焊工操作量化評(píng)價(jià)系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

楊利成

關(guān)鍵詞：焊工操作 ?量化評(píng)價(jià) ?系統(tǒng)開發(fā)

焊工是操作焊機(jī)或焊接設(shè)備，焊接金屬工件的人員，要求具備一定的學(xué)習(xí)、理解、分析及判斷能力，良好的視力，基本的辨別顏色及識(shí)圖能力，手指手臂能靈活、協(xié)調(diào)地操作焊接設(shè)備。但培養(yǎng)一名優(yōu)秀的焊工需要消耗較多的時(shí)間、材料和人力，焊工操作或焊工技能的評(píng)價(jià)長(zhǎng)期成為企業(yè)或職業(yè)院校、培訓(xùn)機(jī)構(gòu)的難題，采用可量化、直觀的數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)已經(jīng)成為現(xiàn)階段焊接領(lǐng)域重要的研究課題。

一、現(xiàn)階段焊工培訓(xùn)和評(píng)價(jià)的方式

從行業(yè)內(nèi)來(lái)看，焊工培訓(xùn)評(píng)價(jià)的方式主要有兩種，每種方式都有優(yōu)缺點(diǎn)，下面進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹和比較。

1.師帶徒方式

師帶徒是最常見的教學(xué)或培訓(xùn)方式。借助經(jīng)驗(yàn)豐富、技能突出和具有指導(dǎo)能力的師傅或教師帶領(lǐng)徒弟或?qū)W員完成訓(xùn)練。這種方式具體且直觀，對(duì)學(xué)員的指導(dǎo)直接且深入。但1名師傅僅能照顧到1～3名學(xué)員的訓(xùn)練，對(duì)師傅的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)都要求較高，且需要師傅長(zhǎng)時(shí)間在培訓(xùn)工位中進(jìn)行輔導(dǎo)，對(duì)師傅的體能和責(zé)任心同樣要求很高。常見的評(píng)價(jià)手段以師傅點(diǎn)評(píng)為主，不利于成績(jī)的長(zhǎng)時(shí)間記憶和學(xué)員的長(zhǎng)期提高，消耗材料較多，訓(xùn)練時(shí)間較長(zhǎng)，效果不明顯。

2.模擬焊接方式

近幾年，借助VR和模擬仿真技術(shù)，焊工培訓(xùn)領(lǐng)域也逐漸開發(fā)出基于VR技術(shù)的模擬焊接培訓(xùn)方式。這種方式采用1：1模擬真實(shí)設(shè)備，焊接操作過程動(dòng)畫展示的方式，具有直觀、可量化的優(yōu)點(diǎn)，減輕了師傅指導(dǎo)的壓力，由系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。但本方法全部采用模擬的方式，操作過程不真實(shí)，沒有熱傳導(dǎo)、飛濺、煙塵等真實(shí)焊接中存在的特征，僅適合于初學(xué)者和安全考試等方面使用;且設(shè)備昂貴，一臺(tái)模擬設(shè)備的價(jià)格足夠培養(yǎng)幾十名焊工所需的工具、材料和設(shè)備的消耗，市場(chǎng)反應(yīng)一般，推廣價(jià)值不高。

二、焊工操作量化評(píng)價(jià)系統(tǒng)的開發(fā)

針對(duì)焊工培訓(xùn)中材料消耗多、培訓(xùn)時(shí)間長(zhǎng)、師傅要求高、評(píng)價(jià)不具體等問題，筆者結(jié)合長(zhǎng)期焊接專業(yè)培訓(xùn)和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，在采用真實(shí)設(shè)備教學(xué)的基礎(chǔ)上與傳感器技術(shù)相配合，開發(fā)出焊工操作量化評(píng)價(jià)系統(tǒng)，較好地解決了以上問題，在實(shí)際教學(xué)和培訓(xùn)中取得了較好的效果。

1.設(shè)計(jì)思路

施焊者在焊接過程中，會(huì)出現(xiàn)手勢(shì)不對(duì)、中間停頓不合理、層間溫度把握不準(zhǔn)、工藝參數(shù)調(diào)整不準(zhǔn)確的現(xiàn)象。但這些現(xiàn)象在實(shí)際訓(xùn)練中只能通過長(zhǎng)時(shí)間的鍛煉加以熟悉，更涉及 “悟性”等非客觀因素，對(duì)培養(yǎng)合格的高技能人才不利。在使用弧焊電源過程中，主要的工藝參數(shù)有焊接電流、弧焊電壓等，而且實(shí)時(shí)變化。利用電流、電壓的傳感裝置及信號(hào)收集器來(lái)對(duì)電流、電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，高水平的焊工對(duì)工藝參數(shù)的把握在一定范圍內(nèi)。

基于以上理論，筆者根據(jù)弧焊電源外特性的變化曲線，制定施焊者在焊接過程中需要控制的工藝參數(shù)變化標(biāo)準(zhǔn)，通過采集焊接過程中的電流、電壓等動(dòng)特性信息，經(jīng)過與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)、分析和運(yùn)算，運(yùn)用合理算法來(lái)指導(dǎo)和評(píng)價(jià)焊工操作水平，并能在弧焊電源評(píng)定和焊接工藝評(píng)定工作中發(fā)揮重要的作用。

2.主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

（1）直觀性。通過傳感器對(duì)焊接過程和焊接電參數(shù)的監(jiān)控，把電信號(hào)轉(zhuǎn)化為圖形輸出，并與系統(tǒng)自帶的標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行對(duì)比，產(chǎn)生可量化、直觀的評(píng)價(jià)報(bào)告。

（2）多功能。基于對(duì)電信號(hào)的處理和分析，可對(duì)弧焊電源進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控和測(cè)試;可對(duì)焊接材料、焊接母材、焊接氣體等焊接材料進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析，獲得不同材料對(duì)焊接過程的影響因素，形成材料檔案和工藝文件。

（3）擴(kuò)展性。在現(xiàn)有功能的基礎(chǔ)上，可增加溫度傳感器、光傳感器、激光攝像頭等先進(jìn)設(shè)施，向焊縫質(zhì)量控制、焊縫成型控制、焊縫缺陷預(yù)報(bào)等方面進(jìn)行擴(kuò)展，用途極廣。

3.模塊構(gòu)成

本系統(tǒng)主要分為硬件模塊和軟件模塊兩部分，具體模塊內(nèi)容介紹如下。

（1）硬件模塊。硬件模塊主要包括電弧電壓采集模塊、焊接電流采集模塊和過程信息數(shù)據(jù)采集模塊。其中電弧電壓采集模塊、焊接電流采集模塊主要用來(lái)測(cè)試焊接的過程信息，然后通過信號(hào)線傳遞給過程信息數(shù)據(jù)采集模塊，此模塊與計(jì)算機(jī)相連接，最終將采集的信息數(shù)據(jù)傳遞到計(jì)算機(jī)中，等待進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析，評(píng)定焊工技能水平。

（2）軟件模塊。圖1是評(píng)價(jià)系統(tǒng)軟件部分的框架結(jié)構(gòu)圖，其主要功能是進(jìn)行用戶管理，控制硬件模塊部分完成信息數(shù)據(jù)采集，對(duì)采集的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析并對(duì)操作人員的技能水平做出量化的評(píng)分。

①主界面。在此界面進(jìn)行用戶登錄，實(shí)現(xiàn)在用戶管理、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、考試成績(jī)界面之間的轉(zhuǎn)換和退出系統(tǒng)功能。

②用戶管理部分。對(duì)于用戶操作界面，本程序設(shè)置了兩種不同類型的用戶，一種是測(cè)試員身份，這種類型用戶只可以登錄系統(tǒng)，完成考生的焊接技能水平基本測(cè)試，包括參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和考試成績(jī)。另一種是管理員身份，此類型用戶除了可以完成測(cè)試員的全部權(quán)限外，最主要的是增加了用戶信息管理功能，可以創(chuàng)建/刪除用戶信息庫(kù)、注冊(cè)/刪除新用戶信息、修改用戶密碼信息。

③參數(shù)設(shè)置部分。用戶可以對(duì)焊接過程的基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括焊接方法、弧焊電壓、焊接電流、保護(hù)氣體、焊條/絲型號(hào)等，還可以對(duì)數(shù)據(jù)采集部分進(jìn)行設(shè)置及采集信息將要保存的路徑等，如圖2所示。

④數(shù)據(jù)采集部分。在焊接操作開始后點(diǎn)擊開始鍵，本模塊會(huì)實(shí)時(shí)采集焊接過程信息，其波形圖會(huì)呈現(xiàn)在界面中并實(shí)時(shí)更新，也便于觀察焊接過程，如圖3所示。

⑤數(shù)據(jù)分析部分。此模塊中焊接過程信息將會(huì)以波形圖的形式顯示在本窗口，此外還有概率圖、U-I圖和短路概率密度圖，以供后續(xù)評(píng)價(jià)、打分，如圖4所示。

⑥成績(jī)分析部分。經(jīng)過以上幾個(gè)步驟的計(jì)算、分析，此界面可以顯示考生的基本信息和考試成績(jī)，并給出焊接過程中操作的不足之處和需要改進(jìn)的建議。跳到焊工焊接成績(jī)分析界面，將顯示完整的焊接過程信息波形圖及相應(yīng)的重要焊接過程參數(shù)。系統(tǒng)最后可以生成成績(jī)報(bào)表，包含考生的基本信息、考試類型及成績(jī)，焊接過程信息分析等等，如圖5所示。

三、小結(jié)

本系統(tǒng)主要對(duì)操作者在焊接過程中實(shí)時(shí)變化的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，得出結(jié)論和操作建議，并在以下方面具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

1.適用于多種手工焊接方法

對(duì)焊條電弧焊（平焊、立焊、橫焊、仰焊四大常用焊接位置，不同直徑焊條，不同酸堿性焊條）、CO2氣體保護(hù)焊（不同焊接位置，不同焊絲型號(hào)）和鎢極氬弧焊等常見手工電弧焊操作者進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。

2.適用于弧焊電源動(dòng)特性測(cè)試

在采用半自動(dòng)或自動(dòng)焊接過程中，可對(duì)弧焊電源的動(dòng)特性進(jìn)行有效測(cè)試，檢驗(yàn)弧焊電源的穩(wěn)定性。

3.適用于焊接材料工藝性測(cè)試

在采用半自動(dòng)或自動(dòng)焊接方式，且弧焊電源、環(huán)境因素等不變的情況下，可對(duì)常見焊接材料如母材、焊條、焊絲等進(jìn)行工藝性測(cè)試。

4.適用于在線或遠(yuǎn)程焊工操作評(píng)價(jià)

結(jié)合焊縫評(píng)價(jià)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程或在線指導(dǎo)焊接過程和評(píng)價(jià)過程，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的有效擴(kuò)展。

系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用滿足了焊接教學(xué)和培訓(xùn)需求，為焊接專業(yè)高技能人才培養(yǎng)提供了較好的思路和方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]姜運(yùn)建，張國(guó)尚.多元統(tǒng)計(jì)方法在焊工評(píng)價(jià)體系中的應(yīng)用[J].河北電力技術(shù)，2008（4）.

[2]馮英超，張偉棟，張建勛等.核電站焊工培訓(xùn)模擬仿真系統(tǒng)的研究[J].金屬加工（熱加工），2013（S2）.

[3]張世欣，王明巖.在線監(jiān)控技術(shù)在焊工技能考核中的應(yīng)用研究[R].大連：2012第八屆中國(guó)北方焊接學(xué)術(shù)會(huì)議材料，2012.

[4]孫勃.基于LabVIEW的GMAW焊接過程分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)的研制[D].天津：天津大學(xué)，2008.

[5]鄭立娟.數(shù)字化技術(shù)在油田焊工培訓(xùn)中的應(yīng)用[J].金屬加工（熱加工），2013（6）.

（作者單位：長(zhǎng)治技師學(xué)院）