（材料加工工程专业论文）基于电极位移曲线的点焊过程故障诊断.pdf

硕士学位论文 摘要 电阻点焊是一种高效、易于实现自动化的焊接方法，因而被广泛地应用于汽 车制造和航空航天工业。由于电阻点焊熔核形成时间短，温度分布窄，焊接过程 存在大量随机影响因素，仅通过稳定工艺参数无法完全避免焊接过程故障的产生， 以及质量不合格焊点的出现。焊后检验作为质量保证体系虽必不可少，但其不具 实时性。特别对于大量使用电阻焊的场合，发展一种点焊过程故障诊断和质量实 时监控方法，取代或减少目前采用的焊后探伤和破坏性抽检，对提高生产率、降 低成本，保证焊接质量具有重要意义。在点焊过程中，影响焊接质量的多种故障 因素如工件翘曲、工件表面问题、网压波动和电极轴向错位等，均直接或间接地 蕴涵在焊接电流、焊接电压、电极位移等信号的动态变化之中。本文以电极位移 信号为主要信息源，通过对信号时域和波形特征分析，探索了一种基于信号实时 监测和特征提取，对点焊过程故障进行在线诊断的新方法。论文工作内容包括： 1 ) 搭建以a c 6 1 1 5 ( a d ) 卡为核心的计算机数据采集系统，同步采集点焊过程中 的焊接电流、焊接电压、电极位移信号，通过对上述信号的处理和分析表明：实 时采集的焊接信号可以作为焊接故障分类和在线诊断的信息源。 2 ) 针对实际生产中可能出现的故障因素，如工件翘曲、电极轴向错位、网压 波动和表面问题等，将故障状态下的电极位移信号与正常焊接时的电极位移信号 进行比较，结果表明各种故障因素均引起了电极位移信号的奇异性变化，造成焊 点质量的变化。将这种奇异性变化作为点焊过程故障诊断的依据。 3 ) 针对电极位移曲线，划分熔核形成的不同阶段，提取位移曲线中能描述故 障状态下奇异性变化的特征参量，确定表征故障状态的电极位移特征向量集合。 4 ) 以焊接电流、焊接时间和电极间压力为输入向量，以电极位移的特征参量 上升斜率v l 、上升斜率v 2 、下降斜率v 3 、峰值位移s l 和结束位移s 2 作为输出向 量，建立了基于r b f 神经网络的电极位移曲线预测模型。将预测的电极位移特征 参量作为判别依据，建立了点焊过程故障分类规则。建立的这种故障分类方法， 可实现点焊过程严重故障和一般故障的分类。 5 ) 探索了一种基于案例推理的点焊过程故障诊断方法，针对几种典型的一般 故障：电极轴向错位、网压波动和表面问题等，建立了基于相似优先比矩阵的案 例检索模型，经有效性检验，该模型的诊断正确率为9 4 。 关键词：电阻点焊；数据采集； 信号分析；特征参量提取；故障分类；案例 推理；故障诊断 基于电极位移曲线的点焊过程故障诊断 a b s tr a c t t h er e s i s t a n c es p o tw e l d i n gi sak i n do f h i g h l ye 衔c i e n tw e l d i n gm e t h o d ，w h i c hi 8 e a s yt or e a l i z ea u t o m a t i o n i nt h er e s i t a n c es p o tw e l d i n g ，t h et i m eo ft h ee n g e n d e r i n g m i g g e ti ss h o r t ，a n dt h ed i s t r i b u t i n gr a n g eo ft e m p e r a t i l r ei 8n a r r o w ，m e r ea r eal o to f f a c t o r sa f f e c tt h eq u a l i t y ；s oo n l yt h r o u g hs t a b i l i z i n gp a r a m e t e ro fa r t sa n dc r a r s ， w h i c hc a nn o ta v o i dc o m p l e t e l yp r o d u c i n gw e l d i n gf 扎1 t sa n de m e r g e n c eo ff a i l e d jo i n t i t i sn e c e s s a r yt h a tw ec a r r yt h et e s ta f t e rw e l d i n g ，b u ti th a s n tt h ec h a r a c t e ro fr e a l t i m e e s p e c i a l l yw h e nw eu s i n gr e s i s t a n c es p o tw e l d i n g ，am e t h o do fw e l d i n gp r o c e s s f a u l td i a g n o s i sa n dq u a l i t yo fr e a l t i m em o n i t o r i n gi ss e tu pt or e p l a c eo rr e d u c ec r a c k d e t e c t i o na f t e rw e l d i n ga n dd e v a s t a t i n gs p o tt e s t ，t oi m p r o v ep r o d u c t i v i t ya n dr e d u c e d c o s t ，a n dt oe n s u r eq u a l i t yo fw e l d i n gi so fg r e a ts i g n i f i c a n c e i nw e l d i n gp r o c e s s ，t h e f a u l tf a c t o r ss u c ha sw o r k p i e c ew a r p i n g ，u n t r e a t e ds u r f a c e ，v o l t a g en u n c t i o n ，e l e c t r o d e a x i a lm i s a l i g n m e n ta n de t c ，w h i c ha r ed i r e c t l ya n di n d i r e c t l yc o n t a i n e di nt h ec h a n g e o fw e l d i n gc u r r e n t ，w e l d i n gv o l t a g ea n de l e c t r o d ed i s p l a c e m e n ts i g n a l s i nt h i sp a p e r ， d i s p l a c e m e n te l e c t r o d es i g n a la st h em a i ns o u r c eo fi n f 0 m a t i o n ，t h r o u g ht h ea n a l y s i s o ft i m e d o m a i na n dw a v e f o 珊c h a r a c t e r i s t i c s ，an e wm e t h o d ，w h i c hc a nd i a g n o s et h e f a u l t si nw e l d i n gp r o c e s s ，b a s e do ns i g n a lr e a l - t i m em o n i t o r i n ga n df e a t u r ee x t r a c t i o n i se x p l o r e d t h ew o r kw a sd o n ea sf o l l o w s ： 1 ) ad a t ag a t h e r i n gs y s t e mb a s e do nt h ec o r eo fa c 61 l5 ( a d ) c a r dw a s d e v e l o p e d ，b yw h i c he l e c t r o d ev 0 1 t a g e ，w e l d i n gc u r r e n ta n de l e c t r o d ed i s p l a c 锄e n t s i g n a l sw e r es y n c h r o n o u s l yg a t h e r e d t h r o u g ht h e i b o v e - m e n t i o n e ds i g n a l sp r o c e s s i n g a n da n a l y s i ss h o wt h a t ：w e l d i n gs i g n a l sg a t h e r e dc a nb e u s e da si n f o n n a t i o nt oc l a s s i f y a n do n 一1 i n ed i a g n o s i sf a u l t si nw e l d i n g p r o c e s s 2 ) f a u l tf a c t o r ss u c ha sw o r k p i e c ew a 啦i n g ，u n t r e a t e ds u r f a c e ，v o l t a g en u n c t i o n ， e l e c t r o d ea x i a lm i s a l i g n m e n ta n d e t c ， w h i c hm a ya r i s ei nt h ea c t u a l p r o d u c t e n v i r o n m e n t ，a r es i m u l a t e d ，a n dt h e nc o m p a r ee l e c t r o d ed i s p l a c e m e n ts i g n a li nf a u l t w i t he l e c t r o d ed i s p l a c e m e n ts i g n a l i nn o 珊a 1p r o c e s s t h ep r e l i m i n a r ya n a l y s i ss h o w e d t h a ta 1 1f a u l t sa r i s e ss i g n a l s s t r a n g ec h a n g ea n dq u a l i t yc h a n g e t h es i g n a l s s t r a n g e m a n g ec a nb e u s e dt od i a g n o s i sf a u l t si nw e l d i n gp r o c e s s 3 ) u t i l i z e dt h ee l e c t r o d ed i s p l a c e m e n ts i g n a l s p a r a m e t e rt od e v i d et h ed i f f e r e n t p h a s e so ft h en u g g e tf o m i n g ，a n de x t r a c t e dc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fe l e c t r o d e d i s p l a c e m e n tc u r v e ，w h i c hc o u l dd e s c r i b ef a u l ts t a t eo fs i n g u l a r i t yc h a n g e s ，a n db y w h i c haf a c t o rv e c t o rt o k e na sf a u l ts t a t ec o u l db eg e t 4 ) ap r e d i c t i o nm o d e lb a s e do nr b fn e u r a ln e t w o r ki se s t a b l i s h e dt op r e d i c t 硕士学位论文 e l e c t r o d ed i s p l a c e m e n t c u r v e ， i nw h i c ht h ew e l d i n gc u 盯e n t ， w e l d i n gt i m ea n d e l e c t r o d ep r e s s u r ea r ea st h ei n p u tv e c t o r s ，a n dt h er i s i n gs l o p ev l ，r i s i n gs l o p e v 2 ， d e c l i n i n gs l o p ev 3 ，t h ep e a kd i s p l a c e m e n tsla n dt h ee n dd i s p l a c e m e n ts 2a r ea st h e o u t p u tv e c t o r s j u d g i n gb yt h ec h a r a c t e r i s t i cp a r 锄e t e r se x t r a c t e d ，f a u l t sc l a s s i f i c a t i o n 1 1 l l e si nw e l d i n gp r o c e s sh a v ee s t a i b l i s h e d 5 ) o n ek i n do ff l a u l t sd i a g n o s i sm e t h o db a c e do nc a s e b a s e dr e a s o n i n gi nw e l d i n g p r o c e s sh a sp r o b e d f o rs e v e r a lk i n d s r e p r e s e n t a t i v e f a u l t s ： e l e c t r o d ea x i a l m i s a l i g n m e n t ，v 0 1 t a g ef l u n c t i o n ，u n t r e a t e ds u r f a c ea n de t c ，ac a s er e t r i e v a lm o d e l b a c e do nf u z z ys i m i l a rr a t i oi se s t a b l i s h e d ，a r e rv a l i d i t yc h e c k o u t ，t h em o d e ld i a g n o s i s r i g h t n e s sr a t e st u mt ob e9 4 1 k e yw o r d s ：r e s i s t a n c es p o tw e l d i n g ；d a t ac o l l e c t i o n ；s i g n a l sa n a l y s e s ； c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e re x t r a c t i n g ；f a u l t sc l a s s i f i c a t i o n ；c a s e b a s e d r e a s o n i n g ；f a u l td i a g n o s i s 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 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 他个人或集体已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：馅乃叉 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，即：学 校有权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。本人授权兰州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。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 柄。久 1 聋引咳 日期：m 占年 日期：o g 年 5 月1日 。了月o 日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 1 1 1 研究背景 随着科学技术的发展，电阻点焊已经较普遍的应用于工业生产中。它是一种 高效的焊接方法，具有能量集中、变形小、生产效率高、操作简单和易于实现自动 化的特点，适宜于焊接形状复杂的零件和薄壁零件等。点焊结构具有质量轻，静 强度高，可靠性好，能稳定和易于实现自动化等优点，因而点焊在汽车、航空及 航天工业的生产，如汽车车身、飞机机翼、航空发动机扰流器等的制造中应用尤为 广泛【1 1 。 尽管电阻点焊技术已经被应用了数十年，学术界对电阻点焊的不同方面也分 别做了大量的科学研究，取得了一些成功的科研成果。但点焊过程是一个高度非 线性，有大量随机不确定因素的过程；对点焊过程有影响且在焊接期间难以检测 的耦合因素太多；在不大的厚度范围内，要求特定而又准确的温度场分布，加热 略微不足焊点强度便不够，加热略微增多又会引起深度压痕、喷溅等故障；熔核 凝固时间短，易使熔核内产生裂纹、缩孔、疏松、偏析等故障；焊点形成时间短， 焊接条件在短时间内波动就会造成严重的后果；焊接过程属于动态变化过程，随 着加热的不断进行，熔核实现从无到有、从小到大的变化；点焊的形核处于封闭 状态，使焊点质量参数( 熔核直径、强度等) 无论在焊接期间还是在焊后都无法 直接观测，从而给点焊质量监测和控制带来了极大的困难。 在点焊过程中，存在许多可预测或不可预测的故障因素影响着焊点质量。这 些可能的因素包括：焊接材料类型、焊点间距、接头几何尺寸、电极轴向错位、 冷却水流动、网压波动、电极磨损、工件表面状态、电极压力波动、电流分流和 焊接回路阻抗变化等，任何一个因素都会影响熔核形成过程，甚至导致质量不合 格焊点的出现。 传统生产中，焊接质量是通过稳定焊接工艺参数和焊后检验来保证的。由于 焊点接头质量受大量随机因素的影响，仅通过稳定工艺参数不可能全面保证焊点 质量；焊后检验作为质量保证体系虽必不可少，但不具备实时性，无法及时发现 焊接缺陷；当今工业生产中仍大量运用破坏性抽检，置信度水平很低；汽车生产 商不得不通过增加焊点的数目来保证焊点强度，使制造成本大大增加。因此，研 究影响点焊质量的故障因素，发展一种能在线诊断点焊过程故障的方法对点焊质 量的保证有非常积极的意义【2 - 4 】。 基于电极位移曲线的点焊过程故障诊断 1 1 2 研究目标和意义 电阻点焊在工业领域有着广泛的应用，但是在实际生产中保证焊点质量的稳 定还存在一些困难。一方面点焊是一个复杂的过程，在极短的时间内既有物理变 化又有化学变化，耦合了电、热、相变、熔化、凝固、变形和焊点分流等，所以 点焊过程是多种因素综合作用的结果；另一方面在实际焊接过程中，各种故障因 素的随机出现；会不同程度影响焊接过程：( 1 ) 影响熔核的形成和长大过程；( 2 ) 影 响了熔核范围内电场和磁场的分布；( 3 ) 影响了焊接区内电流的通路；( 4 ) 影响了焊 接区金属的析热和散热过程等。 影响电阻点焊质量的因素很多，包括工艺参数如( 焊接电流、焊接电压、焊 接时间等) ，还有一些非工艺参数如( 电极轴向错位、网压波动、工件表面问题等) 。 如能实现对焊接故障影响因素的在线诊断有着积极的意义：( 1 ) 在连续焊接过程中， 为后面的焊接过程提供预警信息；( 2 ) 为焊接过程控制提供实时依据；( 3 ) 为质量评 判提供确切信息；( 4 ) 能够降低制造成本等。 1 1 ，3 课题来源 本课题研究主要来源于以下项目的支持： 汽车生产线基于动态过程信号特征的点焊质量在线监控系统的研究( 国家 自然基金资助项目，2 0 0 2 年至今) 。 1 2 电阻点焊过程影响因素及监测方法研究现状 电阻点焊自身是一个在瞬间完成的，耦合了电、热、结构与相变的复杂过程， 由预压、通电加热、维持、休止等阶段组成。两层或多层薄板金属在电极力的作 用下被一对电极挤压在一起，当可控硅( s c r ) 触发导通时，电流流过薄板金属 并产生大量的焦耳热。由于薄板与薄板之间结合面的电阻在焊接开始阶段相当高， 因此，热量集中在结合面周围。当结合面的温度高于金属的熔点时，熔核在结合 面形成、长大。电流切断后，熔核开始冷却、固化，形成一个固体接头。图1 1 所示为交流点焊机的主电力图，图1 2 描述了熔核的形成过程。图1 3 所示为点焊 过程模型。 2 图1 2 焊点熔核形成过程 硕士学位论文 结 l ” ，、1 f 厂 、 l，j ，i i1 1 台面i 电撅i 、 融直径一i m - j 二- 一 l 熔核直往 电极 厂、i 图1 3 点焊过程模型 1 2 1 电阻点焊过程故障影响因素研究 影响接头质量的因素是多方面的：包括接头设计，材料性能，工艺方法选择， 电阻焊设备的可靠性与稳定性，甚至还包括生产环境和操作人员的水平，主要影 响因素是焊接设备的质量和稳定性。除了点焊过程的主要规范参数( 焊接时间、 焊接电流和电极压力) ，实际点焊生产中的故障影响因素也影响了焊接质量。尽管 各国学者对点焊过程进行了大量的研究，但是对影响点焊质量的故障因素还未进 行系统的研究，有关这方面的文献报道相对较少【5 】。 1 1 w 推荐通过考察以下8 个因素变化时，控制器的精度、灵敏度以及对焊接质 量的保证能力所受的影响来评价控制系统的性能。这8 个因素分别是：( 1 ) 焊接电 流；( 2 ) 电极压力；( 3 ) 通电时间；( 4 ) 电极端部形状；( 5 ) 电流分流；( 6 ) 边缘距离；( 7 ) 工件板厚；( 8 ) 工件表面的清洁度【l 】。在这些众多的因素中，常见的影响较大的因素 是焊接规范自身的波动。 k a i s e r 【6 】等研究表明，工件表面状态和电极压力的变化会改变可焊性范围的位 置和形状。n a g e l 和l e e 【1 7 】提出了点焊质量控制过程中需要考虑的几个故障影响因 素。h o i l i d a y 【8 。9 】等认为焊接镀层钢板时，电极磨损会显著影响焊接质量。 焊机的机械性能( 电极臂刚度、构件间的摩擦和运动质量) 会影响焊接过程 中的焊接规范参数，从而造成焊点质量的波动。s a t o h 【1 0 。1 1 】等发现上下电极臂刚度 的差别能够在电极和工件之间产生较大的相对滑移，上电极臂滑动部分的摩擦力 对熔核直径和薄板翘曲都有很大的影响。作用在刚性焊机上的摩擦力同样会降低 焊点质量和电极寿命。假如摩擦力很大，焊核将会在与电极轴线相垂直的方向膨 胀，这样不利于熔核的形成，降低焊点的强度。 d o r n 和x u 【1 2 。1 3 】发现下电极臂的刚度会对焊接过程中电极力的变化产生影响， 电极臂越“柔软”，电极力的增加量越小，但他们没有研究电极臂的刚度是否会对 焊点拉剪力产生影响。w i l l i a m s 【1 4 】等发现电极行程的增加和碰撞会降低电极寿命。 h o w e 【1 5 】认为：“柔软 的电极臂会降低电极寿命。h a h n 【1 6 】认为：电极大位移量能 3 基于电极位移曲线的点焊过程故障诊断 引起电极间的接触缺陷，结果使得焊核质量降低，尤其在c 型焊枪上表现的更加 明显。焊机刚度也影响着焊点强度值的分布。在实际生产中，由于焊机机械性能 的变化所带来的直接后果是焊接规范参数的变化，会出现电极错位，电极磨损等 故障，引起点焊过程电流密度的变化，降低焊点的强度。 h e t a n g 和h us 7 】等通过试验和有限元模拟分析了点焊机机械特性对焊接 过程的电极力和电极位移等参数的影响，结果表明电极刚度和摩擦显著地影响点 焊质量，同时焊接过程中电极臂刚度的大小会引起电极错位等故障。 2 0 0 1 年，w e il i 【1 8 】等建立两级滑移试验系统对点焊过程故障( 电极错位、边缘 焊、装配间隙、电极磨损) 进行了统计研究，试验结果表明：电极错位、装配间隙 和电极磨损显著地影响点焊质量，虽然故障共同作用时有时会提高熔核尺寸，但 是却使可焊性范围变窄，过程鲁棒性变差。 2 0 0 3 年，yc h o 【1 9 】等在此基础上考虑点焊过程故障的影响，分别对普通低碳 钢板和铝合金板进行可对比试验研究，结果表明：不同的过程故障对点焊质量的 影响程度是不同的，同时文章也给出具体的改进措施。 上海交通大学的胡敏【2 0 】等通过有限元方法分析了车身点焊过程中存在工件配 合问隙的情况下，电极力的变化对接触状态和工件变形的影响。表明当偏差配合 间隙超过一定值后，电极力对零件变形的贡献相对稳定，仅在小间隙时，电极力 作用显著影响结构变形。当电极力达到一定值时，接触状态的改变才较为明显， 而且电极力对零件的接触影响较大，电极与零件的接触状态较难改善。 1 2 2 电阻点焊监测方法研究现状 电阻点焊过程中的质量监控信息必须满足如下几个基本条件：必须与焊点或 焊缝的质量有密切的关系，呈一定的函数关系并有期望的准确度；必须足够强， 不会被环境干扰所淹没；必须可以再现，一般应为连续的；取出监控信息时( 包 括装置) ，不应当影响生产的正常进行；要求的检测手段容易实现，成本不得太高 【l 】。在点焊过程中，比较重要的参数有焊接电流、焊接时间、电极力、焊接速度、 电极间电压、电极位移以及焊接过程中的动态电阻等。 保证电阻点焊接头质量，提高其可靠性的核心就是在生产过程中运用先进的 手段和设备实施质量控制。特别是由于点焊工艺运用的广泛性和重要性，点焊质 量控制技术始终是电阻焊领域研究的前沿和热点。电阻点焊质量控制的研究始于 4 0 年代，但真正发展并用于生产是在近2 0 年，由于电子技术和计算机控制技术的 广泛应用，才使电阻点焊质量控制技术达到实用水平。 近年来，人们大量利用神经元网络理论、模糊逻辑理论、数值模拟技术、模 式识别理论等方法实现对点焊质量的直接控制，将点焊过程监测的研究推向了新 的高度。 4 硕十学位论文 英国学者h a o 【2 1 】等利用线性回归分析建立了焊接电流、电极间电压、动态电 阻信号监测参量与铝合金焊点抗剪强度、熔核直径之间的关系模型，结果表明多 元线性回归模型的预测误差远小于一元线性回归模型的预测误差，从而显示出多 参量监测技术的优势。 j a v e d m a 【2 2 】等利用a n n 实现输入输出的映射，以点焊的电参数( 如焊接电流、 焊接时间、焊接压力等) 作为输入参数，焊点熔核直径作为输出参数，用实验数 据作为训练样本对b p 网络进行离线训练，并将所建立的神经网络模型接入实时系 统中形成对镀锌钢板点焊质量的监测。 哈工大的张忠典【2 3 】等将点焊过程的动态电阻曲线作为输入参量，运用神经元 网络理论，研究了低碳钢动态电阻与焊点质量之间的模型关系，成功的实现了力 学性能的实时定量估测。实验表明，即使在恶劣的生产条件下，该系统也能实时、 准确地监测点焊质量，确定合理的质量等级，满足实时监测及焊后评判的要求。 m e s s l e r 【2 4 】等把人工神经网络和模糊逻辑相结合，用神经网络预测电极位移和 电极位移变化率，作为模糊控制系统的输入，建立实时控制系统，并取得了良好 的控制效果。该系统中静态a n n 实时提供不同焊接条件下的电极位移和位移变化 率；模糊控制器输出可控硅的控制角，以调节焊接输入能量，使实际的电极位移 曲线不断逼近标准电极位移曲线，达到控制焊接质量的目的，但是此系统不能在 线学习，只适用于特定的生产环境。 文献【25 】利用人工神经网络的记忆和聚类处理的优点设计了基于人工神经网络 的焊点接头抗拉强度无损检测系统；b r o w n 【2 6 】等利用归一化的动态电阻、焊接电 流值及电极头直径作为输入向量，预测熔核直径反映焊接质量；d i l t h e y 【27 j 利用同 样的方法将焊接电流、焊接电压输入神经网络估计焊点的抗剪强度。 兰州理工大学的马跃洲、种玉宝【2s j 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。张鹏贤等【2 9 】融合点焊过程的电极位移、焊接电压、焊接电流、 动态电阻信号的特征参量建立表征点焊过程的模式矩阵，将模式矩阵作为h o p f i e l d 神经网络记忆稳定状态存储于网络，利用网络联想记忆功能实现对未知样本点焊 过程的模式识别。 l e e 【3 0 3 l 】为了在能量损失最小的情况下获得理想的熔核尺寸，引入了功率密度 思想设计计算模型，监测焊接过程随温度变化的动态电阻、焊接电流信号，计算 输入功率密度，以焊接过程是否发生喷溅现象为依据，在不发生喷溅的情况下， 选择电极位移信号的监测参量，在发生喷溅的情况下，选择第二到第六周波的动 态电阻值为监测参量，分别设计模糊规则，建立焊点质量的模糊监测模型。 在通过人工智能方法对点焊质量进行预测的同时，很多学者也在进行点焊过 基于电极位移曲线的点焊过程故障诊断 程影响因素的诊断。 2 0 0 3 年，程方杰和单平等【3 2 】以实验为基础，深入分析了铝合金连续点焊条件 下电极烧损的基本规律和特点，揭示了连续点焊过程中表面接触情况和焊点表面 成型质量的变化规律，分析了影响电极烧损的主要因素。结果表明，电极的烧损 从一开始就存在，接触不均匀所导致的局部高温熔化是造成电极烧损的主要原因。 2 0 0 4 年，薛海涛和宋永伦等【33 1 ，建立了电阻点焊参数采集及缺陷信息分析系 统。该系统在分析研究所采集的焊接电流和焊接电压的基础上，对点焊过程中发 生的缺陷状况做出了评定和分析：通过电压曲线斜率变化判断飞溅，通过积分变 化判断脱焊。 2 0 0 5 年，罗贤星和邓黎鹏等【3 4 】，研制了一套点焊过程参数采集与显示系统， 对部分影响因素的特征信息进行提取和分析。并在此基础上，应用模糊数学理论， 建立了铝合金焊点质量在线监测系统，借助该系统不仅可以评估熔核尺寸，并且 可以判识导致熔核尺寸发生波动的可能原因，如若发生喷溅，该系统可以判识喷 溅的强度、喷溅发生的时刻以及引发喷溅的可能原因。 2 0 0 6 年，王亚荣和张忠典p5 1 ，研究了新型轻质镁合金在电阻点焊中的主要缺 陷，结果表明：在镁合金电阻点焊接头中的裂纹为结晶裂纹，与电流特性、结晶 时的应力状态和成分偏析有关；缩松和缩孔的产生，主要与焊接过程中金属热膨 胀及焊接后期锻压力大小有关；电极粘附和焊接喷溅是镁合金点焊中最常见的缺 陷，产生的主要原因是电极与工件以及工件与工件界面处局部过热造成的。张旭 强和张延松等【36 1 ，根据焊接性范围确定焊接工艺参数进行电极磨损试验。研究了 电极磨损时的电极表面形貌、轴向磨损、端面直径磨损的变化规律，分析了不同电 极磨损阶段的轴向磨损对端面直径磨损的贡献率。结果表明初始焊接阶段电极磨 损速率较大，点蚀加剧了电极磨损与失效。赵欣和陈关龙等【3 ，在对点焊接头缺陷 进行以特征值参数定性分析为主的超声回波特性分析的基础上，通过采集标准超 声曲线及开发峰值标记识别算法对汽车车身点焊缺陷进行快速识别。 从前面的分析可以看出常规的电阻点焊质量控制方法对电阻点焊质量的控制 起到了很大的推动作用，并在实际生产中起到了提高产品质量的效果，但是这些 方法在原理上存在着一些局限性，使得这些方法的应用受到一定的限制。人工智 能技术使得电阻点焊质量的监控进入一个崭新的阶段，通过对实时监测的焊接参 数的分析，反馈回控制系统，能够很好的保证焊接质量。也可以对实时监测的焊 接参数进行分析，反馈到评判模型，对焊接过程中出现的故障状态进行诊断。 1 3 目前研究所存在的问题 目前许多学者采用仿真方法，在基于焊机机械性能的基础上来仿真点焊过程， 获得电极位移曲线；还有一些学者采用数值模拟方法，在基于热量输入、接触条 6 硕士学位论文 件、材料性质等的基础上，模拟焊核形成过程中发生的电一热一力等多因素耦合的 物理变化，均取得了一定的研究成果。但目前的仿真还是数值模拟方法都不能用 于真实的焊接过程的控制。在焊接过程中存在的大量的影响因素，而仿真模型和 数值模拟模型都只是考虑了理想焊接条件，因而使模拟结果很难应用于实际生产 中。 学术界从过程仿真、数值模拟和实验研究等方面对电阻点焊进行了大量的研 究，取得了一定的科研成果。但对点焊过程中可能出现的一些故障因素( 如工件 翘曲、电极轴向错位和表面状态等) 对焊接质量的影响研究的比较少。如何在实 际生产中，实时地在线诊断出这些故障因素，对保证焊接质量起到重要的作用， 同时也可以为焊接过程起到预警作用，从而大大降低制造商的生产成本是有积极 意义的。 为了实现焊接故障的实时诊断，人们将单个或多个监控参量作为诊断源，反 馈回控制系统来进行预测和诊断。其中焊接电流、焊接电压、电极间压力和电极 位移都是监控源。但现在普遍采用的方法是对每一个工况都进行试验，以期获得 需要的监控源，这样不仅要消耗大量的时间，也会使成本大大增加。 近年来有人通过有限元模拟获得监控源，但是由于模拟方法的局限性使其结 果难以应用于实际生产中。还有人通过仿真方法获得监控源，但是对于电阻点焊 这一高度非线性时变系统来说，模型与实际过程有很大的差异。充分利用神经网 络解决非线性问题的优势，将电阻点焊过程及质量控制的决策方式智能化成为了 这一领域的发展趋势。 1 4 故障诊断研究方法综述 故障诊断是一门综合性技术，它涉及现代控制理论、信号处理与模式识别、 计算机科学、人工智能、电子技术、统计数学等学科。现代故障诊断已经有3 0 多 年的发展历史，但作为一门综合性的学科一一故障诊断学还是近些年才发展起来 的【38 1 。 当系统发生故障时，系统中的各种量( 可测量或不可测量的) 或它的一部分 表现出与正常状态不同的特性，这种差异就包含丰富的故障信息，如何找到这种 故障的特征描述，并利用它来进行故障的检测隔离就是故障诊断的任务。故障诊 断包括特征提取、故障的分离与估计和故障的评价与决策等几个方面的内容【3 9 1 。 故障的特征提取：通过测量和一定的信息处理技术获取反映系统故障的特征 描述的过程。故障的分离与估计：根据检测的故障特征确定系统是否出现故障以 及故障的程度的过程。故障的评价与决策：根据故障分离与估计的结论对故障的 危害及严重程度做出评价，进而做出是否停止任务进程及是否需要维修更换的决 策。 基丁电极位移曲线的点焊过程故障诊断 1 4 1 系统故障的特征量及其获取 表征系统故障的特征量可以是： 态变量；( 3 ) 不可测的模型参数向量； 厶士 多日o ( 1 ) 可测的系统输入输出信息；( 2 ) 不可测的状 ( 4 ) 不可测的特征向量；( 5 ) 人对经验知识的总 获取这些特征量的方法：( 1 ) 直接观察和测量；( 2 ) 参数估计、状态估计或滤波 与重构；( 3 ) 对测量值进行某种信息处理。 1 4 2 故障的决策与分离方法 故障的决策与分离方法有：( 1 ) 阈值逻辑法；( 2 ) 多重模型假设检验法；( 3 ) 贝叶 斯决策函数法；( 4 ) 特征量统计检验法；( 5 ) 人工神经网络法；( 6 ) 专家系统法；( 7 ) 模 式识别法；( 8 ) 模糊数学法；( 9 ) 逻辑代数法。 1 4 3 故障诊断的方法 根据系统采用的特征描述和决策方法的差异形成了不同的故障诊断方法，概 括起来可以分为两大类：基于数学模型的故障诊断方法和基于人工智能的故障诊 断方法。每类又包含若干具体的诊断方法，如下图1 4 所示。 r 面孤 基于数学模型的方法 1 5 本文主要研究内容 专 家 系 统 的 方 法 基丁人t 智能的方法 基 于 案 例 的 方 法 图1 4 故障诊断方法分类示意图 课题主要研究内容如图1 5 所示： 1 ) 信息源的获取。基于搭建的试验平台，对正常焊接过程和几种故障状态： 焊接过程前期发生网压波动、焊接过程后期发生网压波动、被焊工件翘曲、工件 基于故障树的方法 基于模糊数学的方法 基于人工神经网络 基于过程参数的估 基于状态估计的方基于信号处理的方基于输入输出的方 硕士学位论文 表面问题、电极轴向错位试验条件下的工件焊接，同步无相差采集点焊过程中的 焊接电流、电极间电压和电极位移信号。 2 ) 信号的处理与分析。对采集的原始信号进行滤波、降噪、小波分析等信号 处理后，得到电流、电压和电极位移信号的真实波形。从频域和时频域角度分析 各种故障状态对点焊过程信号波形的影响，确定能明显表征故障状态的信息源。 3 ) 特征参量的提取。针对焊点的电极位移曲线，划分熔核形成的不同阶段， 提取位移曲线中能表征故障状态的特征参量，确定表征故障状态的电极位移特征 向量集合。 4 ) 点焊过程故障诊断。将网络预测的理想位移曲线作为标准与各种故障状态 下的典型位移曲线进行比较，建立基于电极位移信号特征向量集合的电阻点焊过 程故障分类模型，将焊接过程中的故障分为严重故障和一般故障。通过基于案例 推理的故障诊断方法对点焊过程中的一般故障进行诊断。 信号获取 j r i 点焊过程与信号变化的相关性分析 1 l i 故障状态下电极位移信号特征分析 j r i 点焊故障表征方法及特征参量提取 上 理想电极位移曲线预测 上 点焊过程故障分类模型 1 l 点焊过程故障诊断 图1 5 论文结构示意图 9 硕士学位论文 第2 章点焊过程动态信号的获取与分析 点焊过程中，许多过程参数( 如焊接电流、焊接电压、电极位移等) 的变化 既能反应输入输出能量变化，又能反应焊点的形成过程。影响焊接质量的各种随 机因素，如材料及电极表面状态、临近焊点的分流、二次回路中铁磁物质引起的 阻抗变化、散热情况、电极压力波动、电网电压波动等，均直接或间接地隐含在 各监测过程信号的变化之中。通过搭建的试验系统采集点焊过程的动态信号，对 其在时域和时频域进行分析。 2 1 点焊过程动态信号的获取 2 1 1 采集系统的硬件构成 点焊过程信号采集系统的硬件构成如图2 1 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，由传感器、采样电路、信号条理电路、 a d 转换卡和计算机构成数据采集系统，对次级电极问电压、焊接电流、电极位 移信号进行同步无相差采集。 由于点焊过程时间很短，一般在o 2 秒即完成一个完整的点焊过程，因此，对 传感器的精度提出了很高的要求。本实验根据现场条件及实验需求选择r o g o w s k i 大电流传感器、电压传感器以及差动式位移传感器完成电阻点焊过程中焊接电流、 电压以及电极位移的信号采集，a d 卡选用1 2 位a d 转换器a c 6 1 1 5 ，同步采样率 为4 0 k h z 。 v _ 1 仉城吧况僵；蹿商r _ 工件亚一獭桩佶感器卜 信 口 数 可 据 计 n _调 采 气 算 h 矿。 集 9 | | 乜一电极位移传感器卜_ 一 理机 电阻点焊机 板 卡 图2 1 信号采集与原理框图 焊接电流是点焊过程最重要的参数之一，为非j 下弦波形，多有畸变。在焊接 时间为零点几秒，这样短的时问内要稳定地测准如此大的电流难度很大【6 3 1 。而 r o g o w s k i 线圈电流传感器由均匀密绕的空心线圈和积分器构成，其结构特点特别 适合于电阻点焊次级电流的测量。采用运算放大器构成近似积分器，合理选择器 l o 基于电极位移曲线的点焊过程故障诊断 件参数，能够保证传感器的测量灵敏度、精度和信号响应带宽。 d a 一5 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，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。 焊接电压的采集直接取自电极的两端，通过可调电阻获得0 5 v 的电压信号， 其中0 2 5 v 代表正半波电压，2 5 5 v 代表负半波电压。 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 转换卡选择集成了a d 转换模块并且包含8 通道、1 2 位高分辨率的单电 源a d c 的k s 2 0 6 2 p 数据采集卡，其自带多通道多路转换器并能实现跟踪保持、 片内基准及校准特性等功能，从而可大大节省系统的硬件资源。 2 1 2 采集系统软件构成 a c 6 1 15 卡采集软件可以在多种基于w i n d o w s 操作系统的编程语言平台上开 发，试验选用s u a lb a s i c 6 o 开发平台设计信号采集软件，其主要实现的功能有： 利用v b 实现焊接信号的数据采集，并将采集的数据生成二进制文件；可对二进制 文件进行调用并读取数据，将其显示在界面的数据显示区内，数据显示要能滚动， 并且每显示一次要刷新；在数据显示的同时，还要能够将数据转化为波形进行实 时显示，并可显示任意点的坐标值；为观察完整的波形，实现波形滚动显示；采 用a p i 函数实现对波形的放大，放大倍数可以调整；利用水平滚动条来对波形进行 滚动显示；利用标签和鼠标事件实现了对波形上点的坐标的精确显示；利用 m a t r i x v b v b 中的m a t l a b 矩阵函数库，实现m a t l a b 与v b 的接口，为