郭 勇，李志勇，趙洪志，閆曉成

(中北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030051)

基于LabVIEW的焊接過程多信息分析平臺(tái)

郭 勇，李志勇，趙洪志，閆曉成

(中北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030051)

基于焊接多信息同步采集系統(tǒng)，采用LabVIEW圖形化語言，以熔化極氣保焊的焊接電流、電弧電壓、電弧光譜為信號(hào)源，構(gòu)建了包括電信號(hào)參數(shù)設(shè)置、電信號(hào)數(shù)據(jù)分析模塊、光信號(hào)參數(shù)設(shè)置與自動(dòng)選擇、光信號(hào)數(shù)據(jù)分析的焊接過程多信息分析平臺(tái)?？蓪?shí)時(shí)顯示焊接電流波形、電弧電壓波形、電弧輻射光譜等；系統(tǒng)還通過數(shù)據(jù)分析處理得到U-I相圖、焊接電流和電弧電壓概率密度、短路時(shí)間頻次圖、電弧輻射光強(qiáng)與波長對(duì)應(yīng)圖、計(jì)算焊接溫度的玻爾茲曼圖等，通過上述信息分析，檢測電弧狀態(tài)和信息，可用于焊接過程診斷和焊接電弧物理研究等。

LabVIEW；熔化極氣體保護(hù)焊；多信息分析

0 前言

隨著現(xiàn)代焊接技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)焊接電源的性能和焊縫質(zhì)量提出了越來越高的要求。無論是焊接電源性能還是焊縫質(zhì)量的評(píng)判，都需要對(duì)焊接過程中所能夠表征焊接電弧物理現(xiàn)象的信息進(jìn)行分析。

國內(nèi)外在焊接參數(shù)測量和監(jiān)測方面做了大量的工作，并開發(fā)了多種分析儀器。例如美國CRC公司、梅利克公司和LINDE公司，英國O.L.S公司，德國STRUNK公司和漢諾威工業(yè)大學(xué)，國內(nèi)的船舶工業(yè)總公司、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、黎明機(jī)械公司、哈爾濱焊接研究所等均開發(fā)了多種參數(shù)測量分析儀。國外具有代表性的主要有兩種：(1)Mita研制的焊接過程穩(wěn)定性分析儀[1]，該系統(tǒng)通過多元回歸技術(shù)統(tǒng)計(jì)分析確立了波形參數(shù)和電弧穩(wěn)定性的關(guān)系，并建立了一種穩(wěn)定性指數(shù)表達(dá)式；(2)德國漢諾威工業(yè)大學(xué)D.Rehfeldt教授研制的一種焊接過程測試分析儀[2-3]，可實(shí)現(xiàn)電弧電壓、焊接電流波形的記錄和再現(xiàn)，并能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。從國內(nèi)來看，具有代表性的有哈爾濱焊接研究所研制的DHCC-2型焊接參數(shù)測量儀[4]。綜合對(duì)比這幾項(xiàng)研究，這幾種型號(hào)的參數(shù)測量儀都存在著一些不完善的地方。Mita研制的焊接過程穩(wěn)定性分析儀對(duì)影響焊接飛濺和成形方面的特征參數(shù)分析不夠；漢諾威工業(yè)大學(xué)研制的測試分析儀可測量和分析的特征參數(shù)較少，并且對(duì)焊接過程穩(wěn)定性分析不夠；DHCC-2型測量儀在人機(jī)交互和可視化操作方面有很多不足，使參數(shù)以形象的圖形輸出變得十分困難，且沒有對(duì)焊接過程及其穩(wěn)定性進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)[5-6]。在這些儀器的分析中完全沒有涉及焊接過程中電弧光譜信息的分析。

為克服上述不足，在此開發(fā)的基于LabVIEW的焊接信息分析與過程檢測平臺(tái)不僅在電信息分析中給出了熔滴短路過程中特征參數(shù)的變化曲線、統(tǒng)計(jì)規(guī)律，還添加了光譜信息分析，對(duì)光強(qiáng)和焊接溫度的計(jì)算，能夠更好地檢測焊接過程信息。

1 開發(fā)背景

此平臺(tái)的開發(fā)是在基于焊接多信息同步采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)的。焊接多信息同步采集系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)焊接電流、光弧電壓、電弧光譜的同步采集，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析處理提供了可靠的電信息和光信息數(shù)據(jù)。

1.1 LabVIEW簡介

LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器(NI)公司研制開發(fā)的，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖形式[7]。

1.2 電信號(hào)的采集

數(shù)據(jù)采集卡的使用是焊接測試裝置的重要環(huán)節(jié)，采集卡直接決定了計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集速度和所測電參數(shù)的精度。在條件允許的情況下，采用頻率較高的采集卡，同時(shí)應(yīng)采用12位字長的采集卡，盡量不用8位字長的采集卡，以保證采集精度。

PCI-1716是一款功能強(qiáng)大的高分辨率多功能PCI數(shù)據(jù)采集卡。它帶有一個(gè)250 ks／s16位A／D轉(zhuǎn)換器，1K用于A／D的采樣FIFO緩沖器。PCI-1716可以提供16路單端模擬量輸入和8路差分模擬量輸入，也可組合輸入。它帶有2個(gè)16位D／A輸出通道、16路數(shù)字量輸入／輸出通道和10 MHz的16位計(jì)數(shù)器通道。適用于PC及兼容機(jī)，可用于各類電信號(hào)的采集、控制和處理電信號(hào)輸出。

因此，選用臺(tái)灣研華公司推出的一款工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)濟(jì)型數(shù)據(jù)采集卡PCI-1716。將實(shí)驗(yàn)過程中采集的電壓和電流信號(hào)以數(shù)字形式儲(chǔ)存于某一特定.txt文檔中，以備實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和檢測。

由于采集卡對(duì)信號(hào)的幅值有著嚴(yán)格的要求，為保障采集卡安全采集數(shù)據(jù)信息，實(shí)驗(yàn)室自制了電壓傳感器、電流傳感器。電壓、電流傳感器實(shí)物如圖1、圖2所示。

圖1 電壓傳感器

圖2 電流傳感器

電壓、電流傳感器的主要部分均為北京科海模塊，分別利用電磁感應(yīng)中磁補(bǔ)償原理和霍爾效應(yīng)原理將得到的電壓、電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓值輸入采集卡，其輸入電壓0～5 V，并通過限幅電路保證采集卡安全工作。

1.3 光信號(hào)的采集

光信號(hào)是焊接過程的重要物理信息源。因此，對(duì)焊接過程中的光信號(hào)進(jìn)行了同步采集，在采集電信號(hào)的同時(shí)給光譜儀一個(gè)采集觸發(fā)信號(hào)，光譜儀收到觸發(fā)信號(hào)后，開始采集焊接過程中產(chǎn)生的光。在光信號(hào)采集過程中，采用荷蘭Advantes的Avaspec-2048FT-2光纖式數(shù)字光譜儀，它基于avaBench-75光學(xué)平臺(tái)，對(duì)稱式Czerny-Turner光路設(shè)計(jì)，分辨率為0.3 nm，數(shù)據(jù)傳輸速度1.8 ms，且支持模擬信號(hào)的輸入輸出，可以實(shí)現(xiàn)8個(gè)特征譜段積分強(qiáng)度的同步采集，便于信號(hào)的融合和特征信號(hào)的提取。光譜儀及其自帶程序界面中顯示的光譜如圖3所示。

圖3 光譜儀及其操作界面

2 焊接過程多信息分析程序

2.1 電信號(hào)的分析程序

整個(gè)電信號(hào)分析程序流程、程序界面和程序框圖如圖4所示。

2.1.1 電壓、電流同步顯示模塊

為了直觀、方便地觀察焊接過程中電壓、電流的同步變化情況，可以將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖表形式進(jìn)行分析和觀察。圖5為焊接過程中采集到的焊接電壓、電流的同步顯示窗口。該窗口具有可以進(jìn)行整體或者局部放大和縮小的功能。

2.1.2 電壓、電流概率分布圖

電壓、電流概率分布是研究焊接過程的重要物理量。圖6、圖7分別給出了焊接過程中電流與電壓概率分布的模塊窗口。

2.1.3 U-I相圖模塊

U-I相圖即瞬時(shí)電壓與電流之間的關(guān)系，如圖8中相點(diǎn)的分布密度可以提取相關(guān)的焊接過程特征信息，這也是目前弧焊分析系統(tǒng)提取焊接過程特征信息的主要途徑之一[8]。

圖4 電信號(hào)采集程序

圖5 電壓、電流的同步顯示窗口

2.1.4 短路時(shí)間與頻次的計(jì)算

對(duì)于焊接過程中短路頻次的檢測，采用設(shè)定某一個(gè)值作為短路電壓的臨界值，當(dāng)電壓小于臨界值時(shí)認(rèn)為這個(gè)時(shí)刻短路。這樣，短路發(fā)生與結(jié)束時(shí)就會(huì)產(chǎn)生布爾函數(shù)的變化，再根據(jù)布爾函數(shù)值的變化次數(shù)，得到采集焊接時(shí)間內(nèi)短路的次數(shù)，計(jì)算出短路頻次。通過概率統(tǒng)計(jì)后而得出短路次數(shù)和概率的分布圖。短路時(shí)間與短路次數(shù)分布顯示界面如圖9所示。

圖6 電流概率分布窗口

圖7 電壓概率分布窗口

圖8 U-I相圖顯示窗口

圖9 短路時(shí)間與短路次數(shù)

2.2 光信號(hào)分析部分

光信號(hào)分析程序的整體程序流程與界面如圖10所示。

焊接電弧的溫度是焊接電弧物理研究的重要物理量。本程序采用玻爾茲曼圖法來計(jì)算焊接電弧的溫度。

圖10 光信號(hào)分析程序

2.2.1 光譜元素的選擇

在運(yùn)行程序前，首先確定計(jì)算采用的光譜元素，為方便計(jì)算、減少在查找NIST庫中元素對(duì)應(yīng)值時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)誤，在程序中設(shè)置了光譜元素選擇模塊。圖11為程序中光譜元素選擇模塊的界面，若選擇界面沒有所要分析的光譜元素，只需要把此元素及其對(duì)應(yīng)值添加入數(shù)據(jù)庫，即可運(yùn)行該程序。

圖11 元素選擇模塊界面

2.2.2 連續(xù)光強(qiáng)的計(jì)算

焊接過程中，某一光譜的輻射強(qiáng)度是光信號(hào)分析過程中的重要物理量。譜線強(qiáng)度的計(jì)算有兩種方法：一種方法是在其0.5 nm內(nèi)讀取極大值；另一種方法是在其0.5 nm內(nèi)，前后各取兩個(gè)點(diǎn)，即共五個(gè)點(diǎn)，計(jì)算這五個(gè)點(diǎn)下的面積積分值，就是該譜線的光強(qiáng)[9]。連續(xù)采集到的譜線波長與光強(qiáng)對(duì)應(yīng)界面如圖12所示。

圖12 波長與光強(qiáng)對(duì)應(yīng)界面

2.2.3 計(jì)算溫度

程序中溫度是利用玻爾茲曼圖法來計(jì)算的，然而玻爾茲曼圖法在譜線能差較小時(shí)會(huì)有很大的誤差[10]，這就需要在程序中有一個(gè)譜線選擇的過程。忽略γmn小于某個(gè)值的點(diǎn)，以免影響溫度的計(jì)算。

3 結(jié)論

通過LabVIEW軟件開發(fā)的焊接過程多信息分析平臺(tái)，能夠得到GMAW焊接過程的電壓、電流的概率分布統(tǒng)計(jì)、短路頻次、短路時(shí)間概率分布與輻射光強(qiáng)、焊接溫度的計(jì)算，與傳統(tǒng)的對(duì)電信號(hào)進(jìn)行分析的平臺(tái)相比，能夠更加準(zhǔn)確地獲取焊接過程電弧穩(wěn)定性、熔滴過渡頻率的特征信息。該平臺(tái)可持續(xù)開發(fā)性強(qiáng)，通過開發(fā)與完善，可在焊接過程檢測方面得到應(yīng)用。

圖13 擬合的玻爾茲曼圖顯示界面

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Study on analysis platform with multi-signal information of welding process based LabVIEW

GUO Yong，LI Zhi-yong，ZHAO Hong-zhi，YAN Xiao-cheng
(School of Material Science and Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China)

Based on a synchronization multi-signal collecting system of arc welding，LabVIEW is used to develop a multi-signal software，which can analyze the electrical signal and optical signal of welding process with the application of welding current，arc voltage and spectra of arc radiation for gas metal arc welding(GMAW).The system can display the welding current waveform，the arc voltage waveform and the spectra of arc radiation timely.Furthermore，through analyzing of the collected data，it was acquired the UI phase diagram，probability density distribution of the welding current and arc voltage，frequency of short-circuit period verse time，the arc radiation intensity verse wavelength，the Boltzmann figure for temperature calculation，etc.With the application of the information related to arc state，the software can be used for diagnosis of arc welding process and arc physics exploration.

LabVIEW；gas metal arc welding；multi-signal analysis

TG409

A

1001-2303(2012)04-0018-05

2011-06-17

山西省青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2006021027)

郭 勇(1986—)，男，河北滄州人，在讀碩士，主要從事焊接過程信息采集與過程檢測方面的研究工作。