弧焊過(guò)程監(jiān)測(cè)嵌入式分析系統(tǒng)

弧焊過(guò)程監(jiān)測(cè)嵌入式分析系統(tǒng)王艷清;宋永倫【摘要】以焊接過(guò)程中的焊接電流、電弧電壓為信號(hào)源，設(shè)計(jì)了基于STM32的多通道高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過(guò)以太網(wǎng)總線實(shí)現(xiàn)了局域網(wǎng)內(nèi)焊接過(guò)程信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸;設(shè)計(jì)了一套焊接過(guò)程信息數(shù)據(jù)分析軟件,用于研究焊接過(guò)程電信號(hào)表現(xiàn)形式與焊接質(zhì)量的關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)焊接質(zhì)量的定量評(píng)價(jià)，為當(dāng)前自動(dòng)化與機(jī)器人焊接的信息化提供了一種定量分析工具.【期刊名稱】《電焊機(jī)》【年(卷)，期】2015(045)009【總頁(yè)數(shù)】5頁(yè)(P10-14)【關(guān)鍵詞】孤焊;數(shù)據(jù)采集;分析;嵌入式【作者】王艷清;宋永倫【作者單位】北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京100124;北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京100124【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TG409近年來(lái)，焊接自動(dòng)化和信息化在我國(guó)已成為一種主要的生產(chǎn)方式并得到越來(lái)越多的應(yīng)用，與此同時(shí)，有力的促進(jìn)了焊接在線監(jiān)測(cè)與定量分析技術(shù)的工程應(yīng)用。在弧焊生產(chǎn)中，焊接電流、電壓是兩個(gè)最基本的參數(shù)也是最直接、最方便獲取的信息源，一方面能反映焊接電源電能量輸出與控制的方式；另一方面表現(xiàn)為金屬過(guò)渡形式及焊縫成形的穩(wěn)定性［1-2］。此外，弧焊過(guò)程電弧能量在兩極的分配情況，焊接時(shí)各力場(chǎng)對(duì)熔滴、熔池的作用與效果等都可以從上述兩個(gè)特征信息中得到反映。隨著數(shù)據(jù)采集技術(shù)、嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，給焊接自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展開辟了新的途徑［3］。目前焊接監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有兩種結(jié)構(gòu)形式，分別為基于PC和采集卡的焊接監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和嵌入式焊接監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其中，嵌入式系統(tǒng)具有低成本、高可靠性、可裁剪性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，在制造信息化領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本研究針對(duì)上述需求，開發(fā)了基于STM32的嵌入式焊接過(guò)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過(guò)以太網(wǎng)總線實(shí)現(xiàn)了局域網(wǎng)內(nèi)焊接過(guò)程信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并設(shè)計(jì)了一套焊接過(guò)程信息數(shù)據(jù)分析軟件，用于研究焊接過(guò)程電信號(hào)表現(xiàn)形式與焊接質(zhì)量的關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)焊接質(zhì)量的定量評(píng)價(jià)?；『高^(guò)程監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)由嵌入式數(shù)據(jù)采集器及上位機(jī)采集分析軟件兩部分組成。數(shù)據(jù)采集器通過(guò)同軸電纜與傳感器相連，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接電流和電弧電壓的采集。數(shù)據(jù)采集器具有兩種工作模式，分別為記錄儀模式和采集終端模式。在記錄儀模式下，數(shù)據(jù)采集器可以獨(dú)立的工作于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，在液晶屏幕上以波形的形式實(shí)時(shí)顯示焊接過(guò)程的電流及電壓，并將焊接數(shù)據(jù)以文件的形式保存在SD卡中。通過(guò)本設(shè)備的文件瀏覽器可對(duì)保存的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽查看。采集終端模式下，數(shù)據(jù)采集器受PC端的采集分析軟件控制，采集的數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)總線發(fā)送到采集分析軟件。采集分析軟件可實(shí)時(shí)繪制電壓電流波形，并可分析采集的數(shù)據(jù)。2.1數(shù)據(jù)采集器硬件結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集器硬件采用雙STM32的設(shè)計(jì)方案，STM32F103ZET6為主控芯片，STM32F103VET6作為協(xié)處理器芯片，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。主控芯片具有完整的FSMC總線接口，擴(kuò)展了512K*16B的SRAM作為人機(jī)界面的緩存空間；使用SDIO總線作為SD卡的通信接口，實(shí)現(xiàn)SD卡存儲(chǔ)功能；使用SPI總線擴(kuò)展了以太網(wǎng)硬件協(xié)議棧芯片W5500，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信功能。協(xié)處理器芯片通過(guò)FSMC總線擴(kuò)展了多通道同步采集ADC芯片AD7606，實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的高速數(shù)據(jù)采集以及有效值、標(biāo)準(zhǔn)差實(shí)時(shí)計(jì)算。主控芯片與協(xié)處理器之間通過(guò)SPI總線傳輸采集的原始數(shù)據(jù)，通過(guò)UART串口傳輸控制命令。2.2數(shù)據(jù)采集功能為了獲得較好的采集精度，數(shù)據(jù)采集器選用16位同步采樣DAS芯片AD7606作為系統(tǒng)的ADC。AD7606具有8個(gè)模擬量通道，每個(gè)通道的最高采樣頻率均可達(dá)200kHz，可實(shí)現(xiàn)16位無(wú)失碼，在高噪聲電源條件下也能保持這一性能［4］。協(xié)處理器負(fù)責(zé)控制AD7606實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與采集，通過(guò)控制與AD7606的CONVERT相連的弓I腳脈沖頻率來(lái)控制ADC的采樣頻率。協(xié)處理器通過(guò)SPI總線將采集的原始數(shù)據(jù)發(fā)送給主控制芯片，實(shí)現(xiàn)芯片間的數(shù)據(jù)傳遞。為了降低主控芯片的CPU占有率，保證SPI總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性，主控芯片采用DMA的方式接收來(lái)自于協(xié)處理器的數(shù)據(jù)。具體的配置方式如下：在主控芯片的SRAM中開辟32kB的緩存數(shù)組，將SPI接口配置為DMA接收模式；將DMA的模式設(shè)置為循環(huán)模式，傳輸基地址設(shè)置為緩存數(shù)組的起始地址，數(shù)據(jù)總線寬度配置為單字節(jié)模式，緩存大小配置為32768B；最后開啟DMA的傳輸半中斷DMA_IT_HT、傳輸結(jié)束中斷DMA_IT_TC。如果SPI總線收到數(shù)據(jù)，DMA控制器即可自動(dòng)將數(shù)據(jù)依次存儲(chǔ)到緩存數(shù)組中。當(dāng)接收的數(shù)據(jù)數(shù)量達(dá)到16kB時(shí)，即緩沖的前半段空間存儲(chǔ)滿，此時(shí)主控芯片會(huì)產(chǎn)生DMA_IT_HT中斷；當(dāng)接收的數(shù)據(jù)達(dá)到32kB時(shí)，即緩存的后半段空間存滿，會(huì)產(chǎn)生DMA_IT_TC中斷，并且DMA會(huì)自動(dòng)的從緩存的第一個(gè)字節(jié)重新開始存儲(chǔ)，如此循環(huán)重復(fù)。主控制芯片只需在產(chǎn)生DMA中斷時(shí)，將緩存中的前半段或后半段數(shù)據(jù)及時(shí)處理即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理的并行執(zhí)行。2.3數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能數(shù)據(jù)采集器采用SD卡作為存儲(chǔ)設(shè)備，SD卡有SPI和SDIO兩種通信接口。SPI通信接口比較簡(jiǎn)單，總線速率最高18MHz，是串行通信總線；而SDIO通信接口與SPI通信接口相比，總線是4位的并行總線，并且總線速率為24MHz，通信速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于SPI總線。STM32F1xx系列單片機(jī)內(nèi)置了SDIO控制器與SPI接口兩種通信接口。數(shù)據(jù)采集器的存儲(chǔ)速度要求至少達(dá)到400kB/s，SPI接口無(wú)法達(dá)到要求的存儲(chǔ)速度，而SDIO接口電路可以達(dá)到兆級(jí)別的寫入速度，所以存儲(chǔ)卡接口選用SDIO通信接口。采集的數(shù)據(jù)以文件形式保存在SD卡中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)文件的管理，在主控芯片上移植了FatFs文件系統(tǒng)。利用文件系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)卡進(jìn)行管理，可以方便的實(shí)現(xiàn)文件、文件夾操作與磁盤管理。為了提高數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)速度，采集的原始數(shù)據(jù)以二進(jìn)制的形式寫入到SD卡的文件中。具體的存儲(chǔ)流程如圖2所示，當(dāng)數(shù)據(jù)采集器處于SD卡存儲(chǔ)模式時(shí)，DMA控制器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集。當(dāng)產(chǎn)生DMA_IT_HT中斷時(shí)，在中斷函數(shù)中將f_Buffer_A標(biāo)志位置1，在主函數(shù)中將bufferA緩存寫入到文件中；當(dāng)產(chǎn)生DMA_IT_TC中斷時(shí)，在中斷函數(shù)中將f_Buffer_B標(biāo)志位置1，在主函數(shù)中將bufferB緩存寫入到文件中。2.4網(wǎng)絡(luò)通信功能數(shù)據(jù)采集器選用W5500硬件協(xié)議棧芯片實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信功能。由于采用了硬件協(xié)議棧芯片，在軟件中無(wú)需對(duì)TCP/IP協(xié)議的底層進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序編寫，并且Wiznet公司提供了W5500應(yīng)用庫(kù)，只需調(diào)用庫(kù)中的函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)W5500應(yīng)用庫(kù)的移植工作。網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議選用TCP通信協(xié)議，采用C/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，PC機(jī)軟件作為客戶端，數(shù)據(jù)采集器作為服務(wù)器端。數(shù)據(jù)采集器開機(jī)啟動(dòng)后即進(jìn)行等待連接狀態(tài)，當(dāng)建立連接以后，根據(jù)上位機(jī)軟件的指令執(zhí)行程序。2.5嵌入式人機(jī)界面在主控制芯片上移植了EMWIN嵌入式GUI，采用基于窗口消息的模式設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集器的人機(jī)交互界面。波形顯示刷新頻率設(shè)定為1Hz，每次刷新都從采集的數(shù)據(jù)中提取并顯示該時(shí)段的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。3.1軟件的整體結(jié)構(gòu)軟件的功能結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，主要包括網(wǎng)絡(luò)通信、波形瀏覽、數(shù)據(jù)處理三大功能模塊。網(wǎng)絡(luò)通信模塊用于遠(yuǎn)程配置數(shù)據(jù)采集器的采樣率、采集模式等，并可以實(shí)現(xiàn)焊接數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)傳輸。波形瀏覽模塊將二進(jìn)制數(shù)據(jù)以波形的方式提供給用戶查看，可顯示實(shí)時(shí)的焊接波形或用于歷史數(shù)據(jù)的查閱。數(shù)據(jù)處理分析模塊是軟件的核心部分，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為不同的形式供用戶分析，為用戶對(duì)焊接過(guò)程的評(píng)估提供數(shù)據(jù)支持。3.2上位機(jī)的以太網(wǎng)通信數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通信協(xié)議選用TCP/IP協(xié)議，采用Client/Server模式，上位機(jī)PC軟件為客戶端，數(shù)據(jù)采集器為服務(wù)端。TCP/IP協(xié)議棧的傳輸層有兩種通信協(xié)議：TCP、UDP。為了保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，上位機(jī)軟件的數(shù)據(jù)采集采用TCP通信方式。軟件設(shè)計(jì)基于CAsyncSocket類設(shè)計(jì)，通過(guò)編寫該類對(duì)象的事件響應(yīng)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信。上位機(jī)軟件可以將從以太網(wǎng)SOCKET收到的數(shù)據(jù)保存到本地文件中，保存的格式與數(shù)據(jù)采集器保存的格式一致，同樣為short類型的二進(jìn)制文件，使用CFile類來(lái)實(shí)現(xiàn)文件的存儲(chǔ)。當(dāng)需要保存文件時(shí)，自動(dòng)在設(shè)定的文件夾下生成文件，文件的后綴為".dat”，文件名為當(dāng)前的存儲(chǔ)時(shí)間。3.3數(shù)據(jù)讀取與波形繪制焊接過(guò)程中由于采集時(shí)間較長(zhǎng)，采集文件較大，有時(shí)甚至可以達(dá)到1G，但是計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)空間有限，不能夠?qū)⒋笪募x取到內(nèi)存中。為了節(jié)約軟件的內(nèi)存占用，提高軟件的執(zhí)行效率，本研究針對(duì)大文件采用動(dòng)態(tài)文件抽取的讀取方式。動(dòng)態(tài)讀取數(shù)據(jù)具體方法為：首次載入文件時(shí)，如果讀取的文件大小大于10MB時(shí)，設(shè)置曲線的buffer容量為10MB,從整個(gè)文件中等間隔抽取出10MB的數(shù)據(jù)。當(dāng)進(jìn)行波形放大時(shí)，再動(dòng)態(tài)的從波形文件抽取新的10MB數(shù)據(jù)，直至放大的區(qū)間容量小于10MB時(shí)，此時(shí)讀取與區(qū)間數(shù)據(jù)容量一致的數(shù)據(jù)。當(dāng)進(jìn)行縮放時(shí)，抽取規(guī)則相同。如果區(qū)間容量大于10MB，便進(jìn)行等間距抽取數(shù)據(jù)，如果區(qū)間容量小于10MB，則全部載入內(nèi)存。3.4焊接過(guò)程數(shù)據(jù)處理與分析提供時(shí)頻域分析、統(tǒng)計(jì)分析兩大功能。時(shí)頻域分析包括信號(hào)濾波、FFT。統(tǒng)計(jì)分析功能包括信號(hào)的有效值、標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)分析、概率密度圖、焊接過(guò)程熱輸入量計(jì)算、焊接過(guò)程U-I曲線。以高強(qiáng)鋁合金變極性脈沖TIG焊接過(guò)程的在線檢測(cè)為例，對(duì)本研究研發(fā)的嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行功能與效果的驗(yàn)證。其中，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)焊接過(guò)程的數(shù)據(jù)采用網(wǎng)絡(luò)傳輸。4.1時(shí)域分析圖4為在常規(guī)變極性脈沖TIG焊的主電流EN時(shí)段耦合另一個(gè)頻率為20kHz電流脈沖的波形，以及脈沖前、后的波形對(duì)比。4.2頻域分析變極性耦合脈沖TIG焊工藝中是3種脈沖頻率的復(fù)合，分別是主電流變極性5Hz脈沖，交流時(shí)段的80Hz脈沖，以及主電流EN時(shí)段20kHz的脈沖。對(duì)波形采用FFT分析，可方便檢測(cè)各頻率實(shí)際產(chǎn)生的幅頻特征，如圖5所示。4.3統(tǒng)計(jì)分析對(duì)復(fù)合脈沖電弧過(guò)程的電壓、電流數(shù)據(jù)進(jìn)行概率密度統(tǒng)計(jì)，如圖6所示，該統(tǒng)計(jì)分布表達(dá)了變極性電弧在EN、EP時(shí)段的能量分配特點(diǎn)，反映了多脈沖復(fù)合電弧的穩(wěn)定、協(xié)調(diào)的工作狀態(tài)。圖7為疊加20kHz電流脈沖前后的焊接過(guò)程U-1分布，對(duì)比可見，疊加20kHz電流脈沖后電弧電壓波動(dòng)較小，電流幅值增加而電弧電壓低于疊加前，在電弧過(guò)零時(shí)段，電壓的相位均出現(xiàn)在〃負(fù)”向，反映了復(fù)合型脈沖TIG電弧的動(dòng)態(tài)特征。針對(duì)弧焊過(guò)程設(shè)計(jì)了一套數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集終端和上位機(jī)分析軟件組成。數(shù)據(jù)采集終端基于雙STM32F103嵌入式微控制器設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、以太網(wǎng)通信、SD卡高速存儲(chǔ)和人機(jī)交互界面等功能。上位機(jī)軟件采用VisualStudio和MeasurementStudio聯(lián)合編程，實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、焊接過(guò)程在線監(jiān)控和焊接數(shù)據(jù)分析。在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了焊接實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)具有較高的采樣精度和穩(wěn)定性，SD卡存儲(chǔ)速度與網(wǎng)絡(luò)通信速度滿足雙