（控制理论与控制工程专业论文）现代焊接设备综合测试系统.pdf

山尔人学硕+ 学位论文 摘要 现代焊接设备指的是应用越来越广泛的逆变式焊机，焊机电源专用检测设备 是认识弧焊电源性能的必需工具。基于对日益涌现的新型弧焊电源性能的认识与 快速精确测试的需要，本论文在弧焊电源电参数检测方面进行了研究，并研制开 发了一套交、直流弧焊电源测试系统，在此平台上对不同类型的弧焊电源做了电 参数测量和分析的实验工作。 论文研制开发的多功能弧焊电源测试系统以虚拟仪器为技术平台，系统整合 了包括电子技术、计算机技术、传感和检测技术、数字技术和虚拟仪器技术等在 内的现代信息技术。使用霍尔传感器采集到焊机的电压电流信号，经过了信号调 理之后，通过数据采集卡，工业控制计算机最终测试到了焊机的电参数。开发了 功能完备的测试软件，来分析和处理原始数据，并以图形和文本的形式呈现出来。 系统不仅具有测量外特性、动特性、静态参数等传统电焊机测试台所有的功能， 同时又具有波形显示、自动调节负载、全自动测试与信息管理等特点；并具有焊 机动特性的评测、输入端的电压电流谐波等参数分析功能。 针对c 0 2 电弧焊电源的动特性评测的需要，综合国内目前动特性测试技术的研 究现状，使用了统计方法研究了焊机的动特性和统计参数以及焊接质量的关系。 通过大量的焊接实验表明，使用统计方法可以定性的分析焊接过程的稳定性，但是 并不能准确地评定c o 。电弧焊电源的动特性，在焊接分析技术领域，尚缺乏统一的 标准和有效的手段，需要对c o 。电弧焊电源的动特性的评定方法进行深入研究，寻 找能准确评定c 0 。电弧焊电源动特性的新方法与指标。 谐波是电力电子设备的重要特征，也是一大危害。由于逆变焊机电源的主电 路经过多次整流逆变，谐波问题较为严重。基于对焊机电源谐波特性认识的需要， 本论文开发了谐波分析模块。该模块基于快速傅立叶变换，将输入电压电流信号 在频域内展开，从而得到各次谐波的幅值，以及功率因数、波形畸变率等。并对 各型焊机进行了实际测试，深入了解了焊机的谐波特性。 本课题所研制的焊机测试系统，对交、直流弧焊电源进行了大量实验分析， 表明完全能够符合目前焊机生产线对焊机测试自动化的要求，系统的稳定性和实 山尔人学硕十学位论文 用性得到了验证。同时对焊机动特性和谐波特性做了大量研究和实验，深化了对 弧焊电源动特性和弧焊电源性能的认识，在理论和实际应用两个方面都具有重要 的意义。 关键词：虚拟仪器；弧焊电源；测试；动特性；谐波 山尔人学硕十学位论文 a b s t r a c t m o d e mw e l d i n ge q u i p m e n ti st h ec o n t r a v a r i a n tw e l d i n gm a c h i n ea p p l y i n gm o r e a n dm o r ew i d e s p r e a d w e l d i n gp o w e rs u p p l yt e s t i n ge q u i p m e n tf o ra r cw e l d i n gp o w e r s o u r c ei st h ei sn e c e s s a r yt oc o m p l e t e l yc o g n i z et h ep e r f o r m a n c eo fa r cw e l d i n gp o w e r s u p p l y b a s e dt h ed e m a n dt od e e p l yc o n g n i z et h ep e r f o r m a n c e so fa r cw e l d i n gp o w e r s u p p l y , s o m er e s e a r c h e so n t e s to fe l e c t r i cp a r a m e t e r so fa r cw e l d i n gp o w e rs u p p l ya r e m a d e ，a n dat e s ts y s t e mt ot e s ta c d ca r cw e l d i n gp o w e rs u p p l yh a v eb e e nd e v e l o p e d s o m em e a s u r e m e n t sa n da n a l y s e so ft h ee l e c t r i cp a r a m e t e r so fa r cw e l d i n gp o w e r s u p p l yh a v e b e e n d o n eu s i n g t h i ss y s t e m t h es y s t e mi sb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y , a n di n t e g r a t i n gm a n yn e w t e c h n o l o g i e si n c l u d i n gt h et e c h n o l o g yo fd i g i t a l ，c o m p u t e r , c o n t r o l ，a n dt e s t h a l l s e n s o rg a t h e r sw e l d i n gm a c h i n e sv o l t a g ee l e c t r i cc u r r e n ts i g n a l ，a f t e ras i g n a l c o n d i t i o n i n g ，t h r o u g ht h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r d ，t h ei n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e rt e s t e d w e l d i n g m a c h i n e se l e c t r i c a lp a r a m e t e rf i n a l l y af u l l yf u n c t i o n a lt e s ts o f t w a r eh a sb e e n d e v e l o p e d ，t oa n a l y s ea n dp r o c e s st h er a wd a t a ，a n dd i s p l a yi nt h ef o r mo fg r a p h i c sa n d t e x te m e r g e d m e a s u r e m e n ts y s t e mn o to n l yc a nm e a s u r et h eo u t e ra n dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sa n ds t a t i ce l e c t r i cp a r a m e t e r s ，b u ta l s oh a sw a v e f o r md i s p l a y , a u t o m a t i c l o a dr e g u l a t i o n ，a u t o m a t i c t e s t i n ga n di n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tf e a t u r e s ，a n dt h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so faw e l d e re v a l u a t i o n ，i n p u tp a r a m e t e r ss u c ha sv o l t a g ea n d c u r r e n th a r m o n i ca n a l y s i sf u n c t i o n t h es y s t e mn o to n l yc a nm e a s u r et h eo u t e ra n d d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n ds t a t i ce l e c t r i cp a r a m e t e r s ，b u ta l s oc a nm e a s u r et h r e e - p h a s ep o w e rf a c t o r , i n p u th a r m o n i cc u r r e n ta n df r e q u e n c ys p e c t r u m ，a n de f f i c i e n c yo f a r cw e l d i n gm a c h i n e f o rt h en e e d so ft h ed y n a m i ce v a l u a t i o no fc 0 2a r cw e l d i n gp o w e rs u p p l y , d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c st e s tt e c h n o l o g yi si n t e g r a t e da th o m ea n da b r o a dc u r r e n t l y , t h e s t a t i s t i c a lm e t h o di su s e dt or e a s e a r c ht h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eq u a l i t yo fw e l d i n g a n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew e l d i n gp a r a m e t e r s t h r o u g hag r e a td e a lo fw e l d i n g e x p e r i m e n t s ，i ts h o w st h a tt h eu s eo fs t a t i s t i c a lm e t h o d sc a nb eq u a l i t a t i v ea n a l y s i so f t h es t a b i l i t yo ft h ew e l d i n gp r o c e s s ，b u tc a nn o ta c c u r a t e l ya s s e s sc 0 2a r cw e l d i n g p o w e rd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s i nt h ew e l d i n go ft e c h n o l o g y ，t h el a c ko fu n i f o r m s t a n d a r d sa n de f f e c t i v em e a n s ，t h en e e df o rc 0 2a r cw e l d i n gp o w e ro ft h ed y n a m i c m e t h o do fa s s e s s i n gt h ec o n d u c ti n d e p t hs t u d i e st oi d e n t i f ya c c u r a t e l ya s s e s sc 0 2a r c i i i 山尔人学硕十学位论文 w e l d i n gp o w e rd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h en e wm e t h o d sa n dt a r g e t s i nt h ew e l d i n g p a r s i n gt e c h n i q u ed o m a i n ，t h eu n i f i c a t i o nt h es t a n d a r da n dt h ee f f e c t i v em e t h o ds t i l l l a c k ，i tn e e d st oc o n d u c tt h ed e e pr e s e a r c ht ot h ec 0 2a r cw e l d i n gp o w e rs o u r c e s d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ce v a l u a t i o nm e t h o d ，s e e kn e wm e t h o dw h i c hc a ne v a l u a t et h e c 0 2a r cw e l d i n gp o w e rs o u r c ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca c c u r a t e l y h a r m o n i ci sac h a r a c t e r i s t i co fp o w e re l e c t r o nd e v i c e a st h em a i np o w e ri n v e r t e r w e l d e ra f t e rs e v e r a lr e c t i f i e r si n v e r t e rc i r c u i t ，h a r m o n i cp r o b l e mi sm u c hs e r i o u s i n o r d e rt or e s e a r c ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fh a r m o n i co fa r cw e l d i n gp o w e rs u p p l y t h e m o d u l et oa n a l y z ef r e q u e n c yi sb a s e do nf f t i nt h i ss y s t e m ，w ec a no b s e r v ea n d r e c o r dg e tt h eh a r m o n i ca m p l i t u d e s ，a sw e l la sp o w e rf a c t o r ，w a v e f o r md i s t o r t i o nr a t e a n dt h ev a r i o u st y p e so fw e l d i n gm a c h i n eh a v eb e e nt e s t e d a c t u a l l y , t od e e p e n u n d e r s t a n d i n go ft h ew e l d i n gm a c h i n eh a r m o n i cc h a r a c t e r i s t i c s a l a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t sw a sc a r r i e do u ti nt h ew e l d i n gm a c h i n et e s ts y s t e m ， w h i c hi n d i c a t e dt h a ti t d e f i n i t e l ym e e tt e s ta u t o m a t i o nr e q u i r e m e n ti nt h ep r e s e n t w e l d i n gm a c h i n ep r o d u c t i o nl i n e t h es y s t e m ss t a b i l i t ya n dp r a c t i c a l i t yh a v eb e e n v e r i f i e d a tt h es a m et i m ew e l d i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dh a r m o n i cm o b i l i t yh a sd o n eal o t o fr e s e a r c ha n d e x p e r i m e n t s ，a n dd e e p e n e du n d e r s t a n d i n go ft h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fa r cw e l d i n gp o w e r i nt h e o r ya n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，t h e r ei so f g r e a ts i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ；a r cw e l d i n gp o w e rs u p p l y ；t e s t ；d y n a m i c p a r a m e t e r ；h a r m o n i c i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：立互塾日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者虢边翩虢峨期：蛳嘲 山尔人学硕十学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论弟一旱殖。下匕 在现在制造业生产中，焊接是重要的工艺方法之一。焊接技术在机械制造工 业及乃至整个国民经济中占有重要地位，现代工业的发展离开焊接是无法想象的。 在很多工程项目中，焊接的质量将直接影响到整个工程完成的质量，焊接已从简 单的构件连接方法和毛坯制造手段发展成为制造行业中一项基础工艺和生产手段 【l 】 o 在焊接工艺中，焊接设备无疑占有很重要的地位。目前，采用了数字化控制 的逆变式焊机由于具有体积小、重量轻、动特性好、引弧容易等优点，在焊接工 程中应用越来越广泛，逐渐成为市场主流，成为现代焊接设备的代名词。 正是在这种背景下，研究弧焊电源电参数测试技术，开发出先进的具有实际 应用价值的焊机测试平台，对于确保焊机的生产质量，提高生产效率，减少人力 财力的浪费，推动焊机测试自动化具有十分重要的意义。 本课题的工作是以交、直流弧焊电源作为研究对象，主要研究内容为弧焊电 源电参数的检测。通过对弧焊电源相关电参数测量、计算与分析，开发出一套焊 接设备测试系统，并在此系统上对焊机的电气特性做了深入研究和大量实验。 1 2 弧焊电源 在过去几十年中，弧焊电源从普通的交流弧焊电源、直流弧焊电源、发展到 脉冲弧焊电源、逆变式直流电源。传统的交流弧焊机相当于5 0 6 0 赫兹的可调节 降压变压器，因此也称为弧焊变压器。 直流弧焊电源：直流弧焊电源分为两类，弧焊整流器和直流弧焊发电机。弧 焊整流器已非纯粹的电工产品，而是由电工技术、电磁技术、电力电子技术、反 馈控制技术等结合的现代电源技术结晶，当前应用较多。 脉冲弧焊电源：脉冲弧焊电源的焊接电流以低频调制脉冲方式馈送，一般由 普通的弧焊电源与脉冲发生电路组成。 山尔人学硕十学位论文 弧焊逆变器：弧焊逆变电源将交流电整流后，由逆变器转变为几百至几万赫 兹的中频交流电，经降压后输出交流或者直流电。整个过程由电子电路控制，使 电源具有符合需要的外特性和动特性。从弧焊电源发展的趋势看，弧焊发电机、 弧焊变压器已经或正退出历史舞台，直流焊机中弧焊发电机( 仅在野外使用) 和硅整 流焊机所占比重也越来越少。弧焊电源朝电子控制、高效率、低故障发生率方向 发展。电子控制的弧焊电源成为电焊机行业舞台的主角。 电子控制的弧焊电源中，电力电子开关器件成为核心部件。这些新器件的应 用在带来诸多优越性的同时，也带来了一系列的电力传输和测量上的问题，如信 号的畸变造成的电压、电流有效值测量问题：畸变造成的功率计算和测量问题：畸变 造成的电网传输问题等等。 研究新型焊机的电参数测量，对于认识这些问题可以提供一个很好的平台， 通过测量既可以认识电焊机的相关电参数特征，又可以研究电力电子器件带来的 谐波问题。 1 3 弧焊电源检测技术的研究现状 1 3 1 弧焊电源手动测试设备 目前我国电焊机测试装置仍沿用上世纪六十年代的技术，七十年代的产品， 是一种基于电磁感应基本定律为基础的模拟指针式仪表的测试系统。这一电焊机 测试系统主要包括下面几大组件：调压变压器、负载电阻柜、配电及信号传感柜、 测试工作台以及温度测试组件等。测试内容包括电焊机初次级电参数的测量和电 焊机温升、介电强度的测量等多项内容。 在我国的电弧焊电源检测设备中，比较有代表性的是成都电焊机研究所开发 的测试台。 第一代检测设备以成都电焊机研究所生产的h h c 系列弧焊电源测试台为代 表，用传统的互感器，分流器为电流传感元件，并配以指针式电流，电压，功率 台表，对焊接电源的电流，电压，功率进行测量，用接触器切换和改变无感电阻 负载的大小来模拟电弧。目前，这种检测设备在一部分焊接电源生产厂仍然使用， 它具有精度高，可靠性好的特点，但体积庞大，使用维护复杂，功能单一，自动 化程度低，很难满足现代化高效率的生产测试。 2 山尔人学硕十学位论文 第二代检测设备以成都电气检验所，成都三方电气有限公司研究生产的数字 t d c 系列电源测试台为代表，用数字化仪表取代了指针式台表，霍尔电流传感器 取代了互感器和分流器，在功能和测试精度方面和第一代设备一致，但体积大幅 度减小，使用和维护性有了很大的提高，读数直观，操作方便，被全国大多数的 焊接电源生产企业广泛使用，但它仍然带有第一代设备的缺点。 现有电焊机手动测试系统存在的问题主要有如下几个方面： 1 ) 测试系统的人工电表判读，导致测量误差，工作效率低下。电参数判读只 能分时进行，不能严格界定相关联的各路信号相互影响，因此在涉及到诸 如电焊机效率和功率因素测量时，所获得的信息不准确，要求测试人员具 有一定的测试经验，否则，试验时间将大大延长。 2 ) 测试手段和传感器技术存在问题，导致电焊机参数测量不准确。难以检测 到电焊机的动态变化过程，很难反映电焊机的动态特性。试验数据的人工 填写，测量的客观性和准确性受到质疑。 3 ) 随着技术的进步，对电焊机提出了更高的要求，要求有相应的测试手段， 反映电焊机的某些性能。如电焊机对电网的谐波污染等( 2 j 。 1 3 2 弧焊电源自动检测设备 8 0 年代以来，随着计算机科学的发展，微机性能价格比的不断提高，微型计 算机被越来越广泛地应用于工业控制中。在焊接领域，国外出现了一类以微机为 核心的测试分析仪器，如t h ew e l d i n gi n s t i t u t e 公司，美国h o n e y w e l l 公司制造的 弧焊分析仪，英国、西德也生产了类似的弧焊分析仪。1 9 8 5 年以来，国内也陆续 出现了一些研制此类分析仪的单位，如南京市新技术研究所和南京市第二化工机 械厂联合研制的微机焊接参数显示记录仪【3 】。 这些类型的弧焊分析仪具有以下的特点： 1 ) 设计及应用具有灵活性，测量精度高。 2 ) 一台微机弧焊分析仪，能够检测多参数，减少了监测焊接过程所需的测试 仪器的种类，且可以进行自校正测量。 3 ) 可以存储、分析测试数据，并自动进行计算、统计和分析。 4 ) 可以对多次实验结果进行比较分析，为定量分析焊接过程提供数据支持。 3 山东人学硕十学何论文 5 ) 为实时控制提供了可能。 6 ) 使智能检测成为可能。 在各国的各种类型弧焊分析仪中，德国汉诺威大学研制的汉诺威弧焊分析仪 经过十来年的发展，具有采样速率及精度高，数据处理方法科学的特点，并且其 新近推出的智能化弧焊分析仪可测试以下参数：焊接电压值、焊接电流值、短路 时间、燃弧时间、加权燃弧时间、过渡周期。通过分析测试数据可以统计出以下 参数：焊接电压概率密度分布p d d 、焊接电流概率密度分布、短路时间频数分布 c f d 、燃弧时间频数分布、加权燃弧时间频数分布、过渡周期频数分布，从而可 对焊接过程进行定量评定。可以分析焊接过程稳定性，同时在一定的实验条件下， 可以根据电源的输出电压和输出电流判断焊接设备的质量。 在国内，成都电气检验所( 成都三方电气有限公司) 研制的新一代智能化电 源测试系统，主要功能有：所有电参数的真有效值测量、波形还原( 正确显示方 波电流、电压的阶跃响应、空短、负短过渡之波形) 、谐波分析、功率器件耐 冲击试验、外特性试验及图形绘制、自动查找静态工作点、自动稳压功能、自动 生成打印报告等。 以上弧焊电源测试装置的开发研究提高了电源测试的效率，有力的推动了弧 焊电源测试自动化的发展。目前弧焊电源测试技术已经基本成熟，能够实时，快 速的采样焊接过程的采样焊接过程电信号，获取真实的信号波形。但电源的评价 技术相对落后，电源的评定仍需人工进行。因此，如何分析处理数据，从电流， 电压波形数据中提取反映电源特性的特征信息，然后通过计算机对电源质量自动 做出判断，需要进一步研究。另一方面，智能化是电源测试分析设备的发展方向， 人工智能的引入将使弧焊电源的测试与评价与分析摆脱人的主观性，使电源评价 更加科学，而且这方面的研究工作尚很欠缺。 1 4 本课题研究的内容和意义 1 4 1 研究意义 本系统是为了适应焊接技术的发展趋向，提高我国焊接行业的技术水平，在 吸取国内、外同类仪器的长处的基础上而研制开发的一种新型测试分析系统。该 系统充分利用计算机的资源，把焊机电源的智能检测和电弧参数测试分析集成在 4 山东人学硕十学何论文 一起，使其能应用于焊接生产领域的多个方面。其具体应用如下： 1 ) 对电弧焊机进行出厂检测包括g b l 5 5 7 9 1 2 0 0 4 弧焊设备安全要求第一部 分：焊接电源规定的应在产品铭牌中给出的输入电流、额定焊接电流、 功率因素等数据，以及弧焊电源的静特性、外特性曲线拟合等多项指标的 测试。 2 ) 焊接设备改进。通过对电弧电压和焊接电流的实时、快速的采样，并对采 样数据进行统计分析，可以诊断出焊机故障，评估焊机动特性。而且，由 于可把焊机检测过程中的各种参数存于数据库中，因此，利用数据库工具， 设计人员可对多次测试结果进行比较分析，以提出焊机的改进方案。 3 ) 焊接在线质量跟踪。焊接过程的质量决定焊接产品的质量，而焊接过程的 质量不仅与焊接规范、焊丝的质量、工件的表面状况等因素有关，而且与 焊接系统的特性密切相关。由于焊接条件中发生的每一种变化都会在焊接 过程参数的概率统计图中表现出来，通过电弧电压、焊接电流的统计分布 图，就可以评估焊接过程的稳定性，在焊接工艺合理，规范得当的前提下， 就可以保证焊接质量，从而达到在线质量跟踪的目的。 综上所述，本课题研制的弧焊电源测试系统功能比较齐全，能应用于焊接测试 的多个领域，具有广阔的应用前景。 ： 1 4 2 研究内容 本课题主要针对交、直流弧焊电源电参数测量进行研究。首先建立一个自动 化的测试设备。它具有焊机型式检验( 冲击试验、外特性测量、电参数测量等) 的功 能，在准确测量电参数的基础上，系统具有对焊机特性的分析功能。以所开发的 系统为平台，研究不同弧焊电源在不同负载和不同规范下的谐波特性、功率因数 重要参数。主要包括以下几个方面内容： 1 ) 功能要求，技术指标的提出以及总体软硬件设计方案的完成。 2 ) 控制系统的开发，选用合适的工控主机，传感器的合理选择，最前端的调 理电路的设计，合理选择a o 数据采集卡，以及采取有效的硬件抗干扰措 施等。 3 ) 控制柜的设计，负载及传感器切换电路的设计，传感器，接触器，继电器 5 山尔入学硕十学位论文 6 的合理安装，信号线的引入和导出。 4 ) 系统软件部分。该系统的软件全部用v i s u a ls t u d i o n e t2 0 0 3 编程实现。 5 ) 焊机测试模块。主要完成以下功能：对交流弧焊电源可以完成空载试验、 短路试验、静外特性测试以及焊接过程的规范检测。 6 ) 电弧参数测试分析模块。该模块拟运用波形分析和频谱分析技术处理电弧 电压、焊接电流波形，完成以下功能：电弧电压、焊接电流概率密度分布， 短路时间频数分布，燃弧时间频数分布，加权燃弧时间频数分布，燃弧周 期频数分布的统计计算以及分布图形的显示和打印，电流、电压循环图的 绘制等。 7 ) 数据库模块。数据库的建立，以及和主程序的连接。该模块完成焊机测试 信息存储、试验条件参数和数据统计结果以及对所存数据的查询、删除、 报表打印输出等。 8 ) 完成一定量的实验。 山东人学硕十学位论文 第二章测试系统的设计与实现 2 1 测试系统的功能要求和性能指标 通过对国内外同类的老式及新式测试仪的了解和调研，掌握了国内外同类仪 器的性能指标、应用领域及优缺点。经过详细的需求分析及和用户的深入交流， 提出本课题测试系统的性能指标和功能要求。 2 1 1 功能要求 本系统采用“虚拟仪器”思想，在工控机上完成对系统的所有操作，包括信 号采集、数据处理、数值计算、统计分析、相图分析、外特性测试、表格打印， 波形输出等。具体功能要求如下： 1 ) 本系统需要完成弧焊电源型式检验的电参数测量部分，其功能包括：一定 负载下，各种电气量的测量；一定负载下、一组外特性试验( 不同规范) 、冲 击试验等。其中电气量测量是基础。 2 ) 有较高的数据采样频率，能检测出焊接过程的信号特征，如断弧，信号峰 值等。 3 ) 谐波分析功能。为了研究电流谐波检测方法和弧焊电源产生的谐波特性， 开发了基于傅立叶变换的频谱分析功能模块。可以检测网侧三相电流的谐 波电流。 4 ) 基于弧焊过程的特点，统计参数分为七大类统计，分别是焊接电流、电弧 电压、短路过渡周期、短路时间、短路电流、燃弧时间、概率分布、周期 分布、电流变化速率及其分布、动特性、短路时间分布、燃弧时间分布、 短路电流分布和燃弧电流分布、功率分布等。 5 ) 有良好的用户界面，不同的操作有不同的仪器面板，信号的采集方式，显 示方式，显示范围和比例，分析项目等用户都可以自己选择，并具有视图 的鼠标和键盘交互操作能力。 6 ) 测试数据能够保存在存储器上，以备参考研究之用。 7 山东人学硕+ 学位论文 7 ) 自动化要求。在完成复杂参数测量的时候应该具有自动操作功能，如负载 调整、静特性测试。 8 ) 抗干扰性能。当工作现场有高频信号时，应能可靠工作，对电源高频泄漏 干扰、电源冲击干扰具有很好的抑制能力等。 9 ) 系统有良好的性能价格比。 2 1 2 技术指标 综合现有的各种焊机测试系统，结合当前需求，该测试系统有以下性能指标： 输入电源电压3 8 0 v3 相5 0 h z 输入额定测量电流 i o o aa c 输入最大测量电流 1 5 0 aa c 输入额定测量电压l o - 5 0 0 va c 输入最大测量电压 1 4 - 7 0 0 va c 输出额定测量电流 1 0 0 0 aa c d c 输出最大测量电流 1 5 0 0 aa c d c 输出额定测量电压l o o va c d c 输出最大测量电压 1 5 0 va c d c 测量对象输入输出电压电流共8 路信号 采样频率3 0 0 k h z ( 每通道) 系统误差1 2 2 硬件设计 系统结构图如下，硬件系统包括操作台、控制柜、负载箱三个部分。系统结 构如图2 1 ，系统包括下述三个部分： 1 ) 操作台：工控机、信号调理电路、数据采集卡、键盘、鼠标、液晶显示器 等输入输出设备； 2 ) 控制柜：接触器、固态继电器、霍尔传感器； 3 ) 负载箱：无感电阻负载组。 山尔大学硕十学位论文 图2 - 1 硬件系统结构图 主控制器、采集部分属于弱电部分，而负载控制和调压部分则是强电、弱电 结合。如果将负载控制部分和调压部分等带有强电的部分也和主控制器等弱电部 分集成在一起，一会造成系统体积庞大，二是容易造成各部分之间的相互干扰， 特别是当前电子控制的弧焊电源，存在较强的电磁干扰，如处理不当往往导致系 统不能正常工作【4 】。采用分布式设计可以将强电和弱电分开，同时将需要和待测 对象在空间上较接近的部分和其他部分分开。系统中主控制器、人机界面和采集 部分集成在一起，装入测试系统操作台中。负载及传感器切换由于设备庞大，单 独作为一个部分，安装在控制柜中，无感电阻负载另外再设置一个负载柜【5 】。 这种系统在结构上简洁，软件、硬件上具有很大的灵活性，由于控制系统以 计算机作为主单元，所以其控制和决策能力非常强。同时，这种结构大量采用的 是数字化技术，所以和其他仪器或者设备通讯的潜在能力强，方便信息共享。这 种结构结合虚拟仪器技术的强大软件功能，使得主机端虚拟仪器具有强大的控制 功能和数据处理功能，使得测试系统具有潜在的功能扩展和升级能力1 6 j 。 2 2 1 操作台 控制台用于电源供电的控制，液晶显示器，工控机，信号调理电路的安装。 9 山尔人学硕+ 学位论文 2 2 1 1 工控机 计算机的选择：由于焊接现场环境恶劣，一般要求采用工业控制计算机，以 提高测试系统得稳定性，目前一般要求p 4 系列以上，同时要有较大的硬盘，以便 于采样数据的存储。本系统采用研华工控机i p c 6 1 0 ： 处理器：i n t e lp 4 l8 0 0 m h z 内存容量( m b ) ：2 5 6 m 硬盘容量( g b ) ：8 0 g 其他配置：光驱，软驱，1 0 0 m 网卡，u s b ，键盘，鼠标。 2 2 1 2 数据采集卡 数据采集卡的选择：选择数据采集卡应基于五个主要指标：测试通道类型及 个数、信号输入形式( 差分或单端输入) 、分辨率、采样速度以及软件与硬件的兼 容性。选择数据采集卡时，首先要确定自己的基本目标，是用于测量、监测、控 制、分析、还是其他目的。因此应了解处理过程对数据的要求，以及系统中数据 采集控制点的个数；了解数据采集速度，采集频率，测量的类型以及每一个数据 采集控制点所要求的精度和输出分辨率川。 焊接信息采集是多路信号同时采集，至少要同时采集电弧电压，焊接电流等 多路信号，理论上1 6 通道就可满足要求，当然，在条件许可的情况下，尽可能的 多有利于今后扩展，但也要考虑价格。 测试通道处信号的输入形式选择单端输入，适用于各信号源相距比较远，信 噪比比较大的场合。采样频率必须遵守采样定理，即采样频率国。( 2 x t , ) 必须大 于信号x o ) 中的最高频率的两倍，即c o , 2 0 9 【8 】。 对于像电弧电压、焊接电流这样复杂的信号，为使信号失真较小，需测得的 信号的最大频率为3 0 k h z ，则对于每一测试通道，采集卡的采样频率应不小于 6 0 k h z 。此外为了对测试数据进行后续的分析，需要连续采样信号的时间不小于 2 s 9 1 。 本系统采用了美国n i 公司的p c i 6 2 5 0 高速多功能采集卡，具有1 6 通道， 1 2 5 m s s 的良好性能，完全能够满足测试要求，性能指标如下： 3 2 位p c i 总线，即插即用 l o 山东人学硕+ 学位论文 1 6 个单端以及8 个差动模拟量输入通道 1 6 位a d 分辨率 双极性单极性模拟量输入 2 4 个t t l c m o s 数字量v o 七种可编程输入范围( 士1 0 0m vt o4 - 1 0v ) 6 个d m a 通道用于高速数据采集 2 2 1 3 信号调理 如图2 2 为信号调理及限幅电路原理图： 图2 2 信号调理电路图 r m 为测量电阻，对于电流输出型传感器，通常采用精密电阻取样，取样电阻 x 副边输出电流额定值应小于电源电压，差值大于4 v 。选用低温漂( 不大于 2 0 p p m ) 高精度的金属膜电阻 1 0 】；因为寄生电感较大的原因，在高频采样场合， 应避免采用精密线绕电阻，采样电阻的功率必须足够。 集成运算放大器根据实际需要，并考虑成本因素选用t l 0 8 2 1 1 】，该器件可广泛 应用于在高阻抗放大、定时、采样保持、峰值检测、o h 转换和隔离容性负载等 领域【1 2 1 。 2 2 2 控制柜 在控制柜中，主要安装了负载切换所需的固态继电器和接触器，以及用于电 压电流采集的霍尔传感器。 山东人学硕十学位论文 2 2 2 1 传感器 在本课题中，所用的传感器都是电量传感器。用于焊接测量的电量传感器种 类很多，常用的有分流器、互感器、分压器等。由于焊接过程参数多、信号差异 大、变化复杂，因此，传感器的选择是非常重要的【1 3 】。 霍尔电流、电压传感器变送器模块具有优越的电性能，是一种先进的、能隔 离主电路回路和电子控制电路的电检测元件。它综合了互感器和分流器的所有优 点，同时又克服了互感器和分流器的不足( 互感器只适用于5 0 h z 工频测量：分流器 无法进行隔离测量) 。利用同一只霍尔电流电压传感器变送器模块检测元件既可以 检测交流也可以检测直流，甚至可以检测瞬态峰值，因而是替代互感器和分流器 的新一代产品【1 4 】。 正是由于霍尔电流、电压传感器具有精度高、动态特性好、工作频带宽、过 载能力和抗磁场能力强等诸多优点，本课题采用霍尔传感器采样电压、电流信号。 2 2 2 2 负载切换 传统的电焊机测试设备中，负载传感器和负载的切换是通过人工来进行的， 实际测试时，只使用了其中一部分，到底使用那些要根据实际电压电流来进行判 断，然后进行切换，而电焊机输入输出电流电压是根据负载电阻，电焊机面板给 定等不同而变的，由于这种计算和判断过程繁杂，因此测试人员必须具有敏锐的 思维并且具有足够的测试经验【1 6 】。新型电焊机控制系统利用计算机作为控制核心， 能方便的进行这种计算，因此为实现测试系统传感器和负载自动切换提供了基础。 当系统计算出需要选择何种传感器和哪些负载组合后，下一步就是切换传感 器和负载了，传统测试系统和负载的切换是通过人工方式来进行。即利用手动按 钮和手动变位组合开关，机械式时间继电器等控制负载柜中的接触器。由于需经 过多次尝试才能最终找到这些组合，因此，人工选择负载和传感器的工作繁琐并 且容易产生误操作【17 1 。 新型电焊机测试系统传感器和负载的计算，选择和切换主要通过计算机进行 控制，其中计算过程通过软件进行，切换过程利用软件控制硬件切换。 负载控制部分的主要控制机构是n ip c i 6 2 5 0 的数字量i o 端口。如图2 2 是 一系列并联的大功率无感电阻负载，是p c i 6 2 5 0 卡的控制对象。p c i 6 2 5 0 卡的数 1 2 山东人学硕+ 学位论文 字量输出口直接控制固态继电器的通断，进而控制接触器k m l 一k m l 4 。当需要调 整负载时，主机系统发指令到p c i 6 2 5 0 卡，p c i 6 2 5 0 卡根据指令决定其输出节点的 状态，从而使固态继电器也跟着改变状态，最终完成控制接触器的通断状态。电 阻负载的大小与控制电阻通断的接触器通断状态直接相关，所以通过控制接触器 可以达到控制负载值的目的。 w 一 工控机 2 2 3 负载箱 一穗i 固态继电器 j 鬻溪鬻：爹j 一 _ j ! c j 4 0 - - 2 。1 0 0 0 图2 - 2 传感器和负载切换流程图 图2 - 3 负载切换示意图 电焊机测试系统负载柜负载为通过接触器并联的一系列电阻组合，如图2 。3 山尔人学硕十学位论文 所不。 根据电源约定负载电压电流关系，焊接电源最高的工作输出电压为4 4 伏。负 载柜最大电阻选为4 4 欧，意为当焊机最大输出时电流的调节精度最小保证为l 安， 其他支路电流依次递增。若各支路设定电流为1 a ，2 a ，4 a ，到2 - 1 a ，则各支路 并联电阻为：rn = 4 4 v 2 小1 a 欧。负载电阻的这种安排方式，为负载的计算机选择 提供了便利条件。下表给出了负载柜负载电阻详细电阻值和相关连接方式。 表2 1 测试系统传感器负载和接触器对应表 序号名称代号型号规格数量 14 4 欧电阻k m lc j 4 0 2 5l 2 2 2 欧电阻 k m 2c j 4 0 2 5l 3 1 1 欧电阻k m 3c j 4 0 2 51 4 5 5 欧电阻 k m 4c j 4 0 2 51 52 7 5 欧电阻k m 5c j 4 0 5 0l 6 1 3 7 5 欧电阻 k m 6c i j 4 0 一5 01 7 0 6 8 7 5 欧电阻k m 7 c j 4 0 1 0 0 l 8 0 3 4 3 7 5 欧电阻 k m 8c j 4 0 2 0 0l 90 1 7 1 8 7 5 欧电阻k m 9c j 4 0 5 0 0l 1 0 0 0 8 5 9 3 7 5 欧电阻 k m l oc j 4 0 6 3 0l 1 1 网侧输入开关 k m l lc j 4 0 1 0 0 01 1 2 电源输出开关 k m l 2 、1 3c j 4 0 1 0 0 02 1 3短路开关k m l 4 、1 5c j 4 0 1 0 0 02 接触器k m l l 为电焊机总开关，k m 一1 2 、k m 1 3 共同构成次级开关，k m 1 4 、 k m l 5 为短路开关。 2 3 软件设计 2 3 1 开发工具 2 3 1 1 开发平台 随着计算机应用水平的不断提高，检验一个软件成熟与否主要看该软件是否 给用户提供一个良好的用户界面，这也是决定一个软件竞争能力的重要因素之一。 因此，开发平台和编程语言的选择至关重要。在计算机微