CN1909020A - 氩弧焊焊接操作模拟培训装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种焊接操作模拟培训设备，特别涉及氩弧焊焊接操作模拟培训装置，包括模拟焊枪、模拟焊丝、和模拟试件，其特点是，还包括主控计算机、模拟焊枪及焊丝位置检测装置、和带有显示器的头盔，主控计算机还与头盔上的显示器连接从而根据焊接过程在显示器上显示出相应的画面，在所述模拟焊枪上安装有引弧开关，本发明针对氩弧焊焊接实际训练阶段存在的几个问题，改变以往的培训方式，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，采用新型模拟焊枪可以模拟氩弧焊引弧及焊丝填充和电弧燃烧过程，焊接过程的真实场景通过头盔显示器展现给焊工。

Description

氩弧焊焊接操作模拟培训装置

技术领域

本发明涉及一种焊接操作模拟培训设备，特别涉及氩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，手工焊接方法如氩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；氩弧焊还有气体流量、钨电极直径等，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，不利于进行后续培训计划。

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***。

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氩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：

一种氩弧焊焊接操作模拟培训装置，包括模拟焊枪、模拟焊丝、和模拟试件，其特别之处在于，还包括主控计算机、模拟焊枪及焊丝位置检测装置、和带有显示器的头盔，其中模拟焊枪及焊丝位置检测装置与主控计算机连接从而向其提供模拟焊枪和模拟焊丝的空间位置信息，主控计算机还与头盔上的显示器连接从而根据焊接过程在显示器上显示出相应的画面；在所述模拟焊枪上安装有引弧开关，该引弧开关与主控计算机连接从而向其提供引弧开始信号。

其中所述显示器是液晶显示器。

其中模拟焊枪及焊丝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，在所述模拟焊枪上安装有至少2个发光二极管，在所述模拟焊丝上安装有至少1个发光二极管。

本发明针对氩弧焊焊接实际训练阶段存在的几个问题，改变以往的培训方式，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，采用新型模拟焊枪可以模拟氩弧焊引弧及焊丝填充和电弧燃烧过程，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***有如下特点：

(1)模拟焊枪重量和体积与目前氩弧焊常用焊枪一致，为焊工提供了与实际焊枪同样的手感；

(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是一致的；

(3)钨极氩弧焊的引弧动作采用与真实焊枪上的类似的高频引弧方式，用高频电压击穿空气引弧，由模拟焊枪上的引弧开关控制；

(4)焊接场景随预先设定的焊接规范参数的变化而变化，当焊接电流、电压、钨极尺寸、气体流量等参数发生变化时，焊工观察到的场景也相应变化，能尽量逼真的模拟真实焊接过程。

本发明是在现有钨极氩弧焊焊接原理和实现过程的基础上，设计了针对钨极氩弧焊的模拟培训装置，在这个装置上可以实现钨极氩弧焊的操作培训，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。为此设计了新型钨极氩弧焊模拟焊枪，实现了钨极氩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。

附图说明

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***构示意图；

附图4为本发明中CCD摄像机成像***的小孔成像模型示意图；

附图5为本发明中CCD摄像机成像***的双目成像模型示意图；

附图6为本发明中CCD成像***的图像检测程序流程图；

附图7为带有显示器的头盔的示意图；

附图8为本发明主程序的控制流程图。

具体实施方式

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的操作，从而减轻用户的负担、提高整个***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”。

本发明的焊接操作模拟培训装置针对的是氩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模拟焊枪、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，为他们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：氩弧焊时，焊工要将焊丝从侧面填充进电弧，如果不及时送进，焊丝将无法熔化，造成焊缝成形的缺陷。在虚拟三维场景中，电弧的出现及焊缝的形成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，及时调整焊丝位置，从而养成良好的操作习惯和手法。

为了获得模拟焊枪和模拟焊丝的位置，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和模拟焊丝空间位置的特征点，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)，在模拟焊丝上设置了一个发光二极管(亮点)，目的是在拍摄的图像中可以更方便的找到模拟焊枪和模拟焊丝的位置。

图1为本发明的总体原理框图，由硬件和软件两大模块组成，硬件部分主要功能是模拟焊接过程、培养操作手感；软件部分的主要功能是重建三维场景，这个三维场景是与焊工操作过程互动，焊工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、焊丝熔化、熔池形成等景象，这些景象由主控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实时生成。

图2为本发明的设备连接示意图，从图上可以看到，硬件部分主要由以下几个部分组成：钨极氩弧焊模拟焊枪、模拟试件、带有显示器的头盔、主控计算机、CCD摄像机等，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 1881 EX黑白CCD摄像机、图像采集卡采用北京微视公司的M10卡。

图8为本发明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、钨极氩弧焊模拟焊枪结构设计

如图3所示，钨极氩弧焊焊枪设计时考虑到钨极氩弧焊与手工电弧焊的不同，结构上更为简单，就是一个仿真的焊枪和焊丝，钨极氩弧焊接时没有焊条送进过程，而是手动从侧面填充焊丝，所以模拟氩弧焊时焊枪结构上不需要和手工电弧焊一样的动力***。设计模拟焊枪的主要目的就是让CCD成像***能够检测到模拟焊枪和模拟焊丝的位置，这是通过改造现有的氩弧焊焊枪和焊丝来实现的，模拟试件可以是仿真件或真实的试件。

模拟焊枪的空间位置检测关键是检测钨极与模拟试件之间的距离以及模拟焊枪的倾斜角度，检测方法是在模拟焊枪上设置两个发光二极管，其中一个在“钨极”位置，在模拟焊丝上设置一个发光二极管，由两台平行摆放的CCD摄像机实现模拟焊枪和模拟焊丝空间位置的三维坐标检测。

二、钨极氩弧焊焊接模拟实现过程

钨极氩弧焊焊接过程是由引弧、焊接(电弧移动)和收弧三部分组成的，氩弧焊的引弧方式一般采用高频引弧，即通过在焊枪钨极和试件之间施加高频电压，击穿空气，使空气电离，从而引燃电弧。氩弧焊的焊接过程一般是焊工一手持焊枪保持电弧的稳定燃烧，一手拿焊丝，通过护目镜观察电弧燃烧情况，将焊丝放在电弧中，由电弧的高温将焊丝熔化，滴落到熔池中形成焊缝。

(1)引弧过程的模拟

和手工电弧焊不同的是钨极氩弧焊一般不采用短路接触引弧，所以氩弧焊的引弧模拟实现比手工电弧焊简单，本发明是通过在模拟焊枪上设置引弧开关，控制虚拟场景中的电弧形象出现。当引弧开关闭合，主控计算机通过检测引弧开关的状态，结合图像检测结果，当模拟焊枪抬起高度在合适范围内，在虚拟场景中将正常起弧。如果引弧开关未打开或模拟焊枪抬起高度不在正常范围内，将无法引燃电弧。

(2)焊接过程的模拟

焊接过程的模拟是在图像检测程序不断对模拟焊枪姿态进行检测的基础上进行的，随着焊接的进行，模拟焊枪空间位置的变化将反映在虚拟场景中。与手工电弧焊不同的是，钨极氩弧焊模拟时不仅需要检测模拟焊枪的位置，还需要检测模拟焊丝的位置，这样，通过CCD摄像机总共需要检测三个点的位置。只有当焊丝位于电弧内，才能由电弧的高温将其熔化，而焊丝位置不在电弧内时，焊丝将无法熔化，焊缝的成形将受到影响，主控计算机将据此进行模拟。

三、图像法检测亮点空间位置的原理

目前CCD成像***的透视成像模型多采用小孔成像模型，小孔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。

如图4所示，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5为本发明中CCD摄像机成像***的双目成像模型示意图。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5中可以看到，空间M点的位置由其在两台CCD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6为本发明中CCD成像***的图像检测程序流程图，据此能够完成对亮点(即模拟焊枪和模拟焊丝上的发光二极管)空间位置的检测，同时也就反映出了模拟焊枪和模拟焊丝的空间位置。

四、带有显示器的头盔的结构

带有显示器的头盔的主要功能有：(1)真实反映焊接时焊工佩戴的头盔保护设备，佩戴感觉(如形状、重量等)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***给出的信息，以指示下一步操作动作。图7为带有显示器的头盔的示意图。

在本发明中选用了真实的焊接保护面罩作为头盔显示器的基体，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，显示器选用液晶显示器，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。

场景的显示是通过在面罩上增加的液晶屏来实现的，液晶显示器图像显示细腻，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。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。液晶屏装在焊工面罩前的护目镜位置，通过调节液晶屏与面罩间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眼睛的疲劳感觉。

采用本发明的模拟焊枪进行氩弧焊焊接操作训练，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丝送进及运动焊枪等动作。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，并且使用模拟焊枪不受场地限制，不用专门的焊机，不需要气瓶等配套装置，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，也不会使其心理产生厌烦情绪。

为了支持焊接实际操作的培训，在模拟平台的软件***中还可以有配套的多媒体焊接理论培训***，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

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[2]姜芳芳，来文青，龚庆武，姜季萍.虚拟现实在变电站仿真培训***中的应用.高电压技术[J].2005.31(7)：68-70.

[3]李青，伞耀，陈义军.基于虚拟现实技术的实时战场指挥***研究.计算机仿真[J].2005.22(9)：12-14.

[4]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.

[5]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].2000.2：1-5.

[6]J.R.Li，L.P.Khoo，S.B.Tor.Desktop virtual reality for maintenancetraining：an object oriented prototype system.Computer inIndustry[J].2003.109-125.

Claims (4)

1、一种氩弧焊焊接操作模拟培训装置，包括模拟焊枪、模拟焊丝、和模拟试件，其特征在于：

还包括主控计算机、模拟焊枪及焊丝位置检测装置、和带有显示器的头盔，其中模拟焊枪及焊丝位置检测装置与主控计算机连接从而向其提供模拟焊枪和模拟焊丝的空间位置信息，主控计算机还与头盔上的显示器连接从而根据焊接过程在显示器上显示出相应的画面；

在所述模拟焊枪上安装有引弧开关，该引弧开关与主控计算机连接从而向其提供引弧开始信号。

2、如权利要求1所述的氩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。

3、如权利要求1所述的氩弧焊焊接操作模拟培训装置，其特征在于：其中模拟焊枪及焊丝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。

4、如权利要求3所述的氩弧焊焊接操作模拟培训装置，其特征在于：在所述模拟焊枪上安装有至少2个发光二极管，在所述模拟焊丝上安装有至少1个发光二极管。

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