一种悬挂式电阻电焊机焊接过程参数监测仪及监测方法与流程

本发明涉及一种悬挂式电阻电焊机焊接过程参数监测仪及监测方法，属于电阻点焊焊接过程参数监测系统技术领域。

背景技术：

电阻焊工艺是用电阻焊方法焊接零部件过程的总称，由于电阻点焊在焊接过程中能量集中、变形小、生产率高，特别适合于薄壁零件的焊接加工，因此在航空、航天制造工程和汽车等工业领域等得到了广泛的应用。工艺过程实现如下：通过在被焊工件之间施加一个固定的压力，以使工件接触良好从而形成一个稳定的接触电阻，通电后焊接电流流过被焊工件间的接触区域，产生大量焦耳热，使工件间的接触区域熔化，形成液态熔核，切断焊接电流后，熔核冷却结晶，将金属工件焊接在一起。电阻焊与其它焊接方法相比，具有辅助工序少、无需填加焊接材料等优点，尤其易于实现机械化、自动化生产。

目前，在电阻点焊的质量检测方面仍然没有可靠的无损检测方法，电阻点焊接头的质量检验方法主要分为破坏性检验和无损检验两种形式。破坏性检测方法由于其检测方法简单易行，可以直接对点焊质量进行判断，在实际生产制造过程中广泛应用。点焊焊点质量无损检验主要有两种方式：

(1)目视检验、密封性检验以及施加规定载荷下的接头强度检验；

(2)物理检验方法，主要有x射线检验、超声波检验、涡流检验、磁粉检验等。无损检测是定性检测。

破坏性检测方法只是对极小一部分焊件进行了性能检测，只能保证整个批次的焊件的平均质量，并不能保证全部的焊件的质量都合格，而且经过破坏性检测的工件将不能再使用，将造成一定的浪费，另外这种检测方法存在费时费工、效率低等缺点。

技术实现要素：

本发明为了解决现有方法费时费工、效率低的问题，提出了一种悬挂式电阻电焊机焊接过程参数监测仪及监控方法。

一种悬挂式电阻电焊机焊接过程参数监测仪，所采取的技术方案如下：

所述监测仪包括下位机系统和上位机系统；所述下位机系统包括电流传感器、电压传感器、压力传感器、外围电路和数据采集卡；所述电流传感器、电压传感器和压力传感器的传感信号输出端分别通过外围电路与数据采集卡的传感信号输入端相连；所述数据采集卡的数据输出端与上位机系统的信号输入端相连；所述上位机系统包括电阻点焊接过程参数在线监测系统、声光报警器、sql数据库、无线通信模块和显示模块；所述电阻点焊接过程参数在线监测系统的数据信号输入端即为所述上位机系统的信号输入端；所述电阻点焊接过程参数在线监测系统的报警控制信号输出端与所述声光报警器的控制信号输入端相连；所述电阻点焊接过程参数在线监测系统的数据存储缓存交互端与所述sql数据库的数据交互端相连；所述电阻点焊接过程参数在线监测系统的通信控制信号输出端与所述无线通信模块的控制信号输入端相连；所述电阻点焊接过程参数在线监测系统的显示数据交互端与所述显示模块的显示数据交互端相连。

进一步地，所述电流传感器采用罗氏线圈电流传感器，所述罗氏线圈电流传感器的线圈套在所述悬挂式电阻电焊机的初级电流回路中，并且所述线圈的截面和长度恒定。

进一步地，所述电压传感器的电压信号输入端与所述悬挂式电阻电焊机的上下电极之间的引线相连；所述悬挂式电阻电焊机的上下电极之间的引线采用双绞屏蔽线，并所述上下电极之间设有隔离运放模块。

进一步地，所述压力传感器固定安装在所述悬挂式电阻电焊机的下电极臂上。

进一步地，所述电阻点焊接过程参数在线监测系统采用树莓派监控系统。

进一步地，所述监测仪还包括监控中心，所述监控中心通过无线通信模块和以太网与所述电阻点焊接过程参数在线监测系统建立数据连接；所述监控中心包括子系统监控模块、焊接过程参数回显模块、焊接过程参数分析模块和焊接质量预判模块。

一种权利要求1所述悬挂式电阻电焊机焊接过程参数监测仪的监测方法，所采取的技术方案如下：

所述监测方法包括：

步骤一：下位机利用电流传感器采集电阻点焊次级焊接电流参数，所述电流传感器将输出信号送入外围电路中的积分电路，经过积分电路处理后输入到所述数据采集卡进行数模转换，获得焊接电流信号；

步骤二：下位机通过电压传感器，利用分压法对电极之间引线电压进行直接测量获得电压测量值，将所述电压测量值输入至所述数据采集卡进行数模转换，获得焊接电压信号；

步骤三：下位机利用压力传感器对电极压力进行采集，并将所述电极压力转换成电和信号；所述电荷信号通过外围电路中的电荷放大器放大，并转换成电压信号；所述电压信号输入至所述数据采集卡进行数模转换，获得焊接电极压力信号；

步骤四：扫描所述数据采集卡上的寄存器标志位，判断a/d转换是否结束；若转换结束将采集获得的焊接电极压力值与门限值进行对比，如果大于门限值，则表明焊机已经开始加压，此时，所述上位机中的电阻点焊接过程参数在线监测系统采集焊接电流，焊接电压和电极压力三路信号，加压结束后停止采集；

步骤五：所述电阻点焊接过程参数在线监测系统根据设置的焊接工艺参数的报警上下限，对所述焊接电流，焊接电压和电极压力三路信号进行比对；当实测焊接过程参数超出报警上下限时，所述电阻点焊接过程参数在线监测系统控制声光报警器进行自动报警；

步骤六：所述电阻点焊接过程参数在线监测系统将焊接过程参数通过以太网发送至监控中心，实时分享焊机的工作状态，并所述监控中心实时存储并提供监控到的所述焊接过程参数；其中，所述电阻点焊接过程参数在线监测系统的数量为1个或多个。

进一步地，步骤六中的所述监控中心通过神经网络建立点焊质量预测模型，通过所述焊质量预测模型提供焊接过程参数。

进一步地，所述焊质量预测模型的建立过程包括：

第一步：利用其非线性映射的泛化能力自动抽取所学习数据的特征，描述点焊的工艺参数空间与焊点接头质量空间的映射关系，其中，所述点焊的工艺参数空间包括电极电流、电极电压和电极压力；所述焊点接头质量空间包括熔核直径；

第二步：构造输入层单元数为3，两个隐含层，输出层单元数为1的三层bp网络；

第三步：针对0.9mm厚sus304奥氏体不锈钢0cr18ni9进行140组点焊工艺试验，试验样本包括合格焊点、未熔合或熔核尺寸不足的焊点以及发生喷溅的焊点；

第四步：剔除发生喷溅焊点后，将试验样本分成两组，一组用于训练预测模型，另一组用于模型的测试验证，进而得到准确率相对较高的焊质量预测模型。

本发明有益效果：

1、本发明提出了一种悬挂式电阻点焊焊接过程参数在线检测仪及监测方法，实现了对悬挂式电阻点焊焊接电流、电压、电极压力三参数的在线准确监测，为探究焊接过程参数与焊接质量之间的对应关系提供了准确可靠的数据来源。该监测仪体积小，重量轻，抗振、抗干扰能力强，采用树莓派系统作为整个系统的核心数据处理单元，与悬挂式电阻点焊机一体化装配，并且所述监测仪及监测方法能够有效提高悬挂式电阻电焊机焊接过程参数监测效率。

2、本发明设置的监控中心：多套电阻点焊焊接过程参数监测系统通过无线数据传输与监控中心进行通信，实时共享各个焊机的工作状态，以及存储的点焊过程监控参数，方便及时发现故障机器。同时也实现了焊机焊接过程参数的集中化存储与管理，便于焊接质量的评估。监控中心给出的焊接过程参数数据，采用拟人智能评估算法(bp组合神经网络等)，通过大量的实验数据采集，利用其非线性映射的泛化能力自动抽取所学习数据的特征，建立点焊的工艺参数空间(电极电流、电极电压、电极压力)与焊点接头质量空间(熔核直径、拉剪强度)的映射关系模型，进而给出悬挂式电阻点焊机在线质量监测。

附图说明

图1为本发明所述悬挂式电阻电焊机焊接过程参数监测仪的下位机系统结构示意图。

图2为本发明所述悬挂式电阻电焊机焊接过程参数监测仪的上位机系统结构示意图。

图3为本发明所述监控中心结构示意图。

图4为本发明所述悬挂式电阻电焊机结构示意图。

其中，1，上电极臂；2，上电极臂连接件；3，参数监控系统；4和14为弹簧片；5，机体固定板；6，防护板；7，缆线固定件；8和9均为机械手臂连接件；10和12为上下电极；11，电极头；13，下电极臂；14；推杆；16，导杆；17，导轨构件；18，下电极臂连接件；19，缸构件；20，压力电机；21，电机座

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。

实施例1：

一种悬挂式电阻电焊机焊接过程参数监测仪，如图1和图2所示，所述监测仪包括下位机系统和上位机系统；所述下位机系统包括电流传感器、电压传感器、压力传感器、外围电路和数据采集卡；所述电流传感器、电压传感器和压力传感器的传感信号输出端分别通过外围电路与数据采集卡的传感信号输入端相连；所述数据采集卡的数据输出端与上位机系统的信号输入端相连；所述上位机系统包括电阻点焊接过程参数在线监测系统、声光报警器、sql数据库、无线通信模块和显示模块；所述电阻点焊接过程参数在线监测系统的数据信号输入端即为所述上位机系统的信号输入端；所述电阻点焊接过程参数在线监测系统的报警控制信号输出端与所述声光报警器的控制信号输入端相连；所述电阻点焊接过程参数在线监测系统的数据存储缓存交互端与所述sql数据库的数据交互端相连；所述电阻点焊接过程参数在线监测系统的通信控制信号输出端与所述无线通信模块的控制信号输入端相连；所述电阻点焊接过程参数在线监测系统的显示数据交互端与所述显示模块的显示数据交互端相连。

其中，所述悬挂式电阻电焊机结构如图4所示，所述电流传感器采用罗氏线圈电流传感器，所述罗氏线圈电流传感器的线圈套在所述悬挂式电阻电焊机的初级电流回路中，即所述线圈套在悬挂式电阻电焊机线缆固定件7上，并且在使用过程中保证所述线圈的截面和长度恒定，以防止互感系数发生变化，引起测量误差。

所述罗氏线圈电流传感器中所产生的感应电动势与被测电流的微分信号成正比，并不能直接反应被测的焊接电流大小，必须对传感器的输出信号进行积分处理。线圈电流传感器输出的微分信号经过积分电路处理后，由计算机控制数据采集卡进行数模转换，获得焊接电流信号。

所述电压传感器的电压信号输入端与所述悬挂式电阻电焊机的上电极10和下电极12之间的引线相连；所述悬挂式电阻电焊机的上下电极之间的引线采用双绞屏蔽线。其中，点焊过程中电极间电压值较小，一般在零点几伏到几伏之间；由于点焊过程伴随的大电流会带来强烈的磁场干扰，因此，上下电极10和12的引线采用双绞屏蔽线以减少干扰。同时，由于数据采集设备和焊机采用不同的参考“地”，一般两参考地会存在电势差，这种电势差会形成较大的环地电流，造成较大的信号测量误差，甚至损害数据采集系统。因此，必须对电极间电压信号进行隔离处理，以进行稳定安全的电极间电压信号采集。因此采用t6255d隔离运放模块对电极间电压信号进行隔离处理。其中，隔离模块安装在防护板6之间的空间内。

电极压力通过固定在下电极臂13上的压电传感器转换成电荷信号，然后通过电荷放大器放大并转换成电压信号，再经过模/数转换，最后由计算机数据采集软件采集得到电极压力信号。

所述电阻点焊接过程参数在线监测系统采用树莓派监控系统。该系统体积较小，可安装在两块下机臂连接件18之间。为了减少机器振动对于树莓派主板的影响，在主板下面设置基板，基板设有多个安装孔，安装孔内安装有卡榫，卡榫的顶端为直径大于安装孔的卡帽，卡榫的底部为弹性卡接部，卡榫在弹性卡接部与基板之间的榫体上套有一个弹簧。由于弹簧可以对基板起到缓冲作用，因此可以防振。

所述监测仪还包括监控中心，所述监控中心通过无线通信模块和以太网与所述电阻点焊接过程参数在线监测系统建立数据连接；所述监控中心包括子系统监控模块、焊接过程参数回显模块、焊接过程参数分析模块和焊接质量预判模块。并且，所述监控中心可同时整合管理一个或多个监测仪传输的监控数据。

其中，监控中心中各模块的具体功能为:

子系统监控模块：监控中心对各个子监控系统的状态有集中显示的功能，分别显示各个子系统的实时的焊接过程参数(焊接电流、焊接电压、焊接压力)、焊机的工作状态(连续工作时间、操作员、工序、是否正常工作等)；

焊接过程参数回显模块：监控中心数据库设置多张表，每一个子监控系统对应一张表，记录着子系统的监控参数。当需要时，用户可通过多级条件查询获取之前的焊接过程数据；

焊接过程参数分析模块：监控中心可以对各个子系统的实时焊接过程参数进行智能分析，判断当前焊接参数是否合乎规范，不规范及时报警；

焊接质量预判模块：监控中心设置了拟人智能评估算法模型，可以对各个子系统的焊接质量进行预判，对于连续多个焊接点不合格的焊机进行报警，及时止损。

本实施例提出的一种悬挂式电阻电焊机焊接过程参数监测仪通过罗氏线圈、数据采集卡和压力传感器等部件，使工作人员能够确认目前焊头正在焊接的过程参数，实现了对焊接部位的点焊过程的实时监测，进而实现了焊机焊接工作的实时监测及过程管理，进而提高了点焊过程的质量控制能力，为后续利用现代数据分析方法来探究焊接过程参数与焊接质量之间的对应关系，提供了可靠的数据来源。

本实施例提出的监控仪能够自动捕捉点焊过程，实时采集点焊过程中的焊接电流、电极间电压及电极压力等参数信息。所获得的监测数据为点焊质量实时分析提供数据基础，并形成点焊焊接过程参数管理的信息资源。用户根据生产实际情况，设置焊接工艺参数(焊接电流、电极压力和焊接时间)及报警上下限，当实测焊接过程参数超出报警上下限时，系统会自动报警，提示用户使用正确的工艺参数。自动存贮焊点的生产信息于mysql数据库，包括产品名称、生产日期、操作者等，并在一个焊点结束之后自动刷新数据库，保证数据库的时效性。

多套电阻点焊在线质量检测系统通过无线网卡与监控中心进行通信，实时共享各个焊机的工作状态，以及存储的点焊过程监控参数。监控中心对各个子监测系统的数据进行剔除、分类、存储、回显、数据分析以及质量预判等工作。为探究焊接过程参数与焊接质量之间的对应关系提供了大量的准确可靠的数据来源。

实施例2

一种权利要求1所述悬挂式电阻电焊机焊接过程参数监测仪的监测方法，所述监测方法包括：

步骤一：下位机利用电流传感器采集电阻点焊次级焊接电流参数，所述电流传感器将输出信号送入外围电路中的积分电路，经过积分电路处理后输入到所述数据采集卡进行数模转换，获得焊接电流信号；

步骤二：下位机通过电压传感器，利用分压法对电极之间引线电压进行直接测量获得电压测量值，将所述电压测量值输入至所述数据采集卡进行数模转换，获得焊接电压信号；

步骤三：下位机利用压力传感器对电极压力进行采集，并将所述电极压力转换成电和信号；所述电荷信号通过外围电路中的电荷放大器放大，并转换成电压信号；所述电压信号输入至所述数据采集卡进行数模转换，获得焊接电极压力信号；

步骤四：扫描所述数据采集卡上的寄存器标志位，判断a/d转换是否结束；若转换结束将采集获得的焊接电极压力值与门限值进行对比，如果大于门限值，则表明焊机已经开始加压，此时，所述上位机中的电阻点焊接过程参数在线监测系统采集焊接电流，焊接电压和电极压力三路信号，加压结束后停止采集；

具体的：监测系统创建一个单独的线程来实现数据采集功能，系统通过不停扫描a/d卡上寄存器base+8的标志位来判断a/d转换是否结束。若a/d转换结束，采集channel4上的压力值并与门限值对比，如果大于门值，表明焊机已经开始加压，监测程序开始同步采集channel2(焊接电流)、channel3(电极间电压)和channel4(电极压力)三路信号。加压结束后，停止采集。

步骤五：所述电阻点焊接过程参数在线监测系统根据设置的焊接工艺参数的报警上下限，对所述焊接电流，焊接电压和电极压力三路信号进行比对；当实测焊接过程参数超出报警上下限时，所述电阻点焊接过程参数在线监测系统控制声光报警器进行自动报警；

步骤六：所述电阻点焊接过程参数在线监测系统将焊接过程参数通过以太网发送至监控中心，实时分享焊机的工作状态，并所述监控中心实时存储并提供监控到的所述焊接过程参数；其中，所述电阻点焊接过程参数在线监测系统的数量为1个或多个。

其中，步骤六中的所述监控中心通过神经网络建立点焊质量预测模型，通过所述焊质量预测模型提供焊接过程参数。

所述焊质量预测模型的建立过程包括：

第一步：利用其非线性映射的泛化能力自动抽取所学习数据的特征，描述点焊的工艺参数空间与焊点接头质量空间的映射关系，其中，所述点焊的工艺参数空间包括电极电流、电极电压和电极压力；所述焊点接头质量空间包括熔核直径；

第二步：构造输入层单元数为3，两个隐含层，输出层单元数为1的三层bp网络；

第三步：针对0.9mm厚sus304奥氏体不锈钢0cr18ni9进行140组点焊工艺试验，试验样本包括合格焊点、未熔合或熔核尺寸不足的焊点以及发生喷溅的焊点；

第四步：剔除发生喷溅焊点后，将试验样本分成两组，一组用于训练预测模型，另一组用于模型的测试验证，进而得到准确率相对较高的焊质量预测模型。

虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。