Устройство для обучения и оценки мастерства сварщика

С 0103 СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 9 В 1 1)5 Т ИЕ ИЗОБ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(71) Научно-исследовательский и проектноконструкторский институт сооружения обьектов нефтяной и газовой промышленностив Прикаспийском нефтегазовом комплексе(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБУЧЕНИЯ ИОЦЕНКИ МАСТЕРСТВА СВАРЩИКА Изобретение относится к электродуговой сварке, в частности к тренажерам, предназначенным для обучения, самообучения и квалификационных испытаний сварщиков при выполнении ручной дуговой сварки плавящимся электродом,Известно имитационное устройство для обучения и оценки мастерства сварщика. Это устройство содержит четыре блока; имитатор ванны, электрододеркатель с имитатором электрода, защитный шлем и пульт задания режима сварки и индикации, Имитатор ванны снабжен датчиками Холла, электрододержатель имеет привод перемещения электрода для имитации его выгорания и датчик углового положения электрода. В шлеме имеется телефон, сигнализирующий изменением харак ера звука об ошибках оператора. Пульт имеет электрическую схему для оценки длины дуги и положения конца электрода относительно с 1 ыка, а также счетчики числа ошиб зк, допущенных обучающимся, по отношению к заданным бретение относится к электродугорке, в частности к тренажерам, преднным для обучения, самообучения и икационных испытаний сварщиков олнении ручной дуговой сварки плая электродом. Цель изобретения - ние дидактических воэможностей тва, Устройство содержит блок 1 в тока и напряжения, блок 2 задания сварки, блок 3 компараторов, блок за ошибок, счетчик 5, таймер 6, блок тивной памяти, блок 8 сравнения, втор 9, табло 10, электроакустичееобразователь 11. 7 ил.(57) Изо Вой свд назначе квалиф при вып Вящимс повыше устройс ддтчико режима 4 анали 7 опера дешифр ский пр начениям параметров режима сварки и ифровое табло для индикации таких ошибок.Основными недостатками такого устройства являются следующие: невозможность оценки мастерства сварщика вусловиях реальной, а не имитированнойсварки, невозможность запоминания и по- с 4следующего воспроизведения обучающимся режимов сварки, заданныхтехнологической картой, учителем или специалистом экспертом, путем выполненияэкспертной сварки,необьективность выставляемых за контрольную "сварку" оценок, т.к, оценка определяется по показаниям табло, а не путемавтоматического анализа ошибок обучающегося.Известен имитационный тренажерсварщика, который содержит имитатор мишени с размещенной в нем нитью накала,соединенный через блок управления с имитатором шлема сварщика и имитаторомэлектрода, подклкченнаго к имитатору мишени. Основным недоста ком этого устройства чвляется, как и в предыдущем случае, невозможность обьективной оценки мастерства сварщика в реальных, а не имитированных условиях сварки,Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для обучения и оценки мастерства сварщика, выбранное в качестве прототипа, Это устройство является тренажером для обучения сварщиков приемам ручной дуговой сварки преимущественно плавящимся электродом. Тренажер содержит электрододержатель, источник питания, электрический преобразователь сварочной , дуги в звук различной частоты и головные телефоны. Такой тренажер упрощает процесс обучения сварщиков благодаря совместному участию органов чувств (зрения, слуха) в восприятии информации о длине дуги протекающего реального процесса сварки, но не дает объективной оценки качества работы сварщика, не запоминает ошибок сварщика, допущенных в процессе сварки и не анализирует их,Целью изобретения является повышение дидактических возможностей устройства,Указанная цель достигается тем, что в устройство, содеркащее источник питания, электрододержател ь, преобразователь электрических параметров, цуги в звук, дополнительно введены блок датчиков тока и напряжения дуги и электрическая схема для оценки качества режима сварки и анализа ошибок обучающегося, включающая в себя блок задания рекима сварки, блок компараторов тока сварки и напряжения дуги, блок анализа ошибок, счетчик числа ошибок, допущенных обучающимся, таймер, блок оперативной памяти, блок сравнения, дешифратор, цифровое табло. К сигнальным входам компараторов тока и напрякения дуги подключаются выходы датчиков тока и напряжения дуги, а к опорным входам этих же кампараторов - выходы блока задания режимов сварки с эталонными значениями опорных напряжений, Для выделения зоны допустимых значений параметров режима сварки, определяемых учителем или специалистом-экспертом, компаратор сварочного тока выполнен трехпораговым, а компаратор напряжения дуги - четырех- пороговым, У компаратора тока один из порогов выбирается по величине тока дуги в момент гашения, а два других устанавливают при помощи блока задания режимов сварки в пределах, заданных учителем или специалистом-экспертом при выполнении5 10 15 2025 30 35 40 45 50 55 сварки в экспертном режиме, У компаратора напряжения один из порогов выбирают по величине напряжения короткого замыкания дуги, второй - по величине напряжения холостого хода, а два других устанавливают при помощи того же блока оперативной памяти, исходя из допусков на длину дуги так же, как для компаратора тока, Тем самым устанавливают границы и выделяют требуемую зону допустимых значений параметров режима учебной сварки.Пороги компарирования, устанавливаемые при помощи блока задания режимов,контролируют качество сварки и предотвращают ложные срабатывания блока анализа ошибок. Если фактический режим сварки выходит за установленные границы зоны допустимых значений режима. запомненного блоком задания режимов сварки, то соответствующий компаратор тока или напряжения вырабатывает сигнал логической единицы и подает его на соответствующий вход блока анализа ошибок, Этот блок осуществляет классификацию нарушений режима сварки и передает результирующий сигнал на табло для высвечивания типа нарушения и на вход счетчика числа ошибок,Счетчик запускают при помощи таймера на заданное время, например, на время сгорания одного (штучного) сварочного электрода. Импульсы с выхода счетчика (их число совпадает с числом нарушений режима сварки, т.е. ошибок) в течение заданного времени поступают на сигнальный вход цифрового компаратора блока сравнения. На опорный вход этого компаратора подается цифровой код заданного числа нарушений режима сварки. На выходе блока сравнения формируется цифровой сигнал. определяющий качество выполненного обучающимся режима сварки. Дешифратор блока сравнения обрабатывает этот сигнал и по команде таймера подает на цифровое табло, где высвечивается оценка за мастерство, например, цифрами "3", "4", "5". Кроме того, цифровое табло высвечивает число заданных учителем или специалистом-экспертом (в процессе экспертной сварки) ошибок и число ошибок. допущенных обучающимся по любому из перечисленных выше параметров режима сварки. а также измеренные параметры режима сварки.Наличие перечисленных отличительных признаков, а именно, соответствующим образом соединенных датчиком тока сварки и напряжения дуги, блока задания режима сварки, блока компараторов тока сварки и напряжения дуги, блока логической обработки информации, счетчика числа ошибокобучающегося, таймера, блока оперативной го тока обозначены чеоез 1, а текущие знапамяти, блока сравнения, дешифратора, чения сварочного напряжения - через О.табло, позволяет сделать вывод о новизне Выходные сигналы компараторов для удобпредложенного решения. ства обозначены также, как и технологичеВ измерительной технике широко изве ские уставки.стно использование датчиков тока и напря- Блок анализа ошибок выполнен на станжения дуги, оперативных запоминающих дартных логических элементах, например,устройств ОЗУ), аналоговых и цифровых типа 2 И-НЕ, 001.1 - 001,3, 002.1 - 002.4 икомпараторов, блоков логической обработ- ООЗ;1, как показано на фиг.За, с использоки сигналов, счетчиков, таймеров, цифро ванием транзисторных ключей (фиг,Зб), совых табло 4), где эти элементы позволяют бранных на транзисторах ЧТ 1, резисторах Яполучить устройства для измерения тока, и коммутирующих единичные индикаторы,напряжения, частоты, мощности ит,д, Одна- например, светодиоды ЧО 1.ко в известных решениях мы не нашли ана- . Графики работы компараторов токалогичных соединений указанных 15 представлены на фиг 4 а, а графики работыотличительных признаков, которые дали бы компараторов напряжения сварочной дугиданный положительный эффект, Это позво- - на фиг.4 б. На фиг,4 а по горизонтальнойляет сделать вывод, что данное техническое оси каждого графика отложены возможныерешение соответствует критерию "сущест- значения контролируемого сварочного тока. венные отличия". 20 1, а по вертикальчой оси - выходные напряНа фиг.1 изображена функциональная жениякомпараторовсоответственнотокасхема предлагаемого устройства; на фиг.2 - сварки в момент гашения дуги, минимальнопринципиальная схема блока, задания ре- допустимого. сварочного тока Ьл и максижимов сварки и блока компараторов тока и мально допустимого сварочного тока 1 х,напряжения дуги; на фиг,З - принципиаль Нижний график (заштрихован) относитсяная схема блока анализа ошибок; на фиг,4 - к сигналу тревоги 1. На фиг,4 б по гориграфики работы блока компараторов тока и зонтальной оси каждого графика отложенынапряжения дуги: принцип действия блока . возможные значения напряжения 0 источанализа ошибок иллюстрируется графиком ника сварочного тока 1, а по вертикальнойего работы, представленным на фиг.5; на 30 оси - выходные напряжения компараторовфиг.б - упрощенная схема управления ре- соответственно напряжения дуги 0 в макимом работы устройства в процессе обуче- мент соприкосновения сварочного электрония или экзамена; на фиг.7 - схематаймера, да с свариваемым изделием, т.е. в моментФункциональная схема устройства короткого замыкания источника сварочного(фиг,1) включает в себя блок датчиков тока 35 тока 1, минимально допустимого значениясварки и напряжения дуги 1, блок задания напряжения дуги Ов, максимально допурежима сварки 2, блок компараторов 3, блок стимого значения напряжения дуги О,х ианализа ошибок 4, счетчик 5, таймер 6, блок напряжения холостого хода Охх источникаоперативной памяти 7, блок сравнения 8, сварочного тека 1. Нижний график заштридешифратор 9, табло 10, электроакустиче хован) относится ксигналамтревоги устройский преобразователь 11, маска сварщика ства От.12. Принципиальная схема блока задания График зоны допустимых значений парежима сварки, совмещенного с блоком раметров режима сварки фиг.5) показан вкомпараторов (фиг.2), состоит из стандарт- координатах "сварочный ток" - "напряженого блока переменных резисторов Я 1.1- 45 ние источника дуги 0". Технологически доЯ 1,7 и компараторов ОА 1 - ОА 7, пустимая зона сварки заштрихована длявыйолненных на стандартных микросхемах. наглядности,Опорные напряжения технологические ус- Схема управления режимами обучения),:тавки) на опорных входах компараторов показанная на фиг,6, содержит коммутаторобозначены через Ьв, 1 и 1 для мини 31.1 - -31,2 сигналов тревоги Р 1,т, Ок, станмально допустимого, максимально допусти- дартную логику 001,1 - -001.3, управляюмого тока сварки и тока в момент гашения щую счетчиком числа ошибок 003.сварочной дуги соответственно, и через генератором звука 001.4 - 002,1, Я 1, С 1,01, Ощах, Оо и Охх - для минимально допу- ключами ЧТ 1, ЧТ 2, Я 2, ЯЗ, нагрузкой Я 4, ЧО 1стимого, максимально допустимого напря (например,светодиод)и 81(например, голожения дуги, напрякения источника вные телефоны).сварочного тока в момент замыкания сва- Таймер фиг,7) содержит инверторырочного электрода на свариваемое иэделие 001.1, 001.4, 002,1, 002,2, 002,3 усилии напряжения холостого хода источника, со- тель 003.2, дифференцирующую цепь Я 2,ответственно. Текущие значения сварочно- ЯЗ, С 2, логический элемент 003.1, стандар 1777166Совместное решение этих уравнений бло 5 ком 4 выявляет зону допустимых значенийрежима сварки, как показано на фиг.5 (заштрихованная зона), Поэтому блок 4 осуществляет классификацию . ошибок обучающегося по характеру нарушений ре 10 жима сварки, например, при нарушенияхтипа "малый ток сварки", "большой ток сварки", "короткая дуга", "длинная дуга", "малая мощность сварочного тока", "большая:мощность сварочного тока", Этот же блок не15 включает в число ошибок случаи, например,связанные с заменой электрода, когда ток сварки равен нулю, или с сваркой в режиме короткого замыкания, если этот режим предусмотрен технологией сварки. Ошибки лю 20 бого класса из перечисленных могут бытьвыделены при помощи блока,анализа ошибок на счетчик 5, включаемый таймером 6 в режиме экзамена на заданный промехсуток времени при помощи переключателя 52, как25 показано на фиг.7. В этом случае таймерработает как временной компаратор, Действительно, счетчик 005 запирает элемент 002.4 импульсом только с того из своих выходов, с которым вход этого элемента со 30 единен через элемент 002.1 и переключатель 32. Поэтому счет импульсов генератора. собранного на элементах 001,2, 001,3 прекращается после отсчета строго определенного их числа. Кроме35,того, через развязку 002.3, 003.2, выи деленный импульс счетчика 005 дифференцируется цепью 1 с 2, С 2, ЙЗ и сбрасывает его в исходное состояние, Счет ошибок учащегося т, От, Рт осуществляется через соответ- - 40 ствующие элементы И, например, черезэлемент 003,1 для ошибок типа Рт (фиг.7). и Нэ один из входов каждого такого элементапоступает выделенный и проинвертировани ный, например, инвертором 002,2 импульс45 таймера 005, а на другие входы таких элех ментов - импульсы с блока анализа ошибок, р Блок анализа ошибок выдает также сигналына цифровое табло для высвечивания типа ошибки и на генератор 11 для подачи звуко- - 50 вого и светового сигнала о нарушении режи- и ма сварки учащемуся в маску 12 на головные т телефоны и световой индикатор (фиг,6), В ю положении 4, 5, 6 переключателя 51.1 - 51.2 в импульсы ошибок Р 1, 1 т, От с блока логичеа 55 ской обработки информации поступают на о один из входов элемента 001.2 и открываютего, После инвертирования элементом 001.3 импульс ошибки открывает звуковой генератор 001.4 - 002.1, выход которого соединен с ключами МТ 1, ЧТ 2, управляющими 1 о 1 в 1 п 1 п 1 ах + 1 о 1 вп пах,тный генератор секундных импульсов001.2-001.3, двоичный счетчик на микросхеме 004, десятичный счетчик на микросхеме 005 и переключатели включениятаймера 51 и продолжительности экзамена52.Устройство для обучения и оценки мастерства сварщика (фиг,1) работает следующим образом. В режиме обучения сигналыс выходов блока датчиков 1 и блока заданиярежима сварки 2, т.е. контролируемые параметры и технологические уставки, поступают на входы сравнения (сигнальный иопорный) блока компараторов тока и напряжения дуги 3, где выполняется трехпороговое компарирование сигналов датчикасварочного тока и четырехпороговое компарирование сигналов датчика напряжениясварочной дуги, Такое компарированиеобеспечивается (фиг,2) соединением инвертиочющего входа компаратора ОА 1 с неинвертирующеми входами компараторов ОА 2и ОАЗ и подачей на этот общий вход напряжения с датчика. тока 1, а также соединением инвертирующего входа компаратораОА 4 с инвертирующим входом компаратораОА 7 и с неинвертирующими входами компарэторов ОА 5, ОА 6 и подачей на этот общийвход напряжения с датчика напряхсения О.В этом случае функции компэраторов распределены следующим образом (фиг.4):- компаратор ОА 1 выделяет ошибки типэ 11 впЭ- компаратор ОА 2 выделяет ошибки типа 11 вах- компаратор ОАЗ выделяет все случатипа 11 о,- компаратор ОА 4 выделяет ошибки типа О1 ви,- компаратор ОА 5 выделяет ошибки типэ ООвах.- компаратор ОА 6 выделяет все случатипа ООо,- компаратор ОА 7 выделяет все случатипа ООхх.При выполнении любого из перечисленнынеравенств соответствующий компаратовырабатывает сигнал логической единицыв противном случае на выходе такого компаратора присутствует сигнал логического нуля. Таким образом, компараторы токанапряжения сварочной дуги преобразуюаналоговые ошибки обучения в цифровуформу, Сигналы с выходов компараторопоступают на соответствующие входы блоканализа ошибок 4, который относительнсиг налов тревоги решает следующую систему логических уравнений (фиг.За): 01 = Оо Опяп Овах Охх+ Оо Овп Овах Охх,Р 1= 1 т+ О.10 20 30 35 40 50 включением индикатора Ч 01 и телефонов Ч 02 на время действия импульса ошибки. Кроме того импульс ошибки открывает элемент 001,1, выход которого управляет счетным входом счетчика числа ошибок 003 В положениях 1, 2, 3 переключателя 31.1-51.2 обеспечивается режим экзамена Рт, К 131). В режиме экзамена (фиг.1) сигналы с одного из выходов счетчика ошибок 5 поступают на цифровое таЬло 10, где высвечиваются в виде двухразрядной десятичной цИфры, С другого выхода счетчика 5 сигналы ошибок поступают на сигнальный вход цифрового компаратора блока сравнения 8. На опорный вход этого же компаратора с выхода блока оперативной памяти 7 поступает сигнал в цифровом коде о допустимом числе ошибок при данном режиме сварки в заданном временном интервале, который выбирают таймером 6. Г 1 редварительную запись данных в блок ойеративнай памяти 7 осуществляет учитель до начала экзамена. Цифровой компаратор блока 8 сравнивает данные из счетчика 5 и блока 7 и выдает результат сравнения на вход дешифратора 9. Дешифратор,9 анализирует выходные сигналы цифрового компаратора блока 8 и результат анализа выдает на табло 10, где высвечивается оценка, например, "3", "4", "5" по окончании интервала времени, заданного таймером 6.В режиме работы с учителем необходимые для обучения данные в блок задания режимов сварки 2 и в блок оперативной памяти 7 учитель вводит вручную в соответствии с технологической картой на сварку. После этого устройство используют в режиме обучения или экзамена, кэк указано выше, например, при квалификационных испытаниях сварщика, Самообучение осуществляется без учителя на основе масочной сигнализации нарушений заданного учителем режима сварки.В экспертном режиме исходные данные записываются в блок 2 и блок 7 после выполнения сварки специалистом-экспертом, Соответствующие границы зоны допустимых значений режима сварки (фиг.5) выявляют при помощи блока задания режимов сварки 2. Затем включают таймер на заданное время и эксперт проводит контрольную сварку, Выявленное при этом число ошибок эксперта вводят в оперативную память 7, а затем используют устройство в режиме обучения или экзамена.Таким образом, введение в устройство для обучения и оценки мастерства сварщика блока задания режимов сварки, блока компараторов в составе трехуровневого кампаратора тока и четырехуровневого компэратора напряжения сварочной дуги, блока анализа ошибок, блока сравнения, блокаоперативной памяти, а также счетчика числаошибок и таймера выгодно отличает предлагаемое устройство от указанного прототипа:1, Введение в устройство блока задания. режима сварки позволяет записывать и сохранять в памяти обучающие режимы сварки - ,с технологической карты насвариваемое изделие, экспертный или заданный учителем.2. Введение трехуровневого компаратора тока и четырехуровневого компэрэторанапряжения позволяет преобразовать, непрерывно изменяющиеся сигналы датчиковтока и напряжения дуги в логические переменные, соответствующие ошибкам обучающегося.3, Введение блока анализа ошибок позволяет выявить нарушения заданного режима сварки обучающимся на основелогического анализа соответствующих логических переменных и логических ограничений,4. Введение блока сравнения, блокаоперативной памяти и счетчика числа ошибок позволяет автоматически и непрерывносравнивать число ошибок, допущенных обучающимся в процессе сварки, с числом ошибок, заданных учителем или экспертом.5. Введение таймера позволяет осуществить режим экзамена путем разрешениясчетчику подсчитывать только те ошибки,которые обучающийся допускает за заданное учителем время.6. В совокупности введенные элементыустройства обеспечивают следующие еговазможности:- обучение с учителем и без учителя,- обучение по данным экспертной сварки,- отработка режима сварки по известной технологической карте,- отработка режима сварки по току. напряжению или мощности свара ного тока,- распознавание экспертного режимасварки,- подсчетчисла ошибок па любому изпараметров режима сварки,- экзамен или квалификационные испытания сварщиков,- инспекционный контроль сварщиков втрассовых условиях,Формула изобретенияУстройство для обучения и оценки маг. -терствэ сварщика. содержащее источниксварочного тока, подключенный к электрододе ржател ю зле ктроа кустичес кий и реобразователь. о т л и ч а ю щ е е с я тем, что. сцелью повышения дидактических возмаж 1777166 12ностей устройства, в него введены блок задания режима сварки, блок компараторов, блок анализа ошибок, счетчик, таймер, блок оперативной памяти, блок сравнения, дешифратор, табло и блок датчиков тока и напряжения, входы которого подключены к источнику сварочного тока, а выходы соединены с информационными входами первой группы блока компораторов, информационные входы второй группы которого соединены с выходами блока задания режима сварки, а выходы соединены с входами блока анализа ошибок, первый выход которого соединен с входом электроакустического преобразователя, второй выход соединен с одним информационным входом табло, а третий выход соединен со счетным входом счетчика. установочный вход которого соединен с первым выходом таймера, э выхо ды соединены с информационнымивходами первой группы блока сравнения, выходы которого соединены с входами дешифратора, а информационные входы второй группы соединены с выходами блока 10 оперативной памяти, информационныевходы которого и управляющий вход таймера являются входами устройства, выходы таймера, счетчика и дешифраторэ соединены с другими входами информэци онного табло.Йй юЬ х ГП тт1 вв РхС ах О Хгча 1 о( оставительТехред М.М Корректо шенко актор каэ 4124 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКН 113035, Москва, Ж, Раущская наб., 4/5 иэводствснцо-иэда 1 ельский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 10