Введение к работе
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 А.В. Саса, 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, А.В. 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.
-
исследование возможностей существующих тренажёрных систем, которые применяются в обучении навыкам РДС с целью определения недостатков, ограничивающих их применение;
-
разработка информационно-измерительной системы для моделирования параметров процесса РДС в реальном времени с целью его интерактивной визуализации;
-
экспериментальная проверка адекватности математических моделей, предложенных для расчёта параметров процесса РДС;
-
разработка прототипа информационно-измерительной системы на основе разработанных моделей и её интеграция в мультимедийный тренажёр.
Научная новизна полученных в диссертации результатов состоит в следующем:
-
впервые предложен модифицированный метод конечных элементов, позволяющий получить геометрические характеристики сварного шва плоских деталей и стыков труб, такие как ширина и глубина проплавлення, для его визуализации и отличающийся работой в реальном времени;
-
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;
-
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);
-
метод построения адаптивной стохастической модели звука процесса сварки;
-
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 [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.
