CN114755962A - 一种基于多传感器的智慧焊接数据采集系统及采集方法 - Google Patents

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徐鹏生
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    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明涉及一种基于多传感器的智慧焊接数据采集系统及采集方法，属于智慧焊接技术领域。采集系统包括中央处理模块，中央处理模块与通信模块连接，中央处理模块通过GPMC接口与FPGA对接，并通过FPGA与同步采样模块连接，中央处理模块通过RS232通信接口与显示操作模块连接，其中，同步采样模块设有六路同步采样ADC和低通滤波器,六路同步采样ADC连接有电压传感器、电流传感器和气体流量传感器，低通滤波器连接有焊丝速度传感器。采集方法包括：1.身份验证；2.参数设置3.数据采集；4.数据分析。本发明可以同步采集电流、电压、气体流量、焊丝速度，具有高集成，低成本，可移动的优点。

Description

一种基于多传感器的智慧焊接数据采集系统及采集方法
技术领域
本发明涉及一种基于多传感器的智慧焊接数据采集系统及采集方法，属于智慧焊接技术领域。
背景技术
随着社会的发展，对工业制造过程中的质量控制要求越来越高，工业4.0更是追求精益求精的加工，而要进行精细加工必然需要采集各种各样的数据，有数据才能有分析。
在焊接过程中，对焊接质量有影响的因素有：电弧电压、焊接电流、保护气体流量和焊丝速度等，这是工程技术人员进行焊接质量检测、焊接过程的波形控制等方面研究时最为常用的信息源。所以构建基于传感器的焊接数据采集与分析系统是很必要的。
当前该领域技术现状还无法满足多传感器数据采集，在专利《一种船体焊接参数监控系统》中一种船体焊接参数监控系统，包括监控终端和焊接数据采集系统，还包括环境参数采集系统，所述焊接数据采集系统用于采集焊接电压、电流信号，环境参数采集系统主要采集环境温度、湿度、风速，并将采集的数据与所述控制系统网络连接。其中与焊接质量强相关的保护气体流量和焊丝速度并没有采集。
在专利《一种工业锅炉钢管焊接数据采集系统》中，提供了一种工业锅炉钢管焊接数据采集系统，由基于无线传感器网络的焊接信息采集子系统和总系统计算机组成，焊接信息采集子系统采集焊接工作台上的钢管焊接的电流和电压信息，并将钢管焊接的电流和电压信息通过有线以太网将信息上传给总系统计算机处理。该发明基于无线传感器网络和射频识别技术实现了钢管焊接过程的全面质量监测和数据采集。此专利主要强调了被焊件的质量监测与焊接时电流电压的信息匹配追溯，并未采集保护气体流量和焊丝速度参数。
在专利CN 213969422《焊接电源数据采集装置以及焊接系统》中，提供了焊接电源数据采集装置以及焊接系统，其中，焊接电源数据采集装置包括：气体流量采集单元，用于采集焊接过程中的气体消耗参数；焊缝数据采集单元，用于采集焊机工作参数；数显送丝机接口单元，用于连接数显送丝机，将焊机工作参数发送到数显送丝机；通信接口单元，与远端服务器建立连接，向远端服务器发送气体消耗参数和焊机工作参数；中央处理器，分别连接气体流量采集单元、焊缝数据采集单元、数显送丝机接口单元以及通信接口单元，用于向上述各模块发送控制指令。可以将气体流量通过传感器采集并发送至远端服务器，通过RS485串口高速地将焊接信息发送至数显送丝机，更精确的统计焊接过程中的气体消耗。但没有采集焊接电流和焊接电压，同时不具备NFC卡身份识别。
在专利CN211669539U《一种显示焊接数据实时处理的装置》中公开了一种显示焊接数据实时处理的装置，包括：数据采集模块，处理模块，显示屏，工件信息读取模块，工艺参数信息。此专利中采集的传感器类型，数量，设计方案等所有信息都非常含糊，并无实际意义。
在论文中《基于多传感器的焊接质量检测系统》（哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验），其中只采集焊接电流(I)，焊接速度(V)，熔池附近的温度(T)，总的光通量(L)，然后利用动态系统预测模型的多层感知器神经网络通过学习实验数据可以得到有效的结果。并未检测电压、焊丝速度、气体流量，也无屏幕显示、身份识别、报警等功能。
气保焊时，气体流量与焊接电流、焊接速度、焊丝伸出长度及喷嘴直径等有关。气体流量应随焊接电流的增大、焊接速度的增加和焊丝伸出长度的增加而加大。一般二氧化碳气体流量的范围为8～25I／min。如果二氧化碳气体流量太大，由于气体在高温下的氧化作用，会加剧合金元素的烧损，减弱硅、锰元素的脱氧还原作用，在焊缝表面出现较多的二氧化硅和氧化锰的渣层，使焊缝容易产生气孔等缺陷；如果二氧化碳气体流量太小，则气体流层挺度不强，对熔池和熔滴的保护效果不好，也容易使焊缝产生气孔等缺陷。 随着焊接速度的增大，则焊缝的宽度、余高和熔深都相应地减小。如果焊接速度过快，气体的保护作用就会受到破坏，同时使焊缝的冷却速度加快，这样就会降低焊缝的塑性，而且使焊缝成形不良。反之，如果焊接速度太慢，焊缝宽度就会明显增加，熔池热量集中，容易发生烧穿等缺陷。
现有的专利论文中并未采集气体流量和焊丝速度，未认识到此参数对焊接质量的影响，这两个参数并不是简单的电信号，需要独立的传感器。
现有的论文以及专利中，也并无屏幕按键，无法所见所得的操作，也无NFC读卡功能，导致无法进行有效的身份识别。也还需要单独配置PC服务器，成本高。系统复杂，连线多，无法支持焊接现场的恶劣环境，比如船厂。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于多传感器的智慧焊接数据采集系统及采集方法，其具体技术方案如下：
一种基于多传感器的智慧焊接数据采集系统，包括中央处理模块、显示操作模块、通信模块和同步采样模块，所述中央处理模块与通信模块连接，所述中央处理模块通过GPMC接口与FPGA对接，并通过FPGA与同步采样模块连接，所述中央处理模块通过RS232通信接口与显示操作模块连接，所述中央处理模块设有ARM处理器，以及与ARM处理器连接的NAND flash程序存储器和DDR3 RAM内存，所述同步采样模块设有六路同步采样ADC和低通滤波器,所述六路同步采样ADC连接有电压传感器、电流传感器和气体流量传感器，所述低通滤波器连接有焊丝速度传感器。
进一步的，所述中央处理模块分别通过RGMII接口连接有PHY和Switch交换芯片，所述PHY设有WAN网络连接器接口RJ45，所述Switch交换芯片设有两路LAN网络连接器接口RJ45。
进一步的，所述中央处理模块通过SDIO外设接口连接有SD存储卡，所述中央处理模块还设有MiniUSB调试接口。
进一步的，所述中央处理模块还设有RS485通信接口和CAN通信网络接口，所述中央处理模块通过RS485和CAN与外接设备对接，并读取数据。
进一步的，所述通信模块设有Type-A接口、4G网络模组和WIFI模组，所述中央处理模块通过USB与Type-A和4G网络模组连接，通过SPI串行外设接口与WIFI模组连接。
进一步的，所述显示操作模块设有单片机、显示屏和NFC读卡器，所述单片机和显示屏和NFC读卡器通过UART连接，所述单片机连接有参数控制按键。
进一步的，所述FPGA还连接有数字输入输出电路。
一种基于多传感器的智慧焊接数据采集方法，包括以下步骤：
步骤1：身份验证：用户通过刷NFC身份卡进行身份验证，NFC读卡器成功获取用户身份信息并开放操作权限；
步骤2：参数设置：用户在进行焊接数据采集前，在显示操作模块上通过参数控制按键进行参数设置，并在显示屏上确认参数信息；
步骤3：数据采集：FPGA根据中央处理模块下发的配置信息配置采样频率，中断使能，FPGA启动六路同步采样ADC，采集焊丝速度、电压、电流和气体流量数据；
步骤4：数据分析：FPGA将采集到的同步数据保存到其内部设置的FIFO存储器内，当FIFO达到水线后发出中断给中央处理模块，中央处理模块通过GPMC读取数据并存储到DDR3 RAM内存内进行数据分析计算。
进一步的，所述步骤4中中央处理模块还能够通过RS485和CAN与外接设备对接，并读取数据。
进一步的，所述步骤4中FPGA还能够将采集到的同步数据保存到SD存储卡内，并通过4G网络、WIFI或有线网络上传至与采集系统连接的终端平台进行数据分析计算。
本发明的有益效果：
（1）本发明可以同步采集电流、电压、气体流量、焊丝速度；
（2）本发明能够独立工作，具有高集成，低成本，可移动的优点；
（3）本发明能够实现本地可视化设置，所见即所得，系统状态和采集的数据实时显示，并支持在恶劣的环境下工作；
（4）本发明具备本地NFC身份识别，无关人员无法进行操作，方便工时统计；
（5）本发明能够实现本地数据保存，并进行本地边缘计算，算法分析，实时将数据通过有线网络、WIFI或4G上传到平台进行统计分析；
（6）本发明能够通过RS485、CAN接口灵活扩展其他外设，实用性强，适用范围广。
附图说明
图1是本发明的数据采集系统结构框图，
图2是本发明的数据采集方法流程图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本组成，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，本发明的一种基于多传感器的智慧焊接数据采集系统，包括中央处理模块、显示操作模块、通信模块和同步采样模块，中央处理模块与通信模块连接，中央处理模块通过GPMC接口与FPGA对接，并通过FPGA与同步采样模块连接，FPGA还连接有数字输入输出电路。中央处理模块通过RS232通信接口与显示操作模块连接。中央处理模块设有ARM处理器，以及与ARM处理器连接的Nand flash程序存储器和DDR3 RAM内存。中央处理模块分别通过RGMII接口连接有PHY和Switch交换芯片，PHY设有WAN网络连接器接口RJ45，Switch交换芯片设有两路LAN网络连接器接口RJ45。中央处理模块通过SDIO外设接口连接有SD存储卡，中央处理模块还设有MiniUSB调试接口。中央处理模块还设有RS485通信接口和CAN通信网络接口，中央处理模块通过RS485和CAN与外接设备对接，并读取数据。同步采样模块设有六路同步采样ADC和低通滤波器,六路同步采样ADC连接有电压传感器、电流传感器和气体流量传感器，低通滤波器连接有焊丝速度传感器。通信模块设有Type-A接口、4G网络模组和WIFI模组，中央处理模块通过USB与Type-A和4G网络模组连接，通过SPI串行外设接口与WIFI模组连接。显示操作模块设有单片机、显示屏和NFC读卡器，单片机和显示屏和NFC读卡器通过UART连接，单片机连接有参数控制按键。其中，ARM处理器：自带cortex-A8处理器，外挂NAND Flash和DDR3内存，作为主处理器使用；FPGA：带有8个内部8192bitRAM，可以例化为512深度16bit位宽FIFO；ADS8586S芯片：内部自带6路独立的运放，三阶低通滤波，ADC转换单元；4G网络模组：支持CAT4全网段；PHY网络芯片：支持GE网络，通过RGMII与ARM处理器对接；交换芯片：两口交换芯片，通过RGMII与ARM处理器对接；NFC读卡器：用于身份卡信息读取；显示屏为LCD液晶屏幕，实时显示设备运行状况，以及采集的数据；按键：通过按键设置参数，选择配置，消除报警。
如图2所示，本发明的一种基于多传感器的智慧焊接数据采集方法。首先，用户通过在NFC读卡器上刷卡进行身份验证，NFC读卡器成功获取用户身份信息并开放操作权限。然后，用户在本数据采集系统连接的客户端或终端平台上进行参数设置。用户在进行焊接数据采集前，在显示操作模块上通过参数控制按键进行参数设置，并在显示屏上确认参数信息。紧接着，FPGA根据中央处理模块中ARM处理器下发的配置信息配置采样频率，中断使能等，FPGA启动六路同步采样ADC，采集焊丝速度、电压、电流和气体流量数据。最后FPGA将采集到的同步数据保存到其内部设置的FIFO存储器内，当FIFO达到水线后发出中断给中央处理模块的ARM处理器，中央处理模块的ARM处理器通过GPMC读取数据并存储到DDR3 RAM内存内进行数据分析计算。除此之外，FPGA还能够将采集到的同步数据保存到SD存储卡内，并通过4G网络、WIFI或有线网络上传至与采集系统连接的终端平台进行数据分析计算。中央处理模块的ARM处理器还能够通过RS485和CAN与外接设备对接，并读取数据。LCD液晶屏幕通过RS232串口与中央处理模块通信，接收配置，显示状态。屏幕板上CPU通过UART口下挂NFC读卡器、屏幕，以及接收按键触发信号。通过刷NFC卡进行身份验证，授予工作权限，按键用于一些参数设置，报警取消等操作，实时显示采集的数据以及设备工作状况。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种基于多传感器的智慧焊接数据采集系统，其特征在于：包括中央处理模块、显示操作模块、通信模块和同步采样模块，所述中央处理模块与通信模块连接，所述中央处理模块通过GPMC接口与FPGA对接，并通过FPGA与同步采样模块连接，所述中央处理模块通过RS232通信接口与显示操作模块连接，所述中央处理模块设有ARM处理器，以及与ARM处理器连接的NAND flash程序存储器和DDR3 RAM内存，所述同步采样模块设有六路同步采样ADC和低通滤波器,所述六路同步采样ADC连接有电压传感器、电流传感器和气体流量传感器，所述低通滤波器连接有焊丝速度传感器。
2.根据权利要求1所述的基于多传感器的智慧焊接数据采集系统，其特征在于：所述中央处理模块分别通过RGMII接口连接有PHY和Switch交换芯片，所述PHY设有WAN网络连接器接口RJ45，所述Switch交换芯片设有两路LAN网络连接器接口RJ45。
3.根据权利要求1所述的基于多传感器的智慧焊接数据采集系统，其特征在于：所述中央处理模块通过SDIO外设接口连接有SD存储卡，所述中央处理模块还设有MiniUSB调试接口。
4.根据权利要求1所述的基于多传感器的智慧焊接数据采集系统，其特征在于：所述中央处理模块还设有RS485通信接口和CAN通信网络接口，所述中央处理模块通过RS485和CAN与外接设备对接，并读取数据。
5.根据权利要求1所述的基于多传感器的智慧焊接数据采集系统，其特征在于：所述通信模块设有Type-A接口、4G网络模组和WIFI模组，所述中央处理模块通过USB与Type-A和4G网络模组连接，通过SPI串行外设接口与WIFI模组连接。
6.根据权利要求1所述的基于多传感器的智慧焊接数据采集系统，其特征在于：所述显示操作模块设有单片机、显示屏和NFC读卡器，所述单片机和显示屏、NFC读卡器通过UART连接，所述单片机连接有参数控制按键。
7.根据权利要求1所述的基于多传感器的智慧焊接数据采集系统，其特征在于：所述FPGA还连接有数字输入输出电路。
8.一种基于多传感器的智慧焊接数据采集方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：身份验证：用户通过刷NFC身份卡进行身份验证，NFC读卡器成功获取用户身份信息并开放操作权限；
步骤2：参数设置：用户在进行焊接数据采集前，在显示操作模块上通过参数控制按键进行参数设置，并在显示屏上确认参数信息；
步骤3：数据采集：FPGA根据中央处理模块下发的配置信息配置采样频率，中断使能，FPGA启动六路同步采样ADC，采集焊丝速度、电压、电流和气体流量数据；
步骤4：数据分析：FPGA将采集到的同步数据保存到其内部设置的FIFO存储器内，当FIFO达到水线后发出中断给中央处理模块，中央处理模块通过GPMC读取数据并存储到DDR3RAM内存内进行数据分析计算。
9.根据权利要求8所述的基于多传感器的智慧焊接数据采集方法，其特征在于：所述步骤4中中央处理模块还能够通过RS485和CAN与外接设备对接，并读取数据。
10.根据权利要求8所述的基于多传感器的智慧焊接数据采集方法，其特征在于：所述步骤4中FPGA还能够将采集到的同步数据保存到SD存储卡内，并通过4G网络、WIFI或有线网络上传至与采集系统连接的终端平台进行数据分析计算。
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