基于低高速交替式数据采集的船舶自动焊焊接实时监测录入系统研究

,

(海军驻葫芦岛四三一厂军事代表室，辽宁 葫芦岛 125004)

1 船舶自动焊焊接实时监测录入系统结构

船舶自动焊焊接实时监测录入系统结构见图1。该系统由传感系统、模数转换电路及计算机端口电路、数据采集系统、数据分析系统4个模块构成。系统能够实现船舶焊接全过程跟踪、检测、记录、存储、分析等，其中，数据采集与分析系统构成焊接实时监测录入系统的主体。通过科学化的数据采集与分析，能够考察焊接过程中规范参数的稳定性与焊接细则要求的符合性；通过电弧信息的统计分析，能够再现电弧燃烧的微观过程；通过电流、电压的谱分析，确定焊接过程熔滴过渡的稳定性。

图1 系统结构

2 数据采集方式

由于船舶的焊接时间持续较长，系统的采样频率较高，所以数据量非常大，1 h的数据量约为200 k×3 600=7.2 Gb[1-3]。即使在对于计算机技术高度发达的今天，这个数据量的存储在软件和硬件上也存在一定的问题[4]。为此文中采用高速采集(200 kHz)和低速采集(1 kHz)交替进行的方式，亦即进行1 s的低速采集，再进行1 s的高速采集，如此循环往复。高速采集将数据写入内存，利用低速采集的空闲时间，再将高速采集的数据写入硬盘，达到高速采集、海量存储的目的。考虑到焊接过程是一个热物理过程，只有焊接电弧受到持续的干扰，才会引起焊接缺陷，因此这个数据采集方案对于焊接过程的检测是合理的。

系统的低速采集数据用于在线实时显示和离线分析存档，高速采集数据用于离线统计分析和频谱分析。

3 在线功能

系统在线功能模块图见图2，负责焊接过程的跟踪、检测、记录、存储和简要的分析等。系统在线功能分为实时统计分析、系统标定、在线监控、打印输出4个模块。

图2 系统在线功能模块

3.1 实时统计分析

实时统计分析就是通过对低速采集数据的统计分析，在焊接过程中实时显示焊接电流、电弧电压的均值和有效值、焊接速度的均值，并且以图形的方式显示以上参数近一段时间以内的变化过程和趋势[5]。

3.2 系统标定

系统标定就是通过传统的检测方法对本系统进行归零、标定，达到确定系统输入与输出的定量关系，并将这些关系进行存储。标定的内容有电流标定，电压标定和速度标定等。

3.3 在线监控

在线监控功能包括系统工作方式设置以及正常的电流、电压、速度范围设置。通过系统工作方式设置可以确定系统运作方式，如设置高速采集参数，低速采集参数、焊接状态过渡时间、焊缝参数等。通过电流、电压、速度范围设置可以确定正常的焊接工艺参数的范围，当检测的焊接工艺参数超出设定范围并持续一定时间时，记录仪将报警提示。

3.4 打印输出

打印当前焊接电流和电压速度。

4 离线分析

系统的离线分析负责对焊接过程数据进行全面分析，包括焊接工艺参数分析、电弧微观统计分析和频谱分析，见图3。

图3 系统离线分析功能模块

4.1 焊接工艺参数控制

对于焊接过程参数的控制，系统通过低速采集，即每1 s采集1 000个电流瞬时值i，通过有效值计算，可以得到这1 s的平均有效值I。

(1)

(2)

(3)

对于1 h的焊接过程就有180次观察，考虑到焊接过程应该是一个平稳的随机过程，其总体有效值的均值μ和标准差σ是与时间无关的常数，并且也就是以上各次观察值的平均值，见式(4)、(5)。

(4)

(5)

如果把每次观察的10个电流平均有效值的变化幅度(极差)作为衡量其波动范围的指标，可以得到极差管理图。第k次观察的10个数据的最大值减去其最小值可以得到该次观察的极差，见式(6)，180次观察极差的平均值就是总体波动范围的度量值，见式(7)。

Rk=max(I)-min(I)

(6)

(7)

应用以上方法，还可得到电弧电压的均值管理图、极差管理图，以及电流、电压平均值的均值和极差管理图。埋弧焊电流、电压平均值的均值和极差管理图见图4～7。

通过电流和电压的有效值、平均值的均值管理图和极差管理图，可以全方位再现整个焊接过程的焊接工艺参数的变化历程，为评定实际焊接过程与焊接工艺细则的一致性、符合性提供科学有效的分析方法。

图4 埋弧焊焊接电流有效值均值管理

图5 埋弧焊焊接电压有效值均值管理

图6 埋弧焊焊接电流平均值均值管理

图7 埋弧焊焊接电压平均值均值管理

焊接工艺参数模块包括整个焊缝的电流、电压均值和有效值的均值管理图和方差管理图的显示。

4.2 电弧信息分析

图8和图9为埋弧焊焊接电流、电压波形图。由波形图可以得出电流、电压概率密度分布直方图，见图10和图11，电流、电压周期分布直方图见图12。

图8 埋弧焊焊接电流波形

图9 埋弧焊焊接电压波形

图10 埋弧焊焊接电流概率密度分布

图11 埋弧焊焊接电压概率密度分布

图12 埋弧焊焊接电流、电压周期分布

4.3 谱分析

由埋弧焊焊接电流、电弧电压的周期分布图以及氩弧焊焊接电流、焊接电压的周期分布图可以计算出周期分布的均值和方差。此外，由埋弧焊和氩弧焊焊接电流、电弧电压的频谱分析图可以计算出其主振动频率，计算结果见表1。

表1 焊接电流、电压变化周期和频率计算结果

由表1可知，通过焊接电流、电压波形计算出的电流和电压的周期与通过谱分析计算出的电流、电压的主振动频率基本吻合。

5 结论

1)以高速采集和低速采集交替进行的方式对焊接质量数据的收集是合适且可行的。

2)低速采集能够用于在线实时监测、显示焊接电流、电压、速度等焊接质量数据的均值和有效值，并对焊接规范参数与焊接工艺细则的符合性进行实时检验。通过对低速采集数据的分析，能再现整个焊接过程中焊接电流、电压的变化过程和趋势，通过管理图确定电流、电压的合理变化范围。

3)高速采集能够用于对焊接电弧信息和熔滴过渡方式的跟踪、检测。

4)通过对焊接电流、电弧电压的波形分析，可以得到其概率密度分布图、周期分布图以及电弧动特性图。通过对焊接电流、电弧电压的波形的谱分析，可以得到其振动频率谱。

[1] 王其隆.弧焊过程质量施时传感与控制[M].北京：机械工业出版社,2000.

[2] 魏艳红.焊接工艺评定必要性判定数据库系统[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] 张晓囡.实时监测焊接过程的新型分析仪[C]∥第八次全国焊接会议论文集,北京，中国工业机械学会焊接分会，1997:439-441.

[5] 张晓囡.评定CO2电弧焊电源动特性的统计分析法[J].焊接学报,2001,22(3):12-16.