基于虛擬儀器的焊接參數(shù)采集及分析系統(tǒng)

艾丹鳳

(中國第一重型機械股份公司核電石化事業(yè)部，遼寧 116113)

焊接技術(shù)在航空航天、壓力容器、核電產(chǎn)品等領(lǐng)域占有重要地位，焊接質(zhì)量在很大程度上決定著產(chǎn)品的安全和使用壽命。在產(chǎn)品制造過程中，焊接質(zhì)量的控制就顯得尤為重要。由于焊接過程是一個復(fù)雜的物理化學(xué)變化過程，焊接狀態(tài)瞬息萬變，難以把握，并且無法復(fù)制，這為焊接質(zhì)量預(yù)測和評價帶來很大的困難。

焊接電壓和電流中包含著大量有關(guān)焊接穩(wěn)定性、焊縫質(zhì)量以及焊接電源性能的信息。如果可以實時采集焊接電壓和電流，并進行數(shù)據(jù)分析，從中提取出能夠反映焊接過程特征的信息。

本文基于美國國家儀器公司的虛擬儀器LabView 構(gòu)建了一個多通道的焊接電壓、電流參數(shù)同步采集系統(tǒng)，并設(shè)計了與之匹配的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。應(yīng)用此系統(tǒng)可實現(xiàn)焊接電壓和電流的實時采集，并通過進一步的數(shù)據(jù)分析，得出與焊接質(zhì)量相關(guān)的結(jié)論，用于評價焊接過程，預(yù)測焊接質(zhì)量，同時為改進焊接工藝、選擇焊接材料和改造焊接設(shè)備提供依據(jù)。

這一技術(shù)不但能夠應(yīng)用于對焊接質(zhì)量有著較高要求的行業(yè)，通過對焊接過程進行實時監(jiān)控，采集并存儲參數(shù)信息，進行質(zhì)量跟蹤和缺陷分析，而且能夠為焊接研究提供豐富的數(shù)據(jù)支持，使焊接過程的量化分析成為可能［1、2］。

1 虛擬儀器簡介

從用途的角度來看，虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器并沒有區(qū)別，二者都可用于信號采集、處理、分析和顯示。二者的不同之處在于，傳統(tǒng)儀器依靠不同的硬件來實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、處理與顯示功能，而虛擬儀器則僅依靠PC 計算機和軟件程序，并配置相應(yīng)的I/O 接口設(shè)備即可實現(xiàn)。所需的各種特定功能只需通過軟件編程，并在計算機上成功運行即可［3］。這一概念完全打破了傳統(tǒng)儀器領(lǐng)域需要耗費大量的時間和財力制造出實際的儀器才能實現(xiàn)各種功能的限制。

LabView 是一個基于圖形化編程語言的虛擬儀器工程平臺。LabView 提供強大的I/O 接口功能，可實現(xiàn)與包括遵從GPIB.VXI，RS-232 和RS-485 協(xié)議以及常用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在內(nèi)的硬件設(shè)備的無障礙通訊，方便進行網(wǎng)絡(luò)、遠程測控儀器的開發(fā)，并且提供豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲的庫函數(shù)，使程序開發(fā)更加快捷。

與傳統(tǒng)編程方法相比，LabView 編程使用圖形語言(各種圖形符號、連線等)，基本不需要編寫繁瑣的底層程序代碼，工程師可以越過枯燥繁重的底層程序編寫，把更多的精力放在程序的邏輯功能設(shè)計上。

2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

圖1 為系統(tǒng)的整體架構(gòu)，系統(tǒng)分為參數(shù)采集和分析兩部分。

參數(shù)采集系統(tǒng)的工作過程為:焊接電壓和電流經(jīng)過信號處理設(shè)備轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)采集卡可采集的信號，數(shù)據(jù)采集卡以一定的頻率對以上信號進行采集，然后通過有線網(wǎng)絡(luò)或無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸?shù)奖O(jiān)控計算機，進行存儲。在監(jiān)控計算機上，可以實時看到焊接電壓和電流的瞬時波形圖。

參數(shù)分析系統(tǒng)是以參數(shù)采集系統(tǒng)采集所得的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進行一系列能反映焊接過程特征的數(shù)據(jù)分析，為焊接質(zhì)量預(yù)測提供數(shù)據(jù)支持。

3 參數(shù)采集系統(tǒng)

參數(shù)采集系統(tǒng)以LabView 為軟件基礎(chǔ)搭建，配合NI 公司的硬件，實現(xiàn)軟硬件的無縫結(jié)合，以采集程序為中樞，與硬件設(shè)備進行通訊，完成波形顯示和數(shù)據(jù)存儲。

3.1 信號獲取與處理

焊接電壓信號取自焊機的工作電壓輸出端，焊接電流取自焊機的供電線纜，再通過霍爾傳感器轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)采集卡可接收的電壓信號。為了保證采集所得參數(shù)的準(zhǔn)確性，在軟件程序中編寫了焊接電壓的補償程序，以補償焊機線纜上產(chǎn)生的壓降。

3.2 參數(shù)采集

3.2.1 硬件連接

參數(shù)采集硬件采用NI 公司的NI 9205 型高速數(shù)據(jù)采集卡。9205 型采集卡采樣頻率最高可達250 kHz，能滿足高速采集的需要。它支持32路單端模擬輸入，或16 路差分模擬輸入，也可以組合輸入，適用于多通道同步采集，方便系統(tǒng)擴展。為減少噪聲影響，提高采集信息的準(zhǔn)確度，本系統(tǒng)采用差分輸入方式。圖2 和圖3 分別為單端輸入和差分輸入的連接示意圖。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)模型Figure 1 Model of system integrated structure

圖2 差分輸入連接示意圖Figure 2 Schematic sketch of difference input connection

圖3 單端輸入連接示意圖Figure 3 Schematic sketch of single terminal input connection

單端連接方式對每個通道來說只有一根信號線，與一根共同的地線構(gòu)成回路，測量值為信號線與地線之間的壓差。而差分連接方式的每個通道可以連接兩根信號線，來測量這兩根信號線之間的電壓差。差分輸入時，外界的噪聲干擾同時被耦合到兩根線上，共模噪聲經(jīng)過相減后被完全抵消。因此，與單端輸入相比，差分信號抗干擾能力更強。

采集系統(tǒng)的通訊方式采用以太網(wǎng)和無線網(wǎng)絡(luò)兩種，可依據(jù)焊接現(xiàn)場的實際情況進行選擇。用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊的硬件設(shè)備為NI ENTER9163 和AT-5150，通過硬件連接和必要的軟件配置，即可實現(xiàn)計算機與采集設(shè)備的即時通訊。

3.2.2 軟件架構(gòu)及程序設(shè)計

在LabView 平臺上建立的數(shù)據(jù)采集程序可實現(xiàn)焊接電壓、電流的實時采集和存儲，并且將采集結(jié)果以瞬時波形的形式同步顯示在計算機顯示器上。

程序的總體設(shè)計思想如圖4 所示，程序啟動后，將焊機的輸出電壓和電流波形實時顯示在計算機上。程序能自動判斷焊機的工作狀態(tài)，只對焊接時的參數(shù)進行存儲。當(dāng)滿足采集停止的條件時，采集結(jié)束，停止任務(wù)，并清除任務(wù)釋放內(nèi)存。

圖4 程序整體設(shè)計Figure 4 Integrated design of program

4 參數(shù)分析系統(tǒng)

參數(shù)分析系統(tǒng)主要對采集所得的電壓和電流參數(shù)進行數(shù)據(jù)分析，預(yù)測焊接質(zhì)量，進而探究焊接電壓和電流對焊接過程的影響。具體分析方法包括波形分析、U-I 曲線分析、統(tǒng)計分析和數(shù)值分析。

波形分析:為了解焊接過程中焊接電壓和電流的實際變化過程，發(fā)現(xiàn)焊接過程中是否出現(xiàn)異常情況，以及異常情況出現(xiàn)的確切時刻和異常情況的細節(jié)情況，繪制電壓、電流隨時間變化的波形圖。

U-I 曲線分析:焊接電流和電弧電壓之間的關(guān)系是影響焊接過程穩(wěn)定和焊縫質(zhì)量的重要因素。U-I 圖可以直觀地反映焊接的動態(tài)過程，以及焊接電源外特性。將同一時刻的電壓和電流值對應(yīng)的點繪制在電流-電壓坐標(biāo)系上就得到U-I 曲線。

統(tǒng)計分析:為了解焊接電壓和電流的整體分布情況，以量化方式評價焊接過程的穩(wěn)定性，對焊接電壓和電流進行概率密度分析，繪制概率密度曲線。此分析系統(tǒng)的概率密度曲線繪制方法為:(1)檢索出全體變量中的最大值x 和最小值y;(2)統(tǒng)計出變量總個數(shù)n，然后把變量取值區(qū)間等分為m 份，(取m=1+3.32lgn);(3)在變量取值區(qū)間［y，x］之間設(shè)置(m+1)個分點，形成一個首項a0=y，末項am=x，公差d=(x－y)/m，的等差數(shù)列;(4)分別統(tǒng)計出變量落在各取值區(qū)間(ai，ai－1)中的個數(shù)ni，稱為第i 組的組頻數(shù)，每個區(qū)間變量個數(shù)與變量總數(shù)之比fi=ni/n 稱為第i組的組頻率;(5)以各區(qū)間ai－ai－1的中點為橫坐標(biāo)，組頻率與組間距之比fi/d 為縱坐標(biāo)，在平面坐標(biāo)系中取點，之后連成一條平滑的曲線，即為概率密度曲線。

數(shù)值分析:焊接電壓、電流有效值和焊接線能量是影響焊接質(zhì)量的重要因素。采集所得的參數(shù)均為瞬時值數(shù)據(jù)，依據(jù)公式(1)、公式(2)可在電壓、電流瞬時值的基礎(chǔ)上計算出電壓、電流有效值，進而計算出焊接線能量。

5 試驗與分析

5.1 試驗條件

本次試驗使用焊條在2.25Cr1Mo0.25V 材料上進行手工堆焊。試驗條件見表1。

運行數(shù)據(jù)采集程序，進行實時采集，從監(jiān)控窗口觀看電壓、電流波形變化，電壓、電流參數(shù)存儲到指定位置。

表1 手工堆焊試驗參數(shù)Table 1 Manual build-up welding test parameters

5.2 試驗分析

5.2.1 電流、電壓波形分析

運行焊接電壓、電流波形回放程序，將焊接電壓和電流波形顯示在同一窗口中。在窗口中可以看到焊接過程中電壓、電流波形變化全貌，由于采用同步采集的方式，在波形圖上還能清楚看到電壓與電流在任意時刻的一一對應(yīng)關(guān)系。

圖5 為平穩(wěn)焊接階段的波形圖，圖中可見，焊接電壓分布在5 V～35 V 之間，波形呈明顯的周期性，并且存在瞬時電壓低值，頻率為50 Hz;電流則波形平穩(wěn)，絕大部分瞬時值在200 A～210 A之間變化，并且存在與電壓瞬時低值相對應(yīng)的瞬時電流峰值。由波形圖判斷此焊接設(shè)備為緩降外特性的恒流電源，此種外特性下，當(dāng)電弧長度變化引起電壓變化時，電流不會產(chǎn)生明顯波動，適合手工電弧焊。周期性出現(xiàn)的瞬時電流高點和電壓低點是熔滴過渡過程中瞬間短路形成的。

圖6 和圖7 分別為焊接起弧和收弧過程的電壓、電流波形局部放大圖。由圖可見，待機狀態(tài)下電流為0，電壓為空載電壓約50 V～70 V，起弧瞬間電流迅速上升而電壓迅速下降，均達到焊接狀態(tài)值后則進入平穩(wěn)焊接狀態(tài);收弧瞬間電流迅速下降至0，電壓迅速升高至空載電壓，返回到待機狀態(tài)。

5.2.2 概率密度分析

圖8、圖9、圖10、圖11 為電壓、電流概率密度分析結(jié)果，觀察電壓、電流概率密度曲線可得出結(jié)論:(1)電壓概率密度最大的范圍在20 V～35 V左右，其次是45 V～70 V，再次是10 V 以下;(2)電流概率密度最大的范圍在180 A～210 A，少量電流分布在210 A～240 A。將以上結(jié)論與電壓、電流波形圖進行對比可見，電壓20 V～30 V，電流180 A～210 A 是平穩(wěn)焊接階段;電壓10V 以下，電流210 A～240 A 是焊接過程中出現(xiàn)的電壓低值和電流峰值;電壓45 V～70 V 之間是待機狀態(tài)，概率密度曲線與波形圖所反映出的焊接過程特征相一致。

圖5 波形窗口Figure 5 Waveform window

圖6 起弧波形Figure 6 Arc starting waveform

圖7 收弧波形Figure 7 Arc suppressing waveform

圖8 電壓概率密度曲線Figure 8 Electric pressure probability density curve

圖9 電壓概率分布Figure 9 Electric pressure probability distribution

圖10 電流概率密度曲線Figure 10 Current probability density curve

圖11 電流概率分布Figure 11 Current probability distribution

圖12 U-I 曲線Figure 12 U-I curve

5.2.3 U-I 曲線分析

圖12 為此次焊接的U-I 曲線圖，U-I 曲線絕大部分集中在電流200 A～210 A，電壓20 V～35 V 的區(qū)域內(nèi)，此區(qū)域?qū)?yīng)電壓、電流波形圖中的電壓、電流平緩階段，且與電流概率密度曲線上出現(xiàn)的200 A～210 A 的概率密度高點，以及電壓概率密度曲線上出現(xiàn)的20 V～35 V 概率密度高點相一致。電流210 A～240 A，電壓10 V 以下的區(qū)域，與電壓電流波形圖中的電流峰值和電壓低值相對應(yīng)，且與電流概率密度曲線上的210 A～240 A 概率密度高點，以及電壓概率密度曲線上出現(xiàn)的10 V 的概率密度高點相一致。這兩部分曲線反應(yīng)的是平穩(wěn)焊接狀態(tài)下的U-I 關(guān)系。U-I 圖左側(cè)的3 根曲線代表的是焊接起弧階段，電壓從空載值迅速下降，電流從0 迅速升高，進入焊接狀態(tài)。底部曲線代表收弧階段，此時電流急速下降至0，電壓驟然升高至空載電壓。從圖中可判斷此段數(shù)據(jù)采集到3 次起弧和3 次收弧過程。

U-I 曲線所反映的焊接電壓和電流特征與前文中的焊接電壓、電流波形圖，以及焊接電壓、電流概率密度曲線所反映出的信息相一致。此次焊接過程中，絕大部分的焊接電壓和電流值都落在正常范圍之內(nèi)，具有良好的重復(fù)性，這說明焊接過程很穩(wěn)定。不過，在收弧過程中有極少數(shù)值落在了正常范圍之外，這說明在收弧過程中存在一些擾動。

6 結(jié)論

(1)本焊接參數(shù)采集系統(tǒng)可實現(xiàn)焊接參數(shù)實時采集、波形監(jiān)測和實時存儲。

(2)本焊接參數(shù)分析系統(tǒng)可對采集所得數(shù)據(jù)進行數(shù)值分析、波形分析及統(tǒng)計分析，預(yù)測焊接質(zhì)量。

(3)本系統(tǒng)具有一定的通用性，能夠應(yīng)用于不同焊接方法，不同參數(shù)范圍的焊接過程。

［1］呂其兵，戴虹，等.焊接質(zhì)量的在線控制與預(yù)測研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.《電焊機》2002(12):1－4.

［2］王克鴻，楊燕，王波.基于網(wǎng)絡(luò)的焊接工藝信息發(fā)布平臺的建立［J］.焊接學(xué)報，2006，27(10):11－14.