一種旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙mag焊焊縫偏差識(shí)別裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙MAG焊焊縫偏差識(shí)別裝置及方法，所述裝置包括旋轉(zhuǎn)電弧焊炬、電弧旋轉(zhuǎn)位置傳感器、傳聲器、聲音調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電弧旋轉(zhuǎn)位置檢測(cè)模塊、單周期電弧聲信號(hào)提取模塊、快速傅里葉變換處理模塊、單周期焊縫偏差提取模塊、多周期焊縫偏差統(tǒng)計(jì)模塊，傳聲器距離電弧安置于窄間隙坡口對(duì)稱面上，依次連接聲音調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊；電弧旋轉(zhuǎn)位置傳感器安裝于旋轉(zhuǎn)電弧焊炬上，其輸出信號(hào)連接到數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)采集模塊依次連接電弧旋轉(zhuǎn)位置檢測(cè)模塊、單周期電弧聲信號(hào)提取模塊、快速傅里葉變換處理模塊、單周期焊縫偏差提取模塊和多周期焊縫偏差統(tǒng)計(jì)模塊至輸出焊縫偏差。本發(fā)明獲取窄間隙焊縫偏差效率高且準(zhǔn)確可靠。
【專利說(shuō)明】
一種旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙MAG焊焊縫偏差識(shí)別裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙MAG焊，更具體地說(shuō)是涉及一種基于聲音傳感的 旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙MG焊焊縫偏差識(shí)別裝置及方法，屬于焊接自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙MAG焊是實(shí)現(xiàn)大厚板熔化極焊接的高效焊接方法，具有焊縫截面 積小、焊接填充金屬少、焊接熱輸入低、焊接效率高、焊接接頭性能好，在造船、壓力容器焊 接，以及鋼結(jié)構(gòu)制造中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。為了保證旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙MAG焊焊縫的質(zhì)量，使坡 口左右側(cè)壁都均勻熔透，需要保證旋轉(zhuǎn)電弧焊炬的電弧中心與窄間隙工件的坡口中心嚴(yán)格 對(duì)準(zhǔn)。為此需要對(duì)旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙MAG焊焊接過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的焊縫跟蹤控制，其關(guān)鍵就 是能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)可靠的焊縫偏差的識(shí)別和提取。
[0003]目前應(yīng)用于焊縫偏差識(shí)別的傳感器主要有:機(jī)械式傳感器、電磁感應(yīng)式傳感器、焊 接溫度場(chǎng)傳感器、電弧傳感器、CCD視覺傳感器和聲音傳感器等。其中，聲音傳感器因其不受 側(cè)壁上附著的飛濺、坡口底部變化的影響以及焊接過(guò)程中產(chǎn)生的煙塵、弧光、電磁的干擾， 信息量大，適用坡口形式多等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一種很具有發(fā)展前景的傳感方法。
[0004]關(guān)于窄間隙焊接的聲音傳感技術(shù)的研究并不多，在文獻(xiàn)"窄間隙MAG焊電弧聲與電 弧作用位置的相關(guān)性"（蘭虎等，機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014年，第50卷，第24期，38~43頁(yè)）中，提出 窄間隙MAG焊電弧聲信號(hào)與電弧中心作用位置具有相關(guān)性，該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)窄間隙MAG脈沖立 焊過(guò)程中電弧聲信號(hào)的提取、處理和分析，發(fā)現(xiàn)電弧聲信號(hào)能量的頻譜分布與電弧作用中 心到窄間隙工件坡口側(cè)壁的距離具有高度的相關(guān)性，隨著電弧作用中心到窄間隙工件坡口 側(cè)壁距離的逐漸增大，電弧聲信號(hào)能量在低頻范圍內(nèi)的分布始終存在，其分布總體呈現(xiàn)從 斷續(xù)到連續(xù)再到斷續(xù)的特征，然而當(dāng)電弧作用中心到窄間隙坡口側(cè)壁的距離達(dá)到2.6mm以 上時(shí)，其電弧聲信號(hào)能量在高頻范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)分布，其分布總體上呈現(xiàn)從斷續(xù)到連續(xù)的特 征。所以利用窄間隙MAG脈沖立焊電弧聲信號(hào)在時(shí)域和頻域范圍內(nèi)的分布規(guī)律可以實(shí)現(xiàn)窄 間隙焊縫跟蹤。該方法僅研究了搖動(dòng)電弧窄間隙焊接電弧聲信號(hào)，而且其搖動(dòng)頻率低，沒有 對(duì)高速的旋轉(zhuǎn)電弧聲信號(hào)進(jìn)行研究。在文獻(xiàn)"基于電弧聲信號(hào)特征分析MAG焊熔透狀態(tài)在 線監(jiān)測(cè)"（畢淑娟等，焊接學(xué)報(bào)，2010年，第31卷，第5期，17~20頁(yè)）中，開發(fā)了一種基于MG焊 接過(guò)程的可聽電弧聲信號(hào)的采集和處理的焊縫熔透狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)方法，采用小波降噪法和 短時(shí)加窗等預(yù)處理手段對(duì)電弧聲信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，提取特征參數(shù)，對(duì)特征向量進(jìn)行PCA參數(shù) 計(jì)算融合處理，并以此作為輸入?yún)⒘浚瑢⑺姆N焊縫熔透狀態(tài)作為輸出參量，建立了基于BP和 RBF的焊縫熔透狀態(tài)的辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)模型，并對(duì)這兩種焊縫熔透狀態(tài)的辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行相應(yīng) 的應(yīng)用驗(yàn)證，都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫熔透狀態(tài)的在線識(shí)別。該方法只進(jìn)行MG焊接過(guò)程的在線監(jiān) 測(cè)，未見實(shí)現(xiàn)焊縫的同步跟蹤控制。在文獻(xiàn)"MIG焊電弧聲信號(hào)與熔透狀態(tài)相關(guān)性"中，對(duì)以 電弧聲信號(hào)作為焊縫熔透狀態(tài)監(jiān)控的潛在源信號(hào)進(jìn)行了研究，提取了平板對(duì)接MIG焊的射 流過(guò)渡過(guò)程中產(chǎn)生的非平穩(wěn)的電弧聲信號(hào)，采用小波變換技術(shù)對(duì)電弧聲信號(hào)進(jìn)行處理，再 從時(shí)域、頻域和時(shí)頻聯(lián)合域三個(gè)角度對(duì)電弧聲信號(hào)與焊縫熔透狀態(tài)的相關(guān)性進(jìn)行研究分 析，發(fā)現(xiàn)1.5~4.5kHz頻率段內(nèi)電弧聲信號(hào)能量的變化可以準(zhǔn)確地被檢測(cè)提取出來(lái)，從而用 來(lái)表征焊接過(guò)程中焊縫熔透狀態(tài)的改變。該方法僅研究了平板對(duì)接MIG焊電弧聲信號(hào)，沒有 研究窄間隙MG焊電弧聲信號(hào)。
[0005] 已有授權(quán)的專利中，清華大學(xué)的王耀文等人在專利名稱為"等離子弧焊熔池穿孔 狀態(tài)的聲音信號(hào)傳感方法及其系統(tǒng)"（申請(qǐng)?zhí)?00105933.5)的發(fā)明專利中，提出一種針對(duì)等 離子焊接的聲音傳感方法，通過(guò)在等離子焊槍附近架置傳聲器，實(shí)時(shí)采集等離子弧焊接過(guò) 程中的聲音信號(hào)s(t)并存儲(chǔ)入計(jì)算機(jī);再對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行離散傅里葉變換處理，得到可 供機(jī)器識(shí)別的定量的熔池穿孔與否傳感信號(hào)As;最后將As與給定閾值進(jìn)行比較，以判斷當(dāng) 時(shí)熔池穿孔狀態(tài)。該方法只研究了等離子弧焊的聲音傳感，離散傅里葉變換計(jì)算工作量大， 降低了時(shí)效性。北京石油化工大學(xué)的朱加雷等人在專利名稱為"高壓干法水下GMAW焊接電 弧聲測(cè)試與分析系統(tǒng)"（申請(qǐng)?zhí)枺?01520393537.9)的實(shí)用新型專利中，公開了一種高壓干法 水下GMAW焊接電弧聲測(cè)試與分析系統(tǒng)，包括高壓焊接實(shí)驗(yàn)艙、焊接實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、駐極體傳聲 器、前置放大器、信號(hào)分析儀、抗混疊濾波模塊、數(shù)據(jù)采集卡與工控機(jī)。但該系統(tǒng)僅停留于實(shí) 驗(yàn)研究，還沒有實(shí)際應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是針對(duì)旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙MAG焊縫跟蹤和焊接質(zhì)量控制的需要，提出 了一種基于聲音傳感的旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙MAG焊焊縫偏差識(shí)別裝置及方法。在電弧聲音傳感 系統(tǒng)硬件組成的基礎(chǔ)上提供一種算法效率高，可靠的焊縫偏差識(shí)別提取方法。本發(fā)明是采 用傳聲器(聲音傳感器）、聲音調(diào)理模塊來(lái)準(zhǔn)確獲取旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙MAG焊電弧聲信號(hào)，對(duì) 電弧旋轉(zhuǎn)到熔池左側(cè)、右側(cè)、后方位置的電弧聲信號(hào)進(jìn)行快速處理獲得頻域特征信號(hào)，將特 征信號(hào)與閾值進(jìn)行比較來(lái)獲取焊縫偏差。
[0007] 本發(fā)明的提出是綜合考慮了旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙MG焊的特點(diǎn)和聲音傳感功率譜密度 的特點(diǎn)。為了快速采集和處理電弧聲信號(hào)，保證旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙MAG焊焊縫偏差提取的實(shí)時(shí) 性，引入電弧旋轉(zhuǎn)位置傳感器來(lái)獲取每個(gè)旋轉(zhuǎn)電弧周期內(nèi)的電弧聲信號(hào)。旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙 MAG焊電弧聲的聲道是由電弧的兩極即熔化極焊絲和熔池、窄間隙工件的左右坡口以及保 護(hù)氣體所構(gòu)成的一個(gè)復(fù)雜的多層面的諧振腔，電弧聲的聲源激勵(lì)需要經(jīng)過(guò)聲道的調(diào)制作用 才是傳聲器所采集到的聲音信號(hào)，其頻譜特性主要取決于聲道的頻譜響應(yīng)特性。研究發(fā)現(xiàn) 旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙MAG焊電弧聲音經(jīng)過(guò)其聲道調(diào)制后，其功率譜密度的能量峰會(huì)分布在某些 特征頻率附近，當(dāng)存在焊縫偏差時(shí)，由熔化極焊絲和熔池、窄間隙工件的左右坡口以及保護(hù) 氣體所構(gòu)成的聲道系統(tǒng)發(fā)生改變，導(dǎo)致電弧聲信號(hào)功率譜密度的特征頻率附近的能量分布 出現(xiàn)變化。同時(shí)，從電弧聲音傳感的特點(diǎn)來(lái)看，電弧聲信號(hào)不受側(cè)壁上附著的飛濺、坡口底 部變化以及焊接過(guò)程中產(chǎn)生的煙塵、弧光、電磁的干擾，包含焊接過(guò)程中的信息量大，而且 電弧聲信號(hào)功率譜密度相對(duì)于其時(shí)域波形具有更好的抵抗外界干擾影響的能量，可以快速 準(zhǔn)確的識(shí)別提取焊縫偏差。
[0008] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案是：
[0009] -種旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙MAG焊焊縫偏差識(shí)別裝置，包括旋轉(zhuǎn)電弧焊炬、電弧旋轉(zhuǎn)位置 傳感器、傳聲器、聲音調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電弧旋轉(zhuǎn)位置檢測(cè)模塊、單周期電弧聲信號(hào) 提取模塊、快速傅里葉變換處理模塊、單周期焊縫偏差提取模塊、多周期焊縫偏差統(tǒng)計(jì)模塊 和焊縫偏差輸出，其中所述傳聲器距離電弧安置于窄間隙坡口對(duì)稱面上，依次連接聲音調(diào) 理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊，所述電弧旋轉(zhuǎn)位置傳感器安裝于旋轉(zhuǎn)電弧焊炬上，其輸出信號(hào)連接 到數(shù)據(jù)采集模塊，所述數(shù)據(jù)采集模塊依次連接電弧旋轉(zhuǎn)位置檢測(cè)模塊、單周期電弧聲信號(hào) 提取模塊、快速傅里葉變換處理模塊、單周期焊縫偏差提取模塊和多周期焊縫偏差統(tǒng)計(jì)模 塊至輸出焊縫偏差。
[0010]上述所述的電弧旋轉(zhuǎn)位置傳感器分為固定部分和移動(dòng)部分，其中，固定部分固定 于旋轉(zhuǎn)電弧焊炬的固定部分，移動(dòng)部分固定于旋轉(zhuǎn)電弧焊炬的旋轉(zhuǎn)部分，當(dāng)電弧旋轉(zhuǎn)位置 傳感器移動(dòng)部分旋轉(zhuǎn)到特定位置，即改變電弧旋轉(zhuǎn)位置傳感器固定部分的傳感輸出狀態(tài)， 從而能確定電弧的旋轉(zhuǎn)位置，調(diào)整電弧旋轉(zhuǎn)位置傳感器的安裝，使得電弧旋轉(zhuǎn)到熔池前方 時(shí)，輸出脈沖信號(hào)。
[0011]上述所述電弧旋轉(zhuǎn)位置傳感器的固定部分為凹槽式光電開關(guān)，電弧旋轉(zhuǎn)位置傳感 器的移動(dòng)部分為邊緣處帶有一個(gè)缺口的碼盤。
[0012] 上述所述傳聲器距離電弧的距離為200~500mm。
[0013] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題所采取的另一技術(shù)方案是：
[0014] -種旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙MAG焊縫偏差識(shí)別裝置的識(shí)別方法，包括以下步驟：
[0015] (1)設(shè)定電弧聲音傳感采樣率，其范圍為電弧旋轉(zhuǎn)頻率k乘以200~10000;
[0016] (2)設(shè)定電弧旋轉(zhuǎn)位置傳感采樣率，其值大于電弧旋轉(zhuǎn)頻率k乘以200;
[0017] ⑶為了避免電弧不穩(wěn)定對(duì)電弧聲信號(hào)采集的干擾，在窄間隙MAG焊起弧后2~5s， 啟動(dòng)電弧聲信號(hào)數(shù)據(jù)采集；
[0018] (4)對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊采集的信號(hào)，利用電弧旋轉(zhuǎn)位置傳感器獲得一個(gè)電弧旋轉(zhuǎn)周 期的電弧聲信號(hào)數(shù)據(jù)；
[0019] (5)利用"單周期電弧聲信號(hào)提取模塊"對(duì)步驟(4)所獲得的一個(gè)電弧旋轉(zhuǎn)周期內(nèi) 的電弧聲信號(hào)提取電弧旋轉(zhuǎn)到熔池左側(cè)、后方、右側(cè)位置附近的電弧聲信號(hào)，分別為Sl、Sb、 Sr;
[0020] (6)利用"快速傅里葉變換處理模塊"對(duì)步驟(5)所得Sl、Sb、Sr進(jìn)行處理，得到相應(yīng) 的電弧聲信號(hào)功率譜密度Pl、Pb、Pr;
[0021] (7)檢測(cè)步驟(6)中獲得的Pl、PB、PR在特征頻率附近的能量峰值A(chǔ)l、Ar、Ab ;
[0022] (8)計(jì)算 Al 與 Ab 的比值 Rl，即 Rl = Al/Ab;
[0023] (9)計(jì)算Ar與Ab的比值Rr，即Rr = Ar/Ab ;
[0024] (10)計(jì)算Rl與Rr的比值R，即R = Rl/Rr;
[0025] (11)將R與不同焊縫偏差下的R閾值范圍進(jìn)行比較，把最匹配的閾值所對(duì)應(yīng)的焊縫 偏差作為當(dāng)前電弧旋轉(zhuǎn)周期的焊縫偏差；
[0026] (12)計(jì)算最近連續(xù)的m個(gè)電弧旋轉(zhuǎn)周期的焊縫偏差的平均值，或?qū)⑺鼈兣判蛉∑?中值作為最終的焊縫偏差值輸出，以提高算法的準(zhǔn)確性和抗干擾能力，m取值為(η X k/10) 的值取整數(shù)，其中η為1~3之間的數(shù)，k為電弧旋轉(zhuǎn)頻率，若取整后m值為0則設(shè)定m的值為I;
[0027] (13)當(dāng)有中止命令，即結(jié)束，當(dāng)沒有中止命令，即跳到步驟(4)繼續(xù)運(yùn)行。
[0028] 上述步驟(5)所述的利用單周期電弧聲信號(hào)提取模塊提取電弧旋轉(zhuǎn)到熔池左側(cè)、 后方、右側(cè)位置附近的電弧聲信號(hào)的方法是：
[0029] 1)以連續(xù)兩個(gè)電弧前方位置信號(hào)所在位置為起始位置和終止位置，提取一個(gè)電弧 旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的電弧聲信號(hào)數(shù)據(jù)Data;
[0030] 2)當(dāng)電弧順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，提取Data的1/8~3/8的電弧聲信號(hào)數(shù)據(jù)；當(dāng)電弧逆時(shí)針旋 轉(zhuǎn)，提取Data的5/8~7/8的電弧聲信號(hào)數(shù)據(jù);該提取數(shù)據(jù)Sl即為電弧旋轉(zhuǎn)到熔池左側(cè)附近 時(shí)的電弧聲信號(hào)；
[0031 ] 3)當(dāng)電弧順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，提取Data的5/8~7/8的電弧聲信號(hào)數(shù)據(jù)；當(dāng)電弧逆時(shí)針旋 轉(zhuǎn)，提取Data的1/8~3/8的電弧聲信號(hào)數(shù)據(jù);該提取數(shù)據(jù)Sr即為電弧旋轉(zhuǎn)到熔池右側(cè)附近 時(shí)的電弧聲信號(hào)；
[0032] 4)提取Data的5/8~7/8的電弧聲信號(hào)數(shù)據(jù)，即獲得電弧旋轉(zhuǎn)到熔池后方附近的電 弧聲信號(hào)Sb。
[0033] 上述步驟(11)所述的"不同焊縫偏差下的R閾值范圍"的獲取方法是：
[0034] 焊接實(shí)驗(yàn)時(shí)設(shè)置不同的焊縫偏差，按照權(quán)利要求5所述步驟（1)至步驟（10)，得到 不同焊縫偏差下的R值，然后即可得到一定范圍內(nèi)的焊縫偏差對(duì)應(yīng)的R值范圍。
[0035] 本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙MAG焊焊縫偏差識(shí)別裝置及方法，其特點(diǎn)和有益效果：
[0036] (1)電弧聲信號(hào)不受飛濺、煙塵、弧光、電磁和坡口底部變化的干擾，包含焊接過(guò)程 中的信息量大，并且通過(guò)其獲取焊縫偏差的效率高、準(zhǔn)確可靠，為實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化提供了一 種新的方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0037] (2)聲音傳感包含電弧傳感、視覺傳感等難以檢測(cè)的信息，如可以檢測(cè)工件的除銹 狀態(tài)、保護(hù)氣狀態(tài)，該專利也易于與基于聲音傳感的焊接質(zhì)量監(jiān)控相結(jié)合，具有更廣闊的應(yīng) 用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0038] 圖1為本發(fā)明的一種旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙MAG焊縫偏差識(shí)別裝置的構(gòu)造示意框圖。
[0039] 圖2為電弧旋轉(zhuǎn)位置信號(hào)檢測(cè)模塊算法流程框圖。
[0040] 圖3為每個(gè)旋轉(zhuǎn)周期電弧聲信號(hào)提取模塊算法流程框圖。
[0041] 圖4為電弧聲信號(hào)在不同電弧旋轉(zhuǎn)位置時(shí)的功率譜密度圖，其中圖a)為熔池左側(cè) 位置附近功率譜，圖b)為熔池右側(cè)位置附近功率譜，圖c)為熔池后方位置附近功率譜。
【具體實(shí)施方式】
[0042]為了加深對(duì)本發(fā)明的理解，下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì) 闡述，該實(shí)施例僅用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。
[0043]如圖1所示，為本發(fā)明的一種旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙MAG焊焊縫偏差識(shí)別裝置，包括旋轉(zhuǎn) 電弧焊炬1、電弧旋轉(zhuǎn)位置傳感器2、傳聲器3、聲音調(diào)理模塊4、數(shù)據(jù)采集模塊5、電弧旋轉(zhuǎn)位 置檢測(cè)模塊6,單周期電弧聲信號(hào)提取模塊7、快速傅里葉變換處理模塊8、單周期焊縫偏差 提取模塊9、多周期焊縫偏差統(tǒng)計(jì)模塊10和焊縫偏差輸出11。其中所述的傳聲器3安置于窄 間隙坡口 12對(duì)稱面上，距離電弧200~500mm的距離。電弧聲信號(hào)依次經(jīng)所述的傳聲器3、聲 音調(diào)理模塊4后再輸入到所述的數(shù)據(jù)采集模塊5。所述的電弧旋轉(zhuǎn)位置傳感器2安裝于旋轉(zhuǎn) 電弧焊炬1上，其輸出信號(hào)連接到所述的數(shù)據(jù)采集模塊5。所述的數(shù)據(jù)采集模塊5依次連接所 述的電弧旋轉(zhuǎn)位置檢測(cè)模塊6、單周期電弧聲信號(hào)提取模塊7、快速傅里葉變換處理模塊8、 單周期焊縫偏差提取模塊9和多周期焊縫偏差統(tǒng)計(jì)模塊10,最后完成焊縫偏差輸出11。
[0044] 所述的傳聲器3位于窄間隙坡口 12對(duì)稱面上，在工件上方距電弧300mm，以避免焊 接時(shí)電弧熱和飛濺對(duì)傳聲器的影響。
[0045] 所述的電弧旋轉(zhuǎn)位置傳感器2分為固定和移動(dòng)兩部分。其中固定部分為凹槽式光 電開關(guān)，移動(dòng)部分為邊緣處帶一個(gè)缺口的碼盤。所述的電弧旋轉(zhuǎn)位置傳感器2的固定部分固 定于旋轉(zhuǎn)電弧焊炬1的固定部分，電弧旋轉(zhuǎn)位置傳感器2的移動(dòng)部分固定于旋轉(zhuǎn)電弧焊炬1 的旋轉(zhuǎn)部分。當(dāng)所述的電弧旋轉(zhuǎn)位置傳感器2移動(dòng)部分旋轉(zhuǎn)到特定位置，即改變電弧旋轉(zhuǎn)位 置傳感器2固定部分的傳感輸出狀態(tài)，從而能確定電弧的旋轉(zhuǎn)位置，調(diào)整電弧旋轉(zhuǎn)位置傳感 器2的安裝，使得電弧旋轉(zhuǎn)到熔池前方時(shí)，輸出脈沖信號(hào)。
[0046] 所述的聲音調(diào)理模塊4用于對(duì)傳聲器3所采集的聲音信號(hào)進(jìn)行放大、隔離、去噪等 處理，提尚其質(zhì)量。
[0047] 所述的電弧旋轉(zhuǎn)位置傳感器2采集得到的電弧旋轉(zhuǎn)位置信號(hào)傳輸進(jìn)入所述的數(shù)據(jù) 采集模塊5;所述的數(shù)據(jù)采集模塊5將電弧旋轉(zhuǎn)位置信號(hào)傳輸給所述的電弧旋轉(zhuǎn)位置檢測(cè)模 塊6,使用所述的電弧旋轉(zhuǎn)位置檢測(cè)模塊6對(duì)所獲得的電弧位置信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如圖2， 提取出當(dāng)電弧旋轉(zhuǎn)到熔池前方位置時(shí)的脈沖觸發(fā)信號(hào)，傳輸給所述的單周期電弧聲信號(hào)提 取模塊7。
[0048]所述的傳聲器3采集得到的電弧聲信號(hào)經(jīng)過(guò)所述的聲音調(diào)理模塊4傳輸進(jìn)入數(shù)據(jù) 采集模塊5;所述的數(shù)據(jù)采集模塊5將電弧聲信號(hào)傳輸給所述的單周期電弧聲信號(hào)提取模塊 7,所述的單周期電弧聲信號(hào)提取模塊7根據(jù)前方位置的脈沖觸發(fā)信號(hào)提取出當(dāng)前一個(gè)旋轉(zhuǎn) 電弧周期內(nèi)電弧旋轉(zhuǎn)到熔池左側(cè)、右側(cè)、后方位置時(shí)的電弧聲信號(hào)數(shù)據(jù)，經(jīng)所述的快速傅里 葉變換處理模塊8,獲得電弧旋轉(zhuǎn)到左右坡口位置以及熔池后方位置時(shí)的電弧聲信號(hào)的功 率譜密度，經(jīng)所述的單周期焊縫偏差提取模塊9獲取當(dāng)前旋轉(zhuǎn)電弧周期焊縫的偏差，并更新 最近連續(xù)的3個(gè)電弧旋轉(zhuǎn)周期焊縫偏差，經(jīng)多周期焊縫偏差統(tǒng)計(jì)模塊12,輸出焊縫偏差結(jié) 果。
[0049] 本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙MAG焊焊縫偏差識(shí)別裝置的識(shí)別方法，包括以下步驟：
[0050] (1)設(shè)定電弧聲音傳感采樣率為250000。
[0051 ] (2)設(shè)定電弧旋轉(zhuǎn)位置傳感采樣率為250000。
[0052] (3)為了避免電弧不穩(wěn)定對(duì)電弧聲信號(hào)采集的干擾，在窄間隙MAG焊起弧后3s，啟 動(dòng)電弧聲信號(hào)數(shù)據(jù)采集。
[0053] (4)對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊5采集的信號(hào)，利用電弧旋轉(zhuǎn)位置傳感器2獲得一個(gè)電弧旋轉(zhuǎn) 周期的電弧聲信號(hào)數(shù)據(jù)。
[0054] (5)如圖3,利用"單周期電弧聲信號(hào)提取模塊7"對(duì)步驟(4)所獲得的一個(gè)電弧旋轉(zhuǎn) 周期內(nèi)的電弧聲信號(hào)提取電弧旋轉(zhuǎn)到熔池左側(cè)、后方、右側(cè)位置附近的電弧聲信號(hào)，分別為 Sl、Sb、Sr 〇
[0055] (6)利用"快速傅里葉變換處理模塊8"對(duì)步驟(5)所得Sl、Sb、Sr進(jìn)行處理，得到相應(yīng) 的電弧聲信號(hào)功率譜密度Pl、Pb、Pr。
[0056] (7)如圖4，檢測(cè)步驟(6)中獲得的Pl、PB、Pr在特征頻率2500Hz附近的能量峰值A(chǔ)l = 8.98X10-5、Ar = 4.36X10-5、Αβ = 3·88Χ10-5。
[0057] (8)計(jì)算Al與 Ab 的比值Rl，即 Rl = Al/Ab = 2 · 31。
[0058] (9)計(jì)算 Ar 與 Ab 的比值 Rr，即 Rr = Ar/Ab = 1 · 12。
[0059] (10)計(jì)算Rl與Rr的比值R，即R = Rl/Rr = 2.06。
[0060] (11)將R與之前檢測(cè)的各個(gè)焊縫偏差下的閾值進(jìn)行比較，把最匹配的閾值所對(duì)應(yīng) 的焊縫偏差作為當(dāng)前電弧旋轉(zhuǎn)周期的焊縫偏差。表1是在焊縫偏差檢測(cè)前，通過(guò)設(shè)置不同焊 縫偏差進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)，確定不同焊縫偏差對(duì)應(yīng)的R的范圍而得到的。
[0061 ]表1:旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙MAG焊不同焊縫偏差下的閾值范圍
[0063] (12)計(jì)算最近連續(xù)的m=3個(gè)電弧旋轉(zhuǎn)周期的焊縫偏差的平均值，或?qū)⑺鼈兣判蛉?其中值作為最終的焊縫偏差值輸出，以提高算法的準(zhǔn)確性和抗干擾能力。
[0064] (13)當(dāng)有中止命令，即結(jié)束，當(dāng)沒有中止命令，即跳到步驟(4)繼續(xù)運(yùn)行。
[0065] 根據(jù)步驟（5)所述的利用"單周期電弧聲信號(hào)提取模塊7提取電弧旋轉(zhuǎn)到熔池左 偵叭右側(cè)、后方位置附近的電弧聲信號(hào)"，其具體方法是：
[0066] 1)以連續(xù)兩個(gè)電弧前方位置信號(hào)所在位置為起始位置和終止位置，提取一個(gè)電弧 旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的電弧聲信號(hào)數(shù)據(jù)Data。
[0067] 2)當(dāng)電弧順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，提取Data的1/8~3/8的電弧聲信號(hào)數(shù)據(jù)；當(dāng)電弧逆時(shí)針旋 轉(zhuǎn)，提取Data的5/8~7/8的電弧聲信號(hào)數(shù)據(jù)。該提取數(shù)據(jù)Sl即為電弧旋轉(zhuǎn)到熔池左側(cè)附近 時(shí)的電弧聲信號(hào)。
[0068] 3)當(dāng)電弧順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，提取Data的5/8~7/8的電弧聲信號(hào)數(shù)據(jù)；當(dāng)電弧逆時(shí)針旋 轉(zhuǎn)，提取Data的1/8~3/8的電弧聲信號(hào)數(shù)據(jù)。該提取數(shù)據(jù)Sr即為電弧旋轉(zhuǎn)到熔池右側(cè)附近 時(shí)的電弧聲信號(hào)。
[0069] 4)提取Data的5/8~7/8的電弧聲信號(hào)數(shù)據(jù)，即獲得電弧旋轉(zhuǎn)到熔池后方附近的電 弧聲信號(hào)Sb。
[0070] 步驟(11)所述的"不同焊縫偏差下的R閾值范圍"，其獲取的方法是:焊接實(shí)驗(yàn)時(shí)設(shè) 置不同的焊縫偏差，如±2111111，±1 111111，〇111111，按照權(quán)利要求5所述步驟（1)至步驟（10)，得到不 同焊縫偏差下的R值，然后即可得到一定范圍內(nèi)的焊縫偏差對(duì)應(yīng)的R值范圍。
[0071] 上述實(shí)施案例不以任何形式限定本發(fā)明，凡采用等同替換或等效變換的形式所獲 得的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙MAG焊焊縫偏差識(shí)別裝置，其特征在于，包括旋轉(zhuǎn)電弧焊炬、電 弧旋轉(zhuǎn)位置傳感器、傳聲器、聲音調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電弧旋轉(zhuǎn)位置檢測(cè)模塊、單周期 電弧聲信號(hào)提取模塊、快速傅里葉變換處理模塊、單周期焊縫偏差提取模塊、多周期焊縫偏 差統(tǒng)計(jì)模塊和焊縫偏差輸出，其中所述傳聲器距離電弧安置于窄間隙坡口對(duì)稱面上，依次 連接聲音調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊，所述電弧旋轉(zhuǎn)位置傳感器安裝于旋轉(zhuǎn)電弧焊炬上，其輸 出信號(hào)連接到數(shù)據(jù)采集模塊，所述數(shù)據(jù)采集模塊依次連接電弧旋轉(zhuǎn)位置檢測(cè)模塊、單周期 電弧聲信號(hào)提取模塊、快速傅里葉變換處理模塊、單周期焊縫偏差提取模塊和多周期焊縫 偏差統(tǒng)計(jì)模塊至輸出焊縫偏差。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙MAG焊焊縫偏差識(shí)別裝置，其特征在于，所述 電弧旋轉(zhuǎn)位置傳感器分為固定部分和移動(dòng)部分，其中，固定部分固定于旋轉(zhuǎn)電弧焊炬的固 定部分，移動(dòng)部分固定于旋轉(zhuǎn)電弧焊炬的旋轉(zhuǎn)部分，當(dāng)電弧旋轉(zhuǎn)位置傳感器移動(dòng)部分旋轉(zhuǎn) 到特定位置，即改變電弧旋轉(zhuǎn)位置傳感器固定部分的傳感輸出狀態(tài)，從而能確定電弧的旋 轉(zhuǎn)位置，調(diào)整電弧旋轉(zhuǎn)位置傳感器的安裝，使得電弧旋轉(zhuǎn)到熔池前方時(shí)，輸出脈沖信號(hào)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙MAG焊焊縫偏差識(shí)別裝置，其特征在于，所述 電弧旋轉(zhuǎn)位置傳感器的固定部分為凹槽式光電開關(guān)，所述電弧旋轉(zhuǎn)位置傳感器的移動(dòng)部分 為邊緣處帶有一個(gè)缺口的碼盤。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙MAG焊焊縫偏差識(shí)別裝置，其特征在于，所述 傳聲器距離電弧的距離為200~500mm。5. -種根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙MAG焊焊縫偏差識(shí)別裝置的識(shí)別方法，其 特征在于包括以下步驟： (1) 設(shè)定電弧聲音傳感采樣率，其范圍為電弧旋轉(zhuǎn)頻率k乘以200~10000; (2) 設(shè)定電弧旋轉(zhuǎn)位置傳感采樣率，其值大于電弧旋轉(zhuǎn)頻率k乘以200; (3) 為了避免電弧不穩(wěn)定對(duì)電弧聲信號(hào)采集的干擾，在窄間隙MAG焊起弧后2~5s，啟動(dòng) 電弧聲信號(hào)數(shù)據(jù)采集； (4) 對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊采集的信號(hào)，利用電弧旋轉(zhuǎn)位置傳感器獲得一個(gè)電弧旋轉(zhuǎn)周期的 電弧聲信號(hào)數(shù)據(jù)； (5) 利用"單周期電弧聲信號(hào)提取模塊"對(duì)步驟(4)所獲得的一個(gè)電弧旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的電 弧聲信號(hào)提取電弧旋轉(zhuǎn)到熔池左側(cè)、后方、右側(cè)位置附近的電弧聲信號(hào)，分別為S L、Sb、Sr; (6) 利用"快速傅里葉變換處理模塊"對(duì)步驟(5)所得Sl、Sb、Sr進(jìn)行處理，得到相應(yīng)的電 弧聲信號(hào)功率譜密度Pl、Pb、Pr; (7) 檢測(cè)步驟(6)中獲得的a、Pb、Pr在特征頻率附近的能量峰值A(chǔ)l、Ar、Ab ; (8) 計(jì)算Al與Ab的比值Rl，即Rl=Al/Ab; (9) 計(jì)算Ar與Ab的比值Rr，即Rr=Ar/Ab; (10) 計(jì)算Rl與Rr的比值R，即R=Rl/Rr; (11) 將R與不同焊縫偏差下的R閾值范圍進(jìn)行比較，把最匹配的閾值所對(duì)應(yīng)的焊縫偏差 作為當(dāng)前電弧旋轉(zhuǎn)周期的焊縫偏差； (12) 計(jì)算最近連續(xù)的m個(gè)電弧旋轉(zhuǎn)周期的焊縫偏差的平均值，或?qū)⑺鼈兣判蛉∑渲兄?作為最終的焊縫偏差值輸出，以提高算法的準(zhǔn)確性和抗干擾能力，m取值為(nXk/ΙΟ)的值 取整數(shù)，其中η為1~3之間的數(shù)，k為電弧旋轉(zhuǎn)頻率，若取整后m值為0則設(shè)定m的值為1; (13)當(dāng)有中止命令，即結(jié)束，當(dāng)沒有中止命令，即跳到步驟(4)繼續(xù)運(yùn)行。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙MAG焊焊縫偏差識(shí)別裝置的識(shí)別方法，其特征 在于，步驟(5)所述的利用單周期電弧聲信號(hào)提取模塊提取電弧旋轉(zhuǎn)到熔池左側(cè)、后方、右 側(cè)位置附近的電弧聲信號(hào)的方法是： 1) 以連續(xù)兩個(gè)電弧前方位置信號(hào)所在位置為起始位置和終止位置，提取一個(gè)電弧旋轉(zhuǎn) 周期內(nèi)的電弧聲信號(hào)數(shù)據(jù)Data; 2) 當(dāng)電弧順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，提取Data的1/8~3/8的電弧聲信號(hào)數(shù)據(jù)；當(dāng)電弧逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，提 取Data的5/8~7/8的電弧聲信號(hào)數(shù)據(jù);該提取數(shù)據(jù)Sl即為電弧旋轉(zhuǎn)到熔池左側(cè)附近時(shí)的電 弧聲信號(hào)； 3) 當(dāng)電弧順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，提取Data的5/8~7/8的電弧聲信號(hào)數(shù)據(jù)；當(dāng)電弧逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，提 取Data的1/8~3/8的電弧聲信號(hào)數(shù)據(jù);該提取數(shù)據(jù)Sr即為電弧旋轉(zhuǎn)到熔池右側(cè)附近時(shí)的電 弧聲信號(hào)； 4) 提取Data的5/8~7/8的電弧聲信號(hào)數(shù)據(jù)，即獲得電弧旋轉(zhuǎn)到熔池后方附近的電弧聲 信號(hào)Sb 〇7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙MAG焊焊縫偏差識(shí)別裝置的識(shí)別方法，其特征 在于，步驟(11)所述的"不同焊縫偏差下的R閾值范圍"的獲取方法是:焊接實(shí)驗(yàn)時(shí)設(shè)置不同 的焊縫偏差，按照權(quán)利要求5所述步驟（1)至步驟（10)，得到不同焊縫偏差下的R值，然后即 可得到一定范圍內(nèi)的焊縫偏差對(duì)應(yīng)的R值范圍。
【文檔編號(hào)】B23K9/095GK105921854SQ201610298408
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年5月4日
【發(fā)明人】黎文航, 王杰龍, 王加友, 王儉辛, 朱杰, 楊峰
【申請(qǐng)人】江蘇科技大學(xué)