专利名称：手工电弧焊焊接操作模拟培训装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种焊接操作模拟培训设备，特别涉及手工电弧焊焊接操作模拟培训装置。
背景技术：
焊接是一种非常普及的材料加工方法，它广泛应用于各种企业生产场合，典型的有汽车制造，压力容器制造，船舶制造等，虽然目前有多种自动焊方法已经比较成熟，应用也越来越多，但是由于使用上的方便和灵活，手工焊接方法如手工电弧焊仍然具有其不可替代的作用，例如在各种压力容器管道焊接，以及各种维护性焊接场合等。
在手工焊接操作过程中，影响焊接质量的因素比较多，比如工艺参数的选择如电流、电压、焊条(焊丝)选择等；另外操作过程的一些参数对焊接质量也有较大的影响如焊接速度、电弧弧长的稳定性、焊条的摆动范围等。焊接过程的稳定与否直接影响到焊接质量，这是一种完全的人为因素，全凭焊接操作者的技艺和经验，在焊接质量的控制中，电流，电压，预热温度，焊条烘干程度等这些工艺参数都可以通过工艺文件和测量技术来控制，但是，和人为操作相关的参数，比如，焊接速度，焊接姿态都是无法记录和控制的。为了训练出良好的焊接技术，需要付出艰苦的努力及相当的经济代价，这样才能掌握手工焊接过程的真实感觉，培训焊工是一个需要投入大量时间，消耗大量电能和焊材的过程。在以往手工焊接的实际训练阶段，采用的都是师傅带徒弟的方式进行训练，训练的效果受到教师的操作水平和表达能力等人为因素的影响，而且师资力量不足已经在目前焊接培训领域显现出较强的态势，同时焊接操作对场地、设备和环境也有较高的要求，训练过程需要消耗大量的焊条、试板、和相当的电力资源，不仅如此，众所周知，焊接环境是比较恶劣的，有大量的烟尘及强烈的弧光，非常容易对焊工的身体健康产生不良影响，对于新接受焊接培训的人员来说，恶劣的工作环境对其心理也容易产生负面作用，不利于后续的培训计划的进行。
中国发明专利申请CN 1469097A(申请号03110000.7)和发明专利申请CN 1439149A(申请号01811824.0)分别公开了肩射式防空导弹和牙医学的模拟训练系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有较高仿真程度、对场地和环境要求不高、较少物资和能源消耗、易于对焊工进行焊接操作培训的手工电弧焊焊接操作模拟培训装置。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种手工电弧焊焊接操作模拟培训装置，包括模拟焊枪、该模拟焊枪的控制器，以及模拟试件，其特别之处在于，所述模拟焊枪包括焊枪把手，该焊枪把手的一端连接有一步进电机，在该步进电机的输出轴上安装有一主动滚轮，在该步进电机的电机座上固定有一滚轮支座，该滚轮支座上安装有一从动滚轮，在该从动滚轮与主动滚轮之间设有一模拟焊条，该模拟焊条分别与从动滚轮和主动滚轮相接触从而可在主动滚轮旋转时被移动，在步进电机的电机座上还固定有一直线轴承，前述模拟焊条被套在该直线轴承内从而仅可做直线移动；在所述模拟试件内安装有磁体，在模拟焊条上安装有相应的接近开关从而可检测模拟焊条与模拟试件间的距离；所述模拟焊枪的控制器分别与步进电机的驱动器以及接近开关连接。
进一步的，还包括主控计算机、焊条位置检测装置、和带有显示器的头盔，其中焊条位置检测装置与主控计算机连接从而向其提供模拟焊条的空间位置信息，主控计算机与所述模拟焊枪的控制器连接从而获取焊接过程信息，主控计算机还与头盔上的显示器连接从而根据模拟焊条的空间位置及模拟焊接的过程在显示器上显示出相应的画面。
其中所述显示器是液晶显示器。
其中焊条位置检测装置包括至少2台平行设置的CCD摄像机，CCD摄像机通过图像采集卡连接至主控计算机。
进一步的，在所述模拟焊条上安装有至少2个发光二极管。
其中在所述模拟试件内安装的磁体是磁钢。
其中在所述模拟焊条上安装的接近开关是霍尔元件传感器。
其中所述模拟焊枪的控制器是数据采集卡，其输出端与步进电机驱动器的控制端连接从而控制步进电机，其输入端与接近开关连接从而获取模拟焊条与试件之间的距离是否在约定范围内。
其中模拟件和模拟焊条均为导体且试件接地，所述数据采集卡的输入端与模拟焊条连接从而可检测模拟焊条是否与试件相接触。
其中数据采集卡的输入端与回程开关连接，当回程开关闭合后数据采集卡通过步进电机控制模拟焊条返回初始位置。
本发明专门针对手工电弧焊焊接实际训练阶段存在的几个问题，改变了以往的培训方式，采用新型的模拟焊枪，佩戴焊接专用头盔模拟焊接过程的进行，达到快速培养焊工的操作手感并减少物资和能源消耗的目的，采用模拟焊枪可以模拟手工电弧焊时的引弧及焊条燃烧过程，更可以将焊接过程的真实场景通过头盔显示器展现给焊工，在焊接操作培训过程中，本发明的模拟培训装置具有如下特点(1)模拟焊枪重量和体积与目前焊接常用焊枪基本一致，为焊工提供了与实际焊枪相同的手感；(2)头盔显示器采用焊工专用头盔改造而成，佩戴感觉与真实焊接过程基本一致；(3)能够模拟焊接时的引弧动作，短路引弧时，与真实焊接中引弧过程一样，需要焊条端部与工件短路接触，然后很快抬高焊条到一定高度才能引弧成功；(4)能够模拟手工电弧焊焊接时焊条的熔化过程，通过改变步进电机驱动频率，可以改变焊条的熔化速度，这与实际焊接过程中焊条的熔化速度受焊接电流大小影响也是一致的。
本发明在理解了手工电弧焊焊接原理和实现过程的基础上，设计了针对手工电弧焊的模拟培训平台，在这个平台上可以实现手工电弧焊的操作培训，没有了真实焊接过程中的烟尘、强光，但也可在虚拟的场景中感受到真正的焊接过程。为此设计了新型的模拟焊枪，采用步进电机回抽焊条来模拟手工电弧焊焊条的熔化，霍尔传感器配合磁钢来模拟焊接引弧过程，实现了手工电弧焊脱离了真实焊接环境的模拟过程。通过模拟的操作训练，既可以真实感受焊接过程，掌握焊接手感，提高焊接技巧，又可以大大降低培训成本，提高培训效率，同时培训过程对焊工是完全安全的，可以预见这是一种打破常规的安全、高效的培训方式。
附图1为本发明的总体原理框图；
附图2为本发明的设备连接示意图；附图3为本发明中模拟焊枪的结构示意图；附图4为本发明中模拟焊枪的结构示意图；附图5为本发明中模拟焊枪的控制器电路原理图；附图6为本发明中模拟焊枪工作的控制流程图；附图7为本发明中CCD摄像机成像系统的小孔成像模型示意图；附图8为本发明中CCD摄像机成像系统的双目成像模型示意图；附图9为本发明中CCD成像系统的图像检测程序流程图；附图10为带有显示器的头盔的示意图；附图11为本发明主程序的控制流程图。
具体实施例方式
下面结合附图来对本发明作进一步详细的说明本发明采用了虚拟现实技术作为平台核心，从本质上说，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，它通过给用户同时提供诸如视、听、触等各种直观而又自然的实时感知交互手段、最大限度地方便用户操作，从而减轻用户负担、提高整个系统的工作效率。通常用户头戴一个头盔(用来显示立体图像的头盔式显示器)，手持传感手套，仿佛置身于一个幻觉世界中，在虚拟环境中漫游，并允许操作其中的“物体”。
图1为系统总体原理框图，分为硬件平台和软件平台两部分，软件平台的工作是对硬件平台采集的信号进行分析计算，重建三维场景，这个三维场景是与焊接操作过程互动的，焊接的操作过程都将真实反映在三维场景中，并且场景中提供了与真实焊接过程一样的弧光、飞溅、焊条熔化、熔池形成等等景象，这些景象是由计算机根据焊工事先设定的工艺参数和采集到的焊工操作动作、画面等实时生成的，并且为用户提供良好的人机界面。
硬件平台主要包括操作人员的工作环境设计以及焊接操作过程信号检测采集模块，它负责为用户提供一个实施焊接操作的空间，模拟焊接过程、培养操作手感，并且把用户操作的过程通过各种传感器记录下来，把采集到的数据输入软件平台分析计算。硬件和软件平台是有机的整体，两者互相依赖、信息共享。
本发明的重要目的之一是手工电弧焊焊接过程中操作手感的培养，焊工培训所使用的工具如焊枪、头盔等应尽可能的与真实焊接时所用一致，这样可以保证焊工在模拟培训时所养成的操作习惯和操作手感与真实焊接时的一样。而且需要针对焊工的操作过程，为他重建一个逼真的三维场景，在这个三维场景中，所反映出来的焊接情况与焊工的操作过程是一一对应的。比如真实手工电弧焊时，焊条端部熔化，焊工操作时不仅有横向运条的过程，还必须有向下送进的过程，如果不及时送进，焊条端部与试件距离过高，电弧将不能稳定燃烧，甚至熄灭。在虚拟三维场景中，电弧的出现就应该符合这样的规律，根据观察电弧的稳定性，让焊工及时发现操作中的问题，及时调整焊条位置，从而获得良好的操作习惯和操作手法。
为了获得模拟焊枪的位置，本发明主要采用了图像检测的方法，通过两台CCD摄像机同时拍摄培训过程中的图像，主控计算机从拍摄的图像中提取出反映模拟焊枪位置的特征点，根据两幅图像合成特征点的三维坐标，然后由计算机根据合成的三维坐标采用OpenGL接口实时模拟出三维的焊接场景。为了使程序处理简单快速，在模拟焊枪上设置了两个发光二极管(亮点)，目的是在拍摄的图像中可以更方便的找到模拟焊枪位置。
如图2所示，硬件部分主要包括主控计算机、模拟焊枪、模拟试件、带有显示器的头盔、CCD摄像机等，当然还可包括模拟操作台及一些辅助设备。摄像机采用台湾敏通的MTV 1881EX黑白CCD摄像机、图像采集卡采用北京微视公司的M 10卡、数据采集卡为凌华公司的PCI 9112。
如图11所示，为本发明主控计算机中主程序的控制流程图，本发明采用这种模式进行图像的显示和数据的保存。
下面将详细介绍各部件的功能和实现技术。
一、模拟焊枪机械结构图3为模拟焊枪的结构示意图，图4为从图3右后方视角的模拟焊枪结构示意图，其中模拟焊条1可采用不锈钢中空管制造，用于模拟真实焊接时焊条的熔化，可在其上设置至少2个发光二极管，以便于焊条位置检测装置，具体即CCD摄像机检测模拟焊条的坐标位置。其中直线轴承2通过轴承座3固定在步进电机9上，用于使模拟焊条1的运行保持直线状态。主动滚轮4为橡胶轮，步进电机9转动时带动主动滚轮4旋转，主动滚轮4靠摩擦力拉动模拟焊条1上下移动，从而模拟焊条的熔化过程，从动滚轮5安装位置与主动滚轮4相对，用于平衡主动滚轮4对模拟焊条1施加的径向力。
如图3、4所示，模拟焊条1与从动滚轮5接触的一面为平面，从而增大了与从动滚轮5的接触面积，而主动滚轮4与模拟焊条1接触的表面为与其相适应的曲面从而增大摩擦力以便更好的带动模拟焊条1直线移动。
动力机构采用了步进电机，采用步进电机能精确的控制焊条的移动，实现焊条熔化与焊接参数设置一致。具体可选用成都步进电机公司出品的11 HS 3002-01型4相步进电机和与之配套的402型驱动器。经过测试，该组合在每分钟3转的转速下还不会出现步进电机低速时的堵转现象，并且其保持转矩达到65Nm，足够带动模拟焊条1。
二、模拟焊枪的控制器图5是模拟焊枪的控制器的电路原理图，图中采用了数据采集卡作为控制信号的发生器和状态接收器，采用数据采集卡可以方便的与主控计算机连接，实现更多的数据处理功能。
图5中模拟焊枪的控制器的工作原理是通过主控计算机检测数据采集卡的三个数字输入通道DI 0、DI 1和DI 2，从而了解当前模拟焊枪的工作状态，根据检测到的模拟焊枪状态，主控计算机发出指令控制数据采集卡的COUNT 0端口输出脉冲信号，驱动模拟焊枪上的步进电机9转动，实现焊条熔化的模拟。其中DI 0端口连接的是模拟焊条1端部的继电器，用于检测模拟焊条1与模拟试样的短路情况，当模拟焊条1端部与模拟试样接触时，继电器加电吸合，DI 0口有信号，表明已经开始焊接时的短路接触阶段。DI 1端口连接了与埋在模拟焊条1端部的接近开关相连的继电器，其用于检测模拟焊条1端部与模拟试样之间的高度是否满足电弧稳定燃烧的条件。当模拟焊条1抬起高度合适时，接近开关输出电压信号，继电器吸合，DI 1端口有信号。DI 2端口连接了模拟焊枪上的回程开关，当回程开关接通时，DI 2端口有信号，主控计算机控制步进电机以较高速度反转，相当于让“熔化”完的焊条回到初始位置。
图5中的接近开关为霍尔元件传感器，它感受的是磁场强度的变化，并对变化做出响应，接近开关可装在焊条端部，磁钢埋在试件中，当焊条端部与工件之间的距离在磁场强度足够的范围内时，接近开关输出电压信号给数据采集卡，由数据采集卡控制步进电机旋转。
从图5中可以看到，模拟焊条1端部与模拟试件必须先接触短路，然后脱离才能使数据采集卡输出驱动频率，步进电机开始旋转，来模拟焊条的熔化。通过接近开关来判断模拟焊条1与模拟试件之间的距离是否是在电弧稳定燃烧的高度范围内，如果模拟焊条1抬起过高，接近开关将输出信号给数据采集卡，由数据采集卡控制步进电机9的驱动频率，使步进电机9停转，实现断弧的模拟。回程开关用于控制在模拟焊条1“燃烧”结束时，电机反转，使焊条恢复初始位置，准备开始下一根焊条的焊接。
三、手工电弧焊焊接模拟实现过程(1)引弧过程的模拟引弧过程是手工电弧焊的一个重要的环节，如图5所示，首先要判断模拟焊条1端部是否与模拟试件有接触从而短路(模拟焊条1和模拟试件均为导体，具体如不锈钢或其它金属)，如果未短路，将无法启动步进电机9；如果短路时间过长，将提出警报，退出程序。如果引弧条件满足，将驱动步进电机动作，进入正常焊接状态。
(2)焊接过程的模拟焊接过程主要是焊条熔化的过程，这同时伴随着焊条的横向移动、摆动等动作，在模拟焊接时，需要判断这些动作是否造成了电弧的不稳定并做出相应措施。比如，如图5所示，如果模拟焊条1送进不及时，“燃烧”过快，将造成模拟焊条1离模拟试件过远，这时接近开关将输出信号，数据采集卡检测到后停止步进电机9动作，模拟焊条1“燃烧”停止；而如果送进过大，模拟焊条1已经和模拟试件再次短路了，也将造成步进电机9停止，焊接过程中断，这些都是与实际焊接过程一致的。
四、图像法检测亮点确定焊条空间位置的原理目前CCD成像系统的透视成像模型多采用小孔成像模型，如图7所示，小孔成像模型反映了空间点在摄像机阵面上的成像点与摄像机光学中心的位置关系。
小孔成像模型显示了空间一点M在CCD摄像机阵面上的成像点是空间点M与摄像机光学中心点O的连线在CCD阵面上的交点m，空间一点在摄像机上的成像只有唯一一点。由成像模型可知，只要是OM连线上的点，在CCD阵面上成像点均为m，只能够确定M点位于Om的延长线上，所以，由单台摄像机拍摄的图像不能反推得到空间点M的坐标位置。由此可见，为了确定一个点的空间位置，至少需要两台摄像机进行检测。
图8为本系统采用的双目成像模型，图中m1和m2是空间点M分别在两台CCD摄像机上的成像位置。从图8中可以看到，空间M点的位置由其在两台摄像机阵面上的成像点和CCD摄像机光学中心点的连线相交得到。这种成像模式类似于人的双眼视物，通过两个眼睛观察，将图像反应到大脑，就能够感觉到物体的空间位置。
图9为图像检测程序的流程图，据此能够完成对亮点(即模拟焊枪上的发光二极管)空间位置的检测，同时也就反映出了模拟焊枪的空间位置。
五、带有显示器的头盔的结构如图10所示，带有显示器的头盔主要功能有(1)真实反映焊接时焊工佩戴的头盔保护设备，佩戴感觉应尽量接近焊接实际；(2)能够显示计算机生成的三维场景，通过显示器，焊工能观察到自己焊接操作的真实过程，能够在显示器上获得系统给出的信息，以指示下一步操作动作。
在本发明中选用了真实的焊接保护面罩作为头盔的基体，这样佩戴上头盔后和焊接时佩戴的面罩感觉是比较接近的，显示器使用液晶显示器，虽然加了液晶屏和驱动电路后面罩的重量和重心位置发生了变化，但可以在内部加装支撑架或在平台上加悬挂装置来减轻焊工的佩戴不适感。
场景的显示是通过液晶屏来实现的，液晶显示器的图像显示细腻，体积小，重量轻，最大的优点是没有辐射，无闪烁，对保护焊工的眼睛很有好处。本发明采用的液晶屏大小为6寸，显示分辨率为640×480，显示效果可以满足模拟平台的要求，液晶屏装在头盔前的护目镜位置处，通过调节液晶屏与面罩的间距可以改变焊工观察时眼睛距液晶屏的位置，保持合适的观察距离才能减轻焊工的视觉疲劳。
采用本发明的模拟焊接装置进行手工焊接操作训练，可以很快培养焊工的操作手感，同时因为模拟焊枪能够模拟与实际焊接时一样的引弧和焊接过程，焊工通过模拟焊枪就可以很好的锻炼焊条送进及运条等动作。使用模拟焊枪后，将大大的节约焊接消耗的材料和电能，使培训成本大为降低，而且不受场地限制，不需要专门的焊机、气瓶等配套装置，便于多人同时操作训练。培训教师将从繁重的工作中解脱出来，只需给焊工以指导性意见，由焊工自己一遍一遍的体验焊接过程的手感和操作技巧，在模拟训练过程中，没有烟尘，没有强光，没有高温，不会对焊工造成身体伤害，也不会使其产生厌烦情绪。
在模拟平台的软件系统中还可以有配套的多媒体焊接理论培训系统，使焊工可以理论结合实践，互相印证对比，提高培训的效率。
附关于虚拟现实采用OpenGL实现的参考文献[1]John Wilson.Virtual environments and ergonomicneeds andopportunities.Ergonomics[J].1997.40(10)1057-1077. 姜芳芳，来文青，龚庆武，姜季萍.虚拟现实在变电站仿真培训系统中的应用.高电压技术[J].2005.31(7)68-70. 李青，伞耀，陈义军.基于虚拟现实技术的实时战场指挥系统研究.计算机仿真[J].2005.22(9)12-14. Randy S Haluck，Renee L Marchall，Thomas M Krummel，etc.Aresurgery training programs ready for virtual reality？A survey ofprogram directors in general surgery.Virtual Reality in SurgeryTraining Programs[J].2001.193(6)660-665. 李文峰，王琦，陈定方.虚拟设计环境建立与OpenGL和VRML的研究开发.工程图学学报[J].2000.21-5. J.R.Li，L.P.Khoo，S.B.Tor.Desktop virtual reality for maintenancetrainingan object oriented prototype system.Computer inIndustry[J].2003.109-125.
权利要求
1.一种手工电弧焊焊接操作模拟培训装置，包括模拟焊枪、该模拟焊枪的控制器，以及模拟试件，其特征在于所述模拟焊枪包括焊枪把手(8)，该焊枪把手(8)的一端连接有一步进电机(9)，在该步进电机(9)的输出轴上安装有一主动滚轮(4)，在该步进电机(9)的电机座(7)上固定有一滚轮支座(6)，该滚轮支座(6)上安装有一从动滚轮(5)，在该从动滚轮(5)与主动滚轮(4)之间设有一模拟焊条(1)，该模拟焊条(1)分别与从动滚轮(5)和主动滚轮(4)相接触从而可在主动滚轮(4)旋转时被移动，在步进电机(9)的电机座(7)上还固定有一直线轴承(2)，前述模拟焊条(1)被套在该直线轴承(2)内从而仅可做直线移动；在所述模拟试件内安装有磁体，在模拟焊条(1)上安装有相应的接近开关从而可检测模拟焊条(1)与模拟试件间的距离；所述模拟焊枪的控制器分别与步进电机(9)的驱动器以及接近开关连接。
2.如权利要求1所述的手工电弧焊焊接操作模拟培训装置，其特征在于还包括主控计算机、焊条位置检测装置、和带有显示器的头盔，其中焊条位置检测装置与主控计算机连接从而向其提供模拟焊条(1)的空间位置信息，主控计算机与所述模拟焊枪的控制器连接从而获取焊接过程信息，主控计算机还与头盔上的显示器连接从而根据模拟焊条(1)的空间位置及模拟焊接的过程在显示器上显示出相应的画面。
3.如权利要求2所述的手工电弧焊焊接操作模拟培训装置，其特征在于其中所述显示器是液晶显示器。
4.如权利要求2所述的手工电弧焊焊接操作模拟培训装置，其特征在于其中焊条位置检测装置包括至少2台平行设置的CCD摄像机，CCD摄像机通过图像采集卡连接至主控计算机。
5.如权利要求4所述的手工电弧焊焊接操作模拟培训装置，其特征在于在所述模拟焊条(1)上安装有至少2个发光二极管。
6.如权利要求1至5中任意一项所述的手工电弧焊焊接操作模拟培训装置，其特征在于其中在所述模拟试件内安装的磁体是磁钢。
7.如权利要求1至5中任意一项所述的手工电弧焊焊接操作模拟培训装置，其特征在于其中在所述模拟焊条(1)上安装的接近开关是霍尔元件传感器。
8.如权利要求1至5中任意一项所述的手工电弧焊焊接操作模拟培训装置，其特征在于其中所述模拟焊枪的控制器是数据采集卡，其输出端与步进电机(9)驱动器的控制端连接从而控制步进电机(9)，其输入端与接近开关连接从而获取模拟焊条(1)与试件之间的距离是否在约定范围内。
9.如权利要求8所述的手工电弧焊焊接操作模拟培训装置，其特征在于其中所述模拟试件和模拟焊条(1)均为导体且模拟试件接地，所述数据采集卡的输入端与模拟焊条(1)连接从而可检测模拟焊条(1)是否与模拟试件相接触。
10.如权利要求8所述的手工电弧焊焊接操作模拟培训装置，其特征在于其中数据采集卡的输入端与回程开关连接，当回程开关闭合后数据采集卡通过步进电机(9)控制模拟焊条(1)返回初始位置。
全文摘要
本发明涉及一种焊接操作模拟培训设备，特别涉及手工电弧焊焊接操作模拟培训装置，包括模拟焊枪、该模拟焊枪的控制器，以及模拟试件，其特点在于，模拟焊枪包括焊枪把手(8)，该焊枪把手(8)的一端连接有一步进电机(9)，在该步进电机(9)的输出轴上安装有一主动滚轮(4)，在该步进电机(9)的电机座(7)上固定有一滚轮支座(6)，该滚轮支座(6)上安装有一从动滚轮(5)，在该从动滚轮(5)与主动滚轮(4)之间设有一模拟焊条(1)，本发明采用新型的模拟焊枪，模拟焊接过程的进行，达到快速培养焊工的操作手感并减少物资和能源消耗的目的。
文档编号G09B25/00GK1866317SQ2006100429
公开日2006年11月22日 申请日期2006年6月9日 优先权日2006年6月9日
发明者张建勋, 邹林, 梁振新, 薛金保, 裴怡, 陈小艺, 蓝焕生, 黄挺, 毋娟丽 申请人:西安交通大学