基于虛擬現實的仿真焊接培訓系統研究

宋金虎

（山東交通職業學院，山東濰坊261206）

0 前言

傳統焊接培訓不僅消耗大量培訓材料、污染環境、有害身體健康，同時由于環境的限制，使教員在新焊工培訓過程中無法及時地對學員的動作進行規范，只能根據焊接后的焊縫情況分析指導學員的操作，培訓效果不甚理想。基于虛擬現實的焊接仿真模擬不同的焊接方法在不同焊接工藝參數下的焊縫成形過程，采用仿真焊接培訓系統教學具有節省培訓成本及培訓時間、增強培訓管理、提高培訓效果、改善培訓環境等優點，為學員提供了一種有益的學習手段，加快學習進程，是對傳統焊接教學活動的必要補充[1]。

1 仿真焊接培訓系統的設計要求

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

（2）為有經驗的訓練者提供高訓練平臺，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，訓練者可以從中學到要點并能簡便有效地將這些焊接技能轉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練系統。

（5）適用于新一代焊接人員的培訓和焊接就業教育，在一般的培訓教室即可進行培訓工作。

2 仿真焊接培訓系統設計

基于虛擬現實的仿真焊接培訓系統根據不同的焊接工藝參數模擬不同的焊接方法對焊件進行焊接加工，產生不同的焊縫形狀從而使焊縫成形。讓受訓者在高度仿真的模擬環境下進行焊接技能的高效訓練，感受到真實的焊接過程。系統提供多種不同的工件形式選擇，以便受訓者可以練習不同的焊縫形式和焊接位置。仿真焊接培訓系統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、仿真訓練功能模塊、訓練結果評估模塊[2]。

當受訓者進行訓練時，系統中的各個傳感器將獲得的各個焊槍實時參數反饋給控制中心，控制中心對數據進行處理分析，并在顯示裝置和音響上顯示相應的焊接畫面和焊接聲音。仿真焊接培訓系統原理如圖1所示。

圖1 仿真焊接培訓系統原理

3 仿真焊接培訓系統的結構

基于虛擬現實的仿真焊接培訓系統包括模擬焊槍、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；光學端部上的兩個二極管激光燈產生兩束互成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、各種轉接線及適配器等，屬虛擬現實頭戴顯示器設備，利用仿真技術、計算機圖形學人機接口技術、多媒體技術傳感技術與網絡技術等多種技術集合的產品，是借助計算機及最新傳感器技術創造的一種嶄新的人機交互手段。

圖2 仿真焊接培訓系統結構示意

焊接平臺為靈活調節的工作臺，將模擬焊板固定在工作臺上，適應焊接受訓者的多種作業姿態。

控制主機為仿真焊接培訓系統的軟硬件控制中心。

4 工作原理

模擬焊槍通過捕捉VR（虛擬現實技術）焊槍與焊板的相對位置和旋轉角度，轉換到虛擬場景中，現實中焊槍焊接的時刻和虛擬現實中的是一一對應的。捕捉到焊槍的位置和旋轉以后，通過焊槍模塊轉換為unity里可用的數據格式，賦值給焊槍模型。焊槍模型與現實中的焊槍按照1∶1比例制作。

仿真焊接培訓系統工作時，通過VR焊槍獲取位置和旋轉角度，通過矩陣運算轉化為三維模型的位置和旋轉角度，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。仿真系統結構如圖3所示。

數據輸入模塊主要負責將焊接工藝參數和焊槍運動參數狀態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對工件、焊槍等焊接仿真環境進行靜態幾何建模,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的核心，它主要探尋焊接工藝、焊槍運動狀態參數和焊縫橫截面幾何參數之間的關系。

圖3 仿真焊接培訓系統仿真系統結構

仿真結果輸出模塊包括評價系統模塊和其他功能子模塊，負責實時監測仿真狀態，輸出動態仿真結果，分析、評價仿真過程數據。

5 應用系統設計

系統控制流程如圖4所示。界面設計流程如圖5所示。

圖4 系統控制流程

圖5 界面設計流程

6 應用效果

基于虛擬現實的仿真焊接培訓系統自動采集操作姿態，受訓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，像操作真實焊接設備一樣獲取焊接操作的實際經驗和技能。CO2氣體保護焊虛擬顯示效果如圖6所示[5]。

7 結論

圖6 CO2氣體保護焊虛擬顯示效果

基于虛擬現實的仿真焊接培訓系統替代真實焊接系統，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模擬，無需消耗焊件焊材、無強電磁污染、無化學光學污染、節能環保[6]。方便學習與操作，使受訓者在虛擬現實中完成多種焊接技能培訓，使受訓者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。