楊利成

關(guān)鍵詞：焊工操作 ?量化評價 ?系統(tǒng)開發(fā)

焊工是操作焊機或焊接設(shè)備，焊接金屬工件的人員，要求具備一定的學習、理解、分析及判斷能力，良好的視力，基本的辨別顏色及識圖能力，手指手臂能靈活、協(xié)調(diào)地操作焊接設(shè)備。但培養(yǎng)一名優(yōu)秀的焊工需要消耗較多的時間、材料和人力，焊工操作或焊工技能的評價長期成為企業(yè)或職業(yè)院校、培訓機構(gòu)的難題，采用可量化、直觀的數(shù)據(jù)進行評價已經(jīng)成為現(xiàn)階段焊接領(lǐng)域重要的研究課題。

一、現(xiàn)階段焊工培訓和評價的方式

從行業(yè)內(nèi)來看，焊工培訓評價的方式主要有兩種，每種方式都有優(yōu)缺點，下面進行簡單介紹和比較。

1.師帶徒方式

師帶徒是最常見的教學或培訓方式。借助經(jīng)驗豐富、技能突出和具有指導能力的師傅或教師帶領(lǐng)徒弟或?qū)W員完成訓練。這種方式具體且直觀，對學員的指導直接且深入。但1名師傅僅能照顧到1～3名學員的訓練，對師傅的技術(shù)和經(jīng)驗都要求較高，且需要師傅長時間在培訓工位中進行輔導，對師傅的體能和責任心同樣要求很高。常見的評價手段以師傅點評為主，不利于成績的長時間記憶和學員的長期提高，消耗材料較多，訓練時間較長，效果不明顯。

2.模擬焊接方式

近幾年，借助VR和模擬仿真技術(shù)，焊工培訓領(lǐng)域也逐漸開發(fā)出基于VR技術(shù)的模擬焊接培訓方式。這種方式采用1：1模擬真實設(shè)備，焊接操作過程動畫展示的方式，具有直觀、可量化的優(yōu)點，減輕了師傅指導的壓力，由系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)進行評價。但本方法全部采用模擬的方式，操作過程不真實，沒有熱傳導、飛濺、煙塵等真實焊接中存在的特征，僅適合于初學者和安全考試等方面使用;且設(shè)備昂貴，一臺模擬設(shè)備的價格足夠培養(yǎng)幾十名焊工所需的工具、材料和設(shè)備的消耗，市場反應(yīng)一般，推廣價值不高。

二、焊工操作量化評價系統(tǒng)的開發(fā)

針對焊工培訓中材料消耗多、培訓時間長、師傅要求高、評價不具體等問題，筆者結(jié)合長期焊接專業(yè)培訓和教學經(jīng)驗，在采用真實設(shè)備教學的基礎(chǔ)上與傳感器技術(shù)相配合，開發(fā)出焊工操作量化評價系統(tǒng)，較好地解決了以上問題，在實際教學和培訓中取得了較好的效果。

1.設(shè)計思路

施焊者在焊接過程中，會出現(xiàn)手勢不對、中間停頓不合理、層間溫度把握不準、工藝參數(shù)調(diào)整不準確的現(xiàn)象。但這些現(xiàn)象在實際訓練中只能通過長時間的鍛煉加以熟悉，更涉及 “悟性”等非客觀因素，對培養(yǎng)合格的高技能人才不利。在使用弧焊電源過程中，主要的工藝參數(shù)有焊接電流、弧焊電壓等，而且實時變化。利用電流、電壓的傳感裝置及信號收集器來對電流、電壓進行數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，高水平的焊工對工藝參數(shù)的把握在一定范圍內(nèi)。

基于以上理論，筆者根據(jù)弧焊電源外特性的變化曲線，制定施焊者在焊接過程中需要控制的工藝參數(shù)變化標準，通過采集焊接過程中的電流、電壓等動特性信息，經(jīng)過與標準數(shù)據(jù)進行比對、分析和運算，運用合理算法來指導和評價焊工操作水平，并能在弧焊電源評定和焊接工藝評定工作中發(fā)揮重要的作用。

2.主要創(chuàng)新點

（1）直觀性。通過傳感器對焊接過程和焊接電參數(shù)的監(jiān)控，把電信號轉(zhuǎn)化為圖形輸出，并與系統(tǒng)自帶的標準曲線進行對比，產(chǎn)生可量化、直觀的評價報告。

（2）多功能。基于對電信號的處理和分析，可對弧焊電源進行動態(tài)監(jiān)控和測試;可對焊接材料、焊接母材、焊接氣體等焊接材料進行評價和分析，獲得不同材料對焊接過程的影響因素，形成材料檔案和工藝文件。

（3）擴展性。在現(xiàn)有功能的基礎(chǔ)上，可增加溫度傳感器、光傳感器、激光攝像頭等先進設(shè)施，向焊縫質(zhì)量控制、焊縫成型控制、焊縫缺陷預(yù)報等方面進行擴展，用途極廣。

3.模塊構(gòu)成

本系統(tǒng)主要分為硬件模塊和軟件模塊兩部分，具體模塊內(nèi)容介紹如下。

（1）硬件模塊。硬件模塊主要包括電弧電壓采集模塊、焊接電流采集模塊和過程信息數(shù)據(jù)采集模塊。其中電弧電壓采集模塊、焊接電流采集模塊主要用來測試焊接的過程信息，然后通過信號線傳遞給過程信息數(shù)據(jù)采集模塊，此模塊與計算機相連接，最終將采集的信息數(shù)據(jù)傳遞到計算機中，等待進一步數(shù)據(jù)分析，評定焊工技能水平。

（2）軟件模塊。圖1是評價系統(tǒng)軟件部分的框架結(jié)構(gòu)圖，其主要功能是進行用戶管理，控制硬件模塊部分完成信息數(shù)據(jù)采集，對采集的信息數(shù)據(jù)進行有效分析并對操作人員的技能水平做出量化的評分。

①主界面。在此界面進行用戶登錄，實現(xiàn)在用戶管理、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、考試成績界面之間的轉(zhuǎn)換和退出系統(tǒng)功能。

②用戶管理部分。對于用戶操作界面，本程序設(shè)置了兩種不同類型的用戶，一種是測試員身份，這種類型用戶只可以登錄系統(tǒng)，完成考生的焊接技能水平基本測試，包括參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和考試成績。另一種是管理員身份，此類型用戶除了可以完成測試員的全部權(quán)限外，最主要的是增加了用戶信息管理功能，可以創(chuàng)建/刪除用戶信息庫、注冊/刪除新用戶信息、修改用戶密碼信息。

③參數(shù)設(shè)置部分。用戶可以對焊接過程的基本參數(shù)進行設(shè)置，包括焊接方法、弧焊電壓、焊接電流、保護氣體、焊條/絲型號等，還可以對數(shù)據(jù)采集部分進行設(shè)置及采集信息將要保存的路徑等，如圖2所示。

④數(shù)據(jù)采集部分。在焊接操作開始后點擊開始鍵，本模塊會實時采集焊接過程信息，其波形圖會呈現(xiàn)在界面中并實時更新，也便于觀察焊接過程，如圖3所示。

⑤數(shù)據(jù)分析部分。此模塊中焊接過程信息將會以波形圖的形式顯示在本窗口，此外還有概率圖、U-I圖和短路概率密度圖，以供后續(xù)評價、打分，如圖4所示。

⑥成績分析部分。經(jīng)過以上幾個步驟的計算、分析，此界面可以顯示考生的基本信息和考試成績，并給出焊接過程中操作的不足之處和需要改進的建議。跳到焊工焊接成績分析界面，將顯示完整的焊接過程信息波形圖及相應(yīng)的重要焊接過程參數(shù)。系統(tǒng)最后可以生成成績報表，包含考生的基本信息、考試類型及成績，焊接過程信息分析等等，如圖5所示。

三、小結(jié)

本系統(tǒng)主要對操作者在焊接過程中實時變化的數(shù)據(jù)進行比對分析，得出結(jié)論和操作建議，并在以下方面具有較強的實用性。

1.適用于多種手工焊接方法

對焊條電弧焊（平焊、立焊、橫焊、仰焊四大常用焊接位置，不同直徑焊條，不同酸堿性焊條）、CO2氣體保護焊（不同焊接位置，不同焊絲型號）和鎢極氬弧焊等常見手工電弧焊操作者進行量化評價。

2.適用于弧焊電源動特性測試

在采用半自動或自動焊接過程中，可對弧焊電源的動特性進行有效測試，檢驗弧焊電源的穩(wěn)定性。

3.適用于焊接材料工藝性測試

在采用半自動或自動焊接方式，且弧焊電源、環(huán)境因素等不變的情況下，可對常見焊接材料如母材、焊條、焊絲等進行工藝性測試。

4.適用于在線或遠程焊工操作評價

結(jié)合焊縫評價系統(tǒng)，可實現(xiàn)遠程或在線指導焊接過程和評價過程，實現(xiàn)了系統(tǒng)的有效擴展。

系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用滿足了焊接教學和培訓需求，為焊接專業(yè)高技能人才培養(yǎng)提供了較好的思路和方法。

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（作者單位：長治技師學院）