CN102303179B - Co2气体保护焊模拟器中焊枪喷嘴空间位置的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种CO₂气体保护焊模拟器中焊枪喷嘴空间位置的检测方法，用于检测CO₂气体保护焊模拟器模拟焊接时模拟焊枪在焊接试板上的焊接轨迹、模拟焊接弧长及焊接角度；焊接轨迹检测：模拟焊枪的电触笔在触摸屏上接触移动时，触摸屏实时采集电触笔在触摸屏上的二维坐标轨迹，即焊接轨迹；模拟焊接弧长检测：模拟焊枪的电触笔在触摸屏上接触移动时，电感接近开关检测移动铜片与电感接近开关中间的距离，即模拟焊接弧长；焊接角度检测：模拟焊枪的电触笔在触摸屏上接触移动时，安装在模拟焊枪中的倾角传感器实时检测电触笔的倾角，即焊接角度。本发明方法操作简单、精确度高、响应快、成本低，为模拟器的发展开辟了新道路。

Description

CO2气体保护焊模拟器中焊枪喷嘴空间位置的检测方法

【技术领域】

本发明属于焊接模拟与仿真培训领域，特别涉及一种CO₂气体保护焊模拟器中焊枪喷嘴空间位置的检测方法。

【背景技术】

焊接培训作为国家支柱产业的制造业，保证和提高焊接产品质量的一个重要环节逐步发展起来的。焊接培训部门不仅担负着为企业及生产部门培训和输送焊接操作人员的重要任务，同时也是宣传、推广、传播焊接新技术、新工艺、新材料的重要枢纽，对促进制造业的发展有不可忽视的作用。然而电焊工的操作培训是一个高投入的过程，需要消耗大量的试件和焊材。而且，指导教师水平的差异对规范焊工操作及技能的提高产生重要的影响。同时，CO₂气体保护焊实际焊接操作环境中的弧光、飞溅、烟尘等，对新学员的身体和学习都造成影响。为大幅度降低电焊工培训成本，创造良好的培训环境，借助计算机技术，使焊工在模拟操作台上，置身于仿真的焊接环境之中，进行焊接模拟训练，掌握和学习正确的基本操作技能，为进行实际的焊接操作打下坚实的基础。

美国是虚拟技术的发源地，其对该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件4个方面。2005年由美国SGI和VRSim公司联合开发设计的虚拟现实焊接训练器开创了一个先河，它基于SGI可视化硬件和VRSim模拟软件，将触觉模拟技术与计算机实时处理技术结合了起来。美国路易斯安娜州州立大学的拉斐特学院研发的虚拟培训设备，主要有焊枪、头盔、焊板以及三个摄像头，总体结构比较简单，投入了实际应用^[1]。加拿大蒙特利尔公司123认证公司早在90年代初期就着手研发一款用于培训焊工的仿真仪器，可以同时模拟钨极气体保护焊、气体保护金属极弧焊和二氧化碳气体保护焊。美国VRTEX公司开发的VRTEX 360，控制箱和操作平台分离，技术比较成熟，但是整体体积较大。德国、日本等其他一些发达国家都在进行这方面的研究并且推出了相应的产品。但是这些模拟器中有关焊枪位置的检测主要是基于CCD的光学系统^[2]和造价昂贵的全位置检测传感器。而这也直接导致目前已面世的模拟器价格居高不下，成为真正实现焊接模拟培训的瓶颈。由西安交通大学开发的手工电弧焊模拟器采用的是基于单目CCD的光学系统，目前的精度能达到±0.5mm，但是存在标定困难、数据处理量大以及价格较高等不足^[3]。

参考文献：

[1]Seven White Mores，Prachyabrued，Dhruva Baghi et al，Virtual Welder Trainer.IEEE VirtualReality 200914-18March，Lafayette，Louisiana，USA 978-1-4244-3943-0/09/2009.

[2]王振宇.焊接位置视觉检测中区域锁定跟踪技术研究[D].西安：西安交通大学，2008.

[3]梁振新.基于虚拟现实技术的焊接操作模拟与仿真系统研究：[博士学位论文].西安：西安交通大学，2006年12月.

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种CO₂气体保护焊模拟器中焊枪喷嘴空间位置的检测方法，用来检测CO₂气体保护焊模拟焊接过程中焊枪喷嘴在焊板平面的二维坐标及焊接角度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种CO₂气体保护焊模拟器中焊枪喷嘴空间位置的检测方法，用于检测一种CO₂气体保护焊模拟器模拟焊接时模拟焊枪在焊接试板上的焊接轨迹、模拟焊接弧长及焊接角度；所述CO₂气体保护焊模拟器包括控制柜、操作台和模拟焊枪；所述模拟焊枪包括焊枪杆、把柄、弧形塑料罩、电触笔、弹簧、移动铜片、电感接近开关、倾角传感器和喷嘴；电触笔一端固定连接移动铜片，电触笔穿过喷嘴中心，喷嘴与移动铜片之间通过弹簧连接；焊枪杆一端安装有电感接近开关，另一端安装有双轴倾角传感器；一绝缘筒一端套设于喷嘴外周，另一端套设于安装有电感接近开关的焊枪杆外周；弧形塑料罩一端连接安装有双轴倾角传感器的焊枪杆，另一端连接把柄；电感接近开关和双轴倾角传感器连接控制柜内的计算机；操作台包括一作为焊接试板的触摸屏，该触摸屏连接控制柜内的计算机；

焊接轨迹检测：模拟焊枪的电触笔在触摸屏上接触移动时，触摸屏实时采集电触笔在触摸屏上的二维坐标轨迹，即模拟焊枪在焊接试板上的焊接轨迹；

模拟焊接弧长检测：模拟焊枪的电触笔在触摸屏上接触移动时，电感接近开关检测移动铜片与电感接近开关中间的距离，即为模拟焊接弧长；

焊接角度检测：模拟焊枪的电触笔在触摸屏上接触移动时，安装在模拟焊枪中的倾角传感器实时检测电触笔的倾角，即焊接角度。

触摸屏检测到的焊接轨迹、电感接近开关检测到的模拟焊接弧长和倾角传感器检测到的焊接角度输入控制柜中的计算机，计算机实时分析触摸屏、电感接近开关和倾角传感器输入的数据，在触摸屏上实时生成虚拟焊接场景。

电感接近开关通过数据采集卡连接计算机，双轴倾角传感器通过RS232转458接口连接计算机，触摸屏通过OpenGL接口连接计算机。

所述采集卡的型号为PCI-9112；所述双轴倾角传感器的型号为CS-2TAS-02；所述电感式接近开关的量程为1-8mm。

所述绝缘筒为一尼龙环；该尼龙换的材质为尼龙。

电触笔伸出喷嘴的长度等于移动铜片与电感接近开关之间的距离。

所述触摸屏为红外触摸屏，其响应时间为5ms，点距为0.27mm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明一种CO₂气体保护焊模拟器中焊枪喷嘴空间位置的检测方法，通过在模拟焊枪上合理的设置传感器，以触摸屏为焊板进行模拟焊接，触摸屏通过OpenGL中的相关鼠标事件函数获得焊枪移动的实时轨迹并传递给计算机；设置于模拟焊枪中的传感器能够实时采集模拟焊枪模拟焊接时的弧长和焊接倾角传递给计算机；计算机对采集到的数据进行分析处理，在触摸屏上实时呈现焊接画面。本发明检测方法有操作简单、精确度高、响应快、成本低等特点，为模拟器的发展开辟了新道路。

【附图说明】

图1为模拟器工作原理框图；

图2为模拟器的结构示意图；

图3为模拟焊枪的结构示意图；

图4为图3的分体图；

图5为透视投影示意图；

图6为虚拟焊接场景示意图；

图7为场景坐标与屏幕坐标示意图；

图8为倾角传感器示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

本发明的核心是基于触摸屏技术，用鼠标移动式检测法获得模拟操作中的焊枪喷嘴在焊板平面的二维坐标。通过OpenGL中鼠标操作函数(glutMouseMotionFunc()和glutMouseFunc())获得鼠标的二维窗口坐标，然后通过坐标变换，换算成虚拟场景中的三维坐标，该坐标即为施焊点的位置坐标。此外，在模拟焊枪中安装了电感接近开关及双轴倾角传感器，通过数据采集卡获得焊枪端部与触摸屏的距离(即模拟电弧长度)和焊枪的倾角信号。在特定的熔池模型下，通过采集到的以上焊接参数，最终由OpenGL完成熔池、焊缝及弧光飞溅的实时模拟。

图1为该模拟器工作原理框图，焊接时焊枪在触摸屏(以触摸屏作为模拟焊板)上接触移动模拟焊接操作，试板坐标通过OpenGL中的鼠标函数采集，倾角传感器与计算机用RS232转RS485接口相连，并将所采集的数据传递给计算机处理；电感光电开关测得的模拟电压信号由数据采集卡收集后传递给计算机，转换成相应弧长。根据这些参数由系统生成的虚拟焊接场景最终交由触摸屏显示器显示，这样达到模拟焊接的目的。

本发明装置的组成：

请参阅图2至图4所示本发明装置主要设备包括：控制柜1、操作台2和模拟焊枪3。

请参阅图3及图4所示，模拟焊枪3主要包括焊枪杆30、把柄31、弧形塑料罩32、尼龙环33、电触笔34、弹簧35、移动铜片36、电感接近开关37、倾角传感器38和喷嘴39。尼龙环33的材质为尼龙66，其绝缘并具强度高。电触笔34一端固定连接移动铜片36，电触笔34穿过喷嘴39中心，喷嘴39与移动铜片36之间安装有弹簧35，弹簧35为拉簧；焊枪杆30一端安装有电感接近开关37，另一端安装有双轴倾角传感器38；尼龙环33一端套舍于喷嘴39外周，另一端套设于安装有电感接近开关37的焊枪杆30外周；移动铜片36可以在尼龙环33内运动；弧形塑料罩32一端连接安装有双轴倾角传感器38的焊枪杆30，另一端连接把柄31，使把柄31与焊枪杆30之间模拟真实焊枪具有一定的弧度。模拟焊枪3的外形与真实焊枪几乎相同，这增强了模拟的真实性。焊枪3端部的模拟焊丝是电触笔34，它的主要作用是在模拟焊接操作的时与触摸屏21接触，触摸屏21通过OpenGL中的相关鼠标事件函数获得焊枪3移动的实时轨迹并传递给计算机。安装在焊枪3内部的电感接近开关37及倾角传感器38，通过数据采集卡获得焊枪3端部与触摸屏21的距离(即模拟电弧长度)和焊枪3的倾角信号。

本发明中，焊枪杆30、电触笔34、弹簧35、移动铜片36、电感接近开关37、倾角传感器38和喷嘴39同轴设置；本装置采用的是西安中星测控公司的CS-2TAS-02型数字双轴倾角传感器(测量范围：横滚角±60°；俯仰角±60°)，它是基于MEMS技术的传感器，用于测量在静态环境下物体相对于水平面的倾斜度。倾角传感器38测得的倾角即焊接角度数据通过RS232转RS485接口传递给计算机。

喷嘴39到触摸屏21的距离近似于焊接过程中的电弧长，对该距离的测量采用的是电感接近开关37。电感式接近开关37属于一种有开关量输出的位置传感器，它由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。本模拟器采用的接近开关量程为1-8mm，与二氧化碳气保焊的弧长大致吻合。接近开关37的输出信号为电压模拟量，此信号由安装在控制柜1内的采集卡PCI-9112采集传给计算机。此外，因为触摸屏21为非金属，所以不能直接以触摸屏21为被测物；本焊枪中采用弹簧35和移动铜片36，将测电弧长转化为测电感接近开关37与移动铜片35的距离。空间位置检测：

本发明的检测程序是基于OpenGL在VC++平台上开发出来的，其关键技术有引弧的模拟、鼠标窗口坐标的处理、焊缝生成等，下面将介绍各部件的功能和实现技术。

(1)基于OpenGL的鼠标窗口坐标检测法

OpenGL是图形硬件的软件接口。OpenGL中包括大约250个不同的函数，其中包括三个鼠标事件函数，它们分别为glutMouseFunc、glutMotionFunc和glutPassiveMotionFunc，下面简单介绍各函数的参数及作用：

a、glutMouseFunc(void(*func)(int button，int state，int x，int y))；注册当前窗口的鼠标回调函数，func为注册的鼠标回调函数，这个函数完成鼠标事件的处理button为鼠标的按键；

b、glutMotionFunc(void(*func)(int x，int y))：设置当前鼠标移动函数，Func为注册的鼠标移动函数。x，y为鼠标按下时，光标相对于窗口左上角的位置当鼠标在窗口中按下并移动时调用glutMotionFunc注册的回调函数，鼠标移动期间，每一帧将产生一个结果。

c、glutPassiveMotionFunc(void(*func)(int x，int y))：设置当前鼠标移动函数，Func为注册的鼠标移动函数。x，y为鼠标移动(不按下)时，光标相对于窗口左上角的位置当鼠标在窗口中按下并移动时调用glutMotionFunc注册的回调函数，鼠标移动期间，每一帧将产生一个结果。

引弧是CO₂气体保护焊的一个重要的环节。手工引弧方式主要是爆断引弧，即焊丝接触工件，通电使焊丝与工件接触处熔化，焊丝爆断后引燃电弧。在模拟操作时，引弧首先要判断模拟焊枪端部的焊丝是否与模拟试板(触摸屏)接触，即鼠标左键是否按下。本方法中通过函数glutMouseFunc()来判定是否引弧，其程序代码如下：

判断引弧后，焊丝离开焊板或者电弧长度超过设定的值则熄弧。另外，引弧成功后，通过电触笔在触摸屏上的接触移动来模拟焊接操作过程，此时焊枪焊板平面上的二维坐标则通过另一个鼠标函数glutMouseFunc(mouse)采集并存储。介绍具体采集方法之前，先介绍OpenGL中有关视图的相关知识。

投影方式在观察用OpenGL绘制的三维模型之前，先必须选择用何种投影方式。OpenGL提供透视投影和正交投影两种方式，在焊接时，操作者的眼睛与焊板相对位置符合透视投影方式，因此选择透视投影，如图5所示。相应函数为gluPerspective(GLdouble fovy，GLdouble aspect，GLdouble near，GLdouble far)。其中fovy为视角，影响模型的大小，参数aspect为长宽比，即W/H，near和far两个参数的值是视点(眼睛)与两个剪裁平面的距离。响模型的大小，参数aspect为长宽比，即W/H，near和far两个参数的值是视点(眼睛)与两个剪裁平面的距离。由于采用的触摸屏为1440×900的分辨率，考虑窗口坐标应与场景中焊板的平面坐标一一对应，所以该函数定义为：gluPerspective(75，1.6/1，1,50000.0)。其显示效果见图6，为一块垂直放置(与触摸屏平行)的焊板，焊板尺寸为1440×900。

场景为全屏显示，所以由函数glutMouseFunc(mouse)采集到的窗口坐标既为屏幕坐标，原点在左上角，单位为像素。横坐标范围为0-1440，纵坐标为0-900。场景坐标与屏幕坐标的对应关系见图7。

OpenGL中采集移动时鼠标窗口坐标的程序为；

将程序中赋值后的变量Vx、Vy传递给模拟熔池、焊缝以及弧光飞溅等函数，以完成整个焊接行为的模拟。结构数组point存储这个采集的坐标，供绘制焊接轨迹(鼠标轨迹)及焊接评价用，并能计算出整个过程中的焊接速度，其计算方法为：V＝(point[NUM].z-point[0].z)/NUM*Timer其中Timer为刷屏时间，为20ms，NUM为整个焊接期间的刷屏函数，由主函数main()获得。

(2)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38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8)。

由于倾角传感器38垂直于模拟焊条(即电触笔34)安装，它就可以实时反映模拟焊条(即电触笔34)的倾斜角度，将横滚和俯仰两个自由度的转动信息传输给主控计算机，系统就知道模拟焊条(即电触笔34)的倾斜程度。

本装置中采用RS-232接口协议，在程序中针对RS-232接口进行编程，并且成功将倾角数据接入主程序之中。并在其中加入滤波程序段，很好的解决了倾角传感器使用初期的数据抖动问题，倾角传感器输出数值平稳。

(3)电弧长度的测量

接近开关的工作原理：电感式接近开关37属于一种有开关量输出的位置传感器，它由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是金属导电体，而我们的触摸屏是特殊的玻璃制成，为此特定设计了图4所示的弹簧装置，黄铜片36随电触笔34一起运动，这样，测量焊枪3端部与触摸屏的距离(近似弧长)就等效于测量电感接近开关37与黄铜片36的距离，当然焊枪设计保证了电感接近开关37前部有效区域内的去金属化处理，此处的外壳为塑料材质(即尼龙环33)。

(4)触摸式焊接模拟仿真训练

本方法采用的是红外式触摸屏。红外触摸屏是利用X、Y方向上密布的红外线矩阵来检测并定位用户的触摸。单击一次触摸屏相当于鼠标左键单击，双击触摸屏相当于双击鼠标左键，在触摸屏上移动相当于按住左键拖动鼠标。本发明中，光标(窗口坐标)与焊板上的是焊点匹配精度高，完全能做到熔池、焊缝跟着光标移动，实现了精确的二维检测。目前一般的触摸屏都能做到定位准确，响应时间短，点距小。本方法所用红外触摸屏响应时间为5ms，点距为0.27mm，最佳分辨率为1440×900。所以本方法二维检测的精度为±0.27mm，远好于CCD光学系统的±0.5mm。

传统的焊接模拟器中焊枪空间位置检测大都基于CCD摄像机或者全位置检测传感器，不仅造价高，而且数据处理量大。本发明提出的基于触摸屏的鼠标移动式检测方法不仅无需标定，而且价格便宜，精度高(完全取决于所用触摸屏的点距，一般为0.25mm)，响应时间短。本发明的成功提出，将大大降低模拟器的成本，有利于焊接模拟器的广泛推广和应用，为焊工培训做出应有的贡献。

Claims (8)

1.一种CO₂气体保护焊模拟器中焊枪喷嘴空间位置的检测方法，其特征在于，用于检测一种CO₂气体保护焊模拟器模拟焊接时，模拟焊枪在焊接试板上的焊接轨迹、模拟焊接弧长及焊接角度；所述CO₂气体保护焊模拟器包括控制柜（1）、操作台（2）和模拟焊枪（3）；所述模拟焊枪（3）包括焊枪杆（30）、把柄（31）、弧形塑料罩（32）、电触笔（34）、弹簧（35）、移动铜片（36）、电感接近开关（37）、倾角传感器（38）和喷嘴（39）；电触笔（34）一端固定连接移动铜片（36），电触笔（34）穿过喷嘴（39）中心，喷嘴（39）与移动铜片（36）之间通过弹簧（35）连接；焊枪杆（30）一端安装有电感接近开关（37），另一端安装有双轴倾角传感器（38）；一绝缘筒一端套设于喷嘴（39）外周，另一端套设于安装有电感接近开关（37）的焊枪杆（30）外周；弧形塑料罩（32）一端连接安装有双轴倾角传感器（38）的焊枪杆（30），另一端连接把柄（31）；电感接近开关（37）和双轴倾角传感器（38）连接控制柜（1）内的计算机；操作台（2）包括一作为焊接试板的触摸屏，该触摸屏连接控制柜（1）内的计算机。

2.如权利要求1所述的一种CO₂气体保护焊模拟器中焊枪喷嘴空间位置的检测方法，其特征在于，

焊接轨迹检测：模拟焊枪（3）的电触笔（34）在触摸屏上接触移动时，触摸屏实时采集电触笔（34）在触摸屏上的二维坐标轨迹，即模拟焊枪在焊接试板上的焊接轨迹；

模拟焊接弧长检测：模拟焊枪（3）的电触笔（34）在触摸屏上接触移动时，电感接近开关（37）检测移动铜片（36）与电感接近开关（37）中间的距离，即为模拟焊接弧长；

焊接角度检测：模拟焊枪（3）的电触笔（34）在触摸屏上接触移动时，安装在模拟焊枪（3）中的倾角传感器（38）实时检测电触笔（34）的倾角，即焊接角度。

3.如权利要求2所述的一种CO₂气体保护焊模拟器中焊枪喷嘴空间位置的检测方法，其特征在于，触摸屏检测到的焊接轨迹、电感接近开关（37）检测到的模拟焊接弧长和倾角传感器（38）检测到的焊接角度输入控制柜（1）中的计算机，计算机实时分析触摸屏、电感接近开关（37）和倾角传感器（38）输入的数据，在触摸屏上实时生成虚拟焊接场景。

4.如权利要求3所述的一种CO₂气体保护焊模拟器中焊枪喷嘴空间位置的检测方法，其特征在于，电感接近开关（37）通过数据采集卡连接计算机，双轴倾角传感器（38）通过RS232转458接口连接计算机，触摸屏（21）通过OpenGL接口连接计算机。

5.如权利要求4所述的一种CO₂气体保护焊模拟器中焊枪喷嘴空间位置的检测方法，其特征在于，所述采集卡的型号为PCI-9112；所述双轴倾角传感器（38）的型号为CS-2TAS-02；所述电感式接近开关（37）的量程为1-8mm。

6.如权利要求1所述的一种CO₂气体保护焊模拟器中焊枪喷嘴空间位置的检测方法，其特征在于，所述绝缘筒为一尼龙环（33）；该尼龙环（33）的材质为尼龙66。

7.如权利要求1所述的一种CO₂气体保护焊模拟器中焊枪喷嘴空间位置的检测方法，其特征在于，电触笔（34）伸出喷嘴（39）的长度等于移动铜片（36）与电感接近开关（37）之间的距离。

8.如权利要求1所述的一种CO₂气体保护焊模拟器中焊枪喷嘴空间位置的检测方法，其特征在于，所述触摸屏为红外触摸屏，其响应时间为5ms，点距为0.27mm。

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