引言 焊接電弧包含著......



引　言
焊接電弧包含著豐富的電、光、聲音等信息，能夠反映電弧焊各種電弧物理過程。如何利用現(xiàn)代傳感技術(shù)將這些信息提取出來，是研究焊

接過程的關(guān)鍵所在。國內(nèi)外焊接界的專家開發(fā)了各種各樣的傳感器，有機械、電弧、聲音和視覺等類型。機械式傳感器使用不夠靈活，適應(yīng)面

窄，目前較少采用。而電弧和視覺傳感器各具特色，國內(nèi)外研究較多。電弧傳感器以電弧自身電流和電壓作為信號源，成本低廉， 可達性好

，因而在焊接過程質(zhì)量監(jiān)測與焊縫自動跟蹤中得以普遍采用〔1， 2， 5〕。
本文以ADL IN K 公司的PC I29112 多通道數(shù)據(jù)采集卡為核心， 通過V isual C+ + 6。 0 編制程序在PC 機上開發(fā)了一套電量信號采集系

統(tǒng)， 并且對CO 2 氣體保護短路焊過程的穩(wěn)定性進行了分析， 并為研究焊接過程質(zhì)量監(jiān)測奠定了基礎(chǔ)。
1　硬件構(gòu)成
信號采集系統(tǒng)如圖1 所示。 該系統(tǒng)由焊接電源、焊接小車、PC機、傳感器、濾波器和數(shù)據(jù)采集卡組成。 焊接電源采用硅整流弧焊機。
焊接電流電壓信號分別通過綿陽維博公司的WB1221F 型霍爾電流傳感器與WBV 121S 型線性隔離分壓器變換為0～5 V之間的電壓信號，濾波

后送到信號采集卡的輸入端。電流傳感器的精度等級為0.5 級（相對滿量程輸出的誤差在±0.5% 以內(nèi)），響應(yīng)時間短（15 Ls）；電壓傳感器
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精度等級為0。 2 級， 響應(yīng)時間為5 Ls，且輸入阻抗高， 功耗低（400mW ）。它們共同特點是線性范圍寬（為：0～120% 標(biāo)稱輸入），過載

能力強， 高隔離， 低功耗，測量時不影響焊接回路參數(shù)。 因為電流傳感器是利用電磁感應(yīng)和霍爾效應(yīng)原理， 它的輸入端與輸出端分別屬于

不同的回路， 而電壓傳感是利用先進的線性光藕隔離， 所以它們均有效地隔絕了焊機強電系統(tǒng)與微機弱電系統(tǒng)之間的直接連接，從而保護了

微機， 同時對信號采集具有一定的抗干擾作用。 濾波器為有源低通濾波器，通帶截止頻率fc 設(shè)計為500 Hz。信號采集卡是ADL IN K 公司的

PC I29112 多通道數(shù)據(jù)采集卡，該卡的特點是：16 路單端輸入或8路差分輸入，A D 轉(zhuǎn)換時間為8 Ls，12 位輸入模擬信號分辨率，精度為0.
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01%，若只采集兩路信號，該卡可以保證以最高每路55 kHz 的頻率精確地采集信號，根據(jù)香農(nóng)采樣定理，采樣頻率應(yīng)大于連續(xù)信號頻率的2倍

，同時根據(jù)經(jīng)驗，本文兩通道的采樣頻率均定為4 kHz (fc×8)；32 位PC I 總線，自帶總線控制器AMCC2S5933與8個字的F IFO (F irst In F

irst O u t ) 緩存, 當(dāng)它工作在DMA (D irect M emo ry A ccess) 方式時，可以不占用CPU 時間而把數(shù)據(jù)以極快的速度送到內(nèi)存緩沖區(qū)。且

該卡的驅(qū)動程序是以DLL (Dynam ic L ink L ib rary) 方式提供的, 從而方便了可視化編程。
圖1　信號采集系統(tǒng)原理圖
2　軟件設(shè)計
因為高速數(shù)據(jù)采集時一般采用連續(xù)采集方式, 驅(qū)動程序?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)依次轉(zhuǎn)移到用戶緩沖區(qū)中.當(dāng)用戶緩沖區(qū)占滿之后,驅(qū)動程序?qū)⒏采w

原來的緩沖區(qū)數(shù)據(jù), 所以, 如果原來的緩沖區(qū)數(shù)據(jù)沒有來得及保存, 將會丟失. 本文通過Windows XP系統(tǒng)的多線程技術(shù), 并結(jié)合緩沖區(qū)半滿開

始傳送數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)傳送方式, 通過VisualC+ + 6.0 編程解決了這個問題(3.4). 具體的編程思想如下所述.PCI9112 卡要求在內(nèi)存中開辟一個

內(nèi)核緩沖區(qū)與一個用戶緩沖區(qū), 前者用來保存從FIFO中傳送的數(shù)據(jù), 這是由采集卡的驅(qū)動程序完成的, 后者用來轉(zhuǎn)移保存內(nèi)核緩沖區(qū)的數(shù)據(jù).

本文在界面主線程中啟用了兩個輔線程: 數(shù)據(jù)采集輔線程, 數(shù)據(jù)存盤輔線程. 數(shù)據(jù)采集輔線程負(fù)責(zé)把被采集卡轉(zhuǎn)換信號輸送到內(nèi)核緩沖區(qū), 數(shù)

據(jù)存盤輔線程負(fù)責(zé)當(dāng)用戶內(nèi)存緩沖區(qū)充滿時, 將數(shù)據(jù)以文件的形式保存到硬盤. 數(shù)據(jù)采集過程是這樣的: 數(shù)據(jù)從采集卡的AD轉(zhuǎn)換器保存到采

集卡的FIFO中, 只有當(dāng)FIFO半滿時, 采集卡才啟動DMA方式將數(shù)據(jù)送到內(nèi)存緩沖區(qū), 同時,AD轉(zhuǎn)換器中的數(shù)據(jù)會繼續(xù)往FIFO 的后半部分傳送;

當(dāng)內(nèi)核緩沖區(qū)的前一半滿數(shù)據(jù)時, 就將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到用戶緩沖區(qū), 當(dāng)用戶緩沖區(qū)充滿時, 就啟動數(shù)據(jù)存盤輔線程. 這兩個線程可以并行運行, 即

計算機能同時處理數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)保存. 顯然, 在程序中, 用戶緩沖區(qū)的大小是內(nèi)核緩沖區(qū)的一半, 之所以這樣做是因為一方面要保證數(shù)據(jù)連

續(xù)采集和保存的需要, 另一方面, 如果用戶緩沖區(qū)開得太大, 數(shù)據(jù)存盤線程與數(shù)據(jù)采集線程在Host 總線上出現(xiàn)擁擠的現(xiàn)象, 造成數(shù)據(jù)丟失.

在程序中通過設(shè)置由VisualC+ + 6 0 提供的CTime::GetCu rrentTime () 函數(shù)記錄了采樣
開始時間T_start 與結(jié)束時間T_stop.
T_samp le= T_stop - T_start (1)
Size= T_samp le×8000×2÷1024 (2)
經(jīng)式(1)計算出采樣時間, 再經(jīng)式(2)計算出數(shù)據(jù)量(單位為kB, 每個數(shù)據(jù)以兩個字節(jié)存放) , 將此數(shù)與硬盤上所保存的數(shù)據(jù)文件大小比較,

多次采樣結(jié)果表明, 理論計算值與實際數(shù)據(jù)文件大小是吻合的.軟件設(shè)計過程如圖2 所示:
將本文所研制的信號采集系統(tǒng)與示波器同時采集的焊接電信號作對比, 驗證了它的可靠性. 該信號采集系統(tǒng)不僅能在線顯示電流電壓信號

, 而且能在焊后進行波形回放. 如圖3 是正常焊接條件下實驗后的電流電壓數(shù)據(jù)曲線回放, 橫坐標(biāo)是時間軸, 縱坐標(biāo)是電流電壓幅度軸, 點擊

“Former”和“Latter”鈕可以分別向前和向后連續(xù)查看各時間段的信號波形, 一屏有140m s 的數(shù)據(jù)。
圖2　信號采集系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖
3　焊接過程穩(wěn)定性分析
本文將信號采集系統(tǒng)用于對CO2氣體保護焊焊接過程穩(wěn)定性與干擾因素的關(guān)系的研究. CO2氣體保護焊工藝實驗條件如下: 短路過渡, 保護

氣體為100% CO2,流量為10Lmin.試件為6mm 厚的低碳鋼板,焊絲直徑1.2 mm,送絲速度為5.3cms, 焊接電壓20V,焊接電流150A,焊接速度30cm

min,焊嘴至工件距離為10mm,平板堆焊.除了正常工藝參數(shù)下的焊接信息外, 還人為引入兩種干擾因素,分別是: ①試板上有油污; ②試板上等

間距開孔.
圖4 是試板上有油污的情況下, 焊接過程中140ms的一段電流電壓曲線. 比較圖3 與圖4 可以看出: 在正常情況下, 電流電壓信號規(guī)則,

短路峰值電流基本穩(wěn)定在250A , 且燃弧電流下降柔順, 基值電流基本穩(wěn)定在80A , 熔滴過渡穩(wěn)定; 試板上有油污的情況下, 短路峰值電流最