專利名稱：用于轎車車身焊接的氣動懸掛式點焊機控制器的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種焊接技術領域的設備，特別是一種用于轎車車身焊接的氣動懸掛式點焊機控制器。
背景技術：
轎車車體的制造是由數百個形狀與大小不一的、沖壓好的薄板結構件焊接而成，而焊接采用的是焊接工藝中的電阻點焊形式。由于結構的特殊性及近年來追求車身輕量化而多使用較薄的板材，這就使得設計時，為了保證車體質量，將焊接件的焊點布置的較密。可是，在工件上，由于焊點與焊點之間的距離較近，常常造成了點焊機的電流分流，其結果是焊點熔核變小、強度不夠，存在部分的焊點質量不合格，另外，生產中也常常會因電極頭磨損及材料表面狀態的變化造成電流分流而產生不良結果。生產中，通常使用的是氣動懸掛式點焊機，其控制器主要由主控板、觸發板、I/O板組成，其中，主控板是核心，主要工作都由它來完成，包括調節焊接電流，焊接時間，顯示面板的參數調整，焊接閥的選擇，焊接程序的選擇等，其控制方法是恒流控制；而觸發板則是將主控板和大功率晶閘管電路隔離開來，一方面將主控板發送來的觸發信號放大調理為晶閘管的觸發信號，實現晶閘管的可靠觸發，同時又將實時采集的電流值反饋至主控板，作為恒流控制的依據，它還有一個工作就是將電網電壓和主控板的節奏統一起來，即提供同步信號；I/O板主要用來和外部焊接閥，啟動控制器，故障報警等部分結合，給主控板提供信號。這類恒電流控制僅是把焊接變壓器次級回路中焊接電流有效值穩定在一定范圍內，它對影響次級回路的電流參數的因素如電源電壓波動、板材厚度變化等次級回路中阻抗比較敏感，能夠給予補償，并在下一個焊點實現，所以，氣動懸掛式點焊機的恒流控制器不能控制焊點的當前電流，如由于焊點過密造成的電流分流時的電流值減小，也不能消除電極頭磨損及材料表面狀態的變化等與變壓器次級回路中焊接電流無關的影響因素。
經對現有技術的文獻檢索發現，中國專利(申請)號為98102915.9，名稱為用于電阻點焊的控制系統及其方法，此發明采用一個存儲有一組標準動態電阻曲線的存儲器來控制電阻點焊質量的控制系統，特定的標準動態電阻曲線根據預定的焊接條件來定，該給定的焊接條件則由如被焊金屬板的厚度等這樣的焊接參數來決定，也就是說，這種控制系統對被焊金屬板的厚度變化時，通過比較標準動態電阻曲線來控制焊接電流，對由于焊點過密造成的電流分流、電極頭磨損、材料表面狀態的變化時的電流值變化是無法控制的。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的不足，提出一種用于轎車車身焊接的氣動懸掛式點焊機控制器。使其能有效地控制焊點過密造成的電流分流時的電流值及因電極頭磨損造成的電流分流及材料表面狀態的變化造成的電流分流時的電流值。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明控制器由兩套相對獨立的控制系統組成，第一套控制系統是基于熱膨脹位移理論設計和基于PID控制算法點焊控制系統，由位移傳感器模塊、數據采集模塊、控制模塊、系統接口模塊組成；第二套控制系統是常規控制系統，由主控板、觸發板、I/O板組成。
第一套控制系統是本發明控制器的核心部分，其中，位移傳感器模塊用于熱膨脹位移信號的采集。數據采集模塊用于將位移傳感器模塊傳來的模擬信號(電壓值)轉化為數字系統可以識別的數字信號。控制模塊用于根據預先確定的控制算法和實時采集到的熱膨脹位移數據，計算出需要的觸發角大小，調節晶閘管的觸發時間，從而改變焊接電流，達到提高焊點質量的目的。而系統接口模塊用于切換兩個系統的工作，從原系統截取信號，同時將兩個系統的同步信號統一起來，讓他們協調工作，即同一時間只有一個系統的控制信號在起作用。
兩套控制系統采用并行系統工作方式系統啟動工作后，第二套常規控制系統進入正常運轉狀態，第一套控制系統發揮監測的功能。如在焊點過密而發生分流時，第二套控制系統就會失去作用，系統自動切換到第一套控制系統，此時，第一套控制系統就開始起作用。
所述的數據采集模塊，由單片機、A/D轉換器、采樣保持器組成，單片機作為系統的運算單元和控制單元通過鎖存器和外部擴展連接，外部擴展在系統中主要負責存儲采集數據和中間運算結果，單片機和A/D轉換器之間也通過了鎖存器，采集時將A/D轉換器看作幾個外部的RAM，從而直接進行AD轉換以及數據的讀取，外部信號通過采樣保持器進入A/D轉換器進行轉換，本系統的模擬信號的范圍是±5V，A/D轉換器的接法是雙極性10范圍的接法。
所述的控制模塊，由可控硅觸發脈沖屏蔽電路及觸發脈沖放大電路組成，其中作為接口電路中的可控硅觸發脈沖屏蔽電路，選用兩個繼電器TQ2 Form C實現全部四組信號的同時切換，兩個繼電器各自使用獨立的放大電路，它們的線圈分別由單片機的I/O口P1.0和P1.1控制；觸發脈沖放大電路由單片機P1.2和P1.3送出的兩路可控硅觸發脈沖信號經過10K電阻上拉后接入場效應管驅動器TC4426中A、B兩個驅動器的輸入端即引腳2、4，經過功率放大后經由TC4426輸出端即引腳7、5送出至后向的屏蔽電路；如果屏蔽電路切換到新系統，則該信號最終通過屏蔽電路到達可控硅觸發板用于觸發可控硅。
所述的控制模塊，是建立在數據采集的基礎上的，在數據采集模塊將熱膨脹位移采集送到CPU中之后，由它先進行數學處理，然后將得到的結果輸入控制算法，如果測得的實時位移信號位于公差帶范圍內則表征原第二套控制系統工作正常，第一套控制系統只是起到監測的作用，而一旦實時位移超出公差帶范圍，則將位移量輸入到相應的控制算法中，得到相應的控制角，在下一個半波通過屏蔽電路切斷原系統的觸發脈沖，而轉由第一套控制系統在確定時刻發出觸發脈沖，然后通過脈沖放大電路將信號驅動能力加強，驅動觸發板上的MOSFET功率管，從而驅動晶閘管，進行焊接。
所述的系統接口模塊，包括同步電路和串口通訊電路，同步電路也稱之為同步中斷信號生成電路，其主要是將表征關鍵控制時刻的相關信號進行電平轉換并送給單片機的外部中斷，從而實現單片機與可控硅的工作同步和控制時序匹配；串口通訊電路實現以單片機為核心的第一套控制系統和工控機的串口交互通訊。
本發明能有效地控制當焊點過密造成的電流分流時的電流值，能有效地控制因電極頭磨損造成的電流分流及材料表面狀態的變化造成的電流分流時的電流值，從而改變氣動懸掛式點焊機的性能。使其用于轎車車身焊接時，解決了因車身焊點與焊點之間的距離較近而造成的點焊機的電流分流，從而造成焊點熔核變小、強度不夠的焊點質量不合格問題；解決了因電極頭磨損造成的電流分流及材料表面狀態的變化造成的電流分流時而產生的焊點熔核變小、強度不夠的焊點質量不合格問題，使用本發明，對現有的氣動懸掛式點焊機現場進行技術改造，不影響生產，可節約成本。
圖1本發明控制器結構框2本發明數據采集模塊結構框3本發明控制模塊中的屏蔽電路原理4本發明控制模塊中的觸發脈沖放大電路5本發明系統接口模塊中的8路模擬開關CD4051的邏輯框6本發明系統接口模塊中的同步中斷信號生成電路原理7本發明系統接口模塊中的MAX232電路連接8本發明系統接口模塊中的通訊電路連接圖具體實施方式
如圖1所示，本發明控制器由兩套相對獨立的控制系統組成，第一套控制系統是基于熱膨脹位移理論設計和基于PID控制算法點焊控制系統，由位移傳感器模塊、數據采集模塊、控制模塊、系統接口模塊組成；第二套控制系統是常規控制系統，由主控板、觸發板、I/O板組成。
第一套控制系統是本發明的核心，其中，位移傳感器模塊采集熱膨脹位移信號并傳給數據采集模塊，數據采集模塊將位移傳感器模塊傳來的模擬信號轉化為數字系統能識別的數字信號并傳給控制模塊，控制模塊根據預先確定的控制算法和實時采集到的熱膨脹位移數據，計算出需要的觸發角大小，調節晶閘管的觸發時間，從而改變焊接電流，并將處理的結果傳給系統接口模塊，系統接口模塊將信號傳送到第二套常規控制系統，用于切換兩個系統的工作，從原系統截取信號，同時將兩個系統的同步信號統一起來，協調工作，即同一時間只有一個系統的控制信號在起作用，兩套控制系統之間的時序匹配由系統接口模塊完成。
兩套控制系統采用并行系統工作方式，系統啟動工作后，第二套常規控制系統進入正常運轉狀態，第一套控制系統發揮監測的功能。如在焊點過密或而發生分流時，第二套控制系統就會失去作用，系統自動切換到第一套控制系統，此時，第一套控制系統就開始起作用。
(1)位移傳感器模塊位移傳感器模塊由位移傳感器組成，位移傳感器采集熱膨脹位移信號。本發明選用的是日本OMRON公司ZX-LD30V傳感器；其響應時間＜1ms(half cycle＝10ms)，測量精度≤1um(總位移量為100微米左右)，易裝拆，電磁屏蔽。
(2)數據采集模塊如圖2所示，數據采集模塊由單片機、A/D轉換器、采樣保持器組成，單片機作為系統的運算單元和控制單元通過鎖存器和外部擴展連接，因為單片機本身的內部128個字節RAM容量不夠，而采集的數據量又比較大，外部擴展在系統中主要負責存儲采集數據和中間運算結果。而且單片機和A/D轉換器之間也通過了鎖存器，采集時可以將A/D轉換器看作幾個外部的RAM，從而直接進行AD轉換以及數據的讀取。外部信號通過采樣保持器進入A/D轉換器進行轉換，這樣可以進一步提高轉換的速度和精度。本系統的模擬信號的范圍是±5V，所以A/D轉換器的接法也是雙極性10范圍的接法。
單片機采用ATMEL公司的AT89c51單片機，其速度1MPS，配合12MH的晶振；具有4個中斷優先級、6個中斷源、4個8位I/O，具有串口通訊能力全雙工增強型UART。
A/D轉換器采用美國模擬器件公司(Analog Devices Inc)的AD574A型快速12位逐次比較式A/D轉換器，內部由雙片雙極型電路組成的28腳標準封裝，無需外接元器件就可獨立完成A/D轉換功能，內部設有三態數據輸出鎖存器，具體技術參數非線性誤差小于±1/2LBS或±1LBS；一次轉換時間為25微秒；電源供給為±12V和+5；AD574A之輸入模擬量量程范圍有0-+10v，0-+20v，-5v-+5V以及-10V-+10V四種。
采樣保持器采用LF398集成電路芯片式采樣/保持電路，保證在轉換期間采集位移數據的穩定性，能夠在6us內穩定保持輸入信號，是反饋型采樣/保持電路，采用雙極型—結型場效應管工藝。
(3)控制模塊控制模塊由可控硅觸發脈沖屏蔽電路及觸發脈沖放大電路組成，其中如圖3所示，作為接口電路中的可控硅觸發脈沖屏蔽電路，由于可控硅觸發板上需要四組脈沖觸發信號，故屏蔽電路中選用兩個繼電器TQ2 Form C實現全部四組信號的同時切換，為可靠起見，兩個繼電器各自使用獨立的放大電路，它們的線圈分別由單片機的I/O口P1.0和P1.1控制。
如圖4所示，觸發脈沖放大電路由單片機P1.2和P1.3送出的兩路可控硅觸發脈沖信號經過10K電阻上拉后接入場效應管驅動器(MOSFET DRIVER)TC4426中A、B兩個驅動器的輸入端(引腳2，4)。經過功率放大后經由TC4426輸出端(引腳7，5)送出至后向的屏蔽電路。如果屏蔽電路切換到新系統，則該信號最終通過屏蔽電路到達可控硅觸發板用于觸發可控硅。
控制模塊是建立在數據采集的基礎上的，在采集模塊將熱膨脹位移采集送到CPU中之后，由它先進行數學處理，如軟件濾波等等，然后將得到的結果輸入控制算法，如果測得的實時位移信號位于公差帶范圍內則表征第二套控制系統工作正常，不需要控制，第一套控制系統只是起到監測的作用，而一旦實時位移超出公差帶范圍，則將位移量輸入到相應的控制算法中，得到相應的控制角，在下一個半波通過屏蔽電路切斷原系統的觸發脈沖，而轉由第一套控制系統在確定時刻發出觸發脈沖，然后通過脈沖放大電路將信號驅動能力加強，這樣可以驅動觸發板上的MOSFET功率管，從而驅動晶閘管，進行焊接。
(4)系統接口模塊具體的控制參數就是直接決定了焊接電流大小的可控硅觸發角，而為了將實時采集的位移信息直觀的顯示在操作工人面前又需要將信息實時的傳遞給一個具有顯示功能的裝置，同時還要通過該裝置將當前恒流系統的工作參數傳送給單片機系統，所以，本發明所控制的整個焊接系統裝有具有實時信息顯示功能的工控機。這其中，由于單片機系統和點焊機的可控硅觸發電路不是同一個類型的電路，所以必須要有一個中間電路負責這兩個電路各方面的協調工作，以保證單片機的控制信號能順利地傳送到可控硅的觸發電路板來控制可控硅，同時可控硅觸發板上的相關反饋信號也能順利的被單片機識別，而單片機系統也需要和工控機系統進行信息交流，這部分工作由系統接口模塊來完成。綜上所述，系統接口模塊必須要實現以下兩個功能，時序匹配和通訊功能。根據以上的功能要求，將系統接口模塊分成兩個更小的模塊。分別是同步電路和串口通訊電路，其中①同步電路也稱之為同步中斷信號生成電路，其主要是將表征關鍵控制時刻的相關信號進行電平轉換并送給單片機的外部中斷，從而實現單片機與可控硅的工作同步和控制時序匹配。具體如圖5本發明系統接口模塊中同步電路的8路模擬開關CD4051邏輯框圖所示，解決了同步電路中的同步方波信號的一個周期內兩次觸發中斷的問題，具體是中斷口對信號A、B的切換選擇工作是由8路模擬開關CD4051完成的，由圖可見，CD4051可以有8個輸入通道，但只有一個輸出通道，8個輸入通道的選擇是由A、B、C這三位的編碼經過譯碼后決定的。
如圖6所示，單片機接口電路中的同步中斷信號生成電路的最終原理，用于同步通電時間的第二套控制系統可控硅高頻觸發脈沖信號無須經過格式變化直接接入單片機的一個外部中斷口(INTO)，故在圖中未標出。與焊接工頻交流信號同步的方波信號(圖中網絡標簽“3”)首先經過5V穩壓二極管的第一級穩壓后接入電壓比較器LM139的“+”端(引腳5)。經過兩個15K電阻分壓得到的2.5V電壓接入電壓比較器的“-”端(引腳6)。電壓比較器輸出的TTL電平由引腳2輸出，其中分出一路信號經過反相器74HC04的移相。兩組互補信號分別進入8路模擬開關CD4051的輸入通道0和1(引腳13和14)，CD4051的通道選擇編碼位B、C和INHIBIT端(引腳10、9、6)接地，單片機的P1.6口接入通道選擇編碼位A(引腳11)來控制通道0和1的切換。處理完畢的中斷信號最終由8路模擬CD4051的輸出端(引腳3)送入單片機的第二個外部中斷口(INT1)，得以實現焊接半波的同步。
②串口通訊電路串口通訊電路主要功能是實現以單片機為核心的新系統和工控機的串口交互通訊，因為單片機本身具有串口通訊功能。設計中主要需要考慮的問題是數據傳輸的實時性。因為點焊的時間很短，一個焊點需要的時間大約為200ms左右，因此要在這么短的時間內將采集的數據實時的發送到工控機端，要求單片機的處理速度相對較高，設計中給單片機配了12MH的晶振，這樣單片機的指令執行速度可以達到1MPS，可以滿足系統的實時性要求。
串口通訊時，工控機的串行口采用的是標準的RS-232C接口，由于單片機的串行口電平是TTL電平，但是TTL電平特性與RS232的電氣特性不匹配，因此為了使單片機的串口能與RS-232C接口通信，必須將串行口的輸入/輸出電平進行轉換。為此，選擇了MAXIM公司的集成電路塊MAX232，如圖7本發明系統接口模塊中的MAX232電路連接圖所示，單片機的P3.0口和P3.1口分別同MAX232芯片的12口和O4口連接，O2口和I4口對應串口通訊的RXD，TXD線。其他元件連接如圖所示，構成單片機的232口輸出接口。
以集成芯片MAX232為核心構成的通訊電路連接圖如圖8所示。采用3線制的通訊方式。
權利要求
1.一種用于轎車車身焊接的氣動懸掛式點焊機控制器，包括第二套控制系統，由主控板、觸發板、I/O板組成，其特征在于，還包括第一套控制系統，第一套控制系統由位移傳感器模塊、數據采集模塊、控制模塊、接口模塊組成，位移傳感器模塊采集熱膨脹位移信號并傳給數據采集模塊，數據采集模塊將位移傳感器模塊傳來的模擬信號轉化為數字系統能識別的數字信號并傳給控制模塊，控制模塊根據預先確定的控制算法和實時采集到的熱膨脹位移數據，計算出需要的觸發角大小，調節晶閘管的觸發時間，從而改變焊接電流，并將處理的結果傳給系統接口模塊，系統接口模塊將信號傳送到第二套常規控制系統，用于切換兩個系統的工作，從原系統截取信號，同時將兩個系統的同步信號統一起來，協調工作，即同一時間只有一個系統的控制信號在起作用，兩套控制系統之間的時序匹配由系統接口模塊完成。
2.根據權利要求1所述的用于轎車車身焊接的氣動懸掛式點焊機控制器，其特征是，兩套控制系統采用并行系統工作方式系統啟動工作后，第二套控制系統進入正常運轉狀態，第一套控制系統進行監測，在焊點過密而發生分流時，第二套控制系統就會失去作用，系統自動切換到第一套控制系統，此時，第一套控制系統就開始起作用。
3.根據權利要求1所述的用于轎車車身焊接的氣動懸掛式點焊機控制器，其特征是，所述的位移傳感器模塊，由位移傳感器組成，位移傳感器采集熱膨脹位移信號并傳給數據采集模塊。
4.根據權利要求1所述的用于轎車車身焊接的氣動懸掛式點焊機控制器，其特征是，所述的數據采集模塊，由單片機、A/D轉換器、采樣保持器組成，單片機作為系統的運算單元和控制單元通過鎖存器和外部擴展連接，外部擴展在系統中主要負責存儲采集數據和中間運算結果，單片機和A/D轉換器之間也通過了鎖存器，采集時將A/D轉換器看作幾個外部的RAM，從而直接進行AD轉換以及數據的讀取，外部信號通過采樣保持器進入A/D轉換器進行轉換。
5.根據權利要求1所述的用于轎車車身焊接的氣動懸掛式點焊機控制器，其特征是，所述的控制模塊，由可控硅觸發脈沖屏蔽電路及觸發脈沖放大電路組成，其中作為接口電路中的可控硅觸發脈沖屏蔽電路，選用兩個繼電器TQ2Form C實現全部四組信號的同時切換，兩個繼電器各自使用獨立的放大電路，它們的線圈分別由單片機的I/O口P1.0和P1.1控制；觸發脈沖放大電路由單片機P1.2和P1.3送出的兩路可控硅觸發脈沖信號經過10K電阻上拉后接入場效應管驅動器TC4426中A、B兩個驅動器的輸入端即引腳2、4，經過功率放大后經由TC4426輸出端即引腳7、5送出至后向的屏蔽電路；如果屏蔽電路切換到新系統，則該信號最終通過屏蔽電路到達可控硅觸發板用于觸發可控硅。
6.根據權利要求1或者5所述的用于轎車車身焊接的氣動懸掛式點焊機控制器，其特征是，所述的控制模塊，是建立在數據采集的基礎上的，在數據采集模塊將熱膨脹位移采集送到CPU中之后，由它先進行數學處理，然后將得到的結果輸入控制算法，如果測得的實時位移信號位于公差帶范圍內則表征原第二套控制系統工作正常，第一套控制系統只是起到監測的作用，而一旦實時位移超出公差帶范圍，則將位移量輸入到相應的控制算法中，得到相應的控制角，在下一個半波通過屏蔽電路切斷原系統的觸發脈沖，而轉由第一套控制系統在確定時刻發出觸發脈沖，然后通過脈沖放大電路將信號驅動能力加強，驅動觸發板上的MOSFET功率管，從而驅動晶閘管，進行焊接。
7.根據權利要求1所述的用于轎車車身焊接的氣動懸掛式點焊機控制器，其特征是，所述的系統接口模塊，包括同步電路和串口通訊電路，同步電路也稱之為同步中斷信號生成電路，其主要是將表征關鍵控制時刻的相關信號進行電平轉換并送給單片機的外部中斷，從而實現單片機與可控硅的工作同步和控制時序匹配；串口通訊電路實現以單片機為核心的第一套控制系統和工控機的串口交互通訊。
8.根據權利要求7所述的用于轎車車身焊接的氣動懸掛式點焊機控制器，其特征是，所述的同步中斷信號生成電路，采用8路模擬開關CD4051邏輯電路進行切換來解決同步電路中的同步方波信號的一個周期內兩次觸發中斷的問題，中斷口對信號A、B的切換選擇工作是由8路模擬開關CD4051完成的，CD4051有8個輸入通道，但只有一個輸出通道，8個輸入通道的選擇是由A、B、C這三位的編碼經過譯碼后決定的。
9.根據權利要求7或者8所述的用于轎車車身焊接的氣動懸掛式點焊機控制器，其特征是，所述的同步中斷信號生成電路，用于同步通電時間的第二套控制系統可控硅高頻觸發脈沖信號直接接入單片機的一個外部中斷口INT0，與焊接工頻交流信號同步的方波信號首先經過5V穩壓二極管的第一級穩壓后接入電壓比較器LM139的“+”端即引腳5，經過兩個15K電阻分壓得到的2.5V電壓接入電壓比較器的“-”端即引腳6，電壓比較器輸出的TTL電平由引腳2輸出，其中分出一路信號經過反相器74HC04的移相；兩組互補信號分別進入8路模擬開關CD4051的輸入通道0和1即引腳13和14，CD4051的通道選擇編碼位B、C和INHIBIT端即引腳10、9、6接地，單片機的P1.6口接入通道選擇編碼位A即引腳11來控制通道0和1的切換，處理完畢的中斷信號最終由CD4051的輸出端即引腳3送入單片機的第二個外部中斷口INT1，得以實現焊接半波的同步。
10.根據權利要求7所述的用于轎車車身焊接的氣動懸掛式點焊機控制器，其特征是，所述的串口通訊電路，選擇了MAXIM公司的集成電路塊MAX232，并采用3線制的通訊方式，將串行口的輸入/輸出電平進行轉換，從而使單片機的串口能與RS-232C接口通信，單片機的P3.0口和P3.1口分別同MAX232芯片的12口和O4口連接，O2口和I4口對應串口通訊的RXD、TXD線。
全文摘要
一種汽車制造技術領域的用于轎車車身焊接的氣動懸掛式點焊機控制器，由兩套相對獨立的控制系統組成，第一套控制系統，由位移傳感器模塊、數據采集模塊、控制模塊、系統接口模塊組成；第二套控制系統是常規控制系統，由主控板、觸發板、I/O板組成。位移傳感器模塊采集熱膨脹位移信號并傳給數據采集模塊，數據采集模塊將位移傳感器模塊傳來的模擬信號轉化為數字系統能識別的數字信號并傳給控制模塊，控制模塊根據預先確定的控制算法和實時采集到的熱膨脹位移數據，改變焊接電流，并將處理的結果傳給系統接口模塊，系統接口模塊將信號傳送到第二套常規控制系統。本發明能有效地控制電流分流時的電流值，不影響生產，可節約成本。
文檔編號B23K11/11GK1743122SQ200510029650
公開日2006年3月8日 申請日期2005年9月15日 優先權日2005年9月15日
發明者林忠欽, 陳關龍, 李永兵, 張延松, 許君 申請人:上海交通大學