黃 晉，石永華

(華南理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣東 廣州 510640)

高壓艙水下焊接系統(tǒng)設(shè)計(jì)及電信號(hào)采集

黃 晉，石永華

(華南理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣東 廣州 510640)

基于陸上焊接電源、高壓艙、工控機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、兩個(gè)具有編碼器反饋信號(hào)的速度控制模式的直流伺服電動(dòng)機(jī)、一個(gè)步進(jìn)電機(jī)以及電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器、工作臺(tái)、霍爾電流傳感器、數(shù)據(jù)采集卡等，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種高壓艙水下焊接系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，通過工控機(jī)上的人機(jī)交互界面發(fā)出的信號(hào)使電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)三軸的運(yùn)動(dòng)控制帶動(dòng)焊槍在高壓艙內(nèi)進(jìn)行模擬不同水深的水下焊接。編寫了針對(duì)雙路電壓信號(hào)采集的Labview數(shù)據(jù)采集程序，且通過不斷調(diào)試系統(tǒng)，在Labview程序中進(jìn)行了各種軟件濾波的對(duì)比，最終采用Inv Chebyshev濾波并進(jìn)行了誤差修正，完善了系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的Labview程序。同時(shí)還初步采集了一組水下焊接數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)運(yùn)行良好，可以進(jìn)行下一步試驗(yàn)。

焊接電源；水下焊接；運(yùn)動(dòng)控制；數(shù)據(jù)采集

0 前言

水下焊接是一種在海洋、江河等水下嚴(yán)酷環(huán)境中進(jìn)行的特殊的焊接方法。隨著我國海洋資源特別是深海油氣、可燃冰等資源開發(fā)力度的不斷加大，對(duì)水下焊接的需求也越來越大、越來越迫切。

與陸上焊接相比，水下焊接有很多獨(dú)特的特征。水具有密度大、熱容量大、熱傳導(dǎo)快、不可壓縮且隨水深的增加而壓力增大的特點(diǎn)[1]。在水下焊接時(shí)，環(huán)境比較惡劣，電弧本身受水的強(qiáng)烈冷卻作用，同時(shí)壓力、氣泡的形成，長大和破裂對(duì)電弧有負(fù)面作用，電弧很容易熄滅，所以必須對(duì)水下焊接的電弧特性、工藝過程和冶金反應(yīng)等進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究。

由于在實(shí)際的深海環(huán)境下進(jìn)行水下焊接研究很困難，且成本較高，因此在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用高壓艙建立了一個(gè)能模擬不同水深的水下焊接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用于對(duì)水下焊接的電弧靜特性和動(dòng)特性，以及各種不同焊絲和焊接方法在水下焊接的特點(diǎn)等進(jìn)行研究[2]，同時(shí)該系統(tǒng)能夠采集和分析水下焊接的電信號(hào)數(shù)據(jù)。

1 高壓艙水下焊接系統(tǒng)設(shè)計(jì)[3]

高壓艙水下焊接系統(tǒng)如圖1所示，總體可分為四個(gè)部分：焊接模塊、人機(jī)交互界面、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)采集。

圖1 高壓艙水下焊接系統(tǒng)框圖

1.1 焊接模塊

焊接模塊由陸上焊接電源、送絲機(jī)、水下焊接高壓艙、三維運(yùn)動(dòng)工作平臺(tái)組成。其中焊接電源置于高壓艙外面；送絲機(jī)和三維運(yùn)動(dòng)工作平臺(tái)置于水下焊接高壓艙內(nèi)；三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的第三軸，即能夠上下運(yùn)動(dòng)的Z軸上裝有焊槍支架板，焊槍安裝在支架板上，隨第一軸步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，因此焊接速度可以由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的第一軸控制。

運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)每軸安裝有正負(fù)限位開關(guān)限制其行程，防止伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)到最大行程時(shí)被卡住而燒壞，或步進(jìn)電機(jī)控制的平臺(tái)越出軌道。

該模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 焊接平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 人機(jī)交互界面

人機(jī)交互主要是在工控機(jī)上的軟件界面，進(jìn)行對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的控制從而帶動(dòng)焊槍進(jìn)行焊接，以及對(duì)焊接數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。在工控機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制軟件界面上(見圖3)可進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)位移、速度、PID等各參數(shù)的調(diào)節(jié)和修改，同時(shí)利用Labview軟件編寫的界面(見圖4)對(duì)電弧電壓、焊接電流等數(shù)據(jù)保存和波形動(dòng)態(tài)圖形顯示等多種操作，實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)交互。

圖3 運(yùn)動(dòng)控制軟件界面

1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分由運(yùn)動(dòng)控制卡、與運(yùn)動(dòng)控制卡配套的接線端子板、兩個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成。其中運(yùn)動(dòng)控制卡安裝在工控機(jī)的PCI插槽上，將運(yùn)動(dòng)控制卡與端子板相連，并將三個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和端子板對(duì)應(yīng)接好所有的線。GT-400-SV-PCI運(yùn)動(dòng)控制卡能控制四軸的運(yùn)動(dòng)。在本系統(tǒng)中，將步進(jìn)電機(jī)作為第一軸，其他兩個(gè)伺服電機(jī)作為第二軸和第三軸。

1.3.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)

系統(tǒng)采用SYNTRON森創(chuàng)生產(chǎn)的三相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，且步進(jìn)電機(jī)模式設(shè)置為單脈沖模式，6 000步／r。

通過人機(jī)交互界面給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出脈沖即可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。首先在運(yùn)動(dòng)控制卡軟件界面上選中“伺服打開／伺服關(guān)閉”，使步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器使能，利用公式計(jì)算，給目標(biāo)位置、速度和加速度設(shè)定合適的值即能得到需要的焊接速度。設(shè)要求運(yùn)動(dòng)速度為v(單位：m／min)、加速度為a(單位：m／s2)、運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置(絕對(duì)位置)為s(單位：mm)。系統(tǒng)參數(shù)為：螺距L(單位：mm／r)，電機(jī)每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)p，變比n (當(dāng)電機(jī)與絲桿直接連接時(shí)，變比為1)，驅(qū)動(dòng)器指令脈沖倍頻m。在軟件界面上運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)置參數(shù)為：目標(biāo)位置Pos(單位：Pulse)，目標(biāo)速度為vel(單位：Pulse／ST)，目標(biāo)加速度為acc(單位：Pulse／ST2)，控制周期ST為t(單位：μ s)。即有

圖4 Labview焊接電壓、電流信號(hào)采集界面

運(yùn)動(dòng)控制卡端子板和該步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接線如圖5所示。

圖5 運(yùn)動(dòng)控制卡端子板和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接線

1.3.2 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)

采用Maxon生產(chǎn)的型號(hào)為4-Q-DC Servoamplifier ADS 50／5的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，伺服電機(jī)模式設(shè)置為編碼器速度控制模式。

通過人機(jī)交互界面讓伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器“+Set value”模擬輸入端得到模擬電壓信號(hào)即可驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)。兩個(gè)伺服電機(jī)采取閉環(huán)控制，因此要進(jìn)行PID參數(shù)調(diào)節(jié)。經(jīng)過大量電機(jī)運(yùn)動(dòng)調(diào)試表明，比例P為放大系數(shù)，積分I控制電機(jī)的定位精度，微分D控制電機(jī)的振蕩情況。在進(jìn)行水下焊接實(shí)驗(yàn)過程中，必須調(diào)好PID參數(shù)，盡可能使兩個(gè)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)振蕩最小，且定位精度最高。

要得到運(yùn)動(dòng)速度為v(單位：m／min)、加速度為a (單位：m／s2)、運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置(絕對(duì)位置)為s(單位：mm)，在軟件界面上運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)置參數(shù)為

運(yùn)動(dòng)控制卡接線端子板和這兩個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接線如圖6所示。

圖6 運(yùn)動(dòng)控制卡端子板和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接線

1.4 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用NI USB-6221數(shù)據(jù)采集卡，由于采集的是電弧電壓和焊接電流，因此可以用數(shù)據(jù)采集卡采集雙路電壓，且采用差分的形式，將輸出的電壓數(shù)據(jù)用數(shù)據(jù)采集卡并結(jié)合所編寫的Labview程序采集到工控機(jī)上保存。

由于焊接過程中電弧電壓大于數(shù)據(jù)采集卡所能采集的最大電壓值，可以采用電阻分壓。在本系統(tǒng)中，采集的是電弧電壓的1／10，通過Labview程序，將采集到的電壓值乘以10即為焊接電壓。

焊接電流的采集采用霍爾電流傳感器，該傳感器是電壓輸出型的，額定電流800 A對(duì)應(yīng)輸出電壓為4 V，焊接電纜穿過霍爾電流傳感器后，在焊接過程中即可感應(yīng)輸出電壓，對(duì)于所編寫的Labview程序，對(duì)采集到的電壓絕對(duì)值乘以200即可以得到焊接電流的絕對(duì)值。

數(shù)據(jù)采集卡接線端子接線如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)采集卡接線端子接線

2 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果分析

將系統(tǒng)中的焊接電源、霍爾電流傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、運(yùn)動(dòng)控制卡和工控機(jī)都接通電源，起動(dòng)送絲機(jī)，但不讓送絲機(jī)進(jìn)行送絲，焊機(jī)不進(jìn)行焊接，此時(shí)焊接電源上電壓顯示一個(gè)確定的值，現(xiàn)調(diào)節(jié)焊接電源電壓為38V，然后打開Labview焊接電壓、電流信號(hào)采集的初始界面，進(jìn)行在不焊接的情況下調(diào)試采集數(shù)據(jù)，此時(shí)波形如圖8所示。

圖8 初始信號(hào)波形

圖9 五種濾波算法效果

由圖8可知，系統(tǒng)中信號(hào)噪聲干擾較大，特別是在焊接電源未焊接的情況下，霍爾電流傳感器已經(jīng)輸出一個(gè)小電壓值，其絕對(duì)值乘以200得到焊接電流時(shí)，誤差就比較大了。因此為了更精確地分析信號(hào)，必須進(jìn)行濾波處理，濾除噪聲，去偽存真，最后進(jìn)行誤差修正[4]。經(jīng)修改初始界面得到Labview濾波和誤差修正界面程序，如圖4b所示。

實(shí)驗(yàn)表明，電弧電壓、焊接電流頻率小于1 Hz時(shí)，信號(hào)噪聲是一些高頻率的信號(hào)，故在Labview程序中可以采用低通濾波，有五種濾波算法：Butterworth、Chebychev、Inv Chebyshev、Eliptic、Bessel。設(shè)定截止頻率為1 Hz，分別選擇這五種濾波方式，并進(jìn)行誤差修正后，程序的運(yùn)行結(jié)果如圖9所示。對(duì)比五個(gè)示波器窗口，可以很容易地對(duì)比五種方式的濾波效果，從濾波結(jié)果來看，對(duì)于該系統(tǒng)的噪聲信號(hào)，Inv Chebyshev濾波算法的效果更好，誤差更小一些。

在Labview程序中用Inv Chebyshev濾波算法濾波和修正誤差后，在淺水環(huán)境下進(jìn)行調(diào)試初步焊接，焊接電源所調(diào)電壓為38 V，得到所截取的一段電弧電壓、焊接電流隨時(shí)間變換的波形如圖10所示。表明設(shè)計(jì)的焊接系統(tǒng)能夠進(jìn)行穩(wěn)定焊接，可以進(jìn)行下一步試驗(yàn)。

3 結(jié)論

基于機(jī)械、電子和控制技術(shù)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種用于高壓艙水下焊接系統(tǒng)。該系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)能帶動(dòng)焊槍精確定位進(jìn)行平板焊接，可以模擬不同水深下焊接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，也可以用于實(shí)驗(yàn)室的水下焊接教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該系統(tǒng)經(jīng)過試驗(yàn)，采集了電弧電壓和焊接電流數(shù)據(jù)，且對(duì)信號(hào)進(jìn)行了分析，系統(tǒng)運(yùn)行良好。

圖10 水下焊接焊接波形

[1]續(xù)守誠，貝金榮.水下焊接與切割技術(shù)[M].北京：海洋出版社，1986：77-87.

[2]黃石生.弧焊電源及其數(shù)字化控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[3]胡天鏈，梁艷陽，熊 偉.小球運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國科技信息，2010(16)：12-15.

[4]王 磊，陶 梅.精通labview 8.x.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

Design of high pressure cylinder underwater welding system and its signal acquisition

HUANG Jin，SHI Yong-hua
(School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China)

Based on land-based welding power source，high-pressure cylinder，industrial controlling computer，motion control card，two DC servo motors which has encoder feedback signal mode speed control，a stepper motor and the motor driver，table，Hall current sensors，data acquisition card，a high-pressure cylinder underwater welding system is designed and implemented in this article.In the system，through the interactive interface on the computer,signals are sent to the motor driving the table's three-axis motion which take the welding gun weilding in the high-pressure cylinder which can simulate different water depths of underwater welding.In this article，the dual voltage signal acquisition labview data acquisition program is also made，and through continuous debugging system and a variety of labview software filter program contrast，the eventual adoption is the Inv Chebyshev filter and plus the error correction，the system labview data acquisition program has been improved，and also a set of preliminary underwater welding data is collected，the test indicating that the system is running well，so next experiment can be done.

welding power source；underwater welding；motion control；data acquisition

TG409

A

1001-2303(2011)07-0010-06

2011-05-25

收稿日期：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50705030)；廣東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(91510080190000018)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2009ZM0318)

黃 晉(1986—)，男，湖南郴州人，在讀碩士，主要從事水下焊接電源研究工作。