（材料加工工程专业论文）弧焊电源智能检测与评价系统的研究.pdf

摘要 焊机的生产和科研需要自动化和智能化程度高的测试和分析工具，因此本 文对弧焊电源的计算机测试和评价技术进行了研究，自行研制了一套弧焊电源 测试与评价系统，该系统由硬件部分和软件部分组成。硬件部分由无感电阻箱， 霍尔传感器、控制台和微机组成；软件部分采用v i s u a lb a s i c6 0 和v i s u a lc + + 6 0 两种开发工具混合编程写成。 7 该系统可对弧焊电源的外特性、动特性及调节性能进行测试，可计算各种 动、静态参数。测试数据、参数、曲线和波形可存入数据文件或数据库中，并 能打印输出。系统软件还可对焊接过程电流、电压信号进行统计分析、频谱分 析和相关分析，以提取焊接过程的特征。 在上述硬件和软件平台的基础上，本文对常用的两种弧焊电源( 手工电弧 焊电源和熔化极气保护焊电源) 的进行了性能评价的研究，运用统计和相关等 信号处理的方法，从外特性曲线、动特性曲线以及焊接过程的电流、电压波形 中提取反映焊接工艺性能的特征参数，建立了评价标准，并运用神经网络的方 法对电源的外特性和动特性作出评价，最后综合前两项评价结果给出了每种电 源的综合性能评价。 实际焊机测试和评价试验表明，该系统的硬件易于操作，软件界面友好， 运行稳定，测试和数据处理功能完善，能对弧焊电源作出较准确的性能评价。 关键词：弧焊电源测试性能评价信号处理人工神经网络 a b s t r a c t t h ep r o d u c t i o na n dr e s e a r c ho f w e l d i n gm a c h i n en e e dh i g h l e v e la u t o m a t i ca n d i n t e l l e c t i v e t e s t i n g a n a l y s i si n s t m c t m e n t ，s ot h i st h e s i sr e s e a r c ht h ec o m p u t e r a i d e d t e s t i n ga n d e v a l u a t i o nt e c h n o l o g yo f w e l d i n g p o w e rs o u r c e ，a n das e l f - d e s i g n e dt e s t i n g a n de v a l u a t i o ns y s t e mf o ra r cw e l d i n gp o w e rs o u r c ei sd e v e l o p e d ，w h i c hi sc o m p o s e d o fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h eh a r d w a r ei n c l u d e sn o i n d u c t a n c e r e s i s t a n c e s ，h a l l s e n s o r , c o n t r 0 1p l a t f o r ma n dp c t h es o f t w a r eh a sb e e nd e v e l o p e db a s e dv i s u a lb a s i c 6 0a n dv i s u a lc + 十6 0s o f t w a r eu n d e rw i n d o w s o p e r a t i n gs y s t e me n v i r o m e n t t h i ss y s t e mc a nn o to n l yt e s t o u t p u tc h a r a c t e r i s t i c ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca n d a d j u s tc a p a b i l i t yo f a r cw e l d i n gp o w e r s o u r c e ，b u ta l s oc a l c u l a t es t a t i ca n dd y n a m i c e l e c t r i c a l p a r a m e t e r o fa r c w e l d i n gp o w e r s o u r c e t h e t e s t i n g r e s u l ts u c ha s d a t a ，c u r v e sa n dw a v e f o r m s ，c a nb ep r i n to rs a v e di n t od a t af i l e so rd a t a b a s e s t h e s o f t w a r ec a na l s oa n a l y z ec u r r e n ta n dv o l t a g es i g n a l so f w e l d i n gp r o c e s sb ys t a t i s t i c a n a l y s i s o r s p e c t r u ma n a l y s i sm e t h o d t oa c q u i r et h ec h a r a c t e r i s t i co f w e l d i n g p r o c e s s t h i st h e s i sr e s e a r c h e sw e l d i n g p r o c e s sp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no f t w o k i n d so fa r c w e l d i n gp o w e rs o u r c e ( m a n u a lw e l d i n gp o w e r s o u r c ea n d g a sm e t a la r cw e l d i n gp o w e r s o u r c e ) t h et h e s i su s e ss i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o ds u c ha ss t a t i s t i c s 、c o r r e l a t i o n a n d s oo n ，t oe x t r a c tc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sr e l a t i n gw i t hw e l d i n gp r o c e s sp e r f o r m a n c e f r o me x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i c c u r v e s ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c c u r v e sa n dc u r r e n to r v o l t a g ew a v e f o r md a t ao fw e l d i n gp r o c e s s t h et h e s i se s t a b l i s h e se v a l u a t i o ns t a n d a r d o fw e l d i n gp o w e rs o u r c e ，t h e na p p l i e sa r t i f i c i a l n e u r a ln e t w o r km e t h o dt o g e t p e r f o r m a n c e e v a l u a t i o no fe x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co f w e l d i n gp o w e rs o u r c e ，f i n a l l ya ni n t e g r a t e dp e r f o r m a n c e e v a l u a t i o no f w e l d i n gp o w e r s o u r c ei s a c q u i r e db y e x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i ce v a l u a t i o n r e s u l ta n d d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i ce v a l u a t i o nr e s u l t p r a c t i c a lw e l d i n gm a c h i n et e s t i n ga n de v a l u a t i o ne x p e r i m e n t sh a v ei n d i c a t e dt h a t t h eh a r d w a r eo ft h es y s t e mi se a s yt oo p e r a t e ，a n dt h es y s t e ms o f t w a r ew h i c h h a v ea f r i e n di n t e r f a c ea n df u l l f u n c t i o no ft e s t i n gr u n ss t e a d i l y a sw e l l w i t ht h e a i do f s y s t e m ，c o m p a r a t i v e l ye x a c tp e r f o r m a n c e e v a l u a t i o no fa r cw e l d i n gp o w e rs o u r c ec a n b eo b t a i n e d k e yw o r d s ：a r cw e l d i n gp o w e rs o u r c e t e s t i n g p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n s i g n a lp r o c e s s i n g a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k 死律夫学颀| + 论支 绪论 第一章绪论 1 - 1 本课题的意义 焊接作为金属连接的一种工艺方法，具有其它连接方法不可比拟的优点， 尤其近一个世纪以来，随着各种高新技术的出现，特别是计算机和电子技术的 出现和发展，更给焊接技术注入了新的生机和活力，使其作用得到了淋漓尽致 地发挥，从而在石油，化工，电力，机械，造船，航空乃至宇航及核工业等领 域都得到了广泛应用。随着以电子、信息、自动化、人工智能、新材料为核 心的新一代工程技术的迅猛发展，先进制造技术也获得了飞速地发展。进入2 1 世纪，焊接技术作为先进制造技术的一个重要组成部分，仍将在制造业中起着 极为重要的作用，焊接智能化将是本世纪焊接技术的发展方向口1 。 随着电力电子技术的发展，弧焊电源已由机械或电磁控制向电子控制方向 发展。目前对于电源的研究已经达到较高的水平，特别是从7 0 年代末开始出现 的弧焊逆变器使电源的重量、能耗、体积均大大降低，使电源的控制更为灵活， 并且f 向智能化”i 方向发展。各种新型弧焊电源不断出现，如矩形波交流弧焊 电源，零开关谐振( 软开关) 电源，模糊控制的弧焊电源等。现在弧焊电源各 种外特性形状的获得和电源动特性的控制问题已经取得很大进步，如清华大学 的三维外特性电源的输出外特性随时问自动变化，以适应引弧，电弧稳定燃 烧，焊缝成形的不同需要，又如美国林肯电气研制的表面张力过渡( s t t ) c o ， 逆变电源的c o ，焊接飞溅被控制在1 左右。但目前弧焊电源的测试与评价技 术的发展滞后于弧焊电源控制技术的发展，电源测试设备功能较为单一，自动 化程度不高，电源的性能评价仍停留在个人经验和感受阶段，科学性和客观性 不强。 弧焊电源的研究、开发和使用离不丌电源测试和评定设备，焊接电源的测 试和评价工作无论对于焊接生产过程还是教学科研工作都是非常重要的，具体 表现为以下几个方面“j 。 1 、焊接科研过程需要高效精密多功能的专用测试仪器。在焊接教学和科研、 以至生产中，经常要做大量实验，尤其教学方面还要做一些焊接过程的模拟实 验，然而现有的焊接电源实验设备过于陈旧落后，远远不能满足使用上的要求。 实验过程经常使用的模拟仪表1 7 t ”，如电流表、电压表、x _ y 记录仪、示波器等， 功能单一，精度低，接线复杂，至使一个实验需多人j + 能完成，要分别负责操 作，读数记录，实验后再对数据进行整理，描绘曲线。有些数据需经进一步计 算或换算才能求出，这些工作需要人工完成，工作量大，效率低，实验数据也 不准确。这样就会导致诸多环节的重复造成人力资源的巨大浪费。而诸如数据 一1 一 天潭天学颧| 谴立 绪论 处理方面则对实验人员的相应技能要求甚高，从而影响到实验结果。从分工角 度和实验最终目的来看殊无必要。 2 、焊接电源生产厂家需要功能完善、易于操作使用的产品性能测试和分析 设备。焊接电源的性能的优劣直接影响焊接产品的质量，因此其性能测试是厂 家的一项重要工作，也是用户应较为关心的一个问题。测试的目的在于检查产 品是否符合设计要求和国家标准，随着w t o 的3 n , k 对出口产品检验就更为严 格。随着生产的发展，焊机产量逐年增加，一个大型电焊机厂年产量可达数千 台，产品性能测试工作量很大，迫切要求新型的质量监控设备。电源测试设备 应能对电源进行自动分析和评价，将评判结果反馈回设计和生产部门，以帮助 改进产品设计和生产工艺。 3 、焊接结构生产企业需要能够及时、准确、易于操作的焊机检测和性能评 价设备。弧焊电源性能的好坏及其工作的稳定性直接影响电弧的稳定性和焊接 过程的稳定性1 ，进而影响到焊接接头的质量。故焊接生产前对焊机进行检测， 以确保焊接过程能够顺利进行，从而减少焊接接头缺陷，减少因焊接缺陷而导 致的焊后返工的工作量。大批量焊接生产中，对焊机进行焊前检验尤为重要， 以防止因焊缝大量的返修而造成经济损失。 从以上分析可以看出，焊接电源测试在生产和科研中起着举足轻重的作用， 因此研究一种弧焊电源测试和评价系统具有重要的意义。 l 一2 国内外研究现状 一、弧焊电源测试技术的发展 焊接电源测试装置的发展历史并不长，目前已经历了三个阶段。第一个发 展阶段的测试装置大多是各种模拟式仪表，如电流表、电压表、示波器等”r 1 。 这些装置测量焊机或焊接过程，需要操作人员手工操作，目测读数，手工记录 各个测量参数。在检测现场，噪音大，工作环境恶劣，操作人员难以集中精力， 并迫使操作人员之间采用手工通讯，从而检测速度慢，精度低，劳动强度大， 工作效率低。 随着生产的发展，一些部门开始研制各种专用焊接测试装置，焊接测试装 置的发展进入了第二阶段。这个阶段产品有：短路频率计1 7 i ，美国a l l i s c h a l m e r s 核装备部研制焊接监控器，英国焊接研究所研制的便携式送丝速度测 试仪：另外还有一些专用的指针式电源测试台。这些测试设备给焊接测试带来 了一些方便，但由于它们的内部电路仍是由分立元器件组成，功能完全依赖于 电路设计，非常单一，大多是专用仪器，更谈不上使用微机控制和数掘处理， 所以远远不能满足使用上的要求。 2 ：舶( 笋劬，艟， 绪| 计算机的出现，特别是八十年代以来，微机技术的迅速发展，给焊接测试 设备的研究注入了新的活力。与微机技术相结合为其显著特征，电源测试装置 的发展进入了第三个阶段，国内外出现了许多由微机控制的电源及焊接参数检 测和分析装n t ，下面对此做一个简单介绍。 德国的汉诺威大学较早把微机技术引入焊接测试领域，它的a h 系列汉诺 威弧焊分析仪 1 0 - - 1 2 1 经过十几年的发展，具有界面友好，采样速率和精度高，数 据处理科学的特点。汉诺威弧焊分析仪的测试、显示和打印功能已经比较完善： 此外，它以焊接电弧为分析对象，可运用统计分析方法和模糊数学的方法分析 焊机焊接过程的稳定性。图1 1 为汉诺威弧焊分析仪2 1 示意图。日本松下公司 生产了一种y z - - a a 0 2 型弧焊电源微机自动检测设备i ”l ，此设备是专门用来对 弧焊电源进行出厂检查。其特点是以微机为中心，连接弧焊电源检测台、测试 仪表、负载和弧焊电源，将被测弧焊电源的静态和动态参数分别在显示器和测 量仪表上显示出来，并存储在磁盘中，最后打印检测结果。整个检测过程按照 已编制好的程序，按步骤检查各个项目，数字直观显示，不需要人的记忆和经 验，使检测工作严格化。松下公司的此套设备已经被天津电焊机厂引进用于焊 机出一检验。此外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、英国焊接 研究所i “1 等也研制过弧焊分析仪。 图1 1汉诺威弧焊分析仪( a h x l l ) 示意图 国内自从8 0 年代中期以来也出现了许多弧焊电源测试装置。8 0 年代，哈尔 滨工业大学、大连铁道学院、吉林工业大学、清华大学、天津大学1 6 i 先后研制 了电源测试或焊接参数检测系统，不过由于技术条件所限，各单位所研制的测 试系统多停留在实验研究阶段。 9 0 年代以来，随着微型计算机性能进一步提高以及价格的大幅度下降，基 于微机的电源测试系统也更加走向实用化，现对近几年出现的弧焊电源测试系 统做一个概述。1 9 9 3 年，甘肃工业大学焊接工程系研制了套计算机控制的弧 焊电源动特性测试仪i ，它可采用p p 一4 0 绘图打印机打印出焊机动特性参数及 电流、电压波形，功能比较单一。1 9 9 4 年，哈尔滨工业大学研制了一套弧焊电 源温t t 测试微机系统6 l ，用于电源温升检测。1 9 9 5 年，哈尔滨工业大学与成都 焊接研究所和苏州电焊机厂合作研制了一套电焊机出厂检测系统【l ”，此系统的 3 天肇学助，赶上 绪论 数据采集和控制软件基于d o s 操作系统，人机交互界面不够友好。2 0 0 0 年， 华中理工大学研制了基于w i n d o w s 界面下的弧焊电源动态特性微机测试和分析 系统1 1 ，这一系统核心是一台p e n t i u m 电脑，可对电源动特性进行测试，可对 测试数据进行统计分析和频谱分析，图1 2 为这一系统的数据采集原理图。2 0 0 0 年，重庆大学也研制了一套w i n d o w s 9 5 9 8 操作系统下的焊机出厂检测系统”， 这。系统主控微机c p u 为赛扬一3 0 0 a ，采集卡a d 转换频率可达8 0 0 k h z ，功 能比较完善，可测量焊机动特性、外特性各种参数，并能对焊接过程电信号进 行统计分析，测试数据存入数据库和打印输出。此外南京工程学院，哈尔滨锅 炉，一等单位 2 02 1 i 也研制了各自的弧焊电源测试装置，不过它们的功能相对简单。 图1 - 2 微机控制弧焊电源动态性能测试系统原理图【l 8 i 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，有力地推动了 弧焊电源测试自动化地发展。目前弧焊电源测试技术已经基本成熟，能够实时、 快速地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，电源的评定仍须人工进行。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自动作出判断， 需要进步研究。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。 二、电源评价技术概述 弧焊电源的电气特性包括电源的外特性、动特性和调节特性，它们与电源 的焊接使用性能密切相关。不同焊接工艺和方法对弧焊电源外特性形状要求不 同，弧焊电源的外特性形状影响到电源工作的稳定性、焊接规范的稳定性以及 引弧性能等，文献【2 2 研究了典型手工焊外特性曲线形状( 恒流带外拖) 变化 对焊接飞溅的影响，证实不同的外拖量对焊接飞溅大小有影响。 熔化极( 埘条、焊丝) i 乜弧焊叫，焊接电弧对弧焊电源来说，是个z 力态 负载，这就埘弧焊电源的动特性提出相应的要求，特别是对于m a g 、c o ，等具 一d 兀渖足学硕| 。论盘 绪论 有熔滴短路过渡的焊接方法，弧焊电源的动态特性就显得较为重要，它影响到 焊接质量、效率以至成本。图1 - 3 为短路过渡焊接过程电流、电压波形图。 弧焊电源动特性评定方法有两种，一种 方法是标准的方法，即通过电阻模拟焊接负 载变化，测定电源在空载一短路，短路一空 载等过程的电流或电压的响应，求出某些特 定的时域指标来评定电源的动特性，文献 2 3 即采用此种方法对手工焊电源作出评价；另 一种方法是直接分析焊接过程电流、电压信 号，从中提取反映焊接过程和电源状况的特 征信息。后一种方法认为焊接电信号中含有 图】3 短路过渡过程电流、 电压波形图 反映电弧物理现象的丰富信息皿。州，如熔滴的短路，电弧燃烧，焊接过程稳定 性及飞溅的大小等，通过定的信号处理方法分析焊接过程电信号，从中提取 出特征信息，以便对焊接过程或电源动特性做出评价。文献 2 8 从c q 焊接电 信号中提取反映电源动特性的特征信息对c 0 ，弧焊电源动特性作出评价。由于 焊接电弧是一个复杂的物理过程，且电弧燃烧情况、焊接过程稳定性和飞溅大 小不仅与电源特性有关，而且与焊接工作电流与各种焊条或送丝机构的配合， 焊工技艺，焊接材料等多种因素有关，单纯采用电阻模拟焊接负载或焊接过程 信号评价电源动特性都不够全面，所以本文拟从电阻模拟焊接负载和焊接过程 两方面评价电源动特性。 由于弧焊电源动态性能的影响因素较多，且各因素之间具有复杂的非线性 关系，弧焊电源状态模型建立困难，故采用人工神经网络方法较为合适。此外， 为保证电源评价的科学、客观，故本文从电源的动特性和外特性形状两个方面 对电源性能进行评定。 三、人工神经网络在焊接领域中的应用 由于人工神经网络在解决高度非线性和严重不确定性系统方面的巨大潜 力，使其在焊接领域的应用倍受青睐。目前，人 二神经网络在焊接工艺参数设 计、焊接接头性能估测、点焊质量控制、弧焊电源和焊接过程自动控制、h a z 性能预测以及焊接结构损伤识别等方面都已获得较理想的效果。 在焊接自动控制领域，文献 2 9 将人工神经网络用于t i g 焊参数的生成， 通过神经网络自动调整焊接电流、电压和送丝速度。文献 3 0 丌发了一种神经 网络一模糊控制系统，该系统用于机器人焊接的自动跟踪。在点焊领域，文献 3 i 通过神经网络选择焊接规范参数并对焊后点焊接头的质量进行预测。文献 3 2 使用3 层b p 神经网络建立焊接热影响区韧性因子人工神经网络模型，神经网络 5 一 五坤 学瑚f 论立 绪论 具有1 3 个输入层单元，分别表示c 、s i 、s 、p 等1 1 种化学成分的含量，焊接 冷却时间和硬度值，网络输出层有个单元，为冲击韧性值。 从以上国内外文献可见，神经网络已经广泛地用于焊接研究的各个方面， 但从国内外有关的文献资料来看，到目前为止尚未发现将神经网络识别技术用 于弧焊电源性能评价领域的报导。因此，本文的研究工作具有一定的独创性。 神经网络适于对复杂问题的判断和求解，神经网络是根据学习样本对网络进行 训练建立数学模型，其特点正适于应用于弧焊电源评价这样的场合。 l _ 3 本课题的研究目的及内容 本课题的研究目的是根据弧焊电源测试和焊接过程分析的需要，开发出一 套能够自动判断弧焊电源性能好坏的电源测试及分析系统软件，该系统应具有 智能化和自动化程度较高、操作方便、用户界面友好、测试功能齐全及评价准 确等特点。 本课题研究内容如下 1 、建立数据采集硬件系统。 2 、丌发界面友好、使用方便的数据采集和控制软件，以完成弧焊电源动、 静态电信号的采集，数据存储和波形显示。 3 、丌发数据分析处理软件，可对采集的弧焊电源电压、电流信号进行滤波 处理、统计分析、频谱分析和相关分析。 4 、设计电源电气参数计算、打印及测试系统操作帮助程序。 5 、设计弧焊电源外特性、动特性和调节特性评价程序。从电源外特性曲线 上或动特性波形中提取反映电源焊接工艺性能的特征参数，建立神经网络评价 模型，进行电源评价。 6 、进行实际电源的评价应用实验，通过实验验证人工神经网络模型，最终 对电源性能好坏作出评价。 6 一 灭冲人学坝 论直 第一章弧焊电源测试系统设计 第二章弧焊电源测试系统的硬件平台 本章阐述了测试系统总体结构设计方案，内容有硬件平台总体设计，前向 通道设计，后向通道设计及本章小结 2 1 硬件平台的总体设计 一、测试量的选择 电源测试包括外特性测试、调节特性测试、动特性测试、电焊机的温升测 试及绝缘性能等几个方面。电焊机的运行时温升和及绕组绝缘性能影响焊机使 用寿命和运行可靠性1 8 】，与弧焊电源焊接时焊接稳定性和焊接飞溅大小关系较 小，而电源输出的电流、电压与焊接性能密切相关，是电弧焊中两个重要的参 数，直接影响到焊缝成型好坏，焊接飞溅的大小，同时它们又包含了许多其它 反映焊接过程的信息，通过进一步的数据处理和分析，不仅有助于对焊接电源 作出评价，更有助于对焊接的过程稳定性作更深入的理解，因而是衡量焊接电 源使用性能的重要指标。故本电源测试系统选择焊机输出电流、电压值作为系 统直接测试参数。 二、系统硬件组成 测试系统总体结构原理如图2 一】所示，主要由表2 一l 中的各部分组成。整 个弧焊电源测试评价系统包括硬件部分和软件部分。其中硬件部分包括可变电 阻箱、传感器电路、继电器控制电路和微机四个部分，其中大功率电源综合特 性测试台用于电源手动测试，电阻切换和读数均通过人工进行。软件部分具有 数据采集，测试台开关控制，数据分析与处理、电源评价、数据库 输入输出、打印等功能，软件部分的具体情况将在下一章介绍。 图2 1测试系统结构原理图 7 凡冲人学坝l 论文 第一章弧焊电源测试系统设计 表2 1 测试台组成表 编号名称功能与用途型号或说明 可变电阻负载箱电源输出端负载1 3 个并联阻值不同的无感电阻 传感器检测电压、电流霍尔电流、电压传感器 滤波电路对传感器信号及滤贝塞尔( b e s s e l ) 多反馈低通 波滤波 a d 数据采集卡数据采集宏拓p c 7 4 8 3 l e d 数字显示显示电流、电压值p m - 1 0 0 0 - 1 4 直流信号 p m 一1 0 0 0 - 3 5 交流信号 输入输出接口输出开关信号光电隔离 ( i o ) p c 机控制、数据采集、赛扬3 0 0 a 信号处理 打印机数据图形打印c a n o nb j c 、2 5 5 s p 彩喷 本测试系统采用霍尔电流( h ) 、电压( h u ) 传感器检测弧焊电源在不同 负载( 电弧或电阻) 下输出的电流( i ) 、电压( u ) 信号，信号经滤波放大、a d 转换后送入微机内，然后通过专用的电源测评软件处理数据，测试结果，如外 动特性曲线、数据、参数可打印输出。系统硬件的一个重要部分是具有1 3 个电 阻并联的负载电阻箱，每一个电阻均由一个接触器控制，电阻箱结构如图2 2 所示电阻阻值从最大6 q 到最小o 0 3q 。弧焊电源测试时负载改变有两种方式， 一种为手动操作，另一种为自动操作。 手动操作时，通过档位旋钮手动控制电阻丌关与闭合，自动操作时，通过 微机输出1 3 路丌关信号，经过光隔接口卡和放大电路隔离放大后控制可变电阻 ) 1 关 启和闭合，每一路丌关信号控制一个电阻，这样就实现了电源测试自动 化。 图2 2 负载电阻箱结构示意图 三、测试系统的功能与技术指标 本测试系统可实时测量焊接电流，电弧电压，能够用于交直流弧焊电源外 8 一 凡汁人学倾l 。论文 第一辛弧焊i b 源测试系统改汁 特性测试、调节性能测试以及动特性测试，电流、电压测试值直接通过l e d 数 字显示表显示出来。 电源测试系统的技术指标如下： 1 、弧焊电源输出电流、电压测量范围及表示方法见表2 _ 2 。 表2 2 参数的测量范围和表示方法 参数类型测量范围表不方法 i 直流 0 2 0 0 a 2 0 0 l0 0 0 a 平均值 交流 o 一2 0 0 a 2 0 0 一10 0 0 a 有效值 u 直流 o 一1 0 0 v 平均值 交流 0 一1 0 0 v 有效值 2 、测试系统共提供了四个输入通道，用于微机采集数据，1 3 个输出通道 用于微机控制电阻箱。 2 - 2 前向通道的设计 一、传感器的选择 对于焊接测试系统而言，传感器类型的选择非常重要，由于焊接过程的特 殊性，焊接电弧对微机干扰很大以及焊接过程采样速度和精度要求较高，故本 系统电流、电压传感器均采用霍尔传感器。图2 - 3 为霍尔元件工作原理图，霍 尔元件m 1 是基于霍尔效应原理由半导体材料制成，特点是量程大，灵敏度高， d h 应快( 反应时间仅为1ps ) ，与电缆无直接的电气联系，减少了主回路对测 量线路和微机的干扰。 图2 3 霍尔器件工作原理 j 、电流传感器 木设计中焊接电流传感器采用k t l 0 0 0 a 型磁平衡式霍尔电流传感器，输出 信号耿电压输出形式，接线图如2 - 4 所示“1 ，各项参数如表2 - 3 所示： 天津人学硕i 论立 第二章弧焊电源测试系统设计 表2 3 电流传感器参数表 额定电流测量范围 线性度输出电源电压 精度 1 0 0 0 ao 1 5 0 0 a 0 1 0 0 2 0 0 m a1 5 v 0 5 这种传感器输出信号为电流形式，如果取电压的输出形式，就需要在传感 器的m 端与供电电源零点之间串接一只电阻，根据所取电压大小可以相应选取 耋值，电阻极限值通过下式来确厂i 皇堕堡垡卜定： ：! 广叶 。：生罂 5 其中，吃：功率管的饱和压降 e t ：输出信号电流 月：传感器内阻 传感器的三个端子的用途分别 是，+ 端：正电压输入；一端：负电压 输入；m 端：输出信号。接 线方式如图2 3 所示。 2 、电压传感器 图2 4 电流传感器接线图 电压传感器采用k v 5 0 a p 型，接线图如图2 - 5 所示，各项参数如表2 4 所示。 表2 4 电压传感器参数表 额定电流线性度输出内阻 电源电压 5 0m a o 1 1 0 0 m a2 4 q1 5 v k v 5 0 a p 传感器的端子有5 只，其a 中两个端予为电压输入端，另外三个端子 分别为正电源电压输入端“+ ”，负电源 电压输入端“”，信号输出端“m ”，。 根据需要应在传感器的输入端之前串接以 只电阻r ，其阻值大小由下式确定： r ，= 被测电压值额定电流值= u i 。 串接电阻的功率为：w = u i 。，电压 传感器的输出端的应用与电流传感器相 同，接线图见图2 5 。 图2 5 电压传感器接线图 霍尔元件作为传感器可以完成直流、交流、脉冲及各种不规则波形电流或 电压的测量，测量的频率范围可以高达1 0 0 k h ：。测量过程通过磁电转换完成， 1 0 一 灭漳人学坝i j 论义 第一章弧焊电源测试系统砹计 测量回路与主电路高度绝缘，即使原边电路发生短路也不会损坏模块本身。此 外从测量任务来看霍尔传感器高的灵敏度，快速的响应特性( 反应时间仅为l us ) 等性能更是测试工作所必需而其它传感器所不具备的。 3 、传感器在测试系统中连接 传感器在测试系统中的连接见图2 6 ，通过换档开关切换r 、r ，电阻， 改变电流量程( 0 - 2 0 0 1 1 0 0 0 a ) 。 图2 6 传感器在系统中的连接图p 6 1 4 、传感器参数设定 根据传感器的技术性能指标以及前面介绍的计算公式可以求得传感器在系 统中的电路连接参数，也就是图2 6 中的各电阻的具体阻值，设计结果列入表 2 5 。 表2 5 传感器电路参数表( 单位：q ) 1 3 5 l 1 5 0 l 2 0 0 0 i 5 0 l 二、滤波电路 在焊接过程中各种于扰 信号有很多，因此，a d 转 。v 换前必须滤掉干扰信号，焊 接过程的干扰信号一般以高 图2 7 多反馈低通滤波器 天7 牢人学城| 论义 第一章弧焊屯源测试系统设计 频形式出现，故采用低通滤波的形式，具体的滤波电路采用b e s s e l 多反馈低通 滤波形式，中心截止频率定为3 5 0 0h z ，具体电路图如图2 - - 7 所示，该滤波 g ，( 班一瓦忘r 曩i r 2 c i c 2 磊磊 协” 、r l c lr 2 c l r 3 c l r 2 r 3 c l c 2 电路的闭环增益g 。( s ) 如式( 2 - 1 ) 所示。 截止频率( i ) 。= 根据实际情况选定电流、电压 干扰信号的中心频率为= 3 5 0 0 h ，。 同时考虑到所用a d 转换器的输入 要求( 5 v ) 及霍尔传感器的输出 范围取电流电压的增益h 。= 0 5 ，根 据上式和图2 7 各元件参数如表2 - 6 所示。图2 8 为此低通滤波器用 m a t l a b 仿真得到的幅频特性。 ( 2 2 ) 图2 - 8 滤波器幅频特性曲线 表2 - 6 滤波器元件参数 频率期望 r ， r 2r 3 r c l ( p f )c 2 ( p f )实际值l 值f o ( k h z ) ( k q )( k q )( k q )( k q ) f o ( k h z ) l 3 52 79l1 3 81 8 21 0 0 0 05 0 0 03 2 l 三、数据采集卡 数据采集卡负责将霍尔传感器检测到的电流、电压信号模拟信号转换数字 信号，使用数据采集卡简化系统与微机接口的电路设计和提高了系统的可靠性。 1 、数据采集卡的选择 焊接过程是一非常复杂的过程，焊接信号具有随机信号的特点，特别是短 路过渡时电流、电压波形变化较为剧烈，为了准确捉到焊接时电信号波形，要 求多路信号同时测量的情况下采样频率能达到1 0 k f ”i 左右。因为本测试系统测 量精度要求达到至少5 级仪表的水平，此时系统误差要求小于o 5 ，对a d 转 换分辨率要求较高，所以本系统选择1 2 位的数据采集卡。 在弧焊电源测量时由于，电源输出的电流值很大，常常达到数百安培，且 电流电压变化较为迅速，这些对测量设备特别对于数据采集提出了较高的要求， 2 灭滓人学坝1 论史 第二章弧焊电源测试系统设计 所以希望采集卡抗干扰性好，最好有隔离设备，隔离装置往往会带来采样速度 的降低。 此外，数据采集卡必须与计算机接口方便，为了防止采集卡和计算机其它 设备端口地址冲突冲突，采集卡的端口地址应该可调。 最后，选择数据采集卡应考虑经济因素，应选择性能价格比高的采集卡， 避免使用远超出系统性能的较为昂贵的采集卡，避免采集卡性能浪费。 2 、p c 一7 4 8 3 卡性能简介 根据阱上考虑，及今后系统扩展的要求，本系统采用北京宏拓公司的p c 一 7 4 8 3a d 转换卡，下面是该卡功能和性能的简单介绍。 p c 一7 4 8 3 卡是为工业p c 机设计的一种多功能接口板，适于各种工业现场 的数据测量和控制。板上有1 2 位的1 6 路a d 输入信号，4 路8 位独立d a 输 出信号，2 4 路开关量输入输出信号、3 路计数器定时器，采用i s a 总线标准， 可直接插入p c 机i s a 扩展槽中，以中断或查询方式工作，占用连续1 6 个i o 地址，基地址可调。板上a d 转换芯片采用高性能的a d l 6 7 4 芯片，a d 转换 时间小于l ops ，并带有d c 电源隔离块，从而进一步提高了可靠性。技术指标 见表2 4 。 表2 7p c 一7 4 8 3a d 、d a 转换技术指标表 巡 通道数转换时间量程误差放大增益 a i d 转换 1 6 1 0us 1 0 0 k h z 0 1 0 k 5 v o 1 0 l 、2 、4 、8 d a 转换4 lus 0 + 1 0 v 0 2 f s r 从上表可见，a d 转换时阳j 、误差均可满足弧焊电源的测量要求，故该 满 足木测试系统的要求。 2 3 后向通道的设计 木测试系统后向通道要实现对可控电阻箱的开关控制。由于测试台电阻切 换时，电阻上电流长高达几十甚至上百安培，电阻开关瞬态对计算机干扰十分 强烈，通过计算机直接输出开关量不能有效控制电阻继电器的开启和闭合，故 本系统采用光电隔离技术，使计算机与现场信号之间全部隔离，提高了计算机 抗f 扰能力。 木系统采用北京中泰计算机公司的p c 一6 4 0 8 光隔离丌关量输入输出接口 e 输出1 3 路丌关信号，丌关量输入、输出1 6 路，采用两组分别共地方式。计 算机通过p c 一6 4 0 8 接口卡输出十三路丌关信号，以分别控制1 3 个电阻开关。 图2 - 9 为后向通道电阻开关驱动原理，虚框内为p c 一6 4 0 8 开关量工作原理图。 当p c 一6 4 0 8 工作时，计算机送“1 ”高电平时，虚框内光电耦合器呈截止状态， 一1 3 一 天津人学帧1 论文 第一章弧焊电源测试系统设计 赫。 图2 一1 0 电源测试系统外观图 1 4 一 灭津人学舰卜论立 第二三章测试系统软件 第三章系统测试软件 3 1 系统软件概述 一、软件开发工具的选择 与d o s 操作系统相比，w i n d o w s 操作系统支持面向对象( o o p ) 的程序设 计，提供图形( g d i ) 用户界面，实现了内存自动管理，实现了多线程和多进 程处理，采用动态链接库( d l l ) 技术扩展应用程序、动态数据交换( d d e ) 、 对象的链接与嵌入( o l e ) 等新技术。目前，w i n d o w s 操作系统已经成为p c 机的主流操作系统。为了跟上时代的发展，故本系统软件在w i n d o w s 下编程， 以为用户提供一个友好的交互界面。 目前流行的w i n d o w s 程序的开发环境有v b ，v c ，d e p h i 和c + + b u i l d e r 等。 其中v b ，v c 均为m i c r o s o f t 公司的产品，因此在与w i n d o w s 操作系统的结合 方匾优于其它丌发环境，此外关于v b ，v c 的参考文献和书籍比较多。v c 功 能强大，可直接访问c p u 的各个寄存器和内存相关单元，尤其注重于编程细节 的运用和代码的优化，但短时间内难以熟练掌握和运用；而v b 则摆脱了所有 底层信息的处理，它自动处理消息，其它的作为事件过程由编程人员自行处理， 因而，开发者可以快速的编制出强大的应用程序口5 i 。但由于v b 不具备对i o 端口访问的低级功能，而w i n d o w s 也没有提供访问1 1 0 地址的函数，使得v b 无法直接访问外部设备，仅能调用其它应用程序开发的d l l 函数实现这一功 能。通过以上分析，故本系统软件j 采用v c ( v i s u a lc + + ) 编写端口访问d l l 函数实现数据采集和开关信号的输出，而主程序采用v b 编写。这样就提高了 程序丌发的效率。 图3 - 1系统软件主界面 一l5 灭冲人学颂卜沧史 第二章测试系统软件 二、软件的结构与功能特点 本系统软件采用具有主菜单的m d i ( m u l t i p l ed o c u m e n ti n t e r f a c e ) 窗体技术来 设计系统的界面，图3 1 为软件主界面。软件系统具有人机交互界面良好，操 作方便的特点，可绘制各种测试曲线，具有较为强大的图象处理和图形显示功 能和打印输出功能，达到了满意的效果。本软件的集成化程度高，弧焊机和电 弧参数测试分析系统的功能是在一个主窗口下的多个子窗口实现，各个子窗口 中有中文莱单和命令按钮，完成电源的各项测试和数据处理任务。本软件还设 计了电源测试数据库，数据库采用a c e s s 编程，可保存各种电源测试数据及测 试参数。 图3 2 系统软件功能结构图 图3 2 是软件功能结构图该系统软件具有如下的功能： 1 ) 、弧焊电源的外特性、调节特性和动特性数据采集、存储、波形显示。 2 ) 、电源动、静态参数计算，如工作电流、工作电压、外特性斜率、拐点 值、电流( 电压) 调节范围、短路电流上升率，短路电流峰值、短路频 数、空载电压恢复率、功率因数等 3 ) 可对电弧电压u 、焊接电流i 进行统计分析，可获得：电压概率密度分 巾图，电流概率密度分和图，短路时问分布图，电流标准差，电压标准 差等参数。 4 ) 可对电流、电压进行频谱分析，可求得功率谱分柿、幅度谱分布等 1 6 人7 于凡学坝l 论土 第三章测试系统软件 5 ) 具有完善的打印功能，可打印输出动特性、外特性、调节特性测试的数 据、图形、参数及评价结果。 6 ) 可对电源外特性、动特性的焊接工艺性能进行评价，评价方法主要采用 人工神经网络。 3 2 电源测试程序设计 一、数据采集程序设计 a i d 转换有三种方式：查询方式、中断方式和定时器方式。在w i n d o w s 操 作系统下使用中断方式和定时器方式较为困难。另外所使用的p c 机的主频 3 0 0 m h z 远高于采集卡的最高采样频率1 0 0 k h z ，故本测试系统软件采用查询方 式进行数据采样。由于v b 不支持对硬件端口操作，且采集卡没带有w i n d o w s 环境下的驱动程序，故使用v c + + 编写了d l l 硬件驱动程序。通过在v b 中调 用d l l 库中的采样程序完成数据的采集。 动态链接库d l l ( d y n a m i c l i n kl i b r a r y ) 是可执行的模块，但它没有自己 的堆栈，必须由其它应用程序调用才能执行，d l l 函数是在应用程序运行过程 中动态装入的，这样大大减少了代码冗余，并提高了内存的利用率。本文编写 的a i d 转换d l l 函数如下： 1 ) 电源外特性测试数据采集函数d r a p ( ) 函数声明：d o