王艷清，宋永倫

（北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京100124）

弧焊過程監(jiān)測(cè)嵌入式分析系統(tǒng)

王艷清，宋永倫

（北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京100124）

以焊接過程中的焊接電流、電弧電壓為信號(hào)源，設(shè)計(jì)了基于STM32的多通道高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過以太網(wǎng)總線實(shí)現(xiàn)了局域網(wǎng)內(nèi)焊接過程信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸；設(shè)計(jì)了一套焊接過程信息數(shù)據(jù)分析軟件，用于研究焊接過程電信號(hào)表現(xiàn)形式與焊接質(zhì)量的關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)焊接質(zhì)量的定量評(píng)價(jià)，為當(dāng)前自動(dòng)化與機(jī)器人焊接的信息化提供了一種定量分析工具。

弧焊；數(shù)據(jù)采集；分析；嵌入式

0 前言

近年來，焊接自動(dòng)化和信息化在我國(guó)已成為一種主要的生產(chǎn)方式并得到越來越多的應(yīng)用，與此同時(shí)，有力的促進(jìn)了焊接在線監(jiān)測(cè)與定量分析技術(shù)的工程應(yīng)用。在弧焊生產(chǎn)中，焊接電流、電壓是兩個(gè)最基本的參數(shù)也是最直接、最方便獲取的信息源，一方面能反映焊接電源電能量輸出與控制的方式；另一方面表現(xiàn)為金屬過渡形式及焊縫成形的穩(wěn)定性[1-2]。此外，弧焊過程電弧能量在兩極的分配情況，焊接時(shí)各力場(chǎng)對(duì)熔滴、熔池的作用與效果等都可以從上述兩個(gè)特征信息中得到反映。

隨著數(shù)據(jù)采集技術(shù)、嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，給焊接自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展開辟了新的途徑[3]。目前焊接監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有兩種結(jié)構(gòu)形式，分別為基于PC和采集卡的焊接監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和嵌入式焊接監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其中，嵌入式系統(tǒng)具有低成本、高可靠性、可裁剪性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，在制造信息化領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

本研究針對(duì)上述需求，開發(fā)了基于STM32的嵌入式焊接過程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過以太網(wǎng)總線實(shí)現(xiàn)了局域網(wǎng)內(nèi)焊接過程信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并設(shè)計(jì)了一套焊接過程信息數(shù)據(jù)分析軟件，用于研究焊接過程電信號(hào)表現(xiàn)形式與焊接質(zhì)量的關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)焊接質(zhì)量的定量評(píng)價(jià)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

弧焊過程監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)由嵌入式數(shù)據(jù)采集器及上位機(jī)采集分析軟件兩部分組成。數(shù)據(jù)采集器通過同軸電纜與傳感器相連，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接電流和電弧電壓的采集。數(shù)據(jù)采集器具有兩種工作模式，分別為記錄儀模式和采集終端模式。在記錄儀模式下，數(shù)據(jù)采集器可以獨(dú)立的工作于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，在液晶屏幕上以波形的形式實(shí)時(shí)顯示焊接過程的電流及電壓，并將焊接數(shù)據(jù)以文件的形式保存在SD卡中。通過本設(shè)備的文件瀏覽器可對(duì)保存的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽查看。采集終端模式下，數(shù)據(jù)采集器受PC端的采集分析軟件控制，采集的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)總線發(fā)送到采集分析軟件。采集分析軟件可實(shí)時(shí)繪制電壓電流波形，并可分析采集的數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集器硬件結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集器硬件采用雙STM32的設(shè)計(jì)方案，STM32F103ZET6為主控芯片，STM32F103VET6作為協(xié)處理器芯片，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。主控芯片具有完整的FSMC總線接口，擴(kuò)展了512 K*16 B的SRAM作為人機(jī)界面的緩存空間；使用SDIO總線作為SD卡的通信接口，實(shí)現(xiàn)SD卡存儲(chǔ)功能；使用SPI總線擴(kuò)展了以太網(wǎng)硬件協(xié)議棧芯片W5500，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信功能。協(xié)處理器芯片通過FSMC總線擴(kuò)展了多通道同步采集ADC芯片AD7606，實(shí)現(xiàn)焊接過程的高速數(shù)據(jù)采集以及有效值、標(biāo)準(zhǔn)差實(shí)時(shí)計(jì)算。主控芯片與協(xié)處理器之間通過SPI總線傳輸采集的原始數(shù)據(jù)，通過UART串口傳輸控制命令。

2.2 數(shù)據(jù)采集功能

為了獲得較好的采集精度，數(shù)據(jù)采集器選用16位同步采樣DAS芯片AD7606作為系統(tǒng)的ADC。AD7606具有8個(gè)模擬量通道，每個(gè)通道的最高采樣頻率均可達(dá)200 kHz，可實(shí)現(xiàn)16位無失碼，在高噪聲電源條件下也能保持這一性能[4]。協(xié)處理器負(fù)責(zé)控制AD7606實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與采集，通過控制與AD7606的CONVERT相連的引腳脈沖頻率來控制ADC的采樣頻率。協(xié)處理器通過SPI總線將采集的原始數(shù)據(jù)發(fā)送給主控制芯片，實(shí)現(xiàn)芯片間的數(shù)據(jù)傳遞。

圖1 數(shù)據(jù)采集器硬件系統(tǒng)框圖

為了降低主控芯片的CPU占有率，保證SPI總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性，主控芯片采用DMA的方式接收來自于協(xié)處理器的數(shù)據(jù)。具體的配置方式如下：在主控芯片的SRAM中開辟32 kB的緩存數(shù)組，將SPI接口配置為DMA接收模式；將DMA的模式設(shè)置為循環(huán)模式，傳輸基地址設(shè)置為緩存數(shù)組的起始地址，數(shù)據(jù)總線寬度配置為單字節(jié)模式，緩存大小配置為32 768 B；最后開啟DMA的傳輸半中斷DMA_IT_HT、傳輸結(jié)束中斷DMA_IT_TC。如果SPI總線收到數(shù)據(jù)，DMA控制器即可自動(dòng)將數(shù)據(jù)依次存儲(chǔ)到緩存數(shù)組中。當(dāng)接收的數(shù)據(jù)數(shù)量達(dá)到16 kB時(shí)，即緩沖的前半段空間存儲(chǔ)滿，此時(shí)主控芯片會(huì)產(chǎn)生DMA_IT_HT中斷；當(dāng)接收的數(shù)據(jù)達(dá)到32 kB時(shí)，即緩存的后半段空間存滿，會(huì)產(chǎn)生DMA_IT_TC中斷，并且DMA會(huì)自動(dòng)的從緩存的第一個(gè)字節(jié)重新開始存儲(chǔ)，如此循環(huán)重復(fù)。主控制芯片只需在產(chǎn)生DMA中斷時(shí)，將緩存中的前半段或后半段數(shù)據(jù)及時(shí)處理即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理的并行執(zhí)行。

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能

數(shù)據(jù)采集器采用SD卡作為存儲(chǔ)設(shè)備，SD卡有SPI和SDIO兩種通信接口。SPI通信接口比較簡(jiǎn)單，總線速率最高18 MHz，是串行通信總線；而SDIO通信接口與SPI通信接口相比，總線是4位的并行總線，并且總線速率為24 MHz，通信速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于SPI總線。STM32F1xx系列單片機(jī)內(nèi)置了SDIO控制器與SPI接口兩種通信接口。數(shù)據(jù)采集器的存儲(chǔ)速度要求至少達(dá)到400 kB/s，SPI接口無法達(dá)到要求的存儲(chǔ)速度，而SDIO接口電路可以達(dá)到兆級(jí)別的寫入速度，所以存儲(chǔ)卡接口選用SDIO通信接口。

采集的數(shù)據(jù)以文件形式保存在SD卡中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)文件的管理，在主控芯片上移植了FatFs文件系統(tǒng)。利用文件系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)卡進(jìn)行管理，可以方便的實(shí)現(xiàn)文件、文件夾操作與磁盤管理。為了提高數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)速度，采集的原始數(shù)據(jù)以二進(jìn)制的形式寫入到SD卡的文件中。具體的存儲(chǔ)流程如圖2所示，當(dāng)數(shù)據(jù)采集器處于SD卡存儲(chǔ)模式時(shí)，DMA控制器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集。當(dāng)產(chǎn)生DMA_IT_HT中斷時(shí)，在中斷函數(shù)中將f_Buffer_A標(biāo)志位置1，在主函數(shù)中將bufferA緩存寫入到文件中；當(dāng)產(chǎn)生DMA_IT_TC中斷時(shí)，在中斷函數(shù)中將f_Buffer_B標(biāo)志位置1，在主函數(shù)中將bufferB緩存寫入到文件中。

圖2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)流程

2.4 網(wǎng)絡(luò)通信功能

數(shù)據(jù)采集器選用W5500硬件協(xié)議棧芯片實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信功能。由于采用了硬件協(xié)議棧芯片，在軟件中無需對(duì)TCP/IP協(xié)議的底層進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序編寫，并且Wiznet公司提供了W5500應(yīng)用庫(kù)，只需調(diào)用庫(kù)中的函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)W5500應(yīng)用庫(kù)的移植工作。網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議選用TCP通信協(xié)議，采用C/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，PC機(jī)軟件作為客戶端，數(shù)據(jù)采集器作為服務(wù)器端。數(shù)據(jù)采集器開機(jī)啟動(dòng)后即進(jìn)行等待連接狀態(tài)，當(dāng)建立連接以后，根據(jù)上位機(jī)軟件的指令執(zhí)行程序。

2.5 嵌入式人機(jī)界面

在主控制芯片上移植了EMWIN嵌入式GUI，采用基于窗口消息的模式設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集器的人機(jī)交互界面。波形顯示刷新頻率設(shè)定為1 Hz，每次刷新都從采集的數(shù)據(jù)中提取并顯示該時(shí)段的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

3 數(shù)據(jù)采集分析軟件

3.1 軟件的整體結(jié)構(gòu)

軟件的功能結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，主要包括網(wǎng)絡(luò)通信、波形瀏覽、數(shù)據(jù)處理三大功能模塊。網(wǎng)絡(luò)通信模塊用于遠(yuǎn)程配置數(shù)據(jù)采集器的采樣率、采集模式等，并可以實(shí)現(xiàn)焊接數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)傳輸。波形瀏覽模塊將二進(jìn)制數(shù)據(jù)以波形的方式提供給用戶查看，可顯示實(shí)時(shí)的焊接波形或用于歷史數(shù)據(jù)的查閱。數(shù)據(jù)處理分析模塊是軟件的核心部分，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為不同的形式供用戶分析，為用戶對(duì)焊接過程的評(píng)估提供數(shù)據(jù)支持。

圖3 軟件的結(jié)構(gòu)框圖

3.2 上位機(jī)的以太網(wǎng)通信

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通信協(xié)議選用TCP/IP協(xié)議，采用Client/Server模式，上位機(jī)PC軟件為客戶端，數(shù)據(jù)采集器為服務(wù)端。TCP/IP協(xié)議棧的傳輸層有兩種通信協(xié)議：TCP、UDP。為了保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，上位機(jī)軟件的數(shù)據(jù)采集采用TCP通信方式。軟件設(shè)計(jì)基于CAsyncSocket類設(shè)計(jì)，通過編寫該類對(duì)象的事件響應(yīng)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信。上位機(jī)軟件可以將從以太網(wǎng)SOCKET收到的數(shù)據(jù)保存到本地文件中，保存的格式與數(shù)據(jù)采集器保存的格式一致，同樣為short類型的二進(jìn)制文件，使用CFile類來實(shí)現(xiàn)文件的存儲(chǔ)。當(dāng)需要保存文件時(shí)，自動(dòng)在設(shè)定的文件夾下生成文件，文件的后綴為“.dat”，文件名為當(dāng)前的存儲(chǔ)時(shí)間。

3.3 數(shù)據(jù)讀取與波形繪制

焊接過程中由于采集時(shí)間較長(zhǎng)，采集文件較大，有時(shí)甚至可以達(dá)到1 G，但是計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)空間有限，不能夠?qū)⒋笪募x取到內(nèi)存中。為了節(jié)約軟件的內(nèi)存占用，提高軟件的執(zhí)行效率，本研究針對(duì)大文件采用動(dòng)態(tài)文件抽取的讀取方式。動(dòng)態(tài)讀取數(shù)據(jù)具體方法為：首次載入文件時(shí)，如果讀取的文件大小大于10 MB時(shí)，設(shè)置曲線的buffer容量為10 MB，從整個(gè)文件中等間隔抽取出10 MB的數(shù)據(jù)。當(dāng)進(jìn)行波形放大時(shí)，再動(dòng)態(tài)的從波形文件抽取新的10MB數(shù)據(jù)，直至放大的區(qū)間容量小于10MB時(shí)，此時(shí)讀取與區(qū)間數(shù)據(jù)容量一致的數(shù)據(jù)。當(dāng)進(jìn)行縮放時(shí)，抽取規(guī)則相同。如果區(qū)間容量大于10 MB，便進(jìn)行等間距抽取數(shù)據(jù)，如果區(qū)間容量小于10 MB，則全部載入內(nèi)存。

3.4 焊接過程數(shù)據(jù)處理與分析

提供時(shí)頻域分析、統(tǒng)計(jì)分析兩大功能。時(shí)頻域分析包括信號(hào)濾波、FFT。統(tǒng)計(jì)分析功能包括信號(hào)的有效值、標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)分析、概率密度圖、焊接過程熱輸入量計(jì)算、焊接過程U-I曲線。

4 功能驗(yàn)證及應(yīng)用效果

以高強(qiáng)鋁合金變極性脈沖TIG焊接過程的在線檢測(cè)為例，對(duì)本研究研發(fā)的嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行功能與效果的驗(yàn)證。其中，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)焊接過程的數(shù)據(jù)采用網(wǎng)絡(luò)傳輸。

4.1 時(shí)域分析

圖4為在常規(guī)變極性脈沖TIG焊的主電流EN時(shí)段耦合另一個(gè)頻率為20 kHz電流脈沖的波形，以及脈沖前、后的波形對(duì)比。

圖4 焊接過程波形

4.2 頻域分析

變極性耦合脈沖TIG焊工藝中是3種脈沖頻率的復(fù)合，分別是主電流變極性5 Hz脈沖，交流時(shí)段的80 Hz脈沖，以及主電流EN時(shí)段20 kHz的脈沖。對(duì)波形采用FFT分析，可方便檢測(cè)各頻率實(shí)際產(chǎn)生的幅頻特征，如圖5所示。

4.3 統(tǒng)計(jì)分析

圖5 多脈沖復(fù)合TIG電弧的頻譜圖

對(duì)復(fù)合脈沖電弧過程的電壓、電流數(shù)據(jù)進(jìn)行概率密度統(tǒng)計(jì)，如圖6所示，該統(tǒng)計(jì)分布表達(dá)了變極性電弧在EN、EP時(shí)段的能量分配特點(diǎn)，反映了多脈沖復(fù)合電弧的穩(wěn)定、協(xié)調(diào)的工作狀態(tài)。圖7為疊加20 kHz電流脈沖前后的焊接過程U-I分布，對(duì)比可見，疊加20kHz電流脈沖后電弧電壓波動(dòng)較小，電流幅值增加而電弧電壓低于疊加前，在電弧過零時(shí)段，電壓的相位均出現(xiàn)在“負(fù)”向，反映了復(fù)合型脈沖TIG電弧的動(dòng)態(tài)特征。

圖6 概率密度曲線

5 結(jié)論

針對(duì)弧焊過程設(shè)計(jì)了一套數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集終端和上位機(jī)分析軟件組成。數(shù)據(jù)采集終端基于雙STM32F103嵌入式微控制器設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、以太網(wǎng)通信、SD卡高速存儲(chǔ)和人機(jī)交互界面等功能。上位機(jī)軟件采用Visual Studio和Measurement Studio聯(lián)合編程，實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、焊接過程在線監(jiān)控和焊接數(shù)據(jù)分析。

在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了焊接實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)具有較高的采樣精度和穩(wěn)定性，SD卡存儲(chǔ)速度與網(wǎng)絡(luò)通信速度滿足雙通道100 kHz的實(shí)時(shí)采集要求。設(shè)計(jì)的上位機(jī)軟件具有豐富的分析功能，能為焊接過程評(píng)估提供數(shù)據(jù)支持。

圖7 疊加20 kHz電流脈沖前后的焊接過程U-I分布對(duì)比

[1]王寶，宋永倫.焊接電弧現(xiàn)象與焊接材料工藝性[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[2]陸婷婷，宋永倫，胡秋實(shí).弧焊過程信息監(jiān)測(cè)及工程化應(yīng)用[J].電焊機(jī)，2014，44（12）：1-5.

[3]許保磊.弧焊過程監(jiān)測(cè)及分析系統(tǒng)[D].吉林：吉林大學(xué)，2009.

[4]陶海軍，張一鳴，曾志輝.基于AD7606的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2013（12）：110-113.

The analysis and monitoring system based on embedded system for arc welding

WANG Yanqing，SONG Yonglun
（Department of Mechanical Engineering&Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

For quality control and online monitoring in arc welding，the welding current and arc voltage are chose as signal source and a multi-channel high precision data acquisition system is designed based on STM32.The real-time monitoring and data transmission of information in welding process in a LAN are realized by Ethernet bus.A set of welding process information data analysis software is also designed and used to study the relationship between the welding quality and electrical signal representation in welding process，and then the quantitative evaluation of welding quality is realized，and a quantitative analysis tool is provided for current automation and informatization of robot welding.

arc welding；data acquisition；analysis；embedded system

TG446

：A

1001-2303（2015）09-0010-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.09.03

2015-05-04

王艷清（1988—），男，山東曲阜人，在讀碩士，主要從事嵌入式系統(tǒng)研發(fā)、信息分析及網(wǎng)絡(luò)通訊的研究。