基于電極振動的電阻點焊質(zhì)量監(jiān)測方法與機理研究.pdf

1、電阻點焊技術(shù)因其高效率、低成本、高自動化程度等優(yōu)點，在金屬板連接工藝中有著廣泛的應用。在汽車制造工業(yè)中，一個典型的轎車車身大概由300～400個薄板件經(jīng)4000～6000個焊點裝配而成，而2010年我國汽車產(chǎn)銷量均超過1800萬輛。因此，保證電阻點焊質(zhì)量的合格率對汽車安全和節(jié)約生產(chǎn)成本有著重要的社會和經(jīng)濟意義。然而，電阻點焊質(zhì)量因熔核形成過程的不可觀性和瞬時性而難以直接監(jiān)測。為此，只能通過監(jiān)測與焊接質(zhì)量密切相關(guān)的各種電和物理參數(shù)來間接地

2、監(jiān)測焊接質(zhì)量，其中電極位移被認為是電阻點焊質(zhì)量的理想監(jiān)測參數(shù)之一。然而，電極位移監(jiān)測方法因位移傳感器的安裝干涉和經(jīng)濟性問題而不能工業(yè)化應用。在電阻點焊的研究中，電極振動一直被大多數(shù)研究者當作干擾或無用的信息而很少受到關(guān)注，并對監(jiān)測到的電極位移信號進行濾波或跨周波采樣來消除這些振動的影響。然而，有少數(shù)研究者注意到電焊機的機械振動以及監(jiān)測到的電極位移曲線上的波動是由交流焊接電流引起的，并與熔核形成過程有關(guān)，但是沒有進行系統(tǒng)的研究。為此，本文

3、從電極振動的方向進行研究，采用加速度計進行電阻點焊質(zhì)量的監(jiān)測，旨在開發(fā)新的電阻點焊質(zhì)量監(jiān)測方法，同時解決傳統(tǒng)的熱膨脹位移監(jiān)測方法的不足。
　　本文首先開發(fā)了電極振動的監(jiān)測系統(tǒng)，同時采集電阻點焊過程中的焊接電壓、焊接電流、電極位移和加速度信號；其次，從電極位移的波動現(xiàn)象入手，分析電極位移波動的機理，并提取電極位移波動特征，研究其變化的機理；然后，從電極振動的方向入手，分別使用位移傳感器和雙加速度計監(jiān)測電阻點焊過程中的電極振幅信號，并

4、研究其在電阻點焊質(zhì)量監(jiān)測中的應用；最后，采用電極振幅更明顯的下電極振幅監(jiān)測電阻點焊質(zhì)量，并用HMM來進行電阻點焊質(zhì)量的分類評估。本文的主要研究工作如下：
　　(1)電阻點焊中電極振動信號監(jiān)測系統(tǒng)
　　主要工作包括電阻點焊監(jiān)測參數(shù)的傳感與測量技術(shù)、監(jiān)控系統(tǒng)的硬件配置和使用LabVIEW軟件開發(fā)的基于工控機的電阻點焊監(jiān)測與開環(huán)控制系統(tǒng)的程序及其測試。測試結(jié)果表明所開發(fā)的電阻點焊監(jiān)控系統(tǒng)具有精確度高、性能可靠、操作性好等特點。

5、r>　　(2)電阻點焊過程中電極位移波動特征的機理分析與試驗研究
　　通過采集焊接過程中的焊接電流和電極位移曲線分析電極位移波動的機理，并提取電極位移的脈沖膨脹增量，即位移波動峰值。結(jié)合焊接過程中初級動態(tài)電阻的變化和各周波時焊點熔核的金相照片，分析了電阻點焊過程中位移波動峰值與熔核長大之間的關(guān)系。根據(jù)位移波動峰值的變化規(guī)律，可用5個特征點將位移波動峰值曲線分為4個階段，并研究不同焊接電流和電極力條件下位移波動峰值曲線及其特征點的變

6、化，結(jié)果顯示位移波動特征可以用來有效地監(jiān)測焊接質(zhì)量。
　　(3)使用雙加速度計的電阻點焊質(zhì)量監(jiān)測方法
　　雖然位移傳感器能夠監(jiān)測電極位移波動，但由于其安裝干涉和價格昂貴而不能工業(yè)化應用。本文采用雙加速度計測量上下電極的加速度信號，通過數(shù)據(jù)處理獲得電極振動幅值曲線，并與位移傳感器監(jiān)測的電極振動幅值曲線進行對比，結(jié)果表明兩者是一致的。其次，研究了不同焊接電流條件下使用雙加速度計監(jiān)測的電極振幅曲線的變化，結(jié)果表明電極振動能夠用來監(jiān)

7、測焊接質(zhì)量，如“無焊點”、“粘連焊點”、“小焊點”、“合格焊點”和“飛濺”。最后，研究了異常焊接條件下，如分流、邊緣焊、油污表面和配合不佳，使用電極振動信號對電阻點焊質(zhì)量的監(jiān)測。
　　(4)使用單加速度計和HMM的電阻點焊質(zhì)量的在線分類評估
　　由于點焊過程中，上下電極均發(fā)生振動，且下電極振幅更明顯。因此，通過改善加速度信號的帶通濾波參數(shù)，獲得與總電極振幅線性相關(guān)的下電極振幅來監(jiān)測電阻點焊的質(zhì)量。通過試驗獲得不同焊接電流條件

8、下使用單加速度計監(jiān)測的下電極振幅曲線，其值隨著焊接電流的增加而增加，且依次出現(xiàn)“無焊點”、“粘連焊點”、“小焊點”、“合格焊點”和“飛濺”。當飛濺發(fā)生時下電極振幅發(fā)生較大跳變，因此通過設定閾值來監(jiān)測飛濺的發(fā)生。而對于“虛焊”（包括“無焊點”和“粘連焊點”）、“小焊點”和“合格焊點”采用HMM進行在線分類評估，即采用下電極振幅為觀測值和熔核直徑為狀態(tài)值分別進行HMM建模，再利用HMMs對待檢測樣本進行模式識別，經(jīng)試驗驗證該分類方法是有效和