基于電弧聲信號的鋁合金脈沖GTAW熔透特征識別及其實時控制研究.pdf

1、焊接動態(tài)過程信息獲取與質(zhì)量實時控制對于自動化焊接制造業(yè)來說一直是研究的重點以及難點，傳統(tǒng)的事后焊接缺陷檢測方法耗時費力，難以滿足現(xiàn)代制造業(yè)對焊接制造高質(zhì)量、高效率和低成本的要求。而在實時評價焊接質(zhì)量的各項標準中，焊縫的熔透狀態(tài)一直被作為監(jiān)控焊接過程與實現(xiàn)焊接質(zhì)量控制的最重要的特征信息之一。電弧聲信號作為焊接過程的電弧信息伴生信號之一，已經(jīng)被證明了是一種有效又不可缺少的信息。對于有經(jīng)驗的焊工憑借耳聽就結(jié)合個人經(jīng)驗就可以大致判斷焊接過程中相

2、關狀態(tài)的變化?？梢?，電弧聲信號中包含了大量與焊接動態(tài)過程相關的信息。其中的信息含量僅次于視覺信息，但相較于視覺信息卻具有實時性較好的優(yōu)勢。但是如何將這些信息轉(zhuǎn)化成能夠利用，能夠理解的“可聽圖像”，使它像視覺信息一樣被廣泛的使用，需要搞清楚其產(chǎn)生的機理以及信息的具體分布。基于上述原因，本文引入焊接電弧的聲音信號信息，采用現(xiàn)代信號處理技術和語音識別方法對焊接動態(tài)過程和熔透狀態(tài)進行研究，旨在探索與發(fā)現(xiàn)一條焊接質(zhì)量在線預測的新途徑和方法。

3、>　　本文以鋁合金的脈沖GTAW焊接過程中的質(zhì)量控制為研究背景，基于焊接自動化過程的試驗平臺，以脈沖GTAW過程電弧聲信號為研究對象，通過對比電弧電壓及電流信號頻率特點，發(fā)現(xiàn)了電弧聲信號的聲源激勵的產(chǎn)生機理，電弧聲信號的聲源激勵周期出現(xiàn)且頻率為70Hz，與焊接電源工頻一致，確定焊機工頻變化為電弧聲信號產(chǎn)生的激勵源，證明了電弧聲源激勵為電弧能量的變化。電弧聲信號激勵源內(nèi)部每周期包括一次主峰和一次次峰，主峰對應于電弧的起弧狀態(tài)，次峰對應于電

4、弧的熄弧狀態(tài)，DCT變換分析發(fā)現(xiàn)對電弧聲信號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電弧聲聲源影響很小。
　　為了進一步分析電弧聲信號的熔透特性，提出了一整套熔透特征的時-頻-時頻域特征提取算法，包括有聽覺注意AC-ROI預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。通過時域分析、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電弧聲信號熔透狀態(tài)分析的主要特征，包括均值＞0.0

5、8，能量＞100，標準差＞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)的電弧聲信號頻帶能量特征值作為過熔透和未熔透的識別特征;5-6.25kHz和8.75-10kHz頻率段內(nèi)容差值作為三種熔透狀態(tài)的識別特征;除此外，還提取出了電弧聲信號的聲道熔透

6、特征系數(shù)，倒譜系數(shù)(x)（n）以及線性預測分析αi。大量數(shù)據(jù)分析證明，這些特征都與焊接過程熔透狀態(tài)有很好的對應性。
　　考慮到電弧聲信號與熔透狀態(tài)關系非線性的特點，設計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)絡預測模型，得到了94％的辨識率，具有準確率高、適用性強的優(yōu)點。同時還引入并設計新型的小波分析隱馬爾科夫模型WA-HMM熔透狀態(tài)預測模型，結(jié)合小波分析與隱馬爾科夫模型的優(yōu)良的辨識性能，得到WA-HMM

7、型6狀態(tài)有跨越二階差分MFCC預測模型，識別率最高達到95.83％。
　　觀察到電弧聲信號對弧長變化敏感反應的特點，提出了一套基于電弧聲信號焊接弧長及焊縫下塌量的預測模型，包括一種小波包-滑動均值濾波的方法，成功去除了環(huán)境噪聲與脈沖干擾噪聲電弧聲特征信號的影響;提出了一種分段線性擬合的方法，將有效弧長范圍(3-7)mm內(nèi)的變化趨勢分為兩種4-3mm和6-5-4mm弧長擬合模型，預測精度達到0.580487mm，相對于單一的線性模型

8、其精度明顯提高。還將模型細化為1mm階躍模型與2mm階躍模型兩種，分別對應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，開發(fā)了一套脈沖GTAW電弧聲信號熔透狀態(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、文件預處理模塊、聲音文件的特征提取模塊、輔助視覺圖像信息處理模塊、熔透狀態(tài)辨識模塊以及弧長預測模塊，為電弧聲信號的分析處理提供便利的開發(fā)工具。設計并驗證了基于電弧聲傳感的脈沖GTAW焊接動態(tài)過程的控制器試