基于電弧聲信號(hào)的鋁合金脈沖GTAW熔透特征識(shí)別及其實(shí)時(shí)控制研究.pdf

1、焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程信息獲取與質(zhì)量實(shí)時(shí)控制對(duì)于自動(dòng)化焊接制造業(yè)來(lái)說(shuō)一直是研究的重點(diǎn)以及難點(diǎn)，傳統(tǒng)的事后焊接缺陷檢測(cè)方法耗時(shí)費(fèi)力，難以滿(mǎn)足現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)焊接制造高質(zhì)量、高效率和低成本的要求。而在實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)焊接質(zhì)量的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)中，焊縫的熔透狀態(tài)一直被作為監(jiān)控焊接過(guò)程與實(shí)現(xiàn)焊接質(zhì)量控制的最重要的特征信息之一。電弧聲信號(hào)作為焊接過(guò)程的電弧信息伴生信號(hào)之一，已經(jīng)被證明了是一種有效又不可缺少的信息。對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的焊工憑借耳聽(tīng)就結(jié)合個(gè)人經(jīng)驗(yàn)就可以大致判斷焊接過(guò)程中相

2、關(guān)狀態(tài)的變化。可見(jiàn)，電弧聲信號(hào)中包含了大量與焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程相關(guān)的信息。其中的信息含量?jī)H次于視覺(jué)信息，但相較于視覺(jué)信息卻具有實(shí)時(shí)性較好的優(yōu)勢(shì)。但是如何將這些信息轉(zhuǎn)化成能夠利用，能夠理解的“可聽(tīng)圖像”，使它像視覺(jué)信息一樣被廣泛的使用，需要搞清楚其產(chǎn)生的機(jī)理以及信息的具體分布?；谏鲜鲈?，本文引入焊接電弧的聲音信號(hào)信息，采用現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)和語(yǔ)音識(shí)別方法對(duì)焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程和熔透狀態(tài)進(jìn)行研究，旨在探索與發(fā)現(xiàn)一條焊接質(zhì)量在線(xiàn)預(yù)測(cè)的新途徑和方法。

3、>　　本文以鋁合金的脈沖GTAW焊接過(guò)程中的質(zhì)量控制為研究背景，基于焊接自動(dòng)化過(guò)程的試驗(yàn)平臺(tái)，以脈沖GTAW過(guò)程電弧聲信號(hào)為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)比電弧電壓及電流信號(hào)頻率特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)了電弧聲信號(hào)的聲源激勵(lì)的產(chǎn)生機(jī)理，電弧聲信號(hào)的聲源激勵(lì)周期出現(xiàn)且頻率為70Hz，與焊接電源工頻一致，確定焊機(jī)工頻變化為電弧聲信號(hào)產(chǎn)生的激勵(lì)源，證明了電弧聲源激勵(lì)為電弧能量的變化。電弧聲信號(hào)激勵(lì)源內(nèi)部每周期包括一次主峰和一次次峰，主峰對(duì)應(yīng)于電弧的起弧狀態(tài)，次峰對(duì)應(yīng)于電

4、弧的熄弧狀態(tài)，DCT變換分析發(fā)現(xiàn)對(duì)電弧聲信號(hào)其決定性做用的是脈沖的主峰起弧瞬間，次峰熄弧能量變化對(duì)電弧聲聲源影響很小。
　　為了進(jìn)一步分析電弧聲信號(hào)的熔透特性，提出了一整套熔透特征的時(shí)-頻-時(shí)頻域特征提取算法，包括有聽(tīng)覺(jué)注意AC-ROI預(yù)處理方法及極大模閾值去噪方法，能夠有效的去除GTAW電弧聲內(nèi)部包含的噪聲信息。通過(guò)時(shí)域分析、頻域分析以及小波變換后，確定了23維的特征向量組作為對(duì)電弧聲信號(hào)熔透狀態(tài)分析的主要特征，包括均值＞0.0

5、8，能量＞100，標(biāo)準(zhǔn)差＞0.12，協(xié)方差＞0.015，峭度因子＞3，偏態(tài)因子＞2，作為熔透狀態(tài)識(shí)別特征;以及DCT的5.5-9.5kHz頻段能量作為三種熔透狀態(tài)識(shí)別特征值;頻帶3.75-5kHz、5-6.25kHz、6.25-7.5kHz和8.75-10kHz內(nèi)的電弧聲信號(hào)頻帶能量特征值作為過(guò)熔透和未熔透的識(shí)別特征;5-6.25kHz和8.75-10kHz頻率段內(nèi)容差值作為三種熔透狀態(tài)的識(shí)別特征;除此外，還提取出了電弧聲信號(hào)的聲道熔透

6、特征系數(shù)，倒譜系數(shù)(x)（n）以及線(xiàn)性預(yù)測(cè)分析αi。大量數(shù)據(jù)分析證明，這些特征都與焊接過(guò)程熔透狀態(tài)有很好的對(duì)應(yīng)性。
　　考慮到電弧聲信號(hào)與熔透狀態(tài)關(guān)系非線(xiàn)性的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于電弧聲音信息的焊縫熔透狀態(tài)BP_ Adaboost神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，得到了94％的辨識(shí)率，具有準(zhǔn)確率高、適用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)還引入并設(shè)計(jì)新型的小波分析隱馬爾科夫模型WA-HMM熔透狀態(tài)預(yù)測(cè)模型，結(jié)合小波分析與隱馬爾科夫模型的優(yōu)良的辨識(shí)性能，得到WA-HMM

7、型6狀態(tài)有跨越二階差分MFCC預(yù)測(cè)模型，識(shí)別率最高達(dá)到95.83％。
　　觀察到電弧聲信號(hào)對(duì)弧長(zhǎng)變化敏感反應(yīng)的特點(diǎn)，提出了一套基于電弧聲信號(hào)焊接弧長(zhǎng)及焊縫下塌量的預(yù)測(cè)模型，包括一種小波包-滑動(dòng)均值濾波的方法，成功去除了環(huán)境噪聲與脈沖干擾噪聲電弧聲特征信號(hào)的影響;提出了一種分段線(xiàn)性擬合的方法，將有效弧長(zhǎng)范圍(3-7)mm內(nèi)的變化趨勢(shì)分為兩種4-3mm和6-5-4mm弧長(zhǎng)擬合模型，預(yù)測(cè)精度達(dá)到0.580487mm，相對(duì)于單一的線(xiàn)性模型

8、其精度明顯提高。還將模型細(xì)化為1mm階躍模型與2mm階躍模型兩種，分別對(duì)應(yīng)于小電流熔池緩慢變化和大電流熔池迅速下塌的兩種情況。
　　最終，開(kāi)發(fā)了一套脈沖GTAW電弧聲信號(hào)熔透狀態(tài)的特征提取及模型建立的軟件系統(tǒng)。包括:文件加載模塊、文件預(yù)處理模塊、聲音文件的特征提取模塊、輔助視覺(jué)圖像信息處理模塊、熔透狀態(tài)辨識(shí)模塊以及弧長(zhǎng)預(yù)測(cè)模塊，為電弧聲信號(hào)的分析處理提供便利的開(kāi)發(fā)工具。設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了基于電弧聲傳感的脈沖GTAW焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程的控制器試