CN1730220A - 电阻点焊质量控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种电阻点焊质量控制装置及方法，属于电阻焊过程信息检测与质量控制技术领域，该发明装置包括变压器、反并联晶闸管、电流传感器、触发信号放大电路、网压同步电路、电流有效值检测电路、电流过零检测电路、电极位移传感器、单片机控制系统；该发明方法包括信号采集、特征信息提取、信息融合、控制算法选择和输出功率调节步骤，本发明具有以下优点：检测信息多、控制性能好，控制精度高，可适用于各种材料的电阻点焊。

Description

电阻点焊质量控制装置及方法

技术领域

本发明属于电阻焊过程信息检测与质量控制技术领域，特别涉及一种基于多传感器信息融合的电阻点焊质量控制装置及方法。

背景技术

电阻焊是利用焊接工件通电时产生的电阻热加热工件，在压力作用下完成焊接的一种焊接方法。在汽车、摩托车、工程机械以及航空航天等工业领域得到广泛应用。目前电阻焊存在的主要问题是表征焊接质量的熔核尺寸无法直接测量。专利ZL98102944.2是通过功率因数角计算动态电阻，根据动态电阻曲线估算熔核尺寸，该方法的不足之处是对某些材料(如铝合金、不锈钢等)动态电阻不明显，不适于不同材料的点焊质量控制。专利ZL03130440.O提出了一种点焊熔核面积在线检测方法，它是通过检测电流、电压、电极位移及声音信号，建立基于数据融合的神经网络模型，由特征量和实际测到的熔核面积对神经网络模型进行训练，直到达到误差要求为止。其核心是焊接质量的在线监测，对不符合要求的焊点不能进行反馈控制。由于对熔核面积的影响因素除了以上四个特征量以外，还有材质、板厚、点距等因素对焊接质量也有很大影响，该方法只能对特定条件的焊接质量进行有效判断，然而要保证模型精度需要大量训练样本。导致该方法应用范围和使用环境受到限制。

现有的电阻焊质量监控方法，检测参数的数量多为单个或两个。检测信息少，反映焊点熔核的变化不够全面。在焊接过程中，当出现干扰如网压波动、分流、电极磨损、焊机回路阻抗变化等时，焊接质量容易出现较大波动。

焊接质量与焊接过程中的参数之间存在着一定关系。为了更好地控制焊接质量，应尽可能多的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、点焊时间以及材质、板厚、材料表面状况、点距、电极材料及其几何尺寸等等。但是，对这些参数全部进行检测是不现实的。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种电阻点焊质量控制装置及方法。

本发明选择了对点焊质量有密切关系的三个参数，对于其他比较确定的参数，如材质、板厚、电极压力等，采取了在专家知识库中设定的方法。通过对传感器检测信息的数据融合和专家知识库信息的规则融合，建立熔核直径信息融合模型，采用FUZZY-PID控制规律，实现电阻点焊过程质量监控。

本发明通过如下技术方案加以实现，基于电阻点焊电流、动态电阻(以动态功率因子ctgβ替代)和电极位移信号与熔核直径的线性对应关系，采用无铁心空心环形线圈即电流传感器、同步及过零检测电路、电极位移传感器(由电极位移传感器探头及电极位移传感装置组成)，通过A/D转换将电流、动态电阻、电极位移信号送入单片机控制系统，单片机采用80C31，在单片机中计算电流、动态电阻、电极位移的加热强度特征量和时间特征量，建立以这些特征量和熔核直径为输入输出关系的信息融合模型，根据融合算法，得出融合结果，进行点焊过程的热量和时间调节，从而实现点焊质量的控制。

本发明装置包括变压器、反并联晶闸管、电流传感器、触发信号放大电路、网压同步电路、电流有效值检测电路、电流过零检测电路、电极位移传感器、单片机控制系统，其中单片机控制系统包括特征信息提取单元、信息融合中心、专家知识库和FUZZY-PID调节器；

其联接是：图2中的连接器2CON1的1、2脚分别与附图1中的L1、L2相连；图2中的连接器2CON2的1脚与图4中的连接器4CON2的1脚相连，图2中的连接器2CON2的2、3脚与附图1中的单片机控制系统的P1.0、P1.1脚相连，图2中的连接器2CON2的4脚与图4中的连接器4CON2的3脚相连；图3中的连接器3CON2分别与附图1中的SCR1、SCR2的门极和阴极相连；图3中的连接器3CON1的1脚为稳压电源地，4脚为+12V，5脚为+24V，2脚与单片机控制系统中的FUZZY-PID调节器的输出相连；图4中的连接器4CON1与图1中的SCR1、SCR2的阴极和阳极相连；图4中的连接器4CON2的2脚与图1中的单片机控制系统的外部中断 INT0相连；图5中的连接器5CON1与图1中的电流传感器相连；图5中的连接器5CON2的1脚与图1中的单片机控制系统的外部中断 INT1相连；图5中的连接器5CON2的2脚与图1中的单片机控制系统的P1.3脚相连。

由图2可知，网压同步电路的输入是单相380VAC，经控制变压器降压、整流、与非门构成的变换电路后，输出与网压同步的50Hz、100Hz脉冲信号，同时输出稳定电压+12V。

由图3可知，来自单片机控制系统中FUZZY-PID调节器输出的触发信号，送入触发信号放大电路，经信号放大和脉冲变压器后，变为两路信号去触发晶闸管SCR1和SCR2。

由图4可知，电路的输入接至晶闸管SCR1和SCR2的两端，经光电隔离和比较电路后送入单片机控制系统的外部中断 INT0，目的是检测电流过零信号。

由图5可知，电流传感器输出信号，经积分、放大、叠加电路和精密整流、微分、比较电路后得到电流峰值信号，该信号送入单片机控制系统的外部中断 INT1。该电路的功能是检测电流有效值。

本发明装置的电流传感器和电极位移传感器将检测到的电信号通过网压同步电路、电流有效值检测电路、电流过零检测电路处理后送到单片机控制系统，单片机控制系统将该信号转换成可以处理的数字信号后送入特征信息提取单元，将提取的特征信息送入信息融合中心，经过融合处理的数据与专家知识库提供的设定参量进行比较，将比较的结果即偏差送入FUZZY-PID调节器，并设定一个偏差阈值，通过对偏差和偏差阈值的比较确定采用模糊控制FUZZY还是PID控制规律，调节器输出信号经触发信号放大电路后控制晶闸管，来调节点焊过程的热量和时间，最终实现对点焊质量的控制。

本发明方法包括以下步骤：

步骤一、信号采集；

电流有效值检测：采用峰值角法，即焊接电流有效值I与峰值I_M之比是峰值角N的函数。

$\mathrm{Kp}=\frac{I}{I_M}=f\left(N\right)---\left(1\right)$

式(1)中Kp为电流有效值与峰值之比例系数，N为峰值角，Kp和峰值角函数f(N)的关系如图11所示。

将电流传感器(即无铁心空心环形线圈)套在变压器T1二次回路，电流传感器的输出送入电流有效值检测电路，见附图5。有效值检测电路的输出送入单片机控制系统。

将Kp和峰值角N的关系存放在单片机内存中，即可由式(1)求出电流有效值。

动态电阻检测：采用动态功率因子ctgβ的方法。通过同步电路和电流过零信号提取电路求得电流相对于电压的滞后角β，以ctgβ代替动态电阻。

电极位移检测：采用GS6100/7100系列光栅位移传感器(测量范围为10mm，测量分辨率为1um，测量精度为±1um，测量速度为Vmax＜200mm/s)。它由电极位移传感器探头和电极位移传感器装置组成，传感器探头置于上下电极臂上，测量焊点熔核的热膨胀量即电极位移量，传感器装置将传感器探头的电极位移信号进行放大、整形、倍频辨向、计数，最后转换为电信号输出，并送入单片机控制系统。

步骤二、特征信息提取；

依据步骤一中测量的信息通过电流有效值检测电路、电流过零检测电路处理提取焊接电流、动态电阻、电极位移特征信息。

步骤三、信息融合；

根据传感器测量特征信息和专家知识，建立信息融合模型：

$d=F[(I_w,\frac{\mathrm{dR}}{\mathrm{dt}},\frac{\mathrm{ds}}{\mathrm{dt}}),(\mathrm{\ΔR},\mathrm{Sm},t_w)]---\left(2\right)$

式(2)中d、I_w、 ΔR、Sm、t_w分别为熔核直径、焊接电流、动态电阻下降速率、电极位移上升速率、动态电阻下降值、电极位移峰值、焊接时间。

信息融合同时采用两种算法：一是热量调节算法，二是时间调节算法。

(1)热量调节算法

热量调节算法采用决策法和平均法相结合的方法。决策法是在同一特征的多值融合时，根据一定的准则，判决其一为融合值。判别的准则是利用经验知识，对各值给定可信度，选择可信度最大的值作为融合值。由决策法确定的多传感器特征信息决策表如下：

                 表1传感器特征信息决策表

特征信息	dR/dt	Iw	ds/dt
				可信度	0.1	0.9	0.8

可信度的值通过经验确定。根据点焊质量影响因素，焊接电流对质量的影响最大，为生产上主要调节参数，因此给定电流特征信息的可信度为最大。

平均法是针对多传感器对点焊熔核同一特征的感知，得到相同的特征值e_i(i为传感器个数)，根据一定的先验知识获得其权值a_i，将各值加权平均即可。由平均法得到的信息融合输出值如下：

$e=\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\·e_i/\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i---\left(3\right)$

式(3)中e为融合值，a_i为权值系数(i＝1，2，3)。a_i值通过试验确定。

一般将电极位移和动态电阻变化曲线分成三个阶段，即将其分为初始区(1～3周)、熔核形成区(4～8周)、稳定区(大于8周)三个阶段，并根据各个阶段不同情况，实施阶段控制。

                           表2传感器特征信息权值系数表

第一阶段			第二阶段			第三阶段
									a1	a2	a3	a1	a2	a3	a1	a2	a3
0	1.0	0	0.2	0.5	0.3	0	1.0	0

(2)时间调节算法

时间调节算法采用结合法和决策法相结合的方法，如表3。结合法是对于彼此作用独立，相互补充的传感器信息，进行叠加，以获得对熔核形成过程的多特征描述。

       表3多传感器时间特征信息决策表

ΔRe	ΔSme	Δt	∑2输出
				0	0	0	0
0	0	1	1
				0	1	0	1
0	1	1	1
				1	0	0	1
1	0	1	1
				1	1	0	1
1	1	1	1

表3中，ΔRe是给定的动态电阻下降值ΔRg与实时检测的电阻下降值ΔR_f的偏差，即ΔRe＝ΔRg_ΔR_f；ΔSm_e是给定的电极位移峰值Smg和实时检测的电极位移量Sm_f的偏差，即ΔSm_e＝Smg_Sm_f；Δt为设定的焊接周波数twg与实际测试的焊接周波数twf的偏差，即Δt＝twg-twf。

步骤四、控制算法选择；

系统采用模糊控制FUZZY和PID相结合的控制规律。当多传感器信息的融合输出值e较大，即e≥|E₀|时，采用模糊控制。当融合输出值较小，即e＜|E₀|时，采用PID控制。通过程序判断融合输出e的大小来进行控制方式的切换，E₀为阈值，E₀较小时，响应较快，但影响控制精度，取|E₀|＝0.5；

步骤五、输出功率调节

通过控制晶闸管的移相角来调节输出功率，FUZZY-PID调节器的输出与移相角成比例关系，经放大电路后去触发晶闸管。通过对表3的查表处理，来判定焊接过程的结束时刻，即当时间调节融合输出为“0”时，保持焊接过程的原有状态；当输出为“1”时，则表示熔核已达到设定的要求，切断焊接电源。

本发明的优点：1、采用三个焊接过程参数反映焊点信息，检测信息多。2、进行信息融合的信息来自于两个方面：一是传感器测量信息；二是专家知识信息。这两方面信息互为补充，从而获得熔核形成过程更全面的信息。3、采用结合法、决策法和平均法相结合的信息融合算法以及FUZZY-PID控制规律实施点焊质量监控，控制性能好，控制精度高。4、本发明适用于各种材料的电阻点焊。

附图说明

图1为本发明的结构组成方框图；

图2为网压同步电路原理图；

图3为触发信号放大电路原理图；

图4为电流过零检测电路原理图；

图5为电流有效值检测电路原理图；

图6为计算电流有效值的流程图；

图7为计算电极位移特征量的流程图；

图8为计算动态电阻的特征量流程图；

图9为基于多信息融合的FUZZY-PID控制系统示意图；

图10为基于多信息融合的FUZZY-PID控制程序流程图；

图11为电流有效值与峰值之比例系数Kp和峰值角函数f(N)的关系示意图。

图1中：1变压器，2反并联晶闸管，3电流传感器，4触发信号放大电路，5网压同步电路，6电流有效值检测电路，7电极位移传感器探头，8电流过零检测电路，9电极位移传感装置，10单片机控制系统。

具体实施方式

如图1所示，本发明的电阻点焊质量控制装置包括变压器1、反并联晶闸管2、电流传感器3、触发信号放大电路4、网压同步电路5、电流有效值检测电路6、电极位移传感器探头7、电流过零检测电路8、电极位移传感器9、单片机控制系统10。该装置输入电压采用单相380V工频交流电，输出接焊接工件。

其电路联接是：网压同步电路中的连接器2CON1的1、2脚分别与变压器(1)的L1、L2相连；网压同步电路中的连接器2CON2的1脚与电流过零检测电路的连接器4CON2的1脚相连，网压同步电路中的连接器2CON2的2、3脚与单片机控制系统的P1.0、P1.1脚相连，网压同步电路中的连接器2CON2的4脚与电流过零检测电路的连接器4CON2的3脚相连；触发信号放大电路中的连接器3CON2分别与晶闸管SCR1、SCR2的门极和阴极相连；触发信号放大电路中的连接器3CON1的1脚为稳压电源地，4脚为+12V，5脚为+24V，2脚与单片机控制系统中的FUZZY-PID调节器的输出相连；电流过零检测电路中的连接器4CON1与晶闸管SCR1、SCR2的阴极和阳极相连；电流过零检测电路中的连接器4CON2的2脚与单片机控制系统的外部中断 INT0相连；电流有效值检测电路中的连接器5CON1与电流传感器(3)相连；电流有效值检测电路中的连接器5CON2的1脚与单片机控制系统的外部中断INT1相连；电流有效值检测电路的连接器5CON2的2脚与单片机控制系统的P1.3脚相连。

本发明的具体工作过程：

由图1和图10可知，单相380V交流电经反并联晶闸管，加至主变压器T1，经变压器降压后，得到电阻焊要求的低电压大电流交流电，供给负载。在焊接第一周波，给定一个移相角触发晶闸管SCR1和SCR2，这时采集电流有效值、电极位移量、以及动态电阻值，送入单片机控制系统，经AD转换，特征信息提取，在信息融合中心对传感器信息和专家知识库中参数设定值进行融合处理，融合结果送入FUZZY-PID调节器，调节器的输出经DA转换，得到移相触发信号，经放大后触发晶闸管。通过调节晶闸管的移相角，即可实现输出功率调节。

本发明方法的具体实现步骤如下：

步骤一、信号采集；

首先检测与质量有关的电流、动态电阻、电极位移三个参数。

电流检测：将无铁心空心环形线圈套在变压器T1二次回路，其输出信号经变换电路送入单片机控制系统。

动态电阻检测：采用动态功率因子ctgβ的方法。通过同步电路和电流过零信号提取电路求得电流相对于电压的滞后角β，以ctgβ代替动态电阻。

电极位移检测：采用GS6100/7100系列光栅位移传感器(测量范围为10mm，测量分辨率为1um，测量精度为±1um，测量速度为Vmax＜200mm/s)。它由测量电路和传感探头组成，传感探头置于上下电极臂上，测量电路将光栅传感探头的输出信号进行放大、整形、倍频辨向、计数，最后转换为电信号输出，并送入单片机控制系统。

步骤二、特征信息提取；

提取三个测量参数的特征值信息并进行融合处理。焊接电流信号送入单片机后，通过附图6所示的计算机程序提取电流有效值。动态电阻信号送入单片机后，通过附图7所示的计算机程序提取动态电阻特征值。电极位移信号送入单片机后，通过附图8所示的程序提取电极位移特征值。

步骤三、信息融合；

三个特征信息分别与专家知识库中的给定值在信息融合中心进行比较，得到偏差信号，然后查表1和表2求出热量调节信息融合∑₁的输出值e。

步骤四、控制算法选择；

最后，根据信息融合的输出值e确定采用模糊控制FUZZY还是PID控制规律，见图10。FUZZY-PID的输出经变换电路后去控制晶闸管SCR1和SCR2。

步骤五、控制晶闸管调节电压。

同时计算机根据表3进行查表处理，当时间调节信息融合∑₂输出为“0”时，保持焊接过程的原有状态；当输出为“1”时，则表示熔核直径已达到设定的要求，切断焊接电源。

试验及测试结果

为了验证基于多传感器信息融合的质量监控方法的控制效果，采用自行研制的点焊控制器，在DN6-38型点焊机上进行试验，焊接材料为Q235A钢(δ＝1.2+1.2mm)和不锈钢(1Cr18Ni9Ti)(δ＝1.5+1.5mm)两种，焊接规范见表4，测试结果见表5。

                         表4点焊规范

                         表5测试结果

影响因素		分流影响(点距变化)	回路感抗增大	电极磨损φ＝7mm	无
						熔核直径〔mm〕	Q235A	4.6	4.7	4.6	5.0
1Cr18Ni9Ti	4.2	4.3	4.2	4.5

注：Q235A钢点焊时，点距为7mm，不锈钢点焊时，点距为8mm。回路感抗增大通过二次回路伸入70×80×1mm的钢板表示。

从表中数据可知，在分流、回路感抗、电极磨损等干扰作用下，焊点熔核直径的波动最大为8.9％。因此基于多传感器信息融合的FUZZY-PID控制方法能够较好的补偿点焊过程中各种因素的影响，保证点焊质量稳定。

Claims (3)

1、一种电阻点焊质量控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、信号采集：检测电流有效值并输入单片机控制系统，检测电极位移，测量焊点熔核热膨胀量即电极位移量，并通过传感器装置将电极位移信号进行放大、整形、倍频辨向、计数，转换成电信号输入单片机控制系统；

步骤二、提取特征信息：提取焊接电流、动态电阻、电极位移特征信息；

步骤三、信息融合：建立信息融合模型；

$d=F[(I_w,\frac{\mathrm{dR}}{\mathrm{dt}},\frac{\mathrm{ds}}{\mathrm{dt}}),(\mathrm{\ΔR},\mathrm{Sm},t_w)]$

式中d、I_w、

ΔR、Sm、t_w分别为熔核直径、焊接电流、动态电阻下降速率、电极位移上升速率、动态电阻下降值、电极位移峰值、焊接时间；

信息融合同时采用热量调节算法和时间调节算法；

步骤四、选择控制算法：系统采用模糊控制FUZZY和PID相结合的控制规律，当多传感器信息的融合输出值e较大，即e≥|E₀|时，采用模糊控制；当融合输出值较小，即e＜|E₀|时，采用PID控制；通过程序判断融合输出e的大小来进行控制方式的切换，E₀为阈值，E₀较小时，响应较快，但影响控制精度，取|E₀|＝0.5；

步骤五、调节输出功率：即通过控制晶闸管的移相角来调节输出功率。

2、实施权利要求1电阻点焊质量控制方法的控制装置，其特征在于包括变压器、反并联晶闸管、电流传感器、触发信号放大电路、网压同步电路、电流有效值检测电路、电流过零检测电路、电极位移传感器、单片机控制系统，其联接是网压同步电路中的连接器2CON1的1、2脚分别与变压器(1)的L1、L2相连；网压同步电路中的连接器2CON2的1脚与电流过零检测电路的连接器4CON2的1脚相连，网压同步电路中的连接器2CON2的2、3脚与单片机控制系统的P1.0、P1.1脚相连，网压同步电路中的连接器2CON2的4脚与电流过零检测电路的连接器4CON2的3脚相连；触发信号放大电路中的连接器3CON2分别与晶闸管SCR1、SCR2的门极和阴极相连；触发信号放大电路中的连接器3CON1的1脚为稳压电源地，4脚为+12V，5脚为+24V，2脚与单片机控制系统中的FUZZY-PID调节器的输出相连；电流过零检测电路中的连接器4CON1与晶闸管SCR1、SCR2的阴极和阳极相连；电流过零检测电路中的连接器4CON2的2脚与单片机控制系统的外部中断INT0相连；电流有效值检测电路中的连接器5CON1与电流传感器(3)相连；电流有效值检测电路中的连接器5CON2的1脚与单片机控制系统的外部中断INT1相连；电流有效值检测电路的连接器5CON2的2脚与单片机控制系统的P1.3脚相连，电流传感器和电极位移传感器将检测到的电信号通过网压同步电路、电流有效值检测电路、电流过零检测电路处理后送到单片机控制系统，单片机控制系统将该信号转换成可以处理的数字信号后送入特征信息提取单元，将提取的特征信息送入信息融合中心，经过融合处理的数据与专家知识库提供的设定参量进行比较，将比较的结果即偏差送入FUZZY-PID调节器，并设定一个偏差阈值，通过对偏差和偏差阈值的比较确定采用模糊控制FUZZY还是PID控制规律，调节器输出信号经触发信号放大电路后控制晶闸管，来调节点焊过程的热量和时间，最终实现对点焊质量的控制。

3、如权利要求1所述的电阻点焊质量控制装置，其特征在于所述单片机控制系统包括：特征信息提取单元、信息融合中心、专家知识库和FUZZY-PID调节器。

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