基于LabVIEW的搅拌摩擦焊在线监测系统

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1、一㈣一⋯。“一⋯”w。“航空焊接技术基于LabVIEW的搅拌摩擦焊在线监测系统On--LineDetectionSystemforFrictionStirWeldingBasedonLabview南京航空航天大学机电学院王吉胜黎向锋左敦稳汪洪峰董学伟中国搅拌摩擦焊中心董春林李光王吉胜南京航空航天大学研究生．研究方向为计算机智能加工。搅拌摩擦焊(FSW)作为一种新型的同相连接技术，具有一系列传统焊接无法比拟的优点”。j。如焊接时的无飞溅、不需要气体保护、焊后_丁件残余应力和变形小、焊接接头抗拉伸性能和抗弯曲性能良好、生产成本低和无污染等．这些性能

2、在铝合金焊接方面具有得天独厚的优势‘“J：搅一汀苏省研究牛创新基金(CXOqB-073Z)资助。本文基于LabVIEW8．5完成了搅拌摩擦焊在线监测系统的设计。配用研华PCIml710L型多功能数据采集卡使该系统能够对搅拌摩擦焊加工过程中温度信号、振动信号和三向力信号进行实时采集、显示与存储，而且该系统具有结构简单、成本低、界面友好、便于操作等优点。拌摩擦焊在加工过程巾涉及到温度场、材料组织变化、材料流动、应力应变和振动等多方面的问题[581一为了提高搅拌摩擦焊的焊接质量，必须要设计一套能同时检测搅拌摩擦焊加工过程巾的温度、i向力和振动信号的在

3、线榆测系统，系统的构成搅拌摩擦焊在线监测系统主要有硬件和软件两个部分构成，系统结构如同l所示。硬件部分包括自{j设计制造的搅拌摩擦焊测力八角环、K型热电偶、加速度传感器、电阻应变片等信号感应元件、信号调理电路、数据采集仁、计算机和连接线路，软件部分主要是用能够对数据采集卡进行相应的参数设置和对采集信号的实时显示以及数据存储LahvIEw开发的操作设置界面。l!竺兰兰竺卜号丹著一

4、

5、匝}谰EL一誊理看电萼以测力八角环为藏体L路锌的电阻应变片磊不图1系统结构图2011年第23／24期·航空制造技术105够二二二二二二rEQ旦必业!匪!坠B——系统硬

6、件的设计1测力八角环的设计搅拌摩擦焊在加工过程巾要产生i向力的作用，如图2所示一其中下压力比较大；径向力有一定的波动侧向力比较微弱。据此特点设计制造的测力八角环能够检测搅拌摩擦焊加T=向力，如图3所示。下压力图3测力八角环机构图2传感器本系统中涉及到的传感器有热电偶、电阻应变片和加速度传感器。热电偶是测温传感器．K型热电偶结构简单．热惯性“、，动态响麻速度快，能够远距离传送信号和多点测量一。考虑到搅拌摩擦焊对象多为低熔点T件，所以本系统采用1级镍铬一镍硅简装式K型热电偶．其一阽能指标见表1．因为本系统中测力过程是借助自行设计制作的测力八角环完成

7、的．所以感应元件既要满足量程灵敏度的要求．又要便于贴在八角环上组成测力传感器。综合考虑眦上因素，本系统采用Bxl20—2AA型电阻应变片，其性能指标如表2所示。振动测量用型号为ULT2404／V压电式加速度传感器，其性能参数如表3所示。该传感器不但具有极好的温度变化隔离作用、较高的共振频率和良好的线性，而且结构简单、成本低、便于同定，3信号调理电路由于传感器产牛的都是比较微弱的电J卡信号．但本采集}采集数据用到的采集电压是0～10V，为此需要对传感器产生的微弱信号进行放大处理。此外，热电偶还要考虑冷端补偿问题，其冷端补偿电路如图4所示。加速度传

8、感器采集的振动信号受外界环境的影响较大，为此需要进行滤波处理，其滤波电路如图5所不、表1K型热电偶性能参数表2电阻应变片的性能参数表3加速度传感器性能参数106航空制造技术·2011年第23／24期图4热电偶冷端补偿电路图5加速度传感器滤波电路+4数据采集卡本系统采用研华Pc卜一1710l，型多功能数据采集卡。该采集}具有32位PCI总线、12位A／D转化器、16路单端或8路差分模拟量输入、16路数字输入．采样速率可达100kHz。采集卡有即插即用功能，不需要设置任何跳线和DIP拨码开关；测量精度高，速度快；编程简单，连接方便，并且与LabVI

9、EW有良好接口。此外，本系统还在输出管脚处设置了短路保护器件，能够对多数据采集卡进行短路保护。系统的软件设计本系统的操作软件是基于可编程语言LabVIEW开发而成的，分为前操作面板设计和程序设计两部分。利用相应的函数模块完成对数据采集卡的参数设置和整个数据采集过程的操控，实现数据的实时采集、显示及存储1101“，1前操作面板的设计基于LabVIEW编写的搅拌摩擦焊在线监测系统前操作面板．如图6所示。前面板具有以下功能：数据采集监测的开始和结束控制、数据显示、采集设备和采集通道的选择、采一mn．·n-m，一。～一mM．。航空焊接技术集参数的没定、

10、数据缓存以及存储路轻的设定等。通过前面板可以直观地观测到焊接过程各路信号的变化及队列的数据缓存状态”⋯。图6系统前操作面板2程序设计数据采集系统的主程