专利名称：一种手工焊接模拟操作培训中的运条轨迹分析及评价方法
技术领域：
本发明属于焊接模拟与仿真培训领域，具体涉及一种手工焊接模拟操作培训中的运条轨迹分析及评价方法。
背景技术：
应对于传统焊接培训领域中能耗高，污染大，师资缺的现实状况，基于虚拟现实技术以及高精度传感器技术的模拟焊接培训逐渐成为焊接培训领域的新热点。模拟焊接培训不仅有节能，环保，高效的特点，同时还通过在培训中引入多媒体技术和信息技术对传统焊接培训进行改革，为焊接培训领域带来了新思路与新模式。世界上发达国家对虚拟现实技术应用到焊接培训领域的研究进行较早。在2002年，澳大利亚伍伦贡大学(UNIVERSITY 0FW0LL0NG0NE)发表文章阐述了他们的虚拟焊接培训系统，他们的系统在保证全面培训和发展焊工的各种焊接操作技能的同时，缩短焊工培训时间，降低培训费用、耗材及能源。日本千叶大学(CHIBA UNIVERSITY)也于2002年发表文章描述了他们在模拟焊接培训领域的成果。法国的Laurent DADALT0公司在全球率先实现了虚拟焊接培训设备的商业化。现在他们已经批量生产名为“CS-WAVE”的虚拟焊接培训设备并于日前发展到第四代产品。相比于国外，国内成型的模拟焊接培训出现的相对较晚，但在技术创新中体现出很广阔的思路， 并且也更能针对我国大量使用手工电弧焊的国情。2008年3月，上海师范大学基于双目成像原理提出的“电弧焊平板焊接仿真中焊条空间实时定位技术”服务于虚拟焊接培训系统。 西安交通大学焊接研究所从2003年开始开发焊接操作模拟培训系统。该系统的成型设备已经在2008年被成功研制出来并申请了相关专利，能够提供初级焊工培训的基本培训功能。运条操作是手工电弧焊培训过程中一项重要的培训课题，其熟练掌握程度很大程度上决定了一个焊工的焊接水平。虽然国内外的模拟焊接培训系统对焊工运条操作都有足够的重视，但是都没有形成一个基本的训练与评价方法。西安交通大学于2009年6月29 日申请的申请号为=200910023097. 7，名称为《手工电弧焊运条操作模拟训练装置及电弧焊运条检测方法》的专利于2011年2月9日获得了专利授权，。该装置使用于焊工焊接运条操作的入门、改进和提高训练，包括模拟焊枪、模拟试板、图像检测模块、倾角传感器、主控计算机与评价系统。通过传感器的合理选择、布局以及高效数据处理，实现了对焊工操作模拟焊条的实时位置的高精度检测。该装置能够记录焊接学员在操作过程中引弧、运条、收尾等一系列操作，并在操作完成之后复现操作轨迹，能提高学习效率和学习效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种手工焊接模拟操作培训中的运条轨迹分析及评价方法。在该方法的指引下，采用ZL200910023097.7手工电弧焊运条操作模拟训练装置(HTS) 实现从运条轨迹方面对焊工的操作进行分析和评价，并最终对焊工的焊接操作给出评分， 从而达到有效的指导焊工进行培训与学习的目的。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是1)运条轨迹检测模拟焊条首先 向模拟试板打出一束光线，CCD摄像机在试板下方捕捉光束在试板上所成的图像即光斑，然后摄像机将拍摄的图像传输到主控计算机中，通过计算光斑的位置坐标得出焊条端部的位置，最后将焊条端部位置坐标存储起来，用于焊条运条轨迹的重现；2)光学检测首先摄像机需要初始化，并将采集的图像像素灰度值放入缓存地址；将缓存地址中的灰度数值存入数组，再在数组中寻找灰度值最大的像素，并与200-210灰度值的引弧阈值进行比较，若最大像素值大于引弧阈值，系统开始分析所采集的数据，所用的摄像机的CXD芯片的像素规格为768 X 576，通过CXD芯片规格以及最大灰度值像素在数组中的编号得出最大灰度值像素所对应的图像坐标，然后，以最大灰度值为中心，定义一个31像素X31像素的跟踪区域，图像上的光斑一定包含在这个区域之内，此时设置一个170-180 灰度值的光斑描绘阈值，把跟踪区域中像素灰度值与光斑描绘阈值进行对比，大于光斑描绘阈值的就是光斑，小于光斑描绘阈值的就是黑色背景部分，由此得到所有光斑像素，并根据光斑最上端和最下端以及最左端和最右端的像素坐标计算出亮点中心的像素坐标，最后，将亮点的像素坐标进行存储，同时转化为实际坐标就能得到焊条的实时位置；3)运条轨迹再现利用定时器每隔40-120ms重复执行上述光学检测，并将测得的位置坐标按时间次序放入数组当中得到运条轨迹上的一系列坐标，再将相邻坐标用直线连接起来近似得到焊工操作的运条轨迹；4)运条轨迹的预处理4. 1)消除噪音减小误差通过观测和记录找出模拟焊条检测同一位置的波动范围M，每次取当前的检测坐标P(x，y)与上一个循环测检测坐标F(x，y)进行对比，若二者的差的绝对值在M之外，则取当前的检测坐标P(x，y)为最终检测点坐标，若二者的差的绝对值在范围M之内则认为该次检测结果的变动是由噪声干扰造成的，则取P(x，y) =F(x,y)；在对运条轨迹进行分析之前将数据存储数组FO中的重复点去除掉，然后将去重的数据放入新的数组PO，经过以上两步操作基本上可以去除掉检测数据中不准确的坐标；4. 2)运条轨迹编码模拟焊条的运条轨迹是由一系列矢量组成的，运条轨迹的形状信息保存在各个矢量的方向当中，运条轨迹的大小信息保存在矢量的大小当中，在[-η，^ ]范围内涵盖平面
内所有的矢量方向，将[_ η，^ ]分为12等分，分别编号为{1，2，3......12}，从而使得每
个运条轨迹矢量都能对应一个编号，将一条运条轨迹的方向变化以编码的方式表示出来， 也即通过编码的方式将轨迹的形状信息提取出来；由于运条轨迹是周期图形，每条轨迹是某一周期图形的重复，进而转化出的编码也将呈现出周期性，通过轨迹编码完成运条轨迹周期的划分；4. 3)轨迹的“直线度”
模拟焊条运条轨迹的“直线度”表征的是焊工在操作过程中保持焊缝平直的能力， 对于每个周期内轨迹上的数据点通过运算得出其中点，通过各个中点在Y方向上的方差实际的反映出中点连线的平直程度即“直线度”，“直线度”的测度即为中点Y坐标的方差，通过数学转换将方差测度转化为100以内的分值，反映其控制焊缝平直的水平； 4.4)轨迹的“均一度”“均一度”为轨迹的X方向上单位距离内周期的个数，首先计算运条轨迹上各个周期中点之间的距离c(i)，然后对C(i)求方差，得出的F直接反映出“均一度”，最后通过数学转换将方差测度转化为100以内的分值，反映其控制焊接速度的水平；4. 5)轨迹的“均勻度”“均勻度”指的是运条轨迹中各个周期所覆盖的面积大小差异的情况，运条轨迹周期内的每条线段两端点与中点连线恰好形成若干三角形，通过计算三角形面积进而求和得出轨迹周期的面积，通过连线法将周期图形分为若干三角形，再使用三边法求出三角形的面积，再求和得出周期图形的面积，最后对周期图形的面积求方差，所得数值经过数学转换为百分制数反映其控制焊缝宽度的水平；4. 6)焊缝宽度控制焊缝的宽度是由运条轨迹中各个最大值点决定的，将最大值点和最小值点分别用连接线连接起来得到焊缝的上下边界，将实际焊缝宽度于标准焊缝宽度进行比较，得出焊工操作过程中对焊缝宽度把握的情况，通过计算标准内的部分的实际线长占到整个焊缝边缘总线长的百分比则是焊工在焊缝宽度控制方面最终的成绩；4. 7)焊缝边缘停留时间由于检测位置坐标时是按一定周期T执行的，从而任意两个相邻数据坐标点的采样时间差都是T，并且停留点一定在焊缝边缘之上，统计焊缝边缘上最值点周围正负一毫米内数据点的个数k，即统计出焊缝边缘停留时间t (n) =TXk，最后对比焊工在焊缝边缘实际停留时间与标准时间，在标准停留时间内的最值点占所有最值点的百分数即为焊工最后的成绩；4.8)轨迹的“相似度”将每条轨迹转换为1 12的轨迹编码，形成轨迹链码，而不同运条轨迹的各链码值个数占全体链码值个数的百分比也会有区别，对比不同轨迹个链码值所占百分数 {P(η) η = 1,2,3. . . 12}和{Q(n) |η = 1，2，3· · · 12}，取 S = Σ Min{P(η)，Q(η) |η = 1,2, 3... 12}为最终对比结果且1，S反映了两条运条轨迹在外形上相似的程度，两个形状完全相同，大小不同的轨迹对比得到的S值为1，而完全不同的轨迹得到的S为0，剩下绝大部分轨迹都是有一定相似度的。所述的步骤3)得到的运条轨迹其逼真度取决于检测光斑的频率，其检测频率为 20Hz。本发明针对传统焊工培训中存在的问题，从焊工操作运条轨迹入手，对焊工的操作水平给与评价与指导。通过将运条操作分割为一系列操作要领，针对不同的操作要领从轨迹的“直线度”、“均勻度”、“均一度”、“焊缝宽度控制”、“焊缝边缘停留时间”以及不同运条轨迹“相似度”对焊工的操作技能进行分析评价。本方法有一下特点(1)适用性该方法不受运条手法局限，适用于任何形状的焊接运条轨迹；(2)全面性该方法综合的考虑了运条操作的要领和影响运条操作的因素，对焊接运条操作给出了全面的分析评价。(3)科学性该方法建立的模型将复杂的运条轨迹分为多个考察的方面，直观的反映了运条轨迹乃至焊工操作的好坏，具有一定科学性。
图Ι-a是实 际锯齿形运条轨迹；图Ι-b是理想状态下锯齿形运条轨迹；图2是ZL200910023097. 7手工电弧焊运条操作模拟训练装置(HTS)的结构示意图；图3是本发明检测代码流程图；图4是最亮点像素跟踪示意图；图5是由一系列矢量组成的轨迹；图6是矢量编码原理图；图7_a是标准锯齿形运条轨迹；
图7_b是标准月牙形运条轨迹；图8是本发明“直线度”相关轨迹，其中(a)是焊工运条轨迹，(b)是轨迹周期中心，(c)是轨迹中的一个周期；图9是不均勻焊速产生的运条轨迹，其中(a)是焊速过慢区域，(b)是焊速过快区域，(c)轨迹周期中心连线；图10是均勻度相关轨迹，其中(a)轨迹中点连线，(b)运条轨迹；图11是面积计算方法，其中(a)锯齿形运条轨迹周期，(b)月牙形运条轨迹周期；图12是焊缝实际宽度，其中(a)运条轨迹中的最值点，(b)最值点连线；图13是实际焊缝与标准焊缝的宽度对比，其中(a)标准焊缝边缘，(b)实际焊缝边缘超出标准的部分，(c)实际焊缝边缘在标准内的部分；图14是焊缝边缘停留时间，其中(a)实际停留时间点，(b)标准停留时间线；图15是链码值百分比饼图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详细说明。运条一般分三个基本运动沿焊条中心线向熔池送进；沿焊接方向移动；横向摆动。焊条向熔池方向送进的目的是在焊条不断熔化的过程中优质弧长不变。焊条下送速度应与焊条的熔化速度相同。否则，会发生断弧或焊条与焊件粘结现象。焊条沿焊接方向移动，是为了控制焊道成形。焊条向前移动速度过快或过慢会出现焊道较窄、未焊透或焊道过高、过宽甚至出现烧穿等缺陷。本发明致力于提出一套完整的焊工操作运条分析及评价方法，通过该方法宏观上反映出焊工的操作水平，微观上体现出焊工操作的薄弱环节，使得焊工能够有针对性进行焊接训练。通过观察，可以发现实际的运条轨迹均是由一系列周期图形组成的，如图l_a实际的锯齿形运条轨迹是由多个不规则的小三角形组成的。在理想状态下，锯齿形运条轨迹应该呈现如图ι-b的形态，而且无论是什么样的运条轨迹，都可以视为周期图形的组合。通过对周期图形进行分析，进而反映整条运条轨迹优劣是本发明的基本分析评价思想。本发明主要分为两个方面，一方面为单条轨迹分析评价；另外一方面为不同运条轨迹之间的对比评价。焊接运条基本操作的要领在于保证焊缝平直、控制适当的焊速与焊缝宽度、在焊缝边缘做适当停留。单条轨迹分析结合上述要领，从轨迹的“直线度”、“均勻度”、 “均一度”、 “焊缝宽度控制”以及“焊缝边缘停留时间”五个方面对运条基本操作进行分析评价，并且可以具体的指出焊工操作过程中哪方面没有控制好。对于不同运条轨迹对比则主要关注“相似度”。假定在使用过程中，由焊接教练示范操作生成了一条运条轨迹，之后学员就可以在HTS上自己操作，将生成的运条轨迹与之比较，其“相似度”则能在一定程度上说明学员操作与教练操作的差距，从而可以更有针对性的进行训练。同时，不同学员的运条轨迹与同一标准轨迹进行对比之后，“相似度”的差异也能在一定程度上反映出学员间操作水平的差异。(1)运条轨迹检测准确而高效的焊接位置实时检测是得出运条轨迹并进行分析评价的基础。新一代 HTS采用光学检测原理，通过CXD工业摄像机实时捕捉焊接操作位置，最终将运条轨迹反映出来。参见图2，本发明采用ZL200910023097.7手工电弧焊运条操作模拟训练装置 (HTS)，模拟焊条5首先向模拟试板6打出一束光线，此时发光二极管8发光，CXD摄像机1 在模拟试板6下方捕捉光束在模拟试板6上所成的图像即光斑，然后摄像机1将拍摄的图像经图像采集卡2传输到主控计算机3，通过计算光斑的位置坐标得出焊条端部的位置，由显示屏4显示，最后将焊条端部位置坐标存储起来，用于焊条运条轨迹的重现；(2)光学检测原理由于完成运条轨迹的采集只需要关注焊枪端部在水平面上的X-Y坐标，因此本发明的重点在于对模拟试板上光斑的X-Y坐标进行检测计算。如图3的检测代码流程如图，首先摄像机需要初始化，并将采集的图像像素灰度值放入缓存地址；将缓存地址中的灰度数值存入数组，再在数组中寻找灰度值最大的像素，并与200-210灰度值的引弧阈值进行比较。若最大像素值大于引弧阈值，系统开始分析所采集的数据，所用的摄像机的CCD芯片的像素规格为768X576，通过CXD芯片规格以及最大灰度值像素在数组中的编号得出最大灰度值像素所对应的图像坐标，然后，以最大灰度值像素为中心，定义一个31像素X31像素的跟踪区域。如图4，外围方框代表跟踪区域，小方格代表像素，圆圈代表光斑。图中，黑色方块代为亮度最大的像素。图像上的光斑一定包含在这个区域之内，此时设置一个170-180 灰度值的光斑描绘阈值，把跟踪区域中像素灰度值与光斑描绘阈值进行对比，大于光斑描绘阈值的就是光斑，小于光斑描绘阈值的就是黑色背景部分，由此得到所有光斑像素，并根据光斑最上端和最下端以及最左端和最右端的像素坐标计算出亮点中心的像素坐标，最后，将亮点的像素坐标进行存储，同时转化为实际坐标就能得到焊条的实时位置；(3)运条轨迹再现利用定时器每隔40-120ms重复执行上述光学检测，并将测得的位置坐标按时间次序放入数组当中就得到了运条轨迹上的一系列坐标。再将相邻坐标用直线连接起来就可以近似得到焊工操作的运条轨迹。而由此得出的运条轨迹其逼真度很大程度上取决于系统检测光斑的频率，检测频率越高则真实度越高。实验中得出的系统检测频率可以达到20Hz， 该频率完全可以满足运条轨迹再现所需要的分辨率，如图l_a为由HTS系统再现的焊工操作运条轨迹。(4)运条轨迹的预处理 4. 1)消除噪音减小误差由于采用光学检测作为定位焊条端部位置的方法，会造成环境中的自然光等背景光为检测带来误差。例如在实际检测中，当模拟焊条位置静止不动的时候，检测出的位置坐标还是会有微小的波动。通过观测和记录找出模拟焊条检测同一位置的波动范围M，每次取当前的检测坐标P(x，y)与上一个循环测检测坐标F(x，y)进行对比，若二者的差的绝对值在M之外，则取当前的检测坐标P (X，y)为最终检测点坐标，若二者的差的绝对值在范围 M之内则认为该次检测结果的变动是由噪声干扰造成的，则取P(x，y) =F(x,y)；另外对于运条轨迹来说，重复的数据点没有实际的意义，因此在对运条轨迹进行分析之前需要将数据存储数组FO中的重复点去除掉，然后将去重的数据放入新的数组 PO。经过以上两步操作基本上可以去除掉检测数据中不准确的坐标。4. 2)运条轨迹编码本发明采集到的轨迹是由摄像机拍摄的光斑在前后帧位置坐标连线组成的，同时由于前后帧之间有时间差，可认为轨迹的方向就是从前一帧的坐标指向后一帧坐标的。因此，运条轨迹可以认为是由一系列矢量组成的(图5)。其中图5(a)为轨迹中的一个矢量。 继而可以认为运条轨迹的形状信息主要保存在各个矢量的方向当中，而轨迹的大小信息则保存在矢量的大小当中。对于单条运条轨迹的分析，需要综合考虑其形状与大小，但是对于不同运条轨迹的相似性研究则主要考虑其外形的相似。因此需要一种方法进一步提取出运条轨迹的形状信息。众所周知在[_π，π]范围内涵盖平面内所有的矢量方向，因此可以将[-JI，Ji]
分为12等分，分别编号为{1，2，3......12}。将轨迹矢量的方向根据图6进行对应，从而使
得每个轨迹矢量都能对应一个编号。通过此方法可以将一条运条轨迹的方向变化以编码的方式表示出来，也即通过编码的方式将轨迹的形状信息提取出来。另外，运条轨迹是周期图形，每条轨迹都可以看作是某一周期图形的重复(如图 7-a和7-b)，进而转化出的编码也将呈现出一定的周期性。将运条轨迹分割为周期后再进行分析是本研究的主要思想之一。而通过轨迹编码可以很容易的完成运条轨迹周期的划分。因此，轨迹编码也是整个轨迹分析研究的基础。4. 3)轨迹的“直线度”焊缝平直是焊接初学者在训练早期所需要达到的一个基本目标，也是初级焊工必备的素质之一。在本发明中，运条轨迹的“直线度”(后面简称为“直线度”)表征的是焊工在操作过程中保持焊缝平直的能力。“直线度”是轨迹分析研究中难度最低的部分也是其他方面研究的基础。如图8，(a)为一条焊工实际操作的锯齿形运条轨迹，这条轨迹是由若干个类似于 (C)的“山峰”形周期图形组成的。对于每个周期内轨迹上的数据点可以通过运算得出其中点(b)。通过观察可以发现各个周期的中点在Y方向上的大小不同，而各个中点在Y方向上的方差实际的反映出中点连线的平直程度，也可以理解为“直线度”。“直线度”的测度即为中点Y坐标的方差，进一步通过数学转换可以将方差测度转化为100以内的分值，从而给焊工以直接的反馈，反映其控制焊缝平直的水平。4.4)轨迹的“均一度”“均一度”可以解释为轨迹的X方向上单位距离内周期的个数。在焊工学习过程中会出现焊速控制不好的现象，宏观上表现为焊缝的某些部位出现烧穿、增厚高过高 或者夹渣、未焊透。从轨迹的“均一度”上来看则表现为，当焊速过慢的时候会在单位距离上出现过多的周期图形；当焊速过快的时候会在单位距离上出现过少的周期图形(图9)。因此， 采用“均一度”度量可以很好的反映出焊工操作的速度控制技能。进一步观察(如图9)可以发现在焊速过慢区域(a)中轨迹周期中心连线(距离)相对较短，而在焊速过快区域(b) 中轨迹周期中心连线(距离)相对较长。因此可以采用周期中心连线(c)的长度来反映整条轨迹的“均一度”。首先计算运条轨迹上各个周期中点之间的距离C(i)。然后对C(i)求方差，得出的F直接反映出“均一度”。最后通过数学转换可以将方差测度转化为100以内的分值，从而给焊工以直接的反馈，反映其控制焊接速度的水平。4.5)轨迹的“均勻度”在焊接运条时，如果各个轨迹周期所覆盖的区域大小不同时可能会造成夹渣，咬边等缺陷以及焊缝宽度不一的问题，因此优秀的焊工在运条操作中应该能够保证轨迹中各个周期大小的一致性。“均勻度”指的是运条轨迹中各个周期所覆盖的面积大小差异的情况。此外，“均勻度”是上述“直线度”和“均一度”的一个有力补充，因为通过观察发现，在 “直线度”和“均一度”很好的情况下仍然可能出现焊接缺陷(图10)。如图10轨迹“直线度”与“均一度”很好，但是很明显轨迹周期的大小差别很大，在此情况下仍然会造成焊接缺陷以及焊缝宽度不一影响焊缝美观。因此，本研究采用“均勻度”来度量轨迹周期的大小。周期的大小可以理解为周期图形的面积大小，由于轨迹类型各有不同，其周期图形也有很大差别，选择合适的面积公式进行面积计算是一个重点。运条轨迹是通过摄像机采集的一系列坐标点连接而成的，因此无论是锯齿形运条轨迹还是月牙形运条轨迹都可以看作是由无数个线段组成的。同时，上文中已经介绍了如何求出各个轨迹周期的中点，而周期内的每条线段两端点与中点连线恰好可以形成若干三角形，通过计算三角形面积进而求和则可以得出轨迹周期的面积，而无论轨迹周期的外形为如何。如图11，通过连线法将周期图形分为若干三角形，再使用三边法求出三角形的面积，再求和就可以得出周期图形的面积。最后对周期图形的面积求方差，所得数值经过数学转换为百分制数从而给焊工以直接的反馈，反映其控制焊缝宽度的水平。4. 6)焊缝宽度控制焊缝的宽度控制是焊工培训的一项重要技能，同时也是保证焊缝质量与外形的重要因素之一。通过焊接运条轨迹可以很方便很直接的反映出焊工控制焊缝宽度的实际水平。焊缝的宽度主要是由运条轨迹中各个最值点决定的，见图12中(a)，进一步将最大值点和最小值点分别用连接线，见图12中(b)连接起来就可以得到焊缝的上下边界。取出实际焊缝宽度的目的在于同标准焊缝宽度进行比较，进而可以得出焊工操作过程中对焊缝宽度把握的情况。如图13，实际焊缝边缘被标准焊缝边缘分成了两个部分，超出部分(b)以及(C)。通过计算标准内的部分的实际线长占到整个焊缝边缘总线长的百分比则是焊工在焊缝宽度控制方面最终的成绩。 4. 7)焊缝边缘停留时间由于焊件通常为金属，导热较快，导致正常焊接时焊缝边缘温度较低，容易产生咬边或未融合等缺陷。因此在运条时需要在焊缝边缘稍作停留以延长加热时间防止上述缺陷产生。“焊缝边缘停留时间”考察的就是焊工在运条操作中是否在焊缝的边缘保持了合理的停留时间，否则的话时间不够容易导致咬边或未熔合的缺陷，而时间过长又易导致过烧或烧穿等缺陷。因此，需要做的首先是计算出焊缝边缘停留时间，再通过与标准时间进行对比来衡量操作的合理性。HTS在检测位置坐标时是按一定周期T执行的，从而任意两个相邻数据坐标点的采样时间差都是T，并且停留点一定在焊缝边缘之上。因此，只要统计焊缝边缘上最值点周围正负一毫米内数据点的个数k就可以统计出焊缝边缘停留时间t (n) =TXk0最后对比焊工在焊缝边缘实际停留时间与标准时间，在标准停留时间内的最值点占所有最值点的百分数即为焊工最后的成绩(如图14)。4.8)轨迹的“相似度”由上文可知，每条轨迹都可以转换为1 12的轨迹编码，形成轨迹链码。而不同运条轨迹的各链码值个数占全体链码值个数的百分比也会有区别。如图15为不同链码值所占百分比饼图，而且不同运条轨迹的饼图将有所区别。对比不同轨迹个链码值所占百分数{Ρ(η) |η = 1,2,3. . . 12}和{Q(n) η = 1,2,3. . . 12}，取 S =Σ Min{P(η), Q(η) η = 1， 2,3... 12}为最终对比结果且1。S反映了两条运条轨迹在外形上相似的程度，两个形状完全相同，大小不同的轨迹对比得到的S值为1，而完全不同的轨迹得到的S为0，剩下绝大部分轨迹都是有一定相似度的。
权利要求
1. 一种手工焊接模拟操作培训中的运条轨迹分析及评价方法，其特征在于其具体步骤如下1)运条轨迹检测模拟焊条首先向模拟试板打出一束光线，CCD摄像机在试板下方捕捉光束在试板上所成的图像即光斑，然后摄像机将拍摄的图像传输到主控计算机中，通过计算光斑的位置坐标得出焊条端部的位置，最后将焊条端部位置坐标存储起来，用于焊条运条轨迹的重现；2)光学检测将采集的一帧图像中的各个像素点的灰度值从内存中取出，并存入数组，在数组中寻找灰度值最大的像素，并与200-210灰度值的引弧阈值进行比较，若最大像素值大于引弧阈值，系统开始分析所采集的数据，所用的摄像机的CXD芯片的像素规格为768X576，通过 CCD芯片规格以及最大灰度值像素在数组中的编号得出最大灰度值像素所对应的图像坐标，然后，以最亮点为中心，定义一个31像素X31像素的跟踪区域，图像上的光斑一定包含在这个区域之内，此时设置一个170-180灰度值的光斑描绘阈值，把跟踪区域中像素灰度值与光斑描绘阈值进行对比，大于光斑描绘阈值的就是光斑，小于光斑描绘阈值的就是黑色背景部分，由此得到所有光斑像素，并根据光斑最上端和最下端以及最左端和最右端的像素坐标计算出亮点中心的像素坐标，最后，将亮点的像素坐标进行存储，同时转化为实际坐标就能得到焊条的实时位置；3)运条轨迹再现利用定时器每隔40-120ms重复执行上述光学检测，并将测得的位置坐标按时间次序放入数组当中得到运条轨迹上的一系列坐标，再将相邻坐标用直线连接起来近似得到焊工操作的运条轨迹；-4)运条轨迹的预处理-4. 1)消除噪音减小误差通过观测和记录找出模拟焊条同一位置检测的波动的范围M，每次取当前的检测坐标 P(x，y)与上一个循环测检测坐标F(x，y)进行对比，若二者的差的绝对值在M之外，则取当前的检测坐标P(x，y)为最终检测点坐标，若二者的差的绝对值在范围M之内则认为该次检测结果的变动是由噪声干扰造成的，则取P(x，y) =F(x,y)；在对运条轨迹进行分析之前将数据存储数组FO中的重复点去除掉，然后将去重的数据放入新的数组P0，经过以上两步操作基本上可以去除掉检测数据中不准确的坐标；-4. 2)运条轨迹编码模拟焊条的运条轨迹是由一系列矢量组成的，运条轨迹的形状信息保存在各个矢量的方向当中，运条轨迹的大小信息保存在矢量的大小当中，在[-η，^ ]范围内涵盖平面内所有的矢量方向，将[-η，η]分为12等分，分别编号为{1，2，3......12}，从而使得每个运条轨迹矢量都能对应一个编号，将一条运条轨迹的方向变化以编码的方式表示出来，也即通过编码的方式将轨迹的形状信息提取出来；由于运条轨迹是周期图形，每条轨迹是某一周期图形的重复，进而转化出的编码也将呈现出周期性，通过轨迹编码完成运条轨迹周期的划分；-4. 3)轨迹的“直线度”模拟焊条运条轨迹的“直线度”表征的是焊工在操作过程中保持焊缝平直的能力，对于每个周期内轨迹上的数据点通过运算得出其中点，通过各个中点在Y方向上的方差实际的反映出中点连线的平直程度即“直线度”，“直线度”的测度即为中点Y坐标的方差，通过数学转换将方差测度转化为100以内的分值，反映其控制焊缝平直的水平；·4. 4)轨迹的“均一度”“均一度”为轨迹的X方向上单位距离内周期的个数，首先计算运条轨迹上各个周期中点之间的距离C(i)，然后对C(i)求方差，得出的F直接反映出“均一度”，最后通过数学转换将方差测度转化为100以内的分值，反映其控制焊接速度的水平；·4. 5)轨迹的“均勻度”“均勻度”指的是运条轨迹中各个周期所覆盖的面积大小差异的情况，运条轨迹周期内的每条线段两端点与中点连线恰好形成若干三角形，通过计算三角形面积进而求和得出轨迹周期的面积，通过连线法将周期图形分为若干三角形，再使用三边法求出三角形的面积， 再求和得出周期图形的面积，最后对周期图形的面积求方差，所得数值经过数学转换为百分制数反映其控制焊缝宽度的水平；·4. 6)焊缝宽度控制焊缝的宽度是由运条轨迹中各个最大值点决定的，将最大值点和最小值点分别用连接线连接起来得到焊缝的上下边界，将实际焊缝宽度于标准焊缝宽度进行比较，得出焊工操作过程中对焊缝宽度把握的情况，通过计算标准内的部分的实际线长占到整个焊缝边缘总线长的百分比则是焊工在焊缝宽度控制方面最终的成绩；·4. 7)焊缝边缘停留时间由于检测位置坐标时是按一定周期T执行的，从而任意两个相邻数据坐标点的采样时间差都是T，并且停留点一定在焊缝边缘之上，统计焊缝边缘上最值点周围正负一毫米内数据点的个数k，即统计出焊缝边缘停留时间t(n) = TXk，最后对比焊工在焊缝边缘实际停留时间与标准时间，在标准停留时间内的最值点占所有最值点的百分数即为焊工最后的成绩；·4. 8)轨迹的“相似度”将每条轨迹转换为1 12的轨迹编码，形成轨迹链码，而不同运条轨迹的各链码值个数占全体链码值个数的百分比也会有区别，对比不同轨迹个链码值所占百分数{P(n) |n = 1,2,3. . . 12}和 i;Q(n) η = 1,2,3. . . 12}，取 S =Σ Min{P(η)，Q(η) η = 1,2,3. . . 12}为最终对比结果且0 < S ^ 1，S反映了两条运条轨迹在外形上相似的程度，两个形状完全相同， 大小不同的轨迹对比得到的S值为1，而完全不同的轨迹得到的S为0，剩下绝大部分轨迹都是有一定相似度的。
2.根据权利要求1所述的手工焊接模拟操作培训中的运条轨迹分析及评价方法，其特征在于所述的步骤幻得到的运条轨迹其逼真度取决于检测光斑的频率，其检测频率为 20Hz。
全文摘要
一种手工焊接模拟操作培训中的运条轨迹分析及评价方法，使用于焊工焊接运条操作的入门、改进和提高训练。该方法考虑了运条操作中保证焊缝平直、控制适当的焊速与焊缝宽度、在焊缝边缘做适当停留等操作要领，从轨迹的“直线度”、“均匀度”、“均一度”、“焊缝宽度控制”、“焊缝边缘停留时间”以及不同运条轨迹“相似度”对焊工的操作技能进行分析评价。通过该方法的应用，焊工能够训练引弧，运条，收尾等一系列操作，并在操作完成之后复现操作轨迹，能提高学习效率和学习效果。
文档编号G09B19/00GK102157094SQ201110059198
公开日2011年8月17日 申请日期2011年3月11日 优先权日2011年3月11日
发明者张建勋, 张贵锋, 朱彤, 牛靖, 詹恒顺 申请人:西安交通大学