专利名称：控制电阻点焊质量的装置及其方法
技术领域：
本发明涉及一种控制电阻点焊质量的装置和方法，且更具体地，涉及一种利用一动态电阻曲线控制焊接质量的电阻点焊装置和方法。
近来，电阻点焊被广泛应用于各种场合，例如，用于连接汽车制造中使用的一对金属板。如已公知的那样，焊接过程中的质量控制是与电阻点焊有关的主要困难之一。
图1表示现有技术中的一种电阻点焊装置100，该装置能预测并控制电阻点焊的质量，如在题目为“预测和控制电阻点焊质量的方法和装置”的美国专利No．4493965中所披露的那样。该电阻点焊装置100包括一配有一对焊接电极的点焊机110，一对金属板112，一变压器114，一控制器116，一电流传感器120，一电压传感器122以及一微处理器130。
在这一电阻点焊装置100中，与变压器114配合的控制器116给要焊接的金属板112供应焊接电流和电压。电流和电压传感器120，122分别产生与焊接电流和电压成正比的模拟信号。最好是将电压传感器122的导线头置于尽可能靠近焊接电极的位置以便在测量焊接电压时消除点焊机110的电极臂分布电阻的影响。
电流传感器120可置于电阻点焊装置100的电路中的任何位置。微处理器130产生控制焊接电流的逻辑门信号，其中通过采用从电流和电压传感器120，122检测到的电流和电压来得到这一逻辑门信号。控制器116根据来自微处理器130的逻辑门信号控制被施加于电阻点焊机100的初级电路上的焊接电流。
上述电阻点焊装置100的一个主要缺点是它需要将电流和电压传感器120，122在此结合并分别检测焊接电流和电压，这就使得电阻点焊装置100变得复杂起来。
此外，上述现有技术中的装置往往会导致损坏电压传感器122的导线头和焊接电极之间的连接，因为这种连接是通过将电压传感器122和其相应的导线头用机械的方法置于直接与焊接电极接触的位置或置于与焊接电极非常接近的位置来作出的。
所以，本发明的主要目的是提供一种结构简单的电阻点焊装置，这种装置通过使用一动态电阻曲线，因而就减少了所需的传感器数量。
本发明的另一目的是提供一种改进的方法，该方法通过采用HMM(HiddenMarkov Model)方法估算电阻点焊的熔核尺寸和熔核熔透深度能够准确地估算点焊质量。
按照本发明，提供了一电阻点焊装置，该装置包括一初级电路，一次级电路以及一变压器，用来控制电阻点焊质量，其中给初级电路施加一电压以便由此产生一焊接电流，该焊接装置还包括一用来从初级电路检测焊接电流的电流传感器；一根据焊接电流计算功率因数的功率因数计算器；一根据计算出的功率因数得到一动态电阻曲线的动态电阻计算器；一通过使用Hidden MarkovModel(HMM)方法由该动态电阻曲线估算熔核尺寸和熔核熔透深度的熔核估算器；以及一通过使用上述熔核尺寸和熔核熔透深度来控制焊接电流的焊接电流控制器。
通过下述优选实施例的描述并结合附图，本发明的上述和其它目的及优点就变得更加清楚明了，其中图1表示现有技术中电阻点焊装置的示意图；图2表示按照本发明的其中包含一焊接质量控制器的电阻点焊装置的示意图；图3是一描述按照输入电压Vm(x)作为其相角和其幅值的函数的焊接电流im(x)的变化图形；图4表示一作为引燃角和导通角函数的焊接电流中功率因数的图形；图5表示一通过使用图2所示的Hidden Markov Model方法估算熔核尺寸和熔核熔透深度的本发明熔核估算器的框图；图6提供了一用来产生一系列离散的观测信号以备图5所示的HMM整理排序的本发明转换器的图解框图；以及图7A和7B表示一操作流程图，该图描述通过使用图2所示的焊接质量控制器控制电阻点焊质量的程序。
图2到图7表示按照本发明优选实施例的本发明电阻点焊装置200和其方法的各种图。
图2描述了本发明包括一焊接质量控制器270的电阻点焊装置的图解框图，其中焊接质量控制器270包括一功率因数计算器230，一动态电阻计算器240，一熔核估算器250以及一焊接电流控制器260。该电阻点焊装置200包括一有一初级绕组，一铁芯和一次级绕组的变压器216，一包括变压器216的初级绕组和一有一SCR(SCR1)和另一SCR(SCR2)的SCR(半导体控制整流器)块235的初级电路280，一包括一对电极210，214，一对夹持在电极210，214之间的金属板212以及变压器216的次级绕组的次级电路，和一电流传感器220。
在焊接装置200中，线201，202上的AC(交流)输入电压Vm(x)施加到SCR块235一端和变压器216的初级绕组一端之间，由此使得初级电流通过SCR块235和变压器216的初级绕组。该AC输入电压通常是220伏，380伏或440伏。变压器216将初级电流280中的电能转换到次级电路290中并使其电流和电压发生变化，以使得次级电路290的电流比初级电路280上的大。在电阻点焊中，一对电极210，214夹持住金属板212并使得次级电流通过金属板的局部区域并加热这些金属板的所述局部区域。因此，如果电阻点焊结束后，就会在这些金属板212的局部区域之间形成一熔核，即一焊点。应当注意该熔核的尺寸δ，即焊点的直径，熔核的熔透深度ρ，即焊点的深度，代表电阻点焊的质量。SCR块235用来控制传送到变压器216的初级绕组上的焊接电流。电流传感器220连接到初级电路280上用于在电阻点焊装置200操作期间检测焊接电流。
图3示出一描述在初级电路280上由电流传感器220测出的作为一给定输入电压Vm(x)相角函数的焊接电流im(x)的变化图，其中x轴表示相角；y轴表示im(x)和Vm(x)值；α代表由一点限定的引燃角，焊接电流从该点起在一半周内开始；β代表一熄灭角，焊接电流im(x)从该点起在一半周内消退；以及λ代表在一半周内由α和β的差值限定的一导通角。全加热电流由图3中的虚线表示，θ是表示相对于输入电压Vm(x)的全加热电流i的相角延迟的一个功率因数。在本发明的这一优选实施例中，在一焊接周期的Vm(x)，即，焊接一个焊点期间的Vm(x)包括M数目的半周，而且一焊接周期的im(x)也包括与Vm(x)的半周数目相同的半周数目。焊接电流im(x)可由下列公式表示im(x)=(Vm／丨Z丨)(sin(x-θ)-sin(α-θ)e-(x-α)／tanθ)公式1其中，Z代表电阻点焊装置200的阻抗。
在公式1中，假定x等于β，则im(x)变成0。所以，公式1可被重新写成sin(β-θ)-sin(α-θ)exp-(β-α)／tanθ)=0公式2在图3中，因为λ等于β-α，公式2以公式3的形式给出sin(α+λ-θ)-sin(α-θ)exp-λ／tanθ)=0公式3在本发明的这一优选实施例中，功率因数计算器230在每一半周从由电流传感器220提供的im(x)获得α和λ。因此，每一半周的功率因数θm可从公式3中获得。该功率因数计算器230给动态电阻计算器240提供θm。
按照本发明的实施例从公式3得到的θm的模拟结果在图4中表示出来，其中θm表示为λ和α的函数。例如，如果λ和α分别为160度和100度，则θm为90度。本例的情况在图4中由一虚线表示。
现在返回到图2，动态电阻计算器240通过由下列本领域公知的公式给定的功率因数计算器230，根据θm计算相应动态电阻Rdm的M数。
Rdm=WLcotθm公式4其中，Rdm是电阻点焊装置200的动态电阻；L是电阻点焊装置200的电感；以及W是Vm(x)的频率。此外，假定金属板212的厚度是均匀的，则L变为恒定数。而且因为输入电压Vm(x)有一恒定频率，所以W是恒定的。因此，该动态电阻计算器240可以从公式4计算每一半周的Rdm。计算出的Rdm被传送到熔核估算器250，用来估算电阻点焊的熔核尺寸δ和熔透深度ρ。
在本发明的优选实施例中，是采用传统的Hidden Markov Model(HMM)方法来估算熔核尺寸δ和熔核熔透深度ρ的。该HMM是可排成序列的统计模型，有两个明显的特点(1)对要进行分析的数据的统计分布没有进行先前的假设；(2)可由该HMM对一高级序贯结构编码。对各种各样的随机信号处理已成功地应用了这种HMM，包括语音识别、手势识别以及开环人体动作技能和反作用人体控制对策类。关于HMM的细节，例如可参见IEEE学报(Proceedingsof the IEEE)的第77卷No．2，PPS 257-286(1989年2月)中L．R．Rabinerd“有关Hidden Markov Models的指导和在语音识别方面的选择应用”(“A Tutorial OnHidden Markov Models and Selected Applications in Speech Recognition”)。
图5是表示通过利用本发明的HMM方法估算熔核尺寸δ和熔核熔透深度ρ的方框图。其中熔核估算器250包括一个转换器251，一个HMM(HiddenMarkov Model)块255和一个估算器256。在本发明的这一优选实施例中，输入信号代表具有在动态电阻计算器240上计算出的Rdm的Rd曲线。将该输入信号提供给转换器251。
图6是表示转换器251的方框图，该转换器251用来产生一离散的观测信号序列以备用图5所示的HMM块255估算熔核。该离散的观测信号序列用符号“0”表示。转换器251包含一滤波器252和一矢量数字转换器253。在滤波器252中，所述输入信号被滤波，由此产生一滤波后的输入信号。矢量数字转换器253利用一种矢量数字化(VQ)方法，例如利用一种通用的LBQ VQ算法把滤波后的输入信号转换为数字，以便由此产生所述离散的观测符号序列“0”由矢量数字转换器253分成nw级中的其中之一级。
返回到图5，该离散观测符号序列“0”被输入到HMM块255。该HMM块255包含有nw个组μi，其中i∈{1，2，…nw}。该HMM方法的μi由一组排序观测序列Ωi来排序。该Ωi可以是这样的Ωi={Oi(1)，Oi(2)，…Oi(i)}，其中Ωi(k)是在wi组中的第k个排序观测序列，ni是在wi组中的排序观测序列的总数。通过采用例如一自在向右的用来计算一相应概率P(O丨μi)的模型在每一个μi对所述离散观测符号序列“0”进行处理，为估算器256提供每一个概率P(O丨μi)。该估算器256在这些概率P(O丨μi)中选择一最大值并从具有该最大值的组μn中估算电阻点焊的熔核尺寸δ和熔透深度ρ。该估算器256输出一估算的δ和ρ作为电阻点焊的熔核尺寸和熔透深度。
返回到图2，焊接电流控制器260从该熔核估算器250中接收估算的δ和ρ。焊接电流控制器260检测这一估算的δ和ρ是否小于或大于一组预定阈值TH1和TH2。该δ和ρ值分别与TH1和TH2相比较。如果估算值δ和ρ两者都大于阈值TH1和TH2，焊接电流控制器260产生一个用来在下一个焊接周期将焊接电流减小一预定值的逻辑门信号，否则，该焊接电流控制器260产生一个输入到SCR块235中的用来在下一个焊接周期将焊接电流增加一预定值的逻辑门信号。
参考图7A和7B，现在将详细描述本发明的控制电阻点焊质量的方法。在步骤S100，功率因数计算器230将m置于0并到达步骤S110，其中m是从0至M的正整数，代表在被检测的im(x)中的半周数。在步骤S110，电流传感器220检测初级电路280中的im(x)并将检测的焊接电流im(x)传送到功率因数计算器230中，其中包括M个半周的检测到的焊接电流im(x)具有有关每一半周的λ和α的数据。过程达到步骤S120。在本发明的一个优选实施例中，输入电压Vm(x)的每半周的一开始也由电流传感器220检测并提供给功率因数计算器230。在步骤S120，功率因数计算器230利用公式3或图4所示的曲线计算功率因数θm，并到达步骤S121，存储该θm，然后处理过程到达步骤S122。
在步骤S122，功率因数计算器230检测m是否比M小，如果检测到的结果是肯定的，处理过程进入步骤S124。在步骤S124，m加1变成m+1并返回到步骤S110。如果在步骤S122检测到的结果是否定的，则功率因数计算器230为动态电阻计算器提供存储的θm，过程进入步骤S140。
在步骤S140，动态电阻计算器240利用公式4为每一θm计算Rdm。该动态电阻计算器240利用计算出的Rdm作出一Rd曲线并向熔核估算器250提供该Rd曲线。
在步骤S150，熔核估算器利用HMM方法估算熔核尺寸和熔核熔透深度δ和ρ，过程经过一分接符A到达步骤160。在步骤S160，焊接电流控制器260检测估算值δ和ρ是否均大于一组预定阈值(TH1，TH2)，如果检测到的结果为是，则过程进入步骤162，该步骤将下一焊接周期的焊接电流减小一预定值，然后过程进入步骤S174。如果检测到的结果是否，则过程进入步骤S164，该步骤S164将下一焊接周期的焊接电流增加一预定值，然后过程到达步骤S170。
在步骤S170，熔核估算器250检查增加后的焊接电流是否比电阻点焊装置200的VOL(上操作限)大，如果检查到的结果为是，过程到达步骤S172，该步骤将焊接电流设置成等于或小于该VOL，然后过程到达步骤S180。如果在步骤S170检查到的结果是否，则过程进入步骤S180。在步骤174，焊接电流控制器260检查已在步骤S162减小的焊接电流是否比电阻点焊装置200的LOL(下操作限)小。如果检查到的结果为是，则过程进入步骤S176，该步骤将焊接电流设置成等于或大于该LOL，然后过程进入步骤S180。如果在步骤S174检查到的结果为否，则过程进入步骤S180。在步骤S180，焊接电流控制器260给SCR块235提供一逻辑门信号，该信号用来控制下一焊接周期的焊接电流，使其与在步骤S165、S164、S172或S176调节过的焊接电流相一致。
尽管根据上述优选实施例对本发明作了描述，但如在下列权利要求中陈述的那样，在不脱离本发明宗旨和范围的情况下可对本发明进行其它的修改和变更。
权利要求
1.一种用来控制电阻点焊质量的电阻点焊设备，包括一初级电路、一次级电路和一变压器，其中给初级电路施加一电压以便产生一焊接电流，该焊接设备包括用来从初级电路检测焊接电流的装置；用来根据焊接电流计算功率因数的装置；用来根据计算出的功率因数获得一动态电阻曲线的装置；以及用来产生一控制焊接电流的门信号的装置，其中该门信号是利用动态电阻曲线而得到的。
2.如权利要求1所述的焊接设备，还包括根据动态电阻曲线估算熔核尺寸和熔核熔透深度以产生门信号的装置。
3.如权利要求2所述的焊接设备，其中所述熔核尺寸和熔核熔透深度是利用隐马尔克夫模型(HMM)方法得到的。
4.如权利要求2所述的焊接设备，还包括一对用来控制焊接电流的半导体控制的整流器。
5.如权利要求2所述的焊接设备，其中所述的估算装置包括将动态电阻曲线转换成一离散的观测符号序列以备HMM使用的装置；一个具有nw个组μi的HMM块，用来在每一个组μi计算离散观测符号序列，以计算相应的概率P(O丨μn)，其中i∈{1，2，…nw}，nw是一预定的正整数；以及通过在这些组μi中选择具有最大的P(O丨μn)值的一个组μi，来估算电阻点焊的熔核尺寸δ与熔透深度ρ的装置；以及输出一个估算的δ和ρ，作为电阻点焊的熔核尺寸和熔核熔透深度。
6.如权利要求5所述的焊接设备，其中该转换装置包括用来过滤动态电阻曲线的装置；以及一用来量化离散观测值由此获得离散观测符号序列的矢量量化器。
7.一种控制电阻点焊质量的方法，包括下列步骤(a)在包含M个半周的焊接过程中，检测焊接电流的M个功率因数，其中每一个功率因数分别与每一个半周相对应；(b)根据检测到的M个功率因数确定一动态电阻曲线；以及(c)根据确定的动态电阻曲线控制下一个焊接过程的焊接电流。
8.如权利要求7的方法，在所述步骤(a)之前进一步包括步骤(a1)检测焊接电流每一个半周的引燃角和熄灭角，其中，引燃角是由这样一点限定的，即焊接电流从该点起在一半周内开始，熄灭角是由这样一点限定的，即焊接电流从该点起在该半周内结束；以及(a2)计算一导通角，该导通角是从该熄灭角中减去该引燃角确定的。
9.如权利要求8的方法，在所述步骤(a2)之后进一步包括步骤(a3)根据每个半周的引燃角和导通角计算M个功率因数。
10.按照权利要求9的方法，其中功率因数是通过下述公式计算的sin(α+λ-θ)-sin(α-θ)exp-λ／tanθ)=0其中α表示引燃角；β表示熄灭角；λ表示导通角；θ表示焊接电流相应半周的功率因数。
11.一种在电阻点焊装置中使用的控制焊接电流的方法，包括下列步骤(a)在包括M个半周的焊接过程中检测焊接电流的M个功率因数，其中每一个功率因数分别与每一个半周相对应；(b)根据检测到的M个功率因数选择一动态电阻曲线；(c)利用该动态电阻曲线确定电阻点焊的熔核尺寸和熔核熔透深度；以及(d)根据选择到的动态电阻曲线控制下一焊接过程的焊接电流。
12.按照权利要求11的方法，在步骤(a)之前进一步包括步骤(a1)检测焊接电流每一半周的引燃角和熄灭角。
13.按照权利要求12的方法，在所述步骤(a1)之后进一步包括步骤(a11)由每一半周的引燃角和导通角计算M个功率因数。
14.按照权利要求13的方法，其中该功率因数是由下列公式计算的sin(α+λ-θ)-sin(α-θ)exp-λ／tanθ)=0其中α表示引燃角；λ表示导通角；θ表示焊接电流相应半周的功率因数。
15.按照权利要求11的方法，其中步骤(c)包括下述步骤(c1)将动态电阻曲线转换为离散观测符号序列；(c2)将离散观测符号序列排序成N个HMM块，其中每个HMM块计算离散观测符号序列的概率；以及(c3)从具有最大值的HMM块中估算电阻点焊的熔核尺寸和熔核熔透深度。
16.按照权利要求15的方法，其中步骤(c1)包括下列步骤(c11)将动态电阻曲线滤波，由此得到一滤波后的动态电阻曲线；以及(c22)将滤波后的电阻曲线矢量量化，由此得到所述的离散观测符号序列。
全文摘要
电阻点焊装置包括初级电路、次级电路和变压器,用来控制电阻点焊质量,给初级电路施加电压以产生焊接电流。该装置还包括检测焊接电流的电流传感器、功率因数计算器、动态电阻计算器、熔核估算器及电流控制器。功率因数计算器根据焊接电流计算功率因数,熔核估算器利用隐马尔克夫模型方法由动态电阻曲线估算熔核尺寸和熔核熔透深度,动态电阻曲线通过功率因数计算器获得。根据熔核尺寸和熔核熔透深度改变焊接电流控制电阻点焊质量。
文档编号G01R31/01GK1206113SQ9810294
公开日1999年1月27日 申请日期1998年6月4日 优先权日1998年6月4日
发明者金经一, 成源镐, 崔在成 申请人:社团法人高等技术研究院研究组合