焊接發(fā)塵率測量裝置及測控系統(tǒng)的研究*

羅 佳，卜智翔*，朱師琦，孟慶潤，王立世

(1.湖北工業(yè)大學 材料與化學工程學院，湖北 武漢 430068；2.武漢鐵錨焊接材料股份有限公司，湖北 武漢 430085)

0 引 言

在焊接過程中，焊接員吸入的煙塵會誘發(fā)人體產生肺腫瘤[1]。當前，新的環(huán)境、健康和安全立法推動了減少焊接煙塵危害的焊接工藝研究[2-3]。焊接工藝參數(shù)(包括焊接電流、焊接電壓等)是影響焊接發(fā)塵率的重要因素[4-6]，其測量和控制一直是焊接領域的研究熱點。精確測量焊接電流和電壓參數(shù)，有助于建立焊接發(fā)塵率預測模型[7]，準確的數(shù)學模型是研究控制焊接煙塵和優(yōu)化工藝參數(shù)的重要理論依據(jù)。

YAMAMOT M E等人[8]根據(jù)焊接發(fā)塵率測試國際標準研發(fā)的焊接煙塵采樣器，實現(xiàn)了對焊接發(fā)塵率的測量，但該方法未實現(xiàn)焊接參數(shù)的自動化采集和測控系統(tǒng)的可視化，測量精度難以得到保證。

虛擬儀器具有可視化和操作簡單等優(yōu)點，被廣泛應用于焊接中的機器人制造單元設計、工業(yè)產品檢測和測控系統(tǒng)研發(fā)領域[9-11]。

本文將以ISO 15011-1:2009國際標準為基礎[12]，研制一種基于LabVIEW平臺的GMAW焊接發(fā)塵率測量裝置的測控系統(tǒng)，為分析影響焊接發(fā)塵率的規(guī)律，并進一步優(yōu)化焊接工藝提供技術支持。

1 控制系統(tǒng)原理及結構

在焊接過程中，單位時間產生的焊接煙塵質量即為焊接發(fā)塵率，其計算式如下：

(1)

式中：FFR—焊接發(fā)塵率，mg/min；M—焊接前濾紙的質量，mg；M′—焊接后濾紙的質量，mg；Δt—焊接時間，s。

根據(jù)式(1)，為實現(xiàn)對焊接煙塵的有效采集，需要在半封閉條件下對焊接煙塵進行抽濾，并通過玻璃纖維濾紙收集焊接煙塵；通過測量玻璃纖維濾紙的質量變化，并記錄焊接時間，即可計算發(fā)塵率。在焊接過程中需要采集焊接電流、焊接電壓和焊接時間等影響焊接發(fā)塵率大小的相關數(shù)據(jù),并對焊接速度進行控制。為了減少焊接工藝參數(shù)波動對測試精確度的影響，測試過程需要采用自動控制實現(xiàn)焊接過程的自動化，包括焊絲的送給和工件的移動，另外還需要對抽濾系統(tǒng)的運行進行控制。

為實現(xiàn)以上功能，焊接發(fā)塵率測量裝置主要由測塵室、抽濾系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)等部分組成。其中，數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)由工控機、步進電機、運動控制卡、數(shù)據(jù)采集卡、傳感器等組成。

2 硬件設計

2.1 十字滑臺及抽濾系統(tǒng)

電動十字滑臺由工作臺、兩組互成十字相連的精密滑軌和86式四線步進電機組成。將工件固定在工作臺上，可以通過移動工作臺來調節(jié)焊接位置。十字滑臺采用4個接觸式限位開關固定在滑軌的兩端，實現(xiàn)限位和確定零點位置功能。

DMC2210雷塞運動卡中PUL和DIR為輸出脈沖和方向信號，EL為限位信號，步進電機驅動器A+、A-、B+、B-端分別與配套步進電機引腳相對應。系統(tǒng)通過運動控制卡輸出方向和脈沖信號，實現(xiàn)十字滑臺的位移和速度控制。

抽濾系統(tǒng)是實驗過程中收集焊接煙塵的裝置，主要由電磁氣閥和機械泵組成。OUT端口連接繼電器CL端口，通過繼電器開關控制電磁氣閥、送絲機電路通斷，實現(xiàn)自動化煙塵采集。

十字滑臺控制電路如圖1所示。

圖1 十字滑臺控制電路圖

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集由PCI-1710研華數(shù)據(jù)采集卡、電流傳感器和電壓傳感器組成。焊接電流的測量選用JLK/JLKT-8霍爾感應式電流傳感器，其量程為0～500 A，測量精度小于1.0%。焊接電壓的測量選用JLDA4U電壓傳感器，其量程為0～200 V，測量精度小于0.5%。

數(shù)據(jù)采集電路圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集電路圖

圖1中，PCI-1710中AI0和AI1分別接收電流和電壓信號，JLDA4U中SIG_+和SIG_-分別連接試驗裝置中的試板和焊槍。

3 軟件設計

3.1 系統(tǒng)的控制時序

通過對該測量系統(tǒng)的檢測和控制過程的分析，筆者設計的控制時序如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)的控制時序

在測量時，首先由工控機發(fā)送信號，啟動抽濾系統(tǒng)使系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)前保證測塵室氣流穩(wěn)定，計時Δt1后系統(tǒng)自動啟動送絲機，并開始采集焊接電壓和焊接電流數(shù)據(jù)，隨后引弧并延時Δt2，再驅動步進電機移動工作臺，經(jīng)過Δt3后工作臺停止移動，延時Δt4，再停止送絲機和數(shù)據(jù)采集，最后延時Δt5后關閉抽濾系統(tǒng)，以保證測塵室殘余煙塵采集徹底。

各參數(shù)的定義如表1所示。

表1 初始參數(shù)表

Δt3—由工作臺的初始和終止位置及移動速度確定

3.2 程序流程圖設計

基于LabVIEW軟件編程，系統(tǒng)可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集和檢測過程的自動化，并通過圖形化界面完成檢測過程的狀態(tài)設定和輸出。

程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

初始參數(shù)通過軟件界面進行設定，設定參數(shù)見表1(不含Δt3)。完成焊接煙塵收集后，記錄焊接時間、焊接速度、焊接電流和焊接電壓，計算平均電流、平均電壓、電流有效值和電壓有效值。

3.3 操作界面設計

圖形用戶界面包括用戶輸入和顯示輸出兩類對象，具體有布爾控件、輸入控件和顯示對象。

該界面由啟?？刂瓢粹o、參數(shù)設置和圖形顯示3大模塊組成，各自實現(xiàn)不同的功能，界面操作簡單、方便。

4 實驗結果

為驗證系統(tǒng)的可靠性，筆者在搭建好實驗環(huán)境后，選用E501T-1型藥芯焊絲，在一定的焊接參數(shù)條件下(焊接電流230 A～260 A，焊接電壓25 V～27 V，焊接速度20 cm/min，保護氣體流量20 L/min)，采集焊接電流和焊接電壓等信號，對信號數(shù)據(jù)進行濾波處理后得到電流和電壓信號波形圖，如圖5所示。

圖5 電流和電壓信號波形圖

圖5中，焊接參數(shù)波形符合預期結果，測量精度滿足國際標準ISO 15011-1:2009試驗要求；最終軟件輸出的焊接電流值為243.3 A，焊接電壓值為25.9 V。

為評價該測試裝置的測量準確性，筆者分析了不同焊接電流、焊接電壓和焊接速度條件下的發(fā)塵率測試結果，共計48組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包括3次相同因素條件下的發(fā)塵率測量值，并列出了部分測量數(shù)據(jù)(16組)。

焊接參數(shù)與發(fā)塵率數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 焊接參數(shù)與發(fā)塵率數(shù)據(jù)

表2中，通過對全部數(shù)據(jù)進行誤差分析可知，在焊接電流約為240 A，焊接電壓為30 V，焊接速度為20 cm/min時，該組數(shù)據(jù)的相對誤差最大，為11.9%。測量結果中只有該組數(shù)據(jù)的相對誤差均略大于國際標準規(guī)定的相對誤差±10%；48組數(shù)據(jù)中有效數(shù)據(jù)達到98%，其中，60%以上的數(shù)據(jù)相對誤差不超過4%。

可見，該裝置的測量準確性滿足設計要求。

數(shù)據(jù)誤差分段統(tǒng)計圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)誤差分段統(tǒng)計圖

5 結束語

本文研制了一種基于LabVIEW平臺的GMAW焊接發(fā)塵率測量裝置的測控系統(tǒng)，主要結果如下：

(1)該焊接發(fā)塵率測量裝置測控系統(tǒng)實現(xiàn)了測試過程的自動化，尤其是對影響焊接發(fā)塵率的重要工藝參數(shù)完成了自動化數(shù)據(jù)采集、信息處理和存儲；

(2)該裝置的測量精度滿足國際標準ISO 15011-1:2009要求，通過對焊接發(fā)塵率進行測試，采集的焊接電流和焊接電壓符合預期結果；

(3)通過對測試數(shù)據(jù)進行相對誤差分析，所得相對誤差小于國際標準規(guī)定±10%的數(shù)據(jù)占比98%，可見該裝置的測量準確性滿足設計要求。

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