[发明专利]基于波形匹配的旋转电弧窄间隙气保焊焊缝偏差识别方法

说明书

技术领域

本发明属于焊接自动控制技术领域，涉及焊缝偏差识别方法，更具体是涉及一种基于波形匹配的旋转电弧窄间隙气保焊焊缝偏差识别方法，。 

背景技术

旋转电弧窄间隙气保焊接作为一种高效的焊接技术，在中厚板焊接领域受到广泛的应用，为保证焊接质量，避免出现侧壁未熔合等缺陷，需要保证焊接过程中电弧处于坡口中心位置，即需要进行实时有效的跟踪控制，其关键是能实时可靠地提取焊缝偏差。 

目前实施焊缝偏差识别方法所基于的在线实时传感装置常用的传感器有机械传感器，电磁感应式传感器、超声传感器、焊接温度场传感器、CCD视觉传感器和电弧传感器几种类型，其中电弧传感器作为一种在线实时传感装置与其它附加式传感器相比，其抗弧光、高温和强磁场的能力强，电弧传感器的跟踪信号是由焊接电弧本身提取出的，没有因传感器位置超前而产生误差，而且焊炬可达性好，使用成本低，受到了广泛的应用。 

利用电弧传感器进行焊缝跟踪的关键是根据电弧电流或电压的变化提取偏差信号。目前通常采用的电弧传感偏差信息的提取方法主要有极值法，积分差值法、谐波分析法。其中极值法由于电弧信号容易受到各种干扰，仅求取单个或多个即致电容易受到干扰，可靠性较差，灵敏度较低。积分差值法比极值法可靠，在比较理想的条件下可得到满意的结果，但在非V形坡口及非射流过渡焊接时，坡口识别能力差，信噪比低，应用遇到很大困难。而谐波分析法是通过快速傅里叶变换将时域信号变换到频域来分析，但其变换最后得到的关系十分复杂，给应用带来不便。 

高速旋转电弧气保焊焊时，熔化金属受到侧壁拘束作用，同时由于焊丝的高熔敷率，熔池中液态金属较厚，液面倾角较大，其电弧形态有特殊的变化规律，使得已有电弧传感方法应用效果需要重新验证，而且焊接过程中大量不确定因素的存在，如熔池后端铁水的堆积、电弧对熔池的搅拌作用、坡口加工精度不高、装配误差、工件装配或热变形导致的错边等，对焊缝偏差的有效跟踪与精确识别提出了新的要求，从而迫切需要对已有识别法进行改进。已有申请号为200910025826.2的专利，其发明内容是，利用焊接电流信号的采样结果结合函数逼近的思想计算焊枪位置的偏差信息，其主要是针对摆动电弧，未能涉及旋转电弧。而申请号为200910035967.2的专利，一种高精度的电弧摆动焊缝跟踪机器人的焊 缝跟踪方法，也并未针对旋转电弧。 

发明内容

本发明的目的是针对上述电弧传感应用中普遍存在的问题，提供一种抗干扰能力强的基于波形匹配的旋转电弧窄间隙气保焊焊缝偏差识别方法。 

为了达到上述目的，本发明的基于波形匹配的旋转电弧窄间隙气保焊焊缝偏差识别方法所基于的焊缝偏差识别系统包括：旋转电弧焊炬、电弧位置传感器、焊接电弧电信号传感器、焊接电源、PC机、数据采集卡、模式选择器、数据预处理模块、波形模版函数、统计模块、多项式拟合模块、适当简化旋转电弧气保焊的模型、仿真焊接电弧电信号或相关参数的变化、模板函数选择器。其中，焊接电弧电信号传感器为霍尔电流或电压传感器；电弧位置传感器由凹槽式光电开关和开槽(或通孔)的光栅盘构成，凹槽式光电开关固定于旋转电弧焊炬的不旋转部分，光栅盘固定在旋转电弧焊炬的旋转部分与电弧同步转动，安装时使电弧旋转到焊接前方位置时，凹槽式光电开关的光路正好穿过光栅盘的开孔或开槽，凹槽式光电开关输出脉冲，从而能够通过检测该脉冲判断电弧位置；传感器所得焊接电弧电信号和焊接电弧位置信号接入数据采集卡，数据采集卡与PC机相连。在PC机中，可通过模式选择器选择在线预测模式或仿真建模模式或实验建模模式。 

在在线预测模式下，数据采集卡采集的焊接电弧电信号和焊接电弧位置信号经过数据预处理模块得到当前电弧旋转周期的电信号，将其与不同焊缝偏差下的波形模板函数进行相关性匹配，选择最匹配模板函数所对应焊缝偏差作为当前电弧旋转周期焊缝偏差；为克服偶然因素的影响，将当前电弧旋转周期焊缝偏差与之前n个电弧旋转周期焊缝偏差输入统计模块，获得最终焊缝偏差输出。其中n为大于1的自然数。 

在线预测模式下的波形模板函数是在仿真建模模式或实验建模模式下获得的。在仿真建模模式下，选用适当简化旋转电弧气保焊的模型，仿真焊接电弧电信号或相关参数的变化，进而经过多项式拟合模块得到波形模板函数。在实验建模模式下，数据采集卡采集不同焊缝偏差下的焊接电弧电信号和焊接电弧位置信号经过数据预处理模块，得到不同焊缝偏差下多电弧旋转周期电信号平均值波形，经多项式拟合模块得到波形模板函数。可以通过模板函数选择器对在不同模式下构建的波形模板函数进行选择。