基于压电传感器的电阻焊压力采集系统设计
2021-06-03路向琨赵中秋
路向琨，赵中秋，刘 锋，郑 伟
(1.天津七所高科技有限公司，天津 300409；2.天津职业大学机电工程与自动化学院，天津 300410)
0 引言
《中国制造2025》规划中提到在2025年汽车整车质量要平均减轻20%，单车用铝合金达250 kg，而2019年单车用铝仅130 kg，所以未来5年的年复合增速可达15%[1-2]。由于生产效率高、成本低等优点，传统车身制造过程中会大量使用到电阻点焊工艺，而由于铝合金材料本身的特性导致其电阻点焊的控制方法较复杂，目前主流控制方式是监测焊钳电极压力，根据压力变化在焊接电流输出几十ms的时间内对电流大小进行调整，从而实现铝合金的电阻点焊连接。
本文设计了基于压电传感器的电阻焊压力采集系统，通过压电传感器测量设备在焊接过程中的微小形变，该形变与电极压力变化正相关，从而实现间接测量电极压力变化的目的。
1 系统设计
电阻点焊属于压焊，在焊接过程中通过上下电极将零件压紧并施加一定时间的预压力，通过控制器在电极两端输出电流，从而在两个零件的压紧位置处形成电阻热，使零件达到融化和重新结合形成焊点的一种工艺方法[3]。电极两端的焊接电流通常为7～40 kA，电流输出时间一般持续50～300 ms。铝合金材料受热后由于热胀冷缩会在上下电极间形成一定的膨胀力，控制器通过检测该力的变化调整焊接电流的时间和大小，实现铝合金零件的结合，因此压力测量是铝点焊控制中的核心要素。
焊接过程中电极压力的变化可以造成设备的微小形变，该形变与电极压力变化正相关，如图1所示。本系统采用压电传感器，通过将传感器安装在设备变形最大位置处，通过测量该位置的形变实现间接测量电极间压力变化的目的。本系统使用的焊接设备为WDB-400型固定式点焊机，最大输出电流为45 kA，逆变频率为1 kHz，质量为1.5 t。该系列产品已经大量应用于一汽奥迪的钢板焊接过程中。本设计是在该系统的基础上，通过增加压力采集系统，为实现铝合金零件的基于压力的自适应焊接提供了数据支撑。
2 硬件设计
压力采集系统框图如图2所示，包括压电传感器、压力采集电路、核心处理器、通信接口电路、I/O信号控制等，此外还包括电源电路、数据存储等。系统电源取自焊接设备内部的24 V直流电，通过金升阳电源模块转换出系统需要的各种电压。电阻焊焊接过程中由于电流较大，会在电极周围产生较强的磁场，对传感器的稳定性和可靠性提出了更高的要求，因此本系统选择了抗干扰能力强的压电传感器。压力采集电路通过积分电容采集传感器输出的电荷并将其转换为可以被MCU提取的电压信号。对外接口设计了3种方式，分别是RS422、以太网、WiFi，提供了灵活的数据传输方式。
2.1 压电传感器
测量应变的传感器大多采用应变计，然而就某些特殊的应用，有一定的局限。当测量大的重型结构的极小应变时，与其他类型传感器相比，压电传感器具有灵敏度高、耐高温，抗电磁干扰，耐过载等优点[4-5]。压电原理的唯一局限是不能进行长期静态测量，但本系统的应用中不需要静态测量，而是将由电阻热在ms级的焊接电流输出时间内导致的应变的变化作为重要的观察对象。
压电传感器通过沉头螺钉紧固在设备表面，如图3所示，直接将力、压力等机械量转换成电荷。这个电荷与作用在传感器中石英晶体上的力成正比[6]。传感器中的压缩力增加会产生负电荷Q。采集电路反转传感器信号，输出正电压，如图4所示。
2.2 采集电路
采集电路用于把电荷Q转换成电压Ua，属于电荷电压转换器，采用积分器的电路原理。它的关键部件是一个具有极高内部增益和极高输入绝缘(Rg)的运算放大器以及一个高精度、低损耗的负反馈电容器(Cg)，其原理如图5所示，并可在大多数情况下通过式(1)进行近似计算。
(1)
通过模拟开关芯片DG441实现了积分电路的控制。为了防止测量过程中的零点漂移，在每个测量周期结束时，通过U1-58将负反馈电容器C142通过接入放电电阻R223进行放电，使得输出信号变为零，保证了每次开始采集时输出都为零。通过U1-2控制是否接入积分电容，通过U1-5控制是否接入一组高的输入电阻，电路如图6所示。
2.3 核心处理器
采用GD32F103VCT6芯片作为主控芯片。该芯片基于ARM Cortex-M3内核设计，具有高性能、低成本、低功耗以及片内资源丰富等优点，片内具有256 KB闪存和48 KB的SRAM、3个12位的ADC、4个通用16位定时器等[7-8]。此外，还包含多种对外的通信接口，如CAN、USART、SPI等[9]。该芯片的工作频率为72 MHz，供电电压设计为3.3 V。其中数据存储利用片内高达256 KB的FLASH，节省了硬件成本。采用该芯片能够满足系统对高性价比和高精度的需求，能够极大提高整个系统的执行效率，增强系统稳定性。
2.4 通信接口电路
考虑到系统的实际应用，采用了3种与外部的通信接口，分别是RS422、以太网、WiFi。RS422总线相比于RS485的优点是支持全双工模式，不用单独对数据传输方向进行控制，简化了系统的软件设计。硬件上采用SP3491芯片，DE引脚发送使能和R脚的接收使能直接通过上下拉电阻钳位到使能，通过6个型号为SMAJ6.5CA的双向稳压二极管把对外接口的对地电压牵制到6.5 V以内，保护RS422接口芯片。通过4个自恢复保险对引脚进行过流保护，防止传输线上的电流过大引起芯片损坏。RS422的差分信号A+、B-、Y+、Z-接入对外接口P5上。硬件电路如图7所示。
以太网和WiFi的连接采用Wport-W20模组，该模组可以将UART转为2路以太网和无线WiFi的形式进行数据传输，无线模式下可以在STA/AP/AP+STA之间进行切换，同时支持基本的网络通信协议，包括TCP/IP、Telnet、Modbus TCP Protocol。该模组采用3.3 V单电源供电，电路设计比较简单，其电路如图8所示。
3 软件设计
系统软件流程主要包括系统初始化、I/O信号检测、积分电路控制、ADC数据采集、数据处理、数据通信等模块。系统设计时充分考虑了低功耗需求，若在20 min内没有接收到外部开始采集的信号，系统核心模块自动进入休眠模式，处于休眠的模块由外部中断唤醒。系统工作流程如图9所示。
ADC数据采集利用了GD32的片内12位ADC，并通过映射将ADC的转换通道映射到DMA通道，ADC设置为连续转换模式，这样可以在不中断ADC的情况下，通过在定时器TIM2的定时中断中读取DMA映射值即可实现ADC的采集，其采样频率可以通过修改TIM2的中断时间进行修改，极大简化了软件设计的难度。
针对采集的电压数据，在压力标定前需要对数据进行滤波处理，采用的方法为将最近采集的5个数据滤除最大值和最小值，对剩下的3个数据取平均值得到最终的压力值，通过该方法可以在一定程序上排除外部干扰造成的信号抖动的问题。
压力标定采用线性差值算法计算出相应的压力值，具体公式如下：
(2)
式中：Un为比U小的第一个已标定压力值对应的电压；Un+1为比U大的第一个已标定压力值对应的电压；Fn为Un应对的压力值；Fn+1为Un+1对应的压力值。
具体代码如下：
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 系统验证
通过将本系统输出的压力曲线与MM-380A测试仪的压力曲线进行对比，验证本系统的实用性和准确性。其中MM-380A使用的传感器是直接夹在电极两端的直接测量式传感器，型号为MA-771A-01。
上位机采用WinForm架构，采用C#语言编写，将MM-380A的压力数据和本系统的压力数值绘制在一张图中进行展示，如图10所示，曲线a为本系统承受正向力侧的压力曲线，曲线b为MM-380A测量得到的压力曲线，曲线c为承受负向力侧的压力曲线。从图10可以看出，本系统采集的压力曲线a与压力表测量的曲线b基本一致，证明本系统可以正确反映焊接过程中电极两端压力的变化。
5 结束语
本文设计了基于GD32的高精度电阻焊压力采集系统，系统利用压电式传感器间接检测焊接过程中电极端的压力变化，通过积分电路将压电传感器的输出电荷转换为电压值，利用GD32内置的A/D采集对电压信号进行提取，得到了焊接电加热的短暂过程中电极端的压力变化。系统具有完善的通讯接口和良好的可扩展性，采集的数据可实现有线或无线传输。实际应用表明：该系统具有高性价比、低功耗、测量精度高等特点，满足现场数据采集的要求，有着广阔的应用前景。
