用于焊接控制器的过程监视器的制作方法

专利名称：用于焊接控制器的过程监视器的制作方法
申请人的发明总的来说涉及于焊接控制器领域而且更具体地涉及对于导致输入线电压变化的线阻抗的影响自动地补偿的一个焊接控制器系统，以保持输出一个恒定的RMS电流到正由焊接控制器焊接的工件。
电阻焊接现在广泛地用于要求金属连接的大多数应用中，例如用于机动车制造的钢。随着微处理器的出现，焊接控制器已变得更完善并使用了各种控制技术以确保焊嘴直到损坏的整个寿命的焊接质量。不考虑使用的过程或控制技术，大多数焊接控制器由几个基本元件组成。包括一个焊接控制模块，一个电源模块，一个焊接变压器和焊嘴。电源模块通常由半导体电源组成，例如根据由控制模块产生的预置焊接程序将输入电源转接到焊接变压器的可控硅整流器(SCRs)。焊接变压器将电源转换成高电流脉冲连接到焊嘴上，以对在焊嘴之间的工件进行焊接。
很久已认识到电阻焊接的应用中，电阻焊接的负载阻抗含有关于焊接的质量及附属于焊接控制的工具状态的信息。在负载阻抗的一个集中参数模型中，负载阻抗可以通过确定最大可焊接电流和负载电路的功率因数被完全表征。某些电阻焊接控制器允许用户规定容许的电路功率因数的合格范围和可焊接电流的最大范围作为焊接过程状态的一个指示器。在操作中，对于一个给定的焊接，焊接控制估算负载电路的功率因数和最大可焊接电流，并比较估算的电路功率因数与操作者规定的功率因数范围及估算的用于焊接最大可焊接的电流与操作者规定的最大可焊接电流范围，然后公布这些范围中的一个或两个被超出的状况。作为本文规定的一种状况表示已由焊接控制器试验的一种满意的逻辑状态。一种状况的例子是测量的功率因数落到了操作者规定的范围之外。对于这种状况焊接控制器的反应可能是变化的并可以包括从外面观察焊接控制器没有什么反应到点亮一盏灯表示这种状况，或者中断进行中的焊接程序。
规定功率因数和最大焊接电流范围的方法不是很直观并且确定功率因数范围和最大电流范围的责任放到操作者身上，而且要求操作者了解在功率因数或最大电流范围和一个良好的焊接之间的关系。至少，这要求以实验代表操作者确定最大可用焊接电流和功率因数的适当范围以便在检测可能的缺陷焊接和发生断路之间产生平衡。在典型的机动车应用中包含2000到4000个单独的电阻点焊，这种类型的实验不十分实用。
美国专利号5,386,096和5,449,877，这以后分别用’096和’877表示，叙述了用于表示不依靠系统计算系统功率因数和最大电流的负载的方法。在这些专利中所述的焊接控制上，焊接控制开发了在焊接电流和最大可用热量的百分比之间关系的内部模型，焊接控制通知一个由步进程序定义的热量或电流斜坡来进行，该步进程序根据枪接点数目随时间从预定点增加而增加编程的热量。这在焊枪开闭时是要补偿焊枪喷嘴的平整，它将增加喷嘴和工件之间接触的表面积，减小电流密度及由此在接触面上的温度。一旦焊接控制已积累了如操作者所规定的足够的数据，操作者便冻结如此开发的关系模型。用户随后编制这个模型的极限，要么是模型的偏置，在模型数据点之上和之下的一个具体的焊接电流，要么是一个比例极限，它的极限是模型数据点的百分率。该’096和’877专利的系统对用户提供了更直观和易懂的明显优点，因为它使用了用户能容易地涉及到的焊接正产生的参数而不是难于理解的计算电路模型抽象。
由于如由焊接控制所测量的负载阻抗包含工件和工具的集中作用，这些方法中没有一个能区别由工件到工件所产生的短期变化，和由工具起始损坏所导致的长期变化。它通常用于由于焊接工具的寿命工具自身的阻抗变化。在连接变压器和焊枪的电缆中的各个导线疲劳并损坏。分路断裂且螺栓变松。工具的移动部件之间的摩擦可能导致施加于工件的压力下降。此外，最大可用电流是线电压的函数。为了避免由于工具损坏障碍的指示将变得更频繁，在现有技术系统中有必要选择适应长期工具损坏和由于线电压变化二者的极限。这折衷方案形成为了使由于线电压变化和长期工具损坏产生的障碍的指示最小，限制现有技术的焊接控制器能提供真实的处理问题的指示的灵敏度。对于在其中一切如所设计的操作的一个新的结构中的工具，为超过编程的极限需要经此工具是旧的且需要维护的情况更宽的工件阻抗变化，由此工具的整体阻抗趋势导致一个理想工件和工具自身预期的集中阻抗漂向一个极限。
希望具有这样的焊接控制它能追踪长期工具性能下降并能区分刚被焊接的一个独立工件中的短期问题和由于工具性能下降引起的长期变化，它将产生更灵敏的焊接质量指示而不会产生障碍指示。本发明基本上达到了这些目标，而保留了现有技术的直观状况。
因此，本发明的主要目标是要提供一种焊接控制，它发展和保持了追踪焊接控制负载阻抗最近历史的一个动态负载阻抗模型，并关于动态负载阻抗模型当测量的负载阻抗的差别是操作者可编程的值时提供指示。
本发明的另一个目标是要提供一种与动态负载阻抗模型对照比较本焊接脉冲的参数特性的焊接控制，并当本焊接的参数特性落到操作者设置的范围之外时产生一种状况。
本发明又一个目标是当且仅当本焊接的特性与预期状态一致时提供一种含有逻辑更新动态负载阻抗模型的焊接控制。
本发明还有一个目的是要提供让操作者规定指示工具的新的或参考状态的负载阻抗静态模型的一种焊接控制，并且它在动态负载阻抗模型与静态负载阻抗模型相差操作者的编程值时提供一种工具趋势指示，指示工具损坏及而与负载阻抗的短期从部件到部件的变化无关。
在本发明的最佳实施例中，本发明由一个基本元件的焊接控制器系统组成，包括但不限于，一个焊接控制模块，一个电源模块，一个焊接变压器及用于多相电压源的每相的焊嘴。电源模块由电源半导体例如可控硅整流器组成。
焊接控制器系统保留了负载阻抗的一个内部动态模型，它追踪当焊接工具性能下降时出现的普通负载阻抗的变化。焊接控制器含有指示现在正被焊接工件的问题的一个焊接过程监视器功能，它对照一个内部动态模型试验正在执行的焊接工序的估算负载阻抗并在当前焊接的估算负载阻抗的特性落在操作者可限定的范围之外时产生一种状况。焊接控制器更进一步包括能接收被用作用于焊接控制器和工具的一个参考阻抗，并与动态模型的格式相同的负载阻抗的静态模型。焊接控制器也包括在动态模型的特性与静态模型的差别为操作者规定的值时表明一种状况的装置。
焊接控制器的特性能使在通常表示为焊接过程变化的在负载阻抗中的短期差和通常表示为工具性能下降的在负载阻抗中的长期差之间有差别。这便于比以前能获得的更严密的控制焊接过程变化，它起始的工具故障指示相结合。
相信是新颖及不明显的本发明的其它特点和优点，由从下面的说明结合附图变得更清楚，其中给出了本发明的最佳实施例。对权利要求的说明用于说明本发明的整个范围，它不一定由这样的实施例来表示。


图1是根据本发明的一个基本焊接控制器系统的总框图。
图2是用于一个典型的电阻焊接控制器系统的一个简要的集中参数电路模型，并与电源分配系统和焊接负载相关。
图3表示用于带有30％功率因数和以80°的导通角承受一个最大电流的负载的一个I-γ模型，用于典型的电阻焊接控制器。
图4是对图1的基本焊接控制系统的焊接过程控制器提供更详细的功能说明。
图5表示图1的基本焊接控制系统的焊接过程监视器的一个功能框图。
图6是说明由精确控制所使用的方法和图5的焊接电压监视器以便从它的输入数据确定精确控制状况和电压情况的一个流程图。
图7是表示由图5的焊接范围监视器完成的操作的一个流程图，以确定是否当前的焊接与使用最新的焊接工序完成的其它焊接有较大不同。
图8是叙述图5工具趋向监视器功能的操作流程图。
图9表示了图5的阻抗估算器的功能操作的一个详细框图。
图10表示图5的工具状态监视器功能的一个流程图。
尽管这个发明对很多不同形式的实施例是敏感的，一个最佳实施例将在本文中被详细描述和说明。公开的说明解释了本发明的原理而不能认为将本发明更广泛的内容限制于所述的具体实施例。
图1表示了一个基本焊接控制10的总体框图。一个焊接电源经由输入线L1和L2被连接到焊接控制器。常被用于对焊接控制器编程及察看来自焊接控制器的数据和情况的一个外部操作者接口装置14经由一系列通信链路12被连接。焊接程序经由一个操作者接口14被输入和编辑。本发明支持64这样的单独焊接工序。焊接顺序I/O 18提供了在焊接控制器10和外部设备之间的一个物理接口。外接设备的一个例子是在装配线上在自动焊应用中用于确定在一个部件上方焊枪位置的工业机械手。可以采用包括单个的数字输入和输出或者数个商业标准串行接口的几种形式之一的物理焊接顺序I/O 18经由硬件接口19被连接到焊接控制器10。焊接控制器10的输出被导向焊接变压器20和枪22，它们流径包括两件或更多件要被连接的金属的工件。
一个标准的，商业上可用的微控制器24以及相关的程序和数据存储存储器及石英控制时钟是焊接过程控制器并且功能性地在图1中被表示为一个焊接顺序控制器37，一个焊接过程控制器38，及一个相位参考发生器43。在功能上，焊接顺序I/O 18被由焊接顺序控制器37控制并监视。相位参考时钟28是操作独立于软件延时的一个自由运转时钟并利用由微控制器24，PCLK所产生的内部时钟作为它的基本时基。居留于微控制器24内的相位参考发生器功能元件43通过一系列数字表示的计时信号T(n)设置相位参考时钟28的周期，它设置相位参考时钟28的瞬时周期。相位参考时钟28又产生两个计时信号PLL+和PLL-，它们作为中断信号IRQ5和IRQ2被反馈到微控制器，在那儿它们启动相位参考发生器功能元件43。数字电压表30被用于测量输入线电压L1-L2的各种参数，例如，电压-时间面积，和极性。数字电压表30经由信号PLL+和PLL-使得与相位参考时钟同步。相位参考发生器43监视由数字电压表30产生的参数数据并利用由数字电压表30产生的信息以产生一系列数字表示的时间周期T(n)给相位参考时钟28。
一个电流传感器32产生的电流信号H1，H2与流入焊接变压器20的初级的电流成正比。一个数字电流表34被用于测量初级负载电流的各种参数，例如电流-时间面积，极性，和传导时间。数字电流表34利用用于时基的信号PCLK，借助它测量传导时间，而且测量借助于PLL+和PLL-信号与数字电压表，相位参考时钟及微处理器同步。
开启控制器26以用数字表示的计数PCLK数量的延时的形式从微控制器42接收开启指令信号，并且借助于PLL+信号与相位参考时钟28，数字电压表30，数字电流表34及相位参考发生器同步，而且使用用于时基的PCLK信号，借助于它产生到固态焊接接触器36的开启脉冲42。固态焊接接触器36以来自开启控制器的开启脉冲42的形式根据指令转换线电压。固态焊接接触器通常包括一对背靠背的带有辅助缓冲的可控硅，需要电平转移及脉冲成形电路从接收开启脉冲。
相位参考时钟28，数字电压表30，相位参考发生器功能元件43，数字电流表34及开启控制器26的细节在1997年5月30日的共同受让的美国专利申请系列号08/866,829中被公开，标题是“用于焊接控制器的相位失真补偿时基”，它的细节结合到本文中作为参考。
来往操作者接口装置14的数据通过在微控制器24中装备的焊接顺序控制器功能元件37被监视和管理。在焊接控制器10内的一个基本数据结构是一个焊接工序，它包括在工序被开始时向焊接控制指示要被跟随的所希望的步骤以及将工序与一个步进增加程序相关的一个焊接程序，步进增加程序是用户可编程的并根据从操作者指定的参考时间开始具体的焊接工具已被运用的次数允许用户增加焊接电流。焊接程序经由操作者接口14被输入和编辑。焊接顺序I/O 18提供在焊接控制器和外部设备16之间的物理接口并由焊接顺序控制器37监视和控制。
一旦一个程序经由操作者接口装置14进入焊接工序并且焊接工序的选择和焊接程序的执行经由外部设备16通过焊接顺序I/O 18被开始，焊接顺序控制器分析焊接程序并发出焊接脉冲指令39给焊接过程控制器38。每个焊接脉冲指令39对应于在焊接程序中现在选择的及正在执行的一个单独的焊接命令。焊接过程控制器38依次执行焊接脉冲指令并使用焊接指令参数，由历史的数据从现在选择的工序产生的希望负载阻抗的一个内部动态I-γ模型，及在一个闭环反馈系统中由数字电流表和数字电压表积累的数据的组合以产生由开启控制器26所使用的计时信号42的序列去触发固态焊接接触器36。在产生焊接脉冲的过程中积累的数据也以一种方式被收集和分析，那是这个专利申请的主题并在后面要被叙述。焊接过程控制器38传送焊接数据并将焊接状态40返回到焊接顺序控制器37，随后它确定要采取的合适的动作，例如按照要求将焊接数据传送到操作者接口装置14。焊接数据例如是测量的焊接电流，焊接电压，开启角，导通角，功率因数和使用的最大电流的百分比。焊接状态的例子被称为状况，它在某些逻辑条件被满足时产生。焊接顺序控制器37分析该状况，并根据具体的状况及经由操作者接口进入的信息确定要采取的合适的动作。
在本发明中支持两个焊接类型-％I焊接，它相对于在L1和L2上出现的焊接电源，调节可控硅的开启时间以调节电压和线阻抗补偿导通角，导通角表示进入假定负载阻抗的最大焊接电流的百分比，及恒定电流焊接，它调节可控硅的开启角度以直接获得目标电流。其它的形式是可以的并且本发明不限于％焊接或恒定电流焊接类型。如在操作者接口14的屏幕上所看到的％I焊接指令的一般形式要么是XX～Weld@YY％I要么是XX～SLOPE FROM Y1％I to Y2％I这里XX表示输入电源的完整循环的数量而YY％I，Y1％I和Y2％I表示象在I-γ表格中储存的由估算的负载阻抗所规定的最大可用电流的百分比。％I指令的第一种形式是试图以最大可控制电流的百分之YY提供XX循环的恒定焊接脉冲，期间最大可控制电流要在后面被规定。第二种形式是试图为经过焊接的XX循环焊接电流从最大可控制电流的百分之Y1直线地达到百分之Y2。
如在操作者接口14的屏幕上所看到的在本发明中恒定电流焊接指令的一般形式为XX～WELD@YY AMPSXX～WELD@YY kAXX～SLOPE FROM Y1 AMPS TO Y2 AMPSXX～SLOPE FROM Y1 kA to Y2 kA指令的第一种形式为在XX循环的一个周期试图提供YY安培RMS的焊接电流给焊接变压器的初级。第二种形式让用户编制所希望的次级电流(千安)程序，焊接控制器10接着由焊接变压器的匝数比(由用户借助于操作者接口输入的一个值)知识转换成初级安培数。同样地，上面焊接指令的第三种形式在XX循环的一个周期努力得到焊接电流从Y1安培数到Y2安培数线性变化，而第四指令允许用户规定用于在次级千安数下线性变化的焊接电流目标，它由焊接控制随后被转换成如上所述的初级安培数。
图2是用于电阻焊接控制器10的一个处理的集中参数电路模型44，和相关的电源分配系统及焊接负载，焊接负载常被用于对焊接控制器10的数学推导。集中参数模型44包括一个焊接电源45，焊接控制器10和一个焊接负载阻抗46。焊接电源45被模造成两个电路元件，一个是假定为没有串联阻抗的一个理想电压源47，和一个串联地连接的集中线性阻抗Zline48，它被假定是理想的和线性的并且它在理想的电压源和焊接控制之间产生的电压降与焊接负载的电流成比例。焊接控制器10能观测负载电流Iload和作用在输入端的电压Vwc。利用基于可控硅的相位控制，焊接控制器10在它的输出端产生一个焊接电压Vload和对应的焊接电流Iload。焊接负载阻抗46包括焊接变压器20，工件，工具22，夹具和其它阻抗源。为了简化计算，这些所有元件的阻抗被集中成在焊接控制的输出端反映的一个单一阻抗值Zload。当焊接控制器10把电压Vload作用在负载阻抗上时，产生的电流是Iload。
如在普通的电阻焊接应用的情况下当引入一个感性负载时，在可控硅的电压和电流之间的关系是众所周知的。为了保持下文讨论的独立的频率，正弦电压源被用度代替时间来换算。随着用度规定的正弦波，关于通常追踪正弦电压源过零的相位参考时钟可控硅在一个角度α被开启，此时可控硅开始传导电流。线电压和线电流之间的关系在导通时是成比例于 这里φ是观测角，α是关于线电压过零时的角度，在该点可控硅被开启，θ是负载的滞后角度，和γ是可控硅的导通角，对于e-(α+rcos(θ))sin(α-θ)+sin(α+r-θ)=0,r>0--(2)]]>最小的角度被满足。在等式(1)中，负载阻抗的滞后角θ与电路的功率因数pf的关系为θ＝arccos(pf) (3)本发明被设计为在正常的参考线电压Vnom上操作，典型地在美国是480VAC，或者在欧洲或日本是380VAC。其它的电压值也是可能的并不受本发明的限制。参考图2的集中参数模型44，对于不合有线性阻抗48的名义值为Vs＝Vnom的焊接电压47的标称理想电源和事实上是感性的焊接负载阻抗46，起因于可控硅的半周期导通的导通角和RMS焊接电流之间的关系可以被画出来，它完全表征集中负载阻抗。这样一个关系今后被提出来作为I-γ模型用于负载阻抗。图3表示用于一个负载的I-γ模型，带有30％的功率因数和最大电流，它在可控硅全导通的情况下(180°导通角)承受4000安培的电流。给出图3和所希望的焊接电流，要获得所希望的电流所要求的导通角可以从曲线被确定。在本发明中，一个I-γ模型被表示为19个数据点的矢量，每个数据点表示以10度的增量从0至180度的焊接电流。与每个焊接工序相关的是静态I-γ模型，标为SIG(m)，带有m为工序号。这个静态I-γ模型表示在焊接工序下的工具和工件的参考特性并以随后要被叙述的一种方式被设置。同样地与每个焊接工序相关的是一个动态I-γ模型DIG(m)，它由焊接控制器保持并又以一种随后要被讨论的方式在正常的环境下追踪焊接工具和工件的情况。为了确定与一个给定焊接电流有关的导通角，或者相反，本发明利用了如在SIG(m)或DIG(m)的各个存储值之间用直线插入法表示的I-γ模型。
用建立的负载阻抗的I-γ模型的观点，图4提供了焊接过程控制器38的更详细的功能性说明。应该注意到，图4是焊接过程控制的功能性表示并不意味着焊接软件被组织成具体的软件模块以完成所描述的功能。来自焊接顺序控制器的焊接脉冲指令39提供数据给焊接指令预处理器功能元件56和焊接过程监视器功能元件53。焊接指令预处理器功能元件56也从焊接过程监视器功能元件53接收目前正在执行的用于焊接工序m的动态I-γ模型DIG(m)。焊接指令预处理功能元件56从由操作者编程的工序m的第p个焊接脉冲指令推导信息，包括用于焊接工序m这个第p个脉冲的初级电流的开始目标值StartI(p，m)，用于焊接工序m这个第p个脉冲的初级电流的结束目标值EndI(p，m)，在焊接工序的这个第p个脉冲中的焊接循环数Cycles(p，m)，及用于焊接工序m这个第p个脉冲的焊接类型(％I或CCWELD)，标注为Type(p，m)。在直流焊接的情况下，预处理包括把输入的任何次级电流值转换成为初级电流(使用规定的变压器匝数比)并提取上面的信息。在％I焊接的情况下，编程的百分比通过用I170乘以用户编程的百分比被转换成目标初级电流，来自动态I-γ模型DIG(m)的所希望的电流由焊接控制在170度导通角在标称设计电压下被提供进入标称估算负载。StartI(p，m)，EndI(p，m)，Cycles(p，m)及Type(p，m)都是标称开启角度发生器功能元件52的输入，而且Type(p，m)也随后要被叙述的补偿开启角度发生器50的输入。
焊接过程监视器功能元件53保持对线阻抗Zline的估算，对于当前焊接工序的动态I-γ模型的当前值DIG(m)以及对于当前焊接工序PF(m)的负载功率因数的事先估算给标称开启角度发生器52。数字电压表功能元件30对于线电压的每个循环的负及正半周提供RMS线电压的估算V-(n)和V+(n)。V-(n)被提供给标称开启角度发生器52，而V-(n)和V+(n)两个都被提供给焊接过程监视器功能元件53。数字电流表功能元件34对于每个负半周提供一个估算的RMS电流的序列I-(n)给标称开启角度发生器52和补偿开启角度发生器50，以及提供估算的正半周电流I+(n－1)，负导通角序列γ-(n)及正导通角序列γ+(n－1)给补偿开启角度发生器50和焊接过程监视器53。序列(n－1)意味着这个数据被延迟了线电压的一个完整的循环，系统的一个物理极限。
借助于上文给出的输入，标称开启角度发生器52提供一系列标称开启角度序列αnom(n＋1)，一个电压及线阻抗补偿目标导通角序列γt(n＋1)和一个目标电流序列It(n－1)给补偿开启角度发生器50，从它的输入端导入。目标开启角度序列γt(n＋1)也是到焊接过程监视器53的一个输入。序列(n＋1)是用于下一个循环的目标序列。标称开启角度发生器52的另一个输出是序列dF(n)，它被供给到焊接过程监视器53并指示目标焊接序列的半周已经被延迟开启，一个过程其中第一和最后半周的开启角被限制到最小值以使焊接变压器磁饱和的可能性减至最小。
补偿开启角度发生器50使用由上文所述的标称开启角度发生器52提供的数据以及来自数字电流表34的序列I(n)，I+(n－1)，γ-(n)及γ+(n－1)以开发正半周开启角度序列α+(n＋1)和负半周开启角度值序列α-(n＋1)给开启控制器26，其电脉冲序列的输出触发了可控硅，致使焊接电流流出。
图5表示焊接过程监视器53的功能框图。一个焊接工序数据处理功能元件60接收来自标称开启角度发生器52的目标导通角序列γt(n＋1)和延迟的开启标志dF(n)，来自数字电流表功能元件34的测量焊接电流序列I-(n)和I+(n－1)及测量的焊接导通角序列γ-(n)和γ+(n－1)，来自数字电压表功能元件30的序列V+(n＋1)和V-(n)以及来自补偿开启角度发生器功能元件50的负半周开启角度序列α-(n＋1)作为输入。它也接收来自焊接顺序控制器37的焊接脉冲指令39。
焊接工序数据处理功能元件60计算焊接工序m的第p个焊接脉冲之所有非延迟开启半周的平均测量导通角γmavg(p，m)，焊接工序m的第p个焊接脉冲之所有非延迟开启半周的平均测量焊接电流Imavg(p，m)和焊接工序m的第p个焊接脉冲之平均测量线电压Vmavg(p，m)，以及用于焊接工序m的第p个焊接脉冲之平均目标导通角γtavg(p，m)。使用直接从由焊接顺序控制器37提供的焊接指令脉冲数据39推导的信息，焊接工序数据处理功能元件60计算当前执行的用于焊接工序m的每个非斜坡焊接脉冲之平均目标焊接电流Itavg(p，m)。模型更新数据发生器62的其它输出是一个更新导通角γupd(m)，所有焊接电流Iupd(m)，更新开启角αupd(m)，所有对应于在焊接工序m中最后焊接脉冲之最后半周的刚刚完成的测量值以及来自最后负半周之线电压的测量值的更新焊接电压Vupd(m)，其中在当前焊接工序m之前没有流过焊接电流，在图5中标注为Voc。
在焊接工序m中由用于每个脉冲P的焊接脉冲数据处理功能元件60产生的γtavg(p，m)，γmavg(p，m)，Imavg(p，m)，Itavg(p，m)和Vmavg(p，m)值被输入到焊接精确控制和电压监视功能元件61，它根据焊接类型确定焊接控制对于电流或者导通角是否能满足它的目标控制目的，及对于该脉冲焊接电压是否在用户规定的标称设计电压Vnom的容限之内。由操作者经由操作者接口装置14输入的是机械常数的两个用户输入参数CCtol和％Itol是到焊接精确控制和电压监视功能元件61的输入，定义分别在一个Ccweld和一个％Iweld焊接中在目标和测量焊接电流之间的分别在电源和导通角的可容许的百分比变化。由操作者使用操作者接口功能元件14能被设置的另一个机械常数％VR规定了在测量焊接电压和标称电压Vnom之间容许的百分比误差。焊接精确控制和电压监视功能元件61的输出是作为焊接状态40的一部分被送到焊接顺序控制器37用于随后处理的精确控制状况和焊接电压范围状况。
工序更新导通角γupd(m)，焊接电流Iupd(m)及焊接电压Vupd(m)被输入到焊接范围监视功能元件62，它确定当前焊接的负载阻抗是否符合当前的动态I-γ模型。如同用于焊接工序的动态I-γ模型的当前值DIG(m)，操作者规定的一个参数％WR的值也被提供到焊接范围监视器62，它由随后要叙述的阻抗估算器功能元件64保存。焊接范围监视功能元件62的输出是焊接范围状况，它用于后面将叙述的及作为焊接状态40的一部分被传输回到焊接顺序控制器37的逻辑状态，和在图5中显示的象后面要叙述的一种方式一样合适的指示更新DIG(m)请求的UPDATE(m)到阻抗估算器功能元件64的一个指令序列。焊接范围状况表示本焊接工序观测的负载阻抗特性不符合在负载阻抗中指示基本短期变化的当前的动态I-γ模型，它通常和在工件中的变化相联系。
阻抗估算器功能元件64保持对于图2的集中参数模型的线参数值和负载阻抗的估算。阻抗估算器功能元件64的输入是全部由焊接工序数据处理功能元件60提供的γupd(m)，αupd(m)，Iupd(m)、Vupd(m)和VOC’及由焊接范围监视功能元件62提供的UPDATE(m)指令序列。阻抗估算器功能元件64的输出是线阻抗Zline的估算，用于每个焊接工序PF(m)的负载阻抗功率因数的当前估算和当前的动态I-γ模型DIG(m)。由阻抗估算器功能元件管理的这些过程的每个的细节随后将被讨论。
DIG(m)也被提供给图5中的工具状态监视功能元件65，并且随后实现对阻抗估算器功能元件64的更新。工具状态监视功能元件也接收用于在图5中标注SIG(m)的每个焊接工序的静态I-γ结构和工具趋向机械常数参数％TT的值。操作者通过操作者接口14设置％TT的值。SIG(m)和％TT的值通过焊接顺序控制器37被提供给工具趋向监视器66。简要地指出，工具状态监视器比较动态I-γ模型DIG(m)的每个点和用于要被更新的工序的静态I-γ模型的对应点SIG(m)，而且无论任何在DIG(m)内的点落在SIG(m)中的对应点的由％TT百分比规定的范围之外时，设置工具状态标志。这表示如由动态I-γ模型所指示的当前负载阻抗的趋向是否区别于如由静态I-γ模型所规定的参考负载阻抗。工具状态监视器的输出是用于每个工序的一个工具趋向标志TTR(m)，它被传递到工具趋向监视功能元件63。
如果工具趋向标志被设置用于工序，工具趋向监视器63使工具状态监视器的输出与设置对应的工具趋向状况的其它过程监视状况同步。工具趋向状况通过操作者接口可能被允许或被禁止。要指示工具趋向状况是否应该被通知的焊接顺序控制器37提供了工具趋向允许操作信号TTE。
在焊接工序中的每个焊接程序具有自动插入的强制性HOLD命令作为在焊接程序中最后可执行的命令。HOLD命令的标定的功能是在熔化焊点点核凝固时要保持在工件上枪的压力。操作者可以编制所希望的HOLD循环次数，但一个循环的最小值要求焊接控制器能使过程监视功能元件53完成它的工作并保证任何状况返回到焊接顺序控制器。一旦焊接控制在执行HOLD命令的过程中，焊接控制软件试验从焊接脉冲冲击收集的数据以确定控制是否已足以满足用于焊接的它的标的目标。当HOLD命令在焊接工序中遇到时，并且一旦要计算焊接工序数据处理功能元件输出的所有必需的数据是可得到的时候，焊接过程监视器的各个监视功能元件如下文所述的被执行。
图6是表示精确控制和焊接电压监视器61如何从它的输入数据确定精确控制状况和电压状况。这个功能在HOLD命令的第一个完整循环的整个期间被执行，并且随后所有要执行的所要求的数据已由焊接工序数据处理功能元件60产生。根据在P20进入子程序，软件子程序在步骤P22利用Vwrl=Vnom*(1-%VR100)--(4)]]>和Wwrh=Vnom*(1+%VR100)--(5)]]>首先计算更低和更高的电压范围极限Vwrl和Vwrh。这里Vnom是用于焊接控制的标称设计电压，一个机械常数，而％VR是操作者规定的焊接电压范围百分比。接着在P24中子程序确定是否包含于工序m的当前执行的所有焊接脉冲已被分析。有可能焊接工序不含有焊接脉冲，或者电流的通过在此叫做NOWELD的模式中被禁止。如果在工序中所有的焊接脉冲已被分析，子程序在P26被完成并结束。假定还有保留在工序中的脉冲要被分析，在P28中子程序试验确定是否下一个焊接脉冲是斜坡焊接。在本实施例中，斜坡焊接的精确控制未被试验，并且控制回到步骤P24。本实施例未测试由斜坡焊接所得的数据不应该被认作对本发明的限制；斜坡焊接将以同一方式被试验。假定在P24有保留在工序中要被试验的焊接脉冲，而且下一个焊接脉冲不是斜坡焊接P28，焊接类型的确定在P30中被完成。一个焊接脉冲是直流脉冲或％I脉冲。
如果在检查中的当前焊接脉冲是直流焊接脉冲，在正被执行的焊接工序中用于当前焊接脉冲的平均目标焊接电流Itavg(p，m)是已编程的焊接电流加上由步进程序所经受的任何增加电流，并且直接作为焊接脉冲指令39的一部分焊接顺序控制器37提供。在步骤P32中，软件根据Itavg利用Iccl=Itavg*(1-CCtol100)--(6)]]>和Icch=Itavg*(1+CCtol100)--(7)]]>分别计算用于焊接的低，高焊接电流极限Iccl和Icch。这里CCtol是用户提供的经由操作者接口14进入的参数值并表示在平均目标焊接电流和平均测量焊接电流之间容许的最大百分比差值。CCtol是一个机械常数。如果条件Imavg＜Iccl(8)在步骤P34被满足或者条件Imavg＞Icch(9)在步骤P36中被满足，控制到P38，一个CCWELD不能补偿状况被表明用于焊接脉冲，而且控制到步骤P48。这个CCWELD不能补偿状况是送回到焊接顺序控制器37的准确控制状况的一种型式。如果既不满足条件(8)也不满足条件(9)，对于焊接脉冲没有行动被采取而且控制立即送到P48以及在现在的焊接脉冲上表明没有精确控制的状况。
如果在步骤P30中焊接类型被确定为％I焊接，低及高焊接导通角的极限在步骤P40中由平均目标焊接导通角γtavg(m)使用r%il=rtavg*(1-%Itol100)--(10)]]>和r%ih=rtavg*(1+%Itol100)--(11)]]>被计算。这里％Itol值是用户提供的经由操作者接口14输入的参数值，并且表示在用于焊接脉冲的平均目标导通角和平均测量导通角之间容许百分比差值。％Itol是一个机械常数。如果在步骤P42中条件γmavg＜γ％il(12)被满足或者在步骤P44中条件γmavg＞γ％ih(13)被满足，控制送到P46，在那里对于那个焊接脉冲％I不能补偿状况被表明。该％I不能补偿状况是送回到焊接顺序控制器37的精确控制状况的一种。在表明％I不能补偿状况后，控制送到步骤P48。如果既不满足上文的条件(12)也不满足条件(13)，在当前焊接脉冲上没有精确控制的状况被公布并且控制立即送到步骤P48。
在条件Vavg(p，m)＜Vwrl(14)在步骤P48中被满足，或者条件Vavg(p，m)＞Vwrh(15)在步骤P50中被满足时，控制送到步骤P52，在这里对于工序m的脉冲P电压范围状况被表明。随后控制送回到步骤P24这里过程是连续的。对于工序m的焊接脉冲p焊接电压范围状况被传送，它作为焊接数据和情况40的一部分被传送回到焊接顺序控制器37。如果条件(14)或(15)不能满足，对于工序m的脉冲p没有电压范围状况被表明，而且控制送到P24在这里过程继续的。
图7表示由焊接范围监视器62所完成的操作的流程图，它确定现在的焊接与最近使用焊接工序m完成的其它焊接是否明显地不同。这个子程序在焊接工序之HOLD命令的第一个循环期间被执行，而且在要求的所有数据已由焊接工序数据处理功能元件60产生之后。用于每个焊接工序的焊接控制内部储存的动态I-γ模型DIG(m)被标定为标称设计线电压Vnom。在步骤60中进入子程序，为了确定更新焊接参数设置由焊接工序数据处理功能元件60提供的γupd(m)和Iupd(m)是否符合表示为DIG(m)的用于焊接工序的当前动态I-γ模型，在步骤P62，Iupd(m)使用Ivcu=Iupd(m)VnomVupd(m)--(16)]]>被换算以获得一个电压补偿更新电流Ivcu。在步骤P64中，对应于更新导通角γupd(m)的参考电流Iref利用动态I-γ模型DIG(m)被计算用于选择的焊接工序。如前面所述，在本发明中，DIG(m)包括代表焊接电流和焊接导通角之间关系的19个数据点，焊接导通角跨跃0和180度之间的导通角范围并且间隔10度的导通角。要确定对应于测量导通角的参考电流Ivcu’线性插入法被运用在动态I-γ模型内的数据点之间。Iref表示如果本焊接的负载阻抗与最近过去的那些相同时对应于给定的导通角γupd(m)的焊接电流将是什么。
一旦对应于测量更新导通角的参考电流Iref被计算，焊接电流相对于参考电流的容许范围在步骤P66通过使用Iwrl=Iref(rupd)*(1-%WR100)--(17)]]>和Iwrh=Iref(rupd)*(1+%WR100)--(18)]]>分别计算低和高电流极限1wrl和Iwrh而被计算。这里％WR是用户编程的焊接范围值，表示为参考值的百分比。例如，如果％WR由使用者设计为5％且Iref(γupd)已被确定为100安培，则焊接电流的下和上限将分别是95安培和105安培。
从上文的(17)和(18)已计算了容许焊接范围，电压补偿的焊接电流Ivcu在P68和P70中与极限值相比较以确定是否下列条件中的一个被满足Ivcu＜Iwrl(19)或Ivcu＞Iwrh(20)如果Ivcu小于Iwrl或者Ivcu大于Iwrh，对于工序m一个焊接范围状况在步骤174中被表明。如果在(19)或(20)表示的不等式没有被满足，那么没有焊接范围的状况被表明并且系统通过设置合适的标志UPDATE(m)能使动态I-γ模型在步骤P72中更新。UPDATE(m)随后被用来启动后面要被叙述的阻抗估算器功能元件64。在UPDATE(m)在P72中已被设置后，焊接监视器在P78中结束。
既使在步骤P74中陈述了焊接范围状况，动态I-γ模型的状态在步骤P76中首先被确定。如果用于选择的工序的动态I-γ模型在一个初始状态，控制被送到步骤P72，尽管焊接范围状况存在，它像上面一样设置UPDATE(m)。否则，产生焊接范围状况的数据不被用于更新动态I-γ模型，子程序在P78中结束。
这个过程使得本发明在保持动态I-γ模型方面忽略了产生焊接范围状况的焊接。既使在负载阻抗上突然的变化被故意制造出来，例如当工具修理时，操作者的选择是经由操作者接口装置14重新开始动态I-γ模型。
图8是说明工具趋向监视功能元件63操作的流程图。工具趋向监视功能元件63的主要功能是使工具趋向状况的展示与由焊接过程监视器53产生的状况的其余部分同步。在图8所述的子程序在焊接工序之HOLD命令的第一个循环期间被执行。当在P80进入工具趋向监视子程序时，子程序在步骤P82确定焊接顺序控制器37是否已通过设置标志TTE起动工具趋向状况。工具趋向状况可以由操作者通过操作者接口装置14被起动和禁止。如果工具趋向状况没被起动，子程序存在于P84。如果工具趋向状况已被起动，用于工序m的工具趋向标志TTR(m)在步骤P86中被试验，它试验工具状态标志TTR(m)的情况，以确定工具状态监视器65是否已表明了工具趋向状态给工序m。如果TTR(m)未被设置，子程序存在于P84。如果对于工序m TTR(m)已设置的工具趋向状况在P86中被说明，那么子程序存在于P84。
图9表示了阻抗估算器功能元件64操作的详细框图。阻抗估算器64执行从焊接范围监视功能元件62经由UPDATE(m)信号的指令，但没有时间约束因素被安排在它的执行时间上。当阻抗估算器功能被执行时，它使用输入数据去更新动态I-γ模型DIG(m)，负载阻抗的估算的功率因数PF(m)和更新线阻抗的估算值Zline。用于微控制器的操作系统尽可能地安排了这个子程序的执行。αupd(m)和γupd(m)被输入以计算脉冲功率因数P90。这个函数利用了在开启角，导通角和功率因数之间的一个数字关系，在一个表格搜索清单中用插入法由开启角和导通角的知识计算焊接负载功率因数。这个函数的输出是一个标注PFp(m)的标量。这个标量功率因数形成输入到数字滤波器P91，它减少了在估算的系统功率因数中从焊接到焊接的波动。数字滤波器P91的输出是由标称开启角发生器52所使用的估算系统功率因数PF(m)，用以在估算的系统功率因数中减少从焊接到焊接的波动。在P91中的滤波器以一个差分方程的形式被提供，其形式x(n＋1)＝kfru(n)＋(1－kfr)x(n) (21)这里x(n＋1)表示滤波器的输出，u(n)表示至滤波器的输入，x(n)表示更新以前滤波器的输出值，而kfr是一个常数，范围在0和1之间。在当前的焊接控制器10中，kfr现在被设为0.25。在焊接控制器10中滤波器的初始值是30％，它表示在电阻焊接应用中可能看到的功率因数的最小值。PF(m)是动态I-γ模型估算器的一个输出。
如前面提到的，用于焊接工序m的动态I-γ模型DIG(m)由对应于包括0到180度在内的范围之间间隔10度导通角增量的19个点的矢量所表示。导通角，标准化的焊接电流和功率因数之间的关系的一个数字表示被储存在微处理器的存储器中。估算的功率因数PF(m)是一个到软件功能元件92的输入，软件功能元件P92使用表格搜索和线性插入法的组合以计算作为功率因数的函数的标准化I-γ值之矢量。这个功能元件的输出是标注的I-γnom(m)。I-γnom(m)在P93在更新导通角γupd(m)被测算以确定由导通角表示的最大电流的百分比。这个值被表示为％Iabs(m)。
在180度导通角估算的可用电流I180m(m)，在步骤P94通过用实际测量更新电流Iupd(m)除以％Iabs(m)被确定。I180m(m)是在全导通情况下，假定电压源是恒定的且测量的线电压为Vupd(m)时，由焊接控制器可得到的最大电流的估算值。由于动态I-γ模型被规定为在标称线电压下焊接控制的操作特性，对于线电压在步骤P95通过把测量线电压Vupd(P)乘以标称线电压比率，I180m(m)被换算。这个电压补偿器的输出被标注为I180vc(m)。这个值接着用与脉冲功率因数的相同的方式通过也采用由(21)给出的形式的数字滤波器P96以获得最大电流估算值I180(m)。在P97中通过用标准的I-γ表格I-γnom(m)的每个单元乘以最大电流估算值Imax(m)，用于焊接工序m的动态I-γ模型DIG(m)被获得。
要注意到动态I-γ模型估算值可能被制成几种其它的方式而不违背本发明的精神。已成功证明了的一种装置在焊接工序中使用了用于最后焊接脉冲的平均焊接电压，焊接电流，开启角和导通角作为更新值。
线阻抗的估算是有条件的。值Voc是最后已知的开路电压，即，众所周知没有焊接电流流过的最后半周的线电压。假设Voc准确地表示在图2的集中参数模型中戴维南等效电压源Vs的值，而该值在焊接脉冲期间没有明显地改变。在设计中认识到这不总是一个准确的假设，所以作为一个初始试验，在开路电压Voc和Vupd(m)之间的差在步骤P98中被计算。由于电压降与流过线阻抗的电流有关，应该是一个正值。如果更新的电压Vupd(m)大于或等于Voc，那么很清楚图2中戴维南等效电压源Vs的值已显著地改变并且没有线阻抗估算值的更新被完成。
假设开路电压大于更新电压，用于当前焊接工序的线阻抗估算值Znip在步骤P99使用Znip(m)=Voc-Vupd(m)Iupd(m)--(22)]]>被计算。这个值通过数字滤波器P100被滤波，其形式由(21)被给出以获得在线阻抗补偿运算中使用的线阻抗的估算值Z1ine48。
应该注意到线阻抗的估算值可能以几种其它的方式被完成而不违背本发明的精神。已成功地证明了的一种装置使用了用于第p个焊接脉冲的平均焊接电压和焊接电流。已成功地证明了的第二种装置使用了来自作为更新循环的焊接脉冲之第一个半周的电压和电流数据。
图10表示了工具状态监视功能元件65的流程图。在本发明中，工作趋向监视功能元件的软件对于一个给出的工序按照系统之动态I-γ模型的更新，但不一定在焊接工序的HOLD循环期间，被执行。当在步骤P102中进入软件子程序时，一个模型排列索引i被预置到值18(步骤P104)，以便它被用于检索静态和动态I-γ模型时，它指向对应于180度导通角的入口。工具参考电流Istatic(i)在步骤106中由静态I-γ模型被计算并且对应于Istatic(i)的上和下工具趋向范围电流极限，标注为Itrl和Itrh在步骤P108中使用Itrl(i)=fix(Istatic(i)*(1-%TR100))-1--(23)]]>和Itrh(i)=fix(Istaitc(i)*(1+%TR100))+1--(24)]]>被计算。这里％TR是由用户通过操作者接口规定的工具范围百分比，而在(23)和(24)中的fix运算符号缩小了它的自变量的大小到最接近的整数值。在本发明中这样做是因为静态和动态I-γ模型被储存在整数格式中，所以计算的极限值被向下和向上圆整到各自最近的整数，结果在静态I-γ模型中对于每一个点至少有一安培的有限范围。
一旦这些上和下极限值已由静态I-γ模型被计算，在动态I-γ模型Idyn(i)中的对应数据点在执行步骤P110和P112时与极限值相比较以确定Idyn(i)是否落在由等式(23)和(24)所预先设置的极限内。如果动态模型Idyn(i)中的值小于下限Itrl(i)，用于当前焊接工序的工具趋向标志TTR(m)在步骤P114中被设置，而这个子程序完成并在P122退出。同样地，如果Idyn(i)大于根据(24)计算的上限Itrh(I)，工具趋向标志在步骤P114被设置并且子程序被完成。如果Idyn(I)处于由Itrl(I)和Itrh(I)规定的范围之内，执行继续到步骤116，在那里索引被检查以确定是否所有的模型点都已被试验。如果模型索引不是零，模型索引在步骤P118被减少并且执行继续到步骤P106，在那里这个过程重复用于在I-γ模型中的下个点。如果在P104中，可以确定在动态I-γ模型上的所有点已被试验(条件i≤0被满足)，而且动态I-γ模型的所有值处在它们各自的Itrl(I)和Itrh(I)的范围之内，执行继续到P120，这里用于当前工序m的工具状态标志TTR(m)被清除而且子程序被完成且在步骤P122退出。
具体的实施例已被说明和叙述时，不脱离本发明的范围或精神的许多变型是可能的。上面的说明参照焊接控制器的应用。然而，所述的原理实际上可应用到使用电压相位控制的任何类型的控制系统，包括电机控制例如AC或DC驱动，逆变器，电源，及类似的控制。
权利要求
1.一种用于电阻焊机的数字焊接控制系统，包括A.一个相位参考时钟；B.一个电压表；C.一个电流表；D.一个开启控制；E.一个焊接顺序控制器，及F.一个焊接过程控制器，用于保持负载阻抗的一个内部动态模型，并进一步包括当在一个测量的负载阻抗和负载阻抗的内部动态模型之间被检测相差一个规定的量时产生焊接范围状况的装置。
2.一种电阻焊机的数字焊接控制系统，用于通过一个焊接接触器从一个交流焊接电源连接和断开一个焊接变压器负载去控制焊接顺序的时间周期及在焊接中的加热强度级以保证焊接质量，数字焊接控制系统包括A.一个相位参考时钟；B.一个电压表；C.一个电流表；D.一个开启控制；E.一个焊接顺序控制器，F.用于建立指示工具预定操作的负载阻抗的一种静态参考模型之装置，以及G.一个焊接过程控制器，用于保持负载阻抗的一个内部动态模型，以及用于当负载阻抗的内部动态模型与负载阻抗的静态参考模型相差一个规定的量时产生工具趋向故障的装置。
全文摘要
一种焊接控制保持负载阻抗的一个内部动态模型,它追踪在焊接工具退化时出现的正常阻抗变化。焊接控制器包含一个焊接过程监视的功能元件,它对照一个内部动态模型试验当前要执行的一个焊接工序的估算负载阻抗并且当当前焊接之估算负载阻抗的特性落在操作者可限制的范围之外时产生状况,指示件随现在正焊接的工件存在的问题。焊接控制器进一步包括能接收被用作参考阻抗的负载阻抗的一种静态模型,用于焊接控制和工具。焊接控制器也包括当动态模型的特性与静态模型相差一个操作者所规定的量时表明一种状况的装置。焊接控制器承认在通常表现为焊接过程变化的负载阻抗中的短期差和通常表现为工具退化的负载阻抗中的长期差之间形成的一种差别。这伴随着最初的工具损坏显示,提供了比以前能被获得的更严的焊接过程变化的控制。
文档编号B23K11/24GK1333712SQ99800361
公开日2002年1月30日 申请日期1999年2月19日 优先权日1998年2月23日
发明者保罗·R·布达, 乔纳森·H·柏利, 拉里·A·德, 罗伯特·M·斯拉奇斯基 申请人:方D公司