自供電可換氣帶雙攝像頭電焊面罩研制

許昕蕾，李鍾慎，皮 鈞，王召沛

（1.華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門 361021；2.集美大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，福建 廈門 361021）

1 引言

電焊是利用電弧融化焊條和金屬焊接點(diǎn)實(shí)現(xiàn)剛性連接的工藝，廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造領(lǐng)域。全球焊接用鋼量占鋼材總量的50%以上，而在發(fā)達(dá)國(guó)家這一比例則可高達(dá)70%[1]。電焊作業(yè)的主要職業(yè)危害是弧光、粉塵、有毒氣體、高溫等?；」庵饕t外線、可見光線和紫外線[2]。焊接弧光的紅外線輻射會(huì)導(dǎo)致視網(wǎng)膜灼傷；弧光的可見光線比人眼正常承受的光強(qiáng)大一萬(wàn)倍，會(huì)導(dǎo)致眩輝性視網(wǎng)膜炎；弧光的紫外線輻射會(huì)導(dǎo)致電光性眼炎；我國(guó)電焊作業(yè)人員中，電光性眼炎的罹患率高達(dá)95%以上[1]。電焊產(chǎn)生的有害氣體會(huì)損害人體的呼吸系統(tǒng)，高濃度電焊煙塵會(huì)導(dǎo)致焊工患?jí)m肺病。相關(guān)調(diào)查表明，我國(guó)塵肺病人數(shù)接近100萬(wàn)，電焊工塵肺占比位居前三[3]。電焊高溫環(huán)境易導(dǎo)致操作者悶熱中暑[4]。近年來，電焊招工難的報(bào)道比比皆是，人們不愿從事高薪電焊工作最主要的原因是電焊作業(yè)環(huán)境對(duì)健康不利。

電焊作業(yè)的惡劣環(huán)境對(duì)人體造成了種種傷害，為滿足市場(chǎng)需求各式電焊防護(hù)面罩應(yīng)運(yùn)而生。市場(chǎng)主要有手持式、頭戴式以及光控電焊面罩。手持式電焊面罩以不可變光的黑玻璃片作為鏡組，因成本低廉其應(yīng)用最為廣泛；為了避免焊點(diǎn)偏差，焊工常采用裸眼引弧，極易造成眼部損傷；且當(dāng)遇到需要用手扶持工件時(shí)，無(wú)法手持電焊面罩進(jìn)行防護(hù)[5]。頭戴式電焊面罩雖然可以解放焊工雙手，但在定位、引弧時(shí)，須翻轉(zhuǎn)面罩，操作不便[5]。光控電焊面罩可自動(dòng)變光，是市場(chǎng)上最先進(jìn)的電焊防護(hù)面罩；但光控電焊面罩的變光過程需要時(shí)間，故而起弧瞬間的弧光危害不可完全避免，在起弧瞬間弧光輻射強(qiáng)度達(dá)到極大值，因此弧光仍然會(huì)對(duì)人眼造成傷害；另外，光控電焊面罩具有的基礎(chǔ)色號(hào)（一般為3號(hào)），引弧時(shí)弧光強(qiáng)度大小不穩(wěn)定導(dǎo)致的色號(hào)連續(xù)變化，這都會(huì)造成電焊操作者無(wú)法清晰觀測(cè)電焊工況。電焊作業(yè)的惡劣環(huán)境造成了電焊職業(yè)病的盛行，基于現(xiàn)有電焊面罩防護(hù)功能單一且無(wú)法完全隔絕有害弧光對(duì)人眼的傷害，設(shè)計(jì)一種具多種防護(hù)功能且能夠完全避免有害弧光對(duì)人眼造成傷害的新型電焊面罩，對(duì)其功能模塊和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并測(cè)試性能。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 總體框架

自供電可換氣帶雙攝像頭電焊面罩主要包括：觀察模塊、換氣模塊、自供電模塊，其架構(gòu)圖，如圖1所示。觀察模塊的平光攝像頭可把電焊時(shí)定位和引弧的平光影像傳輸給液晶顯示屏；當(dāng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)條時(shí)，濾光攝像頭可把運(yùn)條的濾光影像傳輸給液晶顯示屏。換氣模塊通過微型直流風(fēng)機(jī)和過濾網(wǎng)實(shí)現(xiàn)散熱與過濾功能。自供電模塊的光伏電池板接收弧光發(fā)電，聯(lián)合鋰電池通過電力均衡器件向面罩的用電器件提供穩(wěn)定電能。

圖1 架構(gòu)圖Fig.1 Architecture Diagram

根據(jù)人體工程學(xué)設(shè)計(jì)自供電可換氣帶雙攝像頭電焊面罩，其結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 電焊面罩總體結(jié)構(gòu)Fig.2 General Structure of Welding Mask

觀察模塊2安裝在面罩殼體1的眼部區(qū)域；通過對(duì)面罩周圍煙塵濃度的分析，面罩殼體的頂部煙塵濃度最小，為減少電焊時(shí)有害煙塵的吸入，將換氣模塊4設(shè)置于面罩殼體1的頂部；為最大限度接收電焊弧光發(fā)電，將光伏電池3板安裝于觀察模塊2的正前方；鋰電池5安裝在面罩殼體1的頂部可調(diào)節(jié)電焊面罩的重心，提高其穿戴的舒適性。

2.2 觀察組件控制流程

電焊操作時(shí)，采用攝像頭拍攝電焊影像并實(shí)時(shí)呈現(xiàn)于液晶顯示屏，焊工通過觀測(cè)液晶顯示屏的影像進(jìn)行電焊，可完全避免有害弧光對(duì)眼睛的傷害，影像切換控制流程，如圖3所示。電焊的定位和引弧工步光強(qiáng)較弱，切換控制電路處于復(fù)位狀態(tài)，平光攝像頭拍攝的影像實(shí)時(shí)傳輸給液晶顯示屏，液晶顯示屏呈現(xiàn)平光影像，通過平光影像可清晰觀察焊條定位和引弧位置，避免焊點(diǎn)的偏差；電焊進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)條工步時(shí)，弧光光強(qiáng)很大且持續(xù)1.5s時(shí)，切換控制電路觸發(fā)，液晶顯示屏切換到濾光影像，通過濾光影像可清晰觀察電焊運(yùn)條的工況，提高焊接精度；當(dāng)電焊運(yùn)條工步結(jié)束且斷弧時(shí)間持續(xù)1.5s 時(shí)，切換控制電路復(fù)位，液晶顯示屏呈現(xiàn)平光影像。運(yùn)條前后兩處的延時(shí)控制，可防止因弧光光強(qiáng)不穩(wěn)定造成液晶顯示屏影像頻繁切換問題。

圖3 影像切換流程Fig.3 Image Switching Process

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 觀察組件

為了便于安裝和維護(hù)，運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)理念，把觀察模塊設(shè)計(jì)成一個(gè)組件裝配在面罩殼體上，如圖4所示。平光攝像頭1和濾光攝像頭6位于面罩的雙眼位置，攝像頭前分別安裝平光鏡2和濾光鏡4，用于拍攝平光和濾光兩種電焊影像；雙攝像頭所拍攝的影像經(jīng)切換控制電路7選擇，交替呈現(xiàn)于液晶顯示屏8；因液晶顯示屏與人眼的距離過近會(huì)導(dǎo)致人眼無(wú)法看清液晶顯示屏的影像，在液晶顯示屏的正前方設(shè)置有凸透鏡9，通過凸透鏡將液晶顯示屏的影像放大，并在明視距離形成清晰虛像，焊工透過凸透鏡可清晰觀測(cè)電焊工況；光敏傳感器3安裝在平光鏡2和濾光鏡4之間，用于接收弧光信號(hào)；光伏電池板5安裝在觀察模塊的正前方，用于吸收高強(qiáng)度弧光發(fā)電。所有功能器件通過分層矩形框10固聯(lián)在一起，形成觀察組件；分層矩形框采用空心注塑腔體，可方便各功能器件電線連接，并減輕面罩重量。凸透鏡的設(shè)置可減小人眼與液晶顯示屏的距離，縮小觀察模塊體積。根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)定液晶顯示屏合適的放大倍數(shù)、液晶顯示屏與凸透鏡間的距離，得出所需凸透鏡的焦距f為：

圖4 觀察組件結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of Observation Module

式中：m—液晶顯示屏放大倍數(shù)；u—液晶顯示屏與凸透鏡間距離。

3.2 換氣組件

在焊接過程中，會(huì)產(chǎn)生大量金屬煙塵和有毒氣體，若長(zhǎng)期吸入，會(huì)對(duì)焊工的肺功能造成一定程度的損傷[6]。由于電焊作業(yè)場(chǎng)所的通風(fēng)情況不盡相同，故將換氣模塊設(shè)計(jì)成一個(gè)組件，供焊工自由選配。換氣模塊的外形為圓筒狀，過濾網(wǎng)1設(shè)置在換氣圓筒2的進(jìn)風(fēng)口，基于對(duì)超細(xì)粒子濃度及顆粒度的分析選取過濾器。為最大限度減小氣流阻力，采用三角支架4將微型直流風(fēng)機(jī)3固定于換氣圓筒2中下部。微型直流風(fēng)機(jī)的風(fēng)量設(shè)置有大小兩檔，可給予使用者更加舒適的送風(fēng)體驗(yàn)。通過換氣圓筒底部的快速卡接件5，將換氣組件安裝在面罩殼體頂部的卡接座上。換氣組件結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 換氣組件結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of Ventilation Module

通過換氣模塊的微型直流風(fēng)機(jī)和過濾網(wǎng)吸入潔凈空氣，在面罩殼體內(nèi)形成自上而下的氣流，達(dá)到過濾和散熱雙重功效，大大降低了有害煙塵的吸入量，解決了因面罩和臉部間空氣不流通，焊工悶熱難受的問題。對(duì)于深井等作業(yè)場(chǎng)所，還可通過換氣模塊的底座連接一條通風(fēng)管道至地面，配合地面上的通風(fēng)機(jī)對(duì)井底焊工輸送潔凈的空氣。

3.3 供電組件

面罩功能模塊的運(yùn)行需要用電，利用光伏電池板吸收高強(qiáng)度弧光進(jìn)行發(fā)電，把有害弧光轉(zhuǎn)化成電能，既解決面罩的供電問題，又減弱弧光的危害，可達(dá)到供電與減弧雙重功效。由于弧光發(fā)電功率不穩(wěn)定，設(shè)計(jì)了鋰電池和電力均衡控制器，根據(jù)光伏電池板的發(fā)電量和功能模塊的耗電量，實(shí)時(shí)調(diào)控鋰電池的充放電：當(dāng)光伏電池板發(fā)電量大于各模塊的總耗電量時(shí)，光伏電池板經(jīng)電力均衡控制器向功能模塊和鋰電池供電；當(dāng)光伏電池板發(fā)電量小于各模塊的總耗電量時(shí)，光伏電池板和鋰電池經(jīng)電力均衡控制器聯(lián)合向功能模塊供電；當(dāng)光伏電池板發(fā)電量等于各模塊總耗電量時(shí)，光伏電池板經(jīng)電力均衡控制器直接向功能模塊供電；各模塊間的接線，如圖6所示。通過電力均衡控制器控制光伏電池板與鋰電池聯(lián)合供電，可確保各功能模塊處于恒功率穩(wěn)定運(yùn)行，并最大限度減少鋰電池充放電損失。

圖6 各模塊間的接線Fig.6 Wiring Between Modules

4 視頻切換控制電路

4.1 控制架構(gòu)

當(dāng)電焊進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)條工步，通過視頻切換控制電路把濾光影像自動(dòng)切換到液晶顯示屏，其控制架構(gòu)，如圖7所示。光敏傳感器接收光信號(hào)，將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳輸至信號(hào)采集模塊，電信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大模塊放大傳輸至計(jì)時(shí)電容模塊；當(dāng)弧光持續(xù)1.5s時(shí)，信號(hào)放大模塊輸出高電位可對(duì)計(jì)時(shí)電容充電，計(jì)時(shí)電容輸出高電位給比較電路，經(jīng)開關(guān)激發(fā)電路驅(qū)動(dòng)開關(guān)切換模塊，從而把濾光攝像頭所拍攝的濾光影像切換到液晶顯示屏。當(dāng)斷弧時(shí)，信號(hào)放大模塊輸出低電位，計(jì)時(shí)電容模塊通過放電電路進(jìn)行放電；當(dāng)斷弧持續(xù)1.5s，比較電路獲得低電位，經(jīng)開關(guān)激發(fā)電路控制開關(guān)切換模塊復(fù)位，平光攝像頭所拍攝的平光影像傳輸給液晶顯示屏。當(dāng)點(diǎn)焊時(shí)，計(jì)時(shí)電容通過放電電路進(jìn)行充放電，比較電路輸入端始終保持低電位，開關(guān)切換模塊始終處于復(fù)位狀態(tài)，液晶顯示屏顯示平光影像。

圖7 視頻切換控制電路架構(gòu)Fig.7 Architecture of Video Switching Control Circuit

4.2 電路設(shè)計(jì)

根據(jù)視頻切換控制架構(gòu)，設(shè)計(jì)控制電路，如圖8所示。采用光敏傳感器E1接收弧光信號(hào)，經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換向信號(hào)采集模塊傳送電信號(hào)，信號(hào)經(jīng)放大模塊U1A后，輸出12V的電信號(hào)對(duì)計(jì)時(shí)電容EC1充電，當(dāng)弧光信號(hào)持續(xù)1.5s時(shí)，計(jì)時(shí)電容EC1輸出12V的高電位給比較電路LM358AD，比較電路LM358AD輸出一個(gè)12V電信號(hào)給開關(guān)激發(fā)電路U2A，該電路控制繼電器K1閉合，V1和V3接通，這時(shí)濾光攝像頭的信號(hào)線經(jīng)過TP6接線端與液晶顯示屏的公共端TP5相連，濾光攝像頭將影像傳送給液晶顯示屏。

圖8 控制電路圖Fig.8 Control Circuit Diagram

當(dāng)電焊結(jié)束時(shí)，光敏傳感器E1輸出的電信號(hào)非常微弱，信號(hào)放大模塊U1A輸出電壓接近0V，計(jì)時(shí)電容EC1通過放電電路Q3放電，當(dāng)斷弧時(shí)間達(dá)到1s時(shí)，比較電路LM358AD輸出電壓為0V，繼而開關(guān)激發(fā)電路U2A 輸出電壓為0V，繼電器K1復(fù)位，V2和V3接通，這時(shí)平光攝像頭的信號(hào)線經(jīng)過TP7接線端與液晶顯示屏的公共端TP5相連，平光攝像頭把影像傳送給液晶顯示屏。計(jì)時(shí)電容EC1和放電電路Q3可防止引弧或點(diǎn)焊時(shí)，因弧光光強(qiáng)不穩(wěn)定引起的液晶顯示屏影像頻繁切換，導(dǎo)致焊工無(wú)法清晰觀測(cè)電焊工況。

5 樣機(jī)制作和測(cè)試

5.1 樣機(jī)制作

觀察模塊采用2個(gè)673CCD微型攝像頭，在雙攝像頭前分別安裝色號(hào)為0 的白玻璃片和色號(hào)為的13 黑玻璃片，選用3.5 寸TFT液晶顯示屏與雙攝像頭電性連接。換氣模塊選用過濾精度為0.3μm 的過濾網(wǎng)，采用SRF500 微型直流電機(jī)，風(fēng)葉直徑為85mm。根據(jù)各用電器件的功耗，選用3000mAh 12V 的鋰電池，配置2塊尺寸為（100×28）mm的光伏電池板。用分層矩形框把光伏電池板、雙攝像頭、視頻切換控制電路板、液晶顯示屏等組裝成一體，得到觀察組件；通過換氣圓筒固定過濾網(wǎng)和微型直流電機(jī)，得到換氣組件；用矩形殼體組裝鋰電池、電力均衡控制器和電源開關(guān)等，得到電源組件；各功能組件安裝在電焊面罩殼體上，用樣機(jī)進(jìn)行實(shí)際焊接實(shí)驗(yàn)，如圖9所示。

圖9 樣機(jī)焊接實(shí)驗(yàn)Fig.9 Welding Experiment of Prototype

經(jīng)實(shí)際體驗(yàn)，觀察組件可完全隔絕電焊弧光對(duì)人眼的傷害，換氣組件可提供潔凈舒適氣流，實(shí)現(xiàn)散熱和過濾雙重功效。

5.2 樣機(jī)測(cè)試

采用所研制的電焊面罩進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)，在定位時(shí)，平光攝像頭信號(hào)線與液晶顯示屏接通，液晶顯示屏可清晰觀測(cè)焊條的起焊點(diǎn)，如圖10（a）所示。在引弧時(shí)，平光攝像頭信號(hào)線與液晶顯示屏保持接通狀態(tài)，液晶顯示屏顯示焊接處的弧光為微弱白色光團(tuán)，可視清焊點(diǎn)防止焊點(diǎn)偏差，如圖10（b）所示。當(dāng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)條時(shí)，濾光攝像頭與液晶顯示屏相連接，液晶顯示屏可清晰觀測(cè)運(yùn)條方向與熔池狀態(tài)，如圖10（c）所示。觀察模塊由雙攝像頭與液晶顯示屏拍攝與顯示的平光、濾光影像避免人眼直視弧光，可完全隔絕有害弧光對(duì)人眼的傷害；液晶顯示屏自動(dòng)切換顯示雙攝像頭的平光和濾光影像，便于焊工舒適過渡定位、引弧、運(yùn)條電焊工步，清晰觀測(cè)電焊工況，可提高焊接精度和效率。

圖10 電焊工步影像Fig.10 Welding Steps Image

攝像頭所拍攝的影像傳輸至液晶顯示屏?xí)r，會(huì)存在影像顯示滯后現(xiàn)象，為分析影像顯示滯后引起的電焊誤差，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試電焊面罩?jǐn)z像顯示的延遲時(shí)間。利用攝像機(jī)同時(shí)拍攝電腦顯示屏?xí)r間和自供電帶雙攝像頭電焊面罩屏幕顯示時(shí)間，如圖11所示。

圖11 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景Fig.11 Experimental Scenario

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，顯示屏影像顯示滯后時(shí)間始終為0.03s。手工電弧焊的焊接速度在3mm∕s 左右，使用帶雙攝像頭電焊面罩影像顯示滯后所造成的操作誤差約0.1mm，該誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電焊的手工操作誤差值，故顯示屏顯示圖像滯后對(duì)焊接操作造成影響可忽略。

6 結(jié)論

（1）所研制自供電可換氣帶雙攝像頭電焊面罩的觀察組件由雙攝像頭與液晶顯示屏組成，采用平光攝像頭拍攝電焊定位、引弧影像，濾光攝像頭拍攝電焊運(yùn)條影像，避免人眼直視弧光，可完全隔絕電焊弧光對(duì)人眼的傷害。通過視頻切換控制電路將平光影像和濾光影像自動(dòng)切換顯示于液晶顯示屏，便于焊工連續(xù)觀測(cè)電焊定位、引弧、運(yùn)條工步的工況，提高焊接精度。（2）換氣組件的微型直流風(fēng)機(jī)與過濾網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)散熱與過濾雙重功效，為焊工提供潔凈、舒適的氣流。自供電模塊的光伏電池板利用高強(qiáng)度弧光發(fā)電，實(shí)現(xiàn)減弧和自供電雙重功效。通過光伏電池板和鋰電池聯(lián)合供電，可確保各功能器件恒功率穩(wěn)定運(yùn)行。（3）經(jīng)測(cè)試，電焊面罩?jǐn)z像顯示的延遲時(shí)間為0.03s。手工電弧焊的焊接速度在3mm∕s左右，使用帶雙攝像頭電焊面罩影像顯示滯后所造成的操作誤差約0.1mm，該誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電焊的手工操作誤差。