基于Labview的搅拌摩擦焊焊接力监测系统开发

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搅拌摩擦焊(Friction Stiring Welding，FSW)是英国焊接研究所在20世纪90年代提出的-种新型的固相焊接方法。与传统的焊接方法相比，该技术具有优质、高效、低耗、焊接变形型无污染等特点，已成功应用于船舶制造业、航天制造工业和轨道交通行业等领域。

在搅拌摩擦焊接过程中，焊机的搅拌头和工件之间的相互作用力主要表现为顶锻力(或下压力)、前进抗力和侧向力，能够精确地测得焊接过程中力的大小及变化，对优化焊接工艺参数、提高焊接质量和改进焊接设备均有重要的作用。目前对于大型薄壁件焊接过程的监控都是基于经验。本文以 Pc机、数据采集卡为硬件支撑平台 J，以开发的搅拌摩擦焊感应平台为硬件基础，基于Labview工具环境 J，开发了搅拌摩擦焊焊接力监测软件系统，以测量出焊接过程中搅拌主轴所受到的焊接力，解决了搅拌摩擦焊设备和工艺参数优化无设计依据的难题，使目前大型薄壁件焊接过程监测 由部分定向、部分经验转化为数字定量化，节省了人力、物力，降低了制造成本，使搅拌摩擦焊的效益进-步提高。

上海市科技攻关项 目(10dzl 121 100)；中央高校基本科研业务费专项资金项目(B602)113董英信 ，等：基于 Labview的搅拌摩擦焊焊接力监测系统开发 2013年第 7期经过屏蔽电缆传人信号调理单元，进行包括阻抗匹配、限幅、调零、隔离、模拟信号滤波和放大等的信号调理，然后传人NI数据采集卡。NI数据采集卡选择某公司的PCI-6013系列。该数据卡提供16个模拟量输入通道，构成 l6路单端输入或 8对差分双端输入，有 4个量程挡可供选择，由模拟多路开关选通电路控制，可通过程序方便地进行各个通道数据的采集，最高采样频率为200kHz。当传感器采集的信号模拟量经过数据采集卡时，模拟量被转换成数字量，模拟信号 (t)经过脉冲序列采样后，成为离散的时间信号(n)，再被量化得到所需要的离散化数字信号。PCI。

DAQ系统是以数据采集、信号调理电路以及计算机为仪器的硬件平台所组成的插卡式虚拟仪器系统。该套装置为信号感应、处理、传输、接收和显示提供了硬件基矗2 信号处理与标定2.1 基频信号的提取信号感应平台输出信号比较微弱，利用调理装置对电信号进行放大、补偿，之后再进行传输。同时，考虑到机床伺服电动机等干扰因素的影响，传输到软件系统中的信号成分比较复杂，其中包括低频、高频和基频。通过开展激振法实验，观察采集到的信号频谱图变化曲线，在复杂的信号中提取出基频信号〖虑到焊接时主轴转速比较平稳、工作台相应频率在低频段等特点，采用拓扑结构为巴特沃兹的低通无限长冲击波滤波器 。

结合信号感应单元的结构，通过分析信号频率幅值图，在实际应用中确定并选择了三阶巴特沃兹滤波器拓扑结构，信号处理前后比较如图 5所示。通过滤波使干扰信号得到消除，使信号更加平滑稳定。

2.2 信号的标定2.2.1 静态标定通过静态标定获得静标 曲线，求得传感器灵敏度、线性误差和重复性误差，以及向间干扰等静态性能参数。静态标定在特制的三向加载器中进行。信号的提取在整个系统中起着至关重要的作用。传感器将监测到的电压信号转化为数字信号输入到软件系统中。每个传感器的灵敏度可能存在偏差，为了使多个传感器测量同-个物理量能得到相同的输出电压，就需要对采集到的电压进行归-化处理，即通过电路调节，使示值与实际载荷值间的有效数字位达到- 致。静态标定首先对顶锻力、前进抗力和侧向力三> 幽》 出锄 珥 上 J I l 山 j 矗 I，' n J-l n 1 n rI n II 1 l I 1 I l I 1 r 1 I L f 1 I j l l l l I l l I l Jf . I f 1 I l， IJ J-J I- -J l J I I J -I. LJ II I- IJ lJ I J r- - 1r ” 1 - I Ir Ⅳ 1 'O 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0时间/8a)信号处理前A n n f、 ，、 ，、 ，1 f. f j 1 J 1 J f。

f U U U . Ij， lJ0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0时间/sb)信号处理后图5 信号处理前后比较个方向焊接力电压信号各自归-化确定灵敏度，根据这-归-化灵敏度各 自等量程加载，这样就得到三向力线性标定曲线和线性误差大校图6所示为顶锻力的线性误差图，由图6所示可以得出顶锻力的最大偏差为10N，线性误差(最大偏差/满量程)<4-0.2%，然后用同样的方法对其他两个力进行相同处理，得到各自的线性误差，同时经过多次实验得出其重复性误差(最大重复性误差/满量程)及向间干扰(三个方向焊接力之间的相互干扰)等多项性能指标，如表 1所示。

础唧豸棵图 6 顶锻力线性误差图表 1 系统各项性能指标115