手工電弧焊仿真訓練系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫讀取及焊道成像處理方法的研究

王沛禹

摘要：利用現(xiàn)代計算機控制與仿真技術。對現(xiàn)有的焊接設備進行改造。融合仿真的焊機、控制開關。開發(fā)一種有實物參入的手弧焊仿真訓練系統(tǒng)。對該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫讀取方法及顯示屏上“工件焊道”形成圖像處理進行研究。

關鍵詞：數(shù)據(jù)庫 焊道圖形 圖像處理

一、前言

本文應用計算機控制與仿真技術，研發(fā)了一種手弧焊的仿真焊接訓練系統(tǒng)。開發(fā)的系統(tǒng)將焊接實物與軟件相結(jié)合，包含了帶有液晶顯示屏和光感屏的工作臺、驅(qū)動控制電路、已經(jīng)進行改造升級的虛擬仿真焊機、焊鉗、電纜和軟件系統(tǒng)等。系統(tǒng)組成如圖1。

該系統(tǒng)用液晶顯示屏替代了焊件，仿真焊鉗和焊條替代了原焊鉗。在進行仿真焊接操作時，仿真焊機的工作電流通過測量仿真焊鉗和液晶屏的距離換算得出。根據(jù)此電流及仿真焊鉗的移動速度和預先設置的仿真焊條直徑等參數(shù)，采用查詢法，將數(shù)據(jù)庫中預先設置的對應圖像讀取出來并顯示在液晶屏上，該顯示的圖像即模擬出的焊道（焊點）。通過調(diào)用弧光顯示程序在防護面罩的液晶顯示屏上模擬實際焊接中操作人員通過防護面罩看到的弧光。因此，需要確定各種可能的工況下焊道（焊點）圖形等數(shù)據(jù)庫讀取方法和焊道圖像處理的辦法。本文對數(shù)據(jù)庫的讀取方法及焊道圖像處理的辦法進行闡述。

二、數(shù)據(jù)庫的讀取方法

根據(jù)前面所述，在進行仿真訓練操作前選擇好焊條直徑及電流范圍。可按照“焊條直徑代碼+尋址監(jiān)測電流代碼”等方式讀取數(shù)據(jù)庫中焊點數(shù)據(jù)庫，按照一定規(guī)則顯示在屏幕上，形成虛擬焊道。

（一）引弧數(shù)據(jù)庫讀取。引弧是手弧焊的初始階段。每次引弧，焊鉗總是處于待機狀態(tài)。規(guī)范的引弧過程所用的時間基本相同?？稍O定一個初始時間段為引弧操作過程，引弧過程所用時間及此過程電流變化規(guī)律由實驗取得。用軟件判定仿真焊鉗從待機狀態(tài)始，與屏幕接觸（短路）至電弧穩(wěn)定燃燒時仿真焊鉗與屏幕之間的距離所用的時間，在小于規(guī)定的時間內(nèi)，按智能焊鉗與屏幕之間的距離所對應的電流+焊條直徑讀取數(shù)據(jù)庫，此過程電流不加任何修正，直至電流穩(wěn)定在使電弧穩(wěn)定燃燒某一數(shù)值一段時間后，轉(zhuǎn)入讀取運條數(shù)據(jù)庫程序；若大于規(guī)定的時間，電流仍不能穩(wěn)定在使電弧穩(wěn)定燃燒數(shù)值，則判定為引弧失敗，關閉系統(tǒng)。

（二）運條數(shù)據(jù)庫讀取。運條過程是手弧焊的施焊過程，此過程較為復雜，隨時會出現(xiàn)滅弧、堆焊、焊穿等操作。

運條數(shù)據(jù)庫讀取可按“焊條直徑代碼+尋址監(jiān)測電流代碼”方式進行尋址，并讀取預設在該地址中焊點圖形信息。一旦焊條直徑確定，則首址確定。尋址監(jiān)測電流=基本電流+焊條移動速度修正系數(shù)+電流選擇范圍修正系數(shù)?；倦娏饔芍悄芎搞Q與屏幕之間的距離決定。電流選擇范圍要符合焊條直徑要求，若電流選擇范圍大于焊條直徑要求修正系數(shù)為正，使尋址電流值增加，直接讀取焊穿部分地址信息。若電流選擇范圍小于焊條直徑要求修正系數(shù)為負，使尋址電流值減小，直接讀取焊穿部分地址信息。電流選擇范圍要符合焊條直徑要求，智能焊鉗與屏幕距離保持在正常范圍內(nèi)，若智能焊鉗移動速度過慢，則正系數(shù)為負，使尋址電流值減小，若智能焊鉗移動速度過快，則正系數(shù)為正，使尋址電流值減增加。并讀取相應地址信息。若智能焊鉗小于最低移動速度，同時智能焊鉗與屏幕距離增加，應判定為滅弧操作，讀取滅弧數(shù)據(jù)庫。智能焊鉗移動速度修正系數(shù)、最低移動速度均由實驗獲得。

三、顯示屏上“工件焊道”形成圖像處理

將一系列厚度的“工件”圖片預存在PC機焊接工藝操作區(qū)，當打開該程序，出現(xiàn)一個按厚度設置的選擇窗口，點擊該窗口“工件”，將該工作調(diào)入到屏上的工作區(qū)。“工件”的焊縫寬度可預設，也可設重新設置?？筛鶕?jù)需要對焊縫兩側(cè)進行倒角處理。

手工電弧焊焊接的焊道是沿工件接縫形成的。在焊接過程中，同時產(chǎn)生高溫使工件焊縫兩側(cè)材料瞬時達到熔融狀態(tài)，并與熔化的焊條金屬材料熔合，冷卻后形成焊道。從外表看焊道形成主要有兩個要素：一是焊條移動速度及運動方式，二是焊條與焊縫的位置。沿焊縫移動速度過快，則不會形成連續(xù)的焊道，若焊條偏離焊縫，焊點落在縫隙以外的工件上，因此要形成符合工程要求“焊道”，需對“焊條”進行定位和移動速度運算。對于平面焊接，可將屏上工作區(qū)顯示的縫隙的左端為定位參照點，該點要與附在液晶顯示屏上的光感應屏上所設的定位點對應。焊接時一旦引弧成功，則仿真“焊條”中激光定位二極管工作，并照射感光屏上相對應的光感應單元。經(jīng)感光屏上矩陣電路及軟件換算成相應代碼，確定與之對應的液晶顯示屏上的位置，將從庫中讀取的數(shù)據(jù)以圖像的形式顯示在該點上。相近的兩爪“焊點”圖形采用層疊顯示方式，即兩個相互靠近的幀，后一幀圖像覆蓋前一幀圖像2，3的方式。

若正確操作，則會形成與實際高度相似的鱗狀焊道。若“焊條”移動太快，“焊點”相鄰或相離，則會出現(xiàn)圖像不層疊。當“焊條”在一點持續(xù)時過長，則會使工件熔化，出現(xiàn)燒透現(xiàn)象，該時要讀取庫中相對的焊穿部分“圖像”并顯示，需采用保留最后幀圖像的顯示方式。

四、結(jié)語

借助計算機控制與仿真技術，利用與實物相似的焊機外殼、控制開關與旋鈕、高仿真焊接線纜、高仿真智能化焊鉗與焊條、高仿真防護面罩，研發(fā)了與實物緊密結(jié)合的手工電弧焊焊接仿真訓練系統(tǒng)。實現(xiàn)仿真的關鍵是測量智能化焊鉗與工作臺上待模擬焊接的液晶屏幕（工件）之間的距離（即弧長），判斷智能化焊鉗與此屏幕（工件）的相對位置等參數(shù)。將獲得的參數(shù)進行數(shù)字化處理后，依次為依據(jù)，通過調(diào)用焊點數(shù)據(jù)庫中預先設置的相應圖像數(shù)據(jù)，按一定規(guī)則在液晶屏幕上顯示，形成模擬焊道（焊點）。關于該系統(tǒng)的尋址電流監(jiān)測方法、驅(qū)動控制電路和配套軟件的研制，另專題闡述。