手工電弧焊運(yùn)條操作模擬訓(xùn)練裝置及電弧焊運(yùn)條檢測(cè)方法

專利名稱：手工電弧焊運(yùn)條操作模擬訓(xùn)練裝置及電弧焊運(yùn)條檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于焊接模擬與仿真培訓(xùn)領(lǐng)域，具體涉及一種手工電弧焊運(yùn)條 操作模擬訓(xùn)練裝置。
背景技術(shù)：
手工電弧焊接作為一種常用的材料連接技術(shù)普遍應(yīng)用在工業(yè)產(chǎn)品中， 如航空航天、壓力容器和船舶等的制造與安裝中。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā) 展，雖然各種自動(dòng)焊技術(shù)層出不窮，但手工電弧焊以其使用上的方便靈活， 在工業(yè)生產(chǎn)中的許多場(chǎng)合仍起著不可替代的作用。而作為焊接生產(chǎn)的主要 實(shí)施者，焊工操作技術(shù)在很大程度上決定著這門技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。
傳統(tǒng)焊接培訓(xùn)中，能源和材料消耗量很大，培訓(xùn)一個(gè)合格焊工需要大 量的焊條與鋼材。對(duì)于初次接觸焊接技術(shù)的新學(xué)員，由于焊接過程的弧光 等問題對(duì)于學(xué)員的心理有一定的負(fù)面影響。另外，焊接過程產(chǎn)生的紫外光， 煙塵，廢氣，廢渣都會(huì)對(duì)環(huán)境造成不同程度的污染。隨著計(jì)算機(jī)及其相關(guān) 技術(shù)的發(fā)展，將虛擬焊接模擬培訓(xùn)引入焊接培訓(xùn)已成為可能。虛擬焊接培 訓(xùn)技術(shù)以其安全、環(huán)保、節(jié)能而倍受關(guān)注和期待，正在逐漸成為焊接培訓(xùn) 領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。模擬焊接培訓(xùn)技術(shù)不僅能夠通過三維仿真的形式將 學(xué)員的操作實(shí)時(shí)再現(xiàn)，還能運(yùn)用專家系統(tǒng)對(duì)操作進(jìn)行評(píng)價(jià)并給出關(guān)鍵數(shù) 據(jù)。因此，虛擬焊接模擬技術(shù)在使得焊接培訓(xùn)生動(dòng)，具體，形象的基礎(chǔ)上， 讓學(xué)員在有反饋和指導(dǎo)的情況下學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)效率和教學(xué)效果。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)早在1987年就提出了虛擬悍接的概念，并在1991年 5月成功研制出第一臺(tái)樣機(jī)。而吉林工業(yè)大學(xué)在1998年3月提出了 "焊接操作光學(xué)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)"。2008年3月，上海師范大學(xué)提出的"電弧焊平 板焊接仿真中焊條空間實(shí)時(shí)定位技術(shù)"也是為了服務(wù)于虛擬焊接培訓(xùn)系統(tǒng) 而提出的。在國外，德國、美國從70年代初期開始這方面的研究工作， 法國、希臘、澳大利亞、日本等國也在近幾年開始這方面的研究，并相繼 獲得一定成果。
西安交通大學(xué)焊接研究所從2003年開始開發(fā)焊接操作模擬培訓(xùn)系統(tǒng) (HTS)。該系統(tǒng)的成型設(shè)備已經(jīng)在2008年被成功研制出來并申請(qǐng)了相關(guān) 專利。HTS能夠提供初級(jí)焊工培訓(xùn)的基本培訓(xùn)功能。在此平臺(tái)上可以實(shí)現(xiàn) 手工電弧焊的操作培訓(xùn)，可以在虛擬的場(chǎng)景中感受到包括煙塵，強(qiáng)光在內(nèi) 的真正的焊接過程。為此設(shè)計(jì)了新型的模擬焊槍，采用步進(jìn)電機(jī)回抽焊條 來模擬手工電弧焊焊條的熔化，邏輯電平回路來模擬焊接引弧過程，實(shí)現(xiàn) 了手工電弧焊脫離了真實(shí)焊接環(huán)境的模擬過程。同時(shí)，采用CCD雙目成 像檢測(cè)模塊，保證了系統(tǒng)對(duì)焊接操作實(shí)時(shí)精確檢測(cè)。因此，通過模擬的操 作訓(xùn)練，既可以真實(shí)感受焊接過程，掌握焊接手感，提高焊接技巧，又可 以大大降低培訓(xùn)成本，提高培訓(xùn)效率，從而為其進(jìn)一步提升焊接技能打下 良好的基礎(chǔ)。此外HTS配套軟件中的學(xué)習(xí)系統(tǒng)和考試系統(tǒng)方便培訓(xùn)人員 隨時(shí)對(duì)焊接理論知識(shí)進(jìn)行査詢和測(cè)試。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)焊工焊接運(yùn)條操作的入門、改進(jìn) 和提高訓(xùn)練，且對(duì)焊工操作模擬焊條的實(shí)時(shí)位置的高精度檢測(cè)，從而達(dá)到 培訓(xùn)的目的手工電弧焊運(yùn)條操作模擬訓(xùn)練裝置及電弧焊運(yùn)條檢測(cè)方法。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的裝置包括包括主控計(jì)算機(jī)，模擬焊槍以 及設(shè)置在模擬焊槍下端的模擬試板，所述模擬焊槍包括操作手柄以及安裝 在該操作手柄上的模擬焊條，在模擬焊條的下端安裝有發(fā)光二極管，模擬焊條的上端安裝通過計(jì)算機(jī)COM端口與主控計(jì)算機(jī)相連的雙軸傾角傳感
器，該雙軸傾角傳感器的基準(zhǔn)面與模擬焊條相互垂直；
所述模擬試板包括支撐玻璃，透明導(dǎo)電玻璃以及設(shè)置在支撐玻璃與透
明導(dǎo)電玻璃之間的遮光夾層；且在支撐玻璃下端設(shè)置有通過圖像采集卡與
主控計(jì)算機(jī)相連的CCD攝像機(jī)。
所說的模擬焊條是一根反映焊條尺寸的鋁合金棒材。 所說的雙軸傾角傳感器的測(cè)量范圍橫滾角±60° ;俯仰角±60° 。 所說的支撐玻璃采用毛玻璃制成，其尺寸為240mmX400mm，厚度大
于5mmc
所說的遮光夾層上帶有能夠使CCD攝像機(jī)的安裝，調(diào)試和標(biāo)定的標(biāo)記。
本發(fā)明的檢測(cè)方法為
1) 引弧過程的模擬
通過透明導(dǎo)電玻璃判斷模擬焊條端部是否與模擬試板接觸或CCD攝 像機(jī)拍攝的發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度判斷模擬焊條端部是否與模擬試板接 觸即是否引弧，在判定引弧之后，由CCD攝像機(jī)開始正常的采集工作， 并將采集的圖像存入主控計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中；
2) 模擬焊條位置的檢測(cè)
將采集的一幀圖像中的各個(gè)像素點(diǎn)的灰度值從內(nèi)存中取出，并存入數(shù) 組，在數(shù)組中尋找灰度值最大的像素，并與200-210灰度值的引弧閾值進(jìn) 行比較，若最大像素值大于引弧閾值，系統(tǒng)開始分析所采集的數(shù)據(jù)，所用 的攝像機(jī)的CCD芯片的像素規(guī)格為768X576，通過CCD芯片規(guī)格以及最
大灰度值像素在數(shù)組中的編號(hào)得出最大灰度值像素所對(duì)應(yīng)的圖像坐標(biāo)，然 后，以最亮點(diǎn)為中心，定義一個(gè)31像素X31像素的跟蹤區(qū)域，圖像上的光斑一定包含在這個(gè)區(qū)域之內(nèi)，此時(shí)設(shè)置一個(gè)170-180灰度值的光斑描 繪閾值，把跟蹤區(qū)域中像素灰度值與光斑描繪閾值進(jìn)行對(duì)比，大于光斑描 繪閾值的就是光斑，小于光斑描繪閾值的就是黑色背景部分，由此得到所 有光斑像素，并根據(jù)光斑最上端和最下端以及最左端和最右端的像素坐標(biāo) 計(jì)算出亮點(diǎn)中心的像素坐標(biāo)，最后，將亮點(diǎn)的像素坐標(biāo)進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)轉(zhuǎn) 化為實(shí)際坐標(biāo)就能得到煤條的實(shí)時(shí)位置；
3) 焊條傾角的檢測(cè)
由于傾角傳感器垂直于模擬焊條安裝，傾角傳感器實(shí)時(shí)地反映了模擬 焊條的傾斜角度，把橫滾和俯仰兩個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)信息傳輸給主控計(jì)算機(jī) 得到模擬焊條的傾斜程度；
4) 運(yùn)條軌跡的再現(xiàn)
在模擬焊條位置的檢測(cè)中對(duì)亮點(diǎn)中心的像素坐標(biāo)進(jìn)行了存儲(chǔ)，在焊接 操作結(jié)束后，將存儲(chǔ)的像素坐標(biāo)取出并以圖像的方式在坐標(biāo)系中逐點(diǎn)畫 出，將這些點(diǎn)連接起來就得到了焊接操作過程中的運(yùn)條軌跡。
所說的通過透明導(dǎo)電玻璃判斷模擬焊條端部是否與模擬試板接觸的 過程如下模擬焊條下端部是動(dòng)觸頭，模擬試板是靜觸頭，當(dāng)模擬焊條未 接觸模擬試板時(shí)，Vout=0為低電平，當(dāng)模擬焊條接觸模擬試板時(shí)，Vout 就是電阻R上的電壓，即Vcc，為高電平，Vout連接數(shù)據(jù)接口送給主控程 序進(jìn)行處理， 一次引弧操作產(chǎn)生一個(gè)方波脈沖，根據(jù)不同的工藝要求制定 足以引起電弧的接觸時(shí)間，也就是脈沖寬度，當(dāng)脈沖寬度達(dá)到要求時(shí)，在 脈沖的下降沿觸發(fā)燃弧代碼即可完成引弧。
所說的通過CCD攝像機(jī)拍攝的發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度判斷模擬焊條 端部是否與模擬試板接觸的過程如下若有接觸時(shí)CCD攝像機(jī)感光芯片 感到的光線強(qiáng)，拍攝畫面上像素灰度的最大值大于200-210灰度值的引弧閾值；反之，若像素灰度最大值小于引弧閾值，認(rèn)為未引弧，在判定引 弧之后，系統(tǒng)將開始正常的采集工作，但同時(shí)需要判定操作者是否熄弧， 如果圖像的像素灰度最大值小于160-170灰度值的熄弧閾值認(rèn)為已經(jīng)熄 弧，此時(shí)系統(tǒng)停止對(duì)焊條位置信息的實(shí)時(shí)采集。
本發(fā)明采用圖像檢測(cè)方法，通過CCD攝像機(jī)拍攝悍工在訓(xùn)練過程中 的操作模擬焊條在模擬焊接試板上的運(yùn)動(dòng)軌跡圖像，主控計(jì)算機(jī)從拍攝的 圖像中提取出反映模擬焊條位置的光點(diǎn)，并將光點(diǎn)在時(shí)空域連接即形成了 運(yùn)條軌跡。為了同時(shí)反映焊工操作的模擬焊條的空間位置，在模擬焊條上 安裝了傾角傳感器，通過COM口獲得傾角信號(hào)。實(shí)現(xiàn)了對(duì)焊工操作模擬 焊條的實(shí)時(shí)位置的高精度檢測(cè)。該裝置能夠記錄焊接學(xué)員在操作過程中引 弧，運(yùn)條，收尾等一系列操作，并在操作完成之后復(fù)現(xiàn)操作軌跡，能提高 學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)效果。


圖1是本發(fā)明裝置的連接示意圖2是本發(fā)明模擬焊槍的結(jié)構(gòu)示意圖3是本發(fā)明模擬試板的結(jié)構(gòu)示意圖4是本發(fā)明模擬焊條的引弧電路圖5是本發(fā)明最亮點(diǎn)像素跟蹤示意圖6是本發(fā)明焊接操作進(jìn)行時(shí)，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)輸出界面；
圖7是本發(fā)明雙軸傾角傳感器的示意圖8是本發(fā)明焊條軌跡繪制界面圖9是本發(fā)明運(yùn)條軌跡圖10a是本發(fā)明標(biāo)準(zhǔn)鋸齒形運(yùn)條軌跡，圖10b是標(biāo)準(zhǔn)正三角形運(yùn)條軌 跡，圖10c是標(biāo)準(zhǔn)月牙形運(yùn)條軌跡。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
參見圖1，本發(fā)明包括主控計(jì)算機(jī)3與主控計(jì)算機(jī)3相連接的顯示器 4，模擬焊槍5以及設(shè)置在模擬焊槍5下端的模擬試板6，在模擬試板6 下端設(shè)置有通過圖像采集卡2與主控計(jì)算機(jī)3相連的CCD攝像機(jī)1 。
參見圖2,本發(fā)明的模擬焊槍5包括操作手柄10以及安裝在該操作手 柄10上的一根反映焊條尺寸的鋁合金棒材模擬焊條7，在模擬焊條7的下 端安裝有發(fā)光二極管8，模擬焊條7的上端安裝有通過計(jì)算機(jī)COM端口 與主控計(jì)算機(jī)3相連的雙軸傾角傳感器9，該雙軸傾角傳感器9的基準(zhǔn)面 于模擬焊條7相互垂直；攝像機(jī)采用臺(tái)灣敏通的MTV 1881 EX低照度黑 白CCD攝像機(jī)、圖像采集卡采用北京微視公司的M 10卡、傾角傳感器采 用西安中星測(cè)控公司的CS-2TAS-02雙軸傾角傳感器(測(cè)量范圍橫滾角 ±60° ;俯仰角±60° )，計(jì)算機(jī)主機(jī)CPU采用英特爾酷睿雙核E7400處 理器。
參見圖3，本發(fā)明的模擬試板6包括支撐玻璃13，透明導(dǎo)電玻璃11 以及設(shè)置在支撐玻璃13與透明導(dǎo)電玻璃11之間的遮光夾層12;支撐玻璃 13作為模擬試板6的主體，其尺寸為240mmX400mm，厚度大于5mm。 支撐玻璃13是一塊毛玻璃，它既不僅可以保證焊條下端部的信號(hào)光透過， 又可以通過漫反射削弱環(huán)境中方向性較強(qiáng)的干擾光。遮光夾層覆蓋在支撐 玻璃上。遮光夾層12上帶能夠使CCD攝像機(jī)1的安裝，調(diào)試和標(biāo)定的標(biāo) 記，同時(shí)進(jìn)一步削弱干擾光。透明導(dǎo)電玻璃覆蓋夾層之上， 一方面實(shí)現(xiàn)模 擬引弧功能，同時(shí)也能起到保護(hù)夾層的作用。
本發(fā)明的電弧焊運(yùn)條檢測(cè)方法如下
(1)引弧過程的模擬引弧是手工電弧焊的一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。引弧方式主要有兩種，分別是 接觸式引弧和擦劃式引弧，其共同點(diǎn)都是需要與被焊件接觸。因此，在引 弧時(shí)首先要判斷模擬焊條端部是否與模擬試板接觸。
本發(fā)明采用兩種方式判斷，其一是通過透明導(dǎo)電玻璃，其二是通過
CCD攝像機(jī)拍攝的發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度判斷。
前者的原理如圖4所示，通過透明導(dǎo)電玻璃判斷模擬焊條端部是否與 模擬試板接觸的過程如下模擬焊條下端部是動(dòng)觸頭，模擬試板是靜觸頭， 當(dāng)焊條未接觸試板時(shí)，Vout=0為低電平，當(dāng)焊條接觸模擬試板時(shí)，Vout 就是電阻R上的電壓，即Vcc，為高電平。Vout連接數(shù)據(jù)接口送給主控程 序進(jìn)行處理。 一次引弧操作可以產(chǎn)生一個(gè)方波脈沖，根據(jù)不同的工藝要求 可以制定足以引起電弧的接觸時(shí)間，也就是脈沖寬度，當(dāng)脈沖寬度達(dá)到要 求時(shí)，在脈沖的下降沿觸發(fā)燃弧代碼即可完成引弧。
對(duì)于通過CCD攝像機(jī)拍攝的發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度判斷模擬焊條端 部是否與模擬試板接觸的過程如下若有接觸時(shí)CCD攝像機(jī)感光芯片感 到的光線強(qiáng)，拍攝畫面上像素灰度的最大值大于200-210灰度值的引弧閾 值；反之，若像素灰度最大值小于引弧閾值，認(rèn)為未引弧，在判定引弧之 后，系統(tǒng)將開始正常的采集工作，但同時(shí)需要判定操作者是否熄弧，如果 圖像的像素灰度最大值小于160-170灰度值的熄弧閾值認(rèn)為已經(jīng)熄弧，此 時(shí)系統(tǒng)停止對(duì)焊條位置信息的實(shí)時(shí)采集。 (2)模擬焊條位置的檢測(cè)
在程序開始運(yùn)行后首先進(jìn)行硬件初始化，使得檢測(cè)設(shè)備處在工作工作 狀態(tài)。然后，獲得一幀圖像所在的內(nèi)存首地址，并將這幀圖像中各個(gè)像素 點(diǎn)的灰度值從內(nèi)存中取出，并存入數(shù)組。在數(shù)組中尋找灰度值最大的像素， 并與200-210灰度值的引弧閾值進(jìn)行比較，若最大像素值大于引弧閾值，系統(tǒng)開始分析所采集的數(shù)據(jù)，本發(fā)明所用的攝像機(jī)的CCD芯片有規(guī) 格為768X576 (像素)。通過CCD芯片規(guī)格以及最大灰度值像素在數(shù)組中
的編號(hào)就可以計(jì)算得出最大灰度值像素所對(duì)應(yīng)的像素坐標(biāo)。然后，以最亮 點(diǎn)為中心，定義一個(gè)31像素X31像素的跟蹤區(qū)域。如圖5，外圍方框代 表跟蹤區(qū)域，小方格代表像素，圓圈代表亮點(diǎn)。圖中，深色方塊代為亮度 最大的像素。 一般情況下，圖像上的光斑一定包含在這個(gè)區(qū)域之內(nèi)。通過 對(duì)這個(gè)區(qū)域內(nèi)的像素點(diǎn)進(jìn)行分析處理，確定光斑所在位置，然后對(duì)圖像進(jìn) 行二值化處理，并根據(jù)亮點(diǎn)最上端和最下端以及最左端和最右端的像素坐 標(biāo)計(jì)算出亮點(diǎn)中心的像素坐標(biāo)。最后，將亮點(diǎn)的像素坐標(biāo)進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí) 轉(zhuǎn)化為實(shí)際坐標(biāo)就能得到焊條的實(shí)時(shí)位置。圖6所示為焊接操作進(jìn)行時(shí)， 數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)輸出界面。
(3) 焊條傾角的檢測(cè)
焊條傾角檢測(cè)是模擬焊接培訓(xùn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。CS-2TAS-02雙軸傾 角傳感器能夠測(cè)量空間中水平面的傾斜程度，并把任意的傾斜角分解為橫 滾角和俯仰角，而橫滾角和俯仰角分別表示繞X軸和Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度 (如圖7)。
由于傾角傳感器垂直于模擬焊條安裝，它就可以實(shí)時(shí)反映模擬焊條的 傾斜角度，只要把橫滾和俯仰兩個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)信息傳輸給主控計(jì)算機(jī)， 計(jì)算機(jī)就能了解模擬焊條的傾斜程度。
(4) 運(yùn)條軌跡的再現(xiàn)
在(2)中對(duì)亮點(diǎn)中心的像素坐標(biāo)進(jìn)行了存儲(chǔ)。在焊接操作結(jié)束后， 將存儲(chǔ)的像素坐標(biāo)取出并以圖像的方式在坐標(biāo)系中逐點(diǎn)畫出，將這些點(diǎn)連 接起來就得到了焊接操作過程中的運(yùn)條軌跡。因此，只有保證程序快速高 效的運(yùn)行,才能保證在焊接操作過程中采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)足夠多，從而進(jìn)一步保證運(yùn)條軌跡的連續(xù)性以及準(zhǔn)確性。本發(fā)明將多次的運(yùn)條操作軌跡以圖像
的形式保存下來。圖9為軌跡再現(xiàn)界面。圖10為本發(fā)明將所再現(xiàn)的鋸齒 形運(yùn)條操作。
(5)焊接運(yùn)條操作評(píng)價(jià)功能
運(yùn)條一般分三個(gè)基本運(yùn)動(dòng)沿焊條中心線向熔池送進(jìn)；沿焊接方向移 動(dòng)；橫向擺動(dòng)。焊條向熔池方向送進(jìn)的目的是在焊條不斷熔化的過程中優(yōu) 質(zhì)弧長(zhǎng)不變。焊條下送速度應(yīng)與焊條的熔化速度相同。否則，會(huì)發(fā)生斷弧 或焊條與焊件粘結(jié)現(xiàn)象。焊條沿焊接方向移動(dòng)，是為了控制焊道成形。焊 條向前移動(dòng)速度過快或過慢會(huì)出現(xiàn)焊道較窄、未焊透或焊道過高、過寬甚 至出現(xiàn)燒穿等缺陷。
針對(duì)以上運(yùn)條操作要領(lǐng)，本發(fā)明用數(shù)據(jù)的形式分別對(duì)三個(gè)基本運(yùn)動(dòng)做 出反映。沿焊條中心線向'熔池送進(jìn)可以由弧長(zhǎng)的變化來反映，并且可以計(jì) 算出粘連和熄弧的次數(shù)。沿焊接方向移動(dòng)可以由焊速和軌跡直接表示，悍 速是否過快或者過慢以及焊縫是否與要求有所偏移都可以得到直接體現(xiàn)。 對(duì)于橫向移動(dòng)可以考察焊條的擺幅以及擺動(dòng)頻率。通過本發(fā)明，可以將宏 觀的運(yùn)條操作以數(shù)據(jù)的方式具體的表示出來，方法具體直觀，在檢測(cè)精度 可以保證的情況下，能夠真實(shí)有效的反應(yīng)焊工的運(yùn)條操作。
其次，在對(duì)焊工運(yùn)條操作做出具體直觀的反映之后，本發(fā)明會(huì)對(duì)這些 操作進(jìn)行簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)。 一方面，會(huì)基于檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，比如根據(jù)檢測(cè) 到工人焊接操作熄弧次數(shù)可以判定操作是否得當(dāng)。另一方面，在對(duì)不同 運(yùn)條方式分類的基礎(chǔ)上，向系統(tǒng)中植入熟練焊工焊接操作的運(yùn)條軌跡以及 教科書上所示軌跡作為標(biāo)準(zhǔn)軌跡，通過對(duì)比學(xué)員運(yùn)條操作軌跡于標(biāo)準(zhǔn)軌跡 來判定學(xué)員的運(yùn)條操作的熟練程度。(如圖IO)
最后，根據(jù)以上兩方面的評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)焊工的運(yùn)條操作有針對(duì)性的給出建議，使得焊工有反饋有目的的提高自身技術(shù)。
本發(fā)明針對(duì)傳統(tǒng)焊工培訓(xùn)中存在的問題，將焊接學(xué)員的操作完全真實(shí) 的記錄下來，然后在焊后評(píng)價(jià)中給予清晰再現(xiàn)。不僅節(jié)省了培訓(xùn)機(jī)構(gòu)的大 量資源，而且使得學(xué)員有針對(duì)性的去學(xué)習(xí)訓(xùn)練，提高了學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)效 果。在焊接操作培訓(xùn)過程中，本發(fā)明的模擬培訓(xùn)裝置具有如下特點(diǎn)(1) 焊接操作位置檢測(cè)模i央對(duì)模擬焊條位置的檢測(cè)實(shí)時(shí)性好，準(zhǔn)確性高；(2) 系統(tǒng)在焊后對(duì)焊接操作中的運(yùn)條軌跡描述真實(shí)，清晰，能夠反映運(yùn)條軌操 作中的細(xì)節(jié)。
權(quán)利要求
1、手工電弧焊運(yùn)條操作模擬訓(xùn)練裝置，包括主控計(jì)算機(jī)(3)，模擬焊槍(5)以及設(shè)置在模擬焊槍(5)下端的模擬試板(6)，其特征在于所述模擬焊槍包括操作手柄(10)以及安裝在該操作手柄(10)上的模擬焊條(7)，在模擬焊條(7)的下端安裝有發(fā)光二極管(8)，模擬焊條(7)的上端安裝通過計(jì)算機(jī)COM端口與主控計(jì)算機(jī)(3)相連的雙軸傾角傳感器(9)，該雙軸傾角傳感器(9)的基準(zhǔn)面與模擬焊條(7)相互垂直；所述模擬試板(6)包括支撐玻璃(13)，透明導(dǎo)電玻璃(11)以及設(shè)置在支撐玻璃(13)與透明導(dǎo)電玻璃(11)之間的遮光夾層(12)；且在支撐玻璃(13)下端設(shè)置有通過圖像采集卡(2)與主控計(jì)算機(jī)(3)相連的CCD攝像機(jī)(1)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的手工電弧焊運(yùn)條操作模擬訓(xùn)練裝置，其特 征在于所說的模擬焊條(7)是一根反映焊條尺寸的鋁合金棒材。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的手工電弧焊運(yùn)條操作模擬訓(xùn)練裝置，其特 征在于所說的雙軸傾角傳感器(9)的測(cè)量范圍橫滾角±60° ;俯仰 角±60° 。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的手工電弧焊運(yùn)條操作模擬訓(xùn)練裝置，其特 征在于:所說的支撐玻璃(13)采用毛玻璃制成，其尺寸為240mmX400mm， 厚度大于5mm。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的手工電弧焊運(yùn)條操作模擬訓(xùn)練裝置，其特 征在于所說的遮光夾層(12)上帶有能夠使CCD攝像機(jī)(1)的安裝， 調(diào)試和標(biāo)定的標(biāo)記。
6、 一種基于權(quán)利要求1所述的手工電弧焊運(yùn)條操作模擬訓(xùn)練裝置的電弧焊運(yùn)條檢測(cè)方法，其特征在于1) 引弧過程的模擬通過透明導(dǎo)電玻璃判斷模擬焊條端部是否與模擬試板接觸或CCD攝像機(jī)拍攝的發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度判斷模擬焊條端部是否與模擬試板接觸即是否引弧，在判定引弧之后，由CCD攝像機(jī)開始正常的采集工作， 并將采集的圖像存入主控計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中；2) 模擬焊條位置的檢測(cè)將采集的一幀圖像中的各個(gè)像素點(diǎn)的灰度值從內(nèi)存中取出，并存入數(shù)組，在數(shù)組中尋找灰度值最大的像素，并與200-210灰度值的引弧閾值進(jìn) 行比較，若最大像素值大于引弧閾值，系統(tǒng)開始分析所采集的數(shù)據(jù)，所用 的攝像機(jī)的CCD芯片的像素規(guī)格為768 X 576，通過CCD芯片規(guī)格以及最 大灰度值像素在數(shù)組中的編號(hào)得出最大灰度值像素所對(duì)應(yīng)的圖像坐標(biāo)，然 后，以最亮點(diǎn)為中心，定義一個(gè)31像素X31像素的跟蹤區(qū)域，圖像上的 光斑一定包含在這個(gè)區(qū)域之內(nèi)，此時(shí)設(shè)置一個(gè)170-180灰度值的光斑描繪 閾值，把跟蹤區(qū)域中像素灰度值與光斑描繪閾值進(jìn)行對(duì)比，大于光斑描繪 閾值的就是光斑，小于光斑描繪閾值的就是黑色背景部分，由此得到所有 光斑像素，并根據(jù)光斑最上端和最下端以及最左端和最右端的像素坐標(biāo)計(jì) 算出亮點(diǎn)中心的像素坐標(biāo)，最后，將亮點(diǎn)的像素坐標(biāo)進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)轉(zhuǎn)化 為實(shí)際坐標(biāo)就能得到焊條的實(shí)時(shí)位置；3) 焊條傾角的檢測(cè)由于傾角傳感器垂直于模擬焊條安裝，傾角傳感器實(shí)時(shí)地反映了模擬 焊條的傾斜角度，把橫滾和俯仰兩個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)信息傳輸給主控計(jì)算機(jī) 得到模擬焊條的傾斜程度；4)運(yùn)條軌跡的再現(xiàn)在模擬焊條位置的檢測(cè)中對(duì)亮點(diǎn)中心的像素坐標(biāo)進(jìn)行了存儲(chǔ)，在焊接 操作結(jié)束后，將存儲(chǔ)的像素坐標(biāo)取出并以圖像的方式在坐標(biāo)系中逐點(diǎn)畫 出，將這些點(diǎn)連接起來就得到了焊接操作過程中的運(yùn)條軌跡。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的手工電弧焊運(yùn)條檢測(cè)方法，其特征在于所說的通過透明導(dǎo)電玻璃判斷模擬焊條端部是否與模擬試板接觸的過程如下模擬焊條下端部是動(dòng)觸頭，模擬試板是靜觸頭，當(dāng)模擬焊條未接觸模擬試板時(shí)，VoutO為低電平，當(dāng)模擬焊條接觸模擬試板時(shí)，Vout就是電 阻R上的電壓，即Vcc，為高電平，Vout連接數(shù)據(jù)接口送給主控程序進(jìn)行 處理， 一次引弧操作產(chǎn)生一個(gè)方波脈沖，根據(jù)不同的工藝要求制定足以引 起電弧的接觸時(shí)間，也就是脈沖寬度，當(dāng)脈沖寬度達(dá)到要求時(shí)，在脈沖的 下降沿觸發(fā)燃弧代碼即可完成引弧。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的手工電弧焊運(yùn)條檢測(cè)方法，其特征在于 所說的通過CCD攝像機(jī)拍攝的發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度判斷模擬焊條端部 是否與模擬試板接觸的過程如下若有接觸時(shí)CCD攝像機(jī)感光芯片感到 的光線強(qiáng)，拍攝畫面上像素灰度的最大值大于200-210灰度值的引弧閾值; 反之，若像素灰度最大值小于引弧閾值，認(rèn)為未引弧，在判定引弧之后， 系統(tǒng)將開始正常的采集工作，但同時(shí)需要判定操作者是否熄弧，如果圖像 的像素灰度最大值小于160-170灰度值的熄弧閾值認(rèn)為已經(jīng)熄弧，此時(shí)系 統(tǒng)停止對(duì)焊條位置信息的實(shí)時(shí)采集。
全文摘要
手工電弧焊運(yùn)條操作模擬訓(xùn)練裝置及電弧焊運(yùn)條檢測(cè)方法，使用于焊工焊接運(yùn)條操作的入門、改進(jìn)和提高訓(xùn)練。該裝置包括模擬焊槍、模擬試板、圖像檢測(cè)模塊、傾角傳感器，主控計(jì)算機(jī)與評(píng)價(jià)系統(tǒng)。通過傳感器的合理選擇、布局以及高效數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)焊工操作模擬焊條的實(shí)時(shí)位置的高精度檢測(cè)與評(píng)價(jià)。該裝置能夠記錄焊接學(xué)員在操作過程中引弧，運(yùn)條，收尾等一系列操作，并在操作完成之后復(fù)現(xiàn)操作軌跡，能提高學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)效果。
文檔編號(hào)G01B21/22GK101587659SQ20091002309
公開日2009年11月25日 申請(qǐng)日期2009年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月29日
發(fā)明者張建勛, 張林杰, 彤 朱, 佳 楊, 靖 牛, 詹恒順, 閆承志, 蕾 馬 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)