王慶霞，麥允杰，楊建國，徐天天，張華德

(1.東華大學(xué)機械工程學(xué)院，上海 201620;2.上海航天設(shè)備制造總廠，上海 201620)

攪拌摩擦焊(FSW)是英國焊接研究所在20 世紀(jì)末提出的一種新型固相焊接方法。與傳統(tǒng)焊接方法相比，具有焊接質(zhì)量高、無污染等特點，在航空航天、船舶等領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用。在攪拌摩擦焊接過程中，攪拌頭和工件之間的焊接力(頂鍛力、前進抗力和側(cè)向力)與焊接質(zhì)量有密切的聯(lián)系。能夠精確地測得焊接力的變化，對優(yōu)化焊接工藝、提高焊接質(zhì)量和改進焊接設(shè)備具有重要作用。作者以應(yīng)變式傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和計算機為主要硬件，結(jié)合LabVIEW 虛擬儀器技術(shù)，完成了攪拌摩擦焊焊接力監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計，并進行了焊接力監(jiān)測實驗，驗證了系統(tǒng)的高精度及可靠性，為優(yōu)化焊接工藝和提高焊接質(zhì)量提供工程實驗支撐。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

以應(yīng)變式測力傳感器、美國NI 公司生產(chǎn)的PCI6013 數(shù)據(jù)采集卡和計算機為主要硬件，再結(jié)合信號調(diào)理器和穩(wěn)壓電源等其他硬件搭建焊接力測試系統(tǒng)的硬件平臺;然后利用LabVIEW 虛擬儀器技術(shù)開發(fā)焊接力測試軟件系統(tǒng)，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計。系統(tǒng)具有單、多通道的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)的實時顯示和存儲等功能，實現(xiàn)了對攪拌摩擦焊焊接過程中所受焊接力的實時監(jiān)測。系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體構(gòu)成圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件主要由應(yīng)變式測力傳感器、數(shù)據(jù)采集(DAQ)卡和計算機組成。測試系統(tǒng)有很多種構(gòu)成方式，如PXI 總線、VXI 總線、GPIB 總線和PCI 總線測試系統(tǒng)等。文中采用PCI 插卡式虛擬儀器測試系統(tǒng)。系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)采集卡是NI 公司生產(chǎn)的PCI-6013 數(shù)據(jù)采集卡，有16 路模擬輸入通道、2 路模擬輸出通道、8 條數(shù)字I/O 線、2 路24 位的定時/計數(shù)器，數(shù)字觸發(fā)，采樣率200 kS/s，具有信號采集和處理兩大功能。其中，信號采集包括模擬信號輸入和A/D 轉(zhuǎn)換兩部分，提供3 種信號輸入方式選項:單端無參考地出入、單端有參考地輸入、差分輸入;兩個輸入量程:±10 V (雙極性)和0～10 V (單極性)。系統(tǒng)采用的測力傳感器是應(yīng)變式三向力傳感器，X、Y 方向上測力量程為0～3 kN，Z 方向上測力量程為0～10 kN，測量精度為0.5%F.S;傳感器安裝在主軸前端，拆裝維護方便。

采集傳感器輸出的模擬信號時，需對數(shù)據(jù)采集卡進行軟件驅(qū)動和相關(guān)參數(shù)設(shè)置，NI 公司對其所有DAQ 產(chǎn)品提供專門的驅(qū)動程序庫。對數(shù)據(jù)采集卡PCI-6013 進行軟件驅(qū)動前，應(yīng)先設(shè)置相關(guān)參數(shù)，Lab-VIEW 自帶的MAX 軟件可自動檢測到與計算機相連的采集卡，打開MAX 后，在設(shè)備與接口中選擇PCI-6013采集卡，對模擬信號極性范圍、模式及過程控制各項進行配置;根據(jù)添加通道對話框提示對通道類型、通道名稱、信號范圍和單位等項目進行設(shè)置。完成上述數(shù)據(jù)采集卡的相關(guān)參數(shù)設(shè)置后，方可對傳感器輸出的信號進行采集。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

采用模塊化的軟件設(shè)計思想來編寫系統(tǒng)軟件，即每個功能的實現(xiàn)由一個模塊專門完成;系統(tǒng)軟件從結(jié)構(gòu)上可分為系統(tǒng)初始化模塊、信號采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、信號顯示模塊和數(shù)據(jù)管理五大主要功能模塊，其基本架構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)軟件基本構(gòu)架圖

3.1 信號采集模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

信號采集模塊設(shè)計了一個單、多通道采集系統(tǒng)，包括采集通道設(shè)計、觸發(fā)控制、采樣參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)的存儲等。其中，采集通道設(shè)計主要是控制某一通道進行采集或幾個通道同時進行采集，文中設(shè)計的系統(tǒng)有三個采集通道，可同時進行三通道數(shù)據(jù)采樣。觸發(fā)控制包括觸發(fā)模式控制和觸發(fā)電平控制，通過觸發(fā)控制實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、暫停、繼續(xù)以及連續(xù)采集等。采樣參數(shù)設(shè)置主要包括采集卡掃描率、每通道的取樣數(shù)和緩沖區(qū)大小的設(shè)置等。信號采集模塊利用“測量I/O”功能節(jié)點中的“AI Waveform Scan.vi”函數(shù)節(jié)點控制數(shù)據(jù)采集卡完成傳感器輸出信號的采集，并將傳感器輸出的模擬信號通過數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后由PCI 總線采集到計算機中。信號采集模塊的前面板如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集模塊前面板

3.2 信號處理模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

(1)濾波

濾波是信號處理中一項最基本、最重要的技術(shù)。工程測試中獲取的復(fù)雜模擬信號含有多種頻率成分，頻帶帶寬和振幅也不盡相同。為有利于對信號做進一步分析，應(yīng)將其中需要的頻率成分提取出來，不需要的頻率成分衰減掉，因此需加入濾波器來完成。Lab-VIEW 提供可選擇的濾波器主要有Off、Butterworth 濾波器、Chebyshev 濾波器、Inverse chebyshev 濾波器和Elliptic 濾波器等。所選濾波器不同，濾波波形也會有所差別，故應(yīng)針對不同信號選擇不同的濾波器?？紤]焊接時主軸轉(zhuǎn)速比較平穩(wěn)、工作臺相應(yīng)頻率在低頻段等特點，采用Chebyshev 低通無限長沖擊波濾波器。Chebyshev 濾波器在通帶內(nèi)等幅波動，和理想濾波器的頻率響應(yīng)曲線之間的誤差最小;在同樣的通帶內(nèi)衰減要求下，階數(shù)較Butterworth 濾波器等要小，其振幅平方函數(shù)為:

式中:Ωc為通帶截止頻率，ε 為波動系數(shù)，VN(Ω)為N 階切比雪夫多項式，N 為濾波器階數(shù)，定義為:

系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定通帶截止頻率Ωc=0.6，阻帶下線截止頻率Ωs=2，通帶波紋δ=0.5 dB，由δ=20lg得出ε=0.35，又Chebyshev 濾波器衰減函數(shù):

所以通帶內(nèi)最大衰減

阻帶內(nèi)最小衰減

又Chebyshev 濾波器階數(shù)

將Ωc=0.6、Ωs=2、ε=0.35 代入公式(4)得N=4.76，取整后得到N=5，即系統(tǒng)最終選用5 階Chebyshev 濾波器。

(2)加窗

在實際的信號采集系統(tǒng)中，不可能對無限長的時域信號進行測量和運算。運用采樣定理采集得到的局部信號與原始連續(xù)信號相比，產(chǎn)生了與原始連續(xù)信號不相符的波形，即信息泄漏。為減小和抑制泄漏，需采用窗函數(shù)對時域信號進行處理。LabVIEW 中可選擇的窗函數(shù)主要類型有Hanning 窗、Hamming 窗、Rectangle 窗、Blackman-Harris 窗、Exact Blackman 窗、Flat Top 窗、Force 窗、Welch 窗、Bohman 窗和Chebyshev 窗等。在選擇窗函數(shù)時，應(yīng)遵循主瓣盡量窄、能量應(yīng)盡可能集中在主瓣內(nèi)、盡量減少窗譜最大旁瓣的相對幅度的原則?？紤]系統(tǒng)要求頻率分辨率高等特點，選用Hanning 一次窗作為系統(tǒng)處理時域信號的窗函數(shù)，其表達式為:

經(jīng)傅里葉變換后得:

當(dāng)N≥1，N -1≈N 時，Hanning 一次窗的窗譜為:

從公式(7)可以看出:Hanning 一次窗的能量集中于主瓣，頻率分辨率比較高。

利用信號處理模塊對包含噪聲的正弦波信號進行處理，處理前后對比結(jié)果如圖4 所示，可以看出:信號處理模塊能夠很好地抑制噪聲和干擾，確保信號不失真。

圖4 信號處理前后比較

3.3 系統(tǒng)初始化及數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)管理模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

系統(tǒng)初始化模塊設(shè)計了系統(tǒng)清零和實驗信息錄入兩個功能。系統(tǒng)清零使系統(tǒng)在開始采集前所有數(shù)值顯示窗口顯示為零。實驗信息錄入包括實驗人員信息錄入、焊接產(chǎn)品信息錄入、焊接工藝參數(shù)錄入和攪拌頭信息錄入四部分。錄入的實驗信息會載入到數(shù)據(jù)管理模塊中，在產(chǎn)生報表時自動加載到報表中。用賦值控件和確定按鈕實現(xiàn)系統(tǒng)的清零，用字符串輸出控件、組合框、字符串輸入控件等實現(xiàn)實驗信息的錄入。

利用波形圖標(biāo)和選項卡函數(shù)節(jié)點設(shè)計數(shù)據(jù)顯示模塊，實現(xiàn)了焊接三向力的波形顯示和數(shù)字顯示，可同屏顯示，也可分屏顯示。利用寫入、讀取測量文件，數(shù)據(jù)統(tǒng)計和報表生產(chǎn)等函數(shù)節(jié)點設(shè)計數(shù)據(jù)管理模塊，實現(xiàn)了對任意時間區(qū)間數(shù)據(jù)的回放，同時計算回放數(shù)據(jù)的最大值、均值和方差等統(tǒng)計指標(biāo)，并生成不同格式的報表。

至此，完成攪拌摩擦焊焊接力監(jiān)測軟件的設(shè)計，其主界面如圖5 所示。

圖5 攪拌摩擦焊焊接力監(jiān)測軟件的主界面

4 焊接實驗

完成了焊接力測試平臺相關(guān)硬件的選型和設(shè)計以及軟件系統(tǒng)的開發(fā)后，利用XH714 立式加工中心和YDX-Ⅲ9702 型壓電式三向測力儀搭建了焊接力監(jiān)測實驗平臺，并進行了焊接力監(jiān)測試驗。其中YDX-Ⅲ9702 型壓電式三向測力儀作為標(biāo)準(zhǔn)力傳感器，用來評定以應(yīng)變式測力傳感器為核心的焊接力監(jiān)測系統(tǒng)的測量誤差，其X、Y 方向測力量程為0～3 kN，Z 方向測力量程為0～10 kN，測量精度為0.1%F.S。實驗選用工業(yè)中常用的7075 鋁合金作為焊接試件，焊件尺寸規(guī)格20 mm×10 mm×2 mm。焊接實驗現(xiàn)場如圖6 所示。

在實驗過程中，通過控制焊接深度使焊接力逐步增大，直至達到傳感器的最大量程。焊接力每增大500 N 記錄一次實驗數(shù)據(jù)，并將應(yīng)變式傳感器測得的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)傳感器的數(shù)據(jù)進行對比分析，實驗數(shù)據(jù)如表1 所示。

圖6 焊接實驗現(xiàn)場實物圖

表1 實驗數(shù)據(jù) kN

由表1 可知:應(yīng)變式傳感器與標(biāo)準(zhǔn)傳感器的最大差值是90 N，故以應(yīng)變式傳感器為核心的焊接力監(jiān)測系統(tǒng)的測量誤差為

5 結(jié)論

基于LabVIEW 虛擬儀器技術(shù)開發(fā)的焊接力監(jiān)測系統(tǒng)能夠成功應(yīng)用于攪拌摩擦焊焊接力的監(jiān)測;系統(tǒng)的硬件成本低、通用性好，操作維護方便;開發(fā)的焊接力監(jiān)測軟件可以實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理等多種功能，克服了傳統(tǒng)儀器功能單一等缺點;系統(tǒng)使攪拌摩擦焊焊接力監(jiān)測由定性轉(zhuǎn)化為定量，為優(yōu)化焊接工藝和提高焊接質(zhì)量提供幫助。

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