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

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

應用此系統(tǒng)對一種船用鋼板的激光彎曲成形實驗中的溫度和彎曲角度變化進行了實時的數(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)所用計算機為一臺ＰⅢ933、256Ｍ內(nèi)的研華610工控機，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卡通過總線與計算機進行通訊，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3．控制系統(tǒng)設(shè)計：

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，導致非均勻分布的內(nèi)應力來實現(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)光明的應用前景，吸引了國內(nèi)外不少學者從事這方面的研究探索，國外的應用已經(jīng)初步進入實用化的階段，而國內(nèi)的研究剛剛起步，主要集中在試驗和數(shù)值模擬方面。

非均勻的溫度場在激光彎曲成形中起了非常重要的作用，激光掃描時溫度急劇上升，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致了板材部不均勻的應力分布，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研究中，需要了解彎曲角度的動態(tài)變化過程，采用測量非夾持端的位移來計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

傳感器所采集到的溫度和位移信號是模擬量，為了能讓計算機對這些模擬量進行數(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通過傳感器送到模擬輸入信號調(diào)理模塊，通過調(diào)理模塊將毫伏(ｍＶ)信號放大成Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換卡標準電壓輸入信號(-10～10Ｖ)，再送到Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換卡，計算機接受由Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換卡轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號，最后經(jīng)過數(shù)字濾波、標度轉(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通道多路擴展放大板，具有冷端溫度補償功能，冷端補償溫度數(shù)據(jù)占用Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)化卡的一個單獨的數(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，使用補償導線與調(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)換卡一個單獨通道。

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

3）軟件設(shè)計

軟件部分是使用VC開發(fā)的MFC應用程序，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)動態(tài)顯示、標度轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)處理及存儲幾部分。

采集系統(tǒng)的核心就是對采樣數(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采樣數(shù)據(jù)進行的。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。對原始采樣數(shù)據(jù)的標度轉(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，可方便及時的對數(shù)據(jù)進行處理。采集數(shù)據(jù)的動態(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)一進程的多線程編程技術(shù)。為保證數(shù)據(jù)采集的實時性，避免采樣過程中的數(shù)據(jù)丟失，在進行溫度位移數(shù)據(jù)采樣時，通過調(diào)用API函數(shù)AfxBeginThread創(chuàng)建一個采樣線程，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)進行實時動態(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，考慮到測量過程的特點及系統(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，然后進行采樣循環(huán)，每一次采樣循環(huán)中要記錄采樣時刻，根據(jù)采樣參數(shù)設(shè)置對每一個熱電偶進行采集和數(shù)據(jù)存儲，記錄溫度補償通道(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現(xiàn)場不可避免的存在各種干擾，輸入信號中通常疊加有噪聲和不必要的頻率分量，這些噪聲會帶來誤差。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。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。標度轉(zhuǎn)換有公式法和查表法，由于不需要對原始采樣數(shù)據(jù)進行實時轉(zhuǎn)化處理，對溫度的轉(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)。

程序的總體實現(xiàn)利用了VC++提供的面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法，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時采集的需要，穩(wěn)定的采樣頻率可達500HZ。而且具有友好的界面，可方便的設(shè)置采樣參數(shù)、實時顯示采樣數(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)計方法，便于功能擴充。