本发明涉及的是一种焊接领域的技术，具体是一种基于本征过程信号的电阻点焊飞溅在线检测方法及系统。
背景技术：
电阻点焊工艺完成了90％以上的全钢车身的焊装工作。飞溅影响车身表面质量和定位精度，甚至影响点焊接头的力学性能。现有技术通过人工剥离手段，测量飞溅前后质量差以得到飞溅金属的质量，但是这种方式的工作量大，测量精度低且无法实时在线检测。
技术实现要素：
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于本征过程信号的电阻点焊飞溅在线检测方法及系统，成本低、时效性强且准确率高，适用于多次飞溅检测，能够运用于焊接生产线上。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于本征过程信号的电阻点焊飞溅在线检测方法，通过在焊接过程中实时采集设置于两电极帽处的传感器输出的本征过程信号和电流信号并建立随时间变化的关系图，根据关系图进行飞溅判断，得到飞溅次数、单次特征量并组合得到飞溅过程中的累积特征量；根据累积特征量与电极帽的形貌特征量计算飞溅金属体积，进而得到飞溅金属量的预测值。
所述的本征过程信号包括：动态电阻信号、动态电极压力信号、动态电极位移信号、声发射信号和超声波信号，其中：动态电阻信号是指点焊过程中两电极间的时变电阻值；动态电极压力信号是指点焊过程中在两电极间施加的时变压力；动态电极位移信号是指点焊过程中两电极间的相对距离变化；声发射信号是指点焊过程中经过两电极传播的应力波；超声波信号是指点焊过程中经过空气传播的超声波。
所述的电极帽包括：圆柱，以及圆柱与圆顶、弧面锥顶、球头、平面锥顶或弧面组合的形状，其形貌特征量包括：电极底部直径、端面直径、端面曲率半径和顶部圆锥角。
所述的飞溅判断是指：在通电焊接阶段，当本征过程信号对时间的微分等于预设阈值时，则判定为飞溅开始；判定飞溅开始后，当本征信号对时间的微分再次等于预设阈值时，则判定为一次飞溅结束；飞溅开始时刻与结束时刻对应的本征过程信号的幅度值差的绝对值，为单次特征量。
优选地，当一次点焊过程中发生多次飞溅时，将多个本征过程信号单次特征量进行组合得到本征过程信号的累积特征量。
本发明涉及一种实现上述方法的系统，包括：计算和分析模块和分别与之相连的电流信号采集模块和本征过程信号采集模块，其中：电流信号采集模块与设置于电极帽处的电流传感器相连并采集电流信号，本征过程信号采集模块分别与设置于两电极帽处的本征过程信号传感器相连并采集焊接过程中的本征过程信号，计算和分析模块根据本征过程信号和电流信号计算得到飞溅金属的预测值。
技术效果
本发明整体解决了现有焊装生产过程中，点焊飞溅检测主要依赖目视和压痕测量等人工手段而导致的工作量大、测量精度低、时效性差的问题，以及由于无法实现飞溅程度实时检测而导致的工艺参数优化困难的问题。
与现有技术相比，本发明根据电阻点焊的本征过程信号与电流信号进行飞溅金属量的实时检测，实现点焊飞溅程度的在线量化评估，克服了传统技术依赖人工检测的缺点，检测效率显著提升。同时，本发明考虑了不同电极帽形状的影响，适用性强，飞溅金属量的预测值与实测值之间呈现良好的线性关联，检测精度高。此外，本发明所述的飞溅在线检测方法计算速度快，对硬件系统要求低，适用于各类电阻点焊应用场景。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为电极帽的示意图；
图中：a为弧面圆顶电极；b为弧面锥顶电极；c为球头电极；d为平顶直电极；e为平面锥顶电极；f为弧面直电极；d为电极帽底部直径；dt为端面直径；rt为端面曲率半径；θ为顶部圆锥角；
图3为本发明的系统示意图；
图中：电极帽1、上电极杆2、下电极杆3、待测工件4、电流传感器5、上电极本征过程信号传感器6、下电极本征过程信号传感器7、本征过程信号采集模块8、电流信号采集模块9、计算和分析模块10；
图4为电阻点焊本征过程信号的分段处理示意图；
图5为飞溅识别与飞溅特征量提取的示意图；
图6为实施例1的动态电极位移信号的时间演化示意图；
图7为实施例1预测飞溅金属质量与实测飞溅金属质量的散点图；
图8为实施例2的动态电极位移信号的时间演化示意图；
图9为实施例2预测飞溅金属质量与实测飞溅金属质量的散点图；
图中：虚线为通过线性回归得到的趋势线。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本实施例涉及一种基于本征过程信号的电阻点焊飞溅在线检测方法，通过测量获取电极帽1的形貌特征量，再进行焊接并采集焊接电流和本征过程信号，建立通电焊接阶段本征过程信号随时间变化的关系图，将关系图结合飞溅判据以判断飞溅次数，提取每个飞溅的特征量并组合得到飞溅过程中的本征过程信号的累积特征量，通过该累积特征量与电极帽1的形貌特征量计算飞溅金属体积，进而得到飞溅金属量的预测值。
如图2a所示，本实施例的电极帽1为弧面圆顶电极。
所述的形貌特征量包括：电极底部直径、端面直径、端面曲率半径和顶部圆锥角。
所述的本征过程信号包括：动态电阻信号、动态电极压力信号、动态电极位移信号、声发射信号和超声波信号。本实施例中优选采用动态电极位移信号。
如图3所示，为本实施例涉及的一种基于本征过程信号的电阻点焊飞溅在线检测系统，包括：计算和分析模块10和分别与之相连的电流信号采集模块9和本征过程信号采集模块8，其中：电流信号采集模块9与设置于电极上的电流传感器5相连并采集电流信号，本征过程信号采集模块8分别与一对安装在两电极2、3上的本征过程信号传感器6、7相连以采集焊接过程中的本征过程信号，计算和分析模块10根据本征过程信号和电流信号计算得到飞溅金属的预测值。
所述的电极帽1、上电极杆2和上电极本征过程信号传感器6依次设置于待测工件4的上表面，电极帽1、下电极杆3和下电极本征过程信号传感器7依次设置于待测工件4的下表面，电流传感器5套设于下电极杆3上。
所述的上电极本征过程信号传感器6为光栅尺位移传感器；所述的下电极本征过程信号传感器7为激光位移传感器。
所述的待测工件4为板件、管件、棒件、钉状件、块状件及其组合，其材质可以是钢、铝合金、铜合金、镁合金、钛合金及其组合。
所述的电流传感器5为罗氏线圈。
所述的计算和分析模块10包括：微处理器、工控机、plc、监测仪、焊接控制器、台式机、笔记本电脑、服务器或工作站。本实施例采用焊接控制器。
如图4所示，所述的关系图以焊接电流导通和结束分为三个阶段，具体是：焊前预压阶段t1，通电焊接阶段t2和焊后保压阶段t3，其中：焊前预压阶段t1是指电极闭合夹紧待测工件4直至焊接电流导通前的阶段，通电焊接阶段t2是指自焊接电流导通到关断的阶段，焊后保压阶段t3是指自焊接电流关断到电极张开的阶段。
如图5所示，所述的飞溅判断具体包括：
①在通电焊接阶段，当本征过程信号对时间的微分等于预设阈值a时，即与阈值水平线相交于点qia，则判定为飞溅开始，将点qia对应的时刻记录为开始时刻tia；判断飞溅开始后，当本征过程信号的微分再次等于阈值a时，即与阈值水平线相交于点qib，则判定为飞溅结束，将qib对应的时刻记录为结束时刻tib，并记录发生一次焊接飞溅，记为fi，其中：i代表一次点焊过程中发生的第i次飞溅，0≤i≤n，n为从电流导通时刻开始重复上述判断过程直至电流关断，即一次点焊过程中发生的飞溅次数。
②在通电焊接阶段，提取第i次飞溅fi的开始时刻tia与结束时刻tib对应的本征过程信号点pia与点pib，将点pia与点pib对应的信号幅度值xia与点xib作差并计算绝对值，作为第i次焊接飞溅的本征过程信号特征量，即单次特征量δxi，即δxi＝xia-xib，累积特征量的提取是指当一次点焊过程中发生n次飞溅时，将n个本征过程信号特征值δxi进行组合得到本征过程信号的累积特征量δx。
所述的组合的方式包括：计算n个δxi的算数平均数、平方平均数、几何平均数或加权平均数，本实施例中优选采用几何平均值。
如图6所示，本实施例将阈值a设定为8μm，根据动态电极位移微分信号与阈值水平线的交点判断飞溅开始时刻与结束时刻，判定飞溅次数为1次，将飞溅标记为f1。
所述的飞溅金属体积，通过累积特征量δx和电极形貌特征量计算飞溅金属体积δv或飞溅金属重量δm，其中：飞溅金属重量δm与飞溅金属体积δv呈正比，其比例系数为待测工件4的液态金属密度ρ，即δm＝ρδv，
当修正系数k1设定为0.8μm-1时，得到的累积特征量计算焊接过程中的飞溅金属体积
本实施例中，电极帽1电极帽端面曲率半径rt为50mm，电极帽端面直径dt为5mm，电极帽底部直径d为16mm,金属密度ρ取6.9kg/mm3。如图7所示，为本实施例的飞溅金属重量实际值和预测值的散点图，从图中可以看出飞溅金属量的预测值和实际值存在良好的线性相关关系，决定系数为0.9425，均方根误差为8mg，预测精度高；同时，预测飞溅金属量的平均计算耗时为0.05s，计算速度快。
实施例2
如图2b所示，与实施例1相比，本实施例的电极帽1为弧面锥顶电极，优选采用动态电极压力信号作为本征过程信号，上电极本征过程信号传感器6为称重传感器，下电极本征过程信号传感器7为表面应变传感器，电流传感器5为霍尔电流传感器5，计算和分析模块10采用监测仪。
如图8所示，本实施例将阈值a设定为30n，根据动态电极压力微分信号与阈值水平线的交点判断飞溅开始时刻与结束时刻，判定飞溅次数为1次，将飞溅标记为f1，得到的累积特征量计算焊接过程中的飞溅金属体积
本实施例中，修正系数k2设定为4n-1，电极帽1电极帽端面曲率半径rt为50mm，电极帽端面直径dt为5mm，顶部圆锥角θ为75°，电极帽底部直径d为16mm,金属密度ρ取6.9kg/mm3。如图9所示，为本实施例的飞溅金属重量实际值和预测值的散点图，从图中可以看出飞溅金属量的预测值和实际值存在良好的线性相关关系，决定系数为0.9794，均方根误差为7.6mg，预测精度高；同时，预测飞溅金属量的平均计算耗时为0.06s，计算速度快。
实施例3
如图2c所示，与实施例1相比，本实施例的电极帽1为球头电极，需要测量电极帽1底部直径d，飞溅金属体积的表达式为：
实施例4
如图2d所示，与实施例1相比，本实施例的电极帽1为平顶直电极，需要测量电极帽1底部直径d，飞溅金属体积的表达式为：
实施例5
如图2e所示，与实施例1相比，本实施例的电极帽1为平面锥顶电极，需要测量电极帽1底部直径d、端面直径dt和顶部圆锥角θ，飞溅金属体积的表达式为：
实施例6
如图2f所示，与实施例1相比，本实施例的电极帽1为弧面直电极，需要测量电极帽1底部直径d和端面曲率半径rt，飞溅金属体积的表达式为：
与现有技术相比，本方法基于电极帽特征量和电阻点焊本征过程信号特征量的飞溅量计算公式，实时预测飞溅金属量，实现了点焊飞溅程度的在线量化评估，克服了传统技术依赖人工检测的缺点；相比以往目视或人工测量压痕的检测方式，本发明实现了飞溅程度的自动化检测，检测效率和精度显著提升的同时计算速度快，对硬件系统要求低，适用于各类电阻点焊应用场景；考虑了不同电极帽形状的影响，适用性强，飞溅金属量的预测值与实测值之间呈现良好的线性关联，检测精度高。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
1.一种基于本征过程信号的电阻点焊飞溅在线检测方法，其特征在于，通过在焊接过程中实时采集设置于两电极帽处的传感器输出的本征过程信号和电流信号并建立随时间变化的关系图，根据关系图进行飞溅判断，得到飞溅次数、单次特征量并组合得到飞溅过程中的累积特征量；根据累积特征量与电极帽的形貌特征量计算飞溅金属体积，进而得到飞溅金属量的预测值；
所述的本征过程信号包括：动态电阻信号、动态电极压力信号、动态电极位移信号、声发射信号和超声波信号；
所述的形貌特征量包括：电极底部直径、端面直径、端面曲率半径和顶部圆锥角。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的飞溅判断是指：在通电焊接阶段，当本征过程信号对时间的微分等于预设阈值时，则判定为飞溅开始；判定飞溅开始后，当本征信号对时间的微分再次等于预设阈值时，则判定为一次飞溅结束；飞溅开始时刻与结束时刻对应的本征过程信号的幅度值差的绝对值，为单次特征量；
当一次点焊过程中发生多次飞溅时，将多个本征过程信号单次特征量进行组合得到本征过程信号的累积特征量。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的飞溅金属体积的计算方式包括：
弧面圆顶电极：
其中：k1为根据不同的本征过程信号选择的修正系数，rt为电极帽端面曲率半径，dt为电极帽端面直径，d为电极帽底部直径，δx为累计特征量，h0和h1为特征高度且
弧面锥顶电极：
其中：k2为根据不同的本征过程信号选择的修正系数，rt为电极帽端面曲率半径，dt为电极帽端面直径，δx为累计特征量，h0为特征高度，计算公式为
球头电极：
平顶直电极：
平面锥顶电极：
其中：k6为根据不同的本征过程信号进行选择的修正系数，d为电极帽底部直径，rt为电极帽端面曲率半径，δx为累计特征量，h2为特征高度且
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的电极帽包括：圆柱，以及圆柱与圆顶、弧面锥顶、球头、平面锥顶或弧面组合的形状。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的关系图以焊接电流导通和结束分为三个阶段，具体是：焊前预压阶段t1，通电焊接阶段t2和焊后保压阶段t3，其中：焊前预压阶段t1是指电极闭合夹紧待测工件4直至焊接电流导通前的阶段，通电焊接阶段t2是指自焊接电流导通到关断的阶段，焊后保压阶段t3是指自焊接电流关断到电极张开的阶段。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述的飞溅判断具体包括：
①在通电焊接阶段，当本征过程信号对时间的微分等于预设阈值a时，即与阈值水平线相交于点qia，则判定为飞溅开始，将点qia对应的时刻记录为开始时刻tia；判断飞溅开始后，当本征过程信号的微分再次等于阈值a时，即与阈值水平线相交于点qib，则判定为飞溅结束，将qib对应的时刻记录为结束时刻tib，并记录发生一次焊接飞溅，记为fi，其中：i代表一次点焊过程中发生的第i次飞溅，0≤i≤n，n为从电流导通时刻开始重复上述判断过程直至电流关断，即一次点焊过程中发生的飞溅次数；
②在通电焊接阶段，提取第i次飞溅fi的开始时刻tia与结束时刻tib对应的本征过程信号点pia与点pib，将点pia与点pib对应的信号幅度值xia与点xib作差并计算绝对值，作为第i次焊接飞溅的本征过程信号特征量，即单次特征量δxi，即δxi＝xia-xib，累积特征量的提取是指当一次点焊过程中发生n次飞溅时，将n个本征过程信号特征值δxi进行组合得到本征过程信号的累积特征量δx。
7.一种实现上述任一权利要求所述方法的系统，其特征在于，包括：计算和分析模块和分别与之相连的电流信号采集模块和本征过程信号采集模块，其中：电流信号采集模块与设置于电极帽处的电流传感器相连并采集电流信号，本征过程信号采集模块分别与设置于两电极帽处的本征过程信号传感器相连并采集焊接过程中的本征过程信号，计算和分析模块根据本征过程信号和电流信号计算得到飞溅金属的预测值。
技术总结