淺談焊接仿真實訓系統組成及功能

郭石宇

摘要：焊接是一項對過程要求很高的工作，焊接操作過程中需要焊工有扎實的操作手法、規范的動作。而在焊接培訓過程中傳統方式存在以下多種問題：消耗大量的焊條（絲）、焊件和保護氣體等材料;對學員的培訓過程難以準確掌握;培訓過程環境污染嚴重，有害健康。因此焊接仿真實訓設備在焊工培訓中得到了普遍應用。

關鍵詞：焊接仿真;焊接水平;培訓周期

本文以捷安高科公司生產的JVR-WD3000型虛擬焊接綜合仿真實訓系統應用為例進行介紹。該系統采用傳感器技術、人體工程學技術、3D仿真技術等先進技術，與傳統的焊接技藝教學有機的融合在一起，實現了靈活、高效、安全、節約、綠色無污染的虛擬焊接培訓教學與考核新方案，是危險作業的最佳教學方法。

通過虛擬焊接實訓系統，學員不僅僅可以獲得與傳統實訓相同的操作經驗。同時通過系統內置的數據采集、智能專家輔助模塊和量化考核評價系統等一系列先進獨特的教學功能，配合合理明晰的焊接知識穿插講解，使學員可以獲得在傳統教學實踐過程中難以量化的精確焊接培訓指導，大幅度提升學員在培訓過程中的方向性和目的性，有效縮短學員的培訓周期，降低教師的教學負擔，達到以低成本、低投入實現“精教、精學、精煉”的焊接培訓機制。

1 系統架構

系統采用網絡分布式架構，一個完整的虛擬焊接培訓系統包含以下幾個重要子系統：數據服務器子系統，教師管理機子系統，觀摩子系統，虛擬焊接實訓設備子系統若干。各子系統通過無線或有線局域網系統連接在一起，進行必要的數據傳輸和交換。

1.1 數據服務器子系統

數據服務器主要用于存儲和管理教師數據、學生數據以及完成在實訓過程中教師機、學員訓練設備的登錄、注冊以及信息交換等功能，是整個系統運行的中樞。

1.2 教師管理機子系統

教師管理機子系統主要用于在實訓過程中由教師使用以設計和安排學員的實訓任務和課程。教師可以通過教師管理機子系統管理學員的信息和成績，設計實訓任務和課程，安排訓練和考核等。

1.3 虛擬焊接實訓設備子系統

虛擬焊接實訓設備子系統是學員進行焊接實訓訓練的主要操作設備。虛擬焊接設備由多功能焊接工作臺、主設備柜、觸摸式交互屏、電焊鉗（槍）、移動視景設備等組成。虛擬焊接設備可以根據需要配置若干臺。

學員在演練時，通過主設備柜上方的觸摸式交互屏進行演練任務選擇、焊機參數設定后，可以佩帶移動視景設備并手握焊槍進行焊接演練，系統會自動采集學員操作姿態并根據焊接數值模擬技術實時的通過移動視景設備在學員視野內呈現焊接過程中的各種焊接現象，如：火花飛濺、電弧閃爍、焊縫的生成與冷卻等。通過對焊接過程的逼真模擬，學員可以像操作真實焊接設備一樣獲取焊接操作的實際經驗和技能。學員演練結束后，系統可自動生成任務報告，對學員的操作進行綜合評估打分。

2 系統功能及特點

該系統以《電焊工技術等級標準》為培訓方案藍本，采用循序漸進、逐步引導、量身定制的教育指導方針，立足于院校級焊接培訓教育模式，為焊接培訓提供綜合的焊工培養體系。

2.1 具有完善的教研體系管理方案，可以完成日常的訓練和考核

系統不僅可以以專業、教研室為單位對教師進行管理，同時也可以以年級、班級為單位對學生以及成績進行管理。教師可以利用該系統針對不同年級、不同級別的學員制定一系列任務、課程以及教學實訓計劃，為不同年級和技能標準的學生量身定制具有針對性的焊接實訓方案。系統具有訓練及考核功能，能夠方便的進行課程組織和焊接任務設置。考試結果考完即刻生成，學員賬號、成績管理方便，可長期保存，并可以進行任意的查詢、打印。

2.2 精確量化的焊接評價系統

精確的評價才能產生精確的學習行為。系統采用了世界上先進的電磁傳感器設備對學員的焊接過程進行精確細致的量化，能有效的評測學員焊接過程中的操作錯誤和焊接過程的穩定性等重要指標，促進學員對焊接實訓的精益學習，也有利于教師評價和選拔優秀的焊接學員。

2.3 高度逼真的焊接過程仿真模擬

系統配備真實的焊槍裝置并采用高逼真、高精度的焊接過程模擬技術，對焊接過程進行了高度逼真的模擬。通過傳感器技術，可以采集學員操作信息，系統根據操作信息自動進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。根據工藝參數和學員的操作手法等焊接因素不同，焊接缺陷自動定性生成：氣孔、咬邊、裂紋等。配合立體渲染技術（視景3D效果），讓學員可以對焊接過程達到身臨其境的感覺，有效增長焊接的技能和經驗。

2.4 貼身、及時的“教練”

學員在演練過程中，可以開啟“幫助模式”。在幫助模式下，系統會對學員的操作姿態進行精確量化，并根據最佳操作姿態給出圖形和聲音提示，能顯示焊接時間功能，焊接過程中場景實時顯示焊槍的工作角度、移動角度和噴嘴高度（干伸長度、電弧長度）等信息，能讓學員準確了解自己焊接一塊標準工件的時間，并及時提醒學員糾正演練過程中的錯誤，為學員提供及時正確的指導，為學員的實訓提供明確的方向，有效提升了學員的實訓效率。訓練完成后，學員可以回放整個演練過程，回顧演練過程中的操作重點。該系統具有實時監控功能，學員在演練過程中，教師可以在教師機上實時監控任一學員的操作狀態，及時觀察和指導學員完成焊接演練。

3 結束語

焊接仿真實訓設備可以模擬手工電弧焊、氬弧焊、二氧化碳氣體保護焊，縮短焊工培訓周期、量化與記錄焊接操作過程、精確評價焊接水平、降低培訓成本。在焊工培訓中發揮了重要，應用前景非常廣泛。