CN101825580A - 基于电极位移波动的电阻点焊质量实时检测方法 - Google Patents

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Abstract

一种焊接技术领域的基于电极位移波动的电阻点焊质量实时检测方法，包括以下步骤：利用光栅位移传感器测量电极位移；工控机进行数据采集，得到电极位移曲线，提取电极位移曲线上的位移波动峰值，并得到位移波动峰值曲线；标定并提取位移波动峰值曲线上四个特征点的序列号和位移波动峰值；根据第二个特征点、第三个特征点和第四个特征点的序列号和位移波动峰值作为实时检测依据，对应给出焊点的质量是虚焊、熔核过小、合格和飞溅中的一种检测结果。本发明通过提取位移波动峰值实时得到熔核形成的各阶段，点焊过程由完全不可观测变得部分可观测，并根据位移波动峰值曲线上的特征点来检测焊点质量，检测速度快，有利于实现点焊质量实时闭环控制。

Description

基于电极位移波动的电阻点焊质量实时检测方法
技术领域
本发明涉及的是一种焊接技术领域的方法，具体是一种基于电极位移波动的电阻点焊质量实时检测方法。
背景技术
交流电阻点焊因高效率、低成本、高自动化程度等优点在工业生产中应用广泛，但同时因为焊点形成过程的不可观测性和瞬时性使焊接质量难以监控。在所研究的电阻点焊监控参数中，电极位移因能较直观地反应熔核在形成过程中热膨胀位移的变化，而被认为是反映焊点熔核质量的理想参数之一。因此，许多研究者开发了基于电极位移的电阻点焊质量监控系统。
现有技术表明，交流电阻点焊过程中伴随有振动现象，该振动现象是由高峰值电流引起的，而这种振动现象在检测到的电极位移曲线上也有明显特征——即位移波动。同时发现，由于交流焊接电流的作用，使焊接过程中检测到的熔核大小发生相应的脉冲变化，且在焊接前期熔核大小的脉冲变化较大，而在熔核长大并达到饱和后，这种脉冲变化较小。这说明因交流焊接电流引起的熔核大小脉冲变化的幅度与熔核的长大过程密切相关，而熔核大小脉冲变化的幅度可以用电极位移的波动特征进行检测，因此建立电极位移波动特征与熔核形成与长大之间的关系可以对焊接质量进行实时检测。
经对现有技术的文献检索发现，中国专利公开号：CN1766587A，名称为：用于轿车车身点焊的实时质量检测与报警的方法，该方法提供了一种利用电极位移信号检测焊接质量并报警的方法，具体步骤如下：a、依据激光感应测量，得到点焊机电极的位移量，并生成电子模拟信号；b、将采集到的位移信号转化为数字系统能识别的数字信号；c、将实时采集的电极位移曲线与实验得出的标准电极位移曲线图进行比较，依据质量判定准则，判定合格、不合格，同时，依据判定不合格焊点状态的判定准则，判定焊点飞溅或焊点过小，按设定的不合格焊点次数发出警报。该方法根据采集的电极位移曲线与标准的电极位移曲线进行比较来检测点焊的质量，但在焊点质量检测时需要使用公差带，所需的信息量大，效率低，且只能对最终焊点质量进行判定，不能在焊接过程中进行预检测。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于电极位移波动的电阻点焊质量实时检测方法。本发明通过提取电极位移曲线上的位移波动峰值来实时检测熔核形成的各个阶段，从而检测焊点的质量。
本发明是通过以下技术方案实现的，包括以下步骤：
第一步，利用光栅位移传感器测量电极位移，得到点焊过程中上下电极相离的实时位移信号，即电极位移信息。
第二步，将得到的电极位移信息传给工控机，由工控机进行数据采集，进而以时间为横坐标、电极位移信息为纵坐标得到电极位移曲线，提取电极位移曲线上的位移波动峰值，并按照时间先后对位移波动峰值编辑序列号，以序列号为横坐标、以位移波动峰值为纵坐标得到位移波动峰值曲线。
所述的提取电极位移曲线上的位移波动峰值是：搜索电极位移曲线上每个位移波动的起始波谷值和波峰值，波峰值与起始波谷值的差就是位移波动峰值。
所述的序列号是从1开始的阿拉伯数字。
第三步，将位移波动峰值曲线上第一个点、第一个拐点、第二个拐点和最后一个点分别标定为第一个特征点、第二个特征点、第三个特征点和第四个特征点，并提取每个特征点的序列号和位移波动峰值。
第四步，根据第二个特征点、第三个特征点和第四个特征点的序列号和位移波动峰值作为实时检测依据，对应给出焊点的质量是虚焊、熔核过小、合格和飞溅中的一种检测结果。
所述的给出焊点的质量，具体步骤为：
1)当待检测焊点的第二特征点的位移波动峰值大于或者等于第一标准焊点的第二特征点的位移波动峰值且其序列号小于或者等于第一标准焊点的第二特征点的序列号，同时待检测焊点的第三特征点的位移波动峰值大于或者等于第一标准焊点的第三特征点的位移波动峰值且其序列号小于或者等于第一标准焊点的第三特征点的序列号时，该待检测焊点为合格焊点或者是飞溅焊点，继续执行2)；否则该待检测焊点为虚焊焊点或者是熔核过小焊点，继续执行3)；
所述的第一标准焊点是：低碳钢板在标准焊接条件下，焊接电流由4.6kA到9.5kA变化过程中，最早出现的熔核直径大于
Figure G20101010921251000020000021
的焊点就是第一标准焊点，其中t为焊件厚度。
所述的标准焊接条件是通过查询美国RWMA(电阻焊接协会)推荐的低碳钢点焊规范得到的。
2)对合格焊点和飞溅焊点进一步检测：当待检测焊点的位移波动峰值曲线的第四特征点的序列号超过阈值T时，说明焊点发生飞溅；否则焊点的质量合格；
所述的阈值T是标准焊接条件中焊接时间的半周波的数目。
3)对虚焊焊点和熔核过小的焊点进一步检测：当待检测焊点的第二特征点的位移波动峰值大于或者等于第二标准焊点的第二特征点的位移波动峰值且其序列号小于或者等于第二标准焊点的第二特征点的序列号时，同时待检测焊点的第三特征点的位移波动峰值大于或者等于第二标准焊点的第三特征点的位移波动峰值且其序列号小于或者等于第二标准焊点的第三特征点的序列号时，该焊点属于熔核过小的焊点；否则焊点的质量是虚焊。
所述的第二标准焊点是：低碳钢板在标准焊接条件下，焊接电流由4.6kA到9.5kA变化时，最早出现有钮扣残余的焊点就是第二标准焊点。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、根据位移波动峰值曲线能实时得到熔核所处的形成阶段，使点焊过程由完全不可观测变得部分可观测；2、位移波动峰值曲线的特征点的值和序列号能够作为实时检测依据，对应给出焊点的质量的检测结果，提高了检测的准确性；焊点质量分类为虚焊、熔核过小、合格和飞溅四种情况，从而更有利于实现闭环控制；3、检测的速度快，对于缺陷焊点，可以在焊接结束前根据特征点实现准确的预检测。
附图说明
图1为实施例1的电极位移曲线；
图2为实施例1的位移波动峰值曲线；
图3为实施例1的位移波动峰值的均值曲线；
图4为实施例1熔核尺寸大小与焊接电流的对应关系示意图；
图5为实施例2的电极位移曲线；
图6为实施例2的位移波动峰值曲线；
图7为实施例3的电极位移曲线；
图8为实施例3的位移波动峰值曲线。
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1
本实施例以1mm厚的低碳钢为例，在固定式交流点焊机上进行搭接电阻焊，根据美国RWMA推荐的低碳钢A类点焊规范，其焊接条件为：锥台型电极，电极头直径为5mm，焊接电流为8.8kA，电极压力为225kg，焊接时间为10周波，具体的步骤为：
第一步，利用德国海德汉公司的HEIDENHAIN-SPECT0光栅位移传感器测量电极位移，得到点焊过程中上下电极相离的实时位移信号，即电极位移信息。
第二步，将得到的电极位移信息传给工控机，由工控机进行数据采集，采样频率设置为5kHz，进而以时间为横坐标、电极位移信息为纵坐标得到电极位移曲线，提取电极位移曲线上的各位移波动峰值，并按照时间先后对位移波动峰值编辑序列号，以序列号为横坐标、以位移波动峰值为纵坐标得到位移波动峰值曲线。
本实施例的电极位移曲线如图1所示，电极位移曲线上有由脉冲式的焊接电流引起的位移波动，其个数为焊接时间的半周波数目，即20。
所述的提取电极位移曲线上的位移波动峰值是：搜索电极位移曲线上每个位移波动的起始波谷值和波峰值，波峰值与起始波谷值的差就是位移波动峰值。
所述的序列号是从1开始的阿拉伯数字。
本实施例的位移波动峰值曲线如图2所示，其变化趋势包括：初始下降阶段、上升阶段和第二次下降阶段三个阶段，其分别对应于熔核金属热膨胀阶段、熔核相变膨胀增速长大阶段和熔核相变膨胀减速长大阶段。
第三步，将位移波动峰值曲线上第一个点、第一个拐点、第二个拐点和最后一个点分别标定为第一个特征点、第二个特征点、第三个特征点和第四个特征点，并提取每个特征点的序列号和位移波动峰值。
所述的第一特征点容易受接触电阻的影响而变化较大。
第一个拐点前的下降阶段为熔核金属热膨胀阶段，第一个拐点和第二个拐点之间的上升阶段为熔核相变膨胀增速长大阶段，第二个拐点之后的下降阶段为熔核相变膨胀减速长大阶段。因此，根据第一个拐点和第二个拐点的到来实时检测点焊过程中熔核的形成阶段。
如图2所示，本实施例中待检测焊点的第一个特征点的序列号是1，位移波动峰值是36.5um；第二个特征点的序列号是3，位移波动峰值是18.0um；第三个特征点的序列号是6，位移波动峰值是30.0um；第四特征点的序列号是20，位移波动峰值是7um。
第四步，根据第二个特征点、第三个特征点和第四个特征点的序列号和位移波动峰值作为实时检测依据，对应给出焊点的质量是虚焊、熔核过小、合格和飞溅中的一种检测结果。
本实施例的第一标准焊点是：1mm厚的低碳钢板在A类点焊规范条件下(焊接电流为8.8kA，电极压力为225kg，焊接时间为10周波)，焊接电流由4.6kA分10个水平增加到9.5kA的过程中，每个焊接电流水平下焊接3个样本，从而获得不同焊接电流时的位移波动峰值的均值曲线，如图3所示，焊接试验后对样本焊点进行剥离试验，并用游标卡尺测量熔核直径的大小，获得熔核直径与焊接电流的对应关系，如图4所示，可知：在焊接电流增加到7.1kA时，开始焊出在剥离检测中焊点的熔核直径大于4mm的焊点，即第一标准焊点。第一标准焊点的位移波动峰值曲线的第二、三特征点的位移波动峰值分别为13.83um和21.33um，序列号分别为4和8。
本实施例第二标准焊点是：1mm厚的低碳钢板在A类点焊规范条件下(焊接电流为8.8kA，电极压力为225kg，焊接时间为10周波)，如图3和图4所示，在焊接电流增加到5.9kA时，开始焊出在剥离试验中焊点为凸台钮扣的焊点，即第二标准焊点。第二标准焊点的位移波动峰值曲线的第二、三特征点的位移波动峰值分别为10.33um和13.83um，序列号分别为5和12。
所述的剥离试验是指焊点的一端的双层铁片分开，其中一铁片用夹具固定，另一铁片用钳子夹住，利用杠杆原理将夹住的铁片在焊点处沿贴合面进行剥离。
本实施例待检测焊点的第二特征点的位移波动峰值(18.0um)大于第一标准焊点的第二特征点的位移波动峰值(13.83um)且其序列号(3)小于第一标准焊点的第二特征点的序列号(4)，同时待检测焊点的第三特征点的位移波动峰值(30.0um)大于第一标准焊点的第三特征点的位移波动峰值(21.33um)且其序列号(6)小于第一标准焊点的第三特征点的序列号(8)，则待检测焊点是合格焊点或者是飞溅焊点；又得知待检测焊点的位移波动峰值曲线的第四特征点的序列号(20)等于阈值T(本实施例T＝20)，因此本实施例待检测焊点的质量合格。
本实施例的优点：使用的光栅位移传感器得到的数据精度高；根据位移波动峰值曲线实时得到熔核所处的形成阶段，进而可观察点焊过程；位移波动峰值曲线的特征点的值和序列号能够作为实时检测依据，对应给出焊点的质量的检测结果，提高了检测的准确性；该检测方法速度快，对于缺陷焊点，可以在焊接结束前根据特征点实现准确的预检测，有利于实现点焊质量闭环控制。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：待检测焊点的第一个特征点的序列号是1，位移波动峰值是39.5um；第二个特征点的序列号是3，位移波动峰值是26.5um；第三个特征点的序列号是5，位移波动峰值是39.5um；第四特征点的序列号是33，位移波动峰值是9um。
本实施例的电极位移曲线如图5所示，待检测焊点的电极位移曲线因飞溅而突降，且发生异常波动，而电极位移曲线的异常波动使位移波动峰值曲线的序列数增加，即大于阈值T(本实施例T＝20)，且飞溅后其曲线也发生异常波动。
本实施例的位移波动峰值曲线如图6所示，飞溅的发生是因大的焊接电流引起的，使焊点第二、三特征点的位移波动峰值也相应增大，序列号前移，因此利用第二、三特征点进行飞溅预防。
本实施例待检测焊点的第二特征点的位移波动峰值(26.5um)大于第一标准焊点的第二特征点的位移波动峰值(13.83um)且其序列号(3)小于第一标准焊点的第二特征点的序列号(4)，同时待检测焊点的第三特征点的位移波动峰值(39.5um)大于第一标准焊点的第三特征点的位移波动峰值(21.33um)且其序列号(5)小于第一标准焊点的第三特征点的序列号(8)，则待检测焊点是合格焊点或者是飞溅焊点；又得知待检测焊点的位移波动峰值曲线的第四特征点的序列号(33)大于阈值T(本实施例T＝20)，因此本实施例待检测焊点的质量为飞溅。
实施列3
本实施例与实施例1的区别在于：待检测焊点的第一个特征点的序列号是1，位移波动峰值是22.5um；第二个特征点的序列号是5，位移波动峰值是12.0um；第三个特征点的序列号是10，位移波动峰值是17.0um；第四特征点的序列号是20，位移波动峰值是11.5um。
本实施例的电极位移曲线如图7所示，待检测焊点的电极位移曲线因电流过小而没有出现下降趋势，即产生压痕；本实施例的位移波动峰值曲线如图8所示，位移波动峰值曲线因电流过小而使焊点第二、三特征点的位移波动峰值也相应变小，且序列号后移，因此利用第二、三特征点进行熔核过小的预防。
本实施例待检测焊点的第二特征点的位移波动峰值(12.0um)小于第一标准焊点的第二特征点的位移波动峰值(13.83um)且其序列号(5)大于第一标准焊点的第二特征点的序列号(4)，同时待检测焊点的第三特征点的位移波动峰值(17.0um)小于第一标准焊点的第三特征点的位移波动峰值(21.33um)且其序列号(10)大于第一标准焊点的第三特征点的序列号(8)，则待检测焊点是熔核过小或者是虚焊；待检测焊点的第二特征点的位移波动峰值(12.0um)大于第二标准焊点的第二特征点的位移波动峰值(10.33um)且其序列号(5)等于第二标准焊点的第二特征点的序列号(5)，同时待检测焊点的第三特征点的位移波动峰值(17.0um)大于第二标准焊点的第三特征点的位移波动峰值(13.83um)且其序列号(10)小于第一标准焊点的第三特征点的序列号(12)，因此本实施例待检测焊点的质量为熔核过小。

Claims (8)

1.一种基于电极位移波动的电阻点焊质量实时检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，利用光栅位移传感器测量电极位移，得到点焊过程中上下电极相离的实时位移信号，即电极位移信息；
第二步，将得到的电极位移信息传给工控机，由工控机进行数据采集，进而以时间为横坐标、电极位移信息为纵坐标得到电极位移曲线，提取电极位移曲线上的位移波动峰值，并按照时间先后对位移波动峰值编辑序列号，以序列号为横坐标、以位移波动峰值为纵坐标得到位移波动峰值曲线；
第三步，将位移波动峰值曲线上第一个点、第一个拐点、第二个拐点和最后一个点分别标定为第一个特征点、第二个特征点、第三个特征点和第四个特征点，并提取每个特征点的序列号和位移波动峰值；
第四步，根据第二个特征点、第三个特征点和第四个特征点的序列号和位移波动峰值作为实时检测依据，对应给出焊点的质量是虚焊、熔核过小、合格和飞溅中的一种检测结果。
2.根据权利要求1所述的基于电极位移波动的电阻点焊质量实时检测方法，其特征是，第二步中所述的提取电极位移曲线上的位移波动峰值是：搜索电极位移曲线上每个位移波动的起始波谷值和波峰值，波峰值与起始波谷值的差就是位移波动峰值。
3.根据权利要求1所述的基于电极位移波动的电阻点焊质量实时检测方法，其特征是，第二步中所述的序列号是从1开始的阿拉伯数字。
4.根据权利要求1所述的基于电极位移波动的电阻点焊质量实时检测方法，其特征是，第四步中所述的给出焊点的质量，具体步骤为：
1)当待检测焊点的第二特征点的位移波动峰值大于或者等于第一标准焊点的第二特征点的位移波动峰值且其序列号小于或者等于第一标准焊点的第二特征点的序列号，同时待检测焊点的第三特征点的位移波动峰值大于或者等于第一标准焊点的第三特征点的位移波动峰值且其序列号小于或者等于第一标准焊点的第三特征点的序列号时，该待检测焊点为合格焊点或者是飞溅焊点，继续执行2)；否则该待检测焊点为虚焊焊点或者是熔核过小焊点，继续执行3)；
2)对合格焊点和飞溅焊点进一步检测：当待检测焊点的位移波动峰值曲线的第四特征点的序列号超过阈值T时，说明焊点发生飞溅；否则焊点的质量合格；
3)对虚焊焊点和熔核过小的焊点进一步检测：当待检测焊点的第二特征点的位移波动峰值大于或者等于第二标准焊点的第二特征点的位移波动峰值且其序列号小于或者等于第二标准焊点的第二特征点的序列号时，同时待检测焊点的第三特征点的位移波动峰值大于或者等于第二标准焊点的第三特征点的位移波动峰值且其序列号小于或者等于第二标准焊点的第三特征点的序列号时，该焊点属于熔核过小的焊点；否则焊点的质量是虚焊。
5.根据权利要求4所述的基于电极位移波动的电阻点焊质量实时检测方法，其特征是，所述的第一标准焊点是：低碳钢板在标准焊接条件下，焊接电流由4.6kA到9.5kA变化过程中，最早出现的熔核直径大于的焊点就是第一标准焊点，其中t为焊件厚度。
6.根据权利要求4所述的基于电极位移波动的电阻点焊质量实时检测方法，其特征是，所述的第二标准焊点是：低碳钢板在标准焊接条件下，焊接电流由4.6kA到9.5kA变化时，最早出现有钮扣残余的焊点就是第二标准焊点。
7.根据权利要求5或者6所述的基于电极位移波动的电阻点焊质量实时检测方法，其特征是，所述的标准焊接条件是通过查询美国电阻焊接协会推荐的低碳钢点焊规范得到的。
8.根据权利要求7所述的基于电极位移波动的电阻点焊质量实时检测方法，其特征是，所述的阈值T是标准焊接条件中焊接时间的半周波的数目。
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