CN1713098A - 控制工业生产过程质量的方法及其系统 - Google Patents

Abstract

一种控制生产过程质量的方法，包含下列步骤：获取一个或多个与生产过程相关的参考信号(x_ref)；获取一个或多个表示所述生产过程质量的真实信号(x_real)；将所述一个或多个参考信号(x_ref)与所述一个或多个真实信号(x_real)比较，确认所述生产过程中的缺陷。所述比较操作包括：比较所述参考变换信号(X_{ref_inv_norm})和所述真实变换信号(X_{real_inv_norm})所对应的能量(E_ref、E_real)，为选定的频率值(f_e)提取相应的时间频率分布(Tfd_ref、Tfd_real)；计算所述时间频率分布(Tfd_ref、Tfd_real)的能量(Et_ref、Et_real)；将所述时间频率分布(Tfd_ref、Tfd_real)的能量(Et_ref、Et_real)与临界值(max_Tfd_ref)比较，以确定与缺陷相关联的能量值。

Description

控制工业生产过程质量的方法及其系统

技术领域

本发明涉及控制工业生产过程质量的方法，包括以下步骤：

获取一个或多个与工业生产过程相关的参考信号；

获取一个或多个表示所述工业生产过程质量的真实信号；

将所述一个或多个参考信号与所述一个或多个真实信号比较，以确认所述工业生产过程的缺陷。

背景技术

对工业生产过程中的缺陷进行监控越来越体现出由于这些缺陷对工业产品质量分析的影响而带来的日益增长的经济价值。在线和自动地获取工业生产过程质量评估值的能力在经济和过程周转率(process velocity)方面都有很多益处。因此，系统的最佳特征是：

-在线和实时处理；

-准确地确认主要生产缺陷的能力。

目前，存在的问题是通过专家的离线观察来认识一个工业生产过程的质量并确认任何缺陷，或通过一些采用传感器的自动方法，这些方法以一种不能令人满意的、对机器的不同设置相当敏感的方式仅仅确认前述缺点中某一些。

一些控制工业生产过程质量的方法和系统已为大家所知，例如用于激光焊接过程的在线监控，尤其是用于金属薄片焊接的情形。控制系统能够估定焊接区域内或对缝焊接的薄金属片情形下气孔的存在以及由于金属薄片的重合或断裂引起的缺陷的存在。

所述的旧有系统基于对过程中所获信号与一个或多个预先确定的、表示高质量焊接的参考信号进行比较的质量控制。所述参考信号(通常其数目在2至10之间变化)往往根据多个高质量焊接采样预先确定。很明显，这种方式意味着一个富有经验的操作者的存在能够保证在生成参考信号时的焊接质量，会造成时间耗费并且有时还会造成物质耗费(这些耗费用于获取为得到参考信号而需要的采样)。在某些情况下，也可以安排表示有缺陷焊接的参考信号，这也会带来另外一些问题和困难。

以本申请人名义获得的欧洲专利申请EP-A-1275464是将通过一个收集焊点发出辐射的光电二极管获取的信号分为若干块，计算每个采样块中信号的平均值，考虑那些值低于或等于表示缺陷存在的光电二极管偏差的采样块。所述方法排除了对参考信号的需求，它可供一种很接近的缺陷检测之用。

发明内容

本发明的目标是克服所有前述的缺点。

考虑到要取得的所述目标，本发明介绍了一种控制工业生产过程质量的方法，所述方法具有本文开始所述的特征，并且还包含下列操作的事实所赋予的特征。所述操作包括：

-从所述参考信号获得变换信号；

-从所述真实信号获得变换信号；

-分别计算所述参考信号的变换信号的能量和所述真实信号的变换信号的能量。

所述比较操作包括：

-将所述参考信号的变换信号的所述能量和所述真实信号的变换信号的所述能量相互比较，为选定的频率值提取相应的时间频率分布；

-计算所述时间频率分布的能量。

-将所述时间频率分布的能量和临界值比较，以确认与缺陷相关的能量值。

在最佳实施例中，从所述参考信号获取一个变换信号的所述步骤以及从所述真实信号获取一个变换信号的所述步骤包含了一个通过应用DWT变换(离散小波变换)进行的滤波操作；而所述的比较所述参考信号的变换信号的能量和所述真实信号的变换信号的能量以获得相应时间频率分布的操作包括：计算真实信号包络和归一化信号包络的傅里叶变换的共轭，获得真实信号的共轭变换信号和参考信号的共轭变换信号，以及比较参考信号能量和真实信号能量并提取真实信号能量大于参考信号能量时的频率值。

当然，本发明还涉及实现上述方法的控制生产质量的系统以及相应的计算机产品，所述计算机产品可直接装入数字计算机(如处理器)的内存并包括软件代码部分，当在计算机上执行所述产品时，该软件代码部分实施本发明的方法。

附图说明

参考随后的、以非限制实例方式提供的附图描述，可以很明显地发现本发明另一些特征和优势。附图中：

-图1是说明实现本发明方法的系统的结构图；

-图2详细表示图1的系统；

-图3、4和5是描述本发明方法的操作流程图；

-图6是用本发明方法计算的量值图表。

具体实施方式

本发明方法将以激光焊接方法作为示例。然而，所述激光焊接方法仅仅是可应用本发明控制工业生产过程质量方法的工业生产过程的一个非限制性实例。

参考图1，数字(10)指的是整个控制激光焊接过程质量的系统。例子涉及的是两个金属板(2和3)通过激光束被焊接的情形。数字(4)指的是整个聚焦头，它包括一个透镜(5)。由激光发生器(图中未显示)产生的激光束穿过透镜(L)后，再被半反射镜(6)反射，最后到达透镜(5)。从焊接区域发出的辐射(E)穿过反射镜(6)，而后被由光电二极管组成的传感器(7)感知，该光电二极管能够将它的输出信号发送到一个与个人计算机(9)相连的电子控制与处理单元(8)。

在一个实际实施例中，所用的半反射镜(6)是一个锌-硒成分的(ZnSe)镜面，其直径为2英寸，厚5毫米。传感器(7)由一个光谱响应在190和1100纳米之间、有效面积为1.1×1.1毫米²的光电二极管和一个石英镜面组成。

图2非常详细地描述了与个人计算机(9)相连的控制和处理电子单元(8)。所述处理单元(8)包含了一个对传感器(7)发送的信号进行处理的抗混淆滤波器(11)，由此提供了一个装有模拟-数字转换器的采集板(12)，该模拟-数字转换器对滤波信号进行抽样并将其转换为数字形式。所述采集板(12)更适宜与个人计算机(9)直接相连。

同样在一个实际实施例中，采集卡(12)是一个PC卡(NI 611E数据采集卡)，其最大采集频率为5毫秒/秒。

抗混淆滤波器(11)通过一个低通滤波器(如一个Butterworth IIR滤波器)来滤波信号。

控制质量的方法在本发明的个人计算机(9)中实现，该方法的实现主要是基于对依靠光电二极管(7)获取的真实信号x_real和存储在所述个人计算机(9)中的代表有缺陷焊接的参考信号x_ref的比较。

以x_ref(t)表示的参考信号在采集频率f_s的水平下被获取，因此根据Nyquist定理，所述参考信号与值为f_s/2的信号频带相关联。同时，为参考信号x_ref(t)获取的采样数为N。

图3是表示对参考信号x_ref(t)进行的运算的流程图。

在第一步骤(100)中，通过应用DWT变换(离散小波变换)对参考信号x_ref(t)进行滤波操作。因此，在步骤(100)的输出端，可以获取频带在0：f_s/4、采样数为N/2的信号x_{ref_DWT}。

随后，在步骤(101)中，对信号x_{ref_DWT}作Hilbert变换操作，获取采样数为N/2、具有零负频率的复解析信号x_{ref_HIL}。

在步骤(102)中，对所述解析信号x_{ref_HIL}作归一化运算，输出归一化信号x_{ref_norm}。

在步骤(103)中，对所述归一化信号x_{ref_norm}进行计算归一化信号的包络的运算，该包络称为x_{ref_inv_norm}。同时，在步骤(104)中，对所述归一化信号的包络x_{ref_inv_norm}作傅里叶变换(FFT)运算，获得变换包络X_{ref_inv_norm}。

最后，在步骤(105)中，应用下列关系，进行计算参考信号能量E_ref的运算：

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

关于真实信号x_real(t)，它也是在采集频率f_s上获取的，因此根据Nyquist定理，所述真实信号与值为f_s/2的信号频带相关联，为真实信号x_real(t)获取的采样数为N。

图4是描述对真实信号x_real(t)进行的操作的流程图。

具体地说，图4说明了在第一步骤(200)中，通过用DWT变换(离散小波变换)对真实信号x_real(t)进行滤波操作。因此，在步骤(200)的输出端，可以获取在频带0：f_s/4上的、采样数为N/2的信号x_{real_DWT}。

在步骤(211)中，对所述信号x_{real_DWT}进行傅里叶变换，获得变换信号FFT_{_real}。随后，在步骤(212)中，该变换信号被归一化，得到经变换的归一化信号FFT_{_real_norm}。

在步骤(250)中，按照下列关系，进行对经变换的归一化信号FFT_{_real_norm}求平均频率f₀的操作：

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

在步骤(251)中，依照下列关系，进行计算标准偏差B的操作：

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

在步骤(252)中，接着又计算了下频带F_Sn＝(f₀-B/2)和上频带F_Dx＝(f₀+B/2)。

在并行的步骤(201)中，对信号x_{real_DWT}作Hilbert变换操作，获得采样数为N/2、具有零负频率的复解析信号x_{real_HIL}。

在步骤(202)中，对所述解析信号x_{real_HIL}进行归一化运算，输出归一化信号x_{real_norm}。

在步骤(203)中，对所述归一化信号x_{real_norm}进行计算包络的操作，该包络称为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}进行傅里叶变换操作(FFT)，获得变换包络X_{real_inv_norm}。

最后，在步骤(205)中，应用下列关系，进行计算真实信号能量E_real的操作：

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

对能量E_real和E_ref的计算操作要在限定于步骤(252)计算的下频带F_Sn和上频带F_Dx之间的频带中进行。更准确地说，计算要在如此限定的频带上进行并考虑频率步长(如一个赫兹)，即：

以这种方式，对能量E_real和E_ref的计算操作产生两个相应的矢量-即分别是：

∫_{F_Sn} ^step|X_{real_inv_norm}(f)|²df ∫_step ^F_Dx|X_{real_inv_norm}(f)|²df

∫_{F_Sn} ^step|X_{ref_inv_norm}(f)|²df ∫_step ^F_Dx|X_{ref_inv_norm}(f)|²df

参考信号的能量矢量Energy_Ref_step(1，…k)和真实信号的能量矢量Energy_Real_step(1，…k)，它们都包含有k个频率值。

随后，如图5的流程图所示，进行时间-频率二次分布计算过程。该过程包括以下操作：

-在步骤(300)中，计算真实信号的包络X_{real_inv_norm}(f)和参考信号的包络X_{ref_inv_norm}(f)的傅里叶变换(FFT)的共轭，分别得到真实共轭变换信号X^* _{real_inv_norm}(f)和参考共轭变换信号X^* _{ref_inv_norm}(f)；

-在步骤(301)中，考虑分别由参考信号能量矢量Energy_Ref_step(1，…k)和真实信号能量矢量Energy_Real_step(1，…k)表示的参考信号能量E_ref和真实信号能量E_real，并针对所述的两个矢量各自的元素k，评价是否符合下列判据：

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

也可参考图6的曲线图来理解这个操作。图6的曲线图说明参考信号能量E_ref的振幅和真实信号能量E_real(图中所示较粗线条)的振幅是频率的函数。

-如果满足判据(5)，那么，就在步骤(302)中执行提取所述判据(5)得到满足的相应频率值的操作，所述频率值用f_e表示。根据条件满足的次数，可获得多达k个频率值f_e。图6显示了与满足判据(5)的频率值f_e对应的区域；

-在步骤(303)中，矩阵(M)被构建，其行由被提取的频率值f_e组成，其列由通过DWT变换(离散小波变换)操作(200)获得的输出信号的N/2个时间值t₁…t_N/2组成；

-在步骤(304)中，对矩阵M的每一行用Margenau_Hill关系(见下式)计算参考信号的时间频率二次分布Tfd_ref和真实信号的时间频率二次分布Tfd_real，即：

Tfd_real＝Real(x_{real_DWT}(t)·X_{real_inv_norm} ^*(f)·e^-j2Пf

(6)

Tfd_ref＝Real(x_{ref_DWT}(t)·X_{ref_inv_norm} ^*(f)·e^-j2Пf

(7)

-在步骤(305)中，接着对参考信号和真实信号计算与每个时刻的分布相关联的能量，并分别表示为Et_ref和Et_real；

-在步骤(306)中，接着对参考信号的时间频率分布Tfd_ref计算能量的最大值max_Tfd_ref。

为了获得对缺陷S的估计，最后在步骤(307)中，将真实信号的时间频率二次分布Tfd_real的能量Et_real在每个时刻的值与能量最大值max_Tfd_ref比较。如果所述真实信号的时间频率二次分布Tfd_real的能量值在某个时刻超过了能量的最大值max_Tfd_ref，则缺陷就会在该时间坐标上发生。

因此，这可能只是暂时定位缺陷的方法。

为了评价缺陷，参考图7，考虑的量是在图4的步骤(205)中生成的真实信号的能量E_real以及在步骤(252)中计算得到的缺陷的下频带F_Sn＝(f₀-B/2)和上频带F_Dx＝(f₀+B/2)。最后，要考虑的量是如图5的步骤(307)中估计的缺陷在频带中的范围和位置。

依照本发明的一个方面，所述参数，即真实信号的能量E_real、下频带F_Sn和上频带F_Dx以及缺陷的范围和位置，被送入缺陷分类器(400)。所述缺陷分类器在其输入端接收已确认的特征(或其一个子集)，按下列分类评价焊接的质量：“合格”/“不合格”/“焊接熔深不足”/“不连续的激光功率”/“不恰当的装配”/“有气孔”。

这种方式的优势在于，与缺陷的时间/频率分析有关的步骤(205)、(252)和(307)的输出结果可用来自动指示缺陷分类器(400)，从而避免了由操作员指示分类器(400)的步骤。最后，可在单元(401)中对步骤(205)、(252)及(307)的输出结果以及在单元(401)中对缺陷的最终评估结果进行交叉核对。

当然，在不改变本发明原理的前提下，结构细节和实施方式均可与这里单纯通过举例方式进行的描述和说明有很大的不同，而不会因此而超出本发明的范围。

Claims (14)

1.一种控制工业生产过程质量的方法，这种类型的方法包含下列步骤：

获取一个或多个与工业生产过程相关联的参考信号(x_ref)；

获取一个或多个表示所述工业生产过程质量的真实信号(x_real)；

将所述一个或多个参考信号(x_ref)与所述一个或多个真实信号(x_real)比较，确认所述工业生产过程中的缺陷；

其特征在于，所述方法还包括下列操作：

-从所述参考信号(x_ref)获得相应的变换信号(X_{ref_inv_norm})；

-从所述真实信号(x_real)获得相应的变换信号(X_{real_inv_norm})；

-分别计算所述参考信号的变换信号(X_{ref_inv_norm})和所述真实信号的变换信号(X_{real_inv_norm})所对应的能量(E_ref、E_real)；

所述比较操作包括：

-将所述参考信号的变换信号(X_{ref_inv_norm})和所述真实信号的变换信号(X_{real_inv_norm})所对应的能量(E_ref、E_real)相互比较，为选定的频率值(f_e)提取相应的时间频率分布(Tfd_ref、Tfd_real)；

-计算所述时间频率分布(Tfd_ref、Tfd_real)的能量(Et_ref、Et_real)；

-将所述时间频率分布(Tfd_ref、Tfd_real)的能量与临界值(max_Tfd_ref)比较，以确认与缺陷相关联的能量值；

-向分类器(400)提供与缺陷相关联的所述能量值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括向所述分类器(400)提供所述真实变换信号(X_{real_inv_norm})的能量(E_real)。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，从所述参考信号(x_ref)获得变换信号(X_{ref_inv_norm})和从所述真实信号(x_real)获得变换信号(X_{real_inv_norm})的所述步骤包括用DWT变换进行的滤波操作(100、200)。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，从所述参考信息(x_ref)获得变换信号(X_{ref_inv_norm})和从所述真实信号(x_real)获得变换信号(X_{real_inv_norm})的所述步骤还包括作用于参考信号(x_ref)和真实信号(x_real)双方的下列操作：

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

-将从Hilbert变换操作中获得的信号(x_{ref_HIL}、x_{real_HIL})归一化(102、202)；

-计算归一化信号(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})作FFT变换，以分别获得参考信号的变换信号(X_{ref_inv_norm})和真实信号的变换信号(x_{real_inv_norm})。

5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述方法又包括：对用DWT变换进行的滤波操作(100、200)中获得的真实信号(x_{real_DWT})执行(211)傅里叶变换操作，获得第二变换信号(FFT_real)；并归一化(212)所述第二变换信号(FFT_real)，获得第二变换归一化信号(FFT_{real_norm})。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法包括：处理(250、251、252)所述第二变换归一化信号(FFT_{_real_norm})以获得代表真实信号(x_real)频谱的一组值(f₀、B、F_Sn、F_Dx)，并将从所述一组值(f₀、B、F_Sn、F_Dx)中选出的值提供给所述分类器(400)。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法包括：用代表真实信号(x_real)的频谱的所述一组值(f₀、B、F_Sn、F_Dx)中的至少一部分去分别计算(106、206)所述参考变换信号(X_{ref_inv_norm})和所述真实变换信号(X_{real_inv_norm})的所述能量(E_ref、E_real)。

8.如权利要求1至7中任何一项所述的方法，其特征在于，比较所述参考变换信号(X_{ref_inv_norm})和所述真实变换信号(X_{real_inv_norm})的所述能量(E_ref、E_real)以获得相应的时间频率分布(Tfd)的操作包括以下操作：

-计算(300)所述参考变换信号(X_{ref_inv_norm})和所述真实变换信号(X_{real_inv_norm})的傅里叶变换(FFT)共轭，以获得真实共轭变换信号(X^* _{real_inv_norm})和参考共轭变换信号(X^* _{ref_inv_norm})；

-比较(301)参考信号能量(E_ref)和真实信号能量(E_real)，提取(302)真实信号能量(E_real)大于参考信号能量(E_ref)时的频率值(f_e)；

-构建(303)矩阵(M)，其行由所述被提取的频率值(f_e)组成，其列由经通过DWT变换(离散小波变换)进行的滤波操作(200)而获取的输出信号的时间值(t₁...t_N/2)组成；

-对所述矩阵(M)的每一行计算(304)参考信号的时间频率二次分布(Tfd_ref)和真实信号的时间频率二次分布(Tfd_real)。

9.如权利要求3至7中任何一项所述的方法，其特征在于，用Margenau_Hill关系实施对所述矩阵(M)的每一行计算(304)参考信号的时间频率二次分布(Tfd_ref)和真实信号的时间频率二次分布(Tfd_real)的所述操作。

10.如权利要求3至7中任何一项所述的方法，其特征在于，计算所述时间频率分布(Tfd_ref、Tfd_real)的能量(Et_ref、Et_real)的所述操作包括以下操作：

-计算(305)每个时刻的所述能量(Et_ref、Et_real)，并计算(306)能量最大值(max_Tfd_ref)；将所述能量最大值(max_Tfd_ref)用作(307)临界值；并且

-将所述能量的最大值(max_Tfd_ref)与每个时刻的真实信号的时间频率二次分布(Tfd_real)的能量值(Et_real)相比较，以确认与缺陷相关联的能量值。

11.如前面一项或多项权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法包括：将所述分类器(400)的输出结果和从所述与缺陷相关联的能量值、所述真实变换信号(X_{real_inv_norm})的所述能量(E_real)以及代表真实信号(x_real)频谱的所述一组值(f₀、B、F_Sn、F_Dx)中选定的一个或多个值进行交叉核对(401)。

12.一种控制工业生产过程质量的系统，包括：

用于测定一个或多个过程参数的传感器(7)，和

一个用来处理所述传感器发出的信号的电子控制和处理单元(8、9)，

其特征在于：

用来处理所述传感器(7)发出的信号的电子控制和处理单元(8、9)可实现如权利要求1至11中所述的控制工业生产过程质量的方法。

13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述工业生产过程是激光焊接过程。

14.一种计算机产品，可装入电子计算机的存储器，其中包含所述产品在计算机上运行时执行如权利要求1至11中任何一项所述的方法的软件代码部分。

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