船用鋼板激光彎曲成形試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)

板材激光彎曲成形是一種新型的無接觸成形技術(shù)，目前對(duì)激光彎曲成形工藝的研究主要集中在試驗(yàn)和數(shù)值模擬方面。為獲得板材的變形程度以及為數(shù)值模型提供驗(yàn)證，需要對(duì)激光彎曲成形過程板材的彎曲角度和溫度分布進(jìn)行測(cè)量。

針對(duì)實(shí)驗(yàn)過程溫度和彎曲角度變化的特點(diǎn)，在Windows環(huán)境下，結(jié)合研華的工業(yè)數(shù)據(jù)采集卡及其相應(yīng)的傳感器，運(yùn)用多線程及嵌入式匯編技術(shù)，使用VC6.0開發(fā)了相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件。

應(yīng)用此系統(tǒng)對(duì)一種船用鋼板的激光彎曲成形實(shí)驗(yàn)中的溫度和彎曲角度變化進(jìn)行了實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集，并獲得了較好的采樣數(shù)據(jù)。

2．系統(tǒng)配置：

該系統(tǒng)所用計(jì)算機(jī)為一臺(tái)ＰⅢ933、256Ｍ內(nèi)的研華610工控機(jī)，操作系統(tǒng)為中文Windows 98。

此系統(tǒng)采用了研華PCL-818HD數(shù)據(jù)采集卡，它具有8路差分輸入通道和一個(gè)1Ｋ的FIFO(First In First Out)高速緩存器，可以獲得更快的數(shù)據(jù)傳輸和Windows下更好的數(shù)據(jù)傳輸性能。溫度傳感器經(jīng)過溫度調(diào)理模塊與Ａ/Ｄ卡相連，位移傳感器直接與Ａ/Ｄ卡相連，Ａ/Ｄ卡通過總線與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3．控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：

板材激光彎曲成形是一種新型的無模成形方法，它利用激光束掃描金屬板材，在熱作用區(qū)內(nèi)產(chǎn)生明顯的溫度梯度，導(dǎo)致非均勻分布的內(nèi)應(yīng)力來實(shí)現(xiàn)板材塑性彎曲成形。激光彎曲成形過程不需要模具，因而不存在模具制作費(fèi)用、制作周期等問題，降低成本；不受加工環(huán)境、工件尺寸的限制，可通過優(yōu)化激光加工工藝參數(shù)精確控制板材的彎曲程度。由于板材激光彎曲成形技術(shù)光明的應(yīng)用前景，吸引了國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者從事這方面的研究探索，國(guó)外的應(yīng)用已經(jīng)初步進(jìn)入實(shí)用化的階段，而國(guó)內(nèi)的研究剛剛起步，主要集中在試驗(yàn)和數(shù)值模擬方面。

非均勻的溫度場(chǎng)在激光彎曲成形中起了非常重要的作用，激光掃描時(shí)溫度急劇上升，隨后冷卻過程中溫度下降，溫度上升和下降產(chǎn)生的熱膨脹和收縮導(dǎo)致了板材部不均勻的應(yīng)力分布，從而使板材發(fā)生彎曲，因此溫是激光彎曲成形過程中的重要參量。在激光彎曲成型試驗(yàn)研究中，需要了解彎曲角度的動(dòng)態(tài)變化過程，采用測(cè)量非夾持端的位移來計(jì)算彎曲角度是一種可行的方法。

1）數(shù)據(jù)采集的基本原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳感器所采集到的溫度和位移信號(hào)是模擬量，為了能讓計(jì)算機(jī)對(duì)這些模擬量進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，需要通過模數(shù)轉(zhuǎn)換將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。而數(shù)據(jù)采集的基本原理就是將信號(hào)通過傳感器送到模擬輸入信號(hào)調(diào)理模塊，通過調(diào)理模塊將毫伏(ｍＶ)信號(hào)放大成Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換卡標(biāo)準(zhǔn)電壓輸入信號(hào)(-10～10Ｖ)，再送到Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換卡，計(jì)算機(jī)接受由Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換卡轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)，最后經(jīng)過數(shù)字濾波、標(biāo)度轉(zhuǎn)換把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成為溫度或位移的工程單位。

2）硬件基礎(chǔ)

該系統(tǒng)采用研華PCL-818HD數(shù)據(jù)采集卡，調(diào)理模塊采用研華PCLD-789Ｄ16通道多路擴(kuò)展放大板，具有冷端溫度補(bǔ)償功能，冷端補(bǔ)償溫度數(shù)據(jù)占用Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)化卡的一個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)通道。

溫度傳感器采用外徑1 0ｍｍ、偶絲直徑0 18ｍｍ的鎳鉻-鎳硅鎧裝熱電偶，使用補(bǔ)償導(dǎo)線與調(diào)理模塊相連，通過調(diào)理模塊的多路選擇功能，多根熱電偶共同占用Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換卡一個(gè)單獨(dú)通道。

位移傳感器采用Banner公司的自含式二級(jí)激光測(cè)量傳感器，它可以實(shí)現(xiàn)精確的測(cè)量，分辨率可達(dá)10μｍ，調(diào)理模塊被封裝在傳感器內(nèi)，輸出信號(hào)就是Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換卡測(cè)量范圍內(nèi)的電壓信號(hào)，使用按鍵或遙控設(shè)置編程可進(jìn)行快速的測(cè)量遠(yuǎn)近面的設(shè)置，位移傳感器單獨(dú)占用Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換卡的一個(gè)數(shù)據(jù)通道，通過PCLD-789Ｄ多路擴(kuò)展放大板直接與Ａ/Ｄ卡上的通道相連接，中間不需要經(jīng)過信號(hào)放大。

3）軟件設(shè)計(jì)

軟件部分是使用VC開發(fā)的MFC應(yīng)用程序，溫度位移數(shù)據(jù)采集軟件包括了數(shù)據(jù)采集、采樣數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示、標(biāo)度轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)處理及存儲(chǔ)幾部分。

采集系統(tǒng)的核心就是對(duì)采樣數(shù)據(jù)的采集和處理，數(shù)據(jù)的采集、處理和顯示功能模塊都是針對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行的。其中采樣模塊是采集系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，系統(tǒng)通過此模塊來獲得數(shù)據(jù)，它主要包括三部分：溫度數(shù)據(jù)采集、位移數(shù)據(jù)采集和采集參數(shù)設(shè)置。對(duì)原始采樣數(shù)據(jù)的標(biāo)度轉(zhuǎn)化及干擾消除是由數(shù)據(jù)處理功能模塊完成的，它封裝了標(biāo)度轉(zhuǎn)換、數(shù)值濾波和濾波參數(shù)設(shè)置等功能，可方便及時(shí)的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。采集數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示、處理后的數(shù)據(jù)顯示及參數(shù)設(shè)置的回顯是由數(shù)據(jù)顯示模塊來完成的。采集系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

Win32系統(tǒng)支持統(tǒng)一進(jìn)程的多線程編程技術(shù)。為保證數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性，避免采樣過程中的數(shù)據(jù)丟失，在進(jìn)行溫度位移數(shù)據(jù)采樣時(shí)，通過調(diào)用API函數(shù)AfxBeginThread創(chuàng)建一個(gè)采樣線程，采樣線程調(diào)用數(shù)據(jù)采集模塊；主線程接受用戶界面控制信息(參數(shù)設(shè)置)，并把所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示以及數(shù)據(jù)處理后的圖形顯示。

數(shù)據(jù)采集模塊是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，數(shù)據(jù)采集的方式有程序查詢方式、中斷方式和DMA方式。根據(jù)Windows新的編程規(guī)范，考慮到測(cè)量過程的特點(diǎn)及系統(tǒng)軟硬件的配置情況，采用了程序查詢方式來傳送Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)結(jié)果。利用VC的嵌入式編程技術(shù)，編寫了數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊程序框圖如圖3所示。

采樣之前首先要初始化Ａ/Ｄ模數(shù)轉(zhuǎn)化卡，然后進(jìn)行采樣循環(huán)，每一次采樣循環(huán)中要記錄采樣時(shí)刻，根據(jù)采樣參數(shù)設(shè)置對(duì)每一個(gè)熱電偶進(jìn)行采集和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，記錄溫度補(bǔ)償通道(CJC通道)的數(shù)據(jù)，然后記錄位移傳感器的采樣數(shù)據(jù)。程序中采用了兩種讀取數(shù)據(jù)的方式，即直接讀數(shù)據(jù)輸入端口和讀Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換卡上的FIFO緩存。為了提高程序的執(zhí)行速度，對(duì)硬件端口的讀寫操作采用了嵌入式匯編語言來編寫。

由于激光彎曲成形試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)不可避免的存在各種干擾，輸入信號(hào)中通常疊加有噪聲和不必要的頻率分量，這些噪聲會(huì)帶來誤差。在此系統(tǒng)中，采用了數(shù)字濾波器，使用軟件來實(shí)現(xiàn)濾波。數(shù)字濾波具有不需增加硬件設(shè)備、可靠性高、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)中提供了二階慣性濾波、遞推平均濾波和限幅濾波法3種數(shù)字濾波方法。標(biāo)度轉(zhuǎn)換有公式法和查表法，由于不需要對(duì)原始采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化處理，對(duì)溫度的轉(zhuǎn)換處理采用了查表的方法；位移與采樣電壓成線性關(guān)系，使用簡(jiǎn)單的線性公式即可將電壓轉(zhuǎn)換為位移數(shù)據(jù)。

程序的總體實(shí)現(xiàn)利用了VC++提供的面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法，采用了MFC文檔視圖結(jié)構(gòu)。

4．結(jié)論

此系統(tǒng)能滿足激光彎曲過程溫度及彎曲角度實(shí)時(shí)采集的需要，穩(wěn)定的采樣頻率可達(dá)500HZ。而且具有友好的界面，可方便的設(shè)置采樣參數(shù)、實(shí)時(shí)顯示采樣數(shù)據(jù)；數(shù)字濾波功能的加入使采樣數(shù)據(jù)的處理更容易。由于采用了模塊化和面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法，便于功能擴(kuò)充。