高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在鋼軌閃光焊工藝調(diào)試和設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用

1、 鐵 道 建 筑Railway EngineeringAugust ,2005文章編號(hào) :100321995(2005 0820036203高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在鋼軌閃光焊工藝調(diào)試和設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用向 朝 , 呂其兵 , 駱德陽 , 譚克利(西南交通大學(xué) 焊接研究所 , 成都 610031摘要 :采用 Labview 和 Visual Basic 開發(fā)了一套高速數(shù)據(jù)采集 、 分析軟件 。 利用此軟件高速采集鋼軌交流閃光焊焊接過程中的焊接電流 、 嵌口電壓 , 可以實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與查詢 、 采集數(shù)據(jù)還原成圖形實(shí)時(shí) 顯示等功能 。 對(duì)已采集的焊接接頭數(shù)據(jù) , 可提取焊接過程的特征信息 , 通過

2、對(duì)該信息的分析 , 進(jìn)行鋼軌 閃光焊焊機(jī)故障的診斷 。 關(guān)鍵詞 :Labview 閃光焊 在線診斷 數(shù)據(jù)采集中圖分類號(hào) :U21319+ 2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A 鋼軌交流閃光焊焊機(jī)中焊接工藝參數(shù)較多 , K 系 列焊接工藝參數(shù)約有 10個(gè) , 而 AMS60焊機(jī)的焊接工 藝參數(shù)多達(dá)幾十個(gè) , 焊接工藝參數(shù)調(diào)整非常困難 , 而常 規(guī)的焊接工藝調(diào)整依靠調(diào)試人員的經(jīng)驗(yàn) , 其過程往往 要花費(fèi)大量的人力和物力1。 鋼軌交流閃光焊設(shè)備的故障率較高 , 有時(shí)焊機(jī)雖然有故障但焊接過程仍能完 成 , 因此同樣的工藝條件下 , 接頭焊接質(zhì)量有較大的波 動(dòng) , 特別是焊機(jī)出現(xiàn)軟故障時(shí) , 焊機(jī)的故障原因很難分 析

3、, 此類故障檢測用傳統(tǒng)的方法比較困難 。 為此 , 通過 引入高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)焊接過程的輸出信息 (焊接 電流 、 電壓 進(jìn)行采集和分析 , 通過焊接過程特征信息 的提取 , 對(duì)焊接工藝的調(diào)試和焊接設(shè)備的故障 (特別是 軟故障 進(jìn)行檢測和診斷 。1 采集系統(tǒng)軟件和硬件采集系統(tǒng)硬件由工控機(jī) 、 數(shù)據(jù)采集卡 、 信號(hào)隔離調(diào) 理電路等組成 。 焊接電流通過電流互感器隔離 , 電阻 轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)再直接進(jìn)入采集卡 。 焊接鉗口電壓通 過變壓器隔離后直接進(jìn)入采集卡 , 采集系統(tǒng)見圖 1。軟件開發(fā)平臺(tái)選用美國 NI 公司的 Labview Express 710和微軟公司的 Visual Basic 。

4、系統(tǒng)軟件由測試和分析兩個(gè)部分組成 , 其中測試部分主要是用于焊接過程 中焊接電流 、 電壓的實(shí)時(shí)采集和波形的實(shí)時(shí)顯示 , 而分 析部分用于后期的數(shù)據(jù)處理 、 分析和波形回放 。 111 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊選用的是美國 NI 公司的 Labview Express 710軟件進(jìn)行開發(fā) 。 該軟件是一種通用編程系統(tǒng) , 具有各種各樣功能強(qiáng)大的函數(shù)庫 , 包括數(shù)據(jù)采集 、圖 1 數(shù)據(jù)采集箱實(shí)物圖G PI B 、 串行儀器控制 、 數(shù)據(jù)分析 、 數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ) ,甚至還有目前十分熱門的網(wǎng)絡(luò)功能 。 而且與其它計(jì)算機(jī)語言相比有所不同 , 其它計(jì)算機(jī)語言都是采用基于 文本的語言產(chǎn)生代碼行 ,

5、 而 Labview 采用圖形化編程語言 G 語言 2。 采用 Labview 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的 開發(fā)對(duì)低層驅(qū)動(dòng)的考慮比較少 , 這樣就大大地節(jié)省了 開發(fā)周期 。 而且 Labview 能夠直觀地將采集到的數(shù)據(jù) 顯示出來 。由于鋼軌閃光焊是一個(gè)強(qiáng)電磁干擾的過 程 , 為了保證數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性和可靠性 , 在軟件設(shè)計(jì) 方面做了如下方面的考慮 :1 采用軟件防誤觸發(fā)設(shè)計(jì) 由于在整個(gè)焊接過程 中的干擾信號(hào)比較大 , 因此在采用自動(dòng)采集模式時(shí) , 軟 件容易被干擾信號(hào)觸發(fā) 。為了克服這種現(xiàn)象的產(chǎn)生 , 在軟件進(jìn)入觸發(fā)前 , 對(duì)觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行延時(shí)檢測 (延長時(shí) 間約為 25ms , 同時(shí)觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行多次

6、采集 , 只有多次 采集信號(hào)一致時(shí) , 才視觸發(fā)信號(hào)有效 。實(shí)踐證明采用 這樣的設(shè)計(jì)能夠有效地避免軟件的誤觸發(fā) , 見圖 2。2 采用 Bu ffer 防止數(shù)據(jù)丟失 在閃光焊的數(shù)據(jù)采 集中 , 需要進(jìn)行多通道的高速采集 , 其速率比較高 , 為63 圖 2 帶防誤觸發(fā)的開始信號(hào)檢測模塊 了防止數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)過程中丟失 , 故在軟件設(shè)計(jì)中采用 Bu ffer 設(shè)計(jì) 。 這里的緩沖 (Bu ffer 指的是 PC 內(nèi)存的一 個(gè)區(qū)域 (不是數(shù)據(jù)采集卡上的 FIFO 緩沖 , 它用來臨時(shí) 存放數(shù)據(jù) 。3 軟件設(shè)計(jì)可以設(shè)定自動(dòng)采集 手動(dòng)采集 這樣 可以適用于不同的工作環(huán)境 , 自動(dòng)采集適用于大批量 的數(shù)據(jù)采

7、集 , 自動(dòng)化程度比較高 ; 而手動(dòng)采集模式比較 靈活 , 可以手動(dòng)模式設(shè)定數(shù)據(jù)采集的起始位置 , 并可以 自由設(shè)定數(shù)據(jù)采集的時(shí)間 , 以便分析 。112 數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)為了將采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析處理 , 提 取有用的信息和統(tǒng)計(jì)一些有用的參數(shù) , 需要將采集的 數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理 。 在數(shù)據(jù)處理模塊中 , 將 Labview 的 Dat 格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為更為通用的 T xt 格式的文件 , 為 專用數(shù)據(jù)處理的銜接奠定基礎(chǔ) 。113 波形回放模塊設(shè)計(jì)采用 VB 編程 , 將采集數(shù)據(jù)按照不同要求自由轉(zhuǎn) 換為波形圖像 , 以便可直觀地分析數(shù)據(jù) , 同時(shí)也能按照 后期分析的要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自由分

8、割和運(yùn)算 。2 采集系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)果及分析211 工藝調(diào)試中的應(yīng)用在進(jìn)行鋼軌交流閃光焊時(shí) , 焊接工藝的好壞通過 有關(guān)試驗(yàn)來檢測 , 而在工藝調(diào)試時(shí)工作人員一般是通 過聽閃光的聲音和看閃光的火花來判斷各階段閃光的 穩(wěn)定性 , 從而調(diào)整焊接工藝 。現(xiàn)在也有部分進(jìn)口焊機(jī) 配備有焊接電流 、 焊接電壓采集系統(tǒng) , 可根據(jù)采集波形 進(jìn)行工藝調(diào)試 , 但現(xiàn)在進(jìn)口的所有焊機(jī)配置的采集系 統(tǒng)均為低頻采集 , 采集頻率只有 10H z , 且采集的焊接 信號(hào)是經(jīng)過了較大的濾波處理和變換以后的信號(hào) 。 這 樣在加速燒化前的連續(xù)燒化階段和加速燒化階段 , 即 使焊接有幾個(gè)周波的短路和斷路 , 從這種采集系統(tǒng)得 到的

9、波形根本就無法識(shí)別 , 從人的視覺觀察閃光和聽 覺聽爆破聲音都無法覺察 , 因此從查低頻采集數(shù)據(jù)和 人的直觀感覺都覺得工藝很好 , 加速燒化前的連續(xù)燒 化階段和加速燒化階段的閃光連續(xù) 、 穩(wěn)定而劇烈 , 但工 藝試驗(yàn)的結(jié)果是焊接接頭斷口存在大量灰斑 , 落錘試 驗(yàn)通不過 3。 當(dāng)提高采集頻率后 , 焊接過程中的細(xì)節(jié) 信息都能夠得以保存 ?；谏鲜鲈?, 將高速采集系 統(tǒng)用于移動(dòng)式鋼軌閃光焊機(jī) AMS 60的工藝調(diào)試上 , 取 得了很好的效果 。圖 3 在加速階段出現(xiàn)的短路如圖 3所示 , 為加速階段出現(xiàn)短路的波形出現(xiàn)了 兩個(gè)周波的短路 , 類似出現(xiàn)的半個(gè) 、 一個(gè)周波短路的情 況還比較多 。

10、 經(jīng)分析認(rèn)為有幾個(gè)原因 :加速前在鋼軌 焊接端面的能量積聚不足 、 焊機(jī)的短路電流和短路電 流上升率小 、 針對(duì)該焊接設(shè)備加速送進(jìn)速度太快 ; 由于 焊機(jī)的短路電流和短路電流上升率是焊機(jī)本身無法解 決的問題 。 因此 , 通過調(diào)節(jié)焊接工藝 、 增大加速前的能 量輸入 、 適當(dāng)降低加速燒化的速度 , 最后才通過了落錘 試驗(yàn) 。 通過落錘試驗(yàn)的加速燒化階段的典型波形見 圖 4 。圖 4 在加速階段穩(wěn)定燒化212 設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用在采用 AMS 60移動(dòng)式閃光焊機(jī)進(jìn)行鋼軌焊接生 產(chǎn) , 當(dāng)進(jìn)行鐵道部標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的周檢時(shí) , 采用與焊接生產(chǎn) 同樣的工藝 , 焊接接頭質(zhì)量很不穩(wěn)定 , 個(gè)別焊接接頭質(zhì)量很

11、好 , 沒有灰斑 , 落錘也合格 , 但有的接頭質(zhì)量非常 差 , 灰斑面積嚴(yán)重超標(biāo) , 落錘也不合格 , 周檢始終不合 格 。 在對(duì)焊機(jī)進(jìn)行了全面的維修和保養(yǎng)后 , 以上故障 還是照樣出現(xiàn) 。 通過調(diào)看該焊機(jī)自帶的數(shù)據(jù)采集程序 (低速采集的采樣率 <10H z 生成的波形見圖 5, 發(fā)現(xiàn) 焊機(jī)輸出的電流變化不是很明顯 , 經(jīng)過分析認(rèn)為 :焊機(jī) 自帶的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是低速采集 , 且所有信息都是經(jīng) 過較大的濾波處理和變換以后的信號(hào) , 由于采樣率過 低 , 采樣點(diǎn)過少 , 因此很多關(guān)鍵的信息都被丟失了 。圖 5 低速采集下的焊接電流波形為此 , 采用高速采集系統(tǒng) , 檢測焊接電流 、 鉗口電

12、壓 , 在 50k 采樣率的情況下 , 得到的焊接電流 、 電壓的 波形見圖 6。我們可以很容易通過查看電流 、 電壓波 形的圖形來區(qū)分鋼軌閃光焊中的三種狀態(tài)即短路 、 開 路和閃光狀態(tài) 。圖 6 高速數(shù)據(jù)采集下的焊接電流和電壓波形圖運(yùn)用高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一直采集周檢的 5 個(gè)試驗(yàn)圖 7 焊接接頭出現(xiàn)大面積灰斑的波形頭 , 對(duì)落錘斷口灰斑面積大 , 且落錘質(zhì)量差的焊接接頭 的波形進(jìn)行查詢 , 發(fā)現(xiàn)該接頭的閃光很不好 (見圖 7 。 加速階段出現(xiàn)長時(shí)間斷路 , 且在開路時(shí)焊接電流 (焊接 電流為焊接變壓器原邊電流 正負(fù)半波不對(duì)稱 。另有 一個(gè)焊接接頭的帶電頂鍛階段的焊接電流 、 電壓高速 采集的圖

13、形見圖 8, 在帶電頂鍛階段 , 晶閘管處于全開通狀態(tài) , 而焊接電流正負(fù)半波不對(duì)稱 , 正半波電流不變 化 , 負(fù)半波電流逐漸衰減 ; 在對(duì) 5個(gè)試驗(yàn)頭進(jìn)行焊接工 藝進(jìn)行調(diào)試時(shí) , 設(shè)計(jì)了帶電頂鍛過程 , 但焊接試驗(yàn)時(shí) , 有的接頭帶電頂鍛時(shí)有焊接電流 , 有的接頭該階段無 焊接電流 。圖 8 頂鍛階段電流波形正負(fù)不對(duì)稱根據(jù)上述采集到的焊接過程信息 , 推斷焊接控制 系統(tǒng)有問題 : 晶閘管工作不正常 , 造成原因?yàn)橛|發(fā)電 路不正?；蚓чl管組對(duì)性能有差異 , 將晶閘管更換后 , 問題仍然存在 。因此 , 可以肯定觸發(fā)電路不正常 。 帶電頂鍛時(shí)有時(shí)無 , 說明控制系統(tǒng)有問題 , 且為軟故 障 。以上問題采用一般的手段是無法檢測的 , 但是通 過高速采集系統(tǒng)進(jìn)行信息的采集和分析 , 發(fā)現(xiàn)了設(shè)備 的問題 , 這為鋼軌閃光焊機(jī)軟故障的查找和解決提供 了一條新思路 。3 結(jié)語1 運(yùn)用 labview 開發(fā)的高速采集系統(tǒng)能實(shí)時(shí) 、 準(zhǔn)確地采集鋼軌閃光焊焊接電流和焊接電壓 , 實(shí)現(xiàn)參數(shù)的 采集 、 存儲(chǔ)與分析 。2 運(yùn)用高速數(shù)據(jù)采集的辦法能夠較為準(zhǔn)確的提取 出閃光焊的焊接過程信息 , 能夠提供科學(xué)依據(jù) , 對(duì)閃光 焊焊接工藝的調(diào)試和閃光