引言 焊接電弧包含著......



引　言
焊接電弧包含著豐富的電、光、聲音等信息，能夠反映電弧焊各種電弧物理過(guò)程。如何利用現(xiàn)代傳感技術(shù)將這些信息提取出來(lái)，是研究焊

接過(guò)程的關(guān)鍵所在。國(guó)內(nèi)外焊接界的專(zhuān)家開(kāi)發(fā)了各種各樣的傳感器，有機(jī)械、電弧、聲音和視覺(jué)等類(lèi)型。機(jī)械式傳感器使用不夠靈活，適應(yīng)面

窄，目前較少采用。而電弧和視覺(jué)傳感器各具特色，國(guó)內(nèi)外研究較多。電弧傳感器以電弧自身電流和電壓作為信號(hào)源，成本低廉， 可達(dá)性好

，因而在焊接過(guò)程質(zhì)量監(jiān)測(cè)與焊縫自動(dòng)跟蹤中得以普遍采用〔1， 2， 5〕。
本文以ADL IN K 公司的PC I29112 多通道數(shù)據(jù)采集卡為核心， 通過(guò)V isual C+ + 6。 0 編制程序在PC 機(jī)上開(kāi)發(fā)了一套電量信號(hào)采集系

統(tǒng)， 并且對(duì)CO 2 氣體保護(hù)短路焊過(guò)程的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析， 并為研究焊接過(guò)程質(zhì)量監(jiān)測(cè)奠定了基礎(chǔ)。
1　硬件構(gòu)成
信號(hào)采集系統(tǒng)如圖1 所示。 該系統(tǒng)由焊接電源、焊接小車(chē)、PC機(jī)、傳感器、濾波器和數(shù)據(jù)采集卡組成。 焊接電源采用硅整流弧焊機(jī)。
焊接電流電壓信號(hào)分別通過(guò)綿陽(yáng)維博公司的WB1221F 型霍爾電流傳感器與WBV 121S 型線(xiàn)性隔離分壓器變換為0～5 V之間的電壓信號(hào)，濾波

后送到信號(hào)采集卡的輸入端。電流傳感器的精度等級(jí)為0.5 級(jí)（相對(duì)滿(mǎn)量程輸出的誤差在±0.5% 以?xún)?nèi)），響應(yīng)時(shí)間短（15 Ls）；電壓傳感器
本文有[www.0574-laser.com]提供，請(qǐng)及時(shí)關(guān)注[www.0574-laser.com]提供的內(nèi)容

精度等級(jí)為0。 2 級(jí)， 響應(yīng)時(shí)間為5 Ls，且輸入阻抗高， 功耗低（400mW ）。它們共同特點(diǎn)是線(xiàn)性范圍寬（為：0～120% 標(biāo)稱(chēng)輸入），過(guò)載

能力強(qiáng)， 高隔離， 低功耗，測(cè)量時(shí)不影響焊接回路參數(shù)。 因?yàn)殡娏鱾鞲衅魇抢秒姶鸥袘?yīng)和霍爾效應(yīng)原理， 它的輸入端與輸出端分別屬于

不同的回路， 而電壓傳感是利用先進(jìn)的線(xiàn)性光藕隔離， 所以它們均有效地隔絕了焊機(jī)強(qiáng)電系統(tǒng)與微機(jī)弱電系統(tǒng)之間的直接連接，從而保護(hù)了

微機(jī)， 同時(shí)對(duì)信號(hào)采集具有一定的抗干擾作用。 濾波器為有源低通濾波器，通帶截止頻率fc 設(shè)計(jì)為500 Hz。信號(hào)采集卡是ADL IN K 公司的

PC I29112 多通道數(shù)據(jù)采集卡，該卡的特點(diǎn)是：16 路單端輸入或8路差分輸入，A D 轉(zhuǎn)換時(shí)間為8 Ls，12 位輸入模擬信號(hào)分辨率，精度為0.
本文有[www.0574-laser.com]提供，請(qǐng)及時(shí)關(guān)注[www.0574-laser.com]提供的內(nèi)容

01%，若只采集兩路信號(hào)，該卡可以保證以最高每路55 kHz 的頻率精確地采集信號(hào)，根據(jù)香農(nóng)采樣定理，采樣頻率應(yīng)大于連續(xù)信號(hào)頻率的2倍

，同時(shí)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，本文兩通道的采樣頻率均定為4 kHz (fc×8)；32 位PC I 總線(xiàn)，自帶總線(xiàn)控制器AMCC2S5933與8個(gè)字的F IFO (F irst In F

irst O u t ) 緩存, 當(dāng)它工作在DMA (D irect M emo ry A ccess) 方式時(shí)，可以不占用CPU 時(shí)間而把數(shù)據(jù)以極快的速度送到內(nèi)存緩沖區(qū)。且

該卡的驅(qū)動(dòng)程序是以DLL (Dynam ic L ink L ib rary) 方式提供的, 從而方便了可視化編程。
圖1　信號(hào)采集系統(tǒng)原理圖
2　軟件設(shè)計(jì)
因?yàn)楦咚贁?shù)據(jù)采集時(shí)一般采用連續(xù)采集方式, 驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)依次轉(zhuǎn)移到用戶(hù)緩沖區(qū)中.當(dāng)用戶(hù)緩沖區(qū)占滿(mǎn)之后,驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒏采w

原來(lái)的緩沖區(qū)數(shù)據(jù), 所以, 如果原來(lái)的緩沖區(qū)數(shù)據(jù)沒(méi)有來(lái)得及保存, 將會(huì)丟失. 本文通過(guò)Windows XP系統(tǒng)的多線(xiàn)程技術(shù), 并結(jié)合緩沖區(qū)半滿(mǎn)開(kāi)

始傳送數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)傳送方式, 通過(guò)VisualC+ + 6.0 編程解決了這個(gè)問(wèn)題(3.4). 具體的編程思想如下所述.PCI9112 卡要求在內(nèi)存中開(kāi)辟一個(gè)

內(nèi)核緩沖區(qū)與一個(gè)用戶(hù)緩沖區(qū), 前者用來(lái)保存從FIFO中傳送的數(shù)據(jù), 這是由采集卡的驅(qū)動(dòng)程序完成的, 后者用來(lái)轉(zhuǎn)移保存內(nèi)核緩沖區(qū)的數(shù)據(jù).

本文在界面主線(xiàn)程中啟用了兩個(gè)輔線(xiàn)程: 數(shù)據(jù)采集輔線(xiàn)程, 數(shù)據(jù)存盤(pán)輔線(xiàn)程. 數(shù)據(jù)采集輔線(xiàn)程負(fù)責(zé)把被采集卡轉(zhuǎn)換信號(hào)輸送到內(nèi)核緩沖區(qū), 數(shù)

據(jù)存盤(pán)輔線(xiàn)程負(fù)責(zé)當(dāng)用戶(hù)內(nèi)存緩沖區(qū)充滿(mǎn)時(shí), 將數(shù)據(jù)以文件的形式保存到硬盤(pán). 數(shù)據(jù)采集過(guò)程是這樣的: 數(shù)據(jù)從采集卡的AD轉(zhuǎn)換器保存到采

集卡的FIFO中, 只有當(dāng)FIFO半滿(mǎn)時(shí), 采集卡才啟動(dòng)DMA方式將數(shù)據(jù)送到內(nèi)存緩沖區(qū), 同時(shí),AD轉(zhuǎn)換器中的數(shù)據(jù)會(huì)繼續(xù)往FIFO 的后半部分傳送;

當(dāng)內(nèi)核緩沖區(qū)的前一半滿(mǎn)數(shù)據(jù)時(shí), 就將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到用戶(hù)緩沖區(qū), 當(dāng)用戶(hù)緩沖區(qū)充滿(mǎn)時(shí), 就啟動(dòng)數(shù)據(jù)存盤(pán)輔線(xiàn)程. 這兩個(gè)線(xiàn)程可以并行運(yùn)行, 即

計(jì)算機(jī)能同時(shí)處理數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)保存. 顯然, 在程序中, 用戶(hù)緩沖區(qū)的大小是內(nèi)核緩沖區(qū)的一半, 之所以這樣做是因?yàn)橐环矫嬉ＷC數(shù)據(jù)連

續(xù)采集和保存的需要, 另一方面, 如果用戶(hù)緩沖區(qū)開(kāi)得太大, 數(shù)據(jù)存盤(pán)線(xiàn)程與數(shù)據(jù)采集線(xiàn)程在Host 總線(xiàn)上出現(xiàn)擁擠的現(xiàn)象, 造成數(shù)據(jù)丟失.

在程序中通過(guò)設(shè)置由VisualC+ + 6 0 提供的CTime::GetCu rrentTime () 函數(shù)記錄了采樣
開(kāi)始時(shí)間T_start 與結(jié)束時(shí)間T_stop.
T_samp le= T_stop - T_start (1)
Size= T_samp le×8000×2÷1024 (2)
經(jīng)式(1)計(jì)算出采樣時(shí)間, 再經(jīng)式(2)計(jì)算出數(shù)據(jù)量(單位為kB, 每個(gè)數(shù)據(jù)以?xún)蓚€(gè)字節(jié)存放) , 將此數(shù)與硬盤(pán)上所保存的數(shù)據(jù)文件大小比較,

多次采樣結(jié)果表明, 理論計(jì)算值與實(shí)際數(shù)據(jù)文件大小是吻合的.軟件設(shè)計(jì)過(guò)程如圖2 所示:
將本文所研制的信號(hào)采集系統(tǒng)與示波器同時(shí)采集的焊接電信號(hào)作對(duì)比, 驗(yàn)證了它的可靠性. 該信號(hào)采集系統(tǒng)不僅能在線(xiàn)顯示電流電壓信號(hào)

, 而且能在焊后進(jìn)行波形回放. 如圖3 是正常焊接條件下實(shí)驗(yàn)后的電流電壓數(shù)據(jù)曲線(xiàn)回放, 橫坐標(biāo)是時(shí)間軸, 縱坐標(biāo)是電流電壓幅度軸, 點(diǎn)擊

“Former”和“Latter”鈕可以分別向前和向后連續(xù)查看各時(shí)間段的信號(hào)波形, 一屏有140m s 的數(shù)據(jù)。
圖2　信號(hào)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖
3　焊接過(guò)程穩(wěn)定性分析
本文將信號(hào)采集系統(tǒng)用于對(duì)CO2氣體保護(hù)焊焊接過(guò)程穩(wěn)定性與干擾因素的關(guān)系的研究. CO2氣體保護(hù)焊工藝實(shí)驗(yàn)條件如下: 短路過(guò)渡, 保護(hù)

氣體為100% CO2,流量為10Lmin.試件為6mm 厚的低碳鋼板,焊絲直徑1.2 mm,送絲速度為5.3cms, 焊接電壓20V,焊接電流150A,焊接速度30cm

min,焊嘴至工件距離為10mm,平板堆焊.除了正常工藝參數(shù)下的焊接信息外, 還人為引入兩種干擾因素,分別是: ①試板上有油污; ②試板上等

間距開(kāi)孔.
圖4 是試板上有油污的情況下, 焊接過(guò)程中140ms的一段電流電壓曲線(xiàn). 比較圖3 與圖4 可以看出: 在正常情況下, 電流電壓信號(hào)規(guī)則,

短路峰值電流基本穩(wěn)定在250A , 且燃弧電流下降柔順, 基值電流基本穩(wěn)定在80A , 熔滴過(guò)渡穩(wěn)定; 試板上有油污的情況下, 短路峰值電流最