電阻點焊監(jiān)控系統(tǒng)仿真調(diào)試平臺的設(shè)計

梅冬勝，李冬青，張忠典，魏艷紅

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進焊接與連接國家重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001)

電阻點焊監(jiān)控系統(tǒng)仿真調(diào)試平臺的設(shè)計

梅冬勝，李冬青，張忠典，魏艷紅

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進焊接與連接國家重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001)

針對電阻焊監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)周期長，成本高和調(diào)試困難等問題，提出了一種利用仿真調(diào)試作為電阻焊監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)階段主要調(diào)試手段的方法。根據(jù)電阻焊過程中電信號的特點，以8位單片機為核心，開發(fā)了電阻焊監(jiān)控系統(tǒng)仿真調(diào)試的通用平臺，重點介紹了仿真調(diào)試平臺的硬件和軟件設(shè)計，該平臺可以在不作大幅度修改的情況下，只需修改系統(tǒng)的軟件，就可以滿足不同監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)試要求。試驗結(jié)果表明該平臺能夠準確模擬出電阻焊過程中的電參數(shù)，達到了系統(tǒng)的設(shè)計要求。

電阻點焊監(jiān)控；調(diào)試方法；仿真平臺；單片機

0 前言

電阻點焊是一種利用電阻產(chǎn)熱的焊接方法。由于其具有較高的生產(chǎn)效率，易于實現(xiàn)自動化和與其他制造工藝一起組成高速生產(chǎn)流水線，因此在汽車行業(yè)和航空部門得到了廣泛的應(yīng)用。但是在實際的點焊生產(chǎn)過程中，不可避免地出現(xiàn)一些影響點焊質(zhì)量的因素，如網(wǎng)壓波動、分流、二次電纜的勞損、電極磨損等，使焊點質(zhì)量出現(xiàn)波動，所以需要對點焊過程進行監(jiān)控。許多研究表明焊接過程的電參數(shù)與焊點質(zhì)量有密切聯(lián)系[1-4]，所以監(jiān)控電參數(shù)是保證焊點質(zhì)量的有效途徑。

在監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)試的初始階段，由于存在很多硬件設(shè)計和軟件編程方面的問題，如果直接應(yīng)用實際的點焊過程進行調(diào)試，由于焊接過程時間較短，焊接參數(shù)的可調(diào)范圍比較窄，不僅增加調(diào)試時間，而且會造成很大的人力和物力的浪費。本研究針對以上問題，利用單片機作為核心開發(fā)了電阻焊仿真調(diào)試平臺，該平臺能夠模擬出電阻焊監(jiān)控系統(tǒng)所需要的焊接電壓和電流信號，能夠很好的滿足實際監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)試。

1 電阻點焊電路分析

首先分析廣泛應(yīng)用的利用晶閘管控制的焊機內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖1所示。電路包括晶閘管、變壓器、電阻和電感。其中AC Power代表380 V交流正弦波電源，VT為晶閘管。利用兩個反向并聯(lián)的晶閘管分別在正負半波導(dǎo)通來實現(xiàn)對焊接通電時間和電流大小的控制。RL為負載電阻，它在點焊過程中是時刻變化的，也稱為動態(tài)電阻[5]。

圖1 電阻點焊機電路示意

采用晶閘管作為電力開關(guān)，兩晶閘管反向并聯(lián)后串接在焊接變壓器的一次側(cè)回路中。改變晶閘管的導(dǎo)通時間，便可調(diào)節(jié)焊接變壓器一、二次側(cè)回路的焊接電流。焊機的變壓器和二次回路具有相當大的電感，當接入正弦電壓時，變壓器一次或二次電流不能立即達到其最終的穩(wěn)態(tài)值，只有在晶閘管的觸發(fā)角等于負載功率因數(shù)角時接通，系統(tǒng)才能達到穩(wěn)態(tài)。在其余情況下，過渡過程中電流瞬時值同觸發(fā)角和負載功率因數(shù)角有關(guān)。對于感性負載，當電源電壓過零點時因電流還沒有到零，晶閘管需滯后某一角度關(guān)斷[6]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)晶閘管控制的電阻焊電參數(shù)的波形特點，開發(fā)了仿真調(diào)試平臺的硬件電路，如圖2所示。利用220 V轉(zhuǎn)9 V的變壓器將電信號引入電路中，同時獲取電網(wǎng)電壓信號。將電壓信號經(jīng)過移相電路，放大電路和兩組反向并聯(lián)的二極管，輸出模擬的原端電流與電壓轉(zhuǎn)換后的電壓信號，并模擬出電壓與電流之間的相位差。利用DK1和SK1的通斷控制模擬的原端電流的有無。原端電流-電壓轉(zhuǎn)換后的信號經(jīng)過微分電路得到模擬的次級電壓信號。由原端電壓信號經(jīng)過電壓比較器，輸出脈沖信號，供控制電路進行計數(shù)。

圖2 仿真調(diào)試平臺模擬電信號硬件電路

仿真調(diào)試平臺的控制電路由89C51單片機、外置開關(guān)、撥碼開關(guān)、繼電器和其他外圍電路組成，如圖3所示。外置開關(guān)與P3.2口相連接，用以模擬點焊焊槍。將SK1和DK1的控制端口與P1.6端口連接，由單片機控制電流的通斷。單片機的P0口和P2口分別連接一個8位的撥碼開關(guān)，用以設(shè)置模擬調(diào)試平臺的預(yù)壓時間、焊接周波數(shù)和維持時間。將圖3的T0口產(chǎn)生的脈沖信號連接到P3.4端口，利用撥碼開關(guān)設(shè)定的參數(shù)與P3.4的方波確定點焊過程各個階段的時間。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)以上設(shè)計的硬件電路，利用匯編語言編寫系統(tǒng)的軟件。為了調(diào)試方便，本系統(tǒng)實現(xiàn)單點模擬，即開關(guān)按下一次代表一次焊接過程。當系統(tǒng)去抖動后確定開關(guān)閉合時，清P1.0端口使繼電器閉合，輸出高電平通知點焊監(jiān)控設(shè)備焊接過程開始。讀取P0端口8位撥碼開關(guān)的數(shù)據(jù)，對P3.4輸入的方波信號進行計數(shù)，當達到撥碼開關(guān)確定數(shù)據(jù)后，模擬的點焊預(yù)壓時間結(jié)束。讀取P2端口的8位撥碼開關(guān)數(shù)據(jù)，置位P1.6，使SK1與DK1斷開，輸出原端電流-電壓轉(zhuǎn)換后的電壓信號，計數(shù)P3.4端口的方波，當達到預(yù)定值以后，清P1.6端口，通電過程結(jié)束。為了設(shè)計方便，模擬平臺的維持階段時間與預(yù)壓階段的時間相同，調(diào)試平臺控制模擬點焊周波數(shù)的程序框圖如圖4所示。為了能夠滿足在某些條件下需要多脈沖點焊監(jiān)控設(shè)備的調(diào)試，在不改變硬件的條件下，在上述的通電結(jié)束以后，延時幾個周波，重復(fù)圖4的通電過程，可以模擬多脈沖的點焊過程。

圖3 仿真調(diào)試平臺的硬件控制電路

圖4 模擬點焊通電時間控制程序框圖

4 試驗結(jié)果

為了驗證本研究提出的基于單片機的電阻點焊仿真調(diào)試平臺的合理性和可靠性，對仿真平臺模擬的各個電信號進行了測量。圖5為模擬的原端電流與P3.4端口方波的信號，從圖中可以看出P3.4端口的方波與電流信號很好吻合，說明系統(tǒng)能夠利用P3.4輸出的方波信號控制電流的通斷時間。

5 結(jié)論

(1)利用設(shè)計的電阻點焊仿真調(diào)試平臺對點焊監(jiān)控系統(tǒng)進行調(diào)試，縮短了監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)試時間。

(2)設(shè)計了以單片機為核心的電阻點焊監(jiān)控系統(tǒng)仿真測試的通用平臺，可以模擬出點焊過程的電壓和電流信號。

圖5 模擬焊接電流波形

(3)利用兩個8位的撥碼開關(guān)，精確模擬出點焊各個階段的時間。通過對系統(tǒng)軟件稍微改動，可以實現(xiàn)多脈沖焊接過程的模擬。對輸出的信號進行測量，結(jié)果表明此設(shè)計能夠準確模擬電阻點焊電參數(shù)信號。

[1]張鵬賢，李 娟，陳劍虹.交流電阻點焊計算機監(jiān)控系統(tǒng)[J].電焊機，2006，36(12)：35-37.

[2] Cullen J D，Athi N.Multisensor fusion for on line monitoring on the quality of spot welding in automotive industry[J].Measurement，2008，41(4)：412-423.

[3]Mei D S，Li D Q，Zhang Z D.On-line monitoring method for electrode invalidation during spot welding of zinc-coated steel[J].Materials Science and Engineering，2009，499(1-2)：279-281.

[4]王 凱，李冬青，張忠典.低碳鋼點焊噴濺的動態(tài)電阻特征參量[J].焊接學(xué)報，2006，27(7)：97-100.

[5]方 平，熊麗云.點焊有效值神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實時計算方法研究[J].機械工程學(xué)報，2004，40(11)：148-152.

[6]趙熹華.壓力焊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997.

Design of simulation and debugging platform for resistance spot welding monitoring system

MEI Dong-sheng，LI Dong-qing，ZHANG Zhong-dian，WEI Yan-hong
(Harbin Institute of Technology，State key laboratory of advanced welding and joining，Harbin 150001，China)

To solve the problems of long cycle，high cost and debugging difficulty in development of resistance spot welding monitoring system，the simulation debugging method was proposed as the tool for system primary debugging.Based on the features of electric signals，the simulation and debugging platform for resistance spot welding monitoring system adopted 8 Bit MCU as the core was developed，the hardware and software designs were introduced in detail，it could be satisfied with various monitoring system debugging only with software regulation.The test results indicate the platform can accurately simulate the electric signals in resistance spot welding,and meet the design challenges.

resistance spot welding monitoring system；debugging method；simulation platform；MCU

TG438.2

A

1001-2303(2011)10-0036-03

2011-02-24；

2011-07-17

梅冬勝(1981—)，男，江蘇人，博士，主要從事焊裝車間信息化監(jiān)控和信息管理研究工作。