電阻點(diǎn)焊監(jiān)控系統(tǒng)仿真調(diào)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)

梅冬勝，李冬青，張忠典，魏艷紅

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001)

電阻點(diǎn)焊監(jiān)控系統(tǒng)仿真調(diào)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)

梅冬勝，李冬青，張忠典，魏艷紅

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001)

針對(duì)電阻焊監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)周期長(zhǎng)，成本高和調(diào)試?yán)щy等問(wèn)題，提出了一種利用仿真調(diào)試作為電阻焊監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)階段主要調(diào)試手段的方法。根據(jù)電阻焊過(guò)程中電信號(hào)的特點(diǎn)，以8位單片機(jī)為核心，開發(fā)了電阻焊監(jiān)控系統(tǒng)仿真調(diào)試的通用平臺(tái)，重點(diǎn)介紹了仿真調(diào)試平臺(tái)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，該平臺(tái)可以在不作大幅度修改的情況下，只需修改系統(tǒng)的軟件，就可以滿足不同監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)試要求。試驗(yàn)結(jié)果表明該平臺(tái)能夠準(zhǔn)確模擬出電阻焊過(guò)程中的電參數(shù)，達(dá)到了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

電阻點(diǎn)焊監(jiān)控；調(diào)試方法；仿真平臺(tái)；單片機(jī)

0 前言

電阻點(diǎn)焊是一種利用電阻產(chǎn)熱的焊接方法。由于其具有較高的生產(chǎn)效率，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和與其他制造工藝一起組成高速生產(chǎn)流水線，因此在汽車行業(yè)和航空部門得到了廣泛的應(yīng)用。但是在實(shí)際的點(diǎn)焊生產(chǎn)過(guò)程中，不可避免地出現(xiàn)一些影響點(diǎn)焊質(zhì)量的因素，如網(wǎng)壓波動(dòng)、分流、二次電纜的勞損、電極磨損等，使焊點(diǎn)質(zhì)量出現(xiàn)波動(dòng)，所以需要對(duì)點(diǎn)焊過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。許多研究表明焊接過(guò)程的電參數(shù)與焊點(diǎn)質(zhì)量有密切聯(lián)系[1-4]，所以監(jiān)控電參數(shù)是保證焊點(diǎn)質(zhì)量的有效途徑。

在監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)試的初始階段，由于存在很多硬件設(shè)計(jì)和軟件編程方面的問(wèn)題，如果直接應(yīng)用實(shí)際的點(diǎn)焊過(guò)程進(jìn)行調(diào)試，由于焊接過(guò)程時(shí)間較短，焊接參數(shù)的可調(diào)范圍比較窄，不僅增加調(diào)試時(shí)間，而且會(huì)造成很大的人力和物力的浪費(fèi)。本研究針對(duì)以上問(wèn)題，利用單片機(jī)作為核心開發(fā)了電阻焊仿真調(diào)試平臺(tái)，該平臺(tái)能夠模擬出電阻焊監(jiān)控系統(tǒng)所需要的焊接電壓和電流信號(hào)，能夠很好的滿足實(shí)際監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)試。

1 電阻點(diǎn)焊電路分析

首先分析廣泛應(yīng)用的利用晶閘管控制的焊機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖1所示。電路包括晶閘管、變壓器、電阻和電感。其中AC Power代表380 V交流正弦波電源，VT為晶閘管。利用兩個(gè)反向并聯(lián)的晶閘管分別在正負(fù)半波導(dǎo)通來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接通電時(shí)間和電流大小的控制。RL為負(fù)載電阻，它在點(diǎn)焊過(guò)程中是時(shí)刻變化的，也稱為動(dòng)態(tài)電阻[5]。

圖1 電阻點(diǎn)焊機(jī)電路示意

采用晶閘管作為電力開關(guān)，兩晶閘管反向并聯(lián)后串接在焊接變壓器的一次側(cè)回路中。改變晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，便可調(diào)節(jié)焊接變壓器一、二次側(cè)回路的焊接電流。焊機(jī)的變壓器和二次回路具有相當(dāng)大的電感，當(dāng)接入正弦電壓時(shí)，變壓器一次或二次電流不能立即達(dá)到其最終的穩(wěn)態(tài)值，只有在晶閘管的觸發(fā)角等于負(fù)載功率因數(shù)角時(shí)接通，系統(tǒng)才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)。在其余情況下，過(guò)渡過(guò)程中電流瞬時(shí)值同觸發(fā)角和負(fù)載功率因數(shù)角有關(guān)。對(duì)于感性負(fù)載，當(dāng)電源電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)因電流還沒(méi)有到零，晶閘管需滯后某一角度關(guān)斷[6]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)晶閘管控制的電阻焊電參數(shù)的波形特點(diǎn)，開發(fā)了仿真調(diào)試平臺(tái)的硬件電路，如圖2所示。利用220 V轉(zhuǎn)9 V的變壓器將電信號(hào)引入電路中，同時(shí)獲取電網(wǎng)電壓信號(hào)。將電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)移相電路，放大電路和兩組反向并聯(lián)的二極管，輸出模擬的原端電流與電壓轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)，并模擬出電壓與電流之間的相位差。利用DK1和SK1的通斷控制模擬的原端電流的有無(wú)。原端電流-電壓轉(zhuǎn)換后的信號(hào)經(jīng)過(guò)微分電路得到模擬的次級(jí)電壓信號(hào)。由原端電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓比較器，輸出脈沖信號(hào)，供控制電路進(jìn)行計(jì)數(shù)。

圖2 仿真調(diào)試平臺(tái)模擬電信號(hào)硬件電路

仿真調(diào)試平臺(tái)的控制電路由89C51單片機(jī)、外置開關(guān)、撥碼開關(guān)、繼電器和其他外圍電路組成，如圖3所示。外置開關(guān)與P3.2口相連接，用以模擬點(diǎn)焊焊槍。將SK1和DK1的控制端口與P1.6端口連接，由單片機(jī)控制電流的通斷。單片機(jī)的P0口和P2口分別連接一個(gè)8位的撥碼開關(guān)，用以設(shè)置模擬調(diào)試平臺(tái)的預(yù)壓時(shí)間、焊接周波數(shù)和維持時(shí)間。將圖3的T0口產(chǎn)生的脈沖信號(hào)連接到P3.4端口，利用撥碼開關(guān)設(shè)定的參數(shù)與P3.4的方波確定點(diǎn)焊過(guò)程各個(gè)階段的時(shí)間。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)的硬件電路，利用匯編語(yǔ)言編寫系統(tǒng)的軟件。為了調(diào)試方便，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)模擬，即開關(guān)按下一次代表一次焊接過(guò)程。當(dāng)系統(tǒng)去抖動(dòng)后確定開關(guān)閉合時(shí)，清P1.0端口使繼電器閉合，輸出高電平通知點(diǎn)焊監(jiān)控設(shè)備焊接過(guò)程開始。讀取P0端口8位撥碼開關(guān)的數(shù)據(jù)，對(duì)P3.4輸入的方波信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)達(dá)到撥碼開關(guān)確定數(shù)據(jù)后，模擬的點(diǎn)焊預(yù)壓時(shí)間結(jié)束。讀取P2端口的8位撥碼開關(guān)數(shù)據(jù)，置位P1.6，使SK1與DK1斷開，輸出原端電流-電壓轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)，計(jì)數(shù)P3.4端口的方波，當(dāng)達(dá)到預(yù)定值以后，清P1.6端口，通電過(guò)程結(jié)束。為了設(shè)計(jì)方便，模擬平臺(tái)的維持階段時(shí)間與預(yù)壓階段的時(shí)間相同，調(diào)試平臺(tái)控制模擬點(diǎn)焊周波數(shù)的程序框圖如圖4所示。為了能夠滿足在某些條件下需要多脈沖點(diǎn)焊監(jiān)控設(shè)備的調(diào)試，在不改變硬件的條件下，在上述的通電結(jié)束以后，延時(shí)幾個(gè)周波，重復(fù)圖4的通電過(guò)程，可以模擬多脈沖的點(diǎn)焊過(guò)程。

圖3 仿真調(diào)試平臺(tái)的硬件控制電路

圖4 模擬點(diǎn)焊通電時(shí)間控制程序框圖

4 試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證本研究提出的基于單片機(jī)的電阻點(diǎn)焊仿真調(diào)試平臺(tái)的合理性和可靠性，對(duì)仿真平臺(tái)模擬的各個(gè)電信號(hào)進(jìn)行了測(cè)量。圖5為模擬的原端電流與P3.4端口方波的信號(hào)，從圖中可以看出P3.4端口的方波與電流信號(hào)很好吻合，說(shuō)明系統(tǒng)能夠利用P3.4輸出的方波信號(hào)控制電流的通斷時(shí)間。

5 結(jié)論

(1)利用設(shè)計(jì)的電阻點(diǎn)焊仿真調(diào)試平臺(tái)對(duì)點(diǎn)焊監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，縮短了監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)試時(shí)間。

(2)設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為核心的電阻點(diǎn)焊監(jiān)控系統(tǒng)仿真測(cè)試的通用平臺(tái)，可以模擬出點(diǎn)焊過(guò)程的電壓和電流信號(hào)。

圖5 模擬焊接電流波形

(3)利用兩個(gè)8位的撥碼開關(guān)，精確模擬出點(diǎn)焊各個(gè)階段的時(shí)間。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)軟件稍微改動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)多脈沖焊接過(guò)程的模擬。對(duì)輸出的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果表明此設(shè)計(jì)能夠準(zhǔn)確模擬電阻點(diǎn)焊電參數(shù)信號(hào)。

[1]張鵬賢，李 娟，陳劍虹.交流電阻點(diǎn)焊計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)[J].電焊機(jī)，2006，36(12)：35-37.

[2] Cullen J D，Athi N.Multisensor fusion for on line monitoring on the quality of spot welding in automotive industry[J].Measurement，2008，41(4)：412-423.

[3]Mei D S，Li D Q，Zhang Z D.On-line monitoring method for electrode invalidation during spot welding of zinc-coated steel[J].Materials Science and Engineering，2009，499(1-2)：279-281.

[4]王 凱，李冬青，張忠典.低碳鋼點(diǎn)焊噴濺的動(dòng)態(tài)電阻特征參量[J].焊接學(xué)報(bào)，2006，27(7)：97-100.

[5]方 平，熊麗云.點(diǎn)焊有效值神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)計(jì)算方法研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2004，40(11)：148-152.

[6]趙熹華.壓力焊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

Design of simulation and debugging platform for resistance spot welding monitoring system

MEI Dong-sheng，LI Dong-qing，ZHANG Zhong-dian，WEI Yan-hong
(Harbin Institute of Technology，State key laboratory of advanced welding and joining，Harbin 150001，China)

To solve the problems of long cycle，high cost and debugging difficulty in development of resistance spot welding monitoring system，the simulation debugging method was proposed as the tool for system primary debugging.Based on the features of electric signals，the simulation and debugging platform for resistance spot welding monitoring system adopted 8 Bit MCU as the core was developed，the hardware and software designs were introduced in detail，it could be satisfied with various monitoring system debugging only with software regulation.The test results indicate the platform can accurately simulate the electric signals in resistance spot welding,and meet the design challenges.

resistance spot welding monitoring system；debugging method；simulation platform；MCU

TG438.2

A

1001-2303(2011)10-0036-03

2011-02-24；

2011-07-17

梅冬勝(1981—)，男，江蘇人，博士，主要從事焊裝車間信息化監(jiān)控和信息管理研究工作。