[发明专利]基于声音传感与电流控制的K-TIG焊熔透监控系统与方法

说明书

本发明公开了一种基于声音传感与电流控制的K‑TIG焊熔透监控系统及方法，所述系统包括声传感系统、控制系统、焊接系统和机器人系统。所述方法采用K‑TIG焊电弧声信号时域、频域特征提取与选择，有效声音特征子集与熔透状态之间映射关系的建立，以及由PLC触发的焊接电流反馈控制。本发明以K‑TIG焊过程中的声音信号作为检测变量，以焊接电流作为控制变量，实现K‑TIG焊接头熔透状态实时监控。在K‑TIG焊强弧光、强电磁干扰下，系统简单、鲁棒性好、熔透状态识别率高且电流控制响应快。

技术领域

本发明涉及焊接质量闭环控制技术领域，尤其涉及一种基于声音传感与电流控制的K-TIG焊熔透监控系统与方法。

背景技术

K-TIG焊是通过大电流(300-1000A)形成小孔而实现深熔焊的一种新型焊接方法。它可对3-16mm的母材一次单面焊透双面成形，具有高效率、高质量和低成本优势。可用于压力容器、船舶、输油管道等需要中厚板焊接的领域。

传统的焊接工艺参数实时调整主要依赖于人工的经验，但由于热累积效应、加工及装配误差等原因，在实际焊接环境中很难保证焊缝所有位置都有良好的熔透。而接头的熔透状态一直被作为实现焊接质量控制的最重要特征信息之一。因此，通过分析焊接过程参量，实时监控焊接过程中工件熔透状态，才能更好保障接头质量，进而提高焊接自动化、智能化的水平。

为实时监控接头熔透状态，首要任务就是实时获取表征熔透状态的参量。由于K-TIG焊使用的大电流带来强弧光、强电磁干扰，传统利用视觉传感获取熔透状态参量的方式易受干扰、极不稳定且对安装要求高，对准确建模以及实际控制都带来误差。因此，本发明引入声音传感获取K-TIG焊接头熔透状态信息。电弧声信号包含大量焊接过程信息，对焊接过程中焊接缺陷有明显的反映效果，不易受电磁干扰和工件形变的影响，实时性好，尤其适合K-TIG焊过程监控。有经验的焊工即可借助电弧声信号与个人经验判断熔透状态并作出决策。因此，模拟此信息接收与决策过程可实现熔透状态监控。

国内外从80年代就关注焊接过程声音信号的研究，但目前的研究结果证实：基本实现了激光焊、等离子弧焊等接头熔透状态的在线监控，却很少有文献资料证明实现氩弧焊、熔化极气体保护焊等接头熔透状态的在线监控。对于氩弧焊、熔化极气体保护焊等，大部分研究集中于电弧声信号的特征提取及熔透状态建模，而未能实现闭环控制。主要是因为有效电弧声信号特征获取困难，熔透状态与电弧声信号的关系呈现高度非线性，以及响应速度无法满足工业应用要求等。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于声音传感与电流控制的K-TIG焊熔透监控系统与方法。

本发明的目的通过以下的技术方案来实现：

基于声音传感与电流控制的K-TIG焊熔透监控系统，包括：

声传感系统，用于实时采集K-TIG焊电弧声信号；

控制系统，由工控机、PLC与电磁继电器组成，用于控制声音信号的采集，并对采集到的K-TIG焊电弧声信号进行特征提取，选择一定维度的特征子集表征熔透状态，识别熔透状态及反馈控制焊接电流；

焊接系统，由深熔弧焊机、焊枪、水箱和气瓶组成，用于初始设置焊接参数和实时响应电流变化；

机器人系统，用于控制焊枪按预设路径行进。

基于声音传感与电流控制的K-TIG焊熔透监控方法，包括：

A改变焊接电流，采集K-TIG焊电弧声信号；

B将采集到的K-TIG焊电弧声信号进行特征提取，并选取一定维度的特征子集表征熔透状态；

C根据特征子集建立支持向量机SVM模型，设计粒子群算法PSO优化模型参数，进行模型训练，得到熔透识别模型；