摘要：結(jié)合當前白車身焊接的現(xiàn)狀，講述了DSP（數(shù)字信號處理）在點焊過程控制中的應(yīng)用，基于該設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能，以及基于DSP的點焊供電電源實時無功功率補償系統(tǒng)的特點及應(yīng)用.為點焊過程的精細控制.提高點焊電源質(zhì)量與節(jié)能.保證車身焊接質(zhì)量.焊裝現(xiàn)場生產(chǎn)管理提供全面有效的解決方案.

　　0  前言隨著計算機系統(tǒng).信息技術(shù).電子技術(shù)及器件的發(fā)展，數(shù)字信號處理（DSP）技術(shù)得到迅速的發(fā)展.數(shù)字信號處理是使用數(shù)字化技術(shù)執(zhí)行.轉(zhuǎn)換或提取信息，用來處理現(xiàn)實信號的方法，已被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，諸如通信工程.控制工程.工業(yè)自動化.電力工程.測控技術(shù).電子信息等系統(tǒng)中.近些年隨著我國汽車業(yè)的成長，對其制造工藝.質(zhì)量水平和生產(chǎn)過程管理提出了更高的要求.在汽車點焊過程控制及相關(guān)設(shè)備上，DSP技術(shù)的應(yīng)用也便適時推出.利用DSP的數(shù)字信號快速處理能力，可實現(xiàn)對車身點焊的智能化控制；利用便捷的通信及網(wǎng)絡(luò)化功能，使現(xiàn)場的生產(chǎn)過程管理更加實時有效.

　　1基于DSP的點焊過程控制器1.1點焊過程控制器的進展20世紀80年代，我國二汽集團較早推出用當時的集成電路構(gòu)成的點焊控制器，把我國點焊設(shè)備推向了數(shù)字化的步.同時期，南昌航空學(xué)院發(fā)表了相關(guān)資料和，推進了這一領(lǐng)域技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展.20世紀80年代中期，點焊控制器有少量的美國進口，但價格昂貴.長春一汽工藝處焊接室與中科院沈陽自動化所二室合作開發(fā)并推出了基于z一80單片機的可編程電阻焊控制器①，成為我國較早推出的自行研發(fā)的單片機點焊控制器.早期的產(chǎn)品在沈陽金杯面包車和輕型車焊裝線應(yīng)用，取得了很好的效果.20世紀90年代后，由于需求的增加，通過進口產(chǎn)品的借鑒，市場逐步推出較多的單片機點焊控制箱.2000年，沈陽新松機器人首推CAN總線點焊機現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（RWFCS一2000），應(yīng)用于焊裝線.近年來，沈陽中科機械電子工程公司改進了可編程電阻焊控制器，采用DSP處理器，擴展功能應(yīng)用在車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)中.

　　1.2 DSP的特點德州儀器的TMS320F2812數(shù)字信號處理器是針對數(shù)字控制所設(shè)計的，整合了DSP及微控制器的特性，具有成本低.功耗低.性能高的處理能力.強大的外部接口等優(yōu)點，便于構(gòu)成大型的控制系統(tǒng).

　　主要特點有：（1）單指令周期，在一個指令周期內(nèi)可完成乘法和加法.（2）采用哈佛結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)空間分開，可同時訪問指令和數(shù)據(jù).（3）片內(nèi)具有快速RAM,通常可通過獨立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問.（4）快速的中斷處理和硬件I/0支持.

　?。?）可以并行執(zhí)行多個操作.（6）支持流水線操作，可以重疊執(zhí)行取指.譯碼和執(zhí)行等操作.

　　DSP主要使用在嵌入式控制.數(shù)字電機控制（DMC）.資料擷取及I/0控制（DAQ）等領(lǐng)域.德州儀器的TMS320F2812針對應(yīng)用化，并有效縮短產(chǎn)品開發(fā)周期.F28x支持全新CCS環(huán)境的ccompiler,提供c語言中直接嵌入?yún)R編語言的程序開發(fā)界面，可在C語言的環(huán)境中搭配匯編語言來撰寫程序.F28x系列DSP預(yù)計發(fā)展至400 MHz,目前已發(fā)展至150 MHz運算能力，同時內(nèi)部集成了豐富的功能模塊，如：SCI總線模塊（可擴展為RS232?RS485?RS422等串行通信）.CAN通信模塊.ADC轉(zhuǎn)換模塊.PWM控制模塊等.

　　1.3點焊過程控制由于汽車的生產(chǎn)走向輕型化.更安全.性能更好的目標，所以車身的焊接也向“精細化焊接制造”

　　方向發(fā)展.新材料的焊接提出零缺陷.高品質(zhì).高效率的要求，材料由鍍鋅鋼板.低合金鋼.高強鋼.輕型材料代替冷軋鋼板；對質(zhì)量控制和生產(chǎn)管理提出更高的要求.

　　1.3.1 點焊控制系統(tǒng)應(yīng)充分滿足不同的材料對工藝的特定要求普通低碳冷軋鋼板比較容易焊接：充分壓緊.預(yù)焊“燒毛”?電流緩升.焊接緩降就可順利完成.高強度鍍鋅板的點焊要求：嚴格的工藝參數(shù)；電極為合適的材料并可及時修整和更換；采用多脈沖或電流斜坡上升方式焊接；設(shè)置預(yù)焊電流，鋅層首先熔化并被壓力擠走，電極形成鋅銅合金減少，有利于焊核均勻形成；后處理段有利于約束焊核，增加電極壽命，減少后期飛濺.這些條件的適當匹配是保證點焊質(zhì)量的關(guān)鍵.而對于鋁合金材料，由于其低熔點.導(dǎo)電導(dǎo)熱性強.屈服強度低，需要“強規(guī)范”,大電流.短時間焊接，同時需要特定的焊接過程的參數(shù)監(jiān)控.

　　試驗表明，鍍鋅鋼板采用階梯式電流增量方法獲取優(yōu)化電流增量曲線，可以實現(xiàn)在電極電流密度迅速變化的情況下，控制合格的熔核尺寸，并保證把電極帽的磨損程度控制在可接受的范圍之內(nèi).

　　即控制器的電流階梯密度補償[21?

　　從更為精細及便于操作的角度出發(fā)，控制器應(yīng)具有焊接電流上下極限控制超限報警.超下限自動補焊.電流緩升緩降.線性插補.間歇式循環(huán)脈沖加熱等功能及以下一些功能：脈沖/非脈沖啟動.二次回路粘連檢測.恒電壓系數(shù).電源頻率選擇.有效焊點計數(shù)等.為了人機交互便捷，采用觸摸屏進行多信息的操作顯示.

　　1.3.2點焊是多變量多不確定因素的過程點焊是金屬的結(jié)晶過程，也是一個多變量耦合和諸多隨機不確定因素影響的過程，過程參數(shù)的檢測與監(jiān)控因此變得復(fù)雜131?點焊變壓器主電路是一個晶閘管（SCR）的交流調(diào)壓系統(tǒng)，通過控制SCR導(dǎo)通角調(diào)節(jié)焊接變壓器的電壓.每一個電網(wǎng)周波，控制系統(tǒng)都要調(diào)節(jié)SCR的觸發(fā)角，以確保提供恒定的焊接熱量.調(diào)節(jié)量與如下變量有關(guān)：設(shè)定的焊接電流或熱量.電網(wǎng)電壓的波動.焊接回路阻抗的變化.功率因數(shù)角的動態(tài).所以，系統(tǒng)要求在半個周波內(nèi)完成諸多參數(shù)的采集和處理，控制系統(tǒng)基于回路熱電轉(zhuǎn)換方程和多變量關(guān)系知識庫，建立一個龐大的數(shù)據(jù)表，以提供精細的調(diào)節(jié)數(shù)據(jù).

　　1.4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能新版DSP主控板基于TMS320F28 12數(shù)字信號處理器，包括電源監(jiān)控電路和濾波抗擾.同步檢測電路.互感器信號處理單元.過程參數(shù)數(shù)據(jù)采集.焊接過程監(jiān)控.故障自檢與顯示.焊點計數(shù)處理與報警.工位焊點監(jiān)控聯(lián)動.總線接口及外擴矩陣.晶閘管模塊觸發(fā)電路.過熱保護電路.顯示模塊.手持觸摸屏或LCD示教盒.系統(tǒng)功能框圖如圖1所示：

　　電源監(jiān)控和濾波抗擾電路提供DSP和外部接口的工作電源，并保障抗工業(yè)嚴酷等級二級以上的要求；互感器信號處理單元將自制精密互感器感應(yīng)的焊接電流信號進行處理后送至DSP數(shù)據(jù)通道；同步檢測電路對供電電源處理后輸出同步中斷信號；DSP輸出端連接反并聯(lián)晶閘管模塊的自適應(yīng)觸發(fā)電路；DSP的串行通信口接手持示教盒，示教盒為觸摸屏顯示操作方式或LCD和鍵盤方式，方便編程交互；顯示模塊亦通過串口與DSP通信，專用處理器處理被顯示數(shù)據(jù)，顯示在LED/LCD或其他顯示器件上，此模塊可長線機外連接，并有串口與外界相連；總線通訊接13與擴展接口矩陣有兩大功能，即提供多總線通訊接口及外部I/O擴展端子；自檢與狀態(tài)監(jiān)控使本機具有了智能化性能，通過硬件.軟件檢測與辨識，提供故障點報警和關(guān)鍵點狀態(tài)顯示，方便設(shè)備保全；過程數(shù)據(jù)參數(shù)采集是系統(tǒng)的重要組成部分，實時采集和處理工作電壓.電流.電壓電流過零.相位角.SCR導(dǎo)通角等，為過程控制與分析提供數(shù)據(jù)；焊點計數(shù)處理記錄并統(tǒng)計有效焊點，提供預(yù)設(shè)報警和統(tǒng)計監(jiān)控數(shù)據(jù)；PWM逆變接口是利用F2812具有的PWM控制接口，包括6路PWM/CMP?2路QEP?3路CAP?2路16位定時器（或TXPWM/TXCMP）及該芯片擴展的方便條件，構(gòu)建一個控制系統(tǒng).本控制器利用示教盒可進行遠距離焊接規(guī)范數(shù)據(jù)設(shè)定，也可方便地接人現(xiàn)場總線系統(tǒng)進行集中焊接數(shù)據(jù)設(shè)置和監(jiān)控.系統(tǒng)可以很方便的與CAN總線.PROFIBUS?工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線系統(tǒng)等相連，構(gòu)成或接入車間制造管理系統(tǒng).

　　1.5 系統(tǒng)特點汽車車身質(zhì)量關(guān)系到整車的質(zhì)量和性能，車身點焊的質(zhì)量決定了車身的質(zhì)量.點焊過程的質(zhì)量控制和管理是生產(chǎn)的關(guān)鍵所在.點焊控制器除完成準確精細的焊接規(guī)范要求外，還要進行準確的分析判斷，以減少飛濺，補償電極對熔核的影響，減少粘連.

　　1.5.1數(shù)據(jù)處理功能DSP可以實時采集大量數(shù)據(jù)并處理，進行快速比對分析.采集數(shù)據(jù)包括電網(wǎng)電壓波動.主回路電流.二次電流和電壓.SCR的狀態(tài)檢測等.通過處理分析可以獲得點焊質(zhì)量.補償狀態(tài).飛濺程度的基本判定并實施調(diào)整.DSP控制器在焊接電流波形.產(chǎn)熱特點和熔核變化規(guī)律上接近逆變焊機.一般電阻焊機加熱過程峰值功率比平均功率高出幾倍，當焊接電流達到峰值時，容易因熔核破裂而出現(xiàn)飛濺，其次在通電開始時。由于溫度上升過快。容易導(dǎo)致早期飛濺；DSP控制器焊接時，精細控制電流上升過程，監(jiān)視電極磨損狀態(tài)，限定電流過大，加熱相對平穩(wěn)，從而減少飛濺.

　　1.5.2優(yōu)質(zhì)焊接與有效管理的結(jié)合體焊裝線質(zhì)量管理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和終控制目標都離不開點焊過程控制器.控制器通過網(wǎng)絡(luò)通訊接口快速實時提供當前工藝規(guī)范.焊接電流或熱量.功率因數(shù)角.有效焊點數(shù)等重要的控管數(shù)據(jù)，才能實現(xiàn)有效的系統(tǒng)管理.不斷調(diào)整和優(yōu)化焊接電流，才能獲得好的焊接效果.焊接熱量的趨勢.電流密度和電極磨損等都可以得到實時監(jiān)控.

　　1.5.3焊接參數(shù)的實時顯示跟蹤和質(zhì)量追溯實現(xiàn)面向設(shè)備運行狀態(tài)的管理和生產(chǎn)的管理.

　　早期點焊控制器主要基于設(shè)備記錄運行歷史數(shù)據(jù)和故障信息.現(xiàn)在面向生產(chǎn)質(zhì)量，可利用RFID等標識方便地讀取工件信息，并把進入識別區(qū)后對工件的所有焊接數(shù)據(jù)和相關(guān)信息記錄在該標識下，實現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)處理.轉(zhuǎn)存和歷史數(shù)據(jù)應(yīng)用.在實行汽車質(zhì)量召回制度后，方便地進行質(zhì)量跟蹤或追溯.

　　1.5.4智能自檢和高速復(fù)合運算采用PID控制算法調(diào)節(jié)焊接電流大小，DSP采集焊鉗端電流及相關(guān)數(shù)據(jù)，電流半周波256個采樣點，計算電流有效值，根據(jù)該值反饋給DSP控制輸出端，利用模糊控制算法完成對電流大小的控制.

　　如圖2所示：

　　系統(tǒng)在主DSP控制下，采用協(xié)處理器FPGA專門處理焊接電流數(shù)據(jù)，補償運算和飛濺輔助判斷.

　　在顯示模塊也采用專門處理器進行數(shù)據(jù)收發(fā).顯示和交互，是傳統(tǒng)8位單片機所不及的.

　　1.5.5強大的通信功能，進入信息化系統(tǒng)系統(tǒng)具有豐富的工業(yè)接口功能，可以提供CAN?以太網(wǎng).PROFIBUS-DP?DEVICENET等工業(yè)組網(wǎng)接口，實現(xiàn)車間級信息數(shù)據(jù)管理，還可以提供點焊現(xiàn)場總線聯(lián)網(wǎng)限容控制算法，完成集中編程.監(jiān)控.實時焊接數(shù)據(jù)存儲.數(shù)據(jù)庫查詢檢索以及電網(wǎng)三相平衡分配.配合焊點計數(shù)系統(tǒng)，實現(xiàn)對車身焊接工位焊點數(shù)的監(jiān)控，可與控制卡具的PLC進行通信聯(lián)動，當焊接工位的焊點數(shù)不夠時，不允許打開卡具.

　　可以方便的構(gòu)成焊裝車間ANDON系統(tǒng)，并推進可視化管理.