朱振柏，曹 彪，楊 凱

（1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州510640；2.廣州市精源電子設(shè)備有限公司，廣東 廣州 510535）

面向汽車制造的中頻電阻點(diǎn)焊人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

朱振柏1，曹 彪1，楊 凱2

（1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州510640；2.廣州市精源電子設(shè)備有限公司，廣東 廣州 510535）

隨著汽車制造輕量化的發(fā)展，針對(duì)中頻電阻點(diǎn)焊控制器日益復(fù)雜的功能需求，設(shè)計(jì)了基于DSP的中頻電阻點(diǎn)焊彩色觸摸人機(jī)交互系統(tǒng)。系統(tǒng)以dsPIC33FJ64GS610為控制核心，觸摸屏為人機(jī)交互界面，采用超級(jí)圖形應(yīng)用軟件SGUSDesign實(shí)現(xiàn)觸摸屏的設(shè)計(jì)及編程，通過RS232通信電路實(shí)現(xiàn)DSP與觸摸屏的數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)的設(shè)定與記錄，焊接電流、電壓及功率的監(jiān)控，電極磨損時(shí)的焊接電流和電極電壓的步增補(bǔ)償以及焊接過程中電流、電壓、動(dòng)態(tài)電阻的實(shí)時(shí)曲線顯示，有利于改善電極磨損，豐富質(zhì)量監(jiān)控信息。試驗(yàn)表明，該人機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)潔美觀、操作簡(jiǎn)易，性能穩(wěn)定。

電阻點(diǎn)焊；人機(jī)交互系統(tǒng)；觸摸屏；電極補(bǔ)償；壓力補(bǔ)償

0 前言

計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展使焊接監(jiān)控和控制系統(tǒng)更加多樣化。電阻焊機(jī)的數(shù)字化發(fā)展一方面使焊接質(zhì)量更加可靠，另一方面人機(jī)交互界面的引入使電阻焊機(jī)的使用更加直觀簡(jiǎn)便。目前，電阻焊機(jī)的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)單一，多為按鍵加數(shù)碼管或單色液晶顯示屏，操作復(fù)雜、學(xué)習(xí)過程長(zhǎng)、可移植性不高。隨著數(shù)字化時(shí)代的到來以及點(diǎn)焊精度的提高，人們對(duì)點(diǎn)焊控制器和人機(jī)界面的簡(jiǎn)潔性、方便性、美觀性及實(shí)時(shí)性提出了更高的要求[1]。

大功率中頻電阻點(diǎn)焊控制器廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一輛轎車的生產(chǎn)需要4 000～6 000個(gè)電阻點(diǎn)焊焊點(diǎn)[2]，電阻點(diǎn)焊的焊接質(zhì)量直接影響汽車制造的質(zhì)量，而點(diǎn)焊質(zhì)量的穩(wěn)定性與電極磨損有重要關(guān)系。本研究采用步增焊接電流及電極電壓的方法補(bǔ)償焊接過程中的電極磨損，以獲得良好、穩(wěn)定的焊接質(zhì)量。

電阻點(diǎn)焊的人機(jī)交互界面的主要職能是實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊控制系統(tǒng)的焊機(jī)參數(shù)的輸入和顯示。本研究的人機(jī)交互界面是基于深圳欣瑞達(dá)公司的SGUS彩色觸摸屏模塊開發(fā)的，在焊接系統(tǒng)中起到上位機(jī)的作用。Microchip公司的dsPIC33FJ64GS610作為主控芯片，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、處理以及存儲(chǔ)，主控芯片與SGUS觸摸屏的通信通過RS232串口實(shí)現(xiàn)。

1 人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 人機(jī)交互系統(tǒng)的總體架構(gòu)

人機(jī)交互系統(tǒng)由人機(jī)界面和軟件程序組成。軟件程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，包括通信模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、監(jiān)控報(bào)警模塊等。通信模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中電阻焊機(jī)與觸摸屏之間的通信；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊完成焊接參數(shù)的讀取、記錄以及焊接結(jié)果的保存；監(jiān)控模塊監(jiān)控焊接過程并對(duì)故障產(chǎn)生報(bào)警。人機(jī)交互系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 SGUSDesign簡(jiǎn)介

超級(jí)圖形應(yīng)用軟件SGUSDesign是基于欣瑞達(dá)串口屏硬件平臺(tái)研發(fā)的智能型圖形顯示系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)為：開發(fā)簡(jiǎn)單、界面精美、占用資源少，MCU性能要求低，代碼量小，具有開放的OS二次開發(fā)功能，可使SGUS串口屏的功能更為豐富和靈活。

1.3 人機(jī)界面的設(shè)計(jì)

考慮到用戶的操作簡(jiǎn)便性，人機(jī)界面采用菜單式結(jié)構(gòu)，包括焊接參數(shù)設(shè)置界面、監(jiān)控參數(shù)顯示界面、電極磨損的電流和壓力補(bǔ)償界面以及實(shí)時(shí)曲線顯示界面。人機(jī)界面采用扁平化設(shè)計(jì)，界面簡(jiǎn)潔明了，縮短用戶的學(xué)習(xí)過程。在控制系統(tǒng)中，人機(jī)界面主要承擔(dān)上位機(jī)的作用，在SGUS觸摸屏上可視化地輸入控制參數(shù)，通過通訊模塊傳送到電阻點(diǎn)焊控制器，實(shí)現(xiàn)規(guī)范化焊接。人機(jī)界面的設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖2所示。

1.3.1焊接參數(shù)設(shè)置界面的設(shè)計(jì)

圖1 人機(jī)交互系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)架構(gòu)

電阻點(diǎn)焊是利用電流通過工件與工件間的接觸電阻產(chǎn)生的電阻熱，在兩個(gè)工件之間形成熔核從而實(shí)現(xiàn)工件連接的焊接方法[3]。根據(jù)焦耳熱的原理，電流和時(shí)間是電阻點(diǎn)焊的兩個(gè)重要參數(shù)。因此焊接參數(shù)頁(yè)面主要是對(duì)焊接過程各階段的電流和對(duì)應(yīng)時(shí)間進(jìn)行設(shè)置。為保證焊接質(zhì)量，在人機(jī)交互系統(tǒng)中可根據(jù)工件試驗(yàn)情況對(duì)預(yù)壓時(shí)間、緩升時(shí)間、加熱電流與時(shí)間、冷卻時(shí)間以及壓力維持時(shí)間進(jìn)行設(shè)置。采用3段加熱可選擇的方式，保證廣泛的焊接工藝適應(yīng)性?？刂破髦С?2組焊接規(guī)范的存儲(chǔ)，輸入焊接參數(shù)組數(shù)即可從控制器中調(diào)出對(duì)應(yīng)的焊接參數(shù)，避免了重復(fù)設(shè)置焊接參數(shù)，提高了工作效率。焊接參數(shù)設(shè)置界面布局如圖3所示。

圖3 焊接參數(shù)設(shè)置界面

1.3.2 監(jiān)控參數(shù)顯示界面的設(shè)計(jì)

用戶依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，通過觸摸屏輸入焊接各階段對(duì)應(yīng)的電流、電壓和功率的上下限，監(jiān)控模塊將對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)檢測(cè)到異常狀態(tài)時(shí)即產(chǎn)生報(bào)警，保證焊接生產(chǎn)的安全。監(jiān)控參數(shù)顯示界面布局如圖4所示。

圖4 監(jiān)控參數(shù)顯示界面

1.3.3 電極磨損補(bǔ)償界面的設(shè)計(jì)

在焊接過程中，電極磨損難以避免，尤其是在汽車行業(yè)中，汽車車身普遍采用鍍鋅鋼板，而鍍鋅層易與電極發(fā)生合金化，導(dǎo)致電極嚴(yán)重磨損[4]。電極頭直徑也會(huì)隨著磨損而增加，電流密度隨之降低，焊點(diǎn)直徑因此減小，從而降低焊點(diǎn)質(zhì)量。因此，需要對(duì)電極磨損進(jìn)行補(bǔ)償，采用電流、電極壓力兩種補(bǔ)償方式，分別設(shè)置10個(gè)焊接階段，根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定電極磨損情況，每個(gè)階段采用相當(dāng)于未磨損情況下一定倍率的電流量焊接若干點(diǎn)數(shù)。電流步增補(bǔ)償電極磨損的界面如圖5所示。

電極壓力對(duì)接觸電阻有重要影響，因此也影響到焊接質(zhì)量，當(dāng)電極發(fā)生磨損時(shí)，通過改變電極壓力可補(bǔ)償電流密度的降低。電極壓力步增補(bǔ)償電極磨損的界面布局如圖6所示。

圖5 焊接電流步增補(bǔ)償界面

圖6 電極壓力步增補(bǔ)償界面

1.3.4 實(shí)時(shí)曲線顯示界面的設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)性是對(duì)預(yù)定的事件快速進(jìn)行響應(yīng)，實(shí)時(shí)性要求數(shù)據(jù)傳輸盡可能快速，并且數(shù)據(jù)接收處理程序和發(fā)送繪制曲線程序需要在下一次數(shù)據(jù)傳輸過程中執(zhí)行完畢。通訊協(xié)議的波特率為9 600 bps，因此接收一個(gè)字節(jié)需要1.04 ms，考慮到采集數(shù)據(jù)及處理所需時(shí)間，控制器需要在3 ms內(nèi)將數(shù)據(jù)處理完畢并發(fā)送到SGUS觸摸屏中進(jìn)行實(shí)時(shí)曲線繪制顯示。

實(shí)時(shí)曲線的顯示能直觀地觀測(cè)到焊接過程中的電壓、電流以及動(dòng)態(tài)電阻的變化，便于調(diào)整焊接參數(shù)，從而提高焊接質(zhì)量。

2 通訊模塊的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)與觸摸屏的通信協(xié)議采用采用異步、全雙工串口（UART）作為通訊接口。串口模式為8n1，每個(gè)數(shù)據(jù)采用10位方式發(fā)送：1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位（地位在前，LSB），1位停止位。串口波特率通過TF卡配置，設(shè)置為9 600 bps。所有指令和數(shù)據(jù)均采用16進(jìn)制格式，對(duì)于雙字節(jié)或者多字節(jié)數(shù)據(jù)，按照先發(fā)高字節(jié)、再發(fā)低字節(jié)的方式發(fā)送。

以寫SGUS觸摸屏變量存儲(chǔ)空間為例，通信協(xié)議的數(shù)據(jù)格式如表1所示，操作指令說明如表2所示。人機(jī)界面的鍵盤按鍵用于焊接參數(shù)的輸入，按鍵鍵值定義如表3所示。

表1 通信協(xié)議數(shù)據(jù)格式

表2 通信協(xié)議操作指令說明

表3 按鍵鍵值定義

在各模塊開發(fā)的基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面預(yù)定功能的實(shí)現(xiàn)，將各模塊的程序按照進(jìn)程組合成整體的功能程序，主程序流程如圖7所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果

在厚度1 mm的銅鍍錫材料電阻點(diǎn)焊焊接中，3段焊接時(shí)間分別設(shè)置為25 ms、190 ms和25 ms，在恒電流模式下焊接電流設(shè)置為2.8 kA、2.8 kA和2.0 kA，在焊接過程中實(shí)時(shí)采集電流和電壓值，在觸摸屏上顯示如圖8、圖9所示。

根據(jù)采集的電流、電壓數(shù)值，由控制器處理得到動(dòng)態(tài)電阻值，描繪出實(shí)時(shí)曲線如圖10所示。

影響電阻點(diǎn)焊焊接質(zhì)量的主要因素有焊接電流、時(shí)間和電極壓力。設(shè)計(jì)的人機(jī)交互系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了焊接電流、電壓以及動(dòng)態(tài)電阻曲線的實(shí)時(shí)顯示，對(duì)調(diào)整焊接電流和時(shí)間等重要焊接參數(shù)具有指導(dǎo)作用，對(duì)提高焊接質(zhì)量有重要意義。

圖7 主程序流程

圖8 電流實(shí)時(shí)曲線顯示

圖9 電壓實(shí)時(shí)曲線顯示

4 結(jié)論

（1）基于SGUS觸摸屏設(shè)計(jì)了具有焊接參數(shù)設(shè)置及存儲(chǔ)、過程監(jiān)控、電極磨損補(bǔ)償、實(shí)時(shí)曲線顯示、故障報(bào)警、串口通信等多種功能的中頻電阻點(diǎn)焊人機(jī)交互界面。

圖10 動(dòng)態(tài)電阻實(shí)時(shí)曲線顯示

（2）以dsPIC33FJ64GS610為控制核心，通過RS232通信接口實(shí)現(xiàn)與觸摸屏之間的焊接規(guī)范及實(shí)時(shí)過程信息的傳輸、顯示及存儲(chǔ)。

（3）針對(duì)焊接中電極磨損嚴(yán)重的問題，提供了在連續(xù)點(diǎn)焊焊接過程中步增焊接電流或者電極壓力以補(bǔ)償電流密度的下降的人機(jī)交互界面，有利于提高連續(xù)點(diǎn)焊質(zhì)量的穩(wěn)定性。

[1]曹彪，陳志宏，譚偉峰，等.精密逆變電阻點(diǎn)焊電源DSP控制系統(tǒng)[J].電焊機(jī)，2006，36（6）：41-44.

[2]王敏.電阻焊在汽車工業(yè)中的應(yīng)用[J].電焊機(jī)，2003，33（1）：1-6.

[3]趙熹華.壓力焊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[4]張旭強(qiáng)，張延松，陳關(guān)龍.熱鍍鋅高強(qiáng)鋼點(diǎn)焊的電極磨損機(jī)理分析[J].焊接學(xué)報(bào)，2009，30（11）：41-43.

[5]Parker J.Prediction of electrode campaign life when spot welding zinc coated steels incorporating electrode tip dressingoperations[J].Ironmaking&Steelmaking，1996，23（2）：157-163.

Design of man-machine interactive system for medium frequency resistance spot welding for automotive manufacturing

ZHU Zhenbo1，CAO Biao1，YANG Kai2
（1.School of Mechanical&Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China；2.Guangzhou JingYuan Electrical Equipment Co.，Ltd.，Guangzhou 510535，China）

With the development of the automobile lightweight，aiming at the increasingly complicated functional requirements of the medium frequency resistance spot welding controller，a man-machine interactive system with a colorful touch screen based on DSP is designed.The dsPIC33FJ64GS610 is taken as control core and a touch screen as man-machine interactive interface for this system，the software SGUSDesign is adopted to program and design the touch-screen and the data exchange between DSP and touch-screen is realized by RS232 communication circuit.This system can realize the setting and record of welding parameters，the monitoring of welding current，voltage and power，the compensation of welding current and electrode voltage when electrode is worn，as well as the display of the real-time curve of current，voltage and dynamic resistance in the welding process.This system can improve the welding quality while electrode is worn and provide abundant information for quality monitoring.The results show that this man-machine interactive system is concise，beautiful，steady and easy to operate.

resistance spot welding；man-machine interactive system；touch screen；electrode compensation；pressure compensation

TG438.2

A

1001－2303（2017）06－0033-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.06.07

2017-01-31

廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2017010160466）

朱振柏（1993—），男，在讀碩士，主要從事現(xiàn)代焊接技術(shù)與數(shù)字化電源的研究。E－mail：20162010 0068@scut.edu.cn。

本文參考文獻(xiàn)引用格式：朱振柏，曹彪，楊凱.面向汽車制造的中頻電阻點(diǎn)焊人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電焊機(jī)，2017，47（06）：33-37.