Информационно-измерительная система для комплекса управления интерактивной визуализацией на компьютерном тренажёре процесса сварки плавлением тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат наук Толстов, Виктор Андреевич

• Толстов, Виктор Андреевич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Толстов, Виктор Андреевич

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 ПРИМЕНЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ В ОБЛАСТИ РУЧНОЙ ДУГОВОЙ СВАРКИ

1.1 Процесс ручной дуговой сварки

1.1.1 Сварочный контур

1.1.2 Зона термического влияния

1.1.3 Сварка неповоротных стыков труб

1.1.4 Контроль качества сварных соединений

1.2 Информационно-измерительные системы для оценки состояния процесса РДС

1.2.1 Использование информационно-измерительных систем в аттестации сварочных процессов

1.2.2 Предпосылки разработки тренажёров для обучения навыкам РДС

1.2.3 Информационно-измерительные системы как основа тренажёров для обучения РДС

1.2.4 Средства виртуальной реальности для обучения сварщиков РДС

1.3 Мультимедийный тренажёр для обучения сварщиков РДС

1.3.1 Устройство мультимедийного тренажёра

1.3.2 Математическое моделирование сварочного процесса

1.4 Цели и задачи работы

Выводы к главе 1:

2 РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ ДЛЯ РАСЧЁТА ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА РДС

2.1 Метрологическое исследование устройства координатного слежения ]ЧаШга1Рот1 ТгаскЖ 5

2.1.1 Оценка абсолютной погрешности УКС

2.1.2 Расчётная модель УКС

2.1.3 Реализация расчётной модели и результаты оценки

2.2 Модели расчёта параметров виртуального процесса РДС

2.2.1 Усовершенствование модели расчёта параметров процесса РДС

2.2.2 Модель формирования стыкового шва для плоских деталей

2.2.3 Модель формирования шва неповоротного стыка труб

2.3 Модель звукового сопровождения сварочного процесса

2.3.1 Исследования звука процесса РДС

2.3.2 Обработка экспериментальных данных с помощью нейронной сети

2.4 Экспертная система для оценки манипуляций электродом

2.4.1 Предпосылки разработки экспертной системы

2.4.2 Анализ траектории перемещения торца электрода

Выводы к главе 2:

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА РДС

3.1 Определение параметров модели процесса РДС

3.1.1 Информационно-измерительная система для регистрации параметров процесса РДС

3.1.2 Экспериментальное определение ограничений для модели расчёта параметров процесса РДС

3.1.3 Проверка адекватности и статистической значимости уравнений регрессии

3.1.4 Проверка адекватности модели формирования шва

3.2 Исследование звуковых характеристик процесса РДС

3.2.1 Проведение нейросетевой кластеризации спектров

3.2.2 Построение стохастической модели

3.2.3 Проверка адекватности звуковой модели

3.3 Оценка эффективности обучения с использованием ИИС

Выводы к главе 3:

4 РЕАЛИЗАЦИЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ СВАРОЧНОГО ПРОЦЕССА В РЕАЛЬНОМ

ВРЕМЕНИ

4.1 Выбор средств разработки ИИС

3

4.1.1 Выбор средств разработки программного обеспечения

4.1.2 Выбор аппаратных средств

4.2 Реализация расчётов по математическим моделям в ИИС

4.2.1 Реализация модели тока сварки и напряжения на дуге

4.2.2 Расчёты по модели формирования сварного шва

4.2.3 Моделирование звука РДС в ИИС

4.3 Интеграция ИИС и мультимедийного тренажёра РДС

4.3.1 Разработка интерфейса пользователя

4.3.2 Настройка параметров виртуального процесса РДС

4.3.3 Средства анализа тренировочного процесса

Выводы к главе 4:

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Код С++ для запуска исполняемого файла внешней программы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Информационно-измерительная система для комплекса управления интерактивной визуализацией на компьютерном тренажёре процесса сварки плавлением»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В настоящее время наша страна, как отмечалось в выступлениях президента и премьер-министра, испытывает серьезный дефицит высококвалифицированных рабочих кадров, в том числе операторов ручной дуговой сварки (РДС). Используя научные наработки МГТУ им. Баумана, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина и Волгодонского инженерно-технического института НИЯУ МИФИ имеется возможность организовать отечественную систему эффективной подготовки сварщиков РДС.

Как отмечается в работах A.B. Caca, существующая в настоящее время практика начальной профессиональной подготовки сварщиков РДС малоэффективна. Это обусловлено отсутствием внимания к индивидуальным различиям обучаемых сварщиков. В результате только 7-10% сварщиков достигает высокой квалификации, причем только через 6-9 лет практической деятельности [1]. В то же время, процесс РДС используется при изготовлении оборудования АЭС, а также при выполнении строительно-монтажных работ при их строительстве. Применение автоматических видов сварки имеет ряд ограничений, связанных с формой разделки сварного соединения, невозможностью разместить такое оборудование в месте проведения сварочных работ, высокими требованиями к качеству сварного соединения и др. Например, до 20% сварочных работ при изготовлении корпусного оборудования АЭС выполняются методом РДС (косые патрубки на корпусах реактора и парогенератора, ремонт сварных соединений после автоматических видов сварки, сварка неповоротных стыков трубопроводов малых диаметров и многое другое) [2]. Таким образом, в современных условиях рыночной экономики создание эффективной системы подготовки высококвалифицированных электросварщиков за короткие сроки и с меньшими затратами является важной и актуальной задачей.

Степень разработанности темы исследования. В работах А.И. Акулова, Э.А. Гладкова, Г.И. Лескова, В.В. Кривина, A.B. Чернова и др. показано, что технологический процесс РДС характеризуется высокой сложностью образующих его физических явлений. Поэтому показатели качества сварного соединения не поддаются контролю в процессе сварки плавлением, и управление им в реальном времени невозможно [3]. Чтобы обеспечить высокое качество сварочных работ, применяется нормативное управление. Это означает, что процесс сварки осуществляется аттестованными сварочным оборудованием, сварочными материалами и квалифицированным оператором сварщиком. Аттестация сварщиков в РФ может производиться согласно требованиям правил контроля (РД 03-606-03), правилам аттестации сварщиков оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок (ПНАЭ Г-7-003-87 с изменением № 1 от 01.09.2000) и международным стандартам (ISO 14731, ISO 3834 и др.), в разработке которых участвует Международный институт сварки. При аттестации сварщиков регламентируются теоретические знания и практические навыки, которые должны быть ими продемонстрированы для подтверждения квалификации.

Применение тренажеров для получения виртуального сварного соединения на этапе подготовки сварщика позволяет сократить затраты и сроки на обучение сварщика РДС [4]. Это достигается с помощью интерактивной визуализации процесса сварки плавлением, которая заменяет в тренажёре реальный технологический процесс. Действия обучаемого сварщика управляют интерактивной визуализацией, благодаря чему он может наблюдать результаты своих действий. Для этого необходимы адекватные модели составляющих сварочного процесса, таких как: ток сварки и напряжение на дуге; формирование сварочного шва в различных пространственных положениях; плавление сварочного электрода, звуковое сопровождения виртуального процесса и др [5].

Разработанные зарубежными компаниями тренажёры отличаются закрытым программным обеспечением и отсутствием расчётных моделей, по которым можно оценить качественные характеристики сварных соединений, что ограничивает применение этой техники на отечественных предприятиях.

Цель диссертационной работы - создание информационно-измерительной системы, которая в реальном времени управляет интерактивной визуализацией процесса сварки плавлением и является основой для построения компьютерных тренажёров.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) исследование возможностей существующих тренажёрных систем, которые применяются в обучении навыкам РДС с целью определения недостатков, ограничивающих их применение;

2) разработка информационно-измерительной системы для моделирования параметров процесса РДС в реальном времени с целью его интерактивной визуализации;

3) экспериментальная проверка адекватности математических моделей, предложенных для расчёта параметров процесса РДС;

4) разработка прототипа информационно-измерительной системы на основе разработанных моделей и её интеграция в мультимедийный тренажёр.

Научная новизна полученных в диссертации результатов состоит в следующем:

1) впервые предложен модифицированный метод конечных элементов, позволяющий получить геометрические характеристики сварного шва плоских деталей и стыков труб, такие как ширина и глубина проплавления, для его визуализации и отличающийся работой в реальном времени;

2) впервые предложен метод построения модели звука процесса

ручной дуговой сварки, позволяющий создавать генераторы звукового

сопровождения на основе статистических оценок вероятностей порождения

7

звуковых фрагментов и отличающийся самонастраивающейся группировкой этих фрагментов;

3) предложена модель расчёта параметров процесса ручной дуговой сварки, позволяющая повысить достоверность рассчитываемых величин и снизить их подверженность возмущениям на основе статистических оценок и отличающаяся формализацией адекватности этих оценок на основе планирования эксперимента.

Научная и практическая ценность работы. Практическое значение результатов заключается в усовершенствовании тренажёров РДС за счёт следующих разработок:

- разработаны модели параметров виртуального сварочного процесса (модель расчёта некоторых показателей качества сварного соединения плоских деталей и неповоротных стыков труб, модель параметров сварочного процесса, модель звукового сопровождения сварочного процесса), адекватные реальному процессу и отличающийся работой в реальном времени;

- разработана информационно-измерительная система, которая моделирует параметры виртуального процесса сварки плавлением для управления его комплексной интерактивной визуализацией в компьютерном тренажёре;

возможность повышения интеллектуальных возможностей тренажёров для обучения сварке плавлением за счёт использования оценки навыков обучаемого сварщика с помощью экспертной системы.

Внедрение результатов диссертации. Разработанные модели элементов процесса сварки и программное обеспечение (модель расчёта сварного соединения плоских деталей и неповоротных стыков труб, модель контролируемых параметров виртуального процесса, модель звукового сопровождения сварочного процесса) внедрены в ООО «Исследовательский центр подготовки и аттестации рабочих кадров «Профессионал» (г. Москва),

который является учебным центром уполномоченного национального органа от Международного института сварки (Германия).

Основные положения, выносимые на защиту:

1) модифицированный метод конечных элементов для расчёта сварного шва (плоских деталей и стыков труб);

2) метод построения адаптивной стохастической модели звука процесса сварки;

3) модель расчёта параметров сварочного процесса со встроенной проверкой достоверности выходных величин.

Достоверность научных результатов и выводов обеспечивается корректным применением методов анализа и моделирования сигналов, элементов теории сварочных процессов и самообучающихся систем. Гипотезы и положения, выдвинутые в ходе теоретического исследования, подтверждены экспериментально. Результаты исследований положительно оценены на Всероссийских и Международных научных конференциях.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях: научно-технической конференции студентов и аспирантов ВИ(ф) ЮРГТУ (2010 г.), XXIX курчатовских чтениях в г. Волгодонске (2010 г.), IV Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные вопросы развития современной науки, техники и технологий» (г. Москва, 2011 г.), IX Всероссийской научной конференции молодых учёных, аспирантов и студентов «Информационные технологии, системный анализ и управление» (г.Таганрог, 2011 г.), VII и VIII Международной нучно-практической (заочной) конференции «Динамика научных исследований» (Польша, г. Пшемысль, 2011 и 2012 гг.), VII, VIII и IX Международной нучно-практической конференции «Безопасность ядерной энергетики» (г. Волгодонск, 2011, 2012 и 2013 гг.), II Всероссийской Конференции «Методы математической физики и математическое моделирование физических процессов» научной сессии НИЯУ МИФИ-2013 (г. Москва, 2013).

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в следующих рецензируемых журналах: «Известия вузов. Технические науки», «Вестник НИЯУ МИФИ», «Сварочное производство», «Известия ВолгГТУ», а также в сборниках тезисов конференций. Всего 15 работ, из них 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Соответствие паспорту научной специальности. Область исследований соответствует паспорту специальности 05.11.16 -«Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении)», а именно пункту 1 - «Научное обоснование перспективных информационно-измерительных и управляющих систем, систем их контроля, испытаний и метрологического обеспечения, повышение эффективности существующих систем» и пункту 6 - «Исследование возможностей и путей совершенствования существующих и создания новых элементов, частей, образцов информационно-измерительных и управляющих систем, улучшение их технических, эксплуатационных, экономических и эргономических характеристик, разработка новых принципов построения и технических решений».

Личный вклад автора заключается в том, что им а) построены расчётные модели параметров процесса сварки плавлением [38, 42, 48, 54, 55, 69, 75]; б) проведены и обработаны эксперименты по проверке адекватности моделей [39, 70, 72, 74]; в) принималось участие в разработке компьютерного тренажёра [33, 34, 62, 64].

1 ПРИМЕНЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ В ОБЛАСТИ РУЧНОЙ ДУГОВОЙ СВАРКИ

В первой главе рассматривается технология ручной дуговой сварки (РДС), её особенности, разновидности и характеристики. Контроль качества сварных соединений осуществляется методами разрушающего и неразрушающего контроля. Такой контроль является дорогостоящим и требует специального оборудования и персонала. Одним из направлений решения проблемы является разработка информационно-измерительных систем (ИИС) аттестации процессов РДС. Аттестация процесса РДС с помощью ИИС проводится после его завершения. Другим направлением повышения эффективности подготовки сварщиков РДС является применение тренажёров, которые способны проводить моделирование процесса в реальном времени. Для достижения цели исследования поставлена задача разработки ИИС в качестве основы таких тренажёров.

1.1 Процесс ручной дуговой сварки

Ручная дуговая сварка плавящимся металлическим электродом с покрытием является одним из самых распространенных методов получения неразъемных соединений при изготовлении металлоконструкций. Это объясняется простотой и мобильностью применяемого оборудования, возможностью выполнения сварки в различных пространственных положениях и в местах, труднодоступных для механизированных способов сварки. Неразъемное монолитное соединение, образуемое при сварке, называется сварным соединением. В зависимости от расположения свариваемых деталей, различают стыковые, тавровые, нахлёсточные и другие виды соединений. На рисунке 1.1 представлены геометрические параметры стыкового шва [6].

1 - контур выпуклости; 2 - контур проплавления; В - ширина шва; Нп - глубина проплавления; С - высота выпуклости; Рр - площадь зоны проплавления; Рв - площадь выпуклости; фк - угол перехода; II - радиус перехода; в - ширина зазора; Б - толщина

основного металла.

Рисунок 1.1 — Основные геометрические параметры стыкового сварного

шва

Сварное соединение включает собственно шов, металл зоны термического влияния и основной металл, не претерпевший под влиянием сварки никаких изменений. Шов является литым сплавом основного и дополнительного металлов, а зона термического влияния представляет собой участок основного металла с измененными в результате сварки свойствами.

Сваркой плавлением можно соединять практически все используемые для изготовления конструкций металлы и сплавы любой толщины. Возможна сварка разнородных металлов и сплавов.

1.1.1 Сварочный контур

При ручной дуговой сварке источником тепла для нагрева свариваемых деталей служит дуговой разряд, возникающий между электродами и кромками свариваемых изделий. Сварка плавящимся электродом, схема которой показана на рисунке 1.2, является самым распространённым видом РДС. Данную схему называют сварочным контуром [7]

ип

Н

I

э

яф

/-

Э - электрод; Д - дуга; В - ванна; Ш - сварной шов;

ИП - источник питания; — внутреннее сопротивление ИП; Е — ЭДС ИП.

Рисунок 1.2- Схема процесса дуговой сварки плавлением

Для образования и поддержания дуги используют источники питания постоянного или переменного тока. Теплота дуги расплавляет электрод и кромки свариваемой детали. В результате расплавления получается общая сварочная ванна расплавляемого металла, которая, охлаждаясь, образует сварной шов. В сварочной ванне электродный металл смешивается с расплавленным металлом изделия (основным), а расплавленный шлак всплывает на поверхность. Глубина, на которую расплавляется основной металл, называется глубиной проплавления. Она зависит от следующих факторов:

1) силы сварочного тока;

2) диаметра электрода;

3) пространственного положения электрода;

4) скорости перемещения дуги по поверхности изделия (торцу электрода и дуге сообщают поступательное движение вдоль направления сварки и колебания поперек разделки);

5) конструкции сварного соединения;

6) формы и размеров разделки свариваемых кромок и т. п.

Поскольку дуга является участком сварочного контура, то все

процессы, протекающие в ней или с ее участием, находят свое отражение в ее электрических параметрах. Сварочная дуга характеризуется такими

электрическими параметрами, как сварочный ток 1Св, напряжение на дуге Цд, напряженность электрического поля столба дуги, плотность тока и т.д. При этом основными параметрами, которые несут необходимый объем информации о дуге и наиболее доступны для измерения, являются сварочный ток и напряжение на дуге [В]. От этих параметров зависит электрическая и тепловая мощность сварочной дуги. Глубина провара и ширина ванны, в свою очередь, зависят от тепловой мощности. Поэтому способность поддерживать указанные параметры в требуемых диапазонах является необходимым для сварщика РДС навыком.

1.1.2 Зона термического влияния

Теплота, выделяемая сварочной дугой, распространяется на прилегающие ко шву участки свариваемого изделия. При нагреве и остывании в этих участках изменяются структура и свойства металла. Участок основного металла, подвергающийся в процессе сварки нагреву, называют зоной термического, влияния, или околошовной зоной. Температура нагрева различных участков околошовной зоны находится в пределах от начальной температуры основного металла до температуры его плавления.

Ширина околошовной зоны изменяется в широких пределах в зависимости от способа и режима сварки, свойств основного металла и ряда других факторов [9]. На рисунке 1.3 приведена схема строения зоны термического влияния при сварке однослойного стыкового шва на конструкционных сталях.

1 — участок твердо-жидкого состояния; 2 — участок перегрева; 3 — участок перекристаллизации; 4 — участок неполной перекристаллизации; 5 - участок рекристаллизации; 6 - участок старения.

Рисунок 1.3- Строение околошовной зоны

В первом участке зоны происходит формирование шва на частично оплавленных зернах основного металла. Поэтому основной металл на этом участке находится в твердо-жидком состоянии. Участок имеет небольшую ширину. По своему составу и структуре ои отличается от соседнего участка основного металла. За время контакта жидкой и твердой фаз в нем протекают диффузионные процессы, и развивается химическая неоднородность [10].

Совокупность первого участка околошовной зоны и пограничного участка металла шва именуют зоной сплавления или переходной зоной. Свойства переходной зоны оказывают подчас решающее влияние на работоспособность сварной конструкции. На этом участке часто образуются трещины, ножевая коррозия, усталостные разрушения при вибрационной нагрузке, хрупкие разрушения и т. п. Ширина переходной зоны зависит от природы источника нагрева, теплофизических свойств, состава и толщины

15

(до определенных пределов) основного металла, режима сварки и других факторов.

Второй участок околошовной зоны - участок перегрева или участок крупного зерна. Он включает металл, нагретый до температуры плавления, примерно 1200° С. На этом участке металл совершает структурное превращение, в результате происходит рост аустенитного зерна. Только рациональный выбор технологии сварки обеспечивает наименьшие ухудшения свойств металла на этом участке.

Третий участок околошовной зоны получил название участка перекристаллизации или нормализации. Он включает металл с полностью аустенитной структурой.

Четвертый участок околошовной зоны, получивший название участка неполной перекристаллизации, включает металл, нагретый от температуры около 880° С. Металл на этом участке подвергается только частичной перекристаллизации. Поэтому здесь наряду с зернами основного металла, не изменившимися в процессе сварки, присутствуют зерна, образовавшиеся при перекристаллизации. Изменения структуры металла на этом участке значительно меньше влияют на качество сварного соединения углеродистых конструкционных сталей, чем изменения, происходящие в первых трех участках.

На пятом участке околошовной зоны, называемом участком при рекристаллизации, металл нагревается от температуры примерно 500° С до температуры несколько ниже температуры 720° С. Здесь происходит сращивание раздробленных при прокатке зерен основного металла и некоторое разупрочнение его по сравнению с исходным состоянием. Снижение прочности наблюдается также при сварке основного металла, подвергшегося упрочняющей термообработке. На этом же участке околошовной зоны при сварке углеродистых конструкционных сталей с содержанием до 0,3% углерода при некоторых условиях наблюдается

снижение пластичности и ударной вязкости и повышение прочности металла.

16

Далее расположен участок, нагретый от температуры около 100° С до температуры 500° С. Этот участок в процессе сварки не претерпевает видимых структурных изменений.

Под влиянием теплового и деформационного воздействия сварочного процесса может наблюдаться ухудшение свойств металла околошовной зоны по сравнению со свойствами основного металла. Принятый режим сварки должен обеспечивать по возможности оптимальные условия формирования этой зоны и получение необходимого и достаточного качества металла на этом участке, от которого в значительной мере зависит работоспособность сварных конструкций.

1.1.3 Сварка неповоротных стыков труб

Способ сварки неповоротных стыков труб применяется в тех случаях, когда отсутствует возможность вращения трубы для выполнения шва в удобном нижнем положении. Главной особенностью этого процесса является непрерывное изменение пространственного положения сварочной ванны в течение всего цикла сварки по периметру стыка трубы. В цикле выделяют основные пространственные положения, показанные на рисунке 1.4 [11].

В связи с этим, происходит непрерывное изменение геометрических параметров и формы поверхности сварочной ванны и поперечного сечения шва. Это приводит к ослаблению обратного валика корневого шва в нижней части стыка, формируемой в потолочном положении. В верхней части стыка, соответствующей нижнему положению сварки, шов провисает и обратный валик имеет выпуклость.

1 - нижнее, 2 - «на спуск», 3 - вертикальное «на спуск», 4 - полупотолочное, 5 — потолочное

Рисунок 1.4 - Основные пространственные положения при сварке

неповоротных стыков труб

В то же время, к геометрической форме и размерам шва стыка трубы часто предъявляются достаточно жесткие требования. В частности, по техническим условиям на изготовление специальных трубопроводов, предусматриваются допуски на выпуклость шва внутри трубы в пределах десятых долей миллиметра. При монтаже оборудования тепловых электростанций к сварным соединениям ответственных трубопроводов предъявляются требования полного провара корня шва при хорошем формировании внутренней стороны шва.

1.1.4 Контроль качества сварных соединений

Оценка качества сварных соединений и наплавки производится па основании результатов контроля методами, установленными для данных сварных соединений чертежами и схемами контроля.

Дефекты, выявляемые при неразрушающих методах контроля, подразделяются на наружные (поверхностные), выявляемые при контроле

внешним осмотром, цветной, люминесцентной и магнитно-порошковой дефектоскопией, и внутренние, выявляемые при просвечивании и ультразвуковой дефектоскопии.

К поверхностным дефектам относятся:

- трещины, надрывы и другие плоскостные и линейные дефекты всех видов (несплавления, подрезы), в том числе трещины (пауки) под каплями (брызгами) металла и в местах случайных прикосновений электродами к поверхности свариваемых элементов;

- наплывы (натеки);

- незаверенные прожоги и свищи;

- незаплавлепные кратеры и их вывод на основной металл;

- непровары;

- сплошное или прерывистое усиление корня шва при односторонней сварке труб без подкладных колец.

При условии обеспечения плавности перехода к соседним участкам шва к поверхностным дефектам относят западания (углубления) между валиками и чешуйчатое строение поверхности шва.

Все недопустимые дефекты, обнаруженные при внешнем осмотре, должны быть устранены до проведения последующего контроля другими методами. Правила контроля регламентируют допустимое количество дефектов в сварном соединении в зависимости от условий эксплуатации и размеров изделия [12]. Такое управление качеством продукции называется нормативным.

Электрические, термические, химические и другие явления, которыми

сопровождается процесс РДС, делают его сложно поддающимся контролю в

реальном времени [8]. По этой причине используется нормативное

управление сварочным процессом. Нормативное управление заключается в

периодической аттестации сварочного оборудования, сварочных материалов

и навыков сварщиков. В ряде работ показано, что профессиональные навыки

сварщика в наибольшей степени влияют на качество получаемых сварных

19

соединений [1,13,14|. Одним из путей совершенствования контроля и аттестации навыков сварщиков РДС является разработка информационно-измерительных систем для аттестации сварочных процессов.

1.2 Информационно-измерительные системы для оценки состояния процесса РДС

1.2.1 Использование информационно-измерительных систем в аттестации сварочных процессов

Рассмотрим основные контролируемые параметры процесса РДС и возможности получения информации о состоянии процесса с их помощью. Па рисунке 1.5 представлены мгновенные значения тока сварки и напряжения на дуге. Все порцсссы, происходящие в сварочном контуре, отражаются на характеристиках этих сигналов. Поэтому одним из направлений применения информационно-измерительных систем в технологии РДС является анализ сигналов контролируемых параметров [3].

Рисунок 1.5 - Сигналы тока сварки и напряжения на дуге

Процесс РДС может находиться в одном из технологических состояний: холостой ход, горение дуги и короткое замыкание.

Статистические характеристики процесса РДС для каждого из этих состояний зависят от квалификации сварщика. На рисунке 1.6 показано совместное распределение мгновенных значений тока сварки и напряжения на дуге. Информационно-измерительная система, которая проводит оценку параметров совместного распределения, позволяет оценить качество процесса РДС.

. 1 о-1-1-1-1-1-1

-20 0 20 40 60 8и 100

Ток, А

Рисунок 1.6 - Совместное распределение мгновенных значений

Однако такая оценка возможна тогда, когда процесс РДС завершён, и система накопила необходимый объём информации о нём [3]. Кроме этого, сложно определить, какие профессиональные навыки оказались недостаточно развитыми у сварщика, который провёл этот процесс. В связи с этим возникает необходимость в разработке таких информационно-измерительных систем, которые применимы в процессе начального обучения навыкам РДС.

1.2.2 Предпосылки разработки тренажёров для обучения навыкам РДС

Традиционная система подготовки сварщиков на базе нормативного управления обладает следующими недостатками [15]:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Толстов, Виктор Андреевич, 2014 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Cae A.B. Методы, методика и электронные тренажеры подготовки и аттестации сварщиков //Состояние и основные направления развития неразрушающего контроля сварных соединений объектов транспорта газа: материалы отраслевого совещ.- М.: ООО "ИРЦ Газпром", 2006. - С. 225-232.

2. Производство сварных конструкций в энергетическом машиностроении / Под ред. В.Н. Земзина, Ф.Г. Гонсеровского, В.Н. Столярова - Ленинград: Ленинград, дом нуч.-техн. проп. - 1977. - 110 с.

3. Кривии В.В. Методы автоматизации ограниченно детерминированных процессов: Монография / ЮРГТУ Новочеркасск: "Изв. вузов. Электромеханика", 2003. - 174 с.

4. Богдановский В.А., Гавва В.М., Махлин Н.М., Компьютеризированный малоамперный дуговой тренажер сварщика// Сварочное производство. - 2006. - № 12.

5. State Of The Welding Industry Report: Executive Summary. - USA, National Center for Welding Education and Training. - 2010. -Режим доступа: http://www.\veld-ed.org/NR/rdonlyres/363B5036-3rB6-4631 -B0DE-30B91 EB82B88/0/welded excutive summ.pdf.

6. Березовский Б.М. Математические модели дуговой сварки: В 7 т. - Том. 1. Математическое моделирование и информационные технологии, модели сварочной ванны и формирование шва. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2002. - 585 с.

7. Чернов A.B. Обработка информации в системах контроля и управления сварочным производством: Монография // Новочерк. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: НГТУ, 1995. - 180 с.

8. Кривин В.В. «Автоматизация контроля и аттестации сварочного производства на основе методов идентификации ограниченно детерминированных процессов»: дисс. докт. техн. наук. 2003 г.

9. Акулов А.И., Бельчук Г.А., Демянцевич В.П. Технология и оборудование сварки плавлением. - М. Машиностроение, 1977. - 432 с.

10. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением. / Под. ред. акад. Б.Е. Патона. - М. : Машиностроение, 1974. -768 с.

11. Березовский Б.М. Математические модели дуговой сварки: в 3 т. Том 2. Математическое моделирование и оптимизация формирования различных типов сварных швов. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2003. - 601 с.

12. Правила контроля сварных соединений и наплавки узлов и конструкций атомных электростанций, опытных и исследовательских ядерных реакторов и установок. - М.: Металлургия, 1975. - 72 с.

13. В.Ф. Лукьянов, Х.Т. Мгопджа, А.Л. Черногоров. Выработка моторных навыков у сварщика ручной дуговой сварки на компьютерном тренажере //Вестник ДГТУ, 2002.Т.2.№4(14).

14. Коробова Г.М., Чекмарев Б.А., Гольфанд М.И. и др. Совершенствование системы оценки квалификации сварщиков// Сварочное производство. 1983. №9 с.40-41.

15. Ишигов И.О. «Информационно-измерительная система для испытательного стенда обучения операторов-сварщиков ручной дуговой сварки»: дисс. канд. техн. наук. 2008 г.

16. Зеленин В.М. Электронные тренажеры. - М.: Знание.1986. - 64 с.

17. Равлусевич P.A., Глебов А.З., Кольдерцев И.С. Инструмент и средства защиты электросварщика. - М.: Машиностроение. 1984. - 96 с.

18. Шукшунов В.Е., Циблиев В.В., Потоцкий С.И. Тренажерные комплексы и тренажеры. - М.: Машиностроение, 2005. - 24 с.

19. Fronius Virtual Welding / Режим доступа: http://weldinssite.com.ua/rss35.html.

20. VRTEX 360 Virtual Reality Arc Welding Trainer - Lincoln Electric / Режим доступа: http://www.lincolnelectric.com/en-us/equipment/training-equipment/Pages/ vrtex.aspx.

21. Arc+ Welding Simulator - 123Certification / Режим доступа: http://www.123arc.com/en/ARCPlus.htm.

22. Кривин B.B., Ишигов И.О. Виртуальный тренажер для обучения оператора сварщика ручной дуговой сварки // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки.- 2006. - Прил. №16 : Состояние и перспективы строительства и безопасной эксплуатации Волгодонской АЭС (материалы конф., г. Волгодонск, 28 апр. 2006 г.). - С. 180-184.

23. Виниченко М.Ю., Кривин В.В., Ишигов И.О., Тямалов А.А. Математическая модель плавления виртуального электрода //Современные методы и средства обработки пространственно-временных сигналов : сб. ст. VI Всерос. науч.-техн. копф., 27-28 мая 2008 г. - Пенза, 2008. С. 121-123.

24. Кривин В.В., Ишигов И.О. Моделирование виртуального пространства оператора-сварщика ручной дуговой сварки // Информационно-вычислительные технологии и их приложения : сб. ст. IV рос.-укр. науч.-техн. и метод, симп., 1-3 июня 2006 г. - Пенза : РИО ПГСХА, 2006. - С. 133136.

25. L. Berruti, F. Davoli, S. Zappatore, G. Massei, A. Scarpiello. Remote Laboratory Experiments in a Virtual Immersive Learning Environment. / Advances in Multimedia, Volume 2008, Article ID 426981. Режим доступа: www.hindawi.com/iournals/am/2008/426981.html.

26. Виртуальная перчатка P5 Glove - пощупай другой мир. URI: www.hwp.ru/articles/Virtualnaya perchatka P5 Glove - poshchupay drugoy mir/.

27. TrackiR 5 by Natural Point. Режим доступа: www.naturalpoint.com/trackir/pro-ducts/trackir5/.

28. Get Wowed! with the Novint Falcon. Novint Technologies. Режим доступа: http://home.novint.com/products/novint_falcon.php.

29. Simple, fast, and accurate 3D scanning solutions. MicroScribe Digitizing Arms. / Режим доступа: http://www.gomeasure3d.com/ microscribe.html.

30. В полном объеме: трехмерный ноутбук Acer Aspire 5738DG. Daily Digital Digest. Режим доступа: www.3dnews.ru/ mobile/acer_aspire_5 73 8dg.

31. Очки nVidia GeForce 3D Vision: игры в стерео. Tom's Hardware Guide Russia. Режим доступа: www.thg.ru/ graphic/nvidia_geforce_3 division/index.html.

32. Шлем виртуальной реальности eMagin Z800 3D Visor. Hardwareportal. Режим доступа: www.hwp.ru/articles/ SHlem_virtualnoy_realnosti eMagin Z800 3D_Visor/.

33. Кривин B.B., Виничеико М.Ю., Ишигов И.О., Толстов В.А. Испытательная мультимедийная система для обучения сварщиков ручной дуговой сварки // Известия ВолгГТУ. - 2008. №4(42). - С.97-102.

34. Кривин В.В., Сас A.B., Ишигов И.О., Толстов В.А. Мультимедийный тренажер для ручной дуговой сварки. // Сварочное производство. - 2010. - №5. - С.57-59.

35. Грузинцев Б.П., Сас A.B. Эргономические основы подготовки высококвалифицированных операторов ручной дуговой сварки (ДВС). // Глобальная ядерная безопасность. - 2011. - №1 - С. 121-126.

36. Потопахин В.В. Искусство алгоритмизации. - Изд-во «ДМК Пресс», 2011.-320 С.

37. Кривин В.В., Виниченко М.Ю., Руденко П.И., Тямалов A.A. Метод построения внешних статических характеристик сварочных источников питания // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2008. -№5 - С.81-85.

38. Кривин В.В., Виниченко М.Ю., Ишигов И.О., Толстов В.А. Математическая модель для имитации сварочного процесса в виртуальном тренажере сварщика. / Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн.науки. - 2009. -Спец.вып. - С.61-64.

39. Толстов В.А., Ишигова Л.О., Цуверкалов В.Г., Черкалина A.B.

Экспериментальное определение ограничений для модели процесса РДС в

138

мультимедийном тренажере. // Глобальная ядерная безопасность. - 2012. -№4(5). - С.54-59.

40. Березовский Б.М. Математические модели дуговой сварки: в 7 т. Том 4. Основы тепловых процессов в свариваемых изделиях. - Челябинск: Изд-во "Челябинский ЦНТИ", 2006. - 547 с.

41. Компьютерное проектирование и подготовка производства сварных конструкций: Учеб. пособие для вузов / С.А. Куркин, В.М. Ховов, Ю.Н. Аксёнов и др. - М.: Изд-во МГТУ им Н.Э. Баумана, 2002. - 454 с.

42. Кривин В.В., Виниченко М.Ю., Толстов В.А. Модель стержневых конечных элементов для теплового расчёта виртуального сварного шва. // Актуальные вопросы развития современной науки, техники и технологий : материалы IV Всерос. науч.-практ. (заоч.) конф. (Москва, 27-29 апр. 2011 г.) - М.: НИИРРР, 2011. - С. 89-94.

43. Чернышов Г.Г. Влияние силового воздействия дуги на формирование шва // Проблемы прочности и технологии в сварке : Тр. МВТУ им. Н.Э. Баумана. -М.: МВТУ, 1981. - Вып. 363. - С.92-101.

44. Березовский Б.М. Математические модели дуговой сварки: в 7 т. Том 3. Давление дуги, дефекты сварных швов, перенос электродного металла. - Челябинск: Изд-во "Челябинский ЦНТИ", 2003. - 485 с.

45. Мечев B.C. Давление сварочной дуги на расплавляемый металл // Сварочное производство. - 1983. - №9 - С.8-10.

46. Лесков Г.И. Электрическая сварочная дуга. - М.: «Машиностроение», 1970. - 335 с.

47. Ильенко H.A. Вопросы аналитического и экспериментального определения давления сварочной дуги. // Повышение прочности и эксплуатационной надёжности деталей. Материалы н.т. конференции. -Пермь: ППИ, 1968. - С.177-185.

48. Кривин В.В., Виниченко М.Ю., Толстов В.А. Математическая модель сварки неповоротных стыков труб для мультимедийного тренажёра сварщика. // Глобальная ядерная безопасность. -2012. - №1(2). - С.71-78.

49. Управление процессами и оборудованием при сварке : учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / Э.А. Гладков. - М. : Издательский центр «Академия», 2006. - 432 с.

50. А. Ламот. Программирование трехмерных игр для Windows. Советы профессионала по трехмерной графике и растеризации. : Пер. с англ.-Издательский дом «Вильяме», 2004. -1424с.

51. Сас A.B. «Автоматизация процессов дуговой сварки с обеспечением инвариантности свойств соединений к действию технологических возмущений»: дисс. докт. техн. наук, 2007.

52. Yaowen WANG, Pengsheng ZHAO. Plasma-arc Welding Sound Signature for On-line Quality Control. / 1SIJ International. - Vol. 41 (2001), №2. -C.164-167.

53. Joseph Tam. Methods of Characterizing Gas-Metal Arc Welding Acoustics for Process Automation. // Waterloo, Ontario, Canada, 2005.

54. Кривин B.B., Виниченко М.Ю., Ишигов И.О., Толстов В.А. Моделирование звука в компьютерном тренажёре для обучения сварщиков РДС. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2010. - Спец. вып. -С. 19-21.

55. Кривин В.В., Толстов В.А. Вероятностная модель звука сварки для мультимедийного сварочного тренажёра. / В.В. Кривин, В.А. Толстов // Динамика научных исследований - 2012 : материалы VIII Междунар. науч.-нракт. конф. (Польша, Пшемысль, 7-15 июля 2012 г.). - Пшемысль: Наука и исследования, 2012. - С. 55-59.

56. Каллан Р. Основные концепции нейронных сетей: Пер. с англ. -М.: Изд-во «Вильяме», - 2001. - 267 с.

57. Хайкин С. Нейронные сети: полный курс, 2-е издание: Пер. с англ. - М.: Издательский дом "Вильяме", 2006. - 1104 с.

58. Медведев B.C., Потемкин В.Г. Нейронные сети Matlab 6 - M., Диалог-МИФИ, 2002. - с. 489.

59. Интеллектуальные информационные системы: Учебник / Андрейчиков A.B., Лндрейчикова О.Н. - М.: Финансы и статистика, 2006. -424 с.

60. Тудвасев В.А. Ручная дуговая сварка. Техника и приёмы сварки. Практическое пособие для сварщиков. Книга 2. - Росиздат, Ростов н/д, 2012. -216 С.

61. Гаврилова Т.А., Хорошевский В.Ф. Базы знаний интеллектуальных систем - СПб.: Питер, 2000. - 384 с.

62. Tojictob В.А., Андреева Е.А., Ишигова JI.O. Модель анализатора траектории торца электрода в мультимедийном тренажёре сварщика. // Глобальная ядерная безопасность. - 2013. - №2(7) - С. .

63. Дубровский Д.И. Сознание, мозг, искусственный интеллект / Д.И. Дубровский // Искусственный интеллект: междисциплинарный подход. Под ред. Д.И. Дубровского и В.А. Лекторского - М. : ИИнтеЛЛ, 2006. -448 с.

64. Виниченко М.Ю., Толстов В.А., Ишигов И.О. Реализация экспертной системы для мультимедийного сварочного тренажёра. // Информационные технологии, системный анализ и управление : материалы IX Всерос.науч.конф. (Таганрог, 8-9 дек. 2011 г.). - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2011. - Т. 1.-С. 5-9.

65. Тревис Дж. Lab VIEW для всех. М.: ДМК Пресс, ПриборКомплект. 2004. - 653 с.

66. Суранов А.Я. LabVIEW 8.20: Справочник по функциям. - М.: ДМК Пресс, 2007. - 536 с.

67. МакКаски М. Звук в играх. Технологии программирования / Пер. с англ. - М.: «КУДИЦ-ОБРАЗ», 2004. - 368 е.; ил.

68. Стеклов О.И., Сас A.B., Грузинцев Б.П. Оценка качества регулирования дуговой сварки по модели контура «зрительный анализатор -моторный выход». - М.: МИНГ им.И.М. Губкина, 1989. - С.14-20.

69. Кривин В.В., Виниченко М.Ю., Толстов В.А. Расчёт параметров виртуального сварного шва в тренажёре сварщика. // Безопасность АЭС и подготовка кадров : тез. докл. XII Междунар. конф. (Обнинск, 4-7 окт. 2011 г.). - Обнинск, 2011.-С. 110-112.

70. Виниченко М.Ю. Проверка адекватности тепловой модели стержневых конечных элементов для расчёта виртуального шва / М.Ю. Виниченко, В.А. Толстов // Динамика научных исследований : материалы VII Международ, науч.-практ. конф. (Пшемысль, 5-17 июля 2011 г.) -Пшемысль.: Наука и исследования, 2011. - С. 31-34.

71. Демидов В. Как мы видим то, что видим. - Изд-во Знание, 1987. -

240 с.

72. Кривин В.В., Виниченко М.Ю., Ишигов И.О., Толстов В.А. Проверка адекватности модели звука ручной дуговой сварки. // Глобальная ядерная безопасность. - 2012. - №2-3(4). - С.32-38.

73. Горнаков С.Г. DirectX9: Уроки программирования на С++. -СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 400 с.

74. В.В. Кривин, С.М. Виниченко, И.О. Ишигов, В.А. Толстов, Н.В. Ермолаева. Моделирование сигналов параметров виртуального сварочного процесса. // Вестник НИЯУ МИФИ. - 2014. - №1. [в печати]

75. Luna, Frank D. Introduction to 3D game programming with DirectX 9.0c : a shader approach / by Frank D. Luna. - 2006, Wordware Publishing, Inc.

76. Кривин B.B., Виниченко М.Ю., Толстов B.A., Ермолаева H.B. Моделирование виртуального сварного соединения неповоротных стыков труб в мультимедийном тренажере сварщика. // Вестник Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ». - 2013. - №2. - С.219-223.

77. И. Бей «Взаимодействие разноязыковых программ». -М.: «Вильяме», 2005. - 880 с.:ил.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Код С++ для запуска исполняемого файла внешней программы.

DWORD ErrCode;

char currDri[] = "C:\Wc"; //папка срасположепем файла char mod[] = " C:\WcWplotter.exe"; //указатель на файл startlnfo. cb = sizeof(STAR TUPINFO) ; startlnfo.cbReserved2 = 0;

startlnfo.dwFillAttribute = BACKGROUND GREEN;

startlnfo.IpTitle = NULL;

startlnfo.dwX = CWUSEDEFAULT;

startlnfo.dwY = CWUSEDEFAULT;

startlnfo.dwXSize - CW USEDEFAULT;

startlnfo.dwYSize - CWJJSEDEFAULT;

startlnfo.dwXCountChars = 0;

startlnfo. dwYCountChars = 0;

startlnfo. IpReserved 2 = NULL;

startlnfo.lpReserved := NULL;

startlnfo. IpDesktop = NULL;

startlnfo. dwFlags = STAR TF_ USE FILL A TTRIB UTE; // Создание процесса ErrCode =

CreateProcess(mod,NULL,NULL,NULL,FALSE,О,NULL, currDri ,&startlnfo ,&pro!nfo); if (!ErrCode) {

ErrCode = GetLastErrorQ;

printf("He удалось запустить модуль & ErrCode = %x\n ", ErrCode);

}