基于声音传感与电流控制的K-TIG焊熔透监控系统与方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于声音传感与电流控制的K‑TIG焊熔透监控系统及方法，所述系统包括声传感系统、控制系统、焊接系统和机器人系统。所述方法采用K‑TIG焊电弧声信号时域、频域特征提取与选择，有效声音特征子集与熔透状态之间映射关系的建立，以及由PLC触发的焊接电流反馈控制。本发明专利技术以K‑TIG焊过程中的声音信号作为检测变量，以焊接电流作为控制变量，实现K‑TIG焊接头熔透状态实时监控。在K‑TIG焊强弧光、强电磁干扰下，系统简单、鲁棒性好、熔透状态识别率高且电流控制响应快。

Monitoring System and Method of K-TIG Welding Fusion Based on Sound Sensor and Current Control

The invention discloses a K TIG welding penetration monitoring system and method based on sound sensing and current control. The system includes sound sensing system, control system, welding system and robot system. The method adopts K_TIG welding arc acoustic signal feature extraction and selection in time domain and frequency domain, the establishment of mapping relationship between effective sound feature subset and penetration state, and the welding current feedback control triggered by PLC. The invention takes the sound signal in the process of K_TIG welding as the detection variable and the welding current as the control variable to realize the real-time monitoring of the penetration state of K_TIG welding joint. Under the strong arc light and electromagnetic interference of K_TIG welding, the system is simple, robust, high penetration state recognition rate and fast current control response.

【技术实现步骤摘要】
基于声音传感与电流控制的K-TIG焊熔透监控系统与方法
本专利技术涉及焊接质量闭环控制
，尤其涉及一种基于声音传感与电流控制的K-TIG焊熔透监控系统与方法。
技术介绍
K-TIG焊是通过大电流(300-1000A)形成小孔而实现深熔焊的一种新型焊接方法。它可对3-16mm的母材一次单面焊透双面成形，具有高效率、高质量和低成本优势。可用于压力容器、船舶、输油管道等需要中厚板焊接的领域。传统的焊接工艺参数实时调整主要依赖于人工的经验，但由于热累积效应、加工及装配误差等原因，在实际焊接环境中很难保证焊缝所有位置都有良好的熔透。而接头的熔透状态一直被作为实现焊接质量控制的最重要特征信息之一。因此，通过分析焊接过程参量，实时监控焊接过程中工件熔透状态，才能更好保障接头质量，进而提高焊接自动化、智能化的水平。为实时监控接头熔透状态，首要任务就是实时获取表征熔透状态的参量。由于K-TIG焊使用的大电流带来强弧光、强电磁干扰，传统利用视觉传感获取熔透状态参量的方式易受干扰、极不稳定且对安装要求高，对准确建模以及实际控制都带来误差。因此，本专利技术引入声音传感获取K-TIG焊接头熔透状态信息。电弧声信号包含大量焊接过程信息，对焊接过程中焊接缺陷有明显的反映效果，不易受电磁干扰和工件形变的影响，实时性好，尤其适合K-TIG焊过程监控。有经验的焊工即可借助电弧声信号与个人经验判断熔透状态并作出决策。因此，模拟此信息接收与决策过程可实现熔透状态监控。国内外从80年代就关注焊接过程声音信号的研究，但目前的研究结果证实：基本实现了激光焊、等离子弧焊等接头熔透状态的在线监控，却很少有文献资料证明实现氩弧焊、熔化极气体保护焊等接头熔透状态的在线监控。对于氩弧焊、熔化极气体保护焊等，大部分研究集中于电弧声信号的特征提取及熔透状态建模，而未能实现闭环控制。主要是因为有效电弧声信号特征获取困难，熔透状态与电弧声信号的关系呈现高度非线性，以及响应速度无法满足工业应用要求等。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种基于声音传感与电流控制的K-TIG焊熔透监控系统与方法。本专利技术的目的通过以下的技术方案来实现：基于声音传感与电流控制的K-TIG焊熔透监控系统，包括：声传感系统，用于实时采集K-TIG焊电弧声信号；控制系统，由工控机、PLC与电磁继电器组成，用于控制声音信号的采集，并对采集到的K-TIG焊电弧声信号进行特征提取，选择一定维度的特征子集表征熔透状态，识别熔透状态及反馈控制焊接电流；焊接系统，由深熔弧焊机、焊枪、水箱和气瓶组成，用于初始设置焊接参数和实时响应电流变化；机器人系统，用于控制焊枪按预设路径行进。基于声音传感与电流控制的K-TIG焊熔透监控方法，包括：A改变焊接电流，采集K-TIG焊电弧声信号；B将采集到的K-TIG焊电弧声信号进行特征提取，并选取一定维度的特征子集表征熔透状态；C根据特征子集建立支持向量机SVM模型，设计粒子群算法PSO优化模型参数，进行模型训练，得到熔透识别模型；D实时提取焊接电弧声信号特征子集，识别熔透状态；E以熔透状态量作为输入，采用模糊控制律，进行焊接电流调整，使每个位置K-TIG焊接接头完全熔透。与现有技术相比，本专利技术的一个或多个实施例可以具有如下优点：对K-TIG焊的研究，引入声音传感，构建低成本的熔透控制系统，对8-12mm的304不锈钢进行接头熔透状态实时监控；基于特征选择理论，选择出有效特征子集表征声音信号与熔透状态的关系,使得熔透识别稳定性好且速度快；利用工控机+PLC的控制架构，采用模糊控制律，模拟焊工焊接经验实时调整焊接电流，响应速度快。附图说明图1是基于声音传感与电流控制的K-TIG焊熔透监控系统结构图；图2是基于声音传感与电流控制的K-TIG焊熔透监控方法流程图；图3是预处理后的K-TIG焊电弧声信号；图4是K-TIG焊电弧声信号特征提取与选择流程图；图5是电流闭环控制原理图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例及附图对本专利技术作进一步详细的描述。如图1所示，是基于声音传感与电流控制的K-TIG焊熔透监控系统结构，包括：声传感系统，用于实时采集K-TIG焊电弧声信号；传声器采用全向电容式MP201麦克风，量程为20-20kHz，与工件背面焊缝中心的距离为100mm，与工件水平面的夹角为80°，采集频率为42kHz，与NC1004信号调理器、NI6221采集卡配合使用。控制系统，由工控机、PLC与电磁继电器组成，用于控制声音信号的采集，并对采集到的K-TIG焊电弧声信号进行特征提取，选择一定维度的特征子集表征熔透状态，识别熔透状态及反馈控制焊接电流；焊接系统，由深熔弧焊机、焊枪、水箱和气瓶组成，用于初始设置焊接参数和实时响应电流变化；机器人系统，用于控制焊枪按预设路径行进。本实施例采用未开坡口对接焊接，焊缝间隙为1mm，声音信号在多组不同焊接电流条件下得到，电流范围为500-580A，背面熔宽由焊缝检验尺测得。依焊件背面熔宽W将熔透状态分为三类，即未熔透、完全熔透与过熔透，分别对应于W＜1mm、1≤W＜2.5mm、W≥2.5mm。如图2所示，本实施例还提供了一种基于声音传感与电流控制的K-TIG焊熔透监控方法，包括步骤10改变焊接电流，采集K-TIG焊电弧声信号；步骤20将采集到的K-TIG焊电弧声信号进行特征提取，并选取一定维度的特征子集表征熔透状态；步骤30根据特征子集建立支持向量机SVM模型，设计粒子群算法PSO优化模型参数，进行模型训练，得到熔透识别模型；步骤40实时提取焊接电弧声信号特征子集，识别熔透状态；步骤50以熔透状态量作为输入，采用模糊控制律，进行电流调整，使每个位置K-TIG焊接接头完全熔透。上述步骤20具体包括：对采集到的K-TIG焊电弧声信号，进行分帧、去直流及滤波处理；提取多维时域、频域相关特征；根据多维相关特征，提出基于加权打分准则与SVM的特征选择方法，所述加权打分准则与SVM的特征选择方法包括将所有特征按得分高低排序并组合成子集，子集维数累加1后依次送入SVM模型中，最终选择测试集最高识别准确率对应的特征子集表征熔透状态。上述步骤30中采用PSO优化SVM的模型参数，并结合十折交叉验证法，在所选的最优特征子集和测试集上，得到熔透识别模型。上述步骤40中提取焊接电弧声信号特征子集包括时域和频域特征提取分两个线程进行。上述步骤50具体包括：根据经验总结出电流控制的模糊控制率；将上一时刻和当前时刻的熔透状态量作为输入，按照模糊化、结合实验经验和焊工焊接经验进行模糊推理和解模糊得到电流控制量；由工控将电流控制量通过串口RS232发送给PLC；PLC根据电流控制量控制电磁继电器触发相应的开关进行电流调整，使每个位置K-TIG焊接接头完全熔透。如图3所示，由于声音信号为非平稳随机信号，将声音信号序列的每3000个采样点记为一帧。同时，选用低通滤波与1×5矩形窗口的滑动中值滤波相结合的方法滤除噪声。如图4所示，提取28维时域和频域相关的特征，克服特征提取的主观性与盲目性。提取声音特征后，本实施例提出基于加权打分准则与SVM的特征选择方法，既提高识别稳定性又加快处理速度。计算28维特征的归一化Fisher距离本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于声音传感与电流控制的K‑TIG焊熔透监控系统，其特征在于，所述系统包括：声传感系统，用于实时采集K‑TIG焊电弧声信号；控制系统，由工控机、PLC与电磁继电器组成，用于控制声音信号的采集，并对采集到的K‑TIG焊电弧声信号进行特征提取，选择一定维度的特征子集表征熔透状态，识别熔透状态及反馈控制焊接电流；焊接系统，由深熔弧焊机、焊枪、水箱和气瓶组成，用于初始设置焊接参数和实时响应电流变化；机器人系统，用于控制焊枪按预设路径行进。

【技术特征摘要】
1.基于声音传感与电流控制的K-TIG焊熔透监控系统，其特征在于，所述系统包括：声传感系统，用于实时采集K-TIG焊电弧声信号；控制系统，由工控机、PLC与电磁继电器组成，用于控制声音信号的采集，并对采集到的K-TIG焊电弧声信号进行特征提取，选择一定维度的特征子集表征熔透状态，识别熔透状态及反馈控制焊接电流；焊接系统，由深熔弧焊机、焊枪、水箱和气瓶组成，用于初始设置焊接参数和实时响应电流变化；机器人系统，用于控制焊枪按预设路径行进。2.如权利要求1所述的基于声音传感与电流控制的K-TIG焊熔透监控系统，其特征在于，所述工控机将电流控制量发送给PLC；所述PLC根据电流控制量控制电磁继电器触发相应的开关进行电流调整，使每个位置K-TIG焊接接头完全熔透。3.基于声音传感与电流控制的K-TIG焊熔透监控方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：A改变焊接电流，采集K-TIG焊电弧声信号；B将采集到的K-TIG焊电弧声信号进行特征提取，并选取一定维度的特征子集表征熔透状态；C根据特征子集建立支持向量机SVM模型，设计粒子群算法PSO优化模型参数，进行模型训练，得到熔透识别模型；D实时提取焊接电弧声信号特征子集，识别熔透状态；E以熔透状态量作为输入...

【专利技术属性】
技术研发人员：石永华，朱焘，刘炜聪，崔书婉，崔延鑫，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44