王沛禹

摘要：利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制與仿真技術(shù)。對(duì)現(xiàn)有的焊接設(shè)備進(jìn)行改造。融合仿真的焊機(jī)、控制開關(guān)。開發(fā)一種有實(shí)物參入的手弧焊仿真訓(xùn)練系統(tǒng)。對(duì)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(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)庫 焊道圖形 圖像處理

一、前言

本文應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制與仿真技術(shù)，研發(fā)了一種手弧焊的仿真焊接訓(xùn)練系統(tǒng)。開發(fā)的系統(tǒng)將焊接實(shí)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(tái)、驅(qū)動(dòng)控制電路、已經(jīng)進(jìn)行改造升級(jí)的虛擬仿真焊機(jī)、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(jìn)行仿真焊接操作時(shí)，仿真焊機(jī)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(dòng)速度和預(yù)先設(shè)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(yù)先設(shè)置的對(duì)應(yīng)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(diǎn)）。通過調(diào)用弧光顯示程序在防護(hù)面罩的液晶顯示屏上模擬實(shí)際焊接中操作人員通過防護(hù)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(diǎn)）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(duì)數(shù)據(jù)庫的讀取方法及焊道圖像處理的辦法進(jìn)行闡述。

二、數(shù)據(jù)庫的讀取方法

根據(jù)前面所述，在進(jìn)行仿真訓(xùn)練操作前選擇好焊條直徑及電流范圍?？砂凑铡昂笚l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(diǎn)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(jī)狀態(tài)。規(guī)范的引弧過程所用的時(shí)間基本相同?？稍O(shè)定一個(gè)初始時(shí)間段為引弧操作過程，引弧過程所用時(shí)間及此過程電流變化規(guī)律由實(shí)驗(yàn)取得。用軟件判定仿真焊鉗從待機(jī)狀態(tài)始，與屏幕接觸（短路）至電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)仿真焊鉗與屏幕之間的距離所用的時(shí)間，在小于規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，按智能焊鉗與屏幕之間的距離所對(duì)應(yīng)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(shí)間后，轉(zhuǎn)入讀取運(yùn)條數(shù)據(jù)庫程序；若大于規(guī)定的時(shí)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(guān)閉系統(tǒng)。

（二）運(yùn)條數(shù)據(jù)庫讀取。運(yùn)條過程是手弧焊的施焊過程，此過程較為復(fù)雜，隨時(shí)會(huì)出現(xiàn)滅弧、堆焊、焊穿等操作。

運(yùn)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(jìn)行尋址，并讀取預(yù)設(shè)在該地址中焊點(diǎn)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(dòng)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(fù)，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(dòng)速度過慢，則正系數(shù)為負(fù)，使尋址電流值減小，若智能焊鉗移動(dòng)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(yīng)地址信息。若智能焊鉗小于最低移動(dòng)速度，同時(shí)智能焊鉗與屏幕距離增加，應(yīng)判定為滅弧操作，讀取滅弧數(shù)據(jù)庫。智能焊鉗移動(dòng)速度修正系數(shù)、最低移動(dòng)速度均由實(shí)驗(yàn)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(yù)存在PC機(jī)焊接工藝操作區(qū)，當(dāng)打開該程序，出現(xiàn)一個(gè)按厚度設(shè)置的選擇窗口，點(diǎn)擊該窗口“工件”，將該工作調(diào)入到屏上的工作區(qū)?！肮ぜ钡暮缚p寬度可預(yù)設(shè)，也可設(shè)重新設(shè)置?？筛鶕?jù)需要對(duì)焊縫兩側(cè)進(jìn)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(shí)產(chǎn)生高溫使工件焊縫兩側(cè)材料瞬時(shí)達(dá)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(gè)要素：一是焊條移動(dòng)速度及運(yùn)動(dòng)方式，二是焊條與焊縫的位置。沿焊縫移動(dòng)速度過快，則不會(huì)形成連續(xù)的焊道，若焊條偏離焊縫，焊點(diǎn)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(duì)“焊條”進(jìn)行定位和移動(dòng)速度運(yùn)算。對(duì)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(diǎn)，該點(diǎn)要與附在液晶顯示屏上的光感應(yīng)屏上所設(shè)的定位點(diǎn)對(duì)應(yīng)。焊接時(shí)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(duì)應(yīng)的光感應(yīng)單元。經(jīng)感光屏上矩陣電路及軟件換算成相應(yīng)代碼，確定與之對(duì)應(yīng)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(diǎn)上。相近的兩爪“焊點(diǎn)”圖形采用層疊顯示方式，即兩個(gè)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(huì)形成與實(shí)際高度相似的鱗狀焊道。若“焊條”移動(dòng)太快，“焊點(diǎn)”相鄰或相離，則會(huì)出現(xiàn)圖像不層疊。當(dāng)“焊條”在一點(diǎn)持續(xù)時(shí)過長，則會(huì)使工件熔化，出現(xiàn)燒透現(xiàn)象，該時(shí)要讀取庫中相對(duì)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(jì)算機(jī)控制與仿真技術(shù)，利用與實(shí)物相似的焊機(jī)外殼、控制開關(guān)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(hù)面罩，研發(fā)了與實(shí)物緊密結(jié)合的手工電弧焊焊接仿真訓(xùn)練系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)仿真的關(guān)鍵是測量智能化焊鉗與工作臺(tái)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(duì)位置等參數(shù)。將獲得的參數(shù)進(jìn)行數(shù)字化處理后，依次為依據(jù)，通過調(diào)用焊點(diǎn)數(shù)據(jù)庫中預(yù)先設(shè)置的相應(yīng)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(diǎn)）。關(guān)于該系統(tǒng)的尋址電流監(jiān)測方法、驅(qū)動(dòng)控制電路和配套軟件的研制，另專題闡述。