Тренажер сварщика Советский патент 1983 года по МПК G09B19/24 

Изобретение относится к тренаясерам сварщиков и может быть использовано при подготовке сварщиков.

Известен тренажер сварщика, содержащий имитатор электрода с держателем, соединенный с блоком управления, подключенным к клеммам шлема сварщика, блоку моделирования теплового баланса процесса сварки и блоку имитации объекта тренажа Ц .

Недостатком известного тренажера является невысокая эффективность тренажа..

Цель изобретения - повышение эффективности тренажа.

Поставленная цель достигается тем что тренажер сварщика, содержа1дай имитатор электрода с держателем, соеданенный с блоком управления, подключенным к клеммам шлема сварщика, блоку моделирования теплового баланса процесса сварки и блоку имитации объекта тренажа, имеет блок регистрации пространственного положения электрода, а имитатор электрода выполнен в виде полого цилиндра, внутри которого расположены изолированные один относительно другого датчики угла и длины дугового промежутка с инфракрасными излучаюпдами и приемны1)и элементами, при этом излучающие и приемные элементы датчиков, оси которых параллельны центральной оси имитатора электрода, разделены на группы, одна из которых расположена вдоль центральной оси имитатора электрода, причем выходы имитатора электрода с держателем электрически соединены с первыми входами блока регистрации пространственного положения электрода, вторые входы которого подключены к сигнальным выходам блока управления, соединенного информационными входами с первыми-выходами блока регистрации пространственного положения электрода, подключенного одним из первых выходов дополнительно к информационному входу блока моделирования теплового баланса процесса сварки и связанного вторыми выходами с входами имитатора электрода с держателем.

На фиг. 1 изображена схема тренажера} на г. 2 - схема размесцения излучающих и приемных элементов на конце имитатора электрода на фиг.3 одна из возможных схем реализации блока регистрации пространственного положения электрода; на фиг. 4 моторный тфивод, общий вид; на фмг. 5 - конструкция имитатора электрода, . ,

Тренажер сварщика (фиг. 1) содержит блок 1 моделирования теплового балансу процесса сварки, блок 2 управления, блок 3 имитации объекта тренажа (мигаени), шлем 4, имита-.

тор 5 электрода с держателем и блок б регистрации пространственного положения электрода, причем имитатор 5 электрода выполнен в виде полого цилиндра, внутри которого расположены изолированные одщн относительно другого датчики угла и длины дугового промежутка с инфракрасными излучающими и приемными элементами, при этом излучающие и приемные элементы датчиков, оси которых параллельны центральной оси имитатора электрода разделены на группы/ одна.из которы .-расположена вдоль центргшьной оси имитатора электрода, а другие размещены вдоль образующей цилиндра имитатора 5 электрода, причем выходы имитатора 5 электрода с держателем электрически соединены с первыми входами блока б регистрации пространственного положения электрода, : вторые входы которого подключены к сигнальным выходам блока 2 управления, соединенного информационными входами с первыми выходами блока б регистрации пространственного положения электрода, подключенного одним из первых выходов дополнительно к информационному входу блока 1 моделирования теплового баланса процесса сварки и связанного вторым выходами со входами имитатора 5 электрода с держателем.

Тренажер также содержит вход 7 сигнала скорости сварки блока 1, выход 8 сигнала энтальпии блока 1, выход 9 сигнала горения дуги блока 2 управления, выход 10 сигнала нарушения теплового бгшанса блока 1, выход 11 сигнала угла наклона имитатора электрода блока 6, выход сигнала 12 отклонения конца имитатора электрода от центра каретки блока б выход 13 сигнала длины дугового промежутка блока б, выход 14 низкочастотного сигнала блока 2 управления с частотой FI 10 0-200 Гц, выход 15 сигнала тревоги блока 2 управления, шлход 16 сигнала управления горизонтальной скоростью каретки блока 2 управления, выход 17 сигнала управления реверсом каретки блока 2 управления, выход 18 сигнал управления вертикальной скоростью каретки блока 2 управления, выход 19 сигнала управления моторным приводом имитатора электрода блока 2управления, выход 20 низкочастотного сигнала блока 2 управления с частотой Fjj. 5-rlO кГц, вход 21. сигнала длины дугового промежутка блока 1, maxojyj 22-26 сишалов с приемных элементов имитатора 5 электрода, .входы 27 и 28 излучающих элементов имитатора 5 электрода.

Имитатор 5 электрода содержит держатель электрода, собственно электрод 29 (полый цилиндр), моторный привод 30 для имитации плавления электрода (фиг. 2j. Дополнител но имитатор электрода содержит шайбу 31, которая может быть выполнена из пластика или текстолита и закреп лена на конце имитатора 5 электрода (фиг. 2). В шайбе 31 жестко закреплены излучающие и приемные элементы блока 6, содержащие излучающие элементы 32 датчика длины дугового промежутка (ДДД) иемные элементы 33 ДДДП, излучающие элементы 34 датчика угла (ДУ), приемные элементы 35 ДУ и датчика отклонения (ДО).I{3ny4aTej:ui и приемники ДУ размеще ны диаметрально-противоположно относительно аналоговых элементов ДДДП, за счет чего рбесп€ чивается зависи1уюсть сигнала-реакции этих элементов от угла наклона имитатора электрода и отклонения имитатора .9лектро.да относительно центра мишени. Для уменьшения влияния угла наклона имитатора электрода на точность показаний ДДДП излучающие элементы 32 этого датчика размгдены вокруг приемного элемента 33. Все излучающие и приемиые элементы снабжены фокусирую щими линзами. Для устранения влияния рптического излучения, исходящего от излучаюсфих элементов, на качество обучения свар&1иков, в качестве и злучающих элементов использованы ин акрасные (ик) излучатели, а в качестве приемных элементов ИК приёмники Дфиг. 2) . Блок 6 функционально содержит три узла: датчик длины дугового промежут ка, датчик угла наклона имитатора электрода и датчик, отклонения конца И1дататора электрода от центра каретки (. З). Датчик длины дугового промежутка предназначен для измерения расстояния между концом имитатора электрода 5 и мишенью блока 3. Датчик кроме элементов 32 и 33 содержит также электронные ключи 36, селективные усилители 37, детектор 38, логарифми РУЮ1ЩИЙ элемент 39, инвертирующий элемент 40 с коэффициентом передачи 0,5, антилогарифмирующий элемент 41, масштабирующий элемент 42. На г. 3 также изображен вход 43 низкочастотного сигнала элемента 3€ с частотой F 100-200 Гц, вход 44 низкочастотного сигнала элемента 36 с частотой Fj 5-10 кГц, инвертирующий элемент 45. В качестве излучающего элемента 32 могут использоваться любые эле- I менты, предназначенные для преобразования переменного низкочастотного напряжения в инфракрасное, модулированное низкой частотой, излучение. В качестве излучающих элементов могу использоваться, например, ИК светодиоды.Приемный элемент 33 предназначен для приема отраженного от мишени блока.3 ИК излучения; В качестве приемного элемента могут использоваться широко известные элементы, такие как фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, напри юр, ик-фотодиод совместно с усилителем. Электронный ключ 36 предна,значен для подачи низкочастотного сигнала частотой р2 5-10 кГц на излучающий элемент 32 в моменты времени работы ДДДП, поскольку ДДДП и ДУ работают селективно во времени. Элемент 36 может быть выполнен по известной схеме электронного ключа. Селективный усилитель 37 предназначен для усиления до необходимого уровня сигналов, принятых элементом 33, и выделения из этой совокупности сигналов полезного - с частотой F. селективный усилитель должен быть настроен на частоту Fj и может быть построен на основе широко распространенных элементов аналоговой вычислительной техники. Детектор предназначен для преобразования Переменного низкочастотного напряжения р частотой р2 в постоянное напряжение. Элементы 39-42 представляют собой преобразователь сигнала длины дугового промежутка, изменяющегося по квадратичному закону с изменением длины дугового промежутка, в сигнал, изменяк%{ийся прямо пропорционально величине дугового промежутка, по- j скольку мощность излучения оптического сигнала изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния до источника излучения. Таким образом, элементы 39-42 служат для реализации управления г: K(tJдeтf расстояние между мишенью и концом имитатора электрода напряжение на выходе детёктора}К - масштабный коэффициент, логарифмический.элемент 39 предназначен для вычисления логарифма из величины СЭ1 гнал а длины-дугового промежутка. На входе элемента име1ется сигнал и лет г а на выходе gn() Инвертирующий делитель 40 пред- назначен для инвертирования зыходнОго сигнала с логари.мирующего элемента 39 с соответствующим уменьшением его по величине в 2 раза. На входе элемента сигнал пСидсг ) а на выходе - 0/5 (Одет). В качестве элемента 40 может быть, использОван любой инвертирующий усилитель с коэффициентом передачи 0,5. Антилогарифмирукадий элемент 41 продназначен для вычисления антилогарифма из величины -О ,51п (UigY ) На выходе элемента имеется сигнсГл

)

Масштабирующий элемент 42 представляет собой неинвертирующий усилитель с коэффициентом передачи К . На выходе масштабирующего элемента имеется сигнал.

Инвертирующий элемент 45 предназначен для инвертирования сигнала с частотой F 100т200 Гц и может быть выполнен по любой известной схеме инвертирующего усилителя с коэффициентом передачи 1.

ДУ кроме излучающего элeмftнтa 34 содержит электронные ключи 36, приемные элементы 35, селективные усилители 37, детекторы 38, вычитающие усилители 46, схему ИЛИ 47, управ-ляющий аттенюатор 48.

Вышеперечисленные элементы 3438 ДУ по cBoebv назначению; и техническому исполнению аналогичны соответствующим элементам ДЦЦП.

Вычитающий усилитель 46 предназначен для нахождения разности сигналов, принятых по каналам приема ДУ с приемников, расположенных в одной плоскости.

Схема ИЛИ 37 предназначена для выбора большего по величине сигнала из двух сигналов с выходов детекторов 38.

Управляемый аттенюатор 48 предназначен для управления мощностью излучения ДУ. На входе 49 элемента 48 имеется сигнал с частотой F, а на входе 50 - постоянное напряжение с выхода детектора 38 датчика длины дугового промежутка.

ДО co tepжит приемные элементы 35 детекторы 38, вычитающие усилители 46, схему ИЛИ 47, управляемый аттенюатор 48, фильтры 51 низких частот.

Элементы 35,38,46-48 по своему функциональному назначению и техническому исполнению аналогичны соответствующим элементам ДЦЦП. и ДУ.

Фильтры 51 низких частот предназначены для пропускания низкочастотного сигнала, излученного первой нитью накаливания сигнальной лампы с частотой сети 50 Гц и подавления сигналов с частотой FZ.

Рассмотрим работу ДДДП. Излучающий элемент 32 излучает ИК излучение, модулированное низкочастотным сигналом и направленное к мишени блока 3. Приемный элемент 33 принимает отраженный от мишени ИК сигнал усиливает его и отфильтровывает сигнал с частотой F. С выхода селективного усилителя 37 этот сигнал поступает на детектор 38, где происходит его,выпрямление. При этом следует учитывать, что постоянная времени выходной RC-цепи детектора

должна выбираться гораздо больше, чем в 1/F и меньше, чем постоянная времени движения руки сварщика. Первое условие поставлено для того, чтбы в момент времени работы ДУ напряжение на выходе детектора ДДДП не изменялось существенно, а сохраняло свое значение на установленном уровне. Второе условие связано с тем, ЧТО напряжение на- выходе детектора должно отслеживать движение руки сварщика по поддержанию правильной длины дугового промежутка. Таким образом, элемент 38 кроме детектирования выполняет функции аналоговой памяти по сигналу длины дугового промежутка. Для устранения влияния угла наклона имитатора электрода на точность показаний ДДДП излучающие и приемные элементы его снабжены фокусирующими линзами, расположенными на концах указанных, элементов. Напряжение на выходе детектора будет изменяться с изменением длины дугового промежутка по квадратичному закону. Преобразователь длины дугового промежутка преобразует его в напряжение линейно изменяющееся с изменением длины дугового промежутка. При приближении конца имитатора электрода к мишени это напряжение будет возрастать, а при удалении - уменьшаться.

Рассмотрим работу ДУ. ДУ и ДЦДП работают селективно во времени. Для этой цели предназначены электронные ключи 36, с помощью которых осуществляется излучение и прием сигналов в моменты времени работы ДУ. Излучающие элементы 34 ДУ (фиг. 2) излучают пачки низкочастотных ИК сигналов, амплитуда которых изменяется по квадратичному закону с изменением длины дугового промежутка и управляется сигналом с детектора 38 ДЦДП. С увеличением длины дугового промежутка и уменьшением напряжения на выходе детектора 38 мощность излучения излучающего элемент 34 ДУ будет увеличиваться и изменяться по квадратичному закону. За счет принятого метода излучения в ДУ удалось свести до минимума влияние изменения длины дугового промежутка на точность измерения угла наклона имитатора электрод и получить на выходе 11 блока 6 сигнал, свидетельствующий об угле наклона имитатора электрода, который линейн изменяется с изменением угла наклона имитатора электрода остается постоянным при фиксированном угле наклона имитатора электрода и изменяющейся длине дугового промежутка. Излучённый низкочастотный сигнал, отражаясь от поверхности мишени бло ка 3, принимается приемными элементами, расположенными диаметральнопротивоположно по отношению к аналогичным элементам ДДДП. Приемные,эле менты сгруппированы во взаимно перпендикулярных плоскостях. Сигналы с приемных элементов 35 ДУ через электронные ключи 36 поступают на соответствующие селективные усилители 3 детектируются двухполупериодными детекторами 38 и поступают попарно,(в кгикдой плоскости приема) на входы вычитающих усилителей 46. На выходе этих усилителей имеем разность сигналов, поступающих на их входы. При ориентации имитатора электрода перпендикулярно поверхности мишени блока 3 принятые элементами. 35 сигналы будут одинаковыми по величине, а разностные сигналы на выходах элементов 46 будут иметь нулевую величину. Это связано с тем, что при такой ориентации имитатора электрода расстояние между приемными элементами ДУ и мишенью блока 3 одинаковым. При наклоне имитатора электрода на опре деленный угол по отношению к поверх ности мишени это расстояние изменится в большую или меньшую сторону для каждого из приемников ДУ. Соответственно изменяются по величине принятые ими сигналы, что приведет к возникновению разностных сигнало на выходах элементов 46, которые будут свидетельствовать о величине угла наклона имитатора электрода в двух В3с1им.но перпендикулярных плоскостях. Эти сигналл могут принимать как положительные, так и отрицательные значения в зависимости от того, в какую сторону наклонен имитатор электрода. Сигналы с усилителей 46 поступают на элементы 38, которые вычисляют модуль величины указанных выше сигналов и представляют собой двухполупериодные детекторы. С выходов детекторов 38 однополярныё сигналы поступают на схему ИЛИ 47, которая выбирает больший по величине сигнал и подает его на выход 11 бло ка 6. Этот сигнал и свидетельствует о величине угла наклона имитатора электрода и изменяется линейно с изменением этого угла. Рассмотрим работу датчика отклонения. По отношению к ДДДП и ДУ датчик отклонения работает непрерывно во времени. Входными информационными сигналами ДО являются ИК сигналы, принятые приемными элементами 35 от сигнальной лампы, расположенной в центре каретки с частотой 50 Гц. По величине этих сигналов, принятых по четырем каналам приема, можно судить о положении сигнгшьной лампы, имитирующей сварочную ванну, по отношению к центру конца имитатора электрода. Принятые сигналы отфильтровываются фильтрами 1 низкой lacTOT детектируются двухполупериодными детекторами 38 и подаютсяпопарно на входы вычитающих усилителей 46. На выходах этих усилителей имеем разность сигналов, поступаюв1их на их входы. При ориентации центра конца имитатора электрода точно по направлению сигнальной лампы сигналы, принятые элементами 35jбудут одинаковыми по величине, и соответственно разностные сигналы на выходах элементов 46 будут нулевыми. Это связано с тем, что расстояние между .приемными элементами 35 и сигнальной лампой- при такой ориентации имитатора электрода будет одинаковым. При наличии расхождения по положению между центрами конца имитатора электрода и сигнальной.лампой эти расстояния изменятся в большую или меньшую сторону для каждого из приемников. Соответственно изменятся по величине принятые приемниками сигналы, что приведет к возникновению разностных сигналов на выходах элементов 46, которые свидетельствуют о наличии отклонения между концами-имитатора электрода и центром каретки мишени блока 3 по двум взаимно перпендикулярным координатам в плоскости каретки... Эти выходные сигналы могут принимать разнополяриле значения. Указанные сигналы с элементов 46,поступают на элементы 38, которые вычисляют модуль величины этих сигналов и представляют собой двухполупериодные детекторы. С выходов детекторов 38 однополярныё сигналы поступают на схему ИЛИ 47, которая выбирает больший по величине (из этих двух) сигнал и подает его на вход управляемого аттенюатора 48. Следует заметить , что величина сигнала отклог нения конца имитатора электрода от центра каретки на входе элемента 48 (2) изменяется по квадратичному закону с изменением величины этого отклонения и величины длины дугового промежутка. Для устранения этого влияния на точность работы ДО введен элемент 48, представляющий собой управляемый Хаттенюатор или усилитель с управляемым коэффициентом усиления. На управляющий вход элемента. 48 поступает постоянное напряжение с детектора 38 ДДДП, ко-. торое также изменяется по квадратичному закону с изменением длины дугового промежутка. С помощью этого напряжения удается устранить квадратичность сигнала на входе элемента 48 и .свести до минимума влияние величины длины дугового промежутка и точность показаний ДО.. На выходе 12 блока 6 сигнал отклонения конца имитатора электрода от центра каретки будет изменяться линейно с изменением отклонения. Таким образом, блок 6 на выходах 11-13 позволяет получить аналоговые сигналы, свидетельствующие о величине угла наклона имитатора электрода, отклонении конца имитатора электрода от центра каретки и длине дугового промежутка, которые линейно изменяются с изменением у к азан шлх выше величин. Другими словами, блок б позволяет полностью определять пространственное положение имитатора 5 электрода по отношению к центру каретки мишени блока 3 и обладает высокой помехозащищенностью от внешних излучений Тренажер сварщика в целом работа ет следующим образом. Ученик подводит имитатор электрода 5 к центру подвижной каретки имитатора сварочной мишени блока 3 соблюдая необходимую длину дугового промежутка и заданное угловое положение имитатора электрода. Если выполнены ограничения заданных дпи дугового промежутка, угла наклона имитатора электродами отклонения его от конца от центра каретки, то соответствующие сигналы, свидетельствующие о величине у названных ранее параметров с выходов 11-13 блока 6 поступают на входы схем формирования сигналов (хаибок по длине дугового промежутка, -углу наклона имитатора электрода и отклонению конца имитатора электрода от центра ka ретки. Выходной сигнал схемы формирования ошибок по длине дугового промежутка включает с.выхода 9 блока 2 управления первую нить накгшивания лампы мишени блока 3, которая ИАштирует горение дуги. Всякий раз когда будет нарушен устаиовленньШ дуговой промежуток, упомянутая иять накаливания лампы будет выключаться, и выходной сигнал сзСеМы формирования сигналов ошмбок по длине дугового промежутка с выхода 9 бло .ка 2 управления будет-управлять блоком 1. Ошибка фиксируется на индикаторе блока 2 управления и будет включаться сигнал тревоги иа шлсод 15 блока 2 управления. При отсутствии ошибки по длине дуговог промежутка этот же сигнал, поступа на вход схеки управления моторным приводом мишени блока 3 расположе ной в блоке 2 управлеиия, приведет к формированию сигналов управления двигателями подвижной каретки (выходы 16-18 блока управлеиия). Каретка придет в движение, имитируя перемедеиие жидкой сварочной ванны .вдоль KJpOMOK сварного шва. Тот же сигнал схемы формирования ошибок по длине дугового промежутка, пройдя через схему упрайления моторным приводом имитатора 5 электрода, расположенную в блоке 2 управления, приведет в действие моторный привод имитатора 5 элект эода, стержень имитирующий электрод, будет выдвигаться, имитируя оплавление конца электрода при-сварке. Ученик должен манипулировать имитатором электрода 5 относительно мишени блока 3 таким образом, чтобы . отслеживать пространственное положе-. ниё каретки,: выдерживая заданное зйачение длины дугового промежутка и угловое положение имитатора элект- рода с учетом имитации движения сварочной ванны и оплавления электрода, В тех случаях, когда один из УП01У1ЯНУТЫХ параметров выйдет за допустимые пределы, соответствующие схемы формирования сигналов хнибрк будут обеспечивать регистрацию допущенных ошибок на индикаторах. Выходные сигналы этих схем, поступая на входы звукового генератора сигналов тревоги и звукового сопровождения f управляют последним .независимо друг от друга, С этой целью на входе звукового генератора установлена схема логического объединения выходных сигнсшов схем формирования сигналов :ж1ибок. Сигнал горизонтальной скорости с выхода 16 блока 2 управления -и выходной сигнал длины дугового промежутка с выхода 13 блока б поступают вместе с сигналом нарушения нормального режима сварки с выхода 9 блока 2 управления на соответствую щие входы блока 1, который вырабатывает сигнал тревоги о нарушении теплового режима, поступающего с. выхода 10 блока 1 на соответствующий вход блока 2 управления. Для реалиЗсщии сигнала тревоги о нарушении теплового режима звуковой генератор сигналов имеет еще один вход управления, аналогачный входам управлеиия по сигнёшам шибок дпинаы дугового промежутка, величине угла наклона имитатора э лектрода. На выходе 8 блока 1 формируется сигнал объемной энтальпии сварочной ванны. Этот сигнал, поступая на вход бло- ка 3, управляет яркостью свечения второй нити накаливания сигнальной , смонтированной в центре каретки и является.визуальным сиг-, налом степени нагрева сварочной ванны. Использование изобретеиия повышает эффективность тренажа. з7

Фы9.3 J

ТРЕНАЖЕР СВАРЩИКА/ содержащий имитатор электрода с держателем, соединенный с блоком управления, подключенным к клеммам шлема сварщика, блоку моделирования теплового баланса процесса сварки и блоку имитации объекта тренаЬка, о т л и ч а х ц и и с я тем, что, с цель Повыпения эффективности тренгика, он имеет блок регистрации пространственного положения электрода, а имитатор электрода выполнен в виде полого цилиндфа, внутри которого рас- . полржеиы изолированные один относительно другого датчики угла и длины дугового промежутка с инфракрасными излучающигО и приемными элементами, при этом излучающие и приемные элементы датчиков, оси которых параллельны центральной оси имитатора электрода, разделены на группы, одна из которых расйоложена вдоль центральной оси имитатора электрода, а другие размещены вдоль образующей цилиндра имитатора электрода, причем выходы имитатора электрода с держателем электрически соединены с первыми входами блока регистрации пространственного положения электрода, вторые входы которого подключены к сигнальным выходам блока управления, соединенного информаци- f ЗЕ онными входами с первыми выходами блока рехгистрации пространственного положения электрода, подключенного одним из первых выходов дополнительно к информационному входу блока моделирования теплового баланса процесса сварки и связанного выходсиуи с входгкми имитатора электрода с держателем. ОО 00 со о со