基于LabVIEW的GMAW短路過渡電信號(hào)周期參數(shù)提取

黃寧，馮占榮，熊光勁，方平

(南昌航空大學(xué),南昌 330063)

0 前言

弧焊焊接是在工業(yè)生產(chǎn)中非常常見的連接工藝，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶等的制造領(lǐng)域，弧焊加工過程中伴隨著一系列的聲、光、熱、電等的信號(hào)，通過這些信號(hào)，使用一定的分析方法，能有效的檢測(cè)加工質(zhì)量。

其中電信號(hào)的采集分析尤為普遍，在分析方法上電信號(hào)統(tǒng)計(jì)分析、概率密度分布、相關(guān)性、U-I圖、小波變換等方法[1-4]常被使用。此外，在時(shí)域的分析里，漢諾威分析儀無(wú)疑是最具代表性的，在短路過渡分析中，漢諾威分析儀提供PDD(電壓電流概率密度分布)及CFD(短路時(shí)間、燃弧時(shí)間、加權(quán)燃弧時(shí)間、短路周期時(shí)間頻次分布)。對(duì)此很多學(xué)者使用漢諾威分析儀直接作為分析工具或者二次開發(fā)，孟慶潤(rùn)等人[5]通過提取漢諾威各參數(shù)，開發(fā)焊接材料工藝質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)，李慧敏等人[6-7]通過漢諾威分析儀提取PDD,CFD，探究CO2氣體保護(hù)焊電弧穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

LabVIEW在弧焊數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用越來越廣泛，在對(duì)于弧焊短路時(shí)間周期的分析方面，也有一些學(xué)者做過研究，楊玲等人[8-10]設(shè)置閾值電壓Un，逐點(diǎn)檢測(cè)，計(jì)算出燃弧時(shí)間、短路時(shí)間及短路周期;黃勇[11]根據(jù)電壓概率密度的分布特性，統(tǒng)計(jì)電壓曲線與特征電壓均值線Umean的交點(diǎn)，并統(tǒng)計(jì)出短路時(shí)間、燃弧時(shí)間及短路周期。

短路過渡存在正常短路與瞬時(shí)短路兩種形式，以上短路判定的方法中，均涉及到閾值的設(shè)置，其測(cè)原理是判斷電壓信號(hào)曲線是否在閾值線下，通過對(duì)整個(gè)的電信號(hào)數(shù)組進(jìn)行搜索，記錄向上及向下穿過閾值的點(diǎn)，記錄其在電信號(hào)數(shù)組中的位置，以此計(jì)算短路過渡的短路時(shí)間、燃弧時(shí)間、短路周期等參數(shù)數(shù)組，并以短路時(shí)間大于某個(gè)值來確定是否是瞬時(shí)短路。對(duì)于理想型的信號(hào)，此方法沒有太大的問題，對(duì)于干擾比較大的信號(hào)，僅僅參考曲線是否穿過閾值線，容易將干擾信號(hào)計(jì)入，且逐點(diǎn)檢測(cè)，編程較為繁瑣，對(duì)于信號(hào)量大的數(shù)據(jù)，運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)。應(yīng)對(duì)于這一缺陷，文中采用LabVIEW的脈沖測(cè)量功能，配合電信號(hào)PDD曲線，測(cè)量短路過渡的短路時(shí)間及短路周期，以瞬時(shí)短路對(duì)應(yīng)的電流值并不大為瞬時(shí)短路的判斷依據(jù)，統(tǒng)計(jì)并輸出短路時(shí)間和短路周期圖的時(shí)間變化圖、頻次圖及變異系數(shù)，并以JKI狀態(tài)機(jī)為架構(gòu)，設(shè)計(jì)良好的人機(jī)交互界面。

1 短路過渡與脈沖測(cè)量

1.1 短路過渡電信號(hào)形式

弧焊焊機(jī)采取短路過渡的形式焊接時(shí)，熔滴在焊絲端部不斷長(zhǎng)大，過渡到熔池時(shí)，發(fā)生短路，短弧焊電信號(hào)存在燃弧時(shí)間和短路時(shí)間，電壓表現(xiàn)為:燃弧時(shí)較高的電壓，短路瞬間的電壓下降，短路后快速的上升;電流表現(xiàn)為:燃弧時(shí)較低的電流，短路時(shí)電流較快的上升，短路后電流較緩的下降，如圖1所示。圖1b中A處稱為A型短路，實(shí)際的情況中，也存在瞬時(shí)短路的現(xiàn)象，即熔滴短暫的與熔池接觸，但是沒有發(fā)生熔滴過渡，電壓表現(xiàn)為短時(shí)間急劇的下降，電流表現(xiàn)為微微的上升，并不會(huì)像短路過渡時(shí)電流那樣上升幅度大，圖1b中B處所示，稱為B型短路。短路過渡的這一電信號(hào)特征，與脈沖信號(hào)的形式相同，LabVIEW在測(cè)量脈沖信號(hào)上具備很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

圖1 短路過渡中電信號(hào)的A，B型短路

1.2 LabVIEW脈沖測(cè)量函數(shù)

如圖2所示，LabVIEW脈沖測(cè)量函數(shù)可以按照配置，對(duì)輸入的一段波形進(jìn)行檢測(cè)，輸出所需的參數(shù)，其vi輸入輸出參數(shù)如圖2a所示。

在對(duì)電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要注意的輸入?yún)?shù)有參考電平、極性和脈沖號(hào)。

參考電平，指定如何計(jì)算波形的高參考電平(Rh)、中間參考電平(Rm)和低參考電平(Rl)，如圖2b所示。其中高、低參考電平與中間參考電平的距離必須相等，否則將強(qiáng)制把距離大的一方轉(zhuǎn)換為距離短的數(shù)值。

圖2 LabVIEW脈沖測(cè)量輸入輸出參數(shù)及示意圖

極性，包括高脈沖與低脈沖，對(duì)電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，使用的低脈沖，低脈沖是起始于下降波形與中間參考電平的交點(diǎn)，結(jié)束于上升波形于中間參考電平的交點(diǎn)，也就是一個(gè)短路的信號(hào)。

使用時(shí)，脈沖測(cè)量vi可以對(duì)整個(gè)的波形進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)脈沖號(hào)，輸出所選脈沖的測(cè)量信息，測(cè)量信息包括脈沖持續(xù)時(shí)間和脈沖中心。脈沖持續(xù)時(shí)間，指定的脈沖最早兩次與中間參考電平相交的時(shí)間之差，脈沖持續(xù)期也稱為脈沖寬度,記為T1(n)，即短路時(shí)間；脈沖中心為短路波形的中點(diǎn)，數(shù)值為中點(diǎn)在波形中的相對(duì)位置，配合T1(n),計(jì)算出短路結(jié)束時(shí)間，記為Pd(n)，通過脈沖結(jié)束時(shí)間，間接的計(jì)算出脈沖周期，也就是短路周期。

相對(duì)完善的物業(yè)服務(wù)法規(guī)體系是防范物業(yè)服務(wù)糾紛的重要保障，鄂州市行業(yè)主管部門要盡快制定《物業(yè)管理招投標(biāo)辦法》，通過招投標(biāo)使物管企業(yè)樹立“競(jìng)爭(zhēng)主體”意識(shí)，以優(yōu)質(zhì)服務(wù)、高水平的管理和良好的企業(yè)信譽(yù)去獲得市場(chǎng)份額。鄂州作為離武漢最近的中等城市，房地產(chǎn)市場(chǎng)發(fā)展前景看好，具備吸引外地高資質(zhì)物業(yè)公司進(jìn)駐的條件。鄂州市在招商時(shí)，應(yīng)把物業(yè)管理項(xiàng)目納入招商項(xiàng)目庫(kù)，積極向外界推薦鄂州的優(yōu)惠政策，吸引外地高資質(zhì)物業(yè)公司進(jìn)駐鄂州。要制定新建項(xiàng)目物業(yè)服務(wù)用房配置有關(guān)規(guī)定，明確物業(yè)服務(wù)用房配置的比例和最小建筑面積，使物業(yè)服務(wù)用房的配置有規(guī)可依等。

脈沖測(cè)量相比于閾值方法的測(cè)量，多引入了高低參考電平，一次短路的識(shí)別不僅僅依照是否穿過閾值線，同時(shí)還需要穿過低參考電平，方能判定為一次有效的短路，大大減少了噪音信號(hào)的干擾。

2 LabVIEW短路測(cè)量程序設(shè)計(jì)

測(cè)量子程序基于脈沖測(cè)量的函數(shù)，根據(jù)所選擇的配置參數(shù)，在輸入電壓電流信號(hào)后，根據(jù)短路信號(hào)以及瞬時(shí)短路信號(hào)的特征，設(shè)置一套算法，結(jié)果輸出為短路時(shí)間T1(n)短路周期Tc(n)的變化圖，以及相應(yīng)的頻次圖和變異系數(shù),其脈沖測(cè)量流程圖如圖3所示。

LabVIEW程序框圖如圖4所示，程序的基本流程為，初始化參數(shù)、電壓短路測(cè)量、瞬時(shí)短路判斷、短路時(shí)間及短路周期統(tǒng)計(jì)、測(cè)量參數(shù)的輸出，在這5步中，判斷是否為瞬時(shí)短路，采用的是一個(gè)子程序，子程序程序框圖如圖5所示，根據(jù)子程序判斷出的結(jié)果，判斷為短路則在分支結(jié)構(gòu)中將參數(shù)記錄在數(shù)組中，不是則忽略。

瞬時(shí)短路的判斷，是以測(cè)量的脈沖結(jié)束點(diǎn)為中心，短路時(shí)間為半徑，在以此對(duì)應(yīng)的電流波形上截取相應(yīng)數(shù)組，檢索這段數(shù)組的最大值，如果這個(gè)最大值小于閾值Iy，則判定為瞬時(shí)短路，反之為正常短路，判定機(jī)制如圖6所示，其中虛線框的范圍為電流截取檢測(cè)的范圍。

考慮到對(duì)電信號(hào)的測(cè)量，只需根據(jù)輸入的參數(shù)，得到相應(yīng)結(jié)果，為了使得程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便，將以上的測(cè)量函數(shù)制作成子vi，整體的短路過渡參數(shù)測(cè)量函數(shù)輸入輸出參數(shù)如圖7所示，此子程序雖然是在一個(gè)While循環(huán)里，但是測(cè)量結(jié)束就會(huì)停止，是一個(gè)純粹的單線程函數(shù)。

圖3 短弧焊電信號(hào)脈沖測(cè)量流程圖

圖4 測(cè)量函數(shù)程序板

圖5 短路判斷子程序

圖6 瞬時(shí)短路判斷示意圖

圖7 短路過渡函數(shù)輸入輸出參數(shù)

3 JKI狀態(tài)機(jī)人機(jī)交互的程序及界面設(shè)計(jì)

JKI狀態(tài)機(jī)作為一種操作簡(jiǎn)便、功能強(qiáng)大的編程架構(gòu)，被廣泛使用于LabVIEW的大中小型程序中。在使用JKI狀態(tài)機(jī)的時(shí)候，需要了解的3個(gè)要素核心有：事件、數(shù)據(jù)、狀態(tài)。為了獲得良好的人機(jī)交互性，還需要合適的用戶界面(UI)設(shè)計(jì)，在LabVIEW中，界面設(shè)計(jì)有3個(gè)要素，不輕易創(chuàng)新、少既是多、多考慮用戶。

3.1 程序功能分析

以NI產(chǎn)品為采集硬件，以LabVIEW為采集軟件的方式，大多使用TDMS為數(shù)據(jù)文件的保存格式，因此使用一個(gè)文件選擇控件選擇數(shù)據(jù)，加上導(dǎo)入按鈕，完成數(shù)據(jù)的導(dǎo)入與顯示；在導(dǎo)入完參數(shù)后，需要為測(cè)量設(shè)置測(cè)量參數(shù)，這里擬采用電信號(hào)輔助PDD的方式選擇合適的測(cè)量參數(shù)；最后需要輸出各個(gè)結(jié)果，這里使用一個(gè)計(jì)算各參數(shù)按鈕完成。

在程序功能上:①選擇所測(cè)量的信號(hào)；②選擇合適的參考電平和閾值電流；③得到短路時(shí)間和短路周期的時(shí)間變化圖、頻次圖、變異系數(shù)。

3.2 電信號(hào)PDD輔助

對(duì)于短路過渡信息測(cè)量的子vi，輸入?yún)?shù)的正確選擇尤為重要，這直接影響輸出結(jié)果，參考電平和閾值電流的選擇并不隨意，使用U-PDD和I-PDD輔助選擇參數(shù)，如圖8所示，U-PDD處，藍(lán)色游標(biāo)表示中間參考電平Rm，黃色游標(biāo)與藍(lán)色游標(biāo)值之差為高、低參考電平(Rh，Rl)與中間參考電平的間距；I-PDD處，橙色游標(biāo)值為閾值電流Iy，U-PDD中，大駝峰與小駝峰之間存在一段較為平緩的區(qū)域，Rm應(yīng)選擇在這一區(qū)域的中心，黃色游標(biāo)為靠近小駝峰的位置，I-PDD中，Iy選擇在下方駝峰與平緩交接處；I-PDD圖的位置中游標(biāo)移動(dòng)，電流波形圖中的游標(biāo)也會(huì)移動(dòng)，并保持相同的位置，U-PDD中游標(biāo)移動(dòng)，波形圖中則會(huì)顯示參考電平的3個(gè)游標(biāo)，這種方法雖然簡(jiǎn)單，但便于使用者理解。

圖8 PDD輔助與電信號(hào)波形預(yù)覽

3.3 各功能的實(shí)現(xiàn)

對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)上述功能，文中從事件、數(shù)據(jù)、狀態(tài)3個(gè)方面描述，事件包括導(dǎo)入按鈕、計(jì)算按鈕值改變和2個(gè)PDD圖中的游標(biāo)移動(dòng)，在事件結(jié)構(gòu)中只做狀態(tài)跳轉(zhuǎn)，不做數(shù)據(jù)處理，“導(dǎo)入按鈕”值改變觸發(fā)“短路統(tǒng)計(jì)：輔助PDD”狀態(tài)，“計(jì)算按鈕”值改變觸發(fā)“短路統(tǒng)計(jì)：參數(shù)輸出”狀態(tài)，游標(biāo)移動(dòng)觸發(fā)“短路統(tǒng)計(jì)：更新狀態(tài)”。

數(shù)據(jù)包括參考電平、閾值電流、電壓電流數(shù)據(jù)，其在JKI狀態(tài)機(jī)的“Data: Initialize”分支中完成初始化，其中參考電平是一個(gè)包含3個(gè)數(shù)值的簇類型，閾值電流為數(shù)值類型，電壓電流為數(shù)值的數(shù)組類型，所有的參數(shù)均初始化為0。

狀態(tài)包括輔助PDD、游標(biāo)更新、參數(shù)輸出這3個(gè)狀態(tài)，輔助PDD的功能，1是將測(cè)量文件中的數(shù)據(jù)計(jì)入狀態(tài)機(jī)中的電壓電流數(shù)據(jù)緩存，2顯示各自的概率密度圖和波形圖；更新游標(biāo)的功能，1是將游標(biāo)對(duì)應(yīng)值計(jì)入狀態(tài)機(jī)中的參考電平和閾值電流，2是將當(dāng)前的測(cè)量參數(shù)顯示到數(shù)值控件上，3是更新電壓電流波形中對(duì)應(yīng)的游標(biāo)，達(dá)到視覺上同步移動(dòng)的效果；參數(shù)輸出的功能是，輸出短路時(shí)間和短路周期的時(shí)間變化圖、頻次圖、變異系數(shù)，將其顯示在界面相應(yīng)的控件上。

在界面設(shè)計(jì)上，采取簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)方法，界面的左邊包含狀態(tài)及參數(shù)欄，具有文件選擇控件，導(dǎo)入并生成輔助PDD按鈕；在拖動(dòng)游標(biāo)時(shí)，參數(shù)配置欄顯示4個(gè)測(cè)量參數(shù)，隨著游標(biāo)移動(dòng)，參數(shù)實(shí)時(shí)跟新，以幫助用戶了解具體的參數(shù)值；在下面存在有關(guān)參數(shù)輸出的量，首先是選擇采樣參數(shù)所選擇的采樣率，填寫P-N，T-N選擇短路周期、短路時(shí)間的輸出頻數(shù)分布量，值越大輸入的頻數(shù)間隔越小，然后點(diǎn)擊計(jì)算各參數(shù)按鈕，即可得到想要的結(jié)果，包括時(shí)間變化圖、頻次圖及變異系數(shù)；輔助PDD與參數(shù)輸出圖使用一個(gè)選項(xiàng)卡控件完成，其外觀及試驗(yàn)參數(shù)如圖9所示。

圖9 測(cè)量主界面及試驗(yàn)的參數(shù)輸出

4 結(jié)論

按照測(cè)量程序的順序，第一步選擇測(cè)量的文件，點(diǎn)擊導(dǎo)入并生成輔助PDD按鈕，輔助PDD界面將顯示波形及其PDD圖，其次移動(dòng)游標(biāo)選擇合適的參數(shù)，參數(shù)將實(shí)時(shí)的以數(shù)值的方式顯示在用戶界面的左側(cè)配置參數(shù)欄，然后選擇采樣率，頻次圖的分布數(shù)量，點(diǎn)擊計(jì)算各參數(shù)按鈕，選項(xiàng)卡短路輸出欄將顯示所需的圖形參數(shù)，并且左側(cè)也會(huì)顯示變異系數(shù)的百分?jǐn)?shù)值，此操作十分的簡(jiǎn)單易懂。

文中選擇了一部分弧焊短路過渡電參數(shù)，試驗(yàn)表明，此程序可準(zhǔn)確識(shí)別出瞬時(shí)短路，測(cè)量出正確的短路周期和短路時(shí)間時(shí)間變化圖、頻數(shù)圖、變異系數(shù)，其界面布局非常清晰易于操作，而且文中給出了在JKI狀態(tài)機(jī)下的使用范例，此范例不僅作為調(diào)試使用，亦可添加到個(gè)人使用JKI狀態(tài)機(jī)的程序中，而無(wú)需破壞個(gè)人程序原有的結(jié)構(gòu)。