CN1641504A - 用于控制工业过程特别是激光焊接过程的质量的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于控制工业过程的质量的方法，包括步骤：为该工业过程提供一个或多个参考信号(x_ref)；获取表示所述工业过程的质量的一个或多个实际信号(x_real)；和比较所述一个或多个参考信号(x_ref)与所述一个或多个实际信号(x_real)，以鉴别在所述工业过程中的缺陷。根据本发明，该方法还包括操作：获得从所述参考信号(x_ref)变换的信号(x_{ref_inv_norm})；获得从所述实际信号(x_real)变换的信号(X_{real_inv_norm})；和分别计算所述变换的参考信号(x_{ref_inv_norm})和所述变换的实际信号(X_{real_inv_norm})的能量(E_ref、E_real)，所述比较操作包括：将所述变换的参考信号(x_{ref_inv_norm})和所述变换的实际信号(X_{real_inv_norm})的能量(E_ref、E_real)相互进行比较，以提取所选频率值(f_e)的相对应的时频分布(Tfd_ref、Tfd_real)；计算所述时频分布(Tfd_ref、Tfd_real)的能量(Et_ref、Et_real)；和将所述时频分布(Tfd_ref、Tfd_real)的能量与阈值(max_Tfd_ref)进行比较，以标识与缺陷相关联的能量值。

Description

用于控制工业过程特别是激光焊接过程的质量的方法

发明内容

本发明涉及一种用于控制工业过程的质量的方法，包括步骤：

为工业过程提供一个或多个参考信号；

获取表示所述工业过程的质量的一个或多个实际信号；和

比较所述一个或多个参考信号与所述一个或多个实际信号，以鉴别在所述工业过程中的缺陷。

由于其对工业产品的质量分析的影响，监视工业过程中的缺陷呈现出日益增长的经济重要性。在线和实时地对工业过程的质量进行评定不但从经济的角度、而且从处理速度的角度都可能具有许多优势。因此，系统的理想特征为：

在线和实时的处理；和

能够精确地识别产品中的主要缺陷。

当前通过熟练的技术人员离线地进行检测、或通过使用自动方法来处理工业过程质量的识别、并接着鉴别缺陷的问题，其通过传感器只能鉴别上面所列的某些缺陷，这种方式远不能满足需求，并且对机器的不同设置比较敏感。

现存一些用于控制工业过程中质量的已知方法和系统，例如对激光焊接过程进行在线监视所使用的已知方法和系统，特别是对金属板进行焊接的情况下。控制系统能够评定焊接区域中存在的孔隙度，或者在薄金属板对焊的情况下，评定由于金属板的交叠或欠接合而出现的缺陷。

上面使用的系统根据过程中检测到的信号与表示优质焊接的一个或多个预定参考信号之间的比较进行质量控制。所述参考信号的数量范围通常为2至10，其被设置成从多个优质焊接的采样开始。显然，所述模式的程序表明存在一个熟练操作员，其能够证明在创建参考信号时焊接的优良性，并且包括时间开销，并且有时候也包括材料浪费的开销(用于产生获得参考信号所需要的采样)。在某些情况下，也有表示有缺陷的焊接的预设置参考信号，然而这包括另外的问题和困难。

从本发明申请人的欧洲专利申请EP1275464A中可以得知，将通过光电二极管获得的信号划分成几块，其收集焊点发出的射线，计算采样的每一块中信号的平均，并将具有小于或等于光电二极管的偏移量的值的块作为存在缺陷的指示。所述方法不需要参考信号，然而其只能非常大概地检测缺陷。

本发明的目的是克服前述所有缺陷。

为了实现所述目的，本发明的目标是一种用于控制工业过程的质量的方法，其具有在开始所说明的特征，并且进一步地其特征在于所述方法进一步包括操作：

·获得从所述参考信号变换的信号；

·获得从所述实际信号变换的信号；和

·计算所述变换的参考信号和所述变换的实际信号的能量，

所述比较操作包括：

·将所述变换的参考信号和所述变换的实际信号的能量相互进行比较，以提取所选频率值的相对应的时频(time-frequency)分布；

·计算所述时频分布的能量；和

·将所述时频分布的能量与阈值进行比较，以标识与缺陷相关联的能量值。

在优选的实施例中，获得从所述参考信号变换的信号和获得从所述实际信号变换的信号的所述步骤包括通过应用离散小波变换(DWT)的滤波操作，而将所述变换的参考信号和所述变换的实际信号的能量进行比较以获得对应的时频分布的步骤包括计算实际信号的包络与归一化信号的包络的傅立叶变换的共轭，以分别获得共轭变换的实际信号和共轭变换的参考信号，而且还将实际信号的能量和参考信号的能量进行比较，提取实际信号的能量大于参考信号的能量的频率值。

当然，本发明进一步的目标是用于控制工业过程的质量的系统，其实施上述方法，和对应的计算机产品，其可以直接载入到计算机、诸如处理器的存储器中，并且包括软件代码部分，当该产品在计算机上运行时用于执行根据本发明的方法。

从接下来的描述并参照附图会得出本发明进一步的特征和优点，其中附图纯粹是提供非限制性的范例，并且其中：

图1的方框图表示实现根据本发明方法的系统；

图2所示为图1的系统的详情；

图3、4和5的流程图表示根据本发明的方法的操作；和

图6是通过根据本发明的方法处理的数量图表。

现在将参照激光焊接方法示范说明根据本发明的方法。然而所述激光焊接方法仅仅是工业过程的一个非限制性的范例，可以对其应用根据本发明的用于控制工业过程的质量的方法。

参照图1，附图标记1表示用于控制激光焊接过程的质量的整个系统。该范例涉及的情况是两片金属板2、3，通过激光束对其进行焊接。标号4表示包括透镜5的整个调焦头(focussing head)，通过激光发生器(未示出)产生的激光束在穿过透镜L之后并被半反射镜6反射到达调焦头。焊接区域所发出的射线E穿过半反射镜6并被由光电二极管组成的传感器7检测到，该光电二极管能够将其输出信号发送到与个人计算机9相关联的电子控制和处理单元8。

在具体的实施例中，所使用的半反射镜6是由硒化锌(ZnSe)制成的镜面，其直径为2英寸并且厚度为5毫米。该传感器7由光电二极管组成，该光电二极管的光谱响应(spectral response)在190纳米与1100纳米之间，并且具有1.1×1.1毫米的有效区域和石英窗。

图2更加详细地描述了与个人计算机9相关联的电子控制和处理单元8。所述处理单元8包括抗混淆滤波器11，其对通过传感器7发送的信号进行操作。然后设计具有一个配备有模-数转换器的采集卡12，该转换器对滤波后的信号进行采样，并将其进行数字转换。所述采集卡12优选地直接与个人计算机9相连接。

再一次在具体实施例的情况下，该采集卡12是PC卡NI 6110E类型的数据采集卡，具有的最大采集频率为5Msamples/s。

该抗混淆滤波器11通过低通滤波器(例如Butterworth IIR滤波器)对信号进行滤波。

根据本发明在个人计算机9中实施用于质量控制的方法，其是基于由光电二极管7获取的实际信号x_real与存储在所述个人计算机9中表示缺陷焊接的参考信号x_ref之间的比较。

以获取频率f_s获取通过x_ref(t)表示的参考信号，并且其因此根据奈奎斯特(Nyquis)理论与具有值为f_s/2的频段信号相关联，而为参考信号x_ref(t)获取的采样数目为N。

图3所描述的流程图表示对参考信号x_ref(t)进行的操作。

在第一步骤100中，通过应用离散小波变换(DWT)对参考信号x_ref(t)进行滤波操作。于是在第一步骤100的输出得到信号x_{ref_DWT}，其在0：f_s/4频段中具有N/2个采样。

接下来，在步骤101中对信号x_{ref_DWT}进行Hilbert变换操作，以得到复分析信号x_{ref_HIL}，其具有N/2个采样和零个负频率。

在步骤102中对所述复分析信号x_{ref_HIL}进行归一化操作，其产生的输出是归一化的信号x_{ref_norm}。

然后在步骤103中对所述归一化的信号x_{ref_norm}进行计算归一化信号的包络的操作，表示为x_{ref_inv_norm}，而在步骤104中对所述归一化信号的包络x_{ref_inv_norm}进行快速傅立叶变换(FFT)操作，以得到变换后的包络X_{ref_inv_norm}。

最后，在步骤105中通过应用下面的关系式进行计算通过E_ref表示的参考信号的能量的操作：

∫|x_{ref_inv_norm}(t)|²dt＝∫|X_{ref_inv_norm}(f)|²df  (1)

至于实际信号x_real(t)，其也以获取频率f_s获取，并且其因此根据奈奎斯特理论与具有值为f_s/2的频段信号相关联，而为实际信号x_real(t)获取的采样数目为N。

图4所描述的流程图表示对实际信号x_real(t)进行的操作。

特别地，在图4中表示的第一步骤200中，其中通过应用DWT对实际信号x_real(t)进行滤波操作。于是在第一步骤200的输出得到信号x_{real_DWT}，其在0：f_s/4频段中具有N/2个采样。

在步骤211中对所述信号x_{real_DWT}进行快速傅立叶变换操作，以得到变换的信号FFT_{_real}，其接下来在步骤212中被归一化，以得到变换的归一化信号FFT_{_real_norm}。

在步骤250中，根据下面的关系式对变换的归一化信号FFT_{_real_norm}进行计算平均频率f₀的操作：

f₀＝∫f*FFT_{_real_norm}(f)*FFT_{_real_norm}(f)df  (2)

在步骤251中，根据下面的关系式进行标准偏差B的计算操作：

B＝(∫f²*FFT_{_real_norm}*FFT_{_real_norm} df-f₀ ²)^1/2  (3)

在步骤252中，然后计算低频带F-Sn＝(f₀-B/2)，并且高频带F_Dx＝(f₀+B/2)。

并行地在步骤201中，对信号x_{real_DWT}进行Hilbert变换操作，以得到复分析信号x_{real_HIL}，其具有N/2个采样和零个负频率。

在步骤202中，对所述复分析信号x_{real_HIL}进行归一化操作，其产生的输出是归一化的信号x_{real_norm}。

然后在步骤203中对所述归一化的信号x_{real_norm}进行计算该包络的操作，表示为x_{real_inv_norm}，而在步骤204中对所述归一化信号的包络x_{real_inv_norm}进行快速傅立叶变换(FFT)操作，以得到变换后的包络X_{real_inv_norm}。

最后，在步骤205中通过应用下面的关系式进行计算实际信号的能量E_real的操作：

∫|x_{real_inv_norm}(t)|²dt＝∫|X_{real_inv_norm}(f)|²df  (4)

在限定在步骤252中所计算的低频带F_Sn与高频带F_Dx之间的频段中进行能量E_real和E_ref的计算操作。更加具体地，在这样限定的频段上进行计算操作，考虑频率阶，例如一个赫兹，即：

${\∫}_{F\_\mathrm{Sn}}^{\mathrm{step}}{\left|X_{\mathrm{real}\_\mathrm{inv}\_\mathrm{norm}}\left(f\right)\right|}^2\mathrm{df}$

${\∫}_{\mathrm{step}}^{F\_\mathrm{DX}}{\left|X_{\mathrm{real}\_\mathrm{inv}\_\mathrm{norm}}\left(f\right)\right|}^2\mathrm{df}$

${\∫}_{F\_\mathrm{Sn}}^{\mathrm{step}}{\left|X_{\mathrm{ref}\_\mathrm{inv}\_\mathrm{norm}}\left(f\right)\right|}^2\mathrm{df}$

${\∫}_{\mathrm{step}}^{F\_\mathrm{DX}}{\left|X_{\mathrm{ref}\_\mathrm{inv}\_\mathrm{norm}}\left(f\right)\right|}^2\mathrm{df}$

通过这种方式，能量E_real和E_ref的计算操作分别产生两个矢量，也就是参考信号的能量的矢量Energy_Ref_step(1，...k)，和实际信号能量的矢量Energy_Real_step(1，...k)，它们都包括k个频率值。

接下来，进行二次方的时频分布的计算过程，如图5中所示的流程图，其包括下面的步骤：

在通过300表示的步骤中，计算实际信号的包络的快速傅立叶变换(FFTs)的共轭X_{real_inv_norm}(f)和参考信号的包络的快速傅立叶变换(FFTs)的共轭X_{ref_inv_norm}(f)，获取共轭的变换信号，即分别为共轭变换的实际信号X*_{real_inv_norm}(f)和共轭变换的参考信号X*_{ref_inv_norm}(f)；

在步骤301中，考虑参考信号的能量E_ref和实际信号的能量E_real，它们分别通过参考信号的能量的矢量Energy_Ref_step(1，...k)，和实际信号的能量的矢量Energy_Real_step(1，...k)表示，并且对于所述两个矢量的每一元素k，评估是否满足下面的条件：

Energy_Real_step(1，...k)＞Energy_Ref_step(1，...k)  (5)

也可以参照图6的图表理解该操作，其中所示参考信号的能量E_ref和实际信号的能量E_real(较粗的线)的幅度作为频率的函数；

如果条件(5)满足，则在步骤302中进行提取用于验证所述条件(5)的频率值的操作，将所述值表示为f_e；根据该条件被满足的次数，直到获得最大k的频率值f_e；图6示出了对应于满足条件(5)的频率值f_e的区域；

在步骤303中，构建矩阵M，其行表示所提取的频率值f_e，而其列表示在DWT操作200的输出信号的N/2个时间值t₁，...t_N/2；

在步骤304中，对于该矩阵M的每一行，使用Margenau-Hill关系式对通过Tfd_ref表示的参考信号和通过Tfd_real表示的实际信号计算二次方的时频分布，也就是下面的关系式：

   Tfd_real＝Real(x_{real_DWT}(t)·X_{real_inv_norm}*(f)·and^-j2πf)(6)

   Tfd_ref＝Real(x_{ref_DWT}(t)·X_{ref_inv_norm}*(f)·and^-j2πf)

   (7)

然后在步骤305中，对参考信号和实际信号计算在分别通过Et_ref和Et_real表示的每一时刻的分布相关联的能量；和

然后，在步骤306中，为该参考的时频分布Tfd_ref计算能量的最大值max_Tfd_ref。

最后，为了获得缺陷的估计，在步骤307中将实际信号的二次方的时频分布Tfd_real的每一个时间的能量值Et_real与该能量的最大值max_Tfd_ref进行比较。

如果该实际信号的二次方的时频分布Tfd_real的所述能量值超过该能量的最大值max_Tfd_ref，这就意味着在该时间坐标上存在缺陷。

通过这种方式，可以及时地定位出缺陷。

当然，在不偏离本发明的原理的情况下，参照此处仅仅通过范例形式的描述和说明，可以对构建细节和实施例做出广泛的变换，从而不会脱离本发明的范围。

Claims (12)

1.一种用于控制工业过程的质量的方法，包括步骤：

为该工业过程提供一个或多个参考信号(x_ref)；

获取表示所述工业过程的质量的一个或多个实际信号(x_real)；和

比较所述一个或多个参考信号(x_ref)与所述一个或多个实际信号(x_real)，以鉴别在所述工业过程中的缺陷，

其特征在于其进一步包括操作：

获得从所述参考信号(x_ref)变换的信号(X_{ref_inv_norm})；

获得从所述实际信号(x_real)变换的信号(X_{real_inv_norm})；和

分别计算所述变换的参考信号(X_{ref_inv_norm})和所述变换的实际信号(X_{real_inv_norm})的能量(E_ref、E_real)，

所述比较操作包括：

将所述变换的参考信号(X_{ref_inv_norm})和所述变换的实际信号(X_{real_inv_norm})的能量(E_ref、E_real)相互进行比较，以提取所选频率值(f_e)的相对应的时频分布(Tfd_ref、Tfd_real)；

计算所述时频分布(Tfd_ref、Tfd_real)的能量(Et_ref、Et_real)；和

将所述时频分布(Tfd_ref、Tfd_real)的能量与阈值(max_Tfd_ref)进行比较，以标识与缺陷相关联的能量值。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于获得从所述参考信号(x_ref)变换的信号(X_{ref_inv_norm})和获得从所述实际信号(x_real)变换的信号(X_{real_inv_norm})的所述步骤包括通过应用离散小波变换(DWT)的滤波操作(100、200)。

3.根据权利要求2的方法，其特征在于获得从所述参考信号(x_ref)变换的信号(X_{ref_inv_norm})和获得从所述实际信号(x_real)变换的信号(X_{real_inv_norm})的所述步骤还包括对参考信号(x_ref)和实际信号(x_real)都应用的操作：

对从滤波操作(100、200)获得的信号(x_{ref_DWT}、x_{real_DWT})都应用Hilbert变换(101、201)；

对从Hilbert变换操作得到的信号(x_{ref_HIL}、x_{real_HIL})进行归一化(102、202)；

计算该归一化信号(x_{ref_norm}、x_{real_norm})的包络(103、203)；

对所述归一化信号的包络(x_{ref_inv_norm}、x_{real_inv_norm})应用FFT，以分别获得所述变换的参考信号(X_{ref_inv_norm})和所述变换的实际信号(X_{real_inv_norm})。

4.根据权利要求2或权利要求3的方法，其特征在于其进一步包括通过应用DWT对从滤波操作(100、200)获得的实际信号(x_{real_DWT})执行(211)傅立叶变换操作，获得第二变换的信号(FFT_{_real})，并且归一化(212)所述第二变换的信号(FFT_{_real})以获得第二变换的归一化信号(FFT_{_real_norm})。

5.根据权利要求2或权利要求3的方法，其特征在于其进一步包括处理(250、251、252)所述第二变换的归一化信号(FFT_{_real_norm})，以获得表示该实际信号(x_real)的频谱的一组值(f₀、B、F_Sn、F_Dx)。

6.根据权利要求5的方法，其特征在于其至少使用表示该实际信号(x_real)的频谱的所述一组值(f₀、B、F_Sn、F_Dx)的一部分，以分别计算(106、206)所述变换的参考信号(X_{ref_inv_norm})和所述变换的实际信号(X_{real_inv_norm})的所述能量(E_ref、E_real)。

7.根据权利要求2至6的任一权利要求的方法，其特征在于将所述变换的参考信号(X_{ref_inv_norm})和所述变换的实际信号(X_{real_inv_norm})的能量(E_ref、E_real)分别进行比较，以获得相对应的时频分布(Tfd)的所述操作包括操作：

分别计算(300)所述变换的参考信号(X_{ref_inv_norm})和所述变换的实际信号(X_{real_inv_norm})的快速傅立叶变换(FFT)的共轭，以获得共轭变换的实际信号(X*_{real_inv_norm})和共轭变换的参考信号(X_{ref_inv_norm})；

将参考信号的能量(E_ref)和实际信号的能量(E_real)进行相互比较(301)，提取(302)实际信号的能量(E_real)大于参考信号的能量(E_ref)的频率值(f_e)；

构建(303)矩阵(M)，其行表示所述提取的频率值(f_e)，并且其列表示从通过DWT的滤波操作(200)获得的信号的时间值(t₁，...t_N/2)；

对于所述矩阵(M)的每一行，计算(304)参考信号的二次方的时频分布(Tfd_ref)和实际信号的二次方的时频分布(Tfd_real)。

8.根据权利要求2至6的任一权利要求的方法，其特征在于通过应用Margenau-Hill关系式对于所述矩阵(M)的每一行执行计算(304)参考信号的二次方的时频分布(Tfd_ref)和实际信号的二次方的时频分布(Tfd_real)的操作。

9.根据权利要求2至6的任一权利要求的方法，其特征在于计算所述时频分布(Tfd_ref、Tfd_real)的能量(Et_real、Et_ref)的操作包括操作：

计算(305)每一时刻的所述能量(Et_real、Et_ref)，并且计算(306)能量的最大值(max_Tfd_ref)；使用(307)所述能量的最大值(max_Tfd_ref)作为阈值；和

将所述能量的最大值(max_Tfd_ref)与实际信号的二次方的时频分布(Tfd_real)的每一个时间的能量值进行比较，以标识与缺陷相关联的能量值。

10.一种用于控制工业过程的质量的系统，包括：

传感器装置(7)，用于检测一个或多个过程参数；和

电子控制和处理单元(8、9)，用于处理通过所述传感器装置(7)发出的信号，

其特征在于：

所述用于处理通过所述传感器装置(7)发出的信号的电子控制和处理单元(8、9)实施根据权利要求1至9的用于控制工业过程的质量的方法。

11.根据权利要求10的系统，其特征在于所述工业过程是激光焊接过程。

12.一种计算机程序产品，其可以直接载入到计算机存储器并且包括软件代码部分，当该产品在计算机上运行时用于执行根据权利要求1至9的用于控制工业过程的质量的方法。

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