автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.10, диссертация на тему:Разработка технических средств и критериев целенаправленного формирования практических навыков сварщика

На правах рукописи

ДИНЬ Чыонг Шон

РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ И КРИТЕРИЕВ ЦЕЛЕНАПРАВЛЕННОГО ФОРМИРОВАНИЯ ПРАКТИЧЕСКИХ НАВЫКОВ СВАРЩИКА

Специальность 05.02.10 - «Сварка, родственные процессы

и технологии»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ии^4342ЭО

Ростов-на-Дону 2010

003494230

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет» (ДГГУ) на кафедре «Машины и автоматизация сварочного производства».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

В.Ф.Лукьянов,

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Х.Н.Сагиров,

кандидат технических наук, доцент В.П.Головин

Ведущее предприятие: ОАО «Резметкон»

Защита состоится 27 апреля 2010 года в 15 часов на заседании диссертационного Совета Д212.058.01 Донского государственного технического университета по адресу: 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина 1, ауд. 252

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДГТУ. Автореферат разослан 16 марта 2010 года.

Учёный секретарь диссертационного совета, доцент, канд. техн. наук.

3

Г.В. Чумаченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Дуговая сезарка 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 механизированной 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.

Оценка качества выполняемых сварочных работ показывает, что основным недопустимым видом браков являются нспровар, 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% .

Повышение качества сварных соединений при РДС может быть достигнуто за счет повышения 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. 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 показать обучаемому его ошибки в отношении траекторию перемещений электрода относительно стыка, скорости перемещения и других элементов манипуляции электродом.

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.

Цель диссертационной работы. На основании изучения моторных процессов манипуляции электродом при ручной и механизированной сварке разработать тренажерные средства для целенаправленного формирования моторных навыков при начальной подготовке сварщиков, повышения производительности и качества обучения, а также снижения временных и материальных затрат при подготовке сварщиков сварочного производсгва.

Основными задачами работы являются:

1. Проанализировать, и выявить общие закономерности процедур подготовки и сертификации персонала сварочного производсгва в России и за рубежом.

2. Выявить основные компоненты моторных функций сварщика, оказывающих влияние на стабильность протекания дугового процесса и качество сварного соединения.

3. Разработать критерии оценки формирования моторных функций сварщика при формировании сварного соединения.

4. Выявить принципы целенаправленного формирования моторных навыков сварщика.

5. Разработать тренажерные средства выработки моторных навыков для начальной подготовки сварщиков ручной и механизированной дуговой сварки.

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 статистки.

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

Научная новизна.

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 этане обучения сварщиков ручной дуговой и механизированной сварки целесообразно раздельно и последовательно закреплять отдельные моторные навыки манипуляции рабочим'инструментом путем использования интерактивных тренажерных средств.

Практическая значимость научной работы.

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

Создан электронный 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.

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».

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.

Апробация работы.

Заседаниях кафедры «Машины и автоматизация сварочного производства» ДГГУ, 2007-2009.

VIII международной научно-технической конференции по динамике технологических систем, ДГГУ, г. Ростов-на-Дону, 2007.

Международной научно-технической конференции в рамках Промышленного конгресса Юга России и международной специализированной выставки «Метмаш Станкоинструмент - 2007», г. Ростов-на-Дону, 2007.

Ежегодных научно-технических конференциях студентов и профессорско-преподавательского состава ДГТУ, 2007-2009.

Публикации.

Материалы диссертации опубликованы в 3 печатных работах, из них одна - сборники научных трудов - Ростов-на-Дону: Издательский центр ДГТУ, одна - материалы Международной научной конференции,

одна статья - в журнале «Вестник ДГТУ», входящем в список изданий, рекомендуемых ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения основных результатов, приложений и списка литературы, содержащего 46 наименований. Она изложена на 134 страницах основного текста, в том числе содержит 31 рисунок, 26 таблиц.

Личный вклад автора

Основные научные и практические результаты диссертационной работы, положения, выносимые на защиту, разработаны и получены лично соискателем или при его непосредственном участии.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и необходимость решения проблемы совершенствования методов обучения сварщиков, сформулирована цель диссертационной работы. Изложены общие сведения о диссертационной работе и основные положения, выносимые на защиту, а также сформулирована научная новизна работы.

Первая глава "Практические навыки как основы качества сварочного соединения при РДС и методы обучения и оценки практических навыков операторов-сварщиков в России и за рубежом" посвящена рассмотрению взаимодействия манипуляции электрода с изменением параметров технологического процесса сварки плавящимся электродом, способам оценки качества сварных соединений и методам современного обучения операторов РДС.

Проблема повышения качества сварных соединений является многоплановой. Этой проблеме посвящены многие работы отечественных и зарубежных ученых, среди которых важно выделить работы С.А. Куркина (обеспечение качества на стадии изготовления), Э.А. Гладкова, Н.С. Львова (автоматическое регулирование дуговых процессов), Н.П. Алешина (повышение качества за счет совершенствования неразру-шающих методов контроля) и др.

В работе проанализированы причины появления дефектов сварных соединений при РДС и показано, что их возникновение происходит не только при нарушении технологии сварки, из-за применения некачественных материалов и неисправности оборудования, но, главным образом по причине низкой практической подготовки сварщиков.

При традиционном методе обучения сварщиков качество сварного соединения может быть оценено только после окончания процесса сварки методами разрушающего или неразрушающего контроля, а также при помощи оценки эксперта.

Анализ информации о нарушении технологических параметров процесса в режиме «оп-Ппе» и принятие сварщиком корректирующих мер затруднены вследствие отсутствия сформированных зрительных и слуховых эталонов, а также моторных навыков. Результат обучения во многом зависит от педагогических возможностей и квалификации обучающего, а контроль усвоения практических навыков при традиционном методе обучения неоправданно трудоемок и субъективен. Таким образом, начальное обучение в условиях приближенных к производственным является трудоемким, дорогостоящим, требует больших временных затрат. Поэтому необходимо совершенствовать процесс обучения с применением современных тренажерных систем.

Важной причиной, приводящей к дефектам сварных соединений при РДС, как показали при анализе повреждаемости, являются ощибки оператора при управлении процессом. Эти ошибки напрямую связаны с квалификацией сварщика. Наиболее полно влияние квалификации оператора на качество сварных соединений прослеживается при РДС. Однако, свойства сварщика, в том числе его практические навыки, как элементы контура управления в настоящий момент практически не исследованы. Тем не менее, например, до 80 % брака при ручной дуговой сварке является следствием ошибок оператора. Ранее проводившиеся исследования в данной области касались только отдельных сторон профессиональной операторской деятельности сварщиков. Так, например, исследовали влияние положения сварщика на его утомляемость, определяли оптимальные характеристики светофильтров при различных способах сварки, изучали связь зрительно-моторной координации с уровнем квалификации, оценивали влияние стажа работы и возраста сварщика на его работоспособность. Также отметим, что в литературе по инженерной психологии приводятся сведения по значению многих психофизиологических параметров. Следует отметить, что влияние психофизиологических параметров человека-оператора на стабильность и качество управления сварочными процессами, как правило, не рассматривались. Моделирование деятельности операторов для ряда других профессий проводилось. Например, моделирование контура «зрительный анализатор» - «моторный выход» при исследовании работы операторов радиолокационных станций при отслеживании перемещающейся на экране монитора мишени. Однако различие условий работы и целевых функций у операторов в исследованных случаях и у операторов-сварщиков не позволяют перенести результаты этих исследований на деятельность сварщиков, хотя и могут быть использованы при разработке математических медалей оператора-сварщика как элемента контура управления.

Качество получаемого сварного соединения зависит от многих входных переменных: подготовки разделки, подбора режима и свароч-

ного аппарата, условия работы, и ряда других, В процессе сварки сварщик получает информацию о таких параметрах косвенным образом по форме дуги, яркости свечения дуги и др. Когда оценка значения показателей качества соединения не соответствует желаемым их значениям, сварщик, изменяя такие параметры (управляющие переменные) как скорость сварки, длина дуги и смещение электрода относительно стыка, корректирует состояние техпроцесса.

Рассматривая процесс ручной дуговой или механизированной сварки с позиции инженерной психологии, необходимо обратить внимание на то, что почти все операции по обработке и использованию получаемой в процессе сварки информации (траектория движения, относительное положение электрода, величина сварочной ванны, характер горения дуги и др.) выполняет мозг оператора, в который сигнал без предварительной обработки вводится через органы зрения или слуха. С одной стороны, такая схема обработки имеет преимущества перед другими, поскольку алгоритм обработки, применяемый оператором, может непрерывно оптимизироваться применительно к умозрительной функции эффективности в соответствии со сложившейся ситуацией, допускающей оперативную перепроверку. С другой стороны, эта схема обработки обладает существенным недостатком, обусловленным тем, что используемый оператором алгоритм обработки и умозрительная функция эффективности зависят от многих субъективных факторов оператора. Более того, этими же факторами определяется, насколько верно оператор выбрал основные параметры контроля и воспроизвел их в процессе выполнения технологических операций. Следовательно, вероятность появления дефекта при сварке во многом определяется вероятностью точного, безошибочного и своевременного, выполнения оператором всех порученных ему функций управления процессом в заданных условиях.

Основываясь на этом, при обучении сварщика практическим навыкам весь процесс ручной дуговой сварки целесообразно представить в виде последовательности отдельных навыков и умений, необходимых для успешного выполнения производственной деятельности.

В последние годы можно наблюдать резко возрастающий интерес к использованию сварочных тренажеров для выработки моторных навыков у сварщика. Ряд известнейших фирм, таких как ЕБАВ, Ргопеиэ, выпускающих сварочное оборудование, вышли на рынок с предложениями сварочных тренажеров.

Применение тренажера обладает безопасным, экономичным и удобным способом и по сравнению с реальной системой тренажеры позволяют углубить процесс обучения благодаря расширению спектра формируемых навыков и приемов. Он обладает исключительными возможностями в развитии профессиональных навыков у обучаемых, что

позволяет реализовать в них /дополнительные функции, особенно ценные в аспекте задач тренировки, профессиональной подготовки и обучения.

Для обучения сварщиков РДС в настоящее время могут быть использованы следующие известные системы как:

- компьютерный тренажер сварщика (КТС-01), автор A.B. Сас;

- малоамперный дуговой тренажер сварщика (МДТС), авторы В.А. Богдановский, В.М. Гавва, Н.М. Махлин.

- тренажер для обучения первичным моторным навыкам (ТОПМН), разработанный на кафедре сварки ДГТУ, авторы В.Ф. Лукьянов, Х.Т. Мгонджа, А.Л. Черногоров;

Проведенный анализ Ишиговом И.О и нами показан, что ни одна из,приведенных систем по своей функциональности не позволяет обеспечить контроль над всеми перечисленными действиями одновременно, что, в свою очередь, может привести к формированию у обучаемого ложных навыков. Кроме того не одного из разработчиков не дает конкретные методы применения для обучения и выработки моторных навыков сварщика.

Основным недостатком рассмотренных систем является то, что по окончании учебного процесса сварки не представляется возможным оценить показатели качества формирования сварного соединения и указать на некоторые дефекты.

В связи с этим была поставлена задача - разработать систему и методы для целенаправленного обучения операторов-сварщиков РДС на основе последних достижений электронной вычислительной техники, технических средств виртуальной реальности и методов обработки информации, в том числе цифровой и графической.

Во второй главе "Методики непрерывного измерения электрических параметров сварочной дуги, экспериментальные исследования и алгоритмы обработки измерительной информации при исследовании стабильности процесса ручной дуговой сварки" представлена схема установки для проведения промышленного эксперимента, а также фильтрации сигналов и расчет идентификационных характеристик процесса. Показано применение традиционных и современных приемов обработки информации, полученной после эксперимента, возможность оценки практических навыков сварщика по параметрам стабильности горения дуги,

Как показано, одной из основных причин, приводящей к дефектам сварных соединений при РДС, являются ошибки оператора при управлении процессом, которые напрямую связаны с квалификацией сварщика. В работах Caca A.B. отмечается, что для определения природы; ошибок необходимо рассмотреть взаимодействие оператора с процессом и определить основные регулируемые параметры, влияющие на

качество сварных соединений.

В качестве основного регулируемого параметра принята длина дуги. Во-первых, она является одним из основных технологических параметров при РДС. Во-вторых, при начальном обучении операторов сварщиков РДС, в соответствии с оценкой инструкторов, задача поддержания постоянной длины дуги является основной психологической установкой. Этот параметр значительно влияет на производительность сварки и качество сварного шва.

В сварочном контуре движения руки оператора-сварщика как основной элемент управления и имеет самая низкая частота по быстродействию только в 10 раз выше, чем процесса плавление и кристаллизация металла заготовки. Этот утверждается в том, что при ручной дуговой сварке плавлением качества формирование сварочного шва в основном контролируется сварщиком.

Для оценки влияния возможных колебаний длины при ручной дуговой сварке на характер замыканий и стабильности горения дуги была разработана установка (рис.1), в состав которой входят: осциллогроф, шунт, фильтры низкого прохода (аналог-к-цифровому и цифровые-к-аналогу конвертеры (А/О-Ц/А)), персональный компьютер.

Обработка осциллограмм изменения тока и напряжения осуществляется с дискретизацией по времени (частота дискретизации 100.Гц).

Рис.1 - Схема экспериментальной установки

Для проведения экспериментов были выбраны две группы сварщиков - низкой квалификации (НКС) и средней квалификации (СКС). Опыты по сварке проводили с применением электродов марок УОНИ-13/55 и МР-3. Измерения тока и напряжения на протяжении 20 сек. Для

того, чтобы иметь статистически значимый объем выборки каждый сварщик повторял сварку 40 раз при одинаковых условиях.

Принцип работы системы состоят в следующем. Электрические сигналы (напряжение на дуге и напряжение, снимаемое с измерительного шунта при измерении тока) поступают во входные устройства (фильтры) системы, где нормируются по диапазону значений входа, измеряются с заданной частотой и преобразуются в цифровую форму (в аналого-цифровом преобразователе - АЦП).

Основное преобразование АЦП выполняется по следующей форме:

Л ■ П 2.К .П ,(2.?-) где Д- результат измерения; п,~ преобразования, выполняемые в налоговой форме; /с- аналого-цифровое преобразование; ц,~ преобразования, выполняемые в числовой форме; г - входное воздействие.

Преобразованная цифровая информация сохраняется в памяти персонального компьютера для последующей обработки.

Проведя статистическую обработку волыамперных характеристик при ручной дуговой сварке, можно разбить 3 области процесса на подмножества, объединив их по признаку плотности попавших в них точек (/г)(,0 <) (рис.2).

1 1 "Т* "

и

/ |.......

X ■-•■л ) : »4» 5 1

е -г

......"Т........ .......щ Ч !• , § ■ 1 *> р " П 3

: ! „<, >

О 10 го 30 -16 50 60 70 80 90 100 110 120 130 1.(0 150 Ток сварки А

Рис.2 - Волыамперные характеристики процесса ручной дуговой сварки с разбиением областей процесса на подмножества: 1- холостой ход; 2- горение дуги; 3- короткое замыкание. 12

Для идентификации состояний процесса при ручной дуговой сварке было введено понятие порогового напряжения / . Пороговые

напряжения при разбиении процесса на трех состояний являются гра ничными величинами, и, как правило, существуют нижний ( и верхний ¡/ . . пороговые пределы разбиения. Состоянием, попавшим между

нижний и верхним пределами называется состояние горения дуги; состояние, попавшее выше верхнего предела - холостой ход; состояние ниже нижнего предела - короткое замыкание. В связи с этим пороговые напряжения можно определить по графику плотности распределения напряжения на дуге. Экспериментально установлено, что / соответствует 7...12В, /: - 38.. 42В.

""Г 1

Профессионализм сварщика, а именно способность сварщика стабильно поддерживать длину дуги, также влияет на стабильность процесса, которую можно оценить, посчитывая продолжительность коротких замыканий в процессе сварки для каждого сварщика. Чем больше продолжительность коротких замыканий, тем больше вероятность «примерзания» электрода к металлу и тем ниже качество свар ног о шва.

Процесс горения сварочной дуги можно упрощённо представить в виде графа, который характеризует состояния процесса РДС с учетом их перехода (рис.3).

Из состояния горения дуги процесс может перейти как в состояние короткого замыкания, так и гз холостой ход, то:

Рис.3 Граф состояний процесса РДС с учетом их перехода (1- состояние холостого хода; 2 состояние горения дуги; 3- состояние короткого замыкания),

т

(2.9)

(2.10)

где т - количество переходов из состояния горения дуги в состояние короткого замыкания; т к - количество переходов из

состояния горения дуги в состояние холостого хода; т - т ^ + т, 'х х - общее количество переходов из состояния

горения дуги в состояние короткого замыкания и холостого хода.

Как правило, состояние горение дуги - ожидаемое для стабильного процесса, любое отклонение от него имеет отрицательное влияние. В связи с этим можно считать такие величины как ту г,

т.-1)р,ы.?' " отрицательные влияния при оценке стабильности

процесса, а тк з .„р, тх х - положительные.

С точки зрения оценки качества шва наиболее интересны именно эти выделяющиеся состояния, так как качество сварного соединения связано с вероятностями нахождения процесса сварки в рассматриваемых состояниях.

Непрерывная запись мгновенных значений тока и напряжения при сварке позволяет выделить следующие информационные признаки, по которым можно судить об уровне квалификации сварщика:

- величина дисперсии мгновенных значений напряжения и тока при сварке;

- частота коротких замыканий;

- длительность коротких замыканий;

- частота и длительность периодов нахождения процесса в диапазоне напряжений длинной дуги и холостого хода.

Отмеченные закономерности отчетливо проявляются только при выполнении простых сварочных операций, например, таких как наплавка валика на поверхность плоской-детали в нижнем положении, когда от сварщика не требуется отслеживать случайные изменения зазора в стыке, притупления кромок и других особенностей подготовки кромок и сборку. Однако при выполнении сварки стыкового и углового шва в производственных условиях сварщику приходится осуществлять целенаправленное манипулирование электродом. Он следит за состоянием и положением места сварки и вынужден изменять длину дуги, чтобы увеличить или уменьшить глубину проплавления в зависимости от сложившихся условий формирования шва.

Необходимость в таких манипуляциях особенно часто возникает при сварке в пространственных положениях, отличающихся от нижнего положения.

Следует обратить внимание, что чем выше уровень квалификации сварщика, тем чаще он использует манипулирование электродом для улучшения формирования шва.

Целенаправленное изменение длины дуги увеличивает значения дисперсии напряжения и тока, что снижает ценность этих характеристик как информационных признаков уровня квалификации сварщика. Аналогичный вывод можно сделать и в отношении частоты коротких замыканий, поскольку сварщики иногда специально используют короткое замыкание для удержания ванны на вертикальной плоскости и в потолочном положении.

Очевидно, что такие показатели как; величина дисперсии мгновенных значений напряжения и тока при сварке и частота коротких замыканий не могут рассматриваться как основные информационные признаки уровня квалификации сварщика.

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.

Третья глава посвящена комплексу методических и технических средств подготовки сварщиков.

Основная концепция создания тренажерной системы состоит в том, чтобы обеспечить возможность отрабатывать основные необходимые движения рабочего инструмента (электрода, сварочной горелки, держателя) раздельно и последовательно, вырабатывая моторные навыки.

В связи с этим процесс перемещения рабочего инструмента вдоль сварного соединения необходимо разделить на основные составляющие, которые должны учитываться при разработке тренажера как элементы, требующие выработки отдельных моторных навыков.

При выполнении ручной и механизированной дуговой сварки 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.

В процессе тренировки моторных навыков тренажер должен контролировать погрешность выполнения движений электрода, обеспечивать обратную связь с обучаемым и подавать сигнал при выходе значений параметра за установленные пределы.

Работа тренажера должна быть в максимальной степени визуализирована, а результаты работы должны быть запротоколированы и пройти статистическую обработку. Желательно, чтобы тренажер позволял оценивать работу сварщика в реальном времени и обладал ин-тсрактивностью.

Поскольку предполагается раздельная тренировка отдельных элементов движения руки сварщика допустимо для выработки моторных навыков использовать несколько типов тренажера.

Для выработки и оценки моторных навыков движения электрода вдоль стыка разработан компьютеризированный тренажер на базе интерактивной панели. Он позволяет освоить различные психомоторные навыки ведения сварочного процесса. Объективный контроль параметров имитируемого сварочного процесса, наличие обратной связи по этим параметрам и регистрация результатов позволяют сократить сроки и обеспечить высокое качество обучения. При этом достигается экономия расходных материалов и электроэнергии.

Тренажер функционирует на базе ПК типа IBM. В качестве рабочей поверхности или изделия используется интерактивный экран с диагоналей размером 17 дюймов.

Интерактивный экран - устройство, подключаемое к персональному компьютеру позволяющее отображать рабочий стол сварщика. Управление работой приложений и ввод заметок осуществляется прикосновениями или без прикосновения к экрану специальной ручки. С помощью интерактивного экрана можно по точкам вводить в ЭВМ информацию о положении имитатора электрода по отношению к заданной траектории шва. Принцип действия интерактивного экрана следующий: под рабочей поверхностью расположено устройство, которое принимает сигнал от излучателя, встроенного в устройство-указатель (имитатор

сварочного электрода). Оператор, работающий с экраном, перемещает указатель над рабочей поверхностью. Сигнал передается внутреннему устройству управления экрана, которое определяет координаты указателя на экране и формирует сообщение для ЭВМ. Интерактивный экран позволяет с высокой точностью определять и вводить в компьютер координаты положения конца электрода.

Имитатор электрода представляет собой указатель - излучатель (карандаш) интерактивного экрана, закреплен в стандартном держателе электродов для ручной дуговой сварки. Коммутирующие провода выполнены в виде сварочного кабеля для придания возможно большего сходства с реальным сварочным оборудованием и создания достоверных условий сварки.

Тренажер функционирует на базе ПК типа IBM. Программное обеспечение тренажера написано на языке Delphi.

Основная идея, которая реализована при функционировании тренажера, состоит в следующем. С частотой до 100 Гц производится считывание координат конца имитатора электрода на поверхности интерактивного экрана, формирование массива точек, последующий расчет параметров процесса движения и анализ. Для анализа скорости движения конца имитатора электрода, значения массива рассчитывают периодически с частотой, соответствующей возможной частоте колебания руки оператора - 10...30Гц. Отношение величины вектора, определяемого координатами, фиксируемого по положению имитатора сварочной горелки к длине временного промежутка, через который происходит считывание координат, позволяет определить действительное мгновенное значение скорости движения сварочной горелки вдоль свариваемого стыка. Несовпадение заданных и реально фиксируемых координат позволяет определить смещение или ошибку ведения

Тренажер позволяет оценивать точность движения электрода вдоль траектории прямого или кругового шва. Имеется возможность настройки тренажера на выполнение "узкого" или "широкого" валика. Траектория сварного шва и ширина следа движения электрода задаются при помощи специальных меню. Требуемая скорость сварки задается в текстовом поле числом при помощи клавиш с цифрами.

Одним из главных преимуществ разработанного тренажера по сравнению с существующими является его интерактивность. Движение электрода и визуальное изображение его следа совпадают в пространстве и во времени. Ученики могут на основании визуальной информации исправлять или контролировать движение электрода.

Тренажер был использован для исследования процесса выработки моторных навыков при начальном обучении сварщиков. Были проведены эксперименты с участием в качестве обучаемых трех студентов первого курса, не владеющих навыками сварки. Для того чтобы иметь статистически значимый объем выборки каждый сварщик повторял сварку 10 раз при одинаковых условиях. Испытуемые каждый раз проводили имитацию сварки на длине имитируемого шва 250мм, после чего проводился статистический анализ результатов (анализ максимальных, минимальных, средних значений, стандартного отклонения и гистограмм изменения положения электрода по отношению к стыку и скорости сварки). В конце каждого дня проводилось обсуждение общих результатов с испытуемым, что позволяло вносить коррективы в его работу. Условия имитации соответствовали скорости сварки Юм/ч, шов -прямолинейный, сварка в нижнем положении. Время перерыва 3 минуты, по расчетам общее время проведения экспериментов в каждый день примерно 1 час.

О динамике выработки ■ моторных навыков можно судить по результатам, представленным на рис. 4,5 и б.

Рис.4 - Изменение дисперсии значений отклонения электрода от стыка в процессе тренировки (1,2,3- первый, второй и третий сварщик)

18.

...........I......I..

О О <7> 'Ю <7) -7) О '<Г> -7) •?> о с:, о о о <±. с» о <

— -- СЧ

8 8 8 8 8 8 8 8 <Т'| ^ сч г') ГЧ 'Г1 Ч

-д. 2

Рис.5 •

к 60

50

, -10

о

20

Дата проведения тренировки

Изменение дисперсии значений скорости сварки в процессе тренировки (1,2,3- первый, второй и третий сварщик)

.........

Л" * '•■> . :

О О О <Т> <Т> С> ст> С^ <л

о о о о о о о о о о

•А «-'- ^ -А -г - 1- С;| ГЧ С4 СЧ СЧ СЧ СЧ сч о* сч ГЧ с'( сч

о о о о о о о о о о о <9 <9 о о о о о о ср о

14".' Г-'- О Л Ч Ю 171 т (-О СС1 Г-1 'Т О сл Л СО СО О

О О О ГМ СЧ СЧ О О О О

О '!!) О Л (П (71 Ф (Л <Т> -ТУ <75 <7У

о о о о о о о о о о о о с:

сч сч г-< сч сч СЧ ГЧ С*1 сч

1 I «—■ , /—■ Г~I Г~\ <-1 г~\

г 8

Г) <ч

-О- 1

-л- ?

•О. 3

Дша проведения тренировки

Рис.б - Изменение значений коэффициента вариации скорости сварки в процессе тренировки (1,2,3- первый, второй и третий сварщик)

В эксперименте прослеживается тенденция к постепенному снижению величины средних отклонений от оси шва и средних отклонений скорости по мере накопления опыта работы на тренажере. При этом динамика накопления опыта следования для каждого испытуемого во время проведения испытаний неодинакова. По мере тренировки наблюдается уменьшение среднег о значения отклонения электрода от стыка и дисперсии разброса этих значений. После суммарной длительности тренировки 17-18 часов наблюдается стабилизация моторных навыков у всех трех испытуемых. Аналогичный характер изменений наблюдается и в отношении стабильности поддержания скорости движения электрода.

Эксперименты показали, что переход от сварки в нижнем положении к сварке на вертикальной плоскости привел к значительному ухудшению достигнутого уровня моторных навыков, и для их восстановления потребовалось проведение дополнительной серии тренировки. В связи с этим в конструкцию тренажера были внесены изменения, которые позволили проводить выработку и закрепление моторных навыков для сварки во всех пространственных положениях.

В отличие от известных схем предлагаемый тренажер узкоспециализирован на выработку моторных навыков движения электрода по стыку, что позволяет разделить процесс обучения на отдельные элементы и облегчить процесс обучения. Кроме того, он более гибок в задании траектории движения, имеет визуализированные обратные связи.

Для выработки моторных навыков подержания стабильно дугового промежутка был использован тренажер, основанный на непрерывном измерении напряжения дуге, горящей между вольфрамовым электродом и образцом - имитатором. Серия экспериментов предусматривала последовательное усложнение задания для обучающегося: от поддержания заданной длины дуги при неподвижном электроде до сочетания заданной скорости перемещения и заданной длины дуги.

Эксперименты проводили с участием в качестве обучаемых трех студентов, проходящих треиировки на поддержание скорости сварки и траектории движения электрода в нижнем положении на компьютерном тренажере.

О динамике, выработки моторных навыков можно судить по результатам, представленным на рис. 7, 8 и 9.

По мере тренировки наблюдается уменьшение среднего значения отклонения напряжения дуги и дисперсии, коэффициента разброса этих значений.

6 5 60

ш

х 5.5 | 50

I 5

! 4 0

С

I 3.6

| 3 0

.1 2.5

о

20

ГЧ <"4 гч

? ? §

§ 3 £

¡3 8 а щ з § з з щ 8 ц а п г? а

Ц 8 Щ Щ Щ Щ Щ % § ё 8 8 8 § $

СО й О П « Ю Ш СГ) А ~ '

<М N ¿Л О О С) о о о

со и-> <£• г-

-о- 1 •д. 2

э

Дата проведения тренировки

Рис.7 - Изменение значений общей дисперсии напряжения дуги в процессе тренировки (1,2,3- первый, второй и третий сварщик)

о сп а> о? о я* ог о о о сг> о? а> о уэ о о 4

о о о о о с' о о о о е.- о о о о о с» с» о с.» о -О— 1 «Л Ю 1Г> 1Л 10 Ц1) Ц^ (¡3 О 6 Ш (О (О и!> ф (Г| (О со со л о

о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о -Д ■ ^

^ О! 'Л ё N Ю 'Л О ^ (¿> Й 6 г- СО 1Л (О л

^ЫСЧ^ЛСЧГЧЫЛОООООО'«-'»--«- ♦<>♦ 3

Дата проведения тренировки

Рис.8 - Изменение значений межгрупповой дисперсии напряжения дуги в процессе тренировки сварщика (1,2,3- первый, второй и третий сварщик)

Дата проведения тренировки

Рис.9 - Изменение значений коэффициента вариации напряжения дуги в процессе тренировки (1,2,3- первый, второй и третий сварщик)

Результаты проведенных экспериментов наглядно подтвердили высказанное предположение, что для целенаправленного формирования моторных навыков на начальном этапе обучения сварщиков ручной дуговой и механизированной сварки целесообразно использовать тренажеры, позволяющие разделить процесс перемещения рабочего инструмента вдоль сварного соединения на основные составляющие, раздельно и последовательно, закреплять отдельные моторные навыки с использованием интеракт ивных средств.

Тренажер можно рекомендовать в качестве дидактического средства первичного обучения сварщиков и других рабочих профессий, требующих точного движения руки, в частности, газорезчиков.

В заключении диссертации подведены итоги исследования, перечислены научные результаты и выводы.

Основные результаты работы и выводы

В рамках выполненных в диссертации исследований получены следующие основные выводы и результаты:

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. Результаты исследования показали, что 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 свариваемого стыка. Визуализация траектории и скорости движения электрода повышает эффективность применения тренажера для выработки моторных навыков.

Библиографический список опубликованных работ по теме диссертации:

1. Анализ факторов, влияющих на качество процесса дуговой сварки, связанного с оборудованием, сварочными материалами, квалификацией сварщиков// В.А.Софьянников, Динь Чыонг Шон// Тезисы докладов VIII международной научно - технической конференции по динамике технологических систем/ ДГГУ. - Ростов н/Д, 2.007. - Т. I. - С. 95-98.

2. Разработка критерий оценки практических навыков сварщиков по параметру стабильности горения дуги/ В.А.Софьянников, Динь Чыонг Шон// Сварочное производство: Сб. трудов молодых ученых. -Ростов-на-Дону: Издательский центр ДГТУ, 2008. с. 89-96.

3. 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.

В печать 15.03.Л) 10. ............................ :...............................~.......................

Объем 1,5 усл. пл. Офсет. Формат 60x84/64.

Бумага тип №3. Заказ № Тираж 100 экз. Цена свободная

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия: 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина,!.

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.

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».

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.

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.