传感器在实现电阻点焊自动化上的应用

摘 要 文章介绍了压力传感器、位移传感器、罗氏线圈电流传感器的基本原理及其在电阻点焊过程中的应用，通过各种传感器的应用，电阻点焊机可以对焊件焊接过程的各个参数的动态监测和适时调整，实现电阻点焊过程的自动化。

【关键词】压力传感器 位移传感器 罗氏线圈电流传感器 自动化

电阻点焊是工件组合后通过电极施加压力，利用电流通过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热进行焊接的方法，广泛应用于航空、能源、汽车等行业。其具体工艺过程为：

（1）将焊件表面清理干净，装配准确后，送入上、下电极之间，施加压力，使其接触良好；

（2）通电使两工件接触表面受热，局部熔化，形成熔核；

（3）断电后保持压力，使熔核在压力下冷却凝固形成焊点；

（4）去除压力，取出工件。在整个焊接过程中，焊接电流、电极压力、通电时间等点焊工艺参数对焊接质量有重大影响。随着现代工业自动化的全面推进，通过对各点焊工艺参数的实时监测和反馈，电阻点焊技术也进入一个全新的自动化阶段。在实现电阻点焊自动化的过程中，传感器的应用功不可没。

传感器，能感受规定的被测量并按一定规律转换成为可用信号输出的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。在电阻点焊过程中常用的传感器包括罗氏线圈电流传感器、直线位移传感器和压力传感器等。

1 压力传感器

在电阻点焊中，电极力的作用是保证电极与焊件以及焊件与焊件之间必要的电接触，且限制焊接区金属的喷溅。对于点焊过程中电极压力的测定，目前经常采用电阻式压力传感器。如图1所示，电极压力是由电极上下伸缩所产生的，而电极的伸缩则受电极臂内气缸的控制。通过对气缸气压的控制，来达到控制电极压力的目的。同样，监测气缸进气气压的大小也可以达到监测电极压力的目的。

本文采用的是压力传感器，GZP160，该传感器是压阻式传感器由一个弹性膜及集成在膜上的4个等值电阻组成，四个压敏电阻形成了惠斯通电桥结构，当有压力作用在弹性膜上时电桥会产生一个与所加压力成线性比例关系的电压输出信号。在电阻点焊过程中，电极压力的加压过程可以分为电极触压到焊件上、预压压力、焊接压力、锻压压力、卸载五个阶段。为保证良好的焊接质量，各阶段所需的压力有所不同。通过对电极气缸压力的监测，GZP160压力传感器可以较准确地采集到点焊电极压力的变化，系统根据实测的压力参数，反映给控制系统，系统根据其测量到的板材厚度和焊接的过程变化，给出不同的输出量，以形成一个闭环控制，驱动电极气缸的进气阀，调节气缸内部的气压来动态调节电极压力，保证焊点的焊接质量。

2 直线位移传感器

直线位移传感器的功能在于把直线机械位移量转换成电信号。通常将可变电阻滑轨定置在传感器的固定部位，通过滑片在滑轨上的位移来测量不同的阻值。传感器滑轨连接稳态直流电压，允许流过微安培的小电流，滑片和始端之间的电压，与滑片移动的长度成正比。图1中所示的位移传感器即拉杆式位移传感器，安装在电阻点焊机的电极臂上可伸缩的电极内部。焊接开始前，需要对电极进行零校准。具体操作如下：在保证上下电极轴心在同一直线上时，不加任何焊件，使两个电极头紧密接触，此时点焊机控制系统将位移传感器当前滑片所在位置的电压值记录并存储。当将焊件夹在两个电极点焊头中间时，点焊头的位置较之前的零校准位置发生一定偏移，则位移传感器的滑片位置也发生相应变化，传递给控制系统的电压值也就不同。不同的电压值对应不同的点焊头位移距离，该位移量也就是需要焊接焊件的厚度。这就是位移传感器的主要作用。传感器将所测焊件的厚度参数传递给控制系统。控制系统根据板件厚度，自动设定合理的焊接电流和时间，实现电阻点焊的自动化。其具体应用电路如图2。

图中插座处为拉杆式位移传感器的接线处，采用直流12V供电，放大器将其反馈电压放大后，经线性光耦隔离将距离数据反馈给控制系统。线性光耦的作用是既保证传感器传送的电压值跟钣金厚的线性关系，又能将焊接头上的大电流与控制系统隔开，从而提高系统工作的稳定性。

3 罗氏线圈电流传感器

罗氏线圈电流传感器，是一个均匀缠绕在非铁磁性材料上的环形线圈，输出信号是电流对时间的微分。通过一个对输出的电压信号积分的电路，就可以真实还原输入电流。跟传统的霍尔传感器相比，罗氏线圈具有测量范围宽，精度高，稳定可靠，响应频带宽，抗干扰性强等特点。它的基本工作原理如图3。

当被测电流沿轴线通过罗氏线圈中心时，在环形绕组所包围的体积内产生相应变化的磁场。线圈内部磁场强度为H，由安培环路定律得：∮H・dl=I（t）；线圈的感应电压与H的变化率成正比，因此，所有线圈的感应电势之和与电流的变化率成正比，也就是：e（t）=di/dt，对输出电压e（t）求积分，即为电流。

逆变焊接电源中，对焊接电流的实时监测主要有以下作用：

（1）逆变焊接电源根据焊接电流的反馈形成一个闭环反馈，通过PI调节，可以输出需要的焊接电流波形。如图4所示。

（2）当系统检测到焊接电流值超过过载保护电路的电流设定值时，输出控制系统会中止逆变焊接电源中所有有功率器件的输入脉冲，将焊接电流降为0A，进而保护焊接电源。

（3）实时的电流监测，可以动态的了解电阻点焊过程中电流的变化，给提高焊点质量最直接的数据参考。

4 电导率传感器

在焊接不同的金属材料时，电阻点焊机需要设定不同的焊接参数。不锈钢的电阻率高，其导电性差，因此点焊不锈钢时产热易散热难，其所需的焊接电流较小；铝合金电阻率低，其导电性好，因此点焊铝合金时产热难而散热易，其所需的焊接电流很大。如果能通过金属电阻率传感器，在焊接前对焊件的电阻率进行检测，则可以根据焊件的导电特性设定合理的焊接电流和焊接时间。金属电阻率的测量需要直接接触焊件，而直接接触焊件，在焊接过程中必然会有大的焊接电流。这是金属电阻率传感器无法承受的。因此，在实际应用中，电阻率的测量是通过在焊件上加载一个小的焊接电流，并检测焊件两端的电压，根据R=U/I，大概估算出金属焊件的电阻率。

5 结论

在应用中通过压力传感器、位移传感器、电阻率传感器对电阻点焊过程中电极压力、焊件厚度，焊件电阻率进行实时监测，系统根据所测数据自动设定电极压力、焊接电流、焊接时间；在焊接过程中，罗氏线圈电流传感器实时采集和调整焊接电流。电阻点焊过程中各种传感器的使用，实时监控了焊件的焊接过程，保证了焊件的焊接质量，实现电阻点焊过程的自动化。

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作者单位

中山市鹰飞电器有限公司 广东省中山市 528400