基于經驗小波變換的磁控埋弧焊焊縫跟蹤信號分析方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于磁控埋弧焊電弧傳感器焊接信號處理的焊接自動化技術領域，具體涉 及一種基于經驗小波變換的磁控埋弧焊焊縫跟蹤信號分析方法。
【背景技術】
[0002] 磁控埋弧焊焊接電弧是一種典型的非線性非平穩的時變負載。隨著焊接過程的進 行，電弧負載的燃燒狀況，以及與之密切相關的熔滴過渡過程均會發生變化。這些變化在 焊接過程電信號的時域和頻域上均會有所體現。
[0003] 非線性非平穩信號的分析、處理以及特征提取問題一直是學術和工程界關注的 熱點問題之一，研究非平穩信號常用方法有窗口傅里葉變換，連續小波變換，經驗模態分 解（EMD)，局部均值分解（LMD)以及經驗小波變換（EWT)，其中EWT(empiricalwavelet transform)是Gilles結合EMD的自適應性和小波分析的理論框架，提出的一種新的自 適應信號處理方法即經驗小波變換，該方法的核心思想是通過對信號的頻譜進行自適應劃 分，構造合適的正交小波濾波器組以提取具有緊支撐傅里葉頻譜的AM-FM成分，然后，對 提取出的AM-FM模態進行Hilbert變換，得到有意義的瞬時頻率和瞬時幅值，進而可以得 Hilbert譜，由于EWT是在小波框架下建立的方法，故其理論充分且其計算量遠小于傳統 的EMD方法，而且可以解決由于焊接信號極值點太少及包絡信號不完全的情況下無法實現 LMD分解的缺點。
[0004] 本發明針對磁控埋弧焊跟蹤信號非線性，不平穩及常用濾波方法難以濾除其相近 低頻干擾信號的缺點，提出一種基于經驗小波變換（EWT)的磁控埋弧焊焊縫跟蹤信號分析 方法，該方法繼承了EMD分解與小波變換各自的優點，其首先分解出電弧跟蹤信號的固有 模態，而后在頻域自適應地構造帶通濾波器組從而構造正交小波函數，最終提取具有緊支 撐傅立葉頻譜的調幅-調頻（AM-FM)成分，將此方法用于埋弧焊磁控電弧傳感器焊縫跟蹤 平臺信號分析中，提取出了更精確的焊縫跟蹤信號，并通過實驗驗證了此方法的有效性及 精確性。同時分析了相近低頻噪聲的信息，為進一步的信號處理及跟蹤系統的優化提供了 理論依據。

【發明內容】

[0005] 本發明的目的在于解決現有的硬件濾波不完全，小波濾波方法難以濾除焊縫跟蹤 信號相近低頻干擾信號，以及EMD分解收斂條件不合理、過包絡和欠包絡等易出現模態混 疊的問題。
[0006] 為實現上述目的，本發明提供一種基于經驗小波變換的磁控埋弧焊焊縫跟蹤信號 分析方法。
[0007] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：首先磁控埋弧焊焊縫跟蹤傳感器 控制電弧擺動以進行焊縫坡口掃描，由霍爾傳感器采集原始信號，對原始信號進行硬件濾 波處理；其次采用經驗小波變換信號分析方法對硬件濾波后的跟蹤信號進行低頻信號的 分析，根據跟蹤信號的Fourier譜特性自適應地選擇一組小波濾波器組來提取信號的不同AM-FM成分，得到信號的經驗模態（AM-FM);最后對每個經驗模態函數進行Hilbert變換， 得到有意義的瞬時信號特征，進而得到Hilbert譜，將得到的瞬時信號特征進行重新構造 和頻譜分析，提取出更精確的焊縫跟蹤信號，同時得到其他低頻干擾信號信息。
[0008]自適應性選擇小波濾波器組來提取信號的不同AM-FM成分，其至關重要的一點 是傅里葉頻譜的分割，其特征是：在轉換硬件濾波信息之后，對焊縫跟蹤信號的Fourier譜 進行自適應地分割，分割方法是確定跟蹤信號的振幅比a，分析焊縫跟蹤信號包含的熔滴 過渡信號以及其它主要低頻干擾信號的個數，然后依據Gilles提出的一種確定N值的閾值 方法，令大于閾值的極大值點個數為N，并取前N個最大的極大值點求出邊界，最終確定焊 縫跟蹤信號傅里葉自適應分割的邊界條件。
[0009] 自適應性選擇小波濾波器組來提取信號的不同AM-FM成分，并對每個經驗模態 函數進行行Hilbert變換其特征是：確定了跟蹤信號的邊界值后，采取類似于傳統的小波 變換方法來定義經驗小波變換，進而確定細節系數以及經驗模態函數，在此基礎上根據磁 控埋弧焊焊縫跟蹤信號低頻干擾嚴重的特征，選取了最優小波基組，進而在對不同焊縫跟 蹤信號進行變換時自適應的在最優小波基組里選取一組最優小波基，同時根據確定的邊界 值確定經驗模態分解的個數，并作出相應的頻譜分析，最終得到跟蹤信號與各干擾信號的 特征。
[0010] 本發明的有益效果是：該方法很好的針對焊縫跟蹤信號低頻信號的干擾，提取出 與理論接近的正弦信號波形，相比普通的小波濾波，其不僅成功提取出了精確的焊縫跟蹤 波形，同時也分析出了與主頻相近的其它低頻干擾信息。
【附圖說明】
[0011] 圖1為本發明原始焊接電壓波形圖。
[0012] 圖2為本發明硬件濾波電壓波形圖。
[0013] 圖3為本發明硬件濾波電壓頻譜圖。
[0014]圖4為本發明基于經驗小波變換方法對硬件濾波信號分析結果。
[0015]圖5為本發明經驗小波變換波形頻譜圖。
【具體實施方式】
[0016] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細的描述，但不限定本發明。
[0017] 1.首先磁控埋弧焊焊縫跟蹤傳感器控制電弧擺動以進行焊縫坡口掃描，由霍爾傳 感器采集原始信號如圖1，然后對磁控埋弧焊焊縫跟蹤電弧的初級采樣信號進行硬件濾波 處理，采樣信號如圖2所示，是使用虛擬示波器Ds〇2904_512采集到的經過硬件濾波之后的 電壓信號，圖3是采樣信號硬件濾波后的頻譜分析圖。
[0018] 其次采用經驗小波變換信號分析方法對硬件濾波后的跟蹤信號進行低頻信號的 分析，根據跟蹤信號的Fourier譜特性自適應地選擇一組小波濾波器組來提取信號的不同 AM-FM成分，得到信號的經驗模態（AM-FM)。
[0019] 最后對每個經驗模態函數進行Hilbert變換，得到有意義的瞬時信號特征，進而 得到Hilbert譜。將得到的瞬時信號特征進行重新構造和頻譜分析，提取出更精確的焊縫 跟蹤信號，同