CN112025064B - 基于飞溅统计反馈的电阻点焊短时调幅控制方法 - Google Patents

基于飞溅统计反馈的电阻点焊短时调幅控制方法 Download PDF

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Abstract

一种基于飞溅统计反馈的电阻点焊短时调幅控制方法，根据实时采集到的焊接电流和过程信号分别建立电流时序图和过程信号时序图，对过程信号时序图进行飞溅识别并得到单次焊接的飞溅发生时刻；然后对一个批次焊点的飞溅发生时刻进行统计分析，获得飞溅发生统计时刻与实测频次，经与预设飞溅频次范围进行比较和特征计算得到短时调幅工艺参数；再按照短时调幅工艺参数对电流时序图进行迭代优化，至达到预设飞溅频次范围或不发生飞溅，并以优化后的电流时序图设置焊接电流实现优化焊接。本发明结合当前数据与历史数据，实现点焊飞溅的自主调控，在不同板材组合、不同焊接工艺和不同制造工况下均可有效减少点焊飞溅发生的频次，同时保证焊点质量，实现可靠、高效的电阻点焊过程。

Description

基于飞溅统计反馈的电阻点焊短时调幅控制方法
技术领域
本发明涉及的是一种焊接领域的技术，具体是一种基于飞溅统计反馈的电阻点焊短时调幅控制方法。
背景技术
电阻点焊技术因其生产效率高等优势，一直以来都是车身制造最主要的连接工艺。据统计，通常有4000～6000个焊点被分布在一台轿车白车身上，占到整车焊装总量的90％。飞溅是电阻点焊最常见的一种缺陷，在白车身焊装生产线上，飞溅频发，部分工位的飞溅率(发生概率)可高达80％。然而，实际点焊过程非常复杂，随着新材料、新结构在车身制造中的大批量应用，实际车身焊装过程中，普遍存在冲压件尺寸偏差大、工件表面含油污等杂质、焊点位置过于靠近工件边缘、电极对中性差、电极端面磨损等工况波动因素，导致点焊飞溅严重、焊点质量不合格。现有飞溅控制方法主要依赖于离线工艺优化，并未根据真实飞溅情况进行工业参数的自适应调节。
发明内容
本发明针对现有飞溅控制方法主要依赖于离线工艺优化的缺点，结合点焊过程信号监控技术和历史数据变化趋势，提出一种基于飞溅统计反馈的电阻点焊短时调幅控制方法，在不同板材组合、不同焊接工艺和不同制造工况下均可有效减少点焊飞溅发生的频次，同时保证焊点质量，实现可靠、高效的电阻点焊过程。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于飞溅统计反馈的电阻点焊短时调幅控制方法，根据实时采集到的焊接电流和过程信号分别建立电流时序图和过程信号时序图，对过程信号时序图进行飞溅识别并得到单次焊接的飞溅发生时刻；然后对一个批次焊点的飞溅发生时刻进行统计分析，获得飞溅发生统计时刻与实测频次，经与预设飞溅频次范围进行比较和特征计算得到短时调幅工艺参数；再按照短时调幅工艺参数对电流时序图进行迭代优化，至达到预设飞溅频次范围或不发生飞溅，并以优化后的电流时序图设置焊接电流实现优化焊接。
所述的过程信号时序图是指过程信号强度在时间方向上的图像，包括但不限于：动态电阻信号、动态功率信号、动态电极力信号和动态电极位移信号，其中：动态电阻信号是指点焊过程中两电极间的时变电阻值；动态功率信号是指点焊过程中两电极间的时变功率值；动态电极压力信号是指点焊过程中在两电极间施加的时变压力；动态电极位移信号是指点焊过程中两电极间的相对距离变化。
所述的电流时序图是指焊接电流强度在时间方向上的图像，用以设置焊接控制器在时间方向输出相应强度的电流，进而达到飞溅控制的作用。
所述的飞溅识别是指：根据电流时序图对过程信号时序图进行分段，将焊接电流强度不为零的时间段定义为通电焊接阶段；在通电焊接阶段利用过程信号计算飞溅判据，当飞溅判据首次超过预设阈值时，则判定为发生一次飞溅，将该时刻记录为单次焊接的飞溅发生时刻。
所述的飞溅判据包括但不限于过程信号对时间的微分、对时间的差分。
所述的统计分析是指：完成一个批次焊点的焊接后，计算该批次焊接过程的飞溅发生时刻的若干统计量，并将统计量进行四则运算获得飞溅发生统计时刻；同时计算一批次焊接过程内发生的飞溅总次数，与该批次的焊接总次数相除得到实测飞溅频次。
所述的统计量包括但不限于算术平方值、平方平均值、中位数、标准差。
所述的比较和特征计算是指：将实测飞溅频次与预设飞溅频次范围进行比较，当实测飞溅频次落在预设飞溅频次范围外时，调幅工艺参数有效，并根据飞溅发生统计时刻计算调幅特征量；当实测飞溅频次落在预设飞溅频次范围内时，将调幅工艺参数设置为无效，调幅特征量设为零。
所述的调幅特征量包括调幅开始时刻、调幅结束时刻与调幅程度。
所述的电流时序图优化是指：当调幅工艺参数有效时，在当前电流时序图基础上，将调幅开始时刻到调幅结束时刻的电流根据调幅程度和预设调幅模式对电流强度进行调幅，同时延长电流导通时间，获得优化后的电流时序图；当调幅工艺参数无效时，保留原有电流时序图不变。
所述的优化焊接，优选多次重复所述方法，迭代至达到预设飞溅频次范围或不发生飞溅。
所述的预设调幅模式包括但不限于：先线性下降后再线性上升的三角形调幅模式、先阶跃下降后阶跃上升的矩形调幅模式。
技术效果
本发明整体解决现有技术在大批量电阻点焊生产制造过程中出现的焊接飞溅频次较高的问题。
与现有技术相比，本发明结合当前焊点和历史批次焊点数据，使得飞溅的评价与控制更加全面；通过设备自主决策在线动态修改焊接工艺参数，避免传统人工离线工艺优化导致的时滞问题；通过电流短时调幅控制飞溅发生，避免大范围修改焊接电流导致的虚焊问题。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为本发明系统示意图；
图中：上电极杆和上电极帽1、下电极杆和下电极帽2、待测工件3、电流信号传感器4、上电极焊接过程信号传感器5、下电极焊接过程信号传感器6、焊接过程信号采集装置7、焊接电流信号采集装置8、分析和统计模块9、焊接电流控制模块10；
图3为实施例的飞溅识别示意图；
图4为实施例1三角调幅模式下的调幅前后电流时序图对比；
图5为实施例2矩形调幅模式下的调幅前后电流时序图对比。
具体实施方式
实施例1
如图2所示，为本实施例涉及的一种基于飞溅统计反馈的电阻点焊短时调幅控制系统，包括：焊接电流控制模块10、计算和分析模块9和分别与之相连的焊接电流信号采集模块8和焊接过程信号采集模块7，其中：焊接电流信号采集模块8与设置于下电极上的电流传感器4相连并采集电流信号，焊接过程信号采集模块7分别和一对设置于电极1、2上的信号采集传感器5、6相连以采集焊接过程信号，计算与分析模块9根据焊接过程信号进行飞溅状况的识别与统计，形成优化短时调幅工艺参数输出至焊接电流控制模块10，焊接电流控制模块10分别与电极1、2相连并根据优化短时调幅工艺参数设置进行放电，从而实现基于飞溅统计反馈的短时调幅点焊工艺。
所述的上电极杆及电极帽1和上电极焊接过程信号传感器5依次设置于待测工件3的上表面，下电极杆及电极帽2和下电极焊接过程信号传感器6依次设置于待测工件3的下表面，电流传感器4套设于下电极杆及电极帽2上。
所述的电流传感器5为罗氏线圈。
本实施例中的焊接过程信号为动态电阻信号。
所述的采集传感器5、6均通过屏蔽双绞线传输测量得到的电极两端电压信号，经计算和分析模块计算得到动态电阻信号。
所述的待测工件3为板件、管件、棒件、钉状件、块状件及其组合，其材质采用但不限于钢、铝合金、铜合金、镁合金、钛合金及其组合。
所述的焊接电流控制模块10为焊接控制器。
所述的待测工件由两块高强钢板材搭接构成。
如图3所示，所述的焊接电流和过程信号的电流时序图以焊接电流导通和结束分为三个阶段，具体是：焊前预压阶段P1，通电焊接阶段P2和焊后保压阶段P3，其中：焊前预压阶段P1是指电极闭合夹紧待测工件3直至焊接电流导通前的阶段，通电焊接阶段P2是指自焊接电流导通到关断的阶段，焊后保压阶段P3是指自焊接电流关断到电极张开的阶段。
如图3所示，所述的飞溅识别具体为，针对一次焊接过程的通电焊接阶段P2，当焊接过程信号对时间的差分或微分等于预设阈值A时，即与阈值水平线相交于点Si，则判定为飞溅发生，将点Si对应的时刻记录为飞溅发生时刻ti，并记录发生一次焊接飞溅；若过程信号对时间的差分或微分与阈值水平线不相交，则记ti＝0。其中：i代表该次焊接过程在一批次焊接过程中的序号，1≤i≤N，N为一批次焊接过程的总焊接次数。本实施例采用焊接过程信号对时间的差分来判断飞溅，预设阈值A取5μΩ/ms。
所述的实测飞溅频次
Figure BDA0002641623390000041
其中：一批次焊接过程内发生的飞溅总次数Ne，该批次的焊接总次数N。
所述的飞溅时刻统计量是对一个批次焊接过程的飞溅发生时刻进行统计分析，得到包括但不限于平均值、中位数、标准差等的统计量并对其进行四则运算得到飞溅统计时刻ts＝μs-σs，其中：一批次焊接过程内非零飞溅发生时刻的平均值μs与标准差σs，
Figure BDA0002641623390000042
i代表该次焊接过程在一批次焊接过程中的序号，1≤i≤N，N为该批次焊接过程的总焊接次数，Ne为该批次焊接过程内发生的飞溅总次数。本实施例采用。
所述的特征计算是当实测飞溅频次ps超出预设飞溅频次目标范围[a,b]，即ps<a或ps<b时，根据飞溅发生统计时刻ts与时间tw的比值查询表格计算调幅开始时刻ta、调幅结束时刻tb与调幅程度k。
本实施例中a＝0，b＝0.1，采用的表格如下。
表1调幅开始时刻ta、调幅结束时刻tb与调幅程度k查询表
Figure BDA0002641623390000043
所述的电流调幅是指将调幅开始时间ta至调幅结束时间tb内的电流按一定的方式和程度减小。该方式根据预设调幅模式确定，包括但不局限于线性下降后线性上升的三角形调幅模式、阶跃下降后再阶跃上升的矩形调幅模式。
如图4所示，本实施例中选用三角形调幅模式，在ta至(ta+tb)/2时间内将电流从初始值I0线性降低至最小值Imin，在(ta+tb)/2至tb时间内再将电流从Imin线性增大至I0。电流最小值Imin＝(1-k)I0，即在初始值I0基础上降低的比例根据调幅程度k确定。
所述的延长电流导通时间是指当调幅工艺参数有效时，将焊接总时间从tw增加至tw+tx，其中三角调幅模式延时时长
Figure BDA0002641623390000051
其中k为调幅程度。
根据调幅工艺参数修改电流时序图后，再次进行N次焊接过程。重新计算实测飞溅频次ps。当ps落在预设飞溅频次目标范围[a,b]内时，电流时序图保持不变；当ps超出[a,b]范围时，重复先前的流程计算调幅工艺参数并修改电流时序图。本实施例中，进行一次短时调幅后实测飞溅频率已落在设定目标范围内，电流时序图不再变更。
实施例2
与实施例1不同的是，本实施例的焊接过程信号采用的是电极位移信号，即通过分别与上下电极杆相连的光栅位移传感器采集焊接过程中电极帽的位移信号，进行点焊飞溅识别与统计，预设阈值A取8μm/ms。
本实施例中，一批次焊接过程内的总焊点数N＝30点，预设飞溅频次目标范围取a＝0，b＝0.05；飞溅发生统计时刻ts＝ms-2σs，其中：一批次焊接过程内非零飞溅发生时刻的平方平均数ms，标准差σ分别为：
Figure BDA0002641623390000052
i代表该次焊接过程在一批次焊接过程中的序号，1≤i≤N，N为该批次焊接过程的总焊接次数，Ne为该批次焊接过程内发生的飞溅总次数。
本实施例中，进行一次短时调幅后实测飞溅频率ps落在设定目标范围[a,b]外，故需进行第二次短时调幅。如图5所示，本实施例采用先阶跃下降后再阶跃上升的矩形调幅模式，在ta时刻将电流从初始值I0降低至最小值Imin，在tb时间再将电流从Imin增大至I0，电流最小值Imin的计算公式不变。在矩形调幅模式下，延时
Figure BDA0002641623390000053
其中tw为调幅前的焊接总时间，k为调幅程度。
进行第二次短时调幅修改电流时序图后，实测飞溅频率已落在设定目标范围内，电流时序图不再变更。
实验结果表明，在两层0.8mm DP590钢板搭接且两层板之间存在2mm间隙的情况下，焊接工艺参数选用相关标准推荐的焊接电流8kA、通电时间150ms，焊接时会发生飞溅。采用本方法经过三次短时调幅迭代后，飞溅消除，且熔核尺寸满足标准要求。
与现有技术相比，本方法通过设备自主分析实时数据与历史数据，对焊接工艺参数调整进行自主决策，减少大批量电阻点焊生产过程中出现的飞溅，取代传统人工离线调参过程，提高产线生产效率，缩减人工成本，提升焊点质量。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (9)

1.一种基于飞溅统计反馈的电阻点焊短时调幅控制方法，其特征在于，根据实时采集到的焊接电流和过程信号分别建立电流时序图和过程信号时序图，对过程信号时序图进行飞溅识别并得到单次焊接的飞溅发生时刻；然后对一个批次焊点的飞溅发生时刻进行统计分析，获得飞溅发生统计时刻与实测频次，经与预设飞溅频次范围进行比较和特征计算得到短时调幅工艺参数；再按照短时调幅工艺参数对电流时序图进行迭代优化，至达到预设飞溅频次范围或不发生飞溅，并以优化后的电流时序图设置焊接电流实现优化焊接；
所述的过程信号时序图是指过程信号强度在时间方向上的图像，包括但不限于：动态电阻信号、动态功率信号、动态电极力信号和动态电极位移信号，其中：动态电阻信号是指点焊过程中两电极间的时变电阻值；动态功率信号是指点焊过程中两电极间的时变功率值；动态电极压力信号是指点焊过程中在两电极间施加的时变压力；动态电极位移信号是指点焊过程中两电极间的相对距离变化；
所述的统计分析是指：完成一个批次焊点的焊接后，计算该批次焊接过程的飞溅发生时刻的若干统计量，并将统计量进行四则运算获得飞溅发生统计时刻；同时计算一批次焊接过程内发生的飞溅总次数，与该批次的焊接总次数相除得到实测飞溅频次；
所述的飞溅时刻统计量是对一个批次焊接过程的飞溅发生时刻进行统计分析，得到包括但不限于平均值、中位数、标准差等的统计量并对其进行四则运算得到飞溅统计时刻ts＝μs-σs，其中：一批次焊接过程内非零飞溅发生时刻的平均值μs与标准差σs，
Figure FDA0003007665630000011
i代表该次焊接过程在一批次焊接过程中的序号，1≤i≤N，N为该批次焊接过程的总焊接次数，Ne为该批次焊接过程内发生的飞溅总次数。
2.根据权利要求1所述的基于飞溅统计反馈的电阻点焊短时调幅控制方法，其特征是，所述的电流时序图是指焊接电流强度在时间方向上的图像，用以设置焊接控制器在时间方向输出相应强度的电流，进而达到飞溅控制的作用。
3.根据权利要求1所述的基于飞溅统计反馈的电阻点焊短时调幅控制方法，其特征是，所述的飞溅识别是指：根据电流时序图对过程信号时序图进行分段，将焊接电流强度不为零的时间段定义为通电焊接阶段；在通电焊接阶段利用过程信号计算飞溅判据，当飞溅判据首次超过预设阈值时，则判定为发生一次飞溅，将该时刻记录为单次焊接的飞溅发生时刻。
4.根据权利要求1所述的基于飞溅统计反馈的电阻点焊短时调幅控制方法，其特征是，所述的比较和特征计算是指：将实测飞溅频次与预设飞溅频次范围进行比较，当实测飞溅频次落在预设飞溅频次范围外时，调幅工艺参数有效，并根据飞溅发生统计时刻计算调幅特征量；当实测飞溅频次落在预设飞溅频次范围内时，将调幅工艺参数设置为无效，调幅特征量设为零。
5.根据权利要求4所述的基于飞溅统计反馈的电阻点焊短时调幅控制方法，其特征是，所述的调幅特征量包括调幅开始时刻、调幅结束时刻与调幅程度。
6.根据权利要求1所述的基于飞溅统计反馈的电阻点焊短时调幅控制方法，其特征是，所述的电流时序图优化是指：当调幅工艺参数有效时，在当前电流时序图基础上，将调幅开始时刻到调幅结束时刻的电流根据调幅程度和预设调幅模式对电流强度进行调幅，同时延长电流导通时间，获得优化后的电流时序图；当调幅工艺参数无效时，保留原有电流时序图不变。
7.一种实现权利要求1～6中任一所述方法的基于飞溅统计反馈的电阻点焊短时调幅控制系统，其特征在于，包括：焊接电流控制模块、计算和分析模块和分别与之相连的焊接电流信号采集模块和焊接过程信号采集模块，其中：焊接电流信号采集模块与设置于下电极上的电流传感器相连并采集电流信号，焊接过程信号采集模块分别和一对设置于电极上的信号采集传感器相连以采集焊接过程信号，计算与分析模块根据焊接过程信号进行飞溅状况的识别与统计，形成优化短时调幅工艺参数输出至焊接电流控制模块，焊接电流控制模块分别与电极相连并根据优化短时调幅工艺参数设置进行放电，从而实现基于飞溅统计反馈的短时调幅点焊工艺。
8.根据权利要求7所述的电阻点焊短时调幅控制系统，其特征是，上电极杆及电极帽和上电极焊接过程信号传感器依次设置于待测工件的上表面，下电极杆及电极帽和下电极焊接过程信号传感器依次设置于待测工件的下表面，电流传感器套设于下电极杆及电极帽上。
9.根据权利要求7或8所述的电阻点焊短时调幅控制系统，其特征是，所述的电流传感器为罗氏线圈。
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