电弧焊焊接缺陷实时检测方法及系统与流程

电弧焊焊接缺陷实时检测方法及系统
【技术领域】
1.本发明涉及焊接缺陷实时检测技术领域，具体地说，是一种电弧焊焊接缺陷实时检测方法及系统。


背景技术：

2.焊接在现代制造业中是一个重要的工艺过程，在多种不同的焊接方式中，电弧焊应用广泛，是最常用的工艺之一，约占焊接生产总量的60％。其工作原理是通过电弧将电能转化为热能并供给焊接使用，从而将金属连接。具体来说，电弧焊是一种利用电弧为热源的熔焊方法，简称弧焊，按工艺大致可分为：钨极气体保护电弧焊(gtaw)、熔化极气体保护电弧焊(gmaw)、埋弧焊(saw)等。电弧焊有如下特点：(1)电弧焊会在金属焊丝和焊材之间形成一道电弧，以熔化金属完成焊接；(2)通常焊接区域需要被保护气体所保护，常用的保护气体有氩气、二氧化碳等；(3)焊接气孔是电弧焊工艺中比较常见的焊接缺陷。电弧焊过程中，焊接缺陷是一个会影响焊缝品质以至于工件整体性能的首要问题，而针对焊接缺陷的实时检测，至关重要。
3.目前针对电弧焊的焊接缺陷检测方法，以焊后检测为主，焊后检测设备如超声探伤仪，价格较为高昂，同时无法满足实时性、预测性等工业4.0生产要求，且有较高的人工成本。虽然部分工艺中使用激光传感器或红外热像仪的实时检测解决方案，依然存在解决方案成本高和抗干扰能力不足的缺点。因此，为了让实时检测技术在电弧焊焊接缺陷检测领域大规模普及，一种低成本且有效的缺陷检测方案是本领域中的关键难题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种电弧焊焊接缺陷实时检测方法及系统，通过电压传感器实时采集焊接过程中的焊接电压，并对焊接电压数据进行分布曲线拟合处理和特征值提取，基于阈值告警方式针对焊接缺陷实现实时检测和预警，可实现检测过程的自动化运行，提高了焊接缺陷检测的准确性和实时性，同时节省了时间和人力成本。
5.本发明的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本发明的实践而习得。
6.第一方面，本发明提供了一种电弧焊焊接缺陷实时检测方法，包括以下步骤：
7.步骤一，采集一组电弧焊焊接过程中的焊接电压数据组；
8.步骤二，利用概率分布曲线分别计算所述焊接电压数据组的至少一种特征值；
9.步骤三，判断所述特征值是否小于预设阈值，如果任一特征值小于所述预设阈值，则所述焊接电压数据组对应的焊缝存在焊接缺陷，发出实时警报；如果所有特征值均不小于预设阈值，则重复步骤一至步骤二。
10.优选地，所述特征值包括概率分布曲线的偏度、峰度或低频区间频谱密度中的至少一类数值。
11.优选地，所述步骤二还包括构建焊接电压数据的概率分布曲线，包括以下步骤：
12.对一组焊接电压数据按照从小到大的数值顺序依次排序；
13.对排序后的数据组按照数据值范围等间隔分成若干数值区间；
14.依次统计每个所述数值区间内焊接电压数据出现的频率。
15.优选地，所述预设阈值的计算方法包括：
16.采集若干组已知正常无缺陷焊缝在电弧焊焊接过程中的焊接电压数据组；
17.将每一组所述焊接电压数据组内的数据按照从小到大的数值顺序依次排序，并等间隔分成若干数值区间；
18.依次统计每个所述数值区间内焊接电压数据出现的频率，分别构建每一组所述焊接电压数据组的概率分布曲线；
19.根据所述概率分布曲线分别计算每一组所述焊接电压数据组的特征值，计算所有特征值的平均值和方差，并代入阈值计算公式：threshold＝μ nσ，其中，threshold表示为电弧焊焊缝缺陷阈值，μ表示为正常无缺陷焊缝数据组特征值的平均值，σ表示为正常无缺陷焊缝数据组特征值的方差，n表示为变量，取值范围为大于1的正整数。
20.优选地，所述采集焊接电压数据组的步骤包括：
21.自定义数据读取周期；
22.根据所述数据读取周期读取并联至电弧焊焊机电路中的电压传感器的数据值。
23.优选地，所述步骤二至三替换为：
24.构建所述焊接电压数据组的概率分布曲线；
25.判断在所述焊接电压数据组的数值范围内，所述概率分布曲线的波峰数量是否为1，如果是，则该焊接电压数据组所对应的焊缝为正常无缺陷焊缝，重复采集下一组焊接电压数据组；如果否，则所述焊接电压数据组对应的焊缝存在焊接缺陷，发出实时警报。
26.第二方面，本发明提供了一种电弧焊焊接缺陷实时检测系统，所述系统包括：
27.数据采集模块，用于采集一组电弧焊焊接过程中的焊接电压数据组；
28.数据处理模块，用于构建概率分布曲线，并利用概率分布曲线分别计算所述焊接电压数据组的至少一种特征值；
29.缺陷检测模块，用于比较特征值与预设阈值的大小，根据比较结果判断所述焊接电压数据组所对应的焊缝中是否存在气孔缺陷。
30.优选地，
31.所述系统还包括：阈值计算模块，用于计算已知正常无缺陷焊缝在电弧焊焊接过程中的焊接电压数据组的特征值。
32.优选地，所述数据处理模块包括：
33.曲线拟合单元，用于对一组焊接电压数据按照数值大小顺序进行区间分隔，构建概率分布曲线；
34.曲线分析单元，用于分析概率分布曲线，根据曲线分布特征计算焊接电压数据组的特征值。
35.第三方面，本发明提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如上述第一方面中任一所述的电弧焊焊接缺陷实时检测方法。
36.本发明优点在于：
37.1、本发明通过并联在焊机中的电压传感器采集到的焊接电压数据组提取特征值，判断焊缝中有无焊接缺陷，实际获取数据更加稳定，并且测量电压仅需要将电压传感器并联在焊机正负极上，周期性读取电压数据，配件接入成本低，可采集的数据量丰富，电压数据的噪声更小；
38.2、本发明通过对焊接电压数据进行处理，构建概率分布曲线，提取特征值，进而利用阈值告警方式实现焊缝实时检测和预警，其中，概率分布曲线的偏度、峰度或低频区间频谱密度、波峰数量等数据为经过一定的实验对比与工业现场测试得到的宝贵数据，提取的概率分布曲线的偏度、峰度或低频区间频谱密度、波峰数量等特征值为经实验测试验证所得的适用于焊接缺陷检测的最佳特征。
39.3、本发明取代了传统的检测方法所需的人工，也无需焊后检测的特种设备或在线检测的激光传感器、红外热像仪等，极大地降低了电弧焊焊接缺陷检测的成本。
【附图说明】
40.为了更清楚地说明本发明实施例或现有的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
41.附图1是本发明电弧焊焊接缺陷实时检测方法在一实施例中的流程示意图；
42.附图2是本发明电弧焊焊接缺陷实时检测方法在另一实施例中的流程示意图；
43.附图3是本发明电弧焊焊接缺陷实时检测系统在一实施例中的示意框图；
44.附图4是本发明电弧焊焊接缺陷实时检测方法及系统在一实施例中数据采集模块的电路示意图；
45.附图5是正常焊缝和有缺陷焊缝的概率分布曲线对比图。
【具体实施方式】
46.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例及相应的附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
47.本发明的电弧焊焊接缺陷实时检测方法及系统，主要用于对电弧焊的焊缝品质进行实时检测，通过对焊接操作过程中电压传感器采集到的电压数据进行线上处理，提取数据分别特征值，通过特征值与阈值对比警告实现对焊接焊缝缺陷的实时线上预测分析，不需要将数据下载到本地后进行焊后分析检测，由此可以实现检测过程的自动化周期性运行。
48.参照附图1所示本实施例中的本发明电弧焊焊接缺陷实时检测方法的流程示意图，包括以下步骤：
49.步骤一、采集一组电弧焊焊接过程中的焊接电压数据组。
50.实际应用中，通过将电压传感器并联到电弧焊操作设备的电路中，通过读取电压传感器的数值，采集一个检测周期内的焊接电压数据。参照附图4所示的数据采集模块所对
应的硬件设备电路示意图，在焊机负极与焊接操作台电路连接，焊机正极与焊接机器人电路连接，为了获得噪声更小的数据，直接将电压传感器并联在焊机正负极上，用于采集焊接过程中的焊接电压数据信息存储到线上数据库中，具体的，本步骤中数据采集的过程可具体包括：将电压传感器的信号采集频率设定为不低于1000hz，即1秒钟1000次，同时将从传感器中读取数据的频率为设置为1hz，即自定义数据读取周期为1s，每次读取一个周期(1s)内电压传感器采集到的全部焊接电压数据，构成焊接电压数据组实时存储到数据库进入后续的数据处理步骤，或者是按照数值大小顺序将采集到的全部焊接电压数据存储到一个数据组内。
51.步骤二、利用概率分布曲线分别计算所述焊接电压数据组的至少一种特征值。
52.本步骤主要是对步骤一中采集的焊接电压数据组进行处理，在一个数据读取周期内，每一组电压数据中包括多个数值，采用概率分布曲线的计算方式计算提取该组焊接电压数据的特征值。本实施例中所提取的特征值包括概率分布曲线的偏度、峰度或低频区间频谱密度中的至少一类数值。需要说明的是，在提取特征值之前，可以采用如下方法构建焊接电压数据的概率分布曲线，包括以下步骤：
53.s21.对存储在同一组的焊接电压数据按照从小到大的数值顺序依次排序，通常存储在同一组的数据即为一个周期内采集到的全部数据；
54.s22.对排序后的数据组按照数据值范围等间隔分成若干数值区间；
55.s23.依次统计每个所述数值区间内焊接电压数据出现的频率。
56.由此得到概率分布曲线，发明人根据多组实验数据观察统计分析，使用上述方法得到的概率分布曲线，正常无缺陷焊缝所对应的焊接电压数据与有缺陷焊缝所对应的焊接电压数据，体现在曲线上的分布差异表现较为明显，通常正常无缺陷焊缝所对应的焊接电压数据的曲线，在该组数据对应的数值范围内仅有一个波峰，而有缺陷焊缝所对应的焊接电压数据的曲线，在该组数据对应的数值范围内有两个波峰，因此可以通过计算偏度与峰度这两个统计值作为用于检测焊缝的特征值。
57.步骤三、判断所述特征值是否小于预设阈值，如果任一特征值小于所述预设阈值，则所述焊接电压数据组对应的焊缝存在焊接缺陷，发出实时警报；如果所有特征值均不小于预设阈值，则重复步骤一至步骤二。这里的预设阈值通过实验结果预先设定，且阈值类型与特征值类型一致，例如：当选择偏度作为特征值时，阈值是通过已知正常无缺陷焊缝的数据计算得到的偏度值；当选择峰度作为特征值时，阈值是通过已知正常无缺陷焊缝的数据计算得到的峰度值。
58.本实施例中采用预设阈值的计算方法包括以下具体步骤：
59.s31.对于已经通过现有的焊后检测方式或其他检测方式确知无气孔缺陷焊缝，读取其在电弧焊焊接过程中电压传感器采集到的焊接电压数据组。
60.s32.将每一组所述焊接电压数据组内的数据按照数值从小到大的顺序依次排序，并等间隔分成若干数值区间。
61.s33.依次统计每个所述数值区间内焊接电压数据出现的频率，分别构建每一组所述焊接电压数据组的概率分布曲线。
62.s34.根据所述概率分布曲线分别计算每一组所述焊接电压数据组的特征值，计算所有特征值的平均值和方差，并代入阈值计算公式：threshold＝μ nσ，其中，threshold表
示为电弧焊焊缝缺陷阈值，μ表示为正常无缺陷焊缝数据组特征值的平均值，σ表示为正常无缺陷焊缝数据组特征值的方差，n表示为变量，取值范围为大于1的正整数。
63.此处，特征值的类型与步骤二中所描述的特征值所包含的类型相同，故不再赘述。
64.参照附图2所示实施例中的本发明电弧焊焊接缺陷陷实时检测方法的流程示意图，本例中，在对电弧焊焊接缺陷进行实时检测之前，首先计算相同焊接参数设定下的预设阈值，包括以下步骤：
65.步骤101.通过电压传感器采集若干已知正常无缺陷焊缝在焊接过程中的焊接电压数据组。
66.步骤102.分别计算焊接电压的时域特征和频域特征，此实施例中时域特征为概率分布曲线的偏度与峰度，频域特征为低频区间频谱密度，时域特征和频域特征皆为经实验测试所得的适用于焊接缺陷检测的最佳特征。
67.步骤103.使用已知是正常无缺陷焊缝的焊接电压数据组提取的特征值计算焊接缺陷检测阈值。
68.步骤104.通过电压传感器实时采集与上述阈值计算相同焊接参数设定下的机器人焊接过程中的焊接电压数据组。
69.步骤105.分别计算焊接电压数据组的时域特征和频域特征。
70.步骤106.判断实时采集的电压数据组的时域特征和频域特征是否小于检测阈值，具体的，可以仅将时域特征与检测阈值进行对比，对应的，时域特征的数值类型和检测阈值的数值类型相同；可以仅将频域特征与检测阈值进行对比，对应的，频域特征的数值类型和检测阈值的数值类型相同；还可以计算两个检测阈值，分别对应时域特征的数值类型和频域特征的数值类型，此时，时域特征和频域特征要同时不小于对应的检测阈值，才能判定对应段焊缝不存在焊缝缺陷，否则，时域特征和频域特征任一小于检测阈值，都判定为所述焊接电压数据组对应的焊缝存在焊接缺陷，发出实时警报。
71.在另外一个可行的实施例中，本发明电弧焊焊接缺陷陷实时检测方法还可以通过以下具体步骤实现：
72.步骤201.采集一组电弧焊焊接过程中的焊接电压数据组，采集数据的方式与上述实施例相同，此处不再赘述。
73.步骤202.构建所述焊接电压数据组的概率分布曲线，构建概率分布曲线的方式与上述实施例相同，此处不再赘述。
74.步骤203.判断在所述焊接电压数据组的数值范围内，所述概率分布曲线的波峰数量是否为1，如果是，则该焊接电压数据组所对应的焊缝为正常无缺陷焊缝，重复采集下一组焊接电压数据组；如果否，则所述焊接电压数据组对应的焊缝存在焊接缺陷，发出实时警报。
75.为了使本发明的技术方案更加清楚，以下结合附图5所示的概率分布曲线对比图和具体实施案例对本发明的实际应用中进行详细解释。
76.采用概率分布曲线的计算方式计算焊接电压数据组的特征值，其过程是将采集到的焊接电压数据组，在其数据值范围内分成等间隔的细小区间，依次统计每个区间数据出现的频率，即数据组中数据值在当前区间范围内的数据个数，由此得到概率分布曲线。
77.实际应用中，上述数值范围即采集到的数据组的值域，在同一焊接参数设定下数
值范围相同，不同焊接工艺参数设定下采集到的数据组的数据值范围不同，通常该范围与输入电压有关，本实施例中附图5所示的曲线所对应的测试时使用的数据组的数据值范围是40～70v。在对数据组进行区间分隔时，区间分隔的数量和间隔成反比关系，即固定的数据值范围下，区间的间隔越大，分隔的数量越少，经实验本例中最佳的区间间隔设定为0.4v，因此最佳的分割数量为175个区间。
78.按照上述概率分布曲线构建方式，如附图5所示出的是同一焊接参数设定下采集到的四组不同电弧焊焊缝段的电压数据组所对应的四条不同概率分布曲线：20号曲线、30号曲线、60号曲线和71号曲线，其中20号曲线和30号曲线为正常无缺陷焊缝在电弧焊焊接过程中的焊接电压数据组所对应的概率分布曲线，60号曲线和71号曲线为出现缺陷的焊缝电压数据组所对应的概率分布曲线，每条曲线均代表1秒钟采集到的数据组。在40～70v的范围内，正常无缺陷焊缝所对应的概率分布曲线有一个波峰，而有缺陷的焊缝所对应的概率分布曲线有两个波峰，实际计算出来20号曲线、30号曲线、60号曲线和71号曲线依次对应的概率分布曲线的偏度值分别为：0.5394，0.3100，0.0302，0.0864。基于所述阈值设定方法计算所得的阈值，再经过调整后为0.1，将四条概率分布曲线的偏度值与阈值进行对比，若小于阈值则判定为有焊接缺陷，因此60号和71号曲线对应的焊缝可判定为有缺陷的焊缝。
79.基于与本发明弧焊焊接缺陷实时检测方法的上述各个实施例相同的构思，下面对本发明实施例提供的弧焊焊接缺陷实时检测系统进行介绍，下文描述的弧焊焊接缺陷实时检测系统与上文描述的弧焊焊接缺陷实时检测方法可相互对应参照。请参考图3示出的本发明弧焊焊接缺陷实时检测系统在一实施例中的示意框图，如附图3所示本实施例中的弧焊焊接缺陷实时检测包括：数据采集模块、数据处理模块和缺陷检测模块。
80.其中，数据采集模块，用于采集一组电弧焊焊接过程中的焊接电压数据组；数据处理模块，用于构建概率分布曲线，并利用概率分布曲线分别计算所述焊接电压数据组的至少一种特征值；缺陷检测模块，用于比较特征值与预设阈值的大小，根据比较结果判断所述焊接电压数据组所对应的焊缝中是否存在气孔缺陷。
81.在一个优选的实施例中，本发明弧焊焊接缺陷实时检测系统还包括一阈值计算模块，用于计算已知正常无缺陷焊缝在电弧焊焊接过程中的焊接电压数据组的特征值。
82.进一步的实施例中，所述数据处理模块包括：曲线拟合单元和曲线分析单元，其中，曲线拟合单元，用于对一组焊接电压数据按照数值大小顺序进行区间分隔，构建概率分布曲线；曲线分析单元，用于分析概率分布曲线，根据曲线分布特征计算焊接电压数据组的特征值。实际应用中，为了实现阈值告警，所述缺陷检测模块包括：判断单元、结果分析单元和预警单元，其中，所述判断单元，用于比较特征值与预设阈值的大小，得出比较结果；所述结果分析单元，用于根据特征值与预设阈值的比较结果判断所述焊接电压数据组所对应的电弧焊焊缝中是否存在焊接缺陷；所述预警单元，用于对被判定为焊缝存在焊接缺陷的情况，向焊接操作的机器端发出实时警报。
83.本实施例的电弧焊焊接缺陷实时检测系统用于实现前述的电弧焊焊接缺陷实时检测方法，因此，电弧焊焊接缺陷实时检测系统所对应的具体实施方式可参考前文中的电弧焊焊接缺陷实时检测方法的实施例部分，在此不再赘述。
84.本发明实施例还提出了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储一个或多个程序，该一个或多个程序包括指令，该指令当被包括多个应用程序的电子设备执
行时，能够使该电子设备执行本发明任一实施例中提供的电弧焊焊接缺陷实时检测方法。
85.上述实施例阐明的系统、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。
86.为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元或模块分别描述。当然，在实施本发明时可以把各单元或模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
87.本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
88.本发明是参照根据本发明实施例的方法和系统的流程图和方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和方框图中的每一流程和方框、以及流程图和方框图中的流程和方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图中一个流程或多个流程和方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
89.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
90.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
91.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
92.本发明中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
93.以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。