基于电弧声的窄间隙P--GMAW焊枪偏差识别方法研究

摘要

窄间隙焊接坡口截面积小，可以降低焊材损耗、节约焊接时间、减少热输入量、改善接头力学性能，故而减小焊接形变，提高生产效率。在焊接过程中，采用焊枪摆动方式进行焊接，可以促进侧壁熔合。但由于侧壁角度小、焊缝狭窄，电弧与两侧壁距离的控制是保证焊接质量的关键。窄间隙焊接过程中，焊枪摆动中心偏离焊缝中心会引起电弧声发生变化，有经验的焊工可以通过电弧声信号判别焊枪偏差状态并及时调整焊接位置及参数。由此可见，电弧声信号可以作为一种焊接过程监控的潜在信号源，其研究对促进焊接自动化的发展有着重要意义。 本论文针对窄间隙焊接过程中电弧声信号与焊枪横向偏差之间的关系开展研究。首先，在原有试验台的基础上设计了电弧声信号采集系统并通过试验验证其可靠性。分析了电弧声信号的噪音主要来源于环境噪音及自身脉冲干扰，通过小波包消噪对其进行降噪处理，通过频谱分析验证，高频干扰信号明显被抑制。 其次，(1)借鉴人类语音产生机理，分析了电弧声信号产生机理及其影响因素，发现电弧能量的改变是电弧声信号产生的主要原因，短路过渡的出现会引起电弧声信号的振幅和振动频率急剧增加。(2)通过对比实验发现，由于焊缝侧壁的影响，当焊枪摆动到不同位置时，电弧声信号的时频域特征是不同的。当焊接电弧与焊缝侧壁距离减小到一定程度时，会发生磁偏吹现象，电弧受焊缝侧壁的影响在焊缝侧壁与其底部来回跳动。电弧形态的变化导致电弧声道系统不断改变，从而影响电弧声信号的时频域特征。(3)为了探究焊枪偏差与电弧声信号之间的关系，设计焊枪偏差试验，分别截取不同焊枪偏差下左、右摆动极限处60ms的电弧声信号并提取其时频域特征。通过对比不同偏差下同一特征信号在焊枪左、右摆动极限处的分布情况，发现时域特征包括声压均值、标准差、短时能量、短时过零率及频域特征:短时功率密度分布均能在一定程度上反映焊枪偏差，但频域特征信号成区间分布，不便于特征规律统计。(4)以焊枪左、右摆动极限处的时域特征信号差值作为特征参数，建立其与焊枪偏差之间的线性关系，通过分析对比，电弧声短时能量的灵敏度最高，并据此建立焊枪横向偏差识别规律。 最后，基于DSP根据电弧声短时能量与焊枪横向偏差之间的线性关系编写跟踪程序，开展焊缝跟踪试验。在启动跟踪程序后，焊枪偏差位于±0.2mm之间的数据占全部数据的48.6％;焊枪偏差位于±0.6mm之间的数据占全部数据的97.1％，由此可见基于电弧声短时能量特征参数识别焊枪横向偏差是可行的。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1课题背景及研究意义

1．2电弧声在焊接状态监测中的应用现状

1．3电弧声在焊接路径监测中的应用

1．4电弧声采集处理现状

1．5本课题主要研究内容

第二章电弧声信号采集及处理方法

2．1电弧声信号采集系统设计

2．2电弧声信号消噪处理

2．2．1去除摆动信号干扰及直流偏置

2．2．2小波包降噪

2．3本章小结

第三章窄间隙P-GMAW电弧声信号特征分析

3．1电弧声信号的产生机理及影响因素

3．1．1电弧声信号的产生机理

3．1．2短路过渡对电弧声信号的影响

3．1．3焊缝侧壁对电弧声信号的影响

3．2焊枪偏差状态下的电弧声信号时域特征分析

3．2．1电弧声信号统计特征提取

3．2．2电弧声信号短时能量特征提取

3．2．3电弧声信号短时过零率特征提取

3．3焊枪偏差状态下的电弧声信号频域特征分析

3．4本章小结

第四章窄间隙P-GMAW焊枪偏差提取方法研究

4．1基于电弧声信号特征参数的偏差提取方法

4．1．1统计特征参数偏差提取方法

4．1．2短时能量特征参数偏差提取方法

4．1．3短时过零率特征参数偏差提取方法

4．2基于电弧声信号的窄间隙焊缝跟踪方法讨论

4．3本章小结

第五章基于电弧声短时能量的焊缝跟踪实验

5．1电弧声信号实时采集处理硬件系统设计

5．2窄间隙焊缝跟踪实验

5．2．1焊缝跟踪控制系统的程序设计

5．2．2焊缝跟踪实验

5．3本章小结

第六章总结与展望

6．1总结

6．2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢