铝型材焊接质量在线检测系统

铝型材焊接质量在线检测系统

卢亚军

奇瑞新能源汽车股份有限公司 安徽省芜湖市 241002

摘要：现阶段，焊接质量检测方法主要以焊接完成后的检测为主，随着网络传输带宽的扩容以及波形处理技术的提高，国外逐步有公司开发了实时在线检测的方案，但国内在此领域仍处于空白阶段，为此，我们开发了一套针对MIG焊在线质量检测的方案，主要包括信号采集、波形处理、边缘处理分析与结果判定、数据传输与显示等，此方案已经实现小批量的在线应用，取得一定的应用成果。

关键词：焊接在线检测

焊接工艺作为基础加工工艺，有着广泛的应用,涉及密切行业较多，诸如航空、造船、建筑、机械制造、汽车工业等，焊接的质量会直接影响产品的质量、外观、性能等，所以，焊接质量的监控与检测尤为重要，但因焊接过程时间短，过程参数瞬时变化，焊接数据海量化等原因，在4G数据传输出现之前，主流焊接质量检测方案包括射线探伤、超声波探伤、渗透探伤、磁性探伤等，这些方法都是焊接完成后，对焊接件的检测，都属于非实时、非在线检测方法，这些检测方法对焊接质量只有评价体系，没法做到焊接质量的实时监测、实时显示。

随着4G甚至5G网络传输技术的应用，以及计算机处理器数据处理能力的提高，德国出现像汉诺威大学、HKS公司等机构开始着手研发自动化焊接过程监控系统，他们主要通过波形及温感扫描技术，综合判定焊缝的质量优良，并实现数据的记录与追溯，该技术综合焊接电参量采集与高清视觉采集系统，通过焊接电流、电压曲线和能量视觉综合评判，对焊缝的优劣给出判定，因电流、电压波形参数不能直观反映焊接质量的优劣，故其方案关键依靠高速摄像的成像，在工业化应用场景中，存在安装便捷性等诸多问题，他们方案仍以实验室应用为主。

为综合考虑方案的可行性与便捷性，我们开发了一套焊接质量实时在线监测系统，本系统框架包括焊接电参量在线采集、波形处理、边缘处理与显示系统、数据传输与储存等，采用中央处理器与边缘处理器的协同处理，且过程中仅仅采集电流和电压两个电参量，这样既解决了焊接海量数据的处理与传输问题， 又解决了工业化场景的设备安装的便捷性与实用性问题，下面，我们重点阐述该方案的组成和实现方法。

本系统方案组成主要包括：①焊接电流、电压采集传感器；②小波信号处理系统；③边缘处理器；④现场显示系统；⑤中央处理器系统；

系统搭架示意图如下图所示。

图（1）系统搭建示意图

焊接电流、电压采集传感器主要是采集焊接过程电压和电流的实时数值，电流传感器采用和焊接电缆同规格的电缆串联到焊接电路中，通过霍尔传感器等效电流值，电压传感器并联到焊枪两端，直接读取焊接电压值。

小波信号处理系统为小波信号分析仪，为了尽量缩短焊接电缆的长度，小波摆放在，其本质是一个函数逼近问题，即如何在由小波母函数伸缩和平移版本所展成的函数空间中，根据提出的衡量准则，寻找对原信号的最佳逼近，以完成原信号和噪声信号的区分。 也就是寻找从实际信号空间到小波函数空间的最佳映射，以便得到原信号的最佳恢复。因小波处理方式具有良好时频特性，在处理焊接系统具有良好的同步性，下图为小波。

边缘处理器采用现场工控机，摆放在工位线边，边缘处理器用于和小波系统进行数据交互，并对电流、电压数据进行能趋分布算法处理，根据算法结果，得出焊缝焊接质量等级，并显示在线边显示器上。

现场显示系统有多台工位显示屏组成，用于实时更新焊缝焊接质量，显示内容主要包括车型VIN码信息，工位，焊缝位置，结果判定等内容，具体如下图所示：

中央处理器布置在中控室中，由大容量存储单元、显示大屏等部分组成，主要用于接收边缘处理器发送的焊接结果，储存信息为车型全信息，包括车型VIN码、焊缝位置等。具备检索和追溯等功能；

下图为本系统焊接在线监控流程图，通过对本流程图的解读，我们用分步解读方式来更详细的阐述此方案。

图中：①小波信号采集处理系统； ②现场边缘处理器； ③中央处理器；

④焊接系统 ⑤显示系统；

S1：焊接前，车身就位，焊接系统受到可以焊接信号；

S2：焊接系统记录焊缝编号，并传送该编号至现场边缘处理器；

S3：现场边缘处理器从MES获取工位车辆的VIN码信息，并绑定焊缝编号和车辆VIN码信息，同时，现场边缘处理器预设同一编号的能趋分布标准值（此处能量值为大数据实验验证获得），以便和实际焊接能趋分布形成对比；

S4：焊接系统启动焊接时，将焊接启动信号发送给小波信号采集分析系统，在焊接启动瞬间，小波系统同步启动焊接参数采集,且记录焊接过程电压U、电流I等过程值；

S5：焊接参数值提取完成后，因焊接信号含有较多复杂的背景噪音，实际采集到的信号是非平稳信号，需通过小波处理，将信号在水平和垂直方向进行滤波，实现二维小波多分辨率分解，实现信号从实际信号空间到小波函数空间的映像，最终得到降噪的电压、电流信号。

S6：小波系统将降噪的电压、电流信号传递至现场服务器，现场服务器对电流和电压值进行能趋分布分析，即：焊接过程电压和电流这两个无序的直流信号，其波形距离设定值越接近，波形离散度越小，其能趋分布值越小，若其波形越离散，波形远离设定值概率越高，其能趋分布值越大。

S7：本发明中能趋分布值是通过C语言进行设计，其算法如下：

N=800;

for iz = 1:5

for jt = 1:6

wpt = wpdec（x（：,（iz - 1）*6 + jt）,4,‘db3’）;

for j = 1:2∧4

E(j) = sum(abs(wprcoef(wpt,[4,j – 1])). ∧ 2);

end

E1=sum(E);

dim = length(E);

for j = 1:length(E);

p(j) = E(j)/E1;

end

Shang = -sum(p. * log(p));

XBNPShang(iz,jt) = (100*Shang)/log(N);

end

end

S8：焊接电压、电流能趋分布值计算完成后，处理器比对该能趋分布值与标准能趋分布值关系，低于标准能趋分布值，结果判定为合格，高于标准能趋分布值，结果判定为不合格，详细结果评定关系如下：

S9：现场边缘处理器绑定焊缝质量结果到车型ID中，并显示在现场显示器中，同时会通过信号传输系统传输到中央处理器中，中央处理器对接收信号进行处理，显示在中控显示屏幕中。

与现有技术相比，本方案的有益效果是：现有焊机电源的算法已经集成各电源设计厂商的大数据参数，焊接参数基本为动态调整设计，传统的U-I曲线已不能对现有电源的焊接曲线进行质量评价，本方案能更客观的评价焊接参数的离散情况，且满足实时在线检测的要求，在工业领域具有应用价值。