Донской Государственный Технический Университет

Кафедра "Машины и автоматизация сварочного производства"

Тренажер для целенаправленного формирования навыков сканирования опрераторов УЗК.

Представлено описание разработанного на основе персонального компьютера и планшетного дигитайзера тренажера для целенаправленного формирования и количественной оценки моторных навыков сканирования операторов УЗК. Рассмотрены технические возможности тренажерной системы и программного обеспечения. Проанализированы различные методические приемы формирования навыков сканирования.

Техническая диагностика на основе методов ультразвукового контроля - один из главных путей повышения безопасности сварных объектов ответственного назначения. В настоящее время значительную часть сварных конструкций продолжают контролировать путем сканирования вручную [1,2]. При этом надежность контроля существенно зависит от уровня моторных навыков сканирования оператора УЗК.

Для формирования моторных навыков при профессиональной подготовке операторов различных человеко-машинных систем широко используются тренажерные средства. С методических позиций тренажеры предназначены для выполнения двух основных функций. Во-первых, их задача – создать ситуацию, аналогичную той, что возникает в реальных условиях. Во-вторых, тренажеры оснащаются специальными средствами, что позволяет существенно расширить возможности формирования и развития моторных навыков по сравнению с обучением на рабочем месте.

В нашей стране и за рубежом разработаны специальные тренажерные средства для формирования и оценки навыков сканирования оператора УЗК на базе различных инструментальных средств и реальных элементов объектов контроля. К их числу относятся тренажер НК-157, разработанный НИИ мостов СПГУПС совместно с ИЭС им. Е.О. Патона и цифровой тренажер SIMONE, созданный в Британском центре неразрушающего контроля.

Достоинства данных средств обучения не вызывают сомнений. Однако, по-нашему мнению, более перспективным и универсальным представляется создание тренажерной системы для формирования навыков сканирования на базе стандартного персонального компьютера и планшетного дигитайзера, позволяющих за счет своих технических возможностей и программного обеспечения значительно расширить области целенаправленного формирования моторных навыков. Кроме того, возможности такой тренажерной системы реально постоянно расширять за счет модернизации программного обеспечения.

Рис.1. Тренажерная система для целенаправленного формирования навыков сканирования

Размещается система на стандартном учебном столе. Поверхность планшетного дигитайзера используется в качестве рабочей поверхности объекта контроля. Для более удобного расположения дигитайзера и возможности изменения пространственного положения зоны сканирования спроектировано специальное приспособление для крепления планшетного дигитайзера. Имитатором ультразвукового преобразователя служит аналог мыши для персонального компьютера, выполненный по форме в виде реальной искательной головки.

Технические возможности дигитайзера позволяют с высокой точностью определять и вводить в компьютер координаты положения искателя на его поверхности. В отличие от обычного устройства типа “мышь” дигитайзер реагирует не на перемещение, а на положение искателя на его поверхности. Благодаря этому появляется возможность не только следить за перемещением искателя, но и создавать различные проблемные ситуации. Например, при попадании искателя в заранее заданную зону, на экране монитора можно имитировать появление сигнала от дефекта, подавать звуковые сигналы, визуализировать траекторию акустической оси преобразователя, что делает процесс обучения более наглядным и осознанным.

Рабочая поверхность дигитайзера имеет размер 300х300 мм, что позволяет моделировать контроль сварных соединений толщиной до 50 мм наклонным искателем. Для имитации контроля сварных стыковых соединений с усилением шва или тавровых соединений на поверхности дигитайзера можно размещать соответствующие сменные элементы.

Важным с точки зрения выработки моторных навыков является определение и фиксация усилия прижатия искателя к поверхности изделия. С этой целью в имитатор искателя помещен датчик давления, который позволяет фиксировать величину прикладываемого усилия и передавать соответствующую информацию в компьютер.

Программное обеспечение тренажерной системы состоит из ряда блоков, позволяющих проводить регистрацию обучаемого, рассчитывать основные параметры траектории сканирования, визуализировать на экране траекторию сканирования с оптимальными параметрами, фиксировать текущие параметры реализуемой траектории сканирования, анализировать отклонения от идеальной траектории, хранить и статистически обрабатывать полученную информацию. Работа системы предусматривает регистрацию скорости сканирования и визуализацию траектории продольно-поперечного и поперечно-продольного перемещения преобразователя по всей контролируемой зоне. Программный интерфейс предусматривает наличие диалогового меню, позволяющего регулировать амплитуду и шаг сканирования, положение и размеры рабочей зоны.

Данную тренажерную систему можно использовать для обучения, коррекции навыков и аттестации. На стадии обучения появляется возможность целенаправленно формировать моторный навык сканирования для разных ситуаций:

- с предъявлением на экране дисплея траектории сканирования,

- “вслепую” (рабочая зона поверхности контроля не видна обучаемому),

- при ограничении времени, выделяемого на контроль изделия,

- при сканировании в разных пространственных положениях.

Вероятность пропуска непротяженных дефектов при сканированиии прямо пропорциональна количеству и размеру непроконтролированных зон, то есть зон, не пройденных преобразователем. Поэтому для обучения и коррекции навыка прозвучивания контролируемого изделия тренажерное средство снабжено программным обеспечением, позволяющим визуально и количественно оценивать степень полноты контроля (процент охваченной площади). Для этого, используя технические возможности планшетного дигитайзера, фиксируются в памяти параметры и особенности воспроизведенной обучаемым реальной траектории преобразователя и подсчитывается степень полноты контроля, исходя из оптимальных параметров сканирования и перекрытия треков.

В тех случаях, когда процесс тренировки сопровождается синхронным выводом на экран монитора реальной траектории искательной головки, след строится путем последовательного наложения друг на друга круглых цветных пятен с центром в точке, соответствующей координате положения имитатора щупа на рабочей поверхности. Диаметр пятна, а, следовательно, и ширину следа можно регулировать, что позволяет варьировать сложностью задания по мере выработки навыков.

Вывод траектории сканирования на экран позволяет весьма наглядно выявить и проанализировать допущенные при работе ошибки. При обычных методах обучения проведение такого анализа невозможно. Кроме того, расстояние между отдельными “пятнами” следа позволяет судить также о скорости перемещения искателя. Если скорость превышает некоторый уровень, расстояние между центрами пятен на экране монитора увеличивается вплоть до отделения одного пятна от другого, что позволяет дополнительно оценивать информацию о стабильности и качестве приобретаемых навыков сканирования.

При целенаправленном формировании навыков сканирования на очередном этапе обучения представляется целесообразным сделать следующий шаг в направлении приближения к реальной ситуации при выполнении ультразвукового контроля, а именно совместить для обучаемого процесс сканирования с наблюдением за информацией на экране дефектоскопа. С этой целью разработана компьютерная программа, позволяющая вывести на экран монитора изображение лицевой панели дефектоскопа вместе с органами управления, индикаторами и экраном дефектоскопа. При выполнении сканирования на участке монитора компьютера, где изображен экран дефектоскопа, демонстрируется типовая картинка развертки сигнала. При приближении искателя к тому месту, где запрограммировано размещение дефекта, на “экране дефектоскопа” появляется изображение сигнала, имитирующего отраженный сигнал от дефекта. Амплитуда сигнала и его положение изменяется в зависимости от положения искателя на поверхности дигитайзера.

Следует отметить, что при разработке данного тренажерного средства были учтены психологические аспекты теории тренажеров. Так, по мнению специалистов [3], одним из недостатков при конструировании тренажеров является приоритет физического подобия над психологическим. Психологи считают, что для его устранения надо обязательно учитывать следующие аспекты:

- деятельность на тренажере должна не имитироваться, а моделироваться и психологически соответствовать реальной трудовой деятельности;

- навыки, формируемые на тренажере, должны не внешне, а по своей психологической структуре соответствовать трудовым навыкам;

- при формировании моторных навыков на начальных этапах обучаемому должна ставиться задача выполнять отдельные, входящие в данный навык движения с большими интервалами между ними, в дальнейшем время выполнения движений и интервалы следует укорачивать, добиваясь, чтобы ряд частных движений выступал как одно сложное движение;

- на результативность обучения значительное влияние оказывает наличие обратной связи, при этом важно, чтобы при обучении была возможность самооценки не только правильных, но и неправильных действий;

- при проектировании конструкции рабочего места тренажера, приспособлений важно учитывать эргонометрические рекомендации для учета физиологических и психических возможностей и особенностей человека.

Очевидно, что данные психологические аспекты теории тренажеров учтены при разработке рассматриваемого обучающего средства.

Рассмотрим некоторые методические аспекты использования тренажера. Данное тренажерное средство позволяет формировать у обучаемых моторные навыки сканирования несколькими способами.

Первый способ заключается в перемещении преобразователя по заданному на поверхности имитатора сварного образца шаблону траектории сканирования. Предполагается, что многократное повторение движения руки по заданной траектории должно способствовать выработке моторных навыков.

Второй способ представляет собой обучение с обратной связью за счет визуализации траектории движения преобразователя на экране монитора. При этом задача обучающегося заключается в том, чтобы, не глядя на поверхность контроля, добиваться такой моторики движений, при которой реализуемая траектория была бы максимально близка к заданной оптимальной.

Третий способ предполагает сканирование без обратной связи, когда ни на сварном образце, ни на экране монитора нет изображения требуемой траектории сканирования и у оператора нет возможности корректировать свои движения в процессе упражнения.

С использованием описанного выше тренажера были проведены эксперименты, включающие все три способа обучения. Показателем качества работы выступал процент охваченной при сканировании площади зоны контроля. Кроме того, визуально анализировались траектории сканирования при различных способах тренировки.

Обучаемые осваивали навык сканирования в течении девяти дней. Ежедневно проводились психологические тесты, оценивающие самочувствие, активность и настроение обучаемого. В ходе каждого дня испытуемый проводил двадцать экспериментов, используя первый способ обучения, и двадцать - используя второй способ.

На рис.2-4 приведены в качестве примера траектории сканирования при отработке на тренажере моторных навыков различными способами. Черной рамкой окантован участок, отведенный для выполнения сканирования. Темным следом отмечены участки, охваченные сканированием (траектория движения искателя). Белым цветом обозначены участки, пропущенные при сканировании.

Можно видеть, что обучение с использованием шаблона траектории сканирования на поверхности дигитайзера (рис.2) вопреки прогнозу оказалось недостаточно эффективным.

Рис.2. Траектория сканирования при обучении по шаблону

Отслеживание траектории вызывает у обучаемого определенные трудности, поскольку искатель закрывает значительную часть отслеживаемой траектории. В результате этого наблюдается снижение точности отслеживания движения, неравномерный охват участка сканирования по высоте. Кроме того, отмечается увеличение скорости перемещения искателя (см. вид следа). Последнее, вероятно, связано с тем, что при обучении с использованием шаблона происходит подмена целей обучения – главным становится сам процесс копирования. В этом случае слабо выражены обратные связи, внимание оператора приковано к образцу, в то время как в реальных условиях оно должно быть сосредоточено на экране дефектоскопа. Этот вид обучения характеризуется высокой утомляемостью, высоким разбросом результатов, требует длительных упражнений.

При обучении способом “в слепую” (изображение траектории движения искателя не выводится на экран монитора в реальном масштабе времени) движения обучаемых обычно скованы, их структура неустойчива (рис.3).

Рис.3 Траектория сканирования при обучении «в слепую»

Это проявляется в частой смене темпа, аритмичности, непостоянстве амплитуды движений. Как правило, размах колебаний параметров сканирования превышает требуемый. Эксперименты показали, что этот способ целесообразней использовать для периодического контроля степени выработки моторных навыков сканирования.

Второй способ, при котором оператор имеет возможность корректировать свои действия, ориентируясь на изображение следа движения искателя на экране монитора (рис.4), в большей степени, чем другие, за счет обратной связи позволяет оператору осуществлять самоконтроль в процессе обучения, сопоставляя совершаемые моторные действия с представленными оптимальными параметрами траектории сканирования.

Рис.4 Траектория сканирования при наличии обратной связи

На основании такого сопоставления происходит на стадии обучения оценка всех правильных и неправильных действий и соответствующее в реальном времени их регулирование, т.е. целенаправленное формирование моторного навыка сканирования.

А.С. Коробцов, В.Ф. Лукьянов

назад