CN101587659A - 手工电弧焊运条操作模拟训练装置及电弧焊运条检测方法 - Google Patents

Abstract

手工电弧焊运条操作模拟训练装置及电弧焊运条检测方法，使用于焊工焊接运条操作的入门、改进和提高训练。该装置包括模拟焊枪、模拟试板、图像检测模块、倾角传感器，主控计算机与评价系统。通过传感器的合理选择、布局以及高效数据处理，实现了对焊工操作模拟焊条的实时位置的高精度检测与评价。该装置能够记录焊接学员在操作过程中引弧，运条，收尾等一系列操作，并在操作完成之后复现操作轨迹，能提高学习效率和学习效果。

Description

手工电弧焊运条操作模拟训练装置及电弧焊运条检测方法

技术领域

本发明属于焊接模拟与仿真培训领域，具体涉及一种手工电弧焊运条操作模拟训练装置。

背景技术

手工电弧焊接作为一种常用的材料连接技术普遍应用在工业产品中，如航空航天、压力容器和船舶等的制造与安装中。随着科学技术的不断发展，虽然各种自动焊技术层出不穷，但手工电弧焊以其使用上的方便灵活，在工业生产中的许多场合仍起着不可替代的作用。而作为焊接生产的主要实施者，焊工操作技术在很大程度上决定着这门技术的发展与应用。

传统焊接培训中，能源和材料消耗量很大，培训一个合格焊工需要大量的焊条与钢材。对于初次接触焊接技术的新学员，由于焊接过程的弧光等问题对于学员的心理有一定的负面影响。另外，焊接过程产生的紫外光，烟尘，废气，废渣都会对环境造成不同程度的污染。随着计算机及其相关技术的发展，将虚拟焊接模拟培训引入焊接培训已成为可能。虚拟焊接培训技术以其安全、环保、节能而倍受关注和期待，正在逐渐成为焊接培训领域的研究热点之一。模拟焊接培训技术不仅能够通过三维仿真的形式将学员的操作实时再现，还能运用专家系统对操作进行评价并给出关键数据。因此，虚拟焊接模拟技术在使得焊接培训生动，具体，形象的基础上，让学员在有反馈和指导的情况下学习，提高学习效率和教学效果。

哈尔滨工业大学早在1987年就提出了虚拟焊接的概念，并在1991年5月成功研制出第一台样机。而吉林工业大学在1998年3月提出了“焊接操作光学模拟训练系统”。2008年3月，上海师范大学提出的“电弧焊平板焊接仿真中焊条空间实时定位技术”也是为了服务于虚拟焊接培训系统而提出的。在国外，德国、美国从70年代初期开始这方面的研究工作，法国、希腊、澳大利亚、日本等国也在近几年开始这方面的研究，并相继获得一定成果。

西安交通大学焊接研究所从2003年开始开发焊接操作模拟培训系统(HTS)。该系统的成型设备已经在2008年被成功研制出来并申请了相关专利。HTS能够提供初级焊工培训的基本培训功能。在此平台上可以实现手工电弧焊的操作培训，可以在虚拟的场景中感受到包括烟尘，强光在内的真正的焊接过程。为此设计了新型的模拟焊枪，采用步进电机回抽焊条来模拟手工电弧焊焊条的熔化，逻辑电平回路来模拟焊接引弧过程，实现了手工电弧焊脱离了真实焊接环境的模拟过程。同时，采用CCD双目成像检测模块，保证了系统对焊接操作实时精确检测。因此，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，从而为其进一步提升焊接技能打下良好的基础。此外HTS配套软件中的学习系统和考试系统方便培训人员随时对焊接理论知识进行查询和测试。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现焊工焊接运条操作的入门、改进和提高训练，且对焊工操作模拟焊条的实时位置的高精度检测，从而达到培训的目的手工电弧焊运条操作模拟训练装置及电弧焊运条检测方法。

为达到上述目的，本发明的装置包括：包括主控计算机，模拟焊枪以及设置在模拟焊枪下端的模拟试板，所述模拟焊枪包括操作手柄以及安装在该操作手柄上的模拟焊条，在模拟焊条的下端安装有发光二极管，模拟焊条的上端安装通过计算机COM端口与主控计算机相连的双轴倾角传感器，该双轴倾角传感器的基准面与模拟焊条相互垂直；

所述模拟试板包括支撑玻璃，透明导电玻璃以及设置在支撑玻璃与透明导电玻璃之间的遮光夹层；且在支撑玻璃下端设置有通过图像采集卡与主控计算机相连的CCD摄像机。

所说的模拟焊条是一根反映焊条尺寸的铝合金棒材。

所说的双轴倾角传感器的测量范围：横滚角±60°；俯仰角±60°。

所说的支撑玻璃采用毛玻璃制成，其尺寸为240mmX400mm，厚度大于5mm。

所说的遮光夹层上带有能够使CCD摄像机的安装，调试和标定的标记。

本发明的检测方法为：

1)引弧过程的模拟

通过透明导电玻璃判断模拟焊条端部是否与模拟试板接触或CCD摄像机拍摄的发光二极管的发光强度判断模拟焊条端部是否与模拟试板接触即是否引弧，在判定引弧之后，由CCD摄像机开始正常的采集工作，并将采集的图像存入主控计算机的内存中；

2)模拟焊条位置的检测

将采集的一帧图像中的各个像素点的灰度值从内存中取出，并存入数组，在数组中寻找灰度值最大的像素，并与200-210灰度值的引弧阈值进行比较，若最大像素值大于引弧阈值，系统开始分析所采集的数据，所用的摄像机的CCD芯片的像素规格为768×576，通过CCD芯片规格以及最大灰度值像素在数组中的编号得出最大灰度值像素所对应的图像坐标，然后，以最亮点为中心，定义一个31像素×31像素的跟踪区域，图像上的光斑一定包含在这个区域之内，此时设置一个170-180灰度值的光斑描绘阈值，把跟踪区域中像素灰度值与光斑描绘阈值进行对比，大于光斑描绘阈值的就是光斑，小于光斑描绘阈值的就是黑色背景部分，由此得到所有光斑像素，并根据光斑最上端和最下端以及最左端和最右端的像素坐标计算出亮点中心的像素坐标，最后，将亮点的像素坐标进行存储，同时转化为实际坐标就能得到焊条的实时位置；

3)焊条倾角的检测

由于倾角传感器垂直于模拟焊条安装，倾角传感器实时地反映了模拟焊条的倾斜角度，把横滚和俯仰两个自由度的转动信息传输给主控计算机得到模拟焊条的倾斜程度；

4)运条轨迹的再现

在模拟焊条位置的检测中对亮点中心的像素坐标进行了存储，在焊接操作结束后，将存储的像素坐标取出并以图像的方式在坐标系中逐点画出，将这些点连接起来就得到了焊接操作过程中的运条轨迹。

所说的通过透明导电玻璃判断模拟焊条端部是否与模拟试板接触的过程如下：模拟焊条下端部是动触头，模拟试板是静触头，当模拟焊条未接触模拟试板时，Vout＝0为低电平，当模拟焊条接触模拟试板时，Vout就是电阻R上的电压，即Vcc，为高电平，Vout连接数据接口送给主控程序进行处理，一次引弧操作产生一个方波脉冲，根据不同的工艺要求制定足以引起电弧的接触时间，也就是脉冲宽度，当脉冲宽度达到要求时，在脉冲的下降沿触发燃弧代码即可完成引弧。

所说的通过CCD摄像机拍摄的发光二极管的发光强度判断模拟焊条端部是否与模拟试板接触的过程如下：若有接触时CCD摄像机感光芯片感到的光线强，拍摄画面上像素灰度的最大值大于200-210灰度值的引弧阈值；反之，若像素灰度最大值小于引弧阈值，认为未引弧，在判定引弧之后，系统将开始正常的采集工作，但同时需要判定操作者是否熄弧，如果图像的像素灰度最大值小于160-170灰度值的熄弧阈值认为已经熄弧，此时系统停止对焊条位置信息的实时采集。

本发明采用图像检测方法，通过CCD摄像机拍摄焊工在训练过程中的操作模拟焊条在模拟焊接试板上的运动轨迹图像，主控计算机从拍摄的图像中提取出反映模拟焊条位置的光点，并将光点在时空域连接即形成了运条轨迹。为了同时反映焊工操作的模拟焊条的空间位置，在模拟焊条上安装了倾角传感器，通过COM口获得倾角信号。实现了对焊工操作模拟焊条的实时位置的高精度检测。该装置能够记录焊接学员在操作过程中引弧，运条，收尾等一系列操作，并在操作完成之后复现操作轨迹，能提高学习效率和学习效果。

附图说明

图1是本发明装置的连接示意图；

图2是本发明模拟焊枪的结构示意图；

图3是本发明模拟试板的结构示意图；

图4是本发明模拟焊条的引弧电路图；

图5是本发明最亮点像素跟踪示意图；

图6是本发明焊接操作进行时，数据的实时输出界面；

图7是本发明双轴倾角传感器的示意图；

图8是本发明焊条轨迹绘制界面图；

图9是本发明运条轨迹图；

图10a是本发明标准锯齿形运条轨迹，图10b是标准正三角形运条轨迹，图10c是标准月牙形运条轨迹。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明包括主控计算机3与主控计算机3相连接的显示器4，模拟焊枪5以及设置在模拟焊枪5下端的模拟试板6，在模拟试板6下端设置有通过图像采集卡2与主控计算机3相连的CCD摄像机1。

参见图2，本发明的模拟焊枪5包括操作手柄10以及安装在该操作手柄10上的一根反映焊条尺寸的铝合金棒材模拟焊条7，在模拟焊条7的下端安装有发光二极管8，模拟焊条7的上端安装有通过计算机COM端口与主控计算机3相连的双轴倾角传感器9，该双轴倾角传感器9的基准面于模拟焊条7相互垂直；摄像机采用台湾敏通的MTV 1881 EX低照度黑白CCD摄像机、图像采集卡采用北京微视公司的M 10卡、倾角传感器采用西安中星测控公司的CS-2TAS-02双轴倾角传感器(测量范围：横滚角±60°；俯仰角±60°)，计算机主机CPU采用英特尔酷睿双核E7400处理器。

参见图3，本发明的模拟试板6包括支撑玻璃13，透明导电玻璃11以及设置在支撑玻璃13与透明导电玻璃11之间的遮光夹层12；支撑玻璃13作为模拟试板6的主体，其尺寸为240mmX400mm，厚度大于5mm。支撑玻璃13是一块毛玻璃，它既不仅可以保证焊条下端部的信号光透过，又可以通过漫反射削弱环境中方向性较强的干扰光。遮光夹层覆盖在支撑玻璃上。遮光夹层12上带能够使CCD摄像机1的安装，调试和标定的标记，同时进一步削弱干扰光。透明导电玻璃覆盖夹层之上，一方面实现模拟引弧功能，同时也能起到保护夹层的作用。

本发明的电弧焊运条检测方法如下：

(1)引弧过程的模拟

引弧是手工电弧焊的一个重要的环节。引弧方式主要有两种，分别是接触式引弧和擦划式引弧，其共同点都是需要与被焊件接触。因此，在引弧时首先要判断模拟焊条端部是否与模拟试板接触。

本发明采用两种方式判断，其一是通过透明导电玻璃，其二是通过CCD摄像机拍摄的发光二极管的发光强度判断。

前者的原理如图4所示，通过透明导电玻璃判断模拟焊条端部是否与模拟试板接触的过程如下：模拟焊条下端部是动触头，模拟试板是静触头，当焊条未接触试板时，Vout＝0为低电平，当焊条接触模拟试板时，Vout就是电阻R上的电压，即Vcc，为高电平。Vout连接数据接口送给主控程序进行处理。一次引弧操作可以产生一个方波脉冲，根据不同的工艺要求可以制定足以引起电弧的接触时间，也就是脉冲宽度，当脉冲宽度达到要求时，在脉冲的下降沿触发燃弧代码即可完成引弧。

对于通过CCD摄像机拍摄的发光二极管的发光强度判断模拟焊条端部是否与模拟试板接触的过程如下：若有接触时CCD摄像机感光芯片感到的光线强，拍摄画面上像素灰度的最大值大于200-210灰度值的引弧阈值；反之，若像素灰度最大值小于引弧阈值，认为未引弧，在判定引弧之后，系统将开始正常的采集工作，但同时需要判定操作者是否熄弧，如果图像的像素灰度最大值小于160-170灰度值的熄弧阈值认为已经熄弧，此时系统停止对焊条位置信息的实时采集。

(2)模拟焊条位置的检测

在程序开始运行后首先进行硬件初始化，使得检测设备处在工作工作状态。然后，获得一帧图像所在的内存首地址，并将这帧图像中各个像素点的灰度值从内存中取出，并存入数组。在数组中寻找灰度值最大的像素，并与200-210灰度值的引弧阈值进行比较，若最大像素值大于引弧阈值，系统开始分析所采集的数据，本发明所用的摄像机的CCD芯片有规格为768×576(像素)。通过CCD芯片规格以及最大灰度值像素在数组中的编号就可以计算得出最大灰度值像素所对应的像素坐标。然后，以最亮点为中心，定义一个31像素×31像素的跟踪区域。如图5，外围方框代表跟踪区域，小方格代表像素，圆圈代表亮点。图中，深色方块代为亮度最大的像素。一般情况下，图像上的光斑一定包含在这个区域之内。通过对这个区域内的像素点进行分析处理，确定光斑所在位置，然后对图像进行二值化处理，并根据亮点最上端和最下端以及最左端和最右端的像素坐标计算出亮点中心的像素坐标。最后，将亮点的像素坐标进行存储，同时转化为实际坐标就能得到焊条的实时位置。图6所示为焊接操作进行时，数据的实时输出界面。

(3)焊条倾角的检测

焊条倾角检测是模拟焊接培训的一个重要环节。CS-2TAS-02双轴倾角传感器能够测量空间中水平面的倾斜程度，并把任意的倾斜角分解为横滚角和俯仰角，而横滚角和俯仰角分别表示绕X轴和Y轴的转动自由度(如图7)。

由于倾角传感器垂直于模拟焊条安装，它就可以实时反映模拟焊条的倾斜角度，只要把横滚和俯仰两个自由度的转动信息传输给主控计算机，计算机就能了解模拟焊条的倾斜程度。

(4)运条轨迹的再现

在(2)中对亮点中心的像素坐标进行了存储。在焊接操作结束后，将存储的像素坐标取出并以图像的方式在坐标系中逐点画出，将这些点连接起来就得到了焊接操作过程中的运条轨迹。因此，只有保证程序快速高效的运行，才能保证在焊接操作过程中采集的数据点足够多，从而进一步保证运条轨迹的连续性以及准确性。本发明将多次的运条操作轨迹以图像的形式保存下来。图9为轨迹再现界面。图10为本发明将所再现的锯齿形运条操作。

(5)焊接运条操作评价功能

运条一般分三个基本运动：沿焊条中心线向熔池送进；沿焊接方向移动；横向摆动。焊条向熔池方向送进的目的是在焊条不断熔化的过程中优质弧长不变。焊条下送速度应与焊条的熔化速度相同。否则，会发生断弧或焊条与焊件粘结现象。焊条沿焊接方向移动，是为了控制焊道成形。焊条向前移动速度过快或过慢会出现焊道较窄、未焊透或焊道过高、过宽甚至出现烧穿等缺陷。

针对以上运条操作要领，本发明用数据的形式分别对三个基本运动做出反映。沿焊条中心线向熔池送进可以由弧长的变化来反映，并且可以计算出粘连和熄弧的次数。沿焊接方向移动可以由焊速和轨迹直接表示，焊速是否过快或者过慢以及焊缝是否与要求有所偏移都可以得到直接体现。对于横向移动可以考察焊条的摆幅以及摆动频率。通过本发明，可以将宏观的运条操作以数据的方式具体的表示出来，方法具体直观，在检测精度可以保证的情况下，能够真实有效的反应焊工的运条操作。

其次，在对焊工运条操作做出具体直观的反映之后，本发明会对这些操作进行简单评价。一方面，会基于检测的数据进行评价，比如根据检测到工人焊接操作熄弧次数可以判定操作是否得当。另一方面，在对不同运条方式分类的基础上，向系统中植入熟练焊工焊接操作的运条轨迹以及教科书上所示轨迹作为标准轨迹，通过对比学员运条操作轨迹于标准轨迹来判定学员的运条操作的熟练程度。(如图10)

最后，根据以上两方面的评价结果，对焊工的运条操作有针对性的给出建议，使得焊工有反馈有目的的提高自身技术。

本发明针对传统焊工培训中存在的问题，将焊接学员的操作完全真实的记录下来，然后在焊后评价中给予清晰再现。不仅节省了培训机构的大量资源，而且使得学员有针对性的去学习训练，提高了学习效率和学习效果。在焊接操作培训过程中，本发明的模拟培训装置具有如下特点：(1)焊接操作位置检测模块对模拟焊条位置的检测实时性好，准确性高；(2)系统在焊后对焊接操作中的运条轨迹描述真实，清晰，能够反映运条轨操作中的细节。

Claims (8)

1、手工电弧焊运条操作模拟训练装置，包括主控计算机(3)，模拟焊枪(5)以及设置在模拟焊枪(5)下端的模拟试板(6)，其特征在于：

所述模拟焊枪包括操作手柄(10)以及安装在该操作手柄(10)上的模拟焊条(7)，在模拟焊条(7)的下端安装有发光二极管(8)，模拟焊条(7)的上端安装通过计算机COM端口与主控计算机(3)相连的双轴倾角传感器(9)，该双轴倾角传感器(9)的基准面与模拟焊条(7)相互垂直；

所述模拟试板(6)包括支撑玻璃(13)，透明导电玻璃(11)以及设置在支撑玻璃(13)与透明导电玻璃(11)之间的遮光夹层(12)；且在支撑玻璃(13)下端设置有通过图像采集卡(2)与主控计算机(3)相连的CCD摄像机(1)。

2、根据权利要求1所述的手工电弧焊运条操作模拟训练装置，其特征在于：所说的模拟焊条(7)是一根反映焊条尺寸的铝合金棒材。

3、根据权利要求1所述的手工电弧焊运条操作模拟训练装置，其特征在于：所说的双轴倾角传感器(9)的测量范围：横滚角±60°；俯仰角±60°。

4、根据权利要求1所述的手工电弧焊运条操作模拟训练装置，其特征在于：所说的支撑玻璃(13)采用毛玻璃制成，其尺寸为240mmX400mm，厚度大于5mm。

5、根据权利要求1所述的手工电弧焊运条操作模拟训练装置，其特征在于：所说的遮光夹层(12)上带有能够使CCD摄像机(1)的安装，调试和标定的标记。

6、一种基于权利要求1所述的手工电弧焊运条操作模拟训练装置的电弧焊运条检测方法，其特征在于：

1)引弧过程的模拟

通过透明导电玻璃判断模拟焊条端部是否与模拟试板接触或CCD摄像机拍摄的发光二极管的发光强度判断模拟焊条端部是否与模拟试板接触即是否引弧，在判定引弧之后，由CCD摄像机开始正常的采集工作，并将采集的图像存入主控计算机的内存中；

2)模拟焊条位置的检测

将采集的一帧图像中的各个像素点的灰度值从内存中取出，并存入数组，在数组中寻找灰度值最大的像素，并与200-210灰度值的引弧阈值进行比较，若最大像素值大于引弧阈值，系统开始分析所采集的数据，所用的摄像机的CCD芯片的像素规格为768×576，通过CCD芯片规格以及最大灰度值像素在数组中的编号得出最大灰度值像素所对应的图像坐标，然后，以最亮点为中心，定义一个31像素×31像素的跟踪区域，图像上的光斑一定包含在这个区域之内，此时设置一个170-180灰度值的光斑描绘阈值，把跟踪区域中像素灰度值与光斑描绘阈值进行对比，大于光斑描绘阈值的就是光斑，小于光斑描绘阈值的就是黑色背景部分，由此得到所有光斑像素，并根据光斑最上端和最下端以及最左端和最右端的像素坐标计算出亮点中心的像素坐标，最后，将亮点的像素坐标进行存储，同时转化为实际坐标就能得到焊条的实时位置；

3)焊条倾角的检测

由于倾角传感器垂直于模拟焊条安装，倾角传感器实时地反映了模拟焊条的倾斜角度，把横滚和俯仰两个自由度的转动信息传输给主控计算机得到模拟焊条的倾斜程度；

4)运条轨迹的再现

在模拟焊条位置的检测中对亮点中心的像素坐标进行了存储，在焊接操作结束后，将存储的像素坐标取出并以图像的方式在坐标系中逐点画出，将这些点连接起来就得到了焊接操作过程中的运条轨迹。

7、根据权利要求6所述的手工电弧焊运条检测方法，其特征在于：所说的通过透明导电玻璃判断模拟焊条端部是否与模拟试板接触的过程如下：模拟焊条下端部是动触头，模拟试板是静触头，当模拟焊条未接触模拟试板时，Vout＝0为低电平，当模拟焊条接触模拟试板时，Vout就是电阻R上的电压，即Vcc，为高电平，Vout连接数据接口送给主控程序进行处理，一次引弧操作产生一个方波脉冲，根据不同的工艺要求制定足以引起电弧的接触时间，也就是脉冲宽度，当脉冲宽度达到要求时，在脉冲的下降沿触发燃弧代码即可完成引弧。

8、根据权利要求6所述的手工电弧焊运条检测方法，其特征在于：所说的通过CCD摄像机拍摄的发光二极管的发光强度判断模拟焊条端部是否与模拟试板接触的过程如下：若有接触时CCD摄像机感光芯片感到的光线强，拍摄画面上像素灰度的最大值大于200-210灰度值的引弧阈值；反之，若像素灰度最大值小于引弧阈值，认为未引弧，在判定引弧之后，系统将开始正常的采集工作，但同时需要判定操作者是否熄弧，如果图像的像素灰度最大值小于160-170灰度值的熄弧阈值认为已经熄弧，此时系统停止对焊条位置信息的实时采集。

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