基于LabVIEW的GMAW短路过渡电信号周期参数提取

黄宁，冯占荣，熊光劲，方平

(南昌航空大学,南昌 330063)

0 前言

弧焊焊接是在工业生产中非常常见的连接工艺，广泛应用于航空航天、汽车、船舶等的制造领域，弧焊加工过程中伴随着一系列的声、光、热、电等的信号，通过这些信号，使用一定的分析方法，能有效的检测加工质量。

其中电信号的采集分析尤为普遍，在分析方法上电信号统计分析、概率密度分布、相关性、U-I图、小波变换等方法[1-4]常被使用。此外，在时域的分析里，汉诺威分析仪无疑是最具代表性的，在短路过渡分析中，汉诺威分析仪提供PDD(电压电流概率密度分布)及CFD(短路时间、燃弧时间、加权燃弧时间、短路周期时间频次分布)。对此很多学者使用汉诺威分析仪直接作为分析工具或者二次开发，孟庆润等人[5]通过提取汉诺威各参数，开发焊接材料工艺质量评价系统，李慧敏等人[6-7]通过汉诺威分析仪提取PDD,CFD，探究CO2气体保护焊电弧稳定性评价指标。

LabVIEW在弧焊数据采集的应用越来越广泛，在对于弧焊短路时间周期的分析方面，也有一些学者做过研究，杨玲等人[8-10]设置阈值电压Un，逐点检测，计算出燃弧时间、短路时间及短路周期;黄勇[11]根据电压概率密度的分布特性，统计电压曲线与特征电压均值线Umean的交点，并统计出短路时间、燃弧时间及短路周期。

短路过渡存在正常短路与瞬时短路两种形式，以上短路判定的方法中，均涉及到阈值的设置，其测原理是判断电压信号曲线是否在阈值线下，通过对整个的电信号数组进行搜索，记录向上及向下穿过阈值的点，记录其在电信号数组中的位置，以此计算短路过渡的短路时间、燃弧时间、短路周期等参数数组，并以短路时间大于某个值来确定是否是瞬时短路。对于理想型的信号，此方法没有太大的问题，对于干扰比较大的信号，仅仅参考曲线是否穿过阈值线，容易将干扰信号计入，且逐点检测，编程较为繁琐，对于信号量大的数据，运行时间长。应对于这一缺陷，文中采用LabVIEW的脉冲测量功能，配合电信号PDD曲线，测量短路过渡的短路时间及短路周期，以瞬时短路对应的电流值并不大为瞬时短路的判断依据，统计并输出短路时间和短路周期图的时间变化图、频次图及变异系数，并以JKI状态机为架构，设计良好的人机交互界面。

1 短路过渡与脉冲测量

1.1 短路过渡电信号形式

弧焊焊机采取短路过渡的形式焊接时，熔滴在焊丝端部不断长大，过渡到熔池时，发生短路，短弧焊电信号存在燃弧时间和短路时间，电压表现为:燃弧时较高的电压，短路瞬间的电压下降，短路后快速的上升;电流表现为:燃弧时较低的电流，短路时电流较快的上升，短路后电流较缓的下降，如图1所示。图1b中A处称为A型短路，实际的情况中，也存在瞬时短路的现象，即熔滴短暂的与熔池接触，但是没有发生熔滴过渡，电压表现为短时间急剧的下降，电流表现为微微的上升，并不会像短路过渡时电流那样上升幅度大，图1b中B处所示，称为B型短路。短路过渡的这一电信号特征，与脉冲信号的形式相同，LabVIEW在测量脉冲信号上具备很强的优势。

图1 短路过渡中电信号的A，B型短路

1.2 LabVIEW脉冲测量函数

如图2所示，LabVIEW脉冲测量函数可以按照配置，对输入的一段波形进行检测，输出所需的参数，其vi输入输出参数如图2a所示。

在对电信号进行检测时，需要注意的输入参数有参考电平、极性和脉冲号。

参考电平，指定如何计算波形的高参考电平(Rh)、中间参考电平(Rm)和低参考电平(Rl)，如图2b所示。其中高、低参考电平与中间参考电平的距离必须相等，否则将强制把距离大的一方转换为距离短的数值。

图2 LabVIEW脉冲测量输入输出参数及示意图

极性，包括高脉冲与低脉冲，对电信号进行检测时，使用的低脉冲，低脉冲是起始于下降波形与中间参考电平的交点，结束于上升波形于中间参考电平的交点，也就是一个短路的信号。

使用时，脉冲测量vi可以对整个的波形进行检测，根据脉冲号，输出所选脉冲的测量信息，测量信息包括脉冲持续时间和脉冲中心。脉冲持续时间，指定的脉冲最早两次与中间参考电平相交的时间之差，脉冲持续期也称为脉冲宽度,记为T1(n)，即短路时间；脉冲中心为短路波形的中点，数值为中点在波形中的相对位置，配合T1(n),计算出短路结束时间，记为Pd(n)，通过脉冲结束时间，间接的计算出脉冲周期，也就是短路周期。

相对完善的物业服务法规体系是防范物业服务纠纷的重要保障，鄂州市行业主管部门要尽快制定《物业管理招投标办法》，通过招投标使物管企业树立“竞争主体”意识，以优质服务、高水平的管理和良好的企业信誉去获得市场份额。鄂州作为离武汉最近的中等城市，房地产市场发展前景看好，具备吸引外地高资质物业公司进驻的条件。鄂州市在招商时，应把物业管理项目纳入招商项目库，积极向外界推荐鄂州的优惠政策，吸引外地高资质物业公司进驻鄂州。要制定新建项目物业服务用房配置有关规定，明确物业服务用房配置的比例和最小建筑面积，使物业服务用房的配置有规可依等。

脉冲测量相比于阈值方法的测量，多引入了高低参考电平，一次短路的识别不仅仅依照是否穿过阈值线，同时还需要穿过低参考电平，方能判定为一次有效的短路，大大减少了噪音信号的干扰。

2 LabVIEW短路测量程序设计

测量子程序基于脉冲测量的函数，根据所选择的配置参数，在输入电压电流信号后，根据短路信号以及瞬时短路信号的特征，设置一套算法，结果输出为短路时间T1(n)短路周期Tc(n)的变化图，以及相应的频次图和变异系数,其脉冲测量流程图如图3所示。

LabVIEW程序框图如图4所示，程序的基本流程为，初始化参数、电压短路测量、瞬时短路判断、短路时间及短路周期统计、测量参数的输出，在这5步中，判断是否为瞬时短路，采用的是一个子程序，子程序程序框图如图5所示，根据子程序判断出的结果，判断为短路则在分支结构中将参数记录在数组中，不是则忽略。

瞬时短路的判断，是以测量的脉冲结束点为中心，短路时间为半径，在以此对应的电流波形上截取相应数组，检索这段数组的最大值，如果这个最大值小于阈值Iy，则判定为瞬时短路，反之为正常短路，判定机制如图6所示，其中虚线框的范围为电流截取检测的范围。

考虑到对电信号的测量，只需根据输入的参数，得到相应结果，为了使得程序结构简便，将以上的测量函数制作成子vi，整体的短路过渡参数测量函数输入输出参数如图7所示，此子程序虽然是在一个While循环里，但是测量结束就会停止，是一个纯粹的单线程函数。

图3 短弧焊电信号脉冲测量流程图

图4 测量函数程序板

图5 短路判断子程序

图6 瞬时短路判断示意图

图7 短路过渡函数输入输出参数

3 JKI状态机人机交互的程序及界面设计

JKI状态机作为一种操作简便、功能强大的编程架构，被广泛使用于LabVIEW的大中小型程序中。在使用JKI状态机的时候，需要了解的3个要素核心有：事件、数据、状态。为了获得良好的人机交互性，还需要合适的用户界面(UI)设计，在LabVIEW中，界面设计有3个要素，不轻易创新、少既是多、多考虑用户。

3.1 程序功能分析

以NI产品为采集硬件，以LabVIEW为采集软件的方式，大多使用TDMS为数据文件的保存格式，因此使用一个文件选择控件选择数据，加上导入按钮，完成数据的导入与显示；在导入完参数后，需要为测量设置测量参数，这里拟采用电信号辅助PDD的方式选择合适的测量参数；最后需要输出各个结果，这里使用一个计算各参数按钮完成。

在程序功能上:①选择所测量的信号；②选择合适的参考电平和阈值电流；③得到短路时间和短路周期的时间变化图、频次图、变异系数。

3.2 电信号PDD辅助

对于短路过渡信息测量的子vi，输入参数的正确选择尤为重要，这直接影响输出结果，参考电平和阈值电流的选择并不随意，使用U-PDD和I-PDD辅助选择参数，如图8所示，U-PDD处，蓝色游标表示中间参考电平Rm，黄色游标与蓝色游标值之差为高、低参考电平(Rh，Rl)与中间参考电平的间距；I-PDD处，橙色游标值为阈值电流Iy，U-PDD中，大驼峰与小驼峰之间存在一段较为平缓的区域，Rm应选择在这一区域的中心，黄色游标为靠近小驼峰的位置，I-PDD中，Iy选择在下方驼峰与平缓交接处；I-PDD图的位置中游标移动，电流波形图中的游标也会移动，并保持相同的位置，U-PDD中游标移动，波形图中则会显示参考电平的3个游标，这种方法虽然简单，但便于使用者理解。

图8 PDD辅助与电信号波形预览

3.3 各功能的实现

对于如何实现上述功能，文中从事件、数据、状态3个方面描述，事件包括导入按钮、计算按钮值改变和2个PDD图中的游标移动，在事件结构中只做状态跳转，不做数据处理，“导入按钮”值改变触发“短路统计：辅助PDD”状态，“计算按钮”值改变触发“短路统计：参数输出”状态，游标移动触发“短路统计：更新状态”。

数据包括参考电平、阈值电流、电压电流数据，其在JKI状态机的“Data: Initialize”分支中完成初始化，其中参考电平是一个包含3个数值的簇类型，阈值电流为数值类型，电压电流为数值的数组类型，所有的参数均初始化为0。

状态包括辅助PDD、游标更新、参数输出这3个状态，辅助PDD的功能，1是将测量文件中的数据计入状态机中的电压电流数据缓存，2显示各自的概率密度图和波形图；更新游标的功能，1是将游标对应值计入状态机中的参考电平和阈值电流，2是将当前的测量参数显示到数值控件上，3是更新电压电流波形中对应的游标，达到视觉上同步移动的效果；参数输出的功能是，输出短路时间和短路周期的时间变化图、频次图、变异系数，将其显示在界面相应的控件上。

在界面设计上，采取简洁的设计方法，界面的左边包含状态及参数栏，具有文件选择控件，导入并生成辅助PDD按钮；在拖动游标时，参数配置栏显示4个测量参数，随着游标移动，参数实时跟新，以帮助用户了解具体的参数值；在下面存在有关参数输出的量，首先是选择采样参数所选择的采样率，填写P-N，T-N选择短路周期、短路时间的输出频数分布量，值越大输入的频数间隔越小，然后点击计算各参数按钮，即可得到想要的结果，包括时间变化图、频次图及变异系数；辅助PDD与参数输出图使用一个选项卡控件完成，其外观及试验参数如图9所示。

图9 测量主界面及试验的参数输出

4 结论

按照测量程序的顺序，第一步选择测量的文件，点击导入并生成辅助PDD按钮，辅助PDD界面将显示波形及其PDD图，其次移动游标选择合适的参数，参数将实时的以数值的方式显示在用户界面的左侧配置参数栏，然后选择采样率，频次图的分布数量，点击计算各参数按钮，选项卡短路输出栏将显示所需的图形参数，并且左侧也会显示变异系数的百分数值，此操作十分的简单易懂。

文中选择了一部分弧焊短路过渡电参数，试验表明，此程序可准确识别出瞬时短路，测量出正确的短路周期和短路时间时间变化图、频数图、变异系数，其界面布局非常清晰易于操作，而且文中给出了在JKI状态机下的使用范例，此范例不仅作为调试使用，亦可添加到个人使用JKI状态机的程序中，而无需破坏个人程序原有的结构。