CN104599580A - 基于位移传感器的触控焊接模拟仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于位移传感器的触控焊接模拟仿真系统，包括触控操作台、计算机主机和模拟焊枪；所述触控操作台包括作为焊接试板的触控显示器，该触控显示器连接计算机主机；所述模拟焊枪包括焊枪主体、模拟焊条和控制模拟焊条移动的控制机构；模拟焊条包括焊条主体和位于焊条主体前端的位移传感器；位移传感器包括探头和传感器主体；模拟焊条和控制机构设置于焊枪主体上；焊枪主体上还是设有倾角传感器；位移传感器和倾角传感器连接计算机主机。本发明能大大降低传统焊接培训成本，同时其培训方式更安全、更高效，结合位移传感器、触控显示器的使用，使焊接模拟仿真系统更便携、更先进。

Description

基于位移传感器的触控焊接模拟仿真系统

【技术领域】

本发明属于焊接模拟与仿真培训领域，特别涉及一种基于位移传感器的触控焊接模拟仿真系统。

【背景技术】

焊接是一种重要的材料加工方法，广泛用于石油化工、建筑、车辆、航空航天、海洋工程等各个领域。焊条电弧焊作为最基本、最古老的焊接手段，已有100多年的发展历史，随着科技的进步，自动焊接技术发展迅猛，使焊接生产效率和质量有较大进步，但由于焊条电弧焊具有方便灵活、电源成本低、易于分散应力和控制变形、能进行全位置焊接以及焊条品种齐全等特点，在焊接领域依然有着较为广泛的应用，在某些领域甚至成为不可替代的焊接生产方法，比如建筑工地和造船等。

作为焊条电弧焊的操作者，其技能水平对于焊接产品的质量、安全性起着至关重要的作用，因此焊接操作者能接受良好的培训工作成为焊接生产的重要前提。我国传统的焊接培训方式主要包括高校人才培养、专业技工学校的技术培养和各种焊接培训中心等，其共同的模式是师傅带徒弟的教授方式，其特点是教育成本高、效率低而且资源耗费量大，焊接培训时弧光、飞溅、烟尘及高压等存在很多安全隐患，因此，在宣扬“低碳”、“环保”的当今社会，传统的焊接培训方式面临着很大的挑战。

随着信息与计算机技术的快速发展，虚拟现实技术突飞猛进。采用计算机技术、虚拟现实技术与焊接培训结合的可视化焊接模拟仿真系统的出现，使焊接操作者在虚拟环境中得到和真实中相同的感官刺激，多次感受最佳状态下的焊接全过程，从而使焊接培训更加符合“环保”、“节能”、“安全”的理念。

现有系统和方法中，较难准确的模拟焊条的熔化过程，降低模拟焊接培训的真实感和效果。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种基于位移传感器的触控焊接模拟仿真系统。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于位移传感器的触控焊接模拟仿真系统，包括触控操作台、计算机主机和模拟焊枪；

所述触控操作台包括作为焊接试板的触控显示器，该触控显示器连接计算机主机；

所述模拟焊枪包括焊枪主体、模拟焊条和控制模拟焊条移动的控制机构；

模拟焊条包括焊条主体和位于焊条主体前端的位移传感器；位移传感器包括探头和传感器主体；

模拟焊条和控制机构设置于焊枪主体上；焊枪主体上还是设有倾角传感器；

位移传感器和倾角传感器连接计算机主机。

本发明进一步的改进在于：焊枪主体包括箱体、顶紧座、轴承、轴、支板、顶紧螺母和把柄；箱体固定于支板上；倾角传感器设置于箱体右表面；箱体下面设有顶紧座，顶紧座通过顶紧螺母与支板连接，顶紧座上安装有两个轴承，轴承内有轴；支板下面安装有把柄；

控制机构包括步进电机和橡皮轮；步进电机设置于箱体后侧面，其轴垂直箱体后面穿入箱体内部，步进电机轴上紧套有橡皮轮；

模拟焊条的焊条主体通过箱体相应的导槽从箱体内部穿过，与橡皮轮、轴相接触。

本发明进一步的改进在于：所述基于位移传感器的触控焊接模拟仿真系统还包括机箱；所述触控显示器安装于显示器支架中，所述显示器支架铰接于机箱上，所述显示器支架能够调节触控显示器与水平面之间的夹角呈0—180°。

本发明进一步的改进在于：所述位移传感器的输出电流I为4-20mA，探头长度为10mm。

本发明进一步的改进在于：位移传感器输出的4-20mA的电流信号I通过定值电阻转换成转换为1-5V的电压信号U；该电压信号U通过数据采集卡的单端输入通道输入至计算机主机。

本发明进一步的改进在于：所述传感器主体顶部到作为模拟试板的触控显示器的距离为模拟弧长L，其大小通过公式计算；

$L=\frac{12.5-2.5U}{\sqrt{1+{\tan }^2\left(\mathrm{RX}\right)+{\tan }^2\left(\mathrm{RY}\right)}}$   (公式1)

式中，RX、RY分别为安装于模拟焊枪上的双轴倾角传感器测得的模拟焊枪的仰俯角与横滚角。

本发明进一步的改进在于：计算机主机根据模拟弧长L、焊条直径D和操作者所选择的电源模型计算焊条烧熔速度，控制控制机构带动模拟焊条上升，模拟出焊条烧熔的效果；

不同电源模型所对应的焊条烧熔速度如公式2、公式3、公式4、公式5、公式6、公式7所示：

1)斜下降外特性电源模型

v＝-L/8-5D+257/24  (公式2)

2)缓降外特性电源模型

v＝1.211ln[(83.93-3L)/8.01]-5D+7.5  (公式3)

3)陡降外特性电源模型

v＝0.4563ln[(73.624-3L)/0.118]-5D+7.5  (公式4)

4)恒流外特性电源模型

v＝1.763ln[(89.14-3L)/3.66]-5D+7.5  (公式5)

5)恒流带斜外拖外特性电源模型

v＝2.05675ln[(89.14-3L)/3.66]-5D+7.5  (公式6)

6)恒流带外拖外特性电源模型

v＝2.1165ln[(89.82-3L)/3.50]-5D+7.5  (公式7)。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明基于位移传感器的触控版焊接模拟仿真系统，适用于焊条电弧焊焊工焊接操作的入门、改进和提高训练；结合Mac mini台式电脑和触控显示器的使用以及一体式的设计方案，使焊接模拟仿真系统更加便携、稳定；利用位移传感器进行模拟弧长的测试，使弧长计算精度更高；结合弧长对电弧行为的反馈作用，进行电弧行为的描述，使焊接仿真效果更加逼真。计算机主机根据模拟弧长L、焊条直径D和操作者所选择的电源模型计算焊条烧熔速度，调节模拟焊枪上的步进电机转速，实现不同弧焊电源及不同外特性下模拟焊条烧熔速度随弧长及焊条直径实时变化的功能，增加模拟焊接培训的真实感和效果。本发明能大大降低传统焊接培训成本，同时其培训方式更安全、更高效，结合位移传感器、触控显示器的使用，使焊接模拟仿真系统更便携、更先进。

【附图说明】

图1为本发明总体的原理框图；

图2为本发明触控焊接模拟仿真系统的结构示意图；

图3为本发明箱体的结构示意图；

图4为本发明触控操作台的结构示意图；

图5为本发明计算机主机的示意图；

图6为本发明输入设备的示意图；

图7为本发明模拟焊枪的结构示意图；

图8为本发明步进电机的结构示意图；

图9为本发明模拟焊条的结构示意图；

图10为本发明位移传感器的结构示意图；

图11为本发明模拟弧长计算原理示意图；

图12为本发明电弧行为计算的原理图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

本发明结合计算机技术、虚拟现实技术，在研究焊条电弧焊操作的原理和特点基础上，设计了基于位移传感器的弧长检测系统，通过在模拟焊枪中安装的位移传感器和倾角传感器，获得焊条顶部与触摸屏的距离(即模拟弧长)和焊枪的倾角数据；结合触控显示器的使用，通过OpenGL相应鼠标函数，获得当前焊接位置信息；在特定的熔池模型下，通过对采集到的以上焊接参数的处理和分析，实时生成基于OpenGL的虚拟焊接场景，包括焊接环境的模拟、焊缝模拟、弧光以及飞溅模拟等，另一方面通过对弧长信息的处理，通过调节步进电机转速，实时控制焊条烧熔速度，最终完成对焊接行为的模拟。

图1为本发明一种基于位移传感器的触控焊接模拟仿真系统的工作原理框图。硬件系统保证焊枪倾角、弧长及焊接位置信息的实时检测以及通过步进电机模拟焊条烧熔过程的顺利实现，软件平台的作用是对硬件平台采集的焊条数据进行处理与分析，为用户提供良好的人机界面，并建立虚拟焊接场景，主要包括对焊接声音、弧光、焊条熔化、熔池形成、焊缝成型模拟，以及通过弧长信息计算焊条烧熔速度，调节步进电机转速进而实现烧熔速度的实时控制。

请参阅图2至图10所示，本发明一种基于位移传感器的触控焊接模拟仿真系统，包括：机箱1、触控操作台2、控制面板3、计算机主机4、输入设备5和模拟焊枪6。

(1)计算机主机、输入设备

计算机主机4通过连接信号采集电路主要用于信号采集，并对采集到的数据进行相应的运算处理；输入设备5与计算机主机4相连接，用于辅助系统的操作。计算机主机4型号为Macmini MD387CH/A，其外形尺寸为197*197*36mm。输入设备5包括鼠标13和键盘14，均置于鼠键抽屉9内，并且均与计算机主机4连接。

(2)机箱、控制面板

机箱1为一体式便携设计，一方面作为系统的框架，为其他硬件部分作支撑，另一方面，在机箱内部也有音箱、采集卡等电路系统，音箱受计算机主机4控制，模拟焊接操作时为焊接操作者提供逼真的焊接听觉环境；控制面板3上有电源开关、指示灯、用于电流显示的数码管、usb接口。控制面板3的电路、计算机主机4的接线与机箱1内部的电路系统相连，构成完整的焊接模拟仿真系统的控制电路系统。机箱1包括机箱盖7、机箱面8、鼠键抽屉9及焊枪抽屉10；控制面板3安装于机箱面8；计算机主机4安置于机箱面8的凹坑内。

(3)触控操作台

请参阅图2及图3所示，触控操作台2包括触控显示器11和显示器支架12两部分；在进行模拟焊接操作时，计算机主机4控制在触控显示器11上显示待焊工件，并平铺于显示器上，将触控显示器11作为模拟焊接试板的表面，焊接操作者手持模拟焊枪6在触控显示器11上进行模拟引弧、模拟焊接操作，通过计算机主机4控制触控显示器11根据焊接规范实时显示焊接三维场景，进行焊接场景中包括弧光、熔池、焊缝成型细节的视觉效果模拟。另外，可以根据不同的焊接需求，通过调节显示器支架12与水平面的夹角，进行平焊、立焊以及仰焊等多种焊接方式的模拟。触控显示器11安装于显示器支架12中；显示器支架12铰接于机箱1；显示器支架12能够调节触控显示器11与水平面之间的夹角呈0—180°。

(4)模拟焊枪

请参阅图4所示，模拟焊枪6包括箱体15、步进电机16、橡皮轮17、模拟焊条18、顶紧座19、轴承20、轴21、倾角传感器22、支板23、顶紧螺母24和把柄25；箱体15固定于支板23上；箱体15右表面安装倾角传感器22；箱体15下面有顶紧座19，顶紧座19通过顶紧螺母24与支板23连接，顶紧座19上安装有两个轴承20，轴承20内有轴21；支板23下面安装有把柄25；箱体15后侧面安装有步进电机16，其轴垂直箱体15后面穿入箱体15内部，步进电机16轴上紧套橡皮轮17，模拟焊条18通过箱体15相应的导槽从箱体15内部穿过，与橡皮轮17、轴21相接触，且夹持于橡皮轮17与轴21之间；橡皮轮17的中心轴位于两个轴21之间；模拟焊条18包括焊条主体27和位于焊条主体27前端的位移传感器26；位移传感器26和倾角传感器23连接计算机主机4；位移传感器26包括探头28、传感器主体29和放大器30，传感器主体29底部有螺纹，与模拟焊条主体27连接。位移传感器26为深圳米兰特科技有限公司定制生产的回弹式微型位移传感器，型号为MLVDT-XT-10mm-A，量程为10mm，输出电流I为4-20mA，探头28长度为10mm。位移传感器26与模拟焊条主体27通过螺纹连接，将传感器主体29的顶部视为模拟焊条18的顶部，将探头28的顶部与作为模拟试板的触控显示器接触的位置视为当前焊接位置。

在模拟焊接操作时，首先进入焊接场景，其次手持模拟焊枪6，使焊条顶端的探头28与触控显示器11接触，然后下压焊枪使焊条端部的位移传感器的探头28收缩，随着收缩量增大，位移传感器主体29顶端到触控显示器11的距离减小，当减小到一定值时引弧成功，随后稍微提升模拟焊枪6，使“电弧”能稳定燃烧，步进电机16开始转动，通过橡皮轮17转动以带动模拟焊条18上升，模拟出焊条烧熔的效果，最后在作为模拟试板的触控显示器11上移动焊枪6，只要弧长满足一定的范围，模拟焊接过程则持续进行下去。

请参阅图5所示，弧长的计算主要依靠位移传感器进行：位移传感器主体29的顶部到触控显示器11的距离视为弧长，焊枪仰俯角(绕x轴旋转的角度)RY及横滚角(绕y轴旋转的角度)RX可通过安装在焊枪上部的双轴倾角传感器22可分别测出，位移传感器26的探头28压入的形变量与传感器输出端的电流I(mA)成线性关系，将传感器输出的电流通过定值电阻250Ω，即可将4-20mA的电流信号转化为定值电阻两端的1-5V的电压信号U(V)，此电压信号通过PCI-9112采集卡的单通道输入端传输至计算机主机4控制该信号的采集与处理。最终，弧长与位移传感器26输出电压的关系由公式1所示：

$L=\frac{12.5-2.5U}{\sqrt{1+{\tan }^2\left(\mathrm{RX}\right)+{\tan }^2\left(\mathrm{RY}\right)}}$   (公式1)

如图6所示，焊条烧熔与送进速度的关系原理如下：焊条受热熔化，在焊条送进过程中由于电弧高度的变化，使电弧电压发生变化，因而电弧稳定工作点(即电弧静特性与电源外特性交点)发生变化，从而焊接电流发生变化，引起焊条受热熔化速度的变化。因此，根据实时测得焊接弧长，并计算得到实时电弧电压，再通过电弧稳定工作点推导出实时焊接电流，最后通过实时焊接电流计算出焊条烧熔速度即模拟焊条动态回抽速度。通过测试、计算，对不同焊接电源外特性下，焊接电压-焊接电流、焊接电压-电弧弧长、焊接电流-焊条直径-焊条烧熔速度关系进行分区拟合，推导出了电弧高度-焊接电流-焊条烧熔速度数学模型不同焊接电源模型下的焊条烧熔速度v(mm/min)与弧长L(mm)、焊条直径D(mm)的关系式为公式2、公式3、公式4、公式5、公式6、公式7；

1)斜下降外特性电源模型

v＝-L/8-5D+257/24  (公式2)

2)缓降外特性电源模型

v＝1.211ln[(83.93-3L)/8.01]-5D+7.5  (公式3)

3)陡降外特性电源模型

v＝0.4563ln[(73.624-3L)/0.118]-5D+7.5  (公式4)

4)恒流外特性电源模型

v＝1.763ln[(89.14-3L)/3.66]-5D+7.5  (公式5)

5)恒流带斜外拖外特性电源模型

v＝2.05675ln[(89.14-3L)/3.66]-5D+7.5  (公式6)

6)恒流带外拖外特性电源模型

v＝2.1165ln[(89.82-3L)/3.50]-5D+7.5  (公式7)

基于上述焊条烧熔速度与弧长、焊条直径的关系式，通过计算机主机4调节步进电机16转速并以此控制模拟焊条烧熔速度，实现不同弧焊电源及不同外特性下模拟焊条烧熔速度随弧长实时变化的功能。

现有焊接模拟仿真系统，焊条烧熔的速度为定值，与真实焊接情况不符合。本发明考虑弧长、焊条直径对焊条烧熔速度的影响，因此模拟效果更为逼真，效果更佳。

Claims (7)

1.基于位移传感器的触控焊接模拟仿真系统，其特征在于，包括触控操作台(2)、计算机主机(4)和模拟焊枪(6)；

所述触控操作台(2)包括作为焊接试板的触控显示器(11)，该触控显示器连接计算机主机(4)；

所述模拟焊枪(6)包括焊枪主体、模拟焊条(18)和控制模拟焊条移动的控制机构；

模拟焊条(18)包括焊条主体(27)和位于焊条主体(27)前端的位移传感器(26)；位移传感器(26)包括探头(28)和传感器主体(29)；

模拟焊条(18)和控制机构设置于焊枪主体上；焊枪主体上还是设有倾角传感器(23)；

位移传感器(26)和倾角传感器(23)连接计算机主机(4)。

2.根据权利要求1所述的基于位移传感器的触控焊接模拟仿真系统，其特征在于，焊枪主体包括箱体(15)、顶紧座(19)、轴承(20)、轴(21)、支板(23)、顶紧螺母(24)和把柄(25)；箱体(15)固定于支板(23)上；倾角传感器(22)设置于箱体(15)右表面；箱体(15)下面设有顶紧座(19)，顶紧座(19)通过顶紧螺母(24)与支板(23)连接，顶紧座(19)上安装有两个轴承(20)，轴承内有轴(21)；支板(23)下面安装有把柄(25)；

控制机构包括步进电机(16)和橡皮轮(17)；步进电机(16)设置于箱体(15)后侧面，其轴垂直箱体(15)后面穿入箱体(15)内部，步进电机(16)轴上紧套有橡皮轮(17)；

模拟焊条(18)的焊条主体(27)通过箱体(15)相应的导槽从箱体内部穿过，与橡皮轮(17)、轴(21)相接触。

3.根据权利要求1所述的基于位移传感器的触控焊接模拟仿真系统，其特征在于，所述基于位移传感器的触控焊接模拟仿真系统还包括机箱(1)；所述触控显示器(11)安装于显示器支架(12)中，所述显示器支架(12)铰接于机箱(1)上，所述显示器支架(12)能够调节触控显示器(11)与水平面之间的夹角呈0—180°。

4.根据权利要求1所述的基于位移传感器的触控焊接模拟仿真系统，其特征在于，所述位移传感器(26)的输出电流I为4-20mA，探头(28)长度为10mm。

5.根据权利要求1所述的基于位移传感器的触控焊接模拟仿真系统，其特征在于，位移传感器(26)输出的4-20mA的电流信号I通过定值电阻转换成转换为1-5V的电压信号U；该电压信号U通过数据采集卡的单端输入通道输入至计算机主机(4)。

6.根据权利要求1所述的基于位移传感器的触控焊接模拟仿真系统，其特征在于，所述传感器主体(29)顶部到作为模拟试板的触控显示器(11)的距离为模拟弧长L，其大小通过公式(1)计算；

$L=\frac{12.5-2.5U}{\sqrt{1+{\tan }^2\left(\mathrm{RX}\right)+{\tan }^2\left(\mathrm{RY}\right)}}$      (公式1)

式中，RX、RY分别为安装于模拟焊枪(6)上的双轴倾角传感器测得的模拟焊枪(6)的仰俯角与横滚角。

7.根据权利要求6所述的基于位移传感器的触控焊接模拟仿真系统，其特征在于，计算机主机(4)根据模拟弧长L、焊条直径D和操作者所选择的电源模型计算焊条烧熔速度，控制控制机构带动模拟焊条(18)上升，模拟出焊条烧熔的效果；

不同电源模型所对应的焊条烧熔速度如公式2、公式3、公式4、公式5、公式6、公式7所示：

1)斜下降外特性电源模型

v＝-L/8-5D+257/24             (公式2)

2)缓降外特性电源模型

v＝1.211ln[(83.93-3L)/8.01]-5D+7.5          (公式3)

3)陡降外特性电源模型

v＝0.4563ln[(73.624-3L)/0.118]-5D+7.5            (公式4)

4)恒流外特性电源模型

v＝1.763ln[(89.14-3L)/3.66]-5D+7.5           (公式5)

5)恒流带斜外拖外特性电源模型

v＝2.05675ln[(89.14-3L)/3.66]-5D+7.5            (公式6)

6)恒流带外拖外特性电源模型

v＝2.1165ln[(89.82-3L)/3.50]-5D+7.5            (公式7)。