基于霍爾傳感器的送絲速度測量系統

2018-03-19 03:30:24

電焊機 2018年2期

（中北大學材料科學與工程學院，山西太原 030051）

0 前言

送絲速度不穩定會引起焊接參數、電弧狀態劇烈波動，造成焊絲熔化和熔滴過渡過程的不穩定，增加焊縫缺陷出現的頻率[1]。隨著焊接技術的發展，焊接質量對穩定的送絲速度提出了更高的要求，特別是采用細直徑焊絲時，送絲的穩定性尤為重要[2]。

1987年上海船舶工藝研究所研制了一種便攜式焊絲送絲速度測量儀[3]，該測量儀采用測速傳感器，在當時的焊接生產質量控制上發揮了重要作用。北京工業大學郝曉美采用數字式光電編碼器測試送絲速度[4]，測試精度大大提高。德國學者Andreas Hess采用光電傳感器檢測送絲速度[5]，計算出焊絲的熔化速度。美國學者Brian Lee Ott利用磁性傳感器測量焊絲速度[6]，并分析其對焊縫質量的影響。

上述檢測方法采用編碼器計數、光電式、磁電式傳感器測量送絲速度。光電編碼器雖然測量精度高，但光電編碼盤安裝要求較高，軟連接的原因造成可靠性差。磁電式轉速傳感器利用電磁感應原理工作，磁電式轉速傳感器結構簡單、成本低，但在低速場合由于線圈上產生的感應電壓太小，檢測精度低[7]。本研究從工業應用需求出發，采用霍爾測速傳感器開發了一套送絲速度檢測系統，設計了相關軟硬件系統，包括即時顯示和上位機存儲模塊，具有穩定性好、響應快、安裝簡便等優點，滿足工業場合在線監控和后續分析的雙重要求。

1 送絲速度測量系統結構

1.1 測量系統原理

在實際焊接過程中，焊絲由送絲機上下兩組送絲輪壓緊送絲，所以送絲輪的線速度就是實際的送絲速度。結合霍爾效應，轉速傳感器安裝在測速輪外側間隔1~3 mm，磁場由安裝在測速輪上的磁鋼塊提供，當磁鋼塊經過霍爾傳感器正前方時，磁通密度發生改變，霍爾傳感器輸出一個高電平，當小磁鐵遠離傳感器時，傳感器輸出一個低電平。利用單片機內部定時器，計算出一個脈沖周期的時間，即可獲得送絲輪的轉速，再根據輪的直徑求出送絲速度，如圖1所示。

圖1 霍爾傳感器安裝示意

1.2 硬件系統組成

硬件系統采用單片機為控制器，利用霍爾傳感器檢測送絲機的旋轉部件，將轉速信號轉換為脈沖信號[8]，再由單片機進行計數并自動計算出相應的轉速，通過LED顯示測得數值（單位：r/min），也可根據需要換算成線速度進行顯示。整個系統硬件結構設計較為簡單，設計原理如圖2所示。

圖2 送絲系統原理

采用NJ5002C傳感器，該傳感器是一個三端器件，工作電壓5~30 V，輸出方式為NPN ON（常開），檢測距離10 mm。NJKS002C集成霍爾開關由穩壓器A、霍爾電勢發生器B、差分放大器C、施密特觸發器D和0C門輸出E五個基本部分組成，如圖3所示。a、b、c代表集成霍爾開關的3個引出端點。

圖3 集成開關型霍爾傳感器

1.3 軟件編程

1.3.1 單片機程序

軟件設計采用KeilC51軟件開發工具和C語言編程，運用模塊化的編程思維，既方便調用程序，又方便修改和排查錯誤。系統程序主要包括主程序和中斷服務子程序。在系統主程序中，先完成內部的初始化，再啟動程序接收霍爾傳感器傳過來的脈沖信號，由定時器負責，記錄時鐘周期數，得到送絲輪轉速。

圖4 單片機程序流程

1.3.2 上位機程序

PC上位機通過串口與單片機通訊，采用LabVIEW編寫送絲速度測量軟件[9]。測量軟件能夠實時顯示采集過程，同時顯示轉速和實際的送絲速度，并且按照采集時間保存數據，軟件界面如圖5所示。軟件運行后單擊下方“開始采集”按鈕，開始采集實時數據。當需要結束時，點擊“結束采集”完成本次采集，此時會自動彈出文件保存對話框，可以選擇路徑和文件名保存本次采集的數據，也可以點擊“取消”放棄本次數據。當需要查看歷史數據時，單擊菜單“打開文件”選項，選擇需要查看的數據文件，即可讀取文件的數據。單擊“統計數據”按鈕，可以查看已打開送絲速度數據的最值、均值和標準差等參數。

圖5 上位機程序界面與采集程序

2 標定及穩定性分析

為了消除系統誤差、改善儀器或系統的精確度，需要標定系統。通過使用送絲速度測量系統測量送絲滾輪的轉速，同時在已知時間內測量焊絲實際伸出長度，計算出焊絲的實際送絲速度，最后修正測量結果。為了更準確地標定結果同時驗證送絲的穩定性，分別選取電流 100 A，125 A，150 A，175 A和200 A進行試驗。