（农业机械化工程专业论文）电阻点焊动态参数测试系统的设计开发.pdf

摘，要 鬼隰悫爆过程中瓣动态焊接参数，如焊接嗽滤、瞧投蠲彀愿及电极力簿与焊攘：；建 疆及烬接质爨密切褶获。戳姥，快速、准礁蟪爨步测试这些麓态群接参数，对痰线菰 控焊接过程及焊接质爨鸯建要塞义t 本文设计了一套便捷、可靠豹嘏黻熹烽渤卷参数铡试系绕。祭统鹣硬传圭装宵： z h j i b 黧电流传薅器、禽行研制的甑陋应交斌力传感器、电檄问电压测鬣装鬣及n i - - d a q6 0 6 2 e 数蠢采集卡等。羯庭撼彼耧设计较谗l a b v i e 鬻编写了数攒采集程簿。农 烊接过稔中，系统可实对地弼步测试群谈电流、窀檄漓电罐及窀檄力动态参数。 溅试系统曩予测一2 鞫王频交流气动式患撵橇上逑行了安骏，实骏结栗表躞，该 溅试系统鼹够准确霹鼗避装褥点磐避疆熬套令特征镄号，必将寒瘸子攥接痰量熬在线 羧控以及焊接过程魄诗算梗。模拟等奠定了基璐。 关键词：电黻点爝；勘态雾数 溯试系统；l a b v i e w 数摄采豢 d e s i g n a n dd e v e l o p m e n to n m e a s u r i n gs y s t e mo f d y n a m i c p a r a m e t e r si nr e s i s t a n c es p o tw e l d i n g a b s t r a c t t h ed y n a m i cw e l d i n gp c a - a m e t e r si nt h ep r o c e s so fr e s i s t a n c es p o tw e l d i n g , s u c ha s w e l d i n gc u r r e n t ，e l e c t r o d ev o l t a g ea n de l e c t r o d ef o r c e ，e t c a r ec l o s e l yr e l m e d t ot h ew e l d i n g p r o c e s sa n dw e l d i n gq u a l i t y t h e r e f o r e , i th a s ag r e a ts i g n i f i c a n c ei no n - l i n es u p e r v i s i o no f w e l d i n gp r o c e s sa n dw e l d i n gq u a l i t yt om e a s u r et h e s ed y n a m i cw e l d i n gp a r a m e t e r sr a p i d l y a n da c c u r a t e l y as e to fc o n v e n i e n ta n dr e l i a b l ed y 蝴_ i cp a r a m e t e rm e a s u r i n gs y s t e mi nr e s i s t a n c e s p o tw e l d i n gw a sd e s i g n e di nt h i sp a p e r t h eh a r d w a r eo ft h es y s t e mm a i n l yc o n s i s t so fa z h j 1 bc u r r e n ts e n s o r ，as e l f - m a d er e s i s t a n c es t r a i nf o r c es e n s o r ，t h ed e v i c ef o rm e a s u r i n g e l e c t r o d ev o l t a g ea n dan i - d a q6 0 6 2 ed a t aa c q u i s i t i o nc a r d t h ep r o g r a mo fd a t a a c q u i s i t i o nw a sc o m p i l e di ns o f t w a r el a b v i e w t h es y s t e mc a nb eu s e dt om e a s u r et h e d y n a l i l i cp a r a m e t e r si n c l u d i n gw e l d i n gc u r r e n t , e l e c t r o d ev o l t a g e a n de l e c t r o d ef o r c e s i m u l t a n e o u s l yd u r i n gt h ew e l d i n gp r o c e s s t h ed e s i g n e ds y s t e mw a sa p p l i e dt oc a r r yo u tt h et e s t so nad n - 2 5 qa cr e s i s t a n c e w e l d i n gm a c h i n e t h er e s u l t ss h o w t h a tt h em e a s u r i n gs y s t e mw o r k sv e r yw e l l ，i tc a r lo b t a i n t h ep a r a m e t e r so fs p o tw e l d i n gp r o c e s sa c c u r a t e l ya n dr e l i a b l y t h i sw i l ll a yaf o u n d a t i o n f o ro n - l i n es u p e r v i s i o no f w e l d i n gq u a l i t ya n ds i m u l a t i o no f w e l d i n gp r o c e s si nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：r e s is t a n c es p o tw e i d i n g ；d y n a m i cp a r a m e t e r s ) m e a s u r i n gs y s t e m ； l a b v i e w ；d a t aa c q u i s i t i o n d ir e e f e db y ：p r o f w up e i p r o f 。m as h u o s h i a p p iic a n tf o rm a s t e rd e g r e e ：liug uim ei ( a g r i c u l t u r a lm e c h a n i z a t i o ne n g i n e e r i n g ) ( c o l l e g e o f m e c h a n i c a la n d e l e c t r i c a l e n g i n e e r i n g i n n e r m o n g o l i a a g r i c u l t u r a l u n i v e r s i t y ，h u h h o t 0 1 0 0 1 8 ，c h 呐a ) 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 1 引言 电阻点焊是将工件以一定的力夹紧于两电极间，电流通过电极加于工件，主要 由工件间的接触电阻产生焦耳热实现焊接的一种高效率的焊接方法。自从1 9 世纪 末问世以来，电阻焊技术得到了迅速发展，现广泛应用于航空航天、汽车、农机及 轻工家电等行业。尤其是在汽车工业中，由于生产技术的不断更新及发展，对生产 线的自动化和柔性化程度、生产质量控制和检验提出了更高的要求，使电阻焊工艺 得到了进一步的发展，应用更加广泛。据统计，一辆轿车的车身约有4 0 0 0 6 0 0 0 个焊点，例如，上海大众“帕萨特”的总焊点数达到了5 8 9 2 个。它与铆接或其它 焊接方法( 如电弧焊) 相比具有焊接质量高、辅助工序少、无需添加其它焊接材料、 生产率高、环境污染小、便于实现自动化等优点。 电阻点焊是一个多因素交互作用的复杂过程，影响焊接质量的因素很多，如材 料性能、焊接参数及电阻焊设备的性能等。这些因素的不确定性、非线性和相互作 用使得优化焊接参数和控制焊接质量很困难，再加上焊接过程中熔核形成的不可见 性及焊接过程的瞬时性，使得焊接质量在焊接过程中不易判断。传统的做法是在焊 完之后，对焊接质量进行破坏性检验，这种方法既耗时又不经济。特别是对于大量 使用电阻焊的场合，亟待解决点焊缺陷的在线识别来取代或减少目前采用的破坏性 抽检，以提高生产率、降低成本。 近年来，随着测试技术和计算机技术的飞速发展及广泛应用，电阻点焊质量的 在线监测和焊接过程的自适应控制也逐步发展了起来。通过测试电阻点焊的动态焊 接参数( 如焊接电流、电极问电压、电极压力等) 对预测和监控焊接质量，研究和 比较某种焊接材料的焊接工艺，以及焊接过程的计算机模拟等都具有十分重要的意 义“”。 电阻焊机是实现电阻点焊的重要设备，在焊接处施加压力的情况下，利用高电 流通过焊件及接触面间的电阻产生热量而进行电阻焊的机器。电阻焊机的种类很 多，目前在汽车车身焊装线上比较广泛应用的点焊机有悬挂式点焊机、多点焊机和 点焊机器人。随着计算机技术和电力电子技术的迅速发展，电阻焊设备的自动化和 智能化也得到了进一步发展，因此点焊机器人是电阻点焊设备的发展方向。据资料 显示m ，二十一世纪初日本本田汽车公司和宫地电子公司合作采用了5 2 0 台点焊机 器人；美国通用汽车公司采用了7 5 0 台点焊机器人。 1 1 国内外研究现状与分析 1 1 1 国外现状 国外有关电阻点焊的研究及应用比较广泛。 2 0 0 2 年，c - s c h i e n 等人设计了电阻点焊监测系统他们采用多个传感器来 采集焊接电流、电压、电极力及电极位移信号，并分析了其对焊接过程中熔核的形 2电阻点焊动态参数测试系统的设计 成、生长的影响。对于电极问电压信号的测试，选用直接测量法并将测点选在电极 的上端部，但是。由于在焊接过程中焊接电流和回路阻抗随着焊接过程的进行而变 化。这将会引起电极间电压变化，因此测试点的选取对于电极间电压有一定的影响 m o 2 0 0 3 年，美国学者t a n g 等人利用电阻焊机模拟装置，把力传感器和位移传感 器分别安装在模拟装置上，组成一个电极力和电极位移的测试系统。通过该测试系 统测试焊接过程中机器动态机械性能参数的变化，进而定性分析了其对焊接过程和 焊接质量的影响。测试结果为电阻焊机的改进设计指明了方向，但是不能用于计算 机模拟仿真“”。 2 0 0 0 2 0 0 4 年，武佩老师在丹麦科技大学攻读博士期间基于虚拟仪器设计软件 l a b v i e w ，在c 型点焊机上独立安装了力传感器、电流传感器及位移传感器实现了 焊接过程参数的实时采集，测试结果用于焊接过程的计算机模拟“1 。 1 1 2 国内现状 1 9 9 5 年华南理工大学的曹彪等人研制了一种电阻点焊动态参数计算机测试系 统。他们在i b m 一8 0 2 8 6 计算机上实现了电阻点焊过程动态焊接电流、电极间电压、 电极力、热膨胀电极位移和电极间电阻的测试。其中对电流采用电极夹持杆( 紫铜 材料安装做的) 一定长度上的电阻作为标准电阻并在特定的仪器上测定。由于紫铜 材料电阻率存在一定的温度系数，将会使标准电阻升温，因此在实际焊接生产时， 不可忽视环境温度变化给测试结果带来的影响a m 。 2 0 0 4 年，甘肃工业大学金丽华等人研制了以h d u c 8 1 2 单片机为核心，选用程序 设计语言v i s u a lb a s i c 和a t 6 1 1 5 系列数据采集卡的电阻焊数据采集及分析系统， 该系统能够同步采集焊接电流、电极间电压和电极位移信号，这对焊接缺陷的在线 识别和焊接质量的在线监控奠定了基础“”。 2 0 0 5 年。天津大学史涛等人设计基于了l a b v i e w 平台的铝合金点焊过程电压、 电流、声信号和电极位移等信号的实时采集系统。该系统能够正确采集铝合金在电 阻点焊过程中的各个特征信号，并有效地反映了焊接过程中焊点熔核的变化，实现 了焊接参数的实时监测n ”。 综上所述，近年来随着电阻点焊在工业上的应用，国内外对电阻点焊的研究比 较广泛，涉及到焊机动态机械性能、焊接动态参数的测试系统及测试方法等方面的 研究。他们所建立的测试系统及选用的测试手段有所不同但目的旨在通过这些测 试系统和测试方法来获得焊接动态参数，实现焊接过程及焊接质量的在线监控，其 研究结果对电阻焊质量监控技术的进一步发展，提供了基础条件。 1 2 选题意义及研究目的 内蒙古农业大学硕士学位论文3 电阻焊的焊接过程较为复杂，涉及机械学、电工电子学、传热学及冶金学的知 识。在焊接过程中，影响焊接质量的各种随机因素，均直接或间接地蕴涵在焊接电 流、电极间电压及电极力等焊接信号的动态变化中。这些参数( 如焊接电流、电极 间电压及电极力) 与焊核的生成、发展及焊接质量密切相关m “。 ( 1 ) 焊接电流：它是一瞬时( 一般焊接时间为几十毫秒) 大电流( 其数值一般 为几千安培到几万安培以上，在焊接过程中电流值不断变换) 。焊接过程中析热量 是焦耳热，与电流的平方成正比。在其它参数不变的条件下，当电流小于某一数值 时，不能形成熔核；当电流超过此值后，随电流增加熔核快速增大，焊点强度上升； 当电流继续增加到某一数值后，因散热量的迅速增大而使熔核增长速度减缓，焊点 强度增加缓慢，再进一步提高电流则会产生飞溅，焊点强度反而下降。由此可见 焊接电流对焊接质量起着决定性的作用，对于不同的焊接材料它存在一个较优的范 围，是一主要参数。 ( 2 ) 电极间电压：电极间电压反映电流在焊件上的电压降。在焊接过程中，焊 接区的材料在焊接电流焦耳热作用下熔化，断电后随之冷却，凝固，这一过程中， 焊接区的导电性和回路阻抗都在变化，导致电极间电压变化，因此它也是一个重要 的质量监控指标。 ( 3 ) 电极力：电极力是电极对工件的压力，在焊接过程中电极力的变化会影响 焊件接触面间的动态电阻，因此它与熔核的形成及焊接质量密切相关，电极力作为 个重要的焊接参数可用于焊接过程的监测和焊接质量的在线控制。 为了适应焊接技术的发展，吸取国内、外同类研究长处的基础上，利用虚拟仪 器l a b v i e w 平台的n i d a q 数据采集卡，设计一套快速、实时、精确的动态焊接多 参数测试系统，使得在焊接过程中能同步测试出焊接电流、电极间电压及电极力焊 接动态参数，为研究对电阻焊的焊接特性、焊接质量的在线监控以及焊接过程的计 算机模拟奠定基础。 1 3 本课题研究内容 本文中所设计的电阻点焊动态参数测试及采集系统要实现对焊接电流、电极间 电压及电极力三个焊接参数进行测试。具体内容包括： ( 1 ) 测试系统硬件设计 测试系统硬件的设计主要涉及到数据采集卡、电流传感器的选购及安装；电极 力测试装置的设计、制造，本文尝试了两种类型的力传感器：( 压电石英力传感器 和电阻应变式力传感器) 。 ( 2 ) 测试系统的软件编写 测试系统软件主要实现数据采集、并能对通道、测量参数范围、采样率及缓存 大小等采集参数进行设蔑，对于采集到的信号实现触发、滤波、标定、波形显示、 4 电阻点焊动态参数测试系统的设计 存储、有效值计算一系列功能。 ( 3 ) 进行焊接实验，验证测试系统的可行性。 2 测试系统的设计 测试系统是传感器技术发展到一定阶段的产物，尤其是随着计算机技术及信息 处理技术的发展，测试系统所涉及的内容在不断充实。测试系统的基本要求是使测 试系统的输出信号能够真实地反映被测物理量的变化过程，不使信号发生畸变，即 实现不失真测试。 2 1 测试系统硬件配置 本文所设计的测试系统的硬件部分由：n i - 6 0 6 2 e 系列数据采集卡、l c 0 5 0 1 系列 压电石英力传感器、电阻应变式力传感器、z h j - 1 b 型电阻焊电流测试仪、2 6 3 5 型 电荷放大器及y d - 1 5 型动态电阻应变仪组成。它主要是对电阻点焊过程中的焊接电 流、电极闻电压及电极力三个动态参数进行测试。测试系统框图及实物图如图1 、2 所示。 图1 测试系统框图 图2 测试系统实物图 内蒙古农业大学硕士学位论文 5 根据现有的实验室条件，本文设计的测试系统用在d n - - 2 5 q 型工频交流气动式 点焊机上，实现对电极间电压、电极力、焊接电流的测试。交流气动式点焊机的主 要特点是结构简单，焊接时间、压力和电流等容易调节。可焊接碳钢、低合金钢、 不锈钢、镀层钢及各种有色金属的板材等多种形式的点焊和凸焊工件“。 电极间电压主要反映焊件上的电压降，由于电阻焊过程是一个高电流、低电压 ( 一般在一3 v + 3 v ) 的瞬态过程，因此电压可直接测量。即直接在上下电极上焊接 导线进行测量，为了减小电磁场的干扰，将两根导线缠绕在一起引出，连接到数据 采集卡接线板的通道口上。根据研究结果m ，在焊接过程中焊接电流和回路阻抗的 变化是引起电极间电压变化的主要因素，因此导线在电极上的引出位置( 电压测试 点) 对电极间电压产生了一定影响。在本课题中从这一角度考虑，将电压测试点选 在靠近电极的工作端面，以便能更真实测量电极间电压。 电极力的测量，电阻应变式力传感装置安装在下电极下面，与电阻点焊机固定 为一体，将传感装置中电阻应变片的四条引出线连接到电桥上接成全桥电路，为了 将传感装置测得的电阻信号转变成采集卡所能记录的电压信号，需要在传感装置和 数据采集卡之间连接一电阻应变仪。 焊接电流的测量，选用由罗氏( r o g o w s k i ) 线圈和积分器组成的电流测试装置。 2 2 数据采集卡的选择 数据采集卡选用美国n i 公司生产的n i - 6 0 6 2 e 系列数据采集卡。它的主要性能 指标如表1 所示。 表1数据采集卡主要性能指标 2 3 电流传感器的选择 由于电阻点焊机焊接回路的阻抗很低，焊接工件的电阻很小，为了在短暂的焊 接时间里获得足以形成熔核的热量，必须以极大的电流通过电极流向焊件。对于大 电流的测量，为了避免传统电磁式互感器、霍尔传感器的体积、重量大，频带窄， 动态范围小，容易出现磁饱和的问题，本实验中选择了z h j 一1 b 系列电阻焊电流测 试仪。它由罗氏( r o g o w s k i ) 线圈和积分器组成。测量范围为2 5 0 k a ，分辨率为 0 4 5 ，具有测量范围宽、精度高、稳定可靠、响应频带宽、体积小、重量轻等优 点。“1 。 电流传感器的主要部件是罗氏线圈，其测量原理为：测试时把空心线圈套在焊 6 电阻点焊动态参数测试系统的设计 机的二次回路机臂上，当电极上有电流通过时，线圈内会产生磁场，在磁场的作用 下，线圈上会产生感应电压，其电压值为： e ( n ：一m 竺 d t ( 1 ) 式中 e ( f ) 一感应电势 m 一互感系数( m = ，脚) ，焊接电流 f 一时间 h 一线圈匝数 一空气的磁导率 s 一线圈截面积 上式表明：线圈端电压与被测电流的时间导数成线性关系，还与线圈的匝数、 截面积成正比。由于测量线圈的电压与被测电流的时问导数成正比，因此需用积分 器进行积分运算，还原为被测电流，。 电流传感器在出厂时已做了标定，为了找出在焊机上电流的设定值与实测值 之间的关系，做了如下实验。 焊接电流的设定值在工件焊不上时的最小值( 即焊接电流过小) 到工件产生飞 溅( 即焊接电流过大) 时的最大值范围内选取，依次进行焊接实验，并记录电流传 感器的实测值。焊接材料选为l _ 4 m m 厚度的低碳钢板，焊接时间选为0 2 4 s ，气压 表的压力设为0 3 0 m p a ( 对应的电极力约为2 k n ) ，实验结果如表2 所示。 表2 设定值与实测值对比结果 设定电流值( k h )实测电流值( k a ) 3 6 0 0 4 2 0 0 4 8 0 0 5 4 0 0 6 0 0 0 6 6 0 0 7 2 0 0 7 8 0 0 8 4 0 0 9 0 0 0 2 4 6 7 3 0 0 0 3 5 3 3 4 1 3 3 4 5 3 3 5 1 3 3 5 4 0 0 5 8 3 3 6 5 3 3 6 9 0 0 内藏古农韭大学硕士学位论文 7 2 4 力传感器的选择及设计 在电阻焊过程中，电极力是一个动态信号。在本课题中采用压电石英力传感装 置和电阻应变式力传感装置两种方法对电极力进行了测试，以考察哪种方法更适合 于电阻焊的情况。 2 4 1 压电式石英力传感器的选择 压电式石英力传感器的工作原理是基于石英晶体材料的压电效应，当材料受力 作用而变形时，表面产生电荷，从而实现非电量测量n u 。 本课题选购了朗斯测试仪器公司的l c 0 5 0 1 系列压电石英力传感器。它是利用压电 石英晶体的纵向压电效应设计而成的，它具有结构刚度大、体积小、重量轻、固有 频率高( 通常在几十千赫兹以上) 等优点。该传感器适合于测量短期静态、动态力 和冲击力，它的技术指标如表3 所示n “。 表3 力传感器主要技术指标 1 一传感器上盖2 - - 绝缘片3 一力传盛器图4 力传感器安装装置的实物固 4 一绝缘环5 一壳体底座6 一壳体支撑座7 一下电极臂 图3 力传感器安装装置的结构简图 2 4 2 力传感器壳体及安装装置的设计 8电阻点焊动态参数测试系统的设计 为了方便、准确、可靠地测量电极力，在下电极和电阻焊机之间设计了力传感 器壳体与安装装置，壳体由导电、导热性能较好的铜合金制造，且与下电极座配做 成一体。为了提高测试精度，减小焊接现场电磁场的干扰，传感器用绝缘材料在上 下、周围密封屏蔽后，置于传感器壳体内。为提高传感器壳体的弹性以保证传感器 的灵敏度，在传感器壳体上沿径向放射性开槽，结构简图及实物图见图3 、图4 。 测试时，电极力通过传感器壳体作用在压电石英力传感器的压电晶体或电阻应 变式力传感器的弹性元件上，在压电石英晶体的表面产生与电极力变化率成正比的 电荷或在弹性元件上产生应变的变化，通过转换电路和转换关系，实现电极力的测 量。 2 4 3 压电石英力传感器的标定 测试之前，在w d w 一2 0 c 型万能实验机上对力传感器施加标准载荷，进行力传感 器和电荷放大器组合后的系统标定。标定时，电荷放大器的灵敏度和力传感器的灵 敏度设成一致，即3 7 2p c u n i t ，电荷放大器的衰减档设置1 0 0 m v u n i t 。传感 装置的量程范围从1 5 0 0 n 开始，每次加3 0 0 s 的连续加压方式加到4 5 0 0 s 为止。标 定结果如表格4 和图5 所示。 表4 压电石英力传感器标定结果 内蒙古农业大学硕士学位论文 9 0 6 o 5 5 0 5 0 备o 4 5 口 0 - 4 0 - 3 5 0 3 式中 1 522 533 5 44 5 压力( k n ) 图5 压电石英力传感器标定结果线性回归曲线图 将标定结果进行曲线拟合，得出标定曲线方程及相关系数如下 u o = o 0 8 5 f + o 1 9 4 r2 = o 9 9 3 f 一压力( k n ) u 。一输出电压( v ) r 2 一相关系数 ( 2 ) 3 电阻应变式力传感器的设计 电阻应变式力传感器主要由弹性元件和电阻应变片组成。其工作原理是当被测 力作用在弹性元件上，弹性元件的变形引起应变敏感元件( 电阻应变片) 的阻值变 化，阻值变化的大小反映了被测力的大小。 3 1 应变片的选择 弹性体是传感器的基础，而应变片是传感器的核心。电阻应变片的转换原理是 电阻应变效应，即把感受到的力转换为电阻变化，它主要由电阻敏感栅、基底、粘 结剂及引出线组成。根据应用场合不同，应变片可分为很多种类，按用途分为单轴 应变片和应变花。单轴应变片是指具有一根敏感栅用于测量单方向应变的应变片： 而应变花是使用粘贴在同一个基底上，由两个或两个以上轴线相交成一定角度的单 1 0 电阻点焊动态参数测试系统的设计 轴敏感栅所组成的多轴应变片。按敏感栅的制造方法分为金属丝绕式应变片和箔式 应变片。它们的工作原理相同，但箔式应变片与金属丝绕式应变片相比具有以下几 个优点： ( 1 ) 工艺上能保证敏感栅尺寸的准确，线条均匀； ( 2 ) 箔敏感栅断面积为矩形，表面积大，散热性好，在相同的断面积情况下， 箔式应变片能通过较大的电流； ( 3 ) 比金属丝应变片厚度薄，因此具有较好的可绕性，它的扁平状箔栅有利于 变形的传递； ( 4 ) 蠕变小，疲劳寿命高： ( 5 ) 由于敏感栅的横向部分可以制成较宽的栅条，所以它比丝绕式应变片横向 效应小。 根据本试验的要求，即设计的弹性体大小、弹性体材料的弹性模量、受力状态 及测量精度等因素，选购了浙江黄岩测试仪器厂制造的箔式电阻应变花，如图6 所 示，它的主要性能指标见表5 所示“”“。 图6 电阻应变花 表5 电阻应变片的主要性能指标 3 2 弹性元件的设计 3 2 1 弹性元件材料的选择 弹性元件材料的选用是一个复杂的判断、优化过程。主要利用弹性元件的弹性 变形达到测试的目的。对于电阻应变式力传感器来说，它是通过电阻应变片弹性体 上贴片部位的应变来测量被测力的大小，因此弹性元件应具有高抗微塑性变形，高 弹性极限。本课题中选用弹簧钢6 5 m n ，它具有较高的屈服强度、弹性、耐高温、耐 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 1 腐蚀性能及疲劳强度，一定的韧性和塑性等优良的综合性能，是常用的一种制造电 阻应变式力传感器弹性体的材料“”。 3 2 2 弹性元件结构及参数设置 电阻应变式测力传感器的性能主要取决于弹性体的结构形状及相关尺寸。如果 弹性体设计不合理，无论弹性体的加工精度多高、粘贴的电阻应变片的品质多好， 测力传感器也难以达到较高的测力性能。因此，在测力传感器的设计过程中，对弹 性体进行合理的设计至关重要。弹性体的结构设计除了需要满足机械强度和刚度要 求以外，还必须保证弹性体上粘贴电阻应变片部位的应力( 应变) 与弹性体承受的 载荷保持较准确的对应关系，保证较高的线性关系。 电阻应变式力传感器弹性体结构形式很多，如柱式、悬臂式、环式等，可根据 具体的应用场合来选定。本课题选择了空心圆筒式，因为它与实心圆柱体相比，空 心圆筒在相同横截面积的情况下，横向刚度大，横向稳定性好。结构简图如图7 所 不。 式中 图7 弹性体结构 根据材料力学和虎克定理，弹性元件的参数可用下式计算： f 盯= 一 一 盯= e s 一：! 翌二塑 4 盯一正应力( p a ) s 一应变 e 一材料的弹性模量( e = 1 9 6 g p a ) f 一传感器承受载荷( k n ) a 一弹性元件贴片部位的截面面积( 肝) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) 1 2电阻点埠动态参数测试系统的设计 在设置外径d 与内径d 时，考虑到弹性元件的稳定性、频响特性及加工条件， 并保证其布片区弹性元件的周长满足布片要求。即周长s 2 2 2 + 2 5 - 1 4 m m ，式中 应变片宽、长为2m i l l ，相邻片距离取5 m m 。综合考虑上述因素，取理论值为d = 1 0 h i m ， 弹性体的壁厚一般在l 2 姗，此处理论值取b = 1 5 咖，则内径为：d = d 一2 b = 7 m m 。 由设定已知值代入以上3 个公式即可计算出在额定载荷( 5 0 0 0 n ) 和最小载荷 ( 1 9 5 n ) 下的弹性体应变值( 理论上等于单臂电桥时测得的应变值) 分别为： 日= 6 3 7 1 9 7 肛 占2 = 2 4 8 5 胆 为了提高灵敏度采用全桥测量方法，其应变可按下式计算： s = 2 ( 1 + ) ( 6 ) 式中u 一材料的泊松比( 1 = o 3 ) 占，一弹性体真实应变，在此以毛和e ：代替，把它们代入 公式( 6 ) 可得全桥时的应变范围； f 2 1 6 5 6 7 1 2 u 8 气m2 6 4 。1 6 0 z s 由于y d - - - 1 5 型动态电阻应变仪的灵敏系数为= 2 o o ，使用的电阻应变片的灵 敏系数为k = 2 0 8 ，所以对应变值需要按公式( 7 ) 进行修正： 毛= 6 a , , a x 罟 ( 7 ) a ” 式中 k 。一应变仪的灵敏系数( k o = 2 0 0 ) k 。一使用电阻应变片的灵敏系数( 以= 2 0 8 ) 占。一最大值应交值( s 。= 1 6 5 6 二7 1 2 , u 6 ) 矗修正的应变值 代入( 7 ) 式可得修正之后的应变值为 e n = 1 5 9 2 9 9 2 ( 肛) 为了增大电桥的输出，提高抗干扰能力，弹性元件设计时应使粘贴应变片处的 应变范围足够大。对y d 1 5 动态电阻应变仪，其应变范围通常为( 1 0u e 3 0 0 0 p e ) 。 由上述的计算结果可知，所设计的电阻应变式力传感器的应变在( 1 0 p e 3 0 0 0 z e ) 的范围内。 由于弹性元件的高度对传感器的精度和动态特性有一定影响。并且为使贴片部 位应力分布均匀，在实际应用中，弹性元件的高度，不可太短，一般取，2 d 。本 文设计的弹性元件的高度为，= 2 0 m m 。根据圣维南原理，考虑到断面几何尺寸突变 引起的应力集中，在长度，的范围内应避免布片f = 2 雩6 = 5 4 8 i n t o ，布片区长度为 1 i = ，一2 ，= 2 0 一1 0 9 6 = 9 0 4 m m 。 内蒙古农业大学硕士学位论文 为了提高弹性体材料的机械性能，改善加工工艺，延长使用寿命，对弹性体再 进行热处理加工。弹性体的参数设置及热处理过程如表6 所示n 一，。 表6 弹性体结构参数设置及热处理过程 传感器弹性元件强度验算，选用材料的屈服极限仃，= 7 8 5 m p a ，盯。= 毛e * 1 2 5 m p a ，盯o - z0 2 ，符合传感器设计要求。 3 3 应变片粘贴位置的选取及组桥 本文选用b x l 2 0 2 b b 系列电阻应变花。为得到较大的灵敏度，减小非线性误差 并具有温度补偿作用，用两片应变花组成全桥电路。组桥时先用数字万用表测量应 变花电阻值的大小，同一电桥中各应变片之间阻值差控制在0 5 q 以内，使一片应 变花的轴向桥臂和另一片应变花的环向桥臂相连接。贴片方法及电桥结构如图8 和 图9 所示“。 图8 应变片的粘贴示意图 b 图9 全桥 1 4电阻点焊动态参数测试系统的设计 3 4 应变片的粘贴过程 弹性体上的贴片位置选定之后，进行应变片的粘贴。粘贴步骤如下： ( 1 ) 为了保证一定的粘结强度，用细砂布( 0 # 或l # ) 将弹性构件的表面磨光； ( 2 ) 用酒精棉将贴片表面擦洗2 3 次，保证其表面没有油污或杂质。清洗后不 要用手摸或接触任何东西； ( 3 ) 为固定贴片位置，将裁剪后的贴片模型纸用透明胶粘贴在弹性体上； ( 4 ) 在应变片的表面及弹性体的贴片位置分别涂上薄而均匀的胶层，将应变片 放到贴片位置上，注意保持手指干净及应变片的方位： ( 5 ) 在应变片上盖一层薄塑料，用手指均匀垂直滚压，把多余的气泡和胶水挤 出，直到应变片粘住为止，然后取下贴片模型纸； ( 6 ) 在自然条件下使贴片后元件干燥固化； ( 7 ) 将引出线套上绝缘层以保证其与构件表面的绝缘电阻达到5 0 1 0 0 m q ； ( 8 ) 用万用表检查应变片是否有短路及断路现象。 3 5电阻应变式力传感器的标定 表7电阻应变式力传感器标定结果 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 5 1 0 9 0 8 o 7 0 6 蚤o - 5 脚0 4 0 3 o 2 0 1 0 0o 5 1 1 52 2 53 压力( 1 【n ) 图10电阻应变式力传盛器标定结果线性回归曲线图 电阻应变式力传感器在w d w 一2 0 c 型万能实验机上进行加载系统( 包括力传感器、 壳体、电桥及电阻应变仪) 标定。标定时，首先对电阻应变仪进行调零，即在电阻 应变仪不同的衰减档位处对“r ”( 电阻) 和c ( 电容) 依次进行调零。为保证输 出信号的最佳状态，根据电极力的范围把电阻应变仪的衰减档设为3 ，以下计算和 实验过程都在此条件下生成。然后在万能实验机上，以5 0 0 n 为初始值，步长3 0 0 n 逐级连续加载到5 0 0 0 n 为止。标定结果如表7 和图1 0 所示。 对标定结果进行曲线拟合，得出标定曲线方程及相关系数如下： u o = 0 1 7 5 f o 0 3 4 ( 8 ) r2 = 0 9 9 9 式中f 一压力( k n ) “一电压( v ) r 2 一相关系数 但实际试验中为了测量焊接过程中的动态电极力，由方程( 8 ) 推导，得方程 ( 9 ) ： f = 5 7 2 0 u + 0 1 9 8 ( k n )( 9 ) r 2 ：0 9 9 9 3 5 1 电阻应变式力传感器的灵敏度 灵敏度是指传感器的输出增量与被测输入增量之比。 ( 1 ) 传感器的灵敏度 16电阻点焊动态参数测试系统的设计 传感器的灵敏度按下式计算： u = 孥e ( 1 + h 则计算出灵敏度为：篑_ 0 - 8 6 2 ( m v ”，即满足传感器设计要求。 ( 2 ) 力传感器与y d 一1 5 动态电阻应变仪组合后的系统灵敏度 因为线性传感器的灵敏度就是拟合直线的斜率，即 s ：羔 爿 所以由方程( 8 ) 可见，系统的灵敏度为： s ：堕：o 1 7 5 ( y k n ) ， 式中s 一传感器的灵敏度( v k n ) f 一压力( k n ) u 。一电压( v ) ( 1 0 ) 3 5 2 电阻应变式力传感器的非线性误差 非线性误差是用实际非线性曲线( 标定曲线) 与拟合直线之间的最大偏差与传 感器满量程输出的百分比来表示，如图1 l 所示。 式中 图1 1 非线性误差示意图 铲戋枷慨 。 y f 一一y f ，。 工，一非线性误差 ( 1 2 ) 内蒙古农业大学硕士学位论文 17 y m ，。一最大偏差值 y f 一满量程输出值( 此处代替y f 一和y f 。) 从标定曲线图l o 来看，y 。= o 0 1 2 ，k ，一一y f 。= 0 4 7 2 ，代入公式( 1 2 ) ， 则非线性误差：上，= 2 5 由传感器的标定结果和非线性误差的计算结果知，非线性误差对测试结果的影 响很小，可忽略。说明电阻应变仪输出电压的变化与压力机输入压力的变化具有良 好的线性函数关系，即该力传感装器具有良好的线性度。 3 5 3 电阻应变式力传感器的分辨率和阈值 分辨率是指传感器( 测试系统) 能够精确检测出被测量的最小变化的能力。因 为y d 一1 5 动态电阻应变仪电压输出分辨率为0 i v ，代入( 8 ) 式得测试系统的分辨 率为： u o l ；0 1 7 5 f 1 一o 0 3 4 ( 1 3 ) u 0 2 = u o l + o 1 = o 1 7 5 e 一0 0 3 4 ( 1 4 ) 式中f 一输入压力( k n ) 砜一输出电压( v ) ( 此处代表u 。和u 。：) 将式( 1 3 ) 和式( 1 4 ) 相减得出分辨率( f ) 为： f ；只一f ：旦：0 5 7 1 ( k n ) o 1 7 5 ( 3 ) 闽值的计算 闽值是指传感器输入零点附近的分辨率，经实验得知：阈值为0 1 9 5 ( k n ) 。 4 测试系统编写软件的选择 系统软件既要满足数据采集、波形显示功能，又要适应测试技术的发展趋势， 本文选用了虚拟仪器设计软件l a b v i e w 来实现焊接动态信号的实时采集。 4 1 图形化编程语言l a b v l e w 简介 1 9 8 6 年，美国n i 公司( n a t i o ni n s t r u m e n t ) 提出了虚拟仪器的概念，即“软 件就是仪器”的口号，打破了传统仪器只能由生产厂家定义，用户无法改变的局面。 它的特点体现在灵活性上，能够充分利用和发挥现有计算机先进技术，使得仪器的 测量、自动化工业的系统测试和监控异常方便和快捷。 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 实验室 虚拟仪器包括前面板、流程图、图标和连接窗口模块，其特点在于：使用图形化编 程语言g 在流程图中创建源程序。它是世界上第一个采用图形化编成技术的面向机 器的3 2 位编译型程序开发系统，主要用于仪器控制、数据采集、数据分析、数据 18 电阻点焊动态参数测试系统的设计 显示等领域。 l a b v i e w 在编程工具方面主要提供了如下三个模板来编辑虚拟仪器。 ( 1 ) 工具模板( t o o l sp a e t t e s ) ：用来提供图形操作的各种工具，如移动， 选取，设置卷标、断点，文字输入等： ( 2 ) 控制模板( c o n t r o l sp a l e t t e s ) ：则提供所有用于前面板编辑的控制和显 示对象的图标以及一些特殊的图形； ( 3 ) 功能模板( f u n c t i o n sp a l e t t e s ) ：包含一些基本的功能函数，也包含一 些能实现一些基本的信号处理功能的予仪器。 4 2l a b v l e w 的数据采集 数据采集就是将被测对象的各种模拟信号，通过各种传感元件转换为计算机可 以识别、存储的数字信号，这一过程称为数据采集( d a q ，d a t aa c q u i s i t i o n ) 。数 据采集模块与硬件系统结合起来实现数据的采集、传输、转换与存储的功能。 l a b v i e w 的数据采集有许多方式，其中最简单，应用最灵活的方式是直接利用 n i 公司生产的数据采集卡和l a b v i e w 软件v i 来实现。l a b v i e w 数据采集系统的结 构简图如图1 2 所示一。 囤1 2l a b v i e w 数据采集系统 4 3 数据采集软件的编程 数据采集软件编写是测试系统设计的关键部分。在l a b v i e w 的程序开发中，电 阻焊动态参数测试系统的数据采集整个过程需要在功能模板的d a t aa c q u i s i t i o n 中调用a i c o n f i g v i 模块、a is t a r t v i 模块、a ir e a d v i 模块、a ic 1 e a r v i 模 块以及自编的子v l s 模块即滤波、标定、有效值计算、存储、波形显示功能来实现 对焊接电流、电极力、电极间电压的采集，- 程序的编写由如下四个步骤完成m m 。 第一步：调用a ic o n f i g v i ，其对数据采集卡进行配置，包括设备号、缓存、 通道配置。其中设备号在数据采集卡设置工具中设定，本测试软件中设为1 ：缓存 内蒙古农业大学硕士学位论文1 9 的作用是存储采集数据，为保证采集到的数据不丢失，缓存区的大小应大于采样率 的两倍，本文设为2 0 0 0 0 ；通道配置设置成既可以单通道数据采集，也可以多通道 数据采集的数组形式。 第二步：调用a is t a r t v i 来启动模拟输入操作，它控制数据采集的速率、样 本数以及硬件触发器的使用。包括数据采样率设置和每通道样本数的设置。 第三步：在w h i l e 循环框图里调用a ir e a d v i ，利用e n i l e 循环和a ir e a d v i 模块将采集到的数据不停地从d a q 设备的缓存中读出，通过设置扫描数来确定每次 w h i l e 循环从d a q 缓存中读出的数据量。a ir e a d v i 有触发设置功能，可根据用户 需要设置开始测量的时刻，本文中触发电平设置为0 3 v 。实验现场工频干扰很大， 因此设置了软件滤波，其目的是从测量信号中滤除不需要的频率成份。此处选用低 通滤波器，经多次实验，设置截止频率为5 0 h z 。为了采集数据的准确、方便使用， 对滤波之后的信号，进一步作了标定，波形显示、有效值计算及存储功能。 第四步：调用a ic l e a r v i ，它的作用是数据采集结束后，停止o a q 设备的数 据采集，清除模拟输入操作和缓冲区的配置。数据采集流程图、主界面图及程序框 图如图1 3 、1 4 、1 5 所示”，。 围13 数据采墓流程图 电阻点焊动态参数测试系统的设计 圈 螺 强 罨 嚣 豫 茁 幕 ! 疆 内蒙古农业大学硕士学位论文 2 1 固 掣 蠕 礞 楚 磊 一 固 2 2 电阻点焊动态参数测试系统的设计 5 实验验证 验证实验是在电阻焊实验室的d n 一2 5 q 气动式交流点焊机上进行。实验参数设 置如表8 所示，以下实验结果均在此条件下生成。 表8 实验参数设置 5 1 实验步骤 实验过程由五个步骤组成： 第一步：在d n 一2 5 0 工频交流气动式点焊机上安装电流传感器、力传感器和电 压测量导线，并将各个信号输出线连接到数据采集转接板的不同通道口上； 第二步：检查硬件部分的电路是否导通，调节并尽量保证上、下电极的同轴度， 设置气压表气压，点焊机控制器面板上的各个参数，包括一个焊接循环所需的预压 时间、预热缓升时间、焊接时问、保压时间、休止时间及电流参数的大小。预热缓 升的功能是控制电流逐渐增大，改善焊点质量； 第三步：启动点焊机和电流传感器，大约预热三分钟； 第四步：启动数据采集卡，对系统进行初始化，设置有关焊接参数； 第五步：选点焊机控制面板上的加压工作按钮的加压按钮，让上电极下落并 接触工件，同时运行数据采集软件以及踩一次机器脚踏板，开始焊接。焊接一次， 气缸工作一次，电流传感器控制面板上计数器增加1 。改设焊接参数，重复第五步 骤，开始下一个实验n “。 圈1 6 焊接过程示意圈 内蒙古农业大学硕士学位论文 2 3 在一个焊接循环过程中，当焊件通电之前，电极力首先上升到设定值并趋于稳 定。开始通电进行焊接时，理论上保持电极力的稳定值不变，但实际上电