專利名稱：用于控制工業(yè)過程特別是激光焊接過程的質(zhì)量的方法

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種用于控制工業(yè)過程的質(zhì)量的方法，包括步驟為工業(yè)過程提供一個或多個參考信號；獲取表示所述工業(yè)過程的質(zhì)量的一個或多個實(shí)際信號；和比較所述一個或多個參考信號與所述一個或多個實(shí)際信號，以鑒別在所述工業(yè)過程中的缺陷。
由于其對工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量分析的影響，監(jiān)視工業(yè)過程中的缺陷呈現(xiàn)出日益增長的經(jīng)濟(jì)重要性。在線和實(shí)時地對工業(yè)過程的質(zhì)量進(jìn)行評定不但從經(jīng)濟(jì)的角度、而且從處理速度的角度都可能具有許多優(yōu)勢。因此，系統(tǒng)的理想特征為在線和實(shí)時的處理；和能夠精確地識別產(chǎn)品中的主要缺陷。
當(dāng)前通過熟練的技術(shù)人員離線地進(jìn)行檢測、或通過使用自動方法來處理工業(yè)過程質(zhì)量的識別、并接著鑒別缺陷的問題，其通過傳感器只能鑒別上面所列的某些缺陷，這種方式遠(yuǎn)不能滿足需求，并且對機(jī)器的不同設(shè)置比較敏感。
現(xiàn)存一些用于控制工業(yè)過程中質(zhì)量的已知方法和系統(tǒng)，例如對激光焊接過程進(jìn)行在線監(jiān)視所使用的已知方法和系統(tǒng)，特別是對金屬板進(jìn)行焊接的情況下?？刂葡到y(tǒng)能夠評定焊接區(qū)域中存在的孔隙度，或者在薄金屬板對焊的情況下，評定由于金屬板的交疊或欠接合而出現(xiàn)的缺陷。
上面使用的系統(tǒng)根據(jù)過程中檢測到的信號與表示優(yōu)質(zhì)焊接的一個或多個預(yù)定參考信號之間的比較進(jìn)行質(zhì)量控制。所述參考信號的數(shù)量范圍通常為2至10，其被設(shè)置成從多個優(yōu)質(zhì)焊接的采樣開始。顯然，所述模式的程序表明存在一個熟練操作員，其能夠證明在創(chuàng)建參考信號時焊接的優(yōu)良性，并且包括時間開銷，并且有時候也包括材料浪費(fèi)的開銷(用于產(chǎn)生獲得參考信號所需要的采樣)。在某些情況下，也有表示有缺陷的焊接的預(yù)設(shè)置參考信號，然而這包括另外的問題和困難。
從本發(fā)明申請人的歐洲專利申請EP1275464A中可以得知，將通過光電二極管獲得的信號劃分成幾塊，其收集焊點(diǎn)發(fā)出的射線，計(jì)算采樣的每一塊中信號的平均，并將具有小于或等于光電二極管的偏移量的值的塊作為存在缺陷的指示。所述方法不需要參考信號，然而其只能非常大概地檢測缺陷。
本發(fā)明的目的是克服前述所有缺陷。
為了實(shí)現(xiàn)所述目的，本發(fā)明的目標(biāo)是一種用于控制工業(yè)過程的質(zhì)量的方法，其具有在開始所說明的特征，并且進(jìn)一步地其特征在于所述方法進(jìn)一步包括操作·獲得從所述參考信號變換的信號；·獲得從所述實(shí)際信號變換的信號；和·計(jì)算所述變換的參考信號和所述變換的實(shí)際信號的能量，所述比較操作包括·將所述變換的參考信號和所述變換的實(shí)際信號的能量相互進(jìn)行比較，以提取所選頻率值的相對應(yīng)的時頻(time-frequency)分布；·計(jì)算所述時頻分布的能量；和·將所述時頻分布的能量與閾值進(jìn)行比較，以標(biāo)識與缺陷相關(guān)聯(lián)的能量值。
在優(yōu)選的實(shí)施例中，獲得從所述參考信號變換的信號和獲得從所述實(shí)際信號變換的信號的所述步驟包括通過應(yīng)用離散小波變換(DWT)的濾波操作，而將所述變換的參考信號和所述變換的實(shí)際信號的能量進(jìn)行比較以獲得對應(yīng)的時頻分布的步驟包括計(jì)算實(shí)際信號的包絡(luò)與歸一化信號的包絡(luò)的傅立葉變換的共軛，以分別獲得共軛變換的實(shí)際信號和共軛變換的參考信號，而且還將實(shí)際信號的能量和參考信號的能量進(jìn)行比較，提取實(shí)際信號的能量大于參考信號的能量的頻率值。
當(dāng)然，本發(fā)明進(jìn)一步的目標(biāo)是用于控制工業(yè)過程的質(zhì)量的系統(tǒng)，其實(shí)施上述方法，和對應(yīng)的計(jì)算機(jī)產(chǎn)品，其可以直接載入到計(jì)算機(jī)、諸如處理器的存儲器中，并且包括軟件代碼部分，當(dāng)該產(chǎn)品在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法。
從接下來的描述并參照附圖會得出本發(fā)明進(jìn)一步的特征和優(yōu)點(diǎn)，其中附圖純粹是提供非限制性的范例，并且其中

圖1的方框圖表示實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明方法的系統(tǒng)；圖2所示為圖1的系統(tǒng)的詳情；圖3、4和5的流程圖表示根據(jù)本發(fā)明的方法的操作；和圖6是通過根據(jù)本發(fā)明的方法處理的數(shù)量圖表。
現(xiàn)在將參照激光焊接方法示范說明根據(jù)本發(fā)明的方法。然而所述激光焊接方法僅僅是工業(yè)過程的一個非限制性的范例，可以對其應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的用于控制工業(yè)過程的質(zhì)量的方法。
參照圖1，附圖標(biāo)記1表示用于控制激光焊接過程的質(zhì)量的整個系統(tǒng)。該范例涉及的情況是兩片金屬板2、3，通過激光束對其進(jìn)行焊接。標(biāo)號4表示包括透鏡5的整個調(diào)焦頭(focussing head)，通過激光發(fā)生器(未示出)產(chǎn)生的激光束在穿過透鏡L之后并被半反射鏡6反射到達(dá)調(diào)焦頭。焊接區(qū)域所發(fā)出的射線E穿過半反射鏡6并被由光電二極管組成的傳感器7檢測到，該光電二極管能夠?qū)⑵漭敵鲂盘柊l(fā)送到與個人計(jì)算機(jī)9相關(guān)聯(lián)的電子控制和處理單元8。
在具體的實(shí)施例中，所使用的半反射鏡6是由硒化鋅(ZnSe)制成的鏡面，其直徑為2英寸并且厚度為5毫米。該傳感器7由光電二極管組成，該光電二極管的光譜響應(yīng)(spectral response)在190納米與1100納米之間，并且具有1.1×1.1毫米的有效區(qū)域和石英窗。
圖2更加詳細(xì)地描述了與個人計(jì)算機(jī)9相關(guān)聯(lián)的電子控制和處理單元8。所述處理單元8包括抗混淆濾波器11，其對通過傳感器7發(fā)送的信號進(jìn)行操作。然后設(shè)計(jì)具有一個配備有模-數(shù)轉(zhuǎn)換器的采集卡12，該轉(zhuǎn)換器對濾波后的信號進(jìn)行采樣，并將其進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換。所述采集卡12優(yōu)選地直接與個人計(jì)算機(jī)9相連接。
再一次在具體實(shí)施例的情況下，該采集卡12是PC卡NI 6110E類型的數(shù)據(jù)采集卡，具有的最大采集頻率為5Msamples/s。
該抗混淆濾波器11通過低通濾波器(例如Butterworth IIR濾波器)對信號進(jìn)行濾波。
根據(jù)本發(fā)明在個人計(jì)算機(jī)9中實(shí)施用于質(zhì)量控制的方法，其是基于由光電二極管7獲取的實(shí)際信號xreal與存儲在所述個人計(jì)算機(jī)9中表示缺陷焊接的參考信號xref之間的比較。
以獲取頻率fs獲取通過xref(t)表示的參考信號，并且其因此根據(jù)奈奎斯特(Nyquis)理論與具有值為fs/2的頻段信號相關(guān)聯(lián)，而為參考信號xref(t)獲取的采樣數(shù)目為N。
圖3所描述的流程圖表示對參考信號xref(t)進(jìn)行的操作。
在第一步驟100中，通過應(yīng)用離散小波變換(DWT)對參考信號xref(t)進(jìn)行濾波操作。于是在第一步驟100的輸出得到信號xref_DWT，其在0fs/4頻段中具有N/2個采樣。
接下來，在步驟101中對信號xref_DWT進(jìn)行Hilbert變換操作，以得到復(fù)分析信號xref_HIL，其具有N/2個采樣和零個負(fù)頻率。
在步驟102中對所述復(fù)分析信號xref_HIL進(jìn)行歸一化操作，其產(chǎn)生的輸出是歸一化的信號xref_norm。
然后在步驟103中對所述歸一化的信號xref_norm進(jìn)行計(jì)算歸一化信號的包絡(luò)的操作，表示為xref_inv_norm，而在步驟104中對所述歸一化信號的包絡(luò)xref_inv_norm進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)操作，以得到變換后的包絡(luò)Xref_inv_norm。
最后，在步驟105中通過應(yīng)用下面的關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算通過Eref表示的參考信號的能量的操作∫|xref_inv_norm(t)|2dt＝∫|Xref_inv_norm(f)|2df (1)至于實(shí)際信號xreal(t)，其也以獲取頻率fs獲取，并且其因此根據(jù)奈奎斯特理論與具有值為fs/2的頻段信號相關(guān)聯(lián)，而為實(shí)際信號xreal(t)獲取的采樣數(shù)目為N。
圖4所描述的流程圖表示對實(shí)際信號xreal(t)進(jìn)行的操作。
特別地，在圖4中表示的第一步驟200中，其中通過應(yīng)用DWT對實(shí)際信號xreal(t)進(jìn)行濾波操作。于是在第一步驟200的輸出得到信號xreal_DWT，其在0fs/4頻段中具有N/2個采樣。
在步驟211中對所述信號xreal_DWT進(jìn)行快速傅立葉變換操作，以得到變換的信號FFT_real，其接下來在步驟212中被歸一化，以得到變換的歸一化信號FFT_real_norm。
在步驟250中，根據(jù)下面的關(guān)系式對變換的歸一化信號FFT_real_norm進(jìn)行計(jì)算平均頻率f0的操作f0＝∫f*FFT_real_norm(f)*FFT_real_norm(f)df (2)在步驟251中，根據(jù)下面的關(guān)系式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)偏差B的計(jì)算操作B＝(∫f2*FFT_real_norm*FFT_real_normdf-f02)1/2(3)
在步驟252中，然后計(jì)算低頻帶F-Sn＝(f0-B/2)，并且高頻帶F_Dx＝(f0+B/2)。
并行地在步驟201中，對信號xreal_DWT進(jìn)行Hilbert變換操作，以得到復(fù)分析信號xreal_HIL，其具有N/2個采樣和零個負(fù)頻率。
在步驟202中，對所述復(fù)分析信號xreal_HIL進(jìn)行歸一化操作，其產(chǎn)生的輸出是歸一化的信號xreal_norm。
然后在步驟203中對所述歸一化的信號xreal_norm進(jìn)行計(jì)算該包絡(luò)的操作，表示為xreal_inv_norm，而在步驟204中對所述歸一化信號的包絡(luò)xreal_inv_norm進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)操作，以得到變換后的包絡(luò)Xreal_inv_norm。
最后，在步驟205中通過應(yīng)用下面的關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算實(shí)際信號的能量Ereal的操作∫|xreal_inv_norm(t)|2dt＝∫|Xreal_inv_norm(f)|2df (4)在限定在步驟252中所計(jì)算的低頻帶F_Sn與高頻帶F_Dx之間的頻段中進(jìn)行能量Ereal和Eref的計(jì)算操作。更加具體地，在這樣限定的頻段上進(jìn)行計(jì)算操作，考慮頻率階，例如一個赫茲，即∫F_Snstep|Xreal_inv_norm(f)|2df]]>∫stepF_DX|Xreal_inv_norm(f)|2df]]>∫F_Snstep|Xref_inv_norm(f)|2df]]>∫stepF_DX|Xref_inv_norm(f)|2df]]>通過這種方式，能量Ereal和Eref的計(jì)算操作分別產(chǎn)生兩個矢量，也就是參考信號的能量的矢量Energy_Ref_step(1，...k)，和實(shí)際信號能量的矢量Energy_Real_step(1，...k)，它們都包括k個頻率值。
接下來，進(jìn)行二次方的時頻分布的計(jì)算過程，如圖5中所示的流程圖，其包括下面的步驟在通過300表示的步驟中，計(jì)算實(shí)際信號的包絡(luò)的快速傅立葉變換(FFTs)的共軛Xreal_inv_norm(f)和參考信號的包絡(luò)的快速傅立葉變換(FFTs)的共軛Xref_inv_norm(f)，獲取共軛的變換信號，即分別為共軛變換的實(shí)際信號X*real_inv_norm(f)和共軛變換的參考信號X*ref_inv_norm(f)；
在步驟301中，考慮參考信號的能量Eref和實(shí)際信號的能量Ereal，它們分別通過參考信號的能量的矢量Energy_Ref_step(1，...k)，和實(shí)際信號的能量的矢量Energy_Real_step(1，...k)表示，并且對于所述兩個矢量的每一元素k，評估是否滿足下面的條件Energy_Real_step(1，...k)＞Energy_Ref_step(1，...k) (5)也可以參照圖6的圖表理解該操作，其中所示參考信號的能量Eref和實(shí)際信號的能量Ereal(較粗的線)的幅度作為頻率的函數(shù)；如果條件(5)滿足，則在步驟302中進(jìn)行提取用于驗(yàn)證所述條件(5)的頻率值的操作，將所述值表示為f_e；根據(jù)該條件被滿足的次數(shù)，直到獲得最大k的頻率值f_e；圖6示出了對應(yīng)于滿足條件(5)的頻率值f_e的區(qū)域；在步驟303中，構(gòu)建矩陣M，其行表示所提取的頻率值f_e，而其列表示在DWT操作200的輸出信號的N/2個時間值t1，...tN/2；在步驟304中，對于該矩陣M的每一行，使用Margenau-Hill關(guān)系式對通過Tfdref表示的參考信號和通過Tfdreal表示的實(shí)際信號計(jì)算二次方的時頻分布，也就是下面的關(guān)系式Tfdreal＝Real(xreal_DWT(t)·Xreal_inv_norm*(f)·and-j2πf)(6)Tfdref＝Real(xref_DWT(t)·Xref_inv_norm*(f)·and-j2πf)(7)然后在步驟305中，對參考信號和實(shí)際信號計(jì)算在分別通過Etref和Etreal表示的每一時刻的分布相關(guān)聯(lián)的能量；和然后，在步驟306中，為該參考的時頻分布Tfdref計(jì)算能量的最大值max_Tfdref。
最后，為了獲得缺陷的估計(jì)，在步驟307中將實(shí)際信號的二次方的時頻分布Tfdreal的每一個時間的能量值Etreal與該能量的最大值max_Tfdref進(jìn)行比較。
如果該實(shí)際信號的二次方的時頻分布Tfdreal的所述能量值超過該能量的最大值max_Tfdref，這就意味著在該時間坐標(biāo)上存在缺陷。
通過這種方式，可以及時地定位出缺陷。
當(dāng)然，在不偏離本發(fā)明的原理的情況下，參照此處僅僅通過范例形式的描述和說明，可以對構(gòu)建細(xì)節(jié)和實(shí)施例做出廣泛的變換，從而不會脫離本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于控制工業(yè)過程的質(zhì)量的方法，包括步驟為該工業(yè)過程提供一個或多個參考信號(xref)；獲取表示所述工業(yè)過程的質(zhì)量的一個或多個實(shí)際信號(xreal)；和比較所述一個或多個參考信號(xref)與所述一個或多個實(shí)際信號(xreal)，以鑒別在所述工業(yè)過程中的缺陷，其特征在于其進(jìn)一步包括操作獲得從所述參考信號(xref)變換的信號(Xref_inv_norm)；獲得從所述實(shí)際信號(xreal)變換的信號(Xreal_inv_norm)；和分別計(jì)算所述變換的參考信號(Xref_inv_norm)和所述變換的實(shí)際信號(Xreal_inv_norm)的能量(Eref、Ereal)，所述比較操作包括將所述變換的參考信號(Xref_inv_norm)和所述變換的實(shí)際信號(Xreal_inv_norm)的能量(Eref、Ereal)相互進(jìn)行比較，以提取所選頻率值(f_e)的相對應(yīng)的時頻分布(Tfdref、Tfdreal)；計(jì)算所述時頻分布(Tfdref、Tfdreal)的能量(Etref、Etreal)；和將所述時頻分布(Tfdref、Tfdreal)的能量與閾值(max_Tfdref)進(jìn)行比較，以標(biāo)識與缺陷相關(guān)聯(lián)的能量值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于獲得從所述參考信號(xref)變換的信號(Xref_inv_norm)和獲得從所述實(shí)際信號(xreal)變換的信號(Xreal_inv_norm)的所述步驟包括通過應(yīng)用離散小波變換(DWT)的濾波操作(100、200)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于獲得從所述參考信號(xref)變換的信號(Xref_inv_norm)和獲得從所述實(shí)際信號(xreal)變換的信號(Xreal_inv_norm)的所述步驟還包括對參考信號(xref)和實(shí)際信號(xreal)都應(yīng)用的操作對從濾波操作(100、200)獲得的信號(xref_DWT、xreal_DWT)都應(yīng)用Hilbert變換(101、201)；對從Hilbert變換操作得到的信號(xref_HIL、xreal_HIL)進(jìn)行歸一化(102、202)；計(jì)算該歸一化信號(xref_norm、xreal_norm)的包絡(luò)(103、203)；對所述歸一化信號的包絡(luò)(xref_inv_norm、xreal_inv_norm)應(yīng)用FFT，以分別獲得所述變換的參考信號(Xref_inv_norm)和所述變換的實(shí)際信號(Xreal_inv_norm)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或權(quán)利要求3的方法，其特征在于其進(jìn)一步包括通過應(yīng)用DWT對從濾波操作(100、200)獲得的實(shí)際信號(xreal_DWT)執(zhí)行(211)傅立葉變換操作，獲得第二變換的信號(FFT_real)，并且歸一化(212)所述第二變換的信號(FFT_real)以獲得第二變換的歸一化信號(FFT_real_norm)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或權(quán)利要求3的方法，其特征在于其進(jìn)一步包括處理(250、251、252)所述第二變換的歸一化信號(FFT_real_norm)，以獲得表示該實(shí)際信號(xreal)的頻譜的一組值(f0、B、F_Sn、F_Dx)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其特征在于其至少使用表示該實(shí)際信號(xreal)的頻譜的所述一組值(f0、B、F_Sn、F_Dx)的一部分，以分別計(jì)算(106、206)所述變換的參考信號(Xref_inv_norm)和所述變換的實(shí)際信號(Xreal_inv_norm)的所述能量(Eref、Ereal)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2至6的任一權(quán)利要求的方法，其特征在于將所述變換的參考信號(Xref_inv_norm)和所述變換的實(shí)際信號(Xreal_inv_norm)的能量(Eref、Ereal)分別進(jìn)行比較，以獲得相對應(yīng)的時頻分布(Tfd)的所述操作包括操作分別計(jì)算(300)所述變換的參考信號(Xref_inv_norm)和所述變換的實(shí)際信號(Xreal_inv_norm)的快速傅立葉變換(FFT)的共軛，以獲得共軛變換的實(shí)際信號(X*real_inv_norm)和共軛變換的參考信號(Xref_inv_norm)；將參考信號的能量(Eref)和實(shí)際信號的能量(Ereal)進(jìn)行相互比較(301)，提取(302)實(shí)際信號的能量(Ereal)大于參考信號的能量(Eref)的頻率值(f_e)；構(gòu)建(303)矩陣(M)，其行表示所述提取的頻率值(f_e)，并且其列表示從通過DWT的濾波操作(200)獲得的信號的時間值(t1，...tN/2)；對于所述矩陣(M)的每一行，計(jì)算(304)參考信號的二次方的時頻分布(Tfdref)和實(shí)際信號的二次方的時頻分布(Tfdreal)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2至6的任一權(quán)利要求的方法，其特征在于通過應(yīng)用Margenau-Hill關(guān)系式對于所述矩陣(M)的每一行執(zhí)行計(jì)算(304)參考信號的二次方的時頻分布(Tfdref)和實(shí)際信號的二次方的時頻分布(Tfdreal)的操作。
9.根據(jù)權(quán)利要求2至6的任一權(quán)利要求的方法，其特征在于計(jì)算所述時頻分布(Tfdref、Tfdreal)的能量(Etreal、Etref)的操作包括操作計(jì)算(305)每一時刻的所述能量(Etreal、Etref)，并且計(jì)算(306)能量的最大值(max_Tfdref)；使用(307)所述能量的最大值(max_Tfdref)作為閾值；和將所述能量的最大值(max_Tfdref)與實(shí)際信號的二次方的時頻分布(Tfdreal)的每一個時間的能量值進(jìn)行比較，以標(biāo)識與缺陷相關(guān)聯(lián)的能量值。
10.一種用于控制工業(yè)過程的質(zhì)量的系統(tǒng)，包括傳感器裝置(7)，用于檢測一個或多個過程參數(shù)；和電子控制和處理單元(8、9)，用于處理通過所述傳感器裝置(7)發(fā)出的信號，其特征在于所述用于處理通過所述傳感器裝置(7)發(fā)出的信號的電子控制和處理單元(8、9)實(shí)施根據(jù)權(quán)利要求1至9的用于控制工業(yè)過程的質(zhì)量的方法。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的系統(tǒng)，其特征在于所述工業(yè)過程是激光焊接過程。
12.一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，其可以直接載入到計(jì)算機(jī)存儲器并且包括軟件代碼部分，當(dāng)該產(chǎn)品在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時用于執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1至9的用于控制工業(yè)過程的質(zhì)量的方法。
全文摘要
一種用于控制工業(yè)過程的質(zhì)量的方法，包括步驟為該工業(yè)過程提供一個或多個參考信號(x
文檔編號B23K26/00GK1641504SQ20051000448
公開日2005年7月20日 申請日期2005年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月13日
發(fā)明者G·德安杰羅, G·帕斯凱塔茲, A·特雷諾 申請人:C.R.F.阿西安尼顧問公司