本發(fā)明涉及電氣工程、材料加工及自動(dòng)控制領(lǐng)域，具體涉及一種焊接能量控制方法，可應(yīng)用于單相交流電阻焊機(jī)在線控制操作，保障在焊接變壓器不同的條件下，實(shí)際有效熔化能量系數(shù)與參考模型盡可能一致。

背景技術(shù)：

單相交流電阻點(diǎn)焊目前在工業(yè)生產(chǎn)，尤其是汽車制造行業(yè)的應(yīng)用非常廣泛。由于金屬焊片之間存在著很多表面差異，以及焊接過(guò)程中，尤其是系統(tǒng)的機(jī)械特性和電力系統(tǒng)特性中存在著各種各樣的不確定因素，致使焊接操作過(guò)程中，必須結(jié)合焊接系統(tǒng)特性以及焊接產(chǎn)品形成的特性，進(jìn)而找到合適的量度對(duì)于所有焊接操作設(shè)定執(zhí)行同樣的標(biāo)準(zhǔn)。

為了增強(qiáng)焊接產(chǎn)品質(zhì)量的一致性和焊接控制操作的自動(dòng)化程度，需要構(gòu)建關(guān)聯(lián)到預(yù)先設(shè)定的一致性質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，之后構(gòu)建離線質(zhì)量檢測(cè)模型，最后將離線質(zhì)量檢測(cè)模型帶入到在線控制系統(tǒng)中，以作為控制參考模型，保證對(duì)于不同焊機(jī)，也能達(dá)到一致的控制標(biāo)準(zhǔn)。

目前在焊接操作領(lǐng)域，主流的控制方法是恒流控制，并且電流值也是大部分焊接設(shè)備控制能量輸出的主要指標(biāo)。但是，電流并非是直接與焊點(diǎn)質(zhì)量直接相關(guān)的控制變量。電流流經(jīng)金屬焊片，結(jié)合金屬焊片的電阻，而產(chǎn)生熱量，熔化固態(tài)金屬而形成液態(tài)金屬熔核，進(jìn)而形成最后的金屬焊點(diǎn)，其能量產(chǎn)生符合以下公式：

式中q為焦耳熱，t1和t2分別為焊接的起始時(shí)間和終止時(shí)間，i(t)為流經(jīng)固態(tài)金屬焊片的電流，而r(t)為金屬焊片的電阻，由于在焊接過(guò)程中，金屬性質(zhì)始終發(fā)生變化，因此電阻值也是時(shí)刻變化的，故被稱之為動(dòng)態(tài)電阻，也正由于這種特性，動(dòng)態(tài)電阻可以用以在線監(jiān)測(cè)焊接過(guò)程，評(píng)估焊接質(zhì)量等。

在焊接過(guò)程中，為了得到穩(wěn)定的液態(tài)金屬熔核增長(zhǎng)過(guò)程，需要對(duì)固態(tài)金屬熔化成為液態(tài)金屬熔核這一金屬相變過(guò)程進(jìn)行分析。這里可以將焊接受熱作用區(qū)的金屬看作是一個(gè)一個(gè)均勻的小單元，對(duì)于每一個(gè)單元而言，其電阻可以視為是相同的，根據(jù)能量輸入公式，如果要求在一個(gè)控制周期內(nèi)的焦耳熱一致，那么就要求等效能量i²t是一致的。而這個(gè)一致量是一個(gè)混合變量而不是一個(gè)單一變量。時(shí)間t應(yīng)為在每一個(gè)控制周期內(nèi)的電流的有效作用范圍。每個(gè)控制周期內(nèi)電流導(dǎo)通時(shí)間與焊接系統(tǒng)的電力系統(tǒng)特性，尤其是焊接變壓器的特性有密切關(guān)系。不同的變壓器匝數(shù)比意味著不同的主線圈與次級(jí)線圈縮小比，因此，即便是同樣的觸發(fā)角或是同樣的恒流控制電流值，對(duì)應(yīng)的電流有效作用時(shí)間有很大差別。

當(dāng)前的單相交流電阻點(diǎn)焊操作中，作為單變量控制，恒流操作是最普遍的操作，本發(fā)明是以恒流控制為基礎(chǔ)，將一致性控制變量實(shí)施為i²t，從而適用于不同匝數(shù)焊接變壓器的新型控制方法，可服務(wù)于焊接自動(dòng)化過(guò)程。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于根據(jù)電阻焊接過(guò)程中固態(tài)金屬熔化形成液態(tài)金屬熔核的特點(diǎn)，從電阻點(diǎn)焊及電力特性及控制原理出發(fā)，提供通用性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)有效熔化能量輸出一致的控制方法。

本發(fā)明的目的通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

(1)選擇一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的參考焊機(jī)，固定電流值進(jìn)行焊接操作，也即執(zhí)行恒流控制；

(2)通過(guò)模擬-數(shù)字采集裝置采集焊接電流id；

(3)根據(jù)一個(gè)周期內(nèi)采集的電流值id，計(jì)算一個(gè)周期內(nèi)電流的導(dǎo)通時(shí)間t，其電流有效值為i，之后計(jì)算每個(gè)周期的金屬熔化有效能量系數(shù)i²t；

(4)建立不同匝數(shù)比條件下，不同控制周期電流峰值與電流導(dǎo)通時(shí)間之間的關(guān)系，并根據(jù)特性擬合成為線性關(guān)系；

(5)通過(guò)比較測(cè)試焊機(jī)變壓器主線圈匝數(shù)與參考焊機(jī)變壓器主線圈匝數(shù)，利用上一步驟得到的固定比率，得出若要達(dá)到同樣有效能量系數(shù)輸入需要提供的電流值(假定峰值與有效值之間的比率相同)；

(6)對(duì)測(cè)試焊機(jī)執(zhí)行恒流操作；

(7)加入系數(shù)修正k，重復(fù)進(jìn)行恒流操作。

進(jìn)一步，步驟(1)，(6)，(7)中的恒流操作，即根據(jù)每一個(gè)控制周期操作的實(shí)際電流值，確定下一個(gè)控制周期晶閘管觸發(fā)角α，按以下公式計(jì)算：

式中i為控制周期序列，ψ為電路電感引起的相位失準(zhǔn)角，為恒流控制的理想電流值，為當(dāng)前控制周期下的電流實(shí)際值。

進(jìn)一步，步驟(3)中的導(dǎo)通時(shí)間，既是根據(jù)一個(gè)控制周期內(nèi)采集電流值的個(gè)數(shù)，來(lái)進(jìn)行計(jì)算，依據(jù)公式如下：

式中n為一個(gè)控制周期內(nèi)電流采集值的總個(gè)數(shù)，fs為電流數(shù)據(jù)采樣頻率，實(shí)施中的工頻頻率為50赫茲，也即一個(gè)控制周期持續(xù)時(shí)間為10毫秒。

進(jìn)一步，步驟(3)中的i²t，定義i²t為等效能量，電流i為一個(gè)周期內(nèi)電流的有效值(均方根值)，依據(jù)公式如下：

進(jìn)一步，步驟(4)中，單個(gè)控制周期內(nèi)電流導(dǎo)通時(shí)間與電流峰值之間為近似線性關(guān)系，這個(gè)關(guān)系與焊接變壓器匝數(shù)比密切相關(guān)，可以用于在新的匝數(shù)比條件下，求得有效能量系數(shù)輸出的恒流控制電流值。

進(jìn)一步，步驟(5)中假定在焊接過(guò)程中，每個(gè)控制周期中的電流峰值與電流有效值(均方根值)之間的比例相同。

進(jìn)一步，步驟(7)中，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)定一個(gè)修正變量k，對(duì)恒流控制電流值進(jìn)行修正，公式如下：

irms2＝kirms1(5)

式中irms1為根據(jù)步驟(7)計(jì)算出來(lái)的恒流控制值，k為系數(shù)，irms2為調(diào)整后的恒流控制值。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

本發(fā)明主要根據(jù)單相交流電阻焊機(jī)電路系統(tǒng)的基本原理，結(jié)合固態(tài)金屬受熱熔化生成液態(tài)金屬熔核的性質(zhì)，從研究焊接變壓器對(duì)于能量輸入的影響入手，得出為了保證有效輸入能量一致，需要采取的恒流控制電流值。該發(fā)明解決了當(dāng)焊接電壓器不一致時(shí)，由于匝數(shù)不同引發(fā)的輸入能量不一致問(wèn)題。本發(fā)明保障了電阻點(diǎn)焊中控制操作的能量輸入一致性，為電阻點(diǎn)焊控制系統(tǒng)在線參數(shù)控制、在線質(zhì)量評(píng)估做出貢獻(xiàn)。

附圖說(shuō)明

圖1.本發(fā)明一種焊接能量在線控制方法流程圖；

圖2.單相交流電阻焊機(jī)電路系統(tǒng)原理圖；

圖3.參考焊機(jī)恒流控制電流圖(匝數(shù)比200000/3000)

圖4.參考焊機(jī)恒流控制輸入等效能量圖(匝數(shù)比200000/3000)

圖5.測(cè)試焊機(jī)恒流控制原始電流圖(匝數(shù)比100000/2500)

圖6.測(cè)試焊機(jī)恒流控制原始輸入等效能量圖(匝數(shù)比100000/2500)

圖7.測(cè)試焊機(jī)新方法恒流控制電流圖(匝數(shù)比100000/2500)

圖8.測(cè)試焊機(jī)新方法恒流控制輸入等效能量圖(匝數(shù)比100000/2500)

圖9.測(cè)試焊機(jī)恒流控制原始電流圖(匝數(shù)比300000/3000)

圖10.測(cè)試焊機(jī)恒流控制原始輸入等效能量圖(匝數(shù)比300000/3000)

圖11.測(cè)試焊機(jī)新方法恒流控制電流圖(匝數(shù)比300000/3000)

圖12.測(cè)試焊機(jī)新方法恒流控制輸入等效能量圖(匝數(shù)比300000/3000)

附圖說(shuō)明：1-焊接電源；2-晶閘管1；3-晶閘管2；4-焊接變壓器；5-次級(jí)線圈的等效電感；6-次級(jí)線圈的等效電阻；7-負(fù)載；8-主線圈的等效電感；9-主線圈的等效電阻。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

請(qǐng)參閱說(shuō)明書(shū)圖1：

(1)圖1為本發(fā)明一種焊接能量在線控制方法的流程圖，具體包括如下步驟：選擇一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的參考焊機(jī)，固定電流值進(jìn)行焊接操作，也即執(zhí)行恒流控制；

(2)通過(guò)模擬-數(shù)字采集裝置采集焊接電流id；

(3)根據(jù)一個(gè)周期內(nèi)采集的電流值id，計(jì)算一個(gè)周期內(nèi)電流的導(dǎo)通時(shí)間t，其電流有效值為i，之后計(jì)算每個(gè)周期的金屬熔化有效能量系數(shù)i²t；

(4)建立不同匝數(shù)比條件下，不同控制周期電流峰值與電流導(dǎo)通時(shí)間之間的關(guān)系，并根據(jù)特性擬合成為線性關(guān)系；

(5)通過(guò)比較測(cè)試焊機(jī)變壓器主線圈匝數(shù)與參考焊機(jī)變壓器主線圈匝數(shù)，利用上一步驟得到的固定比率，得出若要達(dá)到同樣有效能量系數(shù)輸入需要提供的電流值(假定峰值與有效值之間的比率相同)

(6)對(duì)測(cè)試焊機(jī)執(zhí)行恒流操作；

(7)加入系數(shù)修正k，重復(fù)進(jìn)行恒流操作。

請(qǐng)參閱說(shuō)明書(shū)圖2：

在圖2單相交流電阻焊機(jī)電路系統(tǒng)操作原理圖中，焊接電源1通過(guò)晶閘管2、3的觸發(fā)角α為系統(tǒng)輸入?yún)?shù)，控制輸入能量；焊接變壓器4實(shí)現(xiàn)降壓，之后提供能量給負(fù)載7，焊接電流id為流經(jīng)負(fù)載7的電流數(shù)字采集值。5為次級(jí)線圈電路的等效電感；6為次級(jí)線圈電路的等效電阻；8為主線圈電路的等效電感；9為主線圈電路的等效電阻。

請(qǐng)參閱說(shuō)明書(shū)圖3至圖12：

本發(fā)明以普通單相交流電阻點(diǎn)焊操作為例，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括電阻焊機(jī)，電流測(cè)量?jī)x器羅氏線圈、工控機(jī)、控制及數(shù)據(jù)采集電路板等，其中控制及數(shù)據(jù)采集電路板為自行研制而成，微處理器采用dsp進(jìn)行設(shè)計(jì)，選擇的參考焊機(jī)的焊接變壓器為匝數(shù)比200000/3000，本發(fā)明中，僅主線圈的匝數(shù)是有效的參數(shù)。電壓為380v的標(biāo)準(zhǔn)電壓，焊接有效控制時(shí)間均為20個(gè)控制周期(每個(gè)控制周期為10毫秒)。

首先針對(duì)參考焊機(jī)，執(zhí)行電流值為5000a的恒流控制，得到電流圖和等效能量圖如圖3、圖4所示。之后針對(duì)兩種情況，及測(cè)試焊機(jī)中變壓器匝數(shù)比分別為100000/2500和300000/3000兩種情況進(jìn)行測(cè)試。圖5和圖6分別為測(cè)試焊機(jī)變壓器匝數(shù)比100000/2500，恒流控制5000a時(shí)的電流圖和等效能量圖，可以看到雖然控制恒流值一致，但是等效能量值相差較遠(yuǎn)。這里可以通過(guò)離線建模的方式，建立不同匝數(shù)比條件下，不同電流峰值與電流導(dǎo)通時(shí)間之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，并通過(guò)數(shù)學(xué)擬合成為近似線性關(guān)系。利用本發(fā)明中的方法，根據(jù)本焊機(jī)匝數(shù)比與測(cè)試焊機(jī)匝數(shù)比條件下，電流導(dǎo)通時(shí)間與電流峰值的關(guān)系，假定電流峰值與電流有效值之間的比例確定，可以對(duì)應(yīng)的恒流控制電流值應(yīng)為經(jīng)過(guò)試驗(yàn)后選定修正系數(shù)為k＝0.85，重新試驗(yàn)后得到的恒流控制電流圖和等效能量圖分別為圖7和圖8。同樣，對(duì)于測(cè)試焊機(jī)變壓器匝數(shù)比300000/3000，首先執(zhí)行5000a的恒流控制，得到恒流控制電流圖和等效能量圖分別為圖9和圖10。之后依照本發(fā)明的步驟，根據(jù)這種焊接變壓器匝數(shù)比條件下，電流峰值與導(dǎo)通時(shí)間之間的關(guān)系，對(duì)應(yīng)得到恒流控制電流值應(yīng)為經(jīng)過(guò)試驗(yàn)分析，得出修正系數(shù)應(yīng)為k＝1.2，重新試驗(yàn)后得到的恒流控制電流圖和等效能量圖分別為圖11和圖12。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)分析，如果沒(méi)有經(jīng)過(guò)本發(fā)明得到的控制方法對(duì)恒流控制進(jìn)行對(duì)應(yīng)修正，而是對(duì)于不同變壓器匝數(shù)的焊機(jī)利用同樣的理想電流值進(jìn)行恒流控制，則與參考焊機(jī)相比較，有效能量i²t相差甚遠(yuǎn)，但是經(jīng)過(guò)本發(fā)明的調(diào)節(jié)之后，可以大大減小有效能量的差值，達(dá)到優(yōu)化的結(jié)果。

本實(shí)施例所述一種焊接能量在線控制方法應(yīng)用過(guò)程如下：本發(fā)明以恒流控制為基礎(chǔ)，以電阻點(diǎn)焊固態(tài)金屬熔化和電阻焊機(jī)電力系統(tǒng)原理為依據(jù)，分析得到有效能量i²t才是使焊接金屬熔化過(guò)程一致的關(guān)鍵變量。實(shí)施過(guò)程中，首先選用一個(gè)參考焊機(jī)，執(zhí)行一定電流值的恒流控制作為理想?yún)⒖紬l件。之后通過(guò)離線建模的方式，建立不同匝數(shù)條件下，不同電流峰值與電流導(dǎo)通時(shí)間之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，并通過(guò)數(shù)學(xué)擬合成為近似線性關(guān)系。對(duì)于新的測(cè)試焊機(jī)操作，首先通過(guò)執(zhí)行與上一步驟同樣的恒流控制，之后通過(guò)參考焊機(jī)變壓器匝數(shù)比條件下，不同電流峰值與電流導(dǎo)通時(shí)間之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，與參考實(shí)驗(yàn)對(duì)比得到對(duì)應(yīng)的恒流控制電流值，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)修正恒流控制值，得出修正系數(shù)，重新代入執(zhí)行恒流控制，最終使得該條件下，有效能量值i²t與參考實(shí)驗(yàn)條件下一致。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。