（机械设计及理论专业论文）计算机辅助焊接工艺分析与设备研发.pdf

摘要 本文利用计算机进行了焊接工艺过程分析平台的开发、同步高速摄像和电焊 机测试装置的全面改造以及利用仿真技术分析焊接电源主电路和辅助新型电焊 机开发等项工作。 本文颏开发出焊接工艺过程测试与分析系统，建立了一套基于计算机数据采 集并配有霍尔l e m 传感器的焊接过程测试硬件，在此硬件基础上利用l a b v i e w 语言进行了成套软件开发。系统包括信号采样模块、信号显示模块、统计分析模 块、相图分析模块、频谱分析模块、数据分析模块、结果打印模块、对比分析模 块、打开文件模块、数据保存模块、外特性测试模块等几大部分。系统从统计学 的角度出发，提取各种统计参量，并以统计直方图的形式和统计数据表格形式给 出分析结果。这种分析结果从不同角度反映出焊接过程的各种特征。并介绍了利 用此系统进行的焊接过程稳定性分析和焊缝成形分析的应用情况。 针对焊接电弧高速摄像和焊接波形不能同时观察这一问题，本文开发了多信 息同步高速摄像装置，配合相应的接口电路，利用计算机开展了焊接电弧波形和 图像的同步采集和再现的研究，实现了多种电弧信息( 电弧图像信息、电弧电信 号、电弧光谱信息) 的融合，为焊接电弧研究提供了先进的试验手段，也为全方 位研究焊接电弧开辟了新的途径。 现行电焊机测试系统测试技术严重落后于当前技术的发展水平，本文分析了 这一装置存在的问题，利用虚拟仪器技术开发出新型的电焊机测试系统集成测试 平台，集成了“系统标定”、“电参数测量”、“传感器与负载的选择”、“稳态工作 点的捕捉”、“外特性测试”、“动特性测试”、“电流电压指示精度”、“空载电流 百分比测试”、“网压波动时输出变化率”、“温升试验”、“冷热态下输出变化率”、 “波形和数据同时测量”、“电焊机常规检测”、“试验报表自动生成与输出”等诸 多测试功能，开发了p c 机控制p l c ，再由p l c 控制电焊机测试系统其它各个部 件工作的测试系统驱动控制模式。最后形成了一个基于虚拟仪器和专家系统的电 焊机测试软硬件套餐。 开展了电焊机主电路仿真和分析，成功地解释了电焊机测试结果，对表面张 力过渡二氧化碳焊机进行了仿真，成功地辅助了新型焊机的开发，获得了满意的 结果。 总之，本文在利用计算机辅助焊接工艺分析和设备开发方面进行了卓有成效 的工作。 关键词：焊接、虚拟仪器、测试、分析、仿真。 a b s t r a c t t h i sp a p e r p r e s e n t sas e r i e so f r e s e a r c hw o r k w i t ht h ea i do f c o m p u t e r ，w eh a v e d e v e l o p e d an e w w e l d i n gp r o c e s st e s ta n da n a l y s e ss y s t e m ，r e a l i z e dm u l t i i n f o r m a t i o n s y n c h r o n i z e dw e l d i n gh i g h - s p e e dc a m e r a ，r e c o n s t r u c t e d an e wt y p eo fw e l d i n g m a c h i n et e s t s y s t e m ，a n a l y z e d t h e w e l d i n gm a c h i n e m a i nc i r c u i ta n dd e v e l o p e d a s s i s t e dn e w w e l d i n gm a c h i n e w i t ht h es i m u l a t e t e c h n o l o g y i nt h ed e w w e l d i n gp r o c e s st e s ta n da n a l y s e ss y s t e m ，w ef o u n d as u i to f w e l d i n g p r o c e s st e s th a r d w a r ew i t hl e m s e n s o rb a s e do nc o m p u t e rd a t as a m p l e o nt h e s e b a s i ch a r d w a r ew ed e v e l o paw h o l es e to ft e s ta n da n a l y s i ss o f t w a r ei nl a b v i e w l a n g u a g et h i ss o f t w a r es y s t e m i n c l u d em a n y m o d u l e s ，i n c l u d i n gd a t as a m p l em o d u l e ， w a v e f o r m ss h o wm o d u l e ，s t a t i s t i ca n a l y s i sm o d u l e ，u - ir e l a t i o na n a l y s i sm o d u l e ， s p e c t r u ma n a l y s i sm o d u l e ，d a t aa n a l y s i sm o d u l e ，p r i n tm o d u l e ，c o n t r a s ta n a l y s i s m o d u l e ，f i l eo p e nm o d e l ，f i l es a v em o d u l e ，o u t p u tc h a r a c t e rt e s tm o d u l e o nt h e s t a t i s t i cp o i n to fv i e w , t h es y s t e md i s t i l l sm a n ys t a t i s t i cp a r a m e t e r s ，w h i c hp r e s e n tt h e r e s u l ti nb o t hw a y so fs t a t i s t i c sh i s t o g r a ma n ds t a t i s t i c sd a t at a b l e t h ea n a l y s i s r e s u l tr e f l e c t sw e l d i n gp r o c e s sc h a r a c t e ri nd i f f e r e n tp o i n to fv i e w w eh a v ea n a l y s e s t h es t a b i l i t yo f w e l d i n g p r o c e s sa n dw e l d i n gl i n ef i g u r a t i o nw i t ht h i ss y s t e m a i ma tt h em a t t e ro fh i g h s p e e dc a m e r a p i c t u r e s a n d w e l d i n gw a v e f o r m s a s y n c h r o n o u sw o r k i n g ，w e h a v e d e v e l o p e d as e to fm u l t i - i n f o r m a t i o n s y n c h h i g h s p e e dc a m e r a w i t hr e l e v a n ti n t e r f a c ec i r c u i ta n dc o m p u t e rw e r e a l i z e dw e l d i n g w a v e f o r m sa n da r cp i c t u r e ss a m p l i n ga n ds h o w i n gi ns y n c h r o n i z e dw a y , c o m b i n e d m u l t i - i n f o r m a t i o ns u c ha sa r cp i c t u r e s ，a r ce l e c t r i cs i g n a l sa n da r cs p e c t r ai n f o r m a t i o n ， w h i c h p r o v i d ea d v a n c e d t e s tm e a s u r ef o rt h ew e l d i n ga r cr e s e a r c hw o r ka n dc u tan e w w a y f o rw e l d i n ga r cs t u d yi nw h o l e p o i n t t h e w e l d i n g m a c h i n et e s t s y s t e mc u r r e n t l y i sf a r l a g b e h i n d t e c h n o l o g y d e v e l o p m e n t t h i sp a p e ra n a l y z e s t h ep r o b l e mo ft h e s y s t e ma n dd e s i g n san e w i n t e g r a t e dt e s t i n gp l a t f o r mo fw e l d i n g m a c h i n et e s t i n gs y s t e m 、i t ht h et e c h n o l o g yo f v i r t u a li n s t r u m e n t o nt h ec h i e ff r o n t p a n e l o ft h e t e s t i n gs y s t e m ，s y s t e m s t a n d a r d i z a t i o n ，m e a s u r e m e n to fe l e c t r i cp a r a m e t e r , t h es e l e c t i o no f s e n s o ra n dl o a d ， t h ec a t c ho f s t e a d yw o r kp o i n t ，t h et e s to f v o l t a m p e r eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i co f w e l d i n g m a c h i n e ，t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ct e s to ft h em a c h i n e ，t h ep o i n t e rp r e c i s i o no f t h e c u r r e n ta n d v o l t a g em e t e r , t h e r a t i oo f o p e n c i r c u i tc u r r e n t ，t h ec h a n g er a t i oo f c u r r e n t a n dv o l t a g ew h i l et h en e tv o l t a g ef l u c t u a t ea n dw h i l et h em a c h i n ei sh o ta n dc o l d ，t h e t e m p e r a t u r er i s et e s t ，t h em e a s u r e m e n to f d a t aa n dw a v e f o r m ，t h er o u t i n et e s ta n dt h e c r e a t ea n do u t p u to ft h er e p o r ta r ea l li n t e g r a t e d w ea l s oe x p l o i t sac o n t r o lp a t t e r n t h a tp cc o n t r o l sp l ca n do t h e rt e s td e v i c ec o n t r o l l e d b y p l ct or e a l i z et h e c o n c e n t r a t ec o n t r o lo fc o m p u t e rt ot h ea l l t e s t i n g s y s t e m ，a tl a s t as o f t w a r ea n d h a r d w a r ec o n v e n t i o nm e a lo fw e l d i n gm a c h i n et e s t i n g s y s t e mb a s e d o nv i r t u a l i n s t r u m e n tt e c h n o l o g ya n d e x p e r ts y s t e m i sf o r m e d w ea l s od ot h ew o r ko f t h em a i nc i r c u i ts i m u l a t ew h i c h e x p l a i n t h et e s tr e s u l to f w e l d i n gm a c h i n ea n ds i m u l a t et h es t t m a c h i n ew h i c hs u c c e s s f u l l ya s s i s t a n th e l p e d t h en e wm a c h i n e d e v e l o p e d t h er e s u l to f i ti ss a t i s f a c t o r y i naw o r d w eh a v ed o n e w e l d i n g r e s e a r c hw o r k h i g h l ye f f e c t i v e 、v i t hc o m p u t e r k e yw o r d s ：w e l d i n g ，v i r t u a li n s t r u m e n t , t e s t ，a n a l y s i s ，s i m u l a t i o n 第一章前言 焊接在国家建设中的作用已经不用质疑，焊接在交通、建筑、化工、航空航 天、军械领域的作用越来越大。随着生产的发展、科学的进步，焊接也一改过去 那种傻大黑粗面目，逐渐从粗加工向精加工发展。 有几方面的原因直接导致了这一变化：新型高质量高性能焊接材料的研发和 应用、新型焊接设备的研发和应用、新的焊接工艺和方法的使用等等。隐藏在这 后面的原因很多，其中计算机在焊接中的大量应用起了很大的作用。从计算机辅 助焊接材科配方设计、到焊接材料生产过程的质量计算机监控，从焊接过程计算 机测试到焊接过程计算机在线质量控制，从利用计算机进行绘制机械零部件图和 电路板设计图到计算机分析电路、仿真设计，甚至计算机直接嵌入到焊接设备中 形成计算机智能控制系统。 计算机在焊接中的应用概括起来主要有测试、分析、仿真和控制几方面。 测试是人们认识事物的基础，科学技术和生产发展都离不开测试，任何科学 的理论都要经过大量的试验与测量对获取的数据进行分析来验证理论的正确性 和可靠性。测试是人们认识客观事物的一种方法，在自然界，对任何被研究的客 观事物，都必须通过测量来实现。“没有测量，就没有科学”( 俄国科学家门捷列 夫语) 【l j ，“测量是技术生命的神经系统”( 英国科学家库克语) 。 测试涉及到信号、信息这两个基本概念。信号是传递某个实际系统状态或信 息的一种物理现象或过程，它的基本表现形式是变化着的电压或电流，而信息是 人类社会、自然界一切事物运动与状态的特征，是提供决策或判断的种资料。 信号是信息的载体，信息则是信号经过处理后的有用部分2 、3 “5 6 1 。因此，信号 的处理和分析是测量的重要补充。分析是利用已知数据进行数学处理，获得更多 的信息，通过分析可以把隐含在一般信号中的特征信息提取出来，使人们能更深 刻地认识事物。 仿真是建立数学模型，模拟工作环境，以尽量低的成本，尽量快的速度，预 测实际结果。仿真时，先以数学模型表征出实际系统的特性和规律，再用计算机 对这些数学模型求解并分析，处理并最后获得分析结果【7 8 】。仿真的核心是建模 和分析，建模也是在分析基础上实现的，因此，仿真的主体就是分析。利用仿真 分析，可以检验设计思想，优化设计理论，加快产品的研发。 计算机控制系统的主体是测试和分析，通过测试获得实际工作数据，通过分 析可以获得期望值与实测值之间的误差和信号变化趋势，获得下一个控制信号给 定值。从而真正实现控制。4 博士后研究报告 1 。1计算机测试与分析技术发展概况 对于电参数测试，最初的测试仪器是模拟式仪表。接着出现了数字式仪表， 随着计算机的出现，计算机嵌入到数字仪器中又形成了基于微处理器的智能仪 器，现在一场全新的测试仪器革命正在掀起，它就是以个人计算机为基础的插卡 式仪器为基本硬件用软件设计仪器的虚拟仪器。 二十世纪8 0 年代初，由于个人计算机的广泛应用，出现了以个人计算机为 基础的插卡式仪器( p e r s o n a lc o m p u t e rc a r di n s t r u m e n t ，简称p c c i ) ，它将传统的 独立仪器与个人计算机的软硬件资源融为一体，以较高的性能价格比、较强的 灵活性及菜单式操作的方便性等突出特色进入测量测试领域，使仪器领域掀起了 一次改进设计的高潮，并派生了虚拟仪器的概念，发展十分迅速【虬“1 。但当时许 多电子仪器公司生产着它们各自专有的插卡式仪器，彼此间使用着完全不同的方 法，这样不同公司生产的部件不能互换，不利于插卡式仪器的维护以及向纵深发 展。于是，美国空军制定了一个计划，建立统的适用于较小电子设备的i a c ( 在插卡上的仪器) 标准。1 9 8 7 年4 月，五家仪器公司即h e w l e t t - - p a c k a r d ， t e k t r o n i x ，c o l o r a d od a t as y s t e m ，r a c a l - - d a n a 和w a v e t e k 开始讨论一种适用于 商业和国防领域的i a c 标准。这些公司组成了“v x i 总线联合体”，经过3 个月 热烈的技术讨论，于1 9 8 7 年7 月1 4 日发布了最早的v x i 总线系统规范草案。 它是结合了g p i b 总线易于操作及强大的测试测量功能的优势和v m e 总线系统 吞吐量高并能充分发挥计算机效能的优点，衍生出的一种新的总线规范 他】。v x i 总线诞生之后，因为它开放式的系统结构，模块化的设计，在生产制造、研究开 发及系统服务等领域的测控仪器中得到广泛应用。在v x i 总线规范发展的同时， 基于p c i 总线的p c 机有了迅猛的发展，p c i 总线有着更高的数据传输率，而且 p c 系统的硬件和软件的性价比不断提高，为广大用户所熟悉，并且拥有大量的 供应商【1 3 】。若能开发一与p c ( p c i ) 总线规范相兼容的总线规范，便能应用p c 机现有的强大的资源，降低测控仪器的成本。其实基于p c 总线的插卡仪器已经 有超过1 5 年的历史，然而基于p c 总线的仪器有它严重的局限性。首先，普通 的p c 仅有4 或5 个p c i 插槽，对测试系统而言是不够的。其次，普通p c 机不 够坚固，不能防御电磁干扰，冷却性能不好。虽然说后来发展的工业控制计算机 ( i p c ) 改进了普通p c 机的上述不足，但是由于缺乏圊步触发及插卡之间的通 讯功能，各插卡之间不能互相触发同步，不能直接通信，模拟信号也无法经过总 线传递。为了能将p c i 总线更好地应用到测试、测量及自动化领域，美国国家仪 器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 开发了p x i 总线规范，并在1 9 9 7 年公布为开放的 工业标准。图1 1 为p x i 总线的电气结构【1 4 “”。 第一章前言 图1 1p x i 总线的电气结构 f 追1 - 1 t h ee l e c t r i cc o n s t r u c to f p x ib u s 由图可见，p x i 总线规范中添加了专用的系统参考时钟，p 触发总线，星 形触发总线和扩展槽之间的本地总线以满足高要求的定时、同步和扩展槽间通讯 的需要，除此之外，p x i 总线保留了p c i 总线的所有特性。基于p x i 总线的优越 性能，现在已有超过6 0 家公司认可此规范并加入了p x i 系统联盟( p x i s a ) ，该 组织管理着p x i 规范的发展。如今v x i 、p x i 总线规范都是开放的工业标准，都 具有模块化的结构，都是基于计算机总线的测试、测量及自动化的坚固平台，能 够应用于恶劣的工业环境，但p x i 总线规范较v x i 总线规范与目前计算机的主 流总线规范p c i 更兼容，系统具有更好的集成性、更低的集成成本、更便利的扩 展能力、更多的测试通道、更便利的连网性能、更强大的生命力和应用前景等优 越性，因此基于p x i 总线规范的测试系统是目前工业用测控装置的首选。 有了好的硬件，接下来就应有更好的软件与之配套。这些软件硬件一起构成 了虚拟仪器系统。虚拟仪器的特点是：在通用的硬件平台上，由软件取代传统仪 器中的硬件来完成仪器的功能，是用软件代替硬件，软件的硬件化。用软件代替 硬件可以使系统更加灵活。目前虚拟仪器系统广泛使用l a b v i e w 虚拟仪器语言 1 6 l 7 1 。 虚拟仪器系统仪器的功能是根据用户的需要来定义的，而不是事先由厂家定 义好的，仪器性能的改进和更新只需进行相关软件的设计，而不需购买新的仪 器，虚拟仪器研制周期短，开发灵活，与计算机技术同步发展，能通过网络与周 边设备互联，实现资源共享。一套虚拟仪器系统就是一台标准工业计算机或工作 站配上强大的应用软件、低成本的硬件及驱动程序。他们在一起共同完成传统仪 器的功能。虚拟仪器代表着从传统硬件为主的测量系统到软件为中心的测量系统 的根本的改变。 博士后研究报告 1 2 、计算机辅助焊接测试与分析技术的发展 随着生产的发展，人们对焊接的要求也越来越高，要求优良的焊接设备、优 质的焊接材料，先进的焊接工艺过程控制技术，最后获得优异的焊接质量。而开 发优良的焊接设备、优质的焊接材料，先进的焊接工艺过程控制技术，以及获得 优异的焊接质量都要求有先进的焊接的测试设备。 焊接过程绲含着大量的信息，通过对焊接信号的分析，可以提取大量有用的 信息 1 “1 9 、2 。在电弧的电压、电流信号中，包含有与焊接过程的稳定性以及飞 溅大小等相关的信息，提取这些信息可望对焊接电源的性能进行较客观的评价， 并且使实验结果具有可重复性；焊接质量的监测，可以通过监测焊接过程中焊接 速度、保护气体流速、工件温度场分布、电弧形为以及熔滴过渡形为等信息来进 行，其中电弧中所包含的信息量大且非常重要；焊接用耗材的质量，可由电弧的 电压、电流信号中，提取与焊接工艺性能相关的信息来进行评定。可见，不论是 焊接电源的控制，还是焊接电源的性能、焊接质量、焊接用耗材的质量的评价， 都必须获取焊接过程的相关信息，其中焊接电弧信息量大且最为重要。 对于焊接测试，目前广泛使用的是测试仪表( 如电流表和电压表) ，条件较好 时还使用示波器等，采用指简单仪表只能给出单的测试数据，无法测试信号的 瞬变波形，并不具有贮存、分析测试数据的能力；而采用示波器也只能够瞬间观 察叠加了很多杂散信号的信号波形，因此对于焊接工艺性能好坏，只能是根据实 际焊接效果以及“手感”来进行分析，而且只有熟练焊工才能模模糊糊地说出一 些道道来，该方法具有较大的主观成分。显然，这种测试方式离实际要求还有很 大的距离。 随着仪器仪表技术的发展，出现了集捕获、显示、测量、分析、存储于一体， 具有较高的数字化，测试波形可输入电脑，具有记忆功能的新型示波器，为焊接 测试提供了非常便利的条件。然而，这种示波器实际上就是上面提到的基于微处 理器的智能仪器。这种仪器使用到焊接这种非周期信号测试上，存在采样时间短， 获取数据量小，分析方法有限，且价格昂贵等问题，如果要进行多信息多通道采 集，它的采样通道数量也不够。 解决以上问题的途径是，研制能够自动记录、分析测试信号的装置。在这方 面，人们已进行了一些工作1 2 ”。 在二十世纪8 0 年代以前，人们大多利用电子线路测试装置来记录焊接过程的 某些信号。而这类装置，由于硬件电路不易改变，功能单一，故一套装置只能测 试和记录相应的某些信号，只能适用于一定的焊接电源，也就是说这类测试装置 不具备普适性。此外，该类测试装置仅能记录信号波形，而计算、分析工作从根 第一章前言 本上来说，仍未能脱离人工方法。 二十世纪8 0 年代到九十年代间，随着单片微机性能价格比的不断提高，单片 微机被越来越广泛地应用于工业控制中。在焊接领域，国内外也出现了一类以单 片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仪器，在中国，自1 9 8 5 年 以来，陆续出现了一些单位研制此类分析仪e 3 4 - 3 7 1 。基于单片微机的测试分析仪 较电子线路测试装置有了很大改进，只要改变程序，测试分析仪便可用于测试不 同的信号，并且可以编程对信号进行分析，还可将分析结果打印输出。但由于单 片微机的计算速度以及精度有限，人机交互不够便利，数据存贮空间小，数据存 贮成本高，这些不便之处限制了该类测试分析仪的推广使用。 二十世纪8 0 年代未9 0 年代初以来，个人电脑( p c ) 得到了飞速的发展，国 内外焊接领域也发展了以计算机为核心的测试分析仪。在各国的各种类型弧焊分 析仪中，德国汉诺威大学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。 然而由于技术保密等原因，汉诺威弧焊分析仪分析程序并未公开，相反地， 还人为地加入了软件狗，使得测试和分析只能在汉诺威弧焊分析仪专用计算机上 进行，实验室大量性能更高、速度更快的计算机无助于这些工作的进行，造成了 资源的大量浪费。利用汉诺威弧焊分析仪可以得到一些分析波形和数据，如何理 解这些分析结果还比较费脑筋。对于焊接过程的分析，焊接研究人员都有各自的 思想，把这些思想结合到计算机分析中去才能获得切实有效的分析效果。 不管怎样，基于计算机数据采集和分析的焊接测试分析系统为焊接测试分析 提供了新的思想。由于采用了功能强大的计算机，使测试分析仪具有了虚拟仪器 的基本特点，虚拟仪器语言l a b v i e w 应用到焊接测试与分析中，能大大提高测 试分析软件开发效率，使得般焊接人员也能开发自己的分析系统。掌握了基本 的焊接知识、采用虚拟仪器技术思想重新对测试系统进行设计，通过数据采集获 取实际焊接信号，就能进行较高水平的分析。 1 3 、计算机模拟与仿真技术 在焊接设备开发方面，计算机作用可以说渗透到了研发的各个部分。从电焊 机电路设计、电路板的绘制和制造，电焊机机械结构设计和零件图的绘制，到计 算机仿真等都有计算机的身影。这里主要谈论计算机仿真技术。 仿真词译自英文s i m u l i n k ，也叫模拟。目前比较流行于工程技术界的技 术定义是：系统仿真是通过对系统模型的实验，研究一个存在的或设计中的系统。 简言之，系统仿真就是对系统动态模型的实验，在仿真中，系统的动态模型是在 博士后研究报告 某些实验条件下被行为产生器驱动，产生模型行为口“。1 。例如在焊接中，建立 一台焊机模型，配以一定负载参数，在一定的算法设置下，计算出焊机的各种运 行参数。仿真的简单行为就是进行模拟，可以是不同层次的模拟，可以给出不同 试验条件( 模型条件) 而得出不同的实验条件。要实现实际焊接过程的物理仿真， 目前尚存在不少困难，但是计算机仿真的出现，使仿真技术从无里仿真进入了数 字仿真阶段，只要建立相应的数学仿真模型，将焊接对象模型化，使其转化成能 在计算上进行研究的仿真模型，就能获得仿真结果。 计算机仿真就是利用计算机进行模拟试验，计算机强大的计算功能是运算过 程变得快捷、准确、灵活。仿真技术虽然是- - f - i 新的学科，但已广泛应用到了焊 接领域的许多范畴，在焊接设备的研制、控制系统的改进等方面已经发挥出了巨 大的作用，具有很大的潜力。 仿真是通过程序进行的，前些年由于没有好的仿真软件，仅仅依靠用高级计 算机语言如c 语言、f o r t r a n 语言等进行仿真开发，效率低且效果差。近几年 来流行的软件包m a t l a b ，不但对计算机的仿真算法研究产生了巨大的推动作 用，而且提供了良好的图形编程环境，现已成为国际控制界应用最广的语言和工 具。利用m a t l a b 仿真，可以使复杂的仿真过程变得快捷、直观，大大提高了 准确性和效率，是进行仿真的理想工具。 目前，仿真技术已经提到了很高的技术高度，是国家大体提倡的技术手段， 仿真不但可以辅助设备开发，而且作为一种技术储备具有更为广泛的作用。没有 仿真技术的支撑，技术也只能在较低水平上徘徊。所有有条件的地方，都应开展 这项工作。 在焊接方面，国内许多研究者已开始利用m a t l a b 进行焊接过程的仿真 4 1 - 4 7 1 ，取得了许多结果，但这还不够，还需进行更为深入更为广泛的研究，才 能实现焊接设备的全面仿真，达到焊接设备虚拟开发和虚拟制造的目的。 1 4 、电焊机测试技术现状和发展 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48 、蛳，如图1 - 2 所示。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。 第一章前言 叫抵 罹 弧 手 焊 电 源 感 l j 。h ii 、。u 应 调 压 器 图1 - 2 当前电焊机测试系统示意图 f i g 1 2t h e s k e t c ho f t h ec u r r e n t l yw e l d i n gt e s ts y s t e m 图中各组件具体功能和作用如下：调压变压器功能是保证电焊机在正常稳定 的情况下进行测试，提供一个稳定的外部供电环境；负载电阻柜提供模拟的焊接 电弧负载，方便测试，柜中具有不同阻值的多个无感电阻( 般为1 1 个或1 2 个) ； 配电及信号传感柜控制焊机配电和负载的通断以及不同负载电流传感器( 分流器 和电流互感器) 的选择和信号传感等；i 贝8 试控制台内部存有各类仪表，能分别用 于不同类型和档位电流电压功率等测量。 该装置所使用的仪表种类均为模拟指针式仪表【4 8 5 0 】：交流电流和电压测量使 用电磁式仪表，直流电流和电压测量使用磁电式仪表，交流电路功率测量使用电 动式瓦特仪表，功率表又分高功率因素表和低功率因素表；直流电功率采用磁电 式电流表和电压表分别测量电流和电压，求其乘积得到有功功率。 电焊机质量检测系统本身的技术水准对于保证电焊机产品质量和指导电焊 机行业生产具有举足轻重的作用。随着逆变焊机的出现和其市场占有率的不断提 高，问题随之产生。最初是逆变焊机功率因素和效率问题，随后又出现焊机的电 磁兼容性问题，近期又出现的有关逆变焊机与传统焊机之间的工艺性能对比问 题，即在次级输出量一定时，这两类焊机工艺性能之间的存在明显差别。 如上所述，电焊机测试系统技术水平严重滞后于当前技术的发展，因此有必 要利用虚拟仪器技术对这一系统进行全面的技术改造，从最基础的测试方法入手 进行分析，对测量方式存在问题而导致测量不准确的因素进行分析，实现电焊机 测试技术的新飞跃。 1 5 、焊接测试技术的多信息融合与分析 如果对于焊接过程的分析，光依靠电流电压等电信号往往很难彻底地解决问 题。为此，研究者多借助于高速摄像和高速摄影等手段进行辅助分析。但是这两 种测试方法往往是分别采样，分析时也只能单独进行分析。实际上，电弧电信号 博士后研究报告 的变化与电弧中实际物理过程变化直接相关，把这两种信息甚至更多种信息融合 在一块，定能获得更为全面的测试效果。 要实现这种信息的融合分析，首先必须保证测量对象为同一时刻同一物体， 因此，测试时，各种测试项目要同时启动。其次，在进行分析时，要把这些信息 仪采集b , 寸壶e j 前后同时动态显示。 目前这样的测试系统市面上尚无产品，因此，要求研究者自己进行开发。现 在电子技术和计算机技术发展已经是日新月异，已为这种研究开发打下了坚实基 础。 1 5 、本研究将要进行的工作 信息时代是计算机的时代，现代制造技术要求焊接生产中要融入更多的计算 机成分。焊接生产的全部过程完全实现计算机控制，带给人们的将是全新的生产 理念和高效的生产过程、优质技术产品。 为了实现这一目标，基于实际工作的需要，本文从几个有代表性的方面着手 研究，进行了计算机辅助焊接工艺分析和设备研发的工作 1 、新型焊接测试分析平台的开发 这一系统平台是焊接工作者多年来梦寐以求的，虽然国外已有类似系统，但 分析项目和分析结果都难以满足使用者要求，使用不便而且价格太高，由于技术 不公开因此不能进行二次开发。新型焊接测试分析平台的开发，无疑将填补国内 空白，打破技术垄断，满足更多使用者的需求，扩大焊接信息化使用范围。 2 、多信息同步焊接参数测试与分析系统的开发 这是一个资源综合利用方面的课题，充分发挥现有设备资源潜力，达到更住 的实验效果。虽说难度不大，但很实用，是焊接信息化的重要一环。 3 、新型电焊机测试系统的研制 它是一个久拖未决的工作，测试技术跟不上来，其它工作就上不了档次。利 用计算机技术对它进行全面的改造，实际上就是实现电焊机测试的信息化管理。 4 、计算机仿真辅助焊接设备的开发。 这是信息化技术应用到焊接中的最高境界，实现计算机仿真辅助焊接设备的 开发，是焊接虚拟制造的重要内容。本文在这一方面进行的尝试还是初步的，但 可以尝到计算机给焊接生产和研究带来的便利。 第二章焊接过程测试与分析平台的研究 在多年焊接工艺和设备研究中，作者进行了大量的焊接测试工作，编制了相 应的测试软件，经过不断完善，逐渐形成了新的焊接测试系统。这种以计算机为 主体的测试系统基于虚拟仪器技术开发，它包括两大部分，一是进行测试所必需 的硬件设备，其次是建立在这些硬件设备基础上的计算机软件。虚拟仪器技术就 是软件硬件化，或硬件软件化。硬件是测试系统的基础，软件是整个测试系统的 灵魂，本章详细介绍这一技术。 2 1 焊接测试系统硬件平台 基于虚拟仪器技术的焊接测试系统基本硬件结构如图2 1 所示，其中包括传 感器电路、带数据采集卡的计算机、p l c 、驱动隔离电路等主要部件。 图2 1 基于虚拟仪器的焊接测试系统基本硬件 f i g 2 - 1t h eb a s i ch a r d w a r eo f w e l d i n gt e s t i n gs y s t e mb a s e do i lv i r t u a li n s t r u m e n t s 其中，电焊机负载可以是焊接电弧、也可以是负载电阻柜。其它部件包括电 弧图像摄像机等其它部件。 基本工作原理是：利用计算机控制p l c 选择负载，启动焊机等，然后利用传 感器传感和采集焊接信号送计算机存储和分析。测试系统基于虚拟仪器技术设 博士后研究工作论文 计，信号的测试方式较传统测试方式更为灵活，所采集到的信息信息量更大、信 息更为全面。 2 1 。1测试系统传感器的选用 通常称能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置 为传感器。准确测试的基础是选用先进的传感器，传感器应能最大限度的保持信 号的真实性，因此，传感器应具有好的线性度，高的精度，并有良好的安全性能， 以保证数据采集卡、计算机的安全。 然而，信号的真实性往往受到诸多因素的影响，对于电路而言，电路中的惯性 元件和非线性元件就会使信号在不同的频域或不同幅值范围发生不同程度的失 真。另外，选用传感器不当，使传感器的介入对原来电路产生影响，从而使所测 信号不是原来系统的真实信号。 衡量优秀的测试用传感器有两个标准，首先必须保证所传感的信号能高保真 地反映被测信号，不能出现信号的扭曲和失真，其次还要使传感器的接入对原来 的信号影响最小。目前常规范围内的电量测量传感器公认瑞士l e m 莱姆集团生 产的霍尔电流和电压传感器是最好的测量电焊机电流电压的传感器。l e m 莱姆 集团是国际知名的跨国公司，是从事霍尔传感器设计和制造的名牌企业，其所生 产的霍尔电流和电压传感器统称为l e m 传感器或l e m 霍尔传感器。l e m 霍尔 传感器基于电磁霍尔效应原理制成，传感器电路与原来电路没有电的联系，使传 感器的接入对原来的电路的影响能降到最小，l e m 霍尔传感器具有较快的动态 响应和较高的精度，能真实反映各种瞬变信号。不但能测量交流信号而且能测量 直流信号，不但能测量电流信号而且能测量电压信号。本系统建立在虚拟仪器技 术基础上，采用计算机集中控制，由于所有测量电路最后都在计算机上汇合在一 起，因此，采用l e m 霍尔传感器不但能真实地实现信号的传感，而且在测量电 路和被测电路之间实现电的隔离，保证计算机和采集系统的安全。 l e m 霍尔传感器可分为两类口”，即直测式霍尔传感器和磁平衡式霍尔传感 器。 直测式霍尔传感器只有电流传感器一种，它的基本工作原理是利用霍尔传感 原理直接测量电流。也就是说，原边电流i p 产生的磁通量聚集在磁路中，并由 霍尔器件检测出霍尔电压信号，经过放大器放大，该电压信号精确地反映原边电 流。参见图2 2 ( a ) 。因此，直测式霍尔传感器是一种开环电压输出型传感器， 磁平衡式霍尔传感器又可分为磁平衡式霍尔电流传感器、磁平衡式霍尔电压 传感器两种。其结构如图2 2 ( b ) 、( c ) 所示：即原边电路产生的磁场通过一个 次级线圈的电流所产生的磁场进行补偿，使霍尔器件始终处于检测零磁通的条件 第二章焊接襁4 试与分析平台的研究 下工作。由于测量电流补偿了原边磁通，它能真实地反映原边电感电流的波形， 而且原边电路和测量电路是完全绝缘的。更具体地：磁平衡式霍尔电流传感器工 作原理是：原边电流i p 产生的磁通量与霍尔电压经放大产生的副边电流i s 通过 副边线圈所产生的磁通量相平衡。因此，副边电流i s 精确地反映出原边电流。 磁平衡式霍尔电压传感器工作原理是：原边电压v p 通过原边电阻r 1 转换为原 边电流i p ，i p 产生的磁通量与霍尔电压经放大产生的副边电流i s 通过副边线圈 所产生的磁通量相平衡。因此，副边电流i s 精确地反映出原边电压。磁平衡式 霍尔传感器是闭环控制传感器，其输出方式都是电流输出。 表2 - 1 电压传感器参数 传感器型号电压传感器l v - 1 0 0 电流传感器l t5 0 8 一s 6 电参数i p n 原边额定有效值电流1 0 m a5 0 0 a i p 原边电流测量范围o ，2 0 m a0 ，8 0 0 a i s n 副边额定有效值电流 5 0 m h1 0 0 m a 转换率1 0 0 0 0 ：2 0 0 01 ：5 0 0 0 精度 x g 总精度 i p n ，t a = 2 5 。c 0 7 0 4 动态 8l 线性度 0 1 26 3 。或，s 1 - 2 f m 【3 ”。对于本测试 5 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 图2 - - 4c 0 2 短路过渡焊电弧电压焊接电流波形图 f i g 2 - 4 w a v e f o r mo fc 0 2s h o r tc k c u rw e l d i n gc u r r e n t a n dv o l t a g e 系统所测试的各信号中，电孤电压信号最为复杂，尤其是对于c 0 2 熔滴短路过 渡的电弧电压信号，其典型的波形如图2 4 所示。由图可见，对于电弧电压信 号，在熔滴短路的2 3 段和电弧重燃的4 5 段，电压信号是陡降和陡升的，由文 献 3 9 1 中的分析知，其中含有丰富的高次谐波分量，对2 3 段的信号进行傅立叶 变换，可知当谐波分量达7 5 k h z 时，其幅值为o 4 2 4 ，当谐波分量达5 0 k _ h z 时， 其幅值为o 6 3 7 ，当谐波分量达3 0 k h z 时，其幅值为1 0 6 。随着谐波分量频率的 减小，其幅值逐渐增加。对于象电弧电压、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