一种基于电弧声波信号传感监测电弧弧长的方法与流程

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。

技术实现要素：

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。

本发明的创新在于利用小波分析和信号特征提取建立电弧弧长与电弧声波信号之间的关系模型，通过对电弧声波信号的实时检测，实现对电弧弧长的监测，与现有技术相比具有以下优点：

（1）可操作性强，可实现电弧弧长的离线检测和在线监测；

（2）系统设计与制造成本低廉；

（3）监测结果直观，并且符合电弧焊接或电弧增材制造的实际工况；

（4）数据计算量小，可实现快速监测。

附图说明

图1是电弧弧长监测系统组成示意图。

图2是实施例1检测的电弧弧长变化过程电弧声波信号时域波形。

图3是实施例1提取的电弧弧长变化过程电弧声波信号低频成分时域特征波形。

图4是实施例1提取的电弧弧长-电弧声波振幅关系曲线图及其拟合曲线。

图5是实施例1待检测电弧的电弧声波随时间变化信号波形。

图6是实施例1待检测电弧的电弧声波信号低频成分特征波形图。

图7是实施例1待检测电弧的电弧弧长变化时域波形。

图8是实施例2检测的电弧弧长变化过程电弧声波信号时域波形。

图9是实施例2提取的电弧弧长变化过程电弧声波信号低频成分时域特征波形。

图10是实施例2提取的电弧弧长-电弧声波振幅关系曲线图及其拟合曲线。

图11是实施例2待检测电弧的电弧声波随时间变化信号波形。

图12是实施例2待检测电弧的电弧声波信号低频成分特征波形图。

图13是实施例2待检测电弧的电弧弧长变化时域波形。

图中，1三维数控工作平台行走机构夹持端、2电弧焊枪、3电弧、4焊件或基板、5可听声波传感器、6前置放大器、7信号调理器、8数据采集卡、9计算机。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

参见图1，电弧弧长监测系统主要包括行走机构夹持端1、电弧焊枪2、可听声波传感器5、前置放大器6、信号调理器7、数据采集卡8和计算机9等。电弧焊枪2产生的电弧3作用于焊件或基板4上，利用可听声波传感器5实现对电弧4激发的声波信号的传感。检测得到的电弧声波信号传递给前置放大器6和信号调理器7处理，再通过数据采集卡8后送到计算机9，由计算机9装载的软件对信号进行计算等处理，得到检测结果。

实施例1：

进行MIG焊接，采用厚度6mm的6061铝合金板作为基板，金属焊丝选用直径为1.2mm的4043铝合金焊丝，保护气体为纯度99.999%高纯氩气，且保护气体流量为18L/min。首先建立电弧弧长的数学模型：设定电弧电流输出为120A，电弧电压输出为18.2V，电弧脉冲频率100Hz，行走机构移动速度为30mm/s。所用的铝合金焊丝接电源正极，基板接电源负极。安装基板，并可靠水平固定，将MIG电弧焊枪夹持于三维数控工作平台的行走机构。调整MIG焊枪方向，使其与基板平面垂直。安装声波传感器于电弧侧上方，沿x方向设定行走速度为30mm/s，行走时长1.95s，行程为58.5mm。使电弧在燃烧过程中匀速行走，并同时沿z方向使电弧弧长连续增加2mm。实时采集电弧弧长变化过程中产生的电弧声波信号，绘制出电弧声波信号时域波形，如图2所示。x方向行程结束后，停止电弧工作和电弧声波信号采集。设定电弧声波信号振幅门限值为0.6，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。利用小波分析对电弧声波信号时域特征波形进行消噪，利用小波包分析提取电弧弧长变化过程中电弧声波信号时域波形中的低频成分，绘制出电弧声波信号低频成分时域特征波形图，如图3所示。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如图4所示。对电弧弧长-电弧声波振幅关系曲线进行直线拟合，得到电弧弧长（L）与电弧声波振幅（M）之间的关系模型，即电弧弧长数学模型：

M=0.324+0.030×L

在电弧弧长正式监测过程中，实时采集完整加工过程中产生的电弧声波信号，绘制得到电弧声波随时间变化的信号波形如图5所示。设定电弧声波信号振幅门限值为0.6，提取高于电弧声波信号振幅门限值的时域信号波形，得到电弧声波时域特征波形。利用小波分析对电弧声波时域特征波形进行消噪，利用小波包分析提取电弧声波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时域特征波形图，如图6所示。将电弧声波信号低频成分时域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，如图7所示，即可得出加工过程中任意加工时刻电弧弧长值。

实施例2：

进行MIG焊接，采用厚度6mm的6061铝合金板作为基板，金属焊丝选用直径为1.2mm的4043铝合金焊丝，保护气体为纯度99.999%高纯氩气，且保护气体流量为18L/min。首先建立电弧弧长的数学模型：设定电弧电流输出为115A，电弧电压输出为17.6V，电弧脉冲频率100Hz，行走机构移动速度为30mm/s。所用的铝合金焊丝接电源正极，基板接电源负极。安装基板，并可靠水平固定，将MIG电弧焊枪夹持于三维数控工作平台的行走机构。调整MIG焊枪方向，使其与基板平面垂直。安装声波传感器于电弧侧上方，沿x方向设定行走速度为30mm/s，行走时长3.50s，行程为105mm。使电弧在燃烧过程中匀速行走，并同时沿z方向使电弧弧长连续增加3.5mm。实时采集电弧弧长变化过程中产生的电弧声波信号，绘制出电弧声波信号时域波形，如图8所示。x方向行程结束后，停止电弧工作和电弧声波信号采集。设定电弧声波信号振幅门限值为0.5，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。利用小波分析对电弧声波信号时域特征波形进行消噪，利用小波包分析提取电弧弧长变化过程中电弧声波信号时域波形中的低频成分，绘制出电弧声波信号低频成分时域特征波形图，如图9所示。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如图10所示。对电弧弧长-电弧声波振幅关系曲线进行直线拟合，得到电弧弧长（L）与电弧声波振幅（M）之间的关系模型，即电弧弧长数学模型：

M=0.267+0.048×L

在电弧弧长正式监测过程中，实时采集完整加工过程中产生的电弧声波信号，绘制得到电弧声波随时间变化的信号波形如图11所示。设定电弧声波信号振幅门限值为0.7，提取高于电弧声波信号振幅门限值的时域信号波形，得到电弧声波时域特征波形。利用小波分析对电弧声波时域特征波形进行消噪，利用小波包分析提取电弧声波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时域特征波形图，如图12所示。将电弧声波信号低频成分时域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，如图13所示，即可得出加工过程中任意加工时刻电弧弧长值。

由上述实施例的结果可以看出，利用本发明所述方法可以较为准确快捷地实现电弧焊接或电弧增材制造过程中对电弧弧长变化的监测。