基于LabVIEW 的攪拌摩擦焊焊接力監測系統設計

王慶霞，麥允杰，楊建國，徐天天，張華德

(1.東華大學機械工程學院，上海 201620;2.上海航天設備制造總廠，上海 201620)

攪拌摩擦焊(FSW)是英國焊接研究所在20 世紀末提出的一種新型固相焊接方法。與傳統焊接方法相比，具有焊接質量高、無污染等特點，在航空航天、船舶等領域已得到廣泛的應用。在攪拌摩擦焊接過程中，攪拌頭和工件之間的焊接力(頂鍛力、前進抗力和側向力)與焊接質量有密切的聯系。能夠精確地測得焊接力的變化，對優化焊接工藝、提高焊接質量和改進焊接設備具有重要作用。作者以應變式傳感器、數據采集卡和計算機為主要硬件，結合LabVIEW 虛擬儀器技術，完成了攪拌摩擦焊焊接力監測系統的設計，并進行了焊接力監測實驗，驗證了系統的高精度及可靠性，為優化焊接工藝和提高焊接質量提供工程實驗支撐。

1 系統總體方案設計

以應變式測力傳感器、美國NI 公司生產的PCI6013 數據采集卡和計算機為主要硬件，再結合信號調理器和穩壓電源等其他硬件搭建焊接力測試系統的硬件平臺;然后利用LabVIEW 虛擬儀器技術開發焊接力測試軟件系統，從而實現系統的設計。系統具有單、多通道的數據采集、數據處理、數據的實時顯示和存儲等功能，實現了對攪拌摩擦焊焊接過程中所受焊接力的實時監測。系統總體構成如圖1 所示。

圖1 系統總體構成圖

2 系統硬件設計

系統的硬件主要由應變式測力傳感器、數據采集(DAQ)卡和計算機組成。測試系統有很多種構成方式，如PXI 總線、VXI 總線、GPIB 總線和PCI 總線測試系統等。文中采用PCI 插卡式虛擬儀器測試系統。系統采用的數據采集卡是NI 公司生產的PCI-6013 數據采集卡，有16 路模擬輸入通道、2 路模擬輸出通道、8 條數字I/O 線、2 路24 位的定時/計數器，數字觸發，采樣率200 kS/s，具有信號采集和處理兩大功能。其中，信號采集包括模擬信號輸入和A/D 轉換兩部分，提供3 種信號輸入方式選項:單端無參考地出入、單端有參考地輸入、差分輸入;兩個輸入量程:±10 V (雙極性)和0～10 V (單極性)。系統采用的測力傳感器是應變式三向力傳感器，X、Y 方向上測力量程為0～3 kN，Z 方向上測力量程為0～10 kN，測量精度為0.5%F.S;傳感器安裝在主軸前端，拆裝維護方便。

采集傳感器輸出的模擬信號時，需對數據采集卡進行軟件驅動和相關參數設置，NI 公司對其所有DAQ 產品提供專門的驅動程序庫。對數據采集卡PCI-6013 進行軟件驅動前，應先設置相關參數，Lab-VIEW 自帶的MAX 軟件可自動檢測到與計算機相連的采集卡，打開MAX 后，在設備與接口中選擇PCI-6013采集卡，對模擬信號極性范圍、模式及過程控制各項進行配置;根據添加通道對話框提示對通道類型、通道名稱、信號范圍和單位等項目進行設置。完成上述數據采集卡的相關參數設置后，方可對傳感器輸出的信號進行采集。

3 系統軟件設計

采用模塊化的軟件設計思想來編寫系統軟件，即每個功能的實現由一個模塊專門完成;系統軟件從結構上可分為系統初始化模塊、信號采集模塊、數據處理模塊、信號顯示模塊和數據管理五大主要功能模塊，其基本架構圖如圖2 所示。

圖2 系統軟件基本構架圖

3.1 信號采集模塊的設計與實現

信號采集模塊設計了一個單、多通道采集系統，包括采集通道設計、觸發控制、采樣參數設置和數據的存儲等。其中，采集通道設計主要是控制某一通道進行采集或幾個通道同時進行采集，文中設計的系統有三個采集通道，可同時進行三通道數據采樣。觸發控制包括觸發模式控制和觸發電平控制，通過觸發控制實現數據采集、暫停、繼續以及連續采集等。采樣參數設置主要包括采集卡掃描率、每通道的取樣數和緩沖區大小的設置等。信號采集模塊利用“測量I/O”功能節點中的“AI Waveform Scan.vi”函數節點控制數據采集卡完成傳感器輸出信號的采集，并將傳感器輸出的模擬信號通過數據采集卡轉換為數字信號，最后由PCI 總線采集到計算機中。信號采集模塊的前面板如圖3 所示。

圖3 數據采集模塊前面板

3.2 信號處理模塊的設計與實現

(1)濾波

濾波是信號處理中一項最基本、最重要的技術。工程測試中獲取的復雜模擬信號含有多種頻率成分，頻帶帶寬和振幅也不盡相同。為有利于對信號做進一步分析，應將其中需要的頻率成分提取出來，不需要的頻率成分衰減掉，因此需加入濾波器來完成。Lab-VIEW 提供可選擇的濾波器主要有Off、Butterworth 濾波器、Chebyshev 濾波器、Inverse chebyshev 濾波器和Elliptic 濾波器等。所選濾波器不同，濾波波形也會有所差別，故應針對不同信號選擇不同的濾波器。考慮焊接時主軸轉速比較平穩、工作臺相應頻率在低頻段等特點，采用Chebyshev 低通無限長沖擊波濾波器。Chebyshev 濾波器在通帶內等幅波動，和理想濾波器的頻率響應曲線之間的誤差最小;在同樣的通帶內衰減要求下，階數較Butterworth 濾波器等要小，其振幅平方函數為:

式中:Ωc為通帶截止頻率，ε 為波動系數，VN(Ω)為N 階切比雪夫多項式，N 為濾波器階數，定義為:

系統預先設定通帶截止頻率Ωc=0.6，阻帶下線截止頻率Ωs=2，通帶波紋δ=0.5 dB，由δ=20lg得出ε=0.35，又Chebyshev 濾波器衰減函數:

所以通帶內最大衰減

阻帶內最小衰減

又Chebyshev 濾波器階數

將Ωc=0.6、Ωs=2、ε=0.35 代入公式(4)得N=4.76，取整后得到N=5，即系統最終選用5 階Chebyshev 濾波器。

(2)加窗

在實際的信號采集系統中，不可能對無限長的時域信號進行測量和運算。運用采樣定理采集得到的局部信號與原始連續信號相比，產生了與原始連續信號不相符的波形，即信息泄漏。為減小和抑制泄漏，需采用窗函數對時域信號進行處理。LabVIEW 中可選擇的窗函數主要類型有Hanning 窗、Hamming 窗、Rectangle 窗、Blackman-Harris 窗、Exact Blackman 窗、Flat Top 窗、Force 窗、Welch 窗、Bohman 窗和Chebyshev 窗等。在選擇窗函數時，應遵循主瓣盡量窄、能量應盡可能集中在主瓣內、盡量減少窗譜最大旁瓣的相對幅度的原則。考慮系統要求頻率分辨率高等特點，選用Hanning 一次窗作為系統處理時域信號的窗函數，其表達式為:

經傅里葉變換后得:

當N≥1，N -1≈N 時，Hanning 一次窗的窗譜為:

從公式(7)可以看出:Hanning 一次窗的能量集中于主瓣，頻率分辨率比較高。

利用信號處理模塊對包含噪聲的正弦波信號進行處理，處理前后對比結果如圖4 所示，可以看出:信號處理模塊能夠很好地抑制噪聲和干擾，確保信號不失真。

圖4 信號處理前后比較

3.3 系統初始化及數據顯示和數據管理模塊的設計與實現

系統初始化模塊設計了系統清零和實驗信息錄入兩個功能。系統清零使系統在開始采集前所有數值顯示窗口顯示為零。實驗信息錄入包括實驗人員信息錄入、焊接產品信息錄入、焊接工藝參數錄入和攪拌頭信息錄入四部分。錄入的實驗信息會載入到數據管理模塊中，在產生報表時自動加載到報表中。用賦值控件和確定按鈕實現系統的清零，用字符串輸出控件、組合框、字符串輸入控件等實現實驗信息的錄入。

利用波形圖標和選項卡函數節點設計數據顯示模塊，實現了焊接三向力的波形顯示和數字顯示，可同屏顯示，也可分屏顯示。利用寫入、讀取測量文件，數據統計和報表生產等函數節點設計數據管理模塊，實現了對任意時間區間數據的回放，同時計算回放數據的最大值、均值和方差等統計指標，并生成不同格式的報表。

至此，完成攪拌摩擦焊焊接力監測軟件的設計，其主界面如圖5 所示。

圖5 攪拌摩擦焊焊接力監測軟件的主界面

4 焊接實驗

完成了焊接力測試平臺相關硬件的選型和設計以及軟件系統的開發后，利用XH714 立式加工中心和YDX-Ⅲ9702 型壓電式三向測力儀搭建了焊接力監測實驗平臺，并進行了焊接力監測試驗。其中YDX-Ⅲ9702 型壓電式三向測力儀作為標準力傳感器，用來評定以應變式測力傳感器為核心的焊接力監測系統的測量誤差，其X、Y 方向測力量程為0～3 kN，Z 方向測力量程為0～10 kN，測量精度為0.1%F.S。實驗選用工業中常用的7075 鋁合金作為焊接試件，焊件尺寸規格20 mm×10 mm×2 mm。焊接實驗現場如圖6 所示。

在實驗過程中，通過控制焊接深度使焊接力逐步增大，直至達到傳感器的最大量程。焊接力每增大500 N 記錄一次實驗數據，并將應變式傳感器測得的數據與標準傳感器的數據進行對比分析，實驗數據如表1 所示。

圖6 焊接實驗現場實物圖

表1 實驗數據 kN

由表1 可知:應變式傳感器與標準傳感器的最大差值是90 N，故以應變式傳感器為核心的焊接力監測系統的測量誤差為

5 結論

基于LabVIEW 虛擬儀器技術開發的焊接力監測系統能夠成功應用于攪拌摩擦焊焊接力的監測;系統的硬件成本低、通用性好，操作維護方便;開發的焊接力監測軟件可以實現多通道數據采集、數據存儲、數據處理等多種功能，克服了傳統儀器功能單一等缺點;系統使攪拌摩擦焊焊接力監測由定性轉化為定量，為優化焊接工藝和提高焊接質量提供幫助。

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