弧焊過程中多信息同步采集系統(tǒng)

李 桓，王俊紅，艾丹鳳，高 瑩

(1. 天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點實驗室，天津 300072)

焊接是一個復(fù)雜的物理過程，弧焊過程中，電弧的性質(zhì)影響焊接過程的穩(wěn)定性、飛濺大小和焊縫成形等．因此檢測焊接電弧的各種參數(shù)，對焊接過程的電弧分析和焊接質(zhì)量控制有重要意義．目前電弧信息檢測已發(fā)展得比較全面，最常用的是對焊接電信號[1-3]、電弧高速攝像圖片信息[3-5]、光譜信號的檢測[6-8]，此外還有電弧光強[10-11]、電弧聲音檢測[10]等．

電弧電信號能宏觀地反映電弧的燃燒狀態(tài)和熔滴過渡情況，并能反映電源性能，是焊接技術(shù)中最常用的檢測信號．隨著計算機技術(shù)和傳感技術(shù)的發(fā)展，電信號的高速同步采集處理發(fā)展迅速，成為焊接實時測控的一個重要手段．但電信號對電弧狀況的反映往往不夠精確，電流電壓都是宏觀物理量，不能反映電弧內(nèi)部的物理性質(zhì)，此外在大能量規(guī)范工藝條件下，電信號品質(zhì)下降，易受干擾[1-3]．

高速攝像影像是電弧形態(tài)最直觀的反映，可將整個焊接過程真實地記錄下來．隨著電子技術(shù)的發(fā)展，高速攝像克服了以往膠片拍攝周期長、費用高、速度受限等問題，但圖片沒有數(shù)字信息，不易進行定量的比較與判斷[3-5]．

電弧光輻射是焊接電弧最明顯最基本的物理現(xiàn)象，電弧光譜強度與電弧等離子體內(nèi)部溫度、粒子密度和成分等微觀狀態(tài)有密切的聯(lián)系，是反映電弧本質(zhì)行為的一個重要信息．同時由于光譜檢測法具有靈敏度高，選擇性好，對電弧無干擾等優(yōu)點，已成為電弧檢測的新興信號源．但光譜信息的檢測也不能直接反映電弧燃燒狀態(tài)，需要其他信號加以補充[6-8]．

隨著焊接技術(shù)的發(fā)展和電弧物理研究的深入，對焊接測試技術(shù)的要求越來越高．目前的檢測技術(shù)大都是對某種單一信號的檢測或是多信號獨立采集，沒有將各種信號結(jié)合起來分析研究，不能充分利用已有的信息，使它們相互補充．基于對此問題的認識，筆者設(shè)計了一種同步采集系統(tǒng)，開辟了一種新的電弧檢測方式，實現(xiàn)了對焊接過程中電弧電信號、電弧形態(tài)和輻射光譜3種信息的同步采集、存儲，具有很好的柔性和擴展性，為多方位的電弧物理分析和全面的質(zhì)量控制提供了豐富的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)．

1 同步采集系統(tǒng)設(shè)計

1.1 同步采集系統(tǒng)的硬件

多信息同步采集系統(tǒng)的硬件組成主要包括傳感器和數(shù)據(jù)采集卡、高速攝像設(shè)備和光譜儀等．

系統(tǒng)中傳感器采用霍耳傳感器，數(shù)據(jù)采集卡采用研華公司生產(chǎn)的 PCI-1716，最大采樣頻率可達250,kHz．高速攝像設(shè)備采用的是 FASTCAM-Super 10,KC高速數(shù)碼攝像機，此高速攝像設(shè)備可接受外部高電平觸發(fā)啟動，在接收到觸發(fā)信號時就開始自動進行連續(xù)采樣，直到內(nèi)部存儲器存滿為止．系統(tǒng)采用愛萬提斯AvaSpec-2048型光纖光譜儀進行電弧光譜采集．光譜儀可接受外部脈沖上升沿觸發(fā)啟動，當(dāng)光譜的外部觸發(fā)管腳接收到一個上升沿信號時，光譜儀進行一次采樣．

1.2 同步采集原理

同步指 2個或 2個以上隨時間變化的量在變化過程中保持一定的相位關(guān)系．在本系統(tǒng)中，需要保持同步的采集量包括焊接電信號、高速攝像信號、光譜信號3種信號．

采集3種電弧信息使用3種不同的設(shè)備，各自有不同的采集速度．其中數(shù)據(jù)采樣卡的速率范圍為 0～250,kHz，高速攝像機的速率范圍為 30～10,kHz，光譜儀能夠接受的外部脈沖信號的頻率范圍為 0～5,Hz．結(jié)合系統(tǒng)的硬件性能，只要使 3個信號同時開始采集，在已知每種設(shè)備的采樣速率的條件下，通過計算得到該時間點上的3種同步數(shù)據(jù)，如圖1所示．

圖1 同步采集原理Fig.1 Principle of synchronous acquisition

1.3 同步采集系統(tǒng)的軟件編程

在系統(tǒng)中，為保證電信號輸入采集卡同時采集卡輸出觸發(fā)高速攝像和光譜儀工作的觸發(fā)信號，需要使采集卡在采集電信號的同時能夠同步輸出相應(yīng)的觸發(fā)信號．本系統(tǒng)采用多線程技術(shù)保證程序同步，多線程的實現(xiàn)原理是單CPU操作系統(tǒng)以輪轉(zhuǎn)方式向線程提供時間片，每個線程在使用完時間片后交出控制權(quán)，系統(tǒng)再將 CPU時間片分配給下一個線程，由于每個時間片足夠短，可以認為線程是同時運行．

程序設(shè)計的總體思路如圖 2所示．采集系統(tǒng)程序可分為2個模塊：電信號采集存儲模塊和同步觸發(fā)模塊．

圖2 程序整體流程Fig.2 Flow chart of the program

1.3.1 電信號采集存儲模塊

電信號采集存儲模塊的主要作用是接收輸入信號，寫入計算機硬盤．使用數(shù)據(jù)采集卡與計算機連接時，采集卡需要接受打開設(shè)備命令后開始工作，數(shù)據(jù)采集要用到內(nèi)部緩沖區(qū)和用戶緩沖區(qū)兩塊存儲區(qū)域，采集得到的數(shù)據(jù)先寫入內(nèi)部緩沖區(qū)，然后由內(nèi)部緩沖區(qū)傳送到用戶緩沖區(qū)，再由計算機外部設(shè)備對用戶緩沖區(qū)內(nèi)記錄的數(shù)據(jù)進行存儲操作，如此循環(huán)，直到接收到停止命令或者運行出現(xiàn)錯誤．設(shè)計思路可以用圖3的流程來表示．

圖3 電信號采集存儲流程Fig.3 Flow chart of electric signal acquisition and storage

1.3.2 同步觸發(fā)模塊

為確保高速攝像與光譜儀的同步觸發(fā)，本文使用同一個脈沖序列來觸發(fā)高速攝像機和光譜儀．

如圖4所示，高速攝像機觸發(fā)模式是高電平觸發(fā)且自動連續(xù)采集，在本觸發(fā)脈沖的第1個高電平處即可觸發(fā)高速攝像機采樣，采樣方式自動連續(xù)采樣．光譜儀的觸發(fā)模式是高電平觸發(fā)，每接收到一個觸發(fā)上升沿就進行一次光譜采集．因此每個觸發(fā)信號脈沖上升沿的位置就可以得到光譜數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算即可在上升沿位置找到時間同步的電信號、高速攝像圖片與光譜信號．

圖4 脈沖觸發(fā)原理Fig.4 Principle of the pulse triggering

2 系統(tǒng)同步性驗證

2.1 實驗系統(tǒng)硬件連接及軟件設(shè)置

本實驗系統(tǒng)的連接如圖5所示，所用焊機為奧地利Fronius公司生產(chǎn)的TPS,5000型數(shù)字化電源，焊絲為H08Mn2SiA，焊接工件為Q,235鋼板，電弧極性為直流反接，焊接方式為平板堆焊，熔滴的過渡方式為一脈一滴．電信號采樣頻率為每通道 62,500,Hz，高速攝像的頻率設(shè)定為 1,000,幀/s，光譜積分時間設(shè)定為2,ms．具體焊接參數(shù)見表1．

圖5 多信息同步采集系統(tǒng)硬件連接示意Fig.5 Schematic of the hardware connection of synchronous multi-information acquisition system

表1 脈沖MAG焊接實驗參數(shù)Tab.1 Experimental parameters of pulsed-MAG welding

2.2 信號同步性分析

同步性是本實驗系統(tǒng)的一個重要特性，實現(xiàn)了同步就可以獲得同一時間點的3種電弧信息，對于全面準確地分析電弧具有重要意義．

通過對本實驗采集得到的數(shù)據(jù)進行計算，找到觸發(fā)上升沿位置對應(yīng)的電信號、高速攝像信號、光譜信號，如圖6所示．由于光譜儀采用2,ms的積分時間，所以一張光譜圖數(shù)據(jù)對應(yīng) 2,ms的電信號波形，同時對應(yīng)2張高速攝像圖片．

如圖6所示，圖中給出2組具有代表性的數(shù)據(jù)：將觸發(fā)脈沖位于電信號峰值處的數(shù)據(jù)定義為第 1組數(shù)據(jù)，對應(yīng)的電信號采集結(jié)果、光譜采集信號和高速攝像圖片分別如圖 6(a)、(c)和(e)所示；將觸發(fā)脈沖位于電信號基值處的數(shù)據(jù)定義為第2組，對應(yīng)的電信號采集結(jié)果、光譜采集信號和高速攝像圖片分別如圖6(b)、(d)和(f)所示．

首先進行縱向?qū)Ρ?，?1組數(shù)據(jù)中，光譜的觸發(fā)信號位于電信號峰值處，脈沖上升沿處對應(yīng)的電壓值為 38.1,V，電流值為 500.0,A；在光譜采集時間 2,ms內(nèi)包含了峰值和下降沿，相應(yīng)的光譜輻射強度比較大，達到了 5,250，高速攝像的圖片顯示此時電弧的體積大，亮度大，燃燒旺盛．第2組數(shù)據(jù)中，光譜的觸發(fā)信號位于電信號基值處，脈沖上升沿處對應(yīng)的電壓值為 14.8,V，電流值為50.5,A；在光譜采集時間 2,ms內(nèi)包含了電信號的基值，相應(yīng)的光譜輻射強度明顯減小，僅為600，高速攝像圖片明顯呈現(xiàn)體積減小，亮度減小的特征．2組信號中的3個數(shù)據(jù)都具有很好的對應(yīng)關(guān)系．

橫向?qū)Ρ瓤梢钥闯?，在脈沖上升沿分別位于峰值和基值時，2組數(shù)據(jù)電信號數(shù)值不同，圖 6(a)中的電壓電流值明顯大于圖 6(b)；光譜積分時間的 2,ms內(nèi)，比較光譜輻射的采集譜圖可以看出，電信號峰值對應(yīng)的光譜強度(圖 6（c)所示）明顯的大于電信號基值對應(yīng)的光譜輻射強度(圖 6（d)所示），從高速攝像圖片可以看出，電信號峰值對應(yīng)電弧的亮度和體積也都大于電信號基值對應(yīng)的電弧(圖 6(e)和(f)所示)．

通過對同步信號的分析可知，系統(tǒng)對電信號、光譜信息、高速攝像圖片的采集具有很好的同步性，數(shù)據(jù)真實可靠．

圖6 同步信號Fig.6 Synchronous data

2.3 同步信號擴展分析

對采集系統(tǒng)得到的同步數(shù)據(jù)進行綜合分析，這對研究電弧物理具有重要的意義．本文以圖 6所示的同步采集信號為例進行數(shù)據(jù)分析．

首先，對焊接輸入能量進行分析．焊接過程的能量輸入能夠反映電弧燃燒的宏觀性質(zhì)，影響焊接質(zhì)量．可以根據(jù)所得電信號計算出在每個光譜采樣時間2,ms內(nèi)的電弧能量輸入，所用公式為

式中：u為瞬時電壓；i為瞬時電流；t0為觸發(fā)脈沖對應(yīng)的開始時間；t1為2,ms光譜采樣結(jié)束時間．

計算得到在圖 6中的2個脈沖上升沿處對應(yīng)輸入能量為19.352,2,J和1.099,25,J．

然后，對光譜數(shù)據(jù)進行特征譜線的標定．據(jù)圖6(c)、(d)可知，光譜譜線的 350～400,nm 譜段和475～525,nm 譜段是2個明顯的強輻射區(qū)域，可在這2個區(qū)域中選擇光譜輻射的特征譜線，得到光譜輻射強度的信息，標定結(jié)果如圖 7所示．通過標定可以看出，在電弧的光譜輻射中，強度最強的應(yīng)該是 Fe和Ar的輻射，因為在焊接電弧等離子體中 Fe和 Ar氣氛的含量應(yīng)該是最多的．

圖7 光譜譜線標定Fig.7 Spectra line calibration

圖8 高速攝像圖片二值化分析Fig.8 Binary analysis of high-speed camera pictures

對高速攝像的圖片分析能夠得到電弧形態(tài)在脈沖峰值和基值時的變化狀況，給人以直觀的印象．為對電弧的高速攝像圖片進行量化分析，將圖片進行二值化處理，所得結(jié)果如圖8所示．從圖8中可以看出，

脈沖峰值電流時的 MAG電弧到達體積最大的狀態(tài)，根部寬度為 91個像素點，高度為 40個像素點，面積為1,801個像素點；脈沖基值電流時的MAG電弧體積明顯減小，根部寬度為 25個像素點，高度為21個像素點，面積為285個像素點．

將幾種信息進行綜合對比和分析，當(dāng)光譜采集點位于電信號的上升沿時，輸入能量大，在2,ms的時間內(nèi)達到了19.352,2,J，相比基值時的1.099,25,J增加了94.3%；選取的3條特征譜線分別為FeⅠ 382.043,nm、FeⅠ 4 9 5.760,nm和ArⅡ 488.904,nm，峰值時，3條譜線處的輻射強度分別為5,027.049、4,614.493和4,130.296，基值時 3條譜線處的輻射強度為559.835、500.147和335.490，輻射強度相對于峰值時明顯減弱，分別減少了 88.9%、89.2%和 91.9%；高速攝像的圖片中，在電流峰值電弧燃燒最強烈時，電弧的面積可以達到1 801個像素點，相較于電流基值電弧最弱時面積285增加了84.2%．

3 結(jié) 論

(1)提出了一種應(yīng)用于焊接電弧檢測的多信息同步采集系統(tǒng)，敘述了多信息同步采集系統(tǒng)的設(shè)計策略，介紹了同步采集系統(tǒng)的硬件，以及利用LabVIEW平臺編寫的同步采集軟件，實現(xiàn)了電信號、高速攝像圖片及光譜信息的精確同步采集．

(2)將該系統(tǒng)應(yīng)用于脈沖 MAG焊系統(tǒng)中，采集得到同步的電信號、高速攝像圖片和光譜信號3種信息，對采集得到的 3種信息進行了簡要分析，驗證了系統(tǒng)的同步性和可靠性．

(3)對采集得到的同步信息進行了分析，說明它們之間的聯(lián)系，這對研究電弧物理具有重要的應(yīng)用價值．

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