闸管( s c r ) 控制初级回路的移相角以调节 能量的输入，在变压器的次级就能获得在一定范固内可调节的大电流( 电流可达上万安 培，电压十几伏以下) ，所以这种点焊机控制的核心问题是如何根据点焊过程中采集到 的参数控制s c r 的移相角。如交流电源的频率为5 0 h z ，控制周期一定是l o m s ( 交流电 的半周期) ，缺点是焊接电流的控制不够精细和迅速。 ( 2 ) 逆变式直流点焊机逆变阻焊设备近年来在国内外得以迅速发展，现已开始 在生产中大量采用。逆变阻焊设备的发展，得益于近十年来电子技术及大功率半导体器 件的进步h7 1 。它是先将恒压恒频( c v c f ) 的三相交流电经全波整流、滤波后变成直流 电，再用4 个大功率g t r 或i g b t 管逆变为变压变频( w v f ) 的交流电，最后经焊接 变压器降压后在次级整流，得到可调节的直流焊接电源。变频的目的之一是为了获得更 短的控制周期( 如变频后的频率为1 0 0 0 h z ，控制周期就为l m s ) ，另外频率提高还可 以减小焊接变压器铁芯的尺寸和重量。电流控制一般采用脉宽调制( p w m ) 电路。与普 通工频交流阻焊设备相比，逆变式焊机具有以下优点： 一2 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 由于采用了更高的工作频率，可使焊接变压器的重量大为减轻，这对于点焊 机器人的应用极为有利。工作频率一般为4 0 0 2 0 0 0 k 之问。 ( 2 ) 因为工作频率提高，使焊机具有更好的动态响应速度，提高了控制精度，对 于焊接质量监控系统也更加有利。 ( 3 ) 电网三相平衡，在一次回路中有大容量电容，二次回路全波整流，无次级感 抗，功率因数高。 ( 4 ) 焊接电流脉动小，无交流过零点不加热工件的缺点，改善了焊接工艺性能。 1 1 2 电阻焊控制系统 电阻焊设备进行焊接时，由于焊接时间短，在实际焊接过程中不可避免地会出现如 瞬时电网电压波动、焊接电流分流、焊接回路阻抗变化以及电极磨损等因素引起的焊甫 质量不稳定。因此必须对点焊过程进行控制。目前，点焊控制器有如下几种睁1 4 】： ( 1 ) 简易的点焊控制器这类控制器通过机械或电磁的有触点开关来控制电流的 非同步通断( 不具备电流过零检测的功能) ，在电流通断瞬间触点处易形成电弧，造成 附加通电时间，影响焊接参数的稳定性，己不能满足现代电阻点焊的要求。 ( 2 ) 由分立元件或中小型c m o s 集成电路组成的晶闸管同步控制装置这种控制 器可以实现焊接电流的过零通断，但周波数控制不够精确，可靠性低。 ( 3 ) 采用c m 0 s 集成电路组成的控制器这种控制器可精确实现同步通断，功耗 低，抗干扰能力强，成本低，可靠性高，应用广泛，但是控制电路结构复杂，柔性差。 ( 4 ) 以微处理器( 如单片机、d s p ) 为核心的控制器这种控制器正在得到越来 越广泛的应用。它以微处理器为核心，可对点焊过程中的多个参数进行实时采集与控制， 因而控制方法众多。如恒流控制、恒压控制、动态电阻法控制、热膨胀位移控制等。 随着人们对智能控制理论研究的不断深入，可以方便地将多传感器信息融合技术、 模糊控制技术、神经网络技术等用于控制器的设计，使其具有智能化。这种以微处理器 为核心的控制器代表了点焊控制器的发展方向【3 ，m 1 4 1 。 1 1 3 质量控制方法 早在2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初，国内外就先后提出了电阻焊焊接质量的各种监 控方法，如恒电流控制、动态电阻监测、极间电压监测以及热膨胀电极位移监控等带质 基于双处理器的点焊质量多信息采集系统 量监控的焊接自适应控制器相继面市，并随着微机技术的发展而日趋完掣l o 协”1 。影响 电阻点焊质量的因素主要有【2 】： ( 1 ) 焊接电流和通电时间焊接电流和通电时间对熔核大小的影响是一致的，焊接 电流越大，通电时间越长，所得到的熔核尺寸也就越大。 ( 2 ) 电极直径它决定了熔核的最大直径，电极直径的变化会引起电流密度的变化 和焊点上压强的变化。 ( 3 ) 电极压力它使被焊材料的表而氧化层破坏并能调节接触电阻大小，从而调节 焊接区域的加热程度并改变焊点附近金属塑性变形的范围。 ( 4 ) 电流分流分流是在焊接过程中，绕过焊接区的电流，由于分流的存在，总电 流中只有一部分作用在焊接区域，分流降低对焊接区域的加热作用，减小焊点的熔核直 径。改变焊点附近金属塑性变形的范围。 目前，点焊质量监控可分为2 大类，即物理方法监控( 温度、超声波、声发射、电 极位移、电极力) 和电参数监控( 恒流控制、动态电阻控制) 【4 5 幡研，下面简介其中 的3 种方法： ( 1 ) 恒电流控制法这是一种较为成熟的方法，它是通过被检测的焊接电流与给 定值进行比较，利用其偏差值来调整开关管的触发延迟角( 如晶闸管) 或脉宽( 如 m o s f e t 或i g b t ) ，使实际焊接电流与给定值相等，从而达到恒电流控制的目的【1 删。 在恒电流控制中，焊接电流信号的采集方式可直接影响恒电流控制的精度。最能直接反 映焊接电流变化的是采用空心线圈传感器( 即r o g o w s k i 带) 从二次回路检测出焊接电流， 经过积分环节处理，与给定值进行比较，利用其偏差值进行恒电流控制。此方法不仅能 直接反映焊接电流的变化，而且控制精度高，恒电流精度可控制在一2 v + 2 内。利用空 心线圈传感器( r o g o 哪k i 带) 对二次电流进行检测的方法，早在2 0 世纪8 0 年代就己形成 恒电流控制器产品。并由日本宫地( m i y a c h ) ，瑞士许莱特( s c m 。a r r e r ) 、德国 b o s c h 等公司推向市场f 3 ，”。空心线圈传感器( r 0 9 0 w s k i 带) 的制作水平直接影响着 恒电流的控制精度。随着高精度霍尔电流传感器的出现，国内的恒电流控制器大多采用 4 一 沈阳工业大学硕士学位论文 霍尔器件在变压器一次侧对焊接电流进行检测，从而控制焊接电流，从控制精度来讲， 控制器的控制精度要达到2 v + 2 以内的误差是有一定的难度的。 ( 2 ) 动态电阻控制法焊接过程中测试被焊工件的动态电阻作为控制参数，对焊 接质量进行自适应控制即动态电阻法，也是一种比较成熟的监控手段，其应用的广泛性 不如恒电流控制。2 0 世纪8 0 年代，日木宫地( m i y a c h i ) 、木村( m u r a ) ，美国 w e l 仰n i c 等公司都有产品面市，国内高校、科研院所( 如南昌航院、吉林工大、成都电 焊机研究所等) 也都进行了研究与开发f 4 】。 对动态电阻的检测和处理有不同的方法，一种方法是分别测出上下电极间的电压和 电流，再按欧姆定律求出动态电阻，另一种方法是将电流视为恒定值，用所测得的电极 电压代替动态电阻。从检测出来的动态电阻曲线看，两者的峰值基本上是同时出现： 动态电阻控制法有一定的局限性，一般只适用于动态电阻曲线各区域特征较明显的 材料，如低碳钢、低合金钢、钛合金钢等。能克服恒电流控制存在的焊点分流和电极磨 损时使焊点质量下降的缺点。 日木宫地( m i y a c h i ) 公司推出的c u 4 8 0 0 点焊控制器采用恒电流和动态电阻相结 合的控制方法，使其在焊接过程中既保持电流恒定，又利用动态电阻的变化自动调节焊 接时间，从而保证焊点质量。此外，美国通用汽车公司开发了电流自动阶跃与动态电阻 相结合的点焊控制器，以及英国s p o t r i t e 2 0 4 7 二次电压控制器等【3 】。 ( 3 ) 热膨胀电极位移法热膨胀电极位移法是各种点焊质量控制法中国内外普遍 重视的一种，采用这一方法不仅能够克服多种因素造成的焊点质量波动，而且被焊材料 的适应面广。其机理是利用被焊金属在加热熔化时体积发生膨胀，导致电极产生位移， 此位移与焊核尺寸有关，借此可检测和控制熔核的尺寸。在实际应用中可以用位移速率 和位移量作为点焊质量的实时控制参数。 对于热膨胀电极位移法，国内外作了大量深入的研究工作，在此基础上研制了一些 较为适用的热膨胀质量监控器。哈工大、南昌航院、西北工大等高校也较早地开发了这 类产品。哈工大研制的控制器是以在一定时间段内调整焊接电流，使位移速率达到标准 位移的最大速率，然后保持电流恒定至焊接结束，焊接结束时间根据设定时间以及在调 基于双处理器的点焊质量多信息采集系统 整阶段位移偏离标准值的大小来确定；南昌航院则是以最佳位移速度为参考调节焊接电 流，当位移速度偏离最佳位置值时，调节电流使其向最佳值靠近。 目前电阻焊质量监控的方法较多，除应用较成功的恒电流法、动态电阻法，热膨胀 电极位移法外，还有超声波法、表面温度与红外线法。随着微机控制技术的不断发展， 目前所开发和生产的电阻焊质量监控器几乎都采用了微机控制技术，实现了快速、高精 度、灵活、多功能的技术要求，大大提高了电阻焊的焊接质量，扩大了实用范围【4 ，2 ”。 1 2 研究内容及意义 1 2 1 研究意义 电阻点焊质量以点焊接头的强度来表征，而接头强度与焊点熔核尺寸和熔核的熔透 深度有关。随着工业自动化程度的提高，愈来愈要求采用非破坏的方式，精确地控制电 阻焊过程及焊接质量，提高焊接接头的强度。但由于焊接过程的短时性、熔核形成过程 的不可见性、温度场分布窄、影响因素多( 如焊接电流、电极间电阻、焊接时间、电极 压力、电极材料及电极几何尺寸、工件的表面状况等) ，加之点焊过程中还存在着电、 热、力和冶金作用等，使得分析电阻焊过程变得非常复杂，电阻点焊质量监控问题并未 得到圆满解决【1 l l 。 到目前为止，点焊质量监控技术已发展了4 0 多年，所提出的方法也达几十种之多， 但质量监控技术的难度，依然体现在对熔核尺寸等质量信息无法直接测量，只能通过一 些过程参数进行间接的推断，因此发展多参量综合监测，采用多传感器信息融合技术是 提高点焊质量监控精度的有效途径。 本文提出的基于双处理器的点焊质量多信息采集系统在于充分利用微处理器运算 高速、性能可靠的特点，尽可能多地采集与点焊质量有关的参量，保证多信息融合及智 能控制的实现嘲。 1 2 2 研究内容 ( 1 ) 设计高性能电阻点焊控制系统基于单一处理器在进行多信息处理时任务比 较繁重、实时性较差而设计了一种双处理器的信息采集处理系统。通过合理分配主，从 微处理器的任务，让计算机具有足够时间来进行多信息的采集、运算与处理，最终提高 系统的实时控制能力。 一6 一 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 多传感器信息采集与处理多传感器信息融合要求尽可能多地检测到那些与 点焊质量有关系的参数( 如电流、电压、动态电阻、电极位移、电极压力、点焊时间等) ， 根据对所选被控对象( 焊点熔核) 的描述能力选择传感器；其次是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瞄矧。单一参数与点焊质量的关系可 以通过分析和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是这些特征信 息的集合。可以运用一定的融合算法对多传感器数据进行高精度融合，最终获得对焊接 质量的有效控制。 点焊过程中与熔核形成有密切关系的参数很多，如电流、电压、动态电阻、电极位 移、电极压力、点焊时间、电极几何尺寸、阻焊材料及板厚等等。对这些参数进行全部 检测是不可能的，只能选择对熔核形成最具影响力的参数。本文选择了以下三个参数，+ 焊接电流、电极位移、电极间动态电阻。 1 ) 焊接电流焊接电流和焊接时间表征了工件的热输入量，正常情况下，热输入， 量是与熔核尺寸成线性关系。本论文用罗氏线圈( r o g o w 幽线圈) 测量二次侧电流。 2 ) 电极位移电极位移量( 热膨胀量) 是焊点金属熔化量多少的度量，直接反映 了熔核的产生及发育情况，与熔核尺寸有良好的对应关系。本论文用光栅位移传感器测 量电极位移。 3 ) 动态电阻电阻焊过程中焊接区电阻胄是内部热源的基础，它的大小及其变化 规律( 即动态电阻曲线) 较为真实地反映了熔核的形成过程，一定的动态电阻曲线与一 定的熔核尺寸相对应。本论文用动态功率法测量动态电阻。 ( 3 ) 利用所设计的多信息采集系统测量典型被焊材料( 如q 2 3 5 a 和l c r l g n i 9 t i ) 的动态电阻曲线和电极位移曲线并分析其变化规律。 ( 4 ) 设计基于半周波的p m 恒流控制程序，以补偿电网电压波动和二次回路阻抗 波动对焊接质量的影响。 ( 5 ) 设计基于p i 控制策略的恒电极位移速率控制方案，以补偿分流和电极磨损对 焊接质量的影响，克服恒流控制的不足。 基于双处理器的点焊质量多信息采集系统 2 电阻焊双处理器控制系统硬件设计 目前，点焊控制器所使用的微处理器有单一的8 位微处理器( 如8 0 3 1 、8 0 9 8 ) 【1 2 1 4 棚、 单一的1 6 位微处理器( 如8 0 c 1 9 6 ) 瞄1 、单一的数字信号处理器d s p ( 如d s n p i c 3 0 f 6 0 1 0 ) 【姗、单片机+ d s p ，也有采用可编程控制器p l c 控制点焊过程( 如富士p l c n b o p 1 4 t 3 a c ) 湖，还有的直接采用大规模可编程逻辑器件p l d 构成点焊控制器鲫。 当电阻点焊控制器采用单一的8 位微处理器时，它既要具备管理、监视的功能( 对 键盘和显示器的管理) ，又要完成对多信息量的采集、运算、处理( 实时监测与算法控 制) ，还要具有点焊过程顺序控制的功能。如果只对某一参数进行单闭环控制( 如恒流 控制) ，这种单处理器尚可满足要求，但在完成多传感器信息的采集与融合控制时，要 求微机在一个周波内完成诸如电流峰值信号、峰值角、电极位移、电流相对电压滞后角 等信号的测量，同时发送触发脉冲控制晶闸管的导通。或者说在测量的同时还要完成数 据计算、信息处理融合并发出新的控制量。在这种情况下，单处理器任务繁重，导致实 时性差，难以完成指定任务。 点焊质量多信息采集时，要求系统具备快速反应的能力，就必须统筹考虑微机的主 频，a 仍、d a 转换速度并设计高效率的控制软件。因此，这种质量监控方法的实现， 对微机控制系统的实时检测和信息处理能力提出了更高的要求。为适应这种要求，本文 设计了一种双处理器微机控制系统【l “，如图2 1 所示。 从图2 1 中可以看出，从机系统主要完成多信息( 焊接电流、电网电压等) 的实时 采集与控制；主机系统主要完成人机对话、故障报警和电极位移信号的采集。 通过合理分配主、从微处理器的任务，让从机系统具有足够时间来进行多信息的采 集、运算与处理，最终提高系统的实时控制能力。 2 1 微处理器选型 众所周知，i l i t e i 公司的m c s 5 1 系列单片机以其极高的性价比在我国获得了广泛的 应用，在工业控制、交通运输、家用电器、仪器仪表等领域取得了大量的应用成果。 a n 便l 公司推出的a t 8 9 s 5 1 单片机，采用了8 0 c 5 l 的内核和f l 嬲h 存储技术，增加了 一8 一 沈阳工业大学硕士学位论文 看门狗定时器w d t 、在系统编程功能i s p 、串行接口技术s p i ，是目前取代m c s 5 l 系 列单片机的主流芯片之一嗍。 匦巫 也母叫囹 隔哥母 从机 主机 砸 9 s 5 1m r 如 a 1 聊孵5 1 吖囵 r r 如t ) 【d i j 麓星盏卜臣塑廿 叫鳖h 鲨j 匝至 题母 惆 哐悃 j 臣耍，怔母 i l 一竺! 堕一- jl 一圭塾至竺一一- j 图2 1 点焊双处理器微机控制系统框图 f 培2 1f 叻c t i 舳i mo f d u a l m i c m p r o s s 叫c m i n d ls y s 电m 锄s p o tw c i d i n g 本文选择双a t 8 9 s 5 l 单片机组成电阻点焊控制系统，既为了克服单一处理器因任 务繁重、实时性差的缺点，也避免了选用单一的高性能微处理器带来的开发难度大和成 本提高的问题。双处理器系统可在硬件方面为今后采集更多的点焊信息提供保证：在软 件方面为控制器扩展各种智能控制功能打下基础，充分发挥a t 8 9 s 5 l 单片机应用广泛、 功能强大和价格低廉的特点。 2 2 系统组成 2 2 1 从机系统 从机控制系统完成对多传感器信息( 如焊接电压、焊接电流、电极压力、电极位移、 动态电阻) 的实时检测，各种算法控制( 如恒流控制、多信息融合控制及各种智能控制) 、 点焊顺序控制( 如预压、焊接、锻压、休止) 以及与上位机通信( 用于焊接生产线) 等 任务。 一9 一 基于双处理器的点焊质量多信息采集系统 2 2 2 主机系统 主机系统完成对键盘和液晶显示屏的管理以及对从机控制系统运行状态的监控。键 盘采用薄膜开关，显示屏采用1 m 1 2 8 “a 图形点阵液晶显示器( l c d ) 。除数字和字符外， 所有参数均以汉字显示，参数设置直观、清晰，人机界面友好。图2 2 给出了其中的2 个显示界面。 图2 2 主机系统显示界面示例 f 噜2 2e 煳p l e so fd i s p l a yi n t e r f a c ef o rm a i nm i c r o p r o c e s s o r 2 2 3 主电路 电阻点焊机的主电路和经过阻抗变换后的等效电路图如图2 3 所示，图中岛、岛为 焊接变压器初级回路电阻和电感，焉、厶为焊接变压器次级回路电阻和电感【l l 2 9 3 0 1 。 肛萤b 图2 3 主电路及其等效电路 f i 舀2 3 蹦瑚r yc 沁u t 觚d i 协e q i i i v a l 咖c 讹咄 2 2 4 主要模块电路 ( 1 ) 同步脉冲发生器在点焊控制系统中，同步脉冲发生器是必不可少的电路， 如图2 4 所示。它是点焊过程各阶段时序控制以及晶闸管触发脉冲的基准。同步脉冲发 生器提供5 0 h z 和1 0 0 h z 两种同步脉冲信号【l l 】。 沈阳工业大学硕士学位论文 a ) 电气原理图 b ) 同步脉冲波形图( 1 0 m “格) 图2 4 同步脉冲发生器 f i 昏2 4t h eg e l l e 咖ro f s ) ，i i c h 煳。峭p u i s e ( 2 ) 晶闸管单管导通保护电路交流点焊机在正常工作情况下，主回路中两反并 联的晶闸管将交替工作，当因干扰或触发脉冲丢失( 如在控制角口小于功率因数角妒时 有可能发生，参见图4 1 5 ) 而造成单管导通时，使变压器原边电流正、负半周不对称， 这将导致铁芯磁饱和，会引起变压器发热，甚至使其烧毁。因此，必须予以防止和保护， 并保证控制角口大于或等于功率因数角多。图2 5 是为此而设计的保护电路。 电路的输入接至晶闸管两端，输出端接至晶闸管脉冲触发电路的u p 端。当晶闸管 单管导通时，电路输出低电平信号，封锁触发脉冲，起到保护作用。 基于双处理器的点焊质量多信息采集系统 图2 5 晶闸管单管导通保护电路 f i g 2 5p f 砷 嘶i l gc 赴u i to f s i l l g l e - s c rw o f k ( 3 ) 晶闸管触发电路晶闸管脉冲触发电路的原理见图2 6 ，它由u l a 、u 2 构成的 多谐振荡器产生脉冲列，经三极管q l 输出。进入焊接循环时，微机系统会发出焊接信 号，使脉冲信号经脉冲变压器输出至晶闸管。电容c 3 和电位器构成延时电路，从硬件 上保证焊接变压器通电瞬间无电流冲击。在u l n 的8 脚输入脉冲调制信号，可使电流变 为多脉冲型式。 将图2 5 的输出信号接到u p 上，可使最小控制角口自动限制在焊机功率因数角西 上，一旦出现单管导通时，通过对u p 进行控制，自动中断脉冲输出。 2 3 主机与从机串行通信 参见图2 1 ，主机和从机的d ( 串行发送) 、r ) ( 串行接收) 引脚用双绞线屏 蔽连接，完成串行通信并提高抗干扰能力。 图2 6 晶闸管触发电路 f i 昌2 6t r i g g c rc i r 印i to f s c r 1 3 一 基于双处理器的点焊质量多信息采集系统 3 控制系统主程序研制 3 1 主机系统主程序 主机系统完成对键盘和液晶显示器的管理以及对从机系统运行状态的监控，系统主 程序如图3 1 所示。键盘采用薄膜开关，液晶显示屏采用1 m 1 2 8 6 4 a 图形点阵显示器 ( l c d ) ，除数字和字符外，所有参数均以汉字显示，人机界面友好【2 s l 。 参数显示屏：在每一个焊接循环结束时，显示焊接电流的有效值和焊接周波数。 参数设置屏：在此屏中可以设置焊接电流、动态电阻、位移速率、位移峰值、预压、 加压、焊接、维持、休止周波数、材料厚度、阻焊材料( 铜、铝、碳钢、不锈钢) 、控 制方式( 恒流控制或其他控制方式) 、焊接方式( 点焊或缝焊) 、多点脉冲或休止周波 数等。因需设置的参数多，故分几个子屏进行设置。 故障屏：系统运行时，如发生故障( 如水压不足、气压不足、变压器超温、晶闸管 超温、晶闸管单管导通、电极粘、无电流、计算机故障等) ，则相应的故障会在此屏闪 动显示并发出报警声，这样可以帮助操作者快速、准确地排除故障。 图3 1 主机系统主程序流程图 f i 吕3 1d i a g 锄o f m a i np r o g 舳f o rm a i nm i c p r o 豁 沈阳工业大学硕士学位论文 3 2 从机系统主程序 从机控制系统需要完成对多传感器信息的实时检测、算法控制、点焊顺序控制以及 与上位机通讯等任务。主程序流程框图如图3 2 所示。 叫 隔磊如 上= ；r 一 ! 盒渗 迹 i 口令检查 = 2 鼍一 型舀会 第l 半周波发同定触角 采样电流峰值 计算峰值角。电流有效值， p i d 恒流控制算法 n 发触发脉冲 二 半周波数减1 灭 半周波数为o 维持延时 二工二 休止延时 丢 图3 2 从机系统主程序流程图 f i 舀3 2d i a g r a mo f n l a i np r o g 随mf o r 溉o n d a | ym i c m p r o s 鲥 3 3 系统抗干扰设计 点焊控制器工作在电磁环境非常恶劣的点焊现场，对微机系统的可靠性提出了更高 的要求。抗干扰设计，也叫做电磁兼容设计( e m c ) ，是点焊控制器设计中不可忽视的 重要环节【1 9 ，3 n 。 3 3 1 阻焊控制系统中的干扰源 阻焊控制系统中的干扰源主要有3 种，即电网干扰、过程通道干扰以及空间干扰 其中电网干扰最为严重；其次是过程通道干扰；相比之下，空间干扰的干扰程度上较小， 一般情况下，采取良好的屏蔽、正确接地和高频滤波等措施即可解决。因此，应重点防 止电网干扰和过程通道干扰，下面从软、硬件两方面说明如下： 基于双处理器的点焊质量多信息采集系统 3 3 2 硬件抗干扰 ( 1 ) 电源抗干扰阻焊控制系统中的电网干扰一般表现为电压跌落、高频窜扰、 浪涌及波形畸变等。点焊时的电压跌落非常明显，同时伴随着浪涌和波形畸变。为防止 干扰从电源系统引入，本文采取了如下措施： 1 ) 提高控制变压器二次电压( 也可采用高调整率的开关电源) ，控制变压器二次 输出电压为4 0 v ，晶闸管的触发脉冲峰值为2 4 v ，以防止点焊时的电压跌落。 2 ) 采用低通滤波器滤去高次谐波和高频窜扰，以改善电源波形。 3 ) 使用电压瞬变调制器即大功率的稳压二极管，以防止网压浪涌。 4 ) 在交流电源的输入端加入抗干扰抑制器。 ( 2 ) 过程通道抗干扰在点焊控制系统中，过程通道是指主机与外围设备( 如d 、 d a 、啪i 等) 、主机与从机、主机与上位机通信接口之间进行信息传输的路径。传输 路径上的信息可以是模拟量、数字量或开关量，在传输线上传输时会出现延时、畸变、 衰减等干扰形式，为保证传输的可靠性，采取的措施有： 1 ) 光电耦合隔离光电耦合有很强的抗干扰能力，它能有效地抑制尖峰脉冲和各 种噪声的干扰，从而使过程通道上的信噪比大大提高。点焊控制系统中，主机与外围设 备、主机与上位机通信接口之间的过程通道上大都采用了光电耦合隔离。 2 ) 双绞线和屏蔽传输双绞线是一种常用的传输线，它具有波阻抗高、抗共模噪 声能力强等优点，并能使各个小环路的电磁感应干扰相互抵消。另外双绞线还可起到积 分的作用。因此，对于点焊过程多信息的采集与信号传输采用了双绞线，主机与从机之 间的串行通讯采用了屏蔽双绞线传输。 3 ) 信号滤波对采集到的各种反馈信号，在进入加之前，进行滤波以防止各种 噪声信号的干扰。 ( 3 ) 空间抗干扰空间干扰来自系统的内部和外部，主要指电磁场在线路、导线、 柜体上的辐射、吸收与调制。空间抗干扰主要是系统的布局设计，采取的措施主要有： 沈阳工业大学硕士学位论文 1 ) 强电与弱电隔离强电部分包括控制变压器、晶闸管、阻容吸收等被安装在控 制柜的后面，而前面放置信息采集与处理、接口电路和微机控制系统。强、弱电元件之 间的距离尽量加大，这样可以减小电磁感应所产生的空间干扰。 2 ) 地线结构设计接地是抑制干扰的重要方法，在点焊微机控制系统中，地线有 模拟地、数字地、机壳地等。印刷电路板上的模拟地和数字地要分开，分别与电源端地 线相连。地线应尽量加粗，并构成闭环回路。 3 ) 去耦电容在每片集成电路的电源和地线之问直接接入去耦电容，以提高各芯 片的抗噪声能力。 3 3 3 软件抗干扰 软件抗干扰措施主要包括： ( 1 ) 看门狗( w d t ) 功能因干扰使程序弹飞到一个临时构成的死循环中时，系 统将处于瘫痪状态( 死机) 。为防止这种情况发生，将a t 8 9 s 5 l 单片机提供的监视系 统运行定时器即看门狗定时器( w d t ) 的中断设定为高优先级，一旦程序跑飞导致w d t 中断发生时，迫使程序进入看门狗处理程序，对使用的r a m 区和工作寄存器中的数据 进行刷新操作。 ( 2 ) 设置软件陷阱在非程序区采用长跳转指令，迫使程序进入软件陷阱： n o p ： n o p ： l j l 旧d n t i a l ： 软件陷阱安排在正常程序执行不到的地方；未使用的e p r o m 空间，常数、表 格区的最后，程序区，即在跳转指令如u m p 、s j m p 、a j m p 、砌玎、r e l l 等后。系 统一旦落入软件陷阱中，就会被引导到初始状态。 ( 3 ) 指令冗余当c p u 受到干扰时，会将一些操作数当作指令码来执行，引起程 序混乱，尤其程序落入到双字节或三字节指令上时，会继续出错。而当程序弹飞到单字 节指令上时，便自动纳入正轨。所以应多采用单字节指令，并在关键地方插入一些单字 1 7 一 基于双处理器的点焊质量多信息采集系统 节指令( n o p ) 或将单字节指令重复书写。在双字节或三字节指令的前后插入两条n o p 指令，可保证当前或其后的指令不被拆散。 ( 4 ) 数字滤波为消除传感器通道中的干扰信号，常用的软件处理措施是数字滤 波，它是一种从数据系列中提取逼近真实数据的软件算法，在实时数据采集系统中应用 很广。对于电流峰值信号，可以采取连续多次采样办法，以其平均值作为峰值点的电流 信号。对于位移和动态电阻信号，可以采用一阶递推数字滤波( 低通滤波) 的方法。 ( 5 ) 数字信号的输出为防止气阀驱动、与上位机通讯的开关量等信号遭受干扰， 产生致命的误动作，最为有效的办法是程序在允许范围内重复输出同一个数