CN114047351A

CN114047351A - 一种基于失真信号自适应算法的送丝速度检测方法

Info

Publication number: CN114047351A
Application number: CN202111248367.1A
Authority: CN
Inventors: 乐健; 刘一春; 束志恒; 曾明如; 刘强; 曾佳欣; 申一萌; 徐星; 陈小奇; 张华�
Original assignee: Nanchang University
Current assignee: Nanchang University
Priority date: 2021-10-26
Filing date: 2021-10-26
Publication date: 2022-02-15
Anticipated expiration: 2041-10-26
Also published as: CN114047351B

Abstract

本发明公开了一种基于失真信号自适应算法的送丝速度检测方法，包括相邻检测不会发生突变原理、多个传感信号丢失且相邻检测量未发生突变的干扰信号的消除算法和焊丝运动速度检测方法。接近传感器在检测信号的时候由于送丝机震动或者送丝速度较快，传感器检测精度不够的时候会导致传感信号出现漏检现象，无线通讯模块在有电磁干扰的情况下会导致传输信号有噪声，利用本发明的自适应算法可以剔除原始送丝速度信号中的大部分失真信号，使得送丝速度检测精度达到95％以上，可有效解决送丝速度信号的噪声问题，提高送丝速度检测的抗干扰性和准确性，有助于提高机器人自动焊接质量。

Description

一种基于失真信号自适应算法的送丝速度检测方法

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失真信号自适应算法的送丝速度检测方法。

背景技术

目前，焊接自动化主要研究焊缝位置识别和跟踪，未研究基于接近传感器的焊丝速度实时检测。采集到的原始送丝速度传感信号含有噪声，而使用带噪声的传感信号计算出来的送丝速度误差较大，由于焊丝速度是影响焊接质量的重要因素之一，因此，急需设计出一种自适应算法来消除焊丝速度传感信号中的噪声，有利于提高机器人焊接的质量，对焊接自动化具有重要意义。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种基于失真信号自适应算法的送丝速度检测方法，针对焊丝速度传感信号中含有失真信号，提出一种基于失真信号自适应算法的送丝速度检测方法，通过对失真信号分析处理，可以降低传感信号中各类干扰带来的噪声，提高送丝速度检测的抗干扰性和准确性，为机器人自动焊接提供可靠的送丝速度信号，提高焊接质量。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于失真信号自适应算法的送丝速度检测方法，其中，送丝速度检测系统包括接近传感器、降压电路、单片机最小系统、LCD显示器、无线通讯模块1、无线通讯模块2和焊接机器人，其特征在于：利用送丝速度检测系统实现送丝速度检测方法包括以下步骤：

(a)所述接近传感器采集送丝机上六角螺母旋转速度传感信号，传感信号经过所述降压电路输出脉冲信号传入所述单片机最小系统，经过单片机处理后焊丝速度在所述LCD显示器上显示；

(b)焊丝速度失真信号通过所述无线通讯模块1传输到所述无线通讯模块2中，最后传入到所述焊接机器人上；

(c)利用所述基于失真信号自适应算法的送丝速度检测方法，检测出精确的送丝速度，用于控制所述焊接机器人焊接质量。

进一步地，所述送丝速度检测方法包括相邻送丝速度传感信号不会发生突变的原理、多个传感信号丢失且相邻检测量未发生突变的干扰信号消除算法、焊丝运动速度检测方法。

进一步地，所述相邻送丝速度传感信号不会发生突变的原理内容如下：当单个传感信号丢失时，相邻传感信号发生突变，相邻的传感信号t₁远小于t₂，运用以下规则进行去噪：

规则1：

then a＝t₁+t₂,else a＝0；

规则2：

then b＝t₂+t₃,else b＝0；

规则3：

then c＝t₃+t₄,else c＝0；

规则4：

then d＝t₄+t₅,else d＝0；

规则5：

then e＝t₅+t₆,else e＝0；

其中，α为时间系数，a、b、c、d和e为不同时刻六角螺母连续两个顶点转过接近传感器的时间，t₁、t₂、t₃、t₄、t₅及t₆的含义为六角螺母一个顶点转过接近传感器的时间。

进一步地，所述多个传感信号丢失且相邻检测量未发生突变的干扰信号消除算法内容如下：所述的多个传感信号丢失时，相邻传感信号可能不发生突变，相邻的传感信号t₂近似等于t₃，利用如下方法进一步进行处理；

通过规则1至规则5计算出的a、b、c、d、e中不为0的个数为m，设m的初值为0，数组c[m]用于存储这些不为0的值；

规则6：如果规则1中的a≠0，则c[m]＝a，且m＝m+1；

规则7：如果规则2中的b≠0，则c[m]＝b，且m＝m+1；

规则8：如果规则3中的c≠0，则c[m]＝c，且m＝m+1；

规则9：如果规则4中的d≠0，则c[m]＝d，且m＝m+1；

规则10：如果规则5中的e≠0，则c[m]＝e，且m＝m+1；

令六角螺母(5)连续两个顶点转过接近传感器(6)的时间满足下式

式中，t[n]为第n次六角螺母连续两个顶点转过接近传感器的时间，t[n-1]为第n-1次六角螺母连续两个顶点转过接近传感器的时间，T为六角螺母转动一圈所需的时间，数组c[m]用于存储六角螺母(5)相邻两个顶点转过接近传感器的时间，m为规则1至规则5计算出的a、b、c、d、e中不为0的个数，min()为取小函数。

进一步地，所述焊丝运动速度检测方法内容如下：焊丝盘中的焊丝通过主动轮和从动轮的摩擦力进行运动，使焊丝不断送入焊枪中，送丝主动轮及六角螺母每转动一圈，焊丝送出的长度等于送丝主动轮(4)的周长，因此，焊丝运动速度表达式为：

式中，v表示当前送丝速度；d表示送丝机主动轮的直径，其它物理量含义与权利要求4中相同。

本发明的有益效果为：

通过本发明所述的一种基于失真信号自适应算法的送丝速度检测方法，有助于降低送丝速度传感信号中各类干扰带来的噪声，提高送丝速度检测的抗干扰性和准确性，可提高焊接质量，有助于实现机器人精确焊接，能够产生一定的社会效益和经济效益。

附图说明

图1为本发明的焊丝速度检测系统图；

图2为本发明的焊丝速度检测原理图；

图3为本发明的焊丝速度检测系统硬件框图；

图4为本发明的基于接近传感器的焊丝速度检测信号图；

图5为本发明的采集到的原始焊丝速度曲线图；

图6为本发明的基于失真信号自适应算法识别出的焊丝速度曲线图；

图中：1、焊枪；2、从动轮；3、焊丝盘；4、主动轮；5、六角螺母；6、接近传感器；7、测量电路；8、降压电路；9、单片机最小系统；10、无线通讯模块1；11、无线通讯模块2；12、焊接机器人；13、LCD显示器。

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为本发明的焊丝速度检测系统图，它主要由焊丝盘3、送丝主动轮4、与送丝主动轮4同轴转动的六角螺母5、压紧焊丝的从动轮2、焊丝、焊枪1，接近传感器6和测量电路7组成。

所述的送丝主动轮4和六角螺母5以角速度w转动时，从动轮2以同样的角速度w朝相反的方向运动，焊丝通过主动轮4和从动轮2之间的摩擦力运动，主动轮4旋转一圈，焊丝运动的长度就是主动轮4旋转的周长。因此，送丝速度为，

(1)

式中，v为送丝速度，d为主动轮4直径，T为送丝主动轮4旋转一周所需的时间。

图2为本发明的焊丝速度检测原理图，六角螺母5随着送丝主动轮4旋转，当旋转到如图2(a)时，ab面平行接近传感器6的时候，六角螺母5离接近传感器6远，此时测量电路7输出低电平；当六角螺母5旋转到如图2(b)时，顶点a离接近传感器6近，此时测量电路7输出高电平。

图3为本发明的焊丝速度检测系统硬件框图，所述接近传感器6采集送丝机上六角螺母5旋转速度传感信号，传感信号经过降压电路8输出脉冲信号传入单片机最小系统9，经过单片机处理后的焊丝速度在LCD显示器13上显示。并且，焊丝速度失真信号通过无线通讯模块1(10)传输到无线通讯模块2(11)中，最后传入到焊接机器人12上。

图4为本发明的基于接近传感器6的焊丝速度检测信号图，图4(a)为无噪声传感信号，主动送丝轮及六角螺母5每转动一圈，传感信号为六个波谷与六个波峰依次间隔排列，相邻波谷与波峰经历的时间依次为t₁、t₂、t₃、t₄、t₅及t₆，分别对应六角螺母5每个顶点转过接近传感器6的时间。由于送丝机振动等干扰，当某次六角螺母5的顶点转过接近传感器6时，传感器可能采集不到该信号，存在单个传感信号丢失，其传感信号波形如图4(b)所示。当丢失多个传感信号时，其传感信号波形如图4(c)所示。针对基于接近传感器6的焊丝运动速度检测信号的特点，设计了一种基于失真传感信号自适应算法的焊丝速度检测方法，主要分为三部分，分别介绍如下：

(1)相邻送丝速度传感信号不会发生突变的原理

由于六角螺母5的对称性，螺母的加工误差较小，因此，每个六角螺母5顶点转过接近传感器6的时间近似相同，相邻六角螺母5顶点转过传感器的时间不会发生突变，因此，相邻检测量不会发生突变，针对该特点，对采样到的信号利用如下规则进行去噪。

规则1：

then a＝t₁+t₂,else a＝0；

规则2：

then b＝t₂+t₃,else b＝0；

规则3：

then c＝t₃+t₄,else c＝0；

规则4：

then d＝t₄+t₅,else d＝0；

规则5：

then e＝t₅+t₆,else e＝0。

其中，α为时间系数，a、b、c、d和e为不同时刻六角螺母5连续两个顶点转过接近传感器6的时间，t₁、t₂、t₃、t₄、t₅及t₆的含义如图4所示。

利用该方法，即使某次六角螺母5顶点转过接近传感器6时传感信号丢失，如图4(b)所示，由于相邻的传感信号发生了突变(由t₁突变成t₂)，因此，该次检测信号不用于焊丝运动速度的检测，可以降低传感信号的噪声。

(2)多个传感信号丢失且相邻检测量未发生突变的干扰信号消除算法

当多个传感信号丢失时，相邻传感信号也可能不发生突变，如图4(c)所示，相邻的传感信号t₂近似等于t₃。针对这类情况，利用上面的五条规则不能去除此类干扰。针对该类干扰的特点，利用如下方法进一步进行处理。

通过规则1至规则5计算出的a、b、c、d、e中不为0的个数为m，设m的初值为0，数组c[m]用于存储这些不为0的值。

规则6：如果规则1中的a≠0，则c[m]＝a，且m＝m+1；

规则7：如果规则2中的b≠0，则c[m]＝b，且m＝m+1；

规则8：如果规则3中的c≠0，则c[m]＝c，且m＝m+1；

规则9：如果规则4中的d≠0，则c[m]＝d，且m＝m+1；

规则10：如果规则5中的e≠0，则c[m]＝e，且m＝m+1。

令六角螺母5连续两个顶点转过接近传感器6的时间为t，其满足下式：

式中，t[n]为第n次六角螺母5连续两个顶点转过接近传感器6的时间，t[n-1]为第n-1次六角螺母5连续两个顶点转过接近传感器6的时间，T为六角螺母5转动一圈所需的时间，数组c[m]用于存储六角螺母5相邻两个顶点转过接近传感器6的时间，m为规则1至规则5计算出的a、b、c、d、e中不为0的个数，min()为取小函数。

虽然多个传感信号丢失，存在相邻传感信号不发生突变的情况，但由于存在传感信号丢失，使采样到的传感信号明显变大，因此，通过(2)式中的取小操作，可以降低该类干扰对传感信号的影响。

(3)焊丝运动速度检测方法

焊丝盘3中的焊丝通过主动轮4和从动轮2的摩擦力进行运动，使焊丝不断送入焊枪1中。送丝主动轮4及六角螺母5每转动一圈，通过摩檫力，使焊丝送出的长度等于送丝主动轮4的周长，结合式(1)及式(2)，因此，焊丝运动速度满足下式：

式中，各物理量的含义与式(1)及式(2)相同，不再重复。

因此，利用设计的失真传感信号自适应方法实现焊丝运动速度检测，可以降低传感信号中各类干扰带来的噪声，提高送丝速度检测的抗干扰性及准确性。

为了验证设计的送丝速度检测算法及系统的可行性，模拟工人根据工况在线调整焊接电流的情景(焊接电流越大，送丝速度越快)，使焊接电流从210A变成170A，进行了机器人12自动焊接实验，并对实验结果进行了分析。在焊接过程中，由于送丝机震动等原因，采集到的原始焊丝速度如图5所示，可以发现，原始信号存在大量的噪声信号，这样的原始信号如果直接使用会对焊接质量产生严重的影响。

在使用本发明的一种基于失真信号自适应算法进行实验，采集到的送丝速度如图6所示，可以发现，使用算法之后，原始信号的噪声大部分已经被消除，使得焊接电流210A和170A的送丝速度都比较平稳，为焊接机器人12提供了可靠的送丝速度信号。

表1为本发明的焊丝速度检测精度表，为了验证自动检测送丝速度的精确度，进行了焊接电压为25V，焊接电流为210A和170A的送丝速度检测，将检测出的焊丝速度与实际焊丝速度进行对比，计算出相对误差，发现自动检测送丝速度的准确度能达到95％以上。进一步说明本发明的可靠性和实用性。

表1焊丝速度检测精度表

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

1.一种基于失真信号自适应算法的送丝速度检测方法，其中，送丝速度检测系统包括接近传感器(6)、降压电路(8)、单片机最小系统(9)、LCD显示器(13)、无线通讯模块1(10)、无线通讯模块2(11)和焊接机器人(12)，其特征在于：利用送丝速度检测系统实现送丝速度检测方法包括以下步骤：

(a)所述接近传感器(6)采集送丝机上六角螺母(5)旋转速度传感信号，传感信号经过所述降压电路(8)输出脉冲信号传入所述单片机最小系统(9)，经过单片机处理后焊丝速度在所述LCD显示器(13)上显示；

(b)焊丝速度失真信号通过所述无线通讯模块1(10)传输到所述无线通讯模块2(11)中，最后传入到所述焊接机器人(12)上；

(c)利用所述基于失真信号自适应算法的送丝速度检测方法，检测出精确的送丝速度，用于控制所述焊接机器人(12)焊接质量。

2.根据权利要求1所述的一种基于失真信号自适应算法的送丝速度检测方法，其特征在于：所述送丝速度检测方法包括相邻送丝速度传感信号不会发生突变的原理、多个传感信号丢失且相邻检测量未发生突变的干扰信号消除算法、焊丝运动速度检测方法。

3.根据权利要求2所述的一种基于失真信号自适应算法的送丝速度检测方法，其特征在于：所述相邻送丝速度传感信号不会发生突变的原理内容如下：当单个传感信号丢失时，相邻传感信号发生突变，相邻的传感信号t₁远小于t₂，运用以下规则进行去噪：

规则1：if，

then a＝t₁+t₂,else a＝0；

规则2：if，

then b＝t₂+t₃,else b＝0；

规则3：if，

then c＝t₃+t₄,else c＝0；

规则4：if，

then d＝t₄+t₅,else d＝0；

规则5：if，

then e＝t₅+t₆,else e＝0；

其中，α为时间系数，a、b、c、d和e为不同时刻六角螺母(5)连续两个顶点转过接近传感器的时间，t₁、t₂、t₃、t₄、t₅及t₆的含义为六角螺母(5)一个顶点转过接近传感器的时间。

4.根据权利要求2所述的一种基于失真信号自适应算法的送丝速度检测方法，其特征在于：所述多个传感信号丢失且相邻检测量未发生突变的干扰信号消除算法内容如下：所述的多个传感信号丢失时，相邻传感信号可能不发生突变，相邻的传感信号t₂近似等于t₃，利用如下方法进一步进行处理；

规则6：如果规则1中的a≠0，则c[m]＝a，且m＝m+1；

规则7：如果规则2中的b≠0，则c[m]＝b，且m＝m+1；

规则8：如果规则3中的c≠0，则c[m]＝c，且m＝m+1；

规则9：如果规则4中的d≠0，则c[m]＝d，且m＝m+1；

规则10：如果规则5中的e≠0，则c[m]＝e，且m＝m+1；

式中，t[n]为第n次六角螺母(5)连续两个顶点转过接近传感器(6)的时间，t[n-1]为第n-1次六角螺母(5)连续两个顶点转过接近传感器(6)的时间，T为六角螺母(5)转动一圈所需的时间，数组c[m]用于存储六角螺母(5)相邻两个顶点转过接近传感器(6)的时间，m为规则1至规则5计算出的a、b、c、d、e中不为0的个数，min()为取小函数。

5.根据权利要求2所述的一种基于失真信号自适应算法的送丝速度检测方法，其特征在于：所述焊丝运动速度检测方法内容如下：焊丝盘(3)中的焊丝通过主动轮(4)和从动轮(2)的摩擦力进行运动，使焊丝不断送入焊枪(1)中，送丝主动轮(4)及六角螺母(5)每转动一圈，焊丝送出的长度等于送丝主动轮(4)的周长，因此，焊丝运动速度表达式为：

式中，v表示当前送丝速度；d表示送丝机主动轮(4)的直径，其它物理量含义与权利要求4中相同。