基于旋转电弧传感器的水下电弧焊信号处理.doc

基于旋转电弧传感器的水下电弧焊信号处理 第Electric WeldingMachine摘要为了去除旋转电弧传感器于水下电弧焊的电流信号中的干扰，提出了小波滤波和中值滤波的组合滤波方法。 介绍了基于旋转电弧传感器的水下电弧焊接系统，分析采集到的水下焊接电流信号的特征，从?论上论证小波变换应用在水下电弧焊接信号去噪的可?性。 利用Matlab中小波工具箱对实际采集到的电流信号进?小波滤波分析，选取合适的小波基。 对滤波后信号，存在的水下焊接中短?过渡和断弧的干扰，采用中值滤波的去噪方法。 实验证明小波滤波和中值滤波组合的方法能?有效地抑制干扰，并保留有用的水下焊接电弧信号特征，处?时间满足实时性要求。 关键词旋转电弧传感器；水下焊接；信号处?TG4565A10012303 (xx)1200630439卷第12期xx?12月Vol39No12DecxxElectric WeldingMachine杜健辉，石永华，王国荣，黄国兴(华南?工大学机械与汽车工程学院，广东广州510640)Processing of underwater arcwelding signalbased onrotating arcsensorDU Jian-hui，SHI Yong-hua，WANG Guo-rong，HUANG Guo-xing(South ChinaUniversity ofTechnology，School ofMechanics andAutomotive Engineering，Guangzhou510640，China)AbstractIn orderto eliminatethe interferencein theunderwater weldingbased onrotating arcsensor，a filtermethod based onwavelet filterand median filter ispresentedThis paperintroduce theunderwater arcwelding systembasedonrotating arcsensor atfirstThen thecharacteristic ofunderwater currentsignals isanalysed，the feasibilityof wavelet filter theoryto denoise isdiscussedWavelet denoise isused toprocessed theacquired currentsignals bywavelet toolboxin Matlab，and theproper waveletbasic isselectedDue tothe disturbedof short-circuit andarc interruption，we usethe medianfilter toprocess thesignals thatafter processedbywaveletfilterExperiments provethat waveletde-noise andmedianfiltermethods caneffectively restrainthe interferenceand keeptheuseful characteristicsofunderwater welding arcsignals，and plywith realtime demandKey wordsrotating arcsensor；underwaterwelding；signal processingxx0821基金项目国家自然科学基金项目资助 (50705030)作者简介杜健辉(1981)，男，广东广州人，在读博士，主要从事材?加工与自动化方面的研究工作。 0前言随着人类社会对水下资源需求的日益增长，水下焊接的应用日益广泛，因此提高水下焊接的质?和生产效率、降低制造成本就成为各国海洋工程施工的共同需求。 水下焊接自动化技术的开发和应用，将为我国的海洋开发作出贡献。 现有的旋转电弧传感器主要应用在陆上焊接，并已取得较大成果，但还没有成功应用于水下焊接。 旋转电弧传感的基本原?是通过检测焊接电流信号来判断焊炬与焊缝对中的情况，信号处?的好坏关系到焊缝跟踪的精度，所以信号处?是基于旋转电弧传感器焊缝跟踪系统的重要环节1。 由于水下焊接与陆上焊接的施工环境差别很大，水的存在使焊接过程变得复杂，并且会出现许研究与设计基于旋转电弧传感器的水下电弧焊信号处?63研究与设计Electric WeldingMachine多陆上焊接从未遇到的技术问题。 在水下湿法焊接过程中，湿法水下焊接的电弧实际上是在气泡中燃烧的。 水下焊接时电弧周围气泡的?稳定导致电弧稳定性降低，出现短?过渡和断弧现象，所以陆上信号处?方法并?适用于水下焊接，因此有必要研究水下焊接电流信号的处?方法。 1高速旋转电弧传感器焊缝跟踪系统旋转电弧传感水下焊缝跟踪系统如图1所示，主要由弧焊机器人、高速旋转扫描电弧传感器(包括旋转焊炬、光电传感器和转速闭环控制电?)、弧焊电源、工控机及机器人控制器等部分组成23。 由于焊炬在水下作业时受到的阻?均匀，造成转速?稳定，影响信号的采集和偏差识别，进而影响焊缝跟踪和焊缝成形质?。 因此采用单片机变频调速控制直流电机的转速，再由NI数据采集卡双通道分别采集水下焊接电流信号和光电传感器输出的数字信号，进?信号处?。 图1旋转电弧传感水下焊缝跟踪系统2信号采集水下焊接电流采集系统是通过霍尔传感器感应焊接电流，利用NI USB6221采集卡采集霍尔传感器的感应电流，得到焊接时电流的波形。 图2为采集到的一组比较典型的水下焊接电流波形，其实验条件为旋转半径2mm，旋转速度20Hz，焊接速度8mms，旋转电弧逆时针旋转。 图2典型的水下焊接电流波形(含噪)由图2可知，焊接电流信号受到加性白噪声的干扰，并受到短?过渡和断弧等焊接现象的干扰。 由于基于旋转电弧传感器跟踪焊缝系统的关键就是要从电流变化信号中提取焊枪偏离焊缝的大小，受干扰的信号将极大影响跟踪精度，所以必须进?信号处?，否则将难以提取出精确的焊缝偏差。 3信号处?首先通过观察图的噪声，大部分干扰为加性白噪声，加性白噪声是标准的高斯白噪声，服从N(0，2)分布。 高斯白噪声属于高频噪声，而被识别的水下焊接电流信号属于低频信号，小波滤波具有很好的时、频局部化特性，能有效过滤非平稳信号中的噪声，所以采用小波滤波的方法进?信号处?。 31小波去噪设采集到水下焊接电流的N点离散信号为f(n)s(n)x(n) (1)第39卷64研究与设计Electric WeldingMachine式中s(n)为原始电流信号；x(n)为加性白噪声；n0，1，N1。 那么对f(n)的小波变换为Wf(j，k)2j2N1n0f(n)(2jk)，j、kZ (2)式中Wf(j，k)为小波系数，由两部分组成一部分为原信号对应的小波系数；另一部分为噪声对应的小波系数Wf(j，k)4。 根据Donoho和Johnstone提出的小波阈值去噪方法的基本思想当Wf(j，k)小于某临界阈值时，则认为Wf(j，k)主要由噪声系数引起，所以舍弃该系数；当Wf(j，k)大于阈值时，认为Wf(j，k)主要由原信号引起，把这部分直接保留下来或按某一阈值函数进?变换，然后利用新的小波系数进?小波重构得到去噪后的信号。 具体步骤为 (1)选择合适的小波基和分解层次，对采集到的水下焊接电流信号进?小波变换。 (2)通过对Wf(j，k)运用阈值函数方法，得出新的小波系数Wf(j，k)。 (3)利用新的小波Wf(j，k)系数重构信号，即为去噪后的信号。 常用的阈值函数有硬阈值函数和软阈值函数两种。 硬阈值函数为Wf(j，k)，Wf(j，k)0，Wf(j，k)软阈值函数为sgn(Wf(j，k)Wf(j，k)，Wf(j，k)0，Wf(j，k)式中(2logN)12。 32电流信号的小波滤波由于硬阈值函数在和处是?连续的，所以采用软阈值函数。 通过使用?同小波基和?同分解层数进?滤波实验，最后决定使用coif5作为小波基，分解层数为5层。 采用软阀值小波滤波后的电流波形如图3所示。 由图3可知，采用软阈值小波滤波处?后，?仅提高了信噪比，而且能抑制信号中的高频噪声。 水下焊接电流信号衰减小，被保留下来，而白噪声的高频段信号衰减大，大部分被剔除。 小波滤波后信号平滑，毛刺部分已经去除，电流波形明显改善，较大地提高了电流信号的信噪比。 但波形中由短?过渡和断弧产生的电流干扰仍然存在。 通过分析干扰信号，短?过渡和断弧的干扰持续时间短、变化大，适合采用中值滤波进?信号处?。 Wf(j，k)邀 (3)邀Wf(j，k) (4)图3小波滤波后的波形33中值滤波中值滤波是一种基于排序统计?论的、能有效抑制噪声的非线性信号处?技术。 中值滤波的基本原?是把数字序列中一点的值用该点的一个领域中各点值的中值代替，从而消除孤立的噪声点。 中值滤波基于这样的假设原信号本身是平稳的，没有突变，这与采集到的水下焊接电流特征类似，所以适合采用中值滤波进?信号处?。 中值滤波定义式为f(x)medf(t) (5)式中xtixt。 在本研究中，滤波窗口的宽度增大会增加计算?，影响实时性。 通过实验测试和观察短?过渡和断弧持续时间，选取参数滤波窗口大小t15进?信号处?，中值滤波后的电流波形如图4所示。 由图4可知中值滤波能较好地去除焊接时短?过渡和断弧出现的电流干扰，对以短时变化大形式存在的噪声的抑制非常有效。 杜健辉等基于旋转电弧传感器的水下电弧焊信号处?第12期65研究与设计Electric WeldingMachine!由于焊缝跟踪注重实时性，所以测试小波滤波和中值滤波组合滤波方法的时间，10个焊接电流波形为一组，其滤波平均时间为013s，满足实时性要求。 4结论对旋转电弧水下焊接电流中干扰信号的特点进?了分析，提出了小波滤波和中值滤波组合滤波的方法。 通过对信号滤波后的分析，可以看出使用的滤波方法能有效去除水下焊接时白噪声、短?过渡和断弧等信号干扰，得到?直观的水下焊接电流信号波形。 参考文献1熊震宇，张华，贾剑平，等旋转电弧传感器的研制J传感器技术，xx (7)592曾松盛高速旋转电弧传感器自动跟踪技术的研究D广州华南?工大学，xx3胡富仁，王国荣，石永华，等LabVIEW平台中利用小波分析实现焊接电流信号的去噪J电焊机，xx，38 (5)46494张维强，宋国乡基于一种新的阈值函数的小波域信号去噪J西安电子科技大学学报，xx，31 (2)296299图4中值滤波后的波形高碳钢的焊接第39卷 (1)高碳钢的焊接性。 由于高碳钢的含碳?比中碳钢?高，在焊缝和热影响区?容?产生硬脆的高碳马氏体，所以淬硬倾向和裂纹敏感性?大，焊接性?差。 但是，高碳钢一般?用于制造焊接结构，而用于高硬度耐磨部件或零件的制造，它们的焊件大多数是焊补修?。 (2