基于霍爾傳感器的送絲速度測量系統(tǒng)

（中北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030051）

0 前言

送絲速度不穩(wěn)定會引起焊接參數(shù)、電弧狀態(tài)劇烈波動，造成焊絲熔化和熔滴過渡過程的不穩(wěn)定，增加焊縫缺陷出現(xiàn)的頻率[1]。隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，焊接質(zhì)量對穩(wěn)定的送絲速度提出了更高的要求，特別是采用細直徑焊絲時，送絲的穩(wěn)定性尤為重要[2]。

1987年上海船舶工藝研究所研制了一種便攜式焊絲送絲速度測量儀[3]，該測量儀采用測速傳感器，在當時的焊接生產(chǎn)質(zhì)量控制上發(fā)揮了重要作用。北京工業(yè)大學(xué)郝曉美采用數(shù)字式光電編碼器測試送絲速度[4]，測試精度大大提高。德國學(xué)者Andreas Hess采用光電傳感器檢測送絲速度[5]，計算出焊絲的熔化速度。美國學(xué)者Brian Lee Ott利用磁性傳感器測量焊絲速度[6]，并分析其對焊縫質(zhì)量的影響。

上述檢測方法采用編碼器計數(shù)、光電式、磁電式傳感器測量送絲速度。光電編碼器雖然測量精度高，但光電編碼盤安裝要求較高，軟連接的原因造成可靠性差。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器利用電磁感應(yīng)原理工作，磁電式轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但在低速場合由于線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓太小，檢測精度低[7]。本研究從工業(yè)應(yīng)用需求出發(fā)，采用霍爾測速傳感器開發(fā)了一套送絲速度檢測系統(tǒng)，設(shè)計了相關(guān)軟硬件系統(tǒng)，包括即時顯示和上位機存儲模塊，具有穩(wěn)定性好、響應(yīng)快、安裝簡便等優(yōu)點，滿足工業(yè)場合在線監(jiān)控和后續(xù)分析的雙重要求。

1 送絲速度測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 測量系統(tǒng)原理

在實際焊接過程中，焊絲由送絲機上下兩組送絲輪壓緊送絲，所以送絲輪的線速度就是實際的送絲速度。結(jié)合霍爾效應(yīng)，轉(zhuǎn)速傳感器安裝在測速輪外側(cè)間隔1~3 mm，磁場由安裝在測速輪上的磁鋼塊提供，當磁鋼塊經(jīng)過霍爾傳感器正前方時，磁通密度發(fā)生改變，霍爾傳感器輸出一個高電平，當小磁鐵遠離傳感器時，傳感器輸出一個低電平。利用單片機內(nèi)部定時器，計算出一個脈沖周期的時間，即可獲得送絲輪的轉(zhuǎn)速，再根據(jù)輪的直徑求出送絲速度，如圖1所示。

圖1 霍爾傳感器安裝示意

1.2 硬件系統(tǒng)組成

硬件系統(tǒng)采用單片機為控制器，利用霍爾傳感器檢測送絲機的旋轉(zhuǎn)部件，將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為脈沖信號[8]，再由單片機進行計數(shù)并自動計算出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，通過LED顯示測得數(shù)值（單位：r/min），也可根據(jù)需要換算成線速度進行顯示。整個系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計較為簡單，設(shè)計原理如圖2所示。

圖2 送絲系統(tǒng)原理

采用NJ5002C傳感器，該傳感器是一個三端器件，工作電壓5~30 V，輸出方式為NPN ON（常開），檢測距離10 mm。NJKS002C集成霍爾開關(guān)由穩(wěn)壓器A、霍爾電勢發(fā)生器B、差分放大器C、施密特觸發(fā)器D和0C門輸出E五個基本部分組成，如圖3所示。a、b、c代表集成霍爾開關(guān)的3個引出端點。

圖3 集成開關(guān)型霍爾傳感器

1.3 軟件編程

1.3.1 單片機程序

軟件設(shè)計采用KeilC51軟件開發(fā)工具和C語言編程，運用模塊化的編程思維，既方便調(diào)用程序，又方便修改和排查錯誤。系統(tǒng)程序主要包括主程序和中斷服務(wù)子程序。在系統(tǒng)主程序中，先完成內(nèi)部的初始化，再啟動程序接收霍爾傳感器傳過來的脈沖信號，由定時器負責(zé)，記錄時鐘周期數(shù)，得到送絲輪轉(zhuǎn)速。

圖4 單片機程序流程

1.3.2 上位機程序

PC上位機通過串口與單片機通訊，采用LabVIEW編寫送絲速度測量軟件[9]。測量軟件能夠?qū)崟r顯示采集過程，同時顯示轉(zhuǎn)速和實際的送絲速度，并且按照采集時間保存數(shù)據(jù)，軟件界面如圖5所示。軟件運行后單擊下方“開始采集”按鈕，開始采集實時數(shù)據(jù)。當需要結(jié)束時，點擊“結(jié)束采集”完成本次采集，此時會自動彈出文件保存對話框，可以選擇路徑和文件名保存本次采集的數(shù)據(jù)，也可以點擊“取消”放棄本次數(shù)據(jù)。當需要查看歷史數(shù)據(jù)時，單擊菜單“打開文件”選項，選擇需要查看的數(shù)據(jù)文件，即可讀取文件的數(shù)據(jù)。單擊“統(tǒng)計數(shù)據(jù)”按鈕，可以查看已打開送絲速度數(shù)據(jù)的最值、均值和標準差等參數(shù)。

圖5 上位機程序界面與采集程序

2 標定及穩(wěn)定性分析

為了消除系統(tǒng)誤差、改善儀器或系統(tǒng)的精確度，需要標定系統(tǒng)。通過使用送絲速度測量系統(tǒng)測量送絲滾輪的轉(zhuǎn)速，同時在已知時間內(nèi)測量焊絲實際伸出長度，計算出焊絲的實際送絲速度，最后修正測量結(jié)果。為了更準確地標定結(jié)果同時驗證送絲的穩(wěn)定性，分別選取電流 100 A，125 A，150 A，175 A和200 A進行試驗。

2.1 標定

2.1.1 數(shù)據(jù)處理及擬合

不同大小的焊接電流都要測量3次，求其平均值以減小誤差。完成5組實驗后，求得轉(zhuǎn)速平均值，同時計時測量送出焊絲長度，算出相應(yīng)的送絲速度均值，如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)速均值-送絲速度均值

用Origin軟件擬合表1的5組數(shù)據(jù)，如圖6所示。Origin擬合結(jié)果如表2所示。

對應(yīng)一次函數(shù)的表達式為

2.1.2 誤差分析

根據(jù)式（1）計算試驗各組數(shù)據(jù)的絕對誤差和相對誤差，見表3。相對誤差有4組較小，最高誤差出現(xiàn)在175 A時，此時絕對誤差僅為0.01 m/s，當以送絲速度判斷焊接過程時，此誤差對判斷結(jié)果無影響。

圖6 擬合曲線

表2 擬合曲線斜率截距

2.2 穩(wěn)定性分析

選取電流分別為100A、125A、150A和200A時的送絲速度，并將數(shù)據(jù)顯示在波形圖上，如圖7所示。

在相同電壓下，隨著電流的升高，送絲速度也隨之增大。當電流穩(wěn)定時，所測試的送絲機構(gòu)送絲速度也是穩(wěn)定的。通過統(tǒng)計實驗數(shù)據(jù)并計算標準差等統(tǒng)計參數(shù)也可得到相同結(jié)論。

表3 數(shù)據(jù)擬合、誤差分析

圖7 不同電流情況下的送絲速度

3 結(jié)論

（1）分析實際送絲機構(gòu)的結(jié)構(gòu)，找到測量送絲機送絲輪得到結(jié)果最接近實際送絲速度的測量方法。

（2）選用霍爾式傳感器為主要的測速傳感器，在系統(tǒng)安裝簡單、受周圍環(huán)境影響較小的同時保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。

（3）該送絲速度測量系統(tǒng)精度較高。在多組不同電流的送絲情況下，最高相對誤差為3.53%，平均誤差不到2%，滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

[1]劉俊梅，楊帥，閆思博，等.數(shù)字化MIG焊機的送絲系統(tǒng)[J].電焊機，2009，39（2）：67-69.

[2]胡特生.電弧焊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1994：95-96.

[3]金喜妹，趙曾德.便攜式送絲速度測量儀[J].電焊機，1987（1）：17-20.

[4]郝曉美.送絲系統(tǒng)性能的微機檢測裝置[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2000.

[5]Andreas Hess.Apparatus for feeding wire for welding device with device for measuring the wire speed[P].EP Patent：EP20020008385，2002.04.12.

[6]Ott，B.L.，Overesch，J.D.Welding wire feeder with magnetic rotational speed sensor[P].U.S.Patent：13/158，005，2011.12.22.

[7]汪云.基于霍爾傳感器的轉(zhuǎn)速檢測裝置[J].傳感器技術(shù)，2003，22（10）：45-47.

[8]邵顯濤，陳明，李俊，等.基于霍爾傳感器電機轉(zhuǎn)速的單片機測量[J].電子測試，2008（12）：46-48，85.

[9]龍華偉，伍俊，顧永剛，等.LabVIEW數(shù)據(jù)采集與儀器控制[M].北京：清華大學(xué)出版社，2016.