（材料加工工程专业论文）基于分形的铝合金点焊质量检测系统的研究.pdf

摘要 点焊质量检测技术是一种高效率、低成本的质量保障措施。然而，目前的检 测系统主要是使用单参数检测点焊质量，这种检测技术主要是根据点焊过程中检 测信息的某一特征量与质量参数之间建立一一对应的关系来间接的检测焊点质 量。但是由于电阻点焊质量影响因素多，因此以往单一或较少的焊接参数的检测 很难准确判断实际焊点的质量。 为了克服单参数检测技术的不足，充分利用点焊过程各种参数所提供的熔核 质量信息，本文开发了一种基于虚拟仪器的铝合金点焊质量检测系统。该系统采 用l a b v i e w 作为数据采集模块编程语言，利用四通道高速同步数据采集卡，实现 了铝合金点焊过程中电流、电压、电极位移和声音信号的同步采集。在数据分析 与处理上，首次使用非线性分析方法一分形理论来提取各特征信号的盒维数 值，并利用模糊控制方法对各特征值进行数据融合和质量判断。 实验证明，本检测系统能够高速准确采集铝合金点焊过程的多个特征信号， 并能有效反映焊接过程中焊点熔核的变化，对焊点质量做出准确判断，可以满足 点焊过程质量监测的要求。 关键词：点魁铝合金；l a b v i e w ；分形理论；模糊控制 a b s t r a c t m o n i t o r i n ga n dc o n t r o lt e c h n i q u ef o rr e s i s t a n c es p o tw e l d i n gq u a l i t yi sah i g h e f f i c i e n c y , l o wc o s tq u a l i t ya s s u r a n c 宅m c a s 哪e h o w e v e r , t h ep r e s e n tm o n i t o r i n g s y s t e mm a i n l yu s e ss i n g l ep a r a m e t e rm e t h o dt oi d e n t i f yt h es p o tw e l d i n gq u a l i t y , w h i c hi d e n t i f i e st h eq u a l i t ya c c o r d i n gt ot h eo n e b y - o n er e l a t i o no ft h ec h a r a c t e r i s t i c n u m b e ra n dt h eq u a l i t yp a r a m e t e ri na l u m i n u ma l l o ys p o tw e l d i n g n e v e r t h e l e s s ，t h e m e a s u r i n gm e t h o du s i n gs i n g l eo rl e s sw e l d i n gp a r a m e t e r si sd i f f i c u rt oi d e n t i f yt h e q u a l i t yo fa c t u a ln u g g e td u et ot h ep l e n t i f u l 妇c t o r sw h i c ha f f e c tt h es p o tw e l d i n g p r o c e s s i no r d e rt oo v e r c o m et h ef l a wo fs i n g l ep a r a m e t e rm e a s u r i n gm e t h o da n df u l l y u t i l i z et h en u g g e ti n f o r m a t i o ng a i n e df r o mv a r i o u sp a r a m e t e r si ns p o tw e l d i n gp r o c e s s ， p e n m a nd e v e l o p e dt h ea l u m i n u ma l l o ys p o tw e l d i n gm e a s u r i n gs y s t e mu s i n gv i r t u a l i n s t r u m e n t , w h i c hu s e sl a b v i e wa sp r o g r a m m i n gl a n g u a g eo fd a t aa c q u i r i n gm o d u l e ， a n du s e sf o u r - c h a n n e l h i g h s p e e ds y n c h r o n i z e d d a t a a c q u i s i t i o n c a r dt o s y n c h r o n o u s l ya c q u i r et h ec u r r e n t ，v o l t a g e ，e l e c t r o d ed i s p l a c ea n ds o u n ds i g n a l s d u r i n ga l u m i n u ma l l o ys p o tw e l d i n g t h e nu s en o n - l i n e a ra n a l y s i sm e t h o df o rt h ef i r s t t i m et oe x t r a c tt h eb o xd i m e n s i o nn u m b e ro ft h e s es i g n a l s ，a n du t i l i z ef u z z yc o n t r o l m e t h o dt of u s et h ed a t aa n di d e n t i f yt h en u g g e tq u a l i t y t h es y a e mi sa b l et oa c q u i r et h ec h a r a c t e r i s t i cs i g n a l s ，e f f e c t i v e l yr e f l e c tt h e c h a n g eo fw e l d i n gs p o tn u g g e td u r i n gt h ew e l d i n gp r o c e s s ，a c c u r a t e l yi d e n t i f yt h e n u g g e tq u a l i t y , a n ds a t i s f yt h er e a l t i m em e a s u r i n gi ns p o tw e l d i n gp r o c e s s k e yw o r d s ：s p o tw e l d i n g ；a l u m i n u ma l l o y ；l a b v i e w ；f r a c t a lt h e o r y ；f u z z yc o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤洼盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：菩_ 钐争 签字日期：“年，, e l ，莎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：更彰昏 签字日期：) 椰年月，6 日 导师签名： 签字日期：2 易年f , e l ，7 日 、牛 第一章绪论 第一章绪论 1 1 铝合金点焊质量监控的重要意义 近年来，随着世界汽车保有量与臼俱增以及人们对汽车安全性、舒适性、环 保性能要求的提高，节约资源、减少环境污染成为世界汽车工业界亟待解决的两 大问题。着眼于长远的可持续发展，减轻汽车质量、降低燃油消耗和减少排放污 染的任务就显得尤为迫切，节能成为汽车工业发展的核心问题，汽车轻量化成为 2 1 世纪汽车技术的前沿和热点。减轻汽车自重是节约能源和提高燃料经济性的 最基本途径之一，据统计，汽车每减重1 0 ，油耗可降低6 8 。车身质量占汽 车总质量的3 0 4 0 ，因此车身的轻量化对于整车的轻量化起着举足轻重的作 用。我国2 0 0 0 年轿车保有量约6 5 0 万辆，预计2 0 1 0 年将达到2 4 0 0 万辆，可见 汽车减重对节能、改善环境的意义十分巨大 要实现汽车的轻量化一方面可以通过改进汽车的结构设计来实现；另一方面 则需要在保证汽车使用性能的前提下，尽可能多的选用轻量化材料，如铝及铝合 金、镁及美合金、塑料等。镁及镁合金的价格和安全性限制了它的使用，聚合物 类的塑料再回收存在环境污染问题。铝及铝合金资源丰富，成本较低，且铝的比 重只有铁的三分之一强，质量轻，比强度高，成型性好，耐腐蚀，并且8 0 以上 的铝材可以回收再利用，从而使铝及铝合金在汽车工业中得到了最广泛的应用。 铝合金在汽车中的应用不仅带来明显的减重效益，并且能提高燃油效率、减少尾 气排放、改善汽车的动力性能等，可带来巨大的经济效益和社会效益。随着大断 面铝型材的生产和焊接技术的不断进步，铝合金在汽车中的应用也不断增加，预 计到2 0 1 0 年每辆汽车的用铝量将上升到1 5 8 k g ，比现在增加3 2 。目前，美国、 德国、日本是世界上铝合金应用最多的国家。 美国汽车制造商自1 9 9 3 年以来一直致力于发展一种中型轿车，1 u s g a l ( 3 7 8 5l ) 燃油能够跑8 0 m i l e ( 1 2 8k m ) 。他们借助美国政府的力量，发起了 下一代汽车合作计划( p a r t n e r s h i pf o rt h en e x tg e n e r a t i o nv e h i c l e ，即p n g v ) ， 铝在该计划中唱主角。1 。迄今为止，美国三大汽车公司利用p n g v 研究成果，开 发出了新型汽车，在新型汽车设计中大量采用铝。从引擎到阀门，从车门到结构， 无不有铝的身影。比如，福特公司采用空间框架技术用挤压铝材制造车身框架， 车身质量比传统车身几乎轻5 0 ，并且材料利用率非常高。其开发的“综合 第一章绪论 一2 0 l o 型汽车的铝焊接结构车身质量比钢焊接结构车身减轻了4 5 0 k g ( 4 6 ) 。 在不降低汽车使用性能的基础上，发动机功率由l l o k w 降到了5 9 k w ，而油耗仅 为4 7 l l o o 酬。通用汽车公司推出的p r e c e p t 型车配有铝制底盘、车身和前排 座框架，车体结构都采用铝制部件。日本本田公司生产的顶级跑车n s x ，车身和 部分底盘零件全部采用铝合金制作，车体重量比用钢材制造时减轻了1 4 0 k g ，整 辆轿车重量减轻了2 0 0k g ，燃料消耗率降低了1 3 e “j 。 目前，全铝车身还仅限于高档轿车和跑车，随着时间的推移，制造成本的不 断下降，将会有更多型号的轿车车身和零部件应用铝合金材料。据预测，随着汽 车技术的发展，到下世纪初，汽车的主要材料将由钢材转为铝材，轿车的平均重 量将会减轻3 5 m 。 汽车轻量化后，质量性能( 汽车质量与刚性及底面积之比) 均有不同程度的提 高。据o p e l 公司称，其铝制车身比钢结构车身质量性能提高2 3 ，扭曲刚性提 高7 4 ，抗弯性能提高6 2 9 6 。汽车减轻重量后车身重心降低，汽车行驶更加稳定、 舒适，对加速和弹性也有很大好处，同时可使转动和震动部件的噪音明显降低。 汽车轻量化后，质量轻，故碰撞时产生的能量小，降低了对汽车的损害。在受到 撞击时，由于铝合金的性能和车身构造可以充分吸收撞击时产生的能量，因而更 安全。另外，铝材寿命比钢材要长，从而延长了汽车使用寿命。同时，铝合金的 回收率很高，6 0 以上的汽车用铝合金材料为再生铝，回收生产1 t 铝合金要比重 新生产1 t 铝合金少耗能9 5 ，可节约大量能源。用于汽车工业中加工铝合金所 需的工装设备投资要比钢、铁少得多，同时汽车铝制车身框架以铝挤压型材为主， 焊点少，减少了加工工序，提高了装配效率，也减少了制造成本删。 电阻点焊，是焊件组合后，通过电极施加压力，利用电流通过接头的接触面 及邻近区域产生的电阻热进行焊接的方法，是薄板连接中最常用的方法之一，广 泛应用于航空、航天、原子能、电子技术、汽车制造及轻工业等部门。它具有原 理简单，对操作人员技能要求较低的优点；而且它无需填加焊接材料，生产效率 高，适用于自动化并易于与其他的制造工艺一起组成高速生产流水线，在工业生 产中得到了广泛的运用。与汽车生产中使用的其他金属连接方法如铆接、胶焊等 相比，电阻点焊不仅具有以上优点，而且焊出的焊点具有静强度高、可靠性好、 性能稳定等优点，因而目前它在汽车工业中得到了广泛的应用，而且必将在以后 2 第一章绪论 的汽车焊接生产中继续占据重要的地位“” 由此可见，铝合金的点焊成为轻型汽车大规模、自动化生产中的主要加工工 艺方法。但是由于铝合金材料性能的特殊性，使铝合金材料点焊存在着许多问题， 如由于铝合金良好的导电和导热性能，并且其表面易形成致密的氧化膜，使铝合 金点焊的质量对外界因素，如表面状况、散热条件等非常敏感，导致焊接质量很 不稳定。这也将严重影响实际生产，因此对铝合金电阻点焊电极寿命和质量控制 的研究无论在理论角度还是从实际生产角度都是很有意义的。 1 2 国内外点焊质量检测的新动态 由于铝合金物理、化学性质的特殊性，如熔点低、导电导热性好。它的电阻 因为表面氧化膜的存在而呈现出由一较大初始值开始迅速下降，随后趋于稳定的 变化规律。热膨胀系数较大而且塑性区较窄，使得在低碳钢点焊中广泛应用的一 些监控方法，如动态电阻等控制方法对铝合金不再适用，因此至今还未能找到满 意的质量监控方法。在国内，由于铝合金点焊并未大量使用，焊接界在铝合金的 电阻点焊方面所作的工作较少，对铝合金的质量控制系统的研究尚在起步阶段。 国外的专家学者对点焊的质量检测系统进行了大量的研究，如s h e a r e r 等人 研制了一个点焊检测系统，检测特征量为由电极位移引起的加压系统压力变化， 当特征量达到预先的规定值时，停止加热。s c h u m a c h c r 和d i l a y 研制成功了自适 应点焊控制系统，特征参数为电流、电压以及导出量动态电阻，通过动态电阻的 变化来调节电流的变化率。c e c i l 研制了用电极位移检测点焊质量的控制系统。 v a h a v i o l o s 通过检测声音信号中的应力波对点焊的质量进行了评价。b a n g 等人采 用热成像法对点焊过程的温度进行了实时检测。 上述检测系统主要是使用单参数检测点焊质量，这种检测技术主要是根据点 焊过程中检测信息的某一特征量与质量参数之间建立一一对应的关系来间接的 检测焊点质量。但是由于电阻点焊质量影响因素多，因此以往单一或较少的焊接 参数的检测很难判断实际焊点的质量。由于实际点焊过程的复杂性使这种检测模 型与实际对象间相差较大，只能在一定的条件下提供可靠的质量信息，因此这种 技术存在监测效果不够稳定、适用范围有限等问题，阻碍了其进一步推广和应用。 为了克服单参数检测技术的不足，充分利用点焊过程各种参数所提供的熔核 质量信息，国内外的一些学者提出了点焊质量检测技术进一步研究的方向应该是 3 第一章绪论 发展多参数综合检测技术。一些专家学者已在这方面进行了有意义的探索，如 s c a r p e l l i 等人研制了一个检测系统，它采用5 个特征量，即软化点，突变信号、 顶锻时间、焊接时间、输入的能量，当五个参量超出规定的区域，点焊质量即被 认为不合格，但他们对五个参数之间的关系以及参数与质量之间的关系未作深入 的研究。g e d e o n 等人对电压、电流、力和位移等参数进行研究后发现：电极位 移和动态电阻能较好的评价熔核质量。w a t e r s 等人研制成了电压、电流和位移三 个传感器组成的单片机控制系统，通过设定一些阙值来判断熔核质量。1 9 9 4 年， 德国学者b u r m e i s t e r 采用模糊分类理论和现有专家系统，建立了三个电参数( 焊 接电流、电极问电压、工件电阻) 和两个机械参数( 电极位移、电极加速度) 与 焊点质量( 熔核直径) 之间的非线性关系，实现了低碳钢点焊质量的在线等级评 定嘲。 英国焊接研究协会研制出了采用电极热膨胀率检测钢、铝合金的质量监控系 统，但未见到有关使用情况的报道r d b c e m e r 和t w t a l b o t 利用电极的位移 和工作电流以及两者之间的相关性，研制出了点焊非破坏质量分析仪对钛和铝合 金的质量进行了检测。1 9 9 6 年，英国学者m h a o 采用线性回归分析理论，分别 建立了一些过程参数( 焊接电流、电极间电压) 与铝合金焊点熔核直径和拉伸强 度之间的关系模型。该结果表明：多元回归模型的误差比最佳的一元回归模型的 误差大约下降3 0 9 6 。到目前为止，关于铝合金点焊质量控制技术仍处在研究阶段， 还未见到有关产业化的报道。国内学者对铝合金点焊也做了一些工作，如南昌航 空工业学院陈益平等人运用神经网络方法，构造了一种离散人工神经网络点焊质 量预测与评估模型。张忠典运用神经网络技术建立了点焊质量模糊综合评判模 型，研制了新型点焊质量多参数综合检测系统。 到目前为止，发展点焊质量监控技术的难点在于对点焊质量如熔核尺寸、强 度等参数无法直接测量，只能通过一些过程参数进行间接的推断，因此发展点焊 质量多参量综合检测技术是提高点焊质量检测精度的有效途径。综上所述，如何 充分利用检测信息，采用合理的建模手段，建立合理的监控模型，并使监控模型 能够在较宽的条件内提供准确、可靠的点焊质量信息，已成为发展铝合金点焊质 量监控技术的关键“”。 4 第一章绪论 1 3 本文的研究目的和主要研究内容 点焊质量一直是国内外焊接界学者致力研究的问题，目前尚未圆满的解决。 铝合金点焊是近年来随着汽车材料轻型化而提出来的新课题，由于铝的特殊性 质，其监控难度较一般钢材更困难。点焊生产中存在的质量问题是相对于检验标 准而言的，常用的点焊标准有：g b t 1 5 1 1 1 - 1 9 9 4 点焊接头剪切拉伸疲劳试验方 法、h b 5 2 7 6 - 8 4 铝合金电阻焊和缝焊质量检验、h b 5 2 8 2 - 8 4 s ，及 巩 是f 集的6 覆盖时，则有： 刖斜 s ， 即 附列1 附( 2 - 6 ) 对上式取下界，则得 日；仃) 墨6 - h ( f ) ( 2 7 ) 上式中，若日( ，) m ，则对t 砖情况，当6 0 时，日( f ) 一0 。反之，若t ( s 时，及 u ) 是，集的6 覆盖时则有： 附附5 “( 2 - 8 ) 对上式取下界，则得 h ( f ) 芑h 。( f ) o 5 4 ( 2 9 ) 根据上述分析，在某一特定占值处，h 5 ( f ) 由m 跳到0 ，该特定s 值称为临 界点。这一临界值叫做f 集的h a u s d o r f f 维数。可准确地表述为 d ( f ) 一i n f s ：日( f ) 一0 “ 二s u n s ：日( ，) 一 ( 2 - 1 0 ) 所以 叫蒜磊 如果s - d 。，则日( f ) 满足 0 h 但) ( m ( 2 1 2 ) h a u s d o r f f 维数满足下面的性质： ( 1 ) 若，o r 为开集，因f 包含一个具有正力维体积的球，所以如p ) 一撑。 ( 2 ) 若f 为r 。中的光滑( 即连续可微) 脚维流形( 即口维曲面) ，则“但) 一所。 第二章基于分形理论的点焊过程参数特征量提取 特别地，光滑曲线维数为1 ，光滑曲面维数为2 。 ( 3 ) 若e c 最，则商( 力 而) 一 利用l a b v i e w 编制的铝合金点焊特征信号盒维数计算程序前面板和程序框 图如图2 - 1 所示。该程序根据计算时间序列曲线盒维数的算法思想，可以精确地 计算出用一维数组表示的各个特征信号曲线的盒维数值侧。 图2 - - 1 铝合金点焊特征信号盒维数计算程序前面板 图2 2 铝合金点焊特征信号盒维数计算程序框图 在图2 一l 、图2 2 所示的程序框图中，先用读文件函数将保存在硬盘中的信 号数据读取出来，再用提取子数组函数提取出电流信号，然后根据本节介绍的“时 间曲线盒维数算法”用5 组尺度0 0 0 2 k ( 五= l ，2 ，3 ，4 ，5 ) 分别计算出曲线与网 第二章基于分形理论的点焊过程参数特征量提取 格线的相交数吩( f - 1 2 3 , 4 , 5 ) ，并算出，y a k - i z 3 , 4 , 5 ) 值，最后对气，n 进行 曲线拟合，求出盒维数值。 2 5 本章小结 i 分形理论与方法作为近年来兴起的一种解决非线性问题的前沿理论，有 着广泛的应用领域，本章系统地介绍了分形理论的原理、重要特性、分形维数的 计算以及时间序列曲线计盒维数的计算方法。 2 本文利用分形理论来研究铝合金点焊过程中熔核质量与电流、电压、电 极位移以及声音波形曲线的关系，提取特征量，利用l a b v i e w 软件编制了铝合金 点焊特征信号盒维数计算程序。 1 8 第三章铝合金点焊质量监测系统数据采集模块的设计 第三章铝合金点焊质量监测系统数据采集模块的设计 数据采集部分是整个监测系统的基础部分。它既涉及到硬件又涉及到软件， 硬件上组成较为简单，重点在于选取合适的传感器及数据采集方案，并采取各种 措施以减小干扰；软件上则要求实现相应采样参数的设置、采样时间的控制及数 据文件存盘等功能。 3 1 点焊质量检测方法 3 1 1 恒电流检测技术 监控原理：所谓恒电流检测是指在电阻焊过程中，维持焊接电流有效值为恒 定，以保证焊接区产生的热量基本不变，从而获得稳定的焊点熔核尺寸的一种质 量监控技术。根据焦耳定律，焊接电流所产生的热量 q - j ：f 2 。( t ) r ( t ) d t ( 3 1 ) 式中 l 一流过焊件的瞬时电流( 彳) ： 肛两电极间焊接区的总电阻( 口) ： t 一焊接电流通过的时间( s ) 如果在相同焊接条件下( t 也不变) ，则可近似地认为曰不变，那么p 只取决 于厶并有平方正比的关系。 3 1 2 电压检测技术 电压监测技术是在焊点形成过程中，选择电极问电压曲线上某些特征参数作 为监测对象，通过对这些参数的测量，实现焊点熔核尺寸的监测。在点焊过程中， 金属产生熔化和凝固的演变，焊接区的导电性和导电面积按一定规律变化，电极 间电压相应按一定规律变化。 3 1 3 电极位移检测技术 监测原理：在点焊过程中，金属因受热而产生体积膨胀，特别是金属变成液 态时，体积明显增大。熔化金属的四周有冷态的固体金属包围，限制液态金属的 膨胀。在电极轴线方向上，冷态金属很薄，于是液态金属只能朝这一方向膨胀， 尽管有电极压力，仍能产生电极位移。焊点金属熔化愈多，体积膨胀愈大，电极 第三章铝合金点焊质量监测系统数据采集模块的设计 也愈大。因此，电极位移量( 又称热膨胀量) 的大小是焊点金属熔化量多少的度 量。 电极位移曲线由金属受热膨胀而位移上升段和金属冷却收缩而位移下降段 所组成。 3 1 4 声发射检测技术 检测原理：声发射技术是新发展起来的一种用于材料研究、工程结构安全监 控和工艺过程质量控制等方面的新技术。声发射是固体材料在塑性交形、相变、 断裂和产生缺陷的过程中，快速释放能量而产生的一种应力波。在点焊过程中， 被焊金属除发生熔化、凝固、相交外，还会产生喷溅、裂纹等冶金缺陷。这些声 发射源会产生不同能量不同频率的声发射信号，当用电子仪器按时序记录下这些 信号，可鉴别焊点的质量。 在点焊过程中，形成焊点的声发射信号是幅值较小、相对稳定且前沿较陡的 脉冲。它为连续频谱，基频在1 0 0 2 0 0 k h z 范围内，裂纹和喷溅的声发射信号是 幅值很大的非连续突发脉冲，频谱为离散谱线，频率范围很宽，从2 0 k h z 到2 删z 。 在本系统中，为了准确地判断焊点熔核的质量，需要测量的焊接参数有：焊 接电流、焊接电压、电极位移以及声音，因此采用的传感器有：测量焊接电流的 感应线圈、测量电极位移的加速度传感器及配套的电荷放大器、测量声音的驻极 体传声器等。 3 2 数据采集模块的硬件构成 3 2 1 传感器的选择 由于在铝合金点焊中，焊接电压一般都较低，因此电压数据是通过直接测量 点焊机电极两端的电压而获得的。提取焊接电流信号的传感器采用罗柯夫斯基线 圈，提取信号时把它套在焊机的二次回路机臂上。声音信号是由m p 2 0 1 型驻极体 传声器进行采集，其开路灵敏度为4 3 7 m v p a ，频率响应特性为直特性到1 6 k h z ( 偏差在2 d b 以内) ，测量时将传声器固定在上下电极之间。在测电极位移时， 选用北京测振仪器厂的y d - 3 7 型加速度传感器及配套的带有双积分电路的d h f - 3 型电荷放大器对电极的位移进行测量。 2 0 第三章铝合金点焊质量监测系统数据采集模块的设计 3 2 2 数据采集卡的选择踟 在选择数据采集卡时，要考虑的几个重要因素是：模拟信号的通道数量、a d 转换芯片的转换速度以及分辨率在此检测系统中，需要同时测量焊接电流、焊 接电压、电极位移和声音等。为了捕捉到焊接过程中的高频信号，经多次实验确 定采样频率为i o k ，同时为了保证多路信号的同步，需用同步采集卡。综合以上 几方面的要求，我们选用了台湾凌华公司的d a 妒2 0 1 0 采集卡。 d a q - 2 0 1 0 是一款四通道的同步数据采集卡，其采样频率可达删s s ，分辨率 为1 4 位。输入单极性双极性可编程选择，放大倍率也可以编程选择( x l ，x 2 ， x 4 ，x 8 ) 。转换触发方式有软件触发、外部数字触发和外部模拟触发三种，并带 有8 k 的f i f o 。卡上提供有同步端口，只需简单的连接就可以保证多卡同步。该 采集卡的接口为3 2 位的p c i 接口，可直接插在计算机的扩展槽上进行数据采集。 铝合金点焊数据采集系统结构框图如图3 - 1 所示。点焊机使用d n 一8 0 型固 定式直流点焊机。 电压 i 点d a o p c 焊 监近三卜 2 0 1 0 数据 机 采集卡 叫丽一 - - - - _ - - - _ - - - - - - - - - 一 目桶衍秸广 传感器b 图3 一l 点焊数据采集系统 3 3 数据采集模块的软件结构 3 3 1 虚拟仪器睁卿 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密 切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是 将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日 益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌 入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作 第三章铝合金点焊质量监测系统数据采集模块的设计 系统为依托，实现各种仪器功能，虚拟仪器主要是指这种方式下面的框图反映 了常见的虚拟仪器方案。 图3 - 2 常见的虚拟仪器方案 虚拟仪器的主要特点有： ( 1 ) 尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件； ( 2 ) 可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更 强的仪器； ( 3 ) 用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。 虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪器的研究 中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。目前在这一领域内， 使用较为广泛的计算机语言是美国n i 公司的l a b v i e w 。 虚拟仪器的起源可以追朔到2 0 世纪7 0 年代，那时计算机测控系统在国防、 航天等领域已经有了相当的发展。p c 机出现以后，仪器级的计算机化成为可能， 甚至在m i c r o s o f t 公司的w i n d o w s 诞生之前，n i 公司已经在m a c i n t o s h 计算机 上推出了l a b v i e w 2 0 以前的版本。对虚拟仪器和l a b v i e w 长期、系统、有效的 研究开发使得该公司成为业界公认的权威。 虚拟仪器研究的另一个问题是各种标准仪器的互连及与计算机的连接。目前 使用较多的是i e e e4 8 8 或g p i b 协议。未来的仪器也应当是网络化的。 3 3 2l a b v l e w l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 是一 种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一 个标准的数据采集和仪器控制软件。l a b v i e w 集成了与满足g p i b 、v x i 、r s - 2 3 2 和r s - 4 8 5 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用 t c p i p 、a c t i v e x 等软件标准的库函数。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器， 其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。 第三章铝合金点焊质量监测系统数据采集模块的设计 图形化的程序语言，又称为“g ”语言。使用这种语言编程时，基本上不写 程序代码，取而代之的是流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所 熟悉的术语、图标和概念，因此l a b v i 聊是一个面向最终用户的工具。它可以增 强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的 便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高 工作效率。 利用l a b v i e w ，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的32 位编译 器。像许多重要的软件一样，l a b v i e w 提供了w i n d o w s 、u n i x 、l i n u x 、m a c i n t o s h 的多种版本。 1l a b v i 酬的运行机制 所有的l a b v i e w 应用程序，即虚拟仪器( v i ) ，它包括前面板( f r o n t p a n e l ) 、 流程图( b l o c kd i a g r a m ) 以及图标连结器( i c o n c o n n e c t o r ) 三部分。 ( 1 ) 前面板 图3 - 3 虚拟示波器v i 前面板 前面板是图形用户界面，也就是v i 的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输 入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制( c o n t r 0 1 ) 第三章铝合金点焊质量监测系统数据采集模块的设计 和显示对象( i n d i c a t o r ) 。图3 - 3 所示是一个虚拟示波器v i 的前面板，上面有 一个显示对象，以不同颜色的曲线显示了所产生的三个波形数据。另外还有两个 控制对象旋钮，分别调节粗调时基和细调时基。并且。还可以分别设置三组 曲线的幅值、频率和初相位。显然，并非简单地画几个控件就可以运行，在前面 板后还有一个与之配套的流程图。 ( 2 ) 流程图 流程图提供v i 的图形化源程序。在流程图中对v i 编程，以控制和操纵定义 在前面板上的输入和输出功能。流程图中包括前面板上的控件的连线端予，还有 一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。图3 - 4 是 与图3 - 3 对应的流程图。我们可以看到流程图中包括了前面板上的调节旋钮和波 形显示器的连线端子，还有一个波形发生器的函数及程序的循环结构。波形发生 器通过连线将产生的随机信号送到显示控件，为了使它持续工作下去，设置了一 个f o rl o o p 循环，由循环次数n 控制这一循环的结束。 图3 - 4 虚拟示波器v i 程序框图 如果将v i 与标准仪器相比较，那么前面板上的东西就是仪器面板上的东西， 而流程图上的东西相当于仪器箱内的东西。在许多情况下，使用v i 可以仿真标 准仪器，不仅在屏幕上出现一个惟妙惟肖的标准仪器面板，而且其功能也与标准 仪器相差无几。 ( 3 ) 图标连接器 第三章铝合金点焊质量监测系统数据采集模块的设计 v i 具有层次化和结构化的特征。一个v i 可以作为子程序，这里称为子v i ( s u b v i ) ，被其他v i 调用。图标与连接器在这里相当于图形化的参数。 3 3 3 点焊质量监测系统的软件构成 利用虚拟仪器编程软件l a b v i e w 编制点焊质量监测系统，使用“所见即所得” 的可视化技术建立图形化人机界面，提供了许多仪器面板中的控制对象，如按钮、 显示屏和参数调节控制等。用户可以通过根据实际需要调节各种采集参数。图 3 5 是整个软件系统的总体框图，可以看出，数据采集模块是整个系统的基础部 分。主要负责原始信息的收集，为后面的特征值提取及焊点质量的综合判断做准 备。文件系统记录每一个焊点所对应的数据文件、每个数据文件采集的信号的采 样率等等。数据处理模块所要解决的问题是对点焊焊接过程监测参数特征量的提 取、数据融合，以及根据映射值进行焊点质量的评估。 用户界面 王 王 王 数据采集模块文件系统数据处理模块 图3 - 5 监测系统的软件框图 铝合金点焊质量监测系统的数据采集部分的前面板及程序框图如图3 - 6 、图 3 7 所示。 第三章铝合金点焊质量监测系统数据采集模块的设计 图3 _ 6 铝合金点焊质量监测系统数据采集部分前面板 图3 7 铝合金点焊质量监测系统数据采集部分程序框图 数据采集流程如图3 - 8 所示。 第三章铝合金点焊质量监测系统数据采集模块的设计 图3 - 8 敷据采集流程图 在进行数据采集前，可以先对卡号、通道、采集卡电压范围及采样第等参数 进行设置，在按下开始按钮后，系统将按照设定好的参数开始采集点焊过程参数， 并将其保存到指定的文件中。在数据采集过程中，扫描滞后情况、已写入文件字 节数以及通道间延迟情况都可以在前面板上实时地显示出来。按下结束按钮后， 采集系统停止工作，并释放采集卡所占用的资源。之后，将由数据处理部分对采 集到的数据进行进一步的处理。 3 4 本章小结 1 l a b v i e w 是一种图形化的虚拟仪器编程语言( g 语言) 。与v i s u a lc + + 、 v i s u a lb a s i c 、l a bw i n d o w s c v i 等编程语言不同，l a b v i e w 用图标、连线和框 图代替传统的程序代码，并且l a b v i e w 所运用的设备图标与科学家、工程师们常 用的大部分图标基本一致，这使得编程过程和思维过程非常相似。 2 利用l a b v i e w 及高速同步数据采集卡编制铝合金点焊质量监测系统，可 第三章铝合金点焊质量监测系统数据采集模块的设计 以实现对焊接过程中的多个特征信号进行同步采集和实时显示，并将各波形数据 保存到文件中，以供后续分析处理使用。 第四章基于模糊控制的点焊质量判定系统的设计 第四章基于模糊控制的点焊质量判定系统的设计 模糊自动控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种 计算机数字控制，从线性和非线性控制的角度分类，模糊控制是一种非线性控制， 同时，模糊控制也属于智能控制的范畴，而且它已经成为目前智能控制的一种重 要和有效的形式。尤其是目前模糊控制和神经网络，遗传算法及混沌理论等新学 科的相融合，正在显示出其巨大