焊接發塵率測量裝置及測控系統的研究*

羅 佳，卜智翔*，朱師琦，孟慶潤，王立世

(1.湖北工業大學 材料與化學工程學院，湖北 武漢 430068；2.武漢鐵錨焊接材料股份有限公司，湖北 武漢 430085)

0 引 言

在焊接過程中，焊接員吸入的煙塵會誘發人體產生肺腫瘤[1]。當前，新的環境、健康和安全立法推動了減少焊接煙塵危害的焊接工藝研究[2-3]。焊接工藝參數(包括焊接電流、焊接電壓等)是影響焊接發塵率的重要因素[4-6]，其測量和控制一直是焊接領域的研究熱點。精確測量焊接電流和電壓參數，有助于建立焊接發塵率預測模型[7]，準確的數學模型是研究控制焊接煙塵和優化工藝參數的重要理論依據。

YAMAMOT M E等人[8]根據焊接發塵率測試國際標準研發的焊接煙塵采樣器，實現了對焊接發塵率的測量，但該方法未實現焊接參數的自動化采集和測控系統的可視化，測量精度難以得到保證。

虛擬儀器具有可視化和操作簡單等優點，被廣泛應用于焊接中的機器人制造單元設計、工業產品檢測和測控系統研發領域[9-11]。

本文將以ISO 15011-1:2009國際標準為基礎[12]，研制一種基于LabVIEW平臺的GMAW焊接發塵率測量裝置的測控系統，為分析影響焊接發塵率的規律，并進一步優化焊接工藝提供技術支持。

1 控制系統原理及結構

在焊接過程中，單位時間產生的焊接煙塵質量即為焊接發塵率，其計算式如下：

(1)

式中：FFR—焊接發塵率，mg/min；M—焊接前濾紙的質量，mg；M′—焊接后濾紙的質量，mg；Δt—焊接時間，s。

根據式(1)，為實現對焊接煙塵的有效采集，需要在半封閉條件下對焊接煙塵進行抽濾，并通過玻璃纖維濾紙收集焊接煙塵；通過測量玻璃纖維濾紙的質量變化，并記錄焊接時間，即可計算發塵率。在焊接過程中需要采集焊接電流、焊接電壓和焊接時間等影響焊接發塵率大小的相關數據,并對焊接速度進行控制。為了減少焊接工藝參數波動對測試精確度的影響，測試過程需要采用自動控制實現焊接過程的自動化，包括焊絲的送給和工件的移動，另外還需要對抽濾系統的運行進行控制。

為實現以上功能，焊接發塵率測量裝置主要由測塵室、抽濾系統和數據采集與控制系統等部分組成。其中，數據采集與控制系統由工控機、步進電機、運動控制卡、數據采集卡、傳感器等組成。

2 硬件設計

2.1 十字滑臺及抽濾系統

電動十字滑臺由工作臺、兩組互成十字相連的精密滑軌和86式四線步進電機組成。將工件固定在工作臺上，可以通過移動工作臺來調節焊接位置。十字滑臺采用4個接觸式限位開關固定在滑軌的兩端，實現限位和確定零點位置功能。

DMC2210雷塞運動卡中PUL和DIR為輸出脈沖和方向信號，EL為限位信號，步進電機驅動器A+、A-、B+、B-端分別與配套步進電機引腳相對應。系統通過運動控制卡輸出方向和脈沖信號，實現十字滑臺的位移和速度控制。

抽濾系統是實驗過程中收集焊接煙塵的裝置，主要由電磁氣閥和機械泵組成。OUT端口連接繼電器CL端口，通過繼電器開關控制電磁氣閥、送絲機電路通斷，實現自動化煙塵采集。

十字滑臺控制電路如圖1所示。

圖1 十字滑臺控制電路圖

2.2 數據采集系統

數據采集由PCI-1710研華數據采集卡、電流傳感器和電壓傳感器組成。焊接電流的測量選用JLK/JLKT-8霍爾感應式電流傳感器，其量程為0～500 A，測量精度小于1.0%。焊接電壓的測量選用JLDA4U電壓傳感器，其量程為0～200 V，測量精度小于0.5%。

數據采集電路圖如圖2所示。

圖2 數據采集電路圖

圖1中，PCI-1710中AI0和AI1分別接收電流和電壓信號，JLDA4U中SIG_+和SIG_-分別連接試驗裝置中的試板和焊槍。

3 軟件設計

3.1 系統的控制時序

通過對該測量系統的檢測和控制過程的分析，筆者設計的控制時序如圖3所示。

圖3 系統的控制時序

在測量時，首先由工控機發送信號，啟動抽濾系統使系統采集數據前保證測塵室氣流穩定，計時Δt1后系統自動啟動送絲機，并開始采集焊接電壓和焊接電流數據，隨后引弧并延時Δt2，再驅動步進電機移動工作臺，經過Δt3后工作臺停止移動，延時Δt4，再停止送絲機和數據采集，最后延時Δt5后關閉抽濾系統，以保證測塵室殘余煙塵采集徹底。

各參數的定義如表1所示。

表1 初始參數表

Δt3—由工作臺的初始和終止位置及移動速度確定

3.2 程序流程圖設計

基于LabVIEW軟件編程，系統可實現對數據采集和檢測過程的自動化，并通過圖形化界面完成檢測過程的狀態設定和輸出。

程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

初始參數通過軟件界面進行設定，設定參數見表1(不含Δt3)。完成焊接煙塵收集后，記錄焊接時間、焊接速度、焊接電流和焊接電壓，計算平均電流、平均電壓、電流有效值和電壓有效值。

3.3 操作界面設計

圖形用戶界面包括用戶輸入和顯示輸出兩類對象，具體有布爾控件、輸入控件和顯示對象。

該界面由啟?？刂瓢粹o、參數設置和圖形顯示3大模塊組成，各自實現不同的功能，界面操作簡單、方便。

4 實驗結果

為驗證系統的可靠性，筆者在搭建好實驗環境后，選用E501T-1型藥芯焊絲，在一定的焊接參數條件下(焊接電流230 A～260 A，焊接電壓25 V～27 V，焊接速度20 cm/min，保護氣體流量20 L/min)，采集焊接電流和焊接電壓等信號，對信號數據進行濾波處理后得到電流和電壓信號波形圖，如圖5所示。

圖5 電流和電壓信號波形圖

圖5中，焊接參數波形符合預期結果，測量精度滿足國際標準ISO 15011-1:2009試驗要求；最終軟件輸出的焊接電流值為243.3 A，焊接電壓值為25.9 V。

為評價該測試裝置的測量準確性，筆者分析了不同焊接電流、焊接電壓和焊接速度條件下的發塵率測試結果，共計48組數據，每組數據包括3次相同因素條件下的發塵率測量值，并列出了部分測量數據(16組)。

焊接參數與發塵率數據如表2所示。

表2 焊接參數與發塵率數據

表2中，通過對全部數據進行誤差分析可知，在焊接電流約為240 A，焊接電壓為30 V，焊接速度為20 cm/min時，該組數據的相對誤差最大，為11.9%。測量結果中只有該組數據的相對誤差均略大于國際標準規定的相對誤差±10%；48組數據中有效數據達到98%，其中，60%以上的數據相對誤差不超過4%。

可見，該裝置的測量準確性滿足設計要求。

數據誤差分段統計圖如圖6所示。

圖6 數據誤差分段統計圖

5 結束語

本文研制了一種基于LabVIEW平臺的GMAW焊接發塵率測量裝置的測控系統，主要結果如下：

(1)該焊接發塵率測量裝置測控系統實現了測試過程的自動化，尤其是對影響焊接發塵率的重要工藝參數完成了自動化數據采集、信息處理和存儲；

(2)該裝置的測量精度滿足國際標準ISO 15011-1:2009要求，通過對焊接發塵率進行測試，采集的焊接電流和焊接電壓符合預期結果；

(3)通過對測試數據進行相對誤差分析，所得相對誤差小于國際標準規定±10%的數據占比98%，可見該裝置的測量準確性滿足設計要求。

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