宋金虎

（山東交通職業(yè)學(xué)院，山東濰坊261206）

0 前言

傳統(tǒng)焊接培訓(xùn)不僅消耗大量培訓(xùn)材料、污染環(huán)境、有害身體健康，同時(shí)由于環(huán)境的限制，使教員在新焊工培訓(xùn)過(guò)程中無(wú)法及時(shí)地對(duì)學(xué)員的動(dòng)作進(jìn)行規(guī)范，只能根據(jù)焊接后的焊縫情況分析指導(dǎo)學(xué)員的操作，培訓(xùn)效果不甚理想。基于虛擬現(xiàn)實(shí)的焊接仿真模擬不同的焊接方法在不同焊接工藝參數(shù)下的焊縫成形過(guò)程，采用仿真焊接培訓(xùn)系統(tǒng)教學(xué)具有節(jié)省培訓(xùn)成本及培訓(xùn)時(shí)間、增強(qiáng)培訓(xùn)管理、提高培訓(xùn)效果、改善培訓(xùn)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，為學(xué)員提供了一種有益的學(xué)習(xí)手段，加快學(xué)習(xí)進(jìn)程，是對(duì)傳統(tǒng)焊接教學(xué)活動(dòng)的必要補(bǔ)充[1]。

1 仿真焊接培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

（1）能讓學(xué)員在高度仿真的模擬環(huán)境下進(jìn)行焊接技能的高效訓(xùn)練，使訓(xùn)練者感受到真實(shí)的焊接過(guò)程，可以有效地與周?chē)鎸?shí)的環(huán)境進(jìn)行互動(dòng)。

（2）為有經(jīng)驗(yàn)的訓(xùn)練者提供高訓(xùn)練平臺(tái)，通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)來(lái)操作完成一個(gè)好的焊縫。

（3）精確地測(cè)量到操作信息，訓(xùn)練者可以從中學(xué)到要點(diǎn)并能簡(jiǎn)便有效地將這些焊接技能轉(zhuǎn)化到實(shí)際的焊接工作中。

（4）能夠提供焊條電弧焊、CO2氣體保護(hù)焊、氬弧焊等多種模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。

（5）適用于新一代焊接人員的培訓(xùn)和焊接就業(yè)教育，在一般的培訓(xùn)教室即可進(jìn)行培訓(xùn)工作。

2 仿真焊接培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)的仿真焊接培訓(xùn)系統(tǒng)根據(jù)不同的焊接工藝參數(shù)模擬不同的焊接方法對(duì)焊件進(jìn)行焊接加工，產(chǎn)生不同的焊縫形狀從而使焊縫成形。讓受訓(xùn)者在高度仿真的模擬環(huán)境下進(jìn)行焊接技能的高效訓(xùn)練，感受到真實(shí)的焊接過(guò)程。系統(tǒng)提供多種不同的工件形式選擇，以便受訓(xùn)者可以練習(xí)不同的焊縫形式和焊接位置。仿真焊接培訓(xùn)系統(tǒng)包括硬件和軟件部分，硬件包括模擬焊槍、視頻眼鏡、焊接平臺(tái)、控制主機(jī)等，軟件包含示教功能模塊、仿真訓(xùn)練功能模塊、訓(xùn)練結(jié)果評(píng)估模塊[2]。

當(dāng)受訓(xùn)者進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，系統(tǒng)中的各個(gè)傳感器將獲得的各個(gè)焊槍實(shí)時(shí)參數(shù)反饋給控制中心，控制中心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，并在顯示裝置和音響上顯示相應(yīng)的焊接畫(huà)面和焊接聲音。仿真焊接培訓(xùn)系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 仿真焊接培訓(xùn)系統(tǒng)原理

3 仿真焊接培訓(xùn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)的仿真焊接培訓(xùn)系統(tǒng)包括模擬焊槍、視頻眼鏡、焊接平臺(tái)、控制主機(jī)等，如圖2所示。

模擬焊槍主要包括微電機(jī)、箱體、支撐軸、光學(xué)端部、把柄、傳感器以及焊條（絲）等。微電機(jī)帶動(dòng)與之緊配合的橡皮輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)橡皮輪帶動(dòng)焊條來(lái)回移動(dòng)模擬電弧焊過(guò)程中焊條（絲）的進(jìn)給過(guò)程；光學(xué)端部上的兩個(gè)二極管激光燈產(chǎn)生兩束互成45°的光線(xiàn)，通過(guò)與傾角傳感器的配合以及對(duì)模擬焊板上兩光點(diǎn)的坐標(biāo)測(cè)定可以完成對(duì)弧長(zhǎng)的精確測(cè)量[3]。

視頻眼鏡為3D視頻眼鏡，主要包括3D立體頭盔、位置追蹤攝像頭、各種轉(zhuǎn)接線(xiàn)及適配器等，屬虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴顯示器設(shè)備，利用仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)傳感技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)集合的產(chǎn)品，是借助計(jì)算機(jī)及最新傳感器技術(shù)創(chuàng)造的一種嶄新的人機(jī)交互手段。

圖2 仿真焊接培訓(xùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

焊接平臺(tái)為靈活調(diào)節(jié)的工作臺(tái)，將模擬焊板固定在工作臺(tái)上，適應(yīng)焊接受訓(xùn)者的多種作業(yè)姿態(tài)。

控制主機(jī)為仿真焊接培訓(xùn)系統(tǒng)的軟硬件控制中心。

4 工作原理

模擬焊槍通過(guò)捕捉VR（虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)）焊槍與焊板的相對(duì)位置和旋轉(zhuǎn)角度，轉(zhuǎn)換到虛擬場(chǎng)景中，現(xiàn)實(shí)中焊槍焊接的時(shí)刻和虛擬現(xiàn)實(shí)中的是一一對(duì)應(yīng)的。捕捉到焊槍的位置和旋轉(zhuǎn)以后，通過(guò)焊槍模塊轉(zhuǎn)換為unity里可用的數(shù)據(jù)格式，賦值給焊槍模型。焊槍模型與現(xiàn)實(shí)中的焊槍按照1∶1比例制作。

仿真焊接培訓(xùn)系統(tǒng)工作時(shí)，通過(guò)VR焊槍獲取位置和旋轉(zhuǎn)角度，通過(guò)矩陣運(yùn)算轉(zhuǎn)化為三維模型的位置和旋轉(zhuǎn)角度，然后通過(guò)3D視頻眼鏡觀察焊條是否接觸到焊板，控制VR焊槍使其碰到焊板，碰到以后即表示通電生成燒熔的焊縫。仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

數(shù)據(jù)輸入模塊主要負(fù)責(zé)將焊接工藝參數(shù)和焊槍運(yùn)動(dòng)參數(shù)狀態(tài)信息傳遞給仿真模型模塊和仿真引擎模塊[4]。

仿真模型模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)工件、焊槍等焊接仿真環(huán)境進(jìn)行靜態(tài)幾何建模,完成焊縫模擬、煙、光照、火光、陰影、光照等特效3D圖形渲染。

焊接仿真引擎是系統(tǒng)的核心，它主要探尋焊接工藝、焊槍運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)和焊縫橫截面幾何參數(shù)之間的關(guān)系。

圖3 仿真焊接培訓(xùn)系統(tǒng)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

仿真結(jié)果輸出模塊包括評(píng)價(jià)系統(tǒng)模塊和其他功能子模塊，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)仿真狀態(tài)，輸出動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果，分析、評(píng)價(jià)仿真過(guò)程數(shù)據(jù)。

5 應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制流程如圖4所示。界面設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖4 系統(tǒng)控制流程

圖5 界面設(shè)計(jì)流程

6 應(yīng)用效果

基于虛擬現(xiàn)實(shí)的仿真焊接培訓(xùn)系統(tǒng)自動(dòng)采集操作姿態(tài)，受訓(xùn)者可通過(guò)視頻眼鏡觀看虛擬焊接場(chǎng)景，能看到焊接過(guò)程中的熔弧、火花飛濺、電弧閃爍、焊縫的生成與冷卻等過(guò)程，使模擬更具沉浸性和逼真性。通過(guò)對(duì)焊接過(guò)程的逼真模擬，像操作真實(shí)焊接設(shè)備一樣獲取焊接操作的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和技能。CO2氣體保護(hù)焊虛擬顯示效果如圖6所示[5]。

7 結(jié)論

圖6 CO2氣體保護(hù)焊虛擬顯示效果

基于虛擬現(xiàn)實(shí)的仿真焊接培訓(xùn)系統(tǒng)替代真實(shí)焊接系統(tǒng)，能夠提供焊條電弧焊、CO2氣體保護(hù)焊和氬弧焊不同情景、不同型材和角度的實(shí)訓(xùn)模擬，無(wú)需消耗焊件焊材、無(wú)強(qiáng)電磁污染、無(wú)化學(xué)光學(xué)污染、節(jié)能環(huán)保[6]。方便學(xué)習(xí)與操作，使受訓(xùn)者在虛擬現(xiàn)實(shí)中完成多種焊接技能培訓(xùn)，使受訓(xùn)者可以像操作真實(shí)焊接設(shè)備一樣獲取焊接操作的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和技能。