淺談焊接仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)組成及功能

郭石宇

摘要：焊接是一項(xiàng)對(duì)過程要求很高的工作，焊接操作過程中需要焊工有扎實(shí)的操作手法、規(guī)范的動(dòng)作。而在焊接培訓(xùn)過程中傳統(tǒng)方式存在以下多種問題：消耗大量的焊條（絲）、焊件和保護(hù)氣體等材料;對(duì)學(xué)員的培訓(xùn)過程難以準(zhǔn)確掌握;培訓(xùn)過程環(huán)境污染嚴(yán)重，有害健康。因此焊接仿真實(shí)訓(xùn)設(shè)備在焊工培訓(xùn)中得到了普遍應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：焊接仿真;焊接水平;培訓(xùn)周期

本文以捷安高科公司生產(chǎn)的JVR-WD3000型虛擬焊接綜合仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)用為例進(jìn)行介紹。該系統(tǒng)采用傳感器技術(shù)、人體工程學(xué)技術(shù)、3D仿真技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，與傳統(tǒng)的焊接技藝教學(xué)有機(jī)的融合在一起，實(shí)現(xiàn)了靈活、高效、安全、節(jié)約、綠色無污染的虛擬焊接培訓(xùn)教學(xué)與考核新方案，是危險(xiǎn)作業(yè)的最佳教學(xué)方法。

通過虛擬焊接實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，學(xué)員不僅僅可以獲得與傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)相同的操作經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)通過系統(tǒng)內(nèi)置的數(shù)據(jù)采集、智能專家輔助模塊和量化考核評(píng)價(jià)系統(tǒng)等一系列先進(jìn)獨(dú)特的教學(xué)功能，配合合理明晰的焊接知識(shí)穿插講解，使學(xué)員可以獲得在傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐過程中難以量化的精確焊接培訓(xùn)指導(dǎo)，大幅度提升學(xué)員在培訓(xùn)過程中的方向性和目的性，有效縮短學(xué)員的培訓(xùn)周期，降低教師的教學(xué)負(fù)擔(dān)，達(dá)到以低成本、低投入實(shí)現(xiàn)“精教、精學(xué)、精煉”的焊接培訓(xùn)機(jī)制。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)分布式架構(gòu)，一個(gè)完整的虛擬焊接培訓(xùn)系統(tǒng)包含以下幾個(gè)重要子系統(tǒng)：數(shù)據(jù)服務(wù)器子系統(tǒng)，教師管理機(jī)子系統(tǒng)，觀摩子系統(tǒng)，虛擬焊接實(shí)訓(xùn)設(shè)備子系統(tǒng)若干。各子系統(tǒng)通過無線或有線局域網(wǎng)系統(tǒng)連接在一起，進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)傳輸和交換。

1.1 數(shù)據(jù)服務(wù)器子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)服務(wù)器主要用于存儲(chǔ)和管理教師數(shù)據(jù)、學(xué)生數(shù)據(jù)以及完成在實(shí)訓(xùn)過程中教師機(jī)、學(xué)員訓(xùn)練設(shè)備的登錄、注冊以及信息交換等功能，是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的中樞。

1.2 教師管理機(jī)子系統(tǒng)

教師管理機(jī)子系統(tǒng)主要用于在實(shí)訓(xùn)過程中由教師使用以設(shè)計(jì)和安排學(xué)員的實(shí)訓(xùn)任務(wù)和課程。教師可以通過教師管理機(jī)子系統(tǒng)管理學(xué)員的信息和成績，設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)任務(wù)和課程，安排訓(xùn)練和考核等。

1.3 虛擬焊接實(shí)訓(xùn)設(shè)備子系統(tǒng)

虛擬焊接實(shí)訓(xùn)設(shè)備子系統(tǒng)是學(xué)員進(jìn)行焊接實(shí)訓(xùn)訓(xùn)練的主要操作設(shè)備。虛擬焊接設(shè)備由多功能焊接工作臺(tái)、主設(shè)備柜、觸摸式交互屏、電焊鉗（槍）、移動(dòng)視景設(shè)備等組成。虛擬焊接設(shè)備可以根據(jù)需要配置若干臺(tái)。

學(xué)員在演練時(shí)，通過主設(shè)備柜上方的觸摸式交互屏進(jìn)行演練任務(wù)選擇、焊機(jī)參數(shù)設(shè)定后，可以佩帶移動(dòng)視景設(shè)備并手握焊槍進(jìn)行焊接演練，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)采集學(xué)員操作姿態(tài)并根據(jù)焊接數(shù)值模擬技術(shù)實(shí)時(shí)的通過移動(dòng)視景設(shè)備在學(xué)員視野內(nèi)呈現(xiàn)焊接過程中的各種焊接現(xiàn)象，如：火花飛濺、電弧閃爍、焊縫的生成與冷卻等。通過對(duì)焊接過程的逼真模擬，學(xué)員可以像操作真實(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。學(xué)員演練結(jié)束后，系統(tǒng)可自動(dòng)生成任務(wù)報(bào)告，對(duì)學(xué)員的操作進(jìn)行綜合評(píng)估打分。

2 系統(tǒng)功能及特點(diǎn)

該系統(tǒng)以《電焊工技術(shù)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》為培訓(xùn)方案藍(lán)本，采用循序漸進(jìn)、逐步引導(dǎo)、量身定制的教育指導(dǎo)方針，立足于院校級(jí)焊接培訓(xùn)教育模式，為焊接培訓(xùn)提供綜合的焊工培養(yǎng)體系。

2.1 具有完善的教研體系管理方案，可以完成日常的訓(xùn)練和考核

系統(tǒng)不僅可以以專業(yè)、教研室為單位對(duì)教師進(jìn)行管理，同時(shí)也可以以年級(jí)、班級(jí)為單位對(duì)學(xué)生以及成績進(jìn)行管理。教師可以利用該系統(tǒng)針對(duì)不同年級(jí)、不同級(jí)別的學(xué)員制定一系列任務(wù)、課程以及教學(xué)實(shí)訓(xùn)計(jì)劃，為不同年級(jí)和技能標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)生量身定制具有針對(duì)性的焊接實(shí)訓(xùn)方案。系統(tǒng)具有訓(xùn)練及考核功能，能夠方便的進(jìn)行課程組織和焊接任務(wù)設(shè)置?？荚嚱Y(jié)果考完即刻生成，學(xué)員賬號(hào)、成績管理方便，可長期保存，并可以進(jìn)行任意的查詢、打印。

2.2 精確量化的焊接評(píng)價(jià)系統(tǒng)

精確的評(píng)價(jià)才能產(chǎn)生精確的學(xué)習(xí)行為。系統(tǒng)采用了世界上先進(jìn)的電磁傳感器設(shè)備對(duì)學(xué)員的焊接過程進(jìn)行精確細(xì)致的量化，能有效的評(píng)測學(xué)員焊接過程中的操作錯(cuò)誤和焊接過程的穩(wěn)定性等重要指標(biāo)，促進(jìn)學(xué)員對(duì)焊接實(shí)訓(xùn)的精益學(xué)習(xí)，也有利于教師評(píng)價(jià)和選拔優(yōu)秀的焊接學(xué)員。

2.3 高度逼真的焊接過程仿真模擬

系統(tǒng)配備真實(shí)的焊槍裝置并采用高逼真、高精度的焊接過程模擬技術(shù)，對(duì)焊接過程進(jìn)行了高度逼真的模擬。通過傳感器技術(shù)，可以采集學(xué)員操作信息，系統(tǒng)根據(jù)操作信息自動(dòng)進(jìn)行焊接過程模擬并在視野中顯示焊接飛濺、弧光閃爍、焊縫的生成和冷卻等逼真效果。根據(jù)工藝參數(shù)和學(xué)員的操作手法等焊接因素不同，焊接缺陷自動(dòng)定性生成：氣孔、咬邊、裂紋等。配合立體渲染技術(shù)（視景3D效果），讓學(xué)員可以對(duì)焊接過程達(dá)到身臨其境的感覺，有效增長焊接的技能和經(jīng)驗(yàn)。

2.4 貼身、及時(shí)的“教練”

學(xué)員在演練過程中，可以開啟“幫助模式”。在幫助模式下，系統(tǒng)會(huì)對(duì)學(xué)員的操作姿態(tài)進(jìn)行精確量化，并根據(jù)最佳操作姿態(tài)給出圖形和聲音提示，能顯示焊接時(shí)間功能，焊接過程中場景實(shí)時(shí)顯示焊槍的工作角度、移動(dòng)角度和噴嘴高度（干伸長度、電弧長度）等信息，能讓學(xué)員準(zhǔn)確了解自己焊接一塊標(biāo)準(zhǔn)工件的時(shí)間，并及時(shí)提醒學(xué)員糾正演練過程中的錯(cuò)誤，為學(xué)員提供及時(shí)正確的指導(dǎo)，為學(xué)員的實(shí)訓(xùn)提供明確的方向，有效提升了學(xué)員的實(shí)訓(xùn)效率。訓(xùn)練完成后，學(xué)員可以回放整個(gè)演練過程，回顧演練過程中的操作重點(diǎn)。該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，學(xué)員在演練過程中，教師可以在教師機(jī)上實(shí)時(shí)監(jiān)控任一學(xué)員的操作狀態(tài)，及時(shí)觀察和指導(dǎo)學(xué)員完成焊接演練。

3 結(jié)束語

焊接仿真實(shí)訓(xùn)設(shè)備可以模擬手工電弧焊、氬弧焊、二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，縮短焊工培訓(xùn)周期、量化與記錄焊接操作過程、精確評(píng)價(jià)焊接水平、降低培訓(xùn)成本。在焊工培訓(xùn)中發(fā)揮了重要，應(yīng)用前景非常廣泛。