點焊規范參數實時在線監測系統

白志范，蔡洪豐，王文權

（吉林大學材料科學與工程學院，吉林長春130022）

點焊規范參數實時在線監測系統

白志范，蔡洪豐，王文權

（吉林大學材料科學與工程學院，吉林長春130022）

在不更換原來點焊控制器的基礎上，增加價格不高的實時監測系統，實時監測焊接電流、電極壓力以及電纜線損壞程度等焊接規范參數。通過單片機內部A/D轉換和逐點積分法實現對焊接電流、焊接電纜兩端電壓、電極壓力的監測和有效值的計算。通過計算電纜線電阻的方法判斷焊接電纜損壞的程度，結果表明，以ATMEGA128為核心的電阻點焊規范參數實時監測系統能夠有效監測以懸掛式點焊機為代表的工頻交流點焊機的焊接參數，并且可以把相關數據發送到計算機上，實現焊裝車間電阻點焊的網絡化管理。

電阻點焊；規范參數；實時監測

0 前言[1]

隨著國民經濟的發展，鐵路客車及汽車生產產量逐年攀升，汽車工業作為國民經濟的支柱產業之一。軌道客車車體和汽車車身生產所使用的鋼板主要是薄板，厚度1.0～3.0 mm，接頭形式以搭接為主，電阻點焊是最合適的焊接方法。在產品的生產過程中，每一個焊點的焊接質量直接影響著產品的質量。懸掛式點焊機使用水冷二次電纜，電纜長度約2.5 m，壽命約6個月。當電纜的導線產生破斷的時候，并不容易被發現，只有在最后全部破斷無焊接電流時候才會被發現。在電纜導線破損初期，就會引起焊接電流下降，焊核尺寸不足，強度下降，嚴重時還會無法形核，影響產品的質量。懸掛式點焊機的電極帽也是易損零件，焊接了一定數量的焊點之后，電極帽的尺寸增大，導致焊接電流密度下降，焊核尺寸不足。另外，在網壓波動、電極壓力不穩定的時候，也會影響焊接質量。

在不更換原來點焊控制器的基礎上，增加價格不高的實時監測系統，實時監測焊接電流、焊接電壓、電極壓力以及電纜線損壞程度等焊接規范參數。點焊規范參數系統還具備與上位機（服務器）保持通信的功能，這樣就把車間所有的點焊機用一臺或者幾臺服務器管理起來，對于焊接質量的提高具有實質的推動作用，減少了產品的廢品率，節約了成本，提升了產品的競爭力。

1 監測原理

懸掛式點焊機采用的是恒電流控制器[1]。恒電流控制法的監控原理為：在焊接過程中，對焊接電流有效值進行實時反饋監控和調節，當電流與規定值不相符時，調整晶閘管的導通角，使焊接電流穩定在一定的范圍之內[2]。恒電流控制法的缺點是對電極壓力波動、電極磨損、分流以及材料表面狀態變化等影響因素的補償作用不大。鑒于恒電流控制器的特點，在焊接電纜損壞初期，電流并沒有發生多少變化，而此時焊接質量已經發生了明顯的變化。

1.1 電流有效值、焊極壓力監測

電流有效值、電壓有效值、焊極壓力參數的監測：通過電流傳感器、電壓傳感器、壓力傳感器輸出的信號經過調理電路之后，再通過單片機內部A/D轉換，實現數據的采集和處理。

根據奈奎斯特采樣定理，當采樣頻率大于信號中最高頻率的兩倍時，采樣之后的數字信號完整地保留了原始信號中的信息。工頻交流點焊機的電流頻率是50 Hz，20次諧波的頻率是1 kHz，一般實際應用中保證采樣頻率為信號最高頻率的5～10倍，即采樣頻率為5～10 kHz。

計算電流有效值的常用方法有三種：峰值角計算法、導通角系數法、逐點積分法。由于本研究測得的數據量很大，且焊接電纜電阻很小，所以精度成為首要考慮因素，加之計算是在焊點的間隙時間，計算時間十分充裕，因此優先選用逐點積分法。

根據逐點積分法的計算公式

MEGA128內置8路10位精度的A/D轉換器，足以滿足要求。在理想情況下，A/D連續轉換的時間間隔是固定的，通過選擇合適的ADC時鐘，可以滿足采樣速度和精度的要求。

1.2 電纜損壞程度監測

根據恒電流控制器的特點，監測點焊機焊接電纜損壞程度的方法是計算焊接電纜電阻。

2 系統硬件設計

2.1 硬件總體設計

點焊規范參數的實時監測系統主要由上位機和下位機組成，下位機包括傳感器、信號調理電路、單片機、外部ram、警報電路、程序下載電路、串口收發電路，如圖1所示。上位機使用串口助手軟件。

2.2 單片機

從單片機的價格、性能、片內資源、開發環境、芯片的常用性等考慮，本研究采用ATMEL公司生產的ATMEGA128A-AU單片機，ATMEGA128A-AU具有豐富的片內資源，是帶128 KB Flash程序存儲器的可編程8位微控制器，具有高性能、低功耗的特點，是AVR單片機中功能強大的單片機。

2.3 傳感器

（1）電流傳感器。

目前，電阻點焊過程中的焊接電流測量主要采用分流器法、電流互感器法、霍爾元件法和羅氏線圈法（次級回路空心線圈法）等。

羅氏線圈電流傳感器沒有磁飽和及磁滯效應，具有結構簡單、質量輕、體積小、頻帶寬、動態范圍大、絕緣性好、撓性線圈便于安裝等優點，被廣泛應用于電阻點焊的焊接電流測量。

本研究選用羅氏線圈作為電流傳感器，羅氏線圈電流傳感器主要應用在焊接次級回路。

（2）電壓傳感器。

對于次級回路的電壓或者焊接電纜的壓降可以直接從電極或者電纜兩端引出兩條導線，這種安裝方式可以直接采集點焊過程中電極兩端的電壓值，能夠最直接反映點焊過程中上下電極間電壓的變化情況[4]。

（3）壓力傳感器。

電極力是采用氣閥（對氣壓式焊機）或者液壓閥（對液壓式焊機）調節的，它的反應速度較慢，對壓力變化不敏感。近幾年已經發展了數字式氣壓閥，調節精度可達9.8 N以下，并用微機控制，可以做到電極力基本平穩，所以監測氣路的氣壓也能反映電極的壓力。氣壓傳感器在電源供電的情況下，可以輸出0～5 V的電壓信號，提供給單片機用來采集壓力。

2.4 調理電路

調理電路框圖如圖2所示。

（1）電流信號調理。

羅氏線圈輸出的感應電動勢與電流信號的微分成正比，因此，經過積分電路以后再經過多重反饋濾波電路LPF、精密整流電路，輸入到單片機作A/D轉換。

（2）電壓信號首先經過Burr-Brown公司生產的隔離放大器ISO122P的隔離作用（ISO122P主要用于保護單片機的安全與可靠工作），經過隔離放大器、多重反饋型LPF、精密整流輸入到單片機作A/D轉換。普通橋式整流電路由于二極管的正向壓降影響，當輸入電壓在±0.5 V之間時是沒有輸出的，精密整流電路解決了一般整流電路由二極管所引起的非線性和門檻電壓所引起的影響（硅材料的二極管的導通電壓在0.6～0.8 V），實現了精密整流。

（3）壓力傳感器直接輸出0～5 V的電壓信號到單片機做A/D轉換。

3 系統軟件設計

程序主要模塊如圖3所示，主程序流程如圖4所示。

A/D轉換之前，首先建立數組a[5 000]b[5 000]，在RAM開辟存儲空間，并判斷焊接是否開始，當焊接已經開始，則進行連續的A/D轉換，并實時保存轉換結果。在轉換過程中，要不斷地切換通道，實現焊接電流、焊接電壓的同時檢測，由于在相位上焊接電流要滯后于焊接電壓，所以首先對焊接電壓信號采樣，再對焊接電流采樣。采樣子程序流程如圖5所示。

在每一個焊點的間隙時間內，首先確定有效的采樣點數N，根據逐點積分法的計算公式，計算焊接電流I1、焊接電纜兩端的電壓U1的有效值，I1與焊接電流測試儀的數據進行比對，通過多次修訂，最終得到一個比例系數K，在后期的電流測試中，通過I=K·I1獲得準確的電流值。電壓中途經過了比例電路，真實的電壓有效值U=K2·U2。再根據電阻值計算公式計算電阻R。

4 結果分析

低碳鋼電阻點焊采用恒電流控制法經過還原后的實時采樣波形如圖6所示，給定熱量是55%，設定電流8.8 kA，周波數14，電極壓力2 400 N，采集點數5 000。相同焊接規范參數的條件下的電壓波形如圖7所示。

由圖6可知，采集的波形曲線十分平滑，與示波器波形比較，證明羅氏線圈+積分器真實的還原了電流波形，羅氏線圈對于點焊電流測試表現出很高的精度和動態響應，低通濾波電路對于諧波的抑制也起到了關鍵作用，測試曲線幾乎沒有諧波的產生。綜合對比多次的測試結果，證明設計的點焊監控系統能夠精確測量工頻交流電阻點焊機的焊接電流、電纜兩端電壓等參數。

低碳鋼和高強鋼在不同焊接規范參數下得到的測試結果如表1所示，形核狀態也各不相同，經計算系統測試得到的電流有效值與真實電流值的誤差最大為2.6%。證明系統采用逐點積分法具有較高的精度。

5 結論

（1）以ATMEGA128為核心的點焊規范參數監測系統能夠實時監測焊接電流、焊接電壓、電極壓力、電纜線損壞程度，波形真實地反映了焊機的工作狀況，證明傳感器的選擇、硬件電路的設計、軟件程序的編寫是合理的，實驗證明在每個焊點的間隙時間足以完成數據的計算以及與上位機的通信。

（2）實驗數據是在不同的焊接材質和焊接規范下測得，計算所得的焊接電流有效值、電纜線的電阻值的誤差都在5%之內，可以滿足設計要求。證明監測系統對于不同焊接規范的適應性良好。

（3）設計的監測系統重點是下位機，下位機具備以太網的擴展接口，配合網絡控制器和上位機軟件，可以實現多臺設備的同時監測，實現焊裝車間電阻點焊的網絡化管理。

[1] Natale T，Irving B.Automakers Set the Pace for Spot Welding the New Galvanized Steels.[J]Weld.J.1992，48（3）：47-52.

[2]中國機械工程學會焊接學會.電阻焊理論與實踐[M].北京：機械工業出版社，1994.

[3]李 韜，白 鋼.基于單片機的點焊電流有效值檢測系統[J].電焊機，2005，35（10）：20-24.

[4] Broomhead J.Monitoring the Quality of Resistance Spot Welding[J].Production Engineer（London），2005，58（2）：27-28.

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特此申明。

《電焊機》雜志社

2014年1月1日

Real-time monitoring system for spot welding parameters

BAI Zhi-fan，CAI Hong-feng，WANG Wen-quan
（College of Materials Science and Engineering，Jilin University，Changchun 130022，China）

A network controller of low cost is added instead of by not replacement of existing spot welding controller to realize the real-time monitoring of welding parameters including cable damage degree，welding current、welding electrode pressure of all spot welding machines by one computer.Monitoring of welding current,welding voltage of cable,electrode pressure and their effective values are calculated by the MCU internal A/D conversion and point-by-point integration method.Judge the welding cable damage degree by calculating the cable resistance.The results show that the real-time monitoring system based on ATMEGA128 make effective monitoring for AC spot welding machine represented by suspension spot welding machine.The system can send data to the computer to realize the network management of welding workshop.

spot welding；welding parameters；real-time monitoring

TG438.2

：A

：1001-2303（2014）02-0014-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2014.02.03

2013-12-16

長春市科技支撐項目（長科技合（2011168））

白志范（1956—），男，教授，碩士，主要從事焊接新電源及焊接自動化的研究工作。