CN107486609A - 一种焊接电流全程实测系统及数据采集、处理与显示方法 - Google Patents

Abstract

一种焊接电流全程实测系统，包含：电流感应模块；位移感应模块；焊接起止检测模块；信号调理模块将不同电信号调整为统一标准格式的电信号；多功能采集模块将来自所述信号调理模块的电信号进行数字化处理；中央处理模块根据用户指令控制显示当前电流波形或回放硬盘中存储的历史电流波形；显示模块根据所述中央处理模块提供的数据在屏幕上显示电流波形；存储模块存储所述电流波形数据。本发明弥补了全球钢轨焊轨机只能对对初级电流值进行计算的缺陷。本发明的电流信号取样点直接建立在被焊钢轨的本体上，完全不受其他因素的干扰影响。建有强大的数据库，可随意提取各历史数据。

Description

一种焊接电流全程实测系统及数据采集、处理与显示方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种焊接电流全程实测系统及数据采集、处理与显示方法。

背景技术

当前国内的地铁、高铁等有轨车辆需求高速发展，对轨道的焊接质量提出了进一步的要求，轨道的焊接质量要能够保证高速运行的列车的安全性。

目前主流的焊接的手段是使用钢轨焊轨机。但是使用钢轨焊轨机容易出现各种缺陷，常见缺陷有圆形缺陷（气孔、夹渣、夹钨等）、条形缺陷（条孔，条渣）、焊接裂纹、未焊透、未熔合、焊缝外形尺寸和形状不符合要求、咬边、焊瘤、弧坑等。造成上述诸多缺陷的原因是钢轨焊轨机的焊接电流不恒定，在焊接过程中存在变化的可能。现今全球范围内在使用的焊轨机，固定式，移动式的焊接电流显示所采用的方法都是对初级电流值进行计算，再以模拟量的形式给出显示。由于在焊加工过程中存在着诸多不确定的变化，如闪光（烧化）阶段大量密集的金属粉屑飞贱而引起的局部分流点，由导体温度变化而产生的动态电阻变化等等，造成了所显示电流值与实际电流值明显偏离，焊接质量的好坏很大程度依靠工人的经验，造成焊接质量重复性的严重不稳。

为了采集电流，行业内多数采用罗氏线圈配合积分器来测量大电流。但市面上交流积分器比较常见，它的信号频率范围在0.1Hz到几MHz之间，测量的上限也比较大，但用交流积分器测量直流脉动信号会引起数据失真，如图1，正常的信号顶部应该是平的，失真后变成逐渐向0电平偏移的波形。

发明内容

本发明的目的在于提供一种焊接电流全程实测系统及数据采集、处理与显示方法，可应用于轨道焊接过程中实时监测焊接电流，为操作工人提供可信的电流数据；还可根据加工时的环境条件，记录天气情况、环境温度、操作时间等，并做保存；还可应用于焊接后对历史数据的对比分析，为提高工人焊接水平或工厂管理水平提供数据基础。

为了实现以上目的，本发明通过如下技术方案实现。

一种焊接电流全程实测系统，包含：

电流感应模块，实时感应焊接时的电流；

位移感应模块，实时感应焊接时被焊工件的移动；

焊接起止检测模块，检测焊接起止情况并分别在焊接开始和结束时给出开始信号和结束信号；

信号调理模块，与所述电流感应模块、位移感应模块和焊接起止检测模块连接，将分别来自所述电流感应模块、位移感应模块和焊接起止检测模块的不同电信号调整为统一标准格式的电信号；

多功能采集模块，与所述信号调理模块连接，将来自所述信号调理模块的电信号进行数字化处理；

中央处理模块，与所述多功能采集模块连接，根据用户指令控制显示当前电流波形或回放硬盘中存储的历史电流波形；

显示模块，与所述中央处理模块连接，根据所述中央处理模块提供的数据在屏幕上显示电流波形；

存储模块，与所述中央处理模块连接，存储所述电流波形数据。

上述的一种焊接电流全程实测系统中，所述电流感应模块包含罗氏线圈和直流积分器，其中，罗氏线圈设置于被焊工件本体上，罗氏线圈感应到的电压经过直流积分器积分得到当前电流。

上述的一种焊接电流全程实测系统中，所述位移感应模块为一位移传感器，所述位移传感器将被焊工件的位移转换为电压信号，供用户结合电流信号做电流与位移的关联分析。

上述的一种焊接电流全程实测系统中，所述焊接起止检测模块为脉冲检测电路，检测出的所述开始信号和结束信号控制采集过程自动开始和结束。

一种数据采集和显示方法，以程序形式存储于所述中央处理模块中，步骤如下：

S1、中央处理模块创建采集任务；

S2、中央处理模块对采集任务进行系统配置；

S3、焊接开始信号触发采集开始；

S4、多功能采集模块定时循环采集；

S5、中央处理模块存储数据并显示当前数据；

S6、焊接停止信号触发采集结束；

S7、中央处理模块关闭采集任务。

上述的一种数据采集和显示方法中，所述步骤S5中的数据以TDMS格式存储在硬盘中。

一种历史数据处理与显示方法，将一个或多个历史数据显示在屏幕上，步骤如下：

P1、中央处理模块读取历史数据；

P2、中央处理模块对历史数据进行预处理；

P3、中央处理模块对步骤P2给出的数据进行计算和判断；

P4、中央处理模块将步骤P3的结果显示在屏幕上并生成报表。

上述的一种历史数据处理与显示方法中，所述历史数据以TDMS格式存储在硬盘中

本发明的优点和有益效果是：电流信号的取样点直接建立在被焊钢轨的本体上，完全不受各种因素的干扰影响。有足够长的时间（常态下钢轨焊接约200秒左右）提取足够多的各类参数用以建设强大的数据库，以供后期随意提取各历史数据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他附图。

图1是现有技术中采用交流积分器得到的电流波形。

图2是本发明的系统框图。

图3是本发明的数据采集和显示方法流程图。

图4是本发明的历史数据处理与显示方法流程图。

图5是本发明中直流积分器零点漂移和输出延迟的示意图。

图6是本发明中焊接电流回放效果对比图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

焊接电流是焊接中的一个重要数据，不同材料和型号的被焊工件适用的焊接电流各有不同。焊接过程中保持恒定的、合适大小的电流对对控制焊接质量、改善焊接工艺有非常重要的意义。因此本发明一反常规，在被焊工件本体上设置感应模块，以取得更佳、更真实的电流数据。本系统可以实时采集并显示焊接电流和被焊工件位移，不断累积焊接电流的数据库，还支持同时调取若干个历史数据进行对比和分析。

如图2所示的一种焊接电流全程实测系统，包含电流感应模块1、位移感应模块2、焊接起止检测模块3、信号调理模块4、多功能采集模块5、中央处理模块6、显示模块7和存储模块8。

电流感应模块1，实时感应焊接时的电流。

位移感应模块2，实时感应焊接时被焊工件的移动。

焊接起止检测模块3，检测焊接起止情况并分别在焊接开始和结束时给出开始信号和结束信号。

信号调理模块4，与所述电流感应模块1、位移感应模块2和焊接起止检测模块3连接，将分别来自所述电流感应模块1、位移感应模块2和焊接起止检测模块3的不同电信号调整为统一标准格式的电信号。

多功能采集模块5，与所述信号调理模块4连接，将来自所述信号调理模块4的电信号进行数字化处理。考虑到焊接电流经过罗氏线圈和积分器以后的信号脉动频率比较低（2KHz），A/D转换的频率（即采样率）可用20KHz。综合考虑数据精度与价格的平衡，选用16位的A/D，对于±10V的测量信号，理想精度小于1毫伏。考虑到工程环境电磁干扰比较大，采用差分输入，即积分器的BNC输出端和BNC外壳经同轴电缆连接采集卡差分输入端，抑制电缆上的共模干扰。

中央处理模块6，与所述多功能采集模块5连接，根据用户指令控制显示当前电流波形或回放硬盘中存储的历史电流波形。

显示模块7，与所述中央处理模块6连接，根据所述中央处理模块6提供的数据在屏幕上显示电流波形。

存储模块8，与所述中央处理模块6连接，存储所述电流波形数据。

进一步地，所述电流感应模块1包含罗氏线圈和直流积分器，其中，罗氏线圈作为电流感应模块的主要部分，设置于被焊工件本体上，罗氏线圈感应到的电压经过直流积分器积分得到当前电流。

进一步地，所述位移感应模块2为一位移传感器，所述位移传感器将被焊工件的位移转换为电压信号，供用户结合电流信号做电流与位移的关联分析。

进一步地，所述焊接起止检测模块3为脉冲检测电路，检测出的所述开始信号和结束信号控制采集过程自动开始和结束。

如图3所示的一种数据采集和显示方法，以程序形式存储于所述中央处理模块6中，步骤如下：

S1、中央处理模块6创建采集任务；

S2、中央处理模块6对采集任务进行系统配置；

S3、焊接开始信号触发采集开始；

S4、多功能采集模块5定时循环采集；

S5、中央处理模块6存储数据并显示当前数据；

S6、焊接停止信号触发采集结束；

S7、中央处理模块6关闭采集任务。

实施例一

打开专用软件，在系统中创建一个采集任务，配置采集任务各项参数，启动采集任务，等待触发。当焊接开始信号满足时，多功能采集模块5自动进行AD转换，将数据写入内存、实时绘制最近100毫秒的轨道焊接电流波形，同时将数据按预定格式写入硬盘。此过程循环执行直至焊接停止信号出现。采集过程中，可能有意外情况发生，可立即停止采集。

还可以将焊机PLC的启动和停止信号连接到多功能采集模块5的开关量输入端作为触发条件。

采集结束后进行信号回放时，可根据文件名从硬盘读取焊接电流数据分批绘制波形。其中，焊接电流简图完整显示本次采集的全部采样数据，焊接电流详图分屏显示采样数据。简图和详图的对比效果如图6所示。

进一步地，所述步骤S5中的数据以TDMS格式存储在硬盘中。TDMS 格式是NI公司推出的技术数据管理流格式。二进制TDMS文件格式方便交换、具有内在结构、支持高速流盘，配合NI TDM解决方案的其他技术使用，可迅速进行数据搜索，而无需进行复杂且昂贵的数据库设计、构架或维护。采用TDMS 格式保存数据，不但有测试数据，还可以添加辅助信息，比如焊接时的各种工艺参数，便于日后浏览。为了方便工程师间分享数据文件，NI提供了在Microsoft Excel中使用的免费插件，可以供未安装NI软件的用户查询数据。

如图4所示的一种历史数据处理与显示方法，将一个或多个历史数据显示在屏幕上，其特征在于，步骤如下：

P1、中央处理模块6读取历史数据；

P2、中央处理模块6对历史数据进行预处理；

P3、中央处理模块6对步骤P2给出的数据进行计算和判断；

P4、中央处理模块6将步骤P3的结果显示在屏幕上并生成报表。

进一步地，所述历史数据以TDMS格式存储在硬盘中。

罗氏线圈电压积分值与焊接电流成正比。焊接电流是直流脉动信号，对应的需要采用直流积分器。本实施例中选用的直流积分器为PEMUK公司的DCflex型直流积分器。如图5所示，DCflex的输出有延迟，图中示出的延迟时间为380ms。DCflex的输出漂移为5A/s，若焊接时间持续300秒，累积的漂移会比较大，下一次测量前需要对线圈进行校零操作。中央处理模块6中的软件预置了校准程序，以弥补这两个可预知缺陷。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种焊接电流全程实测系统，其特征在于，包含：

电流感应模块（1），实时感应焊接时的电流；

位移感应模块（2），实时感应焊接时被焊工件的移动；

焊接起止检测模块（3），检测焊接起止情况并分别在焊接开始和结束时给出开始信号和结束信号；

信号调理模块（4），与所述电流感应模块（1）、位移感应模块（2）和焊接起止检测模块（3）连接，将分别来自所述电流感应模块（1）、位移感应模块（2）和焊接起止检测模块（3）的不同电信号调整为统一标准格式的电信号；

多功能采集模块（5），与所述信号调理模块（4）连接，将来自所述信号调理模块（4）的电信号进行数字化处理；

中央处理模块（6），与所述多功能采集模块（5）连接，根据用户指令控制显示当前电流波形或回放硬盘中存储的历史电流波形；

显示模块（7），与所述中央处理模块（6）连接，根据所述中央处理模块（6）提供的数据在屏幕上显示电流波形；

存储模块（8），与所述中央处理模块（6）连接，存储所述电流波形数据。

2.如权利要求1所述的一种焊接电流全程实测系统，其特征在于，所述电流感应模块（1）包含罗氏线圈和直流积分器，其中，罗氏线圈设置于被焊工件本体上，罗氏线圈感应到的电压经过直流积分器积分得到当前电流。

3.如权利要求1所述的一种焊接电流全程实测系统，其特征在于，所述位移感应模块（2）为一位移传感器，所述位移传感器将被焊工件的位移转换为电压信号，供用户结合电流信号做电流与位移的关联分析。

4.如权利要求1所述的一种焊接电流全程实测系统，其特征在于，所述焊接起止检测模块（3）为脉冲检测电路，检测出的所述开始信号和结束信号控制采集过程自动开始和结束。

5.一种数据采集和显示方法，以程序形式存储于所述中央处理模块（6）中，其特征在于，步骤如下：

S1、中央处理模块（6）创建采集任务；

S2、中央处理模块（6）对采集任务进行系统配置；

S3、焊接开始信号触发采集开始；

S4、多功能采集模块（5）定时循环采集；

S5、中央处理模块（6）存储数据并显示当前数据；

S6、焊接停止信号触发采集结束；

S7、中央处理模块（6）关闭采集任务。

6.如权利要求5所述的一种数据采集和显示方法，其特征在于，所述步骤S5中的数据以TDMS格式存储在硬盘中。

7.一种历史数据处理与显示方法，将一个或多个历史数据显示在屏幕上，其特征在于，步骤如下：

P1、中央处理模块（6）读取历史数据；

P2、中央处理模块（6）对历史数据进行预处理；

P3、中央处理模块（6）对步骤P2给出的数据进行计算和判断；

P4、中央处理模块（6）将步骤P3的结果显示在屏幕上并生成报表。

8.如权利要求7所述的一种历史数据处理与显示方法，其特征在于，所述历史数据以TDMS格式存储在硬盘中。