CN115096342B - 一种低成本焊丝多维用量连续测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种低成本焊丝多维用量连续测量装置及测量方法，测量装置分别与编码器和边缘网关实时通信；测量装置包括内置定时器的MCU微控制器和实时显示焊丝多维用量的LCD数显屏；相比于传统数据采集模块需要依赖特定数据采集装置和软硬件，大幅节省硬件成本；所述测量装置通过内置定时器定时触发，读取编码器计数值，并记录相邻两次计数间隔时间，实时计算包括送丝量和送丝速度的焊丝多维用量数据；此外，本发明通过内置编码器计数溢出判断方法及溢出处理算法，有效解决了编码器计数溢出造成的送丝量、送丝速度计算错误的问题，实现了焊丝多维用量数据的准确、连续测量。
Description
技术领域
本发明属于传感器设计技术领域，特别涉及一种低成本焊丝多维用量连续测量装置及测量方法。
背景技术
工业焊接过程中，焊丝消耗量与金属材料加工总量成正比（例如4%或更高），伴随人类每年数万亿吨钢铁的焊接生产，焊丝消耗量是一笔巨大的成本，因此焊丝消耗必须进行测量统计和成本管控。当前焊接生产分为手动、半自动和自动化焊接生产，送丝速度的测量都是基于电焊机的电流大小，通过送丝机进行送丝速度控制，无法准确输出焊丝的送丝速度，也无法准确测量焊丝消耗量。伴随着焊接全生命周期管理和成本优化，焊丝送丝速度和焊丝用量的准确测量成为刚需。
市面上现存的送丝传感器，大部分基于光电编码器，通过焊丝运动时带动编码器转动使编码器产生脉冲或数字信号，再通过采集模块计算得出焊丝运送速度。这类方案存在以下问题：
1.传统送丝传感器除了光电编码器部分外，需要专门的数据采集装置和计算机才能实现测量数值的提取和显示，成本高昂、便携性差。
2.光电编码器受限于内存大小，普遍存在计数达到一定数值后“计数溢出归零”的问题。一般通过数据采集仪或者配套计算机在软件层面进行累加计数进行克服；如果出于成本控制原因剥离专属数据采集装置或计算机后，会因为计数归零导致整体测量错误。
3.传统送丝传感器一般只支持送丝速度这一个维度的数据输出，不支持累计用丝量统计，不方便焊接现场用丝成本的实时统计和展示。
4.传统送丝传感器不支持送丝方向的测量，送丝速度始终为正值，无负值，无法表征送丝方向。由于未充分考虑焊接生产现场因为工艺、系统或者焊机调整等出现焊丝倒退现象，这部分焊丝传送量事实上是系统调试过程中产生的干扰值，而不是真实焊丝消耗，如果被计入焊丝消耗总量，则会造成最终测量结果错误。
发明内容
发明目的：针对上述背景技术中存在的问题，本发明提供了一种低成本焊丝多维用量连续测量装置及测量方法，通过设计集成低成本MCU微控制器和低成本LCD数显屏的测量装置，无需另外配套数据采集装置和计算机，大幅降低成本。通过内置编码器计数溢出判断算法及溢出处理机制，有效解决了编码器计数溢出造成的送丝量、送丝速度计算错误的问题，实现连续测量包括送丝量和送丝速度在内的多个维度的焊丝用量数据，并支持焊接现场实时展示用丝成本。
技术方案：一种低成本焊丝多维用量连续测量装置，测量装置分别与编码器和边缘网关建立通信；所述测量装置包括内置定时器的MCU微控制器；通过定时器定时触发，读取编码器各计数值，记录相邻两次计数间隔时间，计算焊丝多维用量数据并传输至边缘网关。
进一步地，所述测量装置还包括输入接口、用于显示多维度焊丝用量数据的LCD数显屏和输出接口；所述测量装置通过输入接口与编码器连接，并通过输出接口将焊丝多维用量数据传送至边缘网关。
进一步地，所述测量装置基于Modbus通信协议分别与编码器和边缘网关建立通信。
一种采用上述基于低成本焊丝多维用量连续测量装置的测量方法，测量装置读取编码器前一次计数p1和本次计数p2、编码器分辨率
、同轴测速轮直径d，同时记录相邻两次计数间隔为t，则送丝量WFL计算如下：
其中r代表编码器转动的圈数，计算如下：
其中
代表 p1和p2的差值，计算如下：
其中
代表溢出处理算法；
代表正向送丝，
则代表反向送丝；
送丝量WFL综合表达如下：
送丝速度WFS综合表达如下：
进一步地，所述溢出处理算法包括以下步骤：
步骤S1、依次判断编码器计数是否存在上溢和下溢；其中上溢表示计数由输出计数量程R向0溢出，下溢表示计数由0向输出计数量程R溢出；
步骤S2、当编码器本次计数发生上溢时，进行溢出处理如下：
当编码器本次计数未发生上溢且发生下溢时，进行溢出处理如下：
当编码器本次计数未发生上溢和下溢时，无需进行溢出处理：
进一步地，所述步骤S1中判断编码器计数是否存在上溢和下溢的具体方法包括：
选取大值阈值
和小值阈值
；其中
为接近输出计数量程R的预设值，
为接近0的预设值；
当
且
时，则本次计数p2发生上溢；
当
且
时，则本次计数p2发生下溢。
本发明采用的技术方案与现有技术方案相比，具有以下有益效果：
（1）、本发明设计的焊丝用量多维度测量装置，采用低成本MCU，将影响送丝量、送丝速度计算的因素抽象出来进行归一化处理，提供统一配置，可以采集所有输出Modbus信号的编码器，并计算得的送丝量、送丝速度等多维度焊丝用量信息。省去了专门的数据采集装置和配套计算机，大幅降低成本。测量装置经过大量实际验证稳定可行，适配性高，开箱即用。
（2）、本发明提供的焊丝用量多维测量方法，针对“计数溢出”问题，通过内置编码器计数溢出判断方法及溢出处理算法，有效解决了编码器计数溢出造成的送丝量、送丝速度计算错误的问题。同时，通过溢出处理算法
得到的差值存在正负，差值为正则表示正向送丝，为负则表示反向送丝，因此当出现焊丝回丝时送丝量会相应减少，进而保证计算焊丝用量与实际情况相同，保证了采集结果的准确性，并且实现了焊丝用量的连续测量。
（3）、传统送丝传感器数据采集模块只输出送丝速度，输出维度单一，无法实时显示多维度焊丝用量数据。本发明设计的测量装置支持实时输出送丝量、送丝速度等多维度焊丝用量信息，有效提升了用户体验。
附图说明
图1为本发明提供的低成本焊丝多维用量连续测量装置。
附图标记说明：
1-测量装置；101-输入接口；102-MCU微控制器；103-LCD数显屏；104-输出接口；2-编码器；3-边缘网关。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
工业焊接生产中焊丝消耗量巨大，焊接现场既需要检查焊接速度来确保工艺合规，同时也有需求现场统计焊接用丝量进行成本统计和管控。现有测量装置或方案均需依赖一个采集模块来采集编码器输出然后计算出送丝速度，成本高，输出用丝信息普遍很单一，以送丝速度为主。焊丝阶段或者用料总量，需要依赖专属的数据采集装置和计算机硬件以及计算机软件来实现，不利于生产现场需要查看阶段焊丝用量的工况。
针对上述现状痛点，本发明提供了一种低成本焊丝多维用量连续测量装置及测量方法，测量装置如图1所示，包括输入接口101、MCU微控制器102、LCD数显屏103和输出接口104。编码器2基于Modbus通信协议接入输入接口101，低成本MCU微控制器102通过输入接口101读取编码器2的输入值，并进行焊丝多维用量计算，计算结果通过输出接口104传输至边缘网关3。MCU微控制器102内置高精度定时器，通过定时触发，读取编码器2计数值，并记录相邻两次计数间隔时间，用于计算焊丝多维用量数据。
为了满足焊接现场需要阶段性实时观察焊丝多维用量情况，采用了显示焊丝多维用量数据的LCD数显屏103，连接至MCU微控制器102，满足实时查看用量的需求。此外选用通用的Modbus通信协议可以有效提升测量装置的适配性能，测量装置可以采集所有输出Modbus信号的编码器进行后续计算。
基于上述测量装置，本实施例提供了配套的测量方法，具体如下：
测量装置1读取编码器2的前一次计数p1和本次计数p2，同时记录相邻两次计数间隔为t，获取编码器2分辨率N（即转动一圈产生的计数或脉冲数）、同轴测速轮直径d，则送丝量WFL（Wire Feeding Length）计算如下：
其中r代表编码器转动的圈数，计算如下：
其中
代表 p1和p2的差值，计算如下：
其中
代表溢出处理算法。
当光电编码器在工作时每转过若干圈时，由于光电编码器输出计数量程有限，存在计数归零并重新计数的情况。以输出计数量程R=1024为例，编码器计数至1024时继续正转，计数会从1024溢出变为0，此时即为上溢。编码器反转时，则从0溢出变为1024，此时即为下溢出。
本发明针对现有送丝传感器中数据采集模块不能正确处理“计数溢出”问题，导致测量错误，提供了详细的溢出处理算法，解决编码器计数溢出造成的送丝量、送丝速度计算错误的问题。具体包括以下步骤：
步骤S1、依次判断编码器计数是否存在上溢和下溢。其中上溢表示计数由输出计数量程R向0溢出，下溢表示计数由0向输出计数量程R溢出。具体判断溢出方法如下：
上溢时，计数从R附近的大数向0附近的小数变化。下溢时，计数从0附近的小数向R附近的大数变化，所以溢出判断需要两个阈值。选取大值阈值
和小值阈值
。其中
为接近输出计数量程R的预设值，
为接近0的预设值。
当
且
时，则本次计数p2发生上溢；
当
且
时，则本次计数p2发生下溢。
步骤S2、当编码器本次计数发生上溢时，进行溢出处理如下：
当编码器本次计数未发生上溢且发生下溢时，进行溢出处理如下：
当编码器本次计数未发生上溢和下溢时，无需进行溢出处理：
基于上述计数溢出处理算法，可以通过
的数值和正负反映用丝量的真实情况及真反转情况。
为正则表示正向送丝，
为负则表示反向送丝。当出现回丝时，送丝量会相应减少，进而可以得到实际真实的送丝量数值，保证了测量结果的准确性。解决了“计数溢出”问题，也就解决了焊丝用量多维测量的连续性问题。
最终得出送丝量WFL综合表达如下：
送丝速度WFS（Wire Feeding Speed）综合表达如下：
计算得出的丝量WFL和送丝速度WFS通过LCD数显屏103向客户实时显示，并提供至边缘网关3实时读取。
使用时，分别通过缆线依次连接编码器2、测量装置1和边缘网关3。连接完成后，分别对编码器2同轴测速轮直径
、编码器2分辨率N、输出计数量程R和读取间隔时间Rt等参数进行一键配置。配置完成后即可连续实时测量计算焊丝多维用量并显示于LCD数显屏103上。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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 (3)
1.一种基于低成本焊丝多维用量连续测量装置的测量方法，其特征在于，测量装置(1)分别与编码器(2)和边缘网关(3)建立通信；所述测量装置(1)包括内置定时器的MCU微控制器(102)；通过定时器定时触发，读取编码器(2)各计数值，记录相邻两次计数间隔时间，计算焊丝多维用量数据并传输至边缘网关(3)；
测量装置(1)读取编码器(2)前一次计数p1和本次计数p2，获取编码器(2)分辨率N、同轴测速轮直径d，同时记录相邻两次计数间隔为t，则送丝量WFL计算如下：
WFL＝π*d*r
其中r代表编码器转动的圈数，计算如下：
其中Pd代表p1和p2的差值，计算如下：
Pd＝calc_diff(p1，p2)
其中calc_diff()代表溢出处理算法；Pd＞0代表正向送丝，Pd＜0则代表反向送丝；所述溢出处理算法包括以下步骤：
步骤S1、依次判断编码器计数是否存在上溢和下溢；其中上溢表示计数由输出计数量程R向0溢出，下溢表示计数由0向输出计数量程R溢出；具体地，
选取大值阈值Th和小值阈值Tl；其中Th为接近输出计数量程R的预设值，Tl为接近0的预设值；
当p1＞Th且p2＜Tl时，则本次计数p2发生上溢；
当p1＜Tl且p2＞Th时，则本次计数p2发生下溢；
步骤S2、当编码器本次计数发生上溢时，进行溢出处理如下：
Pd＝calc_diff(p1，p2)＝p2+R-p1
当编码器本次计数未发生上溢且发生下溢时，进行溢出处理如下：
Pd＝calc_diff(p1，p2)＝-(p1+R-p2)
当编码器本次计数未发生上溢和下溢时，无需进行溢出处理：
Pd＝calc_diff(p1，p2)＝p2-p1；
送丝量WFL综合表达如下：
送丝速度WFS综合表达如下：
2.根据权利要求1所述的一种基于低成本焊丝多维用量连续测量装置的测量方法，其特征在于，
所述测量装置(1)还包括输入接口(101)、用于显示焊丝多维用量数据的LCD数显屏(103)和输出接口(104)；所述测量装置(1)通过输入接口(101)与编码器(2)连接，并通过输出接口(104)将焊丝多维用量数据传送至边缘网关(3)。
3.根据权利要求1所述的一种基于低成本焊丝多维用量连续测量装置的测量方法，其特征在于，所述测量装置(1)基于Modbus通信协议分别与编码器(2)和边缘网关(3)建立通信。
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