基于低高速交替式數據采集的船舶自動焊焊接實時監測錄入系統研究

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(海軍駐葫蘆島四三一廠軍事代表室，遼寧 葫蘆島 125004)

1 船舶自動焊焊接實時監測錄入系統結構

船舶自動焊焊接實時監測錄入系統結構見圖1。該系統由傳感系統、模數轉換電路及計算機端口電路、數據采集系統、數據分析系統4個模塊構成。系統能夠實現船舶焊接全過程跟蹤、檢測、記錄、存儲、分析等，其中，數據采集與分析系統構成焊接實時監測錄入系統的主體。通過科學化的數據采集與分析，能夠考察焊接過程中規范參數的穩定性與焊接細則要求的符合性；通過電弧信息的統計分析，能夠再現電弧燃燒的微觀過程；通過電流、電壓的譜分析，確定焊接過程熔滴過渡的穩定性。

圖1 系統結構

2 數據采集方式

由于船舶的焊接時間持續較長，系統的采樣頻率較高，所以數據量非常大，1 h的數據量約為200 k×3 600=7.2 Gb[1-3]。即使在對于計算機技術高度發達的今天，這個數據量的存儲在軟件和硬件上也存在一定的問題[4]。為此文中采用高速采集(200 kHz)和低速采集(1 kHz)交替進行的方式，亦即進行1 s的低速采集，再進行1 s的高速采集，如此循環往復。高速采集將數據寫入內存，利用低速采集的空閑時間，再將高速采集的數據寫入硬盤，達到高速采集、海量存儲的目的。考慮到焊接過程是一個熱物理過程，只有焊接電弧受到持續的干擾，才會引起焊接缺陷，因此這個數據采集方案對于焊接過程的檢測是合理的。

系統的低速采集數據用于在線實時顯示和離線分析存檔，高速采集數據用于離線統計分析和頻譜分析。

3 在線功能

系統在線功能模塊圖見圖2，負責焊接過程的跟蹤、檢測、記錄、存儲和簡要的分析等。系統在線功能分為實時統計分析、系統標定、在線監控、打印輸出4個模塊。

圖2 系統在線功能模塊

3.1 實時統計分析

實時統計分析就是通過對低速采集數據的統計分析，在焊接過程中實時顯示焊接電流、電弧電壓的均值和有效值、焊接速度的均值，并且以圖形的方式顯示以上參數近一段時間以內的變化過程和趨勢[5]。

3.2 系統標定

系統標定就是通過傳統的檢測方法對本系統進行歸零、標定，達到確定系統輸入與輸出的定量關系，并將這些關系進行存儲。標定的內容有電流標定，電壓標定和速度標定等。

3.3 在線監控

在線監控功能包括系統工作方式設置以及正常的電流、電壓、速度范圍設置。通過系統工作方式設置可以確定系統運作方式，如設置高速采集參數，低速采集參數、焊接狀態過渡時間、焊縫參數等。通過電流、電壓、速度范圍設置可以確定正常的焊接工藝參數的范圍，當檢測的焊接工藝參數超出設定范圍并持續一定時間時，記錄儀將報警提示。

3.4 打印輸出

打印當前焊接電流和電壓速度。

4 離線分析

系統的離線分析負責對焊接過程數據進行全面分析，包括焊接工藝參數分析、電弧微觀統計分析和頻譜分析，見圖3。

圖3 系統離線分析功能模塊

4.1 焊接工藝參數控制

對于焊接過程參數的控制，系統通過低速采集，即每1 s采集1 000個電流瞬時值i，通過有效值計算，可以得到這1 s的平均有效值I。

(1)

(2)

(3)

對于1 h的焊接過程就有180次觀察，考慮到焊接過程應該是一個平穩的隨機過程，其總體有效值的均值μ和標準差σ是與時間無關的常數，并且也就是以上各次觀察值的平均值，見式(4)、(5)。

(4)

(5)

如果把每次觀察的10個電流平均有效值的變化幅度(極差)作為衡量其波動范圍的指標，可以得到極差管理圖。第k次觀察的10個數據的最大值減去其最小值可以得到該次觀察的極差，見式(6)，180次觀察極差的平均值就是總體波動范圍的度量值，見式(7)。

Rk=max(I)-min(I)

(6)

(7)

應用以上方法，還可得到電弧電壓的均值管理圖、極差管理圖，以及電流、電壓平均值的均值和極差管理圖。埋弧焊電流、電壓平均值的均值和極差管理圖見圖4～7。

通過電流和電壓的有效值、平均值的均值管理圖和極差管理圖，可以全方位再現整個焊接過程的焊接工藝參數的變化歷程，為評定實際焊接過程與焊接工藝細則的一致性、符合性提供科學有效的分析方法。

圖4 埋弧焊焊接電流有效值均值管理

圖5 埋弧焊焊接電壓有效值均值管理

圖6 埋弧焊焊接電流平均值均值管理

圖7 埋弧焊焊接電壓平均值均值管理

焊接工藝參數模塊包括整個焊縫的電流、電壓均值和有效值的均值管理圖和方差管理圖的顯示。

4.2 電弧信息分析

圖8和圖9為埋弧焊焊接電流、電壓波形圖。由波形圖可以得出電流、電壓概率密度分布直方圖，見圖10和圖11，電流、電壓周期分布直方圖見圖12。

圖8 埋弧焊焊接電流波形

圖9 埋弧焊焊接電壓波形

圖10 埋弧焊焊接電流概率密度分布

圖11 埋弧焊焊接電壓概率密度分布

圖12 埋弧焊焊接電流、電壓周期分布

4.3 譜分析

由埋弧焊焊接電流、電弧電壓的周期分布圖以及氬弧焊焊接電流、焊接電壓的周期分布圖可以計算出周期分布的均值和方差。此外，由埋弧焊和氬弧焊焊接電流、電弧電壓的頻譜分析圖可以計算出其主振動頻率，計算結果見表1。

表1 焊接電流、電壓變化周期和頻率計算結果

由表1可知，通過焊接電流、電壓波形計算出的電流和電壓的周期與通過譜分析計算出的電流、電壓的主振動頻率基本吻合。

5 結論

1)以高速采集和低速采集交替進行的方式對焊接質量數據的收集是合適且可行的。

2)低速采集能夠用于在線實時監測、顯示焊接電流、電壓、速度等焊接質量數據的均值和有效值，并對焊接規范參數與焊接工藝細則的符合性進行實時檢驗。通過對低速采集數據的分析，能再現整個焊接過程中焊接電流、電壓的變化過程和趨勢，通過管理圖確定電流、電壓的合理變化范圍。

3)高速采集能夠用于對焊接電弧信息和熔滴過渡方式的跟蹤、檢測。

4)通過對焊接電流、電弧電壓的波形分析，可以得到其概率密度分布圖、周期分布圖以及電弧動特性圖。通過對焊接電流、電弧電壓的波形的譜分析，可以得到其振動頻率譜。

[1] 王其隆.弧焊過程質量施時傳感與控制[M].北京：機械工業出版社,2000.

[2] 魏艷紅.焊接工藝評定必要性判定數據庫系統[J].焊接,1993,13(1):8-11.

[3] J.A.JOHNSON etc.Process Control of GMAW[J]:Sensing of Metal transfer Mode WELDING RECHSEARCH SUPPLEMENT,1991(4):91-99.

[4] 張曉囡.實時監測焊接過程的新型分析儀[C]∥第八次全國焊接會議論文集,北京，中國工業機械學會焊接分會，1997:439-441.

[5] 張曉囡.評定CO2電弧焊電源動特性的統計分析法[J].焊接學報,2001,22(3):12-16.