CN1743123A - 用于轿车车身焊接的气动悬挂式点焊机的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种汽车制造技术领域的用于轿车车身焊接的气动悬挂式点焊机的控制方法，采用两套相对独立的控制系统来实现，第一套控制系统依据电极位移的变化来控制，第二套控制系统为常规控制系统，两套控制系统并行工作，第一套控制系统在焊点过密而发生分流时工作，所述的第一套控制系统，具体控制步骤为：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够识别的数字信号；c.实时比较电极位移数字信号与最优位移数字信号并获取偏差，使用控制算法计算出需要的触发角大小，调节晶闸管的触发时间，从而改变焊接电流。本发明能有效地控制电流分流时的电流值，从而改变气动悬挂式点焊机的性能。

Description

用于轿车车身焊接的气动悬挂式点焊机的控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种焊接技术领域的方法，特别是一种用于轿车车身焊接的气动悬挂式点焊机的控制方法。

背景技术

轿车车体的制造是由数百个形状与大小不一的、冲压好的薄板结构件焊接而成，而焊接采用的是焊接工艺中的电阻点焊形式。由于结构的特殊性及近年来追求车身轻量化多使用较薄的板材，造成了设计时，为了保证车体质量，将焊接件的焊点布置的较密。可是在工件上，由于焊点与焊点之间的距离较近，常常造成了点焊机的电流分流，其结果是焊点熔核变小、强度不够，造成了较多的焊点质量不合格，另外，生产中也常常会因电极头磨损及材料表面状态的变化造成电流分流而产生不良结果。生产中，通常使用的是气动悬挂式点焊机，此类点焊机采用的是恒流控制方法，主要工作都由主控板来完成，包括调节焊接电流，焊接时间，显示面板的参数调整，焊接阀的选择，焊接程序的选择等，而通过触发板将主控板和大功率晶闸管电路隔离开来，一方面将主控板发送来的触发信号放大调理为晶闸管的触发信号，实现晶闸管的可靠触发，同时又将实时采集的电流值反馈至主控板，作为恒流控制的依据，它还有一个工作就是将电网电压和主控板的节奏统一起来，即提供同步信号；并通过I/O板主要用来和外部焊接阀、启动控制器、故障报警等部分结合，给主控板提供信号。这类恒电流控制方法仅是把焊接变压器次级回路中焊接电流有效值稳定在一定范围内，它对影响次级回路的电流参数的因素比较敏感，能给予补偿，如电源电压波动、板材厚度变化，次级回路中阻抗变化等。但是，气动悬挂式点焊机的恒流控制方法不能控制焊点的当前电流，如由于焊点过密造成的电流分流时的电流值减小，也不能消除电极头磨损及材料表面状态的变化等与变压器次级回路中焊接电流无关的影响因素。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利号为：98102915.9，名称为：用于电阻点焊的控制系统及其方法，其采用一个存储有一组标准动态电阻曲线的存储器来控制电阻点焊质量的控制系统，特定的标准动态电阻曲线根据预定的焊接条件来定，该给定的焊接条件则由如被焊金属板的厚度等这样的焊接参数来决定，也就是说，这种控制方法对被焊金属板的厚度变化时，通过比较标准动态电阻曲线来控制焊接电流，对由于焊点过密造成的电流分流、电极头磨损、材料表面状态的变化时的电流值变化是无法控制的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种用于轿车车身焊接的气动悬挂式点焊机的控制方法。使其能有效地控制当焊点过密造成的电流分流时的电流值、因电极头磨损造成的电流分流及材料表面状态的变化造成的电流分流时的电流值。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明采用两套相对独立的控制系统来实现，第一套控制系统即点焊控制系统依据电极位移的变化来控制，第二套控制系统是现有气动悬挂式点焊机采用的常规控制系统，两套控制系统采用并行工作方式，系统启动工作后，第二套常规控制系统首先启动运行，第一套控制系统进行监测，如在焊点过密而发生分流时，从第二套控制系统自动切换到第一套控制系统，此时，第一套控制系统就开始运行，而第二套控制系统暂停运行，将焊点过密或而发生分流的焊点施焊后，自动切换回第二套控制系统。

所述的第一套控制系统，具体控制步骤为：

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(理想的采样变量参数)。

b、将采集到的位移信号(模拟信号即电压值)转化为数字系统可以识别的数字信号。

c.实时比较电极位移数字信号与最优位移数字信号并获取偏差，使用控制算法计算出需要的触发角大小，调节晶闸管的触发时间，从而改变焊接电流。

所述的步骤a中，电极位移可直接度量焊点熔核直径，根据实际测量确定的具体对应关系是：

(1)若点焊机的电极位移落在上、下限(上、下限由优质焊点对应的电极位移来确定)之间，表示焊点熔核直径均达到规定尺寸，其接头强度高，无飞溅和裂纹。该区为焊点熔核尺寸的控制区域；

(2)若点焊机的电极位移落在上限以上，则表示焊点由于加热过大，熔核直径超过规定值，以至会出现飞溅，过烧和压痕过深等缺陷。倘若焊接规范参数再增大，则会产生早期的飞溅，破坏了焊接过程，严重时烧坏焊件；

(3)若点焊机的电极位移落在下限以下，则表示熔核直径低于标准值的区域。由于点焊规范参数过小，或存在严重电流分流等因素，造成焊点加热不足，形成的熔核直径偏小，低于规定值，甚至未熔化(无熔核)。

步骤a中，通过电极位移量来度量焊点熔核直径的大小，电子模拟信号与焊点熔核直径的大小存在着一一对应的关系。

所述的步骤b，如要有效的进行控制，必须做到如下：

(1)在0.5ms时间内，可稳定的接收测量到的位移为150um距离之内对应的模拟电子信号；

(2)在0.5ms时间内，将采集到的位移信号(模拟信号即电压值)转化为数字系统可以识别的数字信号。同时，采样瞬间将输入信号的瞬间状态“冻结”，消除转换时带来的时间误差。

所述的步骤c中，具体实现如下：

(1)以常用的ST12031.0mm+1.0mm钢板为实验板材；

(2)焊接的规范电流为7000A；

(3)焊接时间为10个周波。

(4)依据实测记录及实验焊件的金相检测与拉剪试验得到控制公关带，从而确定可以识别的最优位移控制曲线(即最优位移数字信号)，最优位移控制曲线作为控制方法的基准(可以固化在单片机中)。

(5)依据最优位移曲线，进一步实验，确定α_max＝106.2°、α_min＝111.6°，这样获得的时间最优控制方法(Bang-Bang)的控制方程为：

(6)实时比较固化在单片机中最优位移曲线R(t)(即最优位移数字信号)及通过激光传感器获得的实时电极位移Y‘(t)(实时位移数字信号)，得到的电极位移的数字偏差为：e(t)＝Y’(t)-R(t)。

所述的步骤c中，具体采用时间最优控制(Bang-bang快速开关)与比例积分微分控制(PID)两种控制方式相结合的综合控制方式，也就是，以恒流方式开始工作，并利用激光传感器不断地测量电极的位移量，一旦实时采集的位移曲线超出设定的控制公差带时，使用开关控制以加快系统的响应速度，同时使控制规则从恒流控制方式切换至电极位移控制方式，以电极位移方式工作后就采用PID控制方程结合电极位移作为反馈变量，提高控制精度克服时间最优控制(Bang-bang快速开关)稳定性差的缺点。

本发明能有效地控制当焊点过密造成的电流分流时的电流值，能有效地控制因电极头磨损造成的电流分流及材料表面状态的变化造成的电流分流时的电流值，从而改变气动悬挂式点焊机的性能。用于轿车车身焊接时，解决了因车身焊点与焊点之间的距离较近而造成的点焊机的电流分流而产生的焊点熔核变小、强度不够的焊点质量不合格问题；解决了因电极头磨损造成的电流分流及材料表面状态的变化造成的电流分流时而产生的焊点熔核变小、强度不够的焊点质量不合格问题，使用本发明，对现有的气动悬挂式点焊机现场进行技术改造，可节约成本。

附图说明

图1为本发明方法流程图

图2为本发明与时间相关的电极位移的控制公差带

图3为本发明确定的焊接电流为7000A的电极最优位移控制曲线

图4为本发明控制方式图

图5为本发明的PID控制原理图

图6为本发明的控制程序流程图

具体实施方式

根据本发明内容提供具体实施例：一种用于轿车车身焊接的C200SP-SAM型气动悬挂式点焊机的原控制系统型号为Medar200S的控制方法如下：

如图1所示，分界线左则为本发明的第一套基于电极热膨胀位移的控制系统的工作流程图，右边为第二套常规控制系统Medar200S的工作流程图，两套控制系统之间的切换及时序匹配由专门的同步电路完成。

两套控制系统采用并行系统工作方式，系统启动工作后：第二套常规控制系统首先启动运行，第一套控制系统进行监测，如在焊点过密而发生分流时，从第二套控制系统自动切换到第一套控制系统，此时，第一套控制系统就开始运行，而第二套控制系统暂停运行。将焊点过密或而发生分流的焊点施焊后，自动切换回第二套控制系统。

第一套控制系统具体方法步骤为：

a.使用OMRON激光非接触式传感器快速准确地测出点焊过程中电极位移的变化，并生成电子模拟信号。因电极位移可直接度量焊点熔核直径，根据实际测量确定的具体对应关系是：

(1)若点焊机的电极位移落在上、下限之间，表示焊点熔核直径均达到规定尺寸，其接头强度高，无飞溅和裂纹。该区为焊点熔核尺寸的控制区域；

(2)若点焊机的电极位移落在上限以上，则表示焊点由于加热过大，熔核直径超过规定值，以至会出现飞溅，过烧和压痕过深等缺陷。倘若焊接规范参数再增大，则会产生早期的飞溅，破坏了焊接过程，严重时烧坏焊件；

(3)若点焊机的电极位移落在下限以下，则表示熔核直径低于标准值的区域。由于点焊规范参数过小，或存在严重电流分流等因素，造成焊点加热不足，形成的熔核直径偏小，低于规定值，甚至未熔化。

b.将传感器传来的模拟信号转化为数字系统可以识别的数字信号。

(1)在0.5ms时间内，可稳定的接收测量到的位移为150um距离之内对应的模拟电子信号；

(2)在0.5ms时间内，将采集到的位移信号转化为数字系统可以识别的数字信号。同时，采样瞬间将输入信号的瞬间状态“冻结”，消除转换时带来的时间误差。

c.根据实时比较电极位移数字信号与最优位移数字信号并获取偏差，使用预先确定的控制算法计算出需要的触发角大小，调节晶闸管的触发时间，从而改变焊接电流。

其中，实时比较电极位移数字信号与最优位移数字信号并获取偏差。具体实现如下：

(1)以常用的ST12031.0mm+1.0mm钢板为实验板材；

(2)焊接的规范电流为7000A；

(3)焊接时间为10个周波。

(4)依据实测记录及实验焊件的金相检测与拉剪试验得到与时间相关的电极位移的控制公差带如图2所示，从而确定可以识别的最优位移控制曲线如图3所示，最优位移控制曲线作为控制方法的基准。

(5)依据最优位移曲线，进一步确定α_max＝106.2°、α_min＝111.6°，这样获得的时间最优控制方法(Bang-Bang)的控制方程为：

其中k＝1，2，3…

α_k--k时刻的触发角的值

106.2°及111.6°--最大及最小触发角，其值由实验决定

e_k--为实测电极位移与固化在ROM中的标准位移之差

Q_UP、Q_LOW--上下公差

(6)实时比较固化在单片机中最优位移曲线R(t)及通过激光传感器获得的实时电极位移Y‘(t)，得到的电极位移的数字偏差为：e(t)＝Y’(t)-R(t)。

步骤c中，具体的控制方式是：

(1)采用时间最优控制(Bang-bang快速开关)与比例积分微分控制(PID)两种控制方式相结合的控制方法，也就是，以恒流方式开始工作，并利用激光传感器不断地测量电极的位移量，一旦实时采集的位移曲线超出设定的控制公差带时，使用开关控制以加快系统的响应速度，同时使控制规则从恒流控制方式切换至电极位移控制方式，以电极位移方式工作后就采用PID控制方程结合电极位移作为反馈变量，提高控制精度克服时间最优控制(Bang-bang快速开关)稳定性差的缺点。具体控制规则如下：

如图4所示，其中e_k为实测电极位移与固化在ROM中的标准位移之差，Q_UP、Q_LOW为上下公差。

(2)使用HIOKI记忆示波器，通过其与固化在ROM中的最佳位移曲线的偏差来决定可控硅触发角的大小如表1所示：

                               表1

焊接电流	6000	6200	6400	6600	6800	7000
							触发角α	115.2	114.4	113.4	111.6	110.8	109.8
焊接电流	7200	7400	7600	7800	8000	8500
							触发角α	108.0	107.2	106.2	105.4	104.4	100.8

(3)如图5所示：其中R(t)为固化在微机中的最佳位移曲线，Y‘(t)为通过激光传感器获得的实时电极位移，e(t)＝Y’(t)-R(t)。u(t)为经控制器后的电极位移的偏差，执行器为电极位移与可控硅触发角之间的关系，α(t)为可控硅的触发角，控制对象为点焊机。

(4)如图6所示：当电极位移的数字偏差|e_k|不超过Q时程序一直按着实线所指来运行。一旦|e_k|超过Q时程序即按虚线所知来运行。

d、为了验证本发明控制方法的有效性，作试验对本发明控制方法的控制效果进行了测试。试验对象为ST12031.0mm+1.0mm钢板，人为设计磨损缺陷状况，分别做了拉剪强度试验，对控制系统和控制算法的有效性进行了测试。实验数据如下表1所示。由表1可以得到以下几个结论：

(1)在相同的焊接电流下，使用了本发明的控制系统后，能够保证正常焊接情况下的焊点质量；

(2)在相同的焊接电流下，电极磨损对焊点质量有较大影响，降低了焊点的拉剪强度，用要控制方法可以解决这个问题，保证了焊点质量。

表2为本发明实施例的控制效果验证试验数据

                       表2

电流(A)	磨损(YES/NO)	控制(YES/NO)	拉剪强度(KN)	拉剪强度平均值(KN)
					7000	NO	NO	5.8	5.88
7000	5.9
		7000	5.8
7000	6.0
		7000	5.9
7000	YES			6.0	6.02
		7000	6.1
7000				5.9
		7000	6.1
7000				6.0
		7000	YES				NO	5.8	5.78
7000	5.7
		7000		5.9
7000	5.7
		7000		5.8
7000	YES				6.0	5.92
		7000		5.8
7000					6.0
		7000		6.0
7000					5.8

Claims (9)

1、一种用于轿车车身焊接的气动悬挂式点焊机的控制方法，其特征在于，采用两套相对独立的控制系统来实现，第一套控制系统即点焊控制系统依据电极位移的变化来控制，第二套控制系统是现有气动悬挂式点焊机采用的控制系统，两套控制系统并行工作，系统启动工作后，第二套控制系统首先启动运行，第一套控制系统进行监测，在焊点过密而发生分流时，自动切换到第一套控制系统，第二套控制系统暂停运行，将焊点过密或而发生分流的焊点施焊后，自动切换回第二套控制系统，所述的第一套控制系统，具体控制步骤为：

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够识别的数字信号；

c.实时比较电极位移数字信号与最优位移数字信号并获取偏差，使用控制算法计算出需要的触发角大小，调节晶闸管的触发时间，从而改变焊接电流。

2、根据权利要求1所述的用于轿车车身焊接的气动悬挂式点焊机的控制方法，其特征是，步骤a中，通过电极位移量来度量焊点熔核直径的大小，电子模拟信号与焊点熔核直径的大小存在着一一对应的关系。

3、根据权利要求1或者2所述的用于轿车车身焊接的气动悬挂式点焊机的控制方法，其特征是，所述的步骤a中，通过电极位移直接度量焊点熔核直径，其对应关系是：

(1)若点焊机的电极位移落在上、下限之间，表示焊点熔核直径均达到规定尺寸，其接头强度高、无飞溅和裂纹，该区为焊点熔核尺寸的控制区域；

(2)若点焊机的电极位移落在上限以上，则表示焊点由于加热过大，熔核直径超过规定值，会出现飞溅、过烧和压痕过深，倘若焊接规范参数再增大，则会产生早期的飞溅，破坏了焊接过程，严重时烧坏焊件；

(3)若点焊机的电极位移落在下限以下，则表示熔核直径低于标准值的区域，由于点焊规范参数过小，或存在严重电流分流，造成焊点加热不足，形成的熔核直径偏小，低于规定值，甚至未熔化。

4、根据权利要求1所述的用于轿车车身焊接的气动悬挂式点焊机的控制方法，其特征是，所述的步骤b，其要求如下：

(1)在0.5ms时间内，稳定的接收测量到的位移为150um距离之内对应的模拟电子信号；

(2)在0.5ms时间内，将采集到的位移信号转化为数字系统能识别的数字信号，同时，采样瞬间将输入信号的瞬间状态“冻结”，消除转换时带来的时间误差。

5、根据权利要求1所述的用于轿车车身焊接的气动悬挂式点焊机的控制方法，其特征是，所述的实时比较电极位移数字信号与最优位移数字信号并获取偏差，包括如下：

(1)以常用的ST12031.0mm+1.0mm钢板为实验板材；

(2)焊接的规范电流为7000A；

(3)焊接时间为10个周波；

(4)依据实测记录及实验焊件的金相检测与拉剪试验得到控制公关带，从而确定能识别的最优位移控制曲线，最优位移控制曲线作为控制方法的基准；

(5)依据最优位移曲线，进一步确定α_max＝106.2°、α_min＝111.6°，这样获得的时间最优控制方法的控制方程为：

其中k＝1，2，3…，α_k为k时刻的触发角的值；106.2°及111.6°为最大及最小触发角，其值由实验决定；e_k为为实测电极位移与固化在ROM中的标准位移之差；Q_UP、Q_LOW--上下公差；

(6)实时比较最优位移曲线R(t)及通过激光传感器获得的实时电极位移Y‘(t)，得到的电极位移的数字偏差为：e(t)＝Y’(t)-R(t)。

6、根据权利要求5所述的用于轿车车身焊接的气动悬挂式点焊机的控制方法，其特征是，所述的最优位移控制曲线，作为控制方法的基准，固化在单片机中。

7、根据权利要求1所述的用于轿车车身焊接的气动悬挂式点焊机的控制方法，其特征是，所述的步骤c中，具体采用时间最优控制与比例积分微分控制两种控制方式相结合的综合控制方式，也就是，以恒流方式开始工作，并利用激光传感器不断地测量电极的位移量，一旦实时采集的位移曲线超出设定的控制公差带时，使用开关控制以加快系统的响应速度，同时使控制规则从恒流控制方式切换至电极位移控制方式，以电极位移方式工作后就采用比例积分微分控制方程结合电极位移作为反馈变量，提高控制精度克服时间最优控制稳定性差的缺点。

8、根据权利要求7所述的用于轿车车身焊接的气动悬挂式点焊机的控制方法，其特征是，所述的采用时间最优控制与比例积分微分控制两种控制方式相结合的综合控制方式，具体控制规则如下：

e_k为实测电极位移与固化在ROM中的标准位移之差，Q_UP、Q_LOW为上下公差。

9、根据权利要求1或者5所述的用于轿车车身焊接的气动悬挂式点焊机的控制方法，其特征是，使用HIOKI记忆示波器，通过其与固化在ROM中的最佳位移曲线的偏差来决定可控硅触发角的大小。

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