電阻點(diǎn)焊焊接監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)

管景凱 ，楊 凱 ，吳 敏 ，曾家銓 ，曹 彪

（1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州510640；2.廣州市精源電子設(shè)備有限公司，廣東 廣州 510535）

0 前言

電阻點(diǎn)焊具有成本低、生產(chǎn)效率高和易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。電阻點(diǎn)焊的過(guò)程具有高度非線性，存在多變量耦合作用和大量隨機(jī)因素相互影響，焊接條件短時(shí)波動(dòng)可能造成飛濺、虛焊或脫焊。由于點(diǎn)焊形核時(shí)間短，無(wú)法直接觀察，目前對(duì)于點(diǎn)焊質(zhì)量還缺乏可靠、實(shí)用的無(wú)損檢測(cè)手段。

基于此，設(shè)計(jì)了以Microchip單片機(jī)為控制核心、觸摸屏為操作和顯示裝置的電阻點(diǎn)焊焊接監(jiān)測(cè)儀，用于在線監(jiān)測(cè)電阻點(diǎn)焊過(guò)程，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)參數(shù)的便捷設(shè)置和統(tǒng)一管理，焊接過(guò)程中電極電壓、電流、功率和動(dòng)態(tài)電阻曲線的實(shí)時(shí)顯示以及焊接過(guò)程參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為提高焊點(diǎn)質(zhì)量奠定了良好的基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

電阻點(diǎn)焊焊接監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由傳感器和控制系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)主要由單片機(jī)、觸摸屏、電流調(diào)理電路、電壓調(diào)理電路、RS485通信電路、串口在線調(diào)試電路、供電電路和網(wǎng)壓監(jiān)測(cè)電路組成。傳感器由羅氏線圈和測(cè)量雙絞線組成，如圖1所示。電阻點(diǎn)焊焊接監(jiān)測(cè)儀的控制器選用Microchip公司的PIC32 MZ0512EFE100型32位單片機(jī)，其主要特征為：工作性能高達(dá)330 DMIPS，頻率可達(dá)200 MHz，程序存儲(chǔ)容量512 kB和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量128 kB，6個(gè)帶有8級(jí)FIFO緩沖區(qū)的UART模塊，支持RS232和RS485，最多6個(gè)采樣和保持電路，12位流水線型ADC。主要實(shí)現(xiàn)電阻點(diǎn)焊焊接監(jiān)測(cè)儀人機(jī)交互系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)采集、處理和發(fā)送控制等功能，RS485通信電路主要用于實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)往PssC端以供進(jìn)一步分析和觸摸屏實(shí)時(shí)顯示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 System block diagram

1.2 電壓調(diào)理電路

直接檢測(cè)電阻點(diǎn)焊輸出電壓可能會(huì)干擾控制電路，從而導(dǎo)致控制電路損壞。因此需要隔離主電路和控制電路，考慮到隔離器件昂貴，本研究使用高共模電壓差動(dòng)放大器AD629ARZ作為接口檢測(cè)器件，其能夠在高達(dá)±270 V的共模電壓下實(shí)現(xiàn)對(duì)差動(dòng)信號(hào)的精確測(cè)量，可保證檢測(cè)的安全。為了減小電極電壓測(cè)量的干擾，可選用雙絞線作為電壓的測(cè)量線，經(jīng)過(guò)低通濾波電路、差分放大電路和放大濾波后直接進(jìn)入單片機(jī)。調(diào)理電路框圖如圖2所示。

圖2 調(diào)理電路框圖Fig.2 Conditioning circuit diagram

1.3 電流調(diào)理電路

電阻點(diǎn)焊次級(jí)電流的測(cè)量方法主要有：電流互感法、分流器法、羅氏線圈法及霍爾元件法[2]。由于所測(cè)電流為次級(jí)整流后含紋波的脈動(dòng)直流電流，電流值遠(yuǎn)大于初級(jí)電流值，采用霍爾傳感器或互感器測(cè)量存在磁滯、偏磁及磁飽和等問(wèn)題，且體積較大，價(jià)格昂貴。柔性羅氏線圈具有體積小，便于安裝，無(wú)磁滯、磁飽和等優(yōu)點(diǎn)[3]，故選用羅氏線圈作為電流傳感器。

由于羅氏線圈輸出電壓與被測(cè)電流的微分成比例關(guān)系，故要從羅氏線圈的輸出信號(hào)中還原被測(cè)電流信號(hào)波形，應(yīng)根據(jù)被測(cè)電流特點(diǎn)，對(duì)羅氏線圈兩端的輸出信號(hào)進(jìn)行積分處理后再經(jīng)過(guò)放大及濾波處理，輸入單片機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)控制軟件運(yùn)用模塊化思想，根據(jù)電阻點(diǎn)焊焊接監(jiān)測(cè)儀的功能需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，使程序便于調(diào)試、維護(hù)和擴(kuò)展功能，通過(guò)各模塊互相協(xié)作實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)儀的整體控制功能。電阻點(diǎn)焊監(jiān)測(cè)儀的程序結(jié)構(gòu)框圖如圖3a所示。其中系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)主要分為檢測(cè)采樣處理程序、與PC端通信程序和人機(jī)交互系統(tǒng)程序三部分。其中，檢測(cè)采樣處理程序主要用于實(shí)時(shí)采集焊接過(guò)程的電流和電壓數(shù)據(jù)、計(jì)算動(dòng)態(tài)電阻和功率等；與PC端通信程序主要用于接收PC的指令和發(fā)送數(shù)據(jù)；人機(jī)交互系統(tǒng)程序主要功能是實(shí)現(xiàn)控制觸摸屏顯示曲線和數(shù)據(jù)變量等。

圖3 軟件框圖Fig.3 Software diagram

主程序的流程如圖3b所示，主程序主要包括設(shè)定測(cè)量模式子程序、波形顯示控制、在線監(jiān)測(cè)程序、統(tǒng)計(jì)分析子程序、人機(jī)交互子程序和掉電保存子程序等，整個(gè)程序相互協(xié)調(diào)運(yùn)作。在ADC開(kāi)始工作前，首先建立存放電流數(shù)據(jù)和電壓數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，根據(jù)設(shè)置測(cè)量參數(shù)的不同（如觸發(fā)方式和觸發(fā)電平等）采集電壓數(shù)據(jù)和電路數(shù)據(jù)，在測(cè)量并轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，切換數(shù)據(jù)通道，從而實(shí)現(xiàn)電流數(shù)據(jù)和電壓數(shù)據(jù)的同步采樣，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果決定是否報(bào)警并跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的報(bào)警界面，當(dāng)監(jiān)測(cè)無(wú)誤后，進(jìn)入統(tǒng)計(jì)分析子程序，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)完成后，將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)打包處理后發(fā)往觸摸屏，觸摸屏根據(jù)曲線顯示設(shè)置顯示曲線。

3 人機(jī)界面的設(shè)計(jì)

觸摸屏集操作與顯示功能于一體，是一種較為簡(jiǎn)單方便的人機(jī)交互方式，可以較大地較少按鍵電路和顯示電路的設(shè)計(jì)[4]。故選用觸摸屏作為人機(jī)交互系統(tǒng)界面的硬件載體，通過(guò)RS485通信電路實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與觸摸屏的通信?？紤]到用戶操作的簡(jiǎn)便性，將交互設(shè)計(jì)理念運(yùn)用于人機(jī)界面設(shè)計(jì)中。人機(jī)界面采用扁平化設(shè)計(jì)，界面簡(jiǎn)明[5]。該界面主要采用菜單式結(jié)構(gòu)，包括波形、通訊、測(cè)量設(shè)置、監(jiān)測(cè)、報(bào)警界面和鍵盤(pán)輸入界面等。主要人機(jī)交互界面如圖4所示。

圖4 人機(jī)交互界面Fig.4 Human-machine interaction interface

3.1 測(cè)量顯示界面

波形界面主要顯示區(qū)域：（1）顯示波形的曲線有電流波形曲線、電極電壓波形曲線、動(dòng)態(tài)電阻波形曲線和功率波形曲線；（2）顯示焊接完一次后的電流最大值、電流有效值、電壓最大值、電壓有效值等。波形界面的布局如圖4a所示。

3.2 測(cè)量設(shè)置界面

測(cè)量設(shè)置界面主要用于設(shè)置測(cè)量參數(shù)，包括測(cè)量脈沖數(shù)量、觸發(fā)、采樣頻率、觸發(fā)電平和顯示曲線設(shè)定；本界面采用彈出數(shù)字鍵盤(pán)菜單式的參數(shù)輸入和簡(jiǎn)單明了的風(fēng)格。測(cè)量設(shè)置的界面布局如圖4b所示。

3.3 焊接監(jiān)測(cè)設(shè)置界面

監(jiān)測(cè)功能可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焊接過(guò)程的電極電壓、焊接電流和動(dòng)態(tài)電阻，在用戶輸入需監(jiān)測(cè)的上下限值后，監(jiān)測(cè)儀實(shí)時(shí)對(duì)比設(shè)定值與采樣值，并根據(jù)對(duì)比結(jié)果來(lái)決定是否報(bào)警。測(cè)量設(shè)置的界面布局如圖4c所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 測(cè)量曲線

試驗(yàn)采用#D5型點(diǎn)焊頭和JYD-01L型電阻點(diǎn)焊電源對(duì)直徑0.06 mm的漆包線進(jìn)行焊接試驗(yàn)，焊接時(shí)間設(shè)置為55 ms，在恒流模式下焊接電流設(shè)置為450 A，在焊接過(guò)程中實(shí)時(shí)顯示電流波形、電壓波形、動(dòng)態(tài)電阻波形、功率波形、電流最大值、電流有效值、電壓最大值、電壓有效值、電阻最大值、電阻有效值、功率最大值和功率有效值，如圖5所示。

圖5 實(shí)測(cè)波形Fig.5 Measured waveform

4.2 焊接過(guò)程信息監(jiān)控

在實(shí)際焊接過(guò)程中，焊機(jī)設(shè)定的電流和電壓如果超出或者低于設(shè)計(jì)的工藝參數(shù)，可能會(huì)發(fā)生質(zhì)量問(wèn)題。例如，焊接電流過(guò)大可能會(huì)導(dǎo)致燒穿，焊接電流過(guò)小可能造成未焊透等。針對(duì)影響焊點(diǎn)質(zhì)量的主要工藝參數(shù)（如焊接電流、電極電壓、動(dòng)態(tài)電阻和功率）進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)儀可根據(jù)設(shè)定上下限值實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焊接過(guò)程。若超限即跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的報(bào)警界面。電流超過(guò)上限的報(bào)警界面如圖6所示。

圖6 報(bào)警界面Fig.6 Alarm interface

4.3 測(cè)量精度對(duì)比

使用JYD-01L型電阻點(diǎn)焊電源，其最大輸出電流1 000 A、逆變頻率4 kHz；在恒流模式下設(shè)置不同電流參數(shù)并測(cè)試監(jiān)測(cè)儀精度，以MIYACHI產(chǎn)的MM-370B型焊接監(jiān)測(cè)儀所測(cè)電流為實(shí)測(cè)值，本監(jiān)測(cè)儀所測(cè)電流為顯示值。測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，顯示值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差在±1%范圍內(nèi)，電流測(cè)量精度較高，符合預(yù)期要求。

表1 實(shí)測(cè)電流值Table 1 Measured current value

5 結(jié)論

（1）通過(guò)RS485串口通信實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與觸摸屏的通信，設(shè)計(jì)了電阻點(diǎn)焊焊接監(jiān)測(cè)儀數(shù)字化人機(jī)交互系統(tǒng)界面，具有操作簡(jiǎn)單和界面友好的特點(diǎn)。

（2）以Microchip公司的32位單片機(jī)PIC32MZ 0512EFE100為控制核心，實(shí)現(xiàn)了在不同測(cè)量參數(shù)下焊接電流曲線、電極電壓曲線、動(dòng)態(tài)電阻曲線和功率曲線等的實(shí)時(shí)顯示。

（3）電阻點(diǎn)焊焊接監(jiān)測(cè)儀功能豐富，具有波形、測(cè)量設(shè)置、焊接監(jiān)測(cè)設(shè)置、通訊設(shè)置和焊接數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等功能，可為電阻點(diǎn)焊在線監(jiān)測(cè)和挖掘電阻點(diǎn)焊焊接過(guò)程信息提供技術(shù)支撐平臺(tái)。