摘 要： 以USB型單片機(jī)C8051F320為采集系統(tǒng)硬件控制核心,，構(gòu)筑兼容USB2.0總線協(xié)議的焊接參數(shù)實(shí)時(shí)高速采集虛擬檢測(cè)分析系統(tǒng),，為焊接生產(chǎn),、試驗(yàn)提供一套評(píng)價(jià)焊接工藝,、預(yù)測(cè)焊接質(zhì)量的高效虛擬檢測(cè)分析系統(tǒng),，并可與數(shù)字化焊機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)集成,，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)字化,。
　　關(guān)鍵詞： USB； 單片機(jī),； PC機(jī),； 電弧焊； LabView

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　　弧焊過(guò)程是一種受多種參數(shù)制約,，而且又受許多隨機(jī)干擾因素影響的復(fù)雜的工藝過(guò)程,。要實(shí)現(xiàn)弧焊過(guò)程所有質(zhì)量的實(shí)時(shí)傳感與控制是很復(fù)雜的問(wèn)題。至今,，人們也還無(wú)法對(duì)焊接過(guò)程在線實(shí)時(shí)地直接檢測(cè)和控制直接焊接質(zhì)量,，而只是利用焊接人員的感官或現(xiàn)有的傳感技術(shù)，對(duì)一些與直接焊接質(zhì)量有關(guān)的間接焊接質(zhì)量,，在焊接過(guò)程中進(jìn)行在線和實(shí)時(shí)地檢測(cè)和控制,。這種間接焊接質(zhì)量雖然不能直接說(shuō)明焊接接頭的使用性能，但它們卻在一定程度上決定著某些直接焊接質(zhì)量或者與直接焊接質(zhì)量存在著定量關(guān)系^[1],。由電弧理論和對(duì)飛濺問(wèn)題的研究分析可知,，CO2短路過(guò)渡焊接過(guò)程的電弧電壓和焊接電流信號(hào)中蘊(yùn)藏了豐富的電弧信息，飛濺的產(chǎn)生和其他與焊接質(zhì)量有關(guān)的信息就蘊(yùn)藏在電弧電壓和焊接電流的波動(dòng)中,。建立基于計(jì)算機(jī)的在線檢測(cè)及分析系統(tǒng)后,，通過(guò)實(shí)時(shí)采集焊接過(guò)程的電流、電壓信號(hào)并經(jīng)過(guò)一定的信號(hào)處理和相關(guān)的分析,，可以客觀地監(jiān)控焊接過(guò)程的狀態(tài)和行為,，及時(shí)地檢測(cè)出焊接過(guò)程中的干擾或誤差信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接質(zhì)量的檢測(cè)和評(píng)估,，并為全面評(píng)價(jià)焊接過(guò)程工藝,，分析缺陷產(chǎn)生的原因提供重要的客觀依據(jù),。
1 基于USB總線的系統(tǒng)建立
1.1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)
　　目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用于焊接過(guò)程信號(hào)檢測(cè)的測(cè)試系統(tǒng)均為插入板卡式^[2]，尚無(wú)將USB總線技術(shù)應(yīng)用于焊接過(guò)程信號(hào)檢測(cè)數(shù)據(jù)通信的公開報(bào)道,。而USB總線技術(shù)是未來(lái)測(cè)控領(lǐng)域發(fā)展的方向,，其與高性能單片機(jī)技術(shù)的結(jié)合可兼顧單片機(jī)的實(shí)時(shí)性、靈活性與PC機(jī)功能強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn),，從而完成在焊接過(guò)程信號(hào)檢測(cè)的大數(shù)據(jù)量采集和高速傳輸。故本系統(tǒng)采用基于USB總路線的基于LabView的弧焊電參數(shù)虛擬檢測(cè)的分析系統(tǒng),。其系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

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　　該系統(tǒng)主要是以美國(guó)Cygnal公司的USB型單片機(jī)C8051F320為硬件控制核心，構(gòu)建弧焊電參數(shù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng),，結(jié)合USB總線技術(shù),，實(shí)現(xiàn)USB型單片機(jī)與虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)LabView的數(shù)據(jù)通信，在此基礎(chǔ)上開發(fā)虛擬儀器軟件系統(tǒng),，實(shí)現(xiàn)對(duì)弧焊過(guò)程焊接電流,、電弧電壓信號(hào)的在線監(jiān)測(cè)和自動(dòng)記錄，并重點(diǎn)對(duì)采集信號(hào)提取各種特征信息進(jìn)行分析,，最終達(dá)到對(duì)弧焊品質(zhì),、電焊機(jī)性能、焊接材料等方面的評(píng)估,。
1.2 基于USB型單片機(jī)C8051F320的固件程序的開發(fā)
　　USB設(shè)備的固件程序設(shè)計(jì)主要完成兩個(gè)基本功能：數(shù)據(jù)采集功能和滿足USB傳輸協(xié)議的功能^[3],。
　　主程序流程圖如圖2所示，主要完成對(duì)時(shí)鐘,、數(shù)字交叉開關(guān),、USB控制器、定時(shí)器,、A/D轉(zhuǎn)換模塊的初始化設(shè)置,，以及調(diào)用事件處理子程序。采用中斷方式,，基于定時(shí)器2的溢出中斷頻率對(duì)兩路模擬信號(hào)進(jìn)行采集,，采樣頻率設(shè)置為20kHz，以滿足采樣定理要求,。通過(guò)設(shè)置特殊功能寄存器P2MDIN(端口2輸入方式寄存器),，配置P2.4、P2.5為模擬輸入模式,；通過(guò)設(shè)置特殊功能寄存器P2SKIP(端口2跳過(guò)寄存器),，使P2.2、P2.3,、P2.4,、P2.5被數(shù)字交叉開關(guān)編碼器跳過(guò),，避免與被使用的其他數(shù)字資源沖突。

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　　基數(shù)B——樣條雙正交小波Bior2.4，Bior2.4小波重構(gòu)尺度,、小波函數(shù)有2階消失矩,，分解尺度、小波函數(shù)有4階消失矩,，它們是緊支撐的且有明確的解析表達(dá)式,，焊接電流及其在尺度2⁴、2⁵,、2⁶時(shí)的小波變換細(xì)節(jié)部分如圖5所示,。如圖中小波變換細(xì)節(jié)部分d_n⁵波形中方框所示，與信號(hào)奇異點(diǎn)相應(yīng)的小波函數(shù)支撐域中最大的模極大值較好地檢測(cè)了信號(hào)的局部奇異性,，并且可以作為信號(hào)的特征提取出來(lái),。至此可以得到如下結(jié)論：對(duì)于熔滴短路過(guò)渡CO₂氣體保護(hù)焊的電流信號(hào)，應(yīng)用雙正交小波Bior2.4在尺度2⁵時(shí),，可以由細(xì)節(jié)部分的模極大值較好地檢測(cè)信號(hào)的局部奇異性,，并可將其作為信號(hào)的信息特征提取出來(lái)。
2.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)定弧焊質(zhì)量
??? 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ANN(Artificial Neural Networks),，是基于模仿人類生物大腦的結(jié)構(gòu)和功能而構(gòu)成的一種信息處理系統(tǒng),，由大量高度互聯(lián)的簡(jiǎn)單處理單元組成^[8]。這種簡(jiǎn)單的處理單元稱為神經(jīng)元,。焊接過(guò)程是一個(gè)高度非線性,、多變量耦合作用，同時(shí)具有大量隨機(jī)不確定因素的復(fù)雜過(guò)程,。這種復(fù)雜性決定了其數(shù)學(xué)模型建立的困難性,，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則可在不做任何假設(shè)的情況下對(duì)過(guò)程建模及控制^[9]。針對(duì)CO2短路過(guò)渡焊,，利用MATLAB提供的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱,，采用BP網(wǎng)絡(luò)建立焊接過(guò)程統(tǒng)計(jì)參數(shù)和質(zhì)量等級(jí)參數(shù)L之間的關(guān)系模型，即用6個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)P₁,、P₂,、P₃,、P₄、P₅,、P₆為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層,，以質(zhì)量等級(jí)參數(shù)L為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出層，構(gòu)造一個(gè)三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),。若用一定試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本,，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，然后把待評(píng)估的焊接試驗(yàn)樣本輸入訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò),，就可得到網(wǎng)絡(luò)估測(cè)的焊接質(zhì)量參數(shù)L,。輸出的質(zhì)量參數(shù)L可以作為焊接質(zhì)量評(píng)估的指標(biāo)，對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)有一定指導(dǎo)意義,。
　　本文基于USB總線技術(shù)所開發(fā)的針對(duì)CO2焊接電參數(shù)檢測(cè)的C8051F320高速SOC虛擬儀器檢測(cè)分析系統(tǒng),，將USB總線技術(shù)成功應(yīng)用于焊接過(guò)程的信號(hào)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)焊接過(guò)程的大數(shù)據(jù)量采集和高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸通信,，具有一定的開創(chuàng)性,；成功實(shí)現(xiàn)了Cygnal公司的USB型單片機(jī)C8051F320與LabView軟件開發(fā)平臺(tái)的數(shù)據(jù)通信；開發(fā)的USB接口硬件采集設(shè)備可熱插拔,、即插即用、使用便捷,，大大方便了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡,；開發(fā)的客戶端高級(jí)應(yīng)用程序界面逼真于傳統(tǒng)硬件儀器界面，操作簡(jiǎn)便,，可滿足實(shí)際焊接生產(chǎn)中長(zhǎng)時(shí)間,、不間斷的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄焊接工藝參數(shù)的需要；具備多種焊接數(shù)據(jù)分析功能：瞬時(shí)U-I圖,、小波消噪,、小波分析提取焊接過(guò)程特征信息、電弧電壓概率密度分布圖,、焊接電流概率密度分布圖,、短路時(shí)間頻數(shù)圖、燃弧時(shí)間頻數(shù)圖,、特征參數(shù)統(tǒng)計(jì),、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)定焊接質(zhì)量，可基本滿足對(duì)弧焊過(guò)程分析的需求,，對(duì)焊接生產(chǎn)具有一定指導(dǎo)意義,。

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