基于經(jīng)驗(yàn)小波變換的磁控埋弧焊焊縫跟蹤信號(hào)分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于磁控埋弧焊電弧傳感器焊接信號(hào)處理的焊接自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉 及一種基于經(jīng)驗(yàn)小波變換的磁控埋弧焊焊縫跟蹤信號(hào)分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 磁控埋弧焊焊接電弧是一種典型的非線性非平穩(wěn)的時(shí)變負(fù)載。隨著焊接過程的進(jìn) 行，電弧負(fù)載的燃燒狀況，以及與之密切相關(guān)的熔滴過渡過程均會(huì)發(fā)生變化。這些變化在 焊接過程電信號(hào)的時(shí)域和頻域上均會(huì)有所體現(xiàn)。
[0003] 非線性非平穩(wěn)信號(hào)的分析、處理以及特征提取問題一直是學(xué)術(shù)和工程界關(guān)注的 熱點(diǎn)問題之一，研究非平穩(wěn)信號(hào)常用方法有窗口傅里葉變換，連續(xù)小波變換，經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分 解（EMD)，局部均值分解（LMD)以及經(jīng)驗(yàn)小波變換（EWT)，其中EWT(empiricalwavelet transform)是Gilles結(jié)合EMD的自適應(yīng)性和小波分析的理論框架，提出的一種新的自 適應(yīng)信號(hào)處理方法即經(jīng)驗(yàn)小波變換，該方法的核心思想是通過對(duì)信號(hào)的頻譜進(jìn)行自適應(yīng)劃 分，構(gòu)造合適的正交小波濾波器組以提取具有緊支撐傅里葉頻譜的AM-FM成分，然后，對(duì) 提取出的AM-FM模態(tài)進(jìn)行Hilbert變換，得到有意義的瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)幅值，進(jìn)而可以得 Hilbert譜，由于EWT是在小波框架下建立的方法，故其理論充分且其計(jì)算量遠(yuǎn)小于傳統(tǒng) 的EMD方法，而且可以解決由于焊接信號(hào)極值點(diǎn)太少及包絡(luò)信號(hào)不完全的情況下無法實(shí)現(xiàn) LMD分解的缺點(diǎn)。
[0004] 本發(fā)明針對(duì)磁控埋弧焊跟蹤信號(hào)非線性，不平穩(wěn)及常用濾波方法難以濾除其相近 低頻干擾信號(hào)的缺點(diǎn)，提出一種基于經(jīng)驗(yàn)小波變換（EWT)的磁控埋弧焊焊縫跟蹤信號(hào)分析 方法，該方法繼承了EMD分解與小波變換各自的優(yōu)點(diǎn)，其首先分解出電弧跟蹤信號(hào)的固有 模態(tài)，而后在頻域自適應(yīng)地構(gòu)造帶通濾波器組從而構(gòu)造正交小波函數(shù)，最終提取具有緊支 撐傅立葉頻譜的調(diào)幅-調(diào)頻（AM-FM)成分，將此方法用于埋弧焊磁控電弧傳感器焊縫跟蹤 平臺(tái)信號(hào)分析中，提取出了更精確的焊縫跟蹤信號(hào)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此方法的有效性及 精確性。同時(shí)分析了相近低頻噪聲的信息，為進(jìn)一步的信號(hào)處理及跟蹤系統(tǒng)的優(yōu)化提供了 理論依據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有的硬件濾波不完全，小波濾波方法難以濾除焊縫跟蹤 信號(hào)相近低頻干擾信號(hào)，以及EMD分解收斂條件不合理、過包絡(luò)和欠包絡(luò)等易出現(xiàn)模態(tài)混 疊的問題。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于經(jīng)驗(yàn)小波變換的磁控埋弧焊焊縫跟蹤信號(hào) 分析方法。
[0007] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：首先磁控埋弧焊焊縫跟蹤傳感器 控制電弧擺動(dòng)以進(jìn)行焊縫坡口掃描，由霍爾傳感器采集原始信號(hào)，對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行硬件濾 波處理；其次采用經(jīng)驗(yàn)小波變換信號(hào)分析方法對(duì)硬件濾波后的跟蹤信號(hào)進(jìn)行低頻信號(hào)的 分析，根據(jù)跟蹤信號(hào)的Fourier譜特性自適應(yīng)地選擇一組小波濾波器組來提取信號(hào)的不同AM-FM成分，得到信號(hào)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)（AM-FM);最后對(duì)每個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)函數(shù)進(jìn)行Hilbert變換， 得到有意義的瞬時(shí)信號(hào)特征，進(jìn)而得到Hilbert譜，將得到的瞬時(shí)信號(hào)特征進(jìn)行重新構(gòu)造 和頻譜分析，提取出更精確的焊縫跟蹤信號(hào)，同時(shí)得到其他低頻干擾信號(hào)信息。
[0008]自適應(yīng)性選擇小波濾波器組來提取信號(hào)的不同AM-FM成分，其至關(guān)重要的一點(diǎn) 是傅里葉頻譜的分割，其特征是：在轉(zhuǎn)換硬件濾波信息之后，對(duì)焊縫跟蹤信號(hào)的Fourier譜 進(jìn)行自適應(yīng)地分割，分割方法是確定跟蹤信號(hào)的振幅比a，分析焊縫跟蹤信號(hào)包含的熔滴 過渡信號(hào)以及其它主要低頻干擾信號(hào)的個(gè)數(shù)，然后依據(jù)Gilles提出的一種確定N值的閾值 方法，令大于閾值的極大值點(diǎn)個(gè)數(shù)為N，并取前N個(gè)最大的極大值點(diǎn)求出邊界，最終確定焊 縫跟蹤信號(hào)傅里葉自適應(yīng)分割的邊界條件。
[0009] 自適應(yīng)性選擇小波濾波器組來提取信號(hào)的不同AM-FM成分，并對(duì)每個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài) 函數(shù)進(jìn)行行Hilbert變換其特征是：確定了跟蹤信號(hào)的邊界值后，采取類似于傳統(tǒng)的小波 變換方法來定義經(jīng)驗(yàn)小波變換，進(jìn)而確定細(xì)節(jié)系數(shù)以及經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)函數(shù)，在此基礎(chǔ)上根據(jù)磁 控埋弧焊焊縫跟蹤信號(hào)低頻干擾嚴(yán)重的特征，選取了最優(yōu)小波基組，進(jìn)而在對(duì)不同焊縫跟 蹤信號(hào)進(jìn)行變換時(shí)自適應(yīng)的在最優(yōu)小波基組里選取一組最優(yōu)小波基，同時(shí)根據(jù)確定的邊界 值確定經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的個(gè)數(shù)，并作出相應(yīng)的頻譜分析，最終得到跟蹤信號(hào)與各干擾信號(hào)的 特征。
[0010] 本發(fā)明的有益效果是：該方法很好的針對(duì)焊縫跟蹤信號(hào)低頻信號(hào)的干擾，提取出 與理論接近的正弦信號(hào)波形，相比普通的小波濾波，其不僅成功提取出了精確的焊縫跟蹤 波形，同時(shí)也分析出了與主頻相近的其它低頻干擾信息。
【附圖說明】
[0011] 圖1為本發(fā)明原始焊接電壓波形圖。
[0012] 圖2為本發(fā)明硬件濾波電壓波形圖。
[0013] 圖3為本發(fā)明硬件濾波電壓頻譜圖。
[0014]圖4為本發(fā)明基于經(jīng)驗(yàn)小波變換方法對(duì)硬件濾波信號(hào)分析結(jié)果。
[0015]圖5為本發(fā)明經(jīng)驗(yàn)小波變換波形頻譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但不限定本發(fā)明。
[0017] 1.首先磁控埋弧焊焊縫跟蹤傳感器控制電弧擺動(dòng)以進(jìn)行焊縫坡口掃描，由霍爾傳 感器采集原始信號(hào)如圖1，然后對(duì)磁控埋弧焊焊縫跟蹤電弧的初級(jí)采樣信號(hào)進(jìn)行硬件濾波 處理，采樣信號(hào)如圖2所示，是使用虛擬示波器Ds〇2904_512采集到的經(jīng)過硬件濾波之后的 電壓信號(hào)，圖3是采樣信號(hào)硬件濾波后的頻譜分析圖。
[0018] 其次采用經(jīng)驗(yàn)小波變換信號(hào)分析方法對(duì)硬件濾波后的跟蹤信號(hào)進(jìn)行低頻信號(hào)的 分析，根據(jù)跟蹤信號(hào)的Fourier譜特性自適應(yīng)地選擇一組小波濾波器組來提取信號(hào)的不同 AM-FM成分，得到信號(hào)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)（AM-FM)。
[0019] 最后對(duì)每個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)函數(shù)進(jìn)行Hilbert變換，得到有意義的瞬時(shí)信號(hào)特征，進(jìn)而 得到Hilbert譜。將得到的瞬時(shí)信號(hào)特征進(jìn)行重新構(gòu)造和頻譜分析，提取出更精確的焊縫 跟蹤信號(hào)，同