CN106363279A - 一种基于谐波分析的电弧传感焊缝跟踪控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于谐波分析的电弧传感焊缝跟踪控制方法及装置，用于自动化焊接专机中焊缝偏差的检测和焊枪位置的调整。该方法首先对电弧传感器的输出信号进行硬件滤波处理，然后输送至控制系统进行数据采样和软件滤波处理，对软件处理后的数据采用双谐波幅值特征比例法进行焊缝左右偏差的检测，采用扫描空间加权积分差值法进行焊缝高低偏差的检测，根据左右和高低偏差值，控制系统分别输出使能信号给两个电机驱动器，驱动左右电机和高低电机使十字滑架运动，从而使安装在十字滑架上的焊枪进行焊接位置的调整。采用本发明的方法能够准确检测焊缝左右偏差和高低偏差，抗干扰能力强，可用于自动化焊接生产中的焊枪自动纠偏，是提高自动化焊接效率和质量的重要保证。

Description

一种基于谐波分析的电弧传感焊缝跟踪控制方法及装置

技术领域

本发明涉及自动化焊接领域，具体涉及一种基于谐波分析的电弧传感焊缝跟踪控制方法及装置。

背景技术

目前，焊接自动化和智能化已经成为焊接技术的发展趋势，焊缝跟踪是实现焊接自动化、智能化的重要环节，也是提高焊接质量和提升焊接效率的重要保证。

为了在焊接过程中识别和检测焊缝偏差，多种类型的传感器和技术方案得以发展和应用。其中，电弧传感技术因其低成本、装置简单、实现容易等原因在焊缝跟踪领域得到了较多的研究。如专利号为“200910025826.2”的“电弧传感器焊枪位置偏差信息提取方法”采用线性逼近的方法，在最小均方误差意义下计算采样结果与不同偏差基函数之间的相似性，以最相似的基函数对应的偏差值为焊枪位置偏差；专利号为“201110451749.4”的“基于电弧摆动的气体保护焊电弧跟踪方法”采用积分差值法判断焊枪偏离焊道的距离和焊枪的Z向偏差；专利号为“201310361899.5”的“窄间隙焊缝偏差的脉冲电弧传感检测方法”通过计算电弧在坡口两侧的平均脉冲电流频率的差值，根据差值的大小和正负判断实际焊缝偏差的大小和方向。在实际焊接过程中，坡口角度、焊枪倾斜、熔滴过渡等因素对电弧传感信号产生较大影响，使电弧传感信号波形畸变，从而导致函数逼近方法和积分差值法的偏差检测结果不准确。

本发明提出了一种基于谐波分析的电弧传感焊缝跟踪控制方法及装置，可以准确检测焊缝左右偏差和高低偏差，适用于存在坡口角度偏差、焊枪倾斜、熔滴过渡等干扰因素的生产工况，抗干扰能力强，可用于自动化焊接生产中焊缝偏差检测和焊枪自动纠偏。

发明内容

为了解决现有方法或技术存在的不足，更好的推动自动化焊接的发展，针对目前的方法中焊枪高低偏差难以检测或焊缝偏差检测结果不准确的问题，提出了一种基于谐波分析的电弧传感焊缝跟踪控制方法及装置。其系统框图如图1所示，系统包括电弧传感器，硬件滤波器，控制系统，焊接小车，十字滑架，十字滑架电机，电机驱动器；该方法利用电弧传感器扫描焊缝坡口和输出电弧传感信号，通过硬件滤波器对电弧信号进行滤波处理，通过控制系统进行数据采样和软件滤波处理，对软件处理后的数据采用双谐波幅值特征比例法进行焊缝左右偏差的检测，采用扫描空间加权积分差值法进行焊缝高低偏差的检测，根据左右和高低偏差值，控制系统分别输出使能信号给两个电机驱动器，驱动左右电机和高低电机带动十字滑架运动，十字滑架带动焊枪进行焊接位置的调整。

本发明采用电弧传感器扫描焊缝坡口，通过检测反映焊枪在扫描区域相对于工件距离变化的电弧传感信号，来进行焊缝偏差检测，利用焊缝左右偏差和高低偏差对电弧传感信号谐波的不同影响特征，从电弧传感信号谐波中提取焊缝左右偏差和高低偏差，最后通过控制十字滑架的运动来完成焊枪焊接位置的调整，它包括以下步骤：

步骤1：电弧信号传感和硬件滤波处理

在焊接过程中采用电弧传感器对焊缝坡口进行扫描，电弧传感器的输出信号通过硬件滤波器进行低通滤波处理，消除电弧传感信号中的高频干扰。

步骤2：电弧信号采样和软件滤波处理

硬件滤波器的输出信号通过控制系统进行数据采样和软件削波处理，消除采样数据中的脉冲尖峰。

步骤3：检测焊缝左右偏差

对软件处理后的电弧采样数据进行离散傅立叶变换，利用焊缝左右偏差对电弧传感信号谐波的影响特征，然后采用双谐波幅值特征比例法进行焊缝左右偏差的检测。

步骤4：检测焊缝高低偏差

在检测焊缝高低偏差时，首先设定以焊缝中心处的参考电弧信号值为焊缝高低偏差检测的基准，根据焊缝左右偏差检测结果，确定电弧信号的扫描空间加权系数，再对软件处理后的电弧采样数据采用扫描空间加权积分差值法进行焊缝高低偏差的检测。

步骤5：调整焊枪焊接位置

根据左右和高低偏差检测结果，控制系统分别输出使能信号给两个电机驱动器，驱动左右电机和高低电机带动十字滑架进行左右方向和高低方向运动，十字滑架带动焊枪进行焊接位置的调整。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种基于谐波分析的电弧传感焊缝跟踪控制方法及装置，充分利用焊缝偏差对电弧传感信号谐波的影响特征，采用双谐波幅值特征比例法检测焊缝左右偏差，解决了现有方法检测结果易受坡口角度、工件倾斜、焊枪偏转等因素干扰的问题，采用扫描空间加权积分差值法检测焊缝高低偏差，解决了现有方法中高低偏差无基准、检测结果易受到干扰等问题。本发明可以准确检测焊缝左右偏差和高低偏差并进行焊枪自动纠偏，焊缝偏差检测精度高，抗干扰能力强，为自动化焊接的发展提供了重要基础。

附图说明

图1是本发明的电弧传感焊缝跟踪控制方法及装置的系统框图。

图2是焊缝左偏时硬件滤波后的电弧传感信号波形图。

图3是焊缝左偏时软件滤波后的电弧传感信号波形图。

图4是焊缝左偏时电弧传感信号谐波波形图。

图5是焊缝左偏时电弧传感信号模拟波形图。

图6是焊缝左偏时电弧信号谐波波形和电弧信号模拟波形对比图。

图7是焊缝左偏时扫描空间加权系数示意图。

图8是焊缝左偏时扫描空间加权积分差值法示意图。

图9是焊缝右偏时硬件滤波后的电弧传感信号波形图。

图10是焊缝右偏时软件滤波后的电弧传感信号波形图。

图11是焊缝右偏时电弧传感信号谐波波形图。

图12是焊缝右偏时电弧传感信号模拟波形图。

图13是焊缝右偏时电弧信号谐波波形和电弧信号模拟波形对比图。

图14是焊缝右偏时扫描空间加权系数示意图。

图15是焊缝右偏时扫描空间加权积分差值法示意图。

具体实施方式

为了更好的表达整个发明的技术方案与有益成果，下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。但是，本发明的实施方式不限于此。

实施例1：本发明一种基于谐波分析的电弧传感焊缝跟踪控制方法及装置的系统框图如图1所示，系统包括电弧传感器，硬件滤波器，控制系统，焊接小车，十字滑架，十字滑架电机，电机驱动器；电弧传感器对焊缝坡口进行扫描并输出电弧传感信号，硬件滤波器对电弧传感信号进行低通滤波处理，然后通过控制系统进行数据采样和软件削波处理，对软件处理后的电弧采样数据采用双谐波幅值特征比例法进行焊缝左右偏差的检测，采用扫描空间加权积分差值法进行焊缝高低偏差的检测，根据焊缝偏差检测结果通过控制十字滑架的运动来完成焊枪焊接位置的调整。

本发明一种基于谐波分析的电弧传感焊缝跟踪控制方法及装置包括以下步骤：

步骤1：电弧信号传感和硬件滤波处理

在焊接过程中采用电弧传感器对焊缝坡口进行扫描，电弧传感器的输出信号通过硬件滤波器进行低通滤波处理，在某焊缝偏差情况下焊接时，硬件滤波器的输出信号波形如图2所示，电弧信号中仍然存在少量脉冲尖峰。

步骤2：电弧信号采样和软件滤波处理

硬件滤波器的输出信号通过控制系统进行电弧信号采样和软件滤波处理，消除采样数据中的脉冲尖峰，设在1个扫描周期T内均匀采样的总数记为N，采样得到的电弧信号记为s(k)(k＝0,1,2...N-1)，经过软件削波处理后的电弧信号记为i(k)(k＝0,1,2...N-1)，经软件处理后的电弧信号波形如图3所示，脉冲尖峰幅值得到抑制。

步骤3：检测焊缝左右偏差

对软件处理后的电弧信号i(k)(k＝0,1,2...N-1)进行离散傅立叶变换，将i(k)转换为电弧信号谐波I(n)，I(n)的计算方程为：

$I\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}i\left(k\right)\exp (-j\frac{2\mathrm{\π}nk}{N}),(n=0,1,\mathrm{2...}$

将I(n)中含有焊缝偏差信息的谐波成分保留下来，并进行离散傅立叶逆变换，得到的电弧信号谐波波形如图4所示。

记电弧传感器对焊缝坡口进行扫描时的扫描范围半径为r，记双谐波幅值特征比例为l，记焊缝左右偏差为ΔW，

利用焊缝左右偏差对电弧传感信号谐波的影响特征，采用双谐波幅值特征比例法进行焊缝左右偏差检测的过程如下：

首先，计算双谐波幅值特征比例l，l的计算方程如下：

$l=\frac{\left|I\left(n_1\right)\right|}{\left|I\left(n_2\right)\right|},(n_1=3,n_2=2)$

然后，计算焊缝左右偏差ΔW，ΔW的计算方程如下：

ΔW＝sign(real(I(n₁)))·l·r(n₁＝3)

根据本发明的方法计算出焊缝左右偏差，并计算在此偏差下的电弧传感信号模拟值Y(k)(k＝0,1,2...N-1)，将电弧传感信号模拟值Y(k)作图，如图5所示。将图4中电弧信号谐波波形和图5中电弧传感信号模拟波形相结合，如图6所示，两曲线的形貌和变化特征非常接近，两曲线的相关系数达到0.98以上，实现了焊缝左右偏差的准确检测。

步骤4：检测焊缝高低偏差

首先，在检测焊缝高低偏差时，设定以焊缝中心处的参考电弧信号值为焊缝高低偏差检测的基准。从图6中电弧传感信号模拟曲线(细实线)可以看出，曲线中的M点和N点对应着焊缝中心在电弧扫描空间中的位置，以这两点作直线直线的中点为P点(如图7所示)，故P点也在焊缝中心线上，以P点处的某个参考电弧信号值Y_C作为焊缝高低偏差检测的基准。

然后，根据焊缝左右偏差检测结果，确定电弧信号的扫描空间加权系数。设M点和N点处的电弧模拟值分别为Y_M和Y_N，则P点的电弧模拟值Y_P为：

$Y_P=\frac{(Y_M+Y_N)}{2}$

过P点作水平线，以电弧传感信号模拟曲线与水平线上相同横坐标的点之间的距离，作为扫描空间加权系数c(k)(k＝0,1,2...N-1)，图7是扫描空间加权系数示意图，扫描空间加权系数c(k)对应于图7的阴影区域，c(k)的计算方程如下：

c(k)＝Y(k)-Y_P(k＝0,1,2...N-1)

最后，对软件处理后的电弧采样数据采用扫描空间加权积分差值法进行焊缝高低偏差的检测，记焊缝高低偏差的符号为ΔH，ΔH的计算方程如下：

$\mathrm{\Δ}H=\[\frac{1}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(i\right(k)-c(k\left)\right)\]-Y_C$

图8是扫描空间加权积分差值法示意图，由图可见，采用扫描空间加权积分差值法检测焊缝高低偏差，可以消除坡口角度、工件倾斜、焊枪偏转等因素的干扰，并且以焊缝中心P点处的某个参考电弧信号值Y_C作为焊缝高低偏差检测的基准，解决了普通积分差值法和电流平均值法对焊缝高低偏差检测不准或难以检测的问题。

步骤5：调整焊枪焊接位置

根据左右和高低偏差检测结果，控制系统分别输出使能信号给两个电机驱动器，驱动左右电机和高低电机带动十字滑架进行左右方向和高低方向运动，十字滑架带动焊枪进行焊接位置的调整。

实施例2：通过本发明的方法，在焊接过程中采用电弧传感器对焊缝坡口进行扫描，在某焊缝偏差情况下焊接时，硬件滤波器的输出信号波形如图9所示，电弧信号中仍然存在少量脉冲尖峰。

硬件滤波器的输出信号通过控制系统进行电弧信号采样和软件滤波处理，经软件处理后的电弧信号波形如图10所示，脉冲尖峰幅值得到抑制。

对软件处理后的电弧信号进行离散傅立叶变换，把电弧信号转换为电弧信号谐波，将含有焊缝偏差信息的谐波成分保留下来并进行离散傅立叶逆变换，得到的电弧信号谐波波形如图11所示。

利用焊缝左右偏差对电弧传感信号谐波的影响特征，采用双谐波幅值特征比例法进行焊缝左右偏差检测，根据焊缝左右偏差检测值，计算在此偏差下的电弧传感信号模拟值，并作图如图12所示。将图11中电弧信号谐波波形和图12中电弧传感信号模拟波形相结合，如图13所示，两曲线的相关系数达到0.98以上，实现了焊缝左右偏差的准确检测。

设定以直线(如图13和图14所示)的中点P点处的某个参考电弧信号值Y_C作为焊缝高低偏差检测的基准，根据焊缝左右偏差检测结果，确定电弧信号的扫描空间加权系数如图14所示，扫描空间加权系数对应于图中的阴影区域，对软件处理后的电弧采样数据采用扫描空间加权积分差值法进行焊缝高低偏差的检测，图15是扫描空间加权积分差值法示意图。

根据左右和高低偏差检测结果，控制系统输出控制信号对焊枪焊接位置进行调整。

实施例3：本发明同样适用于其它基于焊缝坡口扫描传感的焊缝偏差检测，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，在不脱离本发明原理的前提下所作出的若干改进，都视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于谐波分析的电弧传感焊缝跟踪控制方法及装置，用于自动化焊接专机中焊缝偏差的检测和焊枪位置的调整，其特征是：该方法采用的系统包括电弧传感器，硬件滤波器，控制系统，焊接小车，十字滑架，十字滑架电机，电机驱动器；该方法利用电弧传感器扫描焊缝坡口和输出电弧传感信号，通过硬件滤波器对电弧信号进行滤波处理，通过控制系统进行数据采样和软件滤波处理，对软件处理后的数据采用双谐波幅值特征比例法进行焊缝左右偏差的检测，采用扫描空间加权积分差值法进行焊缝高低偏差的检测，根据左右和高低偏差值，控制系统分别输出使能信号给两个电机驱动器，驱动左右电机和高低电机带动十字滑架运动，十字滑架带动焊枪进行焊接位置的调整。

2.根据权利要求1所述的一种基于谐波分析的电弧传感焊缝跟踪控制方法及装置，其特征是：硬件滤波器对电弧信号进行的滤波处理为低通滤波，控制系统对电弧采样信号进行的软件滤波处理为削波处理。

3.根据权利要求1所述的一种基于谐波分析的电弧传感焊缝跟踪控制方法及装置，其特征是：在检测焊缝左右偏差时，对软件处理后的电弧采样数据进行离散傅立叶变换，利用焊缝左右偏差对电弧传感信号谐波的影响特征，采用双谐波幅值特征比例法进行焊缝左右偏差的检测。

4.根据权利要求1所述的一种基于谐波分析的电弧传感焊缝跟踪控制方法及装置，其特征是：在检测焊缝高低偏差时，首先设定以焊缝中心处的参考电弧信号值为焊缝高低偏差检测的基准，然后对软件处理后的电弧采样数据采用扫描空间加权积分差值法进行焊缝高低偏差的检测。