Тренажер сварщика

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХСПУБЛИН е св 9 В 19 САНИ ОБР ТЕН К АВТОРС ЕЛЬСТВУ(21) (22) (46) (72) и Н, (71) в эн (53) (56.) заявк 3423851/18- 19.04.82 30.08.83. Б В.В.ВасильеА.Ропало Институт прергетике АН 681.36.51(0 1.Авторское е В 3305432/ В 32(54) (57) ТРЕНАЖЕР СВАРЩИКА, содержащий имитатор электрода с держателем, соединенный с блоком управления, подключенным к клеммам щлема сварщика, блоку моделирования теплового баланса процесса сварки и блоку имитации объекта тренажа, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с цельюповвааения эффективности тренажа, он имеет блок регистрации пространственного положения электрода, а имитатор электрода выполнен в виде полого цилиндра, внутри которого расположены изолированные один относительно другого датчики угла и длины ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ ССС ГЮ ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬ дугового промежутка с инфракрасными излучающими и приемными элементами, при этом излучающие и приемные элементы датчиков, оси которых параллельны центральной оси имитатора электрода, разделены на группы, одна из которых расположена вдоль центральной оси имитатора электрода, о а другие размещены вдоль образующей цилиндра имитатора электрода, причем выходы имитатора электрода с держателем электрически соединены с первыми входами блока регистрации пространственного положения электрода, вторые входы которого подключены к сигнальным выходам блока управления, соединенного информаци-оиными входами с первыми выходами блока регистрации пространственного фф положения электрода, подключенного :одним из первых выходов дополнительно к информационному входу блока моделирования теплового баланса про- г цесса сварки и связанного вторыми выходами с входами имитатора электрода с держателем.Изобретение относится к тренажерам сварщиков и может быть использовано при подготовке сварщиков,Известен .тренажер сварщика, содержащий имитатор электрода с держателем, соединенный с блоком управления,. подключенным к клеммамшлема сварщика, блоку моделирования теплового баланса процесса сварки и, блоку имитации объекта тренажа 1. 10Недостатком известного тренажераявляется невысокая эффективностьтренажа.Цель изобретения - повышение эффективности тренажа. 15Поставленная цель достигается тем,что тренажер сварщика, содержащийимитатор электрода с держателем,соединенный с блоком управления,подкюпбченным к клеммам шлема сварщика, блоку моделирования тепловогобаланса процесса сварки и блоку имитации объекта тренажа, имеет блокрегистрации пространственного положения электрода, а имитатор электродавыполнен в виде. полого цилиндра, внутри которого расположены изолированные. орян относительно другого датчики угла и длины дугового промежуткас инфракрасными излучающими и приемными элементами, при этом излучающие и приемные элементы датчиков,оси которых параллельны центральнойоси имитатора электрода, разделенына группы, одна иэ которых.расположена вдоль центральной оси имитатора электрода, причем выходы имитатора электрода с держателем элект"рически соединены с первыми входамиблока регистрации пространственногоположения электрода, вторые входы 40которого подключены к сигнальнымвыходам блока управления, соединенного информационными входами с перными выходами блока регистрации пространственного положения электрода,подключенного одним из первых выходов дополнительно к информационномувходу блока моделирования тепловогобаланса процесса сварки и связанноговторыми выходами с входами имитатора электрода с держателем.Иа фиг, 1 изображена схема тренажера на фиг. 2 - схема размещенийизлучающих и приемных элементов наконце имитатора электрода; на фиг.3 одна иэ возможных схем реализации 55блока регистрации пространственного положения электрода; на фиг. 4 -моторный привод, общий вид; нафиг, 5 - конструкция имитатора элек- .трода, 60Тренажер сварщика фиг. 1) содержит блок 1 моделирования теплового баланса процесса сварки, блок 2управления, блок 3 имитации объекта тренажа (мишени), шлем 4, имита-. 65 тор 5 электрода с держателем и блокб регистрации пространственного положения электрода, причем имитатор5 электрода выполнен в виде пологоцилиндра, внутри которого расположены изолированные один относительнодругого датчики угла и длины дугового промежутка с инфракрасными излучающими и приемными элементами, приэтом излучающие и приемные элементыдатчиков, оси которых параллельныцентральной оси имитатора электродаразделены на группы, одна,иэ которых;расположена вдоль центрапьной осиимитатора электрода, а другие размещены вдоль образующей цилиндра имитатора 5 электрода, причем выходыимитатора 5 электрода с держателемэлектрически соединены с первымивходами блока б регистрации пространственного положения электрода,вторые входы которого подключенык сигнальным выходам блока 2 управления, соединенного информационнымивходами с первыми выходами блока брегистрации пространственного положения электрода, подключенногоодним из первых выходов дополнительно к информационному входу блока 1моделирования теплового балансапроцесса сварки и связанного вторымь,выходами со входами имитатора 5электрода с держателем,Тренажер также содержит вход 7сигнала скорости сварки блока 1, выход 8 сигнала энтальпии блока .1, выход 9 сигнала горения дуги блока 2управления, выход 10 сигнала нарушения теплового баланса блока 1,выход 11 сигнала угла наклона имитатора электрода блока б, выход сигнала 12 отклонения конца имитатораэлектрода от центра каретки блока б,"выход 13 сигнала длины дуговогопромежутка блока б, выход 14 низкочастотного сигнала блока 2 управления с частотой Р = 100-200 Гц,выход 15 сигнала тревоги блока 2управления, выход 16 сигнала управления горизонтальной скоростью каретки блока 2 уцравления, выход 17сигнала управления реверсом кареткиблока 2 управления, выход 18 сигналауправления вертикальной скоростьюкаретки блока 2 управления, выход19 сигнала управления моторным приводом имитатора электрода блока 2управления, выход 20 низкочастотного сигнала блока 2 управления счастотой Р5-.10 кГц, вход 21.сигнала длины дугового промежуткаблока 1, выходы 22-26 сигналов сприемных элементов имитатора 5 электрода, .входы 27 и 28 излучающихэлементов имитатора 5 электрода. Имитатор 5 электрода содержитдержатель электрода, собственноэлектрод 29 полый цилиндр), моторНа фиг. 3 также изображен вход 43 п низкочастотного сигнала элемента Эб с частотой Р = 100-200 Гц, вход 44низкочастотного сигнала элемента 55,и Эб с частотой Р 5-10 кГц инвертирующий элемент 45,В качестве излучающего элемента 32 могут использоваться любые эле-: .менты, предназначенные для преобра-зования переменного низкочастотного .60с напряжения в инфракрассиое, модулированнор низкой частотой, излучение. В качестве излучающих элементов могут использоваться, например, ИК светодиоды. 65 продназначен для вычисления анткный привод 30 для имитации плавления электрода (Фиг. 2), Дополнитель . но имитатор электрода содержит. шайбу 31, которая может быть выполнена из пластика или текстолита и закреплена на конце имитатора 5 электрода (Фиг. 2). В шайбе 31 жестко закреплены излучающие и приемные элементы блока б, содержащие излучающие элементы 32 датчика длины дугового промежутка (ДДДП), приемные элементы 10 33 ДДДП, излучающие элементы 34 датчика угла (Ду), приемные элементы 35 ДУ:и датчика отклонения (ДО).Излучатели.и приемники Ду размещены диаметрально-.противоположно относительно аналоговых элементов ДЦДП, за счет чего обеспечивается зависимость сигнала-реакции этих элементов от угла наклона имитатора электрода и отклонения имитатора .электрода относительно центра мишени. Для уменьшения влияния угла наклона имитатора электрода на точность показаний ДДДП излучающие элементы 32 этого датчика размещены вокруг приемно- гО элеМента 33. Все излучающие и приемные элементы снабжены фокусирующими линзами. Для устранения влияния оптического излучения, исходящего от излучающих элементов, на качество обучения сварщиков, в качестве излу чающих э 7 ементов использованы инфракрасные (ИК) излучатели, а в качестве приемных элементов ИК приемники .фиг. 2).Влок 6 функционально содержит три 35 узла: датчик длины дугового. промежутка, датчик угла наклона имитатора электрода и датчик, отклонения конца имитатора электрода от центра каретки (Фиг. 3).Датчик длины дугового промежутка предназначен для измерения расстояния между концом имитатора электрода 5 и мишенью блока 3. Датчик кроме элементов 32 и 33 содержит также электронные ключи 36, селективные 45 усилители 37, детектор 38, логарифмирующий элемент 39, инвертирующий элемент 40 с коэффициентом передачи 0,5, антилогарифмирующий элемент 41, масштабирующий элемент 42. 50 Приемный элемент 33 предназначендля приема отраженного от мишениблока.3 ИК излучения; В качестве приемного элемента могут использоватьсяшироко известные элементы, такиекак фоторезисторы, Фотодиоды, фототранзнсторы, например, ИК-,фотодиод.совместно с усилителем.Электронный ключ 36 предназначендля .подачи низкочастотного сигналачастотой Р = 5-10 кГц на излучающийэлемент 32 в моменты времени работы .ДДДП, поскольку ДЦДП и ДУ работаютаелективно во времени. Элемент 36может быть выполнен по известнойсхеме электронного ключа.Селективный усилитель 37 предназ"начен для усиления до необходимогоуровня сигналов, принятых элементом33, и выделения из этой совокупностисигналов полезного - с частотой Р.Селективный усилитель должен быть настроен на частоту Р 1 й может бытьпостроен на основе широко распространенных элементов аналоговой вычислительной техники.Детектор предназначен для преобразования переменного низкочастотного напряжения с частотой Р в постоянное напряжение.Элементы 39-42 представляют собойпреобразователь сигнала длины дугового промежутка, изменяющегося поквадратичному закону с изменениемдлины дугового промежутка, в сигнал,изменяющийся прямо пропорциональновеличине дугового промежутка, поскольку мощность излучения оптического сигнала изменяется обратнопропорционально квадрату расстояниядо источника излучения.Таким образом, элементы 39-42служат для реализации управления1.г К(Одет)гдег - расстояние между мишенью иконцом имитатора электрода,Одет- напряжение на выходе детектора;К - масытабный коэффициент,Логарифмический. элемент 39 предназначен для вычисления логарифмаиз величины сигнала длины дуговогоромежутка, На входе элемента имется сигнал Оет а на выходе Ь(От)Инвертирующий делитель 40 предазначен для инвертирования выходого сигнала с логарифмирующегоемента 39 с соответствующимменьшеиием его по величине в 2 раа. На входе элемента сигнал УИ(Одет)на выходе - 05 1 (Одет)В качетве элемента 40 может быть. испольован любой инвертирукщий усилительлогарифма из величины -0,51 и (0 д ) . На выходе элемента имеется сигнал к р, )-".Масштабируюций элемент 42 представляет собой неинвертирующий усилитель с коэффициентом передачи 1 На выходе масштабируюцего элемента имеется сигнал.Инвертирующий элемент 45 предназначен для инвертирования сигнала с частотой Р = 100-;200 Гц и может быть выполнен по любой известной схеме инвертирующего усилителя с коэффициентом передачи 1.ДУ кроме излучающего элемента 34, содержит электронные ключи 36, приемные элементы 35, селективные усилители 37, детекторы 38, вычитающие усилители 46, схему ИЛИ 47, управляющий аттенюатор 48.Вышеперечисленные элементы 34- 38 Ду по своему назначению и техническому исполнению аналогичны соответствующим элементам ДЦДП.Вычитающий усилитель 46 предназначен для нахождения разности сигналов, принятых по каналам приема ДУ с приемников, расположенных в одной плоскости.Схема ИЛИ 37 предназначена для выбора большего по величине сигнала из двух сигналов с выходов детекторов 38.Управляемый аттенюатор 48 предназначен для управления мощностью излучения ДУ, На входе 49 элемента 48 имеется сигнал с частотой Р, а на входе 50 - постоянное напряжение с выхода детектора 38 датчика длины дугового промежутка.ДО соДержит приемные элементы 35, детекторы 38, вычитающие усилители 46, схемУ ИЛЙ 47, Управляеьый аттенюатор 48, фильтры 51 низких частот.Элементы 35,38,46-48 по своему .функциональному назначению и техническому исполнению аналогичны соответствующим элементам ДПДП.и ДУ.фильтры 51 низких частот предназначены для пропускания низкочастотного сигнала, излученного первой нитью накаливания сигнальной лампы с частотой сети 50 Гц и подавления сигналов с частотой Р 2.Рассмотрим работу ДДДП. Излучающий элемент 32 излучает ИК излучение, модулированное низкочастотным сигналом и направленное к мишени блока 3Приемный элемент 33 прини.мает отраженный от мишени ИК сигнал, усиливает его и отфильтровывает сигнал с частотой Рз. С выхода селективного усилителя 37 этот сигнал поступает на детектор 38, где происходит его выпрямпение, При этом следует учитывать, что постоянная времени выходной КС-цепи детектора 5 10 15 20 25 ЗО 35 40 45 50 55 60 65 должна выбираться гораздо больше,чем в 1/Р и меньше, чем постояннаявремени движения руки сварщика. Первсе условие поставлено для того, чтобы в момент времени работы Ду напряжение на выходе детектора ДДДПне изменялось существенно, а сохраняло свое значение на установленном уровне. Второе условие связанос тем, что напряжение на выходе детектора должно отслеживать движение руки сварцика по поддержанию правильной длины дугового промежутка.Таким образом, элемент 38 кромедетектирования выполняет функциианалоговой памяти по сигналу длиныдугового промежутка, Для устранения влияния угла наклона имитатора электрода на точность показаний ДДДП излучающие и приемные элементы его снабжены фокусирующими линзами, расположенными на концах указанных, элементов. Напряжение на выходе детектора будет изменяться с изменением длины дугового промежутка по квадратичному закону. Преобразователь длины дугового промежутка преобразует его в напряжение линейно изменяющееся с изменением длины дугового промежутка. При приближении конца имитатора электрода к мишени это напряжение будет возрастать, а при удалении - уменьшаться.Рассмотрим работу Ду. Ду и ДДДП работают селективно во времени. Для этой цели предназначены электронные ключи 36, с помощью которых осуществляется излучение и прием сигналов в моменты времени работы ДУ.Излучающие элементы 34 ДУ (фиг. 2)излучают пачки низкочастотных ИКсигналов, амплитуда которых изменяется по квадратичному закону с изменением длины дугового промежуткаи управляется сигналом с детектора38 ДДДП. С увеличением длины дугового промежуткаи уменьшением напряжения на выходе детектора 38 мощность излучения излучающего элемента 34 ДУ будет увеличиваться и изменяться по квадратичному закону. Засчет принятого метода излучения вДУ удалось свести до минимума влияние изменения длины дугового промежутка на точность измерения угланаклона имитатора электрода и полу-,чить на выходе 11 блока 6 сигнал,свидетельствуюций об угле наклона имитатора электрода, который линейно изменяется с изменением угла наклона имитатора электрода остается постоянным при фиксированном угле наклона имитатора электрода н изменяющейся длине дугового промежутка,Излученный низкочастотный сигнал,отражаясь от поверхности мишени бло-. ка 3, принимается приемными элементами, расположенными диаметральнопротивоположно по отношению к аналогичным элементам ДДДП. Приемные,элементы сгруппированы вовзаимно перпендикулярных плоскостях. Сигналы сприемных элементов 35 ДУ через электронные ключи 36 поступают на соответствующие селективные усилители 37,детектируются двухполупериодными детекторами 38 и поступают попарно,(вкаждой плоскости приема)на входы вычитающих усилителей 46, На выходе этихусилителей имеем разность сигналов,поступающих на их входы. При ориентации имитатора электрода перпендикулярно поверхности мишени блока 3принятые элементами, 35 сигналы будутодинаковыми по величине, а разностные сигналы на выходах элементов 46будут иметь нулевую величину. Этосвязано с тем, что при такой ориен 1 О 15 тации имитатора электрода расстояние 20 60 по четырем каналам приема, можно судить о положении сигнальной лампы,имитирующей сварочную ванну, по отношению к центру конца имитатораэлектрода, Принятые сигналы отфильтровываются фильтрами 1 низкой частотьу 5 между приемными элементами Ду и мишенью блока 3 будЕт одинаковым. При .наклоне имитатора электрода на определенный угол по отношению к поверхности мишени это расстояние изменит ся в большую или меньшую сторону для каждого из приемников ДУ. Соответственно изменяются по величине принятые ими сигналы, что приведет к возникновению разностных сигналов на выходах элементов 46, которые будут свидетельствовать о величине угла наклона имитатора электрода в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Эти сигналч могут принимать как положительные, так и отрицатель 35 ные значения в зависимости от того, в какую сторону наклонен имитатор электрода. Сигналы с усилителей 46 поступают на элементы 38, которые вычисляют модуль величины указанных 40 выде сигналов и представляют собой двухполупериодные детекторы. С выходов детекторов 38 однополярные сигналы поступают на схему ИЛИ 47, которая выбирает больший по величине 45 сигнал и подает его на выход 11 блока .б. Этот сигнал и свидетельствует о величине угла наклона имитатора электрода и изменяется линейно с изменением этого угла. 50Рассмотрим работу датчика отклонения. По отношению к ДДЦП и ДУ датчик отклонения работает непрерывно во времени, Входными информационными сигналами ДО являются ИК сигналы, 55 принятые приемными элементами 35 от сигнальной лампы, расположенной в центре каретки с частотой 50 Гц. По величине этих сигналов, принятых детектируются двухполупериодными детекторами 38 и подаютсяпопарно на входы вычитающих усилителей 46. На выходах этих усилителей имеем разность сигналов, поступающих на их входы. При ориентации центра конца имитатора электрода точно по направлению сигнальной лампы сигналы, принятые элементами 35 будут одинаковыми по величине, и соответственно разностные сигналы на выходах элементов 46 будут нулевыми. Это связано с тем, что расстояние между приемными элементами 35 и сигнальной лампой при такой ориентации имитатора электрода будет одинаковым. При наличии расхождения по положению между центрами конца имитатора электрода и сигнальной лампой эти расстояния изменятся в большую или меньшую сторону для каждого из приемников. Соответственно изменятся по величине принятые приемниками сигналы, что приведет к возникновению разностных сигналов на выходах элементов 46, которые свидетельствуют о наличии отклонения между концами имитатора электрода и центром каретки мишени блока 3 по двум взаимно перпендикулярным координатам в плоскости каретки. Эти выходные сигналы могут принимать разнополярные значения. Указанные сигналы с элементов 46,поступают на элементы 38, которые вычисляют модуль величины этих сигналов и представляют собой двухполупериодные детекторы. С выходов детекторов 38 однополярные сигналы поступают на схему ИЛИ 47, которая выбирает больший по величине (из этих двухи сигнал и подает его на вход управляемого аттенюатора 48. Следует заметить, что величина сигнала отклонения конца имитатора электрода от центра каретки на входе элемента 48 (2) изменяется по квадратичному закону с изменением величины этого отклонения и величины длины дугового промежутка. Для. устранения этого влияния на точность работы ДО введен элемент 48, представляющий собой управляемый аттенюатор или уси,литель с управляемым коэффициентом усиления. На управляющий вход элемента 48 поступает постоянное напряжение с детектора 38 ДДДП, ко-. торое также изменяется по квадраГ тичному закону с изменением длины дугового промежутка, С помощью этого напряжения удается устранить квадратичность сигнала на входе элемента 48 и свести доминимума влияние величины длины дугового промежутка и точность показаний ДО., На выходе 12 блока б сигнал отклонения конца имитатора электрода от50 центра. каретки будет изменяться линейно с изменением отклонения.Таким образом, блок б на выходах 11-13 позволяет йолучить 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 указанвах выше величин. другими 10 словами, блок б позволяет полностью определять пространственное положение имитатора 5 электрода по отношению к центру каретки мишени блока 3 и обладает высокой помехо защищенностью от внешних излучений,Тренажер сварщика в целом работает следующим образом.Ученик подводит имитатор электрода 5 к центру подвижной каретки 20 имитатора сварочной мишени блока 3, соблюдая необходимую длину дугового промежутка и заданное угловое положение имитатора электрода. Боли выполнены ограничения заданных длины 25 дугового промежутка, угла наклона имитатора электрода и отклонения его от конца от центра каретки, то соответствующие сигналы, свидетельствующие о величине указанных ранее параметров с выходов 11-13 блока б поступают на входы. схем формирования сигналов ошибок по длине дугового промежутка, .углу наклона имитатора электрода и отклонению конца имитатора электрода от центра каретки. Выходной сигнал скан формирования ошибок по длине дугового промежутка включает с.выхода 9 блока 2 управления первую нить накаливания лампы мишени блока 3, которая 40 имитирует горение дуги. Всякий раз, когда будет наруШен установленнЫй дуговой промежуток, упомянутая нить накаливания лампы будет выключаться, и выходной сигнал схема Форми рования сигналов ошибок по длине дугового промежутка с выхода 9 бло.ка 2 управления будет управлять блоком 1. Ошибка Фиксируется на индикаторе блока 2 Управления и будет включаться сигнал тревоги на выход 15 блока 2 управления. При отсутствии ошибки по длине дугового промежуткаэтот же сигнал, поступая на вход схема управления мотоРным приводом мишени блока 3 расположен- ной и блоке 2 управлейия, приведет к формированию сигналов управления двигателями подвижной каретки выходы 16-18 блока управления). Ка-ретка придет в движение, имитируя перемещение жидкой сварочной ванны ,вдоль кромок сварного шва. Тот же сигнал схемы формирования ошибок по длине дугового промежутка, пройдя через схему управления мо" торным приводом имитатора 5 электрода, расположенную в блоке 2 управления, приведет в действие моторный. привод имитатора 5 электрода, стержень имитирующий электрод, будет выдвигаться, имитируя оплавление конца электрода при сварке. Ученик должен манипулировать имитатором электрода 5 относительно мишени блока 3 таким образом, чтобы, отслеживать пространственное положе-, ние каретки, выдерживая заданное значение длины дугового промежутка и угловое положение имитатора электрода с учетом имитации движения сварочной ванны и оплавления электрода, В тех случаях, когда один из упомянутых параметров выйдет задопустимые пределы, соответствующие схема формирования сигналов ошибок будут обеспечивать регистрацию допущенных ошибок на индикаторах. Выходные сигналы этих схем, поступая на входы звукового генератора сигналов тревоги и звукового сопровождения управляют последним,независимо друг от друга. С этой целью на входе звукового генератора установлена схема логического объединения выходных сигналов схем формирования сигналов ошибок.Сигнал горизонтальной скорости с выхода 16 блока 2 управления .и выходной сигнал длины дугового промежутка с выхода 13 блока б поступают вместе с сигналом нарушения нормального режима сварки с выхода 9 блока 2 управления на соответствую щие входЫ блока 1, который вмрабатывает сигнал тревоги о нарушении теплового. режима, поступающего с, выхода 10 блока 1 на соответствующий вход блока 2 управления. Для реализации сигнала тревоги о нарушении теплового режима звуковой генератор сигналов имеет еще один вход управления, аналогичный входам управления по сигналам ошибок длинЫ дугового промежутка, величине угла наклона ймитатора электрода. На выходе 8 блока 1 формируется. сигнал объемной энтальпии сварочной ванны. Этот сигнал, поступая на вход блока 3, управляет яркостью свечения второй нити накаливания сигнальной лампы, смонтированной в центре каретки и является.визуальным сигналом степени нагрева сварочнойванны. Использование изобретения повышает эффективность тренажа.1038963 Составитель С, Алексаноедактор И. Ковальчук Техред,А.Бабинец КоРРектоР С, Ше одписное Зака 5 Яу жгород, ул. Проек нл 2 34/56ВНИИПпо11303иал ПП Тираж Государствен лам изобрете Москва, Ж