何生貴

摘 要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，在制造業(yè)中大量運(yùn)用到了計(jì)算機(jī)虛擬焊接工藝，在信息系統(tǒng)與制造系統(tǒng)之間構(gòu)筑了一個(gè)有效的溝通橋梁，對(duì)傳統(tǒng)的制造業(yè)發(fā)展進(jìn)行了優(yōu)化與改進(jìn)，文章以輸變電鐵塔開發(fā)為例分析了基于計(jì)算機(jī)虛擬制造焊接工藝仿真設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)虛擬制造；焊接工藝；仿真設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）04-0111-02

Abstract： With the rapid development of computer technology， computer virtual welding technology is widely used in manufacturing industry， which builds an effective bridge between information system and manufacturing system， and optimizes and improves the development of traditional manufacturing industry. Taking the development of transmission and transformation tower as an example， the simulation design of welding process based on computer virtual manufacturing is analyzed in this paper.

Keywords： computer virtual manufacturing； welding process； simulation design

虛擬制造技術(shù)的發(fā)展是計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展的產(chǎn)物，充分運(yùn)用計(jì)算機(jī)模型對(duì)產(chǎn)品的性能、功能與可加工性進(jìn)行充分分析，從而對(duì)制造知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)化處理，對(duì)所需要處理的制造工程進(jìn)行全面建模，通過計(jì)算機(jī)的仿真設(shè)計(jì)來(lái)達(dá)到制造活動(dòng)的良好評(píng)估設(shè)計(jì)，在輸變電鐵塔開發(fā)中具有重要的應(yīng)用空間。

1 計(jì)算機(jī)虛擬制造焊接技術(shù)

在目前社會(huì)的發(fā)展過程中計(jì)算機(jī)技術(shù)得到了快速地發(fā)展，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、制造與信息管理等各個(gè)領(lǐng)域制作業(yè)的發(fā)展中都得到了快速地推廣與使用。計(jì)算機(jī)輔助制造焊接技術(shù)即CAW能夠充分運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行焊接結(jié)構(gòu)與接頭的輔助設(shè)計(jì)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助制定焊接工藝計(jì)劃，并運(yùn)用計(jì)算機(jī)管理軟件輔助管理焊接工藝過程[1]。

虛擬焊接綜合仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)是新一代環(huán)保、節(jié)能、通用型操作技能實(shí)訓(xùn)與評(píng)價(jià)平臺(tái)。本產(chǎn)品采用分布式仿真實(shí)訓(xùn)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、微機(jī)測(cè)控技術(shù)、聲音仿真技術(shù)及計(jì)算機(jī)圖像實(shí)時(shí)生成技術(shù)。在不需要真實(shí)焊機(jī)的情況下，通過仿真主控系統(tǒng)、位置追蹤系統(tǒng)、聲效顯示系統(tǒng)和評(píng)定系統(tǒng)將焊接演練過程中焊槍的位置、速度、角度、操作信息等進(jìn)行采集處理，并實(shí)時(shí)生成虛擬焊縫[2]。

系統(tǒng)將仿真操作設(shè)備、實(shí)時(shí)3D技術(shù)及WM-VR渲染引擎相結(jié)合，演練過程真實(shí)，視覺效果、操作手感與真實(shí)一致。在焊接演練的過程中，操作人員能夠看到焊接電弧以及焊液從生成、流動(dòng)到冷卻的過程，同時(shí)可以聽到相應(yīng)的焊接音效。

焊接工藝的進(jìn)行需要充分運(yùn)用到傳熱、冶金、高溫電弧物理與力學(xué)等多個(gè)層面，是材料加工領(lǐng)域中研究的熱點(diǎn)內(nèi)容，焊接工藝要求在極短的時(shí)間內(nèi)完成，為了促進(jìn)焊接達(dá)到良好的效果，需要建立一個(gè)精準(zhǔn)的物理模型對(duì)焊接過程進(jìn)行仿真與模擬，與計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行充分結(jié)合能夠有效達(dá)到這一目的，充分分析焊接過程中的殘余應(yīng)力與熱應(yīng)力反應(yīng)，以及對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件所產(chǎn)生的影響作用，從而對(duì)焊接過程進(jìn)行精確化地控制，最終基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的充分運(yùn)用達(dá)到焊接工藝的自動(dòng)化與可控化發(fā)展[3]。

2 計(jì)算機(jī)虛擬制造焊接技術(shù)在輸變電鐵塔開發(fā)中的運(yùn)用

2.1 目標(biāo)設(shè)置

目前，由于電網(wǎng)建設(shè)快速發(fā)展，特別是特高壓等級(jí)電網(wǎng)投入運(yùn)行，輸、變、配電設(shè)備和技術(shù)發(fā)生很大變化。電網(wǎng)鐵塔特強(qiáng)鋼施工和檢修焊接急需培訓(xùn)大量金屬技術(shù)監(jiān)督人員，確保電網(wǎng)鐵塔焊接質(zhì)量。在確保培訓(xùn)質(zhì)量的前提下，降低培訓(xùn)成本、減少培訓(xùn)時(shí)間是當(dāng)前的迫切需要。輸變電鐵塔模擬焊接軟件是通過開發(fā)研制包括模擬焊接硬件包括頭盔、焊槍、試件、外顯示器等、主機(jī)、模擬焊接軟件、技術(shù)文件、使用手冊(cè)和軟件備份等四部分的一整套模擬操作裝置，既可實(shí)現(xiàn)焊接操作模仿練習(xí)中鋼材、焊材等物資的零損耗，又可對(duì)模仿練習(xí)中動(dòng)作的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度進(jìn)行科學(xué)的評(píng)價(jià)，從而達(dá)到節(jié)約培訓(xùn)成本、提高培訓(xùn)效果的目的。

2.2 虛擬制造焊接技術(shù)項(xiàng)目?jī)?nèi)容

輸變電鐵塔模擬焊接軟件是由模擬焊接硬件、模擬焊接軟件、使用手冊(cè)和軟件備份四部分組成。模擬焊接硬件又細(xì)分成模擬焊接頭盔、模擬焊接試件、模擬焊槍、模擬焊接外顯示器和主機(jī)。

輸變電鐵塔模擬焊接軟件工作原理是：訓(xùn)練者佩戴一個(gè)帶有立體視覺的頭盔，抓握一支帶有三維定位功能的模擬焊槍，將模擬焊槍沿著模擬焊接試件組成的焊道作出模擬焊接動(dòng)作。訓(xùn)練者能在頭盔的視覺部分體驗(yàn)到逼真的三維模擬焊接環(huán)境，同時(shí)模擬焊接軟件根據(jù)訓(xùn)練者的焊槍動(dòng)作以及焊槍與模擬焊接試件的距離變化，反饋信號(hào)生成不同的數(shù)據(jù)組建不同的焊接電弧、焊接熔池狀態(tài)，并將上述狀態(tài)顯示在模擬焊接頭盔的視覺部分，于是建立起人機(jī)間的“交互式虛擬現(xiàn)實(shí)世界”。每個(gè)工位需配備真實(shí)的焊接設(shè)備，且不少于一套原裝電焊鉗、氣保焊槍、焊具組合件等。模擬訓(xùn)練為分級(jí)訓(xùn)練模式，分為基礎(chǔ)訓(xùn)練、初級(jí)訓(xùn)練、中級(jí)訓(xùn)練、高級(jí)訓(xùn)練考核四個(gè)等級(jí)。

輸變電鐵塔模擬焊接軟件的仿真模擬焊接過程，具有“沉浸-交互-構(gòu)想”三個(gè)基本特征，以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)造虛擬環(huán)境，特別強(qiáng)調(diào)參與者身臨其境的沉浸感，同時(shí)操作者與虛擬環(huán)境之間可以有多維信息交互作用，從定性和定量綜合集成的虛擬環(huán)境中，可以獲得對(duì)實(shí)習(xí)對(duì)象的感性和理性的認(rèn)識(shí)。

輸變電鐵塔模擬焊接軟件在訓(xùn)練者訓(xùn)練過程中，存在一個(gè)仿真教師作為向?qū)?，示范最佳的焊槍?dòng)作包括焊接速度，焊槍與工件距離和角度等。因此，通過項(xiàng)目研究可以實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：提高訓(xùn)練中動(dòng)作的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度，縮短焊接培訓(xùn)周期；在不消耗鋼材和焊材情況下，體驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境實(shí)際焊接的過程，并掌握操作要領(lǐng)和技術(shù)規(guī)范，大大降低培訓(xùn)的原材料成本包括試板、氣體、焊材等耗材費(fèi)用；清潔安靜的培訓(xùn)環(huán)境，提高學(xué)習(xí)效果，無(wú)人身安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 虛擬制造焊接技術(shù)項(xiàng)目方式

焊工安全操作之前需要充分掌握常用焊材的介紹、焊縫符號(hào)、焊接方法介紹、焊條、焊絲知識(shí)、焊接用氣體知識(shí)與焊接電源、電流、電壓知識(shí)等。還包括金屬學(xué)與熱處理知識(shí)、金屬工藝學(xué)、焊接冶金過程、防火與防爆、識(shí)圖知識(shí)與船體建造工藝等。在焊條電弧焊實(shí)作中能夠進(jìn)行焊接設(shè)備選用與維護(hù)、掌握金屬熔焊原理與氣體保護(hù)焊工藝、埋弧焊工藝、氣焊與氣割實(shí)做方式、焊接檢驗(yàn)與焊接標(biāo)準(zhǔn)等。

引弧、收弧、能夠真實(shí)的模擬焊接過程中的各種參數(shù)設(shè)置，如引弧、收弧、直線運(yùn)條、直線往返運(yùn)條、鋸齒形運(yùn)條、月牙形運(yùn)條、正三角形運(yùn)條、斜三角形運(yùn)條、圓形運(yùn)條的各種手法，并能體驗(yàn)操作手法中的各種力量反饋感，電弧、明暗場(chǎng)、飛濺、焊縫、聲效表現(xiàn)逼真，該系統(tǒng)可進(jìn)行多角度、全位置焊接演練。

采用VR虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示器進(jìn)行虛擬場(chǎng)景展現(xiàn)，分辨率：?jiǎn)窝郏翰坏陀?200×1080、刷新率：不高于90fps、動(dòng)作可捕捉。空間不少于1.5m×1.3m×2.0m，同時(shí)配備Vive VR無(wú)線操控手柄與精確的SteamV定位技術(shù)配合系統(tǒng)進(jìn)行焊接操作。回放展廳：記錄并回放操作過程，重現(xiàn)操作結(jié)果，便于充分分析具體的焊接過程。使得操作人員更加清楚的了解焊接訓(xùn)練當(dāng)中的問題，有助于提高焊接效率。同時(shí)提供不低于5種的模擬實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景，如港口工況場(chǎng)景、工程機(jī)械維修焊接、工廠工況、石油管道焊接、船倉(cāng)焊接等。通過真實(shí)的焊板、焊槍、焊具進(jìn)行焊接教學(xué)，系統(tǒng)采用聲音、光、文字等提示內(nèi)容，并采用標(biāo)準(zhǔn)圖形示范包括焊接位置、焊槍角度、焊槍與工件的距離和角度等及語(yǔ)音提示幫助操作人員校正操作姿勢(shì)和手法，輔助指導(dǎo)培訓(xùn)過程與應(yīng)用。提供多種虛擬的焊接環(huán)境，同時(shí)根據(jù)客戶需求定制專屬的焊接場(chǎng)景。

對(duì)相應(yīng)焊槍的功能特性及主要應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了文字形說(shuō)明，同時(shí)通過視頻形式展示了模擬操作方式。使理論知識(shí)體系和焊接任務(wù)體系在訓(xùn)練過程中更加人性化的融合起來(lái)。具有焊接電流、電壓、焊絲直徑、氣體流量等參數(shù)調(diào)節(jié)功能。虛擬焊板上生成的焊疤狀、魚鱗狀與真實(shí)的焊疤相符。生成的焊跡能夠表現(xiàn)出熔化過程和冷卻過程，并伴隨相應(yīng)的光學(xué)效果?？蛇x擇不同厚度，不同母材、不同種類焊接接頭，如對(duì)接平焊焊板、對(duì)接橫焊焊板、角接接頭、立焊焊板、仰焊焊板、管管對(duì)接以及管板對(duì)接接頭。配合3D立體視覺頭盔，訓(xùn)練者可以更加真實(shí)的看到焊接過程的3D場(chǎng)景，以及實(shí)時(shí)的火花飛濺和熔滴效果。同時(shí)系統(tǒng)可以追蹤頭部姿態(tài)控制主視角和主畫面，讓操作人員獲得身臨其境的感受，沉浸在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，真正融入訓(xùn)練過程。提供多種虛擬焊接試板包括平板拼接、T型接頭、坡口板拼接、管板拼接、管管拼接等。

2.4 虛擬制造焊接技術(shù)項(xiàng)目技術(shù)指標(biāo)

在具體的訓(xùn)練過程中要求訓(xùn)練人員掌握正確的模擬頭盔與模擬焊接試件等操作技術(shù)，具體表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。模擬頭盔。操作者佩戴后可以在視覺中看到：體驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、焊槍、焊條、焊絲、焊接試件、焊接電弧、焊接熔池。模擬焊接試件。模擬焊接試件應(yīng)滿足組成各種輸變電鐵塔焊接接頭，并符合空間位置的要求。模擬焊槍。模擬焊槍應(yīng)與實(shí)際焊槍外形、尺寸及重量接近。操作者抓握模擬焊槍，在模擬焊接試件上做出與實(shí)際焊接接近的仿真模擬焊接動(dòng)作。

模擬焊接外顯示器。模擬焊接外顯示器是同步顯示操作者訓(xùn)練時(shí)佩戴的模擬焊接頭盔的立體視覺圖像，應(yīng)滿足同步、一致的要求。模擬焊接軟件。模擬焊接軟件是在上述4個(gè)模擬焊接硬件中運(yùn)行的程序。在訓(xùn)練過程中，操作者在立體視覺里清晰地觀察到：電弧引燃前，模擬焊接試件、模擬焊槍以及二者的空間距離隨著模擬動(dòng)作而變化；電弧引燃后，電弧燃燒情況、焊接熔池的狀態(tài)變化隨著焊槍的動(dòng)作而變化；電弧熄滅后，隨著不同的操作動(dòng)作得到的逼真的焊縫影像；全過程中，存在一個(gè)仿真教師作為向?qū)?，示范最佳的焊槍姿態(tài)包括焊接速度、焊槍與工件距離和角度等。訓(xùn)練過程中，模擬焊接外顯示器的圖像與訓(xùn)練者視覺始終保持同步。

3 結(jié)束語(yǔ)

虛擬仿真焊接訓(xùn)練相比較真實(shí)的焊接，虛擬仿真的培訓(xùn)時(shí)間更短，效率更高。通過訓(xùn)練養(yǎng)成好的習(xí)慣同時(shí)養(yǎng)成肌肉記憶，虛擬防護(hù)培訓(xùn)浸入感強(qiáng)，容易激發(fā)操作人員的興趣，增強(qiáng)安全系數(shù)的同時(shí)不耽誤一線的生產(chǎn)任務(wù)，污染減少，節(jié)約成本降低浪費(fèi)，減少試板、電、焊材等的消耗，提高人身安全，規(guī)避焊接安全風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)，相較傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式更加系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫的實(shí)時(shí)評(píng)估，提高焊接訓(xùn)練的實(shí)際作用。在輸變電鐵塔項(xiàng)目開發(fā)中具有重要的應(yīng)用空間。

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