氬弧焊接電源數(shù)據(jù)采集方法設計與開發(fā)

杜文平，梁 棟，雷鵬瑋

(西安航天發(fā)動機有限公司，陜西 西安 710100)

0 引言

焊接是目前機械行業(yè)最主要的連接方式和制造工藝，常見的焊接工藝有手工氬弧焊、自動氬弧焊、真空釬焊、等離子弧焊、電阻點焊等，焊接接頭形式主要有對接焊、角接焊、插接焊等。焊接過程質(zhì)量可靠性直接影響產(chǎn)品質(zhì)量，為保證焊接質(zhì)量，焊接參數(shù)的制定和執(zhí)行是最重要的內(nèi)容。但通過分析發(fā)現(xiàn)在實際的焊接過程中，即使預設了相同的焊接參數(shù)，焊接質(zhì)量仍有可能有較大的差異。通過分析發(fā)現(xiàn)在常規(guī)的焊接設備上，主要的焊接參數(shù)如焊接電流、電弧電壓、送絲速度和焊接速度等的設置和監(jiān)測是通過焊接設備上的指示儀表顯示，但焊接是一個復雜的動態(tài)過程，儀表指示并不能真實地反映焊接過程的全部信息，此外由于焊機上的儀表不方便拆卸，不能經(jīng)常檢定，造成一段時間后焊機上表顯的數(shù)據(jù)存在偏移的情況。

隨著焊接技術的發(fā)展，目前國內(nèi)外均對焊接參數(shù)進行實時在線監(jiān)測、采集，以達到將對焊接質(zhì)量直接的評價作為焊接過程質(zhì)量控制的重要手段。哈爾濱工業(yè)大學利用Lab View 開發(fā)軟件管理系統(tǒng)，基于單片機核心開發(fā)了焊裝車間生產(chǎn)過程信息監(jiān)控系統(tǒng)，對焊接過程進行實時監(jiān)控，實現(xiàn)生產(chǎn)過程信息的集中管理。華中科技大學構建了基于 WEB 的焊接過程遠程監(jiān)控系統(tǒng)，用來對點焊過程進行遠程監(jiān)控。利物浦約翰摩爾大學運用電流、電壓、紅外、超聲波等傳感器，提取電阻點焊各種特征信號，然后運用無線網(wǎng)絡把數(shù)據(jù)傳給主機進行分析。Impact Engineering公司利用焊接過程監(jiān)測系統(tǒng)，同時檢測和分析焊接過程的電弧電壓、焊接電流、送絲速度和保護氣體流量。

以上系統(tǒng)從不同的角度研究了焊接過程監(jiān)控與數(shù)據(jù)管理，但都是針對自動化程度高的自動化焊接設備，通過集成焊接設備自帶的OPC、Modbus等接口采集數(shù)據(jù)，對于無接口的非自動化焊接的焊接參數(shù)的監(jiān)控采集相關研究還較少。本文以手工氬弧焊為研究對象，針對氬弧焊的主要焊接參數(shù)設計焊接參數(shù)采集盒，并通過以太網(wǎng)將焊接設備聯(lián)網(wǎng)集中管控，實現(xiàn)焊接參數(shù)的在線監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集。

1 焊接過程監(jiān)控采集總體設計

氬弧焊焊接技術的原理是在普通電弧焊的基礎上，用惰性氣體(氬氣)對被焊接的焊材進行保護，焊接時利用高電流使焊絲在基材上融化形成液態(tài)熔池，即可使基材和焊材結合，在焊接過程中由于高溫熔池中持續(xù)不斷地送上惰性氣體，使焊材和空氣中的氧氣隔離，從而防止了焊材的氧化,所以可以焊接不銹鋼、鐵類金屬。手動氬弧焊主要的焊接參數(shù)有焊接電流、電弧電壓、氬氣流量。

焊接參數(shù)在線監(jiān)控與采集系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲如圖1所示。各手工焊接電源通過統(tǒng)一的以太網(wǎng)實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)集中管控，通過設計專用的數(shù)據(jù)采集盒，采集焊接電源的參數(shù)(電壓、電流、氣流量等)，然后通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡交換設備，交換設備將數(shù)據(jù)上傳至服務器。技術人員在現(xiàn)場PC終端和大屏，在瀏覽器中輸入數(shù)據(jù)服務器的IP地址來實現(xiàn)對軟件管理系統(tǒng)服務器的訪問，從而實現(xiàn)對焊接作業(yè)現(xiàn)場的遠程監(jiān)控，可以實時查看目前所有焊接設備的運行情況和實時焊接參數(shù)，并可在焊接完成后追溯之前的焊接過程記錄。

圖1 焊接參數(shù)在線監(jiān)控與采集系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲Fig.1 Network topology of online monitoring and acquisition system for welding parameters

2 數(shù)據(jù)采集盒設計

2.1 采集盒主要模塊設計

為滿足手工氬弧焊參數(shù)采集需要設計專門的參數(shù)采集盒，采集盒需要實現(xiàn)焊接電流、電弧電壓、氬氣流量3個參數(shù)的采集，需要增加電流、電壓、氣體流量傳感器，此外焊接電流、電弧電壓、氬氣流量需要統(tǒng)一進行信號處理顯示，采集盒還需要微處理器。

1)焊接電流。氬弧焊焊接時焊槍接焊接電源的正極，地線接負極，形成焊接回路。需要采集焊機輸出的電流就需要在焊接回路上增加電流表，但是由于焊接電流從幾十安培到上百安培，焊接電流過大，無法直接采集。電流傳感器通過電流互感器，將大電流通過互感線圈轉(zhuǎn)換成小電流進行采集，電流互感基本電路圖如圖2所示。

圖2 電流互感基本電路圖Fig.2 Basic circuit diagram of current transformer

電流傳感器的引腳如圖3所示，將傳感器的輸出的電信號經(jīng)過信號處理傳遞至采集盒的微處理器，在采集盒的顯示屏上顯示。

圖3 電流傳感器引腳圖Fig.3 Pin diagram of current sensor

2)電弧電壓。電弧電壓需要在焊機的正負極并聯(lián)采集回路，由于手工氬弧焊槍內(nèi)部一般采用水冷，無法直接在焊槍和電源進行并聯(lián)采集，需要在電源正極引出一根信號線，負極與焊接電流接線形式一致，形成并聯(lián)回路，在并聯(lián)回路上增加電壓傳感器，電壓傳感器引腳如圖4所示，電壓傳感器輸出的信號再傳遞至采集盒微處理器，在采集盒的顯示屏上顯示。

圖4 電壓傳感器引腳圖Fig.4 Pin diagram of voltage sensor

3)氬氣流量。手工焊接電源的氬氣一般采用廠房集中供氣或氬氣瓶供氣，電源上有氬氣的輸入接口。氬氣流量采集可在氬氣輸入口增加氣體流量傳感器，氣體流量傳感器將氣流量轉(zhuǎn)換為4～20 mA電流信號，通過采集模塊將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號傳給采集盒處理器，顯示在采集盒的顯示屏上。

4)采集盒微處理器。焊接電流、電弧電壓、氬氣流量需通過信號處理集中轉(zhuǎn)化并顯示，采集盒的控制器采用單片機控制。單片機程序主要分3個線程：線程1負責液晶屏顯示和按鍵處理；線程2負責電流、電壓、氣流量等數(shù)據(jù)采集；線程3負責以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。

2.2 采集盒內(nèi)部模塊和線路設計

通過以上主要模塊的設計，為滿足采集盒焊接參數(shù)采集、顯示、以太網(wǎng)傳輸，采集盒的主要模塊由電源模塊、氬氣流量信號采集模塊、焊接電流采集模塊、電弧電壓采集模塊、顯示模塊、處理器模塊和基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)輸出模塊組成，圖5所示為采集盒內(nèi)部功能框圖。

圖5 采集盒內(nèi)部原理圖Fig.5 Internal schematic diagram of acquisition box

1)電源模塊。由整流、濾波、穩(wěn)壓電路組成，將變壓器輸入的±26 V AC電源穩(wěn)壓至±15 V DC、24 V DC、3.3 V DC。其中±15 V DC給電流互感器和電壓互感器供電，24 V DC給氣流量傳感器供電，3.3 V DC給處理器、顯示屏、以太網(wǎng)等模塊供電。

2)焊接電流采集模塊。主要為電流傳感器，電流傳感器選用JXNB—600A/C，霍爾電流傳感器的初、次級之間是絕緣的，用于控制、測量直流、交流和脈沖電流。

3)焊接電壓采集模塊。主要為電壓傳感器，電壓傳感器選用YNV—25P，該傳感器系列閉環(huán)型霍爾電壓傳感器，初、次級之間絕緣。

4)氣流量采集模塊。主要為氣體流量傳感器，氣體流量傳感器選用PFM750，測量范圍1～50 L/min，供電電壓24 V DC，輸出信號4～20 mA。

5)顯示模塊。選用2.4寸LCD彩屏，可顯示當前焊接參數(shù)和網(wǎng)絡配置信息。

6)處理器模塊。主要負責將接收采集模塊采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并傳至以太網(wǎng)模塊。主控制器采用STM32F103RGT6微控制器，STM32F103RGT6單片機為增強型系列單片機，使用高性能的ARM Cortex—M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，供電電壓2.0～3.6 V。

7)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸模塊。主要負責將處理器傳出的信號通過RJ45網(wǎng)口傳遞至上游網(wǎng)絡設備，進而傳遞至服務器。

2.3 采集盒實物外接接口設計

按照以上采集盒內(nèi)部模塊和線路設計出如圖6所示的采集盒實物圖，采集盒的尺寸(mm)：166×153×67.5，采集盒設計11個對外接口，各接口的說明如表1所示，采集盒的功能參數(shù)如表2所示。

表1 采集盒對外接口說明Tab.1 Description of external interface in acquisition box

表2 采集盒功能參數(shù)Tab.2 Function parameters of acquisition box

圖6 采集盒實物圖Fig.6 Physical picture of acquisition box

3 焊接設備集中控制系統(tǒng)軟件功能設計

焊接參數(shù)的在線監(jiān)控與采集系統(tǒng)實現(xiàn)對焊接設備的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控，同時為滿足生產(chǎn)管理的需要，將采集系統(tǒng)與MES(manufacturing execution system，制造執(zhí)行系統(tǒng))集成，實現(xiàn)焊接任務下發(fā)、焊接過程監(jiān)控、焊接數(shù)據(jù)采集、焊接過程數(shù)據(jù)事后追溯和查看等全過程的管控，焊接參數(shù)在線監(jiān)控與采集整體業(yè)務流程如圖7所示。

圖7 焊接參數(shù)在線監(jiān)控與采集整體業(yè)務流程Fig.7 Overall business process of online monitoring and acquisition for welding parameters

系統(tǒng)的主要功能模塊為焊接工藝設計模塊、生產(chǎn)過程管理模塊、焊接過程監(jiān)控模塊、系統(tǒng)管理模塊、MES數(shù)據(jù)交互模塊，各模塊主要功能如下。

1)焊接工藝設計模塊。工藝管理員可通過系統(tǒng)對焊接工藝基礎數(shù)據(jù)進行管理，主要包括接收來自MES的焊接工藝、自建焊接工藝和焊接工藝查看、修改。

2)生產(chǎn)過程管理模塊。接收來自MES生產(chǎn)任務信息，形成生產(chǎn)任務臺賬，供焊工在手持終端領取并進行作業(yè)。

3)焊接過程監(jiān)控模塊。在焊工進行焊接任務時，能夠?qū)崟r監(jiān)控到設備的工作情況，并且在任務結束后能夠進行回溯查看，對于報警等異常情況能夠及時進行提醒并對數(shù)據(jù)進行記錄。

4)系統(tǒng)管理模塊。系統(tǒng)管理員可進行系統(tǒng)人員角色、權限菜單、焊接設備、接口配置等基本信息的管理。

5)MES數(shù)據(jù)交互模塊。系統(tǒng)與MES進行數(shù)據(jù)交互，將MES的焊接工藝、電子跟蹤卡信息等數(shù)據(jù)通過Webservice接口以XML格式發(fā)送系統(tǒng)，解析XML文件并存儲至系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。任務完成后，將焊接過程中采集的焊接參數(shù)、焊接設備、焊接時間等數(shù)據(jù)通過Webservice接口以XML格式上傳至MES，完成數(shù)據(jù)交互。

4 系統(tǒng)功能驗證

4.1 硬件功能驗證

采集盒安裝在不影響焊工使用焊接設備的一側(cè)，對應采集盒4個角打孔固定。此外，為方便工人操作使用，每臺手工焊配置手持操作終端一臺，工人在手持操作終端上進行生產(chǎn)任務的選擇并可查看實時采集的焊接參數(shù)數(shù)據(jù)。手持終端通過以太網(wǎng)與系統(tǒng)服務器連接獲取數(shù)據(jù)，為簡化網(wǎng)絡部署工作，每臺焊接設備配置小路由器進行網(wǎng)絡分線，分出來的網(wǎng)口分別連接采集盒和手持操作終端。圖8為采集盒和路由器安裝示例，圖9為手持操作終端安裝示例。

圖8 采集盒與路由器安裝示例Fig.8 Sample installation of acquisition box and router

圖9 手持操作終端安裝示例Fig.9 Installation example of handheld operation terminal

4.2 軟件功能驗證

軟件功能主要包含焊接工藝管理、焊接任務管理、焊接過程監(jiān)控管理、焊接設備總覽等，其中焊接過程監(jiān)控分為PC終端過程監(jiān)控和手持終端過程監(jiān)控。系統(tǒng)可實現(xiàn)工藝基礎數(shù)據(jù)、生產(chǎn)任務信息的展示和增刪改查等功能，同時對于同一圖號及同一類型的規(guī)程進行分版本管理。

系統(tǒng)支持登錄用戶所在的車間、班組，顯示該車間下的車間布置圖及其焊機狀態(tài)包括開機、待機、正在作業(yè)等信息。點擊相應的焊機可查看圖10所示焊機詳細實時信息，如焊機正在作業(yè)可查看采集盒采集的當前焊接電流、電弧電壓、氬氣流量實時數(shù)據(jù)。

圖10 焊機詳細的實時信息Fig.10 Detailed real-time information of welding machine

5 結語

本文針對手工氬弧焊主要參數(shù)焊接電流、電弧電壓、氬氣流量的過程控制問題，通過焊接技術、信息技術、通信控制和管理等新理念結合，實現(xiàn)焊接工藝、焊接任務執(zhí)行、焊接過程監(jiān)控、焊接參數(shù)采集等統(tǒng)一管理。針對性地設計手工焊接電源數(shù)據(jù)采集盒，通過采集盒的聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)焊接設備的聯(lián)網(wǎng)集控、焊接過程的有效管控、焊接事后的全數(shù)據(jù)追溯，保障焊接質(zhì)量和數(shù)據(jù)追溯能力，并為焊接制造的信息化提供解決方案，為企業(yè)管理提供大數(shù)據(jù)支持。