Тренажер сварщика

СОЮЗ СОВЕТСНИСОЦИАЛИСТИЧРЕСПУБЛИН ИК 09 В 19/2 ИЗОБРЕТЕН ОПИС ВТОРСКОМУ ЕТЕЛЬС 7/28-128384. Бюл, У 1Васильев, С,ало1ут проблем ме АН Украинс8088,81орское свиде3305432/12 к 211 35551 1221 03,01 (461 23,04 72 В, В. ю Н. А. Ро (711 Инсти в энергети 1531 685.6 Данил делироваой ССР Я ельство СССР . 6 09 В 19/24 по заявке22,06,81. инены ка датчи и кольце леменмитат торогоходамбалансков веинформления,котороблока ка датчиковнога третьимблока имиа и вторыми выход е ведения сварки, и вылодом к третьем тации электрода с ного выходами с в ков ведения сварк входу ержат вяза лем иока ходами ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬГПФ(541 1571 ТРЕНАЖЕР СВАРЩИКА, содержащий блок имитации электрода с держа"телем, соединенный первым входом спервым выходом блока управления, под.ключенного вторым выходом к входуимитатора шлема сварщика, блок моделирования теплового баланса, соединенный выходами с первым входом блокауправления и вторым входом блокаимитации электрода с держателем, иблок имитации объекта тренажа, соединенный входами с третьими выходамиблока управления и первыми входамиблока моделирования теплового баланса, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с. целью повышения качества обучения, он имеет блок датчиков ведения сварки с излучающим и приемнымиэлементами, имитатор сварочной ванны,блок имитации электрода с держателемвыполнен в виде полого цилиндра, вкотором расположен секционированный ветовод,состоящии из цилиндричес БО 108805 го, внутреннего и внешнего кольцевыхэлементов, внутренний кольцевой элемент выполнен из кольцевых сегментовобхватывающих по периметру цилиндрический элемент, внешний кольцевойэлемент выполнен в виде усеченногоконуса, один из концов световодаподсоединен к держателю блока имита"ции электрода с держателем, в полости которого расположены излучающийи приемные элементы блока датчиковведения сварки, при этом цилиндрический элемент световода оптическисвязан с излучающим элементом блокадатчиков ведения сварки, кольцевыесегменты внутреннего кольцевого элеента световода онтическ приемными элементами б ов ведения сварки, внеш световода оптически связа ром сварочной ванны, входы ко электрически подключены к вылока моделирования тепловогопервые выходы блока датчиения сварки связаны с первыми ционными входами блока управ-. вторые информационные входы о соединены с вторыми входами оделирования теплового балан1088Изобретение относится к устройствам для обучения приемам и навыкамведения сварки.Известен тренажер сварщика, содержащий блок имитации электрода с дер 5жателем, соединенный первым входом спервым выходом блока управления, подключенного вторым выходом к входуимитатора шлема сварщика, блок моделирования теплового баланса, соединен-Оный выходами с первым входом блокауправления и вторым входом блока имитации электрода с держателем, и блокимитации объекта тренажера, соединенный входами с третьими выходами блока 5управления и первыми входами блокамоделирования теплового баланса 1. 3,Недостатком известного устройстваявляется невысокое качество обучения.Цель изобретения - повышение качества обученияПоставленная цель достигается тем,что тренажер сварщика, содержащийблок имитации электрода с держателем,соединенный первым входом с первымвыходом блока управления, подключенного вторым выходом к входу имитатора шлема сварщика, блок моделирования теплового баланса, соединенныйвыходами с первым входом блока управления и вторым входом блока имитации электрода с держателем, и блокимитации объекта тренажа, соединенныйвходами с третьими выходами блокауправления и первыми входами блокамоделирования теплового баланса,имеет блок датчиков ведения сварки сизлучающим и приемными элементами,имитатор сварочной ванны, блок имитации электрода с держателем выполненв виде полого цилиндра, в которомрасположен секционированный световод,состоящий из цилиндрического, внутреннего и внешнего кольцевых элементов, внутренний кольцевой элементвыполнен из кольцевых сегментов, обхватывающих по периметру цилиндрический элемент, внешний кольцевойэлемент выполнен в виде усеченногоконуса, один из концов световодаподсоединен к держателю блока имита- оции электрода с держателем, в полости которого расположены излучаю".щий и приемные элементы блока датчиков ведения сварки, при этом цилиндрический элемент световода оптически связан с излучающим элементом блока датчиков ведения сварки, кольцевыесегменты внутреннего кольцевого эле 057 2мента световода оптически соединеныс приемными элементами. блока датчиковведения сварки, внешний кольцевойэлемент световода оптически связанс имитатором сварочной ванны, входыкоторого электрически подключены квыходам блока моделирования тепловогобаланса, первые выходы блока датчиковведения сварки связаны с первыми ин"формационными входами блока управления, вторые информационные входы которого соединены с вторыми входамиблока моделирования теплового баланса и вторыми выходами блока датчиков ведения сварки, подключенноготретьим выходом к третьему входу блока имитации электрода с держателем,связанного выходами с входами блокадатчиков ведения сварки.На фиг, 1 приведена схема устройства; на фиг. 2-4 - схема размещениясекций световода на конце имитатораэлектрода; на фиг. 5 - одна из возможных схем реализации блока датчиков ведения свдрки. Тренажер сварщика состоит из блока 1 моделирования теплового баланса процесса сварки, блока 2 управления, блока 3 имитации объекта тренажа(мишени), шлема 4, блока 5 имитации электрода с держателем, блока 6 датчиков ведения сварки, входа 7 сигнала скорости сварки блока , выхода 8 сигнала эн- тальпии блока 1, выхода 9 сигнала горения дуги блока 2 управления, выхода О сигнала нарушения теплового баланса блока 1, выхода 1 сигнала угла наклона имитатора электрода бло. ка 6, выхода 12 сигнала отклонения конца имитатора электрода от центра каретки блока 6,.выхода 13 сигнала длины дугового промежутка блока 6, выхода 14 сигнала тревоги блока 2, выхода 15 сигнала управления горизонтальной скоростью каретки блока 2, выхода 16 сигнала управления реверсом каретки блока 2, выхода 1 сигнала управления вертикальной скоростью каретки блока 2, выхода 18 сигнала управления моторным приводом имитатора электрода 5 блока 2, входа 19 сигнала длины дугового проме - жутка блока 1, выходов 20-23 сигналов с приемных элементов блока 6, расположенных в держателе имитатора 5 электрода, входа 24 излучающего элемента блока 6, расположенного в блоке 5, входа 25 сигнала управления мотор10880ным приводом блока 5, входа 26 сигнала этальпии блока 5,Блок 1 моделирования теплового баланса предназначен для реализации решения уравнения теплопроводностн, 5Блок 3 имитации объекта дренажасодержит подвижнуюкаретку, на которой смонтирована первая лампа накаливания, предназначенная для имитациигорения дуги и присоединенная к ис Оточнику переменного напряжения с частотой 50 Гц, которое постоянно посвоей амплитуде, а также двухкоорди. натный привод со схемой управления.Шлем 4 представляет стандартный 5по размеру и внешнему виду шлем сварщика, в который вмонтированы голов.ные телефоны с регулятором громкости(не показаны).Блок 5 имитации электрода с дер Ожателем содержит держатель 27 электрода, собственно имитатор 28 электрода(полый пруток) и моторный привод 29сдля имитации плавления электрода(фиг. 2-4), Дополнительно ой содержит световод, разделенный на цилиндрический 30 и внешний кольцевой 31элементы, а также четыре кольцевыхсегмента 32-35, которые вплотную охватывают цилиндрический элемент 30 и ЭОрасположены внутри внешнего кольцево- го элемента 31. Один конец световодаимеет форму усеченного конуса, а второй присоединен к держателю имитатора электрода, в полости которого рас- З 5положены излучающий Зб и четыре приемных 37-40 элемента блока 6 датчиков(фиг. 5), а. также лампа 41 накаливания. Цилиндрический элемент 30 световода, расположенный вдоль центральной 4 Ооси имитатора электрода, оптически .связан с излучающим элементом 36 блока 6 датчиков, четыре кольцевых сегмента 32-35 связаны сприемными эле-ментами 37-40 блока 6 датчиков, а . 45внешний кольцевой элемент 31 световода оптически связан с лампой 41накаливания,Для устранения влияния оптическосго излучения, исходящего через свето Овод от излучающего элемента 36, накачество обучения сварщиков, в качестве излучающего элемента .использованИК"излучатель, а в .качестве приемныхэлементов - ИК-приемники (фиг. 5). 55Блок 6 датчиков функционально содержит три узла; датчик длины дугового промежутка (ДПДП), датчик угла(ДУ) наклона имитатора электрода идатчик отклонения (ДО) конца имитатора электрода от центра каретки,ДДДП предназначен для изменения расстояния между концом имитатора 5электрода и мишенью блока 3, Датчик,кроме элементов 36-40, содержит селективные усилитель 42, детекторы 43,сумматор 44, логарифмирующий элемент45, инвертирующий элемент 46 с коэффициентом передачи 0,5, антилогарифмирующий элемент 47, масщтабирующийэлемент 48, генератор 49 и эмиттернья 1повторитель 50,В качестве излучающего элементаЗб могут использоваться любые элементы, предназначенные для преобразования переменного низкочастотного напряжения в инфракрасное, модулированное низкой частотой излучения.Приемные элементы 32-35 предназначены для приема отраженного от блока3 ИК-излучения. В качестве приемныхэлементов могут использоваться фоторезисторы, фотодиоды, фототраиэисторыаСелективнме усилители 42 предназначены для усиления до необходимогоуровня сигналов, принятых элементами37-40, и выделения из этой совокупности сигналов полезного с частотойР5-10 кГц. Селективные усилители должны быть настроены на частотуГ и могут быть построены на основешйроко распространенных элементованалоговой вычислительной техники.Детекторы 43 предназначены для преобразования переменного низкочастотного напряжения с частотой Р в постоянное напряжение, сумматор 44 для суммирования выходных сигналов с детекторов 43.Элементы 45-48 представляют собой преобразователь сигнала длины дугового промежутка, изменяющегося по квадратичному закону с изменением длины дугового промежутка, в сигнал, изменяющийся прямо пропорционально величине дугового цромежутка, поскольку мощность излучения оптйческого сигнала изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния до источника излучения.Таким образом, элементы 45"48 слу. жат для реализации уравненияг1 с(ц)где г - расстояние между мишенью иконцом имитатора электрода;11 - напряжение на выходе сумма. тора 44;Е - масштабный коэффициеит, 5Логарифмирующий элемент 45 предназначен для вычисления логарифма из величины сигнала длины дугового промежуткаНа входе элемента имеется сигнал О, а на выходе - 1 пО 1). Указанный элемент может быть выполнен по известной схеме логарифмирующего усилителя,Иивертирующий элемент 46 используется для инвертирования выходного сигнала с логарифмирующего элемента 45 с соответствующим уменьшением его по величине в два раза. На входе элемента сигнал 1 п(П)., а на выходе " 0,5 1 п(0). В качестве элемента 46 может быть использован любой Инвертирующий усилитель с коэффициентом передачи 0,5.Антилогарифмирующий элемент 47 предназначен для вычисления антилога-рифма из величины - 0,5 1 п(11). На выходе элемента имеется сигнал (О). Элемент может быть выполнен по известной схеме.Иасштабирующий элемент 48 представ ЗО ляет собой неинвертирующий усилитель с коэффициентом передачи На его выходе имеется сигнал, равный 1; (Ц)-1 Р,.Генератор 49 предназначен для ге- д нерации сигналов с частотой Р = 5- 10 кГц и может быть выполнен по известной схеме, селективный усилитель 42 : для усиления по мощности сигналов с генератора 49, а эмиттер ный повторитель 50 - для согласования высокого выходного сопротивления одного из селективных усилителей 42 с низким входным сопротивлением излучающего элемента 36 и может быть 45 выполнен по известной схеме.Датчик угла кроме элементов 36- 40, 42, 43, 49 и 50, общих для ДПДП и ДУ, содержит сумматор 44, элементы ИЛИ 51, дифференциальные усилители 5 О 52 и делитель 53 напряжения. Элементы ИЛИ 51 предназначены для выбора и пропускания на выход большего сигнала из совокупности вход 55 ных сигналов, дифференциальные уси" лителн 52 - для нахождения разности входных сигналов. Датчик отклонения (ДО), кромеэлементов 37-40, общих для ДДЦП, ДУи ДО,содержит детекторы 43, элементИЛИ 51, дифференциальные усилители52, фильтры 54 нижних частот и управляемый аттенюатор 55. Элементы ЦО43, 51 и 52 по своему функциональному назначению и техническому испол"нению аналогичны соответствующимДЦДП и ДУ.Фильтры 54 нижних частот применяются для пропускания низкочастотного сигнала, излученного лампой 56накаливания (фиг. 2-4) с частотойпитающей сети Р = 50 Гц, и подавления сигналов с частотой Г и могутбыть выполнены по известной схемефильтра нижних частот,Управляемый. аттенюатор 55 .предназначен для управления амплитудой сигнала отклонения конца имитатора элек"трода от центра каретки.Имитатор сварочной ванны состоитиз лампы 56 накаливания и внешнегокольцевого элемента 31 световода,При этом блок 5 имитации электрода с держателем выполнен в виде поло.го цилиндра, внутри которого расположен секционированный световод, состоящий из цилиндрического 30, внутреннего и вйешнего 31 кольцевых элементов, внутренний кольцевой элементвыполнен из кольцевых сегментов, ох- .ватывающих по периметру цилиндрический элемент 30, внешний кольцевойэлемент 31 выполнен в виде усеченного конуса, один из концов световодаподсоединен к держателю блока 5,в по-.лости которого расположены излучающий и приемные элементы блока 6 датчиков ведения сварки, цилиндрический элемент световода оптически связан с излучающим элементом блока 6кольцевые сегменты внутреннего кольцевого элемента световода оптическисоединены с приемными элементами блока б, внешний кольцевой элемент световода оптически связан с имитаторомсварочной ванны, входы которогоэлектрически подключены к выходамблока 1 моделирования, теплового ба-.ланса, первые выходы блока б связаныс первыми информационными входамиблока 2 управления, вторые информационные входы которого соединены свторыми входами блока 1 и вторымивыходами блока 6, подключенного тре.тьим выходом к третьему входу блока.Таким образом, при небольших углах наклона имитатора электрода (порядка 20 ) выходные сигналы делителей 53 напряжения пропорциональны состав ляющим углам наклона: Б = Е У, П5К. Точность определения углов наклона блока 5 имитации электрода не зависит от длины дугового промежутка, Элемент ИЛИ 51 выбирает больший по величине выходной сигнал угла наклона в двух взаимно перпендикуляр ных плоскостях и подает его на выход 11 блока 6 датчиков, Этот сигнал изменяется линейно с изменением угла наклона имитатора электрода и, самое 15 главное, остается постоянным при Фиксированном угле наклона блока 5 имитации электрода и изменяющейся длине дугового промежутка.Рассмотрим работу ДО. Входными ин 20формационными сигналами ДО являются ИК сигналы, принятые приемными элементами 37-40 от первой лампы 56 накаливания, расположенной в центре каретки, и имеющие частоту 50 Гц, По 2 величине этих сигналов, принятых по четырем каналам приема, можно судить о положении первой лампы накаливания, имитирующей горение дуги и центр имитируемой сварочной ванны по отношению Зо к центру конца имитатора электрода.Принятые сигналы отфильтровываются фильтрами 54, детектируются двухполупериодными детекторами 43 и подаются ,попарно на входы дифференциальных усилителей 52, На выходах этих усилителей имеется разность сигналов, поступающих на их входы. При ориентации центра конца имитатора электрода точно по направлению первой лампы 4 О накаливания, сигналы, принятые эле.Р.ментами 37-40, одинаковы по величине и, соответственно,разностные сигналы на выходах элементов 52 являются нулевыми, Это связано с тем, что рас 6 тояние между приемными элементами 37-40 и первой лампой 56 накаливания при такой ориентации имитатора электрода одинаково. При наличии расхождения по положению между центром кон па имитатора электрода и первой лампой накаливания эти расстояния изменяются в большую или меньшую стороны для каждого из приемных элементов.Соответственно, изменяются по величи.ие принятые приемными элементами сиг налы, что приводит к возникновению разностных сигналов на выходах элементов 52, которые свидетельствуют о наличии отклонения между концом имитатора электрода и центром каретки блока 3 по двум взаимно перпендикулярным координатам в плоскости каретки, Эти выходные сигналы могут принимать разнополярные значения.Указанные сигналы с элементов 52 поступают на соответствующие элементы 43, которые вычисляют модуль величины этих сигналов и представляют из себя двухполупериодные детекторы. С выходов детекторов 43 однополярные сигналы поступают на элемент ИЛИ 51, который выбирает больший по величине из этих двух сигналов и подает его на вход управляемого аттенюатора 55. Величина сигнала отклонения конца щ итатора электрода от центра карет- ки на входе элемента 55 изменяется по квадратичному закону с изменением величины этого отклонения и величины длины дугового промежутка. Для устра нения этого влияния на точность работы ДО введен элемент 55, представляющий пз себя управляемый аттенюатор или усилитель с управляемым коэффициентом усиления, На направляющий вход элемента 55 поступает на"пряжение с сумматора 44 ДЩ 1 П, которое также изменяется по квадратичному закону с изменением длины дугового промежутка. С помощью этого напряжения удается устранить квадратичность сигнала на информационном входе элемента 55 и свести до минимума влияние величины длины дугового промежутка на точность показаний ДО. На выходе 12 блока 6 датчиков сигнал отклонения конца имитатора электрода от центра каретки изменяется линейно с изменением этого отклонения,Таким образом, блок 6 датчиков йа, своих выходах 11-13 позволяет получить аналоговые сигналы, свидетельствующие о величине угла наклона имитатора электрода, отклонении конца имитатора электрода от центра каретки . и длине дугового промежутка, которые линейно изменяются с изменением указанных выше величин, т.е, блок Ь поз. воляет полностью определять простран. ственное положение имитатора электрода 5 по отношению к центру каретки блока 3 и за счет размещения излучающего и приемных элементов в экранированном держателе имитатора электрода обладает высокой помехозащищен. ностью от внешних воздействий.вая заданные значения длины дуговогспромежуткаи угловое положение имитатора электрода с учетом имитациидвижения каретки и имитации оплавления электрода. В тех случаях, когдаодин из параметров выйдет за допустимые пределы, соответствующие схемыформирования сигналов ошибок обеспечивают регистрацию допущенных ошибок на индикаторах. Выходные сигналыэтих схем,поступая на входы звуковогогенератора сигналов тревоги и звукового сопровождения, управляют послед.ннм один независимо от другого. Сэтой целью на входе звукового генератора установлена схема логическогообъединения выходных сигналов схемформирования сигналов ошибок (ИЛИ),Сигнал горизонтальной скорости свыхода 15 блока 2 управления и выход.ной сигнал длины дугового промежуткас выхода 13 блока 6 датчиков поступа.ют вместе с сигналом нарушения нормального режима сварки с выхода 9блока 2 управления на соответствующиевходы блока 1 моделирования теплово"го баланса, который гырабатывает сигнал тревоги о нарушении теплового режима, поступающий с выхода 10 блока1 на соответствующий вход блока 2. Дляреализации сигнала тревоги о нарушениитеплового режима, звуковой генераторсигналов тревоги и звукового сопровождения блока управления имеет ещеодин вход управления, аналогичный входам управления по сигналам ошибокдлины дугового промежутка, величинеугла наклона имитатора электрода. Навыходе 8 блока 1 формируется сигналобъемной энтальпии сварочной ванны.Этот сигнал, поступая на вход 26блока 5 имитации электрода, управляетяркостью свечения второй лампы накаливания, смонтированной в держателе27 имитатора электрода и оптическисвязанной с внешним кольцевым элементом 31 световода. С помощью этогокольцевого элемента световода модели.руется кольцевая сварочная ванна наповерхности -каретки блока 3, котораяявляется визуальным сигналом степенинагрева сварочной ванны. Имитируемаясварочная ванна имеет затемненнуюцентральную часть в виде окружностис диаметром, равным по величине диа"метру первой лампы накаливания - ими.татор горящей дуги,При расположении имитатора электрода по нормали и строго по центру Тренажер сварщика в целом работа-,Ф ет следующим образом.Ученик подводит блок 5 имитации электрода к центру подвижной каретки/блока 3, соблюдая необходимую длину 5 . дугового промеж :ка и заданное угловое положение имитатора электрода, Если выполнены ограничения заданных длины дугового промежутка, угла наклона имитатора электрода и отклоне О ния его конца от центра каретки,то соответствующие сигналы, свидетельствующие о величине указанных ранее параметров с выходов 11-13 блока 6 поступают на входы схем формирова ния сигналов ошибок по длине дугового промежутка, углу наклона имитатора электрода и отклонению конца имитатора электрода от центра каретки. Выходной сигнал схемы формирования 20 ошибок по длине дугового .промежутка включает с выхода 9 блока 2 управления первую лампу накаливания бло-. ка 3, которая имитирует горение дуги, Всякий раз, когда нарушается уста новленный дуговой промежуток, эта лампа накаливания выключается н выходной сигнал схемы формирования сигналов ошибок по длине дугового промежутка с выхода 9 блока 2 управ- ЗО ления управляет блоком 1 моделирования теплового баланса. Ошибка фиксируется на индикаторе блока 2 управле" ния и включает сигнал тревоги на выход 14 блока 2 управления. При отсут"35 ствии ошибки по длине дугового проме-, жутка этот же сигнал, поступая на вход схемы управления моторным приво дом блока 3, расположенной в блоке 2 управления пРиВОдит к формированию 4 О сигналов управления двигателями подвижной каретки выходы 15-17 блока 2 управления , Каретка приходит в движение, имитируя перемещение жидкой сварочной ванны вдоль кромок сварного шва.Тот же сигнал формирования ошибок по длине дугового промежутка, пройдя через схему управл ния моторным приводом блока 5 имитации электрода, расположенную в блоке 2 управления, приводит в действие моторный привод блока 5 имитации электрода, последний двигается, имитируя оплавление конца электрода при сварке. Ученик55 должен манипулировать имитатором электрода относительно блока 3 таким образом, чтобы отслеживать простран-" ственное положение каретки, выдержи"/оптическая сварочная ванна представляет единую с зетящуюся окружность, состоящую из кольцевой оптической ванны, проектируемой внешним кольцевым элементом световода и лампой 56 накаливания, и в ней отсутствуют затемненные места. При смещении имитатора электрода относительно центра каретки в оптической сварочной ванне (в центре ее) появляются затемненные сегменты (или полная затемненная окружность), которые являются оптическими сигналами обратной связи к обучаемому по правильности отслежи. ванин всех движений каретки, При изменении длины дугового промежутка оптическая сварочная ванна меняет свои размеры и яркость, что создает оптическую обратную связь к обучаемому по правильности поддержания нуж. ной длины дугового промежутка, тепловому режиму сварочной ванны и, как следствие, глубине проплавления имитируемого сварочного металла.При отклонении имитатора электрода блока 5 от нормального положения относительно каретки оптическая сварочная ванна изменяет свою форму и превращается из окружности в эллипс больший диаметр которого показывает в какой плоскости произошло отклонение имитатора электрода от нормального положения, что также является оптической обратноГ. связью к обучаемому по правильности поддержания нужного угла наклона имитатора электрода бло О ка 5.Таким образом, метод моделирования оптической сварочной ванны позво" ляет создавать целую серию оптических сигналов обратной связи к обучае мому по правильности отслеживаниядвижений каретки, длине дугового промежутка, углу наклона имитатора электрода и тепловому режиму сварочной ванны, что в совокупности с звуковыми 20 сигналами обратной связи и высоконадежной и точной системой определения основных параметров имитируемого сварочного процесса позволяет существенно повысить качество обучения сварщи.25 ков по выработке правильных психомоторных навыков и сократить сроки их обучения.