弧焊电源实验体系的构思诌议

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由于LabVIEW程序具有完全模块化特点,可以随时添加/删除功能模块,不影响其他模块的功能,便于系统维护和更新[7-8],数据采集模块主要完成焊接电流与电压信号采集与波形实时显示,同时实现原始数据保存。数据以LabVIEW最新的TDMS文件格式进行保存,具有保存、读取速度快,便于把测试相关信息随同数据文件进行保存等优点。数据回放模块既可提供丰富的数据回放操作功能,以方便使用者从很长的波形中选择自己需要重点分析的波形段,又要能实现使用者对感兴趣的数据段重新保存。动特性分析模块是本系统的核心部分,主要功能有:①绘制能反映弧焊电源动特性丰富信息的评价图形,包括焊接电流与电压概率密度分布图,短路时间、燃弧时间等主要评价指标的频数图,U-I(焊接电压-焊接电流)图;②自动提取弧焊电源动特性评价指标,短路频率、平均短路时间、短路时间标准差等20余个评价指标。在该模块中,动特性评价指标提取涉及到比较复杂的算法,用LabVIEW图形化编程实现起来很复杂。

实践表明,当LabVIEW图形化编程遇到限制时,可以采用以LabVIEW为主,LabVIEW和C语言混合编程的方法来解决[9-12]。本文通过LabVIEW中的CLF(CallLibraryFunctionNode)节点调用动态链接库(DLL文件)来进行LabVIEW和C语言混合编程,进而顺利实现评价指标提取功能。其方法是,首先用C语言实现评价指标的提取算法,然后把这些功能构建在DLL文件中,再在LabVIEW程序中使用CLF节点调用编写保存好的DLL文件,实现动特性评价指标的提取功能。该方法灵活、功能强大,但使用起来有一定的难度,单参考目前的LabVIEW教材,自己需摸索的时间长,这里以“各异常短路时间”提取功能为例进行详细说明。LabVIEW通过CLF节点创建和调用DLL文件需要完成下面4个任务:(1)在LabVIEW中构造DLL函数原型。通过配置CLF节点、定义函数以及其输入输出参数的名字和数据类型,可构造出DLL函数原型。

本例构造的函数原型为:voidASCT(double*input,longinput_length,long*output);返回到CLF节点图标,右键选中“创建.c文件…”保存为“ASCT.c”(2)完成“ASCT.c”编程。具体代码如下:(代码略)(3)在外部集成开发环境(IDE)中完成DLL文件的创建。采用MicrosoftVisualC++6.0进行DLL文件的创建。点击FileNew,然后在对话框中选择“Win32DynamicLinkLibrary”,ProjectName取为ASCT;确认后选择“AnemptyDLLproject”。然后执行ProjectAddtoProjectFiles并将“ASCT.c”程序导入。接下来设置ProjectSettings的C/C++选项,最后执行BuildBuildASCT.dll。至此,完成了可供LabVIEW等其他程序调用的ASCT.dll文件的创建。这一步需要注意的是,在导入ASCT.c之前需首先在其函数体及其声明前面增加关键字“_declspec(dllexport)”,这样才能从动态链接库文件中导出功能函数供LabVIEW使用,如下:_declspec(dllexport)voidASCT(doubleinput[],longinput_length,longoutput[]);_declspec(dllexport)voidASCT(doubleinput[],longinput_length,longoutput[])(4)在CLF节点里导入ASCT.dll,并连通输入输出参数。这样CLF就是一个具有能够自动计算“各异常短路时间”的功能节点了。

系统应用

利用本实验系统对福尼斯TPS4000数字化焊机进行了动特性测试。焊接方法为实心焊丝CO2气体保护焊,熔滴过渡形式为对焊接电源动特性要求很高的短路过渡[13-15]。为方便学生实验操作,动特性分析模块功能全部在一个选项卡控件上实现,所获取的数据为熔滴短路过渡形式下和短路时间相关的评价指标,有短路频率、平均短路持续时间、短路峰值电流、短路电流上升率等9个评价指标,这9个指标最能体现弧焊电源动特性的优劣。一般来说,短路频率越高,则动特性越好,而短路峰值电流和短路电流上升率则要限制在某一个区间比较好,过高会引起金属熔滴爆断,使焊接过程不稳定,飞溅很大;过低则熔滴不能顺利过渡,导致熄弧。动特性属于弧焊电源课程难以理解的概念,系统把焊接电压和电流波形同时在该界面显示,并且在一张波形图内显示,这样便于学生对照波形图直观地理解各评价指标所代表的含义,也便于教师对各评价指标讲解。电流与电压波形上面为各短路时间的分布图,短路时间越集中,则说明动特性越好。为原始数据经统计分析得到的焊接电压-电流(U-I)图(a)及焊接电压概率密度分布图(b)。根据U-I图工作点在各个区域的移动轨迹、重燃弧的电压大小等特征可以反映电源动特性的优劣。该图U-I曲线图中动态工作点移动轨迹的重复性不太好,重燃弧区内(图中a区)工作点移动轨迹不太集中,表明焊接过程不太稳定,存在一些瞬时短路,飞溅较多,焊缝成形不太美观,根据实际经验可以将此状态下弧焊电源的动特性归入等级B(一共为A、B、C、D4个等级,A等级最佳)[16]。焊接电压概率密度分布图是研究弧焊电源动特性的重要评价图形,该曲线图可以反映电源动特性的很多信息,可以根据该图形特征分为重燃弧电压特征信息区、小焊接电流特征信息区、短路峰值电流过大特征信息区、瞬时短路频率特征信息区和正常短路特征信息区5个信息区对电源动特性进行分析[11]。例如,图4(b)所示区域为重燃弧电压特征信息区,该区分布的概率小,但存在65V左右的高重燃弧电压,说明焊接过程偶尔会有大的飞溅产生,电源动特性应在等级B左右。由上可见,利用该系统,学生不但可以获得丰富的动特性评价指标和动特性评价图形,而且使用起来相当方便,用该系统开设弧焊电源动特性测试与分析实验是很适合的。

实验设计

在进行该实验设计时,需注意以下几点:①该实验多个环节需动手操作,每组学生不宜超过5个;②动特性是弧焊电源课程中一个难以理解的知识点,实验指导教师应在实验前以弧焊电源的结构原理为基础,结合由本系统获得的焊接电流电压波形图讲清楚动特性的概念、动特性主要评价指标的含义和动特性对焊接过程的影响;③实验对象应选择2台或2台以上差别较大的焊机,如硅整流CO2气体保护焊机和全数字化逆变焊机,这样明显能由实验结果看出动特性的差异,并且能明显地感知电源动特性对焊接过程稳定性和焊缝成形质量的影响;④在介绍系统的硬件组成后,要求学生动手将系统连接好,这样能增加学生对现代测试仪器的认识;⑤实验时,要求学生认真记录焊接时所发生现象,如电弧稳定性、飞溅(火花)大小、声音特点以及焊缝成形的好坏、焊缝两侧飞溅量的多少等等,这些现象和电源动特性有着直接的关系,有利于加强学生对动特性优劣重要性的感性认识;⑥要求学生对实验数据详细分析,最好能要求学生结合焊机结构原理进行分析,这样可加深学生对动特性概念、弧焊电源设计要求等重要内容的理解。5结论(1)弧焊

电源动特性测试实验系统采用闭环(补偿)式霍尔传感器和USB-6210数据采集卡作为主要硬件,具有抗干扰能力强和便于移动、使用方便等优点;(2)系统通过LabVIEW中的CLF节点调用DLL文件的方法实现了动特性中复杂评价指标提取的功能;(3)系统一方面能全面提取绘制反映弧焊电源动特性的评价指标和评价图形,另一方面,在系统操作界面设计时重点考虑实验教学的需要,有利于学生对动特性评价指标的快速理解和实验数据分析:(4)结合所提出的实验设计建议,使用该系统作为主要实验设备完全适合焊接专业(方向)开设弧焊电源动特性测试与分析实验。