本發(fā)明涉及一種基于電弧聲波信號(hào)傳感監(jiān)測(cè)電弧弧長(zhǎng)的方法，既適用于TIG、MIG、MAG、PAW等電弧焊接過程中對(duì)電弧弧長(zhǎng)的監(jiān)測(cè)，同時(shí)也適合用于金屬材料電弧堆焊、電弧熔敷與電弧三維快速成形等電弧增材制造過程中對(duì)電弧弧長(zhǎng)的監(jiān)測(cè)。

背景技術(shù)：

使用電弧作為熱源，可以進(jìn)行各種金屬材料結(jié)構(gòu)的電弧焊接制造和電弧增材制造。在智能制造技術(shù)快速發(fā)展的形勢(shì)下，電弧焊接和電弧增材制造過程中的焊縫熔透控制和電弧跟蹤技術(shù)是機(jī)器人制造自動(dòng)化領(lǐng)域非常有意義的研究課題。為了獲得良好的焊接成形質(zhì)量或增材制造沉積層質(zhì)量，必須獲取有關(guān)電弧熱源的更多信息，并將電弧動(dòng)態(tài)控制在適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定水平。在電弧焊接制造和電弧增材制造過程中，電弧并非恒定不變，而是盡可能使其自身處于動(dòng)態(tài)熱平衡狀態(tài)中，以獲得最穩(wěn)定能量輸出效果和最佳加工狀態(tài)。電弧弧長(zhǎng)是眾多電弧熱源信息中影響電弧動(dòng)態(tài)變化的重要因素。加工過程中，電弧弧長(zhǎng)的改變將影響電弧熱源作用于加工對(duì)象的有效能量，由于弧長(zhǎng)變化而引發(fā)電弧熱源能量作用于制造區(qū)而產(chǎn)生的電弧燃弧和熔滴過渡穩(wěn)定性發(fā)生變化將極大地制約焊接或增材制造質(zhì)量的提高。因此，在電弧焊接和電弧增材制造過程中實(shí)現(xiàn)電弧弧長(zhǎng)的離線檢測(cè)或在線監(jiān)測(cè)對(duì)于制造過程的控制和制造質(zhì)量的評(píng)估具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在以電弧為加工熱源的制造過程中，電弧熱源、熔滴與熔池形成的相互作用效應(yīng)會(huì)以不同形式釋放能量，以空氣負(fù)載形式釋放的聲波即是其中的一種。由于不同弧長(zhǎng)電弧沖擊能量釋放具有明顯差異性，使電弧弧長(zhǎng)變化與電弧聲波波動(dòng)形成了一定的映射關(guān)系。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)電弧焊接或電弧增材制造，提供一種利用電弧聲波信號(hào)監(jiān)測(cè)電弧弧長(zhǎng)的方法，其利用電弧激發(fā)的可聽聲波信號(hào)作為信息源，實(shí)時(shí)檢測(cè)電弧所產(chǎn)生的聲波信號(hào)，利用小波分析等技術(shù)提取電弧聲波信號(hào)的特征曲線，實(shí)現(xiàn)對(duì)電弧弧長(zhǎng)的監(jiān)測(cè)。

本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：

一種基于電弧聲波信號(hào)傳感監(jiān)測(cè)電弧弧長(zhǎng)的方法，所述方法實(shí)時(shí)檢測(cè)加工過程中的電弧聲波信號(hào)，利用電弧聲波與電弧弧長(zhǎng)的定量關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)電弧焊接或電弧增材制造過程電弧弧長(zhǎng)的監(jiān)測(cè)，所述方法的步驟如下：

（1）安裝聲波傳感器于電弧側(cè)上方；

（2）打開電弧電源，開始對(duì)目標(biāo)對(duì)象的加工制造；

（3）實(shí)時(shí)采集輸出電弧能量連續(xù)沖擊基板或制造區(qū)域的熔池而激發(fā)產(chǎn)生的聲波信號(hào)，并繪制出信號(hào)的動(dòng)態(tài)波形圖；

（4）加工制造結(jié)束，關(guān)停電弧能量輸出，并停止聲波信號(hào)在線檢測(cè)；

（5）設(shè)定電弧聲波信號(hào)振幅門限值，提取高于門限值的電弧聲波信號(hào)時(shí)域波形，得到電弧聲波信號(hào)時(shí)域特征波形；

（6）利用小波分析方法對(duì)電弧聲波信號(hào)時(shí)域特征波形進(jìn)行消噪；

（7）利用小波包分析方法提取電弧聲波信號(hào)時(shí)域特征波形中的低頻成分，并繪制出電弧聲波信號(hào)低頻成分特征波形圖；

（8）將電弧聲波信號(hào)低頻成分特征波形帶入電弧弧長(zhǎng)數(shù)學(xué)模型計(jì)算得出加工過程中的電弧弧長(zhǎng)變化時(shí)域波形；

（9）由電弧弧長(zhǎng)變化時(shí)域波形得出加工過程中任意加工時(shí)刻電弧弧長(zhǎng)值。

所述電弧弧長(zhǎng)數(shù)學(xué)模型的獲得方法如下：

（1）安裝基板，并可靠水平固定，將電弧焊槍夾持于三維數(shù)控工作平臺(tái)的行走機(jī)構(gòu)，調(diào)整電弧焊槍方向，使其與基板平面垂直；

（2）沿x方向設(shè)定任一速度和行程，使電弧在燃燒過程中勻速行走，并同時(shí)使電弧弧長(zhǎng)沿z方向連續(xù)改變；

（3）實(shí)時(shí)采集電弧弧長(zhǎng)變化過程中的電弧聲波信號(hào)，繪制出電弧聲波信號(hào)時(shí)域波形；

（4）x方向行程結(jié)束，停止電弧工作和電弧聲波信號(hào)采集；

（5）設(shè)定電弧聲波信號(hào)振幅門限值，提取高于門限值的電弧聲波信號(hào)時(shí)域波形，得到電弧聲波信號(hào)時(shí)域特征波形；

（6）利用小波分析方法對(duì)電弧聲波信號(hào)時(shí)域特征波形進(jìn)行消噪；

（7）利用小波包分析方法提取電弧弧長(zhǎng)變化過程中電弧聲波信號(hào)時(shí)域特征波形中的低頻成分，從而繪制出電弧聲波信號(hào)低頻成分時(shí)域特征波形圖；

（8）利用電弧行走在x方向的行程和z方向的弧長(zhǎng)變化形成的三角函數(shù)關(guān)系進(jìn)行換算，得出電弧弧長(zhǎng)-電弧聲波振幅關(guān)系曲線圖；

（9）對(duì)電弧弧長(zhǎng)-電弧聲波振幅關(guān)系曲線進(jìn)行曲線擬合，得到電弧弧長(zhǎng)與電弧聲波信號(hào)之間的關(guān)系模型，即電弧弧長(zhǎng)數(shù)學(xué)模型。

本方法中，所述電弧聲波信號(hào)振幅門限值需不小于電弧聲波信號(hào)平均振幅的1/3。

本發(fā)明的創(chuàng)新在于利用小波分析和信號(hào)特征提取建立電弧弧長(zhǎng)與電弧聲波信號(hào)之間的關(guān)系模型，通過對(duì)電弧聲波信號(hào)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電弧弧長(zhǎng)的監(jiān)測(cè)，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）可操作性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)電弧弧長(zhǎng)的離線檢測(cè)和在線監(jiān)測(cè)；

（2）系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造成本低廉；

（3）監(jiān)測(cè)結(jié)果直觀，并且符合電弧焊接或電弧增材制造的實(shí)際工況；

（4）數(shù)據(jù)計(jì)算量小，可實(shí)現(xiàn)快速監(jiān)測(cè)。

附圖說明

圖1是電弧弧長(zhǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成示意圖。

圖2是實(shí)施例1檢測(cè)的電弧弧長(zhǎng)變化過程電弧聲波信號(hào)時(shí)域波形。

圖3是實(shí)施例1提取的電弧弧長(zhǎng)變化過程電弧聲波信號(hào)低頻成分時(shí)域特征波形。

圖4是實(shí)施例1提取的電弧弧長(zhǎng)-電弧聲波振幅關(guān)系曲線圖及其擬合曲線。

圖5是實(shí)施例1待檢測(cè)電弧的電弧聲波隨時(shí)間變化信號(hào)波形。

圖6是實(shí)施例1待檢測(cè)電弧的電弧聲波信號(hào)低頻成分特征波形圖。

圖7是實(shí)施例1待檢測(cè)電弧的電弧弧長(zhǎng)變化時(shí)域波形。

圖8是實(shí)施例2檢測(cè)的電弧弧長(zhǎng)變化過程電弧聲波信號(hào)時(shí)域波形。

圖9是實(shí)施例2提取的電弧弧長(zhǎng)變化過程電弧聲波信號(hào)低頻成分時(shí)域特征波形。

圖10是實(shí)施例2提取的電弧弧長(zhǎng)-電弧聲波振幅關(guān)系曲線圖及其擬合曲線。

圖11是實(shí)施例2待檢測(cè)電弧的電弧聲波隨時(shí)間變化信號(hào)波形。

圖12是實(shí)施例2待檢測(cè)電弧的電弧聲波信號(hào)低頻成分特征波形圖。

圖13是實(shí)施例2待檢測(cè)電弧的電弧弧長(zhǎng)變化時(shí)域波形。

圖中，1三維數(shù)控工作平臺(tái)行走機(jī)構(gòu)夾持端、2電弧焊槍、3電弧、4焊件或基板、5可聽聲波傳感器、6前置放大器、7信號(hào)調(diào)理器、8數(shù)據(jù)采集卡、9計(jì)算機(jī)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。

參見圖1，電弧弧長(zhǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括行走機(jī)構(gòu)夾持端1、電弧焊槍2、可聽聲波傳感器5、前置放大器6、信號(hào)調(diào)理器7、數(shù)據(jù)采集卡8和計(jì)算機(jī)9等。電弧焊槍2產(chǎn)生的電弧3作用于焊件或基板4上，利用可聽聲波傳感器5實(shí)現(xiàn)對(duì)電弧4激發(fā)的聲波信號(hào)的傳感。檢測(cè)得到的電弧聲波信號(hào)傳遞給前置放大器6和信號(hào)調(diào)理器7處理，再通過數(shù)據(jù)采集卡8后送到計(jì)算機(jī)9，由計(jì)算機(jī)9裝載的軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算等處理，得到檢測(cè)結(jié)果。

實(shí)施例1：

進(jìn)行MIG焊接，采用厚度6mm的6061鋁合金板作為基板，金屬焊絲選用直徑為1.2mm的4043鋁合金焊絲，保護(hù)氣體為純度99.999%高純氬氣，且保護(hù)氣體流量為18L/min。首先建立電弧弧長(zhǎng)的數(shù)學(xué)模型：設(shè)定電弧電流輸出為120A，電弧電壓輸出為18.2V，電弧脈沖頻率100Hz，行走機(jī)構(gòu)移動(dòng)速度為30mm/s。所用的鋁合金焊絲接電源正極，基板接電源負(fù)極。安裝基板，并可靠水平固定，將MIG電弧焊槍夾持于三維數(shù)控工作平臺(tái)的行走機(jī)構(gòu)。調(diào)整MIG焊槍方向，使其與基板平面垂直。安裝聲波傳感器于電弧側(cè)上方，沿x方向設(shè)定行走速度為30mm/s，行走時(shí)長(zhǎng)1.95s，行程為58.5mm。使電弧在燃燒過程中勻速行走，并同時(shí)沿z方向使電弧弧長(zhǎng)連續(xù)增加2mm。實(shí)時(shí)采集電弧弧長(zhǎng)變化過程中產(chǎn)生的電弧聲波信號(hào)，繪制出電弧聲波信號(hào)時(shí)域波形，如圖2所示。x方向行程結(jié)束后，停止電弧工作和電弧聲波信號(hào)采集。設(shè)定電弧聲波信號(hào)振幅門限值為0.6，提取高于門限值的電弧聲波信號(hào)時(shí)域波形，得到電弧聲波信號(hào)時(shí)域特征波形。利用小波分析對(duì)電弧聲波信號(hào)時(shí)域特征波形進(jìn)行消噪，利用小波包分析提取電弧弧長(zhǎng)變化過程中電弧聲波信號(hào)時(shí)域波形中的低頻成分，繪制出電弧聲波信號(hào)低頻成分時(shí)域特征波形圖，如圖3所示。利用電弧行走在x方向的行程和z方向的弧長(zhǎng)變化形成的三角函數(shù)關(guān)系進(jìn)行換算，得出電弧弧長(zhǎng)-電弧聲波振幅關(guān)系曲線圖如圖4所示。對(duì)電弧弧長(zhǎng)-電弧聲波振幅關(guān)系曲線進(jìn)行直線擬合，得到電弧弧長(zhǎng)（L）與電弧聲波振幅（M）之間的關(guān)系模型，即電弧弧長(zhǎng)數(shù)學(xué)模型：

M=0.324+0.030×L

在電弧弧長(zhǎng)正式監(jiān)測(cè)過程中，實(shí)時(shí)采集完整加工過程中產(chǎn)生的電弧聲波信號(hào)，繪制得到電弧聲波隨時(shí)間變化的信號(hào)波形如圖5所示。設(shè)定電弧聲波信號(hào)振幅門限值為0.6，提取高于電弧聲波信號(hào)振幅門限值的時(shí)域信號(hào)波形，得到電弧聲波時(shí)域特征波形。利用小波分析對(duì)電弧聲波時(shí)域特征波形進(jìn)行消噪，利用小波包分析提取電弧聲波時(shí)域特征波形中的低頻成分，并繪制出電弧聲波信號(hào)低頻成分時(shí)域特征波形圖，如圖6所示。將電弧聲波信號(hào)低頻成分時(shí)域特征波形帶入電弧弧長(zhǎng)數(shù)學(xué)模型計(jì)算得出加工過程中的電弧弧長(zhǎng)變化時(shí)域波形，如圖7所示，即可得出加工過程中任意加工時(shí)刻電弧弧長(zhǎng)值。

實(shí)施例2：

進(jìn)行MIG焊接，采用厚度6mm的6061鋁合金板作為基板，金屬焊絲選用直徑為1.2mm的4043鋁合金焊絲，保護(hù)氣體為純度99.999%高純氬氣，且保護(hù)氣體流量為18L/min。首先建立電弧弧長(zhǎng)的數(shù)學(xué)模型：設(shè)定電弧電流輸出為115A，電弧電壓輸出為17.6V，電弧脈沖頻率100Hz，行走機(jī)構(gòu)移動(dòng)速度為30mm/s。所用的鋁合金焊絲接電源正極，基板接電源負(fù)極。安裝基板，并可靠水平固定，將MIG電弧焊槍夾持于三維數(shù)控工作平臺(tái)的行走機(jī)構(gòu)。調(diào)整MIG焊槍方向，使其與基板平面垂直。安裝聲波傳感器于電弧側(cè)上方，沿x方向設(shè)定行走速度為30mm/s，行走時(shí)長(zhǎng)3.50s，行程為105mm。使電弧在燃燒過程中勻速行走，并同時(shí)沿z方向使電弧弧長(zhǎng)連續(xù)增加3.5mm。實(shí)時(shí)采集電弧弧長(zhǎng)變化過程中產(chǎn)生的電弧聲波信號(hào)，繪制出電弧聲波信號(hào)時(shí)域波形，如圖8所示。x方向行程結(jié)束后，停止電弧工作和電弧聲波信號(hào)采集。設(shè)定電弧聲波信號(hào)振幅門限值為0.5，提取高于門限值的電弧聲波信號(hào)時(shí)域波形，得到電弧聲波信號(hào)時(shí)域特征波形。利用小波分析對(duì)電弧聲波信號(hào)時(shí)域特征波形進(jìn)行消噪，利用小波包分析提取電弧弧長(zhǎng)變化過程中電弧聲波信號(hào)時(shí)域波形中的低頻成分，繪制出電弧聲波信號(hào)低頻成分時(shí)域特征波形圖，如圖9所示。利用電弧行走在x方向的行程和z方向的弧長(zhǎng)變化形成的三角函數(shù)關(guān)系進(jìn)行換算，得出電弧弧長(zhǎng)-電弧聲波振幅關(guān)系曲線圖如圖10所示。對(duì)電弧弧長(zhǎng)-電弧聲波振幅關(guān)系曲線進(jìn)行直線擬合，得到電弧弧長(zhǎng)（L）與電弧聲波振幅（M）之間的關(guān)系模型，即電弧弧長(zhǎng)數(shù)學(xué)模型：

M=0.267+0.048×L

在電弧弧長(zhǎng)正式監(jiān)測(cè)過程中，實(shí)時(shí)采集完整加工過程中產(chǎn)生的電弧聲波信號(hào)，繪制得到電弧聲波隨時(shí)間變化的信號(hào)波形如圖11所示。設(shè)定電弧聲波信號(hào)振幅門限值為0.7，提取高于電弧聲波信號(hào)振幅門限值的時(shí)域信號(hào)波形，得到電弧聲波時(shí)域特征波形。利用小波分析對(duì)電弧聲波時(shí)域特征波形進(jìn)行消噪，利用小波包分析提取電弧聲波時(shí)域特征波形中的低頻成分，并繪制出電弧聲波信號(hào)低頻成分時(shí)域特征波形圖，如圖12所示。將電弧聲波信號(hào)低頻成分時(shí)域特征波形帶入電弧弧長(zhǎng)數(shù)學(xué)模型計(jì)算得出加工過程中的電弧弧長(zhǎng)變化時(shí)域波形，如圖13所示，即可得出加工過程中任意加工時(shí)刻電弧弧長(zhǎng)值。

由上述實(shí)施例的結(jié)果可以看出，利用本發(fā)明所述方法可以較為準(zhǔn)確快捷地實(shí)現(xiàn)電弧焊接或電弧增材制造過程中對(duì)電弧弧長(zhǎng)變化的監(jiān)測(cè)。