CN109570700B - 一种用于双脉冲mig焊的焊缝跟踪信号处理方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于双脉冲MIG焊的焊缝跟踪信号处理方法，它主要是解决在双脉冲MIG焊中电流信号变化幅度大，可变电流参数较多，软件滤波算法计算量过大导致的滞后影响和不能完全滤除电流信号波形中的高频干扰和低频干扰，不能有效的获取焊缝偏差信息，从而导致实时焊缝跟踪失效等问题。其技术方案主要是：从霍尔传感器输出的电流信号通过六阶切比雪夫响应带通滤波器（四级数）、软件滤波、桥式整流电感滤波电路依次进行有效的滤波，将双脉冲电流信号依次过滤成单脉冲电流信号、直流电流信号，经过A/D转换成数字量得到焊缝偏差信息，计算出具体偏差，最终实现双脉冲MIG焊焊缝的精确跟踪。

Description

一种用于双脉冲MIG焊的焊缝跟踪信号处理方法
技术领域
本发明涉及到一种用于双脉冲MIG焊的焊缝跟踪信号处理方法，该方法应用于焊接自动跟踪领域。
背景技术
双脉冲MIG焊以电弧稳定、气孔较少、焊接过程无飞溅、焊缝性能优良等优点被广泛应用于铝合金、机车、汽车制造及配件、航空航天等制造。但在双脉冲MIG焊焊缝自动跟踪的实际应用中，从霍尔传感器输出的电流信号还夹杂着各种噪声，并且在双脉冲MIG焊中电流以两种不同的频率在基值电流和峰值电流之间切换，电流信号变化幅度大，可变电流参数较多，再加上焊接电弧短路产生的电压尖峰，使得电流信号含有很多短路尖峰和噪声等干扰，电流信号波形既有高频干扰也有低频干扰，给焊缝偏差信息的提取带来了很多困难，因此必须过滤这些干扰信号，从而实现双脉冲MIG焊焊缝的精确跟踪。如公开发明专利：一种用于磁控摆动埋弧焊焊缝跟踪信号处理方法（申请号为201410204973）中采用了三级精度的硬件滤波器、桥式整流电路依次进行滤波。该滤波方法针对埋弧焊的低电流频率是有效的，而对于双脉冲MIG焊中有相对较高和相对较低且在基值电流和峰值电流之间相互切换的电流频率过滤效果是不明显的，所达到的精度较低，不能完全滤除干扰电流信号而且会把含有焊缝偏差信息的电流过滤，不能实现双脉冲MIG焊焊缝的精确跟踪。在《旋转电弧脉冲GMAW焊焊缝跟踪系统的研究》文中，采用了截止频率为250HZ的无限增益多路反馈二阶低通滤波器再通过包络线取值法的软件滤波方法提取了焊缝偏差，它能有效的过滤脉冲GMAW焊的高频电流的高次谐波给电流信号带来的影响，但在双脉冲MIG焊中过滤效果不显著，不能完全滤除干扰电流信号，而且软件滤波算法计算量过大导致的滞后影响也将导致实时焊缝跟踪的失效。由于双脉冲焊是在脉冲GMAW焊的高频基础上进行低频调制，得到周期性变化的强弱脉群。因此需要一种针对双脉冲MIG焊电流信号频率特性的滤波方法，从而有效的提取焊缝偏差信息，实现精确的焊缝跟踪。
针对上述问题，设计了一种新的信号处理方法，主要是解决在双脉冲MIG焊中电流信号变化幅度大，可变电流参数较多，软件滤波算法计算量过大导致的滞后影响和不能完全滤除电流信号波形中的高频干扰和低频干扰，不能有效的获取焊缝偏差信息，从而导致实时焊缝跟踪失效等问题。
发明内容
本发明提供了一种用于双脉冲MIG焊的焊缝跟踪信号处理方法，解决在双脉冲MIG焊中电流信号变化幅度大，可变电流参数较多，软件滤波算法计算量过大导致的滞后影响和不能完全滤除电流信号波形中的高频干扰和低频干扰，不能有效的获取焊缝偏差信息，从而导致实时焊缝跟踪失效等问题。
本发明针对上述问题采用的技术方案如下：由焊接电源产生的双脉冲电流被霍尔传感器实时监测并采集，由于霍尔传感器收集到的电流信号中含有大量短路尖峰和噪声等干扰，且不容易提取有效的焊缝偏差信息，需要通过包括六阶切比雪夫响应带通滤波器（四级数）、软件滤波、桥式整流电感滤波电路依次进行有效的处理，将双脉冲电流信号依次过滤成单脉冲电流信号、直流电流信号，再经过A/D转换为数字量得到焊缝偏差信息，通过积分差值法计算出具体偏差e，将e输入到控制模块中从而根据具体偏差e控制执行机构去调整焊枪位置，实现焊枪的对中，最终实现双脉冲MIG焊焊缝的精确跟踪。
所述六阶切比雪夫响应带通滤波器（四级数）的结构组成，第一级的一阶低通RC滤波电路，包括互联的一个电阻、一个电容、一个运算放大器；第二级的二阶低通Sallen-Key滤波电路，包括互联的二个电阻、二个电容、一个运算放大器；第三级的一阶高通RC滤波电路，包括互联的一个电容、一个电阻、一个运算放大器；第四级的二阶高通Sallen-Key滤波电路，包括互联的二个电容、二个电阻、一个运算放大器。
所述六阶切比雪夫响应带通滤波器（四级数）是由一阶低通RC滤波电路、二阶低通Sallen-Key滤波电路、一阶高通RC滤波电路、二阶高通Sallen-Key滤波电路依次组成的带通滤波器，可以有效的过滤双脉冲MIG焊中电流信号波形的高频干扰和低频干扰，得到通带区间为1.08HZ到301HZ的电流信号波形。电流信号波形I通过R1A稳流，部分高频电流信号通过电容C1A过滤，再通过R1B、R2B和C1B、C2B的共同作用几乎将301HZ以上的高频电流信号过滤，得到的电流信号波形I*通过R1C稳流，部分低频电流信号通过电容C1C过滤，再通过R1D、R2D和C1D、C2D的共同作用几乎将1.08HZ以下的低频电流信号过滤，最终输出的电流信号波形I**比起I过滤了电流信号中含有的短路尖峰和噪声等干扰，基本消除了电流信号波形的高频干扰和低频干扰，有效的提高了滤波精度，再结合软件滤波将双脉冲电流信号过滤成单脉冲电流信号。
电流信号波形I**经过软件滤波将双脉冲电流信号过滤成单脉冲电流信号，从而进一步的提高滤波精度，降低了提取焊缝偏差信息的难度。其中软件滤波部分，即程序依次取5个采样值X1、X2、X3、X4、X5，采用冒泡排序将其中的最小值和最大值舍去，设Yi=1/3（X2+X3+X4）（i=1、2、……），其中Xi为输入电流信号的值，Yi为输出电流信号的值。每当有3个Yi值出现时则输出并进行程序判断，若|Y2-Y1|≤（|Y2-Y1|+|Y3-Y2|）/2时则输出Y2，若|Y2-Y1|＞（|Y2-Y1|+|Y3-Y2|）/2时则Y2=（Y2+Y3）/2，再输出Y2。同时进行的判断是，若|Y3-Y2|≤（|Y2-Y1|+|Y3-Y2|）/2时则输出Y3，若|Y2-Y1|＞（|Y2-Y1|+|Y3-Y2|）/2时则Y3=（Y2+Y3）/2，再输出Y3。最终得到输出电流信号Y1、Y2、Y3后，再将寄存器归零，反复进行此流程，可以持续输出稳定的电流信号。桥式整流电感滤波电路将输入的单脉冲电流信号转化成直流电流信号。
所述桥式整流电感滤波电路，即桥式整流电路串联RL电路，桥式整流电路是由两对首尾相连的二极管构成，RL电路包括互联的一个电感和一个电阻组成。单脉冲电流信号通过桥式整流电感滤波电路将单脉冲电流信号过滤成直流电流信号，大大提高了提取焊缝偏差信息的效率和滤波精度。电流信号波形通过桥式整流电路将正弦波的波谷部分翻转为波峰部分同时将交流电转变为直流电，之后通过电感L的平波作用，即电感L两端电流不能突变的特点，其工作原理是：当整流电路输出脉动直流电压时，负载电流将随着增加或减少。当负载电流增加时，电感线圈中将产生与电流方向相反的感应电动势，力图阻止电流的增加，而当负载电流减少时，电感线圈中将产生与电流方向相同的感应电动势，使得负载电流的脉动程度减少了，在负载上也就可以得到一个较平滑的直流输出电压，电感量越大，滤波效果越好，从而保证L两端电流变化不大。将单脉冲电流信号过滤成直流电流信号，再经过A/D转换为数字量得到焊缝偏差信息，通过积分差值法计算出具体偏差e，将e输入到控制模块中从而根据具体的偏差e控制执行机构去调整焊枪位置，实现焊枪的对中，最终实现双脉冲MIG焊焊缝的精确跟踪。
本发明的有益效果是：第一、通过六阶切比雪夫响应带通滤波器（四级数）可以有效的过滤双脉冲MIG焊中电流信号波形的高频干扰和低频干扰，得到通带区间为1.08HZ到301HZ的电流信号波形，初步过滤了电流信号中含有的短路尖峰和噪声等干扰，有效的提高了滤波精度。第二、再联合软件滤波将双脉冲电流信号过滤成单脉冲电流信号，从而进一步的提高滤波精度，降低了提取焊缝偏差信息的难度。第三、通过桥式整流电感滤波电路将单脉冲电流信号过滤成直流电流信号，大大提高了提取焊缝偏差信息的效率和滤波精度。
附图说明
图1是一种用于双脉冲MIG焊的焊缝跟踪信号处理方法的流程图，图2是六阶切比雪夫响应带通滤波器（四级数），图3是软件滤波流程图，图4是桥式整流电感滤波电路
具体实施步骤
以下将附图说明和实施例结合对本发明做出进一步的说明，所描述的实施例仅旨在对本发明的理解，而不其任何限定说明。
实施例1，参见图1，本发明提供了一种用于双脉冲MIG焊的焊缝跟踪信号处理方法，当保护气体为纯氩时，在对铝合金板进行双脉冲MIG焊的过程中，由焊接电源产生的双脉冲电流被霍尔传感器实时监测并采集，由于霍尔传感器收集到的电流信号中含有大量短路尖峰和噪声等干扰并且电流信号波形中的高频干扰和低频干扰大量存在，在焊缝跟踪的过程中不能提取有效的焊缝偏差信息，需要通过包括六阶切比雪夫响应带通滤波器（四级数）、软件滤波、桥式整流电感滤波电路依次进行有效的处理，将双脉冲电流信号依次过滤成单脉冲电流信号、直流电流信号，再经过A/D转换为数字量得到焊缝偏差信息，通过积分差值法计算出具体偏差e，将e输入到控制模块中从而根据具体偏差e控制执行机构去调整焊枪位置，实现焊枪的对中，最终实现双脉冲MIG焊焊缝的精确跟踪。
实施例2，参见图2，六阶切比雪夫响应带通滤波器（四级数）是由第一级是截止频率为238.2HZ的一阶低通RC滤波电路，第二级是截止频率为271.3HZ的二阶低通Sallen-Key滤波电路，第三级是截止频率为1.36HZ的一阶高通RC滤波电路，第四级是截止频率为1.19HZ二阶高通Sallen-Key滤波电路依次组成的带通滤波器。其中每一级的增益都为1，第二级和第四级的品质因素Q均为1.139，一阶RC滤波电路和Sallen-Key滤波电路传递函数如下：
Figure 392635DEST_PATH_IMAGE001
(1)
Figure 904519DEST_PATH_IMAGE002
(2)
Figure 119600DEST_PATH_IMAGE003
(3)
Figure 412041DEST_PATH_IMAGE004
(4)
Figure 737980DEST_PATH_IMAGE005
(5)
其中V2代表输出电压，V1代表输入电压，w0是单位信号的角频率，Q是Sallen-Key滤波器的品质因数，H是Sallen-Key滤波器的通带增益，s是复数频率且s=jw，R,C为各滤波电路对应的电阻和电容。
六阶切比雪夫响应带通滤波器（四级数）每一级的截止频率可由以下公式计算：
Figure 432266DEST_PATH_IMAGE006
(6)
Figure 755931DEST_PATH_IMAGE007
(7)
其中fH1是一阶RC滤波电路的截止频率，fH2是二阶Sallen-Key滤波电路的截止频率，R，C为各滤波电路对应的电阻和电容。
联立上述方程组各式，可以得到一阶RC滤波电路和Sallen-Key滤波器的传递函数T(s)，它表达了该滤波器的输入与输出间的传递关系，滤波器的输出V2(jw)=T(jw)表达了在单位信号输入情况下的输出信号随频率变化的关系，频率特性T(jw)是一个复函数，由幅频特性和相频特性两部分组成，其中幅频特性是输出正弦信号与输入正弦信号的幅值之比，随频率变化。相频特性是输出正弦信号与输入正弦信号的相位差，随频率变化。由传递函数得到的频率特性、幅频特性、相频特性可反应该滤波器的性能，再结合每一级滤波电路所需要的截止频率，从而得到各电阻、电容参数的最优解，可以检验并提高滤波器的精度。
六阶切比雪夫响应带通滤波器（四级数）可以有效的过滤双脉冲MIG焊中电流信号波形的高频干扰和低频干扰，得到通带区间为1.08HZ到301HZ的电流信号波形。电流信号波形I通过R1A稳流，部分高频电流信号通过电容C1A过滤并且还起到了防止振荡的作用，再通过R1B、R2B和C1B、C2B的共同作用几乎将301HZ以上的高频电流信号过滤，得到的电流信号波形I*通过R1C稳流，部分低频电流信号通过电容C1C过滤并且还起到了防止振荡的作用，再通过R1D、R2D和C1D、C2D的共同作用几乎将1.08HZ以下的低频电流信号过滤，最终输出的电流信号波形I**比起I过滤了电流信号中含有的短路尖峰和噪声等干扰，基本消除了电流信号波形的高频干扰和低频干扰，有效的提高了滤波精度，再结合软件滤波将双脉冲电流信号过滤成单脉冲电流信号。
实施例3，参见图3，电流信号波形I**经过软件滤波将双脉冲电流信号过滤成单脉冲电流信号，从而进一步的提高滤波精度，降低了提取焊缝偏差信息的难度。其中软件滤波部分，即程序依次取5个采样值X1、X2、X3、X4、X5，采用冒泡排序将其中的最小值和最大值舍去，设Yi=1/3（X2+X3+X4）（i=1、2、……），其中Xi为输入电流信号的值，Yi为输出电流信号的值。每当有3个Yi值出现时则输出并进行程序判断，若|Y2-Y1|≤（|Y2-Y1|+|Y3-Y2|）/2时则输出Y2，若|Y2-Y1|＞（|Y2-Y1|+|Y3-Y2|）/2时则Y2=（Y2+Y3）/2，再输出Y2。同时进行的判断是，若|Y3-Y2|≤（|Y2-Y1|+|Y3-Y2|）/2时则输出Y3，若|Y2-Y1|＞（|Y2-Y1|+|Y3-Y2|）/2时则Y3=（Y2+Y3）/2，再输出Y3。最终得到输出电流信号Y1、Y2、Y3后，再将寄存器归零，反复进行此流程，可以持续输出稳定的电流信号。桥式整流电感滤波电路将输入的单脉冲电流信号转化成直流电流信号。
单脉冲电流信号通过桥式整流电感滤波电路将单脉冲电流信号过滤成直流电流信号，大大提高了提取焊缝偏差信息的效率和滤波精度。其中桥式整流电感滤波电路，是由桥式整流电路串联RL电路，桥式整流电路是由两对首尾相连的二极管构成，RL电路包括互联的一个电感和一个电阻组成。电流信号波形通过桥式整流电路将正弦波的波谷部分翻转为波峰部分同时将交流电转变为直流电，之后通过电感L的平波作用，即电感L两端电流不能突变的特点，其工作原理是：当整流电路输出脉动直流电压时，负载电流将随着增加或减少。当负载电流增加时，电感线圈中将产生与电流方向相反的感应电动势，力图阻止电流的增加，而当负载电流减少时，电感线圈中将产生与电流方向相同的感应电动势，使得负载电流的脉动程度减少了，在负载上也就可以得到一个较平滑的直流输出电压，电感量越大，滤波效果越好，从而保证了L两端电流变化不大。将单脉冲电流信号过滤成直流电流信号，再经过A/D转换为数字量得到焊缝偏差信息，通过积分差值法计算出具体偏差e，将e输入到控制模块中从而根据具体的偏差e控制执行机构去调整焊枪位置，实现焊枪的对中，最终实现双脉冲MIG焊焊缝的精确跟踪。
整个信号处理系统的思路是采用六阶切比雪夫响应带通滤波器（四级数）、软件滤波、桥式整流电感滤波电路依次进行滤波的三种滤波方式，它是根据双脉冲MIG焊的电流信号频率特性来确定的，将电流信号波形依次从双脉冲电流信号依次过滤成单脉冲电流信号、直流电流信号从而提高提取焊缝偏差信息的效率和滤波精度。
整个滤波系统的关键点是，第一、通过六阶切比雪夫响应带通滤波器（四级数）可以有效的过滤双脉冲MIG焊中电流信号波形的高频干扰和低频干扰，得到通带区间为1.08HZ到301HZ的电流信号波形，初步过滤了电流信号中含有的短路尖峰和噪声等干扰，有效的提高了滤波精度。第二、再联合软件滤波将双脉冲电流信号过滤成单脉冲电流信号，从而进一步的提高滤波精度，降低了提取焊缝偏差信息的难度。第三、通过桥式整流电感滤波电路将单脉冲电流信号过滤成直流电流信号，大大提高了提取焊缝偏差信息的效率和滤波精度。
上面描述的仅是本发明的一个具体实施例，显然在本发明的技术方案指导下本领域的任何人所做的修改或具体替换，均属于本发明权利要求限定的范围。

Claims (3)

1.一种用于双脉冲MIG焊的焊缝跟踪信号处理方法,其特征是:从霍尔传感器输出的电流信号通过六阶切比雪夫响应带通滤波器、软件滤波、桥式整流电感滤波电路依次进行有效的处理,将双脉冲电流信号依次过滤成单脉冲电流信号、直流电流信号,经过A/D转换成数字量得到焊缝偏差信息,计算出具体偏差,最终实现双脉冲MIG焊焊缝的精确跟踪；通过六阶切比雪夫响应带通滤波器和软件滤波相结合将双脉冲电流信号过滤成单脉冲电流信号,其中所述的六阶切比雪夫响应带通滤波器的结构组成是,第一级的一阶低通RC滤波电路,包括互联的一个电阻、一个电容、一个运算放大器;第二级的二阶低通Sallen-Key滤波电路,包括互联的二个电阻、二个电容、一个运算放大器;第三级的一阶高通RC滤波电路,包括互联的一个电容、一个电阻、一个运算放大器;第四级的二阶高通Sallen-Key滤波电路,包括互联的二个电容、二个电阻、一个运算放大器。
2.根据权利要求1所述的用于双脉冲MIG焊的焊缝跟踪信号处理方法,其特征是:其中六阶切比雪夫响应带通滤波器第一级是截止频率为238.2HZ的一阶低通RC滤波电路,第二级是截止频率为271.3HZ的二阶低通Sallen-Key滤波电路,第三级是截止频率为1.36HZ的一阶高通RC滤波电路,第四级是截止频率为1.19HZ二阶高通Sallen-Key滤波电路,该带通滤波器的通带区间是1.08HZ到301HZ,过滤掉电流信号波形中的高频干扰和低频干扰、短路脉冲电流信号再结合软件滤波将双脉冲电流信号过滤成单脉冲电流信号。
3.根据权利要求1所述的用于双脉冲MIG焊的焊缝跟踪信号处理方法,其特征是:软件滤波后通过桥式整流电感滤波电路将输入的单脉冲电流信号转化成直流电流信号,所述软件滤波,即程序依次取5个采样值X1、X2、X3、X4、X5,采用冒泡排序将其中的最小值和最大值舍去,设Yi=1/3（X2+X3+X4）,其中i=1、2、……,Xi为输入电流信号的值,Yi为输出电流信号的值,每当有3个Yi值出现时则输出并进行程序判断,若|Y2-Y1|≤（|Y2-Y1|+|Y3-Y2|）/2时则输出Y2,若|Y2-Y1|＞（|Y2-Y1|+|Y3-Y2|）/2时则Y2=（Y2+Y3）/2,再输出Y2；同时进行的判断是,若|Y3-Y2|≤（|Y2-Y1|+|Y3-Y2|）/2时则输出Y3,若|Y2-Y1|＞（|Y2-Y1|+|Y3-Y2|）/2时则Y3=（Y2+Y3）/2,再输出Y3,最终得到输出电流信号Y1、Y2、Y3后,再将寄存器归零,反复进行此流程,可以持续输出稳定的电流信号。
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