羅 雨,葉朔朔,任飛燕,張 林,高 超,劉鉑洋

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

0 引言

為了提升管道鋪設焊接效率,熔化極氣體保護焊(gas metal arc welding,GMAW)被廣泛應用于海底管道鋪設窄坡口環(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]。若直接在管道自動焊產品中進行電弧傳感功能的開發(fā),因涉及信號處理、濾波處理、偏差提取等原理功能的確定,程序采用高級語言編寫,無法直接調用特殊功能塊,程序功能開發(fā)、驗證周期長,焊接驗證較困難[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)一種具備數據采集快速準確、信號分析處理方法調用方便、程序開發(fā)簡單、算法驗證簡便的窄坡口管道焊接電弧傳感測控系統(tǒng)具有重要的意義。本文選擇基于NI數據采集和LabVIEW圖形化編程語言,通過豐富的多元圖形控件,將平臺軟硬件結合,組成具有特定功能的電弧傳感測控系統(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控系統(tǒng)組成

擺動電弧傳感器通過檢測焊接時導電嘴干伸長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多軸運動控制程序控制驅動器和基于CANopen協(xié)議的NI主站板卡驅動對應的電機,修正焊接時焊槍的實時位置,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的高速擺動三維運動平臺

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,型號為PCI-CAN/XS2 Series2。伺服驅動器基于CANopen協(xié)議,對高速擺動電機、前后電機、左右電機及高低電機進行驅動控制,交流伺服電機的編碼器選擇多圈絕對值編碼器,具有19位分辨率,Biss通信協(xié)議讓驅動器對伺服電機的位置控制更準確。

1.2 基于LabVIEW的電弧傳感電信號采集系統(tǒng)

焊接過程中,由電弧信號采集系統(tǒng)對電流、電壓信號進行實時采集和處理,以此得到焊炬的偏差信息。有效的焊接電流、電壓的信號采集可以提升焊縫偏差信號獲取的精度[6-7]。焊接過程中,電流、電壓信號利用對應的傳感器轉變?yōu)?～20 mA以及0～10 V的信號,高速數據采集卡型號為6251,可以較好采集電弧傳感信號[8]。工控機通過USB接收采集的信號,再通過LabVIEW進行數據分析。USB-6251的數字量輸入接口可接入手持遙控器輸入信號,并通過數字量輸出接口控制焊接電源的起/?；　?/p>

2 基于LabVIEW的電弧傳感測控系統(tǒng)程序設計

焊縫的實時跟蹤程序首先進行數據采集,完成焊接作業(yè)中對于電弧信號的采集并記錄,采集的電弧信號用濾波程序完成處理,處理后的信號可以體現(xiàn)坡口信息。之后從濾波程序中,獲取焊縫的偏差特征,運動控制系統(tǒng)在接收到偏差值后,由驅動器完成偏差修正,從而達成對于焊縫的實時跟蹤[9]。

基于LabVIEW的焊縫跟蹤程序能夠實現(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調整偏差,從而實現(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,其偏差提取的結果也不相同,因此選擇不同的“pid.vi”控制參數對不同焊接模式和坡口條件取得的偏差進行控制,以保證焊槍運動的精確性。

2.1 人機交互界面設計

LabVIEW開發(fā)平臺可以實現(xiàn)圖形化編程。使用LabVIEW開發(fā)管道焊縫跟蹤實驗平臺,如圖3所示,包括電機控制、數據采集、電機跟蹤的參數信息。

2.2 電弧傳感信號采集與處理子程序

LabVIEW程序中通過“DAQ助手.vi”設計信號采集控制程序。實驗中,短路/射流過渡焊接模式產生的噪聲頻率在50～70 Hz。在實際應用中,根據跟蹤電信號采樣定理和采集的需求,采樣頻率需要是信號頻率的5～10倍,即最高頻率為700 Hz[12]?！癉AQ助手.vi”對采樣數處理并輸出,擺動頻率和跟蹤精度會對其大小產生影響。

通過5階coif5小波濾波降低采集的電弧傳感信號中的噪聲[13]。在LabVIEW中的“WA Denoise.vi設置”輸入小波的階數、種類、閾值、數據類型和近似系數類型,對小波的分析程序進行配置。采集和濾波程序如圖4所示。原始電流信號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的絕大部分噪聲,然后提取焊槍的位置偏差。信號經過濾波處理后,轉化為大小與在“DAQ助手.vi”中設置的采樣數(之前在DAQ助手.vi中設置)一致的數組,通過積分計算出其偏差。再采用PID控制,擺心的偏差用焊炬的偏移數據表示。焊槍豎直位置被設定為驅動器程序的起始位置,在左側1/4處可以取得第1個擺動最大值,其1/6長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的最大值,其1/6長度的電流平均值用于表示右極限的電流大小[14]。

信號采集及偏差處理程序的編寫如圖6所示,數據量通過“數組大小.vi”提取,左右最大值位置通過“索引子數組.vi”提取,積分區(qū)域均值通過“均值.vi”計算,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 多軸運動控制及跟蹤程序

實現(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)行機構的多軸運動單元,有焊接方向的行走驅動單元、高速擺動單元、高低調整單元及擺心調整單元4個運動軸。多軸運動單元選擇了基于CANopen驅動的分布式網絡運動控制系統(tǒng),為后續(xù)產品的模塊化設計提供技術保證。

2.4.1 基于CANopen協(xié)議的多軸運動程序

建立基于CANopen協(xié)議的主從站通信來完成對四軸運動的控制,根據每個軸的運動控制邏輯,完成對應的程序開發(fā)?；赑DO通信方式,CANopen對象NMT網絡節(jié)點初始化后,設置通信波特率和站點COB-ID。然后由SDO通信方式對對象字典進行訪問,設置PDO通信參數。比如對象字典主索引1400h、1401h對應的子索引02h控制字設置為254,定義為異步通信[14]。進行焊接參數變量PDO映射封裝。焊槍擺動控制程序如圖7所示。擺動寬度和擺動頻率(32位整型)被封裝映射在RPDO1中,駐留時間被封裝映射在RPDO2中,由同步幀觸發(fā)完成數據交換。

圖7 焊槍擺動控制程序

2.4.2 橫向跟蹤程序(擺心調整)

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控制器完成調節(jié)。對不同位置的焊接工況進行模擬,每個工藝都有對應的PID控制器參數。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應數據的提取,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整焊炬。用PID參數整定對焊炬調整量變化進行限定,防止在焊接過程中焊槍發(fā)生咬邊、偏出焊縫等狀況。經過實驗驗證,對不同焊接模式下“PID.vi”的參數進行優(yōu)化,焊接模式PID參數設置如圖8所示。

圖8 不同焊接模式PID參數設置

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

擺心位置調整程序,使用if結構控制程序的執(zhí)行,該程序通過“已用時間.vi”實現(xiàn)焊槍擺心周期性的位置調整,在該vi的“目標時間”端接入焊炬擺動周期的時間數值,在該vi的“結束”端連接到if結構,在if結構中使用“順序結構”寫入參數,“結束”端的布爾量穿過“順序結構”以復合運算“或”的方式接入到控制焊槍橫向運動的if機構輸入端,從而實現(xiàn)焊槍擺心的周期性調整。擺心跟蹤控制程序如圖9所示。

3 電弧傳感跟蹤實驗

3.1 焊接工藝設計

電弧跟蹤實驗模擬海底管道鋪設焊接平焊工況[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驗。焊縫成形如圖11所示。實驗結果顯示焊縫表面成型好,實際焊接方向與理論方向重合度高,跟蹤精度高。

(a)實驗平臺搭建

電弧傳感跟蹤實驗中,擺心調整電機實際位置如圖12所示?？梢钥闯龆搪纺Ｊ街?平焊條件下),焊槍根據理論調整位置可以較好完成跟蹤調節(jié),僅在7 s和17.5 s處存在較大偏差。水平偏差距離設置為28.1 mm,焊槍每0.4 s進行一次調節(jié),焊接速度為60 cm/min(短路模式),計算出焊炬調整應達到0.56 mm/次。對比焊槍調整的理論與實際位置,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 擺心調整電機實際位置

3.2 焊縫跟蹤實現(xiàn)的過程

在水平位置進行跟蹤試驗,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控制程序連接。擺心跟蹤控制程序于擺心電機位置讀取程序,通過同一個單擊轉換布爾實現(xiàn)程序運行控制。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,同時開啟跟蹤程序,信號采集程序開始采集電弧傳感信號,并對其進行濾波和偏差提取,擺心跟蹤控制程序對偏差電流進行調整并通過局部變量將調整參數寫入擺心控制電機中,從而實現(xiàn)擺心偏差的調整,同時擺心電機位置讀取程序開始讀取電機位置,并記錄到測量文件中。斷弧程序開啟后,程序通過局部變量寫入關閉信號采集及處理程序,擺心跟蹤和位置讀取程序以及焊槍的四軸運動程序。

4 結論

針對窄坡口管道焊接電弧傳感的技術需求,搭建了基于高速擺動的多軸運動執(zhí)行機構和電弧跟蹤測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備數據采集、濾波、偏差提取和多軸運動焊縫跟蹤功能,能夠滿足GMAW電弧跟蹤實驗需求?；贚abVIEW開發(fā)平臺,設計了電弧傳感信號采集與處理子程序。使用5階coif5小波濾波對電弧傳感信號進行降噪處理,可有效去除噪聲對跟蹤精度的干擾,減少熔滴過渡對電弧信號的影響。根據區(qū)間積分偏差提取算法,編寫了偏差提取程序,可獲得準確穩(wěn)定的電弧偏差信號。完成了基于CANopen協(xié)議的多軸運動控制程序開發(fā),分布式運動控制及高精度編碼器使用,確保了跟蹤時執(zhí)行機構的精確位置控制需求。采用死區(qū)PID控制,對于焊縫橫向跟蹤程序進行設置。通過實驗得到優(yōu)化的焊縫跟蹤PID控制參數。進行了平焊位置的焊縫跟蹤實驗,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。驗證了電弧跟蹤測控系統(tǒng)各功能單元和跟蹤算法的有效性。基于LabVIEW的電弧傳感測控系統(tǒng),編程量小,程序結構簡單,適合窄坡口焊縫跟蹤功能的理論分析和快速開發(fā)要求。