CN100464269C - 一种用于控制工业过程的质量的方法和系统 - Google Patents

Abstract

用于控制工业过程的质量的方法，包含：获得与该工业过程相关的一个或多个参考信号，获取指示工业过程质量的一个或多个实际信号，比较所述一个或多个参考信号与所述一个或多个实际信号，识别工业过程中的缺陷。该方法还包含：根据所述参考信号获得实部和虚部；根据所述实际信号获得实部和虚部；计算根据所述参考信号获得的所述实部和虚部之间的第一比较量；计算根据所述实际信号获得的所述实部和虚部之间的第二比较量；比较第一比较量和第二比较量，获得与缺陷的存在相关的时间位置信息。

Description

一种用于控制工业过程的质量的方法和系统

技术领域

本发明涉及用于控制工业过程的质量的方法，包含以下步骤：

获得与该工业过程相关的一个或多个参考信号，

获取指示所述工业过程质量的一个或多个实际信号，

将所述一个或多个参考信号与所述一个或多个实际信号进行比较，从而识别所述工业过程的缺陷。

背景技术

对工业过程中的缺陷进行监视具有不断增长的经济重要性，这是由于它在工业产品的质量分析中所具有的影响。就经济因素和处理速度而言，可以在线和自动地获得对工业过程质量的评估的能力具有许多优势。因此，希望这种系统所具有的特征为：

-在线和实时处理；

-准确地识别主要生产缺陷的能力。

当前，识别工业过程质量的问题，以及因此识别任意缺陷的问题，是通过专家进行的离线检测发生的，或者利用通过传感器的自动方法发生的，该方法仅能识别上述缺陷中的一部分，而这点并不能令人感到满意，并且这些离线检测对于机器的不同设置是敏感的。

具有多种已知的用于控制工业过程的质量的方法和系统，例如应用于对激光焊接过程、特别是金属板焊接过程进行在线监视的方法和系统。该控制系统可以评估在焊接区域中是否存在孔，或者在对头焊接薄金属板的情况下，评估是否存在由于金属板叠置或分离导致的缺陷。

所使用的这种系统的重量控制基于一种比较，也就是在过程期间获得的信号与一个或多个预先确定的参考信号之间的比较，其中这些参考信号代表了高质量焊接。这些参考信号是根据多个高质量焊接样本而预先确定的，并且通常情况下参考信号的数量在两个到十个之间变化。这种进行方式意味着，在生成这些参考信号时必须有能够确认焊接质量的经验丰富的操作人员在场，而这会导致时间浪费并且有时还会导致材料浪费(其中这些时间和材料用于获得得到参考信号所需的样本)。因此，在类似的、耗费时间和成本的过程的情况下，有必要使得随后进行的与参考信号比较的过程可以快速地、实时地和低成本地进行，而在现有已知系统中并不没有达到这种要求。

我们还知道这样一些方法，例如根据由本申请人提出的欧洲专利申请EP-A-1275464，这些方法利用对焊接点发出的辐射进行统计分析的过程避免了使用参考信号；但是，这些方法仅可以实现对任意缺陷的一种非常近似的探测。

本发明的目的是克服上述所有缺点。

发明内容

为了实现所述目的，本发明涉及一种用于控制工业过程质量的方法，该方法具有前面提到的特征，并且特征进一步在于包含下述操作：

-根据所述参考信号获得实部和虚部；

-根据所述实际信号获得实部和虚部；

-计算根据所述参考信号获得的所述实部和所述虚部之间的第一比较量；

-计算根据所述实际信号获得的所述实部和所述虚部之间的第二比较量；

-对所述第一比较量和第二比较量进行比较，从而获得与缺陷的存在相关的时间位置信息。

在优选实施例中，所述比较量包含一个积累面积，所获得的该积累面积是所述实部和所述虚部之差的绝对值，并且所述比较量还包含由所述实部和所述虚部表示的复数值的相位。

自然地，本发明还涉及实施上述方法的用于控制工业过程质量的系统，以及对应的计算机产品，当在计算机上运行该计算机产品时，它可直接加载到数字计算机的存储器中，例如处理器中，并且包含用于执行根据本发明的方法的软件代码部分。

本发明在一个方面提供了一种用于控制工业过程的质量的方法，这种方法包含以下步骤：

获得与该工业过程相关的一个或多个参考信号，

获取指示所述工业过程的质量的一个或多个实际信号，

将所述一个或多个参考信号与所述一个或多个实际信号进行比较，以识别所述工业过程中的缺陷，

从所述参考信号获得实部和虚部；

从所述实际信号获得实部和虚部；

其中该方法进一步包含以下操作：

计算来自所述参考信号的所述实部和所述虚部之间的第一比较量；

计算来自所述实际信号的所述实部和所述虚部之间的第二比较量；

将所述第一比较量和第二比较量进行比较，以获得与缺陷的存在相关联的时间位置信息。

优选地，所述计算第一比较量的步骤：包含计算参考相位和所述参考相位的相应第一角度系数的步骤，并且所述计算第二比较量的步骤包含：计算实际相位和所述实际相位的相应第二角度系数的步骤，

将所述第一比较量和第二比较量进行比较的所述操作包含：将所述第一角度系数和第二角度系数进行比较来识别用于对频率缺陷进行定位的时间窗口。

优选地，所述第一角度系数包含参考信号的角度系数的平均值。

优选地，所述计算第一比较量的步骤包含计算参考积累面积的步骤，并且所述计算第二比较量的步骤包含计算实际信号的积累面积的步骤。

优选地，该方法进一步包含评估所述时间窗口中所述参考积累面积的变化幅度的步骤，以及评估所述时间窗口中实际信号的所述积累参考面积的变化幅度的步骤以评估幅度缺陷。

优选地，所述参考积累面积和实际信号的所述积累面积被计算为是各自的虚部和实部之差的绝对值。

优选地，从所述参考信号获得实部和虚部的操作和从所述实际信号获得实部和虚部的操作是通过希尔伯特变换来实现的。

优选地，所述工业过程是激光焊接过程。

本发明在另一个方面提供了一种用于控制工业过程的质量的系统，包含：

用于测量一个或多个过程参数的传感器装置，以及

用于处理由所述传感器装置发出的信号的电子控制和处理单元，

其中：

用于处理由所述传感器装置发出的信号的所述电子控制和处理单元实施前述的用于控制工业过程的质量的方法。

在本发明的又一个方面，提供了一种用于控制工业过程的质量的设备，这种设备包含：

用于获得与该工业过程相关的一个或多个参考信号的装置，

用于获取指示所述工业过程的质量的一个或多个实际信号的装置，

用于将所述一个或多个参考信号与所述一个或多个实际信号进行比较以识别所述工业过程中的缺陷的装置，

用于从所述参考信号获得实部和虚部的装置；

用于从所述实际信号获得实部和虚部的装置；

其中该设备进一步包含：

用于计算来自所述参考信号的所述实部和所述虚部之间的第一比较量的装置；

用于计算来自所述实际信号的所述实部和所述虚部之间的第二比较量的装置；

用于将所述第一比较量和第二比较量进行比较以获得与缺陷的存在相关联的时间位置信息的装置。

优选地，所述用于计算第一比较量的装置包含：用于计算参考相位和所述参考相位的相应第一角度系数的装置，并且所述用于计算第二比较量的装置包含：用于计算实际相位和所述实际相位的相应第二角度系数的装置，

用于将所述第一比较量和第二比较量进行比较的装置执行对所述第一角度系数和第二角度系数的比较以识别用于对频率缺陷进行定位的时间窗口。

有选地，所述第一角度系数包含参考信号的角度系数的平均值。

优选地，所述用于计算第一比较量的装置包含用于计算参考积累面积的装置，并且所述用于计算第二比较量的装置包含用于计算实际信号的积累面积的装置。

优选地，该设备进一步包含用于评估所述时间窗口中所述参考积累面积的变化幅度的装置，以及用于评估所述时间窗口中实际信号的所述积累参考面积的变化幅度以评估幅度缺陷的装置。

优选地，所述参考积累面积和实际信号的所述积累面积被计算为是各自的虚部和实部之差的绝对值。

优选地，所述用于从所述参考信号获得实部和虚部的装置和所述用于从所述实际信号获得实部和虚部的装置是通过希尔伯特变换来操作的。

附图说明

参考附图，通过下面的完全以解释性和非限制性例子的方式提供的说明书，可以容易地看出本发明的其它特性和优势，在附图中：

-图1是显示实施根据本发明的方法的系统的框图；

-图2显示了图1的系统的详细情况；

-图3是表示根据本发明的方法的操作的流程图；

-图4显示了与根据本发明的方法处理的第一参考量相关的多个时间图；

-图5显示了与根据本发明的方法处理的第二参考量相关的多个时间图。

具体实施方式

现在，参考激光焊接方法，对根据本发明的方法进行举例说明。但是，所述激光焊接方法仅是工业过程的非限制性例子，可以将这些工业过程应用到根据本发明的用于控制工业过程质量的方法。

参考图1，附图标记10全面代表用于控制激光焊接过程的质量的系统。该例子涉及使用激光束来焊接两块金属板2和3的情况。附图标记4总体代表聚焦头，该聚焦头包含透镜5，并且由激光发生器(未示出)产生的激光束在通过透镜L后受到半反射镜6的反射，然后到达该透镜5。由该焊接区域发出的辐射E通过反射镜6并且被光电二极管构成的传感器7探测到，其中该传感器可以将其输出信号发送到与个人计算机9相连的电子控制和处理单元8。

在一种具体的实施例中，所使用的半反射镜6是ZnSe镜，其直径为2英寸，厚度为5mm。传感器7是频谱响应在190和1100nm之间的光电二极管，其有效面积为1.1×1.1mm并且具有石英反射镜。

图2更加详细地显示了与个人计算机9相连的控制和处理电子单元8。所述处理单元8包含抗混淆滤波器11，该滤波器对传感器7发送的信号起作用，因此提供了配有模拟/数字转换器的采集卡12，该采集卡对过滤后的信号进行采样并且将其转换为数字形式。该采集卡12优选地直接个人计算机9相连。

在另一种具体实施例中，采集卡12是PC卡NI 6110E数据采集卡，其最大采集频率为5M/秒。

抗混淆滤波器11利用低通滤波器(如Butterworth IIR滤波器)对信号进行滤波。

在个人计算机9中，实施了根据本发明的用于控制质量的方法，该方法基于利用光电二极管7获得的实际信号x_real与参考信号x_ref之间的比较，并且该比较代表了有缺陷的焊接，并且将其存储于所述个人计算机9中。

该参考信号是以获取频率f_s获得的，并且因此，根据Nyquist理论，该参考信号的信号频段相关于值f_s/2，而用于参考信号x_ref的样本数量为N。

图3显示了代表对参考信号x_ref所进行的操作的流程图。

在第一步骤100中，执行通过应用希尔伯特变换从而对参考信号x_ref进行变换的操作，从而获得了分别包含实部R_ref和虚部I_ref的复数分析信号x_{ref_h}。如图4a中所示，在图中将所述实部R_ref和虚部I_ref显示为时间t的函数。

将所述实部R_ref和虚部I_ref作为输入，并行地分别发送到块101和块102，并且在块101中执行计算参考信号的积累面积Ac_ref的步骤，而在块102中计算参考信号的相位F_ref。

在图4b中定性地表示了参考信号的积累面积Ac_ref，而它构成了通过复数分析信号x_{ref_h}的虚部和实部之间的比较从而得到的评估，在这种情况下为幅度之间的比较，其中该积累面积作为实部R_ref和虚部I_ref之差的绝对值被计算出来，即：

Ac_ref＝|I_ref-R_ref|           (1)

作为时间的函数的参考信号积累面积Ac_ref的恒定增长指示了不存在幅度缺陷的过程。

因此，为了获得关于频率的比较，通过计算实部R_ref和虚部I_ref之比的反正切从而得到参考信号的相位F_ref(图4c中对其进行了定性地表示)，即

$F_{\mathrm{ref}}=\mathrm{arctg}\left(\frac{I_{\mathrm{ref}}}{R_{\mathrm{ref}}}\right)---\left(2\right)$

参考信号的相位F_ref的恒定增长指示了不存在频率缺陷的过程。

在随后的块103中，计算作为时间的函数的参考信号的相位F_ref的角度系数mF_ref。在随后的块104中，计算作为时间的函数的参考信号的相位F_ref的所述角度系数mF_ref的平均值mF_{ref_med}。

与对于参考信号x_real一样，对实际信号x_real来说，也是通过应用希尔伯特变换从而对实际信号x_real进行了变换操作，从而获得了分别包含实部R_real和虚部I_real的复数分析信号x_{real_h}。如图5a中所示，在图中将所述实部R_real和虚部I_real显示为时间t的函数。

将所述实部R_real和虚部I_real作为输入，并行地分别发送到块201和块202，并且在块101中执行计算实际信号的积累面积A_creal的步骤，而在块202中计算实际信号的相位F_real。

在图5b中定性地表示了实际信号的积累面积A_creal，其中该积累面积为实际信号x_real希尔伯特变换的实部R_real和虚部I_real之差的绝对值，即

Ac_real＝|I_real-R_real|                   (3)

很明显的是，实际信号的积累面积Ac_real展现出了一个急剧变化，这可能是与幅度缺陷Ga有关的具有垂直切线的拐点。

通过计算实部R_ral和虚部I_real之比的反正切从而得到实际信号的相位F_real(图5c中对其进行了定性地表示)，即

$F_{\mathrm{real}}=\mathrm{arctg}\left(\frac{I_{\mathrm{real}}}{R_{\mathrm{real}}}\right)---\left(4\right)$

很明显的是，实际信号的相位F_real展现出了一个急剧变化，这可能是与频率缺陷Gf有关的水平弯曲。

为了确定所述频率缺陷Gf的时间位置，将实际信号的相位F_real发送到块203，并且在块203中，计算作为时间的函数的实际信号的相位F_real的角度系数mF_real。

将实际信号的相位F_real的所述角度系数mF_real，以及在块104中算得的参考信号的相位F_ref的平均角度系数mF_ref-med发送到比较块204，并且该块204输出时间瞬时t₁和t₂，其中实际信号的相位F_real的所述角度系数mF_real大于参考信号的相位F_ref的平均角度系数mF_{ref_med}，如图5d中所示。所述时间瞬时t₁和t₂规定了时间长度为D的时间窗口，并且如所叙述的那样，由于对信号进行了采样，因此该时间窗口基本上指示了多个样本，并且对于这些样本，比较块204的条件得到了证实并且因此存在频率缺陷。

然后，分别将所述时间瞬时t₁和t₂并行提供到块205和块105作为输入，并且块205也接收实际信号的积累面积A_creal，并且在时间长度为D的时间窗口评估缺陷幅度ad_real，而块105接收参考信号的积累面积Ac_ref作为输入，并且在该块中也类似地在时间长度为D的时间窗口评估参考幅度ad_ref。图5f和5g分别显示了与所述块105和205执行的操作有关的时间图。因此，可以利用与个人计算机9相连的控制和处理电子单元8，连续执行额外的处理操作，这些操作对参考幅度ad_ref和缺陷幅度ad_real进行比较，从而获得了关于缺陷的尺寸和特性的额外信息。

按照下面的方式实施该比较：在获得参考信号的积累面积Ac_ref和实际信号的积累面积Ac_eal后，一个瞬时接一个瞬时地计算参考信号的积累面积Ac_ref的最大垂直变化。然后，分析实际信号的积累面积Ac_real，并且将该信号的垂直变化与算得的参考信号的积累面积Ac_ref的最大值进行比较。由此可以得到幅度缺陷。

因此，上述方法使得可以在时域中确定缺陷的位置。因为该方法总是在时域中工作，而没有使用其它域中的变化，所以有优势的是，定位操作更加准确。而且，不存在域的变换使得可以更容易并且成本更低地在处理系统中实施该方法，例如更加简化了用于实施上述方法的FPGA电路。

自然地，与在上面完全通过举例方式描述和说明的方法和系统相比，本发明的构造细节和实施例可以具有较大的变化，但是这些变化并不改变本发明的原理，并且由此并不偏离本发明的范围。

Claims (16)

1.一种用于控制工业过程的质量的方法，这种方法包含以下步骤:

获得与所述工业过程相关的一个或多个参考信号，

获取指示所述工业过程的质量的一个或多个实际信号，

将所述一个或多个参考信号与所述一个或多个实际信号进行比较，以识别所述工业过程中的缺陷，

从所述参考信号获得实部和虚部；

从所述实际信号获得实部和虚部；

其中所述方法进一步包含以下操作:

计算来自所述参考信号的所述实部和所述虚部之间的第一比较量；

计算来自所述实际信号的所述实部和所述虚部之间的第二比较量；

将所述第一比较量和第二比较量进行比较，以获得与缺陷的存在相关联的时间位置信息。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述计算第一比较量的步骤包含:计算参考相位和所述参考相位的相应第一角度系数的步骤，并且所述计算第二比较量的步骤包含：计算实际相位和所述实际相位的相应第二角度系数的步骤，

将所述第一比较量和第二比较量进行比较的所述操作包含：将所述第一角度系数和第二角度系数进行比较来识别用于对频率缺陷进行定位的时间窗口。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述第一角度系数包含参考信号的角度系数的平均值。

4.如权利要求2或3所述的方法，其中所述计算第一比较量的步骤包含计算参考积累面积的步骤，并且所述计算第二比较量的步骤包含计算实际信号的积累面积的步骤。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述方法进一步包含：评估所述时间窗口中所述参考积累面积的变化幅度的步骤，以及评估所述时间窗口中实际信号的所述积累面积的变化幅度以评估幅度缺陷的步骤。

6.如权利要求4所述的方法，其中所述参考积累面积和实际信号的所述积累面积被计算为各自的虚部和实部之差的绝对值。

7.如权利要求4所述的方法，其中从所述参考信号获得实部和虚部的所述操作和从所述实际信号获得实部和虚部的所述操作是通过希尔伯特变换来实现的。

8.如权利要求4所述的方法，其中所述工业过程是激光焊接过程。

9.一种用于控制工业过程的质量的系统，包含：

用于测量一个或多个过程参数的传感器装置，以及

用于处理由所述传感器装置发出的信号的电子控制和处理单元，

其中：

用于处理由所述传感器装置发出的信号的所述电子控制和处理单元实施如权利要求1到8中所述的用于控制工业过程的质量的方法。

10.一种用于控制工业过程的质量的设备，这种设备包含：

用于获得与所述工业过程相关的一个或多个参考信号的装置，

用于获取指示所述工业过程的质量的一个或多个实际信号的装置，

用于将所述一个或多个参考信号与所述一个或多个实际信号进行比较以识别所述工业过程中的缺陷的装置，

用于从所述参考信号获得实部和虚部的装置；

用于从所述实际信号获得实部和虚部的装置；

其中所述设备进一步包含：

用于计算来自所述参考信号的所述实部和所述虚部之间的第一比较量的装置；

用于计算来自所述实际信号的所述实部和所述虚部之间的第二比较量的装置；

用于将所述第一比较量和第二比较量进行比较以获得与缺陷的存在相关联的时间位置信息的装置。

11.如权利要求10所述的设备，其中所述用于计算第一比较量的装置包含：用于计算参考相位和所述参考相位的相应第一角度系数的装置，并且所述用于计算第二比较量的装置包含：用于计算实际相位和所述实际相位的相应第二角度系数的装置，

用于将所述第一比较量和第二比较量进行比较的装置执行对所述第一角度系数和第二角度系数的比较以识别用于对频率缺陷进行定位的时间窗口。

12.如权利要求11所述的设备，其中所述第一角度系数包含参考信号的角度系数的平均值。

13.如权利要求11或12所述的设备，其中所述用于计算第一比较量的装置包含用于计算参考积累面积的装置，并且所述用于计算第二比较量的装置包含用于计算实际信号的积累面积的装置。

14.如权利要求13所述的设备，其中所述设备进一步包含用于评估所述时间窗口中所述参考积累面积的变化幅度的装置，以及用于评估所述时间窗口中实际信号的所述积累面积的变化幅度以评估幅度缺陷的装置。

15.如权利要求13所述的设备，其中所述参考积累面积和实际信号的所述积累面积被计算为各自的虚部和实部之差的绝对值。

16.如权利要求13所述的设备，其中所述用于从所述参考信号获得实部和虚部的装置和所述用于从所述实际信号获得实部和虚部的装置是通过希尔伯特变换来操作的。

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