基于LabVIEW的窄坡口管道焊接電弧傳感測(cè)控系統(tǒng)

羅 雨,葉朔朔,任飛燕,張 林,高 超,劉鉑洋

(1.北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,北京 102617;2.北京市自來水集團(tuán)禹通市政工程有限公司,北京 100089)

0 引言

為了提升管道鋪設(shè)焊接效率,熔化極氣體保護(hù)焊(gas metal arc welding,GMAW)被廣泛應(yīng)用于海底管道鋪設(shè)窄坡口環(huán)焊縫焊接,焊接過程中通過電弧傳感完成填充焊道的焊縫跟蹤功能,但是坡口狹窄陡峭,常規(guī)的方法難以濾除短路模式下電弧信號(hào)中存在的短路噪音,增加了焊槍偏差信息提取的難度,給管道自動(dòng)焊電弧傳感焊縫跟蹤功能的開發(fā)帶來了難度[1-2]。若直接在管道自動(dòng)焊產(chǎn)品中進(jìn)行電弧傳感功能的開發(fā),因涉及信號(hào)處理、濾波處理、偏差提取等原理功能的確定,程序采用高級(jí)語言編寫,無法直接調(diào)用特殊功能塊,程序功能開發(fā)、驗(yàn)證周期長(zhǎng),焊接驗(yàn)證較困難[3]。

為了快速分析窄坡口管道焊接電弧傳感各環(huán)節(jié)工作原理,縮短電弧傳感功能開發(fā)周期,開發(fā)一種具備數(shù)據(jù)采集快速準(zhǔn)確、信號(hào)分析處理方法調(diào)用方便、程序開發(fā)簡(jiǎn)單、算法驗(yàn)證簡(jiǎn)便的窄坡口管道焊接電弧傳感測(cè)控系統(tǒng)具有重要的意義。本文選擇基于NI數(shù)據(jù)采集和LabVIEW圖形化編程語言,通過豐富的多元圖形控件,將平臺(tái)軟硬件結(jié)合,組成具有特定功能的電弧傳感測(cè)控系統(tǒng),提高電弧傳感焊縫跟蹤系統(tǒng)的開發(fā)效率。

1 窄坡口管道焊接電弧跟蹤測(cè)控系統(tǒng)組成

擺動(dòng)電弧傳感器通過檢測(cè)焊接時(shí)導(dǎo)電嘴干伸長(zhǎng)度的變化引起的焊接電流電壓的變化,從而獲取焊縫的偏差信息[4]。焊縫的橫向和縱向偏差由焊接電流電壓經(jīng)過濾波處理和偏差處理后得到[5]。獲得二維偏差信息后,通過LabVIEW多軸運(yùn)動(dòng)控制程序控制驅(qū)動(dòng)器和基于CANopen協(xié)議的NI主站板卡驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的電機(jī),修正焊接時(shí)焊槍的實(shí)時(shí)位置,完成焊縫橫向和縱向的跟蹤。焊縫跟蹤系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。

圖1 焊縫跟蹤系統(tǒng)硬件組成圖

1.1 基于CANopen的高速擺動(dòng)三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)

為了保證焊接過程的精確跟蹤控制,搭建了基于CANopen協(xié)議的控制系統(tǒng)。CANopen主站選用高性能通訊板卡,型號(hào)為PCI-CAN/XS2 Series2。伺服驅(qū)動(dòng)器基于CANopen協(xié)議,對(duì)高速擺動(dòng)電機(jī)、前后電機(jī)、左右電機(jī)及高低電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制,交流伺服電機(jī)的編碼器選擇多圈絕對(duì)值編碼器,具有19位分辨率,Biss通信協(xié)議讓驅(qū)動(dòng)器對(duì)伺服電機(jī)的位置控制更準(zhǔn)確。

1.2 基于LabVIEW的電弧傳感電信號(hào)采集系統(tǒng)

焊接過程中,由電弧信號(hào)采集系統(tǒng)對(duì)電流、電壓信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理,以此得到焊炬的偏差信息。有效的焊接電流、電壓的信號(hào)采集可以提升焊縫偏差信號(hào)獲取的精度[6-7]。焊接過程中,電流、電壓信號(hào)利用對(duì)應(yīng)的傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)?～20 mA以及0～10 V的信號(hào),高速數(shù)據(jù)采集卡型號(hào)為6251,可以較好采集電弧傳感信號(hào)[8]。工控機(jī)通過USB接收采集的信號(hào),再通過LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。USB-6251的數(shù)字量輸入接口可接入手持遙控器輸入信號(hào),并通過數(shù)字量輸出接口控制焊接電源的起/?；?。

2 基于LabVIEW的電弧傳感測(cè)控系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

焊縫的實(shí)時(shí)跟蹤程序首先進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,完成焊接作業(yè)中對(duì)于電弧信號(hào)的采集并記錄,采集的電弧信號(hào)用濾波程序完成處理,處理后的信號(hào)可以體現(xiàn)坡口信息。之后從濾波程序中,獲取焊縫的偏差特征,運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在接收到偏差值后,由驅(qū)動(dòng)器完成偏差修正,從而達(dá)成對(duì)于焊縫的實(shí)時(shí)跟蹤[9]。

基于LabVIEW的焊縫跟蹤程序能夠?qū)崿F(xiàn)坡口的偏差提取[10-11],并采用CANopen總線SDO寫入的方式控制擺心方向電機(jī)調(diào)整偏差,從而實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤,如圖2所示。在焊縫跟蹤的過程中,坡口不同焊接模式不同,其偏差提取的結(jié)果也不相同,因此選擇不同的“pid.vi”控制參數(shù)對(duì)不同焊接模式和坡口條件取得的偏差進(jìn)行控制,以保證焊槍運(yùn)動(dòng)的精確性。

2.1 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

LabVIEW開發(fā)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)圖形化編程。使用LabVIEW開發(fā)管道焊縫跟蹤實(shí)驗(yàn)平臺(tái),如圖3所示,包括電機(jī)控制、數(shù)據(jù)采集、電機(jī)跟蹤的參數(shù)信息。

2.2 電弧傳感信號(hào)采集與處理子程序

LabVIEW程序中通過“DAQ助手.vi”設(shè)計(jì)信號(hào)采集控制程序。實(shí)驗(yàn)中,短路/射流過渡焊接模式產(chǎn)生的噪聲頻率在50～70 Hz。在實(shí)際應(yīng)用中,根據(jù)跟蹤電信號(hào)采樣定理和采集的需求,采樣頻率需要是信號(hào)頻率的5～10倍,即最高頻率為700 Hz[12]?！癉AQ助手.vi”對(duì)采樣數(shù)處理并輸出,擺動(dòng)頻率和跟蹤精度會(huì)對(duì)其大小產(chǎn)生影響。

通過5階coif5小波濾波降低采集的電弧傳感信號(hào)中的噪聲[13]。在LabVIEW中的“WA Denoise.vi設(shè)置”輸入小波的階數(shù)、種類、閾值、數(shù)據(jù)類型和近似系數(shù)類型,對(duì)小波的分析程序進(jìn)行配置。采集和濾波程序如圖4所示。原始電流信號(hào)通過小波濾波后的波形成像穩(wěn)定,如圖5所示。焊接電流通過小波濾波處理后,焊縫的橫向跟蹤基于電流波形完成,焊縫的縱向跟蹤基于電流的平均值完成。通過“pid.vi”限定偏差的變化幅度。

(a)濾波電流

2.3 偏差提取程序

小波濾波濾除了電弧傳感信號(hào)的絕大部分噪聲,然后提取焊槍的位置偏差。信號(hào)經(jīng)過濾波處理后,轉(zhuǎn)化為大小與在“DAQ助手.vi”中設(shè)置的采樣數(shù)(之前在DAQ助手.vi中設(shè)置)一致的數(shù)組,通過積分計(jì)算出其偏差。再采用PID控制,擺心的偏差用焊炬的偏移數(shù)據(jù)表示。焊槍豎直位置被設(shè)定為驅(qū)動(dòng)器程序的起始位置,在左側(cè)1/4處可以取得第1個(gè)擺動(dòng)最大值,其1/6長(zhǎng)度的電流平均值用于表示左極限的電流大小;因此在3/4處可以取得另一擺動(dòng)的最大值,其1/6長(zhǎng)度的電流平均值用于表示右極限的電流大小[14]。

信號(hào)采集及偏差處理程序的編寫如圖6所示,數(shù)據(jù)量通過“數(shù)組大小.vi”提取,左右最大值位置通過“索引子數(shù)組.vi”提取,積分區(qū)域均值通過“均值.vi”計(jì)算,可以得到焊接電流的偏差,偏差值小于0說明電流位置右偏,偏差值大于0說明電流位置左偏。

2.4 多軸運(yùn)動(dòng)控制及跟蹤程序

實(shí)現(xiàn)電弧跟蹤功能,完成焊接過程的焊槍軌跡控制,需要搭建焊接執(zhí)行機(jī)構(gòu)的多軸運(yùn)動(dòng)單元,有焊接方向的行走驅(qū)動(dòng)單元、高速擺動(dòng)單元、高低調(diào)整單元及擺心調(diào)整單元4個(gè)運(yùn)動(dòng)軸。多軸運(yùn)動(dòng)單元選擇了基于CANopen驅(qū)動(dòng)的分布式網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),為后續(xù)產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)提供技術(shù)保證。

2.4.1 基于CANopen協(xié)議的多軸運(yùn)動(dòng)程序

建立基于CANopen協(xié)議的主從站通信來完成對(duì)四軸運(yùn)動(dòng)的控制,根據(jù)每個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)控制邏輯,完成對(duì)應(yīng)的程序開發(fā)?；赑DO通信方式,CANopen對(duì)象NMT網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)初始化后,設(shè)置通信波特率和站點(diǎn)COB-ID。然后由SDO通信方式對(duì)對(duì)象字典進(jìn)行訪問,設(shè)置PDO通信參數(shù)。比如對(duì)象字典主索引1400h、1401h對(duì)應(yīng)的子索引02h控制字設(shè)置為254,定義為異步通信[14]。進(jìn)行焊接參數(shù)變量PDO映射封裝。焊槍擺動(dòng)控制程序如圖7所示。擺動(dòng)寬度和擺動(dòng)頻率(32位整型)被封裝映射在RPDO1中,駐留時(shí)間被封裝映射在RPDO2中,由同步幀觸發(fā)完成數(shù)據(jù)交換。

圖7 焊槍擺動(dòng)控制程序

2.4.2 橫向跟蹤程序(擺心調(diào)整)

焊縫橫向(左右)跟蹤控制系統(tǒng),通過電弧傳感,焊炬橫向的偏差量可以通過PID控制器完成調(diào)節(jié)。對(duì)不同位置的焊接工況進(jìn)行模擬,每個(gè)工藝都有對(duì)應(yīng)的PID控制器參數(shù)。初始電流通過小波濾波完成降噪,再通過偏差提取程序完成對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的提取,可以獲得電流偏差值,但是偏差值和焊炬擺心偏差無法直接用來調(diào)整焊炬。用PID參數(shù)整定對(duì)焊炬調(diào)整量變化進(jìn)行限定,防止在焊接過程中焊槍發(fā)生咬邊、偏出焊縫等狀況。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,對(duì)不同焊接模式下“PID.vi”的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,焊接模式PID參數(shù)設(shè)置如圖8所示。

圖8 不同焊接模式PID參數(shù)設(shè)置

射流模式下,偏差輸出范圍(output range)為-1.5～1.5 mm(“-”為反向調(diào)節(jié));在短路模式下電弧直徑較小,調(diào)整其輸出范圍為-2～2 mm,增大擺寬。“Kc”用于調(diào)節(jié)輸入量,“Ti”和“Td”用于防止輸出量變化過大,以此保證電弧信號(hào)的穩(wěn)定。

擺心位置調(diào)整程序,使用if結(jié)構(gòu)控制程序的執(zhí)行,該程序通過“已用時(shí)間.vi”實(shí)現(xiàn)焊槍擺心周期性的位置調(diào)整,在該vi的“目標(biāo)時(shí)間”端接入焊炬擺動(dòng)周期的時(shí)間數(shù)值,在該vi的“結(jié)束”端連接到if結(jié)構(gòu),在if結(jié)構(gòu)中使用“順序結(jié)構(gòu)”寫入?yún)?shù),“結(jié)束”端的布爾量穿過“順序結(jié)構(gòu)”以復(fù)合運(yùn)算“或”的方式接入到控制焊槍橫向運(yùn)動(dòng)的if機(jī)構(gòu)輸入端,從而實(shí)現(xiàn)焊槍擺心的周期性調(diào)整。擺心跟蹤控制程序如圖9所示。

3 電弧傳感跟蹤實(shí)驗(yàn)

3.1 焊接工藝設(shè)計(jì)

電弧跟蹤實(shí)驗(yàn)?zāi)M海底管道鋪設(shè)焊接平焊工況[15]。采用梯形坡口,坡口底寬為5 mm,深度為8 mm,側(cè)壁斜邊角度為10°,如圖10所示。焊接工藝規(guī)程見表1。

表1 焊接工藝規(guī)程

(a)梯形坡口

在短路模式下完成焊接跟蹤實(shí)驗(yàn)。焊縫成形如圖11所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示焊縫表面成型好,實(shí)際焊接方向與理論方向重合度高,跟蹤精度高。

(a)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

電弧傳感跟蹤實(shí)驗(yàn)中,擺心調(diào)整電機(jī)實(shí)際位置如圖12所示?？梢钥闯龆搪纺Ｊ街?平焊條件下),焊槍根據(jù)理論調(diào)整位置可以較好完成跟蹤調(diào)節(jié),僅在7 s和17.5 s處存在較大偏差。水平偏差距離設(shè)置為28.1 mm,焊槍每0.4 s進(jìn)行一次調(diào)節(jié),焊接速度為60 cm/min(短路模式),計(jì)算出焊炬調(diào)整應(yīng)達(dá)到0.56 mm/次。對(duì)比焊槍調(diào)整的理論與實(shí)際位置,平均跟蹤誤差率為11.62%,平焊位置最大跟蹤誤差為15.04%,跟蹤精度為±(0.12～0.15)mm。

圖12 擺心調(diào)整電機(jī)實(shí)際位置

3.2 焊縫跟蹤實(shí)現(xiàn)的過程

在水平位置進(jìn)行跟蹤試驗(yàn),起弧控制程序和斷弧控制程序通過布爾的“或”門與焊槍行走程序、焊槍擺心控制程序、焊槍高低控制程序和焊槍擺動(dòng)控制程序連接。擺心跟蹤控制程序于擺心電機(jī)位置讀取程序,通過同一個(gè)單擊轉(zhuǎn)換布爾實(shí)現(xiàn)程序運(yùn)行控制。起弧開啟后,通過寫入控件和局部變量寫入焊槍的行走、擺頻、擺寬參數(shù),同時(shí)開啟跟蹤程序,信號(hào)采集程序開始采集電弧傳感信號(hào),并對(duì)其進(jìn)行濾波和偏差提取,擺心跟蹤控制程序?qū)ζ铍娏鬟M(jìn)行調(diào)整并通過局部變量將調(diào)整參數(shù)寫入擺心控制電機(jī)中,從而實(shí)現(xiàn)擺心偏差的調(diào)整,同時(shí)擺心電機(jī)位置讀取程序開始讀取電機(jī)位置,并記錄到測(cè)量文件中。斷弧程序開啟后,程序通過局部變量寫入關(guān)閉信號(hào)采集及處理程序,擺心跟蹤和位置讀取程序以及焊槍的四軸運(yùn)動(dòng)程序。

4 結(jié)論

針對(duì)窄坡口管道焊接電弧傳感的技術(shù)需求,搭建了基于高速擺動(dòng)的多軸運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電弧跟蹤測(cè)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)采集、濾波、偏差提取和多軸運(yùn)動(dòng)焊縫跟蹤功能,能夠滿足GMAW電弧跟蹤實(shí)驗(yàn)需求?；贚abVIEW開發(fā)平臺(tái),設(shè)計(jì)了電弧傳感信號(hào)采集與處理子程序。使用5階coif5小波濾波對(duì)電弧傳感信號(hào)進(jìn)行降噪處理,可有效去除噪聲對(duì)跟蹤精度的干擾,減少熔滴過渡對(duì)電弧信號(hào)的影響。根據(jù)區(qū)間積分偏差提取算法,編寫了偏差提取程序,可獲得準(zhǔn)確穩(wěn)定的電弧偏差信號(hào)。完成了基于CANopen協(xié)議的多軸運(yùn)動(dòng)控制程序開發(fā),分布式運(yùn)動(dòng)控制及高精度編碼器使用,確保了跟蹤時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的精確位置控制需求。采用死區(qū)PID控制,對(duì)于焊縫橫向跟蹤程序進(jìn)行設(shè)置。通過實(shí)驗(yàn)得到優(yōu)化的焊縫跟蹤PID控制參數(shù)。進(jìn)行了平焊位置的焊縫跟蹤實(shí)驗(yàn),得到了平焊位置最大跟蹤誤差為15.04%,跟蹤精度為±(0.12～0.15)mm。驗(yàn)證了電弧跟蹤測(cè)控系統(tǒng)各功能單元和跟蹤算法的有效性?；贚abVIEW的電弧傳感測(cè)控系統(tǒng),編程量小,程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,適合窄坡口焊縫跟蹤功能的理論分析和快速開發(fā)要求。