焊工操作量化評價系統的開發與應用

楊利成

關鍵詞：焊工操作 ?量化評價 ?系統開發

焊工是操作焊機或焊接設備，焊接金屬工件的人員，要求具備一定的學習、理解、分析及判斷能力，良好的視力，基本的辨別顏色及識圖能力，手指手臂能靈活、協調地操作焊接設備。但培養一名優秀的焊工需要消耗較多的時間、材料和人力，焊工操作或焊工技能的評價長期成為企業或職業院校、培訓機構的難題，采用可量化、直觀的數據進行評價已經成為現階段焊接領域重要的研究課題。

一、現階段焊工培訓和評價的方式

從行業內來看，焊工培訓評價的方式主要有兩種，每種方式都有優缺點，下面進行簡單介紹和比較。

1.師帶徒方式

師帶徒是最常見的教學或培訓方式。借助經驗豐富、技能突出和具有指導能力的師傅或教師帶領徒弟或學員完成訓練。這種方式具體且直觀，對學員的指導直接且深入。但1名師傅僅能照顧到1～3名學員的訓練，對師傅的技術和經驗都要求較高，且需要師傅長時間在培訓工位中進行輔導，對師傅的體能和責任心同樣要求很高。常見的評價手段以師傅點評為主，不利于成績的長時間記憶和學員的長期提高，消耗材料較多，訓練時間較長，效果不明顯。

2.模擬焊接方式

近幾年，借助VR和模擬仿真技術，焊工培訓領域也逐漸開發出基于VR技術的模擬焊接培訓方式。這種方式采用1：1模擬真實設備，焊接操作過程動畫展示的方式，具有直觀、可量化的優點，減輕了師傅指導的壓力，由系統提供數據進行評價。但本方法全部采用模擬的方式，操作過程不真實，沒有熱傳導、飛濺、煙塵等真實焊接中存在的特征，僅適合于初學者和安全考試等方面使用;且設備昂貴，一臺模擬設備的價格足夠培養幾十名焊工所需的工具、材料和設備的消耗，市場反應一般，推廣價值不高。

二、焊工操作量化評價系統的開發

針對焊工培訓中材料消耗多、培訓時間長、師傅要求高、評價不具體等問題，筆者結合長期焊接專業培訓和教學經驗，在采用真實設備教學的基礎上與傳感器技術相配合，開發出焊工操作量化評價系統，較好地解決了以上問題，在實際教學和培訓中取得了較好的效果。

1.設計思路

施焊者在焊接過程中，會出現手勢不對、中間停頓不合理、層間溫度把握不準、工藝參數調整不準確的現象。但這些現象在實際訓練中只能通過長時間的鍛煉加以熟悉，更涉及 “悟性”等非客觀因素，對培養合格的高技能人才不利。在使用弧焊電源過程中，主要的工藝參數有焊接電流、弧焊電壓等，而且實時變化。利用電流、電壓的傳感裝置及信號收集器來對電流、電壓進行數據分析可以發現，高水平的焊工對工藝參數的把握在一定范圍內。

基于以上理論，筆者根據弧焊電源外特性的變化曲線，制定施焊者在焊接過程中需要控制的工藝參數變化標準，通過采集焊接過程中的電流、電壓等動特性信息，經過與標準數據進行比對、分析和運算，運用合理算法來指導和評價焊工操作水平，并能在弧焊電源評定和焊接工藝評定工作中發揮重要的作用。

2.主要創新點

（1）直觀性。通過傳感器對焊接過程和焊接電參數的監控，把電信號轉化為圖形輸出，并與系統自帶的標準曲線進行對比，產生可量化、直觀的評價報告。

（2）多功能。基于對電信號的處理和分析，可對弧焊電源進行動態監控和測試;可對焊接材料、焊接母材、焊接氣體等焊接材料進行評價和分析，獲得不同材料對焊接過程的影響因素，形成材料檔案和工藝文件。

（3）擴展性。在現有功能的基礎上，可增加溫度傳感器、光傳感器、激光攝像頭等先進設施，向焊縫質量控制、焊縫成型控制、焊縫缺陷預報等方面進行擴展，用途極廣。

3.模塊構成

本系統主要分為硬件模塊和軟件模塊兩部分，具體模塊內容介紹如下。

（1）硬件模塊。硬件模塊主要包括電弧電壓采集模塊、焊接電流采集模塊和過程信息數據采集模塊。其中電弧電壓采集模塊、焊接電流采集模塊主要用來測試焊接的過程信息，然后通過信號線傳遞給過程信息數據采集模塊，此模塊與計算機相連接，最終將采集的信息數據傳遞到計算機中，等待進一步數據分析，評定焊工技能水平。

（2）軟件模塊。圖1是評價系統軟件部分的框架結構圖，其主要功能是進行用戶管理，控制硬件模塊部分完成信息數據采集，對采集的信息數據進行有效分析并對操作人員的技能水平做出量化的評分。

①主界面。在此界面進行用戶登錄，實現在用戶管理、參數設置、數據采集、數據分析、考試成績界面之間的轉換和退出系統功能。

②用戶管理部分。對于用戶操作界面，本程序設置了兩種不同類型的用戶，一種是測試員身份，這種類型用戶只可以登錄系統，完成考生的焊接技能水平基本測試，包括參數設置、數據采集、數據分析和考試成績。另一種是管理員身份，此類型用戶除了可以完成測試員的全部權限外，最主要的是增加了用戶信息管理功能，可以創建/刪除用戶信息庫、注冊/刪除新用戶信息、修改用戶密碼信息。

③參數設置部分。用戶可以對焊接過程的基本參數進行設置，包括焊接方法、弧焊電壓、焊接電流、保護氣體、焊條/絲型號等，還可以對數據采集部分進行設置及采集信息將要保存的路徑等，如圖2所示。

④數據采集部分。在焊接操作開始后點擊開始鍵，本模塊會實時采集焊接過程信息，其波形圖會呈現在界面中并實時更新，也便于觀察焊接過程，如圖3所示。

⑤數據分析部分。此模塊中焊接過程信息將會以波形圖的形式顯示在本窗口，此外還有概率圖、U-I圖和短路概率密度圖，以供后續評價、打分，如圖4所示。

⑥成績分析部分。經過以上幾個步驟的計算、分析，此界面可以顯示考生的基本信息和考試成績，并給出焊接過程中操作的不足之處和需要改進的建議。跳到焊工焊接成績分析界面，將顯示完整的焊接過程信息波形圖及相應的重要焊接過程參數。系統最后可以生成成績報表，包含考生的基本信息、考試類型及成績，焊接過程信息分析等等，如圖5所示。

三、小結

本系統主要對操作者在焊接過程中實時變化的數據進行比對分析，得出結論和操作建議，并在以下方面具有較強的實用性。

1.適用于多種手工焊接方法

對焊條電弧焊（平焊、立焊、橫焊、仰焊四大常用焊接位置，不同直徑焊條，不同酸堿性焊條）、CO2氣體保護焊（不同焊接位置，不同焊絲型號）和鎢極氬弧焊等常見手工電弧焊操作者進行量化評價。

2.適用于弧焊電源動特性測試

在采用半自動或自動焊接過程中，可對弧焊電源的動特性進行有效測試，檢驗弧焊電源的穩定性。

3.適用于焊接材料工藝性測試

在采用半自動或自動焊接方式，且弧焊電源、環境因素等不變的情況下，可對常見焊接材料如母材、焊條、焊絲等進行工藝性測試。

4.適用于在線或遠程焊工操作評價

結合焊縫評價系統，可實現遠程或在線指導焊接過程和評價過程，實現了系統的有效擴展。

系統的開發和應用滿足了焊接教學和培訓需求，為焊接專業高技能人才培養提供了較好的思路和方法。

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（作者單位：長治技師學院）