專利名稱：手工電弧焊焊接操作模擬培訓(xùn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種焊接操作模擬培訓(xùn)設(shè)備，特別涉及手工電弧焊焊接操作模擬培訓(xùn)裝置。
背景技術(shù)：
焊接是一種非常普及的材料加工方法，它廣泛應(yīng)用于各種企業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)合，典型的有汽車(chē)制造，壓力容器制造，船舶制造等，雖然目前有多種自動(dòng)焊方法已經(jīng)比較成熟，應(yīng)用也越來(lái)越多，但是由于使用上的方便和靈活，手工焊接方法如手工電弧焊仍然具有其不可替代的作用，例如在各種壓力容器管道焊接，以及各種維護(hù)性焊接場(chǎng)合等。
在手工焊接操作過(guò)程中，影響焊接質(zhì)量的因素比較多，比如工藝參數(shù)的選擇如電流、電壓、焊條(焊絲)選擇等；另外操作過(guò)程的一些參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量也有較大的影響如焊接速度、電弧弧長(zhǎng)的穩(wěn)定性、焊條的擺動(dòng)范圍等。焊接過(guò)程的穩(wěn)定與否直接影響到焊接質(zhì)量，這是一種完全的人為因素，全憑焊接操作者的技藝和經(jīng)驗(yàn)，在焊接質(zhì)量的控制中，電流，電壓，預(yù)熱溫度，焊條烘干程度等這些工藝參數(shù)都可以通過(guò)工藝文件和測(cè)量技術(shù)來(lái)控制，但是，和人為操作相關(guān)的參數(shù)，比如，焊接速度，焊接姿態(tài)都是無(wú)法記錄和控制的。為了訓(xùn)練出良好的焊接技術(shù)，需要付出艱苦的努力及相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)代價(jià)，這樣才能掌握手工焊接過(guò)程的真實(shí)感覺(jué)，培訓(xùn)焊工是一個(gè)需要投入大量時(shí)間，消耗大量電能和焊材的過(guò)程。在以往手工焊接的實(shí)際訓(xùn)練階段，采用的都是師傅帶徒弟的方式進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練的效果受到教師的操作水平和表達(dá)能力等人為因素的影響，而且?guī)熧Y力量不足已經(jīng)在目前焊接培訓(xùn)領(lǐng)域顯現(xiàn)出較強(qiáng)的態(tài)勢(shì)，同時(shí)焊接操作對(duì)場(chǎng)地、設(shè)備和環(huán)境也有較高的要求，訓(xùn)練過(guò)程需要消耗大量的焊條、試板、和相當(dāng)?shù)碾娏Y源，不僅如此，眾所周知，焊接環(huán)境是比較惡劣的，有大量的煙塵及強(qiáng)烈的弧光，非常容易對(duì)焊工的身體健康產(chǎn)生不良影響，對(duì)于新接受焊接培訓(xùn)的人員來(lái)說(shuō)，惡劣的工作環(huán)境對(duì)其心理也容易產(chǎn)生負(fù)面作用，不利于后續(xù)的培訓(xùn)計(jì)劃的進(jìn)行。
中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)CN 1469097A(申請(qǐng)?zhí)?3110000.7)和發(fā)明專利申請(qǐng)CN 1439149A(申請(qǐng)?zhí)?1811824.0)分別公開(kāi)了肩射式防空導(dǎo)彈和牙醫(yī)學(xué)的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有較高仿真程度、對(duì)場(chǎng)地和環(huán)境要求不高、較少物資和能源消耗、易于對(duì)焊工進(jìn)行焊接操作培訓(xùn)的手工電弧焊焊接操作模擬培訓(xùn)裝置。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種手工電弧焊焊接操作模擬培訓(xùn)裝置，包括模擬焊槍、該模擬焊槍的控制器，以及模擬試件，其特別之處在于，所述模擬焊槍包括焊槍把手，該焊槍把手的一端連接有一步進(jìn)電機(jī)，在該步進(jìn)電機(jī)的輸出軸上安裝有一主動(dòng)滾輪，在該步進(jìn)電機(jī)的電機(jī)座上固定有一滾輪支座，該滾輪支座上安裝有一從動(dòng)滾輪，在該從動(dòng)滾輪與主動(dòng)滾輪之間設(shè)有一模擬焊條，該模擬焊條分別與從動(dòng)滾輪和主動(dòng)滾輪相接觸從而可在主動(dòng)滾輪旋轉(zhuǎn)時(shí)被移動(dòng)，在步進(jìn)電機(jī)的電機(jī)座上還固定有一直線軸承，前述模擬焊條被套在該直線軸承內(nèi)從而僅可做直線移動(dòng)；在所述模擬試件內(nèi)安裝有磁體，在模擬焊條上安裝有相應(yīng)的接近開(kāi)關(guān)從而可檢測(cè)模擬焊條與模擬試件間的距離；所述模擬焊槍的控制器分別與步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器以及接近開(kāi)關(guān)連接。
進(jìn)一步的，還包括主控計(jì)算機(jī)、焊條位置檢測(cè)裝置、和帶有顯示器的頭盔，其中焊條位置檢測(cè)裝置與主控計(jì)算機(jī)連接從而向其提供模擬焊條的空間位置信息，主控計(jì)算機(jī)與所述模擬焊槍的控制器連接從而獲取焊接過(guò)程信息，主控計(jì)算機(jī)還與頭盔上的顯示器連接從而根據(jù)模擬焊條的空間位置及模擬焊接的過(guò)程在顯示器上顯示出相應(yīng)的畫(huà)面。
其中所述顯示器是液晶顯示器。
其中焊條位置檢測(cè)裝置包括至少2臺(tái)平行設(shè)置的CCD攝像機(jī)，CCD攝像機(jī)通過(guò)圖像采集卡連接至主控計(jì)算機(jī)。
進(jìn)一步的，在所述模擬焊條上安裝有至少2個(gè)發(fā)光二極管。
其中在所述模擬試件內(nèi)安裝的磁體是磁鋼。
其中在所述模擬焊條上安裝的接近開(kāi)關(guān)是霍爾元件傳感器。
其中所述模擬焊槍的控制器是數(shù)據(jù)采集卡，其輸出端與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制端連接從而控制步進(jìn)電機(jī)，其輸入端與接近開(kāi)關(guān)連接從而獲取模擬焊條與試件之間的距離是否在約定范圍內(nèi)。
其中模擬件和模擬焊條均為導(dǎo)體且試件接地，所述數(shù)據(jù)采集卡的輸入端與模擬焊條連接從而可檢測(cè)模擬焊條是否與試件相接觸。
其中數(shù)據(jù)采集卡的輸入端與回程開(kāi)關(guān)連接，當(dāng)回程開(kāi)關(guān)閉合后數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制模擬焊條返回初始位置。
本發(fā)明專門(mén)針對(duì)手工電弧焊焊接實(shí)際訓(xùn)練階段存在的幾個(gè)問(wèn)題，改變了以往的培訓(xùn)方式，采用新型的模擬焊槍，佩戴焊接專用頭盔模擬焊接過(guò)程的進(jìn)行，達(dá)到快速培養(yǎng)焊工的操作手感并減少物資和能源消耗的目的，采用模擬焊槍可以模擬手工電弧焊時(shí)的引弧及焊條燃燒過(guò)程，更可以將焊接過(guò)程的真實(shí)場(chǎng)景通過(guò)頭盔顯示器展現(xiàn)給焊工，在焊接操作培訓(xùn)過(guò)程中，本發(fā)明的模擬培訓(xùn)裝置具有如下特點(diǎn)(1)模擬焊槍重量和體積與目前焊接常用焊槍基本一致，為焊工提供了與實(shí)際焊槍相同的手感；(2)頭盔顯示器采用焊工專用頭盔改造而成，佩戴感覺(jué)與真實(shí)焊接過(guò)程基本一致；(3)能夠模擬焊接時(shí)的引弧動(dòng)作，短路引弧時(shí)，與真實(shí)焊接中引弧過(guò)程一樣，需要焊條端部與工件短路接觸，然后很快抬高焊條到一定高度才能引弧成功；(4)能夠模擬手工電弧焊焊接時(shí)焊條的熔化過(guò)程，通過(guò)改變步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)頻率，可以改變焊條的熔化速度，這與實(shí)際焊接過(guò)程中焊條的熔化速度受焊接電流大小影響也是一致的。
本發(fā)明在理解了手工電弧焊焊接原理和實(shí)現(xiàn)過(guò)程的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了針對(duì)手工電弧焊的模擬培訓(xùn)平臺(tái)，在這個(gè)平臺(tái)上可以實(shí)現(xiàn)手工電弧焊的操作培訓(xùn)，沒(méi)有了真實(shí)焊接過(guò)程中的煙塵、強(qiáng)光，但也可在虛擬的場(chǎng)景中感受到真正的焊接過(guò)程。為此設(shè)計(jì)了新型的模擬焊槍，采用步進(jìn)電機(jī)回抽焊條來(lái)模擬手工電弧焊焊條的熔化，霍爾傳感器配合磁鋼來(lái)模擬焊接引弧過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了手工電弧焊脫離了真實(shí)焊接環(huán)境的模擬過(guò)程。通過(guò)模擬的操作訓(xùn)練，既可以真實(shí)感受焊接過(guò)程，掌握焊接手感，提高焊接技巧，又可以大大降低培訓(xùn)成本，提高培訓(xùn)效率，同時(shí)培訓(xùn)過(guò)程對(duì)焊工是完全安全的，可以預(yù)見(jiàn)這是一種打破常規(guī)的安全、高效的培訓(xùn)方式。


附圖1為本發(fā)明的總體原理框圖；
附圖2為本發(fā)明的設(shè)備連接示意圖；附圖3為本發(fā)明中模擬焊槍的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖4為本發(fā)明中模擬焊槍的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖5為本發(fā)明中模擬焊槍的控制器電路原理圖；附圖6為本發(fā)明中模擬焊槍工作的控制流程圖；附圖7為本發(fā)明中CCD攝像機(jī)成像系統(tǒng)的小孔成像模型示意圖；附圖8為本發(fā)明中CCD攝像機(jī)成像系統(tǒng)的雙目成像模型示意圖；附圖9為本發(fā)明中CCD成像系統(tǒng)的圖像檢測(cè)程序流程圖；附圖10為帶有顯示器的頭盔的示意圖；附圖11為本發(fā)明主程序的控制流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖來(lái)對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明本發(fā)明采用了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為平臺(tái)核心，從本質(zhì)上說(shuō)，虛擬現(xiàn)實(shí)就是一種先進(jìn)的計(jì)算機(jī)用戶接口，它通過(guò)給用戶同時(shí)提供諸如視、聽(tīng)、觸等各種直觀而又自然的實(shí)時(shí)感知交互手段、最大限度地方便用戶操作，從而減輕用戶負(fù)擔(dān)、提高整個(gè)系統(tǒng)的工作效率。通常用戶頭戴一個(gè)頭盔(用來(lái)顯示立體圖像的頭盔式顯示器)，手持傳感手套，仿佛置身于一個(gè)幻覺(jué)世界中，在虛擬環(huán)境中漫游，并允許操作其中的“物體”。
圖1為系統(tǒng)總體原理框圖，分為硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)兩部分，軟件平臺(tái)的工作是對(duì)硬件平臺(tái)采集的信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算，重建三維場(chǎng)景，這個(gè)三維場(chǎng)景是與焊接操作過(guò)程互動(dòng)的，焊接的操作過(guò)程都將真實(shí)反映在三維場(chǎng)景中，并且場(chǎng)景中提供了與真實(shí)焊接過(guò)程一樣的弧光、飛濺、焊條熔化、熔池形成等等景象，這些景象是由計(jì)算機(jī)根據(jù)焊工事先設(shè)定的工藝參數(shù)和采集到的焊工操作動(dòng)作、畫(huà)面等實(shí)時(shí)生成的，并且為用戶提供良好的人機(jī)界面。
硬件平臺(tái)主要包括操作人員的工作環(huán)境設(shè)計(jì)以及焊接操作過(guò)程信號(hào)檢測(cè)采集模塊，它負(fù)責(zé)為用戶提供一個(gè)實(shí)施焊接操作的空間，模擬焊接過(guò)程、培養(yǎng)操作手感，并且把用戶操作的過(guò)程通過(guò)各種傳感器記錄下來(lái)，把采集到的數(shù)據(jù)輸入軟件平臺(tái)分析計(jì)算。硬件和軟件平臺(tái)是有機(jī)的整體，兩者互相依賴、信息共享。
本發(fā)明的重要目的之一是手工電弧焊焊接過(guò)程中操作手感的培養(yǎng)，焊工培訓(xùn)所使用的工具如焊槍、頭盔等應(yīng)盡可能的與真實(shí)焊接時(shí)所用一致，這樣可以保證焊工在模擬培訓(xùn)時(shí)所養(yǎng)成的操作習(xí)慣和操作手感與真實(shí)焊接時(shí)的一樣。而且需要針對(duì)焊工的操作過(guò)程，為他重建一個(gè)逼真的三維場(chǎng)景，在這個(gè)三維場(chǎng)景中，所反映出來(lái)的焊接情況與焊工的操作過(guò)程是一一對(duì)應(yīng)的。比如真實(shí)手工電弧焊時(shí)，焊條端部熔化，焊工操作時(shí)不僅有橫向運(yùn)條的過(guò)程，還必須有向下送進(jìn)的過(guò)程，如果不及時(shí)送進(jìn)，焊條端部與試件距離過(guò)高，電弧將不能穩(wěn)定燃燒，甚至熄滅。在虛擬三維場(chǎng)景中，電弧的出現(xiàn)就應(yīng)該符合這樣的規(guī)律，根據(jù)觀察電弧的穩(wěn)定性，讓焊工及時(shí)發(fā)現(xiàn)操作中的問(wèn)題，及時(shí)調(diào)整焊條位置，從而獲得良好的操作習(xí)慣和操作手法。
為了獲得模擬焊槍的位置，本發(fā)明主要采用了圖像檢測(cè)的方法，通過(guò)兩臺(tái)CCD攝像機(jī)同時(shí)拍攝培訓(xùn)過(guò)程中的圖像，主控計(jì)算機(jī)從拍攝的圖像中提取出反映模擬焊槍位置的特征點(diǎn)，根據(jù)兩幅圖像合成特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，然后由計(jì)算機(jī)根據(jù)合成的三維坐標(biāo)采用OpenGL接口實(shí)時(shí)模擬出三維的焊接場(chǎng)景。為了使程序處理簡(jiǎn)單快速，在模擬焊槍上設(shè)置了兩個(gè)發(fā)光二極管(亮點(diǎn))，目的是在拍攝的圖像中可以更方便的找到模擬焊槍位置。
如圖2所示，硬件部分主要包括主控計(jì)算機(jī)、模擬焊槍、模擬試件、帶有顯示器的頭盔、CCD攝像機(jī)等，當(dāng)然還可包括模擬操作臺(tái)及一些輔助設(shè)備。攝像機(jī)采用臺(tái)灣敏通的MTV 1881EX黑白CCD攝像機(jī)、圖像采集卡采用北京微視公司的M 10卡、數(shù)據(jù)采集卡為凌華公司的PCI 9112。
如圖11所示，為本發(fā)明主控計(jì)算機(jī)中主程序的控制流程圖，本發(fā)明采用這種模式進(jìn)行圖像的顯示和數(shù)據(jù)的保存。
下面將詳細(xì)介紹各部件的功能和實(shí)現(xiàn)技術(shù)。
一、模擬焊槍機(jī)械結(jié)構(gòu)圖3為模擬焊槍的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4為從圖3右后方視角的模擬焊槍結(jié)構(gòu)示意圖，其中模擬焊條1可采用不銹鋼中空管制造，用于模擬真實(shí)焊接時(shí)焊條的熔化，可在其上設(shè)置至少2個(gè)發(fā)光二極管，以便于焊條位置檢測(cè)裝置，具體即CCD攝像機(jī)檢測(cè)模擬焊條的坐標(biāo)位置。其中直線軸承2通過(guò)軸承座3固定在步進(jìn)電機(jī)9上，用于使模擬焊條1的運(yùn)行保持直線狀態(tài)。主動(dòng)滾輪4為橡膠輪，步進(jìn)電機(jī)9轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)主動(dòng)滾輪4旋轉(zhuǎn)，主動(dòng)滾輪4靠摩擦力拉動(dòng)模擬焊條1上下移動(dòng)，從而模擬焊條的熔化過(guò)程，從動(dòng)滾輪5安裝位置與主動(dòng)滾輪4相對(duì)，用于平衡主動(dòng)滾輪4對(duì)模擬焊條1施加的徑向力。
如圖3、4所示，模擬焊條1與從動(dòng)滾輪5接觸的一面為平面，從而增大了與從動(dòng)滾輪5的接觸面積，而主動(dòng)滾輪4與模擬焊條1接觸的表面為與其相適應(yīng)的曲面從而增大摩擦力以便更好的帶動(dòng)模擬焊條1直線移動(dòng)。
動(dòng)力機(jī)構(gòu)采用了步進(jìn)電機(jī)，采用步進(jìn)電機(jī)能精確的控制焊條的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)焊條熔化與焊接參數(shù)設(shè)置一致。具體可選用成都步進(jìn)電機(jī)公司出品的11 HS 3002-01型4相步進(jìn)電機(jī)和與之配套的402型驅(qū)動(dòng)器。經(jīng)過(guò)測(cè)試，該組合在每分鐘3轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速下還不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)的堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，并且其保持轉(zhuǎn)矩達(dá)到65Nm，足夠帶動(dòng)模擬焊條1。
二、模擬焊槍的控制器圖5是模擬焊槍的控制器的電路原理圖，圖中采用了數(shù)據(jù)采集卡作為控制信號(hào)的發(fā)生器和狀態(tài)接收器，采用數(shù)據(jù)采集卡可以方便的與主控計(jì)算機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)更多的數(shù)據(jù)處理功能。
圖5中模擬焊槍的控制器的工作原理是通過(guò)主控計(jì)算機(jī)檢測(cè)數(shù)據(jù)采集卡的三個(gè)數(shù)字輸入通道DI 0、DI 1和DI 2，從而了解當(dāng)前模擬焊槍的工作狀態(tài)，根據(jù)檢測(cè)到的模擬焊槍狀態(tài)，主控計(jì)算機(jī)發(fā)出指令控制數(shù)據(jù)采集卡的COUNT 0端口輸出脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)模擬焊槍上的步進(jìn)電機(jī)9轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)焊條熔化的模擬。其中DI 0端口連接的是模擬焊條1端部的繼電器，用于檢測(cè)模擬焊條1與模擬試樣的短路情況，當(dāng)模擬焊條1端部與模擬試樣接觸時(shí)，繼電器加電吸合，DI 0口有信號(hào)，表明已經(jīng)開(kāi)始焊接時(shí)的短路接觸階段。DI 1端口連接了與埋在模擬焊條1端部的接近開(kāi)關(guān)相連的繼電器，其用于檢測(cè)模擬焊條1端部與模擬試樣之間的高度是否滿足電弧穩(wěn)定燃燒的條件。當(dāng)模擬焊條1抬起高度合適時(shí)，接近開(kāi)關(guān)輸出電壓信號(hào)，繼電器吸合，DI 1端口有信號(hào)。DI 2端口連接了模擬焊槍上的回程開(kāi)關(guān)，當(dāng)回程開(kāi)關(guān)接通時(shí)，DI 2端口有信號(hào)，主控計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)以較高速度反轉(zhuǎn)，相當(dāng)于讓“熔化”完的焊條回到初始位置。
圖5中的接近開(kāi)關(guān)為霍爾元件傳感器，它感受的是磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化，并對(duì)變化做出響應(yīng)，接近開(kāi)關(guān)可裝在焊條端部，磁鋼埋在試件中，當(dāng)焊條端部與工件之間的距離在磁場(chǎng)強(qiáng)度足夠的范圍內(nèi)時(shí)，接近開(kāi)關(guān)輸出電壓信號(hào)給數(shù)據(jù)采集卡，由數(shù)據(jù)采集卡控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。
從圖5中可以看到，模擬焊條1端部與模擬試件必須先接觸短路，然后脫離才能使數(shù)據(jù)采集卡輸出驅(qū)動(dòng)頻率，步進(jìn)電機(jī)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，來(lái)模擬焊條的熔化。通過(guò)接近開(kāi)關(guān)來(lái)判斷模擬焊條1與模擬試件之間的距離是否是在電弧穩(wěn)定燃燒的高度范圍內(nèi)，如果模擬焊條1抬起過(guò)高，接近開(kāi)關(guān)將輸出信號(hào)給數(shù)據(jù)采集卡，由數(shù)據(jù)采集卡控制步進(jìn)電機(jī)9的驅(qū)動(dòng)頻率，使步進(jìn)電機(jī)9停轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)斷弧的模擬?；爻涕_(kāi)關(guān)用于控制在模擬焊條1“燃燒”結(jié)束時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，使焊條恢復(fù)初始位置，準(zhǔn)備開(kāi)始下一根焊條的焊接。
三、手工電弧焊焊接模擬實(shí)現(xiàn)過(guò)程(1)引弧過(guò)程的模擬引弧過(guò)程是手工電弧焊的一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，如圖5所示，首先要判斷模擬焊條1端部是否與模擬試件有接觸從而短路(模擬焊條1和模擬試件均為導(dǎo)體，具體如不銹鋼或其它金屬)，如果未短路，將無(wú)法啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)9；如果短路時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，將提出警報(bào)，退出程序。如果引弧條件滿足，將驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作，進(jìn)入正常焊接狀態(tài)。
(2)焊接過(guò)程的模擬焊接過(guò)程主要是焊條熔化的過(guò)程，這同時(shí)伴隨著焊條的橫向移動(dòng)、擺動(dòng)等動(dòng)作，在模擬焊接時(shí)，需要判斷這些動(dòng)作是否造成了電弧的不穩(wěn)定并做出相應(yīng)措施。比如，如圖5所示，如果模擬焊條1送進(jìn)不及時(shí)，“燃燒”過(guò)快，將造成模擬焊條1離模擬試件過(guò)遠(yuǎn)，這時(shí)接近開(kāi)關(guān)將輸出信號(hào)，數(shù)據(jù)采集卡檢測(cè)到后停止步進(jìn)電機(jī)9動(dòng)作，模擬焊條1“燃燒”停止；而如果送進(jìn)過(guò)大，模擬焊條1已經(jīng)和模擬試件再次短路了，也將造成步進(jìn)電機(jī)9停止，焊接過(guò)程中斷，這些都是與實(shí)際焊接過(guò)程一致的。
四、圖像法檢測(cè)亮點(diǎn)確定焊條空間位置的原理目前CCD成像系統(tǒng)的透視成像模型多采用小孔成像模型，如圖7所示，小孔成像模型反映了空間點(diǎn)在攝像機(jī)陣面上的成像點(diǎn)與攝像機(jī)光學(xué)中心的位置關(guān)系。
小孔成像模型顯示了空間一點(diǎn)M在CCD攝像機(jī)陣面上的成像點(diǎn)是空間點(diǎn)M與攝像機(jī)光學(xué)中心點(diǎn)O的連線在CCD陣面上的交點(diǎn)m，空間一點(diǎn)在攝像機(jī)上的成像只有唯一一點(diǎn)。由成像模型可知，只要是OM連線上的點(diǎn)，在CCD陣面上成像點(diǎn)均為m，只能夠確定M點(diǎn)位于Om的延長(zhǎng)線上，所以，由單臺(tái)攝像機(jī)拍攝的圖像不能反推得到空間點(diǎn)M的坐標(biāo)位置。由此可見(jiàn)，為了確定一個(gè)點(diǎn)的空間位置，至少需要兩臺(tái)攝像機(jī)進(jìn)行檢測(cè)。
圖8為本系統(tǒng)采用的雙目成像模型，圖中m1和m2是空間點(diǎn)M分別在兩臺(tái)CCD攝像機(jī)上的成像位置。從圖8中可以看到，空間M點(diǎn)的位置由其在兩臺(tái)攝像機(jī)陣面上的成像點(diǎn)和CCD攝像機(jī)光學(xué)中心點(diǎn)的連線相交得到。這種成像模式類似于人的雙眼視物，通過(guò)兩個(gè)眼睛觀察，將圖像反應(yīng)到大腦，就能夠感覺(jué)到物體的空間位置。
圖9為圖像檢測(cè)程序的流程圖，據(jù)此能夠完成對(duì)亮點(diǎn)(即模擬焊槍上的發(fā)光二極管)空間位置的檢測(cè)，同時(shí)也就反映出了模擬焊槍的空間位置。
五、帶有顯示器的頭盔的結(jié)構(gòu)如圖10所示，帶有顯示器的頭盔主要功能有(1)真實(shí)反映焊接時(shí)焊工佩戴的頭盔保護(hù)設(shè)備，佩戴感覺(jué)應(yīng)盡量接近焊接實(shí)際；(2)能夠顯示計(jì)算機(jī)生成的三維場(chǎng)景，通過(guò)顯示器，焊工能觀察到自己焊接操作的真實(shí)過(guò)程，能夠在顯示器上獲得系統(tǒng)給出的信息，以指示下一步操作動(dòng)作。
在本發(fā)明中選用了真實(shí)的焊接保護(hù)面罩作為頭盔的基體，這樣佩戴上頭盔后和焊接時(shí)佩戴的面罩感覺(jué)是比較接近的，顯示器使用液晶顯示器，雖然加了液晶屏和驅(qū)動(dòng)電路后面罩的重量和重心位置發(fā)生了變化，但可以在內(nèi)部加裝支撐架或在平臺(tái)上加懸掛裝置來(lái)減輕焊工的佩戴不適感。
場(chǎng)景的顯示是通過(guò)液晶屏來(lái)實(shí)現(xiàn)的，液晶顯示器的圖像顯示細(xì)膩，體積小，重量輕，最大的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有輻射，無(wú)閃爍，對(duì)保護(hù)焊工的眼睛很有好處。本發(fā)明采用的液晶屏大小為6寸，顯示分辨率為640×480，顯示效果可以滿足模擬平臺(tái)的要求，液晶屏裝在頭盔前的護(hù)目鏡位置處，通過(guò)調(diào)節(jié)液晶屏與面罩的間距可以改變焊工觀察時(shí)眼睛距液晶屏的位置，保持合適的觀察距離才能減輕焊工的視覺(jué)疲勞。
采用本發(fā)明的模擬焊接裝置進(jìn)行手工焊接操作訓(xùn)練，可以很快培養(yǎng)焊工的操作手感，同時(shí)因?yàn)槟M焊槍能夠模擬與實(shí)際焊接時(shí)一樣的引弧和焊接過(guò)程，焊工通過(guò)模擬焊槍就可以很好的鍛煉焊條送進(jìn)及運(yùn)條等動(dòng)作。使用模擬焊槍后，將大大的節(jié)約焊接消耗的材料和電能，使培訓(xùn)成本大為降低，而且不受場(chǎng)地限制，不需要專門(mén)的焊機(jī)、氣瓶等配套裝置，便于多人同時(shí)操作訓(xùn)練。培訓(xùn)教師將從繁重的工作中解脫出來(lái)，只需給焊工以指導(dǎo)性意見(jiàn)，由焊工自己一遍一遍的體驗(yàn)焊接過(guò)程的手感和操作技巧，在模擬訓(xùn)練過(guò)程中，沒(méi)有煙塵，沒(méi)有強(qiáng)光，沒(méi)有高溫，不會(huì)對(duì)焊工造成身體傷害，也不會(huì)使其產(chǎn)生厭煩情緒。
在模擬平臺(tái)的軟件系統(tǒng)中還可以有配套的多媒體焊接理論培訓(xùn)系統(tǒng)，使焊工可以理論結(jié)合實(shí)踐，互相印證對(duì)比，提高培訓(xùn)的效率。
附關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)采用OpenGL實(shí)現(xiàn)的參考文獻(xiàn)[1]John Wilson.Virtual environments and ergonomicneeds andopportunities.Ergonomics[J].1997.40(10)1057-1077. 姜芳芳，來(lái)文青，龔慶武，姜季萍.虛擬現(xiàn)實(shí)在變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中的應(yīng)用.高電壓技術(shù)[J].2005.31(7)68-70. 李青，傘耀，陳義軍.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)指揮系統(tǒng)研究.計(jì)算機(jī)仿真[J].2005.22(9)12-14. Randy S Haluck，Renee L Marchall，Thomas M Krummel，etc.Aresurgery training programs ready for virtual reality？A survey ofprogram directors in general surgery.Virtual Reality in SurgeryTraining Programs[J].2001.193(6)660-665. 李文峰，王琦，陳定方.虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境建立與OpenGL和VRML的研究開(kāi)發(fā).工程圖學(xué)學(xué)報(bào)[J].2000.21-5. J.R.Li，L.P.Khoo，S.B.Tor.Desktop virtual reality for maintenancetrainingan object oriented prototype system.Computer inIndustry[J].2003.109-125.
權(quán)利要求
1.一種手工電弧焊焊接操作模擬培訓(xùn)裝置，包括模擬焊槍、該模擬焊槍的控制器，以及模擬試件，其特征在于所述模擬焊槍包括焊槍把手(8)，該焊槍把手(8)的一端連接有一步進(jìn)電機(jī)(9)，在該步進(jìn)電機(jī)(9)的輸出軸上安裝有一主動(dòng)滾輪(4)，在該步進(jìn)電機(jī)(9)的電機(jī)座(7)上固定有一滾輪支座(6)，該滾輪支座(6)上安裝有一從動(dòng)滾輪(5)，在該從動(dòng)滾輪(5)與主動(dòng)滾輪(4)之間設(shè)有一模擬焊條(1)，該模擬焊條(1)分別與從動(dòng)滾輪(5)和主動(dòng)滾輪(4)相接觸從而可在主動(dòng)滾輪(4)旋轉(zhuǎn)時(shí)被移動(dòng)，在步進(jìn)電機(jī)(9)的電機(jī)座(7)上還固定有一直線軸承(2)，前述模擬焊條(1)被套在該直線軸承(2)內(nèi)從而僅可做直線移動(dòng)；在所述模擬試件內(nèi)安裝有磁體，在模擬焊條(1)上安裝有相應(yīng)的接近開(kāi)關(guān)從而可檢測(cè)模擬焊條(1)與模擬試件間的距離；所述模擬焊槍的控制器分別與步進(jìn)電機(jī)(9)的驅(qū)動(dòng)器以及接近開(kāi)關(guān)連接。
2.如權(quán)利要求1所述的手工電弧焊焊接操作模擬培訓(xùn)裝置，其特征在于還包括主控計(jì)算機(jī)、焊條位置檢測(cè)裝置、和帶有顯示器的頭盔，其中焊條位置檢測(cè)裝置與主控計(jì)算機(jī)連接從而向其提供模擬焊條(1)的空間位置信息，主控計(jì)算機(jī)與所述模擬焊槍的控制器連接從而獲取焊接過(guò)程信息，主控計(jì)算機(jī)還與頭盔上的顯示器連接從而根據(jù)模擬焊條(1)的空間位置及模擬焊接的過(guò)程在顯示器上顯示出相應(yīng)的畫(huà)面。
3.如權(quán)利要求2所述的手工電弧焊焊接操作模擬培訓(xùn)裝置，其特征在于其中所述顯示器是液晶顯示器。
4.如權(quán)利要求2所述的手工電弧焊焊接操作模擬培訓(xùn)裝置，其特征在于其中焊條位置檢測(cè)裝置包括至少2臺(tái)平行設(shè)置的CCD攝像機(jī)，CCD攝像機(jī)通過(guò)圖像采集卡連接至主控計(jì)算機(jī)。
5.如權(quán)利要求4所述的手工電弧焊焊接操作模擬培訓(xùn)裝置，其特征在于在所述模擬焊條(1)上安裝有至少2個(gè)發(fā)光二極管。
6.如權(quán)利要求1至5中任意一項(xiàng)所述的手工電弧焊焊接操作模擬培訓(xùn)裝置，其特征在于其中在所述模擬試件內(nèi)安裝的磁體是磁鋼。
7.如權(quán)利要求1至5中任意一項(xiàng)所述的手工電弧焊焊接操作模擬培訓(xùn)裝置，其特征在于其中在所述模擬焊條(1)上安裝的接近開(kāi)關(guān)是霍爾元件傳感器。
8.如權(quán)利要求1至5中任意一項(xiàng)所述的手工電弧焊焊接操作模擬培訓(xùn)裝置，其特征在于其中所述模擬焊槍的控制器是數(shù)據(jù)采集卡，其輸出端與步進(jìn)電機(jī)(9)驅(qū)動(dòng)器的控制端連接從而控制步進(jìn)電機(jī)(9)，其輸入端與接近開(kāi)關(guān)連接從而獲取模擬焊條(1)與試件之間的距離是否在約定范圍內(nèi)。
9.如權(quán)利要求8所述的手工電弧焊焊接操作模擬培訓(xùn)裝置，其特征在于其中所述模擬試件和模擬焊條(1)均為導(dǎo)體且模擬試件接地，所述數(shù)據(jù)采集卡的輸入端與模擬焊條(1)連接從而可檢測(cè)模擬焊條(1)是否與模擬試件相接觸。
10.如權(quán)利要求8所述的手工電弧焊焊接操作模擬培訓(xùn)裝置，其特征在于其中數(shù)據(jù)采集卡的輸入端與回程開(kāi)關(guān)連接，當(dāng)回程開(kāi)關(guān)閉合后數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)步進(jìn)電機(jī)(9)控制模擬焊條(1)返回初始位置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種焊接操作模擬培訓(xùn)設(shè)備，特別涉及手工電弧焊焊接操作模擬培訓(xùn)裝置，包括模擬焊槍、該模擬焊槍的控制器，以及模擬試件，其特點(diǎn)在于，模擬焊槍包括焊槍把手(8)，該焊槍把手(8)的一端連接有一步進(jìn)電機(jī)(9)，在該步進(jìn)電機(jī)(9)的輸出軸上安裝有一主動(dòng)滾輪(4)，在該步進(jìn)電機(jī)(9)的電機(jī)座(7)上固定有一滾輪支座(6)，該滾輪支座(6)上安裝有一從動(dòng)滾輪(5)，在該從動(dòng)滾輪(5)與主動(dòng)滾輪(4)之間設(shè)有一模擬焊條(1)，本發(fā)明采用新型的模擬焊槍，模擬焊接過(guò)程的進(jìn)行，達(dá)到快速培養(yǎng)焊工的操作手感并減少物資和能源消耗的目的。
文檔編號(hào)G09B25/00GK1866317SQ2006100429
公開(kāi)日2006年11月22日 申請(qǐng)日期2006年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月9日
發(fā)明者張建勛, 鄒林, 梁振新, 薛金保, 裴怡, 陳小藝, 藍(lán)煥生, 黃挺, 毋娟麗 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)