旋转电弧脉冲GMAW焊的信号处理

1* ’焊接设备与材料’
文章编号 !’$$#($#") "#$$% #$!*$$1**$!
焊接技术
第 !" 卷第 ! 期 #$$% 年 "# 月
旋 转 电 弧 脉 冲 "#$% 焊 的 信 号 处 理
尹 力! 洪 波 ! 屈岳波 ! 李安强 ! 龚 海 ! 周文军
! 湘潭大学 机械工程学院 # 湖南 湘潭 8+++.1 "
&%)&%*",!+ )%,&" #" (" ()& ’ ( 为峰值的总个数 !%
摘要 ! 针对旋转电弧脉冲 $%&’ 焊 ! 提出了一种新的信号处理方法 ! 在硬件电 路 上 设 计 了 截 止 频 率 为 #1. /0 的 有 源 二 阶 低 通 滤 波 器 进 行滤波 ! 有效地滤除了电弧传感信号中的干扰和噪声 ! 并对电流信号采用提取包络线的极值滤波法进行滤波 ! 结 合 有 限 削 波 处 理 ! 从 而得到焊缝的偏差信息 " 关键词 ! 脉冲 $%&’ 焊 ! 旋转电弧 ! 有源二阶低通滤波 ! 信号处理 中图分类号 ! :$888,6* 文献标识码 ! &
形美观 # 焊接质量好 # 在焊接工艺中得到愈来愈广泛的应用 $
(*)
目前 # 在电弧传感式焊缝跟踪方法中 # 对使用直流焊接电源的 研究比较多 # 而对采用脉冲电源的研究比较少 $ 这是因为对于 脉冲 $%&’ 焊而言 # 电弧传感器检测到的电流或电压信号都是 由一定频率范围的脉冲信号组成的 # 其中包括焊接电源的脉冲 输出 % 电弧传感器的谐波信号 % 焊接过程的电磁干扰等 & 把有 用的脉冲信号从电弧传感信号中分离出来并加工转换成焊缝的 偏差信息以及脉冲信号中的干扰和噪声都给信号处理带来很大 困难 $ 因此 # 针对上述问题 # 笔者通过在硬件方面进行合理的 设计 # 成功地滤除了电弧信号中的干扰和噪声 # 并在软件上采 取适当的数据处理方法# 提出了一种基于旋转电弧传感脉冲
.,6.6 & 通 带 电 压 放 大 倍 数 %3 24 &# 24+ $ 选 择 ’+2.,+ !7# (#2 &+
# .,.+ !7# 则 &#2 ! # (+4 !#(+ 48(+(#!+4%." 2+. 9## &+24 &# 2 8"!/(+(# %.
+. 9# # &-2 +,-
+ 28. 9# $ 8"#!/#(+(#&#
化而引起的焊接参数变化来探测焊枪高度和左右偏差! 在等 速送丝调节系统中! 送丝速度恒定! 焊接电源一般采用平或 缓降的外特性! 在这种情况下! 焊接电流将随着电弧长度的 变化而变化 /01" 电弧传感器的工作原理如图 0 所示 "
2-0
软件处理 与采用直流焊接的电弧传感信号相比 ! 脉冲焊的电弧传感
信号是由一定频率范围的脉冲信号组成 ! 同时从上述的采样电 流波形可以看 出 ! 这 些 脉 冲 信 号 的 峰 值 和 基 值 ( 每 2 个 脉 冲 波
/; +焊接设备与材料+
峰间的波谷值 ! 都随着电弧位置的变化而变化 " 并且变化的规 律相同 # 因此 " 将反映脉冲信号变化规律的上下包络线提取出 来 " 是得到焊缝偏差信息的一个最佳方法 # $$ 极值滤波法 " 并对包络 本文设计了一种包络线取值法 $ 线数据采取有限削波处理 % 极值滤波法原理为 & 首先确定采样 的开始点 " 开始点由光码盘产生的单圈脉冲决定 " 当单圈脉冲 到 来 时 " 启 动 $% 采 样 " 每 次 $% 转 换 完 成 后 继 续 下 一 次 采 样 " 直至下一个单圈脉冲的到来 ’ 假定 !&" !#" !’" (" !(为 $% 采 样的第 & 个 " 第 # 个 " 第 ’ 个 " ( " 第 ! 个 数 据 值 ) !(为 & 个 采 样 周期中的最后 & 个值 !" 只保留其中的脉冲峰值 ) 极大值 ! 和基 值 ) 极 小 值 !’ 假 定 "&" "#" "’" ( " "( 为 整 个 采 样 周 期 中 所 有保存的脉冲峰值 ’ #&" $#" $’" (" $(为整个采样周期中所 有保存的脉冲基值 % 极 值 滤 波 的 过 程 如 下 & 对 先 采 样 到 的 !&" !# 作 比 较 " 若
流的二次谐波和低频干扰仍然存在 # 其幅值较大 # 如果不加以
!"#$%&’ (")*&+#+’, -+#./0 1+.! "#$. 2334
滤除 ! 将在很大程度上降低信号处理的精度 " 图 %$ 是 经 !&’%()
)焊接设备与材料*
+0
" 为电源外特 性 曲 线 ! 在 稳 定 焊 接 状 态 时 ! 电 弧 工 作 点 为 #)! 弧长为 $)! 电流为 %)! 当焊枪与工件表面距离发生阶跃变化
滤波效果 经滤波器处理前后的焊接电流信号波形如图 # 所示 $ 从图 #
/0 内 # 在 工 业 应 用 中 # 以 +.. &#1. /0 最 为 多 见 $ 由 于 脉 冲 电
流信号中叠加了各种高频干扰 # 为了较好地滤除信号中的高频 成分 # 必须经过低通滤波处理才能作为特征信号 & 由于无限增
&&% 此 时 !%’!%*&" 说 明 采 样 值 有 减 小 的 趋 势 " 脉 冲 基 值 即 将 到
来 " 比 较 !%*& 和 !%*# 的 大 小 " 如 果 !%*&’!%*#" 说 明 基 值 还 未 到 达 " 继续把两者中的较小值与下一个数据比较 " 直到 !’)&’!’&!’*&" 说 明此时 !’就是一个电流脉冲信号范 围 中 的 脉 冲 基 值 ’ 保 存 !’ 至
焊接技术
第 !" 卷第 ! 期 #$$% 年 "# 月
!&&!#" 说 明 采 样 值 有 增 大 的 趋 势 " 脉 冲 峰 值 即 将 到 来 ’ 这 时
舍 弃 !&" 比 较 !# 和 !’ 的 大 小 " 若 !# &!’" 说 明 峰 值 还 未 到 达 " 继 续 把 两 者 中 的 较 大 值 与 下 一 个 数 据 比 较 " 直 至 !%)&&!%’!%*&" 说 明 此 时 !% 就 是 该 电 流 脉冲信号范围中的脉冲峰值 " 保存 !%至
$%&’焊的信号处理方法 $
"3 24+ $
.
! +,+
低通滤波器的设计 滤波器的选择 在实际焊接过程中# 焊接电弧信号本身是在不断变化着
电路的传输函数 "3!#"2
". & 品质因数 $2 ! * 2 * * +5 + # 5 # * $ ! . !.
.
的 # 这不可避免地对电弧传感信号产生干扰 # 造成传感信号品 质的下降 # 其中一些是随机的 # 也有与电弧扫描相关的 $ 所以 信号滤波是电弧传感信号处理中的一个很重要的环节 # 滤波的 目的在于突出电流信号中的有用信息 # 同时抑制信号中的高频 和低频干扰 # 从而改善信号的品质 # 便于信号的分析和处理 (-)$ 对 于 脉 冲 $%&’ 焊 而 言 # 焊 机 输 出 电 流 的 脉 冲 频 率 一 般 在 -..
增大时 ! 弧长 突 然 被 拉 长 为 $.! 此 时 伸 出 长 还 来 不 及 变 化 ! 电 弧 在 新 的 工 作 点 #.燃 烧 ! 电 流 突 变 为 %.! 电 流 瞬 时 变 化 为 !%.# 反之亦然 " 从上述可以得出 ! 当电弧的位置变化时 ! 将引起电 弧长度的变化 ! 焊接电流也相应变化 ! 进而可以判断焊枪与焊 缝间的相对位置 "
$&" 此时!’&!’*&" 继续下一个判断 " 如此循环 " 并将接下来的峰
值和基值保存至 &%*&" $’*&% 当最先采样 到 的 !&" !#是 !&’!#的 情 况时 " 说明首先 到 来 的 是 脉 冲 基 值 ’ 只 有 当 单 圈 脉 冲 到 来 时 " 才能中断此旋转周期的判断过程 % 软件处理流程如图!所示 % 当一个旋转周期的峰值和基值采集过程结束以后 " 即进入 有限削波处理过程 % 以峰值为例 + 有限削波处理过程如下 &
中可以看出 # 未经滤波处理的初级焊接电流波形中存在许多脉 动成分 # 经频谱分析发现 # 这些脉动成分主要为脉冲电流的高 次 谐 波 和 一 些 干 扰 噪 声 # 经 过 滤 波 器 ! !/21.. /0 " 滤 波 后 发 现 # 脉冲电流的高次谐波部分和高频噪声已被滤除 # 但脉冲电
收稿日期 ! #$$!*$!*$1
! # # # # # "旋转电弧脉冲 12$3 焊的脉冲电流信号存在高频