CN101733540A - 交流电阻点焊中实时获得触发角和熄灭角数值的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种焊接技术领域的交流电阻点焊中实时获得触发角和熄灭角数值的方法。包括以下步骤：在交流点焊机的初级回路装上霍尔电流传感器，用以测量初级回路的焊接电流值；启动焊接循环，同时启动计算机进行焊接电流的数据采集；对采集并存入计算机的焊接电流波形进行分段样条插值法来获得触发角和熄灭角；用熄灭角减去触发角获得导通角；用功率因数角求得动态电阻。本发明能够获得精确的触发角和熄灭角的相位值，从而获得可靠的动态电阻曲线，免除了在用硬件的方法获取触发角和熄灭角时CPU的等待时间，从而可以让CPU进行其它数据的采集与操作。

Description

交流电阻点焊中实时获得触发角和熄灭角数值的方法

技术领域

本发明涉及一种焊接技术领域的焊接参数获得的方法，具体地说，涉及的是一种交流电阻点焊中实时获得触发角和熄灭角数值的方法。

背景技术

现有技术文献《点焊质量动态电阻阀值法自适应控制的研究》(李桂中，傅魁军，李树槐，等.[J]焊接，1991(12)：p6-10)在获取电流信号相对于电压信号的滞后角时，拟用8031芯片中的定时/计数器对每半周波进行量化(量化数为5×10³)，从而对触发角或滞后角的获得式计数时其精度可达到1/27度。由于点焊过程的瞬时性，使得采用一般的焊接电流数据采集频率(例如5kHz或10kHz)无法满足焊接过程中获取触发角和熄灭角的精度要求。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利文献号CN1206113，名称为：控制电阻点焊质量的装置及其方法，该技术提供了一种计算动态电阻的方法，即由初级回路的电流传感装置提供触发角和熄灭角，并计算出导通角，再根据触发角、导通角和功率因数角的关系获得功率因数角，从而计算出相应的动态电阻值。但该技术只定义了触发角和熄灭角的起止位置，而没有具体说明的它们的获取方法。

还发现中国专利文献号CN86100547，名称为：点焊质量的动态导通角控制方法，该技术所述的动态导通角，以及中国专利文献号CN101149405，名称为：交流点焊动态电阻实时测量装置与方法，该技术所述的电流峰值角也都是通过电压或电流检测电路的过零信号来触发定时器以获取精确的导通角和电流峰值角。但该类方法中的定时与计数过程需要占用CPU的资源，使微机或处理器无法进行其它参数的采集与操作。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种交流电阻点焊中实时获得触发角和熄灭角数值的方法。本发明在交流点焊试验中采集初级回路的焊接电流数据的基础上，提出了采用分段样条插值法来精确获得焊接过程中的触发角和熄灭角的技术，从而能够快速计算出可靠的动态电阻曲线。

本发明包括如下步骤：

第一步，在交流点焊机的初级回路装上霍尔电流传感器，用以测量初级回路的焊接电流值；

第二步，启动焊接循环，电极压紧被焊工件后，通过网压同步电路检测电压上升沿，用来启动计算机发出控制信号触发晶闸管导通，同时启动计算机进行焊接电流的数据采集，达到预定的焊接时间后关断晶闸管，保压一段时间后焊接结束；

第三步，对采集并存入计算机的焊接电流波形用分段样条插值法来精确获得触发角和熄灭角；

第三步中所述的进行分段样条插值法，方法如下：

①对焊接电流值加绝对值，从而可以对每个半周波的焊接电流波形进行分段样条插值，以获取精确的触发角和熄灭角。

②由于焊接电流的采集是以网压同步信号的上升沿开始，因此按照采样序列可以初步获得每个半周波的触发角和熄灭角的采样序列位置。

所述的按照采样序列，由于焊接电流中存在微小的噪声信号，在获得触发角和熄灭角的采样序列位置时，以0.3A的幅度值为标准来判断：

当焊接电流采样值首次大于0.3时，其前一个点的序列号即为触发角的采样序列位置；

当焊接电流采样值首次小于0.3时，该点的序列号即为熄灭角的采样序列位置。

③在触发角的采样序列位置后的1/4周波内寻找电流最大值的采样序列位置。

④以触发角的采样序列位置的后一个点至电流最大值的采样序列的位置点之间的曲线为样条反向插值的第一段，以电流最大值的采样序列的位置点至熄灭角的采样序列位置的前一个点之间的曲线为样条反向插值的第二段。

⑤以第一段曲线上的采样电流值为X项，以其采样序列号为Y项进行样条插值运算，并求得当采样电流值为0时的精确的相位点，即获得精确的触发角相位点。

⑥用和步骤⑤相同的方法，由第二段曲线上的数据点经样条插值获得精确的熄灭角的相位点。

第四步，用熄灭角减去触发角获得导通角，并用触发角、导通角按公式(1)用数值方法计算功率因数角；

sin(α+λ-θ)-sin(α-θ)exp^-λ/tanθ＝0。    (1)

其中，α为触发角，λ是导通角，θ是功率因素角。

第四步中所述的用触发角、导通角按公式(1)用数值方法计算功率因数角，是指用数值逼近求根方法获取功率因数角。

第五步，用功率因数角按公式(2)求得动态电阻，

Rd_m＝W*L*cotθ_m    (2)

其中，Rd_m为各半周波的动态电阻，W为电网角频率，L为电阻点焊装置的电感，θ_m为各半周波的功率因素角。假定被焊工件的厚度是均匀的，则L为恒定数。

本发明具有以下优点：1、采用分段样条插值法对按常规的频率采集的焊接电流波形计算出精确的触发角和熄灭角；2、该技术能免除在用硬件的方法获取触发角和熄灭角时CPU的等待时间，从而进行其它数据的采集与操作。

附图说明

图1为计算机控制系统采集的初级回路的焊接电流波形；

图2为半周波焊接电流的分段样条插值的示意图；

图3为用分段样条插值法进行正向插值与逆向插值的样条曲线；

图4为用采样序列直接计算和用分段样条插值法计算的动态电阻对比图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

本实施例以1mm厚的低碳钢焊接为例，在固定式交流点焊机上进行搭接电阻焊，焊接电流为8.8kA，电极压力为225kg，焊接时间为10周波。

如图1所示，在交流点焊机的初级回路装上霍尔电流传感器，由计算机控制系统采用LabVIEW软件进行焊接过程的控制与焊接电流的采集，采样频率设置为5kHz。

启动焊接循环，电极压紧被焊工件后，通过网压同步电路检测电压上升沿，用来启动计算机发出控制信号触发晶闸管导通，同时启动计算机进行焊接电流的数据采集，达到预定的焊接时间后关断晶闸管，保压一段时间后焊接结束，焊接系统采集的初级回路的焊接电流波形，如图1所示。

如图2所示，本实施对采集并存入计算机的焊接电流波形用分段样条插值法来精确获得触发角和熄灭角，其具体方法如下：

对焊接电流值加绝对值，从而可以对每个半周波的焊接电流波形进行分段样条插值，以获取精确的触发角和熄灭角；

由于焊接电流的采集是以网压同步信号的上升沿开始，因此按照采样序列可以初步获得每个半周波的触发角和熄灭角的采样序列位置。

所述的按照采样序列，由于焊接电流中存在微小的噪声信号，在获得触发角和熄灭角的采样序列位置时，以0.3A的幅度值为标准来判断：

当半周波焊接电流在首次大于0.3时，其采样序列号为i，其前一个序列号为i-1，即触发角的采样序列位置，并记为ahp(hcn)，其中hcn为半周波数；

两个中间变量zjb1和zjb2分别为从i开始的1/4半周波内焊接电流采样值序列的最大值和最大值的相对序列号，故最大值的绝对序列号为ahp(hcn)+zjb2；

从i到ahp(hcn)+zjb2之间的曲线记为样条插值的第I段，并以该段曲线上的采样电流值为X项，以其采样序列号为Y项进行样条插值计算，求得当采样电流值为0时的精确的相位点，即获得精确的触发角相位点；

当半周波焊接电流首次小于0.3时，其采样序列号为i，即熄灭角的采样序列位置，并记为bhp(hcn)；

同理，从ahp(hcn)+zjb2到i-1之间的曲线记为样条插值的第II段，并对该段曲线上的采样数据点进行样条插值计算，求得当采样电流值为0时的精确的相位点，即获得精确的熄灭角相位点。

如图3所示，图3a为对焊接样本的第一个半周波焊接电流曲线的第I段以采样序列号为X项，以其采样电流值为Y项计算的样条插值曲线；

图3b为对焊接样本的第一个半周波焊接电流曲线的第I段以采样电流值为X项，以其采样序列号为Y项计算的样条插值曲线，从而可以计算出当焊接电流值为0时精确的采样时间点，即获得精确的触发角相位点；

如图4所示，在获取精确的触发角和熄灭角后，用熄灭角减去触发角获得导通角，并用触发角、导通角和功率因数角之间的关系式(1)用数值逼近求根方法获取功率因数角；

sin(α+λ-θ)-sin(α-θ)exp^-λ/tanθ＝0。   (1)

其中，α为触发角，λ是导通角，θ是功率因素角。

由功率因数角按公式(2)求得动态电阻，

Rd_m＝W*L*cotθ_m    (2)

其中，Rd_m为各半周波的动态电阻，W为电网角频率，L为电阻点焊装置的电感，θ_m为各半周波的功率因素角。假定被焊工件的厚度是均匀的，则L为恒定数。由于这里只作定性分析，设WL＝1，计算的动态电阻值的结果如图4b所示。

如图4a所示，触发角和熄灭角的相位点是由5kHz的电流采样值序列以0.3的幅值直接搜索获取的，并按照以上方法计算出动态电阻曲线，显然该动态电阻的计算精度不能满足实际的要求。

本实施例可以实现用一个微机或处理器在恒流控制的同时进行动态电阻的“阈值法”控制，即以同步电压上升沿为起点，在前3/4个周波内实现焊接电流的正半波采集，在后1/4个周波内实现恒流控制和动态电阻的“阈值法”控制，其中恒流控制用来调节焊接过程中的焊接电流，保证焊接过程的稳定，而动态电阻的“阈值法”控制用来监控动态电阻达到峰值后的下降程度，从而控制焊接过程的断电时间，保证获得合格的焊点。

Claims (4)

1.一种交流电阻点焊中实时获得触发角和熄灭角数值的方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，在交流点焊机的初级回路装上霍尔电流传感器，用以测量初级回路的焊接电流值；

第二步，启动焊接循环，电极压紧被焊工件后，通过网压同步电路检测电压上升沿，用来启动计算机发出控制信号触发晶闸管导通，同时启动计算机进行焊接电流的数据采集，达到预定的焊接时间后关断晶闸管，保压后焊接结束；

第三步，对采集并存入计算机的焊接电流波形用分段样条插值法来获得触发角和熄灭角；

第四步，用熄灭角减去触发角获得导通角，并用触发角、导通角按公式(1)用数值方法计算功率因数角；

sin(α+λ-θ)-sin(α-θ)exp^-λ/tanθ＝0    (1)；

其中，α为触发角，λ是导通角，θ是功率因素角；

第五步，用功率因数角按公式(2)求得动态电阻，

Rd_m＝W*L*cotθ_m   (2)；

其中，Rd_m为各半周波的动态电阻，W为电网角频率，L为电阻点焊装置的电感，θ_m为各半周波的功率因素角。假定被焊工件的厚度是均匀的，则L为恒定数。

2.根据权利要求1所述的交流电阻点焊中实时获得触发角和熄灭角数值的方法，其特征是，第三步中所述的进行分段样条插值法，方法如下：

①对焊接电流值加绝对值，从而对每个半周波的焊接电流波形进行分段样条插值，以获取精确的触发角和熄灭角；

②由于焊接电流的采集是以网压同步信号的上升沿开始，因此按照采样序列初步获得每个半周波的触发角和熄灭角的采样序列位置；

③在触发角的采样序列位置后的1/4周波内寻找电流最大值的采样序列位置；

④以触发角的采样序列位置的后一个点至电流最大值的采样序列的位置点之间的曲线为样条反向插值的第一段，以电流最大值的采样序列的位置点至熄灭角的采样序列位置的前一个点之间的曲线为样条反向插值的第二段；

⑤以第一段曲线上的采样电流值为X项，以其采样序列号为Y项进行样条插值运算，并求得当采样电流值为0时的精确的相位点，即获得精确的触发角相位点；

⑥用和步骤⑤相同的方法，由第二段曲线上的数据点经样条插值获得精确的熄灭角的相位点。

3.根据权利要求2所述的交流电阻点焊中实时获得触发角和熄灭角数值的方法，其特征是，步骤②中所述的按照采样序列，由于焊接电流中存在微小的噪声信号，在获得触发角和熄灭角的采样序列位置时，以0.3A的幅度值为标准来判断：

当焊接电流采样值首次大于0.3时，其前一个点的序列号即为触发角的采样序列位置；

当焊接电流采样值首次小于0.3时，该点的序列号即为熄灭角的采样序列位置。

4.根据权利要求1所述的交流电阻点焊中实时获得触发角和熄灭角数值的方法，其特征是，第四步中所述的用触发角、导通角按公式(1)用数值方法计算功率因数角，是指用数值逼近求根方法获取功率因数角。

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