CN102944178A - 一种电阻点焊中电极位移变化量的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电阻点焊中电极位移变化量的测量装置及方法，将上工装臂的一端安装于上电极处，将下工装臂的一端安装于下电极处，在上工装臂的另一端安装激光反射挡板，并在下工装臂的另一端安装第一位移传感器和第二位移传感器，第一位移传感器与第二位移传感器间相距第一距离，第一位移传感器与下电极间相距第二距离；所述装置包括：测量单元，用于在焊接工件时，利用第一位移传感器测量第一位移传感器位置处的上工装臂与下工装臂间的第四距离，并利用第二位移传感器测量第二位移传感器位置处的上工装臂与下工装臂间的第五距离；计算单元，用于利用第一距离与第二距离、以及测量得到的第四距离与第五距离计算当前电极位移变化量。

Description

一种电阻点焊中电极位移变化量的测量装置及方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种电阻点焊中电极位移变化量的测量装置及方法。

背景技术

电阻点焊中电极位移是指熔核在形成过程中发生热膨胀位移时引起的上下电极相离的位移变化量，其值被认为是电阻点焊监测参数中反映焊点熔核质量的参数之一。

下面介绍现有技术中实现电极位移的测量方案：

1、将位移测量装置即位移传感器与挡板分别紧贴焊钳下电极和上电极，用以测量上下电极相离的动态位移，但是，在汽车或地铁车体焊接车间，待焊工件往往较大，在焊接时工件容易与测量装置或测量光路发生干涉而无法进行焊接或测量。

2、将位移传感器安装固定在焊钳上端，挡板通过折弯件安装固定在可上下垂直运动的上电极上，因为上电极是与气缸活塞杆相连，焊钳上端是与气缸外部相连，因此上述激光位移传感器测量的值实际上就是气缸壁与活塞之间的相对位移值，而不是焊钳上电极与下电极相离的距离。因为该位移传感测量装置均在焊钳上部，不影响上下电极之间工件的进出，所以可有效避免位移传感装置与被焊工件之间的干涉。但是该测量方法没有考虑点焊过程中下电极的位移运动，即电极臂的变形引起的下电极的位移，故最终得到的电极位移并非真实的上下电极之间的位移。

3、为了消除上述的不足，将单个位移传感器及挡板分别安装在两个工装臂的一端，通过延长工装臂后其另一端与焊钳上下电极相连接，并通过标尺事先校正设定电极力下传感器测量值与真实值(标尺)之间的关系，在测量电极位移时，利用该预先设定测量值与真实值的关系获取真实的电极位移。这种电极位移测量方法虽然能避免位移传感装置与被焊工件之间的干涉，但是没有考虑点焊过程中电极力的动态变化引起的焊钳变形，从而引起测量误差，且当焊机或电极力设置改变时，电极位移的测量值需重新采用标尺校正，不适合于电极力发生变化的实际情况。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种电阻点焊中电极位移变化量的测量装置及方法，以实现精确测量电极位移变化量的目的。

为实现上述目的，本发明提供了一种电阻点焊中电极位移变化量的测量装置，包括：焊钳、上工装臂、下工装臂、第一位移传感器、第二位移传感器以及激光反射挡板；将所述上工装臂的一端安装于所述焊钳的上电极处，将所述下工装臂的一端安装于所述焊钳的下电极处，且所述上工装臂与所述下工装臂呈平行状态，在所述上工装臂的另一端安装激光反射挡板，并在所述下工装臂的另一端安装第一位移传感器和第二位移传感器，所述第一位移传感器与所述第二位移传感器间相距第一距离，所述第一位移传感器与所述下电极间相距第二距离，所述第二位移传感器与所述下电极间相距第三距离，所述第三距离等于所述第一距离与所述第二距离的和；所述测量装置还包括：

测量单元，用于在焊接置放于所述下电极上的工件时，利用所述第一位移传感器测量第一位移传感器位置处的上工装臂与下工装臂间的第四距离，并利用所述第二位移传感器测量第二位移传感器位置处的上工装臂与下工装臂间的第五距离；

计算单元，用于利用所述第一距离与所述第二距离、以及所述测量得到的第四距离与第五距离计算当前电极位移变化量。

优选地，在上述装置中，所述计算单元，具体用于根据公式计算所述上电极与所述下电极间的位移变化值Δd₀，其中，b为所述第一距离，a为所述第二距离，Δd₁为当前时刻与上一时刻间的设定时间内所述第四距离的变化值，Δd₂为当前时刻与上一时刻间的设定时间内所述第五距离的变化值。

优选地，在上述装置中，所述第一位移传感器和所述第二位移传感器均为激光位移传感器。

优选地，上述装置还包括：

控制单元，用于控制所述上电极以设定速度逐渐逼近所述工件并在所述上电极加载电极力，以便所述上电极压住所述工件且所述电极力达到设定压力值后开始焊接所述工件。

本发明还提供了一种电阻点焊中电极位移变化量的测量方法，所述方法应用于电阻点焊中电极位移变化量的测量装置，所述测量装置包括：焊钳、上工装臂、下工装臂、第一位移传感器、第二位移传感器以及激光反射挡板；将所述上工装臂的一端安装于所述焊钳的上电极处，将所述下工装臂的一端安装于所述焊钳的下电极处，且所述上工装臂与所述下工装臂呈平行状态，在所述上工装臂的另一端安装激光反射挡板，并在所述下工装臂的另一端安装第一位移传感器和第二位移传感器，所述第一位移传感器与所述第二位移传感器间相距第一距离，所述第一位移传感器与所述下电极间相距第二距离，所述第二位移传感器与所述下电极间相距第三距离，所述第三距离等于所述第一距离与所述第二距离的和；所述方法包括：

在焊接置放于所述下电极上的工件时，利用所述第一位移传感器测量第一位移传感器位置处的上工装臂与下工装臂间的第四距离，并利用所述第二位移传感器测量第二位移传感器位置处的上工装臂与下工装臂间的第五距离；

利用所述第一距离与所述第二距离、以及所述测量得到的第四距离与第五距离计算当前电极位移变化量。

优选地，在上述方法中，所述利用所述第一距离与所述第二距离、以及所述测量得到的第四距离与第五距离计算当前电极位移变化量包括：

根据公式

计算所述上电极与所述下电极间的位移变化值Δd₀，其中，b为所述第一距离，a为所述第二距离，Δd₁为当前时刻与上一时刻间的设定时间内所述第四距离的变化值，Δd₂为当前时刻与上一时刻间的设定时间内所述第五距离的变化值。

优选地，在上述方法中，所述第一位移传感器和所述第二位移传感器均为激光位移传感器。

优选地，在上述方法中，所述在焊接置放于所述下电极上的工件时之前还包括：

控制所述上电极以设定速度逐渐逼近所述工件并在所述上电极加载电极力，以便所述上电极压住所述工件且所述电极力达到设定压力值后开始焊接所述工件。

本发明电阻点焊中电极位移变化量的测量装置及方法，基于不同位置点处上下工装臂间的距离、传感器与下电极之间的距离以及上下电极间的距离组成了梯形形状，可采用两个激光位移传感器分别测量不同位置点处上下工装臂之间的距离，再利用梯形关系式对两个位移传感器测量值的变化值进行计算，从而获得真实的电极位移值。本发明电极位移测量误差小，可实现电极位移变化量的精确测量，能有效克服因电极力的动态变化引起的测量误差。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明电阻点焊中熔核形成示意图；

图2为本发明电阻点焊中电极位移变化量的测量装置的结构示意图；

图3为本发明梯形关系示意图；

图4为本发明电阻点焊中电极位移变化量的测量方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

首先介绍电阻点焊过程中形成熔核的具体过程，电焊是一个在瞬间完成的耦合了电、热、结构与相变的复杂过程，是塑变能与热能不断激活工件接触表面的原子逐渐形成熔化核心而连接工件的过程。参见图1所示的电阻点焊中熔核形成示意图，在焊接工件的过程中，两层或是多层的工件1在电极力的作用下靠上电极2和下电极3被挤压在一起，此时电流流经所述工件1并产生大量的焦耳热，由于工件结合面4的电阻在焊接开始阶段相当高，因此，热量集中在结合面4周围，当结合面4的温度高于工件1的熔点时，熔核5便在结合面4形成长大；在电流切断后，熔核5开始冷却、固化，从而便可在工件结合面4处形成一个固体接头。

参见图2所示，图2为本发明提供的一种电阻点焊中电极位移变化量的测量装置的结构示意图，该测量装置包括：焊钳、具有较高刚度的上工装臂和下工装臂、第一位移传感器、第二位移传感器以及激光反射挡板；将所述上工装臂1的一端安装于所述焊钳的上电极6处，将所述下工装臂5的一端安装于所述焊钳的下电极7处，且所述上工装臂1与所述下工装臂5呈平行状态，在所述上工装臂1的另一端安装激光反射挡板2，并在所述下工装臂5的另一端安装第一位移传感器3和第二位移传感器4，所述第一位移传感器3与所述第二位移传感器4间相距第一距离b，所述第一位移传感器3与所述下电极7间相距第二距离a，所述第二位移传感器4与所述下电极7间相距第三距离c，所述第三距离c等于所述第一距离b与所述第二距离a的和；所述测量装置还包括：控制单元、测量单元和计算单元。

所述控制单元，用于在焊接置放于所述下电极上的工件前，控制所述上电极6以设定速度逐渐逼近所述工件并在所述上电极6加载电极力，以便所述上电极6压住所述工件且所述电极力达到设定压力值后开始焊接所述工件。

所述测量单元，用于在焊接置放于所述下电极7上的工件时，利用所述第一位移传感器3测量第一位移传感器位置处的上工装臂与下工装臂间的第四距离d₁，并利用所述第二位移传感器4测量第二位移传感器位置处的上工装臂与下工装臂间的第五距离d₂。

所述计算单元，用于利用所述第一距离b与所述第二距离a、以及所述测量得到的第四距离d₁与第五距离d₂计算当前电极位移变化量。

在气动焊钳自动控制系统中，当工件置于下电极上后，所述控制单元首先控制上电极以较快的设定速度下移，当上电极距离工件很近时停止运动，之后改用较慢的设定速度下移直到接触工件并加载，这样既保证了焊接速度，也减少了电极运动冲击与磨损，延长了焊钳和电极的使用寿命，同时对电极位移的精确测量没有影响。

此外，在焊接工件前，所述控制单元控制上电极逐渐压下并在上电极加载电极力的过程中，当上电极下降到与下电极之间的距离只有设定距离(例如：5cm)时停止，此时可人工调整焊钳与被焊工件之间的相对位置，再继续控制上电极压下，或是不对焊钳与被焊工件之间的相对位置进行调整，而在上电极停止后继续控制上电极压下，直到压住工件且加载在上电极的电极力达到设定的压力值时，开始对工件进行焊接。上电极是与气缸活塞杆直接连接，加载在上电极上的电极力可通过计算气缸中的气体压强与活塞面积的乘积获取。

电极力加载过程中，焊钳结构将发生弹性变形，即下电极会发生垂向下移和纵向左移，其垂向位移达1mm以上，纵向位移达0.5mm以上，相对于测量精度达微米级的电极位移来说是很大的误差；而上电极的变形量接近零，只发生材料的弹性变形，而不是结构变形，所以很小。

由于焊接过程中，熔核长大发生热膨胀位移，上下电极及上下工装臂相离，导致上电极6与下电极7之间的距离d₀发生变化，两个激光位移传感器的测量值d₁和d₂也发生变化；同时，实际的电极力也发生变化，使得焊钳发生动态变形，焊接前的上工装臂1与下工装臂5间的平行度发生变化，引起两个位移传感器测量值d₁和d₂也发生变化。参见图3所示的梯形关系示意图，利用大小直接三角形相似关系，可得公式(1)：

$(\frac{d_1}{2}-\frac{d_2}{2})/(\frac{d_0}{2}-\frac{d_2}{2})=b/(a+b)---\left(1\right)$

将公式(1)变形可得：

(d₁-d₂)(a+b)＝b(d₀-d₂)                   (2)

再将公式(2)变形可得：

$d_0=\frac{(d_1-d_2)(a+b)}{b}+d_2---\left(3\right)$

最后将公式(3)变形可得：

$d_0=\frac{{\mathrm{bd}}_1+{\mathrm{ad}}_1-{\mathrm{ad}}_2}{b}---\left(4\right)$

可见，可利用公式(4)计算当前时刻上下电极之间的实际距离d₀。

所以，所述计算单元，可具体用于根据公式

计算所述上电极与所述下电极间的位移变化值Δd₀，其中，b为所述第一距离，a为所述第二距离，Δd₁为当前时刻与上一时刻间的设定时间内所述第四距离的变化值，Δd₂为当前时刻与上一时刻间的设定时间内所述第五距离的变化值。

此外，所述第一位移传感器和所述第二位移传感器均为激光位移传感器。

下面介绍所述激光位移传感器的工作原理：

激光位移传感器可精确非接触测量被测物体的位置、位移等变化，激光位移传感器的红色激光通过柱面镜头射出到被测物体表面即本发明中的激光反射挡板，并发生漫反射，经挡板反射的激光通过接收器镜头，被内部的CCD线性相机接收，根据不同的距离，激光位移传感器垂直射出光线的距离可通过高精度物镜单元和CCD对接收的漫反射光线来确定，其值即为激光传感器与被测物体即激光反射挡板之间的距离值。

本发明电阻点焊中电极位移变化量的测量装置，基于不同位置点处上下工装臂间的距离、传感器与下电极之间的距离以及上下电极间的距离组成了梯形形状，可采用两个激光位移传感器分别测量不同位置点处上下工装臂之间的距离，再利用梯形关系式对两个位移传感器测量值的变化值进行计算，从而获得真实的电极位移。本发明电极位移测量误差小，可实现电极位移变化量的精确测量，能有效克服因电极力的动态变化引起的测量误差。

参见图4所示，图4为本发明提供的一种电阻点焊中电极位移变化量的测量方法，所述方法应用于电阻点焊中电极位移变化量的测量装置，所述测量装置包括：焊钳、具有较高刚度的上工装臂和下工装臂、第一位移传感器、第二位移传感器以及激光反射挡板；将所述上工装臂的一端安装于所述焊钳的上电极处，将所述下工装臂的一端安装于所述焊钳的下电极处，且所述上工装臂与所述下工装臂呈平行状态，在所述上工装臂的另一端安装激光反射挡板，并在所述下工装臂的另一端安装第一位移传感器和第二位移传感器，所述第一位移传感器与所述第二位移传感器间相距第一距离，所述第一位移传感器与所述下电极间相距第二距离，所述第二位移传感器与所述下电极间相距第三距离，所述第三距离等于所述第一距离与所述第二距离的和；所述方法包括：

步骤401：控制所述上电极以设定速度逐渐逼近置放于所述下电极上的工件并在所述上电极加载电极力，以便所述上电极压住所述工件且所述电极力达到设定压力值后开始焊接所述工件。

步骤402：在焊接置放于所述下电极上的工件时，利用所述第一位移传感器测量第一位移传感器位置处的上工装臂与下工装臂间的第四距离，并利用所述第二位移传感器测量第二位移传感器位置处的上工装臂与下工装臂间的第五距离；

步骤403：利用所述第一距离与所述第二距离、以及所述测量得到的第四距离与第五距离计算当前电极位移变化量。

在步骤403中，可根据公式

计算所述上电极与所述下电极间的位移变化值Δd₀，其中，b为所述第一距离，a为所述第二距离，Δd₁为当前时刻与上一时刻间的设定时间内所述第四距离的变化值，Δd₂为当前时刻与上一时刻间的设定时间内所述第五距离的变化值。

另外，所述第一位移传感器和所述第二位移传感器均为激光位移传感器。

本发明电阻点焊中电极位移变化量的测量方法，本发明电阻点焊中电极位移变化量的测量装置，基于不同位置点处上下工装臂间的距离、传感器与下电极之间的距离以及上下电极间的距离组成了梯形形状，可采用两个激光位移传感器分别测量不同位置点处上下工装臂之间的距离，再利用梯形关系式对两个位移传感器测量值的变化值进行计算，从而获得真实的电极位移。本发明电极位移测量误差小，可实现电极位移变化量的精确测量，能有效克服因电极力的动态变化引起的测量误差。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种电阻点焊中电极位移变化量的测量装置，其特征在于，包括：焊钳、上工装臂、下工装臂、第一位移传感器、第二位移传感器以及激光反射挡板；将所述上工装臂的一端安装于所述焊钳的上电极处，将所述下工装臂的一端安装于所述焊钳的下电极处，且所述上工装臂与所述下工装臂呈平行状态，在所述上工装臂的另一端安装激光反射挡板，并在所述下工装臂的另一端安装第一位移传感器和第二位移传感器，所述第一位移传感器与所述第二位移传感器间相距第一距离，所述第一位移传感器与所述下电极间相距第二距离，所述第二位移传感器与所述下电极间相距第三距离，所述第三距离等于所述第一距离与所述第二距离的和；所述测量装置还包括：

测量单元，用于在焊接置放于所述下电极上的工件时，利用所述第一位移传感器测量第一位移传感器位置处的上工装臂与下工装臂间的第四距离，并利用所述第二位移传感器测量第二位移传感器位置处的上工装臂与下工装臂间的第五距离；

计算单元，用于利用所述第一距离与所述第二距离、以及所述测量得到的第四距离与第五距离计算当前电极位移变化量。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述计算单元，具体用于根据公式

计算所述上电极与所述下电极间的位移变化值Δd₀，其中，b为所述第一距离，a为所述第二距离，Δd₁为当前时刻与上一时刻间的设定时间内所述第四距离的变化值，Δd₂为当前时刻与上一时刻间的设定时间内所述第五距离的变化值。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述第一位移传感器和所述第二位移传感器均为激光位移传感器。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

控制单元，用于控制所述上电极以设定速度逐渐逼近所述工件并在所述上电极加载电极力，以便所述上电极压住所述工件且所述电极力达到设定压力值后开始焊接所述工件。

5.一种电阻点焊中电极位移变化量的测量方法，其特征在于，所述方法应用于电阻点焊中电极位移变化量的测量装置，所述测量装置包括：焊钳、上工装臂、下工装臂、第一位移传感器、第二位移传感器以及激光反射挡板；将所述上工装臂的一端安装于所述焊钳的上电极处，将所述下工装臂的一端安装于所述焊钳的下电极处，且所述上工装臂与所述下工装臂呈平行状态，在所述上工装臂的另一端安装激光反射挡板，并在所述下工装臂的另一端安装第一位移传感器和第二位移传感器，所述第一位移传感器与所述第二位移传感器间相距第一距离，所述第一位移传感器与所述下电极间相距第二距离，所述第二位移传感器与所述下电极间相距第三距离，所述第三距离等于所述第一距离与所述第二距离的和；所述方法包括：

在焊接置放于所述下电极上的工件时，利用所述第一位移传感器测量第一位移传感器位置处的上工装臂与下工装臂间的第四距离，并利用所述第二位移传感器测量第二位移传感器位置处的上工装臂与下工装臂间的第五距离；

利用所述第一距离与所述第二距离、以及所述测量得到的第四距离与第五距离计算当前电极位移变化量。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述利用所述第一距离与所述第二距离、以及所述测量得到的第四距离与第五距离计算当前电极位移变化量包括：

根据公式

计算所述上电极与所述下电极间的位移变化值Δd₀，其中，b为所述第一距离，a为所述第二距离，Δd₁为当前时刻与上一时刻间的设定时间内所述第四距离的变化值，Δd₂为当前时刻与上一时刻间的设定时间内所述第五距离的变化值。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述第一位移传感器和所述第二位移传感器均为激光位移传感器。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述在焊接置放于所述下电极上的工件时之前还包括：

控制所述上电极以设定速度逐渐逼近所述工件并在所述上电极加载电极力，以便所述上电极压住所述工件且所述电极力达到设定压力值后开始焊接所述工件。

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