CN102298858B - Co2气体保护焊焊接操作模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种CO₂气体保护焊焊接操作模拟器，包括控制柜、操作台和模拟焊枪；模拟焊枪包括焊枪杆、把柄、弧形塑料罩、电触笔、弹簧、移动铜片、电感接近开关、倾角传感器和喷嘴；电触笔一端固定连接移动铜片，电触笔穿过喷嘴中心，喷嘴与移动铜片之间通过弹簧连接；焊枪杆一端安装有电感接近开关，另一端安装有双轴倾角传感器；绝缘筒一端套设于喷嘴外周，另一端套设于安装有电感接近开关的焊枪杆外周；弧形塑料罩一端连接焊枪杆，另一端连接把柄；电感接近开关和双轴倾角传感器连接控制柜内的计算机；操作台包括作为焊接试板的触摸屏，该触摸屏连接控制柜内的计算机。本发明能在大大降低培训成本的同时，安全、高效的进行培训。

Description

CO2气体保护焊焊接操作模拟器

【技术领域】

本发明属于焊接模拟与仿真培训领域，特别涉及一种CO₂气体保护焊操作训练模拟装置。 

【背景技术】

CO₂气体保护焊是上个世纪50年代发展起来的一种新的焊接技术。半个多世纪以来，它已发展为一种重要的熔焊方法。广泛应用与汽车工业，工程机械制造业，造船业，机车制造业，电梯制造业，锅炉压力容器制造业，各种金属结构和金属加工机械的生产。 

CO₂气体保护焊作为一种高效率的焊接方法，在我国工业经济的各个领域获得了广泛的运用。尤其是近几年，中国成为“世界工厂”后，大量的外贸金属加工、钢结构行业大力发展，CO₂气体保护焊以其高生产率(比手工焊高1～3倍)、焊接变形小和高性价比的特点，得到了前所未有的普及，成为最优先选择的焊接方法之一。CO₂气体保护焊按操作方法，可分为自动焊和半自动焊两种。对于较长的直线焊缝和规则的曲线焊缝，可采用自动焊；对于不规则或曲折的焊缝，则采用半自动焊，目前生产上应用最多的是半自动焊。而作为半自动焊的主要实施者(手握焊枪施焊)，焊工操作技术在很大程度上决定着这门技术的发展与应用。 

传统CO₂气体保护焊焊接培训是一个高投入的过程，需要消耗大量的试件和焊材，而且指导教师水平的差异对规范焊工操作及技能的提高产生重要的影响。同时，实际焊接操作环境中的弧光、飞溅、烟尘等，对新学员的身体和学习都造成影响。随着现代科技的进步，借助计算机技术改造传统焊接培训，对于降低电焊工培训成本，创造良好的培训环境具有重要的意义。焊接模拟培训可使焊工在模拟操作台上，置身于仿真的焊接环境之中，进行焊接模拟训练，掌握和学习正确的基本操作技能，为进行实际的焊接操作打下坚实的基础。然而，现在还没有一种CO₂气体保护焊焊接操作模拟器能够供初级CO₂气体保护焊焊工进行入门和改进训练。 

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种CO₂气体保护焊焊接操作模拟器，供初级CO₂气体保护焊焊工进行入门和改进训练。 

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案： 

一种CO₂气体保护焊焊接操作模拟器，包括控制柜、操作台和模拟焊枪；所述模拟焊枪包括焊枪杆、把柄、弧形塑料罩、电触笔、弹簧、移动铜片、电感接近开关、倾角传感器和喷嘴；电触笔一端固定连接移动铜片，电触笔穿过喷嘴中心，喷嘴与移动铜片之间通过弹簧连接；焊枪杆一端安装有电感接近开关，另一端安装有双轴倾角传感器；一绝缘筒一端套设于喷嘴外周，另一端套设于安装有电感接近开关的焊枪杆外周；弧形塑料罩一端连接安装有双轴倾角传感器的焊枪杆，另一端连接把柄；电感接近开关和双轴倾角传感器连接控制柜内的计算机；操作台包括一作为焊接试板的触摸屏，该触摸屏连接控制柜内的计算机。 

所述绝缘筒为一尼龙环。 

所述操作台还包括外壳和支撑架，所述触摸屏安装于所述外壳中，所述外壳安装于所述支撑架上；所述支撑架上设有调节触摸屏高度的与水平面之间倾斜角的位置调节装置。 

所述位置调节装置能够调节触摸屏与水平面之间的夹角呈0°、10°、15°、20°、25°或30°。 

所述CO₂气体保护焊焊接操作模拟器还包括一头盔，所述头盔包括模拟面罩和安装在模拟面罩上的视频眼镜，所述视频眼镜连接控制柜内计算机的视频接口。 

电感接近开关通过数据采集卡连接计算机，双轴倾角传感器通过RS232转485接口连接计算机，触摸屏通过OpenGL接口连接计算机。 

所述采集卡的型号为PCI-9112；所述双轴倾角传感器的型号为CS-2TAS-02；所述电感式接近开关的量程为1-8mm。 

所述CO₂气体保护焊焊接操作模拟器还包括连接所述计算机的键盘、鼠标和音箱。 

触摸屏采集的模拟焊枪在其上运动的二维轨迹实时传递给计算机， 电感接近开关采集的喷嘴与触摸屏之间距离的数据实时传递给计算机，双轴倾角传感器采集的模拟焊枪的焊接角度数据实时传递给计算机；计算机接根据接收到的模拟焊枪在触摸屏上运动的二维轨迹数据、喷嘴与触摸屏之间距离的数据和模拟焊枪的焊接角度数据，实时在触摸屏上显示模拟焊接画面。 

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明CO₂气体保护焊焊接操作模拟器，适用于焊工焊接操作的入门、改进和提高训练；模拟器通过在模拟焊枪上合理的设置传感器，以触摸屏为焊板进行模拟焊接，触摸屏通过OpenGL中的相关鼠标事件函数获得焊枪移动的实时轨迹并传递给计算机；设置于模拟焊枪中的传感器能够实时采集模拟焊***拟焊接时的弧长和焊接倾角传递给计算机；计算机对采集到的数据进行分析处理，在触摸屏上实时呈现焊接画面。本发明模拟器可以实现二氧化碳气体保护焊的操作培新，没有了真实焊接过程中的烟尘、强光和飞溅，但也可以在虚拟的场景中感受到真正的焊接过程；使学员同样能够掌握焊接手感，提高焊接技巧，又能大大降低培训成本，安全、高效。 

【附图说明】

图1为本发明总体的原理框图； 

图2为本发明模拟器的结构示意图； 

图3为本发明操作台的结构示意图； 

图4为本发明模拟焊***构示意图； 

图5为图4的分体图； 

图6为本发明头盔的结构示意图。 

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。 

本发明将虚拟现实、传感技术以及视景仿真等技术结合在一起，在研究CO₂气体保护焊操作的原理和特点基础上，设计了基于触摸屏的二维鼠标式检测***。另外通过在模拟焊枪中安装的电感接近开关及倾角传感器，获得焊枪端部与触摸屏的距离(即模拟电弧长度)和焊枪的倾角数据，最终完成焊枪五个自由度的检测。在特定的熔池模型下，通过 对采集到的以上焊接参数的处理和分析，生成基于OpenGL的实时虚拟焊接场景，包括焊接环境的模拟、焊缝模拟、弧光以及飞溅模型，最终完成对焊接行为的模拟。 

图1为本发明模拟器的工作原理框图，该装置分为硬件平台和软件平台两部分。硬件平台提供模拟焊条位置的高精度检测，软件平台的作用是对硬件平台采集的焊条数据进行处理与分析，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、熔池形成等景象，这些景象是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数据实时生成的，并输出焊接操作的模拟焊缝与效果评价，为用户提供良好的人机界面。 

请参阅图2至图6所示，本发明模拟器的硬件平台主要包括：控制柜1、操作台2、模拟焊枪3和头盔显示器4。 

(1)模拟焊接操作台 

请参阅图3所示，模拟焊接操作台2包括触摸屏21、键盘22、鼠标23、音箱24、支撑架25和外壳26，模拟焊枪3固定在外壳26旁侧；在模拟焊接操作时，触摸屏21当成焊接试板，操作者手持模拟焊枪3在触摸屏21上实施焊接。此外根据操作者的不同需要，通过操作台2后面的位置调节装置调节操作台的高度及角度。由于所采用的倾角传感器用于测量在静态环境下物体相对于水平面的倾斜度，其量程为±60°，考虑焊接时焊枪3倾角(包括俯仰及倾滚角)在±30°以内，所以触摸屏21平面与水平面的夹角应为0-30°。调节的角度为0°、10°、15°、20°、25°和30°六种。每次调整后，需在***界面上选择依此该次焊接操作的焊板角度。 

(2)模拟焊枪 

请参阅图4及图5所示，模拟焊枪3主要包括焊枪杆30、把柄31、弧形塑料罩32、尼龙环33、电触笔34、弹簧35、移动铜片36、电感接近开关37、倾角传感器38和喷嘴39。尼龙环33的材质为尼龙66，其绝缘并具强度高。电触笔34一端固定连接移动铜片36，电触笔34穿过 喷嘴39中心，喷嘴39与移动铜片36之间安装有弹簧35，弹簧35为拉簧；焊枪杆30一端安装有电感接近开关37，另一端安装有双轴倾角传感器38；尼龙环33一端套设于喷嘴39外周，另一端套设于安装有电感接近开关37的焊枪杆30外周，安装好后，双轴倾角传感器38相对于电触笔34垂直安装；移动铜片36可以在尼龙环33内运动；弧形塑料罩32一端连接安装有双轴倾角传感器38的焊枪杆30，另一端连接把柄31，使把柄31与焊枪杆30之间模拟真实焊枪具有一定的弧度。模拟焊枪3的外形与真实焊枪几乎相同，这增强了模拟的真实性。焊枪3端部的模拟焊丝是电触笔34，它的主要作用是在模拟焊接操作的时与触摸屏21接触，触摸屏21通过OpenGL中的相关鼠标事件函数获得焊枪3移动的实时轨迹并传递给计算机。安装在焊枪3内部的电感接近开关37及倾角传感器38，通过数据采集卡获得焊枪3端部与触摸屏21的距离(即模拟电弧长度)和焊枪3的倾角信号。 

本发明中，焊枪杆30、电触笔34、弹簧35、移动铜片36、电感接近开关37、倾角传感器38和喷嘴39同轴设置；本装置采用的是西安中星测控公司的CS-2TAS-02型数字双轴倾角传感器(测量范围：横滚角±60°；俯仰角±60°)，它是基于MEMS技术的传感器，用于测量在静态环境下物体相对于水平面的倾斜度。倾角传感器38测得的倾角即焊接角度数据通过RS232转485接口传递给计算机。 

喷嘴39到触摸屏21的距离近似于焊接过程中的电弧长，对该距离的测量采用的是电感接近开关37。电感式接近开关37属于一种有开关量输出的位置传感器，它由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。本模拟器采用的接近开关量程为1-8mm，与二氧化碳气保焊的弧长大致吻合。接近开关37的输出信号为电压模拟量，此信号由安装在控制柜1内的采集卡PCI-9112采集传给计算机。此外，因为触摸屏21为非金属，所以不能直接以触摸屏21为被测物；本焊枪中电触笔34伸出喷 嘴39的长度等于移动铜片36与电感接近开关37之间的距离；采用弹簧35和移动铜片36，将测电弧长转化为测电感接近开关37与移动铜片36的距离(如图5所示)。 

(3)头盔显示器 

头盔显示器4(图6)由模拟面罩41和安装在模拟面罩41上的视频眼镜42组成，所采用的视频眼镜42分辨率为1024×768，视频眼镜42连接计算机；在模拟焊接时，操作者通过安装在模拟面罩41里面的视频眼镜42可以看到计算机传输过来的视屏信号，即虚拟的焊接场景，并且通过余光还能看到现实场景中的焊板，模拟面罩41的使用使模拟焊接更加逼真更具沉浸式。 

(4)控制柜 

控制柜1外壳是采用真实二氧化碳气保焊焊机模型，内置主控计算机及相应的电路。在控制柜1的上前面板11设置有各种按钮开关，电源开关、计算机开和关、电流电压档旋钮以及一个正常工作的指示灯。控制柜后侧板设置有USB、VGA以及电源等各种接线口，能方便地插拔。右侧设置为开启门，同时考虑机器安装，上板和后板均为设计为螺丝固定，其余均采用焊接固定。控制柜下端设计有四个滚轮，方便移动。 

模拟器软件组成： 

本发明模拟器的软件主要由主程序、虚拟场景、评价***以及学习考试***四个部分组成。 

(1)主程序 

主程序框架使用Visual Basic.Net(简称VB.Net)进行开发，采用VB.Net开发平台比较容易实现良好的外观界面，可以做出漂亮和友好的程序外观，而且修改及添加功能模块比较方便。 

(2)虚拟场景 

焊接三维场景的模拟也是焊接操作模拟培训***非常重要的内容。焊接三维场景是焊工与模拟培训***交流的重要界面，焊工在训练时所观察到的都是由三维场景提供的信息，所以***对于三维场景模拟的要求是准确、逼真、实时。本***采用OpenGL(Open Graphics Library)结 合Microsoft Visual C++6.0编程环境。OpenGL作为API(Application Program Interface)，在C++坏境中编译和运行。 

程序首先对窗口进行初始化，绘制初始画面——一块与屏幕垂直的焊板，尺寸为触摸屏的最佳分辨率1440×900。焊接过程中，虚拟场景中还将完成焊缝的模拟和弧光飞溅的模拟，通过对焊接行为的真实模拟，使焊工可以通过观察虚拟场景来感受和调整自己的焊接姿势达到培训的目的。 

(3)焊接评价专家*** 

模拟训练结果评价对于焊工模拟培训***来说是非常重要的组成部分，结果评价是对焊工模拟焊接完成当前焊缝后的一次全面的数据分析，这也是采用计算机***进行焊接培训的优势。计算机***保存所有焊接操作相关的有用信息，并且在焊接训练后对数据加以分析计算，以非常直观的方式展现焊接过程，如果需要，还可以对焊接过程进行重放。***反馈的这些信息，可以有针对性地反映出焊工模拟焊接过程中存在的问题，并提醒焊工在下一次训练中加以改进。这样，焊工每一次训练的结果利用率非常高，焊接培训的效率也相应得到了提高。 

(4)焊接知识培训*** 

焊接知识培训***主要包括学习***能够和考试***。其中学习***采用Microsoft公司提供的HtmlHelp Workshop进行***的整体制作，整个软件制作的语言采用Html(超文本链接语言)，将有关焊条电弧焊和气体保护焊方面的基本原理、各种操作要点通过文字、图片以及动画等各种多媒体手段表达出来，形成一个完整的CO₂气体保护焊焊工培训的学习***。 

作为一个焊接培训理论学习***，与之配套的考试***是一个必不可少的部分。它不仅可以检验焊工对所学知识的掌握程度，而且也起到了复习巩固的作用。此***不仅可以作为一个单独的考试***，也可以作为各章节阶段性学习评价的一个手段。模块采用Authorware7.0结合Access数据库制作，考试***具备考生的登录、测试与信息管理等功能，还可以通过Internet发布的方式，实现焊工远程登录进行学习和考试。 

传统的CO₂气体保护焊焊接训练中无法记录焊接学员的焊接操作。对学员的操作评价只能依靠焊后对焊缝的观察或者训练人员的实时指导。这样做既消耗大量的人力财力，又不能给焊接学员以迅速的提高。本发明针对以上问题，改变了以往的培训模式，将焊接学员的操作完全真实的记录下来，然后在焊后评价中给予清晰再现。不仅节省了培训机构的大量资源，而且使得学员有针对性的去学习训练，提高了学习效率和学习效果。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)焊接操作位置检测模块对模拟焊条位置的检测实时性好，准确性高；(2)***在焊后对焊接操作中的焊接轨迹描述真实，清晰，能够反映焊接操作中的细节。 

虚拟焊接培训技术能够通过虚拟三维仿真的形式将学员的操作实时再现，亦可以录像的形式回放供学员观看。此外，通过专家***对焊接操作进行评价并给出关键数据及建议。因此，虚拟焊接模拟技术在使得焊接培训生动，具体，形象的基础上，让学员在有反馈和指导的情况下学习，提高学习效率和教学效果。模拟焊接培训***的基础的是焊接操作位置的检测。通过多种不同的传感器配合，检测焊工施焊过程中模拟焊条的位置，并将其转化为数据进行分析处理。焊接操作检测模块对焊条位置的检测精度决定着模拟仿真模块模仿的逼真程度和焊接评价模块对焊接评价的可信度。 

Claims (1)

1.一种CO₂气体保护焊焊接操作模拟器，其特征在于，包括控制柜（1）、操作台（2）和模拟焊枪（3）；

所述模拟焊枪（3）包括焊枪杆（30）、把柄（31）、弧形塑料罩（32）、电触笔（34）、弹簧（35）、移动铜片（36）、电感接近开关（37）、倾角传感器（38）和喷嘴（39）；电触笔（34）一端固定连接移动铜片（36），电触笔（34）穿过喷嘴（39）中心，喷嘴（39）与移动铜片（36）之间通过弹簧（35）连接；焊枪杆（30）一端安装有电感接近开关（37），另一端安装有双轴倾角传感器（38）；一绝缘筒一端套设于喷嘴（39）外周，另一端套设于安装有电感接近开关（37）的焊枪杆（30）外周；弧形塑料罩（32）一端连接安装有双轴倾角传感器（38）的焊枪杆（30），另一端连接把柄（31）；电感接近开关（37）和双轴倾角传感器（38）连接控制柜（1）内的计算机；

操作台（2）包括一作为焊接试板的触摸屏（21），该触摸屏连接控制柜（1）内的计算机；

所述操作台（2）还包括外壳（26）和支撑架（25），所述触摸屏（21）安装于所述外壳（26）中，所述外壳（26）安装于所述支撑架（25）上；所述支撑架（25）上设有调节触摸屏（21）高度以及与水平面之间倾斜角的位置调节装置；

电触笔（34）伸出喷嘴（39）的长度等于移动铜片（36）与电感接近开关（37）之间的距离；采用弹簧（35）和移动铜片（36），将测电弧长转化为测电感接近开关（37）与移动铜片（36）的距离；

在模拟焊接操作时，焊枪（3）端部的电触笔（34）与触摸屏（21）接触，触摸屏（21）通过OpenGL中的相关鼠标事件函数获得焊枪（3）移动的实时轨迹并传递给计算机；电感接近开关（37）采集的喷嘴（39）与触摸屏（21）之间距离的数据实时传递给计算机，双轴倾角传感器（38）采集的模拟焊枪（3）的焊接角度数据实时传递给计算机；计算机接根据接收到的模拟焊枪（3）在触摸屏（21）上运动的二维轨迹数据、喷嘴（39）与触摸屏（21）之间距离的数据和模拟焊枪（3）的焊接角度数据，实时在触摸屏（21）上显示模拟焊接画面；

所述绝缘筒为一尼龙环（33）；

所述位置调节装置能够调节触摸屏（21）与水平面之间的夹角呈0°、10°、15°、20°、25°或30°；

所述CO₂气体保护焊焊接操作模拟器还包括一头盔（4），所述头盔（4）包括模拟面罩（41）和安装在模拟面罩（41）上的视频眼镜（42），所述视频眼镜（42）连接控制柜（1）内计算机的视频接口；

电感接近开关（37）通过数据采集卡连接计算机，双轴倾角传感器（38）通过RS232转458接口连接计算机，触摸屏（21）通过OpenGL接口连接计算机；

所述采集卡的型号为PCI-9112；所述双轴倾角传感器（38）的型号为CS-2TAS-02；所述电感式接近开关（37）的量程为1-8mm；

所述CO₂气体保护焊焊接操作模拟器还包括连接所述计算机的键盘（22）、鼠标（23）和音箱（24）。

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