ОБУЧЕНИЕ РУЧНОЙ СВАРКЕ ТРУБ ИЗ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ НА ОСНОВЕ НЕЙРОННОЙ МОДЕЛИ СПОСОБНОСТЕЙ СВАРЩИКОВ

Рышард Ястржембский, Институт соединения металлов, Краков, Польша, Адам Ястржембский, Павел Ястржембский, Горно-металлургический институт (AGH), Краков, Польша

Описание действий сварщика вызывает значительные методологические трудности, связанные с необходимостью использования методов физических, социальных и технических наук. Прогресс в информатике, в частности развитие самообучающихся нейронных сетей, позволил создать нейронную модель способностей сварщика, то есть описать психологические и социальные аспекты с помощью методов, понятных для физиков.

Информатикам, создающим искусственную модель нервной системы, примером послужили процессы эволюции, адаптации и размножения. Модель, развиваемая американскими физиками на основе результатов численного расчета физических процессов сварки, позволяет значительно ускорить обработку данных компьютером, что обеспечивает управление сварочными машинами в реальном времени.

Предложенная нами иерархическая модель человеческого мозга (рис. 1) основана на нейронных сетях при условии, что часть знаний является общей для всех действий человека. Знания в этой модели с точки зрения их обработки подразделяют на следующие уровни:
а) уровень точной математической обработки информации (рис. 1, верхняя часть – абстрактная деятельность),
б) уровень гуманитарной обработки информации (рис. 1, средняя часть – описательная деятельность),
в) уровень практической обработки информации (рис. 1, нижняя часть – работа конечностей, т. е. практическая деятельность).

В данной информационной модели человеческого мозга определенные уровни построены из одинаковых нейронных пучков, которые на каждом уровне ориентированы по-разному: в вертикальном, горизонтальном и поперечном направлениях. Путем изменения направления ввода данных можно изменять количество одновременно анализируемых черт, интенсивность черт, количество хранимых в памяти операций обработки. Это дает возможность изобразить с помощью векторов способ обработки информации человеком с точными, гуманитарными или практическими способностями, а также изменять направление обработки информации: производительное и воспроизводительное, то есть от детали к обобщению и от обобщения к детали.

Расположение пучков нейронов на рис. 1 изображает 3 типа способностей человека на производительном (перенос информации сверху вниз) и воспроизводительном (перенос информации снизу вверх) уровнях.

Если на сознательном уровне (рис. 1, верхняя часть) пучки нейронов настроены для точной обработки информации, значит у человека математические способности. Например, мозг человека с производительными математическими способностями анализирует одновременно 5 черт на 20 уровнях интенсивности и хранит в памяти 2 операции, а мозг человека с воспроизводительными математическими способностями анализирует 20 черт в пятибалльной шкале.

Если на несознательном уровне обработки пучки нейронов настроены на гуманитарную описательную обработку информации, то это означает, что у человека гуманитарные способности. Если на автоматическом уровне пучки нейронов настроены на практическую обработку информации, то у человека практические способности.

Согласно этой информационной модели у человека только один тип способностей, если только на одном уровне пучки нейронов настроены таким образом, как показано на рис. 1, а, а на остальных уровнях обработки информации настройка пучков нейронов не соответствует этому типу способностей, они расположены в обратном порядке.

Если рис. 1 провернуть на 90° по вертикали, он изобразит мозг человека, у которого два типа способностей на двух уровнях обработки информации (это означает, что на этих уровнях тип обработки информации согласован с направлением производительной или воспроизводительной обработки, а на третьем уровне направление обработки информации противоположно). Рис. 1 представляет, что тип способностей только организует настройку обработки и обусловлен он быстрыми связями, которые возникают не на основе строения, а в результате частого использования.

Согласно некоторым теориям каждому человеку присущи все три типа способностей, однако их развитие зависит от стремления получать удовлетворение путем наименьшего усилия, мотивированное изначальными факторами сразу после рождения и социальными стимулами, связанными с типом образования, влиянием родного языка, и т. п. На тип обработки информации общий для всех людей значительно большее воздействие оказывает функционирование нервной системы, стимулированное искусственными нейронными сетями.

Пространственная модель нейронной сети, имитирующая способности и показанная на рис. 1 и 2, представляет различные способы ввода информации, требуемой для программирования автоматической системы логической обработки информации, которая является общей для всех людей. Благодаря освобождению сознания от работы по повторению логических операций возрастает интеллигентность сварщика. Перцепционный аппарат человека может самостоятельно без контроля сознания обнаружить логику координации движений и наблюдения. Однако извлечение из неосознанности этих алгоритмов и логическое их описание значительно ускоряют процесс обучения сварщиков, у которых есть разные способности. Для аудиовизуальной поддержки обучения нами использованы методы обучения путем демонстрации логики, скрытой в картинках так называемого византийского типа.

Картинки для обучения физике процесса в разных методах сварки были созданы на основе ряда правил:
I. Плавящийся основной металл и текущие капли присадочной проволоки отнимают тепло плавления и понижают температуру сварочной ванны.
II. Плавление является результатом физического контакта газов с металлом, а подогрев основного металла происходит за счет теплопроводности. Долгое время подогрева затрудняет плавление основного металла из-за термической изоляции расплавляемой проволоки, повышения температуры ванны и значительного перемешивания расплавленного основного металла с проволокой.
III. Плавление металла осуществляет внешняя часть потока газов, движущихся в результате разницы температур, а подогрев – внутренняя часть потока газов. Боковая поверхность электрической дуги является источником потери тепла и вместе с температурой основного металла определяет напряжение дуги.
IV. Глубина проплавления зависит от давления горячих газов, достигающих основного металла, она уменьшается с увеличением длины дуги, размера сварочной ванны и угла раскрытия дуги. Большой провар понижает температуру сварочной ванны.
V. Горелка влечет жидкий металл за счет поверхностного натяжения сверху вниз и в нижней части траектории движения застывает более толстый его слой.

Также были учтены и другие аспекты, облегчающие обучение сварке, связанные с воздействием стресса на коммуникацию между отдельными уровнями обработки информации в мозге сварщика.

Ниже показан пример создания визуального практического пособия для обучения сварщиков труб.

Положение H-L045 (ручная сварка труб из нержавеющей стали) требует от сварщика способности сваривать обеими руками. Как показано на рис. 3, L, во время сварки в этом положении скорость сварки регулирует размер ванны. Сварщик должен вести электрод вдоль самого большого углубления, перпендикулярно к поверхности трубы с такой скоростью, чтобы нижняя граница сварочной ванны плавила нижнюю кромку, или вести электрод вдоль самой большой выпуклости предыдущего прохода и тогда верхняя граница ванны проходит посередине разделки кромок в 2 мм от верхней кромки или проплавляет верхнюю кромку. На основе описательной физики (угол раскрытия и длина дуги, зависимость глубины проплавления от размера сварочной ванны и положение дуги по отношению к ванне) показана техника выполнения провара при узком (рис. 3, A – металлическая порошковая проволока, 3, В – сплошная проволока) и широком зазоре (рис. 3, С) методами сварки MAG, TIG (рис. 3, N, Y), газовой (рис. 3, T) и электродом с основным покрытием (рис. 3, M, R, S). Описательная физика послужила также основой для выявления различий между сваркой сплошной (рис. 3, B, C, E, K) и порошковой проволокой (рис. 3, A, I, L) и определения углов ведения горелки и подачи проволоки (рис. 3, W, Z).

Такое визуальное пособие позволяет более эффективно обучать сварщиков труб, имеющих практические способности. Это пособие уже несколько лет успешно применяют в школе сварщиков в Кракове.

Выводы
а) нейронная модель способностей человека позволяет выполнить систематизацию методов подготовки сварщиков и предоставить достижения психологии в распоряжение физиков и программистов промышленных сварочных роботов;
б) метод обучения с использованием созданных визуальных средств очень эффективен для освоения координации движений и наблюдения при подготовке сварщиков;
в) методика представления пособий в форме византийских картинок может послужить основой для создания компьютерного языка координации движений и наблюдения при обучении сварщиков.