喻 偉,高延峰

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院,上海 201620;2.上海市大型構(gòu)件智能制造機器人技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,上海 201620)

焊接被譽為工業(yè)裁縫,廣泛應(yīng)用于金屬部件的連接[1-2]。在工業(yè)生產(chǎn)過程中,存在許多坡口寬度不一的對接焊縫。這些焊縫因為坡口寬度的變化,采用編程或示教方式的自動焊接機器人難以實現(xiàn)這類焊縫的自動焊接作業(yè)。焊槍擺動可適應(yīng)焊縫坡口寬度的變化,但目前焊接機器人的擺動寬度一般要事先給定,不能根據(jù)焊縫坡口自適應(yīng)變化[3-4]。旋轉(zhuǎn)電弧在焊縫偏差識別上具有顯著的優(yōu)越性[5-6],旋轉(zhuǎn)電弧傳感利用電弧的自調(diào)節(jié)特性,通過電弧的高速掃描運動獲得焊縫坡口的幾何信息,具有實時性強、不易受弧光影響等優(yōu)點[7],有其它方法所不可比擬的技術(shù)優(yōu)、成本低的特點,是焊接傳感領(lǐng)域的重要研究方向之一[8-9]。將旋轉(zhuǎn)電弧與焊槍擺動相結(jié)合,有望解決焊縫坡口寬度的自動識別問題,進(jìn)而實現(xiàn)對接焊縫的自動焊接。

近年來,許多學(xué)者對電弧傳感進(jìn)行了研究。擺動電弧方面,朱征宇等[10]設(shè)計并研制了一套能實現(xiàn)水下電弧擺動功能的濕法焊條電弧自動焊接試驗系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)進(jìn)行水下擺動電弧焊條電弧焊焊接試驗。試驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)能實現(xiàn)穩(wěn)定的水下焊接過程,且焊縫熔寬均勻。關(guān)真宇等[11]為提高窄間隙焊接擺動電弧傳感的精度和可靠性,研究了電弧到窄間隙坡口側(cè)壁的距離對電弧傳感特征參數(shù)的影響規(guī)律,開發(fā)了一種能同步采集電弧圖像、焊接電壓、焊接電流和焊槍擺動位置四路信號的電弧傳感試驗系統(tǒng)。采用P-GMAW的焊接方式對開發(fā)的試驗系統(tǒng)進(jìn)行測試。結(jié)果表明,該系統(tǒng)可靠有效,為深入研究窄間隙擺動電弧傳感特征奠定了必要的基礎(chǔ)。徐起等[12]采用一款新型擺動電弧窄間隙熔化極氣體保護(hù)焊焊槍,對FH40厚板進(jìn)行窄間隙橫焊試驗,探究不同工藝參數(shù)對打底焊道成形、熔滴過渡及缺陷的影響規(guī)律。結(jié)果表明,合適的電弧擺動幅度有助于熔池均勻填滿坡口,獲得側(cè)壁熔合良好、成形對稱的打底焊焊道。李高陽等[13]針對CO2焊接過程中V型坡口形狀發(fā)生改變、焊縫表面易出現(xiàn)凹凸不平,導(dǎo)致焊縫表面狀態(tài)自適應(yīng)精度降低的問題,提出了一種將熔池輪廓線模擬為二次拋物線形狀進(jìn)行建模的方法,通過MATLAB對該模型進(jìn)行仿真分析,證實了模型具有可行性。焊接試驗結(jié)果表明,所建模型仿真結(jié)果與實際情況吻合較好,采用半周期平均電流實時控制法的表面狀態(tài)自適應(yīng)效果優(yōu)于傳統(tǒng)的比較法。

關(guān)于旋轉(zhuǎn)電弧的研究,高延峰[14]采用旋轉(zhuǎn)電弧傳感器實現(xiàn)了對焊槍偏差和傾角的識別和檢測,用組合濾波算法對電流信號進(jìn)行濾波處理,提出了特征諧波法,并對其在檢測焊槍偏差和傾角中的應(yīng)用進(jìn)行了理論研究和實驗驗證,通過斜率將焊槍偏差和傾角信息分別投影到兩個正交平面上,實現(xiàn)二者的解耦,結(jié)果表明該方法可以同時檢測焊槍偏差和傾角。樂健等[15-16]進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)電弧傳感焊槍空間姿態(tài)的數(shù)學(xué)模型研究,利用該模型可以識別焊槍相對焊縫的水平偏差、干伸長、焊槍沿著焊接方向的傾角以及焊槍在豎直面內(nèi)的傾角,從而確定焊槍位姿。分析了焊接機器人的運動學(xué)模型,并研究了機器人軌跡規(guī)劃及焊縫跟蹤的實現(xiàn)。通過該數(shù)學(xué)模型可以計算出電弧焊槍相對于角焊縫的高度偏差。實驗結(jié)果表明,該機器人能夠準(zhǔn)確地識別電弧焊槍的空間姿態(tài),并跟蹤矩形角焊縫,具有良好的精度和可靠性。Duan等[17]建立了旋轉(zhuǎn)電弧NG-GMAW焊接工藝的動態(tài)仿真模型。詳細(xì)分析了關(guān)鍵工藝參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響,包括旋轉(zhuǎn)角速度、旋轉(zhuǎn)角幅度、給絲速度、焊接速度、側(cè)壁停留時間等,為NG-GMAW焊接工藝參數(shù)的分析和優(yōu)化提供了一種靈活、有效的方法。周繼輝[18]設(shè)計出新型的非軸對稱旋轉(zhuǎn)電弧NG-GTAW設(shè)備。對旋轉(zhuǎn)電弧NG-GTAW工藝過程熱循環(huán)和殘余應(yīng)力分布展開研究,采用DL-EPR方法測試抗晶間腐蝕性能,結(jié)果表明焊縫區(qū)耐蝕性優(yōu)于母材和熱影響區(qū)。毛志偉等[19]提出了一種組合濾波方法。在電流信號中運用差分法確定短路抑制位置,再將短路抑制特性與差分特點相結(jié)合,確定短路抑制的起點和終點位置,對抑制段信號進(jìn)行線性修復(fù)。然后采用中值濾波、均值濾波以及平滑濾波等對電流信號濾波。最后通過濾波后信號與基于實際熔池的理論模型電流信號分析對比,并進(jìn)行預(yù)設(shè)固定偏差的試驗,證明組合濾波的有效性。賈劍平等[20]設(shè)計旋轉(zhuǎn)電弧TIG焊接焊縫跟蹤系統(tǒng),利用旋轉(zhuǎn)電弧掃描焊縫,通過采集、處理焊接電壓并進(jìn)行分析,提出數(shù)字濾波器和小波濾波器相結(jié)合的方法,建立了旋轉(zhuǎn)電弧TIG焊接電弧高度與電壓的模型。試驗結(jié)果表明,設(shè)計的濾波算法實用性好、可靠性高,能有效地識別旋轉(zhuǎn)電弧填絲TIG焊接高度的變化。

將焊槍擺動和旋轉(zhuǎn)電弧結(jié)合的相關(guān)研究較少,文中利用焊槍擺動和自主設(shè)計的新型旋轉(zhuǎn)電弧傳感器,研究對接焊縫焊接時在不同焊縫對中情況下的焊接電流信號,采集電流信號并進(jìn)行時頻分析,選擇合適的濾波方法進(jìn)行組合濾波,對濾波去噪后的電流信號作短時能量處理得出焊槍的到邊檢測結(jié)果,進(jìn)行偏差算法計算得出焊縫偏差結(jié)果,且偏差結(jié)果與設(shè)定的焊槍偏差值基本相同,驗證整個焊縫偏差識別方法的準(zhǔn)確性。

1 實驗系統(tǒng)

1.1 實驗系統(tǒng)整體構(gòu)架

焊接實驗系統(tǒng)的整體構(gòu)架如圖1所示,主要包括工業(yè)機器人、旋轉(zhuǎn)電弧傳感器、焊機、送絲機、氬氣瓶、霍爾傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、計算機、高速攝像機等。

圖1 實驗系統(tǒng)構(gòu)架

實驗?zāi)覆氖荙235低碳鋼,板材尺寸為200 mm×30 mm×20 mm。實驗對象為對接焊縫,焊縫寬度為14 mm,高度為20 mm,如圖2所示。

圖2 對接焊縫(mm)

焊接實驗使用的焊機為麥格米特全數(shù)字IGBT逆變焊機,焊絲為φ1.2 mm實芯焊絲,焊接速度為300 mm·min-1,焊接保護(hù)氣采用氬氣、CO2的混合保護(hù)氣,成分為4∶1,氣體流量為20 L·min-1。

1.2 擺動與旋轉(zhuǎn)電弧復(fù)合焊接實驗

在工業(yè)場景的對接焊縫焊接中,焊縫的坡口寬度有時是變化的,需要焊槍相對焊縫中心做出偏移移動,以到達(dá)不同寬度的焊縫邊界,即需要焊槍相對焊縫中心作橫向擺動;旋轉(zhuǎn)電弧在焊縫識別上具有顯著優(yōu)越性,因而將兩者結(jié)合,做復(fù)合焊接實驗以研究焊縫識別的效果。

焊槍擺動通過機器人系統(tǒng)集成的高級焊接模塊中的擺弧功能來實現(xiàn),即通過設(shè)定擺動參數(shù)后,機械臂將進(jìn)行指定的擺動動作,從而進(jìn)行對接焊縫的擺動電弧焊接實驗。擺弧參數(shù)的設(shè)置界面如圖3所示。

圖3 擺弧參數(shù)設(shè)置

具體為通過控制變量法,設(shè)置不同的焊接電流、焊接電壓參數(shù)組合,改變擺動頻率、擺動幅值、擺動軌跡等,進(jìn)行對接焊縫的單層多道焊,如圖4所示。

圖4 焊槍(三角)擺動軌跡

旋轉(zhuǎn)電弧依靠旋轉(zhuǎn)電弧器的高速旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)。

旋轉(zhuǎn)電弧器即為焊縫識別傳感器,本身也是焊槍,其安裝于焊接機器人的末端,隨機械臂擺動。因此,擺動與旋轉(zhuǎn)電弧的復(fù)合焊接可由焊槍擺動與旋轉(zhuǎn)電弧器復(fù)合而成。復(fù)合焊接軌跡如圖5所示。

圖5 焊槍擺動與電弧旋轉(zhuǎn)復(fù)合焊接軌跡

復(fù)合焊接實驗的參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 復(fù)合焊接實驗

2 電流信號的時頻分析與濾波

2.1 電流信號的時頻分析

時域分析只能在時間上對信號的變化特征進(jìn)行分析,時頻分析是一種將時域和頻域結(jié)合起來的信號分析方法,可以將電流信號在時間和頻率上的變化特征同時考慮,以便更好地理解信號的本質(zhì)特征,從而選擇相應(yīng)的濾波方法。

2.1.1 電流信號的時域分析

實驗采集的電流原始信號如圖6所示。圖中較為明顯地反映出焊接電流呈周期性的變化規(guī)律,但出現(xiàn)較多毛刺、短路過度尖峰等噪聲,為獲得更多信號特征需進(jìn)一步進(jìn)行頻域上的分析。

圖6 電流信號的時域

2.1.2 電流信號的頻域分析

為進(jìn)一步分析擺動焊接時電流信號與焊槍擺動參數(shù)的關(guān)系,對電流信號進(jìn)行頻域分析,例如:焊槍擺動頻率為2 Hz時,作電流信號的頻域分析如圖7所示。

圖7 電流信號的頻域

由圖7可知,當(dāng)焊槍擺動頻率為2 Hz時,電流信號幅值最高、強度最大。同時,由于對接焊縫的左右兩個壁面具有對稱性,反映在焊接電流上便是在擺動的左邊與右邊相同相位角時的電流值大小相同,因此,其倍增頻率為4 Hz、6 Hz、8 Hz等電流信號多。對電流的頻譜分析可知,在頻域上電流信號的頻率均被調(diào)制成與擺動的頻率一致。

2.2 信號濾波方法與過程

焊接是劇烈變化的過程,焊接電流受到多種因素的影響,例如:熔池飛濺、送絲速度波動、焊接電源不穩(wěn)定、短路過渡等。因此,電流信號中有大量的擾動噪聲,需要對焊接電流信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合濾波處理,去除噪聲電流信號的干擾、提高信噪比。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字濾波的方式有很多,選擇合適的濾波方式對提取電流信號至關(guān)重要。

由電流信號的時域分析可以看出,由于數(shù)據(jù)卡采樣頻率為62 500 Hz,體現(xiàn)在圖上過于密集,又由于電流信號呈周期性變化,因此,選擇2 Hz擺動頻率時,在2 s內(nèi)電流的波形進(jìn)行濾波說明。組合濾波流程如圖8所示。

圖8 組合濾波流程

1)FIR低通濾波。由時頻分析知,信號的主頻率并不高,FIR低通濾波可以去除高頻成分,信號的高頻部分會被抑制,而低頻成分則會得到保留或增強,因此,首先選擇FIR低通濾波,如圖9所示。

圖9 FIR低通濾波后的電流波形

FIR低通濾波后的電流信號在局部減少了很多波動,使信號更加平滑。整體上,濾波后的電流信號去除了尖峰信號,提高了信號質(zhì)量和可靠性。

2)中值濾波。中值濾波的主要作用是去除信號中的脈沖噪聲和隨機噪聲。使用中值濾波信號的整體特征不會被改變,也不會影響信號的主要趨勢,因此,經(jīng)FIR低通濾波后,再經(jīng)中值濾波,效果如圖10所示。

圖10 FIR低通濾波后再經(jīng)中值濾波

FIR低通濾波后再經(jīng)中值濾波,電流波形進(jìn)一步得到平滑,整體上雖不明顯,但在局部區(qū)域使信號更加平滑。

3)均值濾波。均值濾波能有效去除高斯噪聲等隨機噪聲,使信號的信噪比得到提高。但是,均值濾波也容易產(chǎn)生較大的平滑誤差,特別是在信號包含尖銳變化的位置,可能會使信號產(chǎn)生明顯的失真。因此,先經(jīng)過FIR低通濾波與中值濾波后,再通過均值濾波,濾波后的效果如圖11所示。電流波形平滑程度進(jìn)一步得到提升,周期性規(guī)律變化更加明顯。

圖11 均值濾波后的電流信號

4)軟閾值小波濾波。軟閾值小波濾波能保留信號中的主要特征和變化趨勢,去除噪聲和細(xì)微波動,使得信號的變化規(guī)律更加清晰明顯。軟閾值小波濾波后,濾波流程結(jié)束,組合濾波的效果如圖12所示。

圖12 組合濾波后的電流波形

經(jīng)過組合濾波處理,電流信號中的噪聲成分被有效地減少,更容易提取出信號中的有用信息,電流波形的波動等不穩(wěn)定因素得到有效抑制,信號穩(wěn)定性得到提高。由于組合濾波結(jié)合不同濾波方法的優(yōu)點,對于不同類型的噪聲都能得到比較好的去除效果,使得電流信號更加干凈、平滑。去噪后的電流波形得到了明顯的改善,信號周期性更加明顯,有助于后續(xù)的信號處理和分析,為焊縫偏差的識別打下基礎(chǔ)。

3 基于短時能量的到邊檢測

3.1 到邊檢測與短時能量

到邊檢測是指識別焊槍是否到達(dá)對接焊縫的邊界,在對接焊縫的偏差識別與自動跟蹤中,能準(zhǔn)確識別焊縫邊界才能及時獲知焊槍往返方向擺動的時間,因此,到邊檢測為對接焊縫識別的重要內(nèi)容。

短時能量能夠有效提高信噪比、分析信號的特征和變化,從而識別和分類不同的信號類型。短時能量處理通過將信號分成多個時間窗口,并計算每個窗口內(nèi)信號的幅度平方和來實現(xiàn)。這種方法能夠在一定程度上抑制噪聲,使得信號的特征更加明顯。因此,對濾波后電流信號進(jìn)行短時能量處理,以實現(xiàn)對接焊縫的到邊檢測。

在短時分析中,可以采用短時平穩(wěn)性假設(shè),即在短時內(nèi)電流信號的統(tǒng)計特性是不變的,這個時長一般為1～3 ms。將信號分為小段,即“一幀”來加以研究,從而進(jìn)行信號處理和分析。這種方法可以有效地提取出信號中的瞬態(tài)特征和動態(tài)變化信息。通常使用窗函數(shù)對每一幀信號進(jìn)行加窗處理,以降低頻譜泄露和減少計算量。

對電流信號進(jìn)行短時能量分析前需要進(jìn)行分幀、加窗等處理。按式(1)進(jìn)行分幀,假設(shè)N為信號的總長度,L為每一幀的長度。為了使特征參數(shù)平穩(wěn)過渡,在不重疊的幀之間內(nèi)插一些幀,幀移為A,即后一幀相對前一幀的位移量,f為總分幀數(shù),表示為

(1)

利用窗函數(shù)與原始信號相乘得到加窗信號

yn(m)=x(m)ω(n-m),n-L+1≤m≤n.

(2)

式中:x(m)為原始信號;ω(n-m)為加窗函數(shù);yn(m)為在位置n的加窗信號。

常用的窗函數(shù)有海明窗、矩形窗、布萊克曼窗、漢寧窗,不同的窗函數(shù)在濾波效果上有所差異,通常需要根據(jù)實際需要進(jìn)行選擇。海明窗由于具有良好的帶外衰減性能和較小的輸入信號失真,通常被用于頻譜分析、濾波等領(lǐng)域,因此,選擇海明窗。在進(jìn)行短時傅里葉變換等信號處理時,取窗長與幀長一致可以保證信號在時域和頻域上的分析精度。

位置n的短時能量定義為

(3)

窗長和幀移的大小決定了信號處理結(jié)果的質(zhì)量和效率。當(dāng)窗長較小時,處理結(jié)果反映了信號變化的細(xì)節(jié),但平滑作用不明顯,且受到噪聲的影響較大;而當(dāng)窗長較大時,處理結(jié)果對信號的平滑作用更好,有利于提高信噪比,但同時也會平滑掉信號的變化細(xì)節(jié)。因此,需要綜合考慮窗長的大小,選擇一個合適的窗長來平衡處理結(jié)果的質(zhì)量和效率。幀移的大小也很重要,幀移越大,處理結(jié)果的時間分辨率越低,而幀移越小,則需要處理更多的幀,會導(dǎo)致處理效率降低。綜合考慮,選擇窗長為1 ms,幀移為幀長的30%。

3.2 基于短時能量的到邊檢測結(jié)果

經(jīng)組合濾波處理的電流信號,再通過短時能量處理,結(jié)果如圖13所示。

圖13 經(jīng)短時能量處理后的電流波形

通過短時能量處理,可放大焊槍到邊時的電流信號值;通過凸顯信號的幅值,快速地反映出信號的變化特征;通過設(shè)置閾值,快速檢測焊槍是否到達(dá)焊縫邊界。

4 焊縫偏差識別

采集焊槍擺動偏移量為0 mm時復(fù)合焊接實驗的電流信號,采用電流區(qū)間積分法計算焊縫偏差,結(jié)果如圖14所示。

圖14 焊槍偏移0 mm時偏差計算結(jié)果

采集焊槍擺動偏移量為±1 mm時復(fù)合焊接實驗的電流信號,采用電流區(qū)間積分法計算焊縫偏差,結(jié)果如圖15所示。

圖15 焊槍偏移±1 mm時偏差計算結(jié)果

采集焊槍擺動偏移量為±2 mm時復(fù)合焊接實驗的電流信號,采用電流區(qū)間積分法計算焊縫偏差,結(jié)果如圖16所示。

圖16 焊槍偏移±2 mm時偏差計算結(jié)果

偏差計算結(jié)果表明,組合濾波后的電流信號在偏差算法的計算下得出的焊縫偏差值與設(shè)定的焊槍偏移量基本一致,驗證了整個焊縫識別流程的準(zhǔn)確性。

5 結(jié) 論

1)對電流信號進(jìn)行了時頻分析,發(fā)現(xiàn)信號的頻率被調(diào)制成與焊槍擺動頻率一致的波形。

2)采集電流信號,選擇合適的濾波方法進(jìn)行組合濾波。濾波后的電流波形得到了明顯改善,表明所用的組合濾波方式能有效去除電流信號中的噪聲。

3)對濾波后的電流信號進(jìn)行基于短時能量的到邊檢測,以及基于區(qū)間積分法的偏差計算并得出焊縫偏差,所得出的焊縫偏差與實驗設(shè)置擺動路徑下的偏差相符合,說明偏差計算方法的有效性。