任震南 何俊杰 劉文吉

(天津工業(yè)大學 天津市現(xiàn)代機電裝備技術(shù)重點實驗室，天津 300387)

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窄間隙擺動電弧焊的傳感信號處理

任震南 何俊杰 劉文吉

(天津工業(yè)大學 天津市現(xiàn)代機電裝備技術(shù)重點實驗室，天津 300387)

在研究國內(nèi)外電弧傳感信號處理方法的基礎(chǔ)上，考慮到窄間隙擺動電弧焊的傳感信號容易受到噪聲的干擾，提出了一種新的組合濾波法，包括削波處理、中值濾波和傅里葉濾波，對采集的電流信號進行濾波處理并在Matlab中進行仿真。結(jié)果表明，該濾波方法有效地改善了電流波形，提高了電流信號的信噪比。然后進行了不同偏差條件的焊接試驗，通過比較理論偏差與提取的實際偏差，證明了該濾波方法的可行性。

擺動電弧 削波 中值濾波 傅里葉濾波

0 序 言

為保證焊接質(zhì)量，需要對焊炬進行有效的實時跟蹤控制。擺動電弧傳感器的原理是通過檢測焊接電流信號來判別焊炬與焊縫是否對中，而信號濾波處理的效果直接影響著焊縫實時跟蹤控制的精度[1]。在實際的焊接過程中，由于受到多種干擾因素的影響，致使焊接電流信號含有很多的噪聲和短路尖峰脈沖等干擾，這些干擾在很大程度上降低了焊縫實時跟蹤控制的精度[2]，所以必須選用合適的濾波方法對焊接電流信號實行濾波處理。針對上述問題，文中采用了削波處理、中值濾波和傅里葉濾波相結(jié)合的濾波處理方法并在Matlab中進行仿真。濾波結(jié)果表明該濾波方法可以明顯地消除噪聲干擾和改善電流波形，很大程度上提高了電流信號的信噪比，為焊縫偏差信息的提取和焊縫自動跟蹤控制提供了依據(jù)。

1 焊縫跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成

圖1為焊縫跟蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。該系統(tǒng)是由焊接電源、傳感器、信息處理模塊、控制機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)構(gòu)成。焊接時傳感器不間斷地檢測焊縫信息，通過信號處理模塊進行信號的采集、信號的軟件濾波和偏差提取，將得到的焊縫偏差信息作為控制量輸入控制器，控制器控制驅(qū)動機構(gòu)進而控制執(zhí)行機構(gòu)，從而使焊炬位置出現(xiàn)相應的變化，從而實現(xiàn)焊縫跟蹤控制的目的。

圖1 焊縫跟蹤系統(tǒng)

圖2是進行擺動電弧傳感焊縫跟蹤控制研究的焊接小車，其擺動形式為勻速擺動，焊炬擺動示意圖如圖3所示。

圖2 焊接小車

圖3 擺動擺動示意圖

2 信號的濾波處理

在進行實際的焊接時，由于外在因素的影響以及電弧信號本身的變化，必然會對傳感信號產(chǎn)生干擾，從而使得傳感信號品質(zhì)下降。因此信號的濾波處理在傳感信號分析中就變得尤為重要，其作用是消除噪聲干擾和改善傳感信號的品質(zhì)，為后續(xù)的信號處理以及焊縫自動跟蹤控制提供依據(jù)[3]。

現(xiàn)有的濾波算法很多，如中值濾波、小波濾波、數(shù)學形態(tài)學濾波等[4]，但是分析采集的焊接電流信號(圖4)可知，該電流信號中有很多短路過渡峰值電流且出現(xiàn)的頻率非常不規(guī)則。同時考慮到削波處理和中值濾波可以有效的消除短路尖峰的影響，傅里葉濾波可以有效地濾除噪聲并保留信號整體變化趨勢，因此文中采用削波、中值濾波和傅里葉濾波相結(jié)合的濾波方法。

圖4 焊接電流信號波形圖

削波處理對于有較多短路峰值電流的波形信號來說是一種簡單有效的信號處理方法。當焊炬在較小高度范圍內(nèi)變化時，焊接電流也是在一定范圍內(nèi)變化的，當電流超過某個值時就可以判定此時電弧發(fā)生短路。當焊接電流值大于某個電流設(shè)定值時，將此電流值用前面的小電流代替，這樣不僅降低了噪聲干擾的影響，而且保存了掃描坡口時電流變化這一有效信號。

中值濾波[5]對短路過渡的去除有一定的意義，并且當窗口長度合適時，中值濾波對于去除飛濺所產(chǎn)生的毛刺有很好的效果，能夠去除一定的短路峰值電流干擾，而且不損害低頻掃描的傳感信號。中值濾波原理是首先選取固定大小的濾波窗口，然后找到窗口正中元素值并對窗口內(nèi)所有的元素按大小排序找到中間值，最后用中間值替換窗口正中元素值。若窗口長度為5，窗口正中的元素數(shù)值為350，其他的元素數(shù)值分別為210，230，260，280，則按大小順序排列的中間值為260，于是原窗口正中元素的數(shù)值350就用260進行代替，若350為干擾電流值，則被濾除掉。

由于可能會將有用的電流信號濾除，實際操作中，先從小窗口嘗試，如果沒有明顯的信號損失則可將窗口加大，直至既有較好的濾波效果也沒有較大的信號損失為止[6]。

傅里葉濾波[7]是分析信號成分的重要方法，它能夠?qū)⑿盘枏臅r域變換到頻域內(nèi)。傅里葉濾波的內(nèi)容是：設(shè)定一個閥值f或一個閥值區(qū)間，將低于或高于這個閥值或在閥值區(qū)間內(nèi)的信號振幅置零，相位信息不變。采用不同的閥值得到的濾波效果不同，當選擇的閥值較小時，信號中的尖峰大部分被消除，波形光滑但存在失真現(xiàn)象，均值變??；隨著閥值逐漸增加，尖峰出現(xiàn)的越來越多，原始信號被保存下來的也就越多。

3 試驗驗證

3.1 試驗條件

試驗所用坡口為V形坡口。坡口具體尺寸如圖5所示。具體參數(shù)見表1。

圖5 坡口尺寸

表1 焊接參數(shù)

3.2 試驗結(jié)果及分析

焊接電流信號波形如圖4所示。由圖4可知，焊接電流信號中存在大量的短路尖峰，且峰值電流出現(xiàn)的時間并不明顯，無法提取有效信息。

削波后電流信號波形圖如圖6所示。從圖中可以看出，經(jīng)過削波后的電流已經(jīng)消除了大量的焊接過程中產(chǎn)生的短路尖峰電流，并且濾波后的波形與原波形保持較好的相似性。但是在圖6的電流信號中仍然存在著許多干擾，為了提高信號的品質(zhì)，仍需要對信號進行濾波處理。

中值濾波后電流信號波形圖如圖7所示。從圖7可以看出，經(jīng)過中值濾波可以消除很多焊接時短路過渡出現(xiàn)的毛刺干擾，并且相比于原波形而言波形的變化趨勢基本沒有改變，可以完整地反映變化趨勢；同時也將原信號中波形模糊、變化劇烈的地方變得平滑飽滿。但是中值濾波雖然能夠部分消除短路尖峰噪聲的影響，但是在電弧電流信號中還是存在尖峰噪聲的突變問題，對偏差信息提取還是存在影響，要想完全的消除尖峰噪聲的影響，還需要進行其他濾波。

圖6 削波后電流信號波形圖

圖7 中值濾波后電流信號波形圖

傅里葉濾波后電流信號波形圖如圖8所示。從圖中可以看出，經(jīng)過傅里葉濾波后的電流中已基本抑制掉了尖峰噪聲的干擾，波形光滑，而且濾波后的波形和濾波之前的波形相比有很好的相似性。

從以上波形圖可以看出，原始焊接電流信號經(jīng)過削波、中值濾波和傅里葉濾波后，幾乎完全去除了噪聲的干擾，提高了信號的信噪比，為焊縫偏差信號的提取提供了準確的信息。

為了驗證該濾波方法的可行性，文中做了幾組試驗來進行驗證：對中、左偏0.4、左偏0.8、右偏0.4和右偏0.8。取焊炬左偏e為正值，焊炬右偏e為負值。對這幾組焊接條件下的焊接電流信號進行濾波處理并利用積分差值法求取焊縫偏差，并與實際的焊縫偏差進行比較，結(jié)果如表2所示。

圖8 傅里葉濾波后電流信號波形圖

表2 實際偏差與理論偏差對比

從表2可以看出從濾波后的信號中可以準確的提取窄間隙的焊縫偏差信息，且精度比較可靠。

4 結(jié) 語

在分析窄間隙擺動電弧焊接電流中干擾信號以及濾波方法基礎(chǔ)上，提出了一種包含削波、中值濾波和傅里葉濾波的組合濾波方法，并在Matlab中進行仿真。試驗結(jié)果表明，該濾波方法幾乎完全去噪聲干擾，將電流信號波形處理為光滑的曲線，有利于焊縫偏差信號的提取。通過比較不同偏差條件下的理論提取偏差與提取的實際偏差，驗證了該濾波方法的可行性。

[1] 熊震宇，張 華，賈劍平，等. 旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的研制[J]. 傳感器技術(shù)，2003(7): 5-9.

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2017-01-21

國家自然科學基金資助項目(U1333128)；天津市科技計劃項目(14ZCDZGX00802)。

TG409

任震南，1992年出生，碩士。主要從事焊接信號檢測方面的研究。