基于LabVIEW的電弧焊工藝參數(shù)采集系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)

信巧茹++徐振新

摘 要：針對電弧焊工藝的虛擬測試儀器，以LabVIEW為基礎(chǔ)開發(fā)電弧焊工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該軟件系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集軟件和數(shù)據(jù)回放軟件，可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、讀取和回放，從而實現(xiàn)對信號的分析和處理。同時可以與測試系統(tǒng)硬件進(jìn)行通訊，完成對所采集參數(shù)的實時顯示和存儲。對所設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試及實測，結(jié)果表明此系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地對電弧焊過程的電流和電壓信號進(jìn)行采集。

關(guān)鍵詞：LabVIEW 電弧焊 工藝參數(shù) 數(shù)據(jù)采集

中圖分類號：TG444 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）01（a）-0042-02

虛擬儀器是一種以計算機(jī)及測試硬件為基礎(chǔ)，以軟件為核心所構(gòu)成的計算機(jī)儀器，并且虛擬的儀器面板以及儀器測試功能，都可通過計算機(jī)由用戶軟件來定義完成[1]。

計算機(jī)是虛擬儀器的基礎(chǔ)硬件平臺，可以實現(xiàn)信號采集、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果顯示三個基本功能（如圖1所示）。測試硬件模塊的主要任務(wù)是采集被測信號，并把它轉(zhuǎn)換成計算機(jī)能處理的數(shù)字信號（測量數(shù)據(jù)），其核心部件是A/D轉(zhuǎn)換器及其信號調(diào)理電路。測試硬件模塊僅完成前端信號采集功能，信號的分析處理和顯示輸出等功能由軟件實現(xiàn)。通過軟件編程設(shè)計不僅可以實現(xiàn)單一測量儀器的功能（如電子計數(shù)器、數(shù)字示波器、頻譜分析儀等），而且可以通過不同測試功能軟件模塊的組合來實現(xiàn)多種儀器的功能。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器是由軟件定義的，它是一種被軟化了的柔性結(jié)構(gòu)方式，可以靈活地運(yùn)用硬件和軟件功能，進(jìn)行不同生產(chǎn)系統(tǒng)的測量，可以很方便的提取任意時刻的參數(shù)值，對生產(chǎn)過程實現(xiàn)實時監(jiān)控，具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)分析功能，因此可以廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中工藝參數(shù)的控制和質(zhì)量的監(jiān)控。由于焊接是一個涉及到電、熱的復(fù)雜生產(chǎn)工藝，其電流電壓的穩(wěn)定性對焊接質(zhì)量有顯著的影響。因此近年來，很多學(xué)者對焊接過程中的工藝參數(shù)進(jìn)行了采集分析以期實現(xiàn)對焊接工藝過程的質(zhì)量監(jiān)控[2-6]。

LabVIEW是一種圖形化的編程語言，具有豐富的數(shù)據(jù)采集、分析、表達(dá)及數(shù)據(jù)存儲的函數(shù)庫，被認(rèn)為是一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW可以實現(xiàn)與滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。因此可以用于電流電壓等信號的采集系統(tǒng)設(shè)計中[7-9]。

該研究將針對電弧焊工藝，以LabVIEW軟件為基礎(chǔ)設(shè)計電流電壓的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，提取焊接過程中的電流電壓參數(shù)值，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和分析功能。

1 信號采集

該課題中電信號采集傳感器選用了CHB-1000S型閉環(huán)霍爾電流傳感器。霍爾傳感器具有很好的電氣隔離功能，靈敏度和精確度高，廣泛應(yīng)用于工業(yè)中的各種電信號檢測。CHB-1000S型閉環(huán)霍爾電流傳感器參數(shù)：測量電流：0～1000 A，最大1500 A；測量頻率：為0-100 kHz，精度為0.2%～1%，響應(yīng)時間<1 μm，線性度為0.1%，無測量插入損耗，能夠測量直流交流和脈沖信號。它的主要特點是主電流回路所產(chǎn)生的磁場隨時通過一個二次繞組所產(chǎn)生的磁場進(jìn)行補(bǔ)償，使霍爾器件始終處于檢測零磁通的條件下工作。

由于在1000 A時，傳感器的輸出電流為200 mA，轉(zhuǎn)換為電壓信號后為4 V。而數(shù)據(jù)采集卡的輸入電壓一般為0～10 V，因此需要對其進(jìn)行放大處理，以滿足數(shù)據(jù)采集卡的輸入要求。由于焊接電流易波動，通常存在很大的電流峰值，因此需要對其進(jìn)行消除，以防燒毀數(shù)據(jù)采集卡和計算機(jī)。該設(shè)計中通過0.5 W/9.1 V穩(wěn)壓二極管可以實現(xiàn)隔離作用。另外在信號形成的過程中還存在很多與測量無關(guān)的噪音影響分析結(jié)果，因此必須采用濾波器將其濾除。這里采用一階無源RC濾波器。采集后的信號經(jīng)調(diào)理（圖2和3分別為電流和電壓信號的調(diào)理電路），如放大、濾波和隔離可直接接入數(shù)據(jù)采集卡，以進(jìn)行相應(yīng)的分析。

設(shè)計中采用外掛式DAQ板卡-NI USB-6211數(shù)據(jù)采集卡，該采集卡是總線供電USB系列多功能DAQ模塊，在高采樣率下也能保持高精度。該模塊提供了16路模擬輸入；250 kS/s單通道采樣率；2路模擬輸出；4路數(shù)字輸入線；4路數(shù)字輸出線；每通道有4個可編程輸入范圍（±0.2 V～±10 V）；數(shù)字觸發(fā)；2個計數(shù)器/定時器。因為該數(shù)據(jù)采集卡具有極高的性能，完全滿足焊接電信號采集的要求。

2 系統(tǒng)軟件程序

在LabVIEW界面設(shè)計軟件主程序中，程序主要由數(shù)據(jù)采集、波形顯示和數(shù)據(jù)存儲三部分組成。數(shù)據(jù)采集卡的物理通道的參數(shù)設(shè)為0和1，分別對電流和電壓信號進(jìn)行采集。根據(jù)信號的強(qiáng)弱及精度要求確定所顯示波形圖的下限和上限值、以及每條通道的采樣點數(shù)和采樣頻率。波形圖可以對所采集的信號進(jìn)行實時顯示，并利用數(shù)據(jù)存儲控件將所采集到的數(shù)據(jù)存儲起來，方便后續(xù)的調(diào)用。這里設(shè)定的線條顏色紅色的為電流波形，白色的為電壓波形。

軟件的采集過程為：首先通過數(shù)據(jù)采集卡的通道將電流和電壓信號采集出來。這里由采樣時鐘控制采樣點數(shù)和采樣頻率。采集得到的信號通過波形顯示控件實時顯示到程序的面板上，同時將所采集的兩路工藝參數(shù)分別以文本格式和二進(jìn)制格式進(jìn)行存儲，軟件能夠按時間格式自動生 成文件名并保存到指定的文件夾內(nèi)。

為了能夠?qū)λ鎯Φ臄?shù)據(jù)文件進(jìn)行回放，該設(shè)計還編制了用于數(shù)據(jù)回放的軟件，軟件界面及結(jié)構(gòu)框圖見圖4所示。

在此，我們采集了直流電流和電壓信號，信號顯示如圖3～圖4所示。此外，我們采集了交流電流和電壓信號圖，如圖3～圖5所示?；『高^程測試系統(tǒng)整體實物如圖3～圖6所示。

3 結(jié)論

以LabVIEW軟件為基礎(chǔ)設(shè)計開發(fā)了弧焊過程工藝參數(shù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了以下功能。

（1）采用霍爾傳感器對弧焊過程中的電流和電壓信號進(jìn)行采集，并通過調(diào)理電路，對信號進(jìn)行了放大、隔離和濾波。經(jīng)過調(diào)理過后的信號接到數(shù)據(jù)采集卡，采用NI USB-6211數(shù)據(jù)采集卡將調(diào)理后的信號通過USB接口接入計算機(jī)進(jìn)行分析處理。

（2）以LabVIEW8.5作為編程語言，開發(fā)了軟件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集軟件和數(shù)據(jù)回放軟件。數(shù)據(jù)采集軟件能完成對采集數(shù)據(jù)的實時顯示和實時存儲。數(shù)據(jù)回放軟件用來對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取回放，便于對信號進(jìn)行分析。實測結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠很好地完成弧焊過程中焊接電流和焊接電壓的采集和存儲，并且可以對存儲的信號數(shù)據(jù)進(jìn)行回放。該系統(tǒng)簡單易用，可以實現(xiàn)隨電流電壓的實施監(jiān)控。

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