機(jī)器人焊接工作站多源信息采集分析系統(tǒng)研發(fā)

袁桂琦，姚屏，，龔永康，徐杰，梁贊道，湯勇

(1．廣東技術(shù)師范學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，廣東廣州510635;2．華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州510640;3．廣東信海建筑有限公司，廣東陽江529932)

0 前言

焊接作為金屬連接加工的主要工藝方式，在制造業(yè)中起著十分重要的作用。電弧電壓、焊接電流、聲音等物理信息，與焊接參數(shù)的設(shè)置、熔滴過渡方式、電弧穩(wěn)定性、焊縫的成形等密切相關(guān)，通過對(duì)這些電信號(hào)進(jìn)行分析可以得到熔滴過渡周期、電壓概率密度、電流概率密度等信息，利用這些信息可以判斷電弧穩(wěn)定性、引弧難易度和工藝參數(shù)優(yōu)劣等。因此，對(duì)焊接過程中的電信號(hào)進(jìn)行采集分析有助于為焊接質(zhì)量的在線評(píng)價(jià)提供可靠的依據(jù)［1］。Cayo和 Pal等人［2－3］針對(duì)電弧聲信號(hào)，研究了其與熔滴過渡模式的相關(guān)性，為確定焊接缺陷和評(píng)估焊縫質(zhì)量提供了有效信息。呂娜［4］通過聲音信號(hào)特征對(duì)GTAW焊接電弧的弧長(zhǎng)實(shí)時(shí)控制;楊玲［5］基于LabVIEW(laboratory virtual instrument engineering workbench)設(shè)計(jì)了CO2氣體保護(hù)焊的質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)附舆^程在線實(shí)時(shí)檢測(cè)。崔曉宇［6］基于LabVIEW建立超聲金屬焊接過程信息采集分析系統(tǒng)，通過對(duì)超聲電流、超聲電壓和工具頭下壓位移3種焊接過程信息采集分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)焊接接頭的強(qiáng)度預(yù)測(cè)。采用National Instruments公司的高速采集卡和傳感器作為多源信息采集的主要硬件，基于Lab-VIEW圖形化編程設(shè)計(jì)了多源信息采集分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠采集焊接過程中所產(chǎn)生的電流、電壓以及聲音信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析來反映焊接的情況，以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求。最后，進(jìn)行信號(hào)采集試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。

1 多源信息采集分析系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

多源信息采集分析系統(tǒng)是基于National Instruments USB－6363數(shù)據(jù)采集卡的DAQ系統(tǒng)，其主要由弧焊機(jī)器人工作站、送絲機(jī)、計(jì)算機(jī)、NI數(shù)據(jù)采集卡、拾音器、音頻前置放大器、電流傳感器、電壓傳感器、傳感器相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路和LabVIEW軟件程序組成。傳感器用于獲取信號(hào)信息;信號(hào)調(diào)理電路主要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，消除噪聲干擾;數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集和傳輸。軟件程序包括硬件驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序兩部分，硬件驅(qū)動(dòng)程序主要用于數(shù)據(jù)采集卡工作模式的參數(shù)設(shè)置，應(yīng)用程序用于信號(hào)的存儲(chǔ)、顯示、分析等。Lab-VIEW是National Instruments公司推出的虛擬儀器設(shè)計(jì)軟件，采用圖形化的編程語言，功能全面、性能強(qiáng)大、靈活方便［7－8］。LabVIEW程序主要包括前面板和框圖程序兩個(gè)部分。其前面板是LabVIEW程序的交互式圖形化用戶界面，用于設(shè)置用戶輸入和顯示程序輸出，目的是模擬真實(shí)儀器的前面板;框圖程序則是利用圖形化語言對(duì)前面板的控制量和指示量進(jìn)行控制。系統(tǒng)方案流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)方案流程圖

該平臺(tái)選用USB－6363數(shù)據(jù)采集卡，該采集卡具有32路模擬輸入單端通道，單通道同步采樣率為2 MS/s，多通道同步采樣率為1 MS/s。4路模擬輸出，單通道同步采樣率為2．86 MS/s。32路模擬輸入和4路模擬輸出具有16位分辨率，輸入電壓量程為±10 V。電壓數(shù)據(jù)是通過直接測(cè)量焊機(jī)電極兩端的電壓而獲得，電流數(shù)據(jù)是將電流傳感器套在焊機(jī)的回路上測(cè)量獲得。選用CHV－25P/100電壓傳感器和QKC800EKB電流傳感器，這兩款傳感器的響應(yīng)時(shí)間極短，穩(wěn)定性高。采用AWA14423拾音器和AWA14604前置放大器組成聲音傳感器采集聲音信號(hào)，測(cè)量時(shí)將聲音傳感器固定在機(jī)械臂焊槍上，拾音器正對(duì)焊點(diǎn)而且距離焊點(diǎn)10 cm。

為了最大限度地提高采集到信號(hào)的準(zhǔn)確度，要分別對(duì)傳感器、數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行標(biāo)定。高速采集卡自身具有信號(hào)矯正功能，無需再次標(biāo)定，因此只對(duì)電壓、電流傳感器進(jìn)行標(biāo)定?；『鸽妷簜鞲衅髋c焊接電流傳感器的信號(hào)既有動(dòng)態(tài)也有靜態(tài)，所以要分別進(jìn)行靜態(tài)特性標(biāo)定和動(dòng)態(tài)特性標(biāo)定兩部分［9］。靜態(tài)特性標(biāo)定是使用恒流電壓源和恒壓電流源產(chǎn)生恒流電壓和恒壓電流分別輸入到電壓傳感器和電流傳感器的輸入端，輸出端的電壓、電流信號(hào)分別通過信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡，通過采集軟件處理并存儲(chǔ)。通過比較存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)值和真實(shí)值，使用最小二乘法軟件作線性回歸分析，得出了電壓、電流傳感器的增益大小。動(dòng)態(tài)特性的標(biāo)定是指利用靜態(tài)特性標(biāo)定的電壓、電流傳感器，采集動(dòng)態(tài)的弧焊電壓、電流信息，與焊機(jī)輸出設(shè)定的電壓、電流波形和平均值大小比較，最后查看動(dòng)態(tài)信號(hào)采集的波形是否具有失真現(xiàn)象。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件總體設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集技術(shù)與傳感器技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)共同構(gòu)建了現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、放大器、采樣/保持器、A/D轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)及其外設(shè)等部分組成，如圖2所示。

2.2 信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

焊接過程中電信號(hào)脈沖頻率大約在20～200 Hz，而開關(guān)電源的工作頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于200 Hz。為了消除這一高頻噪聲信號(hào)對(duì)有用信號(hào)的干擾，在數(shù)據(jù)采集卡采樣前必須對(duì)其信號(hào)進(jìn)行濾波，為此設(shè)計(jì)了截止頻率為2 kHz的低通有源濾波器——四階Butterworth濾波器，電路原理圖，如圖3所示。

圖2 硬件組成

圖3 四階Butterworth濾波器電路原理圖

3 多源信息采集分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 采集模塊設(shè)計(jì)

多源信息采集系統(tǒng)主要對(duì)焊接過程中電弧電壓、焊接電流、聲音信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并儲(chǔ)存于txt格式文件，為后續(xù)的信號(hào)分析提供數(shù)據(jù)。

多源信息采集模塊包括通道配置和數(shù)據(jù)保存兩部分。通道配置主要用于采集參數(shù)的設(shè)定，其中包括每通道采樣、輸入接線端配置、DAQ物理通道、每通道采樣數(shù)、采樣模式、采樣率、最大值和最小值的設(shè)定。數(shù)據(jù)保存是把采集的數(shù)據(jù)首先輸送到隊(duì)列，由布爾選擇開關(guān)選擇要打開的通道，采集的數(shù)據(jù)將通過索引數(shù)組，使得每個(gè)通道數(shù)據(jù)獨(dú)立分開，然后再將各個(gè)所需要的通道數(shù)據(jù)重新組成新的數(shù)組，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸入到指定路徑的文件中。點(diǎn)擊停止采集按鈕后，采集系統(tǒng)自動(dòng)停止采集工作，并釋放所占用的資源。圖4為采集軟件的前面板設(shè)計(jì)。

圖4 信號(hào)采集程序前面板

3.2 多源信息分析模塊設(shè)計(jì)

此分析系統(tǒng)具有多種分析功能，通過前面板的選項(xiàng)卡進(jìn)行切換，可實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)電阻、能量、U－I圖、頻譜、功率譜等信號(hào)處理分析，可根據(jù)用戶的需要，對(duì)信號(hào)進(jìn)行各種方式的濾波，以便于更好地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，還可以生成概率直方圖，做相關(guān)分析。圖5多源信息分析系統(tǒng)的軟件流程圖。

圖5 多源信息分析系統(tǒng)的軟件流程圖

基本數(shù)據(jù)分析可以得出每個(gè)通道的最小值、最大值和與之對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)、平均值、變異系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差等。通過這些特征值可以得到采集信號(hào)的一些基本特征。

動(dòng)態(tài)電阻是指導(dǎo)體兩端在某時(shí)刻所加變化電壓與通過電流的比值。熱輸入等于焊接電流、電弧電壓、熱效率的乘積和焊接速度的比值。

U－I圖是以電流采樣數(shù)據(jù)作為橫坐標(biāo)，其對(duì)應(yīng)的電壓采樣數(shù)據(jù)作為縱坐標(biāo)，將同時(shí)采集的電壓數(shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)經(jīng)過捆綁控件組合到一起。通過U－I圖可以較好地判斷焊接的各個(gè)過程和對(duì)焊接過程的穩(wěn)定性等做出評(píng)價(jià)。

頻譜分析是將信號(hào)源發(fā)出的信號(hào)強(qiáng)度按頻率順序展開，將時(shí)域信號(hào)變換至頻域上，進(jìn)而可以在頻域中對(duì)信號(hào)進(jìn)行研究和處理［10］。其目的是把復(fù)雜的時(shí)間歷程波形，經(jīng)過快速傅里葉變換(FFT)分解為若干單一的諧波分量來研究，以獲得信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)以及各諧波和相位信息。系統(tǒng)提供了幅度譜和相位譜，采用Lab-VIEW平臺(tái)提供的頻域譜函數(shù)分析模塊。

功率譜是數(shù)字信號(hào)處理的主要內(nèi)容之一，主要研究信號(hào)在頻域中的各種特征，目的是根據(jù)有限數(shù)據(jù)在頻域內(nèi)提取被淹沒在噪聲中的有用信號(hào)。該設(shè)計(jì)將各個(gè)通道信號(hào)進(jìn)行功率譜分析，表示信號(hào)功率隨著頻率的變化關(guān)系。功率譜密度(PSD)是一種統(tǒng)計(jì)信號(hào)分析方法，用來估計(jì)一段時(shí)間內(nèi)信號(hào)功率與頻率的關(guān)系，設(shè)計(jì)PSD程序以研究焊接信號(hào)的頻域特征。

通過數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)雖然經(jīng)過硬件濾波電路進(jìn)行濾波，但難免會(huì)含有高頻干擾信號(hào)，正如電弧聲信號(hào)是電弧在燃燒過程中產(chǎn)生的非平穩(wěn)信號(hào)，其過程中很容易受到各種噪聲的干擾，而有用信號(hào)是一些比較平穩(wěn)信號(hào)，但也可能包含突變信號(hào)和尖峰［11］。因此，在分析系統(tǒng)中必須設(shè)置濾波模塊以濾除高頻干擾信號(hào)。系統(tǒng)利用LabVIEW平臺(tái)包含的多種濾波程序進(jìn)行開發(fā)，分析系統(tǒng)設(shè)置有橢圓濾波器、巴特沃斯(Butterworth)濾波器、切比雪夫(Chebyshev)濾波器、貝塞爾濾波器、反切比雪夫(Inverse Chebyshev)濾波器，可以通過設(shè)置采樣頻率、高截止頻率和低截止頻率、濾波器類型和濾波階數(shù)，用戶可根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)不同方式的濾波［12］;由于存在信號(hào)是非平穩(wěn)的，而且需要對(duì)信號(hào)局部特性進(jìn)行分析，因此系統(tǒng)還配置小波分析工具包，如小波降噪濾波、平滑濾波和一階滯后濾波。用戶可以運(yùn)用這些分析方法，準(zhǔn)確有效地完成對(duì)信號(hào)的多層次分析。

相關(guān)分析是對(duì)總體中確實(shí)具有聯(lián)系的標(biāo)志進(jìn)行分析，在測(cè)試領(lǐng)域中扮演著重要的角色，是描述客觀事物相互間關(guān)系的密切程度，并用適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計(jì)指標(biāo)表示出來的過程。在對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)，往往需要對(duì)一個(gè)信號(hào)在不同時(shí)間段前后的相關(guān)性或者兩個(gè)信號(hào)之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，為此系統(tǒng)的相關(guān)分析是由自相關(guān)分析和互相關(guān)分析兩部分組成的，程序直接調(diào)用Lab-VIEW平臺(tái)提供的自相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

在系統(tǒng)中，由于采集的數(shù)據(jù)量大，一個(gè)波形圖頁面無法詳細(xì)顯示所有信息，那么就需要對(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的操作，比如放大、縮小、移動(dòng)等才能實(shí)現(xiàn)更加具體的分析，并且分析數(shù)據(jù)所得到的結(jié)果需要保存，可將波形保存為圖片格式。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)平臺(tái)由LORCH雙絲焊機(jī)、FANUC Rabot M-10iA工業(yè)機(jī)器人、送絲機(jī)、雙絲焊槍、焊接試驗(yàn)臺(tái)、傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)調(diào)理電路和計(jì)算機(jī)等設(shè)備構(gòu)成。試驗(yàn)平臺(tái)如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)平臺(tái)

為了驗(yàn)證多源信息采集系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，進(jìn)行焊接試驗(yàn)。采用脈沖弧焊進(jìn)行焊接，焊接電流80 A，電弧電壓18 V。試件為鋁合金板，厚度3 mm，焊絲直徑 1．2 mm，焊絲伸出長(zhǎng)度為12 mm，保護(hù)氣體為純氬，氣體流量15 L/min，平板堆焊。圖7～8分別是電壓、電流波形的比較。用示波器記錄焊接的電壓、電流波形分別如圖7a和圖8a所示，并將波形變化瞬間過程保存，同時(shí)用數(shù)據(jù)采集卡采集，程序采樣率設(shè)為20 KS/s，將采集到的電壓、電流波形如圖7b和圖8b所示。

通過以上兩組波形的比較，可以看出兩者圖形基本吻合，特別在信號(hào)突變處的尖峰和外形基本一致。這充分證明多源信息采集系統(tǒng)采樣結(jié)果正確可靠。

將試驗(yàn)過程中采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入分析系統(tǒng)中，選取部分波形進(jìn)行基本數(shù)據(jù)分析，見表1，所測(cè)得的電壓和電流的平均值與焊機(jī)參數(shù)設(shè)置比較接近。變異系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差都是反應(yīng)數(shù)據(jù)的離散程度，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，試驗(yàn)過程中電壓、電流值相對(duì)比較穩(wěn)定。

圖7 電壓波形比較

圖8 電流波形比較

圖9 為濾波前后波形圖。將電壓波形采用Butterworth方式濾波，設(shè)置截止頻率為500 Hz低通濾波器，對(duì)比通過濾波前后的波形，發(fā)現(xiàn)濾波后的波形少了高頻信號(hào)干擾，較為平滑。

表1 基本數(shù)據(jù)分析

圖9 濾波前后波形圖

圖10 為U－I圖，對(duì)焊接電流、電弧電壓變化進(jìn)行聯(lián)合分析。根據(jù)曲線的分散程度判斷焊接過程的穩(wěn)定性，曲線越集中，線條重合率越大，說明焊接過程越穩(wěn)定。

圖10 U－I圖

5 結(jié)論

(1)根據(jù)焊接機(jī)器人工作站對(duì)多源信號(hào)采集的要求，設(shè)計(jì)了能實(shí)現(xiàn)電壓、電流、聲音的多源信號(hào)采集分析儀。

(2)利用虛擬儀器LabVIEW開發(fā)了機(jī)器人焊接工作站多源信息采集分析系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行多種信息源的采集并保存到相關(guān)的文件中，可進(jìn)行信號(hào)時(shí)頻域的分析，為弧焊質(zhì)量在線監(jiān)控提供研究基礎(chǔ)。

(3)搭建了試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了機(jī)器人工作站焊接工藝試驗(yàn)，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了機(jī)器人焊接工作站多源信息采集分析系統(tǒng)的可行性與準(zhǔn)確性。