CC BY
51
УДК 621.791.75:004
В.Ф. ЛУКЬЯНОВ, ДИНЬ ЧЫОНГ ШОН, В.А. СОФЬЯННИКОВ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ТРЕНАЖЕРОВ
МОТОРНЫХ НАВЫКОВ СВАРЩИКА РУЧНОЙ ДУГОВОЙ СВАРКИ
Разработан компьютерный тренажер сварщика и проведен анализ закономерностей процесса выработки практических навыков поддержания рационального движения имитируемого электрода в процессе начальной подготовки сварщиков ручной дуговой сварки.
Ключевые слова: ручная дуговая сварка, практические навыки, тренажер сварщика, визуализация траектории электрода, визуализация скорости движения электрода.
Введение. Дуговая сварка плавящимся металлическим электродом в настоящее время является одним из самых распространенных методов получения неразъемных соединений при изготовлении металлоконструкций. Предполагается, что доля ручной дуговой сварки покрытыми электродами к 2010 г. составит 20-25% от общего объема сварки [1]. В совокупности с механизированной сваркой, где также велика роль практических навыков сварщика, объем применения этих методов достигает 80-90%. Это объясняется высокой универсальностью и значительной мобильностью ручной и механизированной дуговой сварки. Во многих случаях эти методы сварки имеют преимущество по техническим и по экономическим причинам [2].
При выполнении сварки данными способами большую роль играет человеческий фактор. Принято считать, что доля швов с дефектами, появляющимися по вине сварщика, может достигать 30-40%. В связи с этим практической подготовке сварщиков, выработке у них моторных навыков уделяется большое внимание как в российских учебных центрах, так и за рубежом.
Однако вредное воздействие дуги на здоровье сварщика [3] оказывает особенно сильное воздействие именно в период обучения, когда рабочий еще не получил необходимых практических навыков. Поэтому моделирование сварочного процесса, применение тренажера для обучения - перспективный путь для получения практических навыков в щадящей для здоровья среде.
На начальном этапе обучения тренажеры, по сравнению с обучением в производственной среде, позволяют ускорить процесс получения необходимых навыков благодаря возможности расчленить моторные действия сварщика на составляющие и тренировать сварщика на выполнение каждой составляющей отдельно. Часть функций сварщика тренажер позволяет имитировать близко к тому, как они исполняются в производственной среде, а некоторые реализуются на тренажере намного лучше. Применение тренажеров позволяет в ряде случаев во много раз ускорить процесс обучения и добиться высокого его качества [4].
Концепция тренажера для выработки моторных навыков. В настоящее время ни один из существующих тренажеров сварщиков не позволяет полностью исключить необходимость тренировки в производственной среде. Основная цель тренажера состоит в том, чтобы обеспечить возможность отрабатывать основные необходимые движения рабочего инструмента (электрода, сварочной горелки, держателя) раздельно и последовательно, вырабатывая моторные навыки.
В связи с этим процесс перемещения рабочего инструмента вдоль сварного соединения необходимо разделить на основные составляющие, которые должны учитываться при разработке тренажера как элементы, требующие отдельных моторных навыков.
При выполнении ручной и механизированной дуговой сварки к таким элементам относятся следующие:
- перемещение сварочного электрода вдоль заданной траектории с заданной точностью;
- поддержание скорости перемещения электрода с заданной скоростью;
- поперечные колебания конца электрода с заданной частотой, амплитудой, траекторией;
- поддержание и изменение наклона электрода в заданных пределах;
- вертикальные перемещения электрода для поддержания заданной величины дугового промежутка.
В процессе тренировки моторных навыков тренажер должен контролировать погрешность выполнения движений электрода, обеспечивать обратную связь с обучаемым и подавать сигнал при выходе значений параметра за установленные пределы.
Работа тренажера должна быть в максимальной степени визуализирована, а результаты работы должны быть запротоколированы и должны пройти статистическую обработку. Желательно, чтобы тренажер позволял оценивать работу сварщика в реальном времени и обладал ин-
терактивностью.
Поскольку предполагается раздельная тренировка отдельных элементов движения руки сварщика, допустимо для выработки моторных навыков использовать несколько типов тренажера.
Ниже представлен тренажер для выработки моторных навыков перемещения электрода вдоль заданной плоской траектории сварного соединения с заданной скоростью движения.
Устройство и работа тренажера. Тренажер функционирует на базе ПК типа 1ВМ. В качестве рабочей поверхности изделия используется интерактивный экран с диагональю размером 17 дюймов.
Имитатором сварочной горелки служит перо-мышь, закрепленное на обычном стандартом электрододержателе для ручной дуговой сварки. Программное обеспечение тренажера написано на языке Borland-DelPhi.
Основная идея, которая реализована при функционировании тренажера, состоит в следующем. С частотой до 100 Гц производится считывание координат пера-мыши на поверхности интерактивного экрана, формирование массива точек, последующий расчет параметров процесса дви-
79
жения и анализ. Для анализа скорости движения пера-мыши значения массива рассчитывают периодически с частотой, соответствующей возможной частоте колебания руки оператора - 10...30 Гц. Отношение величины вектора, определяемого координатами, фиксируемого по положению имитатора сварочной горелки к длине временного промежутка, через который происходит считывание координат, позволяет определить действительное мгновенное значение скорости движения сварочной горелки вдоль свариваемого стыка. Несовпадение заданных и реально фиксируемых координат позволяет определить смещение или ошибку ведения электрода по стыку свариваемых деталей.
Тренажер позволяет оценивать точность движения электрода вдоль траектории прямолинейного или криволинейного шва. Имеется возможность настройки тренажера на имитацию выполнения швов различного размера по ширине.
Перед началом работы предусмотрена регистрация обучаемого сварщика, включающая следующую информацию: фамилию, имя, отчество, а также номер учебной группы. Дата и время вводятся автоматически. После регистрации необходимо приступить к настройке параметров шва, протяжённости и кривизны, ширины наплавленного валика сварного соединения и др. Рекомендуемая скорость сварки (движения рабочего инструмента вдоль заданной траектории) рассчитывается по формуле [5]
ЛТ - а Н ^Э К V СВ ~ '
СВ 100.Fшв .р
где К - коэффициент, равный 25-60А/мм в зависимости от диаметра электрода dЭ , мм; аН - коэффициент наплавки, г/А-ч (принимают из характеристики выбранного электрода); Fшв - площадь поперечного сечения шва при однопроходной сварке (или одного слоя валика при многослойном шве), см2; Р - плотность металла электрода, г/см3 (для стали р =7,8г/см3).
Обучаемый должен быть проинформирован о рекомендуемой скорости сварки.
После того как проведены регистрация и все необходимые настройки, приступают непосредственно к имитации процесса выполнения сварного шва. Для этого на главной панели необходимо нажать диалоговую кнопку «Начать». На интерактивном экране появляется рабочая поверхность с нанесенной на нее траекторией будущего сварного шва. Имитация процесса сварки начинается с момента нажатия кнопки на электрододержателе. В нижней части экрана находятся информационные поля, поясняющее текущее состояния процесса имитации сварки.
В тренажере предусмотрена интерактивная связь. В зависимости от скорости перемещения электрода ширина следа (шва) и его цвет меняются на интерактивной поверхности тренажера. Если появляется белый след, то скорость выше заданной, если синий след, скорость соответствует за-
80
данному диапазону, а если красный след, то скорость низкая. Ориентируясь на цвет и ширину следа (шва), сварщик имеет возможность корректировать скорость перемещения электрода по стыку. Звуковые сигналы высокого и низкого тона сообщают сварщику об отклонении от нормы процесса (скорость выше заданной, скорость низкая, электрод отклонился от заданной траектории движения). В процессе выполнения в реальном времени на информационных полях выводятся текущие значения скоростей и отклонения электрода от заданной траектории сварного шва. Имитация процесса сварки будет продолжаться до тех пор, пока нажата кнопка на электро-додержателе. Программа контролирует качество параметров процесса, и при значительных отклонениях процесс может прерваться, например, в случае слишком быстрого перемещения электрода.
Тренажер имеет режим «навязанной» скорости перемещения электрода, когда сварщик должен перемещать конец электрода вслед за точкой, движущейся с заданной скоростью по экрану тренажера.
Выработку моторных навыков можно производить в различных пространственных положениях.
По результатам имитации выполнения сварного шва программа производит статистическую обработку отклонений электрода от заданной траектории и изменения скорости сварки, фиксируемых в процессе соответствующего упражнения на тренажере. Результаты статистической обработки представлены на информационной панели в виде графиков и гистограмм распределения этих параметров (рис.1). Статистические параметры полученных результатов позволяют объективно оценивать изменение уровня моторных навыков путем сопоставления с эталоном по критерию стабильности.
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Скорость движения электрода вдоль шва, м/ч Рис.1. Пример изображения результатов тренировки на тренажере в виде информационной панели
Постановка эксперимента. Для апробации тренажера и разработки методики исследования процесса выработки моторных навыков был проведен
эксперимент с участием в качестве обучаемых трех студентов первого курса, не владеющих навыками сварки. Каждый день студенты работали один час в течение 23 дней. Испытуемые каждый день проводили имитацию сварки не менее 20-ти раз, после чего проводился статистический анализ результатов. Условия имитации соответствовали скорости сварки 9,8 м/ч, шов прямолинейный.
Результаты экспериментов. Результаты роста практических навыков трёх учеников-сварщиков в процессе обучения на протяжении 23 дней тренировок представлены на рис.2 и рис.3. В эксперименте прослеживается тенденция к постепенному снижению величины средних отклонений от оси шва и средних отклонений скорости по мере накопления опыта работы на тренажере. При этом динамика накопления опыта следования для каждого испытуемого во время проведения испытаний неодинакова. По мере тренировки наблюдается уменьшение среднего значения отклонения электрода от стыка и дисперсии разброса этих значений.
^ср,мм 5 И а
' 10 ЭШ-Саелнее отклонение электоола пеового студента
і /
< { „Л Г
Ї с іо Эй 3_
>п ■: 5.
с. п пгл £ ти? Э(3 1
N. \с >. . У
4 \ л ^ 1 <
/ і г. ~ і > і ч. -о.
0(2 У~ щ
С.С.0(1)- Среднее стандартно от{ріонение первого студента
о\ о\ о\ о\ о\ о\
С--.] 0-3 С'З С'З 0-1 О-і С-І
Дата
чо ^
00
Рис.2. Зависимость среднего отклонения траектории электрода (СОЭ), среднего стандартного отклонения (С.С.О) от числа проведения сварки (1,2,3- в скобке - первый, второй и третий студент соответственно)
Рис.3. Зависимость среднего стандартного отклонения скорости (ССО), коэффициента вариации скорости (КВ) от числа проведения сварки (1,2,3 - в скобке - первый, второй и третий студент соответственно)
После 17-19 дней тренировки наблюдается стабилизация моторных навыков у всех трех испытуемых. Аналогичный характер изменений наблюдается и в отношении стабильности поддержания скорости движения электрода.
Полученные результаты позволяют рекомендовать использование компьютерного тренажера для выработки моторных навыков сварщика на начальном этапе обучения.
Выводы: 1. Для целенаправленного формирования моторных навыков на начальном этапе обучения сварщиков ручной дуговой и механизированной сварке целесообразно использовать тренажеры, позволяющие разделить процесс перемещения рабочего инструмента вдоль сварного соединения на основные составляющие, раздельно и последовательно закреплять отдельные моторные навыки с использованием интерактивных средств.
2. Разработан компьютерный тренажер для выработки моторных навыков движения электрода вдоль траектории свариваемого стыка, обеспечивающий в процессе тренировки визуализацию траектории и скорости движения электрода.
3. Проведенные эксперименты подтверждают эффективность применения тренажера. Трехнедельная тренировка обучаемых (по одному часу в день), не имевших первоначальных моторных навыков, позволила сфор-
мировать их, повысить стабильность точности траектории и скорость движения электрода вдоль свариваемого стыка.
4. Тренажер можно рекомендовать в качестве дидактического средства первичного обучения сварщиков и других рабочих профессий, требующих точного движения руки, в частности, он позволяет вырабатывать у учеников-сварщиков навыки рациональных движений электрода по стыку.
Библиографический список
1. Шалимов М.П., Панов В.И. Сварка вчера, сегодня, завтра.
Екатеринбург, 2006 [Электрон. ресурс]. Режим доступа: http://www.s-
varkainfo.ru/rus/lib/history/h12/.
2. Berge J. M. Automating the welding process: successful implementation of automated welding systems, New York, Industrial Press, 1994.
3. Wang Y., Chen Y., Nan Z., Hu Y. Study on Welder Training by Means of Haptic Guidance and Virtual Reality for Arc Welding, International Conference on Robotics and Biomimetics, December 2006, Kunming, China.
4. Гавва В.М. Малоамперный дуговой тренажер сварщика// НИЦСКАЭ ИЭС им. Е.О.Патона [электрон. ресурс]. Режим доступа: http://www.et.ua/welder/news/2000-6-4.html.
5. Акулов А.И. Технология и оборудование электрической сварки плавлением. / А.И.Акулов, Г.А.Бельчук, В.Г.Демянцевич. - М.: Машиностроение, 1977.-432с.
Материал поступил в редакцию 20.05.09.
V.F. LUKYANOV, T.S. DINH, V.A. SOFIANNIKOV
PRINCIPLES CONSTRUCTION SIMULATORS
MOTOR SKILLS OF THE WELDER MANUAL ARC WELDING
Developed computer simulator welder and analysis laws process development practical skills of maintenance rational movement simulated electrode during initial preparation welder's manual arc welding. Lead to discussion of results experiments.
According to the results of experiment we concluded that, using a computer simulator can make a welding beginner more and easy to understand on what he/she is doing and quickly get the practical experience compared to the one who is using the real welding system.
ЛУКЬЯНОВ Виталий Федорович (р.1940), зав.кафедрой "Машины и автоматизация сварочного производства" (1987). Действительный член Российской Инженерной академии, лауреат премии Правительства России в области науки (1997), доктор технических наук (1985), профессор (1987). Окончил РИСХМ (1962) по специальности "Оборудование и технология сварочного производства".
Основные направления научной деятельности: конструкционная прочность и трещиностойкость сварных соединений.
Автор более 200 научных трудов, в том числе двух монографий, трех учебных пособий. Имеет 24 авторских свидетельства. Под его руководством защищено две докторские и 14 кандидатских диссертаций.
ДИНЬ Чыонг Шон (р.1979), аспирант кафедры "Машины и автоматизация сварочного производства" ДГТУ. Окончил ВолгГТУ (2006) по специальности "Оборудование и технология сварочного производства".
Направление научной работы: подготовка и аттестация сварщиков сварочного производства.
Автор трех публикаций.
СОФЬЯННИКОВ Владимир Александрович (р.1956), доцент кафедры "Машины и автоматизация сварочного производства" ДГТУ (2008), кандидат технических наук (1995). Окончил РИСХМ (1979).
Область научных интересов: контактная сварка, сварка плавлением.
Автор 15 научных работ.
lukianov@donpac. т truongson @таН. т sofiannikov@aaanet т
