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基于电极振动的电阻点焊质量监测方法与机理研究

王先锋  
【摘要】:电阻点焊技术因其高效率、低成本、高自动化程度等优点,在金属板连接工艺中有着广泛的应用。在汽车制造工业中,一个典型的轿车车身大概由300~400个薄板件经4000~6000个焊点装配而成,而2010年我国汽车产销量均超过1800万辆。因此,保证电阻点焊质量的合格率对汽车安全和节约生产成本有着重要的社会和经济意义。然而,电阻点焊质量因熔核形成过程的不可观性和瞬时性而难以直接监测。为此,只能通过监测与焊接质量密切相关的各种电和物理参数来间接地监测焊接质量,其中电极位移被认为是电阻点焊质量的理想监测参数之一。然而,电极位移监测方法因位移传感器的安装干涉和经济性问题而不能工业化应用。在电阻点焊的研究中,电极振动一直被大多数研究者当作干扰或无用的信息而很少受到关注,并对监测到的电极位移信号进行滤波或跨周波采样来消除这些振动的影响。然而,有少数研究者注意到电焊机的机械振动以及监测到的电极位移曲线上的波动是由交流焊接电流引起的,并与熔核形成过程有关,但是没有进行系统的研究。为此,本文从电极振动的方向进行研究,采用加速度计进行电阻点焊质量的监测,旨在开发新的电阻点焊质量监测方法,同时解决传统的热膨胀位移监测方法的不足。 本文首先开发了电极振动的监测系统,同时采集电阻点焊过程中的焊接电压、焊接电流、电极位移和加速度信号;其次,从电极位移的波动现象入手,分析电极位移波动的机理,并提取电极位移波动特征,研究其变化的机理;然后,从电极振动的方向入手,分别使用位移传感器和双加速度计监测电阻点焊过程中的电极振幅信号,并研究其在电阻点焊质量监测中的应用;最后,采用电极振幅更明显的下电极振幅监测电阻点焊质量,并用HMM来进行电阻点焊质量的分类评估。本文的主要研究工作如下: (1)电阻点焊中电极振动信号监测系统 主要工作包括电阻点焊监测参数的传感与测量技术、监控系统的硬件配置和使用LabVIEW软件开发的基于工控机的电阻点焊监测与开环控制系统的程序及其测试。测试结果表明所开发的电阻点焊监控系统具有精确度高、性能可靠、操作性好等特点。 (2)电阻点焊过程中电极位移波动特征的机理分析与试验研究 通过采集焊接过程中的焊接电流和电极位移曲线分析电极位移波动的机理,并提取电极位移的脉冲膨胀增量,即位移波动峰值。结合焊接过程中初级动态电阻的变化和各周波时焊点熔核的金相照片,分析了电阻点焊过程中位移波动峰值与熔核长大之间的关系。根据位移波动峰值的变化规律,可用5个特征点将位移波动峰值曲线分为4个阶段,并研究不同焊接电流和电极力条件下位移波动峰值曲线及其特征点的变化,结果显示位移波动特征可以用来有效地监测焊接质量。 (3)使用双加速度计的电阻点焊质量监测方法 虽然位移传感器能够监测电极位移波动,但由于其安装干涉和价格昂贵而不能工业化应用。本文采用双加速度计测量上下电极的加速度信号,通过数据处理获得电极振动幅值曲线,并与位移传感器监测的电极振动幅值曲线进行对比,结果表明两者是一致的。其次,研究了不同焊接电流条件下使用双加速度计监测的电极振幅曲线的变化,结果表明电极振动能够用来监测焊接质量,如“无焊点”、“粘连焊点”、“小焊点”、“合格焊点”和“飞溅”。最后,研究了异常焊接条件下,如分流、边缘焊、油污表面和配合不佳,使用电极振动信号对电阻点焊质量的监测。 (4)使用单加速度计和HMM的电阻点焊质量的在线分类评估 由于点焊过程中,上下电极均发生振动,且下电极振幅更明显。因此,通过改善加速度信号的带通滤波参数,获得与总电极振幅线性相关的下电极振幅来监测电阻点焊的质量。通过试验获得不同焊接电流条件下使用单加速度计监测的下电极振幅曲线,其值随着焊接电流的增加而增加,且依次出现“无焊点”、“粘连焊点”、“小焊点”、“合格焊点”和“飞溅”。当飞溅发生时下电极振幅发生较大跳变,因此通过设定阈值来监测飞溅的发生。而对于“虚焊”(包括“无焊点”和“粘连焊点”)、“小焊点”和“合格焊点”采用HMM进行在线分类评估,即采用下电极振幅为观测值和熔核直径为状态值分别进行HMM建模,再利用HMMs对待检测样本进行模式识别,经试验验证该分类方法是有效和可靠的。 本文在充分吸收和借鉴前人研究成果的基础上,对电极位移波动的机理进行了分析,并提取了位移波动峰值,通过试验研究了位移波动峰值在熔核长大过程中的变化机理。在此基础上,为了克服位移传感器测量的不足,从电极振动的角度入手,采用加速度传感器进行电极振幅的监测,并研究该方法在电阻点焊质量监测中的应用。该研究为基于电极振动的电阻点焊质量监测方法提供了重要参考。


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