基于位移傳感器的觸控焊接模擬仿真系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】本發(fā)明屬于焊接模擬與仿真培訓(xùn)領(lǐng)域，特別涉及一種基于位移傳感器的觸控焊接模擬仿真系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
焊接是一種重要的材料加工方法，廣泛用于石油化工、建筑、車(chē)輛、航空航天、海洋工程等各個(gè)領(lǐng)域。焊條電弧焊作為最基本、最古老的焊接手段，已有100多年的發(fā)展歷史，隨著科技的進(jìn)步，自動(dòng)焊接技術(shù)發(fā)展迅猛，使焊接生產(chǎn)效率和質(zhì)量有較大進(jìn)步，但由于焊條電弧焊具有方便靈活、電源成本低、易于分散應(yīng)力和控制變形、能進(jìn)行全位置焊接以及焊條品種齊全等特點(diǎn)，在焊接領(lǐng)域依然有著較為廣泛的應(yīng)用，在某些領(lǐng)域甚至成為不可替代的焊接生產(chǎn)方法，比如建筑工地和造船等。作為焊條電弧焊的操作者，其技能水平對(duì)于焊接產(chǎn)品的質(zhì)量、安全性起著至關(guān)重要的作用，因此焊接操作者能接受良好的培訓(xùn)工作成為焊接生產(chǎn)的重要前提。我國(guó)傳統(tǒng)的焊接培訓(xùn)方式主要包括高校人才培養(yǎng)、專(zhuān)業(yè)技工學(xué)校的技術(shù)培養(yǎng)和各種焊接培訓(xùn)中心等，其共同的模式是師傅帶徒弟的教授方式，其特點(diǎn)是教育成本高、效率低而且資源耗費(fèi)量大，焊接培訓(xùn)時(shí)弧光、飛濺、煙塵及高壓等存在很多安全隱患，因此，在宣揚(yáng)“低碳”、“環(huán)?！钡漠?dāng)今社會(huì)，傳統(tǒng)的焊接培訓(xùn)方式面臨著很大的挑戰(zhàn)。隨著信息與計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)突飛猛進(jìn)。采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與焊接培訓(xùn)結(jié)合的可視化焊接模擬仿真系統(tǒng)的出現(xiàn)，使焊接操作者在虛擬環(huán)境中得到和真實(shí)中相同的感官刺激，多次感受最佳狀態(tài)下的焊接全過(guò)程，從而使焊接培訓(xùn)更加符合“環(huán)?！?、“節(jié)能”、“安全”的理念?，F(xiàn)有系統(tǒng)和方法中，較難準(zhǔn)確的模擬焊條的熔化過(guò)程，降低模擬焊接培訓(xùn)的真實(shí)感和效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種基于位移傳感器的觸控焊接模擬仿真系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：基于位移傳感器的觸控焊接模擬仿真系統(tǒng)，包括觸控操作臺(tái)、計(jì)算機(jī)主機(jī)和模擬焊槍?zhuān)凰鲇|控操作臺(tái)包括作為焊接試板的觸控顯示器，該觸控顯示器連接計(jì)算機(jī)主機(jī)；所述模擬焊槍包括焊槍主體、模擬焊條和控制模擬焊條移動(dòng)的控制機(jī)構(gòu)；模擬焊條包括焊條主體和位于焊條主體前端的位移傳感器；位移傳感器包括探頭和傳感器主體；模擬焊條和控制機(jī)構(gòu)設(shè)置于焊槍主體上；焊槍主體上還是設(shè)有雙軸傾角傳感器；位移傳感器和雙軸傾角傳感器連接計(jì)算機(jī)主機(jī)。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于：焊槍主體包括箱體、頂緊座、軸承、軸、支板、頂緊螺母和把柄；箱體固定于支板上；雙軸傾角傳感器設(shè)置于箱體右表面；箱體下面設(shè)有頂緊座，頂緊座通過(guò)頂緊螺母與支板連接，頂緊座上安裝有兩個(gè)軸承，軸承內(nèi)有軸；支板下面安裝有把柄；控制機(jī)構(gòu)包括步進(jìn)電機(jī)和橡皮輪；步進(jìn)電機(jī)設(shè)置于箱體后側(cè)面，其軸垂直箱體后面穿入箱體內(nèi)部，步進(jìn)電機(jī)軸上緊套有橡皮輪；模擬焊條的焊條主體通過(guò)箱體相應(yīng)的導(dǎo)槽從箱體內(nèi)部穿過(guò)，與橡皮輪、軸相接觸。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于：所述基于位移傳感器的觸控焊接模擬仿真系統(tǒng)還包括機(jī)箱；所述觸控顯示器安裝于顯示器支架中，所述顯示器支架鉸接于機(jī)箱上，所述顯示器支架能夠調(diào)節(jié)觸控顯示器與水平面之間的夾角呈0—180°。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于：所述位移傳感器的輸出電流I為4-20mA，探頭長(zhǎng)度為10mm。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于：位移傳感器輸出的4-20mA的電流信號(hào)I通過(guò)定值電阻轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換為1-5V的電壓信號(hào)U；該電壓信號(hào)U通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡的單端輸入通道輸入至計(jì)算機(jī)主機(jī)。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于：所述傳感器主體頂部到作為模擬試板的觸控顯示器的距離為模擬弧長(zhǎng)L，其大小通過(guò)公式計(jì)算；式中，RX、RY分別為安裝于模擬焊槍上的雙軸傾角傳感器測(cè)得的模擬焊槍的仰俯角與橫滾角。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于：計(jì)算機(jī)主機(jī)根據(jù)模擬弧長(zhǎng)L、焊條直徑D和操作者所選擇的電源模型計(jì)算焊條燒熔速度，控制控制機(jī)構(gòu)帶動(dòng)模擬焊條上升，模擬出焊條燒熔的效果；不同電源模型所對(duì)應(yīng)的焊條燒熔速度如公式2、公式3、公式4、公式5、公式6、公式7所示：1)斜下降外特性電源模型v＝-L/8-5D+257/24(公式2)2)緩降外特性電源模型v＝1.211ln[(83.93-3L)/8.01]-5D+7.5(公式3)3)陡降外特性電源模型v＝0.4563ln[(73.624-3L)/0.118]-5D+7.5(公式4)4)恒流外特性電源模型v＝1.763ln[(89.14-3L)/3.66]-5D+7.5(公式5)5)恒流帶斜外拖外特性電源模型v＝2.05675ln[(89.14-3L)/3.66]-5D+7.5(公式6)6)恒流帶外拖外特性電源模型v＝2.1165ln[(89.82-3L)/3.50]-5D+7.5(公式7)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明基于位移傳感器的觸控版焊接模擬仿真系統(tǒng)，適用于焊條電弧焊焊工焊接操作的入門(mén)、改進(jìn)和提高訓(xùn)練；結(jié)合Macmini臺(tái)式電腦和觸控顯示器的使用以及一體式的設(shè)計(jì)方案，使焊接模擬仿真系統(tǒng)更加便攜、穩(wěn)定；利用位移傳感器進(jìn)行模擬弧長(zhǎng)的測(cè)試，使弧長(zhǎng)計(jì)算精度更高；結(jié)合弧長(zhǎng)對(duì)電弧行為的反饋?zhàn)饔?，進(jìn)行電弧行為的描述，使焊接仿真效果更加逼真。計(jì)算機(jī)主機(jī)根據(jù)模擬弧長(zhǎng)L、焊條直徑D和操作者所選擇的電源模型計(jì)算焊條燒熔速度，調(diào)節(jié)模擬焊槍上的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)不同弧焊電源及不同外特性下模擬焊條燒熔速度隨弧長(zhǎng)及焊條直徑實(shí)時(shí)變化的功能，增加模擬焊接培訓(xùn)的真實(shí)感和效果。本發(fā)明能大大降低傳統(tǒng)焊接培訓(xùn)成本，同時(shí)其培訓(xùn)方式更安全、更高效，結(jié)合位移傳感器、觸控顯示器的使用，使焊接模擬仿真系統(tǒng)更便攜、更先進(jìn)?！靖綀D說(shuō)明】圖1為本發(fā)明總體的原理框圖；圖2為本發(fā)明觸控焊接模擬仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明箱體的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明觸控操作臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明計(jì)算機(jī)主機(jī)的示意圖；圖6為本發(fā)明輸入設(shè)備的示意圖；圖7為本發(fā)明模擬焊槍的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為本發(fā)明步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為本發(fā)明模擬焊條的結(jié)構(gòu)示意圖；圖10為本發(fā)明位移傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖11為本發(fā)明模擬弧長(zhǎng)計(jì)算原理示意圖；圖12為本發(fā)明電弧行為計(jì)算的原理圖?！揪唧w實(shí)施方式】下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述。本發(fā)明結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在研究焊條電弧焊操作的原理和特點(diǎn)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于位移傳感器的弧長(zhǎng)檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)在模擬焊槍中安裝的位移傳感器和雙軸傾角傳感器，獲得焊條頂部與觸摸屏的距離(即模擬弧長(zhǎng))和焊槍的傾角數(shù)據(jù)；結(jié)合觸控顯示器的使用，通過(guò)OpenGL相應(yīng)鼠標(biāo)函數(shù)，獲得當(dāng)前焊接位置信息；在特定的熔池模型下，通過(guò)對(duì)采集到的以上焊接參數(shù)的處理和分析，實(shí)時(shí)生成基于OpenGL的虛擬焊接場(chǎng)景，包括焊接環(huán)境的模擬、焊縫模擬、弧光以及飛濺模擬等，另一方面通過(guò)對(duì)弧長(zhǎng)信息的處理，通過(guò)調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)時(shí)控制焊條燒熔速度，最終完成對(duì)焊接行為的模擬。圖1為本發(fā)明一種基于位移傳感器的觸控焊接模擬仿真系統(tǒng)的工作原理框圖。硬件系統(tǒng)保證焊槍傾角、弧長(zhǎng)及焊接位置信息的實(shí)時(shí)檢測(cè)以及通過(guò)步進(jìn)電機(jī)模擬焊條燒熔過(guò)程的順利實(shí)現(xiàn)，軟件平臺(tái)的作用是對(duì)硬件平臺(tái)采集的焊條數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，為用戶提供良好的人機(jī)界面，并建立虛擬焊接場(chǎng)景，主要包括對(duì)焊接聲音、弧光、焊條熔化、熔池形成、焊縫成型模擬，以及通過(guò)弧長(zhǎng)信息計(jì)算焊條燒熔速度，調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)而實(shí)現(xiàn)燒熔速度的實(shí)時(shí)控制。請(qǐng)參閱圖2至圖10所示，本發(fā)明一種基于位移傳感器的觸控焊接模擬仿真系統(tǒng)，包括：機(jī)箱1、觸控操作臺(tái)2、控制面板3、計(jì)算機(jī)主機(jī)4、輸入設(shè)備5和模擬焊槍6。(1)計(jì)算機(jī)主機(jī)、輸入設(shè)備計(jì)算機(jī)主機(jī)4通過(guò)連接信號(hào)采集電路主要用于信號(hào)采集，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算處理；輸入設(shè)備5與計(jì)算機(jī)主機(jī)4相連接，用于輔助系統(tǒng)的操作。計(jì)算機(jī)主機(jī)4型號(hào)為MacminiMD387CH/A，其外形尺寸為197*197*36mm。輸入設(shè)備5包括鼠標(biāo)13和鍵盤(pán)14，均置于鼠鍵抽屜9內(nèi)，并且均與計(jì)算機(jī)主機(jī)4連接。(2)機(jī)箱、控制面板機(jī)箱1為一體式便攜設(shè)計(jì)，一方面作為系統(tǒng)的框架，為其他硬件部分作支撐，另一方面，在機(jī)箱內(nèi)部也有音箱、采集卡等電路系統(tǒng)，音箱受計(jì)算機(jī)主機(jī)4控制，模擬焊接操作時(shí)為焊接操作者提供逼真的焊接聽(tīng)覺(jué)環(huán)境；控制面板3上有電源開(kāi)關(guān)、指示燈、用于電流顯示的數(shù)碼管、usb接口。控制面板3的電路、計(jì)算機(jī)主機(jī)4的接線與機(jī)箱1內(nèi)部的電路系統(tǒng)相連，構(gòu)成完整的焊接模擬仿真系統(tǒng)的控制電路系統(tǒng)。機(jī)箱1包括機(jī)箱蓋7、機(jī)箱面8、鼠鍵抽屜9及焊槍抽屜10；控制面板3安裝于機(jī)箱面8；計(jì)算機(jī)主機(jī)4安置于機(jī)箱面8的凹坑內(nèi)。(3)觸控操作臺(tái)請(qǐng)參閱圖4所示，觸控操作臺(tái)2包括觸控顯示器11和顯示器支架12兩部分；在進(jìn)行模擬焊接操作時(shí)，計(jì)算機(jī)主機(jī)4控制在觸控顯示器11上顯示待焊工件，并平鋪于顯示器上，將觸控顯示器11作為模擬焊接試板的表面，焊接操作者手持模擬焊槍6在觸控顯示器11上進(jìn)行模擬引弧、模擬焊接操作，通過(guò)計(jì)算機(jī)主機(jī)4控制觸控顯示器11根據(jù)焊接規(guī)范實(shí)時(shí)顯示焊接三維場(chǎng)景，進(jìn)行焊接場(chǎng)景中包括弧光、熔池、焊縫成型細(xì)節(jié)的視覺(jué)效果模擬。另外，可以根據(jù)不同的焊接需求，通過(guò)調(diào)節(jié)顯示器支架12與水平面的夾角，進(jìn)行平焊、立焊以及仰焊等多種焊接方式的模擬。觸控顯示器11安裝于顯示器支架12中；顯示器支架12鉸接于機(jī)箱1；顯示器支架12能夠調(diào)節(jié)觸控顯示器11與水平面之間的夾角呈0—180°。(4)模擬焊槍請(qǐng)參閱圖7所示，模擬焊槍6包括箱體15、步進(jìn)電機(jī)16、橡皮輪17、模擬焊條18、頂緊座19、軸承20、軸21、雙軸傾角傳感器22、支板23、頂緊螺母24和把柄25；箱體15固定于支板23上；箱體15右表面安裝雙軸傾角傳感器22；箱體15下面有頂緊座19，頂緊座19通過(guò)頂緊螺母24與支板23連接，頂緊座19上安裝有兩個(gè)軸承20，軸承20內(nèi)有軸21；支板23下面安裝有把柄25；箱體15后側(cè)面安裝有步進(jìn)電機(jī)16，其軸垂直箱體15后面穿入箱體15內(nèi)部，步進(jìn)電機(jī)16軸上緊套橡皮輪17，模擬焊條18通過(guò)箱體15相應(yīng)的導(dǎo)槽從箱體15內(nèi)部穿過(guò)，與橡皮輪17、軸21相接觸，且?jiàn)A持于橡皮輪17與軸21之間；橡皮輪17的中心軸位于兩個(gè)軸21之間；模擬焊條18包括焊條主體27和位于焊條主體27前端的位移傳感器26；位移傳感器26和雙軸傾角傳感器22連接計(jì)算機(jī)主機(jī)4；位移傳感器26包括探頭28、傳感器主體29和放大器30，傳感器主體29底部有螺紋，與模擬焊條主體27連接。位移傳感器26為深圳米蘭特科技有限公司定制生產(chǎn)的回彈式微型位移傳感器，型號(hào)為MLVDT-XT-10mm-A，量程為10mm，輸出電流I為4-20mA，探頭28長(zhǎng)度為10mm。位移傳感器26與模擬焊條主體27通過(guò)螺紋連接，將傳感器主體29的頂部視為模擬焊條18的頂部，將探頭28的頂部與作為模擬試板的觸控顯示器接觸的位置視為當(dāng)前焊接位置。在模擬焊接操作時(shí)，首先進(jìn)入焊接場(chǎng)景，其次手持模擬焊槍6，使焊條頂端的探頭28與觸控顯示器11接觸，然后下壓焊槍使焊條端部的位移傳感器的探頭28收縮，隨著收縮量增大，位移傳感器主體29頂端到觸控顯示器11的距離減小，當(dāng)減小到一定值時(shí)引弧成功，隨后稍微提升模擬焊槍6，使“電弧”能穩(wěn)定燃燒，步進(jìn)電機(jī)16開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)橡皮輪17轉(zhuǎn)動(dòng)以帶動(dòng)模擬焊條18上升，模擬出焊條燒熔的效果，最后在作為模擬試板的觸控顯示器11上移動(dòng)焊槍6，只要弧長(zhǎng)滿足一定的范圍，模擬焊接過(guò)程則持續(xù)進(jìn)行下去。弧長(zhǎng)的計(jì)算主要依靠位移傳感器進(jìn)行：位移傳感器主體29的頂部到觸控顯示器11的距離視為弧長(zhǎng)，焊槍仰俯角(繞x軸旋轉(zhuǎn)的角度)RY及橫滾角(繞y軸旋轉(zhuǎn)的角度)RX可通過(guò)安裝在焊槍上部的雙軸傾角傳感器22可分別測(cè)出，位移傳感器26的探頭28壓入的形變量與傳感器輸出端的電流I(mA)成線性關(guān)系，將傳感器輸出的電流通過(guò)定值電阻250Ω，即可將4-20mA的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為定值電阻兩端的1-5V的電壓信號(hào)U(V)，此電壓信號(hào)通過(guò)PCI-9112采集卡的單通道輸入端傳輸至計(jì)算機(jī)主機(jī)4控制該信號(hào)的采集與處理。最終，弧長(zhǎng)與位移傳感器26輸出電壓的關(guān)系由公式1所示：焊條燒熔與送進(jìn)速度的關(guān)系原理如下：焊條受熱熔化，在焊條送進(jìn)過(guò)程中由于電弧高度的變化，使電弧電壓發(fā)生變化，因而電弧穩(wěn)定工作點(diǎn)(即電弧靜特性與電源外特性交點(diǎn))發(fā)生變化，從而焊接電流發(fā)生變化，引起焊條受熱熔化速度的變化。因此，根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)得焊接弧長(zhǎng)，并計(jì)算得到實(shí)時(shí)電弧電壓，再通過(guò)電弧穩(wěn)定工作點(diǎn)推導(dǎo)出實(shí)時(shí)焊接電流，最后通過(guò)實(shí)時(shí)焊接電流計(jì)算出焊條燒熔速度即模擬焊條動(dòng)態(tài)回抽速度。通過(guò)測(cè)試、計(jì)算，對(duì)不同焊接電源外特性下，焊接電壓-焊接電流、焊接電壓-電弧弧長(zhǎng)、焊接電流-焊條直徑-焊條燒熔速度關(guān)系進(jìn)行分區(qū)擬合，推導(dǎo)出了電弧高度-焊接電流-焊條燒熔速度數(shù)學(xué)模型不同焊接電源模型下的焊條燒熔速度v(mm/min)與弧長(zhǎng)L(mm)、焊條直徑D(mm)的關(guān)系式為公式2、公式3、公式4、公式5、公式6、公式7；1)斜下降外特性電源模型v＝-L/8-5D+257/24(公式2)2)緩降外特性電源模型v＝1.211ln[(83.93-3L)/8.01]-5D+7.5(公式3)3)陡降外特性電源模型v＝0.4563ln[(73.624-3L)/0.118]-5D+7.5(公式4)4)恒流外特性電源模型v＝1.763ln[(89.14-3L)/3.66]-5D+7.5(公式5)5)恒流帶斜外拖外特性電源模型v＝2.05675ln[(89.14-3L)/3.66]-5D+7.5(公式6)6)恒流帶外拖外特性電源模型v＝2.1165ln[(89.82-3L)/3.50]-5D+7.5(公式7)基于上述焊條燒熔速度與弧長(zhǎng)、焊條直徑的關(guān)系式，通過(guò)計(jì)算機(jī)主機(jī)4調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)16轉(zhuǎn)速并以此控制模擬焊條燒熔速度，實(shí)現(xiàn)不同弧焊電源及不同外特性下模擬焊條燒熔速度隨弧長(zhǎng)實(shí)時(shí)變化的功能。現(xiàn)有焊接模擬仿真系統(tǒng)，焊條燒熔的速度為定值，與真實(shí)焊接情況不符合。本發(fā)明考慮弧長(zhǎng)、焊條直徑對(duì)焊條燒熔速度的影響，因此模擬效果更為逼真，效果更佳。