(中北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,山西 太原 030051)
送絲速度不穩(wěn)定會引起焊接參數(shù)、電弧狀態(tài)劇烈波動,造成焊絲熔化和熔滴過渡過程的不穩(wěn)定,增加焊縫缺陷出現(xiàn)的頻率[1]。隨著焊接技術(shù)的發(fā)展,焊接質(zhì)量對穩(wěn)定的送絲速度提出了更高的要求,特別是采用細直徑焊絲時,送絲的穩(wěn)定性尤為重要[2]。
1987年上海船舶工藝研究所研制了一種便攜式焊絲送絲速度測量儀[3],該測量儀采用測速傳感器,在當時的焊接生產(chǎn)質(zhì)量控制上發(fā)揮了重要作用。北京工業(yè)大學(xué)郝曉美采用數(shù)字式光電編碼器測試送絲速度[4],測試精度大大提高。德國學(xué)者Andreas Hess采用光電傳感器檢測送絲速度[5],計算出焊絲的熔化速度。美國學(xué)者Brian Lee Ott利用磁性傳感器測量焊絲速度[6],并分析其對焊縫質(zhì)量的影響。
上述檢測方法采用編碼器計數(shù)、光電式、磁電式傳感器測量送絲速度。光電編碼器雖然測量精度高,但光電編碼盤安裝要求較高,軟連接的原因造成可靠性差。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器利用電磁感應(yīng)原理工作,磁電式轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)簡單、成本低,但在低速場合由于線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓太小,檢測精度低[7]。本研究從工業(yè)應(yīng)用需求出發(fā),采用霍爾測速傳感器開發(fā)了一套送絲速度檢測系統(tǒng),設(shè)計了相關(guān)軟硬件系統(tǒng),包括即時顯示和上位機存儲模塊,具有穩(wěn)定性好、響應(yīng)快、安裝簡便等優(yōu)點,滿足工業(yè)場合在線監(jiān)控和后續(xù)分析的雙重要求。
在實際焊接過程中,焊絲由送絲機上下兩組送絲輪壓緊送絲,所以送絲輪的線速度就是實際的送絲速度。結(jié)合霍爾效應(yīng),轉(zhuǎn)速傳感器安裝在測速輪外側(cè)間隔1~3 mm,磁場由安裝在測速輪上的磁鋼塊提供,當磁鋼塊經(jīng)過霍爾傳感器正前方時,磁通密度發(fā)生改變,霍爾傳感器輸出一個高電平,當小磁鐵遠離傳感器時,傳感器輸出一個低電平。利用單片機內(nèi)部定時器,計算出一個脈沖周期的時間,即可獲得送絲輪的轉(zhuǎn)速,再根據(jù)輪的直徑求出送絲速度,如圖1所示。
圖1 霍爾傳感器安裝示意
硬件系統(tǒng)采用單片機為控制器,利用霍爾傳感器檢測送絲機的旋轉(zhuǎn)部件,將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為脈沖信號[8],再由單片機進行計數(shù)并自動計算出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速,通過LED顯示測得數(shù)值(單位:r/min),也可根據(jù)需要換算成線速度進行顯示。整個系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計較為簡單,設(shè)計原理如圖2所示。
圖2 送絲系統(tǒng)原理
采用NJ5002C傳感器,該傳感器是一個三端器件,工作電壓5~30 V,輸出方式為NPN ON(常開),檢測距離10 mm。NJKS002C集成霍爾開關(guān)由穩(wěn)壓器A、霍爾電勢發(fā)生器B、差分放大器C、施密特觸發(fā)器D和0C門輸出E五個基本部分組成,如圖3所示。a、b、c代表集成霍爾開關(guān)的3個引出端點。
圖3 集成開關(guān)型霍爾傳感器
軟件設(shè)計采用KeilC51軟件開發(fā)工具和C語言編程,運用模塊化的編程思維,既方便調(diào)用程序,又方便修改和排查錯誤。系統(tǒng)程序主要包括主程序和中斷服務(wù)子程序。在系統(tǒng)主程序中,先完成內(nèi)部的初始化,再啟動程序接收霍爾傳感器傳過來的脈沖信號,由定時器負責(zé),記錄時鐘周期數(shù),得到送絲輪轉(zhuǎn)速。
圖4 單片機程序流程
PC上位機通過串口與單片機通訊,采用LabVIEW編寫送絲速度測量軟件[9]。測量軟件能夠?qū)崟r顯示采集過程,同時顯示轉(zhuǎn)速和實際的送絲速度,并且按照采集時間保存數(shù)據(jù),軟件界面如圖5所示。軟件運行后單擊下方“開始采集”按鈕,開始采集實時數(shù)據(jù)。當需要結(jié)束時,點擊“結(jié)束采集”完成本次采集,此時會自動彈出文件保存對話框,可以選擇路徑和文件名保存本次采集的數(shù)據(jù),也可以點擊“取消”放棄本次數(shù)據(jù)。當需要查看歷史數(shù)據(jù)時,單擊菜單“打開文件”選項,選擇需要查看的數(shù)據(jù)文件,即可讀取文件的數(shù)據(jù)。單擊“統(tǒng)計數(shù)據(jù)”按鈕,可以查看已打開送絲速度數(shù)據(jù)的最值、均值和標準差等參數(shù)。
圖5 上位機程序界面與采集程序
為了消除系統(tǒng)誤差、改善儀器或系統(tǒng)的精確度,需要標定系統(tǒng)。通過使用送絲速度測量系統(tǒng)測量送絲滾輪的轉(zhuǎn)速,同時在已知時間內(nèi)測量焊絲實際伸出長度,計算出焊絲的實際送絲速度,最后修正測量結(jié)果。為了更準確地標定結(jié)果同時驗證送絲的穩(wěn)定性,分別選取電流 100 A,125 A,150 A,175 A和200 A進行試驗。
不同大小的焊接電流都要測量3次,求其平均值以減小誤差。完成5組實驗后,求得轉(zhuǎn)速平均值,同時計時測量送出焊絲長度,算出相應(yīng)的送絲速度均值,如表1所示。
表1 轉(zhuǎn)速均值-送絲速度均值
用Origin軟件擬合表1的5組數(shù)據(jù),如圖6所示。Origin擬合結(jié)果如表2所示。
對應(yīng)一次函數(shù)的表達式為
根據(jù)式(1)計算試驗各組數(shù)據(jù)的絕對誤差和相對誤差,見表3。相對誤差有4組較小,最高誤差出現(xiàn)在175 A時,此時絕對誤差僅為0.01 m/s,當以送絲速度判斷焊接過程時,此誤差對判斷結(jié)果無影響。
圖6 擬合曲線
表2 擬合曲線斜率截距
選取電流分別為100A、125A、150A和200A時的送絲速度,并將數(shù)據(jù)顯示在波形圖上,如圖7所示。
在相同電壓下,隨著電流的升高,送絲速度也隨之增大。當電流穩(wěn)定時,所測試的送絲機構(gòu)送絲速度也是穩(wěn)定的。通過統(tǒng)計實驗數(shù)據(jù)并計算標準差等統(tǒng)計參數(shù)也可得到相同結(jié)論。
表3 數(shù)據(jù)擬合、誤差分析
圖7 不同電流情況下的送絲速度
(1)分析實際送絲機構(gòu)的結(jié)構(gòu),找到測量送絲機送絲輪得到結(jié)果最接近實際送絲速度的測量方法。
(2)選用霍爾式傳感器為主要的測速傳感器,在系統(tǒng)安裝簡單、受周圍環(huán)境影響較小的同時保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。
(3)該送絲速度測量系統(tǒng)精度較高。在多組不同電流的送絲情況下,最高相對誤差為3.53%,平均誤差不到2%,滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。
[1]劉俊梅,楊帥,閆思博,等.數(shù)字化MIG焊機的送絲系統(tǒng)[J].電焊機,2009,39(2):67-69.
[2]胡特生.電弧焊[M].北京:機械工業(yè)出版社,1994:95-96.
[3]金喜妹,趙曾德.便攜式送絲速度測量儀[J].電焊機,1987(1):17-20.
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[8]邵顯濤,陳明,李俊,等.基于霍爾傳感器電機轉(zhuǎn)速的單片機測量[J].電子測試,2008(12):46-48,85.
[9]龍華偉,伍俊,顧永剛,等.LabVIEW數(shù)據(jù)采集與儀器控制[M].北京:清華大學(xué)出版社,2016.