CN111360386A - 一种压电驱动主动施压的电阻点焊飞溅抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电驱动主动施压的电阻点焊飞溅抑制方法，通过实时采集电阻点焊过程电极压力信号，系统软件程序实时地将早期飞溅特征信号在即将发生时便识别出来。迅速触发控制单元发出反馈控制信号进入压电致动器驱动器，主动控制压电致动器做可编程的压力输出，进而在线闭环补充点焊电极压力抑制飞溅。本方法实现了点焊质量检测与实时控制一体化，从根源上抑制点焊飞溅发生，保证电阻点焊过程平稳和提升焊点质量。

Description

一种压电驱动主动施压的电阻点焊飞溅抑制方法

技术领域

本发明涉及一种新型压电驱动主动施压的电阻点焊飞溅缺陷控制方法，属于焊接质量监控领域。

背景技术

电阻点焊是一种通过电阻热熔化金属并施加一定压力实现金属成形的焊接过程，其过程涉及到多物理场耦合且焊接过程不可见。电阻点焊以其高效率、低成本、易于实现自动化等优点被广泛应用于航空、航天、能源、电子和轨道交通等领域，尤其在汽车行业，其仍然作为金属连接的主要手段，一个典型轿车车身大概由300～400个薄板件经3000～6000个焊点装配而成，因此焊点质量及后续检测工序将直接影响焊接结构的可靠性和生产效率。

电阻点焊飞溅是典型的焊核区熔化程度与电极压力不匹配而产生的金属从板间飞出或表面飞出的一类点焊缺陷，此类缺陷不仅降低焊点质量，而且破坏熔核成形，造成电极端头使用寿命降低。目前，对于电阻点焊熔核质量往往采取焊后破坏性检测、无损检测和在线监测等方式。破坏性检测采取抽检方式，结果可靠但对于测过的焊点已经造成破坏，而未测焊点实际并未检测。无损检测方法近些年发展迅速，常通过对反射回波的分析对熔核尺寸进行预测，但增加了焊后工序。在线质量监测方法，通过采集焊接过程中的焊接参数数据，分析和识别与焊核质量(如，熔核尺寸、未熔合缺陷和焊点飞溅缺陷等)密切相关的传感采集信号特征，从而实现在线质量预测。可见，在线监测不仅可实现对焊接过程的监测以及焊点质量的预测，同时其与焊接过程同步进行，大大提升了生产效率。

而对于在线控制的方法受限于点焊的瞬时性往往研究较少，有学者通过在焊接飞溅前截断电流，经过几十毫秒再通电流的方式来抑制飞溅并保证熔核尺寸，其通过重新分配焊接热量与熔化的方式对飞溅进行抑制。此外，有研究指出，随着焊接电流的增加，熔核尺寸随之增大，当电流刚刚超过临界点附近时，便会产生较严重飞溅并且造成焊点强度的降低，如果进一步增加焊接电流，虽然熔核会进一步增大且表现出更高的强度，但焊点成形效果不佳；此外，通过增加焊接压力的方式可以推迟电阻点焊到达临界飞溅点的时间，有助于降低飞溅对焊核强度的影响。可见，通过及时控制焊接过程热输入或者适当增加焊接压力，均可对焊接过程飞溅进行有效抑制。

对于飞溅现象，其特征信号往往在电极压力和电极位移动态数据中表现明显，以安装压力传感器在气缸内的电极压力信号为例，当发生飞溅时，其呈现出指数衰减形式的冲击振荡，而压力传感器安装于电极臂的电极压力信号常表现为压力的陡降/下降。因此，为解决传统电阻点焊热输入与电极压力动态匹配能力不足而形成的焊接飞溅问题，本发明将压电致动器辅助压力驱动引入到电阻点焊过程，通过在线实时检测电极压力信号中早期的飞溅特征(冲击振荡或压力陡降/下降)即将发生，反馈驱动压电致动器进行压力输出补偿，闭环调节焊接过程中电极压力，从而实现对飞溅的在线质量监控。

发明内容

本发明的目的在于克服传统电阻点焊过程电极压力与热输入匹配动态能力不足引起的飞溅，提出一种压电驱动主动施压的电阻点焊飞溅抑制方法。该质量监控方法通过将压电致动器串入到电阻点焊电极压力输出轴内，可对电极进行编程推动运动；采用电极压力传感器采集焊接过程电极压力信号，通过软件程序对早期飞溅特征进行在线识别，在飞溅缺陷将要发生前，实时反馈控制压电致动器进行压力补偿调节，实现在线质量检测与控制一体的电阻点焊飞溅抑制效果。所述的软件程序包括但不限于基于小波分解的飞溅特征识别方法，和基于形态学匹配的飞溅特征识别方法。所述的电阻点焊机可为气动电阻点焊机和伺服电阻点焊机。使用过程中电极按照常规夹持方式安装于电阻点焊机。

电极压力的测量主要通过压力传感器，根据电阻点焊设备类型选择不同位置进行安装。对于气缸加压的电阻点焊机，压力传感器可选择安装于气缸内部或电极臂内；对于伺服加压的电阻焊机，压力传感器可选择安装于电极臂内。包括但不限于以上安装位置。

压力传感器置于气缸内部时，焊接过程中压力信号出现的冲击振荡形式信号，是焊接发生飞溅缺陷的典型特征；压力传感器置于电极臂内时，压力陡降/下降时发生飞溅缺陷的典型特征。包括但不限于以上所述飞溅特征。

压电致动主动施压系统由计算机软件程序、控制器、压电致动器驱动器和压电致动器组成。计算机软件程序实时检测将要发生飞溅的压力信号特征，并实时输出反馈控制波形，通过控制器进入压电致动器驱动器，进而对压电致动器的启动和运动进行控制。

软件程序要求实时能力强，响应迅速。软件程序界面输入参数包括但不限于：焊接材料、材料厚度、飞溅阈值范围、压电致动器反馈波形形式、压电致动器反馈波形推力和频率、数据库手动输入变量。

该焊接方法具体操作步骤如下：

(1)焊前准备。将焊件准备就绪并用夹具固定，可根据情况适当选择是否进行表面清洗。启动电阻点焊机，打开工控机中系统软件程序。

(2)参数设置。根据待焊材料及厚度确定焊接压力、焊接通电时间，选取合适焊接电流。在软件界面中，设置焊接材料、材料厚度、飞溅阈值，选择反馈控制波形形式(周期方波振动或恒定压力输出)，压电致动器输出推力和振动频率。

(3)焊接。待焊接参数设置完毕后，运行系统软件程序，踏下点焊踏板进行焊接。观察焊接过程中是否存在飞溅以及飞溅抑制效果，输入焊后结果更新数据库，以实现最优焊接过程飞溅控制效果。

与现有技术相比，本发明方法的优点如下。

1、与传统焊后抽检破坏性检测和无损检测相比较，本发明将焊接过程监测及在线控制集成一体化，减少后续检测过程，精简焊接工序。此外，通过软件程序根据飞溅压力信号特征对早期飞溅进行识别，可为后续的主动控制提供依据。同时每次试验预测数据和真实试验数据均存入和更新数据库，通过不断的迭代优化，提升系统判断的准确性，为电阻点焊质量监控提供可靠依据。

2、与传统电阻点焊过程相比较，本发明在现有压力加载条件下，增加了压电致动器作为压力补充调节，在线通过闭环反馈输出控制信号增加焊接压力对飞溅进行抑制，从源头上降低了电阻点焊飞溅缺陷的发生，提高焊点质量，为电阻点焊焊接过程质量控制提供硬件基础。

3、对于本发明，设计是基于传统电阻焊机，在使用过程中只需将压电致动器元件串入到电极压力输出轴内，数据采集及软件系统是独立的单元，无需改动整个生产线。因此，本发明一方面可以提高焊点质量抑制飞溅，另一方面易于实现生产线的更新，且无需增加额外的工序，提高焊接生产效率和质量。

附图说明

图1是本电阻点焊飞溅抑制系统示意图(以气缸施压电阻焊机为例)。

图中：1：电阻点焊机，2：气缸，3：压力传感器，4：压电致动器，5：电阻点焊电极，6：控制单元，7：工控机，8：压电致动器驱动器，9：压力传感器连接线，10：压电致动器控制线。

具体实施方式

以下参考附图具体地说明本发明实施方式。

首先，将压力传感器3安装于气缸2内或电极臂内用于测量电极压力，通过压力传感器连接线9将压力传感器输出数据与控制单元6端口相连，控制单元6连接工控机7。软件系统输出的压电致动器控制信号通过控制电源6连接压电致动器驱动器8，通过连接线10与压电致动器4相连。压电致动器4，包括但不限于，通过上下螺栓安装至电极压力输出轴内。

然后，打开工控机7中的电阻点焊飞溅缺陷监控系统，设置相应的参数并运行系统。选取合适的电极5进行安装和电路连接后，检查通过，启动电阻点焊机1，通过控制面板设置焊接参数。

最后，将待焊工件置于电极中心，踏下电阻点焊机踏板，完成一次焊接过程。此时，工控机7中的软件系统已完成数据采集、分析、保存，和通过控制单元6的反馈闭环控制。观察焊件表面成型、熔核尺寸以及焊接过程中有无飞溅等质量缺陷，可将结果输入对应数据库，以便完善和校正数据库数据，保证数据库足量的数据存储及判断准确性。在软件系统中，如分析结果超过设定阈值范围即判定即将发生飞溅，此时系统自动输出控制信号，无需人为进行额外操作，可实现电阻点焊过程检测和主动控制一体化的效果。

利用本发明的压电驱动主动施压电阻点焊飞溅抑制方法，可实现电阻点焊过程中电极压力信号的实时采集与分析，通过软件系统实时提取和识别早期飞溅缺陷特征，进而判断是否即将发生飞溅。然后，闭环反馈控制压电致动器进行及时的压力补充，实现电阻点焊飞溅缺陷的在线监控一体化，从根源上消除焊接飞溅，保证电阻点焊过程平稳和提升焊点质量。

Claims (6)

1.一种压电驱动主动施压的电阻点焊飞溅抑制方法，其特征在于：将压电致动器串入到电阻点焊电极压力输出轴内，对电极进行编程推动运动；采用电极压力传感器采集焊接过程电极压力信号，通过软件程序对早期飞溅特征进行在线识别，在飞溅缺陷将要发生前，实时反馈控制压电致动器进行压力补偿调节，实现在线质量检测与控制一体的电阻点焊飞溅抑制效果；所述的软件程序为基于小波分解的飞溅特征识别方法和基于形态学匹配的飞溅特征识别方法；所述的电阻点焊机为气动电阻点焊机和伺服电阻点焊机；使用过程中电极通过夹持安装于电阻点焊机上。

2.根据权利要求1所述的一种压电驱动主动施压的电阻点焊飞溅抑制方法，其特征在于：电极压力的测量通过压力传感器，根据电阻点焊设备类型选择不同位置进行安装；对于气缸加压的电阻点焊机，压力传感器安装于气缸内部或电极臂内；对于伺服加压的电阻焊机，压力传感器安装于电极臂内。

3.根据权利要求1所述的一种压电驱动主动施压的电阻点焊飞溅抑制方法，其特征在于：压力传感器置于气缸内部时，焊接过程中压力信号出现的冲击振荡形式信号；压力传感器置于电极臂内时，压力陡降/下降时发生飞溅缺陷的典型特征。

4.根据权利要求1所述的一种压电驱动主动施压的电阻点焊飞溅抑制方法，其特征在于：压电致动主动施压系统由计算机软件程序、控制器、压电致动器驱动器和压电致动器组成；计算机软件程序实时检测将要发生飞溅的压力信号特征，并实时输出反馈控制波形，通过控制器进入压电致动器驱动器，进而对压电致动器的启动和运动进行控制。

5.根据权利要求1所述的一种压电驱动主动施压的电阻点焊飞溅抑制方法，其特征在于：软件程序界面输入参数包括但不限于：焊接材料、材料厚度、飞溅阈值范围、压电致动器反馈波形形式、压电致动器反馈波形推力和频率、数据库手动输入变量。

6.根据权利要求1所述的一种压电驱动主动施压的电阻点焊飞溅抑制方法，其特征在于：该焊接方法具体操作步骤如下，

(1)焊前准备；将焊件准备就绪并用夹具固定，启动电阻点焊机，打开工控机中系统软件程序；

(2)参数设置；根据待焊材料及厚度确定焊接压力、焊接通电时间，选取合适焊接电流；在软件界面中，设置焊接材料、材料厚度、飞溅阈值，选择反馈控制波形形式，压电致动器输出推力和振动频率；

(3)焊接；待焊接参数设置完毕后，运行系统软件程序，踏下点焊踏板进行焊接；观察焊接过程中是否存在飞溅以及飞溅抑制效果，输入焊后结果更新数据库，以实现焊接过程飞溅控制。

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