CN107030361A - 一种焊接能量在线控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电气工程、材料加工及自动控制领域，具体涉及一种焊接能量在线控制方法。实施步骤如下：以单相交流电阻焊机的恒流控制为出发点，通过建立电流峰值与电流导通时间之间相对固定的关系，实现对于变压器匝数比不同的焊机，可以通过一定的关系转化输出固定有效能量系数的目的。本发明可以大大提高电阻点焊设备操作中的输出能量稳定一致性，满足了在点焊实践过程中依据一个理想参考条件，对其他焊接过程实施标准化一致性操作的目的。本发明可为电阻点焊控制系统在线参数控制、在线质量评估做出贡献。

Description

一种焊接能量在线控制方法

技术领域

本发明涉及电气工程、材料加工及自动控制领域，具体涉及一种焊接能量控制方法，可应用于单相交流电阻焊机在线控制操作，保障在焊接变压器不同的条件下，实际有效熔化能量系数与参考模型尽可能一致。

背景技术

单相交流电阻点焊目前在工业生产，尤其是汽车制造行业的应用非常广泛。由于金属焊片之间存在着很多表面差异，以及焊接过程中，尤其是系统的机械特性和电力系统特性中存在着各种各样的不确定因素，致使焊接操作过程中，必须结合焊接系统特性以及焊接产品形成的特性，进而找到合适的量度对于所有焊接操作设定执行同样的标准。

为了增强焊接产品质量的一致性和焊接控制操作的自动化程度，需要构建关联到预先设定的一致性质量标准，之后构建离线质量检测模型，最后将离线质量检测模型带入到在线控制系统中，以作为控制参考模型，保证对于不同焊机，也能达到一致的控制标准。

目前在焊接操作领域，主流的控制方法是恒流控制，并且电流值也是大部分焊接设备控制能量输出的主要指标。但是，电流并非是直接与焊点质量直接相关的控制变量。电流流经金属焊片，结合金属焊片的电阻，而产生热量，熔化固态金属而形成液态金属熔核，进而形成最后的金属焊点，其能量产生符合以下公式：

式中Q为焦耳热，T₁和T₂分别为焊接的起始时间和终止时间，I(t)为流经固态金属焊片的电流，而R(t)为金属焊片的电阻，由于在焊接过程中，金属性质始终发生变化，因此电阻值也是时刻变化的，故被称之为动态电阻，也正由于这种特性，动态电阻可以用以在线监测焊接过程，评估焊接质量等。

在焊接过程中，为了得到稳定的液态金属熔核增长过程，需要对固态金属熔化成为液态金属熔核这一金属相变过程进行分析。这里可以将焊接受热作用区的金属看作是一个一个均匀的小单元，对于每一个单元而言，其电阻可以视为是相同的，根据能量输入公式，如果要求在一个控制周期内的焦耳热一致，那么就要求等效能量I²t是一致的。而这个一致量是一个混合变量而不是一个单一变量。时间t应为在每一个控制周期内的电流的有效作用范围。每个控制周期内电流导通时间与焊接系统的电力系统特性，尤其是焊接变压器的特性有密切关系。不同的变压器匝数比意味着不同的主线圈与次级线圈缩小比，因此，即便是同样的触发角或是同样的恒流控制电流值，对应的电流有效作用时间有很大差别。

当前的单相交流电阻点焊操作中，作为单变量控制，恒流操作是最普遍的操作，本发明是以恒流控制为基础，将一致性控制变量实施为I²t，从而适用于不同匝数焊接变压器的新型控制方法，可服务于焊接自动化过程。

发明内容

本发明的目的在于根据电阻焊接过程中固态金属熔化形成液态金属熔核的特点，从电阻点焊及电力特性及控制原理出发，提供通用性强，可实现有效熔化能量输出一致的控制方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

(1)选择一个标准的参考焊机，固定电流值进行焊接操作，也即执行恒流控制；

(2)通过模拟-数字采集装置采集焊接电流i_d；

(3)根据一个周期内采集的电流值i_d，计算一个周期内电流的导通时间t，其电流有效值为I，之后计算每个周期的金属熔化有效能量系数I²t；

(4)建立不同匝数比条件下，不同控制周期电流峰值与电流导通时间之间的关系，并根据特性拟合成为线性关系；

(5)通过比较测试焊机变压器主线圈匝数与参考焊机变压器主线圈匝数，利用上一步骤得到的固定比率，得出若要达到同样有效能量系数输入需要提供的电流值(假定峰值与有效值之间的比率相同)；

(6)对测试焊机执行恒流操作；

(7)加入系数修正k，重复进行恒流操作。

进一步，步骤(1)，(6)，(7)中的恒流操作，即根据每一个控制周期操作的实际电流值，确定下一个控制周期晶闸管触发角α，按以下公式计算：

式中i为控制周期序列，ψ为电路电感引起的相位失准角，为恒流控制的理想电流值，为当前控制周期下的电流实际值。

进一步，步骤(3)中的导通时间，既是根据一个控制周期内采集电流值的个数，来进行计算，依据公式如下：

式中N为一个控制周期内电流采集值的总个数，f_s为电流数据采样频率，实施中的工频频率为50赫兹，也即一个控制周期持续时间为10毫秒。

进一步，步骤(3)中的I²t，定义I²t为等效能量，电流I为一个周期内电流的有效值(均方根值)，依据公式如下：

进一步，步骤(4)中，单个控制周期内电流导通时间与电流峰值之间为近似线性关系，这个关系与焊接变压器匝数比密切相关，可以用于在新的匝数比条件下，求得有效能量系数输出的恒流控制电流值。

进一步，步骤(5)中假定在焊接过程中，每个控制周期中的电流峰值与电流有效值(均方根值)之间的比例相同。

进一步，步骤(7)中，根据试验结果，设定一个修正变量k，对恒流控制电流值进行修正，公式如下：

I_RMS2＝kI_RMS1 (5)

式中I_RMS1为根据步骤(7)计算出来的恒流控制值，k为系数，I_RMS2为调整后的恒流控制值。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明主要根据单相交流电阻焊机电路系统的基本原理，结合固态金属受热熔化生成液态金属熔核的性质，从研究焊接变压器对于能量输入的影响入手，得出为了保证有效输入能量一致，需要采取的恒流控制电流值。该发明解决了当焊接电压器不一致时，由于匝数不同引发的输入能量不一致问题。本发明保障了电阻点焊中控制操作的能量输入一致性，为电阻点焊控制系统在线参数控制、在线质量评估做出贡献。

附图说明

图1.本发明一种焊接能量在线控制方法流程图；

图2.单相交流电阻焊机电路系统原理图；

图3.参考焊机恒流控制电流图(匝数比200000/3000)

图4.参考焊机恒流控制输入等效能量图(匝数比200000/3000)

图5.测试焊机恒流控制原始电流图(匝数比100000/2500)

图6.测试焊机恒流控制原始输入等效能量图(匝数比100000/2500)

图7.测试焊机新方法恒流控制电流图(匝数比100000/2500)

图8.测试焊机新方法恒流控制输入等效能量图(匝数比100000/2500)

图9.测试焊机恒流控制原始电流图(匝数比300000/3000)

图10.测试焊机恒流控制原始输入等效能量图(匝数比300000/3000)

图11.测试焊机新方法恒流控制电流图(匝数比300000/3000)

图12.测试焊机新方法恒流控制输入等效能量图(匝数比300000/3000)

附图说明：1-焊接电源；2-晶闸管1；3-晶闸管2；4-焊接变压器；5-次级线圈的等效电感；6-次级线圈的等效电阻；7-负载；8-主线圈的等效电感；9-主线圈的等效电阻。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

请参阅说明书图1：

(1)图1为本发明一种焊接能量在线控制方法的流程图，具体包括如下步骤：选择一个标准的参考焊机，固定电流值进行焊接操作，也即执行恒流控制；

(2)通过模拟-数字采集装置采集焊接电流i_d；

(3)根据一个周期内采集的电流值i_d，计算一个周期内电流的导通时间t，其电流有效值为I，之后计算每个周期的金属熔化有效能量系数I²t；

(4)建立不同匝数比条件下，不同控制周期电流峰值与电流导通时间之间的关系，并根据特性拟合成为线性关系；

(5)通过比较测试焊机变压器主线圈匝数与参考焊机变压器主线圈匝数，利用上一步骤得到的固定比率，得出若要达到同样有效能量系数输入需要提供的电流值(假定峰值与有效值之间的比率相同)

(6)对测试焊机执行恒流操作；

(7)加入系数修正k，重复进行恒流操作。

请参阅说明书图2：

在图2单相交流电阻焊机电路系统操作原理图中，焊接电源1通过晶闸管2、3的触发角α为系统输入参数，控制输入能量；焊接变压器4实现降压，之后提供能量给负载7，焊接电流i_d为流经负载7的电流数字采集值。5为次级线圈电路的等效电感；6为次级线圈电路的等效电阻；8为主线圈电路的等效电感；9为主线圈电路的等效电阻。

请参阅说明书图3至图12：

本发明以普通单相交流电阻点焊操作为例，实验平台包括电阻焊机，电流测量仪器罗氏线圈、工控机、控制及数据采集电路板等，其中控制及数据采集电路板为自行研制而成，微处理器采用DSP进行设计，选择的参考焊机的焊接变压器为匝数比200000/3000，本发明中，仅主线圈的匝数是有效的参数。电压为380V的标准电压，焊接有效控制时间均为20个控制周期(每个控制周期为10毫秒)。

首先针对参考焊机，执行电流值为5000A的恒流控制，得到电流图和等效能量图如图3、图4所示。之后针对两种情况，及测试焊机中变压器匝数比分别为100000/2500和300000/3000两种情况进行测试。图5和图6分别为测试焊机变压器匝数比100000/2500，恒流控制5000A时的电流图和等效能量图，可以看到虽然控制恒流值一致，但是等效能量值相差较远。这里可以通过离线建模的方式，建立不同匝数比条件下，不同电流峰值与电流导通时间之间的数学关系，并通过数学拟合成为近似线性关系。利用本发明中的方法，根据本焊机匝数比与测试焊机匝数比条件下，电流导通时间与电流峰值的关系，假定电流峰值与电流有效值之间的比例确定，可以对应的恒流控制电流值应为经过试验后选定修正系数为k＝0.85，重新试验后得到的恒流控制电流图和等效能量图分别为图7和图8。同样，对于测试焊机变压器匝数比300000/3000，首先执行5000A的恒流控制，得到恒流控制电流图和等效能量图分别为图9和图10。之后依照本发明的步骤，根据这种焊接变压器匝数比条件下，电流峰值与导通时间之间的关系，对应得到恒流控制电流值应为 经过试验分析，得出修正系数应为k＝1.2，重新试验后得到的恒流控制电流图和等效能量图分别为图11和图12。

经过试验分析，如果没有经过本发明得到的控制方法对恒流控制进行对应修正，而是对于不同变压器匝数的焊机利用同样的理想电流值进行恒流控制，则与参考焊机相比较，有效能量I²t相差甚远，但是经过本发明的调节之后，可以大大减小有效能量的差值，达到优化的结果。

本实施例所述一种焊接能量在线控制方法应用过程如下：本发明以恒流控制为基础，以电阻点焊固态金属熔化和电阻焊机电力系统原理为依据，分析得到有效能量I²t才是使焊接金属熔化过程一致的关键变量。实施过程中，首先选用一个参考焊机，执行一定电流值的恒流控制作为理想参考条件。之后通过离线建模的方式，建立不同匝数条件下，不同电流峰值与电流导通时间之间的数学关系，并通过数学拟合成为近似线性关系。对于新的测试焊机操作，首先通过执行与上一步骤同样的恒流控制，之后通过参考焊机变压器匝数比条件下，不同电流峰值与电流导通时间之间的数学关系，与参考实验对比得到对应的恒流控制电流值，然后通过实验修正恒流控制值，得出修正系数，重新代入执行恒流控制，最终使得该条件下，有效能量值I²t与参考实验条件下一致。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种焊接能量在线控制方法，具体步骤如下：

(1)选择一个标准的参考焊机，固定电流值进行焊接操作，也即执行恒流控制；

(2)通过模拟-数字采集装置采集焊接电流i_d；

(3)根据一个周期内采集的电流值i_d，计算一个周期内电流的导通时间t，其电流有效值为I，之后计算每个周期的金属熔化有效能量系数I²t；

(4)建立不同匝数比条件下，不同控制周期电流峰值与电流导通时间之间的关系，并根据特性拟合成为线性关系；

(5)通过比较测试焊机变压器主线圈匝数与参考焊机变压器主线圈匝数，利用上一步骤得到的固定比率，得出若要达到同样有效能量系数输入需要提供的电流值(假定峰值与有效值之间的比率相同)；

(6)对测试焊机执行恒流操作；

(7)加入系数修正k，重复进行恒流操作。

2.根据权利要求1所述的一种焊接能量在线控制方法，其特征在于：步骤(1)，(6)，(7)中的恒流操作，即根据每一个控制周期操作的实际电流值，确定下一个控制周期晶闸管触发角α，按以下公式计算：

式中i为控制周期序列，ψ为电路电感引起的相位失准角，为恒流控制的理想电流值，为当前控制周期下的电流实际值。

3.根据权利要求1所述的一种焊接能量在线控制方法，其特征在于：步骤(3)中的导通时间，既是根据一个控制周期内采集电流值的个数，来进行计算，依据公式如下：

式中N为一个控制周期内电流采集值的总个数，f_s为电流数据采样频率，实施中的工频频率为50赫兹，也即一个控制周期持续时间为10毫秒。

4.根据权利要求1所述的一种焊接能量在线控制方法，其特征在于：步骤(3)中的I²t，定义I²t为使得金属熔化的有效能量系数，电流I为一个周期内电流的有效值(均方根值)，依据公式如下：

5.根据权利要求1所述的一种焊接能量在线控制方法，其特征在于：步骤(4)中，单个控制周期内电流导通时间与电流峰值之间为近似线性关系，这个关系与焊接变压器匝数比密切相关，可以用于在新的匝数比条件下，求得有效能量系数输出的恒流控制电流值。

6.根据权利要求1所述的一种焊接能量在线控制方法，其特征在于：步骤(5)中假定在焊接过程中，每个控制周期中的电流峰值与电流有效值(均方根值)之间的比例相同。

7.根据权利要求1所述的一种焊接能量在线控制方法，其特征在于：步骤(7)中，根据试验结果，设定一个修正变量k，对恒流控制电流值进行修正，即为以下公式：

I_RMS2＝kI_RMS1

式中I_RMS1为根据步骤(7)计算出来的恒流控制值，k为系数，I_RMS2为调整后的恒流控制值。