基于LabVIEW的焊接過程多信息分析平臺

郭 勇，李志勇，趙洪志，閆曉成

(中北大學 材料科學與工程學院，山西 太原 030051)

基于LabVIEW的焊接過程多信息分析平臺

郭 勇，李志勇，趙洪志，閆曉成

(中北大學 材料科學與工程學院，山西 太原 030051)

基于焊接多信息同步采集系統，采用LabVIEW圖形化語言，以熔化極氣保焊的焊接電流、電弧電壓、電弧光譜為信號源，構建了包括電信號參數設置、電信號數據分析模塊、光信號參數設置與自動選擇、光信號數據分析的焊接過程多信息分析平臺。可實時顯示焊接電流波形、電弧電壓波形、電弧輻射光譜等；系統還通過數據分析處理得到U-I相圖、焊接電流和電弧電壓概率密度、短路時間頻次圖、電弧輻射光強與波長對應圖、計算焊接溫度的玻爾茲曼圖等，通過上述信息分析，檢測電弧狀態和信息，可用于焊接過程診斷和焊接電弧物理研究等。

LabVIEW；熔化極氣體保護焊；多信息分析

0 前言

隨著現代焊接技術的發展，人們對焊接電源的性能和焊縫質量提出了越來越高的要求。無論是焊接電源性能還是焊縫質量的評判，都需要對焊接過程中所能夠表征焊接電弧物理現象的信息進行分析。

國內外在焊接參數測量和監測方面做了大量的工作，并開發了多種分析儀器。例如美國CRC公司、梅利克公司和LINDE公司，英國O.L.S公司，德國STRUNK公司和漢諾威工業大學，國內的船舶工業總公司、哈爾濱工業大學、黎明機械公司、哈爾濱焊接研究所等均開發了多種參數測量分析儀。國外具有代表性的主要有兩種：(1)Mita研制的焊接過程穩定性分析儀[1]，該系統通過多元回歸技術統計分析確立了波形參數和電弧穩定性的關系，并建立了一種穩定性指數表達式；(2)德國漢諾威工業大學D.Rehfeldt教授研制的一種焊接過程測試分析儀[2-3]，可實現電弧電壓、焊接電流波形的記錄和再現，并能進行統計分析。從國內來看，具有代表性的有哈爾濱焊接研究所研制的DHCC-2型焊接參數測量儀[4]。綜合對比這幾項研究，這幾種型號的參數測量儀都存在著一些不完善的地方。Mita研制的焊接過程穩定性分析儀對影響焊接飛濺和成形方面的特征參數分析不夠；漢諾威工業大學研制的測試分析儀可測量和分析的特征參數較少，并且對焊接過程穩定性分析不夠；DHCC-2型測量儀在人機交互和可視化操作方面有很多不足，使參數以形象的圖形輸出變得十分困難，且沒有對焊接過程及其穩定性進行分析和評價[5-6]。在這些儀器的分析中完全沒有涉及焊接過程中電弧光譜信息的分析。

為克服上述不足，在此開發的基于LabVIEW的焊接信息分析與過程檢測平臺不僅在電信息分析中給出了熔滴短路過程中特征參數的變化曲線、統計規律，還添加了光譜信息分析，對光強和焊接溫度的計算，能夠更好地檢測焊接過程信息。

1 開發背景

此平臺的開發是在基于焊接多信息同步采集系統的基礎上開發的。焊接多信息同步采集系統可以實現焊接電流、光弧電壓、電弧光譜的同步采集，為后續的數據分析處理提供了可靠的電信息和光信息數據。

1.1 LabVIEW簡介

LabVIEW是一種程序開發環境，由美國國家儀器(NI)公司研制開發的，類似于C和BASIC開發環境，但是LabVIEW與其他計算機語言的顯著區別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產生的程序是框圖形式[7]。

1.2 電信號的采集

數據采集卡的使用是焊接測試裝置的重要環節，采集卡直接決定了計算機數據采集速度和所測電參數的精度。在條件允許的情況下，采用頻率較高的采集卡，同時應采用12位字長的采集卡，盡量不用8位字長的采集卡，以保證采集精度。

PCI-1716是一款功能強大的高分辨率多功能PCI數據采集卡。它帶有一個250 ks／s16位A／D轉換器，1K用于A／D的采樣FIFO緩沖器。PCI-1716可以提供16路單端模擬量輸入和8路差分模擬量輸入，也可組合輸入。它帶有2個16位D／A輸出通道、16路數字量輸入／輸出通道和10 MHz的16位計數器通道。適用于PC及兼容機，可用于各類電信號的采集、控制和處理電信號輸出。

因此，選用臺灣研華公司推出的一款工業標準的經濟型數據采集卡PCI-1716。將實驗過程中采集的電壓和電流信號以數字形式儲存于某一特定.txt文檔中，以備實驗數據分析和檢測。

由于采集卡對信號的幅值有著嚴格的要求，為保障采集卡安全采集數據信息，實驗室自制了電壓傳感器、電流傳感器。電壓、電流傳感器實物如圖1、圖2所示。

圖1 電壓傳感器

圖2 電流傳感器

電壓、電流傳感器的主要部分均為北京科海模塊，分別利用電磁感應中磁補償原理和霍爾效應原理將得到的電壓、電流信號轉化為電壓值輸入采集卡，其輸入電壓0～5 V，并通過限幅電路保證采集卡安全工作。

1.3 光信號的采集

光信號是焊接過程的重要物理信息源。因此，對焊接過程中的光信號進行了同步采集，在采集電信號的同時給光譜儀一個采集觸發信號，光譜儀收到觸發信號后，開始采集焊接過程中產生的光。在光信號采集過程中，采用荷蘭Advantes的Avaspec-2048FT-2光纖式數字光譜儀，它基于avaBench-75光學平臺，對稱式Czerny-Turner光路設計，分辨率為0.3 nm，數據傳輸速度1.8 ms，且支持模擬信號的輸入輸出，可以實現8個特征譜段積分強度的同步采集，便于信號的融合和特征信號的提取。光譜儀及其自帶程序界面中顯示的光譜如圖3所示。

圖3 光譜儀及其操作界面

2 焊接過程多信息分析程序

2.1 電信號的分析程序

整個電信號分析程序流程、程序界面和程序框圖如圖4所示。

2.1.1 電壓、電流同步顯示模塊

為了直觀、方便地觀察焊接過程中電壓、電流的同步變化情況，可以將采集的數據轉換為圖表形式進行分析和觀察。圖5為焊接過程中采集到的焊接電壓、電流的同步顯示窗口。該窗口具有可以進行整體或者局部放大和縮小的功能。

2.1.2 電壓、電流概率分布圖

電壓、電流概率分布是研究焊接過程的重要物理量。圖6、圖7分別給出了焊接過程中電流與電壓概率分布的模塊窗口。

2.1.3 U-I相圖模塊

U-I相圖即瞬時電壓與電流之間的關系，如圖8中相點的分布密度可以提取相關的焊接過程特征信息，這也是目前弧焊分析系統提取焊接過程特征信息的主要途徑之一[8]。

圖4 電信號采集程序

圖5 電壓、電流的同步顯示窗口

2.1.4 短路時間與頻次的計算

對于焊接過程中短路頻次的檢測，采用設定某一個值作為短路電壓的臨界值，當電壓小于臨界值時認為這個時刻短路。這樣，短路發生與結束時就會產生布爾函數的變化，再根據布爾函數值的變化次數，得到采集焊接時間內短路的次數，計算出短路頻次。通過概率統計后而得出短路次數和概率的分布圖。短路時間與短路次數分布顯示界面如圖9所示。

圖6 電流概率分布窗口

圖7 電壓概率分布窗口

圖8 U-I相圖顯示窗口

圖9 短路時間與短路次數

2.2 光信號分析部分

光信號分析程序的整體程序流程與界面如圖10所示。

焊接電弧的溫度是焊接電弧物理研究的重要物理量。本程序采用玻爾茲曼圖法來計算焊接電弧的溫度。

圖10 光信號分析程序

2.2.1 光譜元素的選擇

在運行程序前，首先確定計算采用的光譜元素，為方便計算、減少在查找NIST庫中元素對應值時出現的錯誤，在程序中設置了光譜元素選擇模塊。圖11為程序中光譜元素選擇模塊的界面，若選擇界面沒有所要分析的光譜元素，只需要把此元素及其對應值添加入數據庫，即可運行該程序。

圖11 元素選擇模塊界面

2.2.2 連續光強的計算

焊接過程中，某一光譜的輻射強度是光信號分析過程中的重要物理量。譜線強度的計算有兩種方法：一種方法是在其0.5 nm內讀取極大值；另一種方法是在其0.5 nm內，前后各取兩個點，即共五個點，計算這五個點下的面積積分值，就是該譜線的光強[9]。連續采集到的譜線波長與光強對應界面如圖12所示。

圖12 波長與光強對應界面

2.2.3 計算溫度

程序中溫度是利用玻爾茲曼圖法來計算的，然而玻爾茲曼圖法在譜線能差較小時會有很大的誤差[10]，這就需要在程序中有一個譜線選擇的過程。忽略γmn小于某個值的點，以免影響溫度的計算。

3 結論

通過LabVIEW軟件開發的焊接過程多信息分析平臺，能夠得到GMAW焊接過程的電壓、電流的概率分布統計、短路頻次、短路時間概率分布與輻射光強、焊接溫度的計算，與傳統的對電信號進行分析的平臺相比，能夠更加準確地獲取焊接過程電弧穩定性、熔滴過渡頻率的特征信息。該平臺可持續開發性強，通過開發與完善，可在焊接過程檢測方面得到應用。

圖13 擬合的玻爾茲曼圖顯示界面

[1] Mita T，Sakabe.A quantititive estimates of arc stability for CO2gas shielded arc welding[J].Welding Internation，1988，2(2)：105-109.

[2] RehfeldtD，SchmitzT.ProcessmonitoringOnshort-arc-welding[A].Proceedingsof2ndEuropeanConference on Joining Technology[C].Florence，1994：931-943.

[3]張曉園，張軍紅，黃石生.實時監測焊接過程的新型分析儀介紹-Analyzer Hannover AH XII[A].第八次全國焊接會議論文集[C].北京：機械工業出版社，1997：439-441.

[4]侯天奎.DHCC-2型焊接參數測量儀的研制[A].第八次全國焊接會議論文集[C].北京：機械工業出版社，1997.

[5] Yu Jianrong，Jiang Lipei.Synthetically quantitative evaluation function of characteristic parameters for real-time control on CO2arc welding process[J].China Welding，2001，10(1)：19-26.

[6]俞建榮，蔣力培，孫振國.基于特征參數的CO2弧焊電源的實時監測與評價[J].電工技術學報，2001，10(5)：73-76.

[7]張 桐.精通LabVIEW程序設計[M].北京：電子工業出版社，2008：1-10.

[8]萬 文，熊振宇.基于LabVIEW的焊接過程分析系統軟件設計[J].電焊機，2010，40(3)：43-45.

[9]李志勇，王 寶，李 桓.不同參數鋼和鋁TIG焊電弧光譜輻射分析[J].焊接學報，2008，5(5)：49-56.

[10]過增元，趙文華.電弧和熱等離子體[M].北京：科學出版社，1986：260-27.

Study on analysis platform with multi-signal information of welding process based LabVIEW

GUO Yong，LI Zhi-yong，ZHAO Hong-zhi，YAN Xiao-cheng
(School of Material Science and Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China)

Based on a synchronization multi-signal collecting system of arc welding，LabVIEW is used to develop a multi-signal software，which can analyze the electrical signal and optical signal of welding process with the application of welding current，arc voltage and spectra of arc radiation for gas metal arc welding(GMAW).The system can display the welding current waveform，the arc voltage waveform and the spectra of arc radiation timely.Furthermore，through analyzing of the collected data，it was acquired the UI phase diagram，probability density distribution of the welding current and arc voltage，frequency of short-circuit period verse time，the arc radiation intensity verse wavelength，the Boltzmann figure for temperature calculation，etc.With the application of the information related to arc state，the software can be used for diagnosis of arc welding process and arc physics exploration.

LabVIEW；gas metal arc welding；multi-signal analysis

TG409

A

1001-2303(2012)04-0018-05

2011-06-17

山西省青年科學基金資助項目(2006021027)

郭 勇(1986—)，男，河北滄州人，在讀碩士，主要從事焊接過程信息采集與過程檢測方面的研究工作。