電阻點焊近程實時監(jiān)測及焊點質(zhì)量控制與評價方法研究.pdf

1、點焊具有生產(chǎn)效率高、適應(yīng)自動化作業(yè)的優(yōu)點,是汽車、航空航天等大規(guī)模工業(yè)頻繁采用的重要板材加工工藝。然而,焊點熔核形成時間短,焊接過程受多種因素影響,且各種因素之間存在不同程度的確定性或隨機(jī)性的交互作用致使點焊過程監(jiān)控呈現(xiàn)實時性要求高、非線性控制難度大的特點。因此,點焊過程的多參量實時監(jiān)測與點焊過程實時控制、焊點質(zhì)量的穩(wěn)定性保證以及焊點質(zhì)量的在線評測是學(xué)術(shù)界和工程界關(guān)注的三大難點問題。本文針對點焊質(zhì)量實時監(jiān)控問題,在點焊過程參數(shù)傳感與監(jiān)測

2、技術(shù)、點焊過程實時控制方案及焊點質(zhì)量在線評測方面展開綜合研究。
　　 第一,建立了以DSP為核心的點焊過程實時監(jiān)控與質(zhì)量在線評判平臺,樣機(jī)采用上位工控機(jī)與下位DSP嵌入式實時系統(tǒng)架構(gòu)。上位機(jī)采用LabVIEW軟件編寫的人機(jī)界面,實現(xiàn)點焊規(guī)范參數(shù)的設(shè)置和焊后數(shù)據(jù)存儲與顯示；下位DSP嵌入式實時系統(tǒng)負(fù)責(zé)點焊過程參數(shù)檢測和實時控制。實驗表明整機(jī)性能穩(wěn)定,具有實時性高和可視化程度好的特點。
　　 第二,針對點焊過程中動態(tài)功率因數(shù)

3、、焊接電流與動態(tài)電阻等電參數(shù)實時檢測困難的問題,建立點焊電氣回路的數(shù)學(xué)模型,并推導(dǎo)出關(guān)鍵焊接參數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式,采用新型傳感器--微型洛氏線圈(Miniature RogowskiCoil)檢測焊接電流導(dǎo)數(shù),判斷焊接電流峰值點,采用可行域全空間仿真數(shù)據(jù)對焊接參數(shù)關(guān)系的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)模型進(jìn)行離線訓(xùn)練和在線使用,執(zhí)行特殊的軟傳感器功能,實現(xiàn)焊接電路功率因數(shù)、電流導(dǎo)通角、電流有效值及動態(tài)電阻的快速計算。結(jié)果表明,較之傳統(tǒng)的直接檢測法,基

4、于嵌入式人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計算方法將參數(shù)檢測時間延長1倍,控制步長縮短一半,功率因數(shù)和焊接電流有效值的計算誤差均在2％以內(nèi),現(xiàn)有系統(tǒng)的實時性和可控性提高,對基于可控硅整流回路電參數(shù)實時檢測問題具有普遍適用性。
　　 第三,電阻點焊接頭的良好質(zhì)量主要依靠電熱效應(yīng)實現(xiàn),焊接熱量是動態(tài)電阻、焊接時間和焊接電流有效值平方數(shù)的乘積。由于常規(guī)恒流點焊控制是對焊接電流參數(shù)的閉環(huán)控制和焊接質(zhì)量的開環(huán)控制,僅僅調(diào)整電流有效值大小而忽略焊接區(qū)的真實熱效

5、應(yīng),故而難以控制焊接區(qū)加熱狀態(tài)和焊點質(zhì)量。本文設(shè)計以焊接熱量控制為目標(biāo)的焊接系統(tǒng),該系統(tǒng)根據(jù)焊點形核所需熱量和時間調(diào)整焊接功率,實現(xiàn)平穩(wěn)焊接。根據(jù)點焊過程非線性和建模困難的特點,設(shè)計改進(jìn)型的CMAC-PID控制器,解決常規(guī)PID或CMAC-PID控制器始終處于振蕩狀態(tài)、干擾存在情形下收斂能力較弱的問題,提高控制器性能,削弱穩(wěn)態(tài)誤差和穩(wěn)態(tài)顫振現(xiàn)象。理論分析和工藝實驗研究表明,該控制方法尤其適用于低碳鋼焊接,能夠?qū)Φ吞间摪宀狞c焊過程中造成的

6、焊接飛濺的熱量波動因素起到“削峰補(bǔ)谷”的作用,使得低碳鋼焊接過程更加平穩(wěn)、可靠。基于焊接熱量的點焊過程自適應(yīng)控制方法控制精度高,能夠?qū)Ω鞣N典型干擾因素進(jìn)行有效補(bǔ)償。該控制律用于1mm十1mm低碳鋼板材的恒功率焊接,實驗結(jié)果明顯優(yōu)于恒電流控制焊點,平均抗剪切力比恒電流控制完成焊點的抗剪切力高12.6％,且焊接過程更加平穩(wěn)。
　　 第四,通過試驗方法對新型點焊熱量控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置優(yōu)化提出解決方法,為新材料、新環(huán)境下的點焊工藝參數(shù)設(shè)

7、置提供適用的正交試驗設(shè)計分析方法論。
　　 第五,結(jié)合點焊過程電極位移能夠綜合反映各種干擾因素的影響并明確指示焊點質(zhì)量的特點,建立以點焊電極位移特征參數(shù)為輸入、焊點質(zhì)量為輸出的2個貝葉斯置信網(wǎng)絡(luò)(BBN)模型,分析電極位移特征之間的關(guān)系,監(jiān)測焊點質(zhì)量。模型Ⅰ針對基于電極位移法控制律的焊接參數(shù)尋優(yōu)展開研究,得出適用于不同生產(chǎn)要求的焊接參數(shù)設(shè)置；模型Ⅱ采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推斷方法研究電極位移曲線特征與焊點質(zhì)量之間的關(guān)系,該方法能夠在焊點飛