（材料加工工程专业论文）焊接过程光电信息测试分析系统的研制及应用.pdf

至兰查兰竺主兰兰兰查 一竺三 摘要 f 氐成本自动化焊接是我国焊接生产发展的需要，同时对焊接技术提出了更高要求， 其审要求焊接制造过程中尽量减少人为因素的负面影响。焊接质量的监测作为焊接生 产中的一个重要环节，同样要求其更仪器化、客观化和智能化。而这一切的关键在于 焊接过程中信息的获取、传输、存储、处理与分析，即焊接信号的测试分析。叶 本文建立了基于软件的焊接过程光电信号的测试分析系统，利用v i s u a lb a s i c 语言 开发了测试分析软件，使其即有通用性，又有专用性。( 该系统不但能够高速准确采集 多路信号，且具有记忆示波器的功能，同时能控制d a 输出，用于实现同步高速摄影， 还可以对焊接电弧光电信号进行以小波滤波为主的数据预处理，以及信号的信号幅值一 时间分析、瞬时u 1 分析和统计分析。 本测试分析软件界面友好，操作简便，功能强大。文中对系统的各个组成部分以及 整个系统进行了可靠性分析。结果证明本测试分析系统的可靠性已达到要求，可以用 于实际焊接光电信号的测试分析。木、 本文对几种常用硬件和软件滤波方法作了介绍，并详细阐述了小波滤波方法的滤波 原理。通过实验比较，确定选择小波滤波为主要滤波方法。 ( 论文中研究了用u i 图分析和统计分析提取一些特征信息，这些特征信息真实反映 了由于电感变化而造成的c o ，气体保护焊焊接工艺性能的变化以及由于焊条类型、药 皮成分不同而造成的焊接工艺性能的变化。4 本文建立了同步高速摄影实验系统，进行c o ，气体保护焊熔滴短路过渡和a r 气保 护脉冲m i g 焊一脉一滴控制同步高速摄影的研究。【同步高速摄影的实现为焊接过程分 析提供了有用的实验工具，通过分析电弧电压、焊接电流、电弧光谱波形与高速摄影 照片上的熔滴及电弧形态，可望提出新的焊接工艺，建立新的控制方法以及改进焊机 性能。 实验表明，本测试分析系统为焊接过程信号的测试分析提供了有力工具，为焊接过 程工艺性能的改善和焊接过程质量的提高提供了更有效的分析方法，可望用于焊机性 能、焊条工艺性能、焊接过程质量的评定和改进。义 、 。|o 关键词：测试分析系统：。软件：滤波：统计分析：u i 图分析：同步高速摄影 童懿；i 赴。，1 、巍，穗湛瑟扛。，弧 a b s t r a c t l o wc o s ta u t o m a t i o ni nw e l d i n gp r o c e s sh a sp u tf o r w a r dh i g h e rr e q u i r et ow e l d i n g t e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yr e d u c i n gt h en e g a t i v ei n f l u e n c e o fm a n m a d e a sa l li m p o r t a n tp a r to f w e l d i n gp r o c e s s ，t h ei n s p e c t i n g o fw e l d i n gq u a l i t yh a v et ob em o r ei n s t r u m e n t a l ，m o r e o b j e c t i v ea n dm o r ei n t e l l i g e n t a n da l l i na l l ，i td e p e n d so nt h et e s t i n ga n da n a l y s i so ft h e s i g n a lo f w e l d i n gp r o c e s s ，i n c l u d i n ga c q u i s i t i o n ，t r a n s m i t ，s t o r a g e ，d i s p o s a la n d a n a l y s i so f t h e d a t a t h es a m p l i n gc h a n n e l sa n dt h ea n a l y s i sm e t h o d so ft h ee x i s t i n gt e s t i n ga n da t t a l y s s a p p a r a t u so f w e l d i n gp r o c e s sa r el i m i t e d ，a n dt h e i r c o s ta r et o oh i g hb e c a u s eo f t h e i rp r o p e r t y r i g h to fk n o w l e d g e s ow eh a v et os e tu p as y s t e mo f t e s t i n ga n da n a l y s i so f e l e c t r o n i ca n d s p e c t r a ls i g n a li nw e l d i n gp r o c e s s i tb a s e so na ne x e c u t i v ep r o g r a md e v e l o p e db yv i s u a l b a s i c t h es y s t e mn o to n l yi sc u r r e n c y , b u ta l s oh a si t so w ns p e c i a l i t y i tc a ns a m p l es i g n a l a c c u r a t e l yi nv e r yh i g hs p e e d ，c a no u t p u ta n a l o gs i g n a lt oc o n t r o lo t h e rd e v i c e st oc a r r yo u t h i g h - s p e e dp h o t o g r a p hs y n c h r o n o u s a f t e rp r e t r e a t m e n t ，d e a l i n gw i t hw a v e l e ta n a l y s i s ，t h e a c q u i r e dd a t a c a nb ea n a l y z e db ya m p l i t u d e - t i m ea n a l y s i s ，v o l t a g e - c u r r e n ta n a l y s i sa n d s t a t i s t i ca n a l y s i s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，u s i n gv o l m g e c u r r e n ta n a l y s i sa n ds t a t i s t i ca n a l y s i st oe x t r a c tt h e c h a r a c t e r i s t i ci n f o r m a t i o ni ss t u d i e d t h ec h a r a c t e r i s t i ci n f o r m a t i o nc a nr e f l e c tt h ei n f l u e n c e o ft h ei n d u c t a n c eo fw e l d i n gs o n r c ea n dt h et y p eo fe l e c t r o d e o b v i o u s l ya n dr e g u l a r l y a c c o r d i n gt ot h e s e ，t h es y s t e mc a nb eu s e dt o a c c e s sa n do p t i m i z et h ep e r f o r m a n c eo f w e l d i n gs o u r c e ，a n dt oa c c e s sa n di m p r o v ew e l d i n gp r o p e r t i e s t oo b t a i ni d e a le f f e c t ，t h eo r i g i n a ld a t am u s tb ep r e t r e a t e d ，d e n o i s i n g i nt h ed i s s e r t a t i o n ， s o m ef a m i l i a rm e t h o d sa r ei n t r o d u c e da n da r ec o m p a r e di ne x p e r i m e n t s t h er e s u l ts h o w st h a t t h ew a v e l e t d e - n o i s i n gm e t h o d i sm o r ee f f e c t i v e i ng e n e r a lc o n d i t i o n ，t h ec o m b i n a t i o no ft h e s o f t w a r em e t h o da n dt h eh a r d w a r em e t h o dc a n g e t t h ei d e a le f f e c t t h e h i g h s p e e dp h o t o g r a p hs y n c h r o n o u si nc 0 2g a ss h i e l d e dw e l d i n g a n dm e t a lt r a n s f e r w a v e f o r mc o n t r o li np u l s e dm i gw e l d i n ga r ed i s c u s s e di nt h el a s t c h a p t e na c c o r d i n gt o a n a l y z i n g t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ee l e c t r i cw a v e f o r m ，s p e c t r a lw a v e f o r ma n dt h ei m a g eo f t h ew e l d i n ga r co nt h ef i l m ，i tc a nb eu s e di nt h ep u t t i n gf o r w a r do f n e w w e l d i n gp r o c e d u r e ，i n t h e s e t t i n g u p o f n e wc o n t r o l m e t h o d ，a n d i n t h e i m p r o v e m e n t o f w e l d i n g s e t k e y w o r d s ：t e s t i n g a n d a n a l y s i ss y s t e m s o f t w a r e ；d e - n o i s i n g ：s t a t i s t i ca n a l y s i s ； v o l t a g e c u r r e n ta n a l y s i s ；h i g h s p e e dp h o t o g r a p hs y n c h r o n o u s ” + 澎囊确赢j i5 巍i ，蠡基薹囊螽鬣瓤巍：， 圣兰查竺竺兰兰兰兰圭一土= ! 。丝! 第一章绪论 lo l 焊接信号测试分析系统的研究现状 焊接作为一种基本的加工方法，在现代化工业生产中占有重要的地位，焊接过程的 质量和效率直接影响产品的成本和利润。近十年来，随着现代科学技术和电子电力技 术的飞速发展，我国焊接生产的机械化、自动化水平有了较明显的提高，其象征为自 动焊特别是机器人自动焊的应用范围在日益扩大。在我国焊接机械化、自动化水平提 高的同时，对现代焊接技术也提出了更高的要求。但在焊接过程中，操作者的不断观 察和调整是不可缺少的，焊接质量仍在一定程度上受操作者的技术、体力和责任心的 影响。实施焊接自动化就是要大量采用新技术以减少人为因素对焊接过程带来的负面 影响，使整个焊接制造过程更趋于集成化、智能化、柔性化且成本低口l 。焊接质量的 监测是焊接生产自动化过程中必不可少的一个重要环节，因此实施焊接自动化包含使 焊接质量的监测更加仪器化、客观化和智能化，以减少人为因素对焊接质量监测的影 响，取代以往由有经验的焊工根据焊接过程稳定性和焊缝成形来评判焊接质量的方法。 而这一切的关键在于焊接过程中信息的获取、传输、存储、处理与分析，即焊接信号 的测试分析。 1 1 1 焊接电弧信息的检测方法 在焊接电弧中包含着大量有关焊接过程稳定性、飞溅大小和焊缝成形好坏等信息， 并通过一定的载体体现出来。可以作为其载体的有焊接电弧及熔滴影像、焊接电弧电 信号、焊接电弧光信号及焊接过程中的声音信号等。针对不同的信息载体，现有的检 测方法可分为高速摄影摄像法、电弧电信号检测法、电弧光谱检测法、电弧光强检测 法、电弧声音检测法等等。 高速摄影，摄像法：高速摄影法作为获取焊接电弧及熔滴过渡影像的检测方法，可 将一个高速运动过程或高速瞬间过程的空间信息和时间信息记录下来，能够清晰的电 录处于动态过程的焊接电弧及熔滴的形态和影像，具有直观、形象、精确等优点，但 实时性欠佳。高速摄像法是以高速摄像机替代高速摄影机，与高速摄影法相比，省却 了冲洗胶片的工作，记录结果可以直接在监视器上显示，其工作原理和记录手段也有 了长足的进步，但其系统价格昂贵。虽然实时性也较高速摄影法有一定的进步，但离 低成本自动化仍有一定差距。 j 瓤、， + 。一一；t 、孓劳_ 鑫巍遴鬈淼蕊 臻w ；漱滋鎏戳臻趱瓣 墨兰查兰翌圭竺竺兰圭 二二= 电弧电信号检测法：即采用焊接过程中电弧本身所具有的电压、电流作为信号源。 以电弧电压和焊接电流作为信号源不但简单方便，易于获取，而且电弧电压、焊接电 流是瞬息多变的非平稳信号，其中包含了表征焊接电弧物理现象的丰富信息，如熔滴 的短路，电弧的重燃，断弧，跳弧，焊接过程的稳定性以及飞溅大小等等，因此得到 广泛的应用。 电弧光谱检测法：以电弧光为信息源，将复合光分解( 或称为色散) 为光谱，然 后加以选频，从而使信息量大大增加，信号品质也大大提高。由于电弧光辐射信号直 接取自电弧，因此其信息量丰富，灵敏度高，选择性好，无介入性，抗干扰能力强， 时空分辨率高，是一种有效的检测方法。 电弧光强检测法：该方法与电弧光谱检测法类似，也是以电弧光为信息源，但以 电弧的平均光强为研究对象，研究不同焊接方法中焊接熔滴过渡所伴随的弧光闪烁的 情况，适合用于短路过渡的焊接条件。当用于自由过渡特别是用于射流过渡时，由于 其信噪比比较小，应用范围受到限制。 电弧声音检测法：以声音为信息源。对于不同的熔滴过渡形式，电弧音频信号特 征有所差别，但这些特征差别与内在焊接过程的对应规律并不显著，因此检测结果并 不理想1 3 】。 综上所述，上述检测方法各有优缺点，由于焊接信号的复杂性和特殊性，应根据 实际情况选择合适的检测方法。 1 1 2 信号分析方法 通过一定的检测方法得到所需信号后，还要对其进行分析，以便提取其中有关焊 接过程稳定性，飞溅大小和焊缝成形等信息。信号分析主要是寻找简单有效的信号变 换方法，使信号中所包含的重要信息特征显示出来。对于信号的分析包括时域、频域 和时频域分析。信号幅值( 例如电弧电压、焊接电流、电弧光谱) 时间，瞬时u i 图 和统计分析都属于时域分析；将信号的时域描述通过数学处理变换为频域分析的方法 称为频谱分析，它可以清楚显示一些在时间域内难以观察的规律。但对于一些信号， 希望能够同时进行时间频率局域性分析，小波分析的出现满足了分析方法发展的需 求。 信号幅值- 时间图：信号幅值- 时间图是最基本的时域分析，又称波形分析，是用信 号的幅值随时间变化的图形来表征，可以得到信号任意时刻的瞬时值以及最大值、最 - 2 - 、 、 ：- 一 。，以； 懑菇瓣? 虹_ 纛l _ 5 蠢_ ，罐菇滋，豢袋，：蛀 墨兰查兰竺主兰兰兰圭 一( 二2 兰兰 小值等1 4 】。通过观察信号幅值一时问图，分析信号值( 例如电弧电压、焊接电流、电弧 光谱) 随时阳j 的变化情况，可以分析焊接电弧的物理变化，简单判断熔滴过渡的均匀 性和焊接电弧的稳定性。 瞬时u i 图：u i 曲线图是将电弧电压、焊接电 流信号综合在同一坐标平面图中显示出来，横坐标 为焊接电流，纵坐标为电弧电压，如图l - 1 所示。该 图为c o ，焊短路过渡典型u i 图。根据焊接过程大 致可分为4 个区域。b c 段对应短路阶段，在该阶段 电压低，电流快速增加：c d 段对应电弧重新点燃阶 段，电弧电压快速增加；d a 段对应燃弧阶段：a b 段对应熔滴开始短路阶段，随着熔滴的增大与熔池 接触，电压快速下降稳定的短路过渡在u i 图上 表现为规则的平行四边形，偏离a b c d 线簇集中位 置的线条体现了熔滴过渡的不规则现象例。瞬时u i 图1 - 1 短路过渡典型u i 图 f i g 1 1v o l t a g e - c u r r e n td i a g r a mo f s h o r tc i r c u i tm e t a lt r a n s f e r 图反映了整个焊接的动态过程，其中蕴含有丰富的焊接过程工艺性能以及焊接电源特 性相关的信息。可以用来评价焊接电源以及焊接材料的工艺性能，并可用于分析焊接 电源特性对焊接过程的影响。 统计分析：统计分析是对焊接电弧电信号的各种参数进行统计，得到各参数的概 率分布规律，通过对统计结果进行分析，提取其中有关焊接过程优劣的特征信息。对 于焊接过程电信号，进行统计分析的变量主要有：电弧电压幅值、焊接电流幅值、短 路时间、燃弧时间、周期时间，上述变量经统计分析后，可以得到平均值、标准偏差、 变异系数、分布的最大值、众数、事件总数、最大值和最小值等基本统计信息。此外， 针对各统计变最的特点，我们能够得到下列统计分布：电弧电压概率密度分布，焊接 电流概率密度分布，短路时间频率分布，燃弧时间频率分布，周期时间频率分布( 6 j 。 频谱分析：根据信号的性质及变换方法不同，可以表示为幅值谱、相位谱、功率 谱、幅值谱密度、能量谱密度、功率谱密度等。实际中多采用功率谱分析，可用于焊 接信号的滤波、消噪等预处理，还能从电弧电压、焊接电流信号中检测出高次谐波信 号。 小波分析：焊接电信号作为种非平稳信号，对于高频和低频部分有不同的要求， 希望在低频部分有高的频率分辨率，低的时间分辨率；在高频部分有低的频率分辨率， 高的时间分辨率。小波分析是从快速傅立叶分析的基础上发展起来的。加窗傅立时变 3 。j 节i 一， 蠢l 箍i 。蒸爨鑫盛“氛，。 至兰查兰竺主兰兰兰圭 一j 二土兰兰 换虽然可以同时对信号的时间特性和频谱特性进行分析，但根据测不准原理，时间分 辨率和频率分辨率不可能同时达到最佳，只适合分析所有特征尺度大致相同的各种过 程，窗口没有自适应性，不适于分析多尺度信号过程和突变过程，且其离散形式没有 正交展丌，难于实现高效算法，这些缺点大大限制了窗口傅立时变换的应用。而小波 分析的基本思想是通过一族函数去表示或逼近信号，这一族函数称为小波函数系，它 由一基本小波的不同尺度的平移和伸缩构成。通过不断改变尺度将函数的奇异点、信 号的突变或图像的轮廓、细节逐级放大，它具有良好的时频局域特性，可以对信号进 行细致的分析，被称为“数学显微镜”，非常适用于分析时变非平稳信号。小波分析可 用于信号处理的很多方面，如滤波、时频分析及奇异性分析卜”1 。 上述分析方法各有所长，在进行信号分析时应根据需要选择相应分析方法，综合 其长处，以提取更多的特征信息。 1 1 3 国内外焊接过程测试分析仪的发展及研究现状 图i - 2 测试分析过程方框图 f i g 1 - 2b l o c ko f t e s t i n ga n da n a l y s i sp r o c e d u r e 图l - 2 为测试分析的常用过程。按照信号的物理性质，可分为非电信号和电信号 两大类，焊接电弧光信号为典型的非电信号，电弧电压和焊接电流为典型的电信号。 在工程中常常将各种非电物理量变换为电信号，以利于信息的传输、存贮和处理。 对电信号的传统测试方法是采用指针式仪表或者是采用示波器。采用指针式仪表 仅能读取个别离散的数据，不具有存储、分析测试数据的能力，后续工作烦琐且计算 量大。而采用示波器，虽能获得信号波形，但后续大量繁琐费时的计算工作却必须由 人工进行，这必然使所获得的测试数据存在较大的人为误差。随着电子技术的发展， 现代示波器虽可以集捕获、显示、测量、分析、存储于一体，具有较高的智能化，但 采集通道少，采样时间短，获取数据量小，分析方法有限，且价格昂贵，所以在焊接 过程测试的应用方面受到一定限制。 电子线路测试装置可以采集、传输、记录焊接电弧信号波形，但这类装置由于硬 件电路不易改变，功能相对单一，一套装置只能测试记录相应的某些参数，适应性较 差。 上世纪8 0 年代以来，电子技术、计算机技术的发展非常迅速，出现了许多功能强 大、可视性强的高级语言，诸如v b 、v c 、d e l p h i 、c + + b u i l d e r 等，近几年来，更是 随着网络的发展，测试仪器越来越注重软件系统的开发，数据采集和信号处理软件的 - 4 i i 艇；l 蠢菇矗瓤i 蠢蠢甄；蠢蠡l 速骐，l i镕蕊罐；蓬纨：越瓤巍蠢弛；懑瀚滋霪蕊 越毽 至兰查兰竺主竺兰兰查三竺 概念突破了传统的测试分析仪器只能由生产厂家定义，用户无法改变的局面，实现了 向虚拟( v i ，v i r t u a l i n s t r u m e n t s ) 仪器和卡泰( c a t a i ，c o m p u t e r a c q u i s i t i o n t e s t a n a l y s i s i n s t r u i l l e n t s ) 仪器的转变。虚拟仪器的主要功能可由数据采集、数据测试和分析、结果 输出显示三大部分组成，其中数据分析和结果输出完全可由基于计算机的软件系统来 完成，只要另外提供一定的数据采集硬件，就可 构成由计算机组成的测量仪器。其基本构成如图 1 3 所示。 其中各功能软件具有测试分析仪器功能，位 于中心地位。计算机及附件是心脏和动力。数据 采集卡是左右手，传感器是左右腿。与传统仪器 相比，虚拟仪器开发和维护费用低，技术更新周 期短，软件是关键，价格低，开放灵活与计算机 同步，可重复使用和重新配置，可用网络联络周 边各仪器，易于实现自动化、智能化及远距离传 输，其应用具有十分光明的前景1 1 3 i 。 图1 - 3 v i 构成示意图 f i g 1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f v l 国内外在焊接参数测量和监测方面做了大量工作，并开发了相应的分析仪器。如 美国的c r c 公司、梅利克公司、l i n d e 公司、英国的0 l s 公司、德国s t r u n k 公 司和汉诺威工业大学，以及国内的船舶工业总公司、哈尔滨工业大学、黎明机械公司、 哈尔滨焊接研究所等均开发了多种参数测量分析仪。从国外来看，具有代表性的主要 有，m i r a 研制的焊接过程稳定性分析仪，该系统通过多元回归技术统计分析，确立波 形参数和电弧稳定性的关系，并建立了一种稳定性指数表达式【1 4 1 ；德国的汉诺威工业 大学d r e h f e l d t 教授研制的一种焊接过程测试分析仪，可记录和再现电弧电压、焊接 电流波形，并可进行统计分析i ”i 。从国内来看，具有代表性的是哈尔滨焊接研究所研 制的d h c c 2 型焊接参数测试仪，其测量打印参数多，轻便小巧，可同时采集4 路信 号1 ”j ：还有北京石油化工学院研制的针对c 0 2 弧焊过程的检测分析系统f i ”。 1 2 选题意义 综合来看，上述测试分析仪的采集通道少，且分析方法不全面，可扩充性、灵活 性较小，另外涉及到知识产权问题，价格昂贵。因此需要建立自己的测试分析系统， 研制相应的测试分析仪，使其即有通用性，又有专用性。 基于1 1 2 节中所述各上述检测方法的优缺点。选择高速摄影法、电弧电信号检测 法和电弧光谱检测法为焊接电弧信息检测方法，而且希望找到一种有效的介质，将焊 接电弧影像和焊接电弧光电信号联系起来，实现高速摄影与光电信号采集的同步，充 分利用高速摄影可以客观形象记录焊接电弧及熔滴时空信息，焊接电弧电信号检测法 5 - 莲；l 溢塞窑i 锺瓤i 。瘴；菇i l 女i i ；l l i i 鬣：g ；基= i ， 至兰查兰! 主竺兰竺查 兰! ! 竺 易于采集、光谱法可控性好的优点，通过研究分析不同焊接参数下焊接电流、电弧电 压、光谱信号及其对应的焊接电弧及熔滴的物理现象以及相互之间的关系，为提出新 的熔滴过渡控制方法，优化焊接参数，寻找及发展新的检测方法，开发新的焊接工艺 奠定基础。 从指针式仪表、传统示波器到具有专用功能的单片机再到基于软件的测试系统， 测试手段的发展趋势说明基于软件的测试系统具有优于传统仪器开发和维护费用低， 技术更新周期短、价格低，开放灵活与计算机同步，便于重复使用和重新配置，可用 网络联络周边各仪器，易于实现自动化、智能化及远距离传输等优点，因此应充分利 用现有各种检测方法和数理手段，开发出更便捷、更实时、功能更强大的基于软件的 焊接过程光电信号测试分析系统。该系统不但具有记忆示波器的功能，而且能控制d a 输出，同时又可以对焊接电弧光电信号进行时域( 信号幅值时间、瞬时u i 、统计分 析) 、时频域( 小波分析) 分析，提取其中表征焊接过程稳定性的特征信息，用于焊接 工艺、焊接材料和焊机性能的优化，以提高焊接质量和焊接成形，使其更好的服务于 工业生产。 1 3 本研究的主要内容 一建立焊接过程光电信号测试分析系统，开发一套测试分析软件，主要能够完成 以下功能： 1 具有良好的界面，操作简单方便： 2 同时高速准确采集电弧电压、焊接电流、电弧光谱等多路信号： 3 实现电弧光电信号采集与高速摄影的同步； 4 对数据进行预处理： 5 采用数理手段处理分析数据，从中提取能够反映焊接过程优劣的特征信息； 6 将分析结果以图表等直观的方式表示出来； 7 存储测试及分析结果： 8 所开发的测试分析软件开放、灵活可扩充，并可进行二次开发。 二建立实验装置，验证软件功能，并应用所开发的测试分析系统： 1 对c 0 2 弧焊电源焊接过程工艺性能进行评定； 2 对不同类型药皮焊条的焊接工艺性能进行比较； 3 进行c 0 2 气体保护焊、脉冲m i g 焊同步高速摄影联合信息分析的实验研究。 6 - 。 ”- 巍趱i 髓女。纛l 庭融，鬣建漱离遵蘸 ， 至兰查兰竺主兰兰兰查 ! 三! 兰兰兰兰兰兰兰兰竺兰兰竺至竺 第二章焊接过程光电信号测试分析系统 本焊接过程光电信号测试分析系统由硬件和软件两部分组成，硬件部分主要包括 传感器、数据采集卡、计算机及其附件，软件部分主要指测试分析软件。其结构框图 如图2 。l 所示。硬件部分主要涉及焊接电弧光电信号的传感、信号调理、模拟量输入 ( a d ) 、大量数据的高速传输存贮、模拟量输出( d a ) 控制及高速摄影打点与采样 同步等。而软件部分即测试分析软件的开发，充分利用w i n d o w s 系统和数据采集卡所 提供的库函数，编写出界面友好、开放灵活且功能强大的软件。软件开发与硬件采集 部分的相对独立，增加了整个测试分析系统开放性、灵活性，可随时根据需要扩充软 件功能。提高硬件控制性能。 图2 - i 焊接过程光电信号测试分析系统 f i g 2 - ld i a g r a mo f t e s t i n ga n da n a l y s i ss y s t e mf o rs p c c t r a la n d e l e c t r o n i cs i g n a lo f w e l d i n g p r o c e s s 2 1 焊接过程光电信号测试分析系统硬件部分 测试分析系统硬件部分的功能主要是通过传感器将焊接电弧光电信号转换为幅值 合适的电压信号传输至数据采集卡，电压模拟信号经数模转换器转换成数字信号后存 储于计算机内，以各处理和显示及后续的信号分析。在高速采集焊接电弧光电信号的 同时，数据采集卡可以输出高速摄影同步控制脉冲，以启动高速摄影胶片加速和打点 装置，实现高速摄影与信号采集的同步。 2 1 1 传感器 传感器作为种转换装置，可以将焊接电弧电压、焊接电流、电弧光谱信号转换 为电信号，传送给数据采集卡，最后送至计算机进行分析处理。因此传感器的性能是 能否采集到精确信号的关键。本测试系统包括三种传感器：电流传感器、电压传感器 和光谱传感器。 7 - 燃i i 曩；。；、蠢& ，囊蕊猫螽；款。：矗； 墨兰查兰竺主兰竺竺查 ! 三12 兰兰兰兰兰竺兰竺兰兰竺竺 电流传感器采用有源霍尔效应电流传感器。其检测原理是利用霍尔效应，将一f ：作 电流转化为测量电流，并经过放大，再转换为电压模拟信号输入给计算机。电压传感 器的检测原理是将电弧电压信号经过电阻转换为电流，然后通过小电流霍尔效应传感 器进行检测，再经过转换电路转换为电压信号。由于霍尔元件具有静止状态下感受磁 场的独特能力，而且体积小，结构简单，灵敏度高，频率响应宽，动态范围大，寿命 长及无接触，所以霍尔传感器具有其它同类传感器不可比拟的优点【4 l 。 最初的电弧光谱传感器是由光学成像系统、光栅色散系统和光电转换系统三部分 组成。其原理是待测脉冲电弧光首先经光学成像系统的聚焦成像后，进入光栅光谱仪 的色散系统，分离成一根根分立的光谱谱线。根据所选择的最能反映熔滴过渡规律的 光谱特征谱线，经由光电转换器获得响应速度和幅度均能满足控制要求的电信号。其 光学成像系统原理图如2 2 所示。 图2 - 2 光学成像系统原理图 f i g 2 - 2i l l u s t r a t i o no f o p t i ci m a g i n ga p p a r a t u s 可以看出由光学成像系统、光栅色散系统和光电转换系统系统组成的光谱传感器 体积大且结构复杂，因此其应用受到限制。可以用狭缝代替原有复杂的光路取像系统， 只有平行于这个通道的电弧光才能通过此狭缝，这样我们就可以得到特定的电弧光谱 信息，从而简化了复杂的光路系统。另外采用了窄带干涉滤光片代替原有的光谱仪， 窄带干涉滤光片限定了可通过信号的范围，从而截取到所需光谱信号。由此设计出的 小型化光谱传感器，既能达到使用性能的要求，又利于推广应用。 2 1 2 数据采集卡 选择数据采集卡应基于五个主要指标：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、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，还是其它目的。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、采样 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。 由于本测试分析系统主要用于实验室研究，至少要采集电弧电压、焊接电流、电 - 8 “，。 17 i 。 嫩蠡缘i 。矗i ；虢如。蕊蕊女运鑫蕊鎏纛l i ，。，二 至兰查兰竺圭兰竺兰查 ! 三! 兰兰兰兰兰兰竺兰翌苎兰竺! ! 兰 弧光谱三路信号，并且有可能同时用于两台焊机的测试分析，所以通道数至少应6 。 同时需要对电机或其它设备进行控制，因此采集卡应具备d a 输出功能。而采样频率 必须遵守采样定理，即采样频率c o 。( 2 t ，) 或，s ( i l ) 必须大于信号工( t ) 中的最高频率 u 。的两倍，即( i ) ；2 u 。或，2 ，m ”。电弧电压、焊接电流信号的频率最大可达3 0 0 h z ， 因此采样频率必须大于等于6 0 0 h z 。假设总的采样通道数为n ，则数据采集卡的采样频 率必须大于等于6 0 0 nh z 。本数据采集卡的厂家、型号及性能如表2 - 1 所示【l ”。 表2 1 数据采集卡的厂家、型号及性能 t a b l e 2 - ii n t r o d u c t i o no f d a t aa c q u i s i t i o nc a r d 厂家与型号研华( a d v 州t e c h ) p c l i s 0 0 性能 1 2 位a d 转换器 6 路单端或8 路差分输入 采样频率达3 3 0 k s s c c 增益可编程的单极性或双极性输入 2 路1 2 位双缓冲模拟量输出通道 由表2 1 可知，采样通道数最大为1 6 ，采样频率3 3 0 0 0 0 h z 6 0 0 1 6 = 9 6 0 0 h z ，达 到要求：另有2 路通道可进行d a 输出，本数据采集卡符合要求。多个信号的输入方 法可分为单端输入和差分输入。在实际采集数据通常选用差分输入。这是因为差分输 入的抗干扰能力强，而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。 2 1 3 计算机及其附件 计算机是连接硬件部分与软件部分的纽带。计算机及其附件具有运行速度极快的 c p u 处理器及高性能、商分辨率的显示器和外挂内置光盘硬盘驱动器及打印机等附件， 其内存大适用于存储采集到的信号数据。计算机内配有完全支持数据采集卡驱动软件 的的w i n 9 8 操作系统和m i 翎联mv b ( v i s u a lb a s i c ) 开发软件，文件处理软件及其他 辅助软件。 2 2 焊接过程光电信号测试分析系统软件部分 任何数据采集及控制系统都需要软件来配合。对于数据采集控制系统的编程可以 用以下三种方法来完成：硬件级编程、驱动程序级编程和软件包级编程。 在硬件级编程中，可直接对硬件寄存器进行编程。作到这一点，必须确定写在硬 件寄存器中的控制代码的值。必须使用能够提供低级位控制函数的语言进行编程如 c 语言或汇编语言。这样做很复杂而且要花费很多时间。 在驱动程序级编程中，可简单的调用硬件设备制造商提供的库文件中的高级函数。 这些函数将完整的任务，如a i d 转换，封装在一个可调用的模块中。可以直接使用v c ， 9 j 燃，& 能、i 缢t 。i 蠢，。，蕊蠢羹j 遮藏、挺 v b ，d e l p h i 以及c + + b u i l d e r 等高级语言来进行编程。 在软件包级编程中，采集卡自身所提供的应用程序将帮助用户完成工作，只需简 单地告诉它如何去做。软件包将数据分析，显示以及设备控制能力集成在一个界面中。 但这种编程方式的缺点在于，有时必须放弃一些功能来满足控件参数的要求，其灵活 性和可扩展性不如驱动程序级编程【l ”。 本测试分析软件选用v b 作为开发工具进行驱动程序级编程。因为与其它编程软件 相比，v b 继承了b a s i c 简单易用的特点；适用于w i n d o w s 环境下快速编程；采用可视 化技术，操作直观；采用了面向对象技术，没有复杂的程序流程：编程模块化，事件 化：可以使用大量的控件，模块简化了编程：可以调用w i n d o w s 中的a p i 函数及d l l 库；有很好的出错管理机制；与其它程序有良好的沟通性f 2 0 i i “i ；更重要的是本文使用 的数据采集卡所提供的驱动程序支持v b 编程，用户可直接调用该驱动程序所提供的 库函数中封装的高级函数完成任务，简化了编程。 2 2 1 焊接过程光电信号测试分析软件主界面及菜单 软件的主窗口如图2 3 所示，由标题栏、菜单栏、工具栏、用户区组成。 图2 - 3 焊接过程光、电信号测试分析软件主界面 f i g 2 3m a i ni n t e r f a e eo f t e s t i n ga n da n a l y s i sp r o g r a mf o rs p e c t r u ma n de l e c t r o n i cs i g n a lo f w e l d i n g - l o - 墨兰查竺竺主兰竺兰圭 ! 三! 竺兰兰兰查兰竺兰竺兰竺竺至竺 表2 2 各菜单名称及相麻功能 t a b l e 2 - 2i n t r o d u c t i o no f m e n ua n di t sf u r u c t i o n 主菜单名 子菜单名相应功能 打开统计文件选择并打开统计文件 打开a s c 文件选择并打开a s c 文件 文 保存统计文件保存统计文件 保存a s c 文件保存a s c 文件 保存位圈保存位图 佴： 打开位图选择井打开位图 打开文件列表显示最新打开的四个文件及相应路径 测试参数设置弹出参数设置窗体，用于设置名称、存贮路径 设 弹出通道设置窗体。用于选择通道个数、通道类型和各通道 采样通道设置 阈值大小 同步采样设置 弹出采样类型设置窗体，剧于选择是否进行同步采样 置 采样开始如果条件具备就会开始采样 复位 关闭所有子窗口，释放所占内存 根据需要建立一新的视窗包括瞬时值新视窗、u i 新视窗 建立新视窗 和统计视窗3 种 根据建立视窗的类型，弹出对话框，供你选择并添加相应类 添加曲线 型的曲线 视 下有子菜单，包括标尺1 、标尺2 、放大、网格、还原功能， 坐标调整 用于调整坐标参数，便于观察分析 图 水平平铺将所有打开的子窗口水平平铺 垂直平铺 将所有打开的子窗口垂直平铺 层叠 将所有打开的子窗口层叠显示 将子窗口按一定的顺序排列( 此菜单只在子窗口最小化时有 捧列图标 效) 小波滤波 连接m a t l a b 。对所选曲线进行小波滤波 瞬时值选择瞬时分析对象 选择并添加要进行滤波曲线 分析 滤波 包括时域平滑滤波，递推平均滤波 四则运算 选择曲线。进行加、减、乘、除 选择统计分析对象选择并添加要进行统计分析的曲线 统计统计参数调整 包括组宽调整，y 轴最大、最小值调整 分析 包括电压概率密度分布，电流概率密度分布，短路时间频率 统计方法选择 分布，燃弧时间频率分布和周期时间频率分布 关了：关于视窗 软件相关信息 t 。珏j ， 曩 ；l ； 遵溅童砖“i 瓤一；软。 缝纛矗赢密；鑫 ：矗i 。 至兰查兰竺主兰竺兰查 ! 三! ! 竺兰兰查兰竺兰翌苎竺竺兰竺 本软件可以同时打开多个窗口，并可通过单击鼠标在不同窗体问切换，称为多文 档界面( m d i ，m u l t i d o c u m e n ti n t e r f a c e ) 。主界面是整个测试分析软件的核心，又称 父窗体。多文档界面的特点是父窗体是其它窗体的容器，显示各文档或曲线的窗口为 子窗口。当改变父窗体在桌砸的位置时，子窗体也随之改变。但子窗体独立于父窗体 存在，可以随意打丌或关闭子窗体，而且子窗体可以有不同的功能。父窗体有自己的 菜单，装入子窗体时，子窗体的菜单替代父窗体上原有的菜单。但父窗体的工具条适 用于所有子窗体。本测试分析软件主要包括瞬时值子窗体、u 。i 子窗体和统计子窗体。 主菜单包括文件菜单、设置菜单、视图、瞬时值分析和统计分析等五个菜单，其 子菜单及其相应功能如表2 2 所示。 2 2 2 参数设定及采集模块 本模块主要包括测试参数设定模块，采样通道参数设定模块和采集模块。主要完 成测试参数的设定，例如实验名称，存储路径：采样通道参数的设定，例如采样通道 数目，采样信号类型，增益大小：采集模块，即是否进行高速摄影同步和开始采样。 图2 - 4 为测试参数设置界面。此模块 的主要功能是对测试参数比如实验名称、 测试对象、焊接方法、相关设备等进行设 定或记录。另外，可在此模块下设定采集 数据的存储路径及文件夹。可通过浏览或 直接输入方式指定路径及文件夹，本次实 验采集到的数据均存在此文件夹内，若无 圈2 - 4 测试参数设置界面 需要，以后不须再次输入。 f i g 2 4i n t e r f a c e o f s e t t i n g o f t e s t i n g p a r a m e t e r 图2 - 5 采样通道参数设置界面 f i 9 2 - 5i n t e r f a c eo f t h ee s t a b l i s h m e n to f s a m p l i n gc h a n n e l 1 2 一 氯滋鑫纛。二，_ ；。i l 鏊壶，麓巍痣懿瑶逶纛 墨兰查竺竺圭兰苎兰查 ! 三! ! 兰兰兰兰兰竺：兰竺兰兰竺苎兰 图2 5 为采样通道参数设定界面。此模块的功能是设定采集信号类型和信号范围a 采集信号的类型及大小应与该通道所采集的信号相对应。此模块的设定直接涉及采集 卡驱动程序中参数的设定。通过对测试参数和采样通道参数的设定，可确定曲线的名 称o 0 2 0 1 0 10 0 1ul 图2 - 6 信号命名方式不慈幽 f i g 2 - 6d i a g r a mo f t h em o d eo f s i g n a l sn o m i n a t i n g 图2 - 6 所示为信号名称每一位所对应的参数。在测试参数中设定了实验代号，假设 实验代号为0 2 0 1 0 1 0 0 1 ，0 2 0 1 0 1 表示实验日期为2 0 0 2 年1 月1 日，0 0 1 为本组实验的 第1 组数据采集。在采样通道参数模块中，若采集信号类型确定，则曲线名称的倒数 第二位确定。假设本通道用来采集电弧电压信号，则用u 表示，若确定了采集通道数 目，即确定了相同类型的信号有几路，假设分别采集两台焊机的电