CN101267910B - 控制激光焊接过程的质量的方法、系统 - Google Patents

Abstract

这里描述了一种控制激光焊接过程的质量的方法，例如由不同厚度和/或性质的金属薄片(“裁剪坯料”)元件构成的半成品的激光焊接，所述方法为包括下面步骤的类型：检测在焊接区域(2，3)中产生的辐射(E*)并且发出指示所述辐射的信号(E*)；获取并且处理指示所述辐射的所述信号(E*)；将指示所述辐射的所述信号(E*)分成块；计算(205)每个块的块平均值(u)和块标准偏差(o)的数值；以及在于提供包括块平均值(u)和标准偏差数值(o)的输入数值用于识别缺陷和/或孔隙以及缺少穿透性。

Description

控制激光焊接过程的质量的方法、系统

技术领域

本发明涉及一种控制激光焊接过程质量的方法，其包括步骤：

检测在焊接区域中产生的辐射并且发出指示所述辐射的信号；

获取并且处理指示所述辐射的所述信号；

将指示所述辐射的所述信号分成块；

计算每个块的块平均值并且将每个所述块平均值与数值相比较，所述数值是所获得的指示辐射的信号的平均值的函数，基于所述比较操作，确认对于平均值的块特性；以及

计算每个块的块标准偏差值并且将每个所述块标准偏差值与数值相比较，所述数值是参考标准偏差的函数，基于所述比较操作，确认对于标准偏差的块特性。

背景技术

工业过程中缺陷的监测由于其在工业产品质量分析中的影响呈现出增长的经济重要性。在线并且以自动方式获得工业过程质量估算的可能性表现出很多优点，既在经济特性上又在处理速度方面。因此，所希望的系统特征为：

在线的并且实时处理；以及

精确识别主要产品缺陷的能力。

当前，工业过程质量识别的问题、以及缺陷确认的问题是，通过专业人员的离线检查获得，或者通过传感器使用自动方法获得，以不令人满意而且对于机器的不同设定敏感的方式，仅确认上面所列缺陷中的一些。

在工业过程中控制质量的方法和系统是已知的，例如应用于激光焊接过程在线监测的，尤其是在焊接金属薄片的情况下。控制系统能够估算焊接区域中空隙的存在，或者在对接焊薄金属片的情况下由于金属薄片的交迭或脱开而存在的缺陷。

所述当前使用系统的质量控制基于过程中所检测的信号和指示良好质量焊接的一个或多个预定参考信号的比较。所述参考信号起源于若干良好质量焊接样本而预先建立，通常数量在两个和十个之间。显而易见，所述活动的模式意味着存在熟练的操作者，能够在产生参考信号的时候确认焊接的良好性，涉及了着时间的支出以及有时还浪费材料(即为了获得参考信号制造样本所需的材料)。在某些情况下，所建立的参考信号还指示具有缺陷的焊接，这招致额外的问题和困难。

根据以当前申请人的名义提交的欧洲专利申请EP-A-1275464，已知将通过收集焊接现场发射的辐射的光电二极管所获得的信号进行分块，在每个采样块中计算信号的平均值，并且考虑具有低于或者等于指示存在缺陷的光电二极管偏移的数值的块。所述方法排除了对参考的需要；然而，其仅允许缺陷的非常近似的检测。

本发明的目的是克服所有前述的缺点。

发明内容

为了达到所述目的，本发明的主题是一种控制工业过程质量的方法，具有在本说明书的开始所指出的特性而且其特征在于其包括参数类型的质量分类步骤，设计提供多个输入数值，所述步骤包括以下操作：

通过对应于对于平均值的所述块特性的数值，提供输入数值用于确认缺陷和/或孔隙；以及

通过对应于对于标准偏差的所述块特性的数值，提供输入数值用于确认不足的穿透性。

当然，本发明另外的目的是一种实现上面所述方法的控制工业过程质量的系统，以及对应的计算机程序产品，该产品可以直接加载在计算机例如处理器的存储器中并且包括软件代码部分，用于当产品在计算机上运行时实现依照本发明的方法。

附图说明

参考附图，根据后面的描述将显现出本发明其它的特性和优点，这些附图仅以非限定性例子的方式提供，其中：

图1是方框图，展示了实现依照本发明的方法的系统；

图2、3、4显示了从图1的系统所获得的信号提取特性的步骤；

图5说明了通过图2、3、4所示例的提取过程提取的特性的图像；

图6、7、8和9说明了依照本发明方法的焊接分类的图表；以及

图10显示了方框图，展示了依照本发明的方法。

具体实施方式

参考图1，数字1指示整个系统，用于控制激光焊接过程的质量。这个例子是关于两个金属薄片2、3的情况，其使用激光束L焊接。参考数字4指示整个聚焦头，包含透镜5，由激光发生器(未示出)产生的并且由半镀银的反射镜6反射的激光束L到达该透镜5。由焊接区域发射的辐射E透过半镀银的反射镜6并且由第一传感器7获取，如从图1中显示的放大细节可看出的，第一传感器7由光电二极管71构成，光电二极管71关联到聚焦透镜72以及滤光器73，优选为操作在300和600nm之间的可见光范围并且能够发送其输出信号的干涉滤光器，所述输出信号对应于指示过程辐射E*的信号，即该信号包含在焊接点所反射的辐射的光谱特性和时间特性，信号发送到低通滤光器8a以及模数转换器8，模数变换器8对滤光后的信号进行采样并且进行数字变换以将其提供到个人计算机9，该个人计算机装配有采集卡(在图中未示出)。例如，所述采集卡为PC卡NI 6110E类型的数据采集卡，最大采集速率为5Ms/sec。

激光束L的功率还由第二传感器7a进行检测，第二传感器7a具有基本类似于第一传感器7的光电二极管结构，所述第二传感器7a在输出端提供指示激光功率L*的信号。

在实际的实施例中，所使用的半镀银的镜片6为ZnSe镜片，具有2英寸的直径以及5毫米的厚度。传感器7和7a由具有190和1100nm之间的频谱响应范围、有效面积1.1x1.1mm以及石英窗的光电二极管构成。

个人计算机9通过变换器8接收对应于一定光学频率的信号电平，并且借助于专用软件对数据流进行实时分析。

实质上，控制激光焊接过程的质量的方法基于对信号的普通特性的观测，所述信号由用于检测反射的辐射E的第一传感器7和用于检测入射的激光辐射L的第二传感器7a产生。从而，可以识别信号的两种异常状态，对应于称为缺陷和孔隙的两类不良焊接。

所述缺陷被表征为指示过程辐射E*的信号的平均值和标准偏差在短时间内下降，而所述孔隙具有信号的平均值和标准偏差的相同特性，但所述特性持续较长的时间并且具有较大的幅度。另一类感兴趣的缺陷是缺少穿透性。良好焊接和具有缺陷穿透性的焊接的主要差别表现为，指示过程辐射E*的信号的标准偏差中长持续时间的下降。

所提议的方法和系统以对应于缺陷类型的所述简单观测为基础展开，主要地构想下面的步骤和过程，显示在图10的方框图中：

步骤205，特性的提取：这由信号处理部分组成，用以获得两种不同类型的特性，称为标准偏差CS特性和平均值CM特性；

步骤210，特性的组合：所述步骤的主要操作构想为以预定的条件合并标准偏差CS特性和平均值CM特性，以确认组合特性CC；

步骤215，特性的分类：这一步骤对通过特性组合步骤获得的组合特性CC进行分类，以确定该信号对应于良好焊接或者不良焊接，在输出端提供指示质量Q的信号。

提取特性的步骤205构成对于整个控制激光焊接质量的方法有效操作来说首要重要的一部分，因为对特性的精确确认构成良好分类的基础。所述步骤205，如所述的，包括用于提取两种不同类型特性的两种不同操作。在第一种操作中，提出关于平均值CM的特性。为此目的，一旦将指示辐射E*的信号分割为时间块，在第一步骤中计算所述信号块的平均值。块的形式是任意的但是固定的，并且如果可能能的话块不发生交迭。然后，块的平均值与整个信号E*的平均值相比较。上述内容可以有下面的关系表示：

CM＝find_i＝l：end(μ_i≤μ-kσ)                  (1)

其中μ指示信号E*的平均值，μ_i指示标号为i的块的平均值，σ指示信号E*的标准偏差，k指示正的调整常数。上面出现的关系(1)表现了对块的搜索，指示为平均值CM的特性，块的编号i从1到end，其中end指示所获得的最后一个块的编号，其中块μ_i的平均值小于k乘以信号μ平均值减去信号标准偏差σ。满足关系(1)中所表达搜索条件的邻近块连接在一起以获取平均值特性。为了提供连接过程更好的稳定性以及为了获取最佳的特性，在两个块之间的距离小于五个块的情况下还将该两个块连接在一起。

指示过程辐射E*的信号作为时间t的函数如图2中所示，该过程辐射的信号提取自焊接过程，所述信号E*的平均值μ、块平均值μ_i由两个水平的直线指示，这两个平均值是对应于平均值μ和界限值μ-kσ的数值。满足关系(1)所表达搜索条件的块被指示为平均值CM的特性，并且由图表中的黑色带突出显示。

获取标准偏差CS特性的步骤十分类似于先前关于对应于平均值CM的特性所描述的。主要的差别是在此需要来自参考信号的参数；所述参数为整个参考信号σ_reference的标准偏差。

在第一位置，计算块的标准偏差σ_i，然后将多个块联合在一起并且计算强度。为了确认缺陷的块，使用下面的关系：

CS＝find_i＝l：end(σ_i≤σ_reference*tl)      (2)

容差由tl指示，即考虑到参考信号的良好质量的参数：参考信号越好，越靠近容差数值tl。

上面出现的关系(2)说明了对块的搜索，指的是对于标准偏差CS的块特性，块的编号i范围从1到end，其中end指示所获取的最后一个块的编号，其中块的标准偏差σ_i小于或等于tl乘以整个参考信号的标准偏差σ_reference。

在图3中说明了标准偏差CS特性提取的结果，基本上类似于平均值CM特性提取的操作。

特性组合的步骤构想对平均值CM和标准偏差CS的特性进行考虑、将它们组合、以及确认组合特性CC，该特性在分类过程用于辨认缺陷和孔隙。尤其是，仅在平均值CM的特性在时间上重叠在标准偏差CS的特性之上的情况下，构成新的组合特性CC。如果平均值CM的特性重叠在标准偏差CS的两个特性之上，则结合标准偏差CS的两个特性中具有较高强度的一个，即通过块的标准偏差σ_i的较高数值进行区别。所述组合操作的意义在于，缺陷和孔隙都以两个参数的下降显示自身的存在，这两个参数称为过程所获得信号的平均值和标准偏差。为了确认缺少穿透性，仅使用标准偏差CS的特性，其计算如参考特征提取步骤和图3所描述的。

这个过程的结果在图4中指出，该图表作为时间t的函数在顶部的轴显示了指示过程辐射E*的信号的平均数值μ，以及在底部的轴显示了指示过程辐射E*的信号的标准偏差σ。在图4中由矩形指示平均值CM和标准偏差CS的特性，其对于产生组合特性CC是重要的。

分类步骤215具有区别良好焊接和不良焊接以及为所焊接段提供输出分类的根本功能。分类的步骤包括两步：使用以前面描述的方式选择的组合特性CC来搜索缺陷和孔隙的第一步骤，以及使用标准偏差的特性来搜索缺少穿透性的第二步骤。

分类的步骤构想使用三维空间，在其轴上出现的分别为平均值的强度即块平均值μ_i、标准偏差的强度即块标准偏差的数值σ_i以及确认的组合特性CC的时间长度FL。考虑的分类器是参数式的，并且对应的自由度基于一组(输入，输出)采样进行训练。在此情况下，输入指的是所获取的特性CC，而所提供的输出为焊接的质量，所述质量由操作者在对焊接段的研究之后指定。与文献中已知的广泛分类器相比，当前的分类器是特别紧凑和有效的类型，在使得可以在工业过程中严格实时执行的情况下，保证性能的精确性以及低的计算量。在优选实施例中使用的分类器基于前馈神经网络，其中拓扑、层次的数量、以及神经单元是任意的但在参数的获悉步骤和操作的步骤中是固定的。

在接下来的图5到9中显示了所述的三维表示，表示提取自焊接过程的不同情况下指示过程辐射E*的信号的特性的各个方面。在第一操作中，分类的步骤构想在对应于尽可能良好的焊接质量的分类之间产生分隔的边界，这一操作使得在焊接机器的操作过程中，通过对所接收信号的平均值和标准偏差特性的分析，能够对过程中焊接段的质量进行分类。

为了清楚起见，下面将通过等效于三维图的两个二维图表显示所述的三维图，而所述的三维图在这里更加难于表示。在图5中，因而显示了第一个二维图表，其在横坐标上给出了平均值μ_i的强度并且在纵坐标上给出了标准偏差σ_i的强度。焊接质量的分类使用下面的符号指示：

正方形为良好焊接；

圆形为缺陷性焊接；

三角形为多孔性焊接；

星号为缺少穿透性的焊接；

“x”为不确定的分类。

根据对所述三维表示的检查，可以理解在以平均值μ_i和标准偏差σ_i的强度的较高数值进行区别的区域中，以非常明确的方式确认存在四个区域：包含缺陷性焊接和良好焊接的数值的第一区域B1；包含缺陷性焊接的数值的区域D；包含良好焊接和缺陷性焊接的数值的第二区域B2；以及为多孔性焊接的数值的区域P。这些区域中的每一个还包含不确定分类的情况。

在图6的图表中显示的是对应于时间长度FL的第三维。尤其是，在图6中更加详细地分析了包含缺陷性焊接的区域D，其中特性的时间长度FL表示为平均值μ_i的强度的函数。如可注意到的，所有包含在所述区域D中的不确定特性可以分类为缺陷，因为信号的时间长度FL类似于缺陷的信号时间长度。因此可以断言这是缺陷性区域。

在图7的类似图表中分析了包含缺陷性焊接和良好焊接的第一区域B1，其中如可注意到的，缺陷位于时间长度的较低阈值TH₁和较高阈值TH₂之间，而在这个区域之外所有的特性可以认为是对应于良好焊接。这意味着当平均值μ_i的强度分布在非常长或者非常短的时间时，这个特性不对应于缺陷。考虑到区域B1的顶部对于1和10之间的标准偏差数值，实际上还将发现存在时间长度为0.06的缺陷，因而其分类为良好。另一方面，这不构成缺点，因为如下文中所说明的，分类步骤将所述特性分类为缺少穿透性。类似的讨论可以运用到包含缺陷性焊接和良好焊接的第二区域B2。

至于图8所涉及的孔隙区域P，实际上所述的孔隙区域P也包含良好焊接和多孔性焊接的混合。同样在这种情况下，限定了时间长度的较低阈值TH₃和较高阈值TH₄。时间长度落入所述阈值TH₃和TH₄范围内的特性分类为多孔的。

为了估计缺少穿透性，如图9所示，作为时间长度FL的函数估算了标准偏差σ_i的强度。

在图5的图表中，对应缺少穿透性的符号“x”全部位于纵坐标轴的上部，但仅使其在所述复杂图表的范围内可见。一般而言，平均值μ_i的强度的模量对于缺少穿透性的估计是不重要的。如可以从图9看出的，在矩形R中识别对应于标准偏差σ_i的强度的某个给定数值之上以及时间长度FL的点，被表征为指示缺少穿透性。

当然，在不损害本发明原理的情况下，实现方式和实施例的细节可以进行相当大的变化而不脱离本发明的范围，这些细节在此仅以例子的方式描述和说明。

Claims (13)

1.一种控制激光焊接过程的质量的方法，所述方法为包括下面步骤的类型：

检测在焊接区域(2，3)中产生的辐射并且发出指示所述辐射的信号；

获取并且处理指示所述辐射的所述信号；

将指示所述辐射的所述信号分成块；

计算(205)每个块的块平均值并且将每个所述块平均值与一个数值相比较，所述数值是所获得的指示辐射的信号的平均值的函数，基于所述比较操作来识别对于平均值的块特性；以及

计算(205)每个块的块标准偏差数值并且将每个所述块标准偏差数值与一个数值相比较，所述数值是参考标准偏差的函数，基于所述比较操作来识别对于标准偏差的块特性；

选择(210)对应于标准偏差的特性块的平均值的特性块作为组合特性块，

所述方法包括参数类型的质量分类(215)步骤，设计提供多个输入数值，所述步骤包括下面的操作：

-提供对应于平均值的所述块特性的输入数值，所述输入数值包括块平均值数值和块标准偏差数值，用于识别缺陷和/或孔隙；和

-提供对应于标准偏差的所述块特性的输入数值，所述输入数值包括块标准偏差数值，用于识别不足的穿透性；

其特征在于还包括：

-将所述块平均值和块标准偏差数值安排作为图像中的相应维度，所述图像具有包括作为第三维的块时间长度的至少三个维度，该块时间长度在平均值的所述块特性上被测量，所述平均值的块特性通过连接邻近块来获得，所述邻近块满足搜索的条件以获得平均值和标准偏差的特性，

-在所述具有至少三个维度的图像中对于所述块平均值和标准偏差的强度在焊接质量的分类之间限定分隔的边界，

-在所述三维图像中限定特性的时间长度的阈值并且估算关于所述阈值的所述块平均值用于评估焊接的缺陷和/或孔隙，

所述计算(205)块平均值的操作包括：寻找对于平均值的块特性，在其中块的平均值小于或等于k乘以信号的平均值μ减去信号的标准偏差，其中k为正的调整常数；连接邻近块，所述邻近块满足搜索的条件以获得平均值和标准偏差的特性。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于为了评估缺少穿透性，其包括估算作为时间长度的函数的块标准偏差的所述数值。

3.根据权利要求2的方法，其特征在于为了评估缺少穿透性，在对应于在块标准偏差的特定给定数值之上以及时间长度的各点的所述图像中识别一个矩形。

4.根据权利要求1的方法，其特征在于所述计算每个块的块平均值并且将每个所述块平均值与作为所获得的指示辐射的信号的平均值的函数的数值相比较、基于所述比较操作来识别对于平均值的块特性的操作包括：寻找对于平均值的块特性，在其中块的平均值小于或等于k乘以信号的平均值μ减去信号的标准偏差，其中k为正的调整常数。

5.根据权利要求4的方法，其特征在于所述计算每个块的块标准偏差数值并且将每个所述块标准偏差数值与作为参考标准偏差的函数的数值进行比较、基于所述比较操作来识别对于标准偏差的块特性的操作包括：寻找块的操作，在其中块的标准偏差小于或等于t1乘以整个参考信号的标准偏差，其中t1指示考虑到参考信号的良好质量的容差。

6.根据权利要求1的方法，其特征在于，在两个块之间距离小于五个块的情况下还将这两个块连接在一起。

7.根据权利要求4的方法，其特征在于在连接操作中，还计算在包含在块平均值和作为指示辐射的所获得信号的平均值的函数的数值之间的区域中对应于信号区域的平均值的所述强度。

8.根据权利要求1的方法，其特征在于所述检测在焊接区域(2，3)中产生的辐射以及发出指示所述辐射的信号的操作包括：在可见光内执行滤光操作。

9.根据权利要求8的方法，其特征在于所述检测在焊接区域(2，3)中产生的辐射以及发出指示所述辐射的信号的操作包括：在300和600nm之间的范围内执行滤光操作。

10.根据权利要求1的方法，其特征在于，用于控制由不同厚度和/或性质的金属薄片元件构成的半成品的激光焊接的质量。

11.一种控制激光焊接过程的质量的系统，包括：

传感器装置(7)，用于检测一个或多个过程参数；以及

电子控制和处理单元(8，9)，用于处理由所述传感器装置(7)发出的信号，

所述系统的特征在于：

用于处理由所述传感器装置(7)发出的信号的所述电子控制和处理单元(8，9)实现根据权利要求1的控制工业过程的质量的方法。

12.根据权利要求11的系统，其特征在于所述传感器装置(7)中的一个或多个包括配置用于工作在可见光内的滤光器(73)。

13.根据权利要求12的系统，其特征在于所述传感器装置(7)中的一个或多个包括配置用于工作在300和600nm之间的范围内的滤光器(73)。

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