基于電弧聲信號特征MIG焊熔透狀態(tài)模式識別.pdf

1、電弧聲作為焊接過程伴生物之一，并不為人們所希望，卻又無法避免，其本質(zhì)是頻率介于20～20kHz之間的氣載振動信號。實(shí)際上，有經(jīng)驗(yàn)的焊工憑借耳聽并結(jié)合個人經(jīng)驗(yàn)就可以大致判斷焊縫成形質(zhì)量以及焊接過程的穩(wěn)定性。由此可見，電弧聲中必然蘊(yùn)藏著焊接過程中相關(guān)狀態(tài)變化的信息。本文主要針對焊接過程熔透狀態(tài)的模式識別，以MIG焊平板對接射流過渡過程電弧聲為研究對象，采用現(xiàn)代數(shù)字信號處理與分析技術(shù)，探尋了電弧聲與熔透狀態(tài)的相關(guān)性，在此基礎(chǔ)上抽取和量化了可表

2、征熔透狀態(tài)的電弧聲信號特征，構(gòu)造其聯(lián)合特征向量，并采用主成分分析（PCA）進(jìn)行特征空間的降維壓縮。利用BP、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等機(jī)器學(xué)習(xí)模型，建立了電弧聲與熔透狀態(tài)間的映射模型。測試結(jié)果表明，利用電弧聲信號進(jìn)行焊接過程熔透狀態(tài)的分類識別是可行的。論文工作主要包括以下內(nèi)容： 在已有數(shù)采硬件平臺基礎(chǔ)上，基于圖形化虛擬儀器編程語言LabVIEW，通過封裝功能模塊及調(diào)用硬件驅(qū)動的動態(tài)鏈接程序，開發(fā)了一套采用中斷觸發(fā)方式進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)采集存盤，

3、集用戶身份驗(yàn)證、實(shí)驗(yàn)參數(shù)記錄、采集參數(shù)配置、歷史波形回顯、信號降噪和特征提取于一體的軟件系統(tǒng)。 利用短時傅里葉變換（STFT）和小波分析（WT）等多種信號分析方法對電弧聲信號與焊接過程熔透狀態(tài)的相關(guān)性進(jìn)行了研究，試圖從信號分析角度豐富對焊接過程的認(rèn)識。分析表明，采用db04小波對電弧聲進(jìn)行4層小波降噪，在保證信號不失真的前提下，可有效消除夾雜在原信號中的高頻噪聲；電弧聲的功率譜主要分布在7.5kHz以下范圍內(nèi)，波形包絡(luò)相對集中，

4、其中1.5kHz～4.5kHz頻率段信號能量的變化可以準(zhǔn)確地反映出焊接過程熔透狀態(tài)的改變。由此看來，電弧聲與焊接過程熔透狀態(tài)密切相關(guān)，并給出了其能量和頻譜特性隨熔透狀態(tài)變化的解釋。 借助于短時加窗技術(shù)，分別從時域、頻域、倒譜域和幾何域提取電弧聲特征，包括信號短時能量En、短時平均幅度Mn、短時平均過零率Zn、短時零能比ZERn、短時功率譜Pn、線性預(yù)測（LP）系數(shù){a1}、峰度系數(shù)KU、標(biāo)準(zhǔn)Mel頻率倒譜系數(shù)（MFCC）及其一階

5、差分△MFCC、二階差分△△MFCC。綜合小波包頻帶能量特征Ek5，構(gòu)建了電弧聲信號的60維聯(lián)合特征向量AT，并對其進(jìn)行PCA分析，克服了特征參數(shù)之間的多重相關(guān)性，實(shí)現(xiàn)了原始特征空間的降維處理。 以PCA降維后的10維電弧聲聯(lián)合特征為輸入向量和熔透狀態(tài)（未熔透、稍微熔透、熔透、稍微過熔透和過熔透）為目標(biāo)輸出，通過構(gòu)造訓(xùn)練、測試樣本集，分別建立了電弧聲到熔透狀態(tài)的BP和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)映射模型，實(shí)現(xiàn)了對MIG焊接過程熔透狀態(tài)的識別與