（材料加工工程专业论文）微机弧焊检测系统及其对弧焊电源评估的应用研究.pdf

i庆人学硕士学位论文 摘, l , abs t ract i n t h i s p a p e r , a n i n s p e c t i n g s y s t e m f o r a r c w e l d i n g m a c h i n e s i s i n t r o d u c e d , t h e s y s t e m c o m p o s e d o f h a r d w a r e i n s p e c t i n g c i r c u i t a n d r e l a t e d s o f t w a r e . t h e s y s t e m i s b a s e d o n p c -4 8 6 c o m p u t e r , w i t h a l l k i n d s o f s e n s o r s , a / d t r a n s f e r a n d i n t e r f a c e c i r c u i t , w h i c h c a n f i n i s h s i g n a l s a m p l i n g， d a t a a n a l y s i s， d a t a s t o r i n g， w a v e f o r m s s h o w i n g e t c . t h e s y s t e m c a n f i n i s h i d l e t e s t i n g , l o a d t e s t i n g , o u t p u t q u a l i t y t e s t i n g a n d d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s o f a c o r d c w e l d i n g p o w e r s o u r c e , m e a n w h i l e o b t a i n i n g m a n y p a r a m e t e r s s u c h a s v o l t a g e , c u r r e n t , p o w e r f a c t o r a n d s o o n . t h e d e b u g g i n g a n d t e c h n i c a l a r r a n g e m e n t o f t h e i n s p e c t i n g c i r c u i t a n d t h e c o r r e l a t i v e s o f t w a r e i n t h i s s y s t e m c o m p l e t e s i t s c a p a b i l i t y a n d i m p r o v e s i t s s t a b i l i t y . w i t h t h e o b j e c t o f t h e e l e c t r i c a l c a p a b i l i t y o f t h r e e k i n d s o f w e l d i n g m a c h i n e s , t h e a p p l i c a t i o n o f t h i s s y s t e m c a r r i e s t h r o u g h i n s p e c t i o n s a n d a n a l y s e s o f t h e r e s u l t s , a n d e v a l u a t e s t h e i n s p e c t i n g r e c o r d a n d t h e e l e c t r i c a l c a p a b i l i t y o f w e l d i n g p o w e r . k e y w o r d s : c o m p u t e r t e s t i n g , d a t a a n a l y s i s , p o w e r f a c t o r 中庆大学硕十学位论文 1结 沦 1 绪论 1 . 1 弧焊电 源性能评估的重要性 1 . 1 . 1 弧焊电源应用与发展概况 电弧焊接是焊接方法中的一个大类，不同的电 弧焊工艺方法需要相应 的电 弧焊机。弧焊电 源是电弧焊机中的主要部分，是 x j 水 旱 接电弧提供电能 的 一 种 装 置 。 它 必 须 具 备电 弧 焊 所 要 求的 主 要的 电 气 特 性。 显 然， 没有 性能良 好、 工4 /f r定的弧焊电 源， 要保证电 弧的稳定燃烧和焊接过程的 顺 利进行， 并得到良 好的焊接接头是不可能的。 没有先进的弧焊电源，要实 现先 进的 弧 焊 工艺 也 是难于 办 到 的 1 2 1 1 8 v 纪初就发现了电弧， 但当时工 j随后， 航空、原子能等技术的发展，要求焊接高强钢和铝、 认 及 其 合 金 等 新 型 材 料， 出 现了 氨 弧 倒5 . 6 1 0 5 0 科七 又 相 继出 现c 0 2 焊 等 各 种气体保护焊，紧接着还研究成功了高能量密度的等离子弧 止 1碑 ， 引 叶 黔巨 源也相应地有了力幅 度的发展。例如: 4 0年代开始出现了 用硒片制成的弧 焊整流器; 到了6 0 年代，山于 大容量 侧 一整流元件、 品闸 管的问 世，为发展 硅 弧 焊 整 流 器 、 晶 闸 管式 弧 焊 整流 器 等 提供了 条f - i-1“ 。 在7 0-8 0 年 代， 可以说 弧 焊电 源的发展产生了 新的飞 跃， 它表 现为如f 几个方!创n . 10 1: 1 ) 多 利 型式的 弧焊整流器 们 继出 现和完善。 它 们评 在愈 来愈多 地取代! i 流发 1切l 。 有 些工 业 发 达国 家 ， 除 在 野外 作业 采 用 数淘油 5 l 砂碑 发1柳l 之 外，基本上都用弧焊整流器 2 ) 研制 成功多 种型 式的 脉冲弧 焊电 源。 为 进 一 步 提1粼例 勿贡 断 印!适应 全位置焊接自 动化，提供了 性n 即i : 良的弧少 与 电源 o it - 庆人学硕十学位论文 1绪论 效 3)st-瓣黔 效节能、小巧、性能好的晶闸 管式、晶体管式和场 它具有更 新换代的意义， 并正 在逐步捆 l 使用。半 导 体控制的矩形波交流弧焊电 源陆续出 现， 逐步代付传统式弧焊变压 器。 它进一步提高了 交流电弧的 稳定性，扩大了 交流弧b b l 电源的 应用范围。 4 、 控制技术的改进和发展 ( i ) 单 旋钮调节即 用一 个旋钮就 可以 对 弧 j电 压、 电 流 和短路电 流 上升率等同时进行调节，并 获得最佳配合。 ( 2 ) 通过电子 控 制电 路 获 得多 种形 状 的 夕 p * - 性， 以 适应各 种 弧 焊工 艺 发展的需要， 例如， 除常用的 平特性、 下刹l 性、 恒%1 l f寺 性之外， 还可以 获得多 种形状的外特性。 ( 3 ) 可以 提供多 种电 压、 电 流 波 形， 以 满 足 某 些 弧 焊 _ l 艺 的 特殊 需 要。 ( 4 ) 低压小电 流弓 i 弧 在钨极氨弧焊弓 !弧 时， 空载电 压只 有6 v或更 低， 引弧后工作电压 迅速升高。 其优点是: 在短路接触弓 弧时，由 于电 压 低而 不会出 现过大冲 击电 流， 可防止工 件 钨极 严虱亏 染; 不必 加高 频高 压 或脉冲高压就可把电弧引燃，能防止对微r4 空 制的干扰。 ( 5 ) 电 流电 压值 测试 、 显 示系 统的 改 进从 乎 r 十 式电 压、 电 流 表， 发 展到 数字电 表和具有监 测报警功能的检测系统，甚 至可在焊接前就调节好 焊接电 流与 焊接电 压值并 能把它显示出 来。 ( 6 ) 随 着 微机 控 制 技术 的 发 展， 出 现了 微 机 控 制 的 弧 焊电 源， 具 有i d 忆 、 预置焊接参数和在焊接过程中自 动变换参数等 功能， 使弧焊电 源智能化。 5 ) 弧焊设备 产业 的 蓬 勃 发展。 本世 纪五、 六 十年 代， 国 外电 焊 棚 j r开 始迅速发展， 在产品 规格、型号、性能等方面都得到了 扩充和提高。如: 米勒电 焊机公司、 依莎公司、 西雅基焊接设备公司、 松下电 焊设备公司 等 都获得了 壮大及发展。 到七、 八十年代，电 焊机销售额与六十 荆弋 相比 较 提高了 近三倍。 我国 解放前， _ 业基 础十分薄弱。 焊接技术和 弧k ,a 电 源等设备也是十 分 落 后的， 只 能 利 用 气 焊 和 手 z 弧 焊r 司 机械 零 召 进 行 修补 i ” 1 e 重 要 的 金 属 结构，则全部采用铆接。 那时， 全国没有一家电 虫 叭卑饰弓 造厂， 焊接材料 和电 少 时 旱 机儿乎个部 依赖于外国 进f l . 7 0 . 8 0 年代后，电i ) 砂产 机的 研究和 生产， 在国内) 4 台 获得迅速发展，专门 对f l , a 1v l -r l: 能进行研究的单 位如 成 都电焊机研究所，郑州 杉 械设翻毋 究所，大专 院校如 清华大学、 哈尔滨工 业大学、。 林_ 1 i ii 为学 、 华南 理工大学等。新型电 弧焊习 山!继出 现，国外 所 ) 日 有的各种基木型式的电 弧焊机，大多数石t 1 ,1 1勺已能自己设 计和目 ; 哒 ， 少 已 拥有以i 几 海电灯机、天 津电 焊衫 l i、 成都电 少 、 甲 l i为扮千焊机生 产 为 龙头 的数扩 个电 -) i x d l l l造厂家， w j, 设计 和/ i 产 4 0 0个品种规 格的 ! l .s iq k i-a 9 1 z . 13 1o 现在， 随 着 新的 技术的 应用， 弧 焊电 源的发展己 经迈入了 庆)下硕 卜 羊位论文 1绪 论 个新的历史时期。 1 . 1 . 2对弧焊电 源性能评估的意义 电 弧焊 接是 焊 接方 法中 最主要的一 个大 类! 14 1 。 不同的电 弧焊工艺 方法 需要 相应的电 弧焊机。因 此，电 焊机， 特别是电 弧焊机的质量、品种的优 劣，直接关系 到新 中 工业产品的 质量。如何保证电 焊机各项的指标已 成为 工业产品质m 保ilk 体系的 一个重 要环节。 保证焊接过程的稳定燃烧并使填 充 金 属 均 匀 地 向 m 过渡 形 万 郊 容 池， 就 能 1 9 i (t 焊 接 产 品 的 质 量 i5 . 16 1 。 所以 ， 对焊接电 源和焊机的各项电气性 能和1fi 机的质量进行l9占 是十分必要的。 以前， 我国巾 ,n机的t 圆测试和 产品型式l ft 及出 厂试验 条件较差、 设n 陈旧。 除通用的电工仪表和仪器外，专用的测试设备在很长一段时间 内基木无定型 产品可供选用， 用于焊接技术和 设剐开 究测试的计绷几 数据 采集 和 处 理 系 统 仍 是 空白 。 1 , 11 1 . 1 9 8 8 年国 家 机 械工 业 委员 会， 国 家 进出口 商品检验局， 国 家标准局等六个部f 联合 发出 文件规定: 自1 9 8 8 年7 月 起， 我国开 始 对电 焊 书 沪品 开 展 强 $ in质量 认 iie 1 1e 1 。 但长 期以 来 都 是 采 用 通用 电工仪表进行检测， 这利 ，检测方法无法满足现代工业多品种、小批量、快 y 奏的柔性生 产的要求，且测量的数pi带有较大的 人为误差，不够客观和 准确:国际上电 焊机设备产品型式实 验项目 约为 1 2 8项，按我国标准计数 约为1 1 5 项， 但目 月 饿国 能 完 成 的 项i -i 约为7 5 项 1 2 0 . 2 1 ) 。 因 此， 尽 侧是 高 我 国的电 焊机的 检测能力， 研制山计算机构成的 焊机自 动检测系 统己 成为一 项紧迫的任务。而且，电 焊机在国际贸易中 进出口 商检也迫切需要一种自 动设备。 自8 0 年 化起 ， 逆变 技 术应用于 焊 接领 域， 由 于 逆变 焊机 拥有 .诸多 优点 i(ii 受 到 焊 接界 的 普 遍 重 视， 社 逆变 x !tu 多c 作于 数 十 赫兹 频率 【 2 2 1 ， 因 而 它 的初级电 流含 有很大的谐波分量， 6i ; 波步 臾 率x17 迈e 频的几i t 甚至百倍以10 采 川i l 磁式仪表测量直流弧卖 罕 .卖 罕 .卖 罕 i包 源交m u 10 1 的1l iy i .电压必将产生较大的测 1 ; 误旅。 对于 功率因素的计 算，采川 种新的数值计算平 “ 处理右 i 去 1 y 立 叶 变 换 川23 1可 得 到 较 准 确 的 测 量 值， 但 这 种方 法 涉及 到大 量的 计 算。 基于 此 国内 外均在w 珠lli 微机控制的焊机摺能检测仪器， 如:成都电 焊柳i f 究所研 制的通用m lb 1 l1 试台14 h c型已 成)j)气 、 : ，该 测试台采 用通用电 仪表测 试，人 1 . 记 录数据，然后输入计; a ) l , i 1 0 d 机作计算、曲线拟合和输出 1 t 的 _ 作;山 成a 所、 哈_ 一 人 和苏州电 焊1 ) 6 1 一联合研制的电 焊机自 动检 测系 统能自 动完成1省 流和交流1 以胃 儿 的出)检测项i歌共1 4 项) ， 其测甩 精 度小低于0 .5儿级，; 卜 能够对具有 定纹波因素的直流和具有 一 定波形畸 庆大学硕十学位论文 1绪 论 变 的 交 流电 量 进行 真 有 效 测 量2 a 1 ; 由 我 校 a 1 制的电 弧 焊 机 参 数 微 # 1 l #测 系 统， 也主 要 用于电 焊 机出 厂自 动检 测 1 2 5 1 1 . 2微机弧焊检测系统的研究及应用 1 . 2 . 1微机弧焊检测系统研究的意义 由于 焊接过程是一个相当 复杂的热过程， 它具有参数多、 变化决 和影 响因素复杂等特点。长 期以 来， 一直 缺乏一 个有效的评定焊接材料、 焊接 工艺，比 铡旱 接过程的稳定性的手段，主要靠操作人员的感觉定性的 来判 定 焊 接 过 程 或质 量 的 优男2 6 1然 而， 这 利 憾觉 是 很 难 比 较、 无 法 存 储 的 ， 且根据操作人员的经验不同 而不同， 大大影响了 测试结果的准确性和客观 性。 近 二 十年 来， 随 着 弧焊 机的 制造 技术的 迅 速发 展， 工 业 生 产 二所 使 用的 弧焊机的需求量增多，焊接产品的质量的要求提高， 迫切需要对弧焊 机的 各种性能进 行检测m占 ， 而弧焊机的性能， 特别是焊接过程动态品质的 检 测评估， 亦是传统的检测设备 所不能准确完 成的。 利用微机技术进行快速、 实时 .检测分析， 可以 准确反映弧焊机的焊接性能与 弧焊初 本身电气性能的 关系，以 提出新的、 全面满足焊接过程电弧 稳定 性的弧少 r 机设计，生产制 造出 性能优良 的弧焊机。 八十年代以 来，随着计 算机 矛 ; 学的发展，山于 微机性能的 提高和价格 的不断降低， 微型计算机被越来 越广泛地应用于各行各 业的i _ 业控制中。 近年来， 伴随着信息技术的不断提高，围绕着焊接过程信息的计算机辅助 技术研究，已 在许多方面取得成果， 它们不仅排动着焊接利 4 7 f 的前 进，也 为 焊接加工生产过程的进步提供了 技术基础。因此 用计 算机构成的测试 系统代替传统的仪表检测已成为一种发展趋势。 1 . 2 . 2微机弧焊检测系统研究及应用现状 右 沙 黔 匿 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 e w e ld in g in s t it u te 公司 、 美 川h o n e y w e l l 公 司 制 造的 测试 分 析 仪，英 国、 德 国 也 产了 荆以 的 w4 .分 析 侧2 7 . 2 8 . 2 9 . 3 0 . 3 1 1 。 自1 9 8 5 年以 来 ， 国内也 陆 续 出现了一 些t ! 4 l 研ili妙 匕 类分析仪，如南京市 新技术 研究o f 和南京市第二 化 中庆人j学硕 学位论义 i绪论 工 机 械厂 联合 研制 的 微机 焊接 参数 显 示记 录 仪 ” ， 以 及 文 酬3 ， 中 提到 的 电脑型动态焊接参 数测量 仪。由 于采用了 微型计 算 机， 这些类型的弧少 旱 分 析仪具有以下的特点 , 34 . 川: 令 设计及 应用具有灵活性， 测量 精度!敲 令 一台微机弧焊分析仪，能够检测多 参数， 减少了 监控焊 接过程所 需的测试仪器的 种类，且可以 进行自 校正 测量 令 可以 存储、 分析测试数据，并自 动进行计算、 统计 和分析。 令 司 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。 今 为实时控制提供了可能。 令 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ix g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。 其 新近 推出 的 智能 化弧 焊分析仪h b ffl 过对电 压u ( t ) , 电 流i( t ) 统计分 析，能在线实时记 录并同时 统计分析了电弧电 压、 焊接电 流及燃弧、 熔滴 短路等过程参数。 它的优良 的硬件系统及快速的数据处理使我们能够以 5 0 k h z 到2 0 0 k h z 的频率对电 弧电 压、 焊接电 济 乙 驻 行采样和分析。 它的 测 试系统如图 1 一1 所示: a h x -计 算机辅助数据获取和处理系统 l p f 111 1件低通滤波器 图1 -1 汉诺威生 哄， 分析仪 1 . 3 课题的 研究目 的、意义及内 容 ，曰少 、 人 学硕 学位论文 !绪 沦 1 . 3 . 1研究的目的及意义 电焊机出厂试验和型式1 鹉金 是电焊机产品出厂质量和研制新产品质掣 的重要 保证手段。 对弧焊电 源，我国 传统的方法是采 用精度为0 .2 级或0 .5 级的 通用 电 工 仪 表 测 试电 焊 机的 初、 次 级电 流 和 功 率 等 参 1 3 6 l ， 人 i 己 录 参数并作进一步计算和处理。而 近年 来开发的微树空 制的 智能检测仪，如 前面提到的电焊机出厂自 动检测系统以及电弧焊机微机检测系统。这些系 统虽己 成功应用， 但它们都存在不足之处， 前 者 例信号的 采集是非隔离式， 这将不 可避刻也 引 入大 量 干洲言 号， 而且该 系统并 不能 计算 功率因素 值; 对于 后者， 它的 成功 之处在于引 入了 随机信号的 频谱分析技术，较为成功 地解决了 功率因素的测试问 题， 但它实现的 功能太过单一化，并未对微机 的资源加以 充分利用。 在焊接过程中， 电 弧电 压和焊 接电 流是阶间多 变的非平稳的随机信号， 翔护 包含大量的反映弧焊工艺 性能及弧焊电 源特性的信息。 获取焊接韦 u t 的 重要 基础资 料， 也是改 进焊 接设 备的 依 据。 但v it示 波器的 最高 频率只 有1 k h z 左右 ， 磁 带记 录 仪 的 最高 频 率 也 只 有2 0 k h z l l ， 利 用 它 们 将无 法 观察 到焊接过程的瞬间信息，而且无法对 数vi进行存储及对 数据进行统训 分 析并 提 取出 表征电 弧物 理现象 的 丰富 信 息。 采 用计 算机 戮 以 弓 采集系统， 可 实 现-x i 一电 弧电 压 和电 流 的 高 速采 缴本 系 统 最高 采 样 频率 司 达8 0 0 k h z ) , 从而 可以 捕捉到其他记 录仪捕捉不到的瞬r 刚言 息， 这对于 沙 旱 接过程是非常 有 意义的。另 外，由于计算 初可 以高速 存储大副a .息 ，也为事后分# 1 i a i l i i: 提供了 可能。由 此p 见， 对电弧电 压、 焊接电 a m行统1 1 分 析是又 焊接过 程稳定 档 班行分析的一种有效的方法。而电 子技术、计3 f 机技术发展到了 今人， 利用计ia 机的高 速采 集和高 速运算能力对电 弧电压、 焊接电w u 赴 行 采 样，并利用数字滤波 技拟割a 号 还原为真实的焊接电 流和电弧电仄信号 足 种较为容易实现的过程。 微机弧焊检测系统是为了 适i k i1 妾 技术的发展 趋向， 提高 我? l a 妾 礼 业的技术水平，在吸收国内州司 类仪器的长 处的) ( z ) 电 弧参 数 测 试分析 模块， 该 模块1w 用波形分析和频谱分 析处理 电 弧电 压、 焊接电 流 波形; ( 3 ) 数 据库模块，该 模块完成存储试 验结果以 及又 寸 所存数据的查询、添加等操作。 2 .微机弧焊检测系统的调试，以 及系统运行可靠性、 抗干 扰检测精 度方面的技术处理。 3 .交流弧k 旱 泪 隋性测试， 包括静外特性测定、 效率实验以及 焊接过 程中电流、电 压动态 波形测定。 4 .直流弧焊机 特性测试，包括静外特性、 动特性测试以 及焊接过程 中规范测试d 川 包 流、电 压动态波形的测定。 5 .微机xk 检测系统对于弧l 1 f 源品质参数的分析。 该 系统采川的软硬件都是成熟的技术。其i i i 硬件部分 的数据采集和转 换装w( a / d数据采集卜 ) 和各电量传感器都是筛选购买的产品，其 性能优 工庆人学硕十学位论义】绪论 良， 可靠性高。软件方面的波形分析和频谱分析技术作为现代科学中的一 个分支，在机械 _程、飞 机、卫 星和土木建 筑等方面的动态u v 俭 分析中早 已 得到了 广泛的) ,y 用(n 。因此， 本课题的构思i ii整体方案是切实叫 于 的。 i . 庆人学硕十学位论文 2系统采川的训q为法及理沦推导 2系统采用的计算方法及其理论推导 影响弧焊机电气性能及焊接过程稳定性的主要参数有电压、 电流、 功 率因素等参数，这需要采集大量的数据进行曲线拟合后分析，而在电焊机 微机检测系统中， 采集进计算机的信号数据都是离散量，这种信号并不十 分理想其中常混有各种噪声，很难从中直接得到研究对象的所有特性。因 此系统要采用一些计算方法由 采集的 信号 离散量计算出电 ) 队 电流有效值、 功率以及功率因数等参数。本章将阐 述传统计算方法- 数 值积分法，并 提出了一种新的计算方法刊 14 立叶变换法来计算功率因素，最后还将介 绍焊机外特性的曲线拟合。 2 . 1数值积分法 2 . 1 . 1计算原理 数值积分法是通过对采样得到的离散量进行数值积分d u 求其有效值来 计 算电流、电压和功率的。 根据数学原理，数值积分的计算公式如下: y一李r r f ( x ) d t i j o ( 2 -1 ) 式中c ( x ) 为信号的数学表达式， t 为信号的周期 将信号离散化，每周期采样点数为i ，则: y=上丫 x j x a t f拭 :t = n x a t v 二二 一丫x i n 丫 o ( 2 -2 ) i : 庆人学硕十学位论文 2系统采用的计钾方法及理论推导 则电压、电流的平均值为: j 二 电流、电压的标准差分别为: 、.尹 一u 1 u. si = 去i( i一 ) 2 ,s 青 n -iy1- 0 ( 电流、电压有效值为; u 阳艺间 11n =1 .2 ， u= 根据电工学 有功功率 :p = u i d t u 任 1 ( 2 -3 ) 叉厂 一n 则 p 二 根据电焊机测试标74 1 功率因素c o s = / ij l( zes 4 ) 2 . 1 . 2计算特点 数值积分法具有以 f 特点: ( 1 ) 数值积分法算法简单、计算量小， i! l i 6 i 其i 1 p速度较快。 ( 2 ) 数值积分法的采样频率要求较高。 ( 3 ) 数值积分法小能) x . 分信号 和噪声及一 日尤 ，检测计算误差 较人。 2 . 2功率因数的计算一一傅立叶变换法 傅 i i 咔 变换沮足通过时采样数据进行频谱分折以计竹4号的有效值、 功率和功率因素。为论 述方 便，本章以单相交流少 、 ， 机初级参数的检测计算 币j人) 学硕十学位论文 2系统采用的计算方法及理沦扣肾 为例。 2 . 2 . 1计算原理 功率因素 ( p o w e r f a c to r ) 定义为 有功功率 p f二兰 s p 与视在功率s 之比。即: ( 2 -5 ) 丁 u id ( (o t ) ( 2 ) 式中u - u m s in ( c.7 t ) ， 而i 通常不是if 弦 波， 含 有基 波 和谐波成分， 故 用下 式 表示: i 一 i i m s in (o t 一 (p i) + 叉 i nm s in (n o ) 一 (n ) (2 - 7 ) 于是 一 2 n孙s i n w t 孙s in w t 11 sin(o)t一 ，d(ut+ l- sin(nwt一 ，dwtl ( 2 -8 ) 1一趾 式中. : 为基波电压和基波电流的相位差。 第一 项 积分 后得u i i c o s cp s 第一 项因高 次谐波电 流与电网电 i l 频率 不 同，有功功率为零。所以: p二u i i c o s 甲 1 式中c o s (p . 称为位移因素。 明艺 1 u 一- s 屯庆人亨硕十学位论文 2系统采用的计算方法及理论推导 非正弦周期量基波有效值 r y = 一 可 e 5 f g g g 看 ma 式中y v 为波形畸变因素，表示非正弦周期量与正弦量的差异。 令t h d : 二一 卜 所以 ( 2 -5 ) 变为: p f 一 t i + (t h 一弄 co s (pi 式中t h i ) 为总 谐波失真， 为 输入电 流畸变分量 有效 值与畸变电 流有效值之 l 匕 。 设i( t) 为 一 角 频率 为。 的 周 期 波， 于 是i( t ) 可 写 成: i( t ) 一 艺 ( a , c o s n ( ) t + min n c )t ) ( 2 - 1 0 ) 令 = a , s in 4,b , = ac o s (b n , 带入得: ，( ) 一 a o + 艺a s in ( n co t + 中 一 ) ( 2 -1 1 ) 式， “ a ,， 为高次谐波的频谱幅值: a n =j a n + b . ( 2 -1 2 ) 小 .、 为高次谐波的相位角，即相位频谱: an一玩 中 l1 书实卜 ， 只要求出a , . h ， 的值， = t g( 2 -1 3 ) 就可以求得各次谐波值， a , . b i 妇 一 卜 式求拐 带 丁 ( ” ( 2 -1 4 ) 0 ( 1 ) - c o s m o t ( 2 -1 5 ) t盛1.0 2-t t庆人学硕 粉7 - 位论文 2系统采用的计算方法及理论4 : 导 二 呈 飞丁 i ( t ) s in m il t t d t ( 2 -1 6 ) 利 用f f t可 方 可 更 地 求 得a , , b ， 然 后 根 据 式 ( 2 -1 2 ) 可 求 得 每 次谐 波 幅 值。 一 般谐波大小用相对值表示，即用基波的百分比表示，于是第 k次谐 波i , 1 k =a k / a 1 x 1 0 0 % ( k = 2 , 3 , 二 ， 。 ) 总谐波失真t h d由下式求得: t hd a , + a = 十 角za , +a 2 二 二. - 一-一-. .一一 ai x1 0 0 % ( 2 -1 7 ) 从理论上讲， n。，但实际上 不可能 将n 取到无穷大， 也没有这个 必要， 根据 e c 5 5 5 标准规定， n 取到3 9 即可1 4 5 1 在本例中电 焊机的初级电流、电压的基波频率为 5 0 h z ，可求得(b . 然 后把4) 代 从2 -9 ) 即 可 求出 功 率因 素p f o 2 . 2 . 2计算特点 傅立叶变换法具有以 下特点: ( 1 ) 傅立 叶 变换 法 算 法复杂， 计 算 量大， 计 算 速 度较 慢。 ( 2 ) 傅立叶 变换法的采样频率要求较低， 能采 集更 长的 信号样本。 ( 3 ) 傅立叶变换法可以 按频率区分信号和 噪声及干扰， 检测计算误差较 小。 2 . 3静外牛 荆 陕 曲 线拟合 在电 焊机外特性曲 线的测试 n ，系 统采集的数据只是外特性曲 线上 的 若卜 离散点， 而国家 标准要求利用这些离散点拟合出外特性的一条光滑曲 线。因此，曲线的拟合在焊机外特性检测中是一个重要的技术问题。 2 . 3 . 1计算原理 重庆大学硕 卜节位论文 2系统采川的计算方法及理论推导 首先， 我们分析一般手弧焊机的外特性曲线形状。 对弧焊变压器可以 推出其负载电 压、负载电流的关系方程式如下: u r= u o + j l fx z ( 2 -1 8 ) 其， n u , 是负载电 压， i f 是负载电 流， x - x , 1 x k , x , 是变压器的总漏抗， x k 是次级电 抗器的 感抗。 将( 2 -3 8 ) 式两 边平方得: 石if( u o/ x l ) z 1 1 , z u o z ( 2 -1 9 ) 小难看出上式是一个以u o /x z 和u 。 为长短轴的椭圆， 弧焊变压器的外 特性曲线是这个椭圆的第一象限部分。 对于硅整流焊机，由 于现在多采用电子控制， 其外特性曲 线形状复杂， 不存在确定的数学表达式。 对外特性曲 线的拟合，本系统采用最小二乘法则，其原理如下: 设 联) 为原函 数，4 ( x ) 为 近 似函 数， ( x ;, f ( x ) )( i = 0 , 1 , 2 , ， n ) 为 数 据 点 ， 当 式 、 艺f ( x i) 一 q ( x ) z 为 最 小 时 的 ( ( x ) 即 为 所 求 的 拟 合 方 程 。 当中( x ) 为多项式时， 称为多项式拟合， 这是一种最流行的数据处理方法之 。 所谓多 项式的 拟合， 即假设有已 知数 据组 ( x , y )( i = 0 , 1 , 2 , ， n ) ， 现求作个不超过n ( n l 2 取 最小 ，也即是 息 y i 一 p 一 ， 取 最 小 记y ,t,- p ( x i) ( 1= o , 1 ,2 . . . . . . . . m ) , y = ( y， y 上多项式最小二乘拟合问题就是求关于i l k ( k = 0 , ; ， 二 y j ，不难看出以 m ) 的超定方程组 艺 二 一 y i( i 一 0 ,1,2 ，一m ) ( m n ) 的最小叹 乘解问题。 亚庆大学硕十学位论交 2系 统采川的h 力法及理论推导 记ss k 二二、 k , t r 一 工x ir y i( k 一 0 ,1 , , , , , n ) i = 0 i = 0 通过求解以卜 力程组: 门lwejeeweleswe一 to扫t， rl|!1!.l 一一 一!les!.weesj.j oln aa，:a 厂ileseeeera、les，|tl 门1、esllesseweweeslj 1+r ss 1，j 55. sn+ nlll qds:5 厂lllee一!|l 可求得a k ，从而确定出拟合多项式p . ( x ) 。 由3 . 4 . 1 分析可知弧焊变压器的外特性曲 线是椭圆的一部分， 令( 2 一 1 9 ) 中i r-= x , u r= y , w ,/ x , ) = a 0 , w= b ，则( 2 -1 9 ) 式可表示为: y 二 b2 b2 -x ( 2 -2 1 ) 令式( 2 -2 0 ) n = 1 即可求出a , b ，从而得出 拟合方 程。 弧焊整流器的外特性曲 线形状复杂，在实际应用中采用分段拟合的方 式以得到较为良 好的拟合效果。 本系统中分别对其中外特性曲 线进行拟合。 由于电焊机的外特性曲 线是一条连续的光滑曲 线，没有间断点，且它的一 阶导数存在并且连续，所以， 在进行电焊机的外特性曲 线的分段拟合时， 规定当两段曲线在给定的区间内，其各自 的导数差为最小时，即为两段曲 线的交汇点。本文对小电流部分采用一条三次曲 线进行拟合，在大电流部 分采用一条三次曲线进行拟合，当两条曲 线的导数差为最小时，即为两条 曲 线的交点。由于三次曲 线存在高阶振荡，为提高曲 线的稳定性，在最大 电流检测点后的曲线用该点的 斜率进行直线延长。 经实验验证，上 述两种方法拟合的曲线稳定j ir 靠，效果良好。 2 . 3 . 2静特性曲线 1 )x 寸 于手弧焊电源u = 2 0 十 0 . 0 4 1 ( ; 6 0 0 a ) ， u = 4 4 v ( 1 6 0 0 a ) 2 ) 对于 h g 焊电源u = 1 0 + 0 . 0 4 1 ( 1 - 6 0 0 a ) ， u = 3 0( 1 6 0 0 a ) 3 ) 对于m i g / m a 电源u = 1 4 十 0 . 0 5 1 4 ) 对 y - 埋弧焊电源下降特性按 1 ) 的规定， 平特性电源按3 ) 的规定 以卜 各式中卜一 一负载电压( v ) 1 负载电流( a ) t : 庆人学硕 学位论文 3系 统的硬件和软刊 3系统硬件和软件 3 . 1 按照微机弧焊测试分析系统的要求， 设计系统的硬件 e 要由 两部分组 成: 信号获取部分和处理部分。 系统的 硬件主 要由 赛扬3 3 3 计算 机、 传感 器电 路、带金属屏雨 列 昙 的 双芯电缆、1 2 位的a / 1 数据采集卡细戊 。 其中， 电 流传感器 选用有源霍尔x 传感器，电压 一传感器为光电隔离 传感器， 这 两种隔离方川各 测试系统和焊接系统隔离开来， 避免了 强电信号窜入计算 机系统， 造成计算 机的损坏。同时， 它还能减小焊接系统又 d l 翻l 系 统的千 扰; m ) 转换器采 样频率最高可 达 8 0 0 k h z ， 两根屏蔽电缆有 效地屏蔽了 干 扰，并使微机系 羹 形 巫 离焊接系统，刻、 或消除了电弧的电 磁又 el 机系统 的刊尤 。 系统的装置图如图3 -1 所示: 图3 -! 系统装w.图 系 统的硬件结构框图如图3 -2 所小: 3 . 1 . 1 传感器的 选 择及标定 传感器是 种能 感受规定的被测裸 耐衬 k o定的规衬 1 k 成司 输出信号 的器 们 或装置，在 测量系统中又叫 一 次仪表，是测试系 统的 最前 沿。 它是 育 韵 多 将被测物理量 ( 如力、 速度、 加速度、 位移等) 转换成与 之相又 应的， el庆大学硕十学位论文 3系统的硬州和软1 1 易于 检 测、 i m 俞 、 放 大 和 处 理 的 信 号 的 功 能 性 器 侧4 0 i 。 它 被 广泛 i be f于 各种 检测系 统中。 焊机检 测过 程中 的 各 参粼电 流、电 压、 浩 八 度黝都 要 经 过传感器变换换成适 , 的电 量信号然后经条件化电路进入测l系统的 通 道。 它与计算机的连接方 式见图3 -3 : 被测电焊机主回路 初级电压初级电流 传感器 次级电压次级电流 传感器 信号调理接口电路 焊机检测部分 a / d数据采集卡 塞 工 键 盘 扬3 3 3算机系统 磁 v ia打印机 焊机数据采集系统 图3 2系 统的 硬们 结构fl i 图 图3 -3子 !9 器与 计箩 1x的j i, i ir庆大学硕一 学位论文 3系统的 9 -1 4 1 和软刊 其中条 州 北电 路包 括缓冲、 锁存、 调制、 滤波、主抗、 阴抗匹配、 信 号制式变换电 路v. 该系统中， 所用的 传感器 都是电 量传感器。 用于焊接测量的电量传感 器很多， 常用的有分流器、互 感器、 分压 器等。因 此传翻g 的选择是很重 要的，在测量系统中， 选用传 感器的原则是: ( 1 ) .量程和精度传感器的量程和精度是传感器非常f要的技术参 数， 它的量 程和 精度应能满足测试的要求， 并且灵敏度要与 训算机的采样 通道的字长相适应。 ( z ) . 频口 k r a 寺 性传感器 的频响特性必须在测试频率范围内 保持不失 真，且其反 v iv a度要与计m ia 目 匹配。 ( 3 ) . 输出 能力传 感器要有 较强的 输出能 力， 传感器 的输出电 平高， 输出 阻抗低，其带负 载和 抗干扰的能力 就强， 信噪比 就高。 ( 4 ) . 线性范围任何 传感器都 有一 定的 线性范围，选川时应考虑被 测物理量的 变化范围， 使得传 感器的非 线性误差在允许的范围内。 选取焊机检测用传感器除遵循l 述原则外， 还应特别注意传感器的隔 离能力和抗干扰能力。这是因为被检测的焊机电 参数都是强电信号，测试 系统工作在弱电系 统， 这就要求传感器除具有 合适的量 程、 精度、 线性度 外还应具有良 好的隔离能力和抗 f i a 能力。以 避免被检测的强电信号干扰 和破坏测试系统。 焊接中常用传感器的隔离方式有:电 磁隔离、光电隔离和霍尔效应隔 离等。本课 题选取的电 量传感器有两 种隔离方式， 对电 流信号 采 用霍尔效 应隔离， 对 一电 压信号 采用光电 隔离。 霍尔效应隔离是利用霍尔元件作为变换条件，其工作原理基于 霍尔效 口4 1 1 。 如 图3 - 4 所 示， 在 一 个n型 半 导 体 薄 片 灌尔 元件 ) 相 对两 侧 面 通以 控制电 流i ， 在薄片垂直方向 加以 磁场b ， 则由 于 洛仑兹力作川( t 载流片两 端， 产生 一 个与 控 制电 路i 和 磁 场b乘 积 成正 比 的电 动 势l 7 ( 称崔尔电 动 翔。 利 用 这个 原 理， 可以 采 用 霍尔) i ;1 1 二测 量电 流的大 小，y 线 有电 流 流 过时，在导线周围会产 i : 磁场，磁场的弛 划 盆 与导 线流过f ih 1 l 流 ， 定的函 数关系， 测量霍尔电 势的人小， 便川 推算出导 线土电 流的大小。利用霍尔 元件， 传感器 输出量 和被检测量只通过磁场建立联系，从to 达到了良好的 隔离效果。 u .、 人学硕十学位论文 3系统的 史 州和软们 图3 -4 霍尔效应原理图 光电 隔离的 工作原理是采 用光电 转 换元件， 将电 信号 转换 成光 信号， 再转换为电 信号， 让电信号使传感器 输出 量与 被检测量只通过光建立联系。 从而隔离 传感器的输入级和输出级。 为正 确选择电 焊机微机检测系统中使 用的电 流、电 压传感器，首 先要 了 解被 检钡 组 9 水 象 ， 焊机的初级直 流与电网 相连， 一般使用3 8 0 v或2 2 0 v的 工频交流， y j 直流焊机其次级输出分为耐 中 情况， 对交流焊机其次级输出 为工频交流， 对ft 流焊机其次 级输出为 带有一定纹波脉动的直流，其纹波 频率为3 0 0 h z( 三相整流纹 波频率) ， 焊机次 级输出电压为o - - a 6 = 1 1 6 . 1 7 3 9 9 6 ; a , = 1 9 .3 2 7 1 7 7 ; a 2 -= - 2 . 3 3 9 9 7 5 ; a ,= 2 . 6 6 0 0 0 4 ; a = 3 . 4 5 6 5 9 3 ; a 1- - -0 . 6 6 5 9 8 2 ; a = -0 . 9 4 0 6 5 4 ; a , = 0 . 1 7 3 7 5 5 ; a = 0 . 0 6 0 7 4 0 ; 3 . 1 . 2 a / d 数据采集卡性能分析 要实现训算机又 d n接电 流、电 弧电 压信号的 采集， 就必须把模拟信号 转换为计算 万 i,-p i . 以 接受的数字 信号， a / d数 据采集卡即是执行这一功能的 部 件。图3 -5言 号m俞 过程示 意图: 图3 -5信号 * a i i t i y 示意图 本系统采用的人 刃 数据采集卡是北京双诺 测控技术有限公司生产的 a c 1 8 2 0 戮 出 弓 采集卡。 a c 1 8 2 0 提供1 6 路单 端输入1 2 位a / d转换， a / d 转换速 度最1颤习 达8 0 0 k h z ， 能支持1 -1 6 路的 波3 以言 号的 采集， 其v i 能、 指 标 如衬 4 3 ) : 采集卡的 模拟部分: 令 1 6 路单端输入。 输入范围- 5 v - + 5 v , 输入建立时间小于i 微秒 令 输入 通道自 动扫描，;刁 一以 程控从任意通道开始到任意通道结束。 输入彩月 d b 2 5( 孔) 插座。 o 1 2 位8 0 0 k h z ( a d s 7 8 1 9 ) ，分辨率1 2 位，系统半 , ) 廷 0 . 1 %, r ms i噪 音小于 1 .5 l s b . 多 通道时， 侮通道的采样速度: 8 0 0 k / 通道数l i i. a 4 输 am 大 耐 国4 4 1 1 2 v , 输入 阴 抗大 于l o o m. 采集卡的工作方式: 4 板七 自 带1 2 8 k x 1 6 b f f r a m，可以 扩充到5 1 2 k字， 存1 诸 力 式。 l ),凡学硕十学位论文 系统的l l i 1 和饮们 4 a i 启 动方式: 软件、 外部 触发 ( 上f + 有效) a 4 a d转换控制: 板 l 1 6 位定 时器 ( 4 m