一种焊接过程多信号采集与焊接平台运动控制系统

摘要

本发明公开了一种焊接过程多信号采集与焊接平台运动控制系统，该系统中焊接电信号传感装置对焊接电流与电压进行采集，将采集到的电信号转化为电压信号后传输至PC机；电弧声采集装置将采集所得声信号转化为电压信号后传输至PC机；高速摄像装置通过工业以太网总线将拍摄得到的熔滴过渡图像信号传输至PC机；伺服电机运动装置与PC机采用RS-232总线进行串口通讯；PC机接收所述焊接电信号传感装置、电弧声采集装置及高速摄像装置发送的数据后存储在本地；PC机还根据用户输入的指令对伺服电机运动装置进行运动控制。本系统，一方面，可以实现PC机对焊接平台的远程控制，另一方面，可同时采集多种信号，为焊接工艺优化、焊接电弧机理研究提供良好的分析平台。

说明书

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种焊接过程多信号采集与焊接平台运动控制系统。

背景技术

随着近年来海洋石油资源开采力度的不断加大，越来越多的海洋石油钻井平台、海洋管线需要搭建、组装与修复，焊接技术的重要性日益突出。随着海洋石油开采深度的增加，焊接环境变得更加恶劣，压力对焊接质量产生较大影响，这给焊接，特别是水下焊接技术提出了更高的要求与挑战。

为获得更好的焊缝质量，更高的焊接效率，需开发新的水下焊接工艺方法以及完善已有的焊接技术手段，解决目前水下焊接过程中出现的一系列问题。因此需要对焊接电弧、焊接熔滴过渡机理深入研究，然而，现有技术中并没有相关的方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种焊接过程多信号采集与焊接平台运动控制系统，一方面，可以实现PC机对焊接平台的远程控制，另一方面，可同时采集多种信号，为焊接工艺优化、焊接电弧机理研究提供良好的分析平台。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种焊接过程多信号采集与焊接平台运动控制系统，该系统包括：焊接电信号传感装置、电弧声采集装置、高速摄像装置、伺服电机运动装置与PC机；

所述焊接电信号传感装置对焊接电流与电压进行采集，将采集到的电信号转化为电压信号后传输至PC机；所述电弧声采集装置将采集所得声的信号转化为电压信号后传输至PC机；所述高速摄像装置通过工业以太网总线将拍摄得到的熔滴过渡图像信号传输至PC机；所述伺服电机运动装置与PC机采用RS-232总线进行串口通讯；

所述PC机接收所述焊接电信号传感装置、电弧声采集装置及高速摄像装置发送的数据后存储在本地；所述PC机还根据用户输入的指令对伺服电机运动装置进行运动控制。

所述焊接电信号传感装置包括：霍尔电流传感器与电信号调理模块；

所述霍尔电流传感器，用于同时对焊接电流与电压进行采集，

电信号调理模块，用于将包含焊接电流与电压的焊接电信号转化为10V以内的电压信号。

电弧声采集装置包括：传声器及信号放大模块；

所述传声器放置于距离焊枪半米处，传声器前布置防飞溅铁丝网；所述传声器将采集所得的电弧声信号转化为电信号，传输至信号放大模块，生成10V以内的电压信号。

所述伺服电机运动装置包括：驱动器、交流伺服电机；

驱动器与PC机采用RS-232总线进行通讯，根据PC机的指令驱动交流伺服电机工作；

其中，所述驱动器需进行复位设置；交流伺服电机启动后也需先执行复位动作。

所述PC机中设有USB数据采集卡、千兆网卡与串口扩展卡；

所述USB数据采集卡与所述焊接电信号传感装置、所述电弧声采集装置连接，对接收到的电信号进行A/D转换，通过USB总线传输传入PC机存储器中；

所述PC机中的千兆网卡，通过工业以太网与高速摄像装置连接，接收所述高速摄像装置拍摄得到的熔滴过渡图像信号，并存储在存储器中；

所述PC机通过串口扩展卡实现一台PC机与多个伺服电机运动装置进行通讯。

所述PC机中设有多信号同步采集模块，通过该模块对采样率、采样通道、采样时钟及写入测量文件参数进行设置，来实现焊接电信号传感装置与电弧声采集装置的电信号同步采集、显示与存储；

所述PC机中还设有焊接过程信号分析与熔滴过渡回放模块，该模块基于labVIEW内的工具包对焊接过程中的电信号的最大值、最小值、平均值进行统计分析，对波形图上任意时间段的信号的显示进行游标移动，显示任意时间点信号值相对应时间点的熔滴过渡图像。

所述PC机中设有双轴电机控制模块；

该双轴电机控制模块基于labVIEW人机交互界面以及虚拟仪器软件结构提供的用于仪器编程的标准I/O函数库，对伺服电机运动装置进行运动控制。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过同时采集并存储焊接过程电流、电压、电弧声与焊接熔滴过渡图像，并可同步显示焊接过程中任意时刻的电流、电压、电弧声大小与电弧行为、熔滴过渡状态，为焊接工艺优化、焊接电弧机理研究提供良好的分析平台，可适用于GMAW、TIG脉动填丝焊、激光复合焊的焊接工艺评定与工艺参数优化；另外，还可以实现PC机对焊接平台的远程控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种焊接过程多信号采集与焊接平台运动控制系统的示意图；

图2为本发明实施例提供的焊接电信号采集的流程图；

图3为本发明实施例提供的多信号同步采集的流程图；

图4为本发明实施例提供的焊接过程信号分析模块与熔滴过渡回放模块的工作流程图；

图5为本发明实施例提供的实现伺服电机运动装置运动控制的流程图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种焊接过程多信号同步采集与焊接平台运动控制系统，该系统可实现对GMAW、TIG脉动填丝焊、激光复合焊进行焊接工艺试验评定，提供多种信号监测手段，监测焊接过程稳定性，包括对焊接过程电流、电压、电弧声、焊接熔滴过渡图像进行在线检测、记录与存储，同时将所存储数据进行统计分析，同步显示焊接过程中任意时刻的电流、电压、电弧声大小与电弧行为、熔滴过渡状态，为焊接工艺优化、焊接电弧机理研究提供良好的分析平台。

如图1所示为一种焊接过程多信号同步采集与焊接平台运动控制系统的示意图；如图1所示，该系统主要包括：焊接电信号传感装置、电弧声采集装置、高速摄像装置、伺服电机运动装置与PC机；

所述焊接电信号传感装置对焊接电流与电压进行采集，将采集到的电信号转化为电压信号后传输至PC机；所述电弧声采集装置将采集所得的声信号转化为电压信号后传输至PC机；所述高速摄像装置通过工业以太网总线将拍摄得到的熔滴过渡图像信号传输至PC机；所述伺服电机运动装置与PC机采用RS-232总线进行串口通讯；

所述PC机接收所述焊接电信号传感装置、电弧声采集装置及高速摄像装置发送的数据后存储在本地；所述PC机还根据用户输入的指令对伺服电机运动装置进行运动控制。

进一步的，所述焊接电信号传感装置包括：霍尔电流传感器与电信号调理模块；

所述霍尔电流传感器，用于同时对焊接电流与电压进行采集，

电信号调理模块，用于将包含焊接电流与电压的焊接电信号转化为10V以内的电压信号。

进一步的，电弧声采集装置包括：传声器及信号放大模块；

所述传声器放置于距离焊枪半米处，传声器前布置防飞溅铁丝网，以防止焊接飞溅对传声器灵敏度造成影响；所述传声器将采集所得的电弧声信号转化为电信号，传输至信号放大模块，生成10V以内的电压信号。

进一步的，所述伺服电机运动装置包括：驱动器与交流伺服电机；

驱动器与PC机采用RS-232总线进行通讯，根据PC机的指令驱动交流伺服电机工作；

其中，所述驱动器需进行复位设置；交流伺服电机启动后也需先执行复位动作。

进一步的，所述PC机中设有USB数据采集卡、千兆网卡与串口扩展卡；

所述USB数据采集卡与所述焊接电信号传感装置、所述电弧声采集装置连接，对接收到的电信号进行A/D转换，通过USB总线传输传入PC机存储器中；

所述PC机中的千兆网卡，通过工业以太网与高速摄像装置连接，接收所述高速摄像装置拍摄得到的熔滴过渡图像信号，并存储在存储器中；

所述PC机通过串口扩展卡实现一台PC机与多个伺服电机运动装置进行通讯。

进一步的，所述PC机中设有多信号同步采集模块，通过该模块对采样率、采样通道、采样时钟及写入测量文件参数进行设置，来实现焊接电信号传感装置与电弧声采集装置的电信号同步采集、显示与存储。

焊接电信号采集的流程如图2所示，首先配置采集电流、电压的物理通道，如电流为AI0通道、电压AI1通道，其次设置采样率。采样是将连续信号变为离散信号，为使采样后的离散信号能接近并恢复为连续信号，并提高后期数据处理、信号分析的精度与准确性，参考汉诺威分析仪200KHz的采样率，将采集卡设置采样率为50KHz。设置采样时钟的信号源为所述USB数据采集卡的板内晶振，设置触发形式为“模拟触发”，触发源为APFI0接口。启动触发开关，USB数据采集卡开始进行采集，数据经可编程增益仪表放大器(PGIA)的调理、模数转换器(ADC)的采集与量化，存入采集卡的缓存(FIFO)中，当FIFO中的数据量超过一定容量时，所述数据通过USB总线传入PC机存储器中。同时，经过放大运算后的电流、电压波形曲线显示在波形图表中。

多信号同步采集的流程图如图3所示，利用同步触发开关，同时向高速摄像机、数据采集卡发射触发信号，对拥有不同操作系统和控制软件的硬件设备进行同时启动，使它们在同一时刻点位置开始采集信号，两种设备独立运行，互不影响。

所述PC机中还设有焊接过程信号分析模块与熔滴过渡回放模块，该信号分析模块基于labVIEW内的工具包对焊接过程中的电信号的最大值、最小值、平均值进行统计分析，对波形图上任意时间段的信号的显示进行游标移动，显示任意时间点信号值相对应时间点的熔滴过渡图像。

焊接过程信号分析模块与熔滴过渡回放模块的工作流程如图4所示。利用“读取测量文件”模块提取存储在PC机中的电流、电压信号；选用Butterworth低通数字滤波器滤除焊接过程中产生的高频干扰信号，在PC机波形图中显示焊接过程中的电流、电压波形曲线；利用“统计”模块计算焊接过程中电流、电压的平均值，并以数值形式显示；利用“读取JPEG文件”模块提取存储在PC机内的图像数据，通过“绘制平化像素图”模块将图像数据转化为“位图”，显示在图片控件中。

由于数据是利用多信号同步采集平台获取的，因此，电流、电压、熔滴图像是以一个共同的时间序列为基轴存储在PC机中的。输入任意时间点t1作为电流、电压波形图共同的游标位置，通过一定的算法，利用t1创建“读取JPEG文件”模块所能识别的“路径”，读取t1时刻的熔滴过渡图像，进而在人机操作界面上，可同时显示t1时刻焊接过程中的电流、电压值以及熔滴过渡图像。由此，信号分析系统可同步任意时刻电流、电压值与熔滴过渡图像，做到了多种信号分析手段的相互补充。

进一步的，所述PC机中设有双轴电机控制模块；

该双轴电机控制模块基于labVIEW人机交互界面以及虚拟仪器软件结构提供的用于仪器编程的标准I/O函数库对伺服电机运动装置进行运动控制。

运动控制过程如图5所示，首先对所述驱动器与所述电机的运行参数进行设置，并执行电机复位动作，通过反馈系统执行“复位是否完成”的检测命令。当确定所述驱动器、电机均已复位后，PC机通过驱动器向电机发出“前进”、“后退”“电机停止”命令，电机分别执行“正转”、“反转”、“终止”动作，通过反馈系统，确定电机是否达到指定位置。当电机达到指定位置后，完成了所述PC机对所述电机的运动控制，程序结束，电机停止运行。

本发明实施例通过同时采集并存储焊接过程电流、电压、电弧声与焊接熔滴过渡图像，并可同步显示焊接过程中任意时刻的电流、电压、电弧声大小与电弧行为、熔滴过渡状态，为焊接工艺优化、焊接电弧机理研究提供良好的分析平台，可适用于GMAW、TIG脉动填丝焊、激光复合焊的焊接工艺评定与工艺参数优化；另外，还可以实现PC机对行街平台的远程控制。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。