[发明专利]一种手工焊接模拟操作培训中的运条轨迹分析及评价方法

权利要求书

1.一种手工焊接模拟操作培训中的运条轨迹分析及评价方法，其特征在于其具体步骤如下：

1)运条轨迹检测

模拟焊条首先向模拟试板打出一束光线，CCD摄像机在试板下方捕捉光束在试板上所成的图像即光斑，然后摄像机将拍摄的图像传输到主控计算机中，通过计算光斑的位置坐标得出焊条端部的位置，最后将焊条端部位置坐标存储起来，用于焊条运条轨迹的重现；

2)光学检测

将采集的一帧图像中的各个像素点的灰度值从内存中取出，并存入数组，在数组中寻找灰度值最大的像素，并与200-210灰度值的引弧阈值进行比较，若最大像素值大于引弧阈值，系统开始分析所采集的数据，所用的摄像机的CCD芯片的像素规格为768×576，通过CCD芯片规格以及最大灰度值像素在数组中的编号得出最大灰度值像素所对应的图像坐标，然后，以最亮点为中心，定义一个31像素×31像素的跟踪区域，图像上的光斑一定包含在这个区域之内，此时设置一个170-180灰度值的光斑描绘阈值，把跟踪区域中像素灰度值与光斑描绘阈值进行对比，大于光斑描绘阈值的就是光斑，小于光斑描绘阈值的就是黑色背景部分，由此得到所有光斑像素，并根据光斑最上端和最下端以及最左端和最右端的像素坐标计算出亮点中心的像素坐标，最后，将亮点的像素坐标进行存储，同时转化为实际坐标就能得到焊条的实时位置；

3)运条轨迹再现

利用定时器每隔40-120ms重复执行上述光学检测，并将测得的位置坐标按时间次序放入数组当中得到运条轨迹上的一系列坐标，再将相邻坐标用直线连接起来近似得到焊工操作的运条轨迹；

4)运条轨迹的预处理

4.1)消除噪音减小误差

通过观测和记录找出模拟焊条同一位置检测的波动的范围M，每次取当前的检测坐标P(x，y)与上一个循环测检测坐标F(x，y)进行对比，若二者的差的绝对值在M之外，则取当前的检测坐标P(x，y)为最终检测点坐标，若二者的差的绝对值在范围M之内则认为该次检测结果的变动是由噪声干扰造成的，则取P(x，y)＝F(x，y)；

在对运条轨迹进行分析之前将数据存储数组F()中的重复点去除掉，然后将去重的数据放入新的数组P()，经过以上两步操作基本上可以去除掉检测数据中不准确的坐标；

4.2)运条轨迹编码

模拟焊条的运条轨迹是由一系列矢量组成的，运条轨迹的形状信息保存在各个矢量的方向当中，运条轨迹的大小信息保存在矢量的大小当中，在[-π，π]范围内涵盖平面内所有的矢量方向，将[-π，π]分为12等分，分别编号为{1，2，3......12}，从而使得每个运条轨迹矢量都能对应一个编号，将一条运条轨迹的方向变化以编码的方式表示出来，也即通过编码的方式将轨迹的形状信息提取出来；

由于运条轨迹是周期图形，每条轨迹是某一周期图形的重复，进而转化出的编码也将呈现出周期性，通过轨迹编码完成运条轨迹周期的划分；

4.3)轨迹的“直线度”

模拟焊条运条轨迹的“直线度”表征的是焊工在操作过程中保持焊缝平直的能力，对于每个周期内轨迹上的数据点通过运算得出其中点，通过各个中点在Y方向上的方差实际的反映出中点连线的平直程度即“直线度”，“直线度”的测度即为中点Y坐标的方差，通过数学转换将方差测度转化为100以内的分值，反映其控制焊缝平直的水平；

4.4)轨迹的“均一度”

“均一度”为轨迹的X方向上单位距离内周期的个数，首先计算运条轨迹上各个周期中点之间的距离C(i)，然后对C(i)求方差，得出的F直接反映出“均一度”，最后通过数学转换将方差测度转化为100以内的分值，反映其控制焊接速度的水平；

4.5)轨迹的“均匀度”

“均匀度”指的是运条轨迹中各个周期所覆盖的面积大小差异的情况，运条轨迹周期内的每条线段两端点与中点连线恰好形成若干三角形，通过计算三角形面积进而求和得出轨迹周期的面积，通过连线法将周期图形分为若干三角形，再使用三边法求出三角形的面积，再求和得出周期图形的面积，最后对周期图形的面积求方差，所得数值经过数学转换为百分制数反映其控制焊缝宽度的水平；

4.6)焊缝宽度控制

焊缝的宽度是由运条轨迹中各个最大值点决定的，将最大值点和最小值点分别用连接线连接起来得到焊缝的上下边界，将实际焊缝宽度于标准焊缝宽度进行比较，得出焊工操作过程中对焊缝宽度把握的情况，通过计算标准内的部分的实际线长占到整个焊缝边缘总线长的百分比则是焊工在焊缝宽度控制方面最终的成绩；

4.7)焊缝边缘停留时间

由于检测位置坐标时是按一定周期T执行的，从而任意两个相邻数据坐标点的采样时间差都是T，并且停留点一定在焊缝边缘之上，统计焊缝边缘上最值点周围正负一毫米内数据点的个数k，即统计出焊缝边缘停留时间t(n)＝T×k，最后对比焊工在焊缝边缘实际停留时间与标准时间，在标准停留时间内的最值点占所有最值点的百分数即为焊工最后的成绩；

4.8)轨迹的“相似度”

将每条轨迹转换为1～12的轨迹编码，形成轨迹链码，而不同运条轨迹的各链码值个数占全体链码值个数的百分比也会有区别，对比不同轨迹个链码值所占百分数{P(n)|n＝1，2，3...12}和{Q(n)|n＝1，2，3...12}，取S＝∑Min{P(n)，Q(n)|n＝1，2，3...12}为最终对比结果且0≤S≤1，S反映了两条运条轨迹在外形上相似的程度，两个形状完全相同，大小不同的轨迹对比得到的S值为1，而完全不同的轨迹得到的S为0，剩下绝大部分轨迹都是有一定相似度的。

2.根据权利要求1所述的手工焊接模拟操作培训中的运条轨迹分析及评价方法，其特征在于：所述的步骤3)得到的运条轨迹其逼真度取决于检测光斑的频率，其检测频率为20Hz。