当今的通用制造和汽车制造业，越来越多的系统需要监测结合过程，如：阻焊、铆接、自冲铆接和其他装配操作。本文介绍了作为可靠过程检测的连接力的标定和分析。

图1  在点焊机器人上的力的测量系统

连接和压装技术被广泛应用，但得到非破坏性机械测试结果在实际应用中几乎不可能。现在，通过分析力-位移的典型特征可以实现。除了使用直接测力，连接力还可以通过安装在设备表面（如铆枪）上的压电应变传感器间接来测量。内置电荷放大器的工业型传感器，设计紧凑、坚固，特别适合于生产环境。本文介绍了如何安装应变传感器，如何用预加载的力传感器进行标定。另外一种提升可靠性的方法是在设计阶段仿真连接过程，本文也给出了图例说明。

阻焊

在阻焊过程中，重要的参数是时间、电流和焊接力（点焊力、夹紧力）。在通电之前，点焊力被定义为两个电极夹紧工件(如金属钣)的力。如果点焊力达到要求的值，完美的点焊才能达到。一方面，工作过程中要求循环时间越短越好，这就要求电流尽早开启，但如果在力达到要求的力的90%之前，电流过早开启，会导致电极磨损和打火。直接和间接力的测量是监测、控制和调节点焊过程力的合适的手段(见图1)。

其中，（A）为定期的用力传感器或通过装有力传感器的测试台直接手动测量(离线)电焊夹紧力；（B)为在点焊过程中(在线)间接测量点焊力，如在台座或电极支架上；（C)为在点焊过程中(在线)直接测量电焊力，如用内置在结构中特殊力传感器或直接装载驱动马达内的传感器测力。

图2  在电极内的直接测力(LWF)

为达到可靠的焊接过程，在点焊开始前，所有参数必须输入控制系统的程序。参考力传感器安装在电极间以便标定得到准确的焊接力。实践经验表明，点焊力从一个焊点到另一个焊点很易改变，例如：金属钣不适当的送入或弯曲，导致焊接部件相互不平连接，便会引起点焊力的巨大差异。

图2和图3比较了内置于电极内的环状传感器的直接测力和安装于电极臂上的应变传感器的相对测力。

对力的曲线进一步评估还可以得到点焊过程的其他一些结论。在火花飞溅的情况下，可以探测到一个明显的力脉冲，这是因为，材料被飞溅离点焊区，焊点的厚度减少了，这会在点焊过程或点焊间隔的结束时，力会有一个明显的下降。作为时间函数的精确焊接力，无论是用气动焊枪还是电动焊枪，都是一个重要的质量控制参数。现代机器人控制系统中，焊枪采用7轴电动伺服马达，所以在线的焊接力测量，不但用于监测，而且用于控制。

图3  用应变传感器间接测力(LWF)

钣金冲压连接的监控

像钣金冲压连接、自冲铆接和盲孔铆接等机械连接方法，在薄钣金属工件工业已被越来越多地应用，力的监测避免了不合格产品部件进入批量产品，以确保连续的高产品质量，消除了后续的手工剔除不合格产品，降低了生产成本。

钣金冲压连接是一种通过将不同厚度和材料的钣金件压入一个模具而形成的连接，有点类似铆接。这种连接用局部冷成型产生永久的连接而不需要其他额外或辅助的连接设备。其主要特点是，从被连接的钣金材料形成实际连接。在汽车制造领域，钣金冲压连接已像绝大部分通用连接过程一样，已取代点焊。这种趋势已经从小型的汽车零部件扩展到如车门、车盖、行李箱和后挡板等部件。

图4  在线和离线钣金冲压连接监测

监测钣金冲压连接质量的参数是塑性形变的力，对监控钣金冲压连接力的曲线，奇石乐公司提供不同的测量方案。上面提到的阻焊过程的应用，钣金冲压连接枪用标定变送器定期地检查连接枪，记录有关参数以及在服务和维修期间作必要的调整。这种方法也可以在设备上标定直接或间接力测量的传感器(见图4)。

用奇石乐提供的压电设备连续监测钣金冲压连接曲线，给间接连续监测设备的长期稳定性(含有驱动和工具)提供了一种选择。这样确保了零次品和高质量，也消除了后续剔除次品的手工成本，而且过程可以追溯和存档。

图5 用于监测和分析的钣金冲压连接过程力-位移曲线

图5显示了一个典型的用于过程分析和监测的钣金冲压连接力-位移曲线。

图6  从钣金冲压连接力的曲线监测工件厚度

图6和图7显示了用于监测不同次品的钣金冲压力，这包括:尺寸不一致或钣金工件型号不对；钣金冲压连接的工具磨损程度；探测像冲孔或冲模的破裂的过程缺陷；在压的过程中不正确的钣金冲要连接的高度设置。

图7 用压电应变变送器连续监测钣金冲压连接力的曲线

图10给出了另外一个例子，标准力传感器内置在钣金冲压连接枪内。这里的过程最好还是用力-位移曲线来描述和分析，这种情况用奇石乐公司Como-View控制和监测。

图8  从冲模边缘破裂[BTM]

置于铆枪内压电力传感器和过程监控系统Como-View的结合，可以满足更为严格的产品监控要求。装配过程包括生产过程中部件的永久连接都可以监测和记录，这避免了从大批量的产品中挑选次品的过程。Como-View可以用于处理和监控不同的铆接过程。其最大优点是可以用于一切监测过程。优点如下：连续检测连接过程；及时分辨好的和坏的产品；铆接全过程可以存档；易于连接到已有网络；不受距离限制的遥控和诊断；多种语言(中文、英文、德文和法文)的软件版本、直观的操作说明；不同格式的快速数据输出格式；采集软件包括在系统中。

图9  冲模边缘没对准[BTM]

连接过程仿真

另外一种提升过程可靠性的方法是在设计阶段仿真连接过程，如钣金冲压连接或自冲铆接过程。DEFORM是一个用于仿真连接过程的有限元分析软件，成型、热处理和加工过程都可以仿真。

DEFORM仿真工具有如下特点：2维和3维有限元仿真；直观的用户界面；200种材料数据库；对成型和连接过程的快速仿真；用于STL(3D)或IGS或DXF(2D)CAD输入。FEM仿真可以快速比较不同的钣金厚度、材料等。

图10  传感器内置于钣金冲压连接枪(顶端)用Como-View控制和监测过程力

结语

传感器系统均具有足够的灵敏度和精度，用于分析、检测不同的连接过程，传感器的高速反应使得即便在极短的循环时间也可以完全采集和记录过程曲线。坚固、高抗过载以及稳定性，不仅对工业生产的连续可靠检测十分重要，而且还是记录存档在线过程控制系统所必需的。