動態信號處理在分析塑料焊接質量上的應用

□于海

沈陽新松機器人自動化股份有限公司 沈陽 110168

激光塑料焊接是一項新興的焊接技術，我國在這方面的技術尚在起步階段。目前，國內企業在激光塑料焊接方面開發的設備還處于起步階段，在實際應用中，塑料焊接質量還很難控制，一般靠壓力測試來判斷，或將塑料零件剖開來觀察焊接表面的狀況，由此給產品質量監測和生產效率帶來很大的影響。為了解決這些問題，本文介紹一種利用機械動態信號理論來分析焊接質量的方法，并在此基礎上進行焊接質量的監控和判斷。具體方法是：在原有激光焊接機的基礎上升級激光器，并對激光頭進行功能改進，采用動態信號分析原理，有效反饋焊接溫度的信息，使激光器焊接系統具有信號采樣收集、時域圖像顯示、PID參數設定等功能。并在此基礎上，分析得出一些判斷焊接質量的規律，以及通過設定PID參數來達到理想的焊接質量。

1 激光塑料焊接工作原理

該焊接機采用激光透射原理，將兩個塑料零件邊緣焊接在一起，兩個零件一個要求具有良好的透光性，另一個要求具有良好的吸光性，如圖1所示。當激光頭發出激光束穿過透光性良好的零件Ⅰ，照射在具有吸光性的零件Ⅱ表面時，瞬間產生高溫，使零件Ⅱ表面融化，并使兩零件黏結在一起。由于塑料存在穩定性差、易變形的特性，使得塑料零件的實際尺寸與理論尺寸有一定差別。為了使兩個塑料零件的焊接面能夠無縫緊密地接合在一起，必須用夾具將兩個零件邊緣牢固地夾緊，這樣焊后質量較好。

▲圖1 激光焊接原理圖

▲圖2 升級后的信號收集原理圖

2 判斷焊接質量的依據

①要保證夾具對零件的有效夾緊；②設定合理的焊接溫度，溫度過低焊接失效，溫度過高則會出現燒焦現象；③保持溫度恒定，否則焊接會出現不牢固現象。

3 改進后的激光器焊接工作原理

改進后的激光器在激光頭內部增加了溫度傳感器，如圖2所示。當激光束照射在零件上時，除了一部分光被吸收外，還有一部分光被零件反射（被反射的激光束），通過激光頭的鏡片進入激光頭內部，被溫度傳感器感應，這樣就完成了系統的信號采集。

系統從焊接過程中提取了光學信息，這些信息本身具有能量，被溫度傳感器轉變為溫度信號。溫度傳感器每1 ms采集一次光學信息，這樣對于整個系統的信號輸入就是離散的，理論時域圖如圖3所示。

4 反饋系統

▲圖3 理論時域圖

當把溫度設定為某一值Ts時，希望實際焊接溫度與其相差不大，但是由于焊接表面的不光滑性，對激光的吸收和反射是不穩定的，所以焊接溫度也是不恒定的，有時偏差很大，這就需要有閉環反饋系統，對焊接溫度不斷地調節，升級后的激光器反饋系統如圖4所示。

該反饋系統可以使輸入和輸出溫度接近一致，保證了溫度的恒定，這是保持良好焊接質量的前提。溫度傳感器在反饋系統中對信號的采樣起到了重要作用。設定的溫度Ts是根據材料的本身特性通過實驗得到的，溫度信號通過反饋系統經過幾次波動后，得到如圖5所示的溫度曲線。

然而，焊接中激光頭在伺服電機的帶動下以一定的速度在移動，也就是激光束也在不停地移動，這樣溫度傳感器采樣到的信號在零件表面不光滑的情況下總是以Ts為基礎上下波動，如圖6所示。從圖中可以看出，溫度曲線的波動是隨機的，但卻真實地反應了正常焊接情況下溫度的曲線，這也是在焊接質量良好的情況下得到的曲線。溫度信號本身蘊含著能量，用電流或功率表示會更確切，將圖6的曲線圖轉化為電流或功率的曲線圖，如圖7所示。

這種上下波動的曲線其波峰與波谷的差值有時很大，只要在允許的范圍內就不會出現焊接無效或燒焦的現象。

圖4 閉環反饋系統

▲圖5 理論溫度曲線

▲圖6 實際溫度曲線

▲圖7 電流/功率曲線

5 PID調節和曲線分析

圖中上面的曲線是溫度曲線，下面的是功率曲線，可以看出，當溫度設定在260℃、比例因子KP=1500、積分因子KI=100時，大部分區間段曲線基本平穩，實踐證明，這樣的曲線是正常焊接時的反饋。但是，圖中劇烈波動區間（圖中畫圈處）的溫度曲線偏低，而功率曲線偏高，說明該段的焊接質量不好，由于實際的焊接速度是勻速的，所以可以根據圖示的位置找到零件對應的焊接無效的地方，然后將該段零件剖開，如圖9所示。

▲圖8 溫度/功率曲線

▲圖10 對應零件的溫度/功率曲線

▲圖9 焊接無效圖

▲圖11 焊接燒焦圖

圖中黑色的線條是融化了的塑料痕跡，說明這些區間段焊接質量良好，白色斷開區間段（圖中畫圈處）是焊接無效的地方，與圖8中的劇烈波動區間段對應吻合，曲線如圖10所示。溫度曲線峰值高于Tmax（330℃），說明該點有可能燒焦，圖11是對應的工件表面圖。可以判斷出實際的燒焦點（圖中畫圈處）和曲線的波峰處基本吻合，這樣就可以通過觀察系統輸出的溫度/功率的時域圖來判斷焊接質量是否合格，如果不合格就通過調整PID參數值或溫度值來干預溫度曲線波形，使其穩定，達到理想效果。

6 結論

綜上所述，改進后的激光器通過運用機械動態信號的分析方法，增加了信號的反饋、采樣、處理和轉化的功能，并得到時域分析曲線，通過曲線來判斷焊接不良的區間段，并且通過系統的函數來影響干預曲線波形的平穩性，來改善焊接質量。這臺改進后的激光塑料焊接機填補了國內空白，并在實際應用中達到了理想的效果。隨著控制系統的不斷發展和對溫度曲線函數化的研究不斷深入，還可以用更加準確的函數波形來干預溫度曲線和用傅里葉變換或小波包分解等方法分析，可以給企業帶來更高的實際價值。

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