CN107081533B - 焊接过程稳定性在线定量评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供焊接过程稳定性在线定量评价方法。对焊接过程中电弧电压U和焊接电流I进行实施监测和获取，绘制各U‑I周期的相图；将各U‑I周期的相图转换为二值图像K；求得二值图像K中的动态工作曲线经过面积JN；根据公式(1)求得焊接过程稳定性评价指标P；其中，JN代表U‑I曲线面积，N为经过的周期数，L为N个周期内的总采样数，P为第i个U‑I周期与其它周期的重复率(i＝1……N)；根据获得焊接稳定性评价指标P对焊接过程稳定性进行评价。本方法可适用于焊接过程的稳定性和一致性判断，只需在软件中调用MATLAB命令计算，即可快实现定量判断。本方法可实现焊接过程的在线快速评价，相比传统缺陷检测方法具有迟滞性小的优点，实现了焊接质量的快速闭环控制。

Description

焊接过程稳定性在线定量评价方法
技术领域
本发明属于焊接过程稳定性在线定量评价领域，特别涉及焊接过程稳定性在线定量评价方法。
背景技术
焊接是最常用的金属连接方式，许多大型工程如西气东输、鸟巢等都是焊出来的。当几十甚至上百台焊接电源同时工作场合往往需要群控系统，来实时监测焊接过程并分析数据，保证焊接质量，其中通过分析焊接过程的稳定性是评价焊接质量的重要指标之一。
电压U和电流I作为焊接电源的两个最重要的外特性参数，所构成的U-I相图表征了电弧电压和焊接电流的关联性，描述了焊接过程U-I工作点的动态移动轨迹。例如，脉冲焊接过程中，U-I相图曲线呈“口”字型分布在一条工作带上，每经过一个脉冲周期就会形成一个“口”字，相互叠加形成U-I相图。通过U-I工作点轨迹的重复性，可直观判定焊接过程的稳定性，即U-I工作点轨迹越集中表明焊接过程一致性越高、越稳定，反之则焊接质量越差。因此，如何针对U-I相图，从人为判断转变为自动识别成为判断焊接过程稳定性的关键技术。
发明内容
为了克服上述不足，本发明提出一种基于U-I二值图像的焊接过程稳定性定量评价，具有简单、快速等优势，可在群控系统软件中方便实现。可适用于焊接过程的稳定性和一致性判断，只需在软件中调用MATLAB命令计算，即可快实现定量判断。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种焊接过程稳定性在线定量评价方法，包括：
对焊接过程中电弧电压U和焊接电流I进行实施监测和获取，绘制各U-I周期相图；
将各U-I周期相图转换为二值图像K；
求得二值图像K中的动态工作曲线经过面积JN；
根据公式(1)、(2)求得焊接过程稳定性评价指标P；
其中，JN代表U-I曲线面积，N为经过的周期数，L为N个周期内的总采样数，P为第i个U-I周期与其它周期的重复率(i＝1……N)，Q为二值化图像矩阵L＝bwlabel(K)中对L取反后，使用命令sum(L(:))求出的非背景区域的总和，M为二值化图像矩阵L＝bwlabel(K)中元素个数；
根据获得焊接稳定性评价指标P对焊接过程稳定性进行评价。
优选的，所述获取的具体步骤为：根据群控系统实时获取的电弧电压U和焊接电流I的数值，得到相应的各U-I周期相图。
优选的，所述U-I周期相图转换为二值图像K的具体方法为：将U-I相图保存为“UI.jpg”，采用命令I＝imread(‘UI.jpg’)将图像导入MATLAB，通过二值化转换函数im2bw()，将U-I相图文件转换为二值图像K。
更优选的，所述二值图像K中在U-I动态工作轨迹经过的地方灰度值为0，否则为1。
优选的，所述求得动态工作曲线经过面积JN的具体步骤为：取二值化图像矩阵L＝bwlabel(K)(即：用0和1表示后的二值图像K)，对L取反，此时，图像矩阵中1的个数即为U-I曲线经过的总点数或面积；
使用命令sum(L(:))求出非背景区域的总和Q，设单位电压电流在U-I相图中的面积为1，由即可得到U-I相图中的动态工作曲线经过面积JN。
更优选的，所述二值化图像矩阵L＝bwlabel(K)中元素个数为M。
本发明还提供了任一上述的方法在CO2气体保护焊、MAG/MIG焊以及输出特性为双变量、一致性要求高的场合中的应用。
本发明还提供了一种焊接过程稳定性在线定量评价装置，包括：
检测装置：用于对焊接过程中电弧电压U和焊接电流I进行实施监测，采集各项检测数据；
输入设备：用于将所述各项检测数据传输到处理器；
处理器：用于对所述各项检测数据进行处理，得出焊接过程稳定性评价指标P；
输出设备：用于将处理器得出的焊接过程稳定性评价指标P进行输出；
显示器：用于将输出设备输出的结果进行显示。
优选的，所述对所述各项检测数据进行处理的具体步骤为：
1)根据焊接过程中各周期电弧电压U和焊接电流I的值，绘制相应的U-I周期相图；
2)将各U-I周期相图转换为二值图像K；
3)求得二值图像K中的动态工作曲线经过面积JN；
4)根据公式(1)、(2)求得焊接过程稳定性评价指标P；
其中，JN代表U-I曲线面积，N为经过的周期数，L为N个周期内的总采样数，P为第i个U-I周期与其它周期的重复率(i＝1……N)，Q为二值化图像矩阵L＝bwlabel(K)中对L取反后，使用命令sum(L(:))求出的非背景区域的总和，M为二值化图像矩阵L＝bwlabel(K)中元素个数。
更优选的，所述U-I周期的相图转换为二值图像K的具体方法为：将U-I相图保存为“UI.jpg”，采用命令I＝imread(‘UI.jpg’)将图像导入MATLAB，通过二值化转换函数im2bw()，将U-I相图文件转换为二值图像K；
所述二值图像K中在U-I动态工作轨迹经过的地方灰度值为0，否则为1；
所述二值化图像矩阵L＝bwlabel(K)中元素个数为M；
所述求得动态工作曲线经过面积JN的具体步骤为：取二值化图像矩阵L＝bwlabel(K)，对L取反，此时，图像矩阵中1的个数即为U-I曲线经过的总点数或面积；
使用命令sum(L(:))求出非背景区域的总和Q，设单位电压电流在U-I相图中的面积为1，由即可得到U-I相图中的动态工作曲线经过面积JN。
本发明的有益效果
(1)本方法可适用于焊接过程的稳定性和一致性判断，只需在软件中调用MATLAB命令计算，即可快实现定量判断。
(2)本方法可实现焊接过程的在线快速评价，相比传统缺陷检测方法具有迟滞性小的优点，实现了焊接质量的快速闭环控制。
(3)本方法可适用于CO2气体保护焊、MAG/MIG焊等，以及输出特性为双变量、一致性要求高的场合，应用前景广阔。
(4)本发明评价方法简单、实用性强，易于推广。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1某焊接过程的U-I相图，其中，(a)、(b)分别为不同焊接过程的U-I相图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
实施例1
某焊接过程的U-I相图如图1所示。定义焊接过程稳定性评价指标P，即代表U-I周期与其它周期的平均重复率。当P＝100％时说明各周期与前面的周期U-I变化完全一致，该焊接过程为绝对稳定；相反，P越小，说明焊接过程的电弧电压和焊接电流的变化越不规律，焊接质量一致性差。
假设在经过第1个U-I周期后，相图上的点数为：
J1＝a
当经过第2个周期后，第1个周期与第2个周期有Pa个点重复，则此时U-I相图上的点数增加了(1-P)a个点，总点数为：
J2＝a+a-Pa＝a+(1-P)a
当经过第3个周期后，U-I相图上增加的点数为(1-P)a-P(1-P)a，此时总点数为：
J3＝a+(1-P)a+(1-P)a-P(1-P)a＝a+(1-P)a+(1-P)2a
当经过第N个周期后，可用每周期评价点数代替a，其中L为一段时间内的总采样数，则由数学归纳法可得：
式中仅有JN和P为未知量，只需求得JN即可得到平均重复率P。其中在实际意义中JN代表U-I曲线所经过的面积。本发明将利用图像二值化方法，求出U-I相图中曲线面积。具体步骤为：
(1)根据群控系统实时获取的电弧电压U和焊接电流I的数值，得到U-I相图，并保存为“UI.jpg”，采用命令I＝imread(‘UI.jpg’)将图像导入MATLAB。
(2)通过二值化转换函数im2bw()，将U-I相图文件转换为二值图像K，此时U-I相图将呈现黑白效果：在U-I动态工作轨迹经过的地方灰度值为0，否则为1。
(3)获得的二值化图像矩阵L＝bwlabel(K)，其元素个数为M。为便于计算，对L取反，这样一来图像矩阵中1的个数即为U-I曲线经过的总点数或面积。
(4)使用命令sum(L(:))求出非背景区域的总和Q，设单位电压电流在U-I相图中的面积为1，由即可得到U-I相图中的动态工作曲线经过面积JN。
(5)根据前面的公式即可求出重复率P。根据P的大小即可判断系统稳定性。
采用上述计算，可得图1(a)的重复率P1＝0.0701，(b)图中的重复率P2＝0.0305。P1大于P2表明(a)图中所示的焊接过程稳定性好，焊接一致性高，这与人为的直观判断效果相同。
实施例2
CO2气体保护焊焊接过程稳定性评价。定义焊接过程稳定性评价指标P，即代表U-I周期与其它周期的平均重复率。当P＝100％时说明各周期与前面的周期U-I变化完全一致，该焊接过程为绝对稳定；相反，P越小，说明焊接过程的电弧电压和焊接电流的变化越不规律，焊接质量一致性差。
假设在经过第1个U-I周期后，相图上的点数为：
J1＝a
当经过第2个周期后，第1个周期与第2个周期有Pa个点重复，则此时U-I相图上的点数增加了(1-P)a个点，总点数为：
J2＝a+a-Pa＝a+(1-P)a
当经过第3个周期后，U-I相图上增加的点数为(1-P)a-P(1-P)a，此时总点数为：
J3＝a+(1-P)a+(1-P)a-P(1-P)a＝a+(1-P)a+(1-P)2a
当经过第N个周期后，可用每周期评价点数代替a，其中L为一段时间内的总采样数，则由数学归纳法可得：
式中仅有JN和P为未知量，只需求得JN即可得到平均重复率P。其中在实际意义中JN代表U-I曲线所经过的面积。本发明将利用图像二值化方法，求出U-I相图中曲线面积。具体步骤为：
(1)根据群控系统实时获取的电弧电压U和焊接电流I的数值，得到U-I相图，并保存为“UI.jpg”，采用命令I＝imread(‘UI.jpg’)将图像导入MATLAB。
(2)通过二值化转换函数im2bw()，将U-I相图文件转换为二值图像K，此时U-I相图将呈现黑白效果：在U-I动态工作轨迹经过的地方灰度值为0，否则为1。
(3)获得的二值化图像矩阵L＝bwlabel(K)，其元素个数为M。为便于计算，对L取反，这样一来图像矩阵中1的个数即为U-I曲线经过的总点数或面积。
(4)使用命令sum(L(:))求出非背景区域的总和Q，设单位电压电流在U-I相图中的面积为1，由即可得到U-I相图中的动态工作曲线经过面积JN。
(5)根据前面的公式即可求出重复率P。根据P的大小即可判断系统稳定性。
采用上述计算，重复率P大的U-I相同焊接过程稳定性好，焊接一致性高，这与人为的直观判断效果相同。
实施例3
MAG/MIG焊焊接过程稳定性评价。定义焊接过程稳定性评价指标P，即代表U-I周期与其它周期的平均重复率。当P＝100％时说明各周期与前面的周期U-I变化完全一致，该焊接过程为绝对稳定；相反，P越小，说明焊接过程的电弧电压和焊接电流的变化越不规律，焊接质量一致性差。
假设在经过第1个U-I周期后，相图上的点数为：
J1＝a
当经过第2个周期后，第1个周期与第2个周期有Pa个点重复，则此时U-I相图上的点数增加了(1-P)a个点，总点数为：
J2＝a+a-Pa＝a+(1-P)a
当经过第3个周期后，U-I相图上增加的点数为(1-P)a-P(1-P)a，此时总点数为：
J3＝a+(1-P)a+(1-P)a-P(1-P)a＝a+(1-P)a+(1-P)2a
当经过第N个周期后，可用每周期评价点数代替a，其中L为一段时间内的总采样数，则由数学归纳法可得：
式中仅有JN和P为未知量，只需求得JN即可得到平均重复率P。其中在实际意义中JN代表U-I曲线所经过的面积。本发明将利用图像二值化方法，求出U-I相图中曲线面积。具体步骤为：
(1)根据群控系统实时获取的电弧电压U和焊接电流I的数值，得到U-I相图，并保存为“UI.jpg”，采用命令I＝imread(‘UI.jpg’)将图像导入MATLAB。
(2)通过二值化转换函数im2bw()，将U-I相图文件转换为二值图像K，此时U-I相图将呈现黑白效果：在U-I动态工作轨迹经过的地方灰度值为0，否则为1。
(3)获得的二值化图像矩阵L＝bwlabel(K)，其元素个数为M。为便于计算，对L取反，这样一来图像矩阵中1的个数即为U-I曲线经过的总点数或面积。
(4)使用命令sum(L(:))求出非背景区域的总和Q，设单位电压电流在U-I相图中的面积为1，由即可得到U-I相图中的动态工作曲线经过面积JN。
(5)根据前面的公式即可求出重复率P。根据P的大小即可判断系统稳定性。
采用上述计算，重复率P大的焊接过程稳定性好，焊接一致性高，这与人为的直观判断效果相同。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种焊接过程稳定性在线定量评价方法，其特征在于，包括：
对焊接过程中电弧电压U和焊接电流I进行实施监测和获取，绘制相应的U-I周期相图；
将各U-I周期相图转换为二值图像K；
求得二值图像K中的动态工作曲线经过面积JN；
根据公式(1)、(2)求得焊接过程稳定性评价指标P；
其中，JN代表U-I曲线面积，N为经过的周期数，L为N个周期内的总采样数，P为第i个U-I周期与其它周期的重复率i＝1……N，Q为二值化图像矩阵L＝bwlabel(K)中对L取反后，使用命令sum(L(:))求出的非背景区域的总和，M为二值化图像矩阵L＝bwlabel(K)中元素个数；
根据获得焊接稳定性评价指标P对焊接过程稳定性进行评价。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取的具体步骤为：根据群控系统实时获取的电弧电压U和焊接电流I的数值，得到相应的各U-I周期相图。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述U-I周期相图转换为二值图像K的具体方法为：将U-I相图保存为“UI.jpg”，采用命令I＝imread(‘UI.jpg')将图像导入MATLAB，通过二值化转换函数im2bw()，将U-I相图文件转换为二值图像K。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述二值图像K中在U-I动态工作轨迹经过的地方灰度值为0，否则为1。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述求得动态工作曲线经过面积JN的具体步骤为：取二值化图像矩阵L＝bwlabel(K)，对L取反，此时，图像矩阵中1的个数即为U-I曲线经过的总点数或面积；
使用命令sum(L(:))求出非背景区域的总和Q，设单位电压电流在U-I相图中的面积为1，由即可得到U-I相图中的动态工作曲线经过面积JN。
6.权利要求1-5任一项所述的方法在CO2气体保护焊、MAG/MIG焊中的应用。
7.一种焊接过程稳定性在线定量评价装置，其特征在于，包括：
检测装置：用于对焊接过程中电弧电压U和焊接电流I进行实施监测，采集各项检测数据；
输入设备：用于将所述各项检测数据传输到处理器；
处理器：用于对所述各项检测数据进行处理，得出焊接过程稳定性评价指标P；
输出设备：用于将处理器得出的焊接过程稳定性评价指标P进行输出；
显示器：用于将输出设备输出的结果进行显示；
其中，“对所述各项检测数据进行处理”的具体步骤为：
1)根据焊接过程中各周期电弧电压U和焊接电流I的值，绘制相应的U-I周期相图；
2)将各U-I周期相图转换为二值图像K；
3)求得二值图像K中的动态工作曲线经过面积JN；
4)根据公式(1)、(2)求得焊接过程稳定性评价指标P；
其中，JN代表U-I曲线面积，N为经过的周期数，L为N个周期内的总采样数，P为第i个U-I周期与其它周期的重复率i＝1……N，Q为二值化图像矩阵L＝bwlabel(K)中对L取反后，使用命令sum(L(:))求出的非背景区域的总和，M为二值化图像矩阵L＝bwlabel(K)中元素个数。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述U-I周期的相图转换为二值图像K的具体方法为：将U-I相图保存为“UI.jpg”，采用命令I＝imread(‘UI.jpg’)将图像导入MATLAB，通过二值化转换函数im2bw()，将U-I相图文件转换为二值图像K；
所述二值图像K中在U-I动态工作轨迹经过的地方灰度值为0，否则为1。
9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述求得动态工作曲线经过面积JN的具体步骤为：取二值化图像矩阵L＝bwlabel(K)，对L取反，此时，图像矩阵中1的个数即为U-I曲线经过的总点数或面积；
使用命令sum(L(:))求出非背景区域的总和Q，设单位电压电流在U-I相图中的面积为1，由即可得到U-I相图中的动态工作曲线经过面积JN。
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