鋁合金脈沖VPPA焊接電信號的小波分析

春 蘭，韓永全，郭 靜，陳芙蓉

（1.內蒙古工業(yè)大學工程訓練中心，內蒙古 呼和浩特 010051；2.內蒙古工業(yè)大學材料科學與工程學院，內蒙古 呼和浩特 010051）

鋁合金脈沖VPPA焊接電信號的小波分析

春 蘭1，韓永全2，郭 靜2，陳芙蓉2

（1.內蒙古工業(yè)大學工程訓練中心，內蒙古 呼和浩特 010051；2.內蒙古工業(yè)大學材料科學與工程學院，內蒙古 呼和浩特 010051）

焊接過程中采集到的焊接電信號中存在許多噪聲，為了抑制噪聲，提高信噪比，以LabVIEW作為開發(fā)平臺，采用LabVIEW小波濾波方法對所建立的脈沖VPPA焊接系統(tǒng)焊接電信號進行了濾波；并與經典巴特沃茲濾波器濾波結果進行比較。結果顯示，小波分析在信號高頻、突變處有明顯的優(yōu)點，保留了原信號的信息，降低了信號失真。分析電弧功率譜發(fā)現(xiàn)，小波分析在有效抑制了諧波的同時保留了焊接電流中加入的高頻脈沖部分，實現(xiàn)了焊接電信號的還原。

LabVIEW；小波分析；脈沖VPPA

0 前言

變極性等離子弧（Variable Polarity Plasma Arc Welding，VPPAW）穿孔焊工藝是鋁合金中厚板最為理想的焊接工藝，在火箭筒體、鋁合金貯箱、宇宙飛船鋁合金殼體的焊接中得到了廣泛的應用。在厚板鋁合金VPPA焊接電源中疊加低頻脈沖和高頻脈沖會使該焊接工藝優(yōu)勢得到進一步的發(fā)揮。而在焊接電源中加入高、低頻脈沖后，焊接電信號即電弧電壓、焊接電流的變化速度增加，隨之干擾信號帶來的影響也增加。電弧電壓、焊接電流信號通常通過傳感器來獲取，在傳感器檢測過程中存在許多隨機干擾信號，檢測到的信號能否真實反映焊接信號，是控制和焊接過程穩(wěn)定以及保證焊接質量的前提。

焊接信號和噪聲混雜在一起，常用的濾波方法所得到的信號失真嚴重，失去了原信號所攜帶的信息，從而影響了信號的分析與處理。小波濾波能較好地解決了該問題，小波分析作為一種新的數(shù)學工具，目前在信號處理、語音圖像分析、數(shù)據壓縮等眾多方面有顯著發(fā)展，在焊接領域也得到了廣泛的應用，如采用小波分析來完成濾波去噪、焊縫邊緣檢測、缺陷檢測和焊接信號提取等[1]。

因此，有效抑制焊接過程中干擾信號、濾除混雜的噪聲、還原焊接電信號的工作顯得尤為重要。

本研究用labVIEW的小波濾波，對脈沖VPPA焊接電信號進行了濾波，并比較小波濾波與巴特沃茲（Butterworth）濾波器的濾波結果，同時進行了電弧功率功率譜的分析。

1 小波分析原理

小波變換（Wavelet Transform）是一種窗口大小不變、形狀可變，即時間窗和頻率窗都可改變的時頻局部化分析方法。小波變換在高頻部分具有較高的時間分辨率和較低的頻率分辨率，使它具有對信號的自適應性，因而越來越廣泛地被應用于工程實際中[2]。

設信號f（t）是平方可積函數(shù)，即f（t）∈L2（砸），Wf（a，b）≤f（t）

小波變換在時域及頻域中的分辨率可隨頻率變化而變化，其特性如圖1所示[3]。隨a增大，時寬變大，頻寬變小，這對應著局部特性弱，整體性強；隨a減小，時寬減小，頻寬增大，這對應著局部特性加強，整體特性減弱。這就可能實現(xiàn)窗口大小的自適應變化。因此，小波自動適應信號的不同部分，用小窗口觀察信號高頻部分，用大窗口觀察低頻部分，有利于提高時域和頻域分辨率。

小波濾波首先對其帶噪聲的原始信號進行尺度變換，然后在各尺度下盡可能提取出信號的小波系數(shù)同時去除噪聲信號的小波系數(shù)[4]，最后通過小波變換重構信號以達到濾波的目的。小波濾波方法中應用最為廣泛的方法為閾值法[5]，該方法具有計算速度快、對原始信號進行近似最優(yōu)估計、適應性強等特點。

本研究應用了LabVIEW提供的信號處理包，選擇所使用的小波函數(shù)、閾值估計算法、閾值處理方式和分解層數(shù)等，最后將濾波后的數(shù)據保存在二進制文件中，以便后續(xù)的分析使用。

2 脈沖VPPA焊接電信號分析系統(tǒng)

建立了脈沖VPPA焊接系統(tǒng)，原理框圖如圖2所示。系統(tǒng)主要由硬件部分和軟件部分組成。

2.1 硬件部分的設計與實現(xiàn)

脈沖VPPA焊接系統(tǒng)由焊接電源、數(shù)據采集卡、電壓電流霍爾傳感器、計算機組成。脈沖VPPA焊接電源控制核心為80C196KC單片機，該單片機控制的變極性單元可獨立調節(jié)正、反極性電流幅值和時間，電源正、反極性最大輸出電流可達400 A，正極性時間調節(jié)為1～999 ms，反極性時間調節(jié)為1～99ms，在焊接過程可精確控制離子氣流量和焊接速度。該控制系統(tǒng)能在典型VPPA脈沖基礎上輸出高頻脈沖，高頻脈沖頻率1～2kHz；也能輸出低頻脈沖，低頻脈沖頻率1～2 Hz；也能輸出高低頻混合脈沖。

系統(tǒng)采用的數(shù)據采集卡為NI USB-6361，該模塊支持16路模擬輸入通道輸入，2 MS/s（單通道），1 MS/s（多通道），信號輸入范圍-10～+10 V；2路模擬輸出，2.86 MS/s，輸入輸出分辨率均為16位。具有24條數(shù)字I/O線（其中8條為10MHz硬件定時線），4路32位計時器/定時器，針對PWM、編碼器、頻率、事件計數(shù)等。系統(tǒng)采樣頻率300 kHz。

2.2 數(shù)據采集及軟件模塊的實現(xiàn)

軟件部分采用虛擬軟件LabVIEW11.0的編程實現(xiàn)，其中數(shù)據采集部分對試驗參數(shù)進行記錄，并存儲采集的數(shù)據；數(shù)據分析部分將對其進行濾波、頻域分析及功率譜分析。主要對硬件部分所輸出的電信號進行實時采集、信號的轉換和存儲，并對信號進行分析處理。系統(tǒng)數(shù)據采集程序如圖3所示。

3 焊接電信號的小波分析

本研究對于同一個焊接電流信號采用不同的濾波方法進行了濾波，并比較結果。

首先在LabVIEW軟件環(huán)境下建立了具有巴特沃茲濾波器的濾波模塊。該濾波器需要設置采樣頻率fs、高截止頻率fh和低截止頻率fl等參數(shù)，隨著設定參數(shù)的不同，濾波后得到的波形也不同。其中采樣頻率的設置較為關鍵，若采樣頻率過高，信號失真嚴重；采樣頻率過低，采集不到信號，圖4為設置采樣頻率分別為50Hz和500Hz時濾波后電弧電壓和電流的波形。焊接電流參數(shù)為在典型VPPA基礎上加入1 kHz的高頻脈沖，正極性平均電流150 A，反極性平均電流190 A。

由圖4可知，隨著巴特茲沃濾波器采樣頻率的增加，濾波輸出的焊接電流嚴重失真。當fs=50 Hz時濾波效果較好，保留了原信號的基本形狀，但出現(xiàn)了信號滯后現(xiàn)象，且采樣頻率越高滯后現(xiàn)象越嚴重。濾波后波形在信號突變處，如原始電流在t=0.01985s處，電流值為145.173A，而濾波后的值為168.079A，使信號變得“模糊”，突變信號經過濾波后變得光滑，失去了一些原信號所攜帶的信息。

由于小波濾波具有自適應時—頻域局部化的功能，能夠有效區(qū)分信號的低頻有用信息和高頻無用噪聲，可以達到消除噪聲的作用。實際工程中信號大部分是離散形式的時域信號，所以本研究選用了離散小波變換，采用軟閾值方法，小波函數(shù)為db04，分解層數(shù)為4，程序框圖如圖5所示。采用所設定好的小波，對焊接電流進行濾波后所得到的波形如圖6所示。焊接電流的參數(shù)同上。

由圖6可知，小波濾波后信號沒有出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。與圖4相比較，在電流信號突變處，即t=0.019 85 s處，濾波后電流值為139.701 A，小波濾波仍然保留了原信號的信息，而并沒有直接光滑的過渡。

通過濾波后的信號可以發(fā)現(xiàn)兩種濾波器濾波結果有所區(qū)別，但不能好地揭露信號特征上的一些信息，因此需要在頻域范圍內做進一步的研究。焊接過程是個熱過程，具有較大的慣性，影響焊接質量的焊接條件或狀態(tài)變化往往要持續(xù)一段時間，因而會較多反應在信號統(tǒng)計特征的變化上[4]。功率譜是一種常用的信號統(tǒng)計分析方法。比較功率譜的過程中發(fā)現(xiàn)，兩種濾波器濾波后信號功率譜區(qū)別較明顯的是電弧功率功率譜，因此對所濾波信號進行了電弧功率的功率譜分析，分析結果如圖7所示。

從圖7a可以得出巴特沃茲濾波器濾波后電弧功率功率譜諧波組成如表1所示。同理，小波濾波后電弧功率功率譜諧波組成如表2所示。

比較表1、表2可知，巴特沃茲濾波后基波功率比小波分析降低了1 468.24 W，而功率譜3、4、5、6次諧波都比小波濾波諧波高。在加入的高頻脈沖1 kHz頻率處，巴特沃茲功率譜為3 102.72 W，而小波功率譜為6 264.08 W。因此，可以看出小波濾波后有效抑制了原始信號所攜帶的諧波，而且保留了原始信號中包含的高頻脈沖。

4 結論

（1）建立了脈沖VPPA焊接系統(tǒng)，包括硬件部分與軟件部分的設計。硬件部分將對信號進行采集，并通過數(shù)據采集卡對信號進行A/D轉換，將信號傳送給計算機；軟件部分通過lab VIEW虛擬軟件平臺，對采集到的信號進行了存儲和分析。

（2）對焊接電信號的濾波分析發(fā)現(xiàn)，小波濾波與巴特沃茲濾波器相比較在信號突變處有明顯的優(yōu)點，保留了原信號的突變信息。

（3）對其焊接信號進行了小波分析，從電弧功率譜分析發(fā)現(xiàn)，小波分析有效抑制了諧波的同時保留了原信號所包含的高頻脈沖信號，降低了信號的失真。

[1]屈岳波，洪 波，潘際鑾，等.基于MATLAB的CO2電流信號處理建模及仿真[J].焊接學報，2007，8（1）：101-104.

[2]胡福仁，王國榮，石永華，等.lab VIEW平臺中利用小波分析實現(xiàn)焊接電流信號的去噪[J].電焊機，2008，39（5）:46-49.

[3] 洪 波，袁 燦，潘際鑾，等.電弧傳感器小波信號處理系統(tǒng)[J].焊接學報，2005，26（1）：61-68.

[4] 玗石 ，黃健康，聶 晶，等.電弧聲與鋁合金脈沖MIG焊熔滴過渡的相關性[J].焊接學報，2009，30（3）：29-32.

[5]李 巍.lab VIEW實現(xiàn)的小波變換及其在濾波中的應用[J].國外電子測量技術，2010，29（3）：11-14.

[6]曾松盛，石永華，王國榮.基于lab VIEW的小波濾波及焊接電信號處理[J].計算機工程與應用，2008，44（25）：242-245.

[7]孫金立，肖興明，馬 馳，等.用lab VIEW的小波工具處理超聲信號的噪聲[J].青島大學學報（工程技術版），2005，20（4）：57-60.

[8]劉院芳，楊先麟.小波變換的Mallat算法在lab VIEW中的實現(xiàn)[J].國外電子測量技術，2006，25（9）：45-47.

Wavelet analysis for electrical signals of aluminum alloy pulse VPPAW

CHUN Lan1，HAN Yong-quan2，GUO Jing2，CHEN Fu-rong2
（1.The Engineering Training Center of Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010051，China；2.School of Materials Science and Engineering of Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010051，China）

It was a complex process and contained many noise signals in welding process.For restraining noise and improving signalto-noise ratio，welding electrical signals of the pulse VPPAW system were filtered using wavelet filtering method of lab VIEW as the development platform and the filtering effect were compared with classical Butterworth filter.The results shows the wavelet analysis has obvious advantages in high frequency and mutation and retains the original signal’s information so can reduce the signal distortion.It was discovered from the arc power spectrum that wavelet analysis restrains the harmonic effectively，meanwhile retains the high frequency pulse of welding current，and restoring welding signal was achieved.

LabVIEW；wavelet analysis；pulse VPPA

TG403

：A

：1001-2303（2014）02-0056-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2014.02.12

2014-01-06

內蒙古工業(yè)大學科學研究項目（X201343）

春 蘭（1980—），女，蒙古族，內蒙古人，講師，在讀博士，主要從事變極性等離子焊接及焊接質量控制的研究。