張 軍，黃東龍，李 強(qiáng)，白立來，張永強(qiáng)

(1.北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124；2.無錫市東大電力自動化設(shè)備有限公司，江蘇 無錫 214001)

基于嵌入式系統(tǒng)的電阻點焊飛濺信息在線判讀

張 軍1，黃東龍1，李 強(qiáng)1，白立來1，張永強(qiáng)2

(1.北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124；2.無錫市東大電力自動化設(shè)備有限公司，江蘇 無錫 214001)

鋼材的電阻點焊過程中，動態(tài)電阻的變化表征了豐富的焊接質(zhì)量信息。采用嵌入式系統(tǒng)實時監(jiān)測焊接過程動態(tài)電阻的變化有利于提高對焊接質(zhì)量的認(rèn)識。設(shè)計了嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)同時監(jiān)測焊接電流、電極間壓力和電極間的電壓、電極位移信號。分析了雙相鋼DP600焊接過程中的動態(tài)電阻變化與焊點熔核之間的關(guān)系，并闡明用焊點兩端的電壓信號替代動態(tài)電阻來分析焊點質(zhì)量的原理。在嵌入式系統(tǒng)上實現(xiàn)了動態(tài)范圍圖(DR)法，用該方法分析焊點兩端的電壓信息可在線獲取在雙相鋼焊接中焊點的飛濺信息。

嵌入式系統(tǒng)；電阻點焊；動態(tài)電阻；動態(tài)范圍圖

0 前言

焊接產(chǎn)品的合格率直接決定了焊接加工企業(yè)的效益和企業(yè)形象，焊接質(zhì)量的在線監(jiān)測是提高產(chǎn)品合格率的一種有效手段。國內(nèi)外學(xué)者通過檢測電阻點焊過程的單個或者多個參數(shù)實現(xiàn)焊接質(zhì)量的在線判讀，利用電極壓力、電極電壓和焊接電流來提取焊接過程質(zhì)量。文獻(xiàn)[1]中，基于電信號和力信號預(yù)測焊點質(zhì)量的方法，為在線檢測焊點信息提供了探索；文獻(xiàn)[2]中，采用動態(tài)電阻、焊接電流、電極位移等信號提取焊接質(zhì)量特征信息，研究了特征信息和焊點抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系；文獻(xiàn)[3-5]研究了采用不同方法判讀焊接質(zhì)量；文獻(xiàn)[6]采用機(jī)器視覺的方法來監(jiān)測焊接質(zhì)量。這些文獻(xiàn)集中研究了信號的分析手段，為焊接過程信息化做出了探索。在此以ARM內(nèi)核微控制器作為平臺，設(shè)計了嵌入式監(jiān)測平臺，用于實現(xiàn)焊接過程參數(shù)的檢測；采用移動范圍圖法，實現(xiàn)了智能判斷焊接過程的飛濺缺陷。

1 利用移動范圍圖檢測DP600雙相鋼電阻點焊飛濺信息的機(jī)理

電阻點焊動態(tài)電阻是不斷變化的。DP600雙相鋼動態(tài)電阻隨時間變化曲線如圖1所示，縱軸單位毫歐，橫軸表示在時間序列上的動態(tài)電阻樣本。由圖1可知，焊接開始階段，在壓力和電流的共同作用下，焊接區(qū)溫度快速升高，試件表面的氧化膜迅速燒結(jié)，粗糙的表面迅速瓦解，動態(tài)電阻陡降；隨著焊接時間的推進(jìn)，表面接觸電阻的減少受到限制，動態(tài)電阻緩降；同時，焊接區(qū)的溫度升高，材料內(nèi)阻增加，動態(tài)電阻有一個微小的上升趨勢；在此之后，材料熔化，液態(tài)金屬電阻率更小，動態(tài)電阻再次緩降。在動態(tài)電阻再次緩降期，動態(tài)電阻降低得越多，說明熔化的液相金屬就越多，焊點無飛濺時，熔核直徑越大，但是過多的液相金屬在電極力的作用下易導(dǎo)致后期飛濺，飛濺產(chǎn)生時，動態(tài)電阻發(fā)生突變。動態(tài)電阻在再次緩降期內(nèi)急劇變化，可以作為飛濺產(chǎn)生的特征信息。

圖1 DP600雙相鋼動態(tài)電阻曲線

2 嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)功能描述

電阻點焊是力和電同時作用的過程。嵌入式檢測系統(tǒng)同時采集電極壓力、電極位移、焊接電流和電極電壓四路信號，采集的數(shù)據(jù)按照一定的管理模式存儲在SD卡存儲器中，監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計了嵌入式數(shù)據(jù)管理軟件，便于數(shù)據(jù)的查找；系統(tǒng)采用觸摸屏實時顯示所采集的參數(shù)曲線。

2.2 嵌入式監(jiān)測平臺硬件設(shè)計

嵌入式點焊監(jiān)測系統(tǒng)以ARM內(nèi)核的STM32F103 VET6微處理器為控制核心。如圖2所示，基于該微控制器建立的嵌入式平臺包括I／O接口、PS2接口、ADC接口、RS232接口和SD卡接口。

I／O接口用來接入起動焊接過程的開關(guān)(腳踏開關(guān))和報警指示；PS2接口用于擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)小鍵盤，小鍵盤用于輸入字符或者數(shù)字；ADC接口連接傳感器的信號調(diào)理電路，用于采集焊接過程信號；RS232接口用于連接觸摸屏，觸摸屏即可顯示采集的結(jié)果和輸入一些控制信號；8 GB容量的SD卡能夠存儲大量的實驗過程，微控制器采集的數(shù)據(jù)通過SD卡接口傳入SD卡。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)框圖

壓力、位移傳感器安裝如圖3所示。壓力傳感器采用壓電式傳感器，傳感器串入氣缸加壓回路中，用于測量氣缸施加在電極棒上的力；位移傳感器采用線性可變差動變壓器(LVDT)式傳感器，線圈靜止，固定在上電極臂上，鐵心隨電極棒而動，位移傳感器測量電極棒和上電極臂之間的相對位移；基于霍爾式磁場測量芯片SS496的電流傳感器通過測量電極周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度，計算出電流的大??；電極電壓則利用導(dǎo)線直接拾取兩個電極之間的電壓并分壓獲得。這些焊接過程的參數(shù)經(jīng)信號調(diào)理后接入嵌入式監(jiān)測平臺的數(shù)據(jù)采集(ADC)通道。

南海海洋環(huán)境日益惡化，生物資源迅速衰退的現(xiàn)實已擺在南海各國面前。包括南海地區(qū)在內(nèi)的世界各大海域都已清醒認(rèn)識到，海洋是人類的公有地和共同財富，海洋環(huán)境保護(hù)是沿岸國家的共同責(zé)任。南海周邊國家也早已認(rèn)識到，只有共同合作才能真正有效地應(yīng)對海洋環(huán)境污染和生態(tài)退化。早在2002年的《南海各方行為宣言》中，南海各國就明確了海洋環(huán)保合作的意愿和決心，但是16年過去了，海洋環(huán)保合作的機(jī)制化建設(shè)仍未正式開啟。

圖3 傳感器安裝示意

2.4 嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.4.1 數(shù)據(jù)采集程序

數(shù)據(jù)采集程序，首先初始化ADC模塊，設(shè)置掃描模式、轉(zhuǎn)換通道、ADC轉(zhuǎn)換時鐘、采樣周期等參數(shù)，初始化流程如圖4所示。

圖4 ADC初始化流程框圖

采集軟件采用規(guī)則通道組轉(zhuǎn)換的掃描模式，用于掃描一組模擬通道，模擬通道設(shè)置為四個通道，分別監(jiān)測焊接過程中的電壓、電流、壓力和位移信號。起動A／D轉(zhuǎn)換后，ADC模塊依次對四個模擬通道進(jìn)行掃描、轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換所得的結(jié)果通過DMA存儲在SRAM中。

2.4.2 嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)的特征信息提取

信息蘊(yùn)含于數(shù)據(jù)之中，從大量的數(shù)據(jù)中挖掘出有用信息是提取特征信息的途徑。SPC領(lǐng)域有多種數(shù)據(jù)壓縮、信息提取的方法，其中統(tǒng)計控制圖是統(tǒng)計過程控制中最典型的方法。統(tǒng)計過程控制理論認(rèn)為，生產(chǎn)過程的參數(shù)受到偶然因素和系統(tǒng)因素影響，偶然因素影響造成的參數(shù)波動被認(rèn)為生產(chǎn)過程處于受控狀態(tài)，系統(tǒng)因素造成的參數(shù)波動被認(rèn)為生產(chǎn)過程處于失控狀態(tài)。如果掌握了參數(shù)波動的現(xiàn)象和系統(tǒng)因素之間的對應(yīng)關(guān)系，則可以通過檢測參數(shù)的波動，在線智能判讀是否出現(xiàn)了導(dǎo)致生產(chǎn)過程失控因素。

嵌入式檢測系統(tǒng)采集力、位移和電信號。所采集到的參數(shù)是連續(xù)的信號，在這些信號中的一些突變信息有對應(yīng)的物理本質(zhì)。在嵌入式檢測系統(tǒng)上采用移動范圍圖(MRC)實現(xiàn)了這些突變信號的智能化提取。移動范圍圖將樣本合理劃分成若干個“分塊”，求取每個“分塊”中的范圍(即最大值和最小值的差值)，根據(jù)這些求得的“范圍”畫控制圖，可用于觀察加工過程參數(shù)的分散性。在嵌入式檢測系統(tǒng)上可將移動范圍圖應(yīng)用于不同的變量，觀察這些變量的分散性，即這些變量的突變情況。移動范圍圖的建立步驟如下：

(1)計算范圍圖。

(2)確定控制域。

a.計算范圍絕對值的均值μ，對K-n+1組數(shù)據(jù)的范圍的絕對值求標(biāo)準(zhǔn)差σ。b.確定控制域為μ±3.09·σ或μ±3·σ。

3 監(jiān)測系統(tǒng)在雙相鋼DP600中的應(yīng)用

3.1 實驗條件

選用厚1.3 mm的雙相鋼DP600進(jìn)行點焊，實驗試片尺寸為100 mm×30 mm，搭接量30 mm，實驗前用砂紙打磨除銹，用丙酮溶液清洗。選用自制中頻直流點焊機(jī)進(jìn)行實驗，焊機(jī)容量為90 kVA，最大焊接電流19kA；采用氣缸加壓，最大電極壓力6100N；電極頭直徑8 mm；電流、壓力時序如圖5所示。分別采用三個規(guī)范(只有焊接電流發(fā)生變化，其他均相同)進(jìn)行實驗，如表1所示。

圖5 電流、壓力-時間曲線示意

表1 焊接規(guī)范

3.2 信號特征

在雙相鋼DP600的焊接過程中，由于焊前有工件表面清理工序，所以前期飛濺非常少，一般為后期飛濺，即因為熱量輸入過多導(dǎo)致過多的熔融金屬而產(chǎn)生飛濺。圖6給出了三個實驗過程在焊接階段動態(tài)電阻變化曲線，1#和2#實驗動態(tài)電阻在焊接的后期，變化較??；而3#實驗在焊接后期的動態(tài)電阻有明顯的突變特征，即飛濺的特征信息。

圖6 動態(tài)電阻曲線

實驗所用焊接設(shè)備是中頻逆變電源，焊接時恒電流輸出，所以當(dāng)焊接過程中存在動態(tài)電阻突變時，信號的突變在電極電壓上有所反映。圖7為兩個焊點的電壓隨時間變化的曲線，在有飛濺的焊接過程中，焊接電極電壓有明顯的特征信息。因此，通過提取電極電壓數(shù)據(jù)中的特征信息也可以判讀焊點的飛濺情況。

圖7 電極電壓曲線

3.3 特征信號提取方法

由圖6、圖7可知，動態(tài)電阻和電極電壓均有表征飛濺信息的突變信號，即從電極電壓信號上可提取飛濺的特征信息。為了提取該特征信息，將移動范圍圖應(yīng)用于電極電壓信號。移動范圍圖中最重要的參數(shù)是范圍所包括的樣本數(shù)和控制限。

移動范圍圖首先要確定范圍(即數(shù)據(jù)分塊)所包括的樣本數(shù)。在實際應(yīng)用中，單通道采樣頻率為10 kSPS(樣本每秒)，焊接電源的逆變頻率1 kHz，若范圍所包括的樣本數(shù)較小，則逆變電源輸出電流的紋波會影響范圍的值；K值太大則降低了時間分辨率，無法確定非受控狀態(tài)發(fā)生的時刻。根據(jù)試驗，在此選K＝25。

在標(biāo)定控制限時是根據(jù)范圍的K值查表確定標(biāo)準(zhǔn)差因子，然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差因子確定控制限。本研究中，控制限是根據(jù)實際實驗結(jié)果訓(xùn)練得到的，在此標(biāo)準(zhǔn)差因子取3。為了滿足實時檢測的需要，焊接條件一致的焊接過程取相同的控制限，由于實驗中的樣本標(biāo)準(zhǔn)差在0.6～0.7，范圍的平均值在接近0.1，在此只取高控制限值，根據(jù)移動范圍圖高控制限計算公式可知

式中 N為總的樣本數(shù)；Xi為第i個樣本的值。

本研究中，焊接時間200 ms，由于通電和斷電的瞬間，電壓變化劇烈，所以在繪制移動范圍圖時，將通電開始的10個ms和斷電前的10個ms去除，以免發(fā)生誤判，所以在移動范圍圖中只有180 ms內(nèi)采集的樣本，樣本容量是1 800。如圖8所示，圖中超過控制線的點對應(yīng)3#焊接過程的飛濺發(fā)生的時刻，沒有超過控制線的動態(tài)范圍圖是對應(yīng)1#焊接過程。

圖8 1#和3#焊接過程電極電壓的動態(tài)范圍

4 結(jié)論

(1)建立了基于嵌入式系統(tǒng)的電阻點焊信息化平臺，采集焊接過程中電極壓力、電極位移和電信號等，為電阻點焊信息化提供了技術(shù)支撐。

(2)在嵌入式監(jiān)測平臺上實現(xiàn)了電極電壓的動態(tài)范圍圖，用該方法監(jiān)測焊接過程參數(shù)的異常變化。

(3)在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于雙相鋼DP600的電阻點焊中，可以智能判讀焊點飛濺信息。

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Application and development on embedded online monitoring system for resistance spot welding

ZHANG Jun1，HUANG Dong-long1，LI Qiang1，BAI Li-lai1，ZHANG Yong-qiang2
(1.College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China；2.Wuxi Dongda Power Electronic Device＆Automation Co.，Ltd.，Wuxi 214001，China)

During the process of steel resistance spot welding，there are a lot of information on welding quality in the variety of dynamic resistance.Using embedded system to online monitoring the resistance of spot welding can improve the understanding on welding quality.The online monitoring system was developed to monitor welding current，electrode pressure，voltage between electrodes and displacement of electrode synchronously.Analyzed the relationship between the variety of resistance and the welding nugget information in the dual-phase steel DP600 spot welding，and introduced the principle on using the voltage signal instead of dynamic resistance to analysis welding quality.On the embedded system the Dynamic Range Chart method was used to analysis the splash information in DP600 spot welding.

embedded system；resistance spot welding；dynamic resistance；dynamic range chart

TG438.2

A

1001-2303(2011)10-0021-04

2011-05-05

張 軍(1975—)，男，山東單縣人，博士，主要從事過程控制、中厚鋼板自動化焊接工藝和裝備的研究工作。