CN110756977A - 一种电子束焊接参数采集监视系统、方法及处理终端 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子束焊接参数采集监视系统、方法及处理终端，监视系统包括工业数据采集模块和处理终端，所述工业数据采集模块和处理终端通信连接，所述工业数据采集模块中内置有用于采集电子束焊接参数的传感器，所述电子束焊接参数包括高压、束流、聚焦、偏压和真空度；所述处理终端用于接收传感器采集到的电子束焊接参数，并将接收到的电子束焊接参数图形化。集中显示并记录电子束焊接过程中的电子枪电压，电子束束流能量，灯丝聚焦电流，偏压杯偏压信号以及真空室真空度主要焊接参数的状态波形图，建立历史数据库进行事后数据和图形的查询分析，为电子束焊接数据收集和整理，为设备修理、焊接过程监控、焊接质量分析提供有效数据支撑。

Description

一种电子束焊接参数采集监视系统、方法及处理终端

技术领域

本发明属于设备监测技术领域，具体涉及一种电子束焊接参数采集监视系统、方法及处理终端。

背景技术

电子束焊接是在高压、束流、偏压、聚焦、真空度等各种焊接参数共同作用下进行的，在焊接过程中需要不断监视各种焊接参数的稳定性，一旦某个焊接参数发生异常变动，就会直接影响焊接性能，进而出现焊接缺陷，使焊接质量下降，甚至威胁设备工作安全。但在生产中对焊接参数的监控存在以下问题：

1、电子束设备的焊接参数均是以数据的形式显示在监控界面上的，数据的波动不宜察觉。

2、各参数显示未集中在一个界面上，特别是在执行焊接操作过程中，有些数据无法直观观察。

3、虽然电子束焊接设备的生产厂家开发了关键数据监控界面，但都是即时的，仅显示当前30分钟内的高压、束流等少数参数变化波形，未对整个焊接过程参数不进行采集和存储，过后无法进行查询和分析。

另外，当设备出现焊接质量事故时，对各项关键参数进行检查时，只能逐一测量、记录和分析，对于偶发现象存在监控不完整和不全面性，很可能捕捉不到问题点，因此不但整个检测或监控过程费时费力，而且不一定能得到真实的结果。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种电子束焊接参数采集监视系统、方法及处理终端，集中采集、显示并记录电子束焊接过程中的电子枪电压，电子束束流能量，灯丝聚焦电流，偏压杯偏压信号以及真空室真空度主要焊接参数的状态波形图，建立历史数据库进行事后数据和图形的查询分析，为电子束焊接数据收集和整理，为设备修理、焊接过程监控、焊接质量分析提供有效数据支撑。

为达到上述目的，本发明一种电子束焊接参数采集监视系统，包括工业数据采集模块和处理终端，工业数据采集模块和处理终端通信连接，工业数据采集模块中内置有用于采集电子束焊接参数的电压传感器，电子束焊接参数包括电子枪电压，电子束束流能量，灯丝聚焦电流，偏压杯偏压以及真空室真空度；处理终端用于接收传感器采集到的电子束焊接参数，并将接收到的电子束焊接参数图形化。

进一步的，工业数据采集模块中的电压传感器和输出端口之间设置有电压跟随器和线性光耦。

进一步的，工业数据采集模块通过RS485串口与处理终端通讯连接。

4、种基于上述一种电子束焊接参数采集监视系统的采集监视方法，包括以下步骤：

步骤1，采集电子束焊接参数，电子束焊接参数包括电子枪电压，电子束束流能量，灯丝聚焦电流，偏压杯偏压以及真空室真空度；

步骤2、将步骤1采集到的信号进行编码，得到传输数据包；

步骤3、将编码后的传输数据包传递至处理终端；

步骤4、处理终端进行对数据包进行数据校验，若数据通过校验，则进行步骤5，否则报错；

步骤5、将通过校验的进行解析；

步骤6、将解析得到的数据存储；

步骤7、根据需求将解析后的数据图形化。

进一步的，步骤2中，在编码之前对采集到的数据依次进行抗隔离干扰和模数转换。

进一步的，步骤2中的模数转换为16位模数转换。

进一步的，步骤4中，数据校验的过程包括以下步骤：

步骤4.1、将收到的数据按照设定的数据包格式进行解码，数据包分为指令数据、采集数据以及发送前循环冗余校验数据；

步骤4.2、将指令数据、采集数据以及发送前的循环冗余校验数据与数据包发送前的循环冗余校验位进行比对，如果冗余校验位相同，认为数据包通过校验，否则数据未通过校验。

进一步的，步骤4.2中，采用循环冗余校验对数据包进行校验的具体步骤如下：

1)设置CRC寄存器，并给CRC寄存器赋值FFFF(hex)，k＝1；

2)将数据包的第k个8-bit字符与16位CRC寄存器的低8位进行异或，并把异或结果存入CRC寄存器；

3)CRC寄存器中各字节的值向右移一位，最高有效位MSB补零，数据移出并检查最低有效位LSB的值；

4)若最低有效位LSB为0，重复3)；若最低有效位LSB为1，CRC寄存器与多项式码相异或；

5)重复3)和4)，直至8个字节的移位全部完成；

6)k＝k+1，重复第2至第5步直到所有数据包全部处理完成；

7)最终CRC寄存器的内容即为CRC值。

进一步的，步骤7包括以下步骤：

步骤7.1、将解析后的数据按照当前量程进行转化为模拟量，模拟量数据类型为double型数据，将模拟量数据放入到对应通道的数据链表中；

步骤7.2、在绘图区域内绘制水平和垂直的直线构成栅格网络，将歌通道数据链表中的数据进行折线绘制，根据需求将部分通道数据按照图形显示算法进行整合并显示。

一种处理终端，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现一种电子束焊接参数采集监视系统的采集监视方法中的步骤4至步骤7。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

电子束焊接参数采集监视系统的有益效果为：

1)以往传统的监视方法使用万用表监视，并且只能采集一路电子束关键电参数，只能实时显示，没有数据保存功能，由于电信号需要进行多组同时采集并进行对比才能起到良好作用，通道数及其通道采集数据类型丰富，具有的工业数据采集模块上共有8路通道，可采集8个参数的信号，而本系统柜可实时同步采集数据通道为8组通道，数据连续稳定采集时间可达18个小时，满足电子束焊接设备的多组关键参数同时采集需求。可根据电子束关键电参数类型进行通道设定，由于在同一界面内显示多组数据，因此使用颜色进行区分，方便根据颜色分辨不同的电子束电参数，具有通道设置、波形颜色选择等人机交互功能。

2)采集到的数据通过系统可自动存储并生成数据文件，将数据直接以数据文件的形式保存在计算机硬盘中，因此大大提升了数据保存量，历史数据存储容量可达一年的采集数据量。将原先的数据转换算法转换为波形显示，根据波形显示变化趋势进行分析功能。根据现场工作需求，可实现历史数据回看及图形分析。

电子束焊接参数采集监视方法的有益效果为：通过采集关键的电子束焊接参数，然后进行数据的编码、传输、校验和解析，得到采集到的焊接参数的值，可将采集到的焊接参数的值进行保存，或者生成波形图，方便工作人员对电子束焊接参数的状态变化进行观察和对比，便于及时发现焊接异常问题。

附图说明

图1为电子束焊接参数采集监视系统硬件连接示意图；

图2为数据传输流程图；

图3为电子束焊接参数采集监视方法流程图；

图4为系统程序启动图标；

图5为用户登录界面；

图6为系统主界面；

图7为采集波形图；

图8为历史数据文档调取界面；

图9为历史数据波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明利用PC机和工业数据采集模块，作为数据采集硬件系统，由RS485通信方式实现电子束焊接设备的关键参数多通道实时传输，通过自主编制的软件程序将数据进行分档存储同时在经过计算、转换等处理后以波形图的方式显示出来。能够实时显示并记录电子束焊接过程中高压、束流、聚焦、偏压、真空度等主要焊接参数的状态，为电子束焊接数据收集和整理，为焊接操作、焊接质量控制、设备检修等提供监视、记录和数据分析平台。

参照图1，一种电子束焊接参数采集监视系统，包括传感器、PC机、工业数据采集模块、24V直流电源、带屏蔽2芯通讯电缆、UBS串口转换器及信号连接电缆。传感器包括电子枪电压传感器，电子束流传感器，聚焦电流传感器，偏压传感器以及真空规管传感器。

其中，电子枪电压传感器用于采集电子枪电压信号；电子束流传感器用于采集电子束束流能量；聚焦电流传感器用于采集灯丝聚焦电流信号；偏压传感器用于采集偏压杯偏压信号；真空规管传感器用于采集电子束真空室的真空度信号。

工业数据采集模块内置有寄存器和电压传感器，电压传感器分别用于接收上述传感器采集到的电子枪电压信号，电子束束流能量、灯丝聚焦电流信号、偏压杯偏压信号以及电子束真空室的真空度信号。以真空度为例，说明采集和处理过程，真空规管输出为电压信号，通过工业数据采集模块中的电压传感器进行采集，在PC端数据解析的时候通过转换算法进行转换后和真空度进行对应。焊接设备的束流控制板上的束流信号为(0-10V)电压信号，使用工业数据采集模块将电压信号采集在PC端数据解析的时候通过转换算法进行转换。24V直流电源提供工业数据采集模块的工作电压，电压传感器和电流传感器采集到的电子束焊接设备的焊接参数的模拟信号分别接到工业数据采集模块的输入通道；带屏蔽的2芯通讯电缆一端连接到工业数据采集模块的输出端子上，另一端通过USB转换器接入PC机的USB接口中。

数据采集时，工业数据采集模块将输入通道的模拟量信号转换为数字量，然后通过RS485串口输出到PC机中，PC机将串口的数据通过解析算法，转变为实际值，通过数据存储算法将数据保存，同时以时间信息作为保存数据文件名，数据进行波形化处理，可进行集中显示和独立显示两种显示方式，具有调取历史数据能力，数据处理流程如图2所示。

电子束焊接参数采集监视系统使用C#语言编程，以.NetFrameWork4.0为平台下编写的Windows窗口软件，适用安装在Windows XP，Windows7等更高操作系统中。系统采样频率为10Hz，波形显示频率为10Hz，可采样的信号类型有电压“0—10V”、“-10—+10V”、“-1—+1V”，“-5—+5”，“0—5V”电流“4—20mA”、“0-20mA”等模拟信号。系统最大用户数为10名，采集通道数为8路，8路采集通道采集不同的电子束焊接参数，本实施例以采集五个参数为例，具有独立关联显示能力，可进行长时间采集，具有自动采集功能，历史回看功能。

一种电子束焊接参数采集监视方法，包括以下步骤：

步骤1、通过第一电压传感器用于采集电子枪电压信号，通过电子束流传感器采集电子束最关键的焊接电子束束流能量信号，通过聚焦电流传感器采集灯丝聚焦电流信号，通过偏压传感器采集偏压杯偏压信号，通过真空规管传感器采集电子束真空室的真空度信号，上述信号均为电信号；

步骤2、将步骤1采集到的信号由工业级数据采集模块进行隔离抗干扰，经过16位模数转换，进行逐次逼近数据转换，然后将转换后的数据按照modbus通信协议格式进行编码，指定数据包数据针头数据针尾，编码后得到传输数据包。

1)其中，隔离抗干扰的目的是增强数据的准确性，消除由于波动等其他原因产生的错误信号，具体过程如下：

隔离抗干扰的具体过程为：在采集的端口(端口至芯片之间)后端加入电压跟随器，提高采集输入阻抗，减小传感器对外输出电流，电压跟随器后端采用线性光耦进行光电隔离，消除由于传感器模块损坏产生超程信号的影响，最后数据采用RS485差分输出，能有效的抑制共模干扰信号，提高数据可靠性。

2)16位模数转换的目的是电信号采集需要。位数越高精度越高，转换后得到实现模拟信号转换为16位数字信号。

3)modbus通信协议编码的目的是对数据进行打包处理，编码后得到传输数据包。

modbus通信协议编码的具体过程如下：

PC机向工业数据采集模块发送数据包格式，数据包格式如下：

工业模块地址

功能码

寄存器地址高字节

寄存器地址低字节

寄存器数高字节

寄存器数低字节

CRC校验低字节

CRC校验高字节

例如：01 03 00 00 00 08 44 0C的意思为就是在1号模块下，功能码3作用下，在0x0000寄存器地址下，寄存器值为0x0008，CRC校验结果为0X440C。

部分功能码介绍

03	读取数据
		04	读取参数
06	设置参数

部分寄存器地址介绍

0x0021	第1路采集量程
		0x0022	第2路采集量程
0x0023	第3路采集量程
		0x0024	第4路采集量程
0x0025	第5路采集量程
		0x0026	第6路采集量程
0x0027	第7路采集量程
		0x0028	第8路采集量程

部分寄存器数据介绍介绍(基本满足所有电信号需求)

0x0007	1～+5V及4～20mA
		0x0008	-10V～+10V
0x0009	5～+5V及-20～+20mA
		0x000a	-1V～+1V
0x000b	-500mV～500mV
		0x000c	-150mV～150mV
0x000d	0～+5V及0～20mA

工业数据采集模块向PC机发送数据

设备回应：【设备地址】【03】【字节数】【寄存器1值高字节】【寄存器1值低字节】…【寄存器N值高字节】【寄存器N值低字节】【CRC低字节】【CRC高字节】

设备回应(HEX)：01 03 10 00 00 00 00 00 02 00 00 FF FF 00 02 00 03 0000 26 2A；

完成MOUDBUS协议编码。设备回应中的设备指工业数据采集模块。

步骤3、将编码后的信号通过RS485通信方式传递至PC机；

步骤4、PC机进行数据校验，以判断接受到的数据是否为正确数据，若数据通过校验，则进行步骤5，否则报错；

数据校验的目的是保证每一个数据都是真实可靠，具体过程如下：

S1:将收到的数据按照设定的数据包格式进行解码，数据包分为指令数据(即功能码)，采集数据和CRC寄存器中的发送前循环冗余校验数据。

S2：将以上数据按照循环冗余校验方法进行校验，与数据包发送前的循环冗余校验位进行比对，如果准确无误后，认为数据包准确完成校验。其中循环冗余校验位为数据包中的CRC校验低字节和CRC校验高字节。

具体使用循环冗余校验方法如下：

1)设置工业数据采集模块中的CRC寄存器，并给CRC寄存器赋值FFFF(hex)，k＝1；

2)将数据包的第k个8-bit字符与16位CRC寄存器的低8位进行异或，并把异或结果存入CRC寄存器；

3)CRC寄存器中各字节的值向右移一位，最高有效位MSB补零，数据移出并检查最低有效位LSB的值；

4)如果LSB为0，重复3)；若LSB为1，CRC寄存器与多项式码相异或；

5)重复第3与第4步直到8次移位全部完成，此时一个8-bit数据处理完毕；

6)k＝k+1，重复第2至第5步直到所有数据全部处理完成；

7)最终CRC寄存器的内容即为CRC值。

步骤5、将通过校验的进行解析：将数据包的数据进行分解，对数据类型进行判断，判定数据为指令数据还是采集数据，便于对对数据进行分类执行后续操作。

步骤6、数据存储；

步骤7、按照选择算法进行图形绘制；

步骤7.1、将解析后的数据按照当前量程进行转化为模拟量，模拟量数据类型为double型数据，将模拟量数据放入到对应通道的数据链表中。

步骤7.2、在绘图区域内部开始绘制水平垂直直线构成栅格网络，将对应通道数据链表中的数据进行折线绘制，将部分通道数据按照图形显示算法进行整合，进行显示。

一种电子束焊接参数采集监视系统的使用步骤如下：

(1)通过点击图4所示的图标进入系统。

(2)系统软件启动后，出现如图5所示的“用户”登录界面，通过用户名下拉框选择用户名，系统自动会将所有用户列出，用户选择一个用户名，然后输入密码，单击“登录”按钮，若密码正确，直接进入系统。若密码错误，系统提示登录失败。

(3)进入主界面如图6所示：系统主界面中包含有设备串口选择区，采集通道设置区，参数设置按键区，功能选择区，显示线选择以及波形显示区。

(4)当点击“开始采集/映射设置”按键后，系统开始采集数据，同时会在该区域显示运行时间、每一个通道的通道名、通道显示的波形颜色，需要结束采集时点击“结束采集”按键即可。

(5)多通道数据采集后同时进行图形化处理，在显示区域以时间为横轴，全部以曲线的形式显示出来，这样可以同时观察高压，束流，偏压，聚焦以及室真空度多个电子束焊接参数的变化和趋势，如图7所示，曲线1为高压由0KV上升到150KV的变化过程，曲线2为聚焦电流的在高压上升前后的变化过程，可直观看出高压信号与聚焦电流信号之间的逻辑变化关系是在启动高压时，聚焦电流为0，然后随着高压的上升而上升并同时到达最大值，可见通过监视系统可以很容易观察和分析各参数的变化情况。另外，还可以通过光标点击波形上的任意点来读取该点的实际采集值。

(6)点击主界面菜单栏中的“历史图线调取”菜单或者使用快捷键“Alt+L”进入历史图线调取界面，如图8所示。系统每次采集结束后都会将数据进行保存，保存成TXT文件形式，数据类型为16进制编码，同时将采集设置参数一并保存，文件名为当时开始采集的时间加上主界面中的实验名，若无填写实验名则默认为缺省值，选择需要的文件点击打开，软件进行数据解析，通过解析算法将16进制编码按照当时保存的设置参数进行解析，生成历史图线数据使用图形化算法将历史波形进行显示，如图9所示。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电子束焊接参数采集监视系统，其特征在于，包括工业数据采集模块和处理终端，所述工业数据采集模块和处理终端通信连接，所述工业数据采集模块中内置有用于采集电子束焊接参数的电压传感器，所述电子束焊接参数包括电子枪电压，电子束束流能量，灯丝聚焦电流，偏压杯偏压以及真空室真空度；所述处理终端用于接收传感器采集到的电子束焊接参数，并将接收到的电子束焊接参数图形化。

2.根据权利要求1所述的一种电子束焊接参数采集监视系统，其特征在于，所述工业数据采集模块中的电压传感器和输出端口之间设置有电压跟随器和线性光耦。

3.根据权利要求1所述的一种电子束焊接参数采集监视系统，其特征在于，所述工业数据采集模块通过RS485串口与处理终端通讯连接。

4.一种基于权利要求1所述的一种电子束焊接参数采集监视系统的采集监视方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，采集电子束焊接参数，所述电子束焊接参数包括电子枪电压，电子束束流能量，灯丝聚焦电流，偏压杯偏压以及真空室真空度；

步骤2、将步骤1采集到的信号进行编码，得到传输数据包；

步骤3、将编码后的传输数据包传递至处理终端；

步骤4、处理终端进行对数据包进行数据校验，若数据通过校验，则进行步骤5，否则报错；

步骤5、将通过校验的进行解析；

步骤6、将解析得到的数据存储；

步骤7、根据需求将解析后的数据图形化。

5.根据权利要求4所述的一种电子束焊接参数采集监视方法，其特征在于，所述步骤2中，在编码之前对采集到的数据依次进行抗隔离干扰和模数转换。

6.根据权利要求5所述的一种电子束焊接参数采集监视方法，其特征在于，所述步骤2中的模数转换为16位模数转换。

7.根据权利要求1所述的一种电子束焊接参数采集监视方法，其特征在于，所述步骤4中，数据校验的过程包括以下步骤：

步骤4.1、将收到的数据按照设定的数据包格式进行解码，数据包分为指令数据、采集数据以及发送前循环冗余校验数据；

步骤4.2、将指令数据、采集数据以及发送前的循环冗余校验数据与数据包发送前的循环冗余校验位进行比对，如果冗余校验位相同，认为数据包通过校验，否则数据未通过校验。

8.根据权利要求7所述的一种电子束焊接参数采集监视方法，其特征在于，所述步骤4.2中，采用循环冗余校验对数据包进行校验的具体步骤如下：

1)设置CRC寄存器，并给CRC寄存器赋值FFFF(hex)，k＝1；

2)将数据包的第k个8-bit字符与16位CRC寄存器的低8位进行异或，并把异或结果存入CRC寄存器；

3)CRC寄存器中各字节的值向右移一位，最高有效位MSB补零，数据移出并检查最低有效位LSB的值；

4)若最低有效位LSB为0，重复3)；若最低有效位LSB为1，CRC寄存器与多项式码相异或；

5)重复3)和4)，直至8个字节的移位全部完成；

6)k＝k+1，重复第2至第5步直到所有数据包全部处理完成；

7)最终CRC寄存器的内容即为CRC值。

9.根据权利要求1所述的一种电子束焊接参数采集监视方法，其特征在于，所述步骤7包括以下步骤：

步骤7.1、将解析后的数据按照当前量程进行转化为模拟量，模拟量数据类型为double型数据，将模拟量数据放入到对应通道的数据链表中；

步骤7.2、在绘图区域内绘制水平和垂直的直线构成栅格网络，将歌通道数据链表中的数据进行折线绘制，根据需求将部分通道数据按照图形显示算法进行整合并显示。

10.一种处理终端，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求4所述方法中的步骤4至步骤7。

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