路向琨，趙中秋，劉 鋒，鄭 偉

(1.天津七所高科技有限公司，天津 300409；2.天津職業(yè)大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院，天津 300410)

0 引言

《中國制造2025》規(guī)劃中提到在2025年汽車整車質(zhì)量要平均減輕20%，單車用鋁合金達(dá)250 kg，而2019年單車用鋁僅130 kg，所以未來5年的年復(fù)合增速可達(dá)15%[1-2]。由于生產(chǎn)效率高、成本低等優(yōu)點，傳統(tǒng)車身制造過程中會大量使用到電阻點焊工藝，而由于鋁合金材料本身的特性導(dǎo)致其電阻點焊的控制方法較復(fù)雜，目前主流控制方式是監(jiān)測焊鉗電極壓力，根據(jù)壓力變化在焊接電流輸出幾十ms的時間內(nèi)對電流大小進(jìn)行調(diào)整，從而實現(xiàn)鋁合金的電阻點焊連接。

本文設(shè)計了基于壓電傳感器的電阻焊壓力采集系統(tǒng)，通過壓電傳感器測量設(shè)備在焊接過程中的微小形變，該形變與電極壓力變化正相關(guān)，從而實現(xiàn)間接測量電極壓力變化的目的。

1 系統(tǒng)設(shè)計

電阻點焊屬于壓焊，在焊接過程中通過上下電極將零件壓緊并施加一定時間的預(yù)壓力，通過控制器在電極兩端輸出電流，從而在兩個零件的壓緊位置處形成電阻熱，使零件達(dá)到融化和重新結(jié)合形成焊點的一種工藝方法[3]。電極兩端的焊接電流通常為7～40 kA，電流輸出時間一般持續(xù)50～300 ms。鋁合金材料受熱后由于熱脹冷縮會在上下電極間形成一定的膨脹力，控制器通過檢測該力的變化調(diào)整焊接電流的時間和大小，實現(xiàn)鋁合金零件的結(jié)合，因此壓力測量是鋁點焊控制中的核心要素。

焊接過程中電極壓力的變化可以造成設(shè)備的微小形變，該形變與電極壓力變化正相關(guān)，如圖1所示。本系統(tǒng)采用壓電傳感器，通過將傳感器安裝在設(shè)備變形最大位置處，通過測量該位置的形變實現(xiàn)間接測量電極間壓力變化的目的。本系統(tǒng)使用的焊接設(shè)備為WDB-400型固定式點焊機，最大輸出電流為45 kA，逆變頻率為1 kHz，質(zhì)量為1.5 t。該系列產(chǎn)品已經(jīng)大量應(yīng)用于一汽奧迪的鋼板焊接過程中。本設(shè)計是在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過增加壓力采集系統(tǒng)，為實現(xiàn)鋁合金零件的基于壓力的自適應(yīng)焊接提供了數(shù)據(jù)支撐。

2 硬件設(shè)計

壓力采集系統(tǒng)框圖如圖2所示，包括壓電傳感器、壓力采集電路、核心處理器、通信接口電路、I/O信號控制等，此外還包括電源電路、數(shù)據(jù)存儲等。系統(tǒng)電源取自焊接設(shè)備內(nèi)部的24 V直流電，通過金升陽電源模塊轉(zhuǎn)換出系統(tǒng)需要的各種電壓。電阻焊焊接過程中由于電流較大，會在電極周圍產(chǎn)生較強的磁場，對傳感器的穩(wěn)定性和可靠性提出了更高的要求，因此本系統(tǒng)選擇了抗干擾能力強的壓電傳感器。壓力采集電路通過積分電容采集傳感器輸出的電荷并將其轉(zhuǎn)換為可以被MCU提取的電壓信號。對外接口設(shè)計了3種方式，分別是RS422、以太網(wǎng)、WiFi，提供了靈活的數(shù)據(jù)傳輸方式。

2.1 壓電傳感器

測量應(yīng)變的傳感器大多采用應(yīng)變計，然而就某些特殊的應(yīng)用，有一定的局限。當(dāng)測量大的重型結(jié)構(gòu)的極小應(yīng)變時，與其他類型傳感器相比，壓電傳感器具有靈敏度高、耐高溫，抗電磁干擾，耐過載等優(yōu)點[4-5]。壓電原理的唯一局限是不能進(jìn)行長期靜態(tài)測量，但本系統(tǒng)的應(yīng)用中不需要靜態(tài)測量，而是將由電阻熱在ms級的焊接電流輸出時間內(nèi)導(dǎo)致的應(yīng)變的變化作為重要的觀察對象。

壓電傳感器通過沉頭螺釘緊固在設(shè)備表面，如圖3所示，直接將力、壓力等機械量轉(zhuǎn)換成電荷。這個電荷與作用在傳感器中石英晶體上的力成正比[6]。傳感器中的壓縮力增加會產(chǎn)生負(fù)電荷Q。采集電路反轉(zhuǎn)傳感器信號，輸出正電壓，如圖4所示。

2.2 采集電路

采集電路用于把電荷Q轉(zhuǎn)換成電壓Ua，屬于電荷電壓轉(zhuǎn)換器，采用積分器的電路原理。它的關(guān)鍵部件是一個具有極高內(nèi)部增益和極高輸入絕緣(Rg)的運算放大器以及一個高精度、低損耗的負(fù)反饋電容器(Cg)，其原理如圖5所示，并可在大多數(shù)情況下通過式(1)進(jìn)行近似計算。

(1)

通過模擬開關(guān)芯片DG441實現(xiàn)了積分電路的控制。為了防止測量過程中的零點漂移，在每個測量周期結(jié)束時，通過U1-58將負(fù)反饋電容器C142通過接入放電電阻R223進(jìn)行放電，使得輸出信號變?yōu)榱?，保證了每次開始采集時輸出都為零。通過U1-2控制是否接入積分電容，通過U1-5控制是否接入一組高的輸入電阻，電路如圖6所示。

2.3 核心處理器

采用GD32F103VCT6芯片作為主控芯片。該芯片基于ARM Cortex-M3內(nèi)核設(shè)計，具有高性能、低成本、低功耗以及片內(nèi)資源豐富等優(yōu)點，片內(nèi)具有256 KB閃存和48 KB的SRAM、3個12位的ADC、4個通用16位定時器等[7-8]。此外，還包含多種對外的通信接口，如CAN、USART、SPI等[9]。該芯片的工作頻率為72 MHz，供電電壓設(shè)計為3.3 V。其中數(shù)據(jù)存儲利用片內(nèi)高達(dá)256 KB的FLASH，節(jié)省了硬件成本。采用該芯片能夠滿足系統(tǒng)對高性價比和高精度的需求，能夠極大提高整個系統(tǒng)的執(zhí)行效率，增強系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2.4 通信接口電路

考慮到系統(tǒng)的實際應(yīng)用，采用了3種與外部的通信接口，分別是RS422、以太網(wǎng)、WiFi。RS422總線相比于RS485的優(yōu)點是支持全雙工模式，不用單獨對數(shù)據(jù)傳輸方向進(jìn)行控制，簡化了系統(tǒng)的軟件設(shè)計。硬件上采用SP3491芯片，DE引腳發(fā)送使能和R腳的接收使能直接通過上下拉電阻鉗位到使能，通過6個型號為SMAJ6.5CA的雙向穩(wěn)壓二極管把對外接口的對地電壓牽制到6.5 V以內(nèi)，保護(hù)RS422接口芯片。通過4個自恢復(fù)保險對引腳進(jìn)行過流保護(hù)，防止傳輸線上的電流過大引起芯片損壞。RS422的差分信號A+、B-、Y+、Z-接入對外接口P5上。硬件電路如圖7所示。

以太網(wǎng)和WiFi的連接采用Wport-W20模組，該模組可以將UART轉(zhuǎn)為2路以太網(wǎng)和無線WiFi的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，無線模式下可以在STA/AP/AP+STA之間進(jìn)行切換，同時支持基本的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，包括TCP/IP、Telnet、Modbus TCP Protocol。該模組采用3.3 V單電源供電，電路設(shè)計比較簡單，其電路如圖8所示。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件流程主要包括系統(tǒng)初始化、I/O信號檢測、積分電路控制、ADC數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)通信等模塊。系統(tǒng)設(shè)計時充分考慮了低功耗需求，若在20 min內(nèi)沒有接收到外部開始采集的信號，系統(tǒng)核心模塊自動進(jìn)入休眠模式，處于休眠的模塊由外部中斷喚醒。系統(tǒng)工作流程如圖9所示。

ADC數(shù)據(jù)采集利用了GD32的片內(nèi)12位ADC，并通過映射將ADC的轉(zhuǎn)換通道映射到DMA通道，ADC設(shè)置為連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，這樣可以在不中斷ADC的情況下，通過在定時器TIM2的定時中斷中讀取DMA映射值即可實現(xiàn)ADC的采集，其采樣頻率可以通過修改TIM2的中斷時間進(jìn)行修改，極大簡化了軟件設(shè)計的難度。

針對采集的電壓數(shù)據(jù)，在壓力標(biāo)定前需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，采用的方法為將最近采集的5個數(shù)據(jù)濾除最大值和最小值，對剩下的3個數(shù)據(jù)取平均值得到最終的壓力值，通過該方法可以在一定程序上排除外部干擾造成的信號抖動的問題。

壓力標(biāo)定采用線性差值算法計算出相應(yīng)的壓力值，具體公式如下：

(2)

式中：Un為比U小的第一個已標(biāo)定壓力值對應(yīng)的電壓；Un+1為比U大的第一個已標(biāo)定壓力值對應(yīng)的電壓；Fn為Un應(yīng)對的壓力值；Fn+1為Un+1對應(yīng)的壓力值。

具體代碼如下：

float Difference_Computation(float x，float x1，float y1，float x2，float y2)

{

float k,b,y;

k=(y2-y1)/(x2-x1);

b=y1 - k*x1;

y=k*x+b;

return y;

}

4 系統(tǒng)驗證

通過將本系統(tǒng)輸出的壓力曲線與MM-380A測試儀的壓力曲線進(jìn)行對比，驗證本系統(tǒng)的實用性和準(zhǔn)確性。其中MM-380A使用的傳感器是直接夾在電極兩端的直接測量式傳感器，型號為MA-771A-01。

上位機采用WinForm架構(gòu)，采用C#語言編寫，將MM-380A的壓力數(shù)據(jù)和本系統(tǒng)的壓力數(shù)值繪制在一張圖中進(jìn)行展示，如圖10所示，曲線a為本系統(tǒng)承受正向力側(cè)的壓力曲線，曲線b為MM-380A測量得到的壓力曲線，曲線c為承受負(fù)向力側(cè)的壓力曲線。從圖10可以看出，本系統(tǒng)采集的壓力曲線a與壓力表測量的曲線b基本一致，證明本系統(tǒng)可以正確反映焊接過程中電極兩端壓力的變化。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了基于GD32的高精度電阻焊壓力采集系統(tǒng)，系統(tǒng)利用壓電式傳感器間接檢測焊接過程中電極端的壓力變化，通過積分電路將壓電傳感器的輸出電荷轉(zhuǎn)換為電壓值，利用GD32內(nèi)置的A/D采集對電壓信號進(jìn)行提取，得到了焊接電加熱的短暫過程中電極端的壓力變化。系統(tǒng)具有完善的通訊接口和良好的可擴展性，采集的數(shù)據(jù)可實現(xiàn)有線或無線傳輸。實際應(yīng)用表明：該系統(tǒng)具有高性價比、低功耗、測量精度高等特點，滿足現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的要求，有著廣闊的應(yīng)用前景。