（材料加工工程专业论文）电阻点焊数据采集与分析系统的开发.pdf

摘要 ( 铝合金材料与钢相比，在节能和环保等方面具有显著的优点。因此， 铝合金材料在汽车中的大量应用将是今后汽车工业发展的方向。目前， 电阻点焊是汽车生产中使用的主要焊接方法。但铝合金的点焊存在两大 问题：点焊质量难于控制和电极烧损速度太快。4 为了研究铝合金点焊质量控制的依据，考察焊接条件与焊接质量之 间的关系，本文开发了电阻点焊数据采集与分析系统。 该系统分为数据采集和数据分析两个子系统。两个子系统以电阻点 焊焊接条件及结果数据库为桥梁集成到一块。数据采集子系统基于上位 机与下位机之间的串行通信，并通过直接电缆连接传输数据文件。数据 分析子系统采用数字信号处理对采样信号进行谱分析和相关分析研究 铝合金点焊控制器实时控制的依据；采用多元统计分析方法对大量的试 验数据进行分析，寻求能反映熔核形成状况的特征量，并寻找焊接条件 与焊接质量和电极寿命之间的关系。 c f 位机) 磊萄耐嘤行通信) 雾l 继续采集 通知下位机退出采样i ( 串行通信) 结束 图2 - 6 数据采集软件总体流程 一1 3 一 ，。j 天净爿字顷士学岔越冀 数据采集子系统的设计 位机采样不成功， 则主程序还要修改 数据库，将在采样 执行前向数据库中 添加的的记录删 除。由于在写入数 据库时程序记录了 在各个表中所增添 记录的数目，由于 记录是顺序存放 的，因此可以从最 后一个记录开始删 除已知数目的记录 图2 - 7 采样参数设置窗体 实现记录的更新。 2 3 2 上位机与下位机的串行通信 ( 1 ) 串行通信协议概述 通信协议是通信双方的一种约定。它包括对数据格式、同步方式、 传送速度、传送步骤以及控制字符定义等做出的统一的规定，通信双方 必须共同遵守。目前采用的串行通信协议有两类：异步通信和同步通信。 异步传输协议也称起止式异步协议，其特点是通信双方以一个字符 ( 包括特定附加位) 作为数据传输单位，且发送方传送字符的间隔时间 是不定的。在传输一个字符时总是以起始位开始以停止位结束。 同步通信协议的特点是：它仅在一帧的开始有标志字段，而后连续发 送一序列字符或比特，且没有起始位和停止位。通常一个数据帧内包含 成百甚至数千个字符或比特，而附加的控制信息仅有几个字符或几十个 比特，并有较强的纠错能力。 虽然同步传输错误校验码和纠错的能力比异步传输的单纯奇偶校验 码有较大提高，但由于传输帧内的信息量大大增加因此对通信双方的 时钟同步要求甚严。否则，如果两者稍有差异，几千位的累计误差就会 导致通信完全失败。 对于近距离的点点数据通信，若不要求太高的数据传输率，则通常 采用设备简单、控制容易的异步传输为好。 ( 2 ) 串行通信协议的选择 天津大学硕士学证论文数据采集子系统的设计 本系统串行通信的目的在于上位机上运行的主程序向下位机上运行 的采样程序传输采样参数以二进制方式传送时其数据量最大( 即3 2 个 通道同时采集) 不超过1 k ，因此传输效率不是主要的考虑因素：虽然测 试现场的噪声干扰较大，但对于如此小的信息量，采用奇偶校验已经能 基本满足要求；此外，采用同步协议存在时钟匹配问题不大适合于本 系统。所以，选用速率为9 6 0 0 b i t s 、带奇偶校验、每帧8 个数据位和1 停止位的异步传输协议作为上位机与下位机进行串行通信的协议。 ( 3 ) 串行通信的软件实现 为了在焊接测试现场可靠地传输数据，除了选择合适的通信方式和 通信协议之外，还应该规定一些通信双方之间交换状态信息的联络信号。 本程序规定了一些联络信号：上位机用”a a ”通知下位机准备接收采样 上位机下位机 图2 - 8 上位机与下位机通信流 天淬大学硬士学位论文 数据采集子系统的设计 参数；下位机会送“r ”表示准备好：上位机在所传送的采样参数的最 后加上“e n t e r ”参数传递完成：采集成功，下位机传送“s ”通知上位 机采集成功。否则传送f 表示采集失败：退出采集时，上位机向下位 机发送“e s c ”信号。 在参数设置完成之后，将进入数据采集软件的串行通信部分。再上 位机上运行的主程序采用了v b 中的串行通信控件实现串行通信，而下位 机上则通过1 4 h 号b i o s 软中断调用实现串行通信。图2 - 8 是串行通信的 实现流程。 程序中使用计数器和定时器的目的是为了提高系统的可靠性。在干 扰较强的测试现场，串行通信出现差错的概率很大，为了防止频繁中断 程序的执行，本程序使用了定时器和计数器，只有连续三次在指定时间 内参数没有传输成功，才退出采集，检测数据传输通路是否存在问题。 这可大大提高系统的抗干扰能力提高采样系统的可靠性和容错能力。 2 3 3 采样程序设计 ( 1 ) 采样程序流程图 采样程序的主要过程为采样准备、判断焊 接开始、采样、数据过滤和形成数据文件( 如 图2 - 9 ) 。 采样准备主要是根据各通道的通道号和通 道增益形成通道控制字，计算两次采样间的数 控增益放大器的稳定时间和扫描所有采样通道 一遍之后的等待时间，最后是根据计算得到的 采样频率结合采样时间和通道数量分配数组空 间。 下面介绍其它四部分功能的实现。 ( 2 ) 功能实现及流程 a 焊接开始的判断 图2 - 9 采样程序流程 由于点焊过程时问很短，对于铝合金来说焊接时间一般为4 - 6 个周 波，同时在d o s 下运行的应用程序其数据量是受限制的。而且，从另一 方面来说。即使采集了大量的数据也必须从中取出想要的数据，而滤除 那些焊接还没有开始时测得的数据。所以焊接开始的判断对于采样程 序来说是至关重要的。 用硬件电路提供同步信号当然能够提供很准确的同步信号。但a c l 5 5 8 天津大学硬士学位论文数据采集子系统的设计 仅具有查询功能，若想加入同步信 号控制a d 转换的开始和结束，则 对原电路要进行大的改动，这种电 路的设计本身就较为复杂，且会增 加成本，并且灵活性不够。 本系统采用软件方法来判断焊接 的开始( 更准确的说，是要测量的 信号的开始) 。点焊机提供了焊接开 始的同步信号，该信号在焊接开始 前为一正弦波，而焊接开始后为零， 焊接结束后又恢复为一正弦波。因 此，采样程序通过一直以最快速度 检测对点焊机提供的焊接开始同步 信号进行连续采样直到连续若干 次所测信号小于门槛值( 考虑到干 扰信号的存在) ，就认为焊接已经开 始，从而转入正式采样阶段。为了 图2 1 0 焊接开始的判断流程 增强灵活性，门槛值和小于峰值的信号的连续个数都在程序的开始部分 作为常量定义，可以通过修改这两个常量使子程序对焊接开始的判断更 为准确。流程图如图2 1 0 所示。 b 采样 在采样过程中最重要的是采样频率的控制。这是因为： i a c l 5 5 8 的最大通过速度为5 0 k h z ，在单路采集电流或电压等信 号来说这个频率实在是高了些。 i i 采样频率过高，会增加数据处理的工作量还会突破d o s 对应 用程序数据大小的限制，造成系统出错。 在本系统的采样程序中，频率的控制是通过在扫描一遍包括测试通 道在内所有信号采集通道之后，等待若干个a d 转换周期实现的。等待 的周期数的计算过程如下： i 根据设定的采样频率计算对所有通道扫描一遍应该消耗的时 间； i i 根据设定的各个采样通道的放大增益求出采样过程中更换通道 后等待数据采集卡上的数控增益放大器稳定的时间； 天津太学硬士学位论文数据采集子系统的设计 i i i 用扫描所有通道一遍应消 耗的时间减去所有通道采集数据所需 要的时间( 包括等待放大器稳定时间、 写控制字、采样及读出数据的时间) ， 得到的差值除以每个a d 转换周期的 时间。 之所以选择a d 转换周期作为延 时的基本单位，是因为它主要是由a d 转换器的硬件电路决定的，受计算机 计算速度的影响比较小。 采样的流程如图2 - 11 所示。 c 采样结束的控制 采样过程结束的控制方法可以由 多种。硬件同步信号当然是最为准确 的。但基于不采用硬件电路实现采样 开始控制的同样原因，采样结束的控 制依然由软件实现。 本采样程序通过控制采样数据的 个数来控制采样过程的结束。采样数 据的个数是根据通过计算得到的接近 于设定采样频率的系统“真实”采样 频率与焊接时间相乘和一个系数得到的。 图2 1 1 采样流程 乘一个系数的原因在于系统的 真实采样频率实际还会有一些微小变化由计算得到的“真实”采样频率 并不完全等于真正的采样频率。为防止在焊接还未结束时便停止采集， 就增加了这个在程序中以常量形式出现的系数。 d 多余数据的滤除 由上述控制采样结束的方法可知，在采集到的信号中必然会有一些 信号是在焊接过程结束之后采集的。这些信号的存在，会影响真实采样 频率的计算，进而影响随后的能量值和其它一些数值的计算。为此，必 须将这些多余数据滤除。 本程序中采用的多余数据滤除方法与判断焊接过程开始的算法基本 一致。取测试通道采集的信号作为供判断的信号，从该通道采集的最后 一个信号开始，由后往前比较，直到连续若干个信号值大于门槛值，即 天津大学硬士学链论文数据采集子系统的设计 认为在采集这几个信号之后焊接过程结束。在各通道最后一个有效信号 之后的数据全部认为无效。 e 数据文件的形成 在采样过程中，各个通道采集的数据都是统一存放在一个数组里面 的，其存放顺序是：测试通道第一个数据、第一个通道的第一个数据 第n 个通道的第一个数据( n 为信号采集通道数) 、测试通道的第二个数 据、第n 个通道的最后一个数据。 每个采样通道采集到的数据形成一个数据文件。文件名由8 个数字 组成，前6 个数字表示采样点的序号，序号不足6 位时在前面添加“0 ”， 后两个数字表示采样通道序号。文件名的后缀为“d a t ”。 为每个通道形成一个数据文件的方法如下：每个文件的头两个数为 数据文件中包含的采样数据个数和采样时间( 为以后的数据处理和分析 提供方便) ，然后在形成第1 个数据文件时，从第i 个数开始( 第0 个数 是测试通道的第二个数据) ，依次取第1 + n 个数、第1 + 2 n 个数写入该数 据文件，直至存储采样数据的数组下标越界，便形成了一个完整的数据 数据文件。如此反复，便可为每个采样通道形成一个数据文件。 天_ i 聿太学颡士学谴论文数据分析子系统的设计 第三章数据分析子系统的设计 3 1 数据分析子系统的总体设计思想 数据分析子系统是本系统的主要部分。设计该子系统的目的主要有 两个： 第一：。寻求能表征焊点质量的焊接过程中的信号，利用它能够进行电 阻点焊过程的实时控制； 第二：求得焊接条件与焊点质量之间的关系，从而为选取有助于提高 电极寿命和焊点质量的焊接条件以及进行焊接质量的判别提供参考。 实现第一个目的时采用了对信号进行数字信号处理的方法；第二个目 的则通过采用多元统计分析方法对数据库中的信息进行分析来达到。 3 2 编程语言的选择 由于本系统集数据采集和分析功能于一身，且采样数据量很大，分 析比较复杂，因此必须采用高档计算机。随着w i n d o w s 系统的普遍应用 为了跟上时代的发展，系统需采用w i n d o w s 编程它能为用户提供一个 非常友好的界面。 目前非常流行的w i n d o w s 程序的开发环境有v b 、v c 和d e l p h i 等。 其中v b 和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 的结合方面优于其它开发环境。v c 功能相对强大，既能直接访问c p u 的各个寄存器，又能访问内存的相关单元，尤其注重于编程技术细节的 运用和代码的优化，但短时间内难以掌握以至熟练运用：而v b 则摆脱了 所有底层信息的处理，它只自动地处理消息，其它的作为事件过程由编 程者自行处理，因而开发者可以快速的创建强大的应用程序而免除不必 要的细节，摆脱了传统的开发程序带来的惊人的工作量。此外，本系统 将内建数据库作为采集与分析的基础，v c 对数据库操作比较复杂，而v b 中提供的数据库访问功能比较强大，特别是对于a c c e s s 数据库的访问进 行了专门的优化和集成，因此本系统采用v b 作为主程序的编程语言。 3 3 电阻点焊数据库的设计 设计本系统的主要目的是为以后进行电阻点焊试验提供数据采集与 天津大学硕士学拉论文数据分析子系统的设计 分析的功能齐全的平台，数据的分析包括焊接参数与焊接质量之间的关 系，以及采集信号的波形特征与焊接质量之间的关系。为此必须记录 与工件材料、电极材料、焊接规范和焊接质量等相关的所有参数。另外 还必须记录每一个焊点所对应的数据文件、每个数据文件采集的信号的 类型等等。如果用数据文件的形式记录这些参数，一来数据量很大，容 易出错；三来数据文件的格式是专用的，较难理解，不利于以后开发的 程序使用。 若采用数据库，则上述问题都迎刃而解。下面简单介绍一下数据库 技术。 3 3 1 数据库技术概述 ( 1 ) 数据库技术及其应用 数据库系统是指一个计算机存储记录的系统，即它是一个计算机系统， 该系统的目标是存储信息并支持用户检索和更新所需要的信息h “ 数据库技术从6 0 年代开始，先后经历了层次型数据库、网络型数据 库和关系型数据库三个发展阶段。目前最为流行的是关系型数据库。关 系数据库使用统一的语言来定义、操纵和检查数据库，用户只需指明w h a t ( 做什么) 而无需指明h o w ( 怎么做) ，系统将自行决定如何存储和取得 数据。关系数据库使用数学方法，使得数据库技术有了一个理论基础， 对数据库技术的进一步研究成为可能。 数据库技术在很多应用领域发挥了巨大的作用，如计算机辅助设计、 图像处理、超文本应用、多媒体应用等。数据库技术的出现，为焊接领 域内各种数据和信息的管理提供了有利条件。各国焊接机构相继建立了 各种不同类型和不同用途的焊接数据库系统。数据库技术已经渗透到焊 接领域的各个方面，从原材料、焊接试验、焊接工艺直至焊接生产 4 “。 ( 2 ) 数据库的优点 与手工操作和文件系统相比，数据库的优点是明显的： a ，与手工操作相比，数据库的查询迅速、准确，而且可以节省大 量的纸面文件。 b 数据结构化且统一管理：在数据库中，数据是有结构的且由d b m s 统一管理。而在文件系统中，相互独立的文件的记录内部才是有结构的 但记录之问没有联系。这是数据库与文件系统的本质区别。 c 数据冗余小：在文件系统中，一个应用程序面对自己专用的一 个或几个数据文件，会有许多数据相重复。而数据库系统是从整体上看 天津大学硕士学位论文数据分析子系统的设计 特数据的，数据面向整个应用，从而大大减少了数据冗余，节约了存储 空间，避免了使用数据文件时所常见的由于不同的应用程序使用和修改 数据文件的不同拷贝而造成的数据的不一致。 c 1 具有较高的数据独立性：对于数据库，应用程序需处理的只是 数据的逻辑结构。这样当在计算机存储设备上的物理存储改变时，应用 程序可以不改变。这称之为“物理独立性”。甚至数据库的逻辑结构改变 了，应用程序还可以不加改变。这称为“逻辑独立性”。数据独立性是数 据库的一种特征和优点。它有利于在数据库结构改变时能保持应用程序 尽可能不改变或减少改变，这就大大的减少了应用人员的开发工作量。 e 数据库的共享性好：在数据库应用中，数据是共享的，这不仅 是某些应用程序的编写更加方便，而且冗余度小，易于维护和扩充。 3 3 2 电阻点焊数据库的设计 ( 1 ) 数据库的设计 为了达到方便进行数据分析的i i 的，并且不遗漏可能有用的信息- 同时提高数据库的性能，本系统中设计了焊接条件与质量数据库，它包 含工件材料、电极材料、焊接规范、焊接质量、数据文件信息以及为了 提高数据库规范化程度而专门设计的焊接条件等一共6 个表。如图3 1 所示。 图3 - 1 数据库袭冒体 现将各个表的组成分别介绍如下： a 工件材料表 工件材料表中包含工件材料类型、板材厚度、工件材料表面状态等 几个字段。工件材料字段是必需的。同种工件材料，若板材厚度不同， 它要求的焊接规范同样差别较大。至于工件材料的表面状态，它与焊接 m 2 2 - - 天津大学琐士学位论文 数据分折子系统的设计 规范也有关系，而且往往会对焊接质量和电极寿命产生重大影响，因此 它也不可缺少。所以，在工件材料表中，一共包含了上述3 个提供实际 信息的字段。 b 电极材料表 电极在电阻点焊过程中起着重要的作用，概括起来就是导电、导热 和传递压力。电极寿命与电极材料有着极为密切的关系，不同的电极材 料制造的电极其寿命显然会有差异。此外，电极的几何形状会对电极的 导热和散热能力产生影响，从而影响电流场、温度场和应变场的分布。 为此，除了电极材料类型之外，电极直径、电极端部形状、端部直径( 或 球面直径) 、锥角( 或球冠角) 、冷却水槽至端部距离等表示电极的几何 形状的参数都被作为电极材料表中的一个字段。 c 焊接规范表 焊接规范参数无疑对焊接质量有着最为重要的影响。一般考察的焊 接规范参数主要是焊接电流、焊接时间和焊接压力。但在实际焊接时， 还有一个焊前预压时间和焊后的保持时间这往往是保证焊接过程中不 发生飞溅、接头不产生缩孔等的重要参数。此外冷却水流量的大小对 于电极的散热和温度场的分布也有影响，故也要加以考察。所以，在焊 接规范表中包含的提供实际信息的字段为：焊接电流、焊接压力、预压 时间、焊接时间、保持时间和冷却水流量。 d 焊接质量表 接头的强度和熔核的直径是衡量焊接质量的重要参数。由于接头的 抗拉强度和剪切强度没有一个一致的关系，所以应加以区分。在实际应 用中，对焊接接头表面质量也有一定要求。压痕深度不仅对接头强度有 影响，而且也是接头外观质量的一个指标。焊接接头的裂纹也是焊接质 量的一个重要参数。此外为了在数据处理过程中考察能量曲线和能量 值与焊接质量的关系，在焊接质量参数表中还增加了能量值和功率数据 文件名两个字段。这样一来，在焊接质量表中共有7 个提供实际信息的 字段，它们分别是：熔核直径、剪切强度、抗拉强度、压痕深度、裂纹 长度、能量值和功率数据文件名。 e 数据文件信息表 数据文件信息表中包含了该数据文件的文件名、文件中数据所对应 的焊点序号和信号类型，这都是在数据分析中所必须知道的信息。为了 使多元统计分析方法能方便地获取信号的简单特征值，还加入了最大值、 天津大学壤士学位论文 数据分析于系统的设计 最小值、平均值以及微分数据文件名等几个字段。所以，在数据文件信 息表中共有7 个提供实际信息的字段：数据文件名、焊点序号、信号类 型、最大值、最小值、平均值、微分数据文件名。 f 焊接条件表 该表完全是为了使数据库的规范化程度提高、减少数据的冗余而设 计的，它包括焊接条件序号、工件材料编号、电极材料编号以及焊接规 范编号工4 个字段。 3 3 3 数据库的规范化分析 在关系模型中，一个数据库模式是关系模式的集合。关系数据库的 规范化理论( 即“模式设计理论”) 主要研究如何从多种可能的组合中 选取一个合适的、性能好的关系模式的集合作为数据库的模式，这是数 据库设计中的一个重要课题。规范化程度不高的数据库，会产生数据冗 余、存储异常的等问题。一般的数据库达到第三范式的要求即可。数据 库在满足第三范式的要求后，数据库的主要问题便是数据库是否过分规 范化。 ( 1 ) 与数据库规范化相关的一些基本概念 以下是理解数据库规范化的一些必需的基本概念。 超键：在关系模式中能唯一标识元组的属性集称为超键。 候选键：如果一个属性集能唯一标识元组，且不含有多余属性，则 该属性集称之为候选键。 主键：关系模式中用户正在使用的候选键称之为主键。 外键：如果模式斤中某属性集是其它模式的候选键，那么该属性集 对曰而言是外键。 主属性：键的属性称为主属性。 非主属性：不属于任何键的属性称为非主属性。 函数依赖：设有关系模式斤r 眇，j 和j ，是属性集的子集，f d 是 形为j 斗r 的一个命题，只要，是斤的关系，对，中任意两个元组都有 “j 值相等蕴含着j ，值相等”那么f d ：z 斗y 在关系模式斤f 叫中成立。 完全f d ：如果x r 成立，对j 的任何真子集7 都有x 斗y 不成 立则称x 专y 是完全f d ，否则称为非完全f d 。 传递f d ：如果x 呻r 和】，_ 彳成立，并且有j ，_ x 不成立，a j ， 那么称是x 斗一传递f d 。 ( 2 ) 关系数据库规范化的基本理论 - - 2 4 w jf 天津大学硬士学位论文 数据分析子系统的设计 关系模式的优劣是由模式的范式来衡量的。范式有许多种，与函数 依赖有着直接联系h ”。 第一范式：如果关系模式r 的每个关系r 的属性值都是不可分的原 子值，那么称r 是第一范式( 1 n f ) 。第一范式是关系数据库最基本的要 求，远不是理想的模式。 第二范式：若关系模式r 是1 n f ，且每个非主属性完全函数依赖于候 选键，那么称r 是2 n f 范式。 第三范式：若关系模式r 是1 n f ，且每个非主属性都不传递依赖于r 的候选键，那么称r 是3 n f 模式 ( 3 ) 焊接参数与结果数据库的规范化分析 由以上对电阻点焊数据库的介绍可以看到，每个表中的各个字段都 是不可再分的原子值，因此该数据库无疑满足第一范式的要求。 在电阻点焊数据库中，工件材料参数表的主键为工件材料序号，电 极材料参数表的主键为电极材料序号，焊接规范参数表的主键为焊接规 范序号焊接质量参数表的主键为焊点序号，数据文件信息表的主键为 数据文件名，焊接条件表的主键为焊接条件编号。可见，各个主键都为 原子值。 在工件材料参数表、电极材料参数表、焊接规范参数表以及焊接条 件表中，无论哪一个非主属性发生变化，主键都将发生变化。而在焊接 质量参数表中，非主属性也是由主键唯一确定的。因此，各个表中的非 主属性与主键之间都存在着函数依赖，且是完全函数依赖，故电阻点焊 数据库也满足第二范式的要求。 对于满足第二范式的数据库，如果它不满足第三范式的要求，则必 然在某一个表中存在两个外键且其中一个外键是以另外一个外键为主 键的表中的一个字段。在电阻点焊数据库中字段中有两个或两个以上 外键的表只有焊接条件表。它的三个非主属性一一焊接材料序号、电极 材料序号和焊接规范序号都是外键。但是，这三个属性中的两个从不在 其它的任何一个表中间时出现，更不要说在其中一个属性在以另外一个 属性为主键的表中出现了。所以本数据库满足第三范式的要求，这说明 电阻点焊数据库的设计是比较成功的。 3 3 4 数据库中数据的存储 在进行数据采集之前，需要输入焊接参数( 如图3 2 ) ，它分别与焊 一2 5 一 _ - _ _ _ _ - - _ _ - 一j 天津大学硬士学证g j z 数据分析子系统的i 蹙计 图3 2 焊接参数设置窗体 图3 - 3参数存入数据库窗体 接材料表、焊接规范表和电极材料表中的非 主关键字段相对应。在设置了焊接参数和采 样参数之后，系统将弹出窗体( 如图3 3 所 示) 将参数存储到数据库。数据库中参数存 储的流程图见图3 - 4 。 求工件材料序号、电极材料序号和焊接 规范序号和焊点序号的方法如下： 由于它们分别是焊接材料表、电极材料 表、焊接规范表和焊接质量表的关键字，因 此可以查询在这些表中是否存在除主关键字 以外的其余字段的值与输入值完全相同的记 录。若存在这样的记录，则返回该记录的主 关键字段的值：否则说明该表中无对应记 录，则在表中添加该项纪录，其主关键字的 值等于该表中原有记录的总数加l 。 3 4 数据预处理软件的设计 3 4 1 采样数据的滤波 由于点焊测试现场的干扰和噪声较大 查询工件材料、电极 材料和焊接规范表 求得工件材料序号、电极 材料序号和焊接规序号 查询焊接条件表 l 求得焊接条件序号i 查询焊接质量表 求得焊点序号并添加记录 在数据文件表中添加记录 图3 - 4 数据库写入流程 虽然采样子系统已采取了一 2 卜 。_ - r 天津六学硕士学谴论文 数据分析子系统的设计 些抗干扰措施，但仍存在一些干扰，特别是测量焊接电流时，由于强电 磁场的存在单纯的硬件抗干扰很难达到理想的效果。干扰信号的存在， 会影响电流和能量值的计算。为此，必须对采集到的信号进行滤波。 通过对本系统采集的电流和电压信号进行傅立叶变换发现，即使电 流百分率仅为1 0 ( 满负荷时焊接电流有效值为2 3 6 k a ) ，电压信号的 主要谐波频率也在2 5 0 h z 以内( 如图3 5 所示) ，在实际所用的最小焊接 规范电流百分率为8 0 时焊接电压的频谱如图3 - 6 所示。所以，本系 统选择使用截止频率为2 5 0 h z 的低通滤波器来滤除干扰信号。 善扒儿，j ，、3 0 0 j 吕? i 菩瑚； j 廿i 1 i 。，i 。 一。i 二 低通滤波器按其传递函数又可分为有限冲击响应( f i r ) 和无限冲击 响应( i i r ) 两种。f i r 滤波具有精确的线性相位，即它的相位延迟和群 延迟在整个频率段上相等且为常数，这一特性保持了信号在通频带内的 波形，而且没有相位失真。对于我们所测试的信号，希望在滤除干扰信 号的同时，在通频带内保持信号的波形所以选用f i r 滤波器进行滤波。 本系统使用傅立时级数法( 即窗函数法) 设计f i r 低通滤波器。用窗 函数法设计f i r 滤波器时，考虑的抽样点的个数对滤波器的性能有较大 影响。对于低通滤波器。要求考虑的采样点数为奇数；而且考虑的采样 点增加，能够减小过渡带宽】。因此，在采样信号个数为偶数时，去掉 最后一个信号值；而当信号个数为奇数时，则取全部信号作为滤波器设 计时考虑的采样点。 当使用传统的矩形窗进行滤波器的设计时，由于矩形窗将窗外的数 值都视为0 使得在不连续点前后的傅立叶级数得不到收敛，所以吉布斯 现象比较严重。为了减弱吉布斯现象，应选择合适的窗函数。常用的窗 函数有h a r m i n g 窗、h a r m m i n g 窗、b l a c k m a n 窗、三角形窗( 即b a r t l e t t 天津大学硕士学谴论文数据分析子系统的设计 窗) 、k a i s e r 窗和c h e b w i n 窗等。使用h a r m m i n g 窗时，能使9 9 的能量 集中于主瓣内，旁瓣受到有效的抑制，而且通带内基本没有震荡，阻带 内的纹波也较小，即它的频率特性几乎没有起伏变化的现象”。这就是 说使用h a r m m i n g 窗能有效突出通带频率内的信号，且通带频率内的信 号幅值在滤波后基本保持原来的比例关系而高频信号则得到有效滤除。 这与我们要达到的滤波效果非常符合。故本系统使用的窗函数为 一 h a r m m i n g 窗，它的时域表示式为：f ( n ) = o 5 4 一o 4 6 c o s 考等。 由于电压信号在焊接开始时有 突变，所以若从第一个点进行滤波， 由于滤波所具有的平滑作用，则滤 i 波后开始几个点的电压值会产生较 出 大的误差，如图3 7 中的曲线所示， 图中离散点为电压采样值。为此， 在对电压进行滤波时前几个点不进 行滤波。 o1 0 02 0 0 3 0 0 4 采样点序号 图3 7 对电压直接滤波的结果 在本系统中，滤波功能是通过 调用以m a t l a b 中的f i l t e r 函数为主的子程序来实现的。它以数据文件为 输入，并将转换后的数据序列写入另一数据文件。 3 4 2 电流的计算 使用感应线圈来测量电流时，它的输出电压信号是与电流变化率成 比例的。为了求焊接电流值，根据微积分知识，只需对感应线圈测出的 信号值进行积分，然后再乘以线圈的系数，这个系数等于对应于单位输 出电压的电流变化率。 从理论上来讲，每个离散的电流值就是它前面的电流变化率信号之 和乘以感应线圈系数再除以采样频率。但是，虽然已经对采集的信号进 行了滤波，但仍然会有干扰的存在。这样，在求某一点的电流值时，若 完全按照该原理计算，则越到后面计算出的电流值与实际值相差越大。 考虑到在每个半波晶闸管刚导通时的焊接电流为0 ，所以对每个半波内的 电流值通过分段积分分开计算这样可大大减少误差。 经过上述分段积分处理之后，电流值仍然是不准确的。因为在每个 半波开始时测到的电流最大变化率之前，晶闸管已经导通，从而该处的 电流并不为零。而且由于晶闸管刚导通时电流的变化率最大，所以将该 一2 8 天津太学醺士学位论文数据分析子系统的设计 处的电流认为是零引起的误差也是比较大的。 由于两个电极间的阻抗基本是纯电阻性的，所测的两电极之间的电 压与焊接电流是同相位的。因此，为了进一步减小误差，可在电压曲线 上寻找晶闸管即将关断时的零点，然后将经分段积分后得到的电流曲线 上的对应点的电流值设为零，这一半波内电流值不为零的点和第一个为 零的点( 即对应与电流最大变化率的点) 的电流值全部减去对应于电压 为零的点的电流值。如果电压 曲线上没有正好过零的点，则 取最相邻的符号相反的两个 点，设其电压值分别为“和 如，电流曲线上对应点的积分 电流值分别为 和，则按下 式计算偏移量： 口= ! 屿( 一i z ) ( 3 1 ) ih 一“2 然后将该半波所有不为零的点 和第一个零点的电流值均减去 这个偏移量，作为该点的真实 电流值。这相当于将电流曲线 沿时间轴进行了分段插值平 移。其流程图如图3 8 所示。 图3 - 8 电流计算流程 经过上述处理的电流和电压对应点的值基本可以认为是同步的，所 以可以方便地用于进行电阻和功率的计算。 3 4 3 电流的标定 在进行电阻和能量的计算时，需要知道确切的电流值的大小，这就 需要对电流进行标定。 为了进行电流的标定，使用了日本宫地电子株式会社( 现名为米亚基公 司) 生产的大电流测试仪m m 3 1 6 a 。它的电流测量范围为5 k a 9 9 9 k a ，满 刻度时测量精度为2 以内。 在进行电流的标定时，将电流测试仪的线圈与电流测试线圈放在一 起。焊接结束后，电流测试仪会给出整个焊接期间的焊接电流有效值。 通过对采集的电流信号经上述的滤波和计算之后，在计算其均方根值， 与电流测试仪给出的有效值相比较，即可得感应线圈的系数。为了减小 无津大学硬士学位论文数据分析子系统的 殳计 误差，重复测量了1 0 次，然后取其平均值作为感应线圈的系数。 3 4 4 功率、电阻与能量的计算 要进行功率与能量值的计算，必须先有电流和电压采样值。由于采 集卡在采样过程中是多路分时采样的，所以电流值和电压值并不对应于 同一时刻，而是存在一个时间差。因此若没有在计算电流时采取补偿 措施。这会对功率与能量值的计算带入误差。 在计算电流时，通过将电流值进行插值平移处理，电流和电压基本 上是同步的，所以只要将对应点的电流和电压相乘即可得功率，对应的 电压除以电流即可得电阻，对功率进行积分即可得能量。 3 4 5 简单特征值的计算 ( 1 ) 最大值的计算 最大值的计算有多种方法，最简单的是直接比较法。具体算法是： 先将第一个数设为“最大值“然后逐个向后比较，遇到比当前“最 大值”还要大的数，则改变“最大值”为该数，直至将所有数据比较完 毕。最后的“最大值”即为真正的最大值。 虽然这种算法的效率不高，但因为本系统中所处理的每个数据文件 的数据个数不会太大，对算法效率的要求不高，所以本系统采用直接比 较法求晟大值。 ( 2 ) 最小值的计算 最小值的计算与最大值的计算类似，只是开始时将第一个数设为“最 小值”，然后向后比较，遇到比当前“最小值”还小的数就设为新的“最 小值”，直到所有数比较完毕。 ( 3 ) 平均值的计算 将采样数据累加再除以数据个数即的平均值。 ( 4 ) 绝对平均值的计算 求绝对平均值，只需将数据文件中的数全部取绝对值，然后求这些 数的和，最后将和值与数据个数相除。 ( 5 ) 均方根值的计算 按照定义，将次样信号值逐个平方后求和，再除以数据个数，然后 求其平方根，即可得均方根值。 ( 6 ) 微分的计算 由数值分析方法可知，求微分只需将相邻的值相减，然后除以采样 频率。 天津大学硬学位论文数据分析子系统的设计 3 5 信号处理与分析软件的设计 直至现在，还没有找到一种比较好的用于铝合金点焊质量控制的依 据。通过查阅大量的相关资料，发现以前对这方面的研究几乎都集中在 信号的时间域。然而，由于铝合金的特殊的物理化学性质，很难通过时 间域的分析得到比较理想的结论。为此我们将尝试着从信号的频率域 寻求铝合金点焊质量控制的依据。因为对于焊接过程中发生的飞溅等不 良情况，必然引起焊接电流和电压的短时间内的较大变化。通过对这种 信号的频谱分析，应该能够发现与此对应的异常频率信号。在找出这种 频率信号之后，可以通过相关分析寻求这种波形在时间域上的一些相关 性特征，从而可以为焊接质量控制器的研究提供可行的依据。 进行频率域分析的关键在于采样系统抗干扰能力的提高。因为如果 存在其它的一些干扰，由飞溅等产生的异常频谱与干扰信号的频谱很有 可能发生重叠其信号也很有可能被干扰信号淹没，导致无法提取异常 频谱1 ”】。这就需要进一步加强各种抗干扰措施。 3 5 1 数字信号处理概述 自6 0 年代以来，随着计算机和信息学科的迅速发展，数字信号处理 技术应运而生并迅速发展，现己形成一门独立的学科体系。 简单的说，数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字计 算的方法对信号进行采集、变换、综合、估值与识别等加工处理，借以 达到提取信息和便于运用的目的。数字信号处理技术及设备具有灵活、 精确、抗干扰强、设备尺寸小、造价低、速度快等突出优点，这些都是 模拟信号处理技术与设备所无法比拟的【5 “。 众所周知，几乎所有的工程技术领域都要涉及到信号问题。这些信 号包括电的、磁的、声的、光的及生物体的等等各个方面。如何在较强 的背景噪音下提取出真正的信号或信号的特征并将其用于工程实际是信 号处理技术要完成的任务。因此可以说，信号处理几乎涉及到所有的工 程技术领域。 自1 9 6 5 年快速傅利叶变换问世以来，经过3 0 余年的发展，数字信 号处理自身已基本上形成了一套较为完善的理论体系。其理论主要包括 信号的采集、离散信号的分析、离散系统分析、信号处理中的快速算法、 信号的估值、滤波技术等等。它所涉及的信号包括确定性信号、平稳随 机信号、一维及多维信号、单通道及多通道信号。 数字信号处理一经问世，便吸引了很多学科的研究者，并把它应用 天津大学硬士学位论文 数据分析子系统的设计 于自己的研究领域。可以说，数字信号处理是应用最快、成效最为显著 的新兴学科之一。在语音、雷达、声纳、地震、图像、通信系统、系统 控制、生物医学工程、机械震动、遥感遥测、地质勘探、航空航天、电 力系统、故障检测、自动化仪器等众多领域都获得了极其广泛的应用， 它有效推动了众多工程技术领域的技术改造和学科发展。 3 5 2 信号处理与分析方法 ( 1 ) 均值的滤除 信号均值相当于一个直流分量而直流信号的傅立叶变换是在c o = 0 处的冲击函数。因此，如不去掉均值，在估计该信号得功率谱时，将在 国= 0 处出现一个很大的谱峰，会影响在6 0 = 0 左、右处的频谱曲线。信号 x ) 的均值i t ，常用下式估计： 1 必 丘，= 寺x ( n ) ( 3 - 2 ) o7 n = l ：l x 。( n ) 是x ( 玎) 的个点的记录，丘，是对x ( ”) 的真正均值，的估 计。在处理信号时，需先按上式估计出止。，然后从x 。( n ) 中把它去掉。 ( 2 ) 谱分析 在电阻点焊过程中，飞溅等的出现必然会使焊接电流、焊接电压、 焊接压力等产生突变。虽然在时域波形上，由于其出现时间短，很难察 觉到这一变化，但从频域来看，它必然产生一较大幅度、较高频率的信 号。因此通过对采集信号的离散傅立叶变换，对信号进行谱分析，可 以得出反映熔核这些缺陷产生的特征频谱。 经过对焊接电流和电压信号的频谱分析，我们发现：尽管在晶闸管 导通角较小时，焊接电流和电压信号会发生畸变，但其波形的主要谐波 分量的频率还是在4 0 - 6 0 h z 之间。因此，在进行频谱分析时，为了更容 易寻找对应于飞溅等缺陷发产生时焊接电流和电压信号出现的较高频率 的分量，需要先将焊接电流和电压本身的正常频谱滤去。为此，设计了 一高通滤波器在频谱分析前对焊接电流和电压信号原始信号进行滤波。 对于由于飞溅等原因而产生的异常频率信号，它的幅度谱和功率谱应 该会与正常信号以及干扰信号的幅度谱和功率谱有所区别，故在进行谱 分析时将只计算信号的幅度谱和功率谱。 对于我们要重点考察的异常信号在整个焊接过程中一般仅出现一 次，所以采集的信号可近似认为是非周期信号。非周期信号的离散傅立 叶变换的计算公式为 5 2 1 ： 天津大学醺士学位诧文 数据分析子系统的设计 x ( q ) = 虹一”一埘 ( 3 3 ) x ( n ) 是连续频率。的函数，又称为频谱函数，对于离散的非周期信 号就是用它来表示x ( n ) 的频谱。则信号的幅度谱为： x 0 j a j ) = r e ( 0 ”) ) 】2 + i m ( x o j 0 1 ) ) 】2 ( 3 - 4 ) 功率谱反映了单位频带信号功率的大小，它是频率的函数脚】。离散时 间信号的功率谱为： 妒，= 魉鸟掣s ， 将要进行谱分析的离散的焊接电流、焊接电压或其它信号的采样制作 为x ( n ) ，根据式( 3 - 4 ) 和式( 3 - 5 ) 可以很容易地求得所考察信号的幅 度谱和功率谱。 ( 3 ) 相关分析 电阻点焊过程中，焊接电流、焊接电压等的波形会具有一定的相关 性；焊接电流或焊接电压自身的波形在时间上也会有一定的相关性。掌 握这些相关性特征对于质量控制器的研究具有重要意义。要进行这种关 系的研究，就必须采用相关分析技术。 相关分析分为两类：互相关和自相关。 互相关研究的是两个信号x ( n ) 和y ( n ) 的相似程度。其定义为： 勺= x ( 行) y ( n )( 3 - 6 ) - 凡= e 。 ( 3 - 7 ) 其中： e ，= x 2 ( n ) y 2 ( 蚪) ( 3 - 8 ) 若要考虑x ( n ) 与经历了一段时移的y ( n ) 的在波形上的相似性，则有： ( 研) = x ( 订) y ( 一+ 埘) ( 3 9 ) 如果x ( n ) = y ( 厅) ，则上述函数就变成自相关函数： k ( 州) = 工( 叻工( 厅+ m ) ( 3 - 1 0 ) 它反映了x ( n ) 和其自身做了一段延迟之后的x ( n4 - m ) 的相似程度。根 据维纳一辛钦定理，有： 天津大学礤士学证论文数据分析子系统的设计 s ( e 。) = r ( m ) e “” ( 3 - 1 1 ) l 即功率信号的自相关函数与其功率谱是一对付立叶变换对。 因此若需要研究焊接电流自身经过一段时间后波形的相似性，只 需将电流信号的采样制作为x ( n ) ，按式( 3 一1 0 ) 进行计算即可。若要考 察焊接电流和焊接电压波形的相似性，只需将一个信号的采样值作为 x o ) ，另一个作为y ( 哟，按式( 3 - 9 ) 进行计算。 3 5 3 信号处理方法的m a t l a b 实现 ( 1 )m a t l a b 简介 m a t l a b 是m a t h w o r k s 公司推出的一种面向工程和科学运算的交互式 计算机软件。它于1 9 8 4 年作为线性系统的的一种分析和仿真工具被正式 作为产品推出。近年来，m a t l a b 的版本不断升级，其所含工具箱的功能 越来越丰富，工具越来越多，因此应用也越来越广泛，由最初的偏重于 自动控制领域逐步向信号处理以及工程问题求解等领域发展，现已广泛 应用于生物医学工程、图像信号处理、语言信号处理、信号分析、时间 序列分析、控制论和系统论等领域【6 “” 。 虽然m a t l a b 本身是一个完整的程序开发和数据处理环境，但由于自 身存在的一些不足，经常需要与其它的软件交互协同工作。m a t l a b 提供 了一系列同外部程序的接口方法。这些应用程序接口是m a t l a b 为用户提 供的一个功能完善的函数库，它包括了大量的m a t l a b 与c 语言和f o r t r a n 语言之间的接口函数，是m a t l a b 一个非常重要的组成部分阽。 m a t l a b 应用程序接口中最方便的是利用a c t i v e x 同m a t l a b 交互。 m a t l a b 很好地实现了a c t iv e x 接口，它同时支持a c t i v e 客户和服务器。 当它作为a c t i v e 服务器时，就可以被任何可作为a c t i r e 容器的w in d o w s 程序加载并控制。在本系统中，将把m a t l a b 作为a c t jv e 服务器使用。 ( 2 ) 数据处理方法的m a t l a b 实现 m a t l a b 中带有多个工具箱，其中之一为数字信号处理工具箱。利用 m a t l a b 信号处理工具箱，能够进行滤波器的分析与设计、线性系统建模、 信号变换以及统计信号处理等各种对数字信号的处理p ”。 本系统设计时，充分利用了m a t l a b 数字信号处理工具箱中的函数。 这些函数功能强大，只要合理地设置这些函数的参数，一般不许额外语 句便可完成简单谱分析和相关分析的任务。本系统中通过编写带有输入 和输出参数的、以这些函数为主的m 文件实现了数据分析软件中数字 天津大学礤士学位论文数据分析子系统的设计 信号处理部分的设计。 i 谱分析 要进行谱分析，需先对信号进行傅立叶变换。在m a t l a b 中，使用快 速傅立叶变换( f f t ) 进行离散傅立叶变换( d f t ) ，它是对d f t 进行快 速计算的一种有效算法。 工具箱提供了m 函数计算离散傅立叶变换。输入序列x 与其变换的 关系为： n i x ( k + 1 ) = 乏：工( ，z + 1 ) 阡玄 ( 3 _ 1 2 ) ， ”o f 2 、 其中：= p ” ( 3 1 3 ) m 的执行