（机械电子工程专业论文）基于复合传感器的铝合金点焊质量监测研究.pdf

摘哽 摘要 铝合金点焊作为一种高效的焊接方法在航空、航天产品的生产中得到了广泛的 应用，但是到目前为止真正能应用到生产线上的点焊质量在线监测系统非常少，尤 其是对瞬间大电流的监测。虽然很多学者针对铝合金点焊的监测方法进行了卓有成 效的研究，但是大部分的成果仍然处于实验室研究阶段。本课题正是在这一背景下 提出的。 本课题为航天科技集团某机械厂项目。为了较好的得到铝合金点焊质量特征信 息，本文工作中选择了焊接电流、电极压力作为铝合金点焊质量监控的特征信息。 由于点焊过程中，瞬间电流很大，可以达到万安以上，故电流传感器的选择很重要， 通过比较，本文选择了霍尔电流传感器。压力传感器的选择本着高灵敏、易安装、 适合工业现场使用、不需要改动设备结构等。基于以上考虑，所以本课题的研究选 用了新型的基于m e m s 技术的霍尔电流和电极压力复合传感器作为信息传感的基 础。采用a v r 系列的m e a 9 1 2 8 单片机作为数据处理的硬件系统，完成特征信息的采 集处理及点焊电流和点焊电极压力的时序配合控制。此控制系统将对工业生产过程 的点焊自动化进程起到了很大的促进作用。通过电流和压力的时序配合实现对点焊 质量在线监测系统的优化。降低检验人员的劳动强度。 通过大量的传感器验证实验及针对工业现场的生产监测，对本监测系统进行了 不断的优化。随着控制芯片的不断发展和控制精度的加强，本系统的优势也将进一 步发挥。 关键词铝合金点焊；电流；电极压力；复合传感器；时序控制 a b s t r a c t a so n eo fh i g hp e r f o r m a n c ew e l d i n gm e t h o d ，t h ea l u m i n u ma l l o ys p o tw e l d i n g w i d e l yu s e di na v i a t i o na n ds p a c e f l i g h tp r o d u c tp r o d u c e b u tu p t on o wf e wo n l i n ed e t e c t s y s t e mc a na p p l yt oi n d u s t r yp r o d u c el i n e , e s p e c i a l l yt o d e t e c tm o m e n tl a r g ec u r r e n t t h r o u g hal o to fs c h o l a r sd os o m eu s e f u lr e s e a r c ho na l u m i n u ma l l o ys p o tw e l d i n g d e t e c t i o nm e t h o d ，b u tm o s tc o n c l u s i o n si ss t i l li nl a bs t e p t h i sp a p e ri sb a s e do nt h i s b a c k g r o u n d t h i sw o r ki sf o ro n ef a c t o r yo fc a s c i no r d e rt og e ts o m eb e t t e ra l u m i n u ma l l o y c h a r a c t e r i s t i cs i g n a l so fs p o tw e l d i n g i nt h i sp a p e rw ep i c k e dt h ew e l d i n gc u r r e n ta n d e l e c t r o d ep r e s s u r ea s t h ec h a r a c t e r i s t i cs i g n a l st oe s t i m a t et h eq u a l i t yo ft h en u g g e t b e c a u s ei nt h ee d u r s eo fs p o tw e l d i n g , t h em o m e n tc u r r e n ti sv e r yl a r g e , o v e rt e nt h o u s a n d a m p e r e ，s oh o wt oc h o o s ec u r r e n ts e n s o ri sv e r yi m p o r t a n t t h r o u g hc o m p a r e ，i nt h i s p a p e r ip i c kt h eh a l lc u r r e n ts 日i s o f c h o o s et h ep r e s s u r es e n s o r , w es h o u l dc h o o s et h eh i g h s e n s i t i v e ，e a s yi n s t a l l ，f i tt h ei n d u s t r yc o n d i t i o n , d o n tm o d i f ye q u i p m e n te t c b a s e do n t h e s ec o n s i d e r , s ot h i sp a p e rp i c k e dn e wt y p eh a l lc u r r e n ta n de l e c t r o d ep r e s s u r e c o m p o u n d s e n s o rb a s e do nm e m st e c h n o l o g ya st h ef o u n d a t i o no fs i g n a le f f e c t u s ea v r s e r i e sm c ua t m e a 9 1 2 8a st h ed a t ap r o c e s sh a r d w a r es y s t e m ，c o m p l e t e dt h et y p i c a l s i g n a lc o l l e c t i o na n dc o n t r o lt h es t e po fs p o tw e l d i n gc u r r e n ta n de l e c t r o d ep r e s s u r e m a d e ag r e a ti m p r o v et ot h es p o tw e l d i n ga u t o m a t i o ni ni n d u s t r yp r o d u c t i o np r o c e s s b yc o n t r o l t h ec u r r e n ta n de l e c t r o d ep r e s s u r e ，a c h i e v et oo p t i m i z et h eo n l i n ei n s p e c t i n gs y s t e m r e d u c et h el a b o ri n t e n s i t yo f d e t e c t o r t h r o u g hal o to f s e n s o rv a l i d a t ee x p e r i m e n t sa n dd e t e c ti ni n d u s t r ys i t u a t i o n , d os o m e o p t i m i z et ot h i si n s p e c t i n gs y s t e m a l o n g 、v i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o n t r o lc h i pa n d c o n t r 0 1p r e c i s i o n ，t h i ss y s t e m sa d v a n t a g ew i l lb em o r eu s e f u l k e yw o r d sa l u m i n u ma l l o ys p o tw e l d i n g ；c u r r e n t ；e l e c t r o d ep r e s s u r e ；c o m p o u n ds e n s o r ； s t e pc o n t r o l i i i 独创性声明 本人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 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。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 作了明确的说明并表示了谢意。 签名 盗查! 主 关于论文使用授权的说明 隅蝉 本人完全了解北京工业大学有关保留、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守此规定) 虢牡新躲绰脚q 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及其意义 电阻点焊作为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、 生产率高、操作简便和易于实现自动化等优点。随着自动化程度的日益提高，对焊 接接头的质量和焊接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 1 】。 自1 8 8 6 年e l i h ut h o m p s o n 发明世界第一台点焊机以来，该工艺物理本质几乎 没有变化。只是随着时代的变迁，焊接自动化程度的提高、以及被焊接材料的不断 变化、焊接质量的要求越来越高而得到不断发展 2 】。 电阻点焊r s w ( r e s i s t a n c es p o tw e l d i n g ) 是焊接学科的一个重要分支。由于电 阻点焊能量集中、焊接变形小、易实现自动化、生产效率高、成本低，特别适合焊 接薄壁零件，因此在航空、航天、汽车、电子等工业领域应用十分广泛，已经成为 一种不可缺少的重要的工业制造技术【h 】。 电阻点焊过程是一个高度非线性、有多变量耦合作用和大量随机不确定因素相 互影响的过程。点焊的热输入和焊点熔核的形成和很多工艺参数有关，包括焊接电 流、焊接时间、电极压力、电极端面尺寸以及工件表面状态等等。此外，还存在许 多其它因素的互相作用，如温度分布、热传导、力和冶金的作用等。既有动态过程 的耦合，又有静态效果的重叠。这使得分析点焊过程变得更加复杂。由于点焊形核 处于封闭状态而无法直接观测，同时，形核时间极短，焊接条件短时间的波动就会 造成较严重的飞溅、虚焊或脱焊，特别对铝及铝合金更是如此睁 。 由于焊点质量与工艺参数在焊接过程中发生的变化密切相关，故仅在焊接过程 结束后采用抽检法评估焊接质量，不仅浪费大量的人力和物力，而且不能完全保证 焊点质量。因此，点焊工艺参数的监测，在现实焊接生产中是非常重要的一环。在 点焊质量控制和过程分析的研究中，面临着首先研究各种动态参数的变化规律，这 些参数对焊接质量的影响规律，以及他们作为质量反馈信号的可行性等，一个可靠 的参数监测系统在这样的前提下就显得十分必要了。对于电阻点焊而言，焊接接头 的连接强度主要决定于点焊熔核的几何尺寸，而熔核的几何尺寸是由点焊工艺参数 决定的，包括：焊接电流、焊接时间、电极压力、电极端面直径等。其中焊接时间 和电极端面直径容易得到比较准确的控制，因此点焊熔核的几何尺寸或点焊接头强 度主要受焊接电流和电极压力的影响 6 】。因此，焊接电流和电极压力的监测对于点焊 北京工业大学t 学硕士学位论文 过程质量跟踪和生产管理具有十分重要的意义。 检测电阻点焊焊接电流比较困难，因为该焊接电流很大，达几万安培，而且焊 接电流为非正弦波，多有畸变，而且焊接时间短，只有几个周波( 零点几秒) ，在如此 短的时间内要稳定地测准如此大的电流确实困难。焊接过程中的焊件电阻、电极温 度的变化，必然使每一个周波的电流强度也变化；此外，大电流测量仪表的校正和 鉴定存在技术上的困难1 7 - s 。 对于点焊焊接电流的测量，霍尔传感器因其结构简单、体积小、安装方便，特 别适用于电阻电焊的二次电流测量。 点焊电极压力的检测是根据受压电极棒的变形，利用压阻原理来测量压力大小， 压力信号由m e m s 动静态应力应变传感器获得。 由传感器获得的点焊电流及电极压力是模拟信号，需要转换为数字信号以供计 算机进行数字化处理。模拟信号向数字信号的转换由a f d 转换模块在计算机的控制 下完成，此前需转换的模拟信号须通过信号调理电路进行调理，使之成为在一定数 值之内的电压信号，同时电流信号的调理还包括滤波和放大措施。 通常点焊工艺参数监测系统主要由传感器、信号处理电路、单片机系统、通信 电路、工控机信息处理系统、网络服务器等部分组成1 9 - - 1 。 如图1 - i 所示，这也是最基本的电阻点焊工艺参数监测系统。 数 工 照 信 l 据 控 遘 片 号 i 传l 电 攘 一 机 - 一 信 - _ 一 机 _ _ 一 处 , i b - - - 箍p 一 疆 务 系 电 系 理 嚣| 煌 龟 i执 髫 统 路 统 i 诲 图卜l 电阻点焊工艺参数数据采集系统结构图 f i 9 1 1g e n e r a ls t r u c t u r ed i a g r a mo f d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo f t h er e s i s t a n c es p o tw e l d i n g 点焊工艺参数的实时采集和通信系统，可以全面、准确地获取焊接过程中的动 态参数，经过实时处理分析后，可以作为基本信息写入点焊检测系统实时的数据库， 有助于实现焊点质量智能化在线评估和管理【1 1 , 1 2 , 1 3 。 在美国，三大汽车巨头拥有6 4 条汽车生产线，年产1 3 0 0 万辆；每辆汽车需要 焊接2 0 0 0 5 0 0 0 焊点。点焊控制系统的任何改进或质量稳定性的提高都会提升这个 国家在海外市场的竞争力。为了保证汽车的可靠性，每辆汽车点焊数目高出实际设 计3 0 。据推算，如果能够减少焊接缺陷( w e l d d e f e c t s ) ，焊点数目每降低l o ，每 年可节约4 6 亿美元生产成本。 全面、准确地采集点焊过程参数信息，有助于提高焊点质量评估的有效性，采 集的参量越多，越能够全面地衡量焊点的质量。综合考虑信息的覆盖程度、信息采 集的容易程度、信息的可靠程度等因素，采集点焊过程中焊接电流和电极间压力的 2 第l 节绪论 动态变化，从而有效地反映焊点熔核的形成过程。将每个周波采集的焊接电流和电 极间电压进行综合处理后，可以用作点焊的焊点质量评估。根据焊点的质量评估， 作出对电阻点焊更好的控制，使电阻点焊在生产中得到更好的应用，创造出更有效 的工业价值【1 ”。 1 2 电阻点焊监测技术的发展及现状 点焊过程与熔焊过程一样，是一个高度非线性、有多变量耦合作用和含有大量 不确定因素的过程。同时点焊也有其自身独特的地方：熔核处于封闭状态而无法观 测，质量信息的提取比较困难；形核过程的时间极短；点焊过程的工件焊前处理情 况、焊接工艺参数等波动对熔核造成较严重的影响。因此，点焊质量的监测难度很 大，几十年来始终为各国焊接工作者所关注 1 5 】。 1 2 1 点焊质量监控技术的研究进展 点焊监控技术的研究初期，研究人员常常采用单一的监测方法，寻找点焊过程 中某一物理量( 该物理量能够反映熔核的形成情况) ，通过监控该物理量达到对焊接 过程实时控制的目的，这种研究方法始于对低碳钢焊接质量进行实时监控的研究【1 ”。 经常使用的监控方法有以下7 种： 1 ) 电流、电压参数监控：这是目前在低碳钢点焊中被大量应用的一种监控方法。 其特点是检测设备简单，操作方便，而且其电参数曲线与熔核形成状况有一个比较 直接的关系，因此通过测量焊接电流或电压等电参数，并将其与标准的电参数曲线 相比较，就能起到良好的监控效果 2 8 】。 2 ) 动态电阻监控：严格来说，这也是一种电参数监控方法，它不同于前面所属 的电参数监控的地方在于它要不断计算动态电阻并和标准的动态电阻曲线相比较 ”。】，根据差值调整焊接参数。 3 ) 热膨胀监控：热膨胀监控是研究得比较多的一种在线监控方法 1 9 。】。在焊接 过程中，由于焦耳热的积累导致工件的温度升高产生热膨胀，这会在电极的位移上 得到反映，因为热膨胀和熔核的形成情况是密切相关的，通过电极位移的测量可以 间接了解熔核的形成过程，对点焊质量进行监控。 4 ) 声发射监控：焊点两个部分间熔合不足、熔核尺寸不够、熔核的脆化或开裂、 以及电极的过多压入等缺陷中的大部分都会产生特有的声发射信号，所以可用声发 射来进行信号处理和质量评估 2 1 也1 。 5 ) 超声监控：由于超声波在穿过固体和液体时的衰减以及从固体和液体表面上 反射时的强度不一样，因此可以通过监测超声波的强度来监测熔核的大小。 北京t 业大学t 学顾十学位论文 6 ) 热电偶监控：电阻点焊过程中点焊接头的表面温度与熔核温度存在着函数关 系，因而可以通过在工件或电极上安装热电偶测量这些点的温度，然后根据温度场 的分布，推算出熔核温度脚j ，以此来监控点焊质量。 7 ) 红外辐射监控：这也是一种基于熔核温度测量的方法，其原理与热电偶监控 相同，它通过测量熔核附近的金属表面红外发射，来确定焊点的熔核温度。 国内外点焊质量监控的新动态：国外的专家学者对点焊的质量监控系统进行了 大量的研究，如s h e a r e r 等人研制了一个点焊监测系统，监测特征量为由电极位移 引起的加压系统压力变化，当特征量达到预先的规定值时，停止加热。s c h u m a c h e r 和d i l a y 研制成功了自适应点焊控制系统，特征参数为电流、电压以及导出量动态 电阻，通过动态电阻的变化来调节电流的变化率【2 “们。c e c i l 研制了用电极位移监测 点焊质量的控制系统。v a h a v i o l o s 通过检测声信号中的应力波对点焊的质量进行了评 价。b a n g 等人采用热成像法对点焊过程的温度进行了实时监测。上述监控系统主要 是使用单参数监控点焊质量，这种监控技术主要是根据点焊过程中监测信息的某一 特征量与质量参数之间建立一一对应的关系来间接的监控焊点质量。由于实际点焊 过程的复杂性使这种监控模型与实际对象间相差较大，只能在一定的条件下提供可 靠的质量信息，因此这种技术存在监测效果不够稳定、适用范围有限等问题，阻碍 了其迸一步推广和应用。为了克服单参数监测技术的不足，充分利用点焊过程各种 参数所提供的熔核质量信息，国内外的一些学者提出了点焊质量监测技术进一步研 究的方向应该是发展多参数综合监测技术。一些专家学者已在这方面进行了有意义 的探索，如s c a r p e l l i 等人研制了一个监测系统，它采用5 个特征量，即软化点、 突变信号、顶锻时间、焊接时间、输入的能量，当五个参量超出规定的区域，点焊 质量被认为不合格，但他们对五个参数之间的关系以及参数与质量之间的关系未作 深入的研究。g e d e o n 等人对电压、电流、力和位移等参数进行研究后发现：电极位 移和动态电阻能较好的评价熔核质量。w a t e r s 等人研制成了电压、电流和位移三个 传感器组成的单片机控制系统，通过设定一些阂值来判断熔核质量【2 ”。1 9 9 4 年，德 国学者b u r m e i s t e r 采用模糊分类理论和现有专家系统，建立了三个电参数( 焊接电 流、电极间电压、工件电阻) 和两个机械参数( 电极位移、电极加速度) 与焊点质 量( 熔核直径) 之间的非线性关系，实现了低碳钢点焊质量的在线等级评定。国内 学者张忠典运用神经网络技术建立了点焊质量模糊综合评判模型，研制了新型点焊 质量多参数综合检测系统【2 ”。 1 2 2 铝合金点焊质量监控技术发展现状 由于铝合金物理、化学性质的特殊性，如熔点低、导电导热性好。它的电阻因 为表面氧化膜存在而呈现出由一较大初始值开始迅速下降，随后趋于稳定的变化规 4 第1 章绪论 律。热膨胀系数较大而且塑性区较窄，使得在低碳钢点焊中广泛应用的一些监控方 法，如动态电阻等控制方法对铝合金不再适用，因此直到现在还未能找到满意的质 量监控方法。在国内，由于铝合金点焊并未大量使用，焊接晃在铝合金的电阻点焊 方面所作的工作较少，对铝合金的质量控制系统的研究尚在起步阶段。 据文献【3 0 】介绍英国焊接研究协会研制出了采用电极热膨胀率检测钢、铝合金的 质量监控系统，但未见到有关使用情况的报道。r d b e m n e r 和t o w t a l b o t 利用电极 的位移和工作电流以及两者之间的相关性，研制出了点焊非破坏质量分析仪对钛和 铝合金的质量进行了检测p “。1 9 9 6 年，英国学者m h a o 采用线性回归分析理论， 分别建立了一些过程参数( 焊接电流、电极间电压) 与铝合金焊点熔核直径和拉伸 强度之间的关系模型。该结果表明：多元回归模型的误差比最佳的一元回归模型的 误差大约下降3 0 。到目前为止，关于铝合金点焊质量控制技术仍处在研究阶段， 还未见到有关产业化的报道。国内学者对铝合金点焊也做了一些工作，如南昌航空 工业学院陈益平等人运用神经网络方法，构造了一种离散人工神经网络点焊质量预 测与评估模型p z j 。 到目前为止，发展点焊质量监控技术的难点在于对点焊质量如熔核尺寸、强度 等参数无法直接测量，只能通过一些过程参数进行间接的推断，因此发展点焊质量 多参量综合监测技术是提高点焊质量监测精度的有效途径。综上所述，如何充分利 用监测信息，采用合理的建模手段，建立合理的监控模型，并使监控模型能够在较 宽的条件内提供准确、可靠的点焊质量信息，已成为发展铝合金点焊质量监控技术 的关键 3 3 】。 近年来，获得迅速发展的神经元网络a n n ( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) 技术提 供了点焊质量监控的有效手段，更是提高铝合金点焊质量控制的一个新途径。从理 论上讲，神经网络可以处理任意复杂的多元非线性关系，而且具有计算速度快、在 线使用方便等特点。采用a n n 技术建模，不必依赖专家经验等人为因素，也不需要 对过程进行物理分析和数学推导，只要向a n n 输入足够的训练数据，即可导出符合 规律的模型，大大的简化了建模过程，具有更强的通用性和适用性。文献1 认为神 经元网络理论比回归分析理论和模糊逻辑理论更适用于描述点焊质量检测信息与质 量参数之间多元非线性模型关系，采用它可以在点焊过程中获得比较准确的熔核质 量信息，并将神经元网络、遗传算法和数据融合技术应用于铝合金点焊质量监控上， 为实现铝合金点焊质量控制及系统智能化等方面作了一些基础性的工作，为铝合金 点焊质量监控提供理论依据。 1 3 数据采集技术的发展及应用 数据采集就是将被测对象( 外部世界、现场) 的各种参量( 可以是物理量，也可以 北京t 业大学t 学硕十学位论文 是化学量、生物量等) 通过各种传感元件做适当转换后，再经信号调理、采样、量化、 编码、传输等步骤，最后送到控制器进行数据处理或储存记录的过程”。数据采集 的最主要目标有两个：一是精度，二是速度。对任何量的测试都要有一定的精确度 要求，否则将失去测试的意义；提高数据采集的速度不仅仅是提高了工作效率，更 主要的是扩大数据采集系统的使用范围，便于实现动态测试。随着数字技术快速发 展，数据采集技术已向着并行、高速、大量存储、实时分析处理、集成化等方向发展， 其中包括采样方式、采集方式、数据处理和实时分析软件的发展。 最早的采样方式是过采样，根据采样定理，采样频率必须高于被采信号最高频 率的两倍，才不致产生频率混叠现象。例如信号最高频率为l o k h z ，采样频率必须 高于2 0 k h z 。在通信和动态数据的采集中，发展了一种欠采样技术，即采样频率可 以低于信号频率，但信号的频带宽度不得大于采样频率的一半，利用采样信号产生 的高次谐波，将采样后的信号移至第二或者更高的奈奎斯特区。另外有等效时间采 样方式，主要是对于重复的周期波形进行等效时间采样。例如美国泰克公司的 t d s 7 8 4 d 数字存储示波器，其实际的采样频率为1 g s s ( 1 g h z ) ，对于重复的周期信 号，采取周期微差法，可以达到2 5 0 g s s ( 2 5 0 g h z ) 的等效时间采样。例如对于i g h z 的 方波，进行周期微差法采样，每个周期的采样只有微小的时差，将若干个周期中的 样点集中排列，即可测出方波上升沿和下降沿的波形。对于单次瞬态信号，这种方 法是无效的。其它还有变速率变分辨率采样方式。 采集方式有扫描式采集( s c a n n i n ga c q u i s i t i o n ) ，即分时制、多通道巡回采集； 并行式采集( p a r a l l e la c q u i s i t i o n ) ，即多个通道同步并行采集，每个通道采用一 个独立的a d 转换器，通道采集速率只取决于a d 的转换速率，与通道数无关；交 替采集( i n t e r n a t i v ea c q u i s i t i o n ) ，即一个通道由多个a d 转换器交替采集，使 每个通道采样速率等于多个a d 的转换速率之和，可以高于单个a d 的转换速率。 目前国外的测试仪器或系统生产厂家，在生产硬件的同时，推出其相应的支持 软件或软件开发平台，如为产品开发者提供的软件工具，为系统集成者提供系统应 用软件的集成的环境，为终端用户提供编写自己的用户应用程序的手段。美国h p 公 司和n i 公司等多家公司提供了许多软件产品。 以n i 公司为例，它提供了图形编程软件( l a b v i e w ) ，开发软件套件( n id e v e l o p e r s u i t e ) 、开发实时系统的图形编程软件( l a b v i e wr e a l t i m e ) 、测量集成环境 ( m e a s u r e m e n ts t u d i o ) 、c 语言集成开发环境( l a b w i n d o w s c v i ) 、执行测试的环境 ( t e s t s t a n d ) 、配置软件( c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ) 、分析和报告生成软件( h i q ) 、 采集数据的输入、分析、显示和存储软件( d ia d e m ) 。m e a s u r e m e n ts t u d i o 就是在 软件开发工具虚拟仪器需求与测试、测量和自动化应用之间的间隙上建立的桥梁， 构成测试软件集成环境。根据所选定标准的开发环境( 如l a b w i n d o w s c v i ) 和语言( 如 v i s u a lc h ) ，利用m e a s u r e m e n ts t u d i o 即可生成应用程序，这样编写程序又快又 6 第1 章绪论 容易，而且可按照需求的改变而方便地修改，降低了开发程序的价格，缩短开发周 期。 用于数据采集的成套设备称为数据采集系统( d a s ) 。随着微型计算机技术的飞速 发展和普及，数据采集系统也迅速地得到应用。在生产过程中，应用这一系统可对生 产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量、降低成本提供信息和手 段。在科学研究中，应用数据采集系统可获得大量的动态信息，是研究瞬态物理过程 的有力工具，也是获取科学奥秘的重要手段之一，它将提高人们对各种瞬态现象进行 研究的能力。例如在医药、化工、食品等领域的生产过程中，往往需要随时检测各 生产环节的温度、湿度、流量及压力等参数，同时，还要对某一检测点检测的任一 参数能够进行随机查寻，将其在某一时间段内检测得到的数据经过转换提取出来， 以列表或曲线形式显示在界面上，以便进行比较，做出决策，调整控制方案，提高 产品的合格率，产生良好的经济效益。 数据采集系统是计算机( 单片机) 与外部世界联系的桥梁，是获取信息的重要途 径。数据采集技术是信息科学的重要组成部分，已广泛应用于国民经济和国防建设 的各个领域，并且随着科学技术的发展，尤其是计算机技术的发展与普及，数据采 集系统将有广阔的发展前景。 1 4 本文研究的主要内容 在现代制造工程中，传感器广泛应用于机电一体化、柔性制造系统、机器人系 统。所需传感器种类和数量相应增加，单一传感器检测技术已经难以满足高质量过 程监控的实际需要，多传感器技术就是利用各种传感器获得更多的信息，相互补充， 提高检测信息量、精度和可靠性。本课题研究的主要内容有： 1 、传感技术原理、性能指标、影响因素。并说明了复合传感器的可行性。 2 、基于m e m s 技术的复合传感器设计和实现，首先该复合传感器可以实现点 焊电极压力和焊接电流的测量；其次该复合传感器实现了小型化，能够在点焊电极 或电极座上方便安装；最后该复合传感器的在测量压力时具有足够高的灵敏度； 3 、信号传输和采集系统的设计。系统采用a t m e g a l 2 8 单片机实现焊接电流和电 极压力的采集； 4 、点焊压力和点焊电流的时序配合控制。 5 、铝合金点焊质量监控系统的软件、硬件的实现功能，以及可行性分析。 第2 章电阻点焊监测系统中的传感技术 第2 章铝合金点焊监测系统中的传感技术 信息传感是铝合金点焊质量监测系统的基础，目的是获得真实可靠、特征明显、 信噪比高的点焊质量信息，从而为质量判定提供依据。点焊过程电流大、时间短、 干扰因素多，并且交互影响，属于瞬间、非线性的复杂动态过程。利用多传感器构 建各工艺参数及相关信息与点焊质量之间的关系，提取表征点焊质量的特征信息：并 在此基础上对点焊过程的质量做出评定。传感器性能优劣是项目关键技术和基础。 传感器种类与选择，传感器设计与定制；以及传感技术原理、数学模型、性能 指标、影响因素是本章研究重点。 点焊过程可监测的信息很多，如：电流、电压、能量、动态电阻、电极压力、 电极位移、声发射、超声波、红外辐射等，寻找和点焊质量有明显对应关系的特征 信息是实现在线监测和控制的关键。 研究过程需要注意以下几方面问题： 夺选择或定制传感器必须考虑工业应用环境。即防尘、防潮、防油、绝缘隔 离、抗大电流电磁场干扰； 夺选择和点焊质量密切相关的、敏感的、成熟的传感器；通过第一章分析， 单一传感器难以胜任，需要多传感器相互补充和信息融合；决定在线监测 点焊电流、电极压力两个参数； 夺只有电流和电极压力两个传感信息符合一定的时序关系，信噪比高、容易 处理，才能实现快速、准确判定脱焊、虚焊或飞溅等点焊缺陷。 2 1 铝合金点焊电流传感器 大电流测量技术对监测点焊起着极其重要的作用。电阻焊机二次回路电流具有 持续时间短、电流大、变化范围宽、频率低的非正弦波特点，传感器设计质量的优 劣，直接影响测试的精度。 由于点焊电流可达几万安，对于它的测量存在很大的困难。而传统的大电流传 感器，其提取信号普遍采用的方法是利用罗柯夫斯基线圈，提取信号时将它套在焊 机的二次回路机臂上。通过感应被测回路内电流在其周围所产生磁场的变化得到测 量信号。但是罗氏线圈的安装位置比较困难，并且输出的信号为微分信号，要得到 真实的电流信号还需要经过积分电路，这样就会影响测量精度。 所以，在本文的研究中，采用了s s 4 9 e 型霍尔传感器，它的优点就是体积小，安 装方便，测量精度高，输出信号和磁场大小成线形关系。可很好的满足测量要求。 9 北京工业大学1 = 学硕十学位论文 2 1 1 固态霍尔效应传感器 s s 4 9 e 系列经济型线性霍尔效应传感器，为小型、通用、线性、霍尔效应传感 器装置，它的运行依靠永久磁铁或电磁铁的磁场。线性电流源输出电压由供电电压 设定，并随成比例地变化。 所以检测大电流时，根据以下公式测电流。 i = b x r x 5 x 1 0 6 ( 2 1 ) b 一磁场强度；r 一传感器和被测导线间的距离 由此可见，当传感器和被测导线问的距离不变时，磁场强度和电流之间成线性 关系。焊接电流越大所获得的电压信号越强，对于固态霍尔效应传感器电压和磁场 强度又成线性关系，所以得到的磁场强度信号越强。该传感器对电流的种类、大小、 频率等没有限制。 s s 4 9 e 系列传感器具有以下特点： 1 ：体积小巧( 0 1 6 x 0 1 1 8 ”) ，低功耗一典型6 m k 在5 v d c 2 ：单一电流源线性输出 3 ：内含激光修正的薄膜电阻提供精确的灵敏度和温度补偿 4 ：工作温度范围一4 0 + 1 0 0 度 5 ：可反应于正的或负的磁场 6 ：方块霍尔传感元件提供稳定的输出 2 1 2 检测原理 图2 - 1s s 4 9 e 系列传感器 f i r e - 1s s 4 9 es e r i e ss e n o r 当通有电流，的半导体薄片( 霍尔元件) 放在磁感应强度为b 的均匀磁场中，如 图2 2 所示，电流，与b 垂直，则霍尔元件中的电荷将受到洛仑兹力的作用，正负电 荷将分别移动到垂直于电流和磁场的半导体的两侧面，于是在霍尔元件内部形成电 第2 争电阻点焊蠊洲系统中的传感技术 场，产生电势，u 随着a 、c 两面电荷的积聚而增加。当霍尔元件内部电荷受到 的电场力和洛仑兹力相平衡时，a 、c 两面积聚的电荷数量也就稳定下来，即u 。稳定 在某一数值上，这种现象称为霍尔效应，以称为霍尔电势，其值与恒定的直流，和 磁感应强度口有关 1 乩= r i b ( 2 - 2 ) “ 式中：局为霍尔常数，与半导体材料的特性和载流子浓度有关，兄的符号与带 电粒子所带电荷的符号相同，大多数金属以及n 型半导体是电子导电型，则r 。是负 值，而p 型半导体r 为正值；d 是霍尔元件的厚度，霍尔元件制成后，d 和咒均为 常数，恒定的直流，受霍尔元件工作强度的限制，也有规定的数值，因此，霍尔电势 与口成线性关系，利用载流体周围的强磁场，作用在霍尔元件上产生相应的霍尔 电势以，即按比例反映了载流导体中的电流值。 图2 2 霍尔效应示意图 f i 萨- 2 h a l le f f e c ts k e t c h 霍尔电流传感器的工作原理和特点： 1 ：霍尔电流传感器实质是一个电流一磁场一电压变换器，其作用与传统的电流 互感器相同，它的输出和输入间具有良好的电绝缘，绝缘耐压大于3 k v 。 2 ：传感器是一个大闭环系统，可以不失真地传递从直流到1 0 0 i ( h z 频带内的任何 波形电流。 3 ：因为是补偿式测量，所以具有很高的准确度( + 一1 ) 和线性度( 小于等于 0 1 的额定电流) 。 4 ：传感器磁路几乎是零磁通工作，动态变化时又是快速补偿，所以传感器是无 电感性器件。 2 1 3 电流和磁场的关系 电流和磁场的关系可以由毕奥一萨伐尔定律得出。定律内容：在真空或在无限 北京1 = 业大学 二学硕士学位论文 大均匀磁介质中，任一电流元z 拼( z 是电流强度，嘏是线元，其方向沿电流方向) ， 在给定点p ( p 点相对电流元的位矢为芦) 处所产生的磁感应强度d 口的大小与电流 元的大小成正比，与电流元和它到p 点的距离的平方成反比，与电流元五蜉和芦的夹 角d 的正弦成正比；始的方向垂直于越与，组成的平面，沿着磁经小于1 8 0 角转 向f 的右手螺旋前进的方向。 数学表达式为： 西。一, t m i x f 4 ，r 一 ( 2 3 ) 式中为磁介质的磁导率。在真空中z o = 4 ；, r x l 0 7 特斯拉米安培+ 1 或亨利米。1 = 胁j 咋，u 是一纯数，称为磁介质的相对磁导率。 由磁场叠加原理可得 吾= l 庐 ( 2 - 4 ) 根据电磁学理论，通电直导线周围产生磁场，而且磁场强度b 与通过的电流成 正比，与距离，成反比，如图2 - 3 所示。 离r 圈2 - 3 电流与磁场关系示意图 f i 妒- 3 r e l a t i o n s h i p o f c u r r e n t a n d m a g n e t i c f i e l d s s 4 9 e 固态霍尔传感器主要是通过检测流过导体的电流周围磁场大小来测量电 流的大小。传感器的输出电压与磁场的大小成线性关系，而磁场的大小又与流过导体 的电流成线性关系，因此，传感器的输出电压直接与电流成线性关系。 传感器体积很小，通过传感器表面积的磁场的大小可看作是等磁场。所以可以 和电流大小做很好的对应。 1 2 第2 章电阻点焊监测系统中的传感技术 2 1 4r o g o w s kj 线圈工作原理与信号调理 r o g o w s k i 线圈工作原理，用罗氏线圈测量电流的理论依据是电磁感应定律和安 培环路定律。r o g o w s k i 线圈是一种将导线均匀绕制在非磁性骨架上的空心线圈，不 与被测电路直接接触，可以方便地对高压回路进行隔离测量，因此可以将其作为 传感元件， 用作为电流互感器。其工作原理如图1 所示，。为一次侧电流，岛。为 r o g o w s k i 线圈二次侧感应出的电压，在r o g o w s k i 线圈均匀绕制、截面面积处处相 等、截面各点磁感应强度相同的情况下，线圈的感应电动势为 ) = 叫掣警 ( 2 _ 5 ) 式中。为真空磁导率，为单位长度上绕制线圈的匝数，彳为线圈截面面积。 ：)1 图2 _ 4 罗氏线圈测量电流的原理 f i l ；2 - 4t h ep r i n c i p l eo f r o g o w s k il o o p 根据电磁感应定律，电场周围线圈中感应电动势与线圈中的磁通变化律成正比， 电动势的方向阻碍磁通变化，即： p ：一生 ( 2 6 ) 出 式中：n 线圈总匝数： 口= b s ( 2 7 ) 式中：b 磁通密度； s 传感器横截面积； 磁通密度b 和磁场强度h 取决于磁通所在材料 1 3 = 掣o h ( 2 8 ) 式中：。= 4 7 r x l 0 - 9 ( h c m ) 真空中的导磁系数 相对导磁系数，在真空中为1 根据全电流定律，在真空内的磁场中，磁场强度沿任意闭合回路积分等于该闭 合回路所包围的电流的代数和( 假设传感器为圆形，平均半径为r ) ，则： 北京下业大学丁= 掌硕士学位论文 f 删= f i = 2 z 承h 日：一 ( 2 9 ) 2 斌 综合以上结果： p 一，l o n s d i ；- m 堕 ( 2 1 0 )p = 一 = 二 ( 2 一) 2 z r r d t d t 由此可见，传感器线圈中所产生的电动势e ( f ) 和点焊电流的变化率皇掣成线性 4 f 关系。信号的大小和传感器线圈结构有关，线圈平均半径越小，横截面积越大，匝 数越多，所获得的信号越强。 该传感器对电流的种类、大小、频率等没有限制。该信号需要经过调理电路、 积分环节以恢复出与一次电流成正比的电压信号。其积分性能的好坏直接影响电子 电流互感器的测量精度，需重点研究。硬件积分电路如图2 - 5 所示。 缝 匿 图2 - 5 硬件积分电路原理图 f i 9 2 - 5t h e o r yf i g u r eo f h a r d w a r ei n m g r a lc i r c u i t 该信号积分后和待测电流存在线性关系。 卜一去础= 一去c 州妄陟= 篙 c h ， 通过调整r c 参数，和传感器的结构，最终获得满意的电压信号。用运算放 大器构成理想积分器虽可解决精度与增益的矛盾，但实际应用中运放的失调电压、失 调电流、偏置电流和温漂等经电容不断累积，形成积分漂移，导致测量误差，所以这 种测量方法被舍弃。 2 2 铝合金点焊压力传感技术 点焊过程中，力是一个十分重要的参数。只有加压过程合适，才能保证合理的 1 4 第2 亭电阻点焊监测系统中的传感技术 电接触，形成比较好的塑性环，进而避免飞溅。铝及铝合金点焊电流大、时间短， 要求电极压力具有阶梯或马鞍形压力曲线，并且随动性好。可以选用的传感器有： 气缸压力变送器、动态载荷变送器( 直接串联上电极或下电极) 和石英应变变送器 或传感器。而有些点焊机，采用三个薄膜气缸串联连接，监测气缸压力需要的传感 器数量多，相对复杂，故舍弃；动态载荷变送器( 直接串联上电极或下电极) 效果 明显，唯一的缺陷是需要改动机械结构，这也是无法接受的。 选择传感器的原则应为：高灵敏、易安装、适合现场使用、不需要改动设备结 构等。所以本课题选用了硅压阻贴片式压力传感器。 2 2 ，1 硅压阻式力传感器的原理 随着半导体技术的发展，压力传感器己向半导体化和集成化方向发展。人们 发现固体受到作用力后电阻率就要发生变化，所有的固体材料都有这个特点，其中 以半导体最为显著。当半导体材料在某一方向上承受应力时，它的电阻率发生显著 变化，这种现象称为半导体压阻效应。 压阻式传感器就是利用固体的压阻效应制成的，压阻式传感器主要用于测量压 力、加速度、载荷等参数。压阻式传感器有两种类型：一种是利用半导体的体电阻 做成粘贴式的应变片，作为测量传感元件，称为粘贴型压阻式传感器；另一种是在 半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，作为测量传感元件，称为扩散 型压阻传感器。 压阻式力传感器通常采用惠斯通电桥的形式如图2 6 所示，当桥臂电阻中 r l r4 图2 - 6 力敏电桥 f i 9 2 6e l e c t r i c i t yb r i d g eo f f o r c es e n s i t i v e 的一个或几个桥臂上阻值发生变化时输出v 。就会发生相应变化。 任何材料电阻的变化率由下式决定： 北京工业大学1 = 学硕十学位论文 垒苎：竺+ 竺一竺( 2 - 1 2 ) 一1 - 一 j r dl s 式中，尺一导体的电阻( q ) ； 户一导体的电阻率( q d ，l m 2 m ) ； 一导体的长度( ，1 ) ； s 一导体的截面积( m ，1 2 ) ； 设