本發(fā)明屬于電氣工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種電弧縮頸檢測技術(shù)，尤其涉及一種電弧焊接中電阻多階微分法縮頸檢測方法。

背景技術(shù)：

在電弧焊接技術(shù)中，為了降低焊接能耗，減小電流的輸入，在電弧作用下，熔化電極材料不斷熔化，形成熔滴，由于熔滴的不斷生長和送絲機(jī)構(gòu)不斷推送熔化電極，熔滴和母材接觸，熔化電極和母材在熔滴的橋接作用下形成短路，隨著能量的不斷輸入，熔滴開始從熔化電極脫落，在脫落過程中，熔滴與熔化電極的過渡區(qū)段的液體金屬截面積不斷縮小，形成頸縮，并最終脫落。

在縮頸過程中，縮頸區(qū)段的截面積不斷減小，電阻不斷增大，如果保持電流不變，則電能主要在縮頸區(qū)段轉(zhuǎn)化成熱能，能量局部集中，使液態(tài)金屬快速氣化而形成微電爆炸，在焊接過程中表現(xiàn)為金屬飛濺大。為了減小甚至消除飛濺，在縮頸階段需要把焊接電流降低到液態(tài)金屬不能發(fā)生氣化的程度，即需要在縮頸階段對電流進(jìn)行控制。要對縮頸階段進(jìn)行電流控制，則需要檢測縮頸階段發(fā)生的時間點。

對縮頸過程的檢測主要以下幾種方法：

1、電壓差或電壓的一階微分或二階微分法，由于縮頸過程的實質(zhì)過程是縮頸區(qū)段的截面積不斷減小到最后液態(tài)金屬斷裂，能夠反映這種變化的最直接的參量是電阻，所以，通過檢查電壓的變化無法剔除電流變化帶來的干擾，檢查不可避免地會帶來誤差。

2、電阻一階微分法或電阻差方法，雖然這兩種方法都能檢測到縮頸的發(fā)生，但是，缺點也比較明顯；在縮頸過程中，從電阻的變化過程來看，先是短路電阻值很低(在幾十毫歐數(shù)量級)且比較穩(wěn)定，然后電阻值開始變大，而且變化越來越快，最后電阻值近似垂線上升，當(dāng)縮頸過程接近尾聲的時候，電阻的變化開始變慢，而且變化也越來越慢，直到近似穩(wěn)定(在幾百毫歐數(shù)量級)，縮頸過程的經(jīng)歷的時間較短，一般在幾百微秒這樣的數(shù)量級，電阻一階微分或電阻差，都需要和閾值進(jìn)行比較，如果閾值取得過大，則檢測到的縮頸時刻可能是電阻變化最快的時刻，相當(dāng)于縮頸過程的時間中間點，這樣的時間點對縮頸過程的電流控制沒有意義，如果閾值選擇的過小，雖然能夠較早檢測到縮頸過程，但容易受到電阻擾動變化的干擾，使檢測的準(zhǔn)確性降低，可能存在一個不大不小的最佳閾值，但這個閾值很難確定；同時，在不同的條件下，縮頸過程也不一樣，電阻一階微分或電阻差很難適應(yīng)不同的縮頸過程檢測。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了快速準(zhǔn)確檢測短路過渡電弧焊接方式中的縮頸過程，本發(fā)明提出了電弧焊接中電阻多階微分法縮頸檢測方法，通過電阻對時間的一階微分、二階微分和三階微分的運(yùn)算，把運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為邏輯信號，通過邏輯運(yùn)算得到電阻變化曲線上的彎曲程度局部最大點，從而準(zhǔn)確檢測出縮頸過程的起點和終點，為縮頸控制提供精準(zhǔn)的信號。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

電弧焊接中電阻多階微分法縮頸檢測方法，其特征在于，把短路過渡電弧焊接中電阻曲線上縮頸過程起始區(qū)段彎曲程度最大的點作為縮頸過程的起點，把把短路過渡電弧焊接中電阻曲線上縮頸過程結(jié)束區(qū)段彎曲程度最大的點作為縮頸過程的終點。

優(yōu)選的，把數(shù)值計算轉(zhuǎn)換為邏輯運(yùn)算，檢測出縮頸過程起點和終點的δ區(qū)間。

優(yōu)選的，具體步驟如下：

首先測量電弧電阻；

然后，在短路過渡的電弧焊接過程中，進(jìn)入縮頸階段，把縮頸過程起始區(qū)段電阻率變化最快的點作為縮頸過程起始的標(biāo)志；在縮頸過程起始區(qū)段電阻曲線上彎曲程度最大點或鄰近δ區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生一個信號，外部電路或系統(tǒng)接收到這個信號，通過該信號判斷縮頸過程的起始時刻；在縮頸過程的結(jié)束區(qū)段，把電阻變化最快的點作為縮頸過程的結(jié)束標(biāo)志；在縮頸過程結(jié)束區(qū)段電阻曲線上彎曲程度最大點或鄰近δ區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生一個信號，外部電路或系統(tǒng)接收到這個信號，通過該信號判斷縮頸過程的結(jié)束時刻；

最后，通過電路得到電阻的一階微分、二階微分和三階微分，并分別設(shè)定一階微分、二階微分和三階微分的閾值；電阻一階微分值與閾值比較，如果電阻一階微分值大于閾值，則取邏輯高電平，如果電阻一階微分值小于閾值，則取邏輯低電平，得到第一邏輯信號；電阻二階微分值與閾值比較，如果電阻二階微分值大于閾值，則取邏輯高電平，如果電阻二階微分值小于閾值，則取邏輯低電平，得到第二邏輯信號；電阻三階微分值與閾值比較，如果電阻三階微分值大于閾值，則取邏輯高電平，如果電阻三階微分值小于閾值，則取邏輯低電平，得到第三邏輯信號。第三邏輯信號先做非運(yùn)算，再和第一邏輯信號、第二邏輯信號一起做與運(yùn)算，得到的結(jié)果為第四邏輯信號，第四邏輯信號上出現(xiàn)起始標(biāo)志信號和結(jié)束標(biāo)志信號兩個高電平信號，起始標(biāo)志信號高電平信號對應(yīng)的為電阻曲線上縮頸過程起始區(qū)段彎曲程度最大點的一個δ區(qū)間，結(jié)束標(biāo)志信號高電平信號對應(yīng)的為電阻曲線上縮頸過程結(jié)束區(qū)段彎曲程度最大點的一個δ區(qū)間；第四邏輯信號上的起始標(biāo)志信號高電平信號和結(jié)束標(biāo)志信號高電平信號為縮頸過程的起始和結(jié)束信號，作為外部電路縮頸檢測和控制使用。

優(yōu)選的，測量電弧電阻時，使用電壓傳感器測量電弧的電壓，使用電流傳感器測量電弧的電流，電壓除以電流得到電弧電阻。

優(yōu)選的，使用以運(yùn)算放大器為基礎(chǔ)器件的模擬電路構(gòu)成除法電路對電壓電流信號做除法運(yùn)算得到電弧電阻值。

本發(fā)明的優(yōu)點：

1、使用電弧電阻曲線上縮頸過程起始區(qū)段彎曲程度最大的點作為頸縮過程的起點，使用電弧電阻曲線上縮頸過程結(jié)束區(qū)段彎曲程度最大的點作為頸縮過程的終點，定義唯一確定，能適用各種工況的縮頸過程的檢測。

2、使用電阻的多階微分，能夠準(zhǔn)確檢測出縮頸過程的起點和終點。

通過多階微分值與閾值比較得到邏輯信號，再進(jìn)行邏輯運(yùn)算，把復(fù)雜的數(shù)值計算轉(zhuǎn)換為簡單的邏輯運(yùn)算，便于電路的實現(xiàn)。

在電弧焊接的短路過渡的縮頸階段，電阻在不斷地變化，可以把電阻當(dāng)做一個隨時間的變化的函數(shù)，通過電阻對時間的多階微分，可以得到電阻曲線上彎曲程度最大的點，縮頸過程中電阻曲線上彎曲程度局部最大點即為縮頸過程的起點和終點，從而完成高精度的縮頸檢測?？s頸檢測為縮頸過程中的電流控制服務(wù)。

附圖說明

圖1為電弧電阻曲線；

圖2為電弧電阻一階微分曲線；

圖3為電弧電阻二階微分曲線；

圖4為電阻三階微分曲線零點對應(yīng)電阻一階微分曲線變化最快點曲線；

圖5為各階微分值與閾值比較后得到的邏輯信號波形；

圖中：

101-電阻曲線上縮頸過程起始區(qū)段；

102-電阻曲線上縮頸過程結(jié)束區(qū)段；

201-電阻一階微分曲線上升最陡區(qū)段；

202-電阻一階微分曲線下降最陡區(qū)段；

301-電阻二階微分曲線局部極大值點，對應(yīng)電阻一階微分曲線上升最陡點；

302-電阻二階微分曲線局部極大值點，對應(yīng)電阻一階微分曲線下降最陡點；

401-電阻三階微分曲線零點，對應(yīng)電阻一階微分曲線上升最陡點；

402-電阻三階微分曲線零點，對應(yīng)電阻一階微分曲線下降最陡點；

501-電阻一階微分值與閾值比較后得到的第一邏輯信號；

502-電阻二階微分值與閾值比較后得到的第二邏輯信號；

503-電阻三階微分值與閾值比較后得到的第三邏輯信號；

504-第四邏輯信號；

505-縮頸過程起始標(biāo)志信號；

506-縮頸過程結(jié)束標(biāo)志信號；

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面本發(fā)明中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

首先測量電弧電阻，在電弧焊接過程中，不能直接測量電弧的電阻，但可以測量電弧的電壓和流過電弧的電流，所以，電弧電阻的測量通過間接測量的方式進(jìn)行。使用電壓傳感器測量電弧的電壓，使用電流傳感器測量電弧的電流，電壓除以電流得到電弧電阻。為了快速運(yùn)算，使用以運(yùn)算放大器為基礎(chǔ)器件的模擬電路構(gòu)成除法電路對電壓電流信號做除法運(yùn)算得到電弧電阻值。

如圖1所示，通過實驗測量表明，在短路過渡的電弧焊接過程中，短路電阻阻值較小，一般為幾十毫歐且比較穩(wěn)定；隨著電流能量的持續(xù)輸入，熔化極材料繼續(xù)熔化進(jìn)入熔滴，熔滴繼續(xù)增大，同時，熔滴的溫度升高，粘稠度降低，熔滴開始脫落，進(jìn)入縮頸階段；101為縮頸過程的起始區(qū)段，在縮頸過程的起始區(qū)段，電阻開始緩慢增加，但增加的速度越來越快，電阻越來越大；過了縮頸過程的起始區(qū)段后，電阻變化速度很快，但電阻變化率基本穩(wěn)定；在縮頸過程的起始區(qū)段，電阻的變化率在不斷改變，而且電阻的變化率的變化是一個由慢到快再由快到慢的過程，所以，在這個過程中，有一個電阻率變化最快的一個點，而這個點也是縮頸過程起始區(qū)段電阻曲線上彎曲程度最大點，把這一點作為縮頸過程起始的標(biāo)志；在縮頸過程起始區(qū)段電阻曲線上彎曲程度最大點或鄰近δ區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生一個信號，外部電路或系統(tǒng)接收到了這個信號，就能準(zhǔn)確判斷縮頸過程的起始時刻。102為縮頸過程的結(jié)束區(qū)段，在縮頸過程的結(jié)束區(qū)段，電阻變化的速度開始變慢，而電阻變化率的變化先變快，后變慢，電阻變化最后趨近于零，保持穩(wěn)定；所以，在縮頸過程的結(jié)束區(qū)段，電阻變化率也有一個由慢到快并由快到慢的變化過程，電阻變化率存在一個變化最快的點，這個變化最快的點是縮頸過程結(jié)束區(qū)段電阻曲線上彎曲程度最大的點，把這一點作為縮頸過程的結(jié)束標(biāo)志；在縮頸過程結(jié)束區(qū)段電阻曲線上彎曲程度最大點或鄰近δ區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生一個信號，外部電路或系統(tǒng)接收到了這個信號，就能準(zhǔn)確判斷縮頸過程的結(jié)束時刻。

如圖2所示，電阻曲線的一階微分曲線就是電阻的變化率曲線，從一階微分曲線上可以看出，201區(qū)段所對應(yīng)的為電阻曲線縮頸過程的起始區(qū)段，在201區(qū)段內(nèi)，上升最陡的一點對應(yīng)電阻曲線上縮頸過程起始區(qū)段中彎曲程度最大的一點；同樣，202區(qū)段所對應(yīng)的是電阻曲線縮頸過程的結(jié)束區(qū)段，在202區(qū)段內(nèi)，下降最陡的一點對應(yīng)電阻曲線上縮頸過程彎曲程度最大的一點。

如圖3所示，電阻二階微分曲線能夠把一階微分曲線上的上升和下降最陡點確定出來。301為電阻二階微分的一個局部極大值點，這一點正好對應(yīng)電阻一階微分曲線上升最陡的一點；302為電阻二階微分的另一個局部極大值點，此點對應(yīng)的是電阻一階微分曲線上下降最陡的一點。

如圖4所示，電阻二階微分曲線的局部極大值點雖然明確，但通過電路來直接捕獲這樣的點并非易事，因為不同的工況下電阻二階微分曲線上的局部極大值點可能變化。所以，取電阻三階微分，電阻二階微分曲線上的局部極大值點對應(yīng)的是電阻三階微分曲線上的零點。401為電阻三階微分曲線上的零點，對應(yīng)的是電阻二階微分曲線上的極大值點301，402為電阻三階曲線上的另一個零點，對應(yīng)的是電阻二階曲線上的極大值點302。判斷電阻三階微分曲線上的零點要比判斷電阻二階微分曲線上的極大值點要容易的多。

如圖5所示，通過電路得到電阻的一階微分、二階微分和三階微分(也可以通過對電阻值進(jìn)行采樣，通過數(shù)值計算的方式得到電阻的一階差分、二階差分和三階差分)，并分別設(shè)定一階微分、二階微分和三階微分的閾值；電阻一階微分值與閾值比較，如果電阻一階微分值大于閾值，則取邏輯高電平，如果電阻一階微分值小于閾值，則取邏輯低電平，得到邏輯信號501；電阻二階微分值與閾值比較，如果電阻二階微分值大于閾值，則取邏輯高電平，如果電阻二階微分值小于閾值，則取邏輯低電平，得到邏輯信號502；電阻三階微分值與閾值比較，如果電阻三階微分值大于閾值，則取邏輯高電平，如果電阻三階微分值小于閾值，則取邏輯低電平，得到邏輯信號503。邏輯信號503先做非運(yùn)算，再和邏輯信號501、502一起做與運(yùn)算，得到的結(jié)果為邏輯信號504。邏輯信號504上出現(xiàn)505和506兩個高電平信號，505高電平信號對應(yīng)的為電阻曲線上縮頸過程起始區(qū)段彎曲程度最大點的一個δ區(qū)間，506高電平信號對應(yīng)的為電阻曲線上縮頸過程結(jié)束區(qū)段彎曲程度最大點的一個δ區(qū)間。所以，邏輯信號504上的505高電平信號和506高電平信號為縮頸過程的起始和結(jié)束信號，可以作為外部電路縮頸檢測和控制使用。

上述邏輯電平高低的定義和邏輯運(yùn)算的選取有多種方式，但最終都能得到縮頸過程的起點和終點的一個δ區(qū)間，夠鮮明地標(biāo)記出縮頸過程的起點和終點。

多階微分法縮頸檢測技術(shù)先對電阻進(jìn)行一階微分、二階微分和三階微分的運(yùn)算，再把運(yùn)算結(jié)果生成邏輯信號進(jìn)行邏輯運(yùn)算，判斷出電阻曲線上彎曲程度局部最大點，而彎曲程度局部最大點即為縮頸過程的起點和終點，從而完成縮頸檢測。電阻多階微分法縮頸檢測技術(shù)檢測出的縮頸過程的起點和終點界定明確，檢測精確，能夠適應(yīng)各種縮頸過程的檢測，具有自適應(yīng)的檢測能力，能為縮頸控制提供精準(zhǔn)的控制信號。

最后應(yīng)說明的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的精神和范圍。