摘要：為解決壓力容器焊接生產(chǎn)過程學(xué)習(xí)與培訓(xùn)的問題，設(shè)計(jì)了虛擬臥式壓力容器焊接生產(chǎn)線，采用3D Max建模軟件構(gòu)建了焊接操作機(jī)、滾輪架等設(shè)備、工具的三維模型，采用Unity3D設(shè)計(jì)了操作界面，用C#語言開發(fā)了操作流程，實(shí)現(xiàn)了與虛擬模型的交互。所設(shè)計(jì)的虛擬生產(chǎn)線包括下料、筒節(jié)成形、縱縫焊接、環(huán)縫焊接等9個(gè)工位，可以進(jìn)行下料、焊前準(zhǔn)備、縱縫焊接、環(huán)縫焊接等多項(xiàng)工藝的虛擬操作。所設(shè)計(jì)的虛擬生產(chǎn)線可以實(shí)現(xiàn)壓力容器焊接的互動(dòng)式教學(xué)，為大專院校虛擬試驗(yàn)教學(xué)和企業(yè)新員工虛擬實(shí)操培訓(xùn)提供了新的方案。

關(guān)鍵詞：壓力容器； 生產(chǎn)線； 虛擬焊接； 設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TG 408

Design of virtual welding production line for horizontal pressure vessels

Liu Aiguo

（Shenyang Ligong University， Shenyang 110159， Liaoning， China）

Abstract： In order to solve problems of learning and training in welding process of pressure vessels， a virtual welding production line for horizontal pressure vessels was designed.3D Max was used to construct 3D models of welding manipulator， roller carriage and other equipment and tools. The user interface was designed with Unity3D， and operation process was developed in C # language， achieving interaction with virtual model. The designed virtual production line consisted of nine workstations， including cutting， cylinder section forming， welding of longitudinal seam and circumferential seam， which could perform virtual operations for multiple processes such as cutting， pre-welding preparation， welding of longitudinal seam and circumferential seam. The designed virtual production line could achieve interactive teaching of pressure vessel welding， providing a new solution for virtual experimental teaching in universities and virtual practical training for new employees in enterprises.

Key words： pressure vessels; production line; virtual welding; design

0前言

壓力容器的制造是一個(gè)以焊接加工為核心的多工藝、長流程的復(fù)雜過程[1-2]。焊接質(zhì)量的高低直接關(guān)系到壓力容器的安全使用，而各個(gè)工藝環(huán)節(jié)都對(duì)焊接質(zhì)量有著直接或間接的影響[3-4]。盡管在高校學(xué)習(xí)階段會(huì)有相關(guān)課程對(duì)壓力容器的制造工藝進(jìn)行介紹，但制造過程的復(fù)雜性決定了在高校試驗(yàn)室進(jìn)行壓力容器焊接生產(chǎn)線的復(fù)制是沒有可能的，學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)僅能來自于走馬觀花式的認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)，導(dǎo)致畢業(yè)后從事相關(guān)工作時(shí)對(duì)生產(chǎn)線缺乏整體認(rèn)識(shí)，甚至有些技術(shù)人員在工作若干年后仍然對(duì)各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)之間的關(guān)系和相互影響不甚了了，嚴(yán)重影響生產(chǎn)線整體水平的提高，增大了壓力容器生產(chǎn)產(chǎn)生質(zhì)量問題的概率。如何在高校教學(xué)中更好地開展壓力容器焊接生產(chǎn)線實(shí)踐實(shí)訓(xùn)教學(xué)，是一個(gè)迫切需要解決的問題。

虛擬仿真是利用計(jì)算機(jī)硬件和軟件對(duì)真實(shí)世界中特定場景進(jìn)行模擬，讓使用者產(chǎn)生和處于真實(shí)場景中相類似的體驗(yàn)的過程[5]。近年來，虛擬仿真被大量應(yīng)用于高等院校的實(shí)踐類教學(xué)中，取得了非常好的教學(xué)效果[6-7]。對(duì)于在試驗(yàn)室中難以復(fù)制的多工藝環(huán)節(jié)復(fù)雜生產(chǎn)過程，虛擬仿真無疑是相關(guān)教學(xué)的最優(yōu)選擇。余劍等學(xué)者[8]設(shè)計(jì)了基于組態(tài)王的PLC電鍍生產(chǎn)線仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，運(yùn)用到教學(xué)實(shí)踐，成功實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)仿真監(jiān)控電鍍生產(chǎn)線生產(chǎn)的運(yùn)行過程，取得了較好的教學(xué)效果。朱力杰等學(xué)者[9]開發(fā)了虛擬酸奶生產(chǎn)線，解決了實(shí)踐教學(xué)成本高、資源受限、過程走馬觀花等一系列問題，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)習(xí)效率，提高了學(xué)生的創(chuàng)造性和動(dòng)手能力。高德等學(xué)者[10]為了解決吹灌旋一體灌裝生產(chǎn)線存在高速、高值、高危等隱患而不能開展試驗(yàn)的問題，運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)開發(fā)設(shè)計(jì)了飲料吹灌旋一體灌裝工藝及生產(chǎn)線虛擬仿真試驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。邱會(huì)東等學(xué)者[11]為解決現(xiàn)代化化工生產(chǎn)工藝流程復(fù)雜、生產(chǎn)過程連續(xù)不可逆，而且存在高溫高壓、易燃易爆、有毒有害、腐蝕性與環(huán)境污染等危險(xiǎn)性，導(dǎo)致學(xué)生在企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場無法親自動(dòng)手操作的問題，開發(fā)建設(shè)了“丙烯酸甲酯生產(chǎn)工藝—化工過程及裝備全流程半實(shí)物仿真生產(chǎn)線”。仿真生產(chǎn)線由硬件、軟件2大部分構(gòu)成，硬件部分按照實(shí)際化工生產(chǎn)線設(shè)計(jì)成10個(gè)單元，每個(gè)單元中包括１個(gè)主體設(shè)備，在金屬框架上安裝按實(shí)物比例縮小的不銹鋼主體流程設(shè)備模型。軟件部分包括半實(shí)物仿真生產(chǎn)線模擬監(jiān)控系統(tǒng)、化學(xué)反應(yīng)工藝仿真軟件、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)仿真、實(shí)訓(xùn)評(píng)價(jià)與管理系統(tǒng)、智能實(shí)時(shí)故障診斷軟件等。

虛擬技術(shù)不僅可以讓使用者在和計(jì)算機(jī)的交互過程中產(chǎn)生和在真實(shí)環(huán)境中相類似的體驗(yàn)，甚至可以完成真實(shí)環(huán)境中無法實(shí)現(xiàn)的操作，如試錯(cuò)操作，從而使學(xué)習(xí)者獲得更大的收獲。該文設(shè)計(jì)了一條虛擬臥式壓力容器焊接生產(chǎn)線，構(gòu)建工件、焊接設(shè)備、工具的三維模型，設(shè)計(jì)操作界面，開發(fā)操作流程，實(shí)現(xiàn)與虛擬模型的交互。所設(shè)計(jì)的虛擬生產(chǎn)線可以實(shí)現(xiàn)壓力容器焊接的互動(dòng)式教學(xué)，為大專院校虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)和企業(yè)新員工虛擬實(shí)操培訓(xùn)提供新的方案。

1焊接生產(chǎn)線總體設(shè)計(jì)

1件臥式壓力容器產(chǎn)品的生產(chǎn)過程是原材料按照一定的生產(chǎn)工藝流程，經(jīng)過各個(gè)不同工位，進(jìn)行加工操作變成最終產(chǎn)品的過程。臥式壓力容器焊接生產(chǎn)線就是執(zhí)行這一生產(chǎn)過程的工藝流程、工位、操作環(huán)節(jié)的有機(jī)組合。1個(gè)虛擬臥式壓力容器焊接生產(chǎn)線，就是要采用計(jì)算機(jī)硬件、軟件模擬出這一生產(chǎn)過程，也就是要在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)臥式壓力容器焊接生產(chǎn)過程的工藝流程、工位、操作環(huán)節(jié)的有機(jī)組合。虛擬臥式壓力容器焊接生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)任務(wù)包括：生產(chǎn)工藝流程設(shè)計(jì)、虛擬工位建模、操作界面設(shè)計(jì)、操作流程設(shè)計(jì)。

不同壓力容器生產(chǎn)企業(yè)中真實(shí)的生產(chǎn)線會(huì)因所生產(chǎn)的產(chǎn)品不同而有所不同，但典型的工位是基本類似的。文中要開發(fā)的是1個(gè)虛擬臥式壓力容器焊接生產(chǎn)線，因此，對(duì)多個(gè)特定壓力容器產(chǎn)品生產(chǎn)線進(jìn)行了共性分析，在選擇典型工位的基礎(chǔ)上對(duì)生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行了簡化。設(shè)計(jì)的虛擬臥式壓力容器焊接生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

盡管進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕?，虛擬臥式壓力容器焊接生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)仍然多達(dá)十幾個(gè)。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，出于控制占地面積和減少設(shè)備投資的需要，在不影響生產(chǎn)效率的前提下，有一些工藝環(huán)節(jié)是可以在同一個(gè)工位按順序完成的，如環(huán)縫打底焊、環(huán)縫焊接及其之前的裝配定位、焊前處理（圖1中進(jìn)行了簡化省略），都可以在同一個(gè)工位完成。因此，虛擬臥式壓力容器焊接生產(chǎn)線需要建設(shè)的工位數(shù)少于工藝環(huán)節(jié)數(shù)。需要建設(shè)的工位包括：下料工位、筒節(jié)成形工位、封頭成形工位、坡口加工及開孔工位、縱縫焊接工位、環(huán)縫焊接工位、人孔接管焊接工位、無損檢測工位、壓力試驗(yàn)工位。

具體操作流程如下：首先，在下料工位進(jìn)行原材料檢驗(yàn)、劃線、火焰切割下料；然后，在成筒節(jié)成形工位進(jìn)行筒體的卷制，在封頭成形工位進(jìn)行封頭的旋壓；在坡口加工及開孔工位采用火焰切割開坡口、開孔；加工完成后將筒節(jié)轉(zhuǎn)移到縱縫焊接工位進(jìn)行焊前處理，去除坡口附近母材表面的油、水、銹和氧化皮，采用TIG進(jìn)行縱縫打底焊；打底焊完成后，用埋弧焊機(jī)進(jìn)行縱縫焊接，形成筒節(jié)部件；將要連接到一起的各個(gè)筒節(jié)及封頭全部轉(zhuǎn)移到環(huán)縫焊接工位進(jìn)行裝配，對(duì)環(huán)焊縫坡口附近母材表面進(jìn)行除油、除水、除銹、去氧化皮處理，然后用焊條電弧焊進(jìn)行點(diǎn)固定位；用TIG進(jìn)行環(huán)焊縫打底焊，打底完成后，用埋弧焊機(jī)進(jìn)行環(huán)焊縫焊接；最后將焊接完成的筒體轉(zhuǎn)移到人孔接管焊接工位，用焊接機(jī)器人進(jìn)行人孔、接管的焊接。焊接完成后，壓力容器轉(zhuǎn)移到無損檢測工位進(jìn)行X射線探傷和超聲探傷；最后在壓力試驗(yàn)工位進(jìn)行水壓試驗(yàn)。虛擬臥式壓力容器焊接生產(chǎn)線總體設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

2焊接生產(chǎn)線典型工位開發(fā)

虛擬臥式壓力容器焊接生產(chǎn)線上有多個(gè)虛擬工位要開發(fā)，其開發(fā)流程基本相似。文中選取縱縫焊接工位作為代表進(jìn)行說明。虛擬工位的開發(fā)分為3個(gè)步驟：①設(shè)備、工具、部件建模；②操作界面設(shè)計(jì)；③操作流程設(shè)計(jì)。

2.1縱縫焊接工位建模

縱縫焊接工位要完成多個(gè)工藝環(huán)節(jié)的加工操作，涉及大量的設(shè)備、工具、部件。主要設(shè)備有：TIG焊機(jī)、埋弧焊機(jī)、懸臂梁式TIG操作機(jī)、龍門架式埋弧焊操作機(jī)、滾輪架；主要工具有：角磨機(jī)、氧乙炔槍、電加熱帶等；部件為卷制好的筒節(jié)。通過對(duì)設(shè)備、工具、部件的觀察分析，提取其關(guān)鍵特征，采用3DMax分別進(jìn)行建模。建成的部分模型如圖3所示。將建好的模型導(dǎo)入到Unity3D中使用。

2.2縱縫焊接工位操作界面設(shè)計(jì)

縱縫焊接工位操作界面包括焊前處理操作界面、縱縫打底焊操作界面、縱縫焊接操作界面。這些界面都采用Unity3D設(shè)計(jì)完成。

進(jìn)入焊前處理操作界面，界面上顯示安放就位的筒節(jié)部件及可選擇使用的焊前處理工具，為簡便起見，所有操作都以按鈕的形式顯示在屏幕下方，通過采用鼠標(biāo)點(diǎn)擊按鈕的方式進(jìn)行操作。操作按鈕包括：“操作步驟提示”、“除水、除油”、“除銹、去氧化皮”、“預(yù)熱”。

焊前處理完成后，將進(jìn)入縱縫打底焊操作界面，界面上除了安放就位的筒節(jié)部件，還顯示有TIG焊機(jī)、滾輪架和懸臂梁式TIG操作機(jī)。操作按鈕包括：“系統(tǒng)上電”、“啟動(dòng)冷卻水泵”、“設(shè)定焊接參數(shù)”、“焊縫就位”、“焊槍就位”、“焊接”、“收弧”。

打底焊完成后，將進(jìn)入縱縫焊接操作界面，如圖4所示。界面上顯示筒節(jié)部件、滾輪架和焊接操作機(jī)等。操作按鈕包括：“系統(tǒng)上電”、“設(shè)定焊接參數(shù)”、“焊槍就位”、“焊接”、“收弧”。

各個(gè)按鈕和控制模型部件動(dòng)作的程序相關(guān)聯(lián)。如果操作者按正確步驟點(diǎn)擊按鈕進(jìn)行操作，系統(tǒng)將執(zhí)行相應(yīng)程序，顯示相應(yīng)的操作動(dòng)作，并完成操作過程，如點(diǎn)擊“焊接”按鈕后，焊槍將開始行走，完成焊接過程；如果操作者操作步驟不正確，系統(tǒng)將給出錯(cuò)誤提示信息。如果需要學(xué)習(xí)正確的操作過程，可以點(diǎn)擊“操作步驟提示”按鈕，系統(tǒng)將顯示幫助信息。控制程序用C#語言編寫。

2.3縱縫焊接工位典型操作流程設(shè)計(jì)

縱縫焊接工位雖然是1個(gè)工位，但需要完成3個(gè)工藝步驟的操作：焊前處理、縱縫打底焊、縱縫焊接。3個(gè)工藝步驟都有一定的操作流程，現(xiàn)以縱縫打底焊為例進(jìn)行說明?？v縫打底焊操作流程如圖5所示。

進(jìn)入縱縫打底焊操作界面后，首先需要點(diǎn)擊“系統(tǒng)上電”按鈕，為打底焊系統(tǒng)供電。在系統(tǒng)上電前點(diǎn)擊其它按鈕將給出錯(cuò)誤提示。系統(tǒng)上電后，即可按隨機(jī)順序點(diǎn)擊“啟動(dòng)冷卻水泵”、“設(shè)定焊接參數(shù)”、“焊縫就位”、“焊槍就位”等幾個(gè)按鈕。其中“焊槍就位”按鈕必須在“焊縫就位”按鈕之后點(diǎn)擊。點(diǎn)擊“啟動(dòng)冷卻水泵”后，冷卻水指示燈亮；點(diǎn)擊“設(shè)定焊接參數(shù)”按鈕后，彈出焊接參數(shù)設(shè)定對(duì)話框，進(jìn)行焊接電流、焊接速度設(shè)定；點(diǎn)擊“焊縫就位”按鈕，滾輪架旋轉(zhuǎn)，將待焊坡口調(diào)整到水平位置；點(diǎn)擊“焊槍就位”按鈕，焊接操作機(jī)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)焊槍移動(dòng)到焊縫位置?？v縫焊接過程如圖6所示。所有這些步驟執(zhí)行完以后，才可以點(diǎn)擊“焊接”按鈕開始焊接。焊接完成后，點(diǎn)擊“收弧”按鈕，結(jié)束焊接。

3結(jié)論

文中進(jìn)行了虛擬臥式壓力容器焊接生產(chǎn)線設(shè)計(jì)，開發(fā)了虛擬工位模型，設(shè)計(jì)了操作界面和操作流程。所設(shè)計(jì)的虛擬臥式壓力容器焊接生產(chǎn)線可以實(shí)現(xiàn)壓力容器焊接生產(chǎn)的互動(dòng)式教學(xué)，既可用于大專院校虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也可以進(jìn)行企業(yè)新員工培訓(xùn)。

參考文獻(xiàn)

［1］翟偉國， 鄧光平， 侯發(fā)臣.壓力容器用Monel-400/16MnⅢ復(fù)合板制造過程中的焊接試驗(yàn)研究[J].焊接， 2019（7）：60-64.

［2］李云福， 房務(wù)農(nóng)， 李振華.對(duì)改善焊接接頭力學(xué)性能熱處理的見解［J］.焊接， 2021（7）：48-52， 64.

［3］馬雯波， 蔡青， 鄧?yán)颥?爆炸復(fù)合板壓力容器徑向裂紋的無損檢測及其安全性分析［J］.焊接學(xué)報(bào)， 2018， 39（10）：54-60.

［4］薛永盛， 劉鵬鵬， 姬輝， 等.在役球形儲(chǔ)罐的焊接缺陷評(píng)定及驗(yàn)證性［J］.焊接， 2022（8）：59-64.

［5］肖珺， 溫濤， 陳樹君， 等.面向虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)協(xié)作焊接系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制策略［J］.焊接， 2019（11）：13-20.

［6］郁鑫， 王立揚(yáng)， 趙貝貝， 等.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)——以液態(tài)成形為例［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索， 2021， 40（12）：216-221.

［7］董桂偉， 趙國群， 王桂龍.我國虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展與趨勢(shì)研究——基于近十年中國知網(wǎng)文獻(xiàn)的知識(shí)圖譜分析［J］.中國大學(xué)教學(xué)， 2021（7）：85-92， 96.

［8］余劍， 王剛， 牛綠原， 等.基于組態(tài)王的PLC電鍍生產(chǎn)線仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索， 2017， 36（4）：103-106， 118.

［9］朱力杰， 劉秀英， 于志鵬， 等.虛擬仿真技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)改革中的應(yīng)用——以酸奶生產(chǎn)線為例［J］.食品與發(fā)酵科技， 2020， 56（3）：127-130.

［10］高德， 陸俊杰， 晏祖根， 等.吹灌旋虛擬仿真教學(xué)模式改革與創(chuàng)新實(shí)踐［J］.包裝工程， 2020， 41（S1）：1-5.

［11］邱會(huì)東， 熊偉， 蘇小東， 等.現(xiàn)代化工半實(shí)物仿真生產(chǎn)線實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)與實(shí)踐［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理， 2017， 34（12）：121-124.

收稿日期：2023-02-05

劉愛國簡介：博士，教授；主要從事先進(jìn)焊接技術(shù)、表面強(qiáng)化技術(shù)及相關(guān)過程建模與模擬等方面的研究；已發(fā)表論文40余篇；386370659@qq.com。