数控气压焊轨机参数采集与质量管理系统

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　　钢轨焊接是实现无缝线路铺设的技术关键,采用小型气压焊是现场施工的首选工艺[1 ,2 ] 。钢轨气压焊的焊接工艺原理是通过气体火焰对钢轨两紧密贴合的清洁端面加热,待贴合面附近的钢轨被加热到塑性状态,金属原子具有了足够的“活化能”,能够穿过贴合面互相急剧扩散时,即对贴面加压顶锻。在高温高压的条件下施以足够的挤压力,使焊接表面之间的距离缩短到原子之间的相互作用半径,达到分子之间的金属键联接,完成重新再结晶,从而获得两钢轨牢固联结的焊接接头[3 ] 。目前,我国新型数控小型气压焊轨机已具备自动控制功能,但是由于施工现场环境条件差,影响因素多,对焊轨施工的实际过程无法跟踪与监测。

　　因此,对气压焊的氧气、乙炔流量、压力和位移等参数进行实时采集与分析非常必要。目前,工业参数采集的常用方法是板卡式采集,即在电脑主机内插入一些板卡来采集参数,这种采集方式所需配件多,占用空间大,对于现场作业的气压焊来说很不方便。本文采用带USB 接口的参数采集模块,利用Visual Basic 软件的强大功能,开发适用于现场气压焊的参数采集系统。该系统与数控气压焊控制箱联合使用,由USB 模块获得所需参数,用USB 传输线作为采集模块和笔记本电脑的通信电缆,就能实时地进行气压焊参数的采集,并能及时进行数据处理,使用非常方便。

1 　系统硬件设计
1.1 　采集模块工作原理
　　系统硬件的核心部分是具有热拔插、即插即用功能的数据采集模块。操作系统选用目前流行的Windows 系列、高稳定性的Unix 等多种操作系统以及专业数据采集分析系统Labview 等软件环境。在硬件安装时,只需将模块接口插入计算机内接口插座中,信号电缆从模块提供的接口直接接入。采集模块允许采用16 路单端输入方式或8 路双端输入方式。数据采集模块主要由模拟多路开关选通电路、差分放大电路、模数转换电路、开关量输入输出电路和接口控制逻辑电路组成。被通道开关选中的模拟信号经由差分放大器放大,再通过12 位APD 转换器进行变换处理,最终通过USB 传输线传入电脑。

1.2 　硬件组成
　　数据采集模块装在数控气压焊控制箱中,通过传输线将模块与笔记本电脑相连(图1) 。气压焊的质量主要取决于焊接过程中的热输入、压力以及顶锻量(即位移) 的大小。因此本系统主要是采集气压焊过程中的氧气、乙炔流量、压力以及位移,通过传感器将这四个参量转换成电压信号,将信号经过滤波、放大处理后输入采集模块的模拟信号输入端,同时,为了实现参数采集系统的自动启停,也为了便于后期的数据处理,本系统还设置了开关量信号的采集。硬件结构见图2。
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　　系统中的氧气、乙炔流量是通过气体流量控制阀得到的,压力通过油泵上的压力传感器检测,位移则通过加在焊机上的滑动电阻式位移传感器得到。

2 　系统软件设计
2.1 　DLL 技术
　　动态链接库DLL 是一种基于Windows 的程序模块,它是在运行时刻被装入和连接的。动态链接库中只包含供应用程序运行时装入该DLL 的有关信息,并非是源代码的复制,因此使用动态链接库可以使多个应用程序之间共享代码和资源从而提高运行速率。从VB 调用库函数时,要先在全局模块或窗体说明部分用Declare 声明所要使用的库函数,然后像使用VB 自己的函数一样调用这些函数[4 ] 。Usb7KC. dll 是为数据采集模块配制的工作在Windows 95P98P2000PNT环境下的一个动态链接库,它所封装的函数可以被其他应用程序在运行时直接调用。
2.2 　程序设计
　　Visual Basic (以下简称VB) 是一种可视化的编程语言,自面世以来,倍受广大编程人员的青睐。本系统的程序设计部分采用了功能模块化的结构,主要功能模块见图3。
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　　1) 参数设置模块:该模块主要用来设置焊接现场的一些主要情况,包括钢轨的型号、材料、焊机型号以及现场环境等。
　　2) 数据采集模块:该模块是参数采集系统的核心部分,设备连接完毕后,运行程序就可进行参数采集。利用VB 的Timer 控件,以每秒25 次的频率调用模块的DLL 函数进行参数采集。
　　3) 图形显示模块:该模块的功能是将所采集的气压焊参数进行处理,将焊接过程的参数及其变化趋势以曲线、图形的形式直观地在显示屏或打印机上输出。焊接参数曲线图由四色线区分。其中红色曲线代表氧气流量,黑色曲线代表乙炔流量,黄色曲线代表压力,蓝色曲线代表位移。左边坐标为气体流量和压力,右边坐标为位移。氧气和乙炔的采集范围为0 ～200SLM,压力的采集范围为0～100 MPa ,位移采集范围为- 5～45 mm。
　　4) 质量管理模块:该模块的主要功能是统计实验结果,并将实验结果与钢轨接头的焊接参数相对照,形成一个质量管理平台,便于对实验结果和焊接参数进行分析,最终实现最佳焊接参数的选取。
　　5) 报表生成模块:该模块主要对数据进行保存、处理,并将处理后的数据以报表形式输出到显示屏或打印机上。本系统有两种报表: 接头报表和日报表。其中日报表由于项目较多,故采用VB Excel 控件实现。
3 　系统应用效果
3.1 　现场焊轨实测结果
　　采用本系统在青藏高原海拔4 300 m的西大滩等地段进行现场焊轨实测,得到U71Mn 60 kgPm 钢轨数控气压焊氧气、乙炔流量、预顶压力与时间( P1 、T1 ) 、低压压力与时间( P2 、T2 ) 、顶锻压力与时间( P3 、T3 ) 、顶锻量、推瘤力P4 、焊接总时间Tm 等参数变化规律及焊头落锤结果如表1。可以看出,各阶段参数基本稳定,因而落锤都三锤不断,性能良好。这就为最佳参数的选取提供了依据:在施工环境相差不大的情况下,采用如表1 参数对U71Mn 60 kgPm 钢轨进行焊接,可以获得质量很好的焊接接头。
3.2 　工艺试验与现场焊轨状况比较
　　将50 kgPm 钢轨通过工艺实验的焊接参数用于施工现场焊接,并将实时采集的参数与工艺试验参数进行对比(表2) ,发现现场气压焊参数与工艺试验参数的区别。
　　1) 气体配比不同　由于工艺试验地点海拔比现场焊接地点高,空气稀薄,因此工艺实验的氧气流量要高于现场焊接时的氧气流量。
　　
　　2) 预顶与低压压力数值不同　现场焊轨施工时,由于线路存在坡度(3 ‰～20 ‰) 有钢轨自重分力、弯道阻力等特殊工况,因此,预顶与低压压力值要比工艺试验时高2～3 MPa ,才能补偿特殊工况带来的分力,确保焊接压力。

　　3) 预顶阶段加热时间缩短　因为现场日照时间长,轨温偏高,所以将预顶阶段加热时间在型检试验参数的基础上缩短10 s。此外,由于焊接过程的人工干预,导致实际焊接参数与焊前设定参数有所不同,如表中工艺试验的2 号钢轨,由于人为地将低压阶段的焊接加热时间延长,使得低压阶段实际加热时间由设定的125 s 变为15514 s ,这些焊接过程的实际情况都能在本系统所采集到的参数中如实地反映出来。


3.3 　海拔高度与气体匹配的关系
　　由于焊接地点的海拔不同,究竟焊接气体配比如何,才能获得良好的焊接质量,过去无法知晓。为此,采用本系统应用于南山口、西大滩和不冻泉三个地点,采集焊轨时气体配比变化情况(表3) ,发现随着海拔升高,空气越稀薄,氧气流量应适当增大。
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4 　结论
　　1) 本系统具有热拔插、即插即用、汉化界面、使用方便等优点。系统在高原恶劣的施工环境下使用,稳定性良好,完全可以满足现场焊轨作业工程质量管理的各项要求。
　　2) 本系统自动实时生成气压焊参数曲线,能真实反映实际焊轨质量信息,可供特殊环境、单元焊和锁定焊等不同工况条件下的现场焊轨工艺对质量影响规律的研究与分析。
　　3) 本系统能自动生成的气压焊质量管理日、月、年报表,为追溯钢轨焊接工况、诊断焊轨质量、实现焊轨工程质量现代化管理提供了有效手段。