船用钢板激光弯曲成形试验过程数据采集系统的开发

板材激光弯曲成形是一种新型的无接触成形技术，目前对激光弯曲成形工艺的研究主要集中在试验和数值模拟方面。为获得板材的变形程度以及为数值模型提供验证，需要对激光弯曲成形过程板材的弯曲角度和温度分布进行测量。

针对实验过程温度和弯曲角度变化的特点，在Windows环境下，结合研华的工业数据采集卡及其相应的传感器，运用多线程及嵌入式汇编技术，使用VC6.0开发了相应的数据采集系统软件。

应用此系统对一种船用钢板的激光弯曲成形实验中的温度和弯曲角度变化进行了实时的数据采集，并获得了较好的采样数据。

2．系统配置：

该系统所用计算机为一台ＰⅢ933、256Ｍ内的研华610工控机，操作系统为中文Windows 98。

此系统采用了研华PCL-818HD数据采集卡，它具有8路差分输入通道和一个1Ｋ的FIFO(First In First Out)高速缓存器，可以获得更快的数据传输和Windows下更好的数据传输性能。温度传感器经过温度调理模块与Ａ/Ｄ卡相连，位移传感器直接与Ａ/Ｄ卡相连，Ａ/Ｄ卡通过总线与计算机进行通讯，其硬件结构如图1所示。

3．控制系统设计：

板材激光弯曲成形是一种新型的无模成形方法，它利用激光束扫描金属板材，在热作用区内产生明显的温度梯度，导致非均匀分布的内应力来实现板材塑性弯曲成形。激光弯曲成形过程不需要模具，因而不存在模具制作费用、制作周期等问题，降低成本；不受加工环境、工件尺寸的限制，可通过优化激光加工工艺参数精确控制板材的弯曲程度。由于板材激光弯曲成形技术光明的应用前景，吸引了国内外不少学者从事这方面的研究探索，国外的应用已经初步进入实用化的阶段，而国内的研究刚刚起步，主要集中在试验和数值模拟方面。

非均匀的温度场在激光弯曲成形中起了非常重要的作用，激光扫描时温度急剧上升，随后冷却过程中温度下降，温度上升和下降产生的热膨胀和收缩导致了板材部不均匀的应力分布，从而使板材发生弯曲，因此温是激光弯曲成形过程中的重要参量。在激光弯曲成型试验研究中，需要了解弯曲角度的动态变化过程，采用测量非夹持端的位移来计算弯曲角度是一种可行的方法。

1）数据采集的基本原理及系统设计

传感器所采集到的温度和位移信号是模拟量，为了能让计算机对这些模拟量进行数据处理，需要通过模数转换将模拟量转换成数字量。而数据采集的基本原理就是将信号通过传感器送到模拟输入信号调理模块，通过调理模块将毫伏(ｍＶ)信号放大成Ａ/Ｄ转换卡标准电压输入信号(-10～10Ｖ)，再送到Ａ/Ｄ转换卡，计算机接受由Ａ/Ｄ转换卡转换后的数字信号，最后经过数字滤波、标度转换把数字量转换成为温度或位移的工程单位。

2）硬件基础

该系统采用研华PCL-818HD数据采集卡，调理模块采用研华PCLD-789Ｄ16通道多路扩展放大板，具有冷端温度补偿功能，冷端补偿温度数据占用Ａ/Ｄ转化卡的一个单独的数据通道。

温度传感器采用外径1 0ｍｍ、偶丝直径0 18ｍｍ的镍铬-镍硅铠装热电偶，使用补偿导线与调理模块相连，通过调理模块的多路选择功能，多根热电偶共同占用Ａ/Ｄ转换卡一个单独通道。

位移传感器采用Banner公司的自含式二级激光测量传感器，它可以实现精确的测量，分辨率可达10μｍ，调理模块被封装在传感器内，输出信号就是Ａ/Ｄ转换卡测量范围内的电压信号，使用按键或遥控设置编程可进行快速的测量远近面的设置，位移传感器单独占用Ａ/Ｄ转换卡的一个数据通道，通过PCLD-789Ｄ多路扩展放大板直接与Ａ/Ｄ卡上的通道相连接，中间不需要经过信号放大。

3）软件设计

软件部分是使用VC开发的MFC应用程序，温度位移数据采集软件包括了数据采集、采样数据动态显示、标度转换、数字滤波、数据处理及存储几部分。

采集系统的核心就是对采样数据的采集和处理，数据的采集、处理和显示功能模块都是针对采样数据进行的。其中采样模块是采集系统的关键部分，系统通过此模块来获得数据，它主要包括三部分：温度数据采集、位移数据采集和采集参数设置。对原始采样数据的标度转化及干扰消除是由数据处理功能模块完成的，它封装了标度转换、数值滤波和滤波参数设置等功能，可方便及时的对数据进行处理。采集数据的动态显示、处理后的数据显示及参数设置的回显是由数据显示模块来完成的。采集系统软件结构如图2所示。

Win32系统支持统一进程的多线程编程技术。为保证数据采集的实时性，避免采样过程中的数据丢失，在进行温度位移数据采样时，通过调用API函数AfxBeginThread创建一个采样线程，采样线程调用数据采集模块；主线程接受用户界面控制信息(参数设置)，并把所采集的数据进行实时动态显示以及数据处理后的图形显示。

数据采集模块是数据采集系统的关键部分，数据采集的方式有程序查询方式、中断方式和DMA方式。根据Windows新的编程规范，考虑到测量过程的特点及系统软硬件的配置情况，采用了程序查询方式来传送Ａ/Ｄ转换的数据结果。利用VC的嵌入式编程技术，编写了数据采集模块。数据采集模块程序框图如图3所示。

采样之前首先要初始化Ａ/Ｄ模数转化卡，然后进行采样循环，每一次采样循环中要记录采样时刻，根据采样参数设置对每一个热电偶进行采集和数据存储，记录温度补偿通道(CJC通道)的数据，然后记录位移传感器的采样数据。程序中采用了两种读取数据的方式，即直接读数据输入端口和读Ａ/Ｄ转换卡上的FIFO缓存。为了提高程序的执行速度，对硬件端口的读写操作采用了嵌入式汇编语言来编写。

由于激光弯曲成形试验现场不可避免的存在各种干扰，输入信号中通常叠加有噪声和不必要的频率分量，这些噪声会带来误差。在此系统中，采用了数字滤波器，使用软件来实现滤波。数字滤波具有不需增加硬件设备、可靠性高、使用灵活等优点。系统中提供了二阶惯性滤波、递推平均滤波和限幅滤波法3种数字滤波方法。标度转换有公式法和查表法，由于不需要对原始采样数据进行实时转化处理，对温度的转换处理采用了查表的方法；位移与采样电压成线性关系，使用简单的线性公式即可将电压转换为位移数据。

程序的总体实现利用了VC++提供的面向对象的程序设计方法，采用了MFC文档视图结构。

4．结论

此系统能满足激光弯曲过程温度及弯曲角度实时采集的需要，稳定的采样频率可达500HZ。而且具有友好的界面，可方便的设置采样参数、实时显示采样数据；数字滤波功能的加入使采样数据的处理更容易。由于采用了模块化和面向对象的程序设计方法，便于功能扩充。