LabVIEW平台中利用小波分析实现焊接电流信号的去噪

摘要：焊接过程是一个复杂多变的过程，实现焊接自动跟踪的方法也有很多种，其中当前研究的重点就是利用旋转电弧传感器来实现自动跟踪。

由于旋转电弧电流信号中存在许多噪声，因此，实现旋转电弧自动跟踪的关键就是如何正确地提取焊接电流信号。

在此利用ＬａｂＶＩＥＷ作为开发平台，通过调用Ｍａｔｌａｂ节点的方法，对采集到的焊接电流信号进行小波去噪处理，实现焊接电流信号的还原。

关键词：旋转电弧传感器；ＬａｂＶＩＥＷ；Ｍａｔｌａｂ；小波去噪中图分类号：ＴＧ４４１．７文献标识码：Ａ文章编号：１００１－２３０３（２００８）０５－００４６－０４第３８卷第５期２００８年５月Ｖｏｌ．３８Ｎｏ．５Ｍａｙ．２００８ＥｌｅｃｔｒｉｃＷｅｌｄｉｎｇＭａｃｈｉｎｅ胡富仁，王国荣，石永华，曾松盛，肖心远（华南理工大学机械工程学院，广东广州５１０６４０）ＵｓｉｎｇｗａｖｅｌｅｔａｎａｌｙｚｉｎｇｔｏｄｅｎｏｉｓｅｗｅｌｄｉｎｇｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｓｉｇｎａｌｓｉｎＬａｂＶＩＥＷｐｌａｔｆｏｒｍＨＵＦｕ－ｒｅｎ，ＷＡＮＧＧｕｏ－ｒｏｎｇ，ＳＨＩＹｏｎｇ－ｈｕａ，ＺＥＮＧＳｏｎｇ－ｓｈｅｎｇ，ＸＩＡＯＸｉｎ－ｙｕａｎ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｏｕｔｈＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０６４０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｓｖｅｒｙｃｏｍｐｌｅｘａｎｄｖａｒｉａｂｌｅ．Ｔｈｅｒｅａｒｅｍａｎｙｍｅｔｈｏｄｓｔｏｔｒａｃｋｗｅｌｄｓｅａｍ，ａｎｄｒｏｔａｔｉｎｇａｒｃｓｅｎｓｏｒｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔａｖａｉｌａｂｌｅｏｎｅｓ．Ｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｎｏｉｓｅｓｍｉｘｉｎｇｉｎｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｓｉｇｎａｌｓ，ｔｈｅｍｏｓｔｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｈｉｎｇｔｏａｃｈｉｅｖｅｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｉｓｈｏｗｔｏｇｅｔｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｓｉｇｎａｌｃｏｒｒｅｃｔｌｙｗｉｔｈｏｕｔａｎｙｎｏｉｓｅ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｗａｖｅｌｅｔｄｅｎｏｉｓｅｉｓｕｓｅｄｔｏｒｅｆｉｎｅｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｓｉｇｎａｌ，ｗｈｉｃｈｉｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅＬａｂＶＩＥＷｐｌａｔｆｏｒｍ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｏｔａｔｉｎｇａｒｃｓｅｎｓｏｒ；ＬａｂＶＩＥＷ；Ｍａｔｌａｂ；ｗａｖｅｌｅｔｄｅｎｏｉｓｉｎｇ收稿日期：２００７－１２－０３基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０７０５０３０）作者简介：胡富仁（１９８０—），男，广西平南人，在读硕士，主要从事焊接过程的信息化与控制等研究工作。

０前言随着现代工业的大发展，焊接技术和方法也不断发展，迫切需求实现焊接自动化。

焊接机器人是２０世纪６０年代后期国际上迅速发展起来的工业机器人技术的重要分支，是焊接自动化的主要发展方向。

弧焊机器人焊缝跟踪多用电弧传感和光学传感，其中电弧传感器抗弧光、烟尘及强磁场的能力强，且不需外加辅助装置，焊接点即是检测点，所以具有较高的工业应用价值。

电弧传感的基本原理是利用焊炬与工件距离和位置变化而引起焊接电流、电压的变化来探测焊炬高度和左右偏差。

焊接参数的变化通常表现为焊接电流、电压的变化，其中电流信号通常由霍尔传感器来获取，将该信号通过光电隔离电路和模数转换电路后，再通过数据采集卡将其送入计算机进行分析和处理。

但是，在焊接中存在着许多随机的干扰信号，因此，能否正确检测得到焊接电流原始信号，进而进行偏差分析成为自动跟踪的关键。

在此将利用ＬａｂＶＩＥＷ作为开发平台，通过调用Ｍａｔｌａｂ节点的方法，对采集到的焊接电流信号进行小波去噪处理，以实现焊接电流信号的还原。

１ＬａｂＶＩＥＷ与小波去噪原理１．１ＬａｂＶＩＥＷ与ＭＡＴＬＡＢ简介由美国ＮＩ公司研制的ＬａｂＶＩＥＷ是一种基于图形编程语言的开发环境。

ＬａｂＶＩＥＷ功能强大、灵活方便，它使用图形语言（即各种图标、图形符号、连线等）进行编程，流程简单方便，界面形象直观，具有强大的数据可视化分析和仪器控制能力。

ＭａｔｈＷｏｒｋｓ公司开发的Ｍａｔｌａｂ具有强大的数学运算和图形处理功能，几乎在所有的工程计算领域都提供了准确、高效的工具箱。

但Ｍａｔｌａｂ界面开电焊机ＬａｂＶＩＥＷ平台中利用小波分析实现焊接电流信号的去噪发及流程控制能力较差，并且在数据采集、网络通信、硬件控制等方面都比较繁琐，而且脚本文件不能脱离Ｍａｔｌａｂ这个应用程序环境，这就制约了程序的可移植性和通用性。

通过ＬａｂＶＩＥＷ强大的外部接口，实现ＬａｂＶＩＥＷ与Ｍａｔｌａｂ的混合编程，互相取长补短，充分发挥两者的优势，可以快速开发功能强大的智能化虚拟仪器。

ＬａｂＶＩＥＷ与Ｍａｔｌａｂ混合编程接口分析如图１所示。

图１ＬａｂＶＩＥＷ与Ｍａｔｌａｂ混合编程示意在进行混合编程开发虚拟仪器的过程中，通常由ＬａｂＶＩＥＷ设计用户图形界面，负责数据采集、硬件控制、运行控制、网络通信；而Ｍａｔｌａｂ则提供小波分析等复杂算法供ＬａｂＶＩＥＷ调用。

常用的混合编程方法是在ＬａｂＶＩＥＷ中调用Ｍａｔｌａｂ脚本节点。

利用Ｍａｔｌａｂ中提供的小波函数工具来进行焊接电流信号的去噪处理，以获得最好的滤波效果。

１．２小波去噪原理小波理论来源于信号分析，是Ｆｏｕｒｉｅｒ分析划时代发展的结晶，是数学家与工程师共同创造的结果。

小波分析用于信号的压缩与去噪是小波分析应用的一个重要方面。

小波变换（ＷａｖｅｌｅｔＴｒａｎｓｆｏｒｍ）是一种窗口大小不变但形状可变，即时间窗和频率窗都可改变的时频局部化分析方法。

小波变换在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，在低频部分具有较低的时间分辨率和较高的频率分辨率，因此，小波分析被誉为“数学显微镜”，正是这种特性，使它具有对信号的自适应性，因而越来越广泛地被应用于工程实际应用。

小波多分辨率分析理论如下所述：设ｘ（ｔ）是平方可积函数，记作ｘ（ｔ）∈Ｌ２（Ｒ），ψ（ｔ）是基本小波函数，则ＷＴｘ（α，τ）＝１α"＋∞－∞#ｘ（ｔ）ψ?（ｔ－τα）ｄｔ，（１）α＝〈ｘ（ｔ），ψατ（ｔ）〉＞０式中α为尺度因子，α＞０；τ为位移，其值可正可负；符号〈〉代表内积；上标?为取共轭。

式（１）被称为ｘ（ｔ）的连续小波变换。

其等效的频域表示为ＷＴｘ（α，τ）＝α"２π＋∞－∞#Ｘ（ω）ψ?（αω）ｅ＋ｊｗτｄω。

（２）利用小波多分辨率分析对信号进行去噪是线性变换，信号的小波变换由原始信号的小波变换和噪声的小波变换组成。

如果噪声是白噪声，随着小波尺度加大，它的极大点会显著减少。

其小波变换的幅度随α的增大而减小，这样在大尺度下剩余的极大值将主要是属于信号的。

以此为基础，采用由粗及精的策略，跟踪各尺度下的小波变换极大值，找出属于信号的部分，并将属于噪声的部分去除。

在实际工程中，有用信号通常表现为低频信号或是一些比较平稳的信号，而噪声信号则通常表现为高频信号，从而可以利用门限阈值等形式对所分解的小波系数进行处理，然后对信号进行小波重构即可达到对信号的去噪目的。

信号的去噪过程可分为３个步骤进行：（１）信号Ｓ的小波分解。

选择一个小波并确定一个小波分解的层次，对信号Ｓ进行Ｎ层小波分解。

（２）小波分解高频系数的阈值量化。

对第１层到第Ｎ层的每层高频系数，选择一个阈值进行软阈值量化处理。

（３）小波的重构。

根据小波分解的第Ｎ层的低频系数，和经过量化处理后的第１层到第Ｎ层的高频系数，进行信号的小波重构。

在这３个步骤中，最关键的就是如何选取阈值和如何进行阈值的量化，从某种程度上说，它直接关系到信号去噪的质量。

在Ｍａｔｌａｂ中，小波函数的选取及阈值的量化均可通过相关的指令语句来实现。

２数据采集和分析２．１实验设备和仪器及其系统构成实验中所用到的实验设备和仪器有：ＡＢＢ焊接机器人一台，直流电焊机一台，旋转电弧传感器一个，霍尔传感器一个，ＮＩ公司６２２１系列数据采集卡一个及其配套软件，ＩＰＣ一台。

系统的构成框图如图２所示。

图２系统构成将旋转电弧传感器与焊接电源相连后再安装于ＡＢＢ机器人的手臂上，实验过程中通过旋转电弧传感研究与设计胡富仁等：ＬａｂＶＩＥＷ平台中利用小波分析实现焊接电流信号的去噪第５期器的旋转运动引起焊接电流变化，通过霍尔传感器获取焊接电流信号并传给数据采集卡进行Ａ／Ｄ转换，进行数据采集的存储和分析。

在应用ＬａｂＶＩＥＷ控制采样过程中，必须能由ＬａｂＶＩＥＷ驱动数据采集卡，为此，所采用的数据采集卡必须有ＬａｂＶＩＥＷ编制的接口驱动程序。

为了保证系统兼容性，实验中采用ＮＩＵＳＢ６２２１系列多功能数据采集卡，Ａ／Ｄ精度为１６位，１６路单端或８路差分模拟输入，最高采样速率可达２５０ｋＳ／ｓ。

２．２数据采集及其软件模块的实现采集线路的连接方式是通过霍尔传感器得到焊接电流信号，经过一个电位器后转换为电压信号，经调理后，采用差分模拟输入分别和ＮＩ６２２１数据采集卡的ＡＩ４端口、ＡＩ１２端口相连，通过ＡＩＧＮＤ端口接地，从而完成整个采集卡电路的接线。

经实验，该接线方法能够有效地采集到焊接电流信号。

数据采集流程如图３所示。

接通整个电路后，焊接过程开始进行，霍尔传感器开始获取焊接电流，如果没有获取焊接电流，则返回开始过程，检查整个线路，确认无误后再重新开始焊接，获取的电流信号经调理后，由数据采集卡进行数据采集。

图３数据采集流程系统软件主要包括信号数据的采集存储和分析两大模块。

软件用户界面是一个应用程序最重要的部分，应用程序的可用性在很大程度上依赖于界面的好坏。

ＬａｂＶＩＥＷ软件就有很好的应用程序开发界面，而且容易实现实验过程的模拟仿真和控制。

数据采集存储的软件部分通过ＬａｂＶＩＥＷ８．２版本软件数据采集助手ＤＡＱＡｓｓｉｓｔａｎｔ完成。

通过ＤＡＱＡｓｓｉｓｔａｎｔ能够方便地设置设备号、测试任务、数据通道及命名、Ｉ／Ｏ范围、采样方式及采样频率等参数。

给数据采集助手ＤＡＱＡｓｓｉｓｔａｎｔ连接上波形显示图Ｗａｖｅｇｒａｐｈ即可实时观察采集到数据波形。

ＤＡＱＡｓｓｉｓｔａｎｔ的基本任务是在基于ＤＡＱｍｘ的数据采集系统中进行数据采集的硬件设置，所以一旦涉及相关任务，数据采集助手就会自动打开。

ＤＡＱ硬件设备的基本功能包括模拟量输入（Ａ／Ｄ）、模拟量输出（Ｄ／Ａ）、数字Ｉ／Ｏ（ＤｉｇｉｔａｌＩ／Ｏ）和定时（Ｔｉｍｅｒ）／计数（Ｃｏｕｎｔｅｒ）。

在ＬａｂＶＩＥＷ中，用户是通过ＬａｂＶＩＥＷＤＡＱＶＩ来完成ＤＡＱ编程的。

数据采集和保存框图程序如图４所示。

采集助手ＤＡＱＡｓｓｉｓｔａｎｔ放在Ｗｈｉｌｅ循环结构内实现连续数据采集，波形显示控件ＷａｖｅＧｒａｐｈ用来显示原始信号波形，写入表格控件用来保存数据。

图４数据采集和保存框图２．３数据分析过程由于在旋转电弧焊接过程中，所采集到的焊接电流信号存在许多噪声，因此需要保留有用的焊接电流信号，去除无用的噪声。