автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Информационно-измерительная система для комплекса управления интерактивной визуализацией на компьютерном тренажёре процесса сварки плавлением

На правах рукописи

ТОЛСТОВ ВИКТОР АНДРЕЕВИЧ

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ КОМПЛЕКСА

УПРАВЛЕНИЯ ИНТЕРАКТИВНОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИЕЙ НА КОМПЬЮТЕРНОМ ТРЕНАЖЁРЕ ПРОЦЕССА СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ

05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 и [¡АР 2014

Волгоград 2014

005546236

005546236

Работа выполнена на кафедре «Информационные и управляющие системы» в Волгодонском инженерно-техническом институте - филиале федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Кривин Валерий Вольфович.

Официальные оппоненты: Доронин Юрий Викторович,

доктор технических наук, руководитель центра НАКС по аттестации сварщиков и специалистов сварочного производства при ООО «Аттестационный Центр Городского Хозяйства», г.Москва;

Иванченко Александр Николаевич,

кандидат технических наук, ЮжноРоссийский государственный технический университет (Новочеркасский

политехнический института), профессор кафедры «Программное обеспечение вычислительной техники».

Ведущая организация: Филиал ЗАО «АЭМ-технологии» «Атоммаш»,

г. Волгодонск.

Защита состоится «18» апреля 2014 г. в 12:00 на заседании диссертационного совета Д 212.028.05, созданного на базе Волгоградского государственного технического университета, по адресу: 400005, г. Волгоград, пр. Ленина, 28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан «,??» ОЯ_2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Авдеюк Оксана Алексеевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 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:

^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.), ЕХ 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 [1,2,4,7,9,11,12]; б) проведены и обработаны эксперименты по проверке адекватности моделей [5,8,13,14]; в) принималось участие в разработке компьютерного тренажёра [3,6,10,15].

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложений; изложена на 142 страницах основного текста и 1 страницы приложений, содержит 66 рисунков, 14 таблиц и список литературы из 77 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассматривается проблема повышения эффективности подготовки сварщиков ручной дуговой сварки (РДС). При строительстве атомных электрических станций, энергетических и промышленных объектов предъявляют высокие требования к качеству сварных соединений [6]. Показано, что недостаточная квалификация сварщика является одной из основных причин возникновения в них дефектов. Проблемы, возникающие при подготовке сварщиков РДС, рассмотрены в работах многих учёных, среди которых важно выделить Э.А. Гладкова, Б.П. Грузинцева, В.В. Кривина, A.B. Чернова. Отмечается, что проблемы при обучении сварщиков на реальном процессе возникают по следующим причинам: сложность методов контроля, сложность измерительного оборудования, отсутствие контроля над действиями обучаемого сварщика в реальном времени и др. [7].

Одним из направлений решения данных проблем является разработка информационно-измерительных систем аттестации сварочных процессов.

Процесс РДС обладает двумя основными контролируемыми параметрами, с помощью которых можно оценить его технологическое состояние: ток сварки и напряжение на дуге. В работе В.В. Кривина показано, что статистические методы обработки информации в применении к сварочным процессам являются неробастными, т.е. чувствительными к нестабильностям исходных данных. С целью разработки робастных методов оценки исследовано фазовое пространство процесса РДС, которое образовано совместным распределением тока сварки и напряжения на дуге. В фазовом пространстве были выделены следующие состояния: горение дуги, холостой ход и короткое замыкание. Разработан автоматизированный комплекс, обеспечивающий анализ фазового пространства процесса РДС. Проведение анализа возможно только по завершении процесса сварки, поэтому реализация контроля процесса в реальном времени невозможна.

Другим направлением повышения эффективности подготовки сварщиков РДС является разработка тренажёров. Разработчики тренажёров для обучения навыкам сварки сталкиваются с проблемами поиска, анализа, адаптации под свои задачи или разработки новых математических моделей явлений, которые составляют сварочные процессы. Причина таких проблем отмечена Б.М. Березовским: модели явлений в сварочных процессах строятся при ряде упрощений, а также не существует модели процесса сварки плавлением в целом [8]. Поэтому была поставлена задача разработки основы компьютерных тренажёров - информационно-измерительной системы для комплекса управления интерактивной визуализацией РДС адекватно реальному процессу. На рисунке 1 представлена функциональная схема информационно-измерительной системы (ИИС).__

Измеритель Г, координат торца ; виртуального

амжтреда (КТ8Э)

Мультимедийный тренажёр для обучения иааыкам ручной дуговой сварки:

Координаты торца виртуального электрода (я.у л) ;—(т) Тепловое поле, ширине и глубина проплзеления, данные для визуализации

шва_

Параметры процесса

РДС ф

Звук процесса £в£__

»арамее»« тюиессз РЯС в шмоыеанрц —.

Рисунок 1 - Функциональная схема ИИС

Вторая глава посвящена разработке моделей для реализации функциональных блоков ИИС. Рассматриваются математические модели контролируемых параметров процесса РДС, его звукового сопровождения и модель расчёта сварного шва. Последняя позволяет оценить некоторые из показателей качества виртуального сварного шва: глубину и ширину проплавления в выбранном сечении.

Процесс РДС в ИИС моделируется на основе данных, которые поступают из устройства координатного слежения (УКС). Это координаты торца электрода тренажёра. От точности работы УКС зависит точность работы ИИС в целом. Для ИИС выбрано оптическое УКС КаШга1Рот1 ТгаскШ 5, которое определяет пространственное положение системы отражателей по их отображениям на матрице инфракрасной камеры. Необходимо определить пригодность выбранного УКС для применения в качестве источника данных для ИИС.

Для этого оценена абсолютная погрешность по математической модели, которая устанавливает соответствие между координатами отражателей Я в пространстве и координатами их отображений на матрице камеры устройства г, как показано на рисунке 2 а). Метрологической базой в этом случае выступает матрица камеры УКС, разрешающая способность которой объявлена производителем в технических характеристиках устройства.

а) б)

Рисунок 2 - Расчётная схема модели УКС (а) и рассчитанное поле абсолютных

погрешностей (б)

Математическая модель УКС включает в себя следующие уравнения:

^ = Х * = {1;2},у = {1;2;з}

ы

ы

Где Ду - г-я координата у'-го отражателя в пространстве; Гц — к-я координата образа у'-го отражателя на матрице камеры; /.„„ - расстояние между т-м и п-м отражателем, которые фиксированы конструкцией системы отражателей.

Расчёт полей погрешности реализован в пакете МАТЬАВ. На рисунке 2 б) показаны поля погрешности для координат дальнего отражателя 1, поскольку предполагается, что в конструкции тренажёра он расположен близко к горцу электрода. По вертикальной оси е отложена погрешность. Горизонтальные оси х и г на графике соответствуют осям х и г УКС. Коордната у была фиксирована. По представленным полям определено, что отражатель 1 должен находиться на расстоянии 70 см от УКС по оси г, при амплитуде перемещений по оси х не более 10 см. Дальнейшие эксперименты показали, что при соблюдении этих условий интерактивная визуализация процесса РДС адекватна. Поэтому создана конструкция, удерживающая устройство таким образом, чтобы изображение стыка находилось в указанной области.

Координаты, которые зарегистрированы УКС, пересчитываются в координаты торца виртуального электрода. На основе изменений координат торца электрода и вольтамперной характеристики (ВАХ) источника питания ИИ С моделирует параметры процесса РДС (напряжение на дуге иа и ток сварки ¡св, скорость плавления электрода электрическая м/д и тепловая цд мощность дуги). В работе Ишигова И.О. представлена математическая модель расчёта параметров процесса РДС, которая составлена с рядом упрощений. На рисунке 3 представлен функциональный блок данной модели в составе ИИС.

Возмущающие воздействия

| |__Напряжение на дуге (Уд)

Координаты торца виртуального электрода (х,у,2? -

Вольтаиперная характеристика источника питайте для РДС

Рисунок 3 - Функциональный блок модели расчёта параметров РДС

Определение координат торца электрода с помощью оптического УКС подвержено помехам. Чтобы ввести в модель их компенсацию, оценим статистические характеристики параметров процесса РДС и построим для каждой из них регрессионные модели, которые будут использоваться в качестве ограничений. В таблице 1 представлена матрица планирования эксперимента для решения этой задачи.

Таблица 1 - План эксперимента с дополнительными опытами

X» опыта Фиктивный фактор хо Длина дуги Х[ Ток на источнике питания Хг х!*х2

1 +1 -1 (2,1 мм) -1 (70 А) +1

2 +1 -1 +1 (75 А) -1

3 +1 0 (2,4 мм) -1 0

4 +1 0 +1 0

5 +1 + 1 (2,7 мм) -1 -1

6 +1 +1 +1 +1

Преобразователь КТВЗ в основные параметры процесса РДС

Ток (Ы

Старосту плавления (У™)

Электрическая мощность дуги (Л; Тепловая мощность дуга (Од)

Будут рассматриваться следующие функции отклика: математическое ожидание (МО) и среднеквадратическое отклонение (СКО) сигналов тока сварки и напряжения на дуге. Для определения коэффициентов уравнений регрессии не будут использоваться опыты, соответствующие строкам 3 и 4, которые введены для проверки адекватности.

Напряжение на дуге ид и ток сварки /св вместе с координатами торца электрода х, у иг дают возможность рассчитать температурное поле, а на его основе - глубину и ширину проплавления в выбранном сечении и визуализацию сварного соединения. На рисунке 4 модель формирования шва представлена в виде функционального блока.

Возмущающие воздействия

Ширина шеа и глубина

координаты торца виртуального электрода

Напряжение нв дуге._

ток сварки {и<,.1г»)

Л

проплавления

Измеритель тепловою поля

Температурное попе Данные для визуализации

Телтюаые сеойст&й материала свариваемых

Рисунок 4 - Функциональный блок модели расчёта сварного соединения

I ."Ц^Юрассг

Данная модель основана на методе конечных элементов (МКЭ), который был модифицирован для сокращения объёма вычислений и возможности расчёта границы расплав - твёрдый металл. Конечными элементами (КЭ) являются столбцы. Внутри каждого КЭ есть граница, разделяющая его на расплавленную и твёрдую части. Передача тепла между КЭ моделируется в два этапа: горизонтальная передача (между соответственными слоями соседних КЭ) и вертикальная (внутри КЭ). Этапы передачи представлены на схеме на рисунке 5. В схеме использованы следующие обозначения: £)р и ()тв -количество тепла в расплаве и твердой части КЭ (Дж); ДО,сп - тепловой поток из КЭ 1 в КЭ 2 в пределах слоя с малой толщиной е; срр и сртв - объёмная теплоёкость расплава и твердой части КЭ (Дж/(м3-°К)); / - размер клетки сетки (м); Нр и Итв - высоты расплава и твердой части КЭ

/

01

57

Й£

<Эр1

Отв1

'в 31"

Ор2

Ж

"Я

~0г

4

ДОс12

У

0пл2

АИР

Рисунок 5 - Схема двухэтапного расчёта теплопередачи

соответственно (м); Акр - изменение положения среднего слоя; &п, €>ц и -температуры на границах раздела фаз и сред для первого КЭ (°К); &ц, @22 и -аналогичные величины для второго КЭ.

Рассмотрим горизонтальную теплопередачу на примере границы вещества заготовки в окружающей средой (верхняя). Пусть КЭ 1 обладает большей температурой. В слое с малой толщиной е, примыкающем к рассматриваемой

границе, теплопередача определяется по формуле: д(Х12 = /.е.м л--0|г> ГД€ ^ -

коэффициент теплопроводности, Вт/(м-°К); / - шаг сетки. Тогда температура элемента 2 в рассматриваемом слое изменится на величину Д0;2 = £до/ср,-/2-гг• После того, как вычислены изменения температур на верхней и нижней границах (на границе фаз температура равна температуре плавления), проводится второй этап моделирования теплопередачи. Здесь вычисляются новые количества теплоты в частях одного КЭ и изменение положения границы кристаллизации ЛИр по формулам: <2р = ср/Ир(вп + 0и)/2, =срт1гИт(вг1 +0и)/2;

АИр=-м{Яр{в,2-@22)/Ир+Ят{@22-е32)/И^)/ст. Расплавленный металл в

представленной модели считается сверхвязкой жидкостью. Таким образом, при расчёте характеристик сварного шва по модифицированному МКЭ становятся доступны температурное поле, а также глубина и ширина проплавления, которые представлены размерами расплавленных частей групп соседних КЭ. Вся эта информация используется для управления интерактивной визуализацией процесса РДС в компьютерном тренажёре.

Помимо сварки плоских деталей, при строительстве объектов энергетики и промышленности требуется сварка неповоротных стыков труб. Для разработки модели расчёта стыкового соединения было принято решение адаптировать модифицированный МКЭ. Расчёты производятся аналогично модели плоской детали. При этом две противоположные границы массива КЭ обмениваются теплом с окружающей средой (соответствуют кромкам трубы), а другие две -между собой. Чтобы рассчитать движение расплавленного металла под действием гравитации и давления дуги, необходимо учесть баланс давлений, действующих на расплав. Это гидростатическое давление, давление поверхности расплава и давление дуги. Расчётная схема баланса давлений приведена на рисунке 6.

Ргст - гидростатическое давление.

Рисунок 6 - Расчётная схема баланса давлений в неповоротном стыковом

соединений труб 11

Так как гидростатическое давление в расплаве компенсируется давлением поверхностного натяжения, то разность давлений строго соответствует разности высот. Поэтому баланс давлений между соседними КЭ задаётся следующим выражением: ЛРпой = ЛР.„ = pgAh, где а — коэффициент поверхностного натяжения, Н/м. Здесь принято упрощение, что его значение не зависит от температуры. На основе разности давлений рассчитываются потоки жидкости в расплаве. Здесь также принято упрощение, что расплав является сверхвязкой жидкостью, потоки в которой пропорциональны разности давлений. Вся информация, предоставляемая моделью, может быть использована средствами компьютерной графики для отображения сварного соединения неповоротных стыков труб.

Помимо визуального канала восприятия информации, важным для сварщика является и слуховой, поэтому его также необходимо задействовать в интерактивной визуализации процесса сварки. Звук характеризует динамические процессы в сварочном контуре и его характер определяется несколькими факторами, один из которых - электрическая мощность сварочной дуги. Поэтому для создания модели необходимо оценить эмпирические вероятности звуков процесса РДС при разной электрической мощности дуги. Это можно сделать в два этапа: 1) кластеризация спектров звука с целью группировки подобных друг другу звуков; 2) оценка вероятности порождения звуков каждого из кластеров при разной мощности.

Для кластеризации предложено использовать карты самоорганизации Т.Кохонена. Карта самоорганизации представляет собой слой нейронов, соревнующихся за право быть активированными. Самоорганизация осуществляется на основе того, что каждый нейрон по мере поступления в сеть входных векторов вырабатывает реакцию на определённую группу близких друг другу векторов, которые и образуют кластер. Входные векторы для карты самоорганизации представляют спектры коротких фрагментов сигналов звука сварки, преобразованные к особенностям человеческого слуха следующим образом [9]:

/с„, = /с. • 2""; Л. = /о,/2«->; /„„ = fa • 2№">;6(п) = £Ъ(/).

I-fu,

Здесь т - показатель ширины полосы; fc„ - частота центра полосы n; fi,n -нижняя граница частоты полосы n; fUn - верхняя граница частоты полосы n; G(f) -амплитуда частоты/в исходном спектре звука; G(n) - амплитуда звука в полосе с номером п в преобразованном спектре.

Таким образом, в результате теоретических исследований предложены модели, которые будут использоваться для расчётов параметров процесса РДС с целью управления интерактивной визуализацией процесса в компьютерном тренажёре.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям конролируемых параметров процесса РДС и проверке адекватности математических моделей. Эксперимент для оценки статистических характеристик процесса РДС проведён следующим образом. Сварщик начинал сварочный процесс с укороченной дугой, затем удлинял её. Таким образом, значения длины

дуги разделены по времени в пределах каждого процесса. Сигналы тока для установленных токов 70 А и 75 А представлены на рисунках 7 а) и б) соответственно. При этом, средние значения тока сварки составили 60 и 65 А соответственно. Чтобы исключить из сигналов шум, они отфильтрованы цифровым фильтром нижних частот с частотой среза 5 Гц [10]. Отфильтрованные сигналы представлены на рисунках 7 в) и г).

а)

\

1

¡4 ч/ \лД| ЦТ № чад} .......

) 2 3 4 5« 8

в) г)

а) мгновенные значения при /„„=70 А; б) мгновенные значения при /„„=75 А; в) сглаженный сигнал при /„„=70 А; г) сглаженный сигнал при /„„=75 А.

Рисунок 7 - Сигналы тока сварки

По отфильтрованным сигналам определены статистические характеристики, значения которых представлены в таблице 2.

№ п/п План эксперимента Значение функции отклика

XI Х2 Х1*Х2 МО СКО

1 -1 -1 +1 64,48 3,55

2 -1 +1 -1 63,12 3,72

3 +1 -I -1 64,98 4.60

4 +1 +1 +1 59,13 3,25

Проверку адекватности модели произведём на примере уравнения регрессии для оценки среднего значения тока сварки: у = 62,93 - 0,87л, -1,8*г -1,12х,х2. Ошибки аппроксимации приведены в таблице 3. Средняя ошибка аппроксимации

составляет для дополнительных строк 3 и 4 составляет 0,71%. Для функции отклика СКО средняя ошибка аппроксимации составляет 1,37%. Так как средняя ошибка аппроксимации меньше 10%, то уравнения регрессии адекватны. С помощью критерия Фишера подтверждена статистическая значимость данных уравнений.

Полученные уравнения регрессии включены в модель расчёта контролируемых параметров процесса РДС. Для проверки адекватности полученной модели был проведён эксперимент по наплавке валика с умышленными отклонениями при проведении процесса. Во время процесса регистрировались координаты держателя электрода, ток сварки и напряжение на дуге. По собранным данным вычислено температурное поле валика, показанное на рисунке 8. Расхождение с расчётной шириной валика в пяти случайно выбранных точках составляет не более 1 мм. Поскольку одна из целей тренажера - выработать правильные реакции сварщика на визуально наблюдаемую картину сварки, то сделан вывод, что точность моделирования достаточная и тепловая модель адекватна.

Таблица 3 - Ошибки аппроксимации

№ Фактичес- Вычислен- Отклонение от

п/п кое ное фактического

значение значение значения

1 64,48 64,48 0,00%

2 63,12 63,12 0,00%

3 65,34 64,72 0,93%

4 60,84 61,12 0.48%

5 64,98 64,98 0,00%

6 59,13 59,13 0,00%

Рисунок 8 - Наплавной валик и его температурное поле Для составления модели звука проведён эксперимент с синхронной регистрацией сигналов тока сварки, напряжения на дуге и звука сварки. Полученные звуковые файлы были использованы для кластеризации картами самоорганизации Кохонена, которые различались размером нейронного слоя. Карта размерностью 12x13 нейронов показала максимальное среднее межкластерное расстояние. Карта выделила 56 кластеров, для которых оценены вероятности появления звуков при средней, пониженной и повышенной электрической мощности сварочной дуги. Таким образом, получены эмпирические вероятности звуков процесса РДС для таблично-волнового генератора звукового сопровождения.

Разработанная звуковая модель проверена на адекватность следующим образом. Сварщик проводил процесс РДС в следующих условиях: с изоляцией от звука, с естественным звуком РДС и с моделируемым звуком. Было проведено по 10 экспериментов для каждого варианта. Среди полученных сварных соединений

отобраны образцы, представленные на рисунке 9, построены эмпирические распределения мгновенных значений тока сварки ice и напряжения на дуге ид.

а) б) в)

а - сварщик не слышит звук; б - сварщик слышит звук сварки; в - сварщик слышит моделируемый звук.

Рисунок 9 - Образцы сварных швов, мгновенные значения и совместные распределения тока сварки и напряжения на дуге

По мгновенным значениям токовых сигналов вычислены средние значения М и среднеквадратические отклонения а в трёх состояниях процесса РДС: холостой ход (X), горение дуги (Г) и короткое замыкание (КЗ). Также оценены М и а интервалов времени между короткими замыканиями /„. Таким образом, используем 14 идентификационных характеристик для каждого распределения. Значения характеристик приведены в таблице 4. По данным таблицы видно, что характеристики процесса 3 (сварка с моделируемым звуком) ближе к процессу 2 (сварка с естественным звуком), чему у процесса 1 (сварка без звука). Следовательно, построенная модель звукового сопровождения адекватна.

Результаты экспериментальных исследований показали, что разработанные модели сварного соединения, звука и расчёта основных контролируемых параметров сварочного процесса являются адекватными реальному процессу. Поэтому они могут быть применены для интерактивной визуализации процесса сварки в компьютерном тренажёре.

Таблица 4 - Характеристики совместных распределений

№ опыта Условия проведения опыта Состояние РДС и, в I, А ^КЗэ С

M а M о M о

1 Сварщик не слышит звук X 7,5 2,9 86,9 5,6 105,1 115,2

г 23,8 3,9 80,5 4,4

КЗ 58,6 5,9 72,9 2,3

2 Сварщик слышит естественный звук X 6,7 3,4 86,6 5,4 80,0 104,1

г 23,2 3,6 75,8 2,9

КЗ 55,7 4,9 81,4 2,2

3 Сварщик слышит моделируемый звук X 6,5 4,0 85,5 4,6 75,4 97,4

г 23,2 3,4 76,8 3,6

КЗ 55,7 5.0 86,5 2,2

Четвёртая глава посвящена разработке программного обеспечения. В качестве среды разработки приложения выбрана Microsoft Visual Studio, в которой возможно программирование на разных языках. Разработка ПО проводилась на языке С++. Информационно-измерительная система для моделирования процесса РДС устроена из программных модулей отдельных моделей.

а) б) в)

а) внешний вид тренажёра; б) шов в разрезе; в) тепловое поле стыкового соединения труб.

Рисунок 10 - Тренажёра и модели сварных соединений

На рисунке 10 а) показан внешний вид тренажёра, который разработан на базе информационно-измерительной системы для моделирования параметров ручной дуговой сварки. Тренажёр использует выход ИИС для интерактивной визуализации процесса сварки. На изображении сварного шва показаны верхняя и нижняя его поверхности, как представлено на рисунке 10 б).

Модель расчёта неповоротных стыков труб также реализована в ИИС. Пример расчётов температурного поля в неповоротном стыке представлен на рисунке 10 в).

Звук процесса сварки в рамках его интерактивной визуализации воспроизводится через головные телефоны или акустические системы. Таким образом, разработка ИИС для моделирования параметров процесса РДС позволила реализовать интерактивную визуализацию процесса сварки в компьютерном тренажёре.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Основной практический результат работы - основа для построения мультимедийных компьютерных тренажёров, которая предоставляет результаты моделирования процесса РДС в реальном времени для использования в его интерактивной визуализации.

Частные практические результаты работы:

1. Разработана информационно-измерительная система, которая выполняет моделирование параметров виртуального процесса РДС в реальном времени. Тренажёр на её основе наделяется функциями визуализации сварного соединения и озвучивания процесса РДС.

2. Разработана и экспериментально проверена на адекватность модель формирования виртуального сварного шва на основе модифицированного метода конечных элементов. Модель отличается работой в реальном времени, позволяет рассчитать температурное поле деталей, ширину и глубину проплавления в выбранном сечении и заменяет методы разрушающего и неразрушающего контроля. Адаптированная модель была применена для расчётов неповоротных стыков труб.

3. Разработана и применена методика построения самонастривающейся стохастической модели звука процесса РДС для компьютерных тренажёров. Экспериментально подтверждено, что моделируемый звук процесса РДС воспринимается сварщиком практически как реальный.

Список цитированной литературы

1. Сас 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. Кривин В.В. Методы автоматизации ограниченно детерминированных процессов: Монография / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: Ред. журн. «Изв. вузов. Электромеханика», 2003. -174 с.

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

5. State Of The Welding Industry Report: Executive Summary. - USA, National Center for Welding Education and Training. - 2010. URI: http://www.weld-ed.org/NR/rdonlvres/363BS036-3FB6-4631 -B0DE-30B91 EB82B88/0/welded excutive summ.pdf.

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

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

8. 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.

9. Joseph Tarn. Methods of Characterizing Gas-Metal Arc Welding Acoustics for Process Automation. Waterloo, Ontario, Canada, 2005.

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

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Кривин В.В. Математическая модель для имитации сварочного процесса в виртуальном тренажере сварщика / В.В. Кривин, М.Ю. Виниченко, И.О. Ишигов,

B.А. Толстов // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2009. - Спец. вып. —

C. 61-64.

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

3. Кривин В.В. Мультимедийный тренажер для ручной дуговой сварки /

B.В. Кривин, A.B. Сас, И.О. Ишигов, В.А. Толстов // Свароч. пр-во. - 2010. -№ 5. -С. 57-59.

4. Кривин В.В. Моделирование виртуального сварного соединения неповоротных стыков труб в мультимедийном тренажере сварщика / В.В. Кривин,

C.М. Виниченко, В.А. Толстов, Н.В. Ермолаева // Вестник НИЯУ МИФИ. - 2013. -№2. -С. 219-223.

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

Статьи и материалы конференций:

6. Кривин В.В. Испытательная мультимедийная система для обучения сварщиков ручной дуговой сварки / В.В. Кривин, М.Ю. Виниченко, И.О. Ишигов, В.А. Толстов // Изв. Волгоград, гос. техн. ун-та: межвуз. сб. науч. ст. — Волгоград: Волгоград, техн. ун-т, 2008. - № 4 (42). - С. 97-102.

7. Кривин В.В. Модель стержневых конечных элементов для теплового расчёта виртуального сварного шва / В.В. Кривин, М.Ю. Виниченко, В.А. Толстов // 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.

8. Виниченко М.Ю. Проверка адекватности тепловой модели стержневых конечных элементов для расчёта виртуального шва / М.Ю. Виниченко,

18

В.А. Толстое II Динамика научных исследований : материалы VII Международ, науч.-практ. конф. (Пшемысль, 5-17 июля 2011 г.) - Пшемысль.: Наука и исследования, 2011. - С. 31-34.

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

10. Виниченко М.Ю. Реализация экспертной системы для мультимедийного сварочного тренажёра / М.Ю. Виниченко, И.О. Ишигов, В.А. Толстое // 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.

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

12. Кривин В.В. Вероятностная модель звука сварки для мультимедийного сварочного тренажёра / В.В. Кривин, В.А. Толстое // Динамика научных исследований : материалы VIII Международ, науч.-практ. конф. (Пшемысль, 5-17 июля 2012 г.) - Пшемысль.: Наука и исследования, 2012. - С. 55-59.

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

14. Толстое В.А. Экспериментальное определение ограничений для модели процесса РДС в мультимедийном тренажере / В.А. Толстое, Л.О. Ишигова, В.Г. Цуверкалов, A.B. Черкалина // Глобальная ядерная безопасность. — 2012. -№4(5). - С. 54-59.

15. Толстое В.А. Модель анализатора траектории торца электрода в мультимедийном тренажёре сварщика / В.А. Толстое, Е.А. Андреева, Л.О. Ишигова И Глобальная ядерная безопасность. - 2013. - №2(7) - С. 40-44.

Подписано в печать 03.02.2014 г. Заказ №_. Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0

Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Отпечатано в типографии НПО ВИТИ НИЯУ МИФИ г.Волгодонск, ул.Ленина 73/94

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное

учреждение высшего профессионального образования "Волгодонский инженерно-технический институт - филиал Национального исследовательского ядерного университета

04201459449

Толстой Виктор Андреевич

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ КОМПЛЕКСА УПРАВЛЕНИЯ ИНТЕРАКТИВНОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИЕЙ НА КОМПЬЮТЕРНОМ ТРЕНАЖЁРЕ ПРОЦЕССА СВАРКИ

ПЛАВЛЕНИЕМ

05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы

МИФИ"

На правах рукописи

(в машиностроении)

Диссертация

на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор В.В. Кривин

Волгодонск 2014

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................5

1 ПРИМЕНЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ В ОБЛАСТИ РУЧНОЙ ДУГОВОЙ СВАРКИ........................................................11

1.1 Процесс ручной дуговой сварки.................................................................11

1.1.1 Сварочный контур.................................................................................12

1.1.2 Зона термического влияния..................................................................14

1.1.3 Сварка неповоротных стыков труб......................................................17

1.1.4 Контроль качества сварных соединений.............................................18

1.2 Информационно-измерительные системы для оценки состояния процесса РДС......................................................................................................20

1.2.1 Использование информационно-измерительных систем в аттестации сварочных процессов.....................................................................................20

1.2.2 Предпосылки разработки тренажёров для обучения навыкам РДС 22

1.2.3 Информационно-измерительные системы как основа тренажёров для обучения РДС...........................................................................................23

1.2.4 Средства виртуальной реальности для обучения сварщиков РДС ..24

1.3 Мультимедийный тренажёр для обучения сварщиков РДС...................32

1.3.1 Устройство мультимедийного тренажёра...........................................32

1.3.2 Математическое моделирование сварочного процесса.....................32

1.4 Цели и задачи работы..................................................................................34

Выводы к главе 1:...............................................................................................35

2 РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ ДЛЯ РАСЧЁТА ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА РДС..........................................................................................................................37

2.1 Метрологическое исследование устройства координатного слежения ]ЧаШга1Рот1 ТгаскЖ 5........................................................................................37

2.1.1 Оценка абсолютной погрешности УКС..............................................37

2.1.2 Расчётная модель УКС..........................................................................39

2.1.3 Реализация расчётной модели и результаты оценки.........................41

2.2 Модели расчёта параметров виртуального процесса РДС......................43

2.2.1 Усовершенствование модели расчёта параметров процесса РДС ...43

2.2.2 Модель формирования стыкового шва для плоских деталей...........46

2.2.3 Модель формирования шва неповоротного стыка труб....................53

2.3 Модель звукового сопровождения сварочного процесса........................63

2.3.1 Исследования звука процесса РДС......................................................63

2.3.2 Обработка экспериментальных данных с помощью нейронной сети ..........................................................................................................................67

2.4 Экспертная система для оценки манипуляций электродом....................71

2.4.1 Предпосылки разработки экспертной системы..................................71

2.4.2 Анализ траектории перемещения торца электрода...........................73

Выводы к главе 2:...............................................................................................75

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА РДС..............77

3.1 Определение параметров модели процесса РДС......................................77

3.1.1 Информационно-измерительная система для регистрации параметров процесса РДС..............................................................................77

3.1.2 Экспериментальное определение ограничений для модели расчёта параметров процесса РДС..............................................................................81

3.1.3 Проверка адекватности и статистической значимости уравнений регрессии.........................................................................................................85

3.1.4 Проверка адекватности модели формирования шва..........................87

3.2 Исследование звуковых характеристик процесса РДС............................91

3.2.1 Проведение нейросетевой кластеризации спектров..........................91

3.2.2 Построение стохастической модели....................................................97

3.2.3 Проверка адекватности звуковой модели.........................................101

3.3 Оценка эффективности обучения с использованием ИИС....................108

Выводы к главе 3:.............................................................................................111

4 РЕАЛИЗАЦИЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ СВАРОЧНОГО ПРОЦЕССА В РЕАЛЬНОМ

ВРЕМЕНИ............................................................................................................113

4.1 Выбор средств разработки ИИС...............................................................113

3

4.1.1 Выбор средств разработки программного обеспечения..................113

4.1.2 Выбор аппаратных средств.................................................................116

4.2 Реализация расчётов по математическим моделям в ИИС....................117

4.2.1 Реализация модели тока сварки и напряжения на дуге...................117

4.2.2 Расчёты по модели формирования сварного шва............................121

4.2.3 Моделирование звука РДС в ИИС.....................................................124

4.3 Интеграция ИИС и мультимедийного тренажёра РДС..........................125

4.3.1 Разработка интерфейса пользователя................................................125

4.3.2 Настройка параметров виртуального процесса РДС.......................127

4.3.3 Средства анализа тренировочного процесса....................................129

Выводы к главе 4:.............................................................................................132

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ......................................................134

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................135

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Код С++ для запуска исполняемого файла внешней программы............................................................................................................143

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 эффект�