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，同時由于環(huán)境的限制，使教員在新焊工培訓(xùn)過程中無法及時地對學(xué)員的動作進行規(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)時間、增強培訓(xùn)管理、提高培訓(xùn)效果、改善培訓(xùn)環(huán)境等優(yōu)點，為學(xué)員提供了一種有益的學(xué)習(xí)手段，加快學(xué)習(xí)進程，是對傳統(tǒng)焊接教學(xué)活動的必要補充[1]。

1 仿真焊接培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計要求

（1）能讓學(xué)員在高度仿真的模擬環(huán)境下進行焊接技能的高效訓(xùn)練，使訓(xùn)練者感受到真實的焊接過程，可以有效地與周圍真實的環(huán)境進行互動。

（2）為有經(jīng)驗的訓(xùn)練者提供高訓(xùn)練平臺，通過視覺、聽覺和觸覺來操作完成一個好的焊縫。

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

（4）能夠提供焊條電弧焊、CO2氣體保護焊、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)教室即可進行培訓(xùn)工作。

2 仿真焊接培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計

基于虛擬現(xiàn)實的仿真焊接培訓(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焊件進行焊接加工，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)境下進行焊接技能的高效訓(xùn)練，感受到真實的焊接過程。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、控制主機等，軟件包含示教功能模塊、仿真訓(xùn)練功能模塊、訓(xùn)練結(jié)果評估模塊[2]。

當受訓(xùn)者進行訓(xùn)練時，系統(tǒng)中的各個傳感器將獲得的各個焊槍實時參數(shù)反饋給控制中心，控制中心對數(shù)據(jù)進行處理分析，并在顯示裝置和音響上顯示相應(yīng)的焊接畫面和焊接聲音。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、控制主機等，如圖2所示。

模擬焊槍主要包括微電機、箱體、支撐軸、光學(xué)端部、把柄、傳感器以及焊條（絲）等。微電機帶動與之緊配合的橡皮輪轉(zhuǎn)動，通過橡皮輪帶動焊條來回移動模擬電弧焊過程中焊條（絲）的進給過程；光學(xué)端部上的兩個二極管激光燈產(chǎn)生兩束互成45°的光線，通過與傾角傳感器的配合以及對模擬焊板上兩光點的坐標測定可以完成對弧長的精確測量[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)接線及適配器等，屬虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器設(shè)備，利用仿真技術(shù)、計算機圖形學(xué)人機接口技術(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，是借助計算機及最新傳感器技術(shù)創(chuàng)造的一種嶄新的人機交互手段。

圖2 仿真焊接培訓(xùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

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

控制主機為仿真焊接培訓(xùn)系統(tǒng)的軟硬件控制中心。

4 工作原理

模擬焊槍通過捕捉VR（虛擬現(xiàn)實技術(shù)）焊槍與焊板的相對位置和旋轉(zhuǎn)角度，轉(zhuǎn)換到虛擬場景中，現(xiàn)實中焊槍焊接的時刻和虛擬現(xiàn)實中的是一一對應(yīng)的。捕捉到焊槍的位置和旋轉(zhuǎn)以后，通過焊槍模塊轉(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，通過VR焊槍獲取位置和旋轉(zhuǎn)角度，通過矩陣運算轉(zhuǎn)化為三維模型的位置和旋轉(zhuǎn)角度，然后通過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)輸入模塊主要負責(zé)將焊接工藝參數(shù)和焊槍運動參數(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責(zé)對工件、焊槍等焊接仿真環(huán)境進行靜態(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、焊槍運動狀態(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)果輸出模塊包括評價系統(tǒng)模塊和其他功能子模塊，負責(zé)實時監(jiān)測仿真狀態(tài)，輸出動態(tài)仿真結(jié)果，分析、評價仿真過程數(shù)據(jù)。

5 應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)控制流程如圖4所示。界面設(shè)計流程如圖5所示。

圖4 系統(tǒng)控制流程

圖5 界面設(shè)計流程

6 應(yīng)用效果

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

7 結(jié)論

圖6 CO2氣體保護焊虛擬顯示效果

基于虛擬現(xiàn)實的仿真焊接培訓(xùn)系統(tǒng)替代真實焊接系統(tǒng)，能夠提供焊條電弧焊、CO2氣體保護焊和氬弧焊不同情景、不同型材和角度的實訓(xùn)模擬，無需消耗焊件焊材、無強電磁污染、無化學(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)實中完成多種焊接技能培訓(xùn)，使受訓(xùn)者可以像操作真實焊接設(shè)備一樣獲取焊接操作的實際經(jīng)驗和技能。