CN113977141A - 一种基于信号特征的送丝速度检测装置及检测方法 - Google Patents

一种基于信号特征的送丝速度检测装置及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于信号特征的送丝速度检测装置及检测方法，该送丝速度检测装置方便安装和拆卸，通过送丝速度信号采集及无线传输系统，将送丝速度信号无线传输给机器人。机器人基于周期变化特征的信号处理方法，可消除由于信号丢失带来的噪声，然后利用一种粗大误差的消除方法，能消除通讯噪声及测量错误的信号，最后，利用基于信号可靠度的送丝速度检测方法，可提高送丝速度检测的准确度。本发明可实现送丝速度在线检测，由于送丝速度是影响焊接质量的重要因素之一，因此，本发明有助于提高机器人自动焊接的质量，可产生重大的经济效益。

Description

一种基于信号特征的送丝速度检测装置及检测方法
技术领域
本发明涉及电子信息技术领域，特别是涉及一种基于信号特征的送丝速度检测装置及检测方法。
背景技术
目前，送丝速度直接影响焊丝熔化速度及焊接质量，由于送丝机存在振动及通讯噪声等干扰，使采集到的原始送丝速度信号存在大量噪声，需要发明出一种送丝速度检测方法，提高送丝速度的检测准确度，并且需要在不破坏送丝机的情况下，实现送丝速度检测，有助于实现机器人的焊接速度与送丝速度相匹配，从而可提高焊接质量，使焊道尺寸满足工厂要求。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种便于安装及拆卸的送丝速度检测装置，通过送丝速度信号采集及无线传输系统，将送丝速度信号无线传输给机器人，机器人基于周期变化特征的信号处理方法，可消除由于信号丢失带来的噪声，然后利用一种粗大误差的消除方法，能消除通讯噪声及测量错误的信号，最后，利用基于信号可靠度的送丝速度检测方法，可提高送丝速度检测的准确度。该发明可实现送丝速度的在线实时检测，有助于提高机器自动焊接质量。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于信号特征的送丝速度检测装置，包括送丝机构和检测机构，所述送丝机构包括送丝机框架、焊丝盘、送丝主动轮和从动轮，所述焊丝盘、所述送丝主动轮和从动轮均设置在所述送丝机框架上；所述检测机构包括螺栓、第一螺母、第二螺母、送丝速度信号采集及无线传输系统和光电传感器，所述光电传感器固定在所述第一螺母上，所述第二螺母紧贴在所述第一螺母下方，并一起套设在所述螺栓上；所述送丝速度信号采集及无线传输系统设置在所述光电传感器正下方。
进一步地，所述送丝主动轮的轴上套设有一个六角螺母，所述六角螺母随所述送丝主动轮(的轴转动。
进一步地，所述螺栓底部设有磁铁，所述螺栓吸在所述磁铁上，所述磁铁吸在所述送丝机框架上。
一种基于信号特征的送丝速度检测方法，所述基于信号特征的送丝速度检测方法包括基于周期变化特征的信号处理方法、一种粗大误差的消除方法和基于信号可靠度的送丝速度检测方法。
进一步地，所述基于周期变化特征的信号处理方法，可消除由于信号丢失带来的噪声，其步骤如下：
将第i次采集到的连续两个六角螺母顶点转过光电传感器所需时间存入数组a[i]中，相邻信号周期特征标志n和m满足下式，
Figure BDA0003321867430000021
式中，a[i]为第i次采集到的连续两个六角螺母顶点转过光电传感器所需时间，a[i-1]为第i-1次采集到的连续两个六角螺母顶点转过光电传感器所需时间，n表示n≥1时相邻信号周期特征的标志，m表示m>1时相邻信号周期特征的标志。
(a)当n≥1时，即a[i]≥a[i-1]
当n≥1时，第j次识别出的连续两个六角螺母顶点转过光电传感器所需时间t[j]，及该次识别可靠系数h[j]满足下式，
Figure BDA0003321867430000022
if 1≤n≤1+δ或[n]-δ·[n]≤n≤[n]+δ·[n]
Figure BDA0003321867430000031
式中，t[j]为第j次识别出的连续两个六角螺母顶点转过光电传感器所需时间，h[j]为该次识别出的信号t[j]的可靠度，a[i-1]为第i-1次采集到的连续两个六角螺母顶点转过光电传感器所需时间，n表示n≥1时相邻信号周期特征的标志，[n]为n的四舍五入值，δ为误差系数。
(b)当m>1或n<1时，即a[i]<a[i-1]
当m>1或n<1时，第j次识别出的连续两个六角螺母顶点转过光电传感器所需时间t[j]，及该次识别可靠系数h[j]满足下式，
Figure BDA0003321867430000032
if 1≤m≤1+δ或[m]-δ·[m]≤m≤[m]+δ·[m]
Figure BDA0003321867430000033
式中，t[j]为第j次识别出的连续两个六角螺母顶点转过光电传感器所需时间，h[j]为该次识别出的信号t[j]的可靠度，a[i]为第i次采集到的连续两个六角螺母顶点转过光电传感器所需时间，m表示m>1时相邻信号周期特征的标志，[m]为m的四舍五入值，δ为误差系数。
进一步地，所述一种粗大误差的消除方法，能消除通讯噪声及测量错误的信号，其具体内容如下：
针对无规则的粗大误差，进一步处理后的连续两个六角螺母顶点转过光电传感器所需时间t2[k]满足下式，
Figure BDA0003321867430000034
式中，t1[k]为第k次信号可靠度不小于六分之一时对应的信号，t1[k-1]为第k-1次信号可靠度不小于六分之一时对应的信号，t1[k-2]为第k-2次信号可靠度不小于六分之一时对应的信号，t2[k]为第k次进一步处理后的连续两个六角螺母顶点转过光电传感器所需时间，median()为取中值操作，t[j]为第j次识别出的连续两个六角螺母顶点转过光电传感器所需时间，h[j]为识别出的信号t[j]的可靠度，g[k]为识别出的信号t2[k]的可靠度。
进一步地，所述基于信号可靠度的送丝速度检测方法，可提高送丝速度检测的准确度，其具体内容如下：
利用基于信号可靠度的送丝速度检测方法，检测出的送丝速度V[k]满足下式，
Figure BDA0003321867430000041
式中，V[k]为检测出的送丝速度，
Figure BDA0003321867430000042
为考虑了可靠度的相邻两个六角螺母顶点转过光电传感器所需时间，r为送丝主动轮(的半径，p和q为修正系数，t2[k]、t2[k-1]及t2[k-2]分别表示第k次、第k-1次及第k-2次进一步处理后的连续两个六角螺母顶点转过光电传感器所需时间，g[k]、g[k-1]及g[k-2]分别对应识别出的信号t2[k]、t2[k-1]及t2[k-2]的可靠度。
本发明的有益效果为：
本发明的优点在于发明了一种不需要破坏送丝机便于安装及拆卸的送丝速度检测装置，并且，通过本发明一种基于信号特征的送丝速度检测方法，在实际应用中可以滤除大部分噪声，可以实现在线实时检测送丝速度，为机器人焊接速度控制提供输入，有助于提高机器人焊接质量及效率。
附图说明
图1为本发明的送丝速度检测装置图；
图2为本发明的有送丝速度信号输出检测原理图；
图3为本发明的无送丝速度信号输出检测原理图；
图4为本发明的基于信号特征的送丝速度检测方法框图；
图5为本发明在焊接电压为18V,焊接电流为160A时对应的送丝速度检测曲线图；
图6为本发明在焊接电压为25V,焊接电流为160A时对应的送丝速度检测曲线图；
图7为本发明在焊接电压为25V,焊接电流为200A时对应的送丝速度检测曲线图；
图中：1、焊丝盘；2、螺栓，3、第一螺母；4、第二螺母；5、磁铁；6、送丝速度信号采集及无线传输系统；7、光电传感器；8、送丝主动轮；9、六角螺母；10、焊丝；11、从动轮；12、送丝机框架。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
图1为本发明的送丝速度检测装置图，它主要由焊丝盘1，螺栓2，第一螺母3，第二螺母4，磁铁5，送丝速度信号采集及无线传输系统6，光电传感器7，送丝主动轮8，六角螺母9，焊丝10，从动轮11和送丝机框架12组成。
光电传感器7固定在第一螺母3上，第二螺母4紧贴在第一螺母3下方，并一起套在螺栓2上，第一螺母3在螺栓2上旋转，可以带动光电传感器7上下移动，第二螺母4可以在第一螺母3确定高度后，反向旋转至紧贴在第一螺母3的下方，从而固定第一螺母3及光电传感器7。螺栓2吸在磁铁5上，磁铁5吸在送丝机的基座上，从而将送丝速度检测装置固定在送丝机上，且便于拆卸。
图2和图3为本发明的送丝速度信号检测原理图，通过主动轮8和焊丝10之间的摩擦力，焊丝10向前运动。当主动轮8旋转的时候，与主动轮8同轴转动的六角螺母9以相同角速度转动。当六角螺母9旋转到图2所示位置时，六角螺母9顶点离光电传感器7最近，此时测量电路输出高电平；当六角螺母9旋转到图3所示位置时，六角螺母9侧面ab平行于光电传感器7的端面，此时六角螺母9离光电传感器7最远，则测量电路输出低电平。因此主动轮8旋转一圈，焊丝10运动的长度就是主动轮8的周长，因此，送丝速度满足下式，
Figure BDA0003321867430000061
式中，v为送丝速度，r为主动轮(8)的半径，t为相邻两个六角螺母9顶点转过光电传感器7所需要的时间。
图4为本发明的基于信号特征的送丝速度检测方法框图，具体内容如下所述：(1)送丝速度原始信号的获取方法
利用发明的送丝速度检测装置、送丝速度信号采集及无线传输系统6，利用光电传感器7检测到与送丝主动轮8同速转动的六角螺母9的转速信号，从而实现送丝速度原始信号的采集，并根据式(1)初步确定送丝速度的计算方法。
(2)基于信号特征的送丝速度检测方法
由于送丝机存在振动、测量错误及通讯误差等干扰，使采集到的送丝速度原始信号中存在噪声，需要利用以下方法对送丝速度原始信号进一步处理，滤除噪声，提高送丝速度检测的准确度。
1)基于周期变化特征的信号处理方法
由于送丝机的振动等，有时六角螺母9的顶点转过光电传感器7时却没有信号输出，造成采集到的信号大小近似为相邻两个六角螺母9顶点转过光电传感器7所需时间的整数倍，针对信号的该特征，设计如下算法，提高送丝速度检测的准确度。
将第i次采集到的连续两个六角螺母9顶点转过光电传感器7所需时间存入数组a[i]中，相邻信号周期特征标志n和m满足下式，
Figure BDA0003321867430000062
式中，a[i]为第i次采集到的连续两个六角螺母9顶点转过光电传感器7所需时间，a[i-1]为第i-1次采集到的连续两个六角螺母9顶点转过光电传感器7所需时间，n和m表示相邻信号周期特征的标志。
(a)当n≥1时，即a[i]≥a[i-1]
当n≥1时，第j次识别出的连续两个六角螺母9顶点转过光电传感器7所需时间t[j]，及该次识别可靠系数h[j]满足下式，
Figure BDA0003321867430000071
if 1≤n≤1+δ或[n]-δ·[n]≤n≤[n]+δ·[n] (3)
Figure BDA0003321867430000072
式中，t[j]为第j次识别出的连续两个六角螺母9顶点转过光电传感器7所需时间，h[j]为该次识别出的信号t[j]的可靠度，n表示n≥1时相邻信号周期特征的标志，[n]为n的四舍五入值，δ为误差系数。
(b)当m>1或n<1时，即a[i]<a[i-1]
当m>1或n<1时，第j次识别出的连续两个六角螺母9顶点转过光电传感器7所需时间t[j]，及该次识别可靠系数h[j]满足下式，
Figure BDA0003321867430000073
if 1≤m≤1+δ或[m]-δ·[m]≤m≤[m]+δ·[m] (5)
Figure BDA0003321867430000074
式中，m表示m>1时相邻信号周期特征的标志，[m]为m的四舍五入值，其它物理量的含义与式(2-4)中对应物理量的含义相同。
即使六角螺母9顶点转过光电传感器7时可能会出现无信号输出，存在信号丢失，但利用基于周期变化特征的信号处理方法，可以提高送丝速度检测的准确度。
2)一种粗大误差的消除方法
除了具有周期变化特征的信号外，通讯噪声及偶尔测量错误时的误差等，使输出的信号与准确的信号不接近整数倍关系，并且相差较大，针对该类无规则的粗大误差，进一步处理后的连续两个六角螺母9顶点转过光电传感器7所需时间t2[k]满足下式，
Figure BDA0003321867430000081
式中，t1[k]为第k次信号可靠度不小于六分之一时对应的信号，t1[k-1]为第k-1次信号可靠度不小于六分之一时对应的信号，t1[k-2]为第k-2次信号可靠度不小于六分之一时对应的信号，t2[k]为第k次进一步处理后的连续两个六角螺母9顶点转过光电传感器7所需时间，median()为取中值操作，t[j]为第j次识别出的连续两个六角螺母9顶点转过光电传感器7所需时间，h[j]为识别出的信号t[j]的可靠度，g[k]为识别出的信号t2[k]的可靠度。
3)基于信号可靠度的送丝速度检测方法
由于每次识别出信号的可靠度不同，结合式(1)，利用基于信号可靠度的送丝速度检测方法，检测出的送丝速度V[k]满足下式，
Figure BDA0003321867430000082
式中，V[k]为检测出的送丝速度，
Figure BDA0003321867430000083
为考虑了可靠度的相邻两个六角螺母9顶点转过光电传感器7所需时间，r为送丝主动轮8的半径，p和q为修正系数，t2[k]、t2[k-1]及t2[k-2]分别表示第k次、第k-1次及第k-2次进一步处理后的连续两个六角螺母9顶点转过光电传感器7所需时间，g[k]、g[k-1]及g[k-2]分别对应识别出的信号t2[k]、t2[k-1]及t2[k-2]的可靠度。
图5为本发明在焊接电压为18V且焊接电流为160A时对应的送丝速度检测曲线图，图6为本发明在焊接电压为25V且焊接电流为160A时对应的送丝速度检测曲线图，图7为本发明在焊接电压为25V且焊接电流为200A时对应的送丝速度检测曲线图，虚线表示原始采样信号波形，可以看到，因为噪声原因导致送丝速度曲线存在振荡。在使用本发明的算法进行滤波后，送丝速度的波形如图中实线所表示，在经过一段加速后，送丝速度达到稳定值附近小幅度变化，滤波后的送丝速度信号非常平稳。
表1为本发明的送丝速度检测精度。为了验证自动检测送丝速度的精确度，测量出不同焊接参数时30秒内送出焊丝(10)的长度，计算出实际送丝速度，并且和使用本发明方法检测出来的送丝速度进行对比，求得其准确度，可以发现使用本发明方法检测出的送丝速度精确度可以达到91％以上，进一步的说明本发明的可靠性和实用性。
表1送丝速度检测精度
Figure BDA0003321867430000091
如上即为本发明的实施例。上述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于信号特征的送丝速度检测装置，其特征在于：包括送丝机构和检测机构，所述送丝机构包括送丝机框架(12)、焊丝盘(1)、送丝主动轮(8)和从动轮(11)，所述焊丝盘(1)、所述送丝主动轮(8)和从动轮(11)均设置在所述送丝机框架(12)上；所述检测机构包括螺栓(2)、第一螺母(3)、第二螺母(4)、送丝速度信号采集及无线传输系统(6)和光电传感器(7)，所述光电传感器(7)固定在所述第一螺母(3)上，所述第二螺母(4)紧贴在所述第一螺母(3)下方，并一起套设在所述螺栓(2)上；所述送丝速度信号采集及无线传输系统(6)设置在所述光电传感器(7)正下方。
2.如权利要求1所述的一种基于信号特征的送丝速度检测装置，其特征在于：
所述送丝主动轮(8)的轴上套设有一个六角螺母(9)，所述六角螺母(9)随所述送丝主动轮(8)的轴转动。
3.如权利要求1所述的一种基于信号特征的送丝速度检测装置，其特征在于：
所述螺栓(2)底部设有磁铁(5)，所述螺栓(2)吸在所述磁铁(5)上，所述磁铁(5)吸在所述送丝机框架(12)上。
4.一种基于信号特征的送丝速度检测方法，其特征在于：所述基于信号特征的送丝速度检测方法包括基于周期变化特征的信号处理方法、一种粗大误差的消除方法和基于信号可靠度的送丝速度检测方法。
5.如权利要求4所述的一种基于信号特征的送丝速度检测方法，其特征在于：所述基于周期变化特征的信号处理方法，可消除由于信号丢失带来的噪声，其步骤如下：
将第i次采集到的连续两个六角螺母(9)顶点转过光电传感器(7)所需时间存入数组a[i]中，相邻信号周期特征标志n和m满足下式，
Figure FDA0003321867420000011
式中，a[i]为第i次采集到的连续两个六角螺母(9)顶点转过光电传感器(7)所需时间，a[i-1]为第i-1次采集到的连续两个六角螺母(9)顶点转过光电传感器(7)所需时间，n表示n≥1时相邻信号周期特征的标志，m表示m>1时相邻信号周期特征的标志。
(a)当n≥1时，即a[i]≥a[i-1]
当n≥1时，第j次识别出的连续两个六角螺母(9)顶点转过光电传感器(7)所需时间t[j]，及该次识别可靠系数h[j]满足下式，
Figure FDA0003321867420000021
Figure FDA0003321867420000022
式中，t[j]为第j次识别出的连续两个六角螺母(9)顶点转过光电传感器(7)所需时间，h[j]为该次识别出的信号t[j]的可靠度，a[i-1]为第i-1次采集到的连续两个六角螺母(9)顶点转过光电传感器(7)所需时间，n表示n≥1时相邻信号周期特征的标志，[n]为n的四舍五入值，δ为误差系数。
(b)当m>1或n<1时，即a[i]<a[i-1]
当m>1或n<1时，第j次识别出的连续两个六角螺母(9)顶点转过光电传感器(7)所需时间t[j]，及该次识别可靠系数h[j]满足下式，
Figure FDA0003321867420000023
Figure FDA0003321867420000024
式中，t[j]为第j次识别出的连续两个六角螺母(9)顶点转过光电传感器(7)所需时间，h[j]为该次识别出的信号t[j]的可靠度，a[i]为第i次采集到的连续两个六角螺母(9)顶点转过光电传感器(7)所需时间，m表示m>1时相邻信号周期特征的标志，[m]为m的四舍五入值，δ为误差系数。
6.如权利要求4所述的一种基于信号特征的送丝速度检测方法，其特征在于：所述一种粗大误差的消除方法，能消除通讯噪声及测量错误的信号，其具体内容如下：
针对无规则的粗大误差，进一步处理后的连续两个六角螺母(9)顶点转过光电传感器(7)所需时间t2[k]满足下式，
Figure FDA0003321867420000031
式中，t1[k]为第k次信号可靠度不小于六分之一时对应的信号，t1[k-1]为第k-1次信号可靠度不小于六分之一时对应的信号，t1[k-2]为第k-2次信号可靠度不小于六分之一时对应的信号，t2[k]为第k次进一步处理后的连续两个六角螺母(9)顶点转过光电传感器(7)所需时间，median()为取中值操作，t[j]为第j次识别出的连续两个六角螺母(9)顶点转过光电传感器(7)所需时间，h[j]为识别出的信号t[j]的可靠度，g[k]为识别出的信号t2[k]的可靠度。
7.如权利要求4所述的一种基于信号特征的送丝速度检测方法，其特征在于：所述基于信号可靠度的送丝速度检测方法，可提高送丝速度检测的准确度，其具体内容如下：
利用基于信号可靠度的送丝速度检测方法，检测出的送丝速度V[k]满足下式，
Figure FDA0003321867420000032
式中，V[k]为检测出的送丝速度，
Figure FDA0003321867420000033
为考虑了可靠度的相邻两个六角螺母(9)顶点转过光电传感器(7)所需时间，r为送丝主动轮(8)的半径，p和q为修正系数，t2[k]、t2[k-1]及t2[k-2]分别表示第k次、第k-1次及第k-2次进一步处理后的连续两个六角螺母(9)顶点转过光电传感器(7)所需时间，g[k]、g[k-1]及g[k-2]分别对应识别出的信号t2[k]、t2[k-1]及t2[k-2]的可靠度。
8.如权利要求4所述的一种基于信号特征的送丝速度检测方法，其特征在于：所述检测方法应用在所述权利要求1-3任一权利要求所述的检测装置上。
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