專利名稱：基于以太網(wǎng)的焊接過程信息采集與質(zhì)量監(jiān)測裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于以太網(wǎng)的信息采集系統(tǒng)，尤其涉及一種通過以太網(wǎng)對多個工位實際焊接過程信息(電流、電壓)數(shù)據(jù)進(jìn)行的采集，并利用所采集信息對焊接質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測。
背景技術(shù)：
隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，焊接過程的自動化、信息化與智能化已成為必然趨勢。在焊接領(lǐng)域中，無論是加工過程、質(zhì)量評定，還是科學(xué)研究，都需要有數(shù)據(jù)的支持。焊接是一個非常容易受到外界條件的影響，與焊接作業(yè)者本身的技能密切相關(guān)，因此焊接質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。如何有效地取得焊接過程的數(shù)據(jù)是分析焊接質(zhì)量的重要依據(jù)。焊接生產(chǎn)過程中，通常是幾十個工位甚至更多工位同時工作，不同的焊接工位的距離也不一定完全一樣，就同一個工位來說，由于工作環(huán)境、工件的特點及生產(chǎn)需求，可能需 要同時進(jìn)行多個焊接過程，因此如何解決多工位的焊接過程的數(shù)據(jù)采集及質(zhì)量監(jiān)控是了解控制整個生產(chǎn)質(zhì)量的關(guān)鍵問題。利用局域網(wǎng)對焊接過程信息網(wǎng)絡(luò)化采集是實現(xiàn)焊接生產(chǎn)質(zhì)量監(jiān)測的重要手段。目前使用最多的數(shù)據(jù)采集卡，可實現(xiàn)分布式的數(shù)據(jù)采集，但是這種采集模式進(jìn)行遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控不是很方便。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在焊接領(lǐng)域的推廣和發(fā)展，利用無線(ZigBee)、有線(CAN總線)等技術(shù)實現(xiàn)的局域網(wǎng)的分布式焊接過程數(shù)據(jù)采集，在實際生產(chǎn)中得到了應(yīng)用?？梢灶A(yù)見，基于網(wǎng)絡(luò)的焊接數(shù)據(jù)采集與質(zhì)量監(jiān)測將成為今后焊接生產(chǎn)控制的必然趨勢?，F(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)有人提出基于ZigBee無線的焊接過程監(jiān)測系統(tǒng)，主要是將信號采集模塊固定在焊接機構(gòu)內(nèi)部實現(xiàn)焊接參數(shù)的采集，同時利用無線將焊接參數(shù)信息傳送到網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點，然后網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點再通過串口連接到主控服務(wù)器。

發(fā)明內(nèi)容
對焊接過程進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的質(zhì)量監(jiān)測，必須解決傳輸、處理、存儲大數(shù)量采集終端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，對此，要求所涉及的網(wǎng)絡(luò)具有較高的傳輸速率，本發(fā)明提供一種基于以太網(wǎng)的焊接過程信息采集與質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)實際焊接過程需要，提出了幾種焊接數(shù)據(jù)采集模式，主要包括主控服務(wù)器采集時間片輪轉(zhuǎn)及基于優(yōu)先級的焊接采集終端分組算法，能將各個終端采集數(shù)據(jù)流分開，解決質(zhì)量監(jiān)測過程中數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅芷款i，對焊接過程中多個工位的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行采集，實時顯示、并分析焊接過程狀態(tài)，存儲焊接過程的數(shù)據(jù)信息，報告焊接過程中出現(xiàn)的異常情況，為判斷工藝是否合理，焊接在線控制以及質(zhì)量評定提供技術(shù)支持。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明基于以太網(wǎng)的焊接過程信息采集與質(zhì)量監(jiān)測裝置，包括主控服務(wù)器、交換機、多臺數(shù)據(jù)采集終端和分別設(shè)置在每臺焊接設(shè)備上的兩個傳感器；多臺數(shù)據(jù)采集終端均分別通過以太網(wǎng)與交換機連接，用于通過傳感器采集焊接設(shè)備焊接過程中多個工位的焊接工藝參數(shù)，所述多臺數(shù)據(jù)采集終端連接于不同的交換機，從而在以太網(wǎng)中形成分別連接有數(shù)臺數(shù)據(jù)采集終端的多個網(wǎng)段，不同的網(wǎng)段使用交換機互聯(lián)組成局域網(wǎng)，每臺數(shù)據(jù)采集終端具有不同的IP地址；所述數(shù)據(jù)采集終端至少包括STM32微控制器、與STM32微控制器連接的TFT屏幕、以太網(wǎng)控制器ENC28J60、A/D轉(zhuǎn)換器和工作狀態(tài)指示燈；所述STM32微控制器利用以太網(wǎng)控制器ENC28J60及UDP協(xié)議經(jīng)過所述交換機接收主控服務(wù)器發(fā)出的控制命令及向主控服務(wù)器發(fā)送經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器處理過的焊接工藝參數(shù)數(shù)據(jù)；所述TFT屏幕用于顯示AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)及每臺焊接設(shè)備的工作狀態(tài)；與此同時，所述工作狀態(tài)指示燈用以顯示不同的工作狀態(tài)；所述主控服務(wù)器還連接有數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器。本發(fā)明基于以太網(wǎng)的焊接過程信息采集與質(zhì)量監(jiān)測方法，其中，信息采集的實現(xiàn)過程是在以太網(wǎng)內(nèi)，將數(shù)據(jù)采集終端分在不同的網(wǎng)段內(nèi)，每個網(wǎng)段具有一定數(shù)量的數(shù)據(jù)采集終端，不同的網(wǎng)段使用交換機互聯(lián)組成局域網(wǎng)，每個數(shù)據(jù)采集終端在安裝配置過程中配以不同的IP地址；主控服務(wù)器采用命令交互形式向與其連接的數(shù)據(jù)采集終端發(fā)出指令，數(shù)據(jù)采集終端的STM32微控制器通過以太網(wǎng)控制器ENC28J60及UDP協(xié)議接收主控服務(wù)器的指令，執(zhí)行相應(yīng)的操作并向主控服務(wù)器返回回應(yīng)信息；與此同時，主控服務(wù)器根據(jù)焊接設(shè)備不同的焊接方法和實際監(jiān)測需求設(shè)定基于優(yōu)先級的分組調(diào)控策略，不同的組優(yōu)先級不同，優(yōu)先級高的調(diào)控組的采集間歇時間較短，監(jiān)測頻率高；若主控服務(wù)器發(fā)出焊接工藝參數(shù)采集指令，確定采集模式是組內(nèi)時間輪轉(zhuǎn)模式或組內(nèi)時間固定模式后，STM32微控制器執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)操作，并將結(jié)果發(fā)送給主控服務(wù)器，主控服務(wù)器將結(jié)果轉(zhuǎn)化為電流、電壓參數(shù)并以波形的形式實時顯示、存儲；質(zhì)量監(jiān)測的實現(xiàn)過程是主控服務(wù)器通過對每次采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征分析，從而對焊接過程進(jìn)行穩(wěn)定性判斷及焊接質(zhì)量的評定；所述特征分析采用下述幾種方法中的一種電流或電壓單變量統(tǒng)計過程控制方法；基于電流或電壓單變量統(tǒng)計過程控制的質(zhì)量分級控制方法；·電流或電壓范圍動態(tài)閾值監(jiān)測方法；脈沖焊的單周期平均值統(tǒng)計控制方法。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明利用微控制器STM32作為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端主控制單元，實時接收傳感裝置采集的焊接參數(shù)，實施A/D轉(zhuǎn)換；其中的微控制器STM32利用以太網(wǎng)控制器ENC28J60，使用UDP協(xié)議經(jīng)過交換機向主控服務(wù)器發(fā)送A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)、接收控制命令；微控制器STM32通過ENC28J60接收命令執(zhí)行相應(yīng)的操作，同時向主控服務(wù)器返回回應(yīng)信息。若主控服務(wù)器發(fā)出采集指令，STM32執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換操作，并將結(jié)果發(fā)送給主控服務(wù)器，主控服務(wù)器將結(jié)果轉(zhuǎn)化為電流、電壓參數(shù)并以波形的形式顯示、存儲；主控服務(wù)器采用命令交互，可使連接上主控服務(wù)器的所有終端按照指定要求執(zhí)行采集命令，獲取焊接設(shè)備運行狀態(tài)信息，并實時的進(jìn)行狀態(tài)顯示，以完成對焊接設(shè)備的遠(yuǎn)程在線監(jiān)控工作。本發(fā)明一種基于以太網(wǎng)的焊接過程信息采集與質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，傳輸數(shù)據(jù)速率較高，在一定程度上解決了目前對不同工位多臺焊機設(shè)備同時實施數(shù)據(jù)采集操作過程存在的網(wǎng)絡(luò)阻塞的問題，實現(xiàn)了多臺焊機參數(shù)的在線監(jiān)測，包括數(shù)字化焊機與非數(shù)字化焊機的焊接過程的數(shù)據(jù)采集與質(zhì)量監(jiān)控，降低了焊接數(shù)據(jù)采集設(shè)備開發(fā)生產(chǎn)的成本。綜上，本發(fā)明的優(yōu)點是
(I)與普通采集卡相比，降低了焊接數(shù)據(jù)采集設(shè)備開發(fā)生產(chǎn)的成本；(2)利用傳感器，可實現(xiàn)數(shù)字化焊機與非數(shù)字化焊機的焊接過程的數(shù)據(jù)采集與質(zhì)量監(jiān)控；(3)本發(fā)明使用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)接口卡，可很容易實現(xiàn)多臺焊機參數(shù)的在線監(jiān)測，傳輸數(shù)據(jù)速率較高；
(4)利用本系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)采集模式，可一定程度的解決目前對不通工位多臺焊機設(shè)備同時實施數(shù)據(jù)采集操作過程存在的網(wǎng)絡(luò)阻塞的問題，實現(xiàn)焊接過程的質(zhì)量監(jiān)測。


圖I是本發(fā)明中數(shù)據(jù)采集終端的硬件結(jié)構(gòu)框圖；圖2是本發(fā)明數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運行原理圖；圖3是本發(fā)明中數(shù)據(jù)采集終端與主控服務(wù)器控制系統(tǒng)通信的原理圖；圖4是本發(fā)明主控服務(wù)器控制系統(tǒng)的主要組成框圖；圖5是本發(fā)明采集時間輪轉(zhuǎn)調(diào)控模式時間流程；圖6是本發(fā)明采集時間固定調(diào)控模式的時間流程；圖7是本發(fā)明采集系統(tǒng)采集的焊接參數(shù)電壓的波形圖；圖8是本發(fā)明采集系統(tǒng)采集的焊接參數(shù)電流的波形圖。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)地描述。本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施例。本發(fā)明基于以太網(wǎng)的焊接過程信息采集與質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)包括硬件設(shè)備和實現(xiàn)的方法。本發(fā)明中硬件設(shè)備的構(gòu)成如圖3所示，包括主控服務(wù)器、交換機、多臺數(shù)據(jù)采集終端和分別設(shè)置在多臺焊接設(shè)備上的多個傳感器。多臺數(shù)據(jù)采集終端均分別通過以太網(wǎng)與交換機連接，用于通過傳感器采集焊接設(shè)備焊接過程中多個工位的焊接工藝參數(shù)，所述多臺數(shù)據(jù)采集終端連接于不同的交換機，從而在以太網(wǎng)中形成分別連接有數(shù)臺數(shù)據(jù)采集終端的多個網(wǎng)段，不同的網(wǎng)段使用交換機互聯(lián)組成局域網(wǎng)，每臺數(shù)據(jù)采集終端具有不同的IP地址；如圖I所示，每臺數(shù)據(jù)采集終端主要包括STM32微控制器、與STM32微控制器連接的用于終端工作信息顯示的TFT屏幕、以太網(wǎng)控制器ENC28J60、適配電源、A/D轉(zhuǎn)換器和工作狀態(tài)指示燈；所述STM32微控制器利用以太網(wǎng)控制器ENC28J60及UDP協(xié)議經(jīng)過所述交換機接收主控服務(wù)器發(fā)出的控制命令及向主控服務(wù)器發(fā)送經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器處理過的焊接工藝參數(shù)數(shù)據(jù)；所述TFT屏幕用于顯示AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)及每臺焊接設(shè)備的工作狀態(tài)；與此同時，所述工作狀態(tài)指示燈用以顯示不同的工作狀態(tài)；所述主控服務(wù)器還連接有數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器。利用上述硬件設(shè)備實現(xiàn)焊接過程信息采集與質(zhì)量監(jiān)測的方法主要包括信息采集和質(zhì)量監(jiān)測，其中信息采集的實現(xiàn)過程是如圖3所示，在以太網(wǎng)內(nèi)，將數(shù)據(jù)采集終端分在不同的網(wǎng)段內(nèi)，每個網(wǎng)段具有一定數(shù)量的數(shù)據(jù)采集終端，不同的網(wǎng)段使用交換機互聯(lián)組成局域網(wǎng)，每個數(shù)據(jù)采集終端在安裝配置過程中配以不同的IP地址；主控服務(wù)器負(fù)責(zé)控制各個終端按照指定的工作模式工作以及存儲各個終端采集的數(shù)據(jù)。主控服務(wù)器采用命令交互形式向與其連接的數(shù)據(jù)采集終端發(fā)出指令，數(shù)據(jù)采集終端的STM32微控制器通過以太網(wǎng)控制器ENC28J60及UDP協(xié)議接收主控服務(wù)器的指令，執(zhí)行相應(yīng)的操作并向主控服務(wù)器返回回應(yīng)信息；與此同時，主控服務(wù)器根據(jù)焊接設(shè)備不同的焊接方法和實際監(jiān)測需求設(shè)定基于優(yōu)先級的分組調(diào)控策略，不同的組優(yōu)先級不同，優(yōu)先級高的調(diào)控組的采集間歇時間較短，監(jiān)測頻率高；若主控服務(wù)器發(fā)出焊接工藝參數(shù)采集指令，確定采集模式是組內(nèi)時間輪轉(zhuǎn)模式或組內(nèi)時間固定模式后，STM32微控制器執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)操作，并將結(jié)果發(fā)送給主控服務(wù)器，主控服務(wù)器將結(jié)果轉(zhuǎn)化為電流、電壓參數(shù)并以波形的形式實時顯示、存儲。如圖2所示，主控服務(wù)器向數(shù)據(jù)采集終端發(fā)送控制命令，數(shù)據(jù)采集終端接收命令，執(zhí)行相應(yīng)的操作，更新數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)。STM32微控制器執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)操作是采用存儲器直接訪問DMA傳送，當(dāng)已轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)量達(dá)到指定的緩沖區(qū)長度(一半或整個長度)時，STM32微控制器中的DMA控制器發(fā)出半滿或全滿中斷請求；如果數(shù)據(jù)采集終端處于可發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)，則通過以太網(wǎng)控制器ENC28J60將A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)發(fā)送到主控服務(wù)器；STM32微控制器中 的時鐘定時器產(chǎn)生時鐘中斷，周期性的在TFT屏幕上顯示A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，同時在終端數(shù)據(jù)采集間歇時間內(nèi)周期性的向主控服務(wù)器發(fā)送工作狀態(tài)信息。如圖4所示，所述主控服務(wù)器中服務(wù)端軟件模塊構(gòu)成框圖，由圖可知，實現(xiàn)本發(fā)明方法的幾個主要模塊包括原始數(shù)據(jù)包處理模塊、終端信息模塊、終端管理模塊、全局內(nèi)存管理模塊、終端調(diào)控模塊、質(zhì)量監(jiān)測模塊和界面顯示模塊。所述原始數(shù)據(jù)包管理模塊從全局內(nèi)存管理模塊中獲取一塊內(nèi)存用來存儲遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)包，然后解析該數(shù)據(jù)包的包頭，識別該數(shù)據(jù)包的類型是焊接數(shù)據(jù)包還是終端命令包，然后根據(jù)數(shù)據(jù)包類型，投遞到終端信息模塊的焊接數(shù)據(jù)包隊列或終端命令包隊列；所述終端管理器模塊管理各個數(shù)據(jù)采集終端，維護(hù)并存儲各個終端信息模塊的內(nèi)存，至少包括添加新的數(shù)據(jù)采集終端和查詢數(shù)據(jù)采集終端；所述終端調(diào)控模塊是對數(shù)據(jù)采集過程中的各個數(shù)據(jù)采集終端進(jìn)行控制；所述質(zhì)量監(jiān)測模塊通過對數(shù)據(jù)采集終端中的電流、電壓參數(shù)的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，初步判斷焊接設(shè)備的工作狀態(tài)是否按照預(yù)定的焊接工藝進(jìn)行焊接，同時對焊縫質(zhì)量進(jìn)行初步質(zhì)量監(jiān)測，對于不符合預(yù)定規(guī)范的操作給予報警提示；所述界面顯示模塊實現(xiàn)用戶與上述其他模塊的數(shù)據(jù)交互。從主控服務(wù)器控制采集終端的控制方法上看，首先，將各個數(shù)據(jù)采集終端分成若干組，每組根據(jù)采集時間與采集間歇時間的長度分配以不同的優(yōu)先級；從主控服務(wù)器控制采集終端的類型上看，主要有組內(nèi)終端采集時間片的輪轉(zhuǎn)與組內(nèi)終端采集及間歇時間固定兩種模式。圖5為組內(nèi)采集時間輪轉(zhuǎn)模式的各終端采集時間分配。圖5說明了組內(nèi)終端采集時間固定模式各終端采集時間分配。采集時間的長度是單個數(shù)據(jù)采集終端每次連續(xù)采集的時間長度，采集間歇時間是組內(nèi)數(shù)據(jù)采集終端每次采集時間與連續(xù)的下一個采集時間之前的時間間隔。不同的采集時間與采集間歇時間主要是解決不同的焊接方法對焊接參數(shù)采集的需求，其中組內(nèi)采集時間固定調(diào)控模式用于雙絲、多絲焊接方法(或要求對多臺焊接設(shè)備焊接過程信息參數(shù)進(jìn)行對照)參數(shù)采集，組內(nèi)終端采集時間片的輪轉(zhuǎn)用于單絲或只要求對單臺焊接設(shè)備(不要求對多臺焊接的焊接信息參數(shù)進(jìn)行對比)的焊接進(jìn)行參數(shù)采集。
質(zhì)量監(jiān)測的實現(xiàn)過程是主控服務(wù)器通過對每次采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征分析，從而對焊接過程進(jìn)行穩(wěn)定性判斷及焊接質(zhì)量的評定；質(zhì)量監(jiān)測模塊提供多種質(zhì)量監(jiān)測方法，主要包括
現(xiàn)在比較成熟的算法，即電流、電壓單變量統(tǒng)計過程控制(SPC)算法；在此基礎(chǔ)上改進(jìn)的算法，即基于電流、電壓單變量統(tǒng)計過程控制的質(zhì)量分級算法，電流、電壓范圍動態(tài)閾值監(jiān)測算法和脈沖焊的單變量單周期平均值統(tǒng)計控制算法。(I)電流或電壓單變量統(tǒng)計過程控制方法利用焊接電流或電壓的離散數(shù)據(jù)，從統(tǒng)計學(xué)的角度進(jìn)行分析，因此，通過分析焊接電流或電壓參數(shù)的Pd l-μ <3σ)來分析焊接性能；亦即:中心線CL=μ ；中心上控制界限線UCL= μ +3 σ ；中心下控制界限線LCL= μ -3 σ ；μ為每次采集的數(shù)據(jù)的平均值；σ為每次采集數(shù)據(jù)的方差；P為滿足I ξ - μ I〈3 σ條件的概率；ξ為待監(jiān)測樣本變量；如果超出控制限外的點的概率大于O. 27%，則判斷焊接設(shè)備失控。如果單變量過程控制算法不能滿足要求，可以下述的(2)、(3)和(4)幾種質(zhì)量監(jiān)測算法。(2)基于電流、電壓單變量統(tǒng)計過程控制的質(zhì)量分級控制方法在電流、電壓單變量統(tǒng)計過程控制(SPC)算法基礎(chǔ)上，本發(fā)明提出了該算法，核心思想主要為不是人為設(shè)定固定的控制上下線，而是從用戶提供的樣本中提取的參數(shù)來計算屬于哪個樣本之間，來定義分級。樣本分級的單變量統(tǒng)計控制，若Ρ(| ξ -μ |〈3 σ )=al，則為一級質(zhì)量(樣本)；若P (I ξ - μ I〈3 σ ) =a2，則為二級質(zhì)量(樣本)；若P (I ξ - μ I〈3 σ ) =a3，則為三級質(zhì)量(樣本);......計算待判定焊接過程樣本數(shù)據(jù)P (I ξ - μ I〈3 σ )的概率為a，通過與al，a2…進(jìn)行比較，確定a在al，a2…的范圍，以此確定焊接質(zhì)量的級別。(3)電流、電壓范圍動態(tài)閾值監(jiān)測方法設(shè)定電流或電壓的閾值Tm及焊接過程中監(jiān)測時間段內(nèi)焊接過程電流或電壓超過該閾值Tm的次數(shù)為Nm ;計算待判定焊接過程樣本的焊接過程電流或電壓超過該閾值Tm的次數(shù)為N。若NQ>Nm，則認(rèn)為焊接過程超過正常焊接規(guī)范，給予報警提示。(4)脈沖焊的單周期平均值統(tǒng)計控制方法由于脈沖焊焊接過程中電流、電壓呈周期性的變化，周期性變化的穩(wěn)定性將直接決定焊接質(zhì)量，因此，引入每個單周期平均值的波動情況作為評定焊接過程質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，遍歷波形數(shù)據(jù)隊列，計算隊列所有數(shù)據(jù)的平均值μ，再次遍歷整個隊列，確定區(qū)間的第一個數(shù)據(jù)點為μ ±5區(qū)間的第一個點，下一個數(shù)據(jù)點仍為μ ±5區(qū)間的第一個點，且相鄰兩個所取點的點數(shù)差為N=T^ftl，其中，T為脈沖焊預(yù)設(shè)周期，f()為采樣頻率；以此類推，計算出μ 2、μ 3. . .，μη ;然后計算出上述μ I、μ 2. . .，μη的方差σ μ ;設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)參考值為om,若σ μ > σ m,則認(rèn)為焊接過程超出正常焊接規(guī)范,給出報警提示。實施例本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和過程。本發(fā)明選用意法半導(dǎo)體公司的ARM架構(gòu)芯片STM32F103微控制器，網(wǎng)絡(luò)控制器選用以太網(wǎng)控制器ENC28J60 ;數(shù)據(jù)顯示采用TFT2.4英寸液晶顯示屏。數(shù)據(jù)采集終端的控制流程數(shù)據(jù)采集終端的控制采用多任務(wù)的方式，數(shù)據(jù)發(fā)送采 用無連接的UDP協(xié)議。數(shù)據(jù)采集終端工作在以太網(wǎng)環(huán)境中，數(shù)據(jù)傳送比較穩(wěn)定，因此沒有必要使用可靠傳輸?shù)腡CP協(xié)議(TCP協(xié)議的“三次握手”增加了額外的數(shù)據(jù)量)。對數(shù)據(jù)采集終端的控制主要的任務(wù)如圖2所示，包括工作狀態(tài)顯示任務(wù)、數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)、外部命令接收處理任務(wù)、A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)顯示任務(wù)。任務(wù)的同步與通信采用信號量實現(xiàn)。當(dāng)前多任務(wù)實時操作系統(tǒng)較多，有μ COS/ II，μ Linux等，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可以在常用嵌入式的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧上面進(jìn)行裁剪，保留UDP、ARP等必須協(xié)議即可，常用的嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧有μ IP, IwIP協(xié)議等，軟件開發(fā)平臺可以使Keil μ Vision。焊接過程網(wǎng)絡(luò)采集與質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組建按照圖3所示將各個數(shù)據(jù)采集終端組建成局域網(wǎng)。將不同的采集工位分成不同的終端組，并安排不同的優(yōu)先級。優(yōu)先級的安排是根據(jù)不同的焊接方法和實際監(jiān)測需求來設(shè)定。例如較小頻率自動脈沖復(fù)合焊接方法(脈沖MAG)可以處于低優(yōu)先級，手工電弧焊穩(wěn)定性不高，應(yīng)當(dāng)處于較高優(yōu)先級。優(yōu)先級低的終端，數(shù)據(jù)采集發(fā)送量較小。工作過程中，服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)向各個終端發(fā)送命令，終端通過網(wǎng)絡(luò)回應(yīng)服務(wù)器，比如發(fā)送開始采集與結(jié)束采集指令等。主控服務(wù)器的控制流程，圖4示出了其層次結(jié)構(gòu)及模塊圖。從圖4可以看出，主控服務(wù)器的控制采用分層架構(gòu)，外部數(shù)據(jù)進(jìn)入到服務(wù)器，從內(nèi)存管理器中獲取一塊內(nèi)存存儲該數(shù)據(jù)包，接收數(shù)據(jù)線程查找終端管理器，得到數(shù)據(jù)包所屬終端，將存儲數(shù)據(jù)包內(nèi)存的指針投遞到該終端所屬的數(shù)據(jù)包隊列內(nèi)。當(dāng)要查看某個終端采集的波形時，點擊某個終端，切換到相應(yīng)終端，打開波形顯示的終端將數(shù)據(jù)包解析出來，放入波形控件的波形數(shù)據(jù)隊列里面，在定時器的消息的驅(qū)動下，周期性的刷新波形。當(dāng)終端數(shù)據(jù)隊列中的數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)定的長度時，開啟線程，將數(shù)據(jù)寫入文件。這部分實現(xiàn)可以采用C++語言實現(xiàn)，開發(fā)工具采用VisualC++O下面以本發(fā)明采集一臺焊機焊接過程信息為例說明本發(fā)明采集的焊接參數(shù)信息的效果。焊接設(shè)備林肯INVERTECTM V300 一 I焊機(I臺)，S-86A型半自動送絲機，角度與位置可調(diào)的夾具、工作臺。此外，還包括脈沖協(xié)調(diào)控制器(該脈沖控制器能使直流焊機輸出脈沖形式的電流或電壓，且峰值、基值、頻率、占空比可調(diào))、氣瓶氣閥、遙控盒等焊接輔助設(shè)備。表I脈沖電弧焊焊接基本工藝參數(shù)
權(quán)利要求
1.一種基于以太網(wǎng)的焊接過程信息采集與質(zhì)量監(jiān)測裝置，其特征在于，包括主控服務(wù)器、交換機、多臺數(shù)據(jù)采集終端和分別設(shè)置在每個焊接設(shè)備上的兩個傳感器； 多臺數(shù)據(jù)采集終端均分別通過以太網(wǎng)與交換機連接，用于通過傳感器采集焊接設(shè)備焊接過程中多個工位的焊接工藝參數(shù)，所述多臺數(shù)據(jù)采集終端連接于不同的交換機，從而在以太網(wǎng)中形成分別連接有數(shù)臺數(shù)據(jù)采集終端的多個網(wǎng)段，不同的網(wǎng)段使用交換機互聯(lián)組成局域網(wǎng)，每臺數(shù)據(jù)采集終端具有不同的IP地址； 所述數(shù)據(jù)采集終端至少包括STM32微控制器、與STM32微控制器連接的TFT屏幕、以太網(wǎng)控制器ENC28J60、A/D轉(zhuǎn)換器和工作狀態(tài)指示燈； 所述STM32微控制器利用以太網(wǎng)控制器ENC28J60及UDP協(xié)議經(jīng)過所述交換機接收主控服務(wù)器發(fā)出的控制命令及向主控服務(wù)器發(fā)送經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器處理過的焊接工藝參數(shù)數(shù)據(jù)； 所述TFT屏幕用于顯示AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)及每臺焊接設(shè)備的工作狀態(tài)；與此同時，所述工作狀態(tài)指示燈用以顯示不同的工作狀態(tài)； 所述主控服務(wù)器還連接有數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器。
2.一種基于以太網(wǎng)的焊接過程信息采集與質(zhì)量監(jiān)測方法，其特征在于，利用如權(quán)利要求I所述基于以太網(wǎng)的焊接過程信息采集與質(zhì)量監(jiān)測裝置進(jìn)行焊接過程的信息采集和質(zhì)量監(jiān)測，其中 信息采集的實現(xiàn)過程是 在以太網(wǎng)內(nèi)，將數(shù)據(jù)采集終端分在不同的網(wǎng)段內(nèi)，每個網(wǎng)段具有一定數(shù)量的數(shù)據(jù)采集終端，不同的網(wǎng)段使用交換機互聯(lián)組成局域網(wǎng)，每個數(shù)據(jù)采集終端在安裝配置過程中配以不同的IP地址； 主控服務(wù)器采用命令交互形式向與其連接的數(shù)據(jù)采集終端發(fā)出指令，數(shù)據(jù)采集終端的STM32微控制器通過以太網(wǎng)控制器ENC28J60及UDP協(xié)議接收主控服務(wù)器的指令，執(zhí)行相應(yīng)的操作并向主控服務(wù)器返回回應(yīng)信息；與此同時，主控服務(wù)器根據(jù)焊接設(shè)備不同的焊接方法和實際監(jiān)測需求設(shè)定基于優(yōu)先級的分組調(diào)控策略，不同的組優(yōu)先級不同，優(yōu)先級高的調(diào)控組的采集間歇時間較短，監(jiān)測頻率高； 若主控服務(wù)器發(fā)出焊接工藝參數(shù)采集指令，確定采集模式是組內(nèi)時間輪轉(zhuǎn)模式或組內(nèi)時間固定模式后，STM32微控制器執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)操作，并將結(jié)果發(fā)送給主控服務(wù)器，主控服務(wù)器將結(jié)果轉(zhuǎn)化為電流、電壓參數(shù)并以波形的形式實時顯示、存儲； 質(zhì)量監(jiān)測的實現(xiàn)過程是 主控服務(wù)器通過對每次采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征分析，從而對焊接過程進(jìn)行穩(wěn)定性判斷及焊接質(zhì)量的評定；所述特征分析采用下述幾種方法中的一種 電流、電壓單變量統(tǒng)計過程控制方法； 基于電流、電壓單變量統(tǒng)計過程控制的質(zhì)量分級控制方法； 電流、電壓范圍動態(tài)閾值監(jiān)測方法； 脈沖焊的單周期平均值統(tǒng)計控制方法。
3.根據(jù)權(quán)利要2所述基于以太網(wǎng)的焊接過程信息采集與質(zhì)量監(jiān)測方法，其特征在于，所述主控服務(wù)器中設(shè)有原始數(shù)據(jù)包處理模塊、終端信息模塊、終端管理模塊、全局內(nèi)存管理模塊、終端調(diào)控模塊、質(zhì)量監(jiān)測模塊、界面顯示模塊；所述原始數(shù)據(jù)包管理模塊從全局內(nèi)存管理模塊中獲取一塊內(nèi)存用來存儲遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)包，然后解析該數(shù)據(jù)包的包頭，識別該數(shù)據(jù)包的類型是焊接數(shù)據(jù)包還是終端命令包，然后根據(jù)數(shù)據(jù)包類型，投遞到終端信息模塊的焊接數(shù)據(jù)包隊列或終端命令包隊列； 所述終端管理器模塊管理各個數(shù)據(jù)采集終端，維護(hù)并存儲各個終端信息模塊的內(nèi)存，至少包括添加新的數(shù)據(jù)采集終端和查詢數(shù)據(jù)采集終端； 所述終端調(diào)控模塊是對數(shù)據(jù)采集過程中的各個數(shù)據(jù)采集終端進(jìn)行控制； 首先，將各個數(shù)據(jù)采集終端分成若干組，每組根據(jù)采集時間與采集間歇時間的長度分配以不同的優(yōu)先級； 采集時間的長度是單個數(shù)據(jù)采集終端每次連續(xù)采集的時間長度，采集間歇時間是組內(nèi)數(shù)據(jù)采集終端每次采集時間與連續(xù)的下一個采集時間之前的時間間隔； 采集模式包括組內(nèi)時間輪轉(zhuǎn)模式和組內(nèi)時間固定模式，其中，組內(nèi)時間固定模式用于雙絲、多絲焊接方法或要求對多臺焊接設(shè)備的焊接過程信息參數(shù)進(jìn)行對照的參數(shù)的采集；組內(nèi)時間輪轉(zhuǎn)模式用于單絲或只要求對單臺焊接設(shè)備的焊接過程參數(shù)的采集。
所述質(zhì)量監(jiān)測模塊通過對數(shù)據(jù)采集終端中的電流、電壓參數(shù)的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，初步判斷焊接設(shè)備的工作狀態(tài)是否按照預(yù)定的焊接工藝進(jìn)行焊接，同時對焊縫質(zhì)量進(jìn)行初步質(zhì)量監(jiān)測，對于不符合預(yù)定規(guī)范的操作給予報警提示； 所述界面顯示模塊實現(xiàn)用戶與上述其他模塊的數(shù)據(jù)交互。
4.根據(jù)權(quán)利要2所述基于以太網(wǎng)的焊接過程信息采集與質(zhì)量監(jiān)測方法，其特征在于，STM32微控制器執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)操作是采用存儲器直接訪問DMA傳送，當(dāng)已轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)量達(dá)到指定的緩沖區(qū)長度時，STM32微控制器中的DMA控制器發(fā)出半滿或全滿中斷請求；如果數(shù)據(jù)采集終端處于可發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)，則通過以太網(wǎng)控制器ENC28J60將A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)發(fā)送到主控服務(wù)器；STM32微控制器中的時鐘定時器產(chǎn)生時鐘中斷，周期性的在TFT屏幕上顯示A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，同時在終端數(shù)據(jù)采集間歇時間內(nèi)周期性的向主控服務(wù)器發(fā)送工作狀態(tài)信息。
5.根據(jù)權(quán)利要2所述基于以太網(wǎng)的焊接過程信息采集與質(zhì)量監(jiān)測方法，其特征在于，所述電流、電壓單變量統(tǒng)計過程控制方法如下 利用焊接電流或電壓的離散數(shù)據(jù)，從統(tǒng)計學(xué)的角度進(jìn)行分析，因此，通過分析焊接電流或電壓參數(shù)的p(I l-μ |<3σ)來分析焊接性能； 設(shè)中心線CL= μ ； 中心上控制界限線UCL= μ+3 σ ； 中心下控制界限線LCL= μ-3 σ ； μ為每次采集的數(shù)據(jù)的平均值； σ為每次采集數(shù)據(jù)的方差； P為滿足I ξ - μ I〈3 O條件的概率； I為待監(jiān)測樣本變量； 如果超出控制線外的點的概率大于O. 27%，則判斷焊接設(shè)備失控。
6.根據(jù)權(quán)利要5所述基于以太網(wǎng)的焊接過程信息采集與質(zhì)量監(jiān)測方法，其特征在于，采用所述基于電流、電壓單變量統(tǒng)計過程控制的質(zhì)量分級控制方法，是在電流或電壓單變量統(tǒng)計過程控制方法的基礎(chǔ)上，無需設(shè)定固定的控制上下線，從用戶提供的不同焊接質(zhì)量的焊接過程參數(shù)樣本中提取滿足I ξ-μ <30的概率，用以確定焊接質(zhì)量的級別，包括若Ρ(| ξ -μ |〈3 σ )=al,則為一級質(zhì)量； 若Ρ(| ξ-μ |〈3o)=a2，則為二級質(zhì)量； 若Ρ(| ξ-μ |〈3o)=a3，則為三級質(zhì)量； 計算待判定焊接過程樣本數(shù)據(jù)P( I ξ-μ |〈3σ)的概率為a，通過與al，a2···進(jìn)行比較，確定a在al，a2…的范圍，以此確定焊接質(zhì)量的級別。
7.根據(jù)權(quán)利要2所述基于以太網(wǎng)的焊接過程信息采集與質(zhì)量監(jiān)測方法，其特征在于，所述電流、電壓范圍動態(tài)閾值監(jiān)測方法是 設(shè)定電流或電壓的閾值Tm及焊接過程中監(jiān)測時間段內(nèi)焊接過程電流或電壓超過該閾值Tm的次數(shù)為Nm ； 計算待判定焊接過程樣本的焊接過程電流或電壓超過該閾值Tm的次數(shù)為Ntl若凡>1則認(rèn)為焊接過程超過正常焊接規(guī)范，給予報警提示。
8.根據(jù)權(quán)利要2所述基于以太網(wǎng)的焊接過程信息采集與質(zhì)量監(jiān)測方法，其特征在于，所述脈沖焊的單周期平均值統(tǒng)計控制方法是 由于脈沖焊焊接過程中電流、電壓呈周期性的變化，周期性變化的穩(wěn)定性將直接決定焊接質(zhì)量，因此，引入每個單周期平均值的波動情況作為評定焊接過程質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，遍歷波形數(shù)據(jù)隊列，計算隊列所有數(shù)據(jù)的平均值μ，再次遍歷整個隊列，確定區(qū)間的第一個數(shù)據(jù)點為μ ±5區(qū)間的第一個點，下一個數(shù)據(jù)點仍為μ ±5區(qū)間的第一個點，且相鄰兩個所取點的點數(shù)差為，其中，T為脈沖焊預(yù)設(shè)周期，f0為采樣頻率； 以此類推,計算出μ 2、μ 3. . .，μη ;然后計算出上述μ I、μ 2. . .，μη的方差σ μ ;設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)參考值為om,若σ μ > σ m,則認(rèn)為焊接過程超出正常焊接規(guī)范,給出報警提示。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于以太網(wǎng)的焊接過程信息采集與質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，利用STM32作為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端主控制單元，實時接收傳感裝置采集的焊接參數(shù)，實施A/D轉(zhuǎn)換；其中的STM32利用ENC28J60，使用UDP協(xié)議經(jīng)過交換機向主控服務(wù)器發(fā)送A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)、接收控制命令；同時向主控服務(wù)器返回回應(yīng)信息。若主控服務(wù)器發(fā)出采集指令，STM32執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換操作，并將結(jié)果發(fā)送給主控服務(wù)器，主控服務(wù)器將結(jié)果轉(zhuǎn)化為電流、電壓參數(shù)并以波形的形式顯示、存儲；主控服務(wù)器采用命令交互，可使連接上主控服務(wù)器的所有終端按照指定要求執(zhí)行采集命令，獲取焊接設(shè)備運行狀態(tài)信息，并實時的進(jìn)行狀態(tài)顯示，以完成對焊接設(shè)備的遠(yuǎn)程在線監(jiān)控工作。
文檔編號G05B19/418GK102922089SQ201210288200
公開日2013年2月13日 申請日期2012年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月13日
發(fā)明者李桓, 王綠原, 朱艷麗, 顧小燕, 韋輝亮 申請人:天津大學(xué)