CN115781094A - 一种焊缝偏差检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明一种焊缝偏差检测方法及装置,属于焊接技术领域,包括以下步骤:先由扩音器产生固定频率和大小的正弦声音信号到达焊缝表面,声波被焊缝反射并被麦克风接收;麦克风采集到电压信号之后,上位机会根据采集到的电压信号和预先输入的参数对信号进行处理,得到声压信号;对声压信号进行分帧得到Pn,n为第n帧,得到声压平均差值ΔPn,Δx=kΔPn即为最后计算得到的焊缝偏差量。本发明有效提高了装置的集成度,提高了整体装置的响应计算速度,有效避免了数据的滞后性,同时扩展了使用范围,使之可应用于摆动焊,补全了V型坡口的不同焊接情况。
Description
技术领域
本发明属于焊接技术领域,尤其是涉及一种焊缝偏差检测方法及装置。
背景技术
在焊接过程中,往往受到坡口加工误差、工件装配误差、焊接热变形等因素的影响,导致坡口间隙大小和焊缝中心位置发生变化,出现焊炬中心偏离焊缝中心(即出现焊缝偏差)的情形。
通过Yanfeng Gao、Jianhua Xiao等人发表的《基于新型双通道声传感器的V型坡口焊缝偏差传感研究》,证明了其所提及的声传感器对v型坡口焊缝的偏差检测具有线性特性。
现有技术中,焊缝偏差检测大多采用双麦克风结构,用于检测焊缝两侧对称位置的声压大小。通过计算声压差值,可以得到焊接过程中的偏差程度。
如果声波传感器位于焊缝中心的右侧或左侧,声波的传播路径就不再对称。因此,两个麦克风接收到的声压是不同的。根据两个麦克风的声压差,可得到声学传感器的位置偏差。
但现有双麦克风的焊缝偏差检测装置具有以下缺陷:
1.现有装置体积太大,会极大限制焊枪的可活动范围,且装置与焊枪相固定,过大的体积与质量,会影响焊枪的运动精度,可能会带来意料之外的偏差,进而造成焊接质量的降低。
2.现有装置是基于左右两边的声压大小进行测量的,在实际焊接过程中存在各种各样的工况。在进行摆动焊的时候,装置随即失效,因为在摆动焊的过程中,焊枪需要进行摆动,过大的体积严重影响了焊枪的摆动,使之无法应用在更复杂的工况中,且左右偏差是一直处于变化状态的,需要对双麦克风的声压信号同时进行处理,增加了计算时间,在单个摆动周期内很可能计算速度无法跟上摆动速度。
3.现有装置对信号的处理过程略显不足,对每一时刻的声音信号进行处理,大大增加了计算量,且没有考虑到可能存在的误差。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种结构简单紧凑、降低成本、提高响应计算速度、有效避免数据滞后性、保证数据准确性、可用于摆动焊的焊缝偏差检测方法及装置。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:一种焊缝偏差检测方法,包括以下步骤:
S1、声波传播路径的设定,
先由扩音器产生固定频率和大小的正弦声音信号,然后经扩音器下方的声音导向孔向下传播,到达焊缝表面;随后,这些声波被焊缝反射,通过声音反射孔被麦克风接收;
S2、声压信号的计算,
在麦克风采集到电压信号之后,会将信号传输到上位机进行处理,上位机会根据采集到的电压信号和预先输入的摆动焊的摆动周期、摆动幅度等参数对信号进行处理。电压信号首先进行滤波处理,去除焊接声音和环境噪音的影响。再对电压信号进行转化,得到声压信号。
S3、焊枪偏差程度的计算,
对声压信号进行分帧得到Pn,n为第n帧,让偏差检测装置正常运行得到一段时间内的声压平均差值ΔPn,Δx=kΔPn即为最后计算得到的焊缝偏差量。
其中,在步骤S2中,基于不同的摆动周期、摆动幅度,在焊接前先让焊机进行一段不开焊枪的空走,得到不受偏差影响的环境白噪声x1;后续再打开扩音器的喇叭,进行一段空走得到正弦喇叭声x2和环境白噪声x1的混合声音信号,在此过程中摆动幅度对喇叭反射声的影响会较大,需要以摆动幅度对混合声音信号进行标识,记录下各个所需摆动幅度下的混合声音信号;对环境白噪声x1与正弦喇叭声x2进行幅值比对,适当调整喇叭的发声功率,使所有摆动幅值情况下的正弦喇叭声x2都会远大于白噪声x1,以减小环境噪声所造成的幅值干扰;最后进行实际焊接,可以得到加入了焊接声音的混合声x3。
其中,在步骤S2中,进行FFT变换之后,使用巴特沃斯带通滤波器对原始信号混合声x3进行去噪处理,截止频率设置为扩音器发声频率的±20Hz,得到滤波信号V(t)。根据麦克风得到的声压大小,可以得到声压变化的波形,记为得到声压信号。
其中,在步骤S3中,以半个摆动周期为一帧,对声压信号进行分帧得到Pn,n为第n帧。取声压在半个摆动周期内的平均值avgPn,与下半个摆动周期内的平均值avgPn+1进行比对可以得到ΔPn=avgPn―avgPn+1,Δx为摆动焊过程中焊枪摆动中心与焊缝中心的偏差距离,ΔPn为一个周期内,声压信号的上下幅值绝对值的差值。k为常量,在不同工作情况下有不同的值。可通过实验测算出常量k的值。将实验测出的k值与实际工况相对应,Δx=kΔPn即为最后计算得到的偏差量。
本发明一种焊缝偏差检测装置,用于实现上述检测方法,包括上安装壳体和下安装壳体,
所述上安装壳体顶部安装有上盖板,所述上盖板与上安装壳体连接固定;所述上安装壳体底部安装有下安装壳体,所述下安装壳体与上安装壳体连接固定;
所述上安装壳体内部并列设置有两个竖直通孔,分别为扩音器连通孔和麦克风安装孔,麦克风放置于麦克风安装孔内;
所述下安装壳体内部设置有扩音器安装孔和声音反射孔,所述扩音器安装孔竖直设置,扩音器放置于扩音器安装孔内,所述扩音器安装孔上端与扩音器连通孔相连通,该扩音器安装孔下方设置有与其相连通的声音导向孔,所述声音导向孔用于约束扩音器发出声音的方向,该声音导向孔竖直设置;所述声音反射孔倾斜设置,其底端靠近声音导向孔,该声音反射孔与麦克风安装孔相连通,用于接受反射回来的扩音器声音;
所述声音反射孔直径小于声音导向孔。
所述麦克风安装孔内壁贴附有隔音材料,包裹着麦克风用于消除回声,以及从空隙处传来的外部声音干扰,同时还提供固定麦克风的作用,避免其因晃动而产生的杂音;
所述麦克风和扩音器顶部的电源线穿过上盖板的线材通孔设置,所述上安装壳体一侧设置有焊枪固定结构,所述焊枪固定结构位于扩音器一侧,该焊枪固定结构可套设于焊枪上实现检测装置的固定。
所述扩音器连通孔用于放置扩音器线材,且该扩音器连通孔用隔音棉填充。
本发明具体的效果如下:
本发明有效提高了装置的集成度,采用单麦克风,大大减小了装置体积与制造成本,增加了可活动范围,使产品可适用性更广。在简化了结构的同时,也降低了故障率。
本发明提高了整体装置的响应计算速度,有效避免了数据的滞后性。取半个摆动周期为一帧,既保证了数据的准确性,也很大程度上消除了短时间内可能会产生的误差的影响。
本发明扩展了使用范围,使之可应用于摆动焊,补全了V型坡口(V型焊缝)的不同焊接情况。
本发明采用主动式声音采集系统,适用于各种材料的焊接,相比于图像采集,焊接声音采集,激光定位等偏差检测方式,本发明可以有效的抗强光干扰与噪声干扰。
附图说明
下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明,本发明的优点和实现方式将会更加明显,其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明,而不构成对本发明的任何意义上的限制,在附图中:
图1是本发明的分解结构示意图;
图2是本发明的内部结构剖面图;
图3是本发明的使用状态示意图。
图中:
1、上螺栓;2、上盖板;3、上安装壳体;4、下螺栓;5、下安装壳体;6、扩音器;7、麦克风;8、扩音器连通孔;9、扩音器安装孔;10、声音导向孔;11、声音反射孔;12、麦克风安装孔;13、焊枪;14、V形焊缝;15、焊枪固定结构。
具体实施方式
如图1至图3所示,本发明一种焊缝偏差检测方法,包括以下步骤:
S1、声波传播路径的设定(声波如图2中红色箭头所示传播),
先由扩音器6产生固定频率和大小的正弦声音信号,然后经扩音器6下方的声音导向孔10向下传播,到达焊缝(V形焊缝14)表面;随后,这些声波被焊缝反射,通过声音反射孔11被麦克风7接收;
S2、声压信号的计算,
其中声压的计算为:当焊接过程中焊枪13与焊缝中心位置发生偏差时,麦克风7所接收到的声压大小会产生变化,声压信号大小遵循声音的控制方程,在笛卡尔坐标系下;
运动方程:
连续性方程:
状态方程:
声波在空气中进行传播,P0为媒质静态声压,P′为扰动下的声压增量,ρ0为静态密度,ρ′为扰动下的密度增量,v为质点的振动速度,t为时间,γ=1.402为空气比热容。
通过对上面三式进行整理,可以得到三维状态下的波动方程为:
在焊枪13移动的过程中,声压级的计算公式为:
式中pe为待测声压的有效值;pref为参考声压。一般情况下,在空气中参考声压pref一般取2×10-5Pa。
当焊枪13进行摆动焊的时候,根据摆动幅度与摆动频率的不同,会影响麦克风7接收到的声压大小,为了检测焊枪13在摆动周期内是否一直处在焊缝中央,需要计算焊枪13摆动极限时的声压大小,通过比较上下极限时的声压大小,能得知焊枪13的偏差程度,在特定频率下,声压大小会与偏差程度呈线性变化。
在麦克风7采集到电压信号之后,会将信号传输到上位机进行处理,上位机会根据采集到的电压信号和预先输入的摆动焊的摆动周期、摆动幅度等参数对信号进行处理。电压信号首先进行滤波处理,去除焊接声音和环境噪音的影响。再根据公式对电压信号进行转化,得到声压信号。
基于不同的摆动周期、摆动幅度,在实际焊接前先让焊机进行一小段不开焊枪13的空走,得到不受偏差影响的环境白噪声x1;后续再打开扩音器6的喇叭,进行一小段空走得到正弦喇叭声x2和环境白噪声x1的混合声音信号,在此过程中摆动幅度对喇叭反射声的影响会较大,需要以摆动幅度对混合声音信号进行标识,记录下各个所需摆动幅度下的混合声音信号;对环境噪声x1与正弦喇叭声x2进行幅值比对,适当调整喇叭的发声功率,使所有摆动幅值情况下的正弦喇叭声x2都会远大于环境白噪声x1,以减小环境噪声所造成的幅值干扰;最后进行实际焊接,可以得到加入了焊接声音的混合声x3。
进行FFT变换之后,使用巴特沃斯带通滤波器对原始信号混合声x3进行去噪处理,截止频率设置为扩音器6发声频率的±20Hz得到滤波信号V(t)。根据麦克风7得到的声压大小,可以得到声压变化的波形,记为得到声压信号。
S3、焊枪偏差程度的计算,
以半个摆动周期为一帧,对声压信号进行分帧得到Pn,n为第n帧。
取声压在半个摆动周期内的平均值avgPn,与下半个摆动周期内的平均值avgPn+1进行比对可以得到ΔPn=avgPn―avgPn+1,Δx为摆动焊过程中焊枪13摆动中心与焊缝中心的偏差距离,ΔPn为一个周期内,声压信号的上下幅值绝对值的差值。k为常量,在不同工作情况下有不同的值。可通过实验测算出常量k的值。将实验测出的k值与实际工况相对应,Δx=kΔPn即为最后计算得到的偏差量。
可见,本发明人为制造偏差量Δx,让偏差检测装置正常运行得到一段时间内的声压平均差值ΔPn。然后将不同偏差量的Δxn与对应情况下的ΔPn进行线性曲线拟合,得到常量k值。
本发明一种焊缝偏差检测装置,用于实现上述检测方法,包括上安装壳体3和下安装壳体5,
上安装壳体3顶部安装有上盖板2,上盖板2通过上螺栓1(GB845_FH-85,2.2x6.5x4)与上安装壳体3连接固定;上安装壳体3底部安装有下安装壳体5,下安装壳体5通过下螺栓4与上安装壳体3连接固定;
上安装壳体3内部并列设置有两个竖直通孔,分别为扩音器连通孔8和麦克风安装孔12,麦克风7放置于麦克风安装孔12内;
下安装壳体5内部设置有扩音器安装孔9和声音反射孔11,扩音器安装孔9竖直设置,扩音器6放置于扩音器安装孔9内,扩音器安装孔9上端与扩音器连通孔8相连通,该扩音器安装孔9下方设置有与其相连通的声音导向孔10,声音导向孔10用于约束扩音器发出声音的方向,该声音导向孔10竖直设置;声音反射孔11倾斜设置,其底端靠近声音导向孔10,该声音反射孔11与麦克风安装孔12相连通,用于接受反射回来的扩音器6声音;
声音反射孔11直径小于声音导向孔10。
麦克风安装孔12内壁贴附有隔音材料,包裹着麦克风7用于消除回声,以及从空隙处传来的外部声音干扰,同时还提供固定麦克风7的作用,避免其因晃动而产生的杂音;
麦克风7和扩音器6顶部的电源线穿过上盖板2的线材通孔设置,上安装壳体一侧设置有焊枪固定结构15,焊枪固定结构15位于扩音器6一侧,该焊枪固定结构15可套设于焊枪13上实现检测装置的固定(根据实际工作环境不同,连接件也应有所调整,因结构连接不是本文的研究内容,故不深入展开讨论)。
扩音器连通孔8用于放置扩音器6线材,且该扩音器连通孔8用隔音棉填充,以消除回声干扰。
以上对本发明的实施例进行了详细说明,但所述内容仅为本发明的较佳实施例,不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等,均应仍归属于本专利涵盖范围之内。
Claims (10)
1.一种焊缝偏差检测方法,其特征在于:包括以下步骤:
S1、声波传播路径的设定,
先由扩音器产生固定频率和大小的正弦声音信号,然后经扩音器下方的声音导向孔向下传播,到达焊缝表面;声波被焊缝反射,通过声音反射孔被麦克风接收;
S2、声压信号的计算,
在麦克风采集到电压信号之后,将信号传输到上位机进行处理,上位机根据采集到的电压信号和预先输入的参数对信号进行处理,得到声压信号;
S3、焊枪偏差程度的计算,
对声压信号进行分帧得到Pn,n为第n帧,让偏差检测装置正常运行得到一段时间内的声压平均差值ΔPn,Δx=kΔPn即为最后计算得到的焊缝偏差量。
2.根据权利要求1所述的焊缝偏差检测方法,其特征在于:在步骤S2中,所述预先输入的参数为摆动焊的摆动周期和摆动幅度。
3.根据权利要求2所述的焊缝偏差检测方法,其特征在于:在步骤S2中,所述电压信号首先进行滤波处理,去除焊接声音和环境噪音的影响,再对电压信号进行转化,得到声压信号。
4.根据权利要求3所述的焊缝偏差检测方法,其特征在于:在步骤S2中,基于不同的摆动周期、摆动幅度,在焊接前先让焊机进行一段不开焊枪的空走,得到不受偏差影响的环境白噪声x1;后续再打开扩音器的喇叭,进行一段空走得到正弦喇叭声x2和环境白噪声x1的混合声音信号,记录下各个所需摆动幅度下的混合声音信号;对环境白噪声x1与正弦喇叭声x2进行幅值比对,调整喇叭的发声功率,使所有摆动幅值情况下的正弦喇叭声x2都大于白噪声x1;最后进行实际焊接,得到加入了焊接声音的混合声x3。
6.根据权利要求5所述的焊缝偏差检测方法,其特征在于:在步骤S3中,以半个摆动周期为一帧,对声压信号进行分帧得到Pn,n为第n帧,取声压在半个摆动周期内的平均值avgPn,与下半个摆动周期内的平均值avgPn+1进行比对得到ΔPn=avgPn-avgPn+1,Δx为摆动焊过程中焊枪摆动中心与焊缝中心的偏差距离,ΔPn为一个周期内,声压信号的上下幅值绝对值的差值,Δx=kΔPn即为最后计算得到的偏差量,k为常量。
7.一种焊缝偏差检测装置,其特征在于:包括上安装壳体和下安装壳体,所述下安装壳体与上安装壳体连接固定,所述上安装壳体内部并列设置有两个竖直通孔,分别为扩音器连通孔和麦克风安装孔,麦克风放置于麦克风安装孔内;所述下安装壳体内部设置有扩音器安装孔和声音反射孔,所述扩音器安装孔竖直设置,扩音器放置于扩音器安装孔内,所述扩音器安装孔上端与扩音器连通孔相连通,该扩音器安装孔下方设置有与其相连通的声音导向孔,所述声音导向孔用于约束扩音器发出声音的方向,该声音导向孔竖直设置;所述声音反射孔倾斜设置,其底端靠近声音导向孔,该声音反射孔与麦克风安装孔相连通,用于接受反射回来的扩音器声音。
8.根据权利要求7所述的焊缝偏差检测装置,其特征在于:所述上安装壳体顶部安装有上盖板,所述上盖板与上安装壳体连接固定;所述上安装壳体底部安装有下安装壳体。
9.根据权利要求7所述的焊缝偏差检测装置,其特征在于:所述声音反射孔直径小于声音导向孔。
10.根据权利要求8所述的焊缝偏差检测装置,其特征在于:所述麦克风安装孔内壁贴附有隔音材料,包裹着麦克风;所述麦克风和扩音器顶部的电源线穿过上盖板的线材通孔设置;所述扩音器连通孔用于放置扩音器线材,且该扩音器连通孔用隔音棉填充。
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