CN115656865A - 一种焊接直流逆变电源实验测试平台 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及焊接电源测试技术领域，具体为一种焊接直流逆变电源实验测试平台，包括：自动焊接装置、直流逆变电源和数据采集系统；自动焊接装置用于在工件上进行焊接，以及焊接轨迹的规划与控制；直流逆变电源与自动焊接装置电连接，直流逆变电源用于焊接工艺参数的设定；数据采集系统分别与自动焊接装置、直流逆变电源电连接，数据采集系统包括依次电连接的传感器箱、采集箱、上位机；传感器箱用于采集焊接过程中产生的电信号；采集箱用于对传感器箱采集的电信号进行数据处理，并传输给上位机；上位机用于对数据进行存储和显示，本发明为焊接直流逆变电源工作工程中电信号的实时检测与监控、电信号预处理、电能质量评估研究提供了基础。
Description
技术领域
本发明涉及焊接电源测试技术领域，特别涉及一种焊接直流逆变电源实验测试平台。
背景技术
直流逆变电源是为焊接过程提供所需电能并调节焊接工艺参数的设备，目前的焊接工艺参数的调节一般采用人工调节，需要依赖工作人员的焊接经验，在直流逆变电源工作的过程中，产生的电信号与焊接的质量呈现何种关系，这方面缺少相关的科学研究，使得在焊接过程中，工作人员缺少相关的科学依据调节直流逆变电源输出的电信号，进而造成焊接的质量不佳。
发明内容
本发明提供了一种焊接直流逆变电源实验测试平台，以解决现有技术中焊接质量不佳的技术问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明提供了一种焊接直流逆变电源实验测试平台，包括：自动焊接装置，所述自动焊接装置用于在工件上进行焊接，以及焊接轨迹的规划与控制；
直流逆变电源，所述直流逆变电源与所述自动焊接装置电连接，所述直流逆变电源用于焊接工艺参数的设定；
数据采集系统，所述数据采集系统分别与所述自动焊接装置、所述直流逆变电源电连接，所述数据采集系统包括依次电连接的传感器箱、采集箱、上位机；所述传感器箱用于采集焊接过程中产生的电信号；所述采集箱用于对所述传感器箱采集的电信号进行数据处理，并将处理后的电信号传输给所述上位机；所述上位机用于对处理后的电信号进行存储和显示。
优选地，所述传感器箱包括电流传感器、电压传感器和箱体；所述电流传感器、所述电压传感器均置于所述箱体的内侧；
所述电流传感器内穿过与所述直流逆变电源连接的电线，用于感知所述电线内部的电流；
所述电压传感器的一端通过航空接头与所述直流逆变电源的输出端电连接，所述电压传感器的另一端与工件电连接(夹具)。
优选地，所述电流传感器、电压传感器均选用非接触式传感器，或所述电压传感器选用电压隔离传感器。
优选地，所述采集箱包括电流采样电路、电压采样电路、A/D转换器、ARM控制器、网络接口电路；
所述电流采样电路与所述电流传感器电连接，所述电压采样电路与所述电压传感器电连接，所述电流采样电路和所述电压采样电路均与所述A/D转换器电连接，所述A/D转换器用于将所述电流采样电路和所述电压采样电路的电信号转换成数字信号，所述A/D转换器、所述ARM控制器、所述网络接口电路、所述上位机依次电连接。
优选地，所述采集箱还包括存储单元，所述存储单元与所述ARM控制器电连接，所述存储单元用于存储测试数据。
优选地，所述网络接口电路包括以太网控制器和网络接口，所述太网控制器和所述网络接口电连接，所述以太网控制器用于对所述ARM控制器输出的数字信号进行处理，并打包输送给所述上位机，所述太网控制器采用TCP/IP协议。
优选地，所述以太网控制器选用单片以太网控制器DM9000AEP。
优选地，所述单片以太网控制器DM9000AEP使用双绞线连接进行通信。
优选地，所述自动焊接装置包括送丝机构、焊机机器人、机器人控制器和保护气供给机构，所述送丝机构、所述焊机机器人和所述保护气供给机构布设在所述工件旁，所述焊机机器人上设置焊枪，所述送丝机构用于向所述焊枪内输送焊丝，所述保护气供给机构用于向焊接部位输送保护气体，所述机器人控制器与所述焊机机器人电连接。
本发明的有益效果：
1、本发明将以太网应用到焊接信号的实时采集中，实现了焊接过程的直流电流信号、电压信号的高效采集与存储，为焊接直流逆变电源工作工程中电信号的实时检测与监控、电信号预处理、电能质量评估研究提供了基础。
2、本发明通过研究直流逆变电源工作中产生的电信号与焊接质量之间的关系，为改善直流逆变电源的电信号的输出和提升焊接质量提供了科学依据。
附图说明
图1为本发明各部件的连接示意图；
图2为铝合金双脉冲MIG焊示意图；
图3为霍尔传感器内部原理图；
图4为电流传感器接线示意图；
图5为电压传感器接线示意图；
图6为采集箱的各部件的连接示意图；
图7为焊接的工艺参数图；
图8为焊缝1的焊接外观图以及相关的电流、电压信号图；
图9为焊缝2的焊接外观图以及相关的电流、电压信号图；
图10为焊缝3的焊接外观图以及相关的电流、电压信号图；
图11为焊缝4的焊接外观图以及相关的电流、电压信号图；
图12为焊缝5的焊接外观图以及相关的电流、电压信号图；
图13为焊缝6的焊接外观图以及相关的电流、电压信号图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。在本发明的描述中，相关方位或位置关系为基于图1所示的方位或位置关系，其中，“上”、“下”是指图1的上下方向。需要理解的是，这些方位术语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。
另外，在本发明中的“第一”、“第二”等描述，仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或顺序。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
参照图1至图6，本申请实施例提供了一种焊接直流逆变电源实验测试平台，包括：自动焊接装置，所述自动焊接装置用于在工件上进行焊接，以及焊接轨迹的规划与控制；
直流逆变电源，所述直流逆变电源与所述自动焊接装置电连接，所述直流逆变电源用于焊接工艺参数的设定；
数据采集系统，所述数据采集系统分别与所述自动焊接装置、所述直流逆变电源电连接，所述数据采集系统包括依次电连接的传感器箱、采集箱、上位机；所述传感器箱用于采集焊接过程中产生的电信号；所述采集箱用于对所述传感器箱采集的电信号进行数据处理，并将处理后的电信号传输给所述上位机；所述上位机用于对处理后的电信号进行存储和显示。
所述自动焊接装置包括送丝机构、焊接机器人、机器人控制器和保护气供给机构，所述送丝机构、所述焊接机器人和所述保护气供给机构布设在所述工件旁，所述焊接机器人上设置焊枪，所述送丝机构用于向所述焊枪内输送焊丝，所述保护气供给机构用于向焊接部位输送保护气体，所述机器人控制器与所述焊接机器人电连接。
所述传感器箱包括电流传感器、电压传感器和箱体；所述电流传感器、所述电压传感器均置于所述箱体的内侧；
所述电流传感器内穿过与所述直流逆变电源连接的电线，用于感知所述电线内部的电流；
所述箱体上开设有多个通孔，以供电线伸入所述箱体内，并从所述电流传感器的内侧穿过；
所述电压传感器的一端通过航空接头、屏蔽线缆与所述直流逆变电源的输出端电连接，所述电压传感器的另一端与工件电连接(夹具)，从而进行焊接电压信号的采集。
电流传感器结合基于霍尔效应原理研发的电流器件；电压传感器使用的是基于霍尔效应原理研发的电压器件，通过传感核心器件对焊接直流电信号进行感知并转换可供后续采集分析的焊接直流电信号。
所述电流传感器、电压传感器均选用非接触式传感器，原电路与传感电路无电连系，因此传感器的接入对原电路的影响降到最小，而且具有高精度、快速动态响应等优点，能实时精确感知各类瞬变信号，可对直流信号、交流信号、电流信号、电压信号进行测量；或所述电压传感器选用电压隔离传感器。
所述采集箱包括电流采样电路、电压采样电路、A/D转换器、ARM控制器、网络接口电路和存储单元；
所述电流传感器、所述电压传感器均通过航空接头、屏蔽线缆分别与所述电流采样电路、所述电压采样电路电连接。
所述电流采样电路与所述电流传感器电连接，所述电压采样电路与所述电压传感器电连接，所述电流采样电路和所述电压采样电路均与所述A/D转换器电连接，所述A/D转换器用于将所述电流采样电路和所述电压采样电路的电信号转换成数字信号，所述A/D转换器、所述ARM控制器、所述网络接口电路、所述上位机依次电连接，所述存储单元与所述ARM控制器电连接。
所述A/D转换器的分辨率是16Bit，与上位机的示波一致，各路独立运放，独立进行模数转换，避免相互干扰，具有强抗干扰性等优点。
所述网络接口电路包括以太网控制器和网络接口，所述太网控制器和所述网络接口电连接，所述以太网控制器用于对所述ARM控制器输出的数字信号进行处理，并打包输送给所述上位机，所述太网控制器采用TCP/IP协议。所述以太网控制器选用单片以太网控制器DM9000AEP。所述单片以太网控制器DM9000AEP使用双绞线连接进行通信。
电信号的检测原理：在焊接过程中，实验采集的电信号为焊接电流及焊接电压等，焊接电流、电压一般与电弧长度成正比，焊丝的燃烧及熔滴的过渡导致弧长及焊接回路中的电阻呈现周期性的变化，从而影响焊接回路中焊接电流和焊接电压的周期性变化。因此当焊接过程中出现断弧、息弧等现象时，焊接电压和焊接电流的波动性可以间接反映了电信号的稳定性。
本发明中各部位之间的运行过程为：将本发明完毕后，启动焊接机器人，焊接机器人在工件上焊接作业，电流传感器和电压传感器分别对焊接电流、焊接电压进行采集，所采集的电信号(焊接电流、焊接电压)，分别通过所述电流采样电路、所述电压采样电路传输到所述A/D转换器内，所述A/D转换器将所接收到的电信号转换成数字信号，数字信号经过所述ARM控制器到达网络接口电路上的单片以太网控制器DM9000AEP，根据TCP/IP协议后，由网络接口输送到上位机实现波形和储存。
直流电信号采集实验：
本实验选用铝合金双脉冲MIG焊接，在焊接过程中，焊接电源输出直流电流、电压信号波形在谐波、冲击负载等各种因素影响作用下，因此采集到的焊接直流信号的数学模型可以由以下公式来描述：
其中，u0(t)为电源输出的脉冲电流、电压信号，是电源理想电输出波形信号，决定了焊缝稳定成形的能源输入，由电源特性及工艺设置所决定。uk(t)为畸变部分，由电源功率变换产生谐波和冲击、随机负载所影响产生，影响焊接过程直流稳定性和焊缝成形，un(t)为含噪声的信号，在信号采集过程，由焊接电源中IGBT的开关噪声、电磁噪声、环境噪声等外部干扰侵入，影响直流信号检测与分析结果。利用对焊接直流电信号进行特征提取，实现对焊接过程直流稳定性和焊缝成形质量的检测，关键在于从含噪声的直流信号u(t)中，提取uk(t)为畸变部分进行特征提取。
为进行焊接直流逆变电源的研究，搭建了焊接直流逆变电源实验与测试平台。实验采用直流逆变电源、焊接机器人、数据采集系统、送丝机构、保护气体供给机构等，进行双脉冲MIG焊平板堆焊实验。工件材料为6061铝合金，工件尺寸为250mm×200mm×5mm，保护气体供给机构所输送的保护气体为氩气，氩气流量为10L/min，焊丝干伸长为15mm，焊丝型号为er5356，焊丝直径为φ1.2mm。
实验过程，分别设置不同焊接工艺参数，将焊接过程同步采集到的直流电流信号和电压信号传输到计算机显示、保存，并借助于Matlab对采集到的焊接直流电流信号进行分析、处理。采样频率为4kHz，每个焊接过程采样时间为25s，从焊接直流逆变电源电流信号中截取部分数据点来进行信号分析，双脉冲MIG焊焊接工艺参数设定如图7所示，图8～图13为双脉冲MIG焊焊缝1-焊缝6的焊接外观图以及相关的电流、电压信号图。其中每个焊接信息中分别包括对应焊缝的外观图、焊接过程电流信号图、焊接电流信号局部特征放大图、焊接过程电压信号图、焊接电压信号局部特征放大图。
参照图8，对焊缝1外观分析得：焊缝刚开始时，鱼鳞纹之间的间距较宽，突然焊缝间距变宽了之后，焊缝呈现较为均匀的鱼鳞纹，在焊缝尾部又出现焊缝间距突然变宽的现象，且整条焊缝大部分都存在焊接中的焊瘤缺陷，且焊瘤密集在焊缝边缘呈现线状聚集，焊接热能量输入较多，焊材溢出至非焊接区上，凝固成金属瘤边。对截取的4s焊接直流电流、电压局部特征放大信号分析得：在低频脉冲群阶段中，焊接电流呈现密集趋势，且在21s左右的双脉冲MIG焊周期中，出现电流突然变大现象，也映射了该焊接过程中存在焊接热输入过大的现象。
参照图9，对焊缝2外观分析得：整段焊缝呈现均匀规则光亮整齐美观的鱼鳞纹，这是双脉冲MIG焊接效果优异的客观表现。对截取的4s焊接直流电流、电压局部特征放大信号分析得：在低频脉冲群阶段中，焊接缓慢开始起弧，随着自动送丝，电弧与熔池相衔接对，电弧的冲击作用促使熔池中粗晶破碎，达到晶粒细化的作用，低频脉冲群中的焊接频率增大进一步对熔池内部进行搅拌，细化焊缝晶粒，对应的焊接直流电流信号呈现稀疏现象；在高频脉冲群阶段：在该过程中焊丝熔化且熔滴慢慢形成并过渡到熔池中，对应焊接直流信号呈现周期性变换。
参照图10，对焊缝3外观分析得：整段焊缝呈现较为均匀规则的突起焊接缺陷-驼峰现象，焊缝表面沿着焊接方向表现为周期性交叉出现的驼峰波峰和驼峰波谷。铝合金双脉冲MIG焊焊接时，驼峰的波峰处熔敷的焊材多，驼峰的波谷处熔敷的焊材少。在铝合金双脉冲MIG焊接过程中，焊接速度过快造成熔池过度拉长，与其他焊接工艺参数搭配不当，造成热能量输入不足，从而焊缝表面呈现出此类焊接缺陷。焊缝表面驼峰缺陷的出现客观表明焊接接头质量较差，降低了焊接结构件的可靠性与安全服役期。研究截取的4s焊接直流电流、电压局部特征放大信号分析得：在低频脉冲群阶段中，焊接电流信号呈现先密集后稀疏的现象；在高频脉冲群中，电流相对均匀密集分布的现象；因此在单个周期中，熔池在低脉冲群中形成且尺寸较大，但在高脉冲群中，熔滴过渡密度过大集中在一起形成了焊接驼峰缺陷。
参照图11，对焊缝4外观分析得：整段焊缝呈现均匀规则的鱼鳞纹，但鱼鳞纹之间的间距与焊缝2相比较大。对截取的4s焊接直流电流、电压局部特征放大信号分析得：在低频脉冲群阶段中，焊接缓慢开始起弧，随着自动送丝，电弧与熔池相衔接对，电弧的冲击作用促使熔池中粗晶破碎，达到晶粒细化的作用，低频脉冲群中的焊接频率增大进一步对熔池内部进行搅拌，细化焊缝晶粒，对应的焊接电弧电流信号呈现稀疏现象；在高频脉冲群阶段：在该过程中焊丝熔化且熔滴慢慢形成并过渡到熔池中，对应焊接电弧信号呈现周期性变换，但在熔池形成初期搅拌时间过长，因此鱼鳞纹之间的间距较大。
参照图12，对焊缝5外观分析得：整段焊缝呈现较为均匀规则的突起焊接缺陷-驼峰现象，焊缝表面沿着焊接方向表现为周期性交叉出现的驼峰波峰和驼峰波谷。铝合金双脉冲MIG焊焊接时，驼峰的波峰处熔敷的焊材多，驼峰的波谷处熔敷的焊材少。在铝合金双脉冲MIG焊接过程中，焊接速度过快造成熔池过度拉长，与其他焊接工艺参数搭配不当，造成热能量输入不足，从而焊缝表面呈现出此类焊接缺陷。焊缝表面驼峰缺陷的出现客观表明焊接接头质量较差，降低了焊接结构件的可靠性与安全服役期。研究截取的4s焊接直流电流、电压局部特征放大信号分析得：在低频脉冲群阶段中，焊接电流信号呈现先密集后稀疏的现象；在高频脉冲群中，电流相对均匀密集分布的现象；因此在单个周期中，熔池在低脉冲群中形成且尺寸较大，但在高脉冲群中，熔滴过渡密度过大集中在一起形成了焊接驼峰缺陷。且在16.4s左右的双脉冲MIG焊周期中，出现电流突然变大现象，即突然的焊接热输入变大现象，也映射了该焊接过程中存在焊接热输入过大的现象，故焊缝5相比焊缝3驼峰结构相比更加立体形象。
参照图13，对焊缝6外观分析得：整段焊缝呈现均匀规则的鱼鳞纹，但鱼鳞纹之间的间距与焊缝2、焊缝4相比较大。对截取的4s焊接直流电流、电压局部特征放大信号分析得：在低频脉冲群阶段中，焊接缓慢开始起弧，随着自动送丝，电弧与熔池相衔接对，电弧的冲击作用促使熔池中粗晶破碎，达到晶粒细化的作用，低频脉冲群中的焊接频率增大进一步对熔池内部进行搅拌，细化焊缝晶粒，对应的焊接直流电流信号呈现稀疏现象；在高频脉冲群阶段：在该过程中焊丝熔化且熔滴慢慢形成并过渡到熔池中，对应焊接直流信号呈现周期性变换，但在熔池形成初期搅拌时间短长，因此鱼鳞纹之间的间距更大。
综合研究分析图8～图13的焊缝外观成形及工艺参数搭配组合得，在铝合金双脉冲MIG焊焊接电流、焊接电压与占空比保持不变时，焊接速度相同的情况下，随着焊接频率的增大，铝合金双脉冲MIG焊焊缝表面呈现出鱼鳞纹愈加密集的现象；在焊接频率保持不变时，随着焊接速度的增大，焊缝表面成形从具有焊接缺陷到焊缝表面成形美观具有密集的鱼鳞纹，转折至焊缝表面出现明显的驼峰缺陷现象，客观呈现在一定范围合理搭配焊接速度时，可获得优质的密集美观的鱼鳞纹焊缝表面成形。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不同限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。并且，本发明各个实施方式之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种焊接直流逆变电源实验测试平台，其特征在于，包括：
自动焊接装置，所述自动焊接装置用于在工件上进行焊接，以及焊接轨迹的规划与控制；
直流逆变电源，所述直流逆变电源与所述自动焊接装置电连接，所述直流逆变电源用于焊接工艺参数的设定；
数据采集系统，所述数据采集系统分别与所述自动焊接装置、所述直流逆变电源电连接，所述数据采集系统包括依次电连接的传感器箱、采集箱、上位机；所述传感器箱用于采集焊接过程中产生的电信号；所述采集箱用于对所述传感器箱采集的电信号进行数据处理，并将处理后的电信号传输给所述上位机；所述上位机用于对处理后的电信号进行存储和显示。
2.根据权利要求1所述的焊接直流逆变电源实验测试平台，其特征在于，所述传感器箱包括电流传感器、电压传感器和箱体；所述电流传感器、所述电压传感器均置于所述箱体的内侧；
所述电流传感器内穿过与所述直流逆变电源连接的电线，用于感知所述电线内部的电流；
所述电压传感器的一端通过航空接头与所述直流逆变电源的输出端电连接，所述电压传感器的另一端与工件电连接。
3.根据权利要求2所述的焊接直流逆变电源实验测试平台，其特征在于，所述电流传感器、电压传感器均选用非接触式传感器。
4.根据权利要求2所述的焊接直流逆变电源实验测试平台，其特征在于，所述电压传感器选用电压隔离传感器。
5.根据权利要求2所述的焊接直流逆变电源实验测试平台，其特征在于，所述采集箱包括电流采样电路、电压采样电路、A/D转换器、ARM控制器、网络接口电路；
所述电流采样电路与所述电流传感器电连接，所述电压采样电路与所述电压传感器电连接，所述电流采样电路和所述电压采样电路均与所述A/D转换器电连接，所述A/D转换器用于将所述电流采样电路和所述电压采样电路的电信号转换成数字信号，所述A/D转换器、所述ARM控制器、所述网络接口电路、所述上位机依次电连接。
6.根据权利要求5所述的焊接直流逆变电源实验测试平台，其特征在于，所述采集箱还包括存储单元，所述存储单元与所述ARM控制器电连接，所述存储单元用于存储测试数据。
7.根据权利要求5所述的焊接直流逆变电源实验测试平台，其特征在于，所述网络接口电路包括以太网控制器和网络接口，所述太网控制器和所述网络接口电连接，所述以太网控制器用于对所述ARM控制器输出的数字信号进行处理，并打包输送给所述上位机，所述太网控制器采用TCP/IP协议。
8.根据权利要求7所述的焊接直流逆变电源实验测试平台，其特征在于，所述以太网控制器选用单片以太网控制器DM9000AEP。
9.根据权利要求8所述的焊接直流逆变电源实验测试平台，其特征在于，所述单片以太网控制器DM9000AEP使用双绞线连接进行通信。
10.根据权利要求1至9任一项所述的焊接直流逆变电源实验测试平台，其特征在于，所述自动焊接装置包括送丝机构、焊接机器人、机器人控制器和保护气供给机构，所述送丝机构、所述焊接机器人和所述保护气供给机构布设在所述工件旁，所述焊接机器人上设置焊枪，所述送丝机构用于向所述焊枪内输送焊丝，所述保护气供给机构用于向焊接部位输送保护气体，所述机器人控制器与所述焊接机器人电连接。
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