手工電弧焊仿真訓練系統的數據庫讀取及焊道成像處理方法的研究

王沛禹

摘要：利用現代計算機控制與仿真技術。對現有的焊接設備進行改造。融合仿真的焊機、控制開關。開發一種有實物參入的手弧焊仿真訓練系統。對該系統的數據庫讀取方法及顯示屏上“工件焊道”形成圖像處理進行研究。

關鍵詞：數據庫 焊道圖形 圖像處理

一、前言

本文應用計算機控制與仿真技術，研發了一種手弧焊的仿真焊接訓練系統。開發的系統將焊接實物與軟件相結合，包含了帶有液晶顯示屏和光感屏的工作臺、驅動控制電路、已經進行改造升級的虛擬仿真焊機、焊鉗、電纜和軟件系統等。系統組成如圖1。

該系統用液晶顯示屏替代了焊件，仿真焊鉗和焊條替代了原焊鉗。在進行仿真焊接操作時，仿真焊機的工作電流通過測量仿真焊鉗和液晶屏的距離換算得出。根據此電流及仿真焊鉗的移動速度和預先設置的仿真焊條直徑等參數，采用查詢法，將數據庫中預先設置的對應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）。通過調用弧光顯示程序在防護面罩的液晶顯示屏上模擬實際焊接中操作人員通過防護面罩看到的弧光。因此，需要確定各種可能的工況下焊道（焊點）圖形等數據庫讀取方法和焊道圖像處理的辦法。本文對數據庫的讀取方法及焊道圖像處理的辦法進行闡述。

二、數據庫的讀取方法

根據前面所述，在進行仿真訓練操作前選擇好焊條直徑及電流范圍。可按照“焊條直徑代碼+尋址監測電流代碼”等方式讀取數據庫中焊點數據庫，按照一定規則顯示在屏幕上，形成虛擬焊道。

（一）引弧數據庫讀取。引弧是手弧焊的初始階段。每次引弧，焊鉗總是處于待機狀態。規范的引弧過程所用的時間基本相同。可設定一個初始時間段為引弧操作過程，引弧過程所用時間及此過程電流變化規律由實驗取得。用軟件判定仿真焊鉗從待機狀態始，與屏幕接觸（短路）至電弧穩定燃燒時仿真焊鉗與屏幕之間的距離所用的時間，在小于規定的時間內，按智能焊鉗與屏幕之間的距離所對應的電流+焊條直徑讀取數據庫，此過程電流不加任何修正，直至電流穩定在使電弧穩定燃燒某一數值一段時間后，轉入讀取運條數據庫程序；若大于規定的時間，電流仍不能穩定在使電弧穩定燃燒數值，則判定為引弧失敗，關閉系統。

（二）運條數據庫讀取。運條過程是手弧焊的施焊過程，此過程較為復雜，隨時會出現滅弧、堆焊、焊穿等操作。

運條數據庫讀取可按“焊條直徑代碼+尋址監測電流代碼”方式進行尋址，并讀取預設在該地址中焊點圖形信息。一旦焊條直徑確定，則首址確定。尋址監測電流=基本電流+焊條移動速度修正系數+電流選擇范圍修正系數。基本電流由智能焊鉗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為負，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，若智能焊鉗移動速度過慢，則正系數為負，使尋址電流值減小，若智能焊鉗移動速度過快，則正系數為正，使尋址電流值減增加。并讀取相應地址信息。若智能焊鉗小于最低移動速度，同時智能焊鉗與屏幕距離增加，應判定為滅弧操作，讀取滅弧數據庫。智能焊鉗移動速度修正系數、最低移動速度均由實驗獲得。

三、顯示屏上“工件焊道”形成圖像處理

將一系列厚度的“工件”圖片預存在PC機焊接工藝操作區，當打開該程序，出現一個按厚度設置的選擇窗口，點擊該窗口“工件”，將該工作調入到屏上的工作區。“工件”的焊縫寬度可預設，也可設重新設置。可根據需要對焊縫兩側進行倒角處理。

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，同時產生高溫使工件焊縫兩側材料瞬時達到熔融狀態，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要素：一是焊條移動速度及運動方式，二是焊條與焊縫的位置。沿焊縫移動速度過快，則不會形成連續的焊道，若焊條偏離焊縫，焊點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“焊條”進行定位和移動速度運算。對于平面焊接，可將屏上工作區顯示的縫隙的左端為定位參照點，該點要與附在液晶顯示屏上的光感應屏上所設的定位點對應。焊接時一旦引弧成功，則仿真“焊條”中激光定位二極管工作，并照射感光屏上相對應的光感應單元。經感光屏上矩陣電路及軟件換算成相應代碼，確定與之對應的液晶顯示屏上的位置，將從庫中讀取的數據以圖像的形式顯示在該點上。相近的兩爪“焊點”圖形采用層疊顯示方式，即兩個相互靠近的幀，后一幀圖像覆蓋前一幀圖像2，3的方式。

若正確操作，則會形成與實際高度相似的鱗狀焊道。若“焊條”移動太快，“焊點”相鄰或相離，則會出現圖像不層疊。當“焊條”在一點持續時過長，則會使工件熔化，出現燒透現象，該時要讀取庫中相對的焊穿部分“圖像”并顯示，需采用保留最后幀圖像的顯示方式。

四、結語

借助計算機控制與仿真技術，利用與實物相似的焊機外殼、控制開關與旋鈕、高仿真焊接線纜、高仿真智能化焊鉗與焊條、高仿真防護面罩，研發了與實物緊密結合的手工電弧焊焊接仿真訓練系統。實現仿真的關鍵是測量智能化焊鉗與工作臺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）的相對位置等參數。將獲得的參數進行數字化處理后，依次為依據，通過調用焊點數據庫中預先設置的相應圖像數據，按一定規則在液晶屏幕上顯示，形成模擬焊道（焊點）。關于該系統的尋址電流監測方法、驅動控制電路和配套軟件的研制，另專題闡述。