点焊规范参数实时在线监测系统

白志范，蔡洪丰，王文权

（吉林大学材料科学与工程学院，吉林长春130022）

点焊规范参数实时在线监测系统

白志范，蔡洪丰，王文权

（吉林大学材料科学与工程学院，吉林长春130022）

在不更换原来点焊控制器的基础上，增加价格不高的实时监测系统，实时监测焊接电流、电极压力以及电缆线损坏程度等焊接规范参数。通过单片机内部A/D转换和逐点积分法实现对焊接电流、焊接电缆两端电压、电极压力的监测和有效值的计算。通过计算电缆线电阻的方法判断焊接电缆损坏的程度，结果表明，以ATMEGA128为核心的电阻点焊规范参数实时监测系统能够有效监测以悬挂式点焊机为代表的工频交流点焊机的焊接参数，并且可以把相关数据发送到计算机上，实现焊装车间电阻点焊的网络化管理。

电阻点焊；规范参数；实时监测

0 前言[1]

随着国民经济的发展，铁路客车及汽车生产产量逐年攀升，汽车工业作为国民经济的支柱产业之一。轨道客车车体和汽车车身生产所使用的钢板主要是薄板，厚度1.0～3.0 mm，接头形式以搭接为主，电阻点焊是最合适的焊接方法。在产品的生产过程中，每一个焊点的焊接质量直接影响着产品的质量。悬挂式点焊机使用水冷二次电缆，电缆长度约2.5 m，寿命约6个月。当电缆的导线产生破断的时候，并不容易被发现，只有在最后全部破断无焊接电流时候才会被发现。在电缆导线破损初期，就会引起焊接电流下降，焊核尺寸不足，强度下降，严重时还会无法形核，影响产品的质量。悬挂式点焊机的电极帽也是易损零件，焊接了一定数量的焊点之后，电极帽的尺寸增大，导致焊接电流密度下降，焊核尺寸不足。另外，在网压波动、电极压力不稳定的时候，也会影响焊接质量。

在不更换原来点焊控制器的基础上，增加价格不高的实时监测系统，实时监测焊接电流、焊接电压、电极压力以及电缆线损坏程度等焊接规范参数。点焊规范参数系统还具备与上位机（服务器）保持通信的功能，这样就把车间所有的点焊机用一台或者几台服务器管理起来，对于焊接质量的提高具有实质的推动作用，减少了产品的废品率，节约了成本，提升了产品的竞争力。

1 监测原理

悬挂式点焊机采用的是恒电流控制器[1]。恒电流控制法的监控原理为：在焊接过程中，对焊接电流有效值进行实时反馈监控和调节，当电流与规定值不相符时，调整晶闸管的导通角，使焊接电流稳定在一定的范围之内[2]。恒电流控制法的缺点是对电极压力波动、电极磨损、分流以及材料表面状态变化等影响因素的补偿作用不大。鉴于恒电流控制器的特点，在焊接电缆损坏初期，电流并没有发生多少变化，而此时焊接质量已经发生了明显的变化。

1.1 电流有效值、焊极压力监测

电流有效值、电压有效值、焊极压力参数的监测：通过电流传感器、电压传感器、压力传感器输出的信号经过调理电路之后，再通过单片机内部A/D转换，实现数据的采集和处理。

根据奈奎斯特采样定理，当采样频率大于信号中最高频率的两倍时，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息。工频交流点焊机的电流频率是50 Hz，20次谐波的频率是1 kHz，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的5～10倍，即采样频率为5～10 kHz。

计算电流有效值的常用方法有三种：峰值角计算法、导通角系数法、逐点积分法。由于本研究测得的数据量很大，且焊接电缆电阻很小，所以精度成为首要考虑因素，加之计算是在焊点的间隙时间，计算时间十分充裕，因此优先选用逐点积分法。

根据逐点积分法的计算公式

MEGA128内置8路10位精度的A/D转换器，足以满足要求。在理想情况下，A/D连续转换的时间间隔是固定的，通过选择合适的ADC时钟，可以满足采样速度和精度的要求。

1.2 电缆损坏程度监测

根据恒电流控制器的特点，监测点焊机焊接电缆损坏程度的方法是计算焊接电缆电阻。

2 系统硬件设计

2.1 硬件总体设计

点焊规范参数的实时监测系统主要由上位机和下位机组成，下位机包括传感器、信号调理电路、单片机、外部ram、警报电路、程序下载电路、串口收发电路，如图1所示。上位机使用串口助手软件。

2.2 单片机

从单片机的价格、性能、片内资源、开发环境、芯片的常用性等考虑，本研究采用ATMEL公司生产的ATMEGA128A-AU单片机，ATMEGA128A-AU具有丰富的片内资源，是带128 KB Flash程序存储器的可编程8位微控制器，具有高性能、低功耗的特点，是AVR单片机中功能强大的单片机。

2.3 传感器

（1）电流传感器。

目前，电阻点焊过程中的焊接电流测量主要采用分流器法、电流互感器法、霍尔元件法和罗氏线圈法（次级回路空心线圈法）等。

罗氏线圈电流传感器没有磁饱和及磁滞效应，具有结构简单、质量轻、体积小、频带宽、动态范围大、绝缘性好、挠性线圈便于安装等优点，被广泛应用于电阻点焊的焊接电流测量。

本研究选用罗氏线圈作为电流传感器，罗氏线圈电流传感器主要应用在焊接次级回路。

（2）电压传感器。

对于次级回路的电压或者焊接电缆的压降可以直接从电极或者电缆两端引出两条导线，这种安装方式可以直接采集点焊过程中电极两端的电压值，能够最直接反映点焊过程中上下电极间电压的变化情况[4]。

（3）压力传感器。

电极力是采用气阀（对气压式焊机）或者液压阀（对液压式焊机）调节的，它的反应速度较慢，对压力变化不敏感。近几年已经发展了数字式气压阀，调节精度可达9.8 N以下，并用微机控制，可以做到电极力基本平稳，所以监测气路的气压也能反映电极的压力。气压传感器在电源供电的情况下，可以输出0～5 V的电压信号，提供给单片机用来采集压力。

2.4 调理电路

调理电路框图如图2所示。

（1）电流信号调理。

罗氏线圈输出的感应电动势与电流信号的微分成正比，因此，经过积分电路以后再经过多重反馈滤波电路LPF、精密整流电路，输入到单片机作A/D转换。

（2）电压信号首先经过Burr-Brown公司生产的隔离放大器ISO122P的隔离作用（ISO122P主要用于保护单片机的安全与可靠工作），经过隔离放大器、多重反馈型LPF、精密整流输入到单片机作A/D转换。普通桥式整流电路由于二极管的正向压降影响，当输入电压在±0.5 V之间时是没有输出的，精密整流电路解决了一般整流电路由二极管所引起的非线性和门槛电压所引起的影响（硅材料的二极管的导通电压在0.6～0.8 V），实现了精密整流。

（3）压力传感器直接输出0～5 V的电压信号到单片机做A/D转换。

3 系统软件设计

程序主要模块如图3所示，主程序流程如图4所示。

A/D转换之前，首先建立数组a[5 000]b[5 000]，在RAM开辟存储空间，并判断焊接是否开始，当焊接已经开始，则进行连续的A/D转换，并实时保存转换结果。在转换过程中，要不断地切换通道，实现焊接电流、焊接电压的同时检测，由于在相位上焊接电流要滞后于焊接电压，所以首先对焊接电压信号采样，再对焊接电流采样。采样子程序流程如图5所示。

在每一个焊点的间隙时间内，首先确定有效的采样点数N，根据逐点积分法的计算公式，计算焊接电流I1、焊接电缆两端的电压U1的有效值，I1与焊接电流测试仪的数据进行比对，通过多次修订，最终得到一个比例系数K，在后期的电流测试中，通过I=K·I1获得准确的电流值。电压中途经过了比例电路，真实的电压有效值U=K2·U2。再根据电阻值计算公式计算电阻R。

4 结果分析

低碳钢电阻点焊采用恒电流控制法经过还原后的实时采样波形如图6所示，给定热量是55%，设定电流8.8 kA，周波数14，电极压力2 400 N，采集点数5 000。相同焊接规范参数的条件下的电压波形如图7所示。

由图6可知，采集的波形曲线十分平滑，与示波器波形比较，证明罗氏线圈+积分器真实的还原了电流波形，罗氏线圈对于点焊电流测试表现出很高的精度和动态响应，低通滤波电路对于谐波的抑制也起到了关键作用，测试曲线几乎没有谐波的产生。综合对比多次的测试结果，证明设计的点焊监控系统能够精确测量工频交流电阻点焊机的焊接电流、电缆两端电压等参数。

低碳钢和高强钢在不同焊接规范参数下得到的测试结果如表1所示，形核状态也各不相同，经计算系统测试得到的电流有效值与真实电流值的误差最大为2.6%。证明系统采用逐点积分法具有较高的精度。

5 结论

（1）以ATMEGA128为核心的点焊规范参数监测系统能够实时监测焊接电流、焊接电压、电极压力、电缆线损坏程度，波形真实地反映了焊机的工作状况，证明传感器的选择、硬件电路的设计、软件程序的编写是合理的，实验证明在每个焊点的间隙时间足以完成数据的计算以及与上位机的通信。

（2）实验数据是在不同的焊接材质和焊接规范下测得，计算所得的焊接电流有效值、电缆线的电阻值的误差都在5%之内，可以满足设计要求。证明监测系统对于不同焊接规范的适应性良好。

（3）设计的监测系统重点是下位机，下位机具备以太网的扩展接口，配合网络控制器和上位机软件，可以实现多台设备的同时监测，实现焊装车间电阻点焊的网络化管理。

[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]中国机械工程学会焊接学会.电阻焊理论与实践[M].北京：机械工业出版社，1994.

[3]李 韬，白 钢.基于单片机的点焊电流有效值检测系统[J].电焊机，2005，35（10）：20-24.

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

申明

各位作者：

为确保杂志质量，尊重和保护作者和他人知识产权、著作权，根据国家期刊出版管理的相关规定，《电焊机》杂志特作以下申明。

1.作者应保证是向本刊所投稿件的著作权人，不得抄袭、剽窃、盗用他人科研成果、文章和信息。文章中引用和参考他人文章、著作和成果（包括网络信息）时，按编辑出版规定，应在文章中以参考文献方式明确标识。如作者的文章涉及侵犯他人知识产权、著作权等合法权益时，一切后果文责自负。

2.作者所投稿件应保证尚未在其他媒体（包括网络）出版或发表，也未向其他媒体投稿。

3.《电焊机》杂志已被多家国内外权威收录机构、数据库、专业网站列为来源刊，收录和引用。凡本刊录用的文章，即视为本刊已获得该文章与《电焊机》相关的网上传播、汇编出版、电子出版、收录和引用等权利。本刊向作者支付的稿酬，已包含上述各项权利的报酬，本刊和其他机构不再另行支付。

作者向本刊投稿时，若无特别说明则视为同意以上申明。如不同意以上申明者请另投它刊。

特此申明。

《电焊机》杂志社

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

长春市科技支撑项目（长科技合（2011168））

白志范（1956—），男，教授，硕士，主要从事焊接新电源及焊接自动化的研究工作。