基于相邻两圈旋转电弧传感信号变化特征的旋转电弧稳定性检测方法

技术领域

本发明涉及电子信息技术领域，特别是涉及基于相邻两圈旋转电弧传感信号变化特征的旋转电弧稳定性检测方法。

背景技术

电弧稳定性会影响旋转电弧传感信号的可靠性，从而影响旋转电弧传感器的工作性能及可靠性。当电弧不稳定时，旋转电弧传感器不能识别出焊枪相对于焊缝的焊接偏差。因此，急需发明出旋转电弧稳定性的检测方法，有助于提高旋转电弧传感器的焊缝跟踪精度，提高焊接质量，也有助于旋转电弧传感焊接机器人产业化的实现。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于相邻两圈旋转电弧传感信号变化特征的旋转电弧稳定性检测方法，从断弧或接近断弧的次数及相邻两圈旋转电弧的相同位置的采样焊接电流大小变化特征出发，实现旋转电弧稳定性的检测，有助于旋转电弧稳定性机器自动控制的实现，可提高机器自动焊接的质量。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

基于相邻两圈旋转电弧传感信号变化特征的旋转电弧稳定性检测方法，其特征在于：包括描述断弧或接近断弧的次数的特征量识别方法，描述相邻两圈旋转电弧的相同位置的采样焊接电流大小变化的特征量的识别方法，表征电弧稳定性的相邻两圈旋转电弧传感信号特征量的识别方法，基于相邻两圈旋转电弧传感信号变化特征的旋转电弧稳定性检测规则。

进一步地，所述描述断弧或接近断弧的次数的特征量识别方法，具体内容如下，电弧每转动一圈，等时间间隔连续采集256个焊接电流。当断弧时，也就是电弧熄灭，此时焊接电流为0A；当接近断弧时，也就是电弧接近熄灭，此时焊接电流很小。因此，利用如下公式对采集的焊接电流进行操作，可识别出描述断弧或接近断弧的次数的特征量η。

η(0)＝0 (1)

式中，η(0)表示初始时刻断弧或接近断弧的次数，其值为0。η(i)表示利用前i个采样焊接电流求到的断弧或接近断弧的次数，η(i-1)表示利用前i-1个采样焊接电流求到的断弧或接近断弧的次数，其中，1≤i≤256。η为识别出的描述断弧或接近断弧的次数的特征量。sgn(x)为符号函数，当x>0时，符号函数值为1；当x＝0时，符号函数值为0；当x<0时，符号函数值为-1。min(x)为取最小值函数。I

识别出的旋转电弧传感信号的特征量η，可以反映断弧或接近断弧的情况是否出现。如果特征量η的值大于等于1，则电弧转动过程中，出现了断弧或接近断弧，表明电弧不稳定；如果特征量η的值等于0，则电弧转动过程中，没有出现断弧或接近断弧，表明该圈旋转电弧稳定或欠稳定。利用描述断弧或接近断弧的次数的特征量η，可以很好地辨识出当前电弧是不稳定还是稳定或欠稳定，并且，特征量η的值越大，电弧越不稳定。

进一步地，所述描述相邻两圈旋转电弧的相同位置的采样焊接电流大小变化的特征量的识别方法，具体内容如下，由于焊接的连续性，当电弧稳定时，相邻两圈旋转电弧的相同位置的采样焊接电流大小变化较小。为了进一步降低熔池的干扰，采用电弧旋转的前半圈的33个滤波后的焊接电流作为处理对象，可提高描述相邻两圈旋转电弧的相同位置的采样焊接电流大小变化的特征量γ识别的准确度。因此，特征量γ的识别方法如下，

式中，

识别出的特征量γ，是从空间相关性的角度提出的一种表征电弧稳定性的旋转电弧传感信号特征量。当电弧稳定时，特征量γ很小；当电弧不稳定时，特征量γ很大；当电弧欠稳定时，特征量γ介于电弧稳定和不稳定之间，并且，特征量γ越小，电弧越稳定；特征量γ越大，电弧越不稳定。

进一步地，所述表征电弧稳定性的相邻两圈旋转电弧传感信号特征量的识别方法，具体内容如下，对原始采样焊接电流及滤波后的焊接电流进行处理，可以识别出与电弧稳定性有关联的两个旋转电弧传感信号的特征量，并且，相邻两圈旋转电弧传感信号特征量的识别方法如下，

式中，T为识别出的与电弧稳定性有关联的相邻两圈旋转电弧传感信号的特征量，η为识别出的描述断弧或接近断弧的次数的特征量，γ为描述相邻两圈旋转电弧的相同位置的采样焊接电流大小变化的特征量。其它表示中间过程的物理量及函数已经在公式(1-5)中介绍了其含义。

进一步地，所述基于相邻两圈旋转电弧传感信号变化特征的旋转电弧稳定性检测规则，具体内容如下，利用识别出的相邻两圈旋转电弧传感信号的特征量T，可利用下面两条规则识别出旋转电弧的稳定性。

规则1：当识别出的描述断弧或接近断弧的次数的特征量η大于0或描述相邻两圈旋转电弧的相同位置的采样焊接电流大小变化的特征量γ大于1时，电弧处于不稳定状态；

规则2：当识别出的描述断弧或接近断弧的次数的特征量η等于0且描述相邻两圈旋转电弧的相同位置的采样焊接电流大小变化的特征量γ小于1时，电弧处于稳定状态。

本发明的有益效果为：

本发明的优点在于发明了一种基于相邻两圈旋转电弧传感信号变化特征的旋转电弧稳定性检测方法，通过本发明内容，可实现旋转电弧稳定性的在线快速检测，为电弧稳定性的机器自动调节提供了输入信号，可提高旋转电弧传感器的工作性能，提高旋转电弧传感器的焊缝跟踪精度及可靠性，可提高旋转电弧传感机器人自动焊接的质量，能产生一定的经济效益。

附图说明

图1为本发明的旋转电弧稳定性与相邻两圈旋转电弧传感信号之间的关系；

图2为本发明的相邻两圈旋转电弧传感信号变化示意图；

图3为本发明识别出的断弧或接近断弧的次数的特征量曲线图；

图4为本发明识别出的相邻两圈旋转电弧的相同位置的采样焊接电流大小变化的特征量曲线图；

图中：1、焊枪；2、电弧长度，3、水平钢板；4、焊缝；5、竖直钢板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

图1为旋转电弧稳定性与相邻两圈旋转电弧传感信号之间的关系，固定在焊枪(1)上的电机带动电弧旋转一圈，通过数据采集系统连续采集256个焊接电流，进一步利用数据处理系统，对这些原始采样电流进行滤波，使256个原始采样焊接电流变成64个滤波后的焊接电流，滤波后的焊接电流波形更加平滑，去除噪声后的焊接电流也就是旋转电弧传感信号，按照顺序，组成一个向量

对焊接电流进行处理，本发明提出了两个物理量来表征旋转电弧传感信号的特征，分别为：描述断弧或接近断弧的次数的特征量η、描述相邻两圈旋转电弧的相同位置的采样焊接电流大小变化的特征量γ。为了详细介绍这些特征量的识别过程，需要结合图2所示的相邻两圈旋转电弧传感信号变化示意图进行介绍。

如图2所示，旋转电弧转动半径为r，转动角速度为w。水平钢板(3)与竖直钢板(5)的交线为焊缝(4)，当焊接至焊缝(4)的HF段时，旋转电弧对应的位置为E′F′G′H′，转动中心为I′点。电弧每转动一圈，等时间间隔连续采集一组焊接电流，共256个，经过滤波后，使256个焊接电流变成了64个滤波后的焊接电流。当电弧转动至E′点时，电弧长度(2)为EE″，采集第1个焊接电流，对应第1个滤波后的焊接电流；当电弧转动至F′点时，采集第65个焊接电流，对应第17个滤波后的焊接电流；当电弧转动至G′点时，采集第129个焊接电流，对应第33个滤波后的焊接电流；当电弧转动至H′点时，采集第193个焊接电流，对应第49个滤波后的焊接电流。前一组采样焊接电流对应的旋转电弧位置为A′B′C′D′，此时焊接DB段焊缝(4)。当电弧转动至A′点时，采集第1个焊接电流，对应第1个滤波后的焊接电流；当电弧转动至B′点时，采集第65个焊接电流，对应第17个滤波后的焊接电流；当电弧转动至C′点时，采集第129个焊接电流，对应第33个滤波后的焊接电流；当电弧转动至D′点时，采集第193个焊接电流，对应第49个滤波后的焊接电流。

下面将结合图2，详细介绍表征电弧稳定性的两种旋转电弧传感信号特征量的识别方法。

(1)描述断弧或接近断弧的次数的特征量η的识别方法

如图2所示，电弧每转动一圈，等时间间隔连续采集256个焊接电流。当断弧时，也就是电弧熄灭，此时焊接电流为0A；当接近断弧时，也就是电弧接近熄灭，此时焊接电流很小。因此，利用如下公式对采集的焊接电流进行操作，可识别出描述断弧或接近断弧的次数的特征量η。

η(0)＝0 (1)

式中，η(0)表示初始时刻断弧或接近断弧的次数，其值为0。η(i)表示利用前i个采样焊接电流求到的断弧或接近断弧的次数，η(i-1)表示利用前i-1个采样焊接电流求到的断弧或接近断弧的次数，其中，1≤i≤256。η为识别出的描述断弧或接近断弧的次数的特征量。sgn(x)为符号函数，当x>0时，符号函数值为1；当x＝0时，符号函数值为0；当x<0时，符号函数值为-1。min(x)为取最小值函数。I

识别出的旋转电弧传感信号的特征量η，可以反映断弧或接近断弧的情况是否出现。如果特征量η的值大于等于1，则电弧转动过程中，出现了断弧或接近断弧，表明电弧不稳定；如果特征量η的值等于0，则电弧转动过程中，没有出现断弧或接近断弧，表明该圈旋转电弧稳定或欠稳定。利用描述断弧或接近断弧的次数的特征量η，可以很好地辨识出当前电弧是不稳定还是稳定或欠稳定，并且，特征量η的值越大，电弧越不稳定。因此，描述断弧或接近断弧的次数的特征量η是评价电弧不稳定的一个重要物理量。

(2)描述相邻两圈旋转电弧的相同位置的采样焊接电流大小变化的特征量γ的识别方法

如图2所示，当旋转电弧位于曲线A′B′C′D′时，对应第m组滤波后的焊接电流，记作

式中，

识别出的特征量γ，是从空间相关性的角度提出的一种表征电弧稳定性的旋转电弧传感信号特征量。当电弧稳定时，特征量γ很小；当电弧不稳定时，特征量γ很大；当电弧欠稳定时，特征量γ介于电弧稳定和不稳定之间，并且，特征量γ越小，电弧越稳定；特征量γ越大，电弧越不稳定。因此，描述相邻两圈旋转电弧的相同位置的采样焊接电流大小变化的特征量γ是辨识电弧稳定、欠稳定、不稳定的一个重要评价指标。

(3)表征电弧稳定性的相邻两圈旋转电弧传感信号特征量的识别方法

利用公式(1-5)对原始采样焊接电流及滤波后的焊接电流进行处理，可以识别出与电弧稳定性有关联的两个旋转电弧传感信号的特征量，并且，相邻两圈旋转电弧传感信号特征量的识别方法如下，

式中，T为识别出的与电弧稳定性有关联的相邻两圈旋转电弧传感信号的特征量，η为识别出的描述断弧或接近断弧的次数的特征量，γ为描述相邻两圈旋转电弧的相同位置的采样焊接电流大小变化的特征量。其它表示中间过程的物理量及函数已经在公式(1-5)中介绍了其含义。

利用识别出的相邻两圈旋转电弧传感信号的特征量T，可利用下面两条规则识别出旋转电弧的稳定性。

规则1：当识别出的描述断弧或接近断弧的次数的特征量η大于0或描述相邻两圈旋转电弧的相同位置的采样焊接电流大小变化的特征量γ大于1时，电弧处于不稳定状态；

规则2：当识别出的描述断弧或接近断弧的次数的特征量η等于0且描述相邻两圈旋转电弧的相同位置的采样焊接电流大小变化的特征量γ小于1时，电弧处于稳定状态。

为了验证本发明方法的有效性，进行了旋转电弧传感焊接机器人自动跟踪焊接实验，并用本发明方法对实验数据进行分析。

图3为本发明识别出的断弧或接近断弧的次数的特征量曲线图。电弧稳定时，识别出的断弧或接近断弧的次数的特征量用实线表示，并且，起弧后，识别出的断弧或接近断弧的次数的特征量为0，故与横坐标轴重合在一起。电弧不稳定时，识别出的断弧或接近断弧的次数的特征量用虚线表示，并且，起弧后，识别出的断弧或接近断弧的次数的特征量绝大部分大于0。

图4为本发明识别出的相邻两圈旋转电弧的相同位置的采样焊接电流大小变化的特征量曲线图。电弧稳定时，识别出的相邻两圈旋转电弧的相同位置的采样焊接电流大小变化的特征量用实线表示，并且，起弧后，识别出的相邻两圈旋转电弧的相同位置的采样焊接电流大小变化的特征量绝大部分小于1，偶尔出现大于1的情况是由于焊接过程偶尔出现不稳定现象或噪声影响。电弧不稳定时，识别出的相邻两圈旋转电弧的相同位置的采样焊接电流大小变化的特征量用虚线表示，并且，起弧后，识别出的相邻两圈旋转电弧的相同采样位置的采样焊接电流大小变化的特征量绝大部分大于1。

综上所述，当电弧稳定时，识别出的断弧或接近断弧的次数的特征量为0，并且，识别出的相邻两圈旋转电弧的相同位置的采样焊接电流大小变化的特征量小于1。当电弧不稳定时，识别出的断弧或接近断弧的次数的特征量大于0，并且，识别出的相邻两圈旋转电弧的相同位置的采样焊接电流大小变化的特征量大于1。

利用本发明方法识别出的电弧稳定性与实际焊接实验效果相一致，因此，本发明方法可有效识别出旋转电弧的稳定性，有助于提高旋转电弧传感器的工作性能，提高机器人自动焊接的质量。

如上即为本发明的实施例。上述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。