Разработка технических средств и критериев целенаправленного формирования практических навыков сварщика тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.10, кандидат технических наук Динь Чыонг Шон

• Динь Чыонг Шон
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Динь Чыонг Шон

ВВЕДЕНИЕ.

1 ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ВЫРАБОТКИ МОТОРНЫХ НАВЫКОВ У СВАРЩИКОВ.

1.1 Практические навыки сварщика как основа качества сварного соединения.

1.2 Оценка практических навыков при аттестации сварщиков в России и за рубежом.

1.2.1 Документы, регламентирующие процедуры Аттестации.

1.2.2 Оценка практических навыков при аттестации сварщиков ручной дуговой и механизированной сварки.

1.3 Существующие методы практической подготовки сварщика.

1.4 Тренажеры практических навыков сварщика.

1.5 Цель и задачи исследования.

2 КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА ПРАКТИЧЕСКИХ НАВЫКОВ СВАРЩИКА НА ОСНОВЕ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СВАРОЧНОЙ ДУГИ.

2.1 Ручная дуговая сварка с позиции автоматической системы регулирования напряжения на дуге.

2.2 Методика непрерывного измерения электрических параметров сварочной дуги.

2.3 Результаты экспериментального исследования изменения параметров, характеризующих стабильность горения дуги.

2.4 Анализ возможности оценки практических навыков сварщика по параметрам стабильности горения дуги.

Выводы по главе 2.

3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗДЕЛЬНОЙ ВЫРАБОТКИ

МОТОРНЫХ НАВЫКОВ.

3.1 Принципы целенаправленного формирования моторных навыков.

3.2 Компьютерные средств и программное обеспечение оборудования для целенаправленного формирования моторных навыков сварщика.

3.2.1 Тренажер для выработки моторных навыков подержания скорости сварки и траектории шва ручной дуговой и механизированной сварки.

3.2.2 Тренажер для выработки моторных навыков подержания длины дуги при ручной дуговой и механизированной сварке.

3.3 Методика проведения экспериментов.

3.4 Результаты экспериментального исследования выработки моторных навыков в процессе обучения.

3.4.1 Разработка эталона при исследовании моторных навыков сварщика в процессе обучения.

3.4.2 Исследование выработки навыков стабильного подержания движения электрода по стыку.

3.4.3 Тренировки на выработку моторных навыков подержания стабильно дугового промежутка.

3.5 Сопоставление моторных навыков сварщиков различной квалификации

Выводы по главе 3.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технических средств и критериев целенаправленного формирования практических навыков сварщика»

Дуговая сварка плавящимся металлическим электродом в настоящее время является одним из самых распространенных методов получения неразъемных соединений при изготовлении металлоконструкций. Несмотря на широкое распространение в промышленности различных видов автоматической и полуавтоматической сварки, ручная дуговая сварка до сих пор не потеряла своей актуальности. Предполагается, что доля ручной дуговой сварки покрытыми электродами к 2010 г. составит 20 - 25 % от общего объема сварки [1]. Это объясняется высокой универсальностью и значительной мобильностью. Она обеспечивает возможность без замены сварочного инструмента и оборудования выполнять швы различной конфигурации, вести сварку в любом пространственном положении, в том числе труднодоступных местах для механизированных способов сварки, позволяет выполнять работы практически при любых погодных условиях.

Анализ повреждаемости сварных соединений в процессе изготовления и монтажа показывает, что наиболее часто они связаны с применением именно процесс ручной дуговой сварки (РДС) [2,3]. Это объясняется сложной физической природой процесса, отсутствием обратной связи по показателям качества и др.

Одной из главных целей технологической подготовки производства является стабильность и предсказуемость сварочного процесса [4,5]. Однако процесс сварки остается в высокой степени непредсказуемым, т.е. подверженным случайным воздействиям: квалификации оператора-сварщика, изменению свойство сварочного оборудования и сварочных материалов и т.п. В частности, устойчивость процесса сварки во многом зависит от квалификации сварщиков.

Оценка качества выполняемых сварочных работ показывает, что основным недопустимым видом браков являются непровар, шлаковые включения и поры, доля которых составляет 30% от общего брака. При этом основной причиной, обуславливающей указанные виды браков, является уровень профессиональной подготовки самого сварщика. Принято считать, что доля швов с дефектами, появляющимися по вине сварщика может достигать 30-40% .

Это приводит к концепции повышения качества сварных соединений, полученных при РДС, за счет увеличения стабильности свойств технологических компонентов процесса, где одним из основных является оператор-сварщик. В связи с этим, вопросам профессиональной подготовки сварщиков и специалистов сварочного производства уделяется большое внимание во всех промышленно развитых странах. Глобализация мировой экономики обусловила необходимость гармонизации требований к подготовке специалистов различных стран. Европейское общество сварщиков разработало единые минимальные требования к подготовке персонала сварочного производства в Западной Европе. Позже к этому процессу присоединился Международный институт сварки. Разработка единых требований, программ, методик и процедур подготовки персонала является основой свободного перемещения рабочей силы и дает работодателю уверенность в том, что он может рассчитывать на определенный уровень профессионализма исполнителей и руководителей сварочного производства.

Большинство существенные методы обучения сварщиков РДС основываются на выработке у обучаемых моторных навыков путем проведения множества реальных сварочных процессов в различных пространственных положениях разными способами. Причем качество сварного соединения может быть оценено только после окончания сварки, методами разрушающего или неразрушающего контроля. Такой способ оценки качества и навыков работы, особенно на начальных стадиях обучения, является трудоемким, дорогостоящим требует больших затрат времени и применения специализированного оборудования. Другим недостатком первоначального обучения на реальном процессе является то, что инструктор не может объективно контролировать процесс сварки в реальном времени из-за отсутствия совокупной информации о показателях качества формирования сварного соединения. Кроме того, отсутствует возможность по окончании процесса предоставить обучаемому траекторию перемещений электрода относительно стыка и внешний вид выполненного шва.

Однако наибольшее влияние на сварщика и всех лиц, находящихся в зоне выполнения электросварочных работ, оказывает излучение сварочной дуги Сварочная дуга является источником излучения видимых световых, ультрафиолетовых и инфракрасных лучей. Мощное ультрафиолетовое излучение сварочной дуги вызывает болезненно протекающее воспаление глаз и при продолжительном действии вызывает ожоги кожи [6]. С учетом изложенного представляет интерес создание условий для подготовки и повышения навыков сварщиков ручной дуговой сварки, исключающих вредные воздействия указанных выше факторов, а также расход электрической энергии и электродов.

Анализ современных методов профессиональной подготовки позволяет считать, что в данном случае методы обучения практических навыков сварщиков тренажером могут оказаться весьма полезными для организации обучения начальных сварщиков РДС. При этом и из эргономических и из экономических соображений формирование первичных моторных навыков необходимо осуществлять не на реальном процессе, а на тренажере. И лишь только после этого переходить к реальному процессу сварки. Обучение на тренажере позволяет своевременно фиксировать ошибки и не допускать закрепления «неправильных» навыков.

На начальном этапе обучения тренажеры, по сравнению с обучением в производственной среде, позволяют ускорить процесс получения необходимых навыков благодаря возможности расчленить моторные действия сварщика на составляющие и тренировать сварщика на выполнение каждой составляющей отдельно. Часть функций сварщика тренажер позволяет имитировать близко к тому, как они исполняются в производственной среде, а некоторые реализуются на тренажере намного лучше. Применение тренажеров позволяет в ряде случаев во много раз ускорить процесс обучения и добиться высокого его качества [7].

Цель диссертационной работы.

На основании изучения моторных процессов манипуляции электродом разработать тренажер для целенаправленного формирования моторных навыков при начальной подготовке сварщиков ручной и механизированной сварки, повышение производительности и качества обучения, а также снижения временных и материальных затрат при подготовке сварщиков сварочного производства.

Методы исследований.

Экспериментальные исследования моторных навыков сварщика по электрическим параметрам стабильности дуги проводились с применением цифровой измерительной системы.

Для классификации процесса ручной дуговой сварки плавлением использованы методы математической статистики.

В начальном этапе подготовки сварщиков использованы метод целенаправленной выработки моторных навыков, обучаемые вырабатывают различные навыки на разработанные тренажеры.

Научная новизна.

На основе изучения закономерностей управления процессом ручной и механизированной дуговой сварки разработаны принципы целенаправленного формирования моторных навыков сварщика, которые заключаются в следующем:

• При формировании сложных моторных навыков они должны быть разбиты на отдельные элементы двигательных компонентов в структуре профессиональных навыков. Применительно к ручной и механизированной дуговой сварке к таким элементам относятся следующие:

- перемещение сварочного электрода вдоль заданной траектории с заданной точностью;

- поддержание скорости перемещения электрода с заданной скоростью;

- поперечные колебания конца электрода с заданной частотой, амплитудой, траекторией;

- поддержание и изменение наклона электрода в заданных пределах;

- вертикальные перемещения электрода для поддержания заданной величины дугового промежутка.

• Формирование моторных навыков должно сопровождаться выработкой интеллектуальных навыков путем введения в процесс обучения обратных связей в реальном времени, например, за счет применения интерактивных систем.

• формирование навыков должно сопровождаться диагностикой количественных и качественных параметров двигательной сферы учащихся.

Практическая значимость работы.

• Разработана методика целенаправленного формирования практических навыков на начальном этапе подготовки сварщиков ручной дуговой и механизированной дуговой сварки.

• Разработан электронный тренажер для формирования навыков:

- движения электрода вдоль прямолинейного или криволинейного стыка в различных пространственных положениях;

- поддержания заданной скорости перемещения электрода;

- поддержания заданной величины дугового промежутка при сварке.

Апробация результатов диссертации.

Результаты исследований внедрены в учебный процесс при подготовке в Донском государственном техническом университете на кафедре «Машины и автоматизация сварочного производства». Методика целенаправленного формирования практических навыков тренажером позволяют не только для начальной подготовки сварщиков ручной и механизированной дуговой сварки, но и в других профессиональных учебных областях.

Результаты работы обсуждались на международных научно-технических и ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава Донского государственного технического университета (2007-2009). По теме диссертации опубликовано 3 научных работ.

Работа выполнена в Донском государственном техническом университете на кафедре «Машины и автоматизация сварочного производства» в соответствии с межвузовской научно-исследовательской программой «Сварочные процессы».

Заключение диссертации по теме «Сварка, родственные процессы и технологии», Динь Чыонг Шон

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Совместный анализ характеристик РДС и свойств оператора по восприятию информации позволил выявить основные регулируемые параметры моторного выхода, точность поддержания которых в определенных диапазонах является важным фактором квалификации операторов ручной дуговой сварки. Определение этих параметров позволяет повысить объективность обучения операторов-сварщиков.

2. Выявлено, что наиболее значимым и информативным фактором для оператора-сварщика является длина дуги. Существенные современные измерительные системы позволяют измерить эти параметры непосредственно через напряжение на дуге.

3. Статистические характеристики мгновенных значений напряжения и тока при сварке и частоты коротких замыканий не достаточно объективны для оценки уровня квалификации сварщика, - поскольку при выполнении производственных соединений сварщики целенаправленно управляют этими параметрами для обеспечения качества формирования шва.

4. Наиболее значимыми информационными признаками уровня квалификации сварщика являются статистические оценки, характеризующие длительность периодов короткого замыкания, частоту и длительность периодов нахождения процесса в диапазоне напряжений длинной дуги и холостого хода.

5. Разработан компьютеризированный тренажер-имитатор, позволяющий вырабатывать и оценивать моторные навыки сварщика ручной дуговой и механизированной сварки, обеспечивающий в процессе тренировки визуализацию траектории и скорости движения электрода сварщика.

6. Проведенные эксперименты подтверждают эффективность применения тренажера. После трехнедельной тренировки значительно повысилась стабильность скорости и точность движения электрода вдоль с свариваемого стыка. Визуализация траектории и скорости движения электрода повышает эффективность применения тренажера для выработки моторных навыков.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Регистрация и анализ изменения мгновенных значений тока и напряжения в процессе сварки позволяет выделить информационные признаки, по которым можно судить об уровне усвоения сварщиком моторных навыков.

Наиболее значимыми информационными признаками являются статистические оценки, характеризующие длительность периодов короткого замыкания, частоту и длительность периодов нахождения процесса в диапазоне напряжений длинной дуги и холостого хода.

Вместе с тем установлено, что статистические характеристики мгновенных значений напряжения и тока при сварке не могут быть использованы для объективной оценки уровня квалификации сварщика, поскольку при выполнении производственных соединений сварщики целенаправленно управляют этими параметрами для обеспечения качества формирования шва.

Для целенаправленного формирования моторных навыков на начальном этапе обучения сварщиков ручной дуговой и механизированной сварки целесообразно раздельно и последовательно закреплять отдельные моторные навыки манипуляции рабочим инструментом путем использования интерактивных тренажерных средств.

Разработана методика целенаправленного формирования моторных навыков на начальном этапе подготовки сварщиков ручной и механизированной дуговой сварки.

Создан компьютерный тренажер сварщика, позволяющий контролировать и визуализировать траекторию движения электрода по стыку и скорость сварки.

Результаты исследований внедрены в учебный процесс при подготовке в Донском государственном техническом университете на кафедре «Машины и автоматизация сварочного производства». Методика и тренажер целенаправленного формирования практических навыков может быть использован не только для начальной подготовки сварщиков ручной и механизированной дуговой сварки, но и в других областях, где требуется выработка моторных навыков движения инструмента, например при обучении газорезчиков.

На защиту выносятся следующие основные положения работы:

Результаты анализа международного опыта подготовки и оценки практических навыков сварщика сварочного производства.

Метод целенаправленной выработки и последовательного закрепления моторных навыков при начальной подготовке сварщиков.

Метод кластеризации данных совместного распределения мгновенных значений тока сварки и напряжения дуги, позволяющий получить численные идентификационные характеристики состояния процесса ручной дуговой сварки плавящимся электродом.

Информационные признаки, по которым можно судить об уровне усвоения сварщиком моторных навыков манипуляции рабочим инструментом в процессе обучения.

Опыт использования тренажера для выработки моторных навыков сварщика ручной и механизированной дуговой сварки, подтверждающий эффективность визуализации траектории и скорости движения электрода, как обратной связи.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Динь Чыонг Шон, 2010 год

1. М.П. Шалимов, В.И. Панов "Сварка Вчера, Сегодня, Завтра". Екатеринбург, 2006 / http://www.enginclub.ru/upload/Svarka.pdf.

2. Гладков Э. А., Львов Н.С. Автоматика и автоматизация сварочных процессов. М.; Машиностроение, 1982. -304с.

3. Шумилев В.Ф. Оптимальная стабилизация выходных параметров источников питания сварочной дуги при случайных воздействиях // Сварочное производство.-1990.-№1. С. 36-37.

4. Акулов, А.И. Технология и оборудование сварки плавлением Текст. / А.И. Акулов, Г.А. Бельчук, В.П. Демяшевич.- М.: Машиностроение, 1981. -270с.

5. Сварка в машиностроении Текст. / под ред. А.И. А'кулов.-М: Машиностроение, 1987. -250с.

6. Y. Wang, Y. Chen, Z. Nan, Y. Hu. Study on Welder Training by Means of Haptic Guidance and Virtual Reality for Arc Welding, International Conference on Robotics and Biomimetics, December 2006, Kunming, China.

7. Гавва B.M. Малоамперный дуговой тренажер сварщика // НИЦСКАЭ ИЭС им. Е.О.Патона // http://www.et.ua/welder/news/2000-6-4.html.

8. Яковлев Г.М. Некоторые итоги развития механизации и автоматизации сварочных работ в 11-ой пятилетке. Автоматическая сварка. 1987.-№5. -С. 8182.

9. Глебов З.А., Глебов В.А., Глебов А.З. Оптимизация условий труда на рабочем месте электросварщика. Сварочное производство. 1994.-№8. -С. 9-14.

10. Ультрафиолетовое излучение и защита лаз при сварке // 1984. -№9-10. -С. 176-193.

11. Георгиев Г.И. Исследование взаимосвязей • между ЗДК движений вершины электрода и подготовкой сварщиков // Психология.-1974.-№11. -С. 33-36.

12. Черноусов В.А., Волченко В.Н., Алёшин Н.Н. Об оценке квалификации сварщиков, работающих в монтажных условиях ручным дуговым способом // Сварочное производство.-1979.-№11. -С. 29.

13. Ломов Б.Ф. Справочник по инженерной психологии. М.; Высшая школа. -1986. -448с.

14. Душков Б.А., Душков Б.Ф., Ломов Б.Ф.Основы инженерной психологии.- М. Наука. -1987. -448с.

15. Цыбульская И.Е. Человек как звено следящей системы. М.; Наука. -1987. -288с.

16. Фоминых В.П. Методика практического обучения ручной дуговой сварки: Методическое пособие для технических училищ. М.: Высшая школа, 1978.

17. Контроль качества сварки. Под ред. В.Л. Волченко. Учебное пособие для машиностроительных вузов. М.,"Машиностроение", 1975.

18. Правила контроля сварных соединений и наплавки узлов и конструкций атомных электростанций, опытных и исследовательских ядерных реакторов и установок. ИК 1514-72 // М. Металлургия, 1975. -73с.

19. Основные положения по сварке и наплавке узлов и конструкций электростанций, опытных и исследовательских ядерных реакторов и установок. ОН 1513-72 //М. Металлургия, 1975. -56с.

20. Правила аттестации сварщиков // под ред. Хапонен Н.А., Мельняков А.А., Дмитренко И.Е. // М. ИИО ОБТ, 1993. -64с.

21. Казаков С.М., Байчер Д.Л. Сертификация технологических процессов -один из основных элементов системы обеспечения качества продукции // Повышение качества и эффективности сварочного производства. М.: МДИТИ им. Дзержинского, 1992. -С. 11-14.

22. Разработка критерий оценки практических навыков сварщиков по параметру стабильности горения дуги / В.А.Софьянников, Динь Чыонг Шон //

23. Сварочное производство: Сб. трудов молодых ученых. Ростов-на-Дону: Издательский центр ДГТУ, 2008. -С. 89-96.

24. European Federation for welding joining and cutting // Practical Education and training. Spring 1996, № 2.-www.ewf.be.

25. EWF, Minimum Requirement s for the education and training of European MMA // Doc.452-01 .-www.ewf.be/asp/

26. Jastrzebski R. et al. Психология формирования навыков сварщика при его обучении // Soudage et techniques connexes, 2001, № 11/12. -С. 47-51.

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

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

29. Мгонджа Х.Т. Разработка тренажерных средств для подготовки к аттестации сварщиков и специалистов сварочного производства Текст.; [монография] / Х.Т. Мгонджа Дон. гос. техн. ун-т. Ростов-на-Дону: ДГТУ, 2002. -148с.

30. Сварка в машиностроении Текст. / под ред. А.И. Акулова М.: Машиностроение, 1978. -250с.

31. И.К. Походня, И.И. Заруба, В.Е. Ильюшенко и др. Критерии оценки стабильности процесса дуговой сварки на постоянном токе // Автоматическая сварка, 1989, № 8. -С. 1-4.

32. Р.И. Дедюх, А.С. Киселёв. Повышение стабильности параметров процесса дуговой сварки покрытыми электродами на малых токах // Сварочное производство. 2004, № 7. -С. 3-6.

33. В.А. Букаров, С.С. Ермаков, Т.А. Дорина. Оценка стабильности дуговой сварки по осциллограммам процесса с использованием статистических методов // Сварочное производство. 1990, № 12. -С. 30-32.

34. Стеклов О.И., Сас А.В., 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.

35. Ж. Макс. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. В 2-х томах. М., «Мир», 1983. -569с.

36. Ульянова О.В. Информационно-измерительная система для аттестации источников питания дуговой сварки на основе параметров Марковской модели процесса плавления Текст. / О.В. Ульянова, Новочерк. гос. теки, ун-т. -Новочеркасск: НГТУ, 2006. -158с.

37. Бекетов В.Г., Кривин В.В., Руденко П.И. Автоматическая классификация процесса сварки на основе самообучающейся нейронной сети // Математические методы в технике и технологиях: Сб. науч. тр. XVII

38. Междунар. научн.-технич. конф. / Кострома. Издательство КГТУ, 2004. -С. 4346.

39. Чернов А.В. Обработка информации в системах контроля и управления сварочным производством Текст.; [монография] / JI.B. Чернов; Новочерк. гос. теки, ун-т. Новочеркасск: НГТУ, 1995. -180с.

40. Ерохин А.А. Основы сварки плавлением. Физико-химические закономерности Текст. / А.А. Ерохин М.: Машиностроение, 1973. -448с.

41. Принципы построения тренажеров моторных навыков сварщика ручной дуговой сварки / В.Ф. Лукьянов, Динь Чыонг Шон, В.А. Софьянников // Вестник ДГТУ. 2009. Специальный выпуск. -С. 78-85.

42. Marjan Suban, Janez Tusek. Methods for the determination of arc stability // Journal of Materials Processing Technology 2003.

43. Marjan Suban. Determination of stability of MIG/MAG welding processes // Quality and reliability engineering international 2001.

44. В.А. Букаров, С.С. Ермаков, Т.А. Дорина. Оценка стабильности дуговой сварки по осциллограммам процесса с использованием статистических методов // Сварочное производство. 1990, № 12. -С. 30-32.