CN103909325B - 一种焊接质量监控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了本发明提供一种焊接质量监控系统，包括：信号采集模块，其设置在焊机中，以采集焊接过程中产生的待测信号；信号调理模块，其连接所述信号采集模块；微控器和收发器模块，其连接所述信号调理模块；以及上位机，其连接所述微控器和收发器模块。本发明提供的焊接质量监控系统能够利用信号采集电路及PIC单片机对焊接过程本身固有的电参数信号实施实时的监测和存储，并与上位机进行通信，实现网络化管理。
Description
技术领域
本发明是涉及焊接控制技术领域，特别涉及一种焊接质量监控系统，其具有基于网络的具有可移植性和焊接过程的实时监测性。
背景技术
电弧焊是现代焊接方法之一，是应用最广泛、最重要的一类焊接方法，在世界焊接生产总量中，电弧焊接方法一般占焊接总量的60％以上。焊接过程中的电参数不仅包含了焊接电源性能的信息，而且包含焊接质量的信息，如：核心大小、熔池形状、熔深状况、熔滴过渡频率和形态等，因此焊接过程电信号的实时监测对保证焊接过程的顺利进行和焊接接头的质量具有重要意义。焊接过程中的电流、电压可以反映出电弧负载动态变化时弧焊电源对应的瞬时反应能力，从而反映出焊接电源性能的信息。除此之外，焊接过程中的电流、电压波形可以间接的包含焊接质量的信息。焊接过程中电弧电流与电弧电压是否稳定，可以反映出焊接过程是否稳定，而焊接过程的稳定与否则决定着产品缺陷率。
焊接质量可分为直接焊接质量和间接焊接质量。一般焊接产品焊接接头使用的主要内容有：力学性能，内外部缺陷，焊后产品几何尺寸等。所谓间接焊接质量，就是在焊接过程中能够被焊工的感官或者特质的传感器检测到的，间接决定上述直接焊接质量的有关因素。这种间接焊接质量虽然不能直接说明焊接接头的使用性能，但是它们却在很大程度上决定着某些直接焊接质量。焊接过程中，能监测到的与电弧过程稳定性有关的间接焊接质量因素主要有：电弧电流与电弧电压。
间接焊接质量虽然不等于直接焊接质量，但是由于焊接过程所采用的焊接条件及参数都是根据产品焊接质量要求，经过大量焊接试验确认可以满足要求的，如果在焊接过程严格要求这些焊接条件与参数，同时又能实时地将干扰因素引起的间接焊接偏差自适应控制在允许范围内，那么产品的直接焊接质量就可以很大程度上得到保证。
良好的弧焊过程由大量的相关参数控制。弧焊过程中的电参数，焊接电压和焊接电流包含了焊接过程的大量信息。焊接过程中的电参数不仅包含了焊接电源性能的信息，而且包含焊接质量的信息，如：核心大小、熔池形状、熔深状况、熔滴过渡频率和形态等。因此，焊接过程的电信号可用来追溯焊接过程，为焊接过程的稳定性和焊接质量的一致性提供重要参考。同时随着生产规模的日益扩大和精益化生产的要求，需要保证焊接过程的稳定和焊接产品质量的一致。当焊接过程存在干扰时，如工件装配间隙的变化导电嘴磨损，网路电压波动以及送丝阻力引起的电弧不稳等都会出现焊接质量的波动。采用先进和便利的仪器设备对焊接过程进行跟踪、监测、记录、分析、评定，保证焊接工艺和焊接质量的稳定；宏观上和微观上再现实际产品的焊接过程，从而可以提高和保证焊接质量、查找焊接过程潜在的质量隐患、分析焊接过程及焊接缺陷的产生原因。因此，在线监测弧焊过程的质量是具有重要意义的，实际课题倍受工业界的关注。因此，研制各种在线过程检测和工艺过程质量评估系统具有重要的实用价值。
焊接生产的主要任务是得到可靠的焊接接头，如果早期准确可靠的发现焊接过程中的干扰或误差信号，就能省去焊后监测工作，也能避免费用较大的焊后修复。
长期以来，对焊接电流、电弧电压、焊接速度等关键参数的实时测量监控，虽然有很多方法，如通过光电示波器获取电压和电流的波形来研究分析焊接过程的稳定性，靠肉眼和手工观察记录焊接参数等，但手工记录焊接过程不仅消耗焊接工人的时间，而且手工记录的容易有误差；同时，随着现代制造技术的发展，生产线上的焊接节点越来越多，通过网络将各电焊机连接起来，并由中心监控室对其状态实时监控，当出现异常时进行干预调整，是保证焊接规范统一的有效方法，但是传统的模拟方式传输数据能力有限，且受现场电磁干扰影响较大，不适合应用于网络系统中。
将计算机技术及网络技术应用于传统的焊接工业，实现焊接过程的远程控制、缺陷诊断等系统，是实现生产焊接过程自动化的基础，也是保证焊接质量的有效途径。传统的模拟方式传输数据能力有限，且受现场电磁干扰影响较大，不适合应用于网络系统中，而信息化联网通信可用来保证产品质量和进行生产适应性控制。随着单片机和传感技术的发展，使得利用低成本的单片机进行焊接电源电压、电流信号的高速采集成为可能。
因此，有必要提供一种焊接质量监控系统，以实现对焊接接头质量做出更准确的判断，从而更好的提升焊接接头的运行效率和性能，以及更自动化的运行，从而克服现有的焊接方法中存在的技术问题。
发明内容
本发明的目的是克服了现有技术中的不足，提供了一种焊接质量监控系统，能够利用信号采集电路及PIC单片机对焊接过程本身固有的电参数信号实施实时的监测和存储，并与上位机进行通信，实现网络化管理；同时，还可以利用上位机对采集的数据进行进一步处理，从检测到的电信号中提取反映焊接过程的特征信息，对焊接过程电信号进行分析，从而对焊接接头质量做出判断。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现：
本发明提供一种焊接质量监控系统，包括：信号采集模块，其设置在焊机中，以采集焊接过程中产生的待测信号；信号调理模块，其连接所述信号采集模块；微控器和收发器模块，其连接所述信号调理模块；以及上位机，其连接所述微控器和收发器模块。
进一步地，所述信号采集模块可以包括：电流实时值和均值采集电路，其使用单片机PIC18F4580的AD转换功能实现采集电流实时值和均值。
进一步地，所述信号采集模块可以包括：电压的实时值和均值采集电路，其使用单片机PIC18F4580的AD转换功能实现采集电压实时值和均值。
进一步地，所述信号采集模块可以包括：脉冲频率采集电路，其使用PIC18F4580的CCP模块实现捕捉电流的频率。
进一步地，所述信号调理模块可以用于：对采集的信号进行隔离、放大、滤波处理，将焊机的电流和电压转换为单片机AD输入能够采集的范围，提高系统的抗干扰能力。
进一步地，所述微控器和收发器模块可以包括：A/D转换模块，用于将模拟信号转换成数字信号；数据处理模块，其连接所述A/D转换模块，用来对数字化的电流和电压值和焊接启停时间进行记录，以追溯焊接质量问题出现的源泉；数据存储模块，其连接所述数据处理模块，用于存储所述数据处理模块记录的数字化的电流和电压值和焊接启停时间；CAN通信模块组成，用来实现与上位机的通信，便于网络化管理，完成单片机与上位机的通讯，并把采集的数据传输给上位机历史数据的保存和实时数据波形显示。
进一步地，所述焊接质量监控系统还包括：CAN控制器，其连接所述CAN通信模块；CAN总线，其连接至少一个所述CAN控制器；CAN收发器，其连接在所述总线和所述上位机之间。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用信号采集电路及PIC单片机对焊接过程本身固有的电参数信号实现实时值的监测和焊接启停时间及对应的电参数平均值存储，并与上位机进行通信，实现网络化管理，从而有利于管理者及时了解和监视车间生产状况，降低管理成本；同时还可以利用上位机对采集的数据进行进一步处理，从检测到的电信号中提取反映焊接过程的特征信息，对焊接过程电信号进行分析，保证焊接过程的稳定性和焊接产品质量的一致性，满足精益化生产的要求。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1示出了根据本发明的焊接质量监控系统的结构示意图；
图2示出了根据本发明的具有多套焊接质量监控系统的网络化结构示意图；
图3示出了根据本发明的焊接电流拟合曲线示意图；
图4示出了根据本发明的焊接电压拟合曲线示意图；
图5示出了根据本发明的脉冲频率拟合曲线示意图；
图6示出了根据本发明的焊接质量监控系统脉冲频率信号处理过程示意图；
图7示出了根据本发明的焊接质量监控系统与对应的焊接节点建立通信后焊接过程中波形的实时显示示意图；
图8示出了根据本发明的焊接质量监控系统中的焊接的历史记录、焊机每次使用的开始时间和结束时间以及这段时间内操作者实际使用的焊接电流、电压和脉冲频率参数的记录信息的示意图；
图9示出了根据本发明的焊接质量监控系统采用直流脉冲TIG焊时的电流波形示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
图1示出了根据本发明的焊接质量监控系统的结构示意图。如图1所示，一种焊接质量监控系统，其特征在于：包括信号采集模块1，信号调理模块2，微控器和收发器模块3，上位机8。所述信号采集模块1主要由电流实时值和均值采集电路，电压的实时值和均值采集电路，以及脉冲频率采集电路组成。所述电流实时值和均值，电压的实时值和均值均使用单片机PIC18F4580的AD转换功能实现采集，所述电流的频率使用PIC18F4580的CCP模块实现捕捉。所述信号调理模块2，用于对采集的信号进行隔离、放大、滤波处理，将焊机的电流电压转换为单片机AD输入能够采集的范围，提高系统的抗干扰能力。所述微控器和收发器模块3主要由A/D转换模块4，数据处理模块5，数据存储模块6和CAN通信模块7组成。其中，所述数据存储模块6，用来对数字化的电流电压值和焊接启停时间进行记录存储，追溯焊接质量问题出现的源泉；所述CAN通信模块7，用来实现与上位机8的通信，便于网络化管理，完成单片机与上位机8的通讯，并把采集的数据传输给上位机8历史数据的保存和实时数据波形显示。
实际使用时，该系统可对焊接工程中电流实时值和均值，电压的实时值和均值，以及电流的频率进行在线检测。通过信号调理，对采集的信号进行隔离、放大、滤波处理，将焊机的电流电压转换为单片机AD输入能够采集的范围，完成模拟信号转换为数字信号后，存储电流电压的数字信号及其对应的焊接启停时间。最后利用CAN通信，实现与上位机的通信，便于网络化管理，完成单片机与上位机8的通讯，并把采集的数据传输给上位机历史数据的保存和实时数据波形显示。
如图1所示，本发明提供一种焊接质量监控系统，包括：信号采集模块，其设置在焊机中，以采集焊接过程中产生的待测信号；信号调理模块，其连接所述信号采集模块；微控器和收发器模块，其连接所述信号调理模块；以及上位机，其连接所述微控器和收发器模块。该监测系统主要特征有：1、能够将焊接车间的多台焊接组成一个特定网络；2、能够实时显示焊接过程的电流、电压波形；3、能够存储每一次焊接过程的焊接电压、电流的平均值以及每次焊接的开始和终止时间，以供产品质量发生问题时的历史查询，可以追溯产品质量问题发生的原因。
进一步地，所述信号采集模块可以包括：电流实时值和均值采集电路，其使用单片机PIC18F4580的AD转换功能实现采集电流实时值和均值。
进一步地，所述信号采集模块可以包括：电压的实时值和均值采集电路，其使用单片机PIC18F4580的AD转换功能实现采集电压实时值和均值。
进一步地，所述信号采集模块可以包括：脉冲频率采集电路，其使用PIC18F4580的CCP模块实现捕捉电流的频率。
进一步地，所述信号调理模块可以用于：对采集的信号进行隔离、放大、滤波处理，将焊机的电流和电压转换为单片机AD输入能够采集的范围，提高系统的抗干扰能力。
所述电流实时值和均值，电压的实时值和均值均以及与上位机通信均使用单片机PIC18F4580实现。PIC18F4580具有高的耐用性和增强的闪存程序存储器，程序存储器和数据EEPROM的增强型闪存单元可以经受数千次擦/写，数据保存期在40年以上。其有一个内部锁相环倍频器，可使得时钟速度最高达到40MHz。PIC18F4580拥有一个10位的A/D转换器，8路AD输入通道，AD采样时间可编程,40M时钟速度下AD最快转换时间小于1us，有两个增强型CCP(捕捉/比较/PWM)模块，通过与定时器的配合使用，可以捕捉或者产生各种频率的脉冲。同时PIC18F4580集成了增强型CAN模块，遵守CAN2.0BACTIVE规范，报文传输速率可达1Mbps。
进一步地，所述微控器和收发器模块可以包括：A/D转换模块，用于将模拟信号转换成数字信号；数据处理模块，其连接所述A/D转换模块，用来对数字化的电流和电压值和焊接启停时间进行记录，以追溯焊接质量问题出现的源泉；数据存储模块，其连接所述数据处理模块，用于存储所述数据处理模块记录的数字化的电流和电压值和焊接启停时间；CAN通信模块组成，用来实现与上位机的通信，便于网络化管理，完成单片机与上位机的通讯，并把采集的数据传输给上位机历史数据的保存和实时数据波形显示。
图2示出了根据本发明的具有多套焊接质量监控系统的网络化结构示意图。如图2所示，每台焊机中都只需安装一块数据采集卡，通过CAN总线进行数据传输，挂载在总线上的焊机可以组成一个特定的局域网络。如图2所示CAN总线控制网络工作于多主方式，网络中的各个节点都可以根据总线访问优先权。CAN总线控制网络工作于多主方式，网络中的各个节点都可以根据总线访问优先权，采用无损结构的逐位仲裁方式竞争向总线发送数据，采用对通信数据进行编码，使不同的节点同时接受到相同的数据，这个特点使得CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信适时性强，并且容易构成冗余结构，提高系统的可靠性和灵活性。CAN总线电路包括CAN总线控制、CAN总线收发器、CAN总线控制器采用MCP2510芯片、CAN总线收发器用PAC82C250芯片。
进一步地，所述焊接质量监控系统还包括：CAN控制器，其连接所述CAN通信模块；CAN总线，其连接至少一个所述CAN控制器；CAN收发器，其连接在所述总线和所述上位机之间。
通过上位机界面显示的实时电流、电压波形和对应关系的可以反映出弧焊电源动特性。如焊机电源对动态负载的反应能力，对于电源输出给定信号的响应速度，短路电流，空载电压。对负载变化响应的特性合适时，引弧容易、电弧稳定、飞减小、焊缝成形良好。焊接时输出端短路时的电流一般为1.25-2倍的焊接电流，过小时熔滴过度困难，过大时焊条容易过热导致药皮脱落。焊机空载电压，成本上讲空载电压越小越好，从引弧、稳弧则空载电压越高越好，安全性上来说，电压越低越好。弧焊电源动特性(对动态负载的反应能力)是衡量弧焊电源性能的一个重要指标。
批量化的焊接产品在焊接生产之前，都会通过试验得到自己所需要产品性能的最佳焊接工艺。应该说，批量生产时，焊接的参数是固定的，而实际焊接过程中，坡口尺寸偏差、电网电压波动、导电嘴磨损、工件尺寸偏差、焊接机构不稳定、送丝速度变化等可能会导致产品质量问题。通过焊接过程中电流、电压的波动可以间接的反映出焊接过程是否有大的波动，虽然无法直接得出焊接产品的力学性能、成型外观等，但焊接过程电参数的大幅度波动是很难得出理想的焊缝的。通过对焊接电流电压的波动方式分析，甚至可以分析出焊接缺陷所在，因为不同缺陷产生时对应的焊接电流、电压会有各自的特点。通过频谱分析，可以对应的做出焊接缺陷的推断。
图3示出了根据本发明的焊接电流拟合曲线示意图。图4示出了根据本发明的焊接电压拟合曲线示意图。图5示出了根据本发明的脉冲频率拟合曲线示意图。原始信号从传感器到信号调理电路中可能会出现微小偏差，而这些偏差在按照一定比例放大后可能出现较明显的误差、为了查询和实时显示时，焊接电流、电压和脉冲频率能够精确的显示，必须校正焊接过程中焊机面板值和上位机软件显示值。在焊机的整个电流和电压的输出段采样20组值进行对比，焊接电流采集面板和上位机输出值之间的对应关系如图3所示，焊机面板和上位机显示值之间误差在很小的范围之内，采用数据拟合的方式可以得到二者之间的拟合方程：
Y电流＝1.025x-1.395
同理，如图4所示的焊接电压拟合曲线，得到焊接电压的面板值与上位机显示值之间的线性方程：
Y电压＝0.9731x-0.2124
同理，如图5所示的焊接过程直流脉冲频率的拟合曲线，得到脉冲值面板值与上位机显示值之间的线性方程：
Y频率＝1.0127x-0.7417
上位机查询功能的具体结果如图8所示，其最终在EXCEL列表中显示的值跟焊机面板的设置值基本一致。
图6示出了根据本发明的焊接质量监控系统脉冲频率信号处理过程示意图。首先，将检测到的信号波形进行取峰值，以获取峰值电压；接着，对峰值电压进行减法电路处理，以获取负值电压；接着，将获取的负值电压进行反向放大，以获取15V波形；接着，对获取的15V波形进行限幅电路处理，以获取数字信号。
图7示出了根据本发明的焊接质量监控系统与对应的焊接节点建立通信后焊接过程中波形的实时显示示意图。如图7所示，焊接质量监控系统实现了虚拟示波器的功能，可以从微观上看出焊接过程是否稳定，如果波形的波动很大，则焊接产品出现质量问题的概率就会很大。
图8示出了根据本发明的焊接质量监控系统中的焊接的历史记录、焊机每次使用的开始时间和结束时间以及这段时间内操作者实际使用的焊接电流、电压和脉冲频率参数的记录信息的示意图。对于批量化的生产，这些记录可以从宏观上直接看出焊接车间的工人是否遵循焊接工艺参数制定的焊接电流、电压、脉冲频率值。可以看出员工在车间的焊机利用率，从而知道员工的具体工作时间。该查询功能可以监督员工的工作状况和焊接工艺参数执行状况。
图9示出了根据本发明的焊接质量监控系统采用直流脉冲TIG焊时的电流波形示意图。频率捕捉电路的设计难点主要出现在直流脉冲焊接的情况下。令Ip-Id＝Δ，当Δ很小时，由于焊接电流信号含有较多的高频杂波，使用传统的迟滞比较器电路会引入较大的抖动。
本技术领域技术人员可以理解，本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地，具有本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。进一步地，现有技术中的具有与本发明中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种焊接质量监控系统，其特征在于，包括：
信号采集模块，其设置在焊机中，以采集焊接过程中产生的待测信号；
信号调理模块，其连接所述信号采集模块；
微控器和收发器模块，其连接所述信号调理模块；以及
上位机，其连接所述微控器和收发器模块；
其中，所述信号采集模块进一步包括：
电流实时值和均值采集电路，其使用单片机PIC18F4580的AD转换功能实现采集电流实时值和均值；
其中，所述单片机PIC18F4580配置有一个10位的A/D转换器，8路AD输入通道，AD采样时间可编程，40M时钟速度下AD最快转换时间小于1us，有两个增强型CCP模块，通过与定时器的配合使用，能捕捉或者产生各种频率的脉冲；同时PIC18F4580集成了增强型CAN模块，遵守CAN2.0BACTIVE规范，报文传输速率达1Mbps；
其中，所述微控器和收发器模块进一步包括：
A/D转换模块，用于将模拟信号转换成数字信号；
数据处理模块，其连接所述A/D转换模块，用来对数字化的电流和电压值和焊接启停时间进行记录，以追溯焊接质量问题出现的源泉；
数据存储模块，其连接所述数据处理模块，用于存储所述数据处理模块记录的数字化的电流和电压值和焊接启停时间；
CAN通信模块，用来实现与上位机的通信，便于网络化管理，完成单片机与上位机的通讯，并把采集的数据传输给上位机历史数据的保存和实时数据波形显示；
CAN总线控制器，其连接CAN通信模块；
CAN总线，其连接至少一个所述CAN总线控制器；
CAN总线收发器，其连接在所述CAN总线和所述上位机之间；
其中，所述CAN总线控制器采用MCP2510芯片，所述CAN总线收发器采用PAC82C250芯片。
2.根据权利要求1所述的焊接质量监控系统，其特征在于，所述信号采集模块进一步包括：
电压的实时值和均值采集电路，其使用单片机PIC18F4580的AD转换功能实现采集电压实时值和均值。
3.根据权利要求1所述的焊接质量监控系统，其特征在于：所述信号采集模块进一步包括：
脉冲频率采集电路，其使用PIC18F4580的CCP模块实现捕捉电流的频率。
4.根据权利要求1所述的焊接质量监控系统，其特征在于，所述信号调理模块进一步用于：
对采集的信号进行隔离、放大、滤波处理，将焊机的电流和电压转换为单片机AD输入能够采集的范围，提高系统的抗干扰能力。
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