淺析虛擬現(xiàn)實焊接設(shè)備在電焊工技能考證培訓(xùn)的應(yīng)用

孫秀春

摘 要：虛擬現(xiàn)實焊接設(shè)備是利用電腦技術(shù)模擬產(chǎn)生一個虛擬的三維世界，它能夠提供給使用者關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者仿佛身臨其境，能夠及時、不加限制地觀察三維空間的事物。采用VR技術(shù)進行教學(xué)能有效促進學(xué)生對知識的理解，激發(fā)學(xué)生對知識學(xué)習(xí)的興趣，進入虛擬的實訓(xùn)環(huán)境中，可以在不損壞設(shè)備和耗材的情況下，提前熟悉實訓(xùn)操作要領(lǐng)，為真實操作做好準(zhǔn)備。本文以虛擬現(xiàn)實焊接設(shè)備在電焊工技能考證中的應(yīng)用情況進行分析和研究，希望通過這樣的分析和研究助力職業(yè)技術(shù)人才的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實焊接設(shè)備 技能培訓(xùn) 人才培養(yǎng)

Analysis of the Application of Virtual Reality Welding Equipment in the Training of Welder Skills

Sun Xiuchun

Abstract：Virtual reality welding equipment is the use of computer technology to simulate a virtual three-dimensional world， which can provide users with simulations of vision， hearing， touch and other senses， making the user feel as if they are on the scene， and observe things in three-dimensional space. Teaching using VR technology can effectively promote students understanding of knowledge， stimulate students interest in knowledge learning. And by entering a virtual training environment， one can familiarize oneself with the essentials of training operations in advance without damaging equipment and consumables， preparing for operation. This article analyzes and researches the application of virtual reality welding equipment in the test of welders' skills， and hopes to help the cultivation of professional technical personnel through such analysis and research.

Key words：virtual reality welding equipment， skill training， talent training

1 電焊工技能培訓(xùn)研究背景

隨著中國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和制造業(yè)的技術(shù)發(fā)展，以及國際貿(mào)易的對接，對焊接人員的技術(shù)技能水平和職業(yè)素養(yǎng)要求更高了，在船舶、軌道交通、鍋爐及承壓容器、建筑鋼結(jié)構(gòu)、管道、電站設(shè)備、工程設(shè)備、軍用裝備等領(lǐng)域表現(xiàn)尤為明顯。在電焊工技能考證培訓(xùn)中，由于時間緊，受培訓(xùn)者能力水平參差不齊，為保證培訓(xùn)效果和提高培訓(xùn)效率，大部分培訓(xùn)部門對教學(xué)方法進行優(yōu)化，合理應(yīng)用現(xiàn)代信息和數(shù)字技術(shù)，將理論與實踐相結(jié)合，將虛擬與現(xiàn)實相結(jié)合，進行培訓(xùn)。虛擬現(xiàn)實焊接設(shè)備是將虛擬現(xiàn)實、計算機圖形學(xué)以及視景仿真等技術(shù)結(jié)合在一起，用于焊接技能訓(xùn)練的新型設(shè)備。虛擬現(xiàn)實焊接設(shè)備致力于在保證全面培訓(xùn)和發(fā)展焊工的各項焊接操作技能的同時，縮短培訓(xùn)時間，降低培訓(xùn)費用、耗材及能源。利用該設(shè)備進行培訓(xùn)可以節(jié)約培訓(xùn)成本，縮短培訓(xùn)時間，消除傳統(tǒng)培訓(xùn)對焊工的身體健康危害，同時還能起到綠色環(huán)保的作用。虛擬現(xiàn)實焊接設(shè)備經(jīng)實際運行測試，系統(tǒng)可以真實的反映操作者的各種焊接操作水平，并且運行穩(wěn)定，模擬場景逼真。

電焊工作為焊接生產(chǎn)的主要執(zhí)行者，他們的操作水平和熟練程度將直接影響到焊接質(zhì)量和焊接結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，甚至可以說電焊工的職業(yè)素養(yǎng)和技能在一定程度上決定著焊接技術(shù)的發(fā)展，尤其是面對日益復(fù)雜的焊接環(huán)境和層出不窮的新型材料，如何培養(yǎng)出符合現(xiàn)代工業(yè)要求的焊接技術(shù)人員已經(jīng)成為焊接培訓(xùn)部門在當(dāng)前的新課題。

2 電焊工技能培訓(xùn)當(dāng)前存在的問題和改進

焊接培訓(xùn)作為焊接人才的培養(yǎng)手段，目前大部分企業(yè)依然是采用傳統(tǒng)的培訓(xùn)方法，這種師傅帶徒弟的方法，造成材料和能源消耗大，危險系數(shù)高，環(huán)境污染嚴(yán)重，傷身體，培訓(xùn)費用高，知識更新慢，在一定程度上已不能適應(yīng)新型焊接技術(shù)的發(fā)展速度;對于從來沒有接觸過焊接，對焊接缺乏基本認(rèn)識，又沒有一點安全意識的新人，會存在較大的安全性問題，不敢讓他直接操作，需要先觀察和領(lǐng)悟，達到一定程度后才允許進行實際焊接。目前焊接技能培訓(xùn)的受訓(xùn)者能力和崗位都不一樣，培訓(xùn)前的摸底對于培訓(xùn)老師有一定的難度，況且比較耗時，需要較大的人力和物力。實操焊接培訓(xùn)不便于邊操作邊講解，因為弧光、噪聲、煙塵較大，受訓(xùn)學(xué)員較多的話，場地和人員監(jiān)控要求較高，各方面的投入較大。應(yīng)用高效、低成本、綠色環(huán)保、安全且具有良好技術(shù)更新性能的焊接培訓(xùn)設(shè)備，對于提高焊接培訓(xùn)質(zhì)量和焊接操作者的素質(zhì)，促進焊接技術(shù)的信息化和機械化，以及提高電焊工培訓(xùn)的積極性和自信心，都具有著重要的意義。

虛擬現(xiàn)實焊接設(shè)備能夠提供電焊工的所有培訓(xùn)功能，況且在虛擬現(xiàn)實焊接設(shè)備上進行焊接操作練習(xí)過程中，無須消耗任何焊接材料，可以看到實時的焊接場景，聽到焊接聲音，看到焊接火花和煙塵，一切都比較逼真。虛擬現(xiàn)實焊接設(shè)備為電焊工培訓(xùn)人員提供盡可能真實的焊接感受，從而為其進一步提升焊接技能打下良好的基礎(chǔ)。此外虛擬現(xiàn)實焊接設(shè)備有配套的焊接評價軟件和系統(tǒng)可以方便用戶了解操作規(guī)范以及自己的不足，學(xué)習(xí)系統(tǒng)和考試系統(tǒng)方便用戶隨時對焊接理論知識進行查詢和測試，該系統(tǒng)目前可以完成對學(xué)員各種焊接的訓(xùn)練。學(xué)員采用虛擬現(xiàn)實焊接設(shè)備訓(xùn)練，既學(xué)到了正確的焊接理論知識和實際操作要領(lǐng)，也激發(fā)了學(xué)習(xí)的積極性。將焊工評定、學(xué)習(xí)輔助功能集成在培訓(xùn)系統(tǒng)中，通過生動的畫面將焊接標(biāo)準(zhǔn)同焊工實際施焊動作進行對比并打分，既可以讓電焊工看到自己的缺點和差距，又可以讓他們看到自己應(yīng)該努力的方向和目標(biāo)。在焊接培訓(xùn)過程中，電焊工根據(jù)看到的熔池和焊縫來調(diào)整焊接操作。因此虛擬現(xiàn)實焊接設(shè)備場景中熔池焊縫的模擬越接近真實越有利于焊工的培訓(xùn)。

3 虛擬現(xiàn)實焊接設(shè)備在電焊工技能考證培訓(xùn)的應(yīng)用

3.1 電焊工技能考證培訓(xùn)中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實焊接設(shè)備的必要性

（1）隨著焊接技術(shù)的革新，新設(shè)備、新工藝、新材料的研發(fā)和大量使用，要求電焊工必須通過不斷學(xué)習(xí)，提高自身的理論知識和技術(shù)技能水平。（2）虛擬現(xiàn)實焊接設(shè)備為電焊工的培訓(xùn)提供了一個強有力的集現(xiàn)代化、數(shù)字化、信息化的培訓(xùn)工具，是迅速提高電焊工技能水平的有效方法，是電焊工培訓(xùn)的一個新途徑。（3）電焊工培訓(xùn)的科學(xué)化、規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化、信息化的客觀要求。目前，焊接培訓(xùn)中實踐指導(dǎo)教師一般都是來自基層的電焊工，沒有經(jīng)過正規(guī)系統(tǒng)的專業(yè)理論和技能培訓(xùn)，更談不上懂得教育理論和采用科學(xué)化、規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化、信息化的教學(xué)方法了。

3.2 虛擬現(xiàn)實焊接設(shè)備在電焊工技能考證培訓(xùn)教學(xué)中應(yīng)用的可行性

電焊工技能考證培訓(xùn)技術(shù)含量很高、涉及的理論知識及實際操作技術(shù)比較復(fù)雜，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實焊接設(shè)備就可以解決這些問題，還可以給我們帶來較大的便利。虛擬現(xiàn)實焊接設(shè)備提供足夠豐富的虛擬場景和虛擬資源來滿足學(xué)員開放式學(xué)習(xí)的要求，同時也是對傳統(tǒng)焊接教學(xué)模式的一種補充?；谔摂M現(xiàn)實技術(shù)模擬不同焊接種類的方式再現(xiàn)真實的焊接工藝，讓學(xué)員體驗到真實的焊接過程，避免實際操作中可能出現(xiàn)的安全問題、環(huán)境污染問題、能量和材料浪費問題等，提高學(xué)員對知識的理解、加深對知識的記憶，實時監(jiān)測學(xué)員并修正學(xué)員的操作問題，提高學(xué)習(xí)效率，降低實踐成本，使教學(xué)質(zhì)量高于傳統(tǒng)教學(xué)模式的教學(xué)質(zhì)量。

通過VR技術(shù)把焊接難懂的實踐知識更加直觀化、可視化，同時學(xué)員通過VR虛擬焊接設(shè)備不但可以更加真實的感受到整個焊接過程，還可以體驗多種焊接工藝。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)豐富焊接實踐教學(xué)內(nèi)容，將理論知識難點教學(xué)、實踐等技能訓(xùn)練相互結(jié)合起來。另外，虛擬現(xiàn)實焊接設(shè)備可以將焊接檢驗用虛擬現(xiàn)實技術(shù)再現(xiàn)，解決了焊接檢驗過程中難懂的知識以及由于X射線檢測帶來的安全隱患，導(dǎo)致X射線檢測沒辦法開展問題。虛擬現(xiàn)實焊接設(shè)備高度逼真、綠色、安全、零風(fēng)險的實訓(xùn)環(huán)境為師生帶來全新的沉浸式教學(xué)和學(xué)習(xí)體驗，從而最大化地激發(fā)學(xué)生、教師積極性和創(chuàng)造熱情，豐富教學(xué)內(nèi)容，節(jié)約教學(xué)資源等。學(xué)生可以真實感受到焊接過程，焊接溫度場和應(yīng)力場變化，以及在焊接實踐過程中無法觀察到的現(xiàn)象可通過虛擬技術(shù)手段再現(xiàn)。對于加深理論知識有很大的幫助，同時極大提高學(xué)員實踐的積極性，實現(xiàn)科研與教學(xué)相結(jié)合、優(yōu)化實踐教學(xué)的內(nèi)容，提升實踐教學(xué)效果，促進焊接人才培養(yǎng)，教學(xué)改革創(chuàng)新，提升教學(xué)效率與實踐效果。

3.3 虛擬現(xiàn)實焊接設(shè)備在電焊工技能考證培訓(xùn)的應(yīng)用

進行電焊工技能考證培訓(xùn)項目應(yīng)是能系統(tǒng)全面覆蓋各級別層次等級，以便學(xué)員考取他所需考取的等級，所以虛擬現(xiàn)實焊接設(shè)備應(yīng)能涵蓋電焊工技能考證大綱所要求的理論與實際操作兩部分內(nèi)容。具體應(yīng)用如下：

3.3.1 虛擬現(xiàn)實焊接設(shè)備能系統(tǒng)地總結(jié)理論，方便學(xué)員進行學(xué)習(xí)并能進行模擬考試

虛擬現(xiàn)實焊接設(shè)備對電焊工所需理論知識進行了總結(jié)描述，將單調(diào)、枯燥的理論知識放在設(shè)計精美的界面中，同時配合講解，放入到虛擬現(xiàn)實焊接設(shè)備中，使理論知識的學(xué)習(xí)變得輕松、簡單，還可以進行模擬考試。

3.3.2 虛擬現(xiàn)實焊接設(shè)備能觀看實際操作部分的演示視頻，并能進行虛擬焊接和考核評價

將實際操作部分的演示以微課等形式進行分步處理，導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實焊接設(shè)備，并對演示過程提供播放、暫停、停止功能，有利于學(xué)員進行自主學(xué)習(xí);可通過畫中畫技術(shù)展示在焊接過程中焊條的運條方式及焊條傾角變化，使焊工能盡快掌握技術(shù)要點，做到操作規(guī)范化;可通過窗口技術(shù)的運用，在實際操作的演示中設(shè)提示功能，更為詳盡地對實際操作技術(shù)進行描述，使學(xué)員通過多次重復(fù)學(xué)習(xí)掌握技術(shù)要領(lǐng);可用動畫展示實際焊接過程中熔滴送進熔池的位置，使學(xué)員通過反復(fù)觀察、比較，增加對榕滴熔化過程的感性認(rèn)識，從而促進其對實際操作技能培訓(xùn)要點的盡快理解與掌握;制作各種典型焊接缺陷的視頻文件、圖片，使學(xué)員能直觀、形象地認(rèn)識焊接缺陷產(chǎn)生的機理、危害及克服方法，從而減少和防止焊接缺陷的產(chǎn)生;詳細地對焊接過程中應(yīng)注意的安全問題進行直觀演示，增加學(xué)員感性認(rèn)識，引起學(xué)員對安全的重視，防患于未然。還應(yīng)滿足學(xué)員在虛擬現(xiàn)實焊接設(shè)備進行模擬焊接和考核評價，以便學(xué)員盡快找到自己的不足，在實際操作中快速上手，達到考核要求。

3.4 虛擬現(xiàn)實焊接設(shè)備在電焊工技能考證培訓(xùn)應(yīng)用研究總結(jié)

通過虛擬現(xiàn)實焊接設(shè)備在電焊工技能考證培訓(xùn)中的應(yīng)用分析和實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，確實起到了較好的效果，提升了培訓(xùn)質(zhì)量和效率，節(jié)約了成本，降低了風(fēng)險，減少了環(huán)境污染。但在前期投資比較大，適用于大型電焊工技能考證培訓(xùn)機構(gòu)采購使用，只有培訓(xùn)的人員多，平攤下來的成本才會低，所以有一定的局限性。虛擬現(xiàn)實焊接設(shè)備還有較大的優(yōu)化空間，如畫面優(yōu)化，使在模擬焊接時操作者更輕松一點，眼睛沒那么累;頭戴式面罩做輕一點，更適合人體面部結(jié)構(gòu)，這樣人帶著就更舒適;設(shè)備價格降低，培訓(xùn)機構(gòu)更愿意買。

項目基金來源：湖南省教育廳科學(xué)研究項目：基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的汽車焊接實訓(xùn)教學(xué)模式研究，課題編號18C1351、湖南國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級課題：《汽車鈑金與涂裝技術(shù)》理實一體化課程信息化教學(xué)資源庫建設(shè)。課題編號2019YJYBKT09）。

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