自动点焊设备的统计质量控制系统设计

摘要

点焊(SW)是一种可以形成永久结合的金属连接的方法。在工业自动化行业中，自动

点焊设备有着广泛的应用C自动点焊是一种替代人工点焊的焊接方法，它不仅可以减少

人工成本，提高生产效率，还具有自动化控制性能高，焊接平稳，快速，质量可靠等优

点。由于其效率高的特点，在使用自动点焊设备时，一旦发生异常，会造成相当大的损

失。本文研究着力于以科学化、低成本的方式对自动点焊设备工作的稳定性进行检验，

从而达到使其工作稳定可靠受控这一目标。

本文首先介绍了自动点焊设备的特点，提出可以将统计质量控制(SQC)理论运用

在自动点焊设备上这一观点。随后指出贯彻预防原则是现代质量管理的核心与精髓，阐

述了运用统计理论控制自动点焊设备的原理及特点。然后，举例详细说明了统计方法控

制自动点焊设备的具体运用，主要包括：X-R控制图管理日常点焊设备稳定性；运用试

验找出点焊参数；Minitab统计软件的运用三个部分。最后结合实例对结果进行分析并

得出结论。

关键词：点焊；过程控制；统计；质量

1引言

1.1点焊的应用情况

焊接(Welding)是现代机械制造业中一种不可或缺的工艺方法，是通过加热、加压或

两者同时使用，使工件间产生比较紧密的原子间结合的加工工艺。焊接的应用比较广泛，

适用于金属，也适用于非金属。在制造工业产品的过程中得到广泛的应用。焊接又可分为

点焊(SW:SpotWelding)、缝焊(SeamWelding)、凸焊(PW:ProjectionWe1ding)、焊条

电弧焊(SMAW:ShieldedMetalArcWelding)、滚凸焊(RollRaisedWelding)C02气体保

护焊(C02ShieldWelder)、钎焊(Soldering)、氢弧焊(Argonarcwelding)、气焊

(GasWclding)等。点焊因为具有生产量大、易操作、高速、焊接变形小、生产量大、自

动化程度高、低损耗等优点。在各种焊接方法中，点焊的应用最为广泛，如图1T所示是

点焊机器人的工作站相置图，点焊约占投资费用中75%O

l-BI：位掾作如2一移动粕貌;3II"如机器人;4一*校解；

5—空位机;6—红外线保护光除；7-AI付操作依；8—系统

控船桁；9机代人拧制吊；10一点研控初冻；11一电/修照装

置；12—机器人交乐器一防护栏；14-安全倭：15一地注门

图1-1点焊机器人工作站布置图

而随着自动化生产的发展,点焊工艺也从手动点焊过渡到自动点焊。自动点焊设备人工

成本投入少，可大大提高生产效率，同时具有自动化程度高，生产量大，焊接变形小、易

操作、高速、低耗的特点C

由于自动点焊效率高的特点，在使用自动点焊设备时，一旦发生异常，会造成相当大

的损失。因此，运用统计质量控制技术来监控自动焊接设备的稳定性是很有必要的。

1.2自动点焊设备及统计方法的概念

1.2.1自动点焊设备概念

自动点焊设备是一种使用自动化技术集成的点焊设备。自动点焊设备人工成本投入少,

可大大提高生产效率，同时具有自动化程度高，生产量大，焊接变形小、易操作、高速、

低耗的特点。

点焊工作方式包括休止、通电加热、维持、预压等阶段，当元器件加电导通时，薄板

金属通过电极的作用，被紧紧的挤压在一起，由于两个金属片的电阻较小，导致出现大量

的热量，直接作用于金属板上。如图1-2所示。

电网戊煤匚2原理

图1-2电阻点焊原理图

1.2.2统计质量控制方法概念

统计质量控制方法进行统计判断是以数据为依据的，其运行程序如下:

（1）采集并分析数据；

2自动点焊设备统计质量管控系统

2.1系统构成及功能

对于整机系统来说，可以大致分为控制检测系统、加压机构、机械框架、气动系统、

夹紧定位机构、点焊机构，错位辅助机构、人机界面、工件进给机构等部分组成.

系统的软件设计和硬件设计构成了整个控制系统的整体设计。其中电气自动化控制系

统主要由限位开关、主控柜、气动系统电磁阀、接近传感器、控制开关、声光报警装置、

操作控制柜、光电检测装置、伺服电机等各种电气元件组成。

（开始）

-1

上料——

错位气缸Y方L_

向错］一次「

立完逝父

工件夹紧<—

伺服电机动作

工作」移动

工

伺服电机动作_

工作.移动

上下电机接触

工作，按程序—1

放电焊接

杀、否

完步，

上下电板接触

工件，技程样_

放电焊接卸料<-1

料完成，

..............

图2-1点焊工艺流程图

统计过程控制主要通过应用统计技术，对整个产品制作过程进行监督和评价，达到预

防的目的。可接受范围和产品生产的稳定性是批量制作过程中的要点，是重要的质量控制

点，质量控制点的把控决定了产品是否符合要求。兰电路板在生产过程中，出现异常时，

统计过程控制会及时对异常情况进行报警。运用科学的管理方式，可以有效的对产品质量

进行把控，是制作的产品符合要求。

控制图是统计过程控制的重要工具，为质量管理七个工具的重要组成部分，它可用以

直接控制和诊断过程。

2.2自动点焊设备质量控制原理

焊接的循环过程包括启动、加压、预热、间隔1、焊接、间隔2、回火、维持、休止

等多个步骤。其中当休止结束后，自动重新回到加压步骤，实现了整个自动焊接的自动化

生产。而且，可以通过输入循环次数，使焊接和间隔2之间重复焊接，使焊接点更加的可

靠。间隔1、间隔2两个时间的设定，需要工艺人员对焊接过程进行多次摸索，通过对数

据的多次统计，找出最佳的焊接时间点，设定具体的时间参数。

图2-2焊接循环时序

点焊的检验方法一般是破坏性检查，这类检验一般取样费时且费用较高，所以适合采

用X-Rs控制图来进行管控，根据点焊技术的特点，可以符合技术条件所规定的要求，焊

接时间和电流时，当通过试验设计获得适当的范围内的电极压力。

2.3点焊过程质量信息及主要监控方法

1）点焊过程的质量信息

对于电阻点焊来说，其有很多因素会影响焊点质量，我们需要在诸多因素中，选取对

质量影响较大的因素进行监控，而满足质量监控的条件有以下几点：

a）故障点是会重复出现的；

b）故障点出现时，不会被周围环境所干扰；

c）不能够影响正常的生产秩序；

d）检测方法需要简单方便；

e）与焊点或焊缝的质量有关。

在自动点焊的过程中，由于焊点的冷热变化，导致电路板上接触点的动态接触电阻也

会发生变化。通过测量焊接过程中的电压和电流，可以计算出焊接过程当时的动态接触电

阻的阻值。动态接触电阻式对电源电压变化、电流变化、焊件的表面变化、焊件的材料变

化、焊件的厚度变化均会有直接的体现。通过研究焊点的质量和动态接触电阻之间的函数

关系，可以通过不断监测焊接过程中的电压和电流，判定点焊的质量是否可靠，这也使点

焊质量的一个重要监测指标。

2）监控方法

金属在进行融化、相变、焊接缺陷等过程中，会出现声发射现象，监控声发射是决定

焊接缺陷的一个重要指标°但由于声发射比较微弱，环境因素产生的噪音很容易影响到声

发射信号的采集。因此，点焊质量产生的声发射通常采用声音的反射原理，通过对声波的

情况进行标示，监控金属焊接是否出现异常情况。

2.4本章小结

随着电阻点焊应用领域的快速发展，点焊的方法也在逐步增多，已知的控制方法主要

有动态电阻法、恒压法、热膨胀位移法、恒流法、移相法等。目前，随着智能化和综合化

设备的逐渐流行，自动点焊过程和质量控制方法也在向这个方向迈进，对焊接技术的质量

提出了更高的要求。本章介绍了自动点焊设备质量控制原理、主要监控方法、系统构成及

功能及点焊过程质量信息。

3统计方法管控自动点焊设备的具体运用

3.1运用试验设计选定点焊参数

首先，需要确定适当的电流，电极压力和焊接时间，由此可见影响点焊牢度的因子有

3个，我们假设研究的因子都是3个水平，如表1所示。

表1正交试验数据

列号电极压力焊接时间电流试验结果

试验号PaSAN

1压力条件1时间条件1电流条件1结果1

2压力条件1时间条件2电流条件2结果2

3压力条件1时间条件3电流条件3结果3

4压力条件2时间条件1电流条件2结果4

5压力条件2时间条件2电流条件3结果5

6压力条件2时间条件3电流条件1结果6

7压力条件3时间条件1电流条件3结果7

8压力条件3时间条件2电流条件1结果8

9压力条件3时间条件3电流条件2结果9

T1二结果1+2+3二结果1+4+7二结果1+6+8

T2二结果4+5+6二结果2+5+8二结果2+4+9

T3二结果7+8+9二结果3+6+9二结果3+5+7

T1均值

T2均值

根据以上数据计算

T3均值

R（极差）

然后，通过使用“综合比较”法我们寻找到最好的试验条件，比较各个因子的最大最

小差值，可以知道各因子对指标影响的程度，为了更加直观地了解，每个因子不同水平下

试验结果的均值可以画成一张图表，如图3-1所示。

图3-1每个因子不同水平下试验结果

3.2X-RS控制图管理日常点焊稳定性

按照设定了好的参数进行试验时，我们要时刻关注产品的质量是否有波动。对产品质

量基本无影响的波动，我们称之为偶然波动，对产品质量影响较大的波动，我们称之为异

常波动。波动的发生对产品是有一定影响的，我们需要在试验的过程中，重点关注于产品

发生的异常波动，找到异常波动的原因。通过原因，我们需要采取紧急措施，想办法消除

掉隐患，使产品的质量恢复正常化。

我们可以通过X-R,控制图及时发现异常波动。

假定我们每小时一次对点焊强度做撕开试验，试验次数10次，可以得到下表2数据.

表2撕开试验数据表

次数12345678910

拉力值XabcdefghiJ

移到极差Rsb-ac-bd-ce-df-eg-fh-gi-hj-i

这样，我们可以得到：

OnR~

移动极差（R）控制图公式如下：

CL=R1

UCL=DRs-

LCL=D3RS

X控制图公式如下：

CL=X-

UCL=X+E2R一

LCL=XFR—

我们根据计算的结果，可以画出X-Rs控制图，如图3-2所示:

I-MRChartofC4

UCU1077i

X=68.4

L£L=2910

Observation

48

■XL=4828

•36-

W

S

M

24

2一

m

o

■12-WR=14.78

I£L=O

0bscrTation

图3-2X-Rs控制图

如上图所示的管理图，一般我们都选用WD公司定义的8大准则来判断过程是否有异

常。

3.3统计软件Minitab的运用

Minitab统计软件是在1972年开发的，开发者是宾夕法尼亚大学，随着个人电脑普及

应用，Minitab被广泛使用。Minitab是一款简单易学容易上手的软件，Minitao从字面上

理解是小的计算机。

MINITAB具有如下功能：样本量和累计算、灵活的数据操纵、演示质量的图表、强大

的宏语言、导入和导出、模拟和分布、时间序列、回归和方差分析，多变量分析、可靠性

分析、基础和高级统计等功能。

运用传统的计算方法统计质量控制技术在监控自动点焊设备是否有异常波动中，将是

比较麻烦的。但如果使用Minitab软件来进行统计分析，同时也使我们可以腾出更多的时

间去尽快的找出发生异常波动的原因，并针对其采取有效的措施加以消除，统计过程会变

动十分简便。

3.4本章小结

本章介绍了运用X-RS控制图管理日常点焊稳定性、统计软件Minilab的运用以及试

验设计选定点焊参数。

4统计方法管控自动点焊设备的实例

4.1实例说明

接下来我们依据实例来说明一下，下图4-1所示是为经过改装的自动点焊设备:

图4-1自动点焊设备

在获得合适的点焊参数后，将参数设定好，该自动点焊设备正常投入生产。巡检人员

每2小时进行一次撕开试样，连续采样20组数据，如表3：

表3撕开试验

采样

1234567891011121314151617181920

编号

强度

7555775067826158516060556165746788867881

值N

同时要求焊点强度达到39.2N以符合技术条件所规定的要求，以上数据均都达到了

3.2N以上。使用Minitab统计软件对该数据进行统计分析，选择菜单中的Stat->Control

Charts->VariablesCharlsforIndividuals-”一MR…,如图4-2：

Fil«EditDataC«lcSt«tGraphEd>torToolsWindourH«lp

BasicStatistics

源Vorksheet7,,今

4C18C9CIO

.o.trol.Char匕"QQXBox-CoxTransformation...

国由庭及拈诅

QualityTools►

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680NRNvvi&i5Ra电q...

762

859ECWMandS&npleSize

953

1061

1158

1256

1360

1463

1573

1668

1789

1887

1977

2080

图4-2Minitab统计软件操作

于是，我们就可以得到X-Rs控制图，如图4-3：

图4-3X-Rs控制图

4.2结果分析

尽管采样的撕开试验数据都符合技术条件所规定的要求，但是我们可以看到控制图上

有3个红色点，这说明实给数据出现了异常波动。报警的项目分别是WD规定的:

图4-4ucl-lcl控制图

结束语

在21世纪，为了获得最优的工艺参数，高质量的产品需要运用统计技术进行试验；

可接受范围和产品生产的稳定性是批量制作过程中的要点，是重要的质量控制点，质量控

制点的把控决定了产品是否符合要求。应用统计技术对过程进行评估和监察，以符合产品

规定的要求。

为以科学化、低成本的方式对自动点焊设备工作的稳定性进行检验，从而达到使其工

作稳定性受控，实现高效益的目的，本文将统计质量控制技术引入自动点焊设备监控过程,

提出了正交试验方式获取最优制程控制参数，解决了工厂环境使用自动点焊设备时，以SPC

对过程的稳定性进行监控等方法，稳定性不易于控制这一问题。与此同时，给出了工序质

量数据的移动一极差质量控制图的数学模型，本文还研究了数率统计的数学基础，并利用

计算机统计软件Minitab实现了所有算法。通过例证进一步表明，运用SPC对生产过程进

行管控，不但可以发现显而易见的问题；还可以发现那些隐藏起来的问题点，并发出异常

波动的警报，从而证明SPC统计质量控制方法在检验、控制自动点焊设备稳定性方面的可

行性。

参考文献

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