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。如何利用現代傳感技術將這些信息提取出來，是研究焊

接過程的關鍵所在。國內外焊接界的專家開發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，適應面

窄，目前較少采用。而電弧和視覺傳感器各具特色，國內外研究較多。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

，因而在焊接過程質量監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 多通道數據采集卡為核心， 通過V isual C+ + 6。 0 編制程序在PC 機上開發了一套電量信號采集系

統， 并且對CO 2 氣體保護短路焊過程的穩定性進行了分析， 并為研究焊接過程質量監測奠定了基礎。
1　硬件構成
信號采集系統如圖1 所示。 該系統由焊接電源、焊接小車、PC機、傳感器、濾波器和數據采集卡組成。 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），響應時間短（15 Ls）；電壓傳感器
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精度等級為0。 2 級， 響應時間為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。 因為電流傳感器是利用電磁感應和霍爾效應原理， 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與微機弱電系統之間的直接連接，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 設計為500 Hz。信號采集卡是ADL IN K 公司的

PC I29112 多通道數據采集卡，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，根據香農采樣定理，采樣頻率應大于連續信號頻率的2倍

，同時根據經驗，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 時間而把數據以極快的速度送到內存緩沖區。且

該卡的驅動程序是以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　信號采集系統原理圖
2　軟件設計
因為高速數據采集時一般采用連續采集方式, 驅動程序將采集到的數據依次轉移到用戶緩沖區中.當用戶緩沖區占滿之后,驅動程序將覆蓋

原來的緩沖區數據, 所以, 如果原來的緩沖區數據沒有來得及保存, 將會丟失. 本文通過Windows XP系統的多線程技術, 并結合緩沖區半滿開

始傳送數據的數據傳送方式, 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 卡要求在內存中開辟一個

內核緩沖區與一個用戶緩沖區, 前者用來保存從FIFO中傳送的數據, 這是由采集卡的驅動程序完成的, 后者用來轉移保存內核緩沖區的數據.

本文在界面主線程中啟用了兩個輔線程: 數據采集輔線程, 數據存盤輔線程. 數據采集輔線程負責把被采集卡轉換信號輸送到內核緩沖區, 數

據存盤輔線程負責當用戶內存緩沖區充滿時, 將數據以文件的形式保存到硬盤. 數據采集過程是這樣的: 數據從采集卡的AD轉換器保存到采

集卡的FIFO中, 只有當FIFO半滿時, 采集卡才啟動DMA方式將數據送到內存緩沖區, 同時,AD轉換器中的數據會繼續往FIFO 的后半部分傳送;

當內核緩沖區的前一半滿數據時, 就將數據轉移到用戶緩沖區, 當用戶緩沖區充滿時, 就啟動數據存盤輔線程. 這兩個線程可以并行運行, 即

計算機能同時處理數據采集和數據保存. 顯然, 在程序中, 用戶緩沖區的大小是內核緩沖區的一半, 之所以這樣做是因為一方面要保證數據連

續采集和保存的需要, 另一方面, 如果用戶緩沖區開得太大, 數據存盤線程與數據采集線程在Host 總線上出現擁擠的現象, 造成數據丟失.

在程序中通過設置由VisualC+ + 6 0 提供的CTime::GetCu rrentTime () 函數記錄了采樣
開始時間T_start 與結束時間T_stop.
T_samp le= T_stop - T_start (1)
Size= T_samp le×8000×2÷1024 (2)
經式(1)計算出采樣時間, 再經式(2)計算出數據量(單位為kB, 每個數據以兩個字節存放) , 將此數與硬盤上所保存的數據文件大小比較,

多次采樣結果表明, 理論計算值與實際數據文件大小是吻合的.軟件設計過程如圖2 所示:
將本文所研制的信號采集系統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據曲線回放, 橫坐標是時間軸, 縱坐標是電流電壓幅度軸, 點擊

“Former”和“Latter”鈕可以分別向前和向后連續查看各時間段的信號波形, 一屏有140m s 的數據。
圖2　信號采集系統軟件設計流程圖
3　焊接過程穩定性分析
本文將信號采集系統用于對CO2氣體保護焊焊接過程穩定性與干擾因素的關系的研究. 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, 電流電壓信號規則,

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