[发明专利]一种交流钨极氩弧焊电弧声音信号特征快速提取方法

说明书

本发明公开了一种交流钨极氩弧焊电弧声音信号特征快速提取方法，本发明结合了焊接过程电弧声音的产生机理，利用交流电的正负转换特性，对感兴趣的声音衰减区信号进行截取，并丢弃平稳区的声音信号，一方面降低了噪音干扰，提高信息的利用率，其次，通过对比电流上升沿及下降沿的声音衰减信号，选择与熔透更为相关的信息，提高了声音信号的物理意义，简化了声音信号的特征提取方法，并提高特征的表征能力及鲁棒性，有助于提高实际生产应用的稳定性及准确度。本发明计算方法简单快速，优化特征的状态响应良好，实时性好，鲁棒性强，工程实用性高，为实现交流钨极氩弧焊的在线监测及焊缝质量准确检测提供有效的技术实现途径。

技术领域

本发明属于机器人焊接制造领域，具体涉及一种交流钨极氩弧焊电弧声音信号特征快速提取方法。

背景技术

铝合金交流钨极氩弧焊是航空航天关键构件中的主要焊接成形制造方法之一，确保其焊接质量至关重要。在机器人推广应用及智能制造需求背景下，实现焊接过程状态监测及检测对提高焊接质量稳定性，推动焊接智能制造具有重要意义。自动化弧焊技术的应用范围仅仅限制于结构单一，形状固定的焊接工件，而对于那些形状较复杂、工作环境不可预测以及质量要求较高的焊接试件，还是需要经验丰富的焊接工人才能自主的适应变化的环境，并得到较高的焊接质量。高效稳定的传感技术及全面的过程信息是机器人足够“智慧”并实现智能制造的关键。现有焊接过程检测技术主要基于熔池视觉图像、电弧声音、磁光成像、X射线、电弧光谱以及多信息融合等。经验丰富的焊工可“听”出焊接熔透及质量的状态，进而实时调整送丝参数等。可听声音感知技术相比其他传感技术，有着独特的优势，利用非接触的拾音器及放大器实时获取焊接声音信号，基于信号处理及模式识别算法实现熔透状态的在线监测及识别，尤其是快速而准确的特征提取技术，对实现精确的熔透判断，推动机器人焊接自动化及智能化发展具有重要意义。

交流钨极氩弧焊最大的特点是，电流极性的正负转换，这也正是产生电弧声音的能量来源。焊接电流在极性转换时，经过零点，电弧会经历熄弧和重燃。电弧重燃时会对液态熔池产生瞬间冲击振荡，此时由电弧、液态熔池、钨极形成了谐振腔，熔池谐振对电弧声的影响通过振荡在谐振腔的传递而表现出来，待电流稳定后，振荡逐渐衰减。声音信号表现为冲击振荡衰减直至平稳的形态。焊接电弧的有效声音信息主要包含在冲击峰值及振荡衰减区，平稳区几乎无声音或与焊接熔透相关的信息很少。现有的特征提取方法主要有时域统计特征法，频域能量法，小波时频分析法以及语音倒谱特征法。中国专利号CN102528225A发明了一种GTAW焊接熔透状态的声音信号传感及预测方法，从脉冲峰值信号中分别提取LPCC线性倒谱系数及Mel倒谱系数作为焊缝HMM熔透预测模型的特征参数输入，实现熔透的实时检测。

焊接声音信号噪音大，有效特征提取困难，在线检测方法可靠性及准确度低。目前针对电弧声音信号降噪方法研究较少，如何解决噪音干扰，从大量的噪音及冗余信息中实现有效声音成分的筛选对实际生产应用极为重要。现有的声音特征提取方法存在一定局限性，没有结合声音的产生机理进行有效地特征获取，得到的特征对焊接过程熔透的表征能力较弱，只能依赖后期的智能识别算法来提高熔透的识别精度，对不同焊接材料和工艺的通用性及鲁棒性不高，难以在实际生产中推广应用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种交流钨极氩弧焊电弧声音信号特征快速提取方法，本方法简单快速，优化特征的状态响应良好，实时性好，鲁棒性强，工程实用性高。

为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：

步骤一，同步采集焊接过程的交流电信号和焊接电弧声音信号，去除声音信号中的直流分量，降低高频噪音，减小平稳区声音噪音而得到声音信号S(t)及电流信号I(t)；

步骤二，判断电流信号I(t)的正负极切换时刻，找到电流的上升沿及下降沿时刻，分别截取对应时刻下的一段声音信号，丢弃振荡平稳区信号，得到振荡衰减区声音信号；

步骤三，对振荡衰减区声音信号，进行能量统计特征提取；