焊接工藝仿真訓練系統(tǒng)中焊點數(shù)據(jù)的建立方法

許崇良++董云杰

摘 要

采用現(xiàn)有焊機的外形、控制按鈕（開關）與現(xiàn)有焊鉗高度相似的焊鉗及線纜，利用計算機技術，形成的一種有實物參入的手弧焊仿真訓練系統(tǒng)。本文主要介紹仿真系統(tǒng)中焊點數(shù)據(jù)的架構及建立方法。

【關鍵詞】數(shù)據(jù) 焊點圖形 焊鉗 焊道 手工電弧焊

1 引言

利用計算機控制技術，在專門的驅動控制電路及專用驅動控制軟件支持下，形成一種有實物介入的手弧焊高仿真訓練系統(tǒng)。如圖1所示。

在實施仿真焊接時，通過測量仿真焊鉗與焊件（液晶顯示屏）距離（電弧的長度）換算而成仿真焊機的工作電流。根據(jù)測得的電流、仿真焊鉗移動速度以及預設的焊條直徑等參數(shù)，從PC數(shù)據(jù)庫中讀取相應的圖像，并按一定規(guī)則顯示在液晶顯示屏上，形成焊道（焊點）圖像。并調用防護面罩上液晶顯示屏控制驅動電路中弧光顯示程序，并在防護面罩的液晶顯示屏上顯示模擬弧光。因此需要建立各種工況下的焊點數(shù)據(jù)。本文主要介紹焊點數(shù)據(jù)的建立方法。

2 焊點數(shù)據(jù)庫建立

2.1 數(shù)據(jù)建立的基本原理是

焊條直徑一旦確定，則焊點數(shù)據(jù)與電流成對應關系。因此可按焊條材料，建立不同焊條直徑的各種電流下的焊點圖形數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫地址編碼規(guī)則，可以采用焊條直徑代碼+尋址監(jiān)測電流代碼方式，也可以可以采用焊條直徑代碼和尋址監(jiān)測電流代碼進行與運算方式。焊點圖形通過實驗的方法取得。同一直徑的焊條焊點數(shù)據(jù)庫分為引弧、穩(wěn)定工作、焊穿、滅?。ㄏɑ。┧膫€區(qū)域。如圖2所示。例如，選擇焊條直徑為2mm ，電流為50A時對應①位置，51A對應②位置，53A對應③位置。

引弧區(qū)域與手工電弧焊引弧過程相對應。常用的引弧方法有劃擦法和敲擊法兩種，如圖3所示。焊接時將焊條端部與焊件表面通過劃擦或輕敲接觸，形成短路，然后迅速將焊條提起2～4mm距離，電弧即被引燃。若焊條提起距離太高，則電弧立即熄滅。

在本系統(tǒng)中可通過軟件判斷仿真焊鉗，從接觸屏幕（工件）到使電弧穩(wěn)定燃燒時的距離及所用的時間來確定。

穩(wěn)定工作區(qū)域是指焊接過程中能使電弧穩(wěn)定燃燒所對應的焊接電流區(qū)域，即手工焊焊條的操作運動階段。此階段焊條應向前傾斜 70～80?， 合理的電弧長度約等于焊條直徑，合適的焊接速度應使所得焊道的熔寬約等于焊條直徑的兩倍，焊速太高時焊道窄而高，波紋粗糙，熔合不良，焊速太低時，熔寬過大，焊件容易被燒穿。

焊穿區(qū)域是指當電流過大或移動速度過小時，將工件焊穿的工況?？赏ㄟ^軟件判斷仿真焊鉗與屏幕的距離、單位時間內仿真焊鉗與焊縫的基點（定位參照點）位移變化來確定電弧長度及焊速。

滅?。ㄏɑ。﹨^(qū)域與電弧的熄滅操作過程相對應。在焊接過程中，電弧的熄滅是不可避免的。滅弧操作方法有多種。常用的方法有兩種，一 是將焊條運條至接頭的尾部，焊成稍薄的熔敷金屬，將焊條運條方向反過來，然后將焊條拉起來滅弧；二是將焊條握住不動一定時間，填好弧坑然后拉起來滅弧。 在本系統(tǒng)中可通過軟件判斷仿真焊鉗距屏幕（工件）距離來確定。

2.2 數(shù)據(jù)庫圖形采集基本方法

數(shù)據(jù)庫焊點圖形通過實驗的方法取得。

2.2.1 實驗主要器材

交流弧焊機、焊鉗、鐵板（2mm）、焊條等常用焊接設備；高精度電流表、電壓表，高精度電流傳感器、電壓傳感器及電流電壓實時存儲記錄設備；三臺高速高清數(shù)字攝像機及高清數(shù)字圖像采編存儲計算機。高精度電流傳感器、電壓傳感器及用于采集焊接時實時電流、電壓數(shù)據(jù)的存儲記錄設。一架攝像機主要用于采集焊接時焊道（熔池）形成圖像，另一架攝像機主要用于采集焊接時焊弧長度，第三架攝像機主要用于采集焊接時焊條移動速度、運條及引弧、滅弧圖像。

2.2.2 實驗方法

首先給3臺攝像機配備濾光片，并調至50幀/秒高速高清錄像格式，將設備連接并調試至運行狀態(tài)，由熟練手工電弧焊技師按照規(guī)范操作。按焊點數(shù)據(jù)庫要求同步采集記錄引弧、穩(wěn)定工作、焊穿、滅弧四個過程的電流、電壓數(shù)據(jù)、焊道（熔池）形成、焊弧長度、焊條移動速度、運條圖像。對電流、電壓數(shù)據(jù)、焊弧長度、焊條移動速度圖像進行分析，找出焊接電流與焊弧長度、焊條移動速度的對應關系。確定當保持焊弧長度不變，焊條移動速度過快或過慢對電流影響，及對焊道（熔池）形成圖像的影響，找出電流與焊道（熔池）形成圖像的對應關系。用專用軟件將錄像分成幀，將與檢測電流對應的效果好的幀圖像進行修正制作，形成焊點圖像。焊點圖像分別存放在相應的位置，形成焊點數(shù)據(jù)庫。實驗時焊接電流級數(shù)取得越小，數(shù)據(jù)焊點圖像制作越精致，則數(shù)據(jù)庫越精確。

2.2.3 引弧數(shù)據(jù)庫焊點圖形采集

引弧是手工電弧焊最基本的操作，對初學者十分重要。如上所述，手弧焊主要有兩種引弧方法，但引弧機理相同，即將焊條端部與焊件表面接觸，形成短路，然后迅速將焊條提起2～4mm距離，電弧即被引燃。

分析實驗中引弧過程數(shù)據(jù)，找出兩種不同引弧方法的瞬間短路及電弧穩(wěn)定燃燒時電流數(shù)值，以及電流變化規(guī)律。確定引弧過程電流與焊點成像對應規(guī)律。以此為基礎建立引弧數(shù)據(jù)庫。用同樣方法采集滅弧數(shù)據(jù)。

2.2.4 穩(wěn)定工作（運條）數(shù)據(jù)庫焊點圖形采集

運條是手弧焊使焊過程，焊弧長度、焊條的移動速度、焊條運動形式影響焊接質量。運條數(shù)據(jù)需采集：

（1）采用合理的焊弧長度、焊條移動速度、焊條運動形式焊接過程中電流數(shù)據(jù)及電流與焊點成像對應規(guī)律；

（2）當焊條移動速度、焊條運動形式保持不變，焊弧長度變化時電流數(shù)據(jù)及電流與焊點成像對應規(guī)律；

（3）當焊弧長度不變，焊條移動速度、焊條運動形式變化時電流數(shù)據(jù)及電流與焊點成像對應規(guī)律；

（4）當焊弧長度不變，焊條移動速度過慢，出現(xiàn)焊穿現(xiàn)象時電流數(shù)據(jù)及電流與焊點成像對應規(guī)律；

（5）當焊弧長度不變，焊條移動速度過快，出現(xiàn)斷火現(xiàn)象時電流數(shù)據(jù)及電流與焊點成像對應規(guī)律；

（6）當焊條移動速度不變，焊弧長度增加，出現(xiàn)斷火現(xiàn)象時電流數(shù)據(jù)及電流與焊點成像對應規(guī)律；

（7）當焊條移動速度不變，焊弧長度減小，出現(xiàn)焊穿現(xiàn)象時電流數(shù)據(jù)及電流與焊點成像對應規(guī)律。

3 結語

分析實驗中引弧、運條過程數(shù)據(jù)，找出焊接電流與焊弧長度、焊條移動速度的對應關系。確定引弧過程電流與焊點成像對應規(guī)律。以此為基礎建立引弧數(shù)據(jù)庫。對電流、電壓數(shù)據(jù)、焊弧長度、焊條移動速度圖像進行分析，確定當保持焊弧長度不變，焊條移動速度過快或過慢對電流影響，及對焊道（熔池）形成圖像的影響，找出電流與焊道（熔池）形成圖像的對應關系。

參考文獻

[1]梁森，王侃夫，黃杭美等主編.自動檢測與轉換技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006（02）.

[2]陳志恒，胡寧等主編.汽車電控技術[M].高等教育出版社，2008（04）.

[3]伍廣主編.焊接工藝[M].北京：化學工業(yè)出版社，2009（04）.

[4]黃石生主編.電弧電源及其數(shù)字化控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007（01）.