基于LabVIEW的电弧焊工艺参数采集系统的设计开发

信巧茹++徐振新

摘 要：针对电弧焊工艺的虚拟测试仪器，以LabVIEW为基础开发电弧焊工艺参数的数据采集系统。该软件系统包括数据采集软件和数据回放软件，可以对数据进行采集、读取和回放，从而实现对信号的分析和处理。同时可以与测试系统硬件进行通讯，完成对所采集参数的实时显示和存储。对所设计数据采集系统进行调试及实测，结果表明此系统可以准确地对电弧焊过程的电流和电压信号进行采集。

关键词：LabVIEW 电弧焊 工艺参数 数据采集

中图分类号：TG444 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）01（a）-0042-02

虚拟仪器是一种以计算机及测试硬件为基础，以软件为核心所构成的计算机仪器，并且虚拟的仪器面板以及仪器测试功能，都可通过计算机由用户软件来定义完成[1]。

计算机是虚拟仪器的基础硬件平台，可以实现信号采集、数据处理和结果显示三个基本功能（如图1所示）。测试硬件模块的主要任务是采集被测信号，并把它转换成计算机能处理的数字信号（测量数据），其核心部件是A/D转换器及其信号调理电路。测试硬件模块仅完成前端信号采集功能，信号的分析处理和显示输出等功能由软件实现。通过软件编程设计不仅可以实现单一测量仪器的功能（如电子计数器、数字示波器、频谱分析仪等），而且可以通过不同测试功能软件模块的组合来实现多种仪器的功能。与传统仪器相比，虚拟仪器是由软件定义的，它是一种被软化了的柔性结构方式，可以灵活地运用硬件和软件功能，进行不同生产系统的测量，可以很方便的提取任意时刻的参数值，对生产过程实现实时监控，具有很强的数据分析功能，因此可以广泛地应用于工业生产中工艺参数的控制和质量的监控。由于焊接是一个涉及到电、热的复杂生产工艺，其电流电压的稳定性对焊接质量有显著的影响。因此近年来，很多学者对焊接过程中的工艺参数进行了采集分析以期实现对焊接工艺过程的质量监控[2-6]。

LabVIEW是一种图形化的编程语言，具有丰富的数据采集、分析、表达及数据存储的函数库，被认为是一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW可以实现与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。因此可以用于电流电压等信号的采集系统设计中[7-9]。

该研究将针对电弧焊工艺，以LabVIEW软件为基础设计电流电压的数据采集系统，提取焊接过程中的电流电压参数值，实现数据的存储和分析功能。

1 信号采集

该课题中电信号采集传感器选用了CHB-1000S型闭环霍尔电流传感器。霍尔传感器具有很好的电气隔离功能，灵敏度和精确度高，广泛应用于工业中的各种电信号检测。CHB-1000S型闭环霍尔电流传感器参数：测量电流：0～1000 A，最大1500 A；测量频率：为0-100 kHz，精度为0.2%～1%，响应时间<1 μm，线性度为0.1%，无测量插入损耗，能够测量直流交流和脉冲信号。它的主要特点是主电流回路所产生的磁场随时通过一个二次绕组所产生的磁场进行补偿，使霍尔器件始终处于检测零磁通的条件下工作。

由于在1000 A时，传感器的输出电流为200 mA，转换为电压信号后为4 V。而数据采集卡的输入电压一般为0～10 V，因此需要对其进行放大处理，以满足数据采集卡的输入要求。由于焊接电流易波动，通常存在很大的电流峰值，因此需要对其进行消除，以防烧毁数据采集卡和计算机。该设计中通过0.5 W/9.1 V稳压二极管可以实现隔离作用。另外在信号形成的过程中还存在很多与测量无关的噪音影响分析结果，因此必须采用滤波器将其滤除。这里采用一阶无源RC滤波器。采集后的信号经调理（图2和3分别为电流和电压信号的调理电路），如放大、滤波和隔离可直接接入数据采集卡，以进行相应的分析。

设计中采用外挂式DAQ板卡-NI USB-6211数据采集卡，该采集卡是总线供电USB系列多功能DAQ模块，在高采样率下也能保持高精度。该模块提供了16路模拟输入；250 kS/s单通道采样率；2路模拟输出；4路数字输入线；4路数字输出线；每通道有4个可编程输入范围（±0.2 V～±10 V）；数字触发；2个计数器/定时器。因为该数据采集卡具有极高的性能，完全满足焊接电信号采集的要求。

2 系统软件程序

在LabVIEW界面设计软件主程序中，程序主要由数据采集、波形显示和数据存储三部分组成。数据采集卡的物理通道的参数设为0和1，分别对电流和电压信号进行采集。根据信号的强弱及精度要求确定所显示波形图的下限和上限值、以及每条通道的采样点数和采样频率。波形图可以对所采集的信号进行实时显示，并利用数据存储控件将所采集到的数据存储起来，方便后续的调用。这里设定的线条颜色红色的为电流波形，白色的为电压波形。

软件的采集过程为：首先通过数据采集卡的通道将电流和电压信号采集出来。这里由采样时钟控制采样点数和采样频率。采集得到的信号通过波形显示控件实时显示到程序的面板上，同时将所采集的两路工艺参数分别以文本格式和二进制格式进行存储，软件能够按时间格式自动生 成文件名并保存到指定的文件夹内。

为了能够对所存储的数据文件进行回放，该设计还编制了用于数据回放的软件，软件界面及结构框图见图4所示。

在此，我们采集了直流电流和电压信号，信号显示如图3～图4所示。此外，我们采集了交流电流和电压信号图，如图3～图5所示。弧焊过程测试系统整体实物如图3～图6所示。

3 结论

以LabVIEW软件为基础设计开发了弧焊过程工艺参数采集系统，该系统实现了以下功能。

（1）采用霍尔传感器对弧焊过程中的电流和电压信号进行采集，并通过调理电路，对信号进行了放大、隔离和滤波。经过调理过后的信号接到数据采集卡，采用NI USB-6211数据采集卡将调理后的信号通过USB接口接入计算机进行分析处理。

（2）以LabVIEW8.5作为编程语言，开发了软件系统。软件系统包括数据采集软件和数据回放软件。数据采集软件能完成对采集数据的实时显示和实时存储。数据回放软件用来对数据进行读取回放，便于对信号进行分析。实测结果表明：该系统能够很好地完成弧焊过程中焊接电流和焊接电压的采集和存储，并且可以对存储的信号数据进行回放。该系统简单易用，可以实现随电流电压的实施监控。

参考文献

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