[发明专利]一种基于电弧声波信号传感监测电弧弧长的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于电弧声波信号传感监测电弧弧长的方法，既适用于TIG、MIG、MAG、PAW等电弧焊接过程中对电弧弧长的监测，同时也适合用于金属材料电弧堆焊、电弧熔敷与电弧三维快速成形等电弧增材制造过程中对电弧弧长的监测。

背景技术

使用电弧作为热源，可以进行各种金属材料结构的电弧焊接制造和电弧增材制造。在智能制造技术快速发展的形势下，电弧焊接和电弧增材制造过程中的焊缝熔透控制和电弧跟踪技术是机器人制造自动化领域非常有意义的研究课题。为了获得良好的焊接成形质量或增材制造沉积层质量，必须获取有关电弧热源的更多信息，并将电弧动态控制在适当的稳定水平。在电弧焊接制造和电弧增材制造过程中，电弧并非恒定不变，而是尽可能使其自身处于动态热平衡状态中，以获得最稳定能量输出效果和最佳加工状态。电弧弧长是众多电弧热源信息中影响电弧动态变化的重要因素。加工过程中，电弧弧长的改变将影响电弧热源作用于加工对象的有效能量，由于弧长变化而引发电弧热源能量作用于制造区而产生的电弧燃弧和熔滴过渡稳定性发生变化将极大地制约焊接或增材制造质量的提高。因此，在电弧焊接和电弧增材制造过程中实现电弧弧长的离线检测或在线监测对于制造过程的控制和制造质量的评估具有非常重要的现实意义。

在以电弧为加工热源的制造过程中，电弧热源、熔滴与熔池形成的相互作用效应会以不同形式释放能量，以空气负载形式释放的声波即是其中的一种。由于不同弧长电弧冲击能量释放具有明显差异性，使电弧弧长变化与电弧声波波动形成了一定的映射关系。

发明内容

本发明针对电弧焊接或电弧增材制造，提供一种利用电弧声波信号监测电弧弧长的方法，其利用电弧激发的可听声波信号作为信息源，实时检测电弧所产生的声波信号，利用小波分析等技术提取电弧声波信号的特征曲线，实现对电弧弧长的监测。

本发明采取以下技术方案：

一种基于电弧声波信号传感监测电弧弧长的方法，所述方法实时检测加工过程中的电弧声波信号，利用电弧声波与电弧弧长的定量关系，实现对电弧焊接或电弧增材制造过程电弧弧长的监测，所述方法的步骤如下：

（1）安装声波传感器于电弧侧上方；

（2）打开电弧电源，开始对目标对象的加工制造；

（3）实时采集输出电弧能量连续冲击基板或制造区域的熔池而激发产生的声波信号，并绘制出信号的动态波形图；

（4）加工制造结束，关停电弧能量输出，并停止声波信号在线检测；

（5）设定电弧声波信号振幅门限值，提取高于门限值的电弧声波信号时域波形，得到电弧声波信号时域特征波形；

（6）利用小波分析方法对电弧声波信号时域特征波形进行消噪；

（7）利用小波包分析方法提取电弧声波信号时域特征波形中的低频成分，并绘制出电弧声波信号低频成分特征波形图；

（8）将电弧声波信号低频成分特征波形带入电弧弧长数学模型计算得出加工过程中的电弧弧长变化时域波形；

（9）由电弧弧长变化时域波形得出加工过程中任意加工时刻电弧弧长值。

所述电弧弧长数学模型的获得方法如下：

（1）安装基板，并可靠水平固定，将电弧焊枪夹持于三维数控工作平台的行走机构，调整电弧焊枪方向，使其与基板平面垂直；

（2）沿x方向设定任一速度和行程，使电弧在燃烧过程中匀速行走，并同时使电弧弧长沿z方向连续改变；

（3）实时采集电弧弧长变化过程中的电弧声波信号，绘制出电弧声波信号时域波形；

（4）x方向行程结束，停止电弧工作和电弧声波信号采集；

（5）设定电弧声波信号振幅门限值，提取高于门限值的电弧声波信号时域波形，得到电弧声波信号时域特征波形；

（6）利用小波分析方法对电弧声波信号时域特征波形进行消噪；

（7）利用小波包分析方法提取电弧弧长变化过程中电弧声波信号时域特征波形中的低频成分，从而绘制出电弧声波信号低频成分时域特征波形图；

（8）利用电弧行走在x方向的行程和z方向的弧长变化形成的三角函数关系进行换算，得出电弧弧长-电弧声波振幅关系曲线图；

（9）对电弧弧长-电弧声波振幅关系曲线进行曲线拟合，得到电弧弧长与电弧声波信号之间的关系模型，即电弧弧长数学模型。

本方法中，所述电弧声波信号振幅门限值需不小于电弧声波信号平均振幅的1/3。