基于計算機虛擬制造焊接工藝仿真設計

何生貴

摘 要：隨著計算機技術的快速發展，在制造業中大量運用到了計算機虛擬焊接工藝，在信息系統與制造系統之間構筑了一個有效的溝通橋梁，對傳統的制造業發展進行了優化與改進，文章以輸變電鐵塔開發為例分析了基于計算機虛擬制造焊接工藝仿真設計。

關鍵詞：計算機虛擬制造；焊接工藝；仿真設計

中圖分類號：TP391.9 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）04-0111-02

Abstract： With the rapid development of computer technology， computer virtual welding technology is widely used in manufacturing industry， which builds an effective bridge between information system and manufacturing system， and optimizes and improves the development of traditional manufacturing industry. Taking the development of transmission and transformation tower as an example， the simulation design of welding process based on computer virtual manufacturing is analyzed in this paper.

Keywords： computer virtual manufacturing； welding process； simulation design

虛擬制造技術的發展是計算機技術快速發展的產物，充分運用計算機模型對產品的性能、功能與可加工性進行充分分析，從而對制造知識進行系統化處理，對所需要處理的制造工程進行全面建模，通過計算機的仿真設計來達到制造活動的良好評估設計，在輸變電鐵塔開發中具有重要的應用空間。

1 計算機虛擬制造焊接技術

在目前社會的發展過程中計算機技術得到了快速地發展，在產品設計、工藝設計、制造與信息管理等各個領域制作業的發展中都得到了快速地推廣與使用。計算機輔助制造焊接技術即CAW能夠充分運用計算機進行焊接結構與接頭的輔助設計，運用計算機輔助制定焊接工藝計劃，并運用計算機管理軟件輔助管理焊接工藝過程[1]。

虛擬焊接綜合仿真實訓系統是新一代環保、節能、通用型操作技能實訓與評價平臺。本產品采用分布式仿真實訓技術、虛擬現實技術、微機測控技術、聲音仿真技術及計算機圖像實時生成技術。在不需要真實焊機的情況下，通過仿真主控系統、位置追蹤系統、聲效顯示系統和評定系統將焊接演練過程中焊槍的位置、速度、角度、操作信息等進行采集處理，并實時生成虛擬焊縫[2]。

系統將仿真操作設備、實時3D技術及WM-VR渲染引擎相結合，演練過程真實，視覺效果、操作手感與真實一致。在焊接演練的過程中，操作人員能夠看到焊接電弧以及焊液從生成、流動到冷卻的過程，同時可以聽到相應的焊接音效。

焊接工藝的進行需要充分運用到傳熱、冶金、高溫電弧物理與力學等多個層面，是材料加工領域中研究的熱點內容，焊接工藝要求在極短的時間內完成，為了促進焊接達到良好的效果，需要建立一個精準的物理模型對焊接過程進行仿真與模擬，與計算機技術進行充分結合能夠有效達到這一目的，充分分析焊接過程中的殘余應力與熱應力反應，以及對結構構件所產生的影響作用，從而對焊接過程進行精確化地控制，最終基于計算機技術的充分運用達到焊接工藝的自動化與可控化發展[3]。

2 計算機虛擬制造焊接技術在輸變電鐵塔開發中的運用

2.1 目標設置

目前，由于電網建設快速發展，特別是特高壓等級電網投入運行，輸、變、配電設備和技術發生很大變化。電網鐵塔特強鋼施工和檢修焊接急需培訓大量金屬技術監督人員，確保電網鐵塔焊接質量。在確保培訓質量的前提下，降低培訓成本、減少培訓時間是當前的迫切需要。輸變電鐵塔模擬焊接軟件是通過開發研制包括模擬焊接硬件包括頭盔、焊槍、試件、外顯示器等、主機、模擬焊接軟件、技術文件、使用手冊和軟件備份等四部分的一整套模擬操作裝置，既可實現焊接操作模仿練習中鋼材、焊材等物資的零損耗，又可對模仿練習中動作的準確度和穩定度進行科學的評價，從而達到節約培訓成本、提高培訓效果的目的。

2.2 虛擬制造焊接技術項目內容

輸變電鐵塔模擬焊接軟件是由模擬焊接硬件、模擬焊接軟件、使用手冊和軟件備份四部分組成。模擬焊接硬件又細分成模擬焊接頭盔、模擬焊接試件、模擬焊槍、模擬焊接外顯示器和主機。

輸變電鐵塔模擬焊接軟件工作原理是：訓練者佩戴一個帶有立體視覺的頭盔，抓握一支帶有三維定位功能的模擬焊槍，將模擬焊槍沿著模擬焊接試件組成的焊道作出模擬焊接動作。訓練者能在頭盔的視覺部分體驗到逼真的三維模擬焊接環境，同時模擬焊接軟件根據訓練者的焊槍動作以及焊槍與模擬焊接試件的距離變化，反饋信號生成不同的數據組建不同的焊接電弧、焊接熔池狀態，并將上述狀態顯示在模擬焊接頭盔的視覺部分，于是建立起人機間的“交互式虛擬現實世界”。每個工位需配備真實的焊接設備，且不少于一套原裝電焊鉗、氣保焊槍、焊具組合件等。模擬訓練為分級訓練模式，分為基礎訓練、初級訓練、中級訓練、高級訓練考核四個等級。

輸變電鐵塔模擬焊接軟件的仿真模擬焊接過程，具有“沉浸-交互-構想”三個基本特征，以虛擬現實技術創造虛擬環境，特別強調參與者身臨其境的沉浸感，同時操作者與虛擬環境之間可以有多維信息交互作用，從定性和定量綜合集成的虛擬環境中，可以獲得對實習對象的感性和理性的認識。

輸變電鐵塔模擬焊接軟件在訓練者訓練過程中，存在一個仿真教師作為向導，示范最佳的焊槍動作包括焊接速度，焊槍與工件距離和角度等。因此，通過項目研究可以實現以下目標：提高訓練中動作的準確度和穩定度，縮短焊接培訓周期；在不消耗鋼材和焊材情況下，體驗現場環境實際焊接的過程，并掌握操作要領和技術規范，大大降低培訓的原材料成本包括試板、氣體、焊材等耗材費用；清潔安靜的培訓環境，提高學習效果，無人身安全風險。

2.3 虛擬制造焊接技術項目方式

焊工安全操作之前需要充分掌握常用焊材的介紹、焊縫符號、焊接方法介紹、焊條、焊絲知識、焊接用氣體知識與焊接電源、電流、電壓知識等。還包括金屬學與熱處理知識、金屬工藝學、焊接冶金過程、防火與防爆、識圖知識與船體建造工藝等。在焊條電弧焊實作中能夠進行焊接設備選用與維護、掌握金屬熔焊原理與氣體保護焊工藝、埋弧焊工藝、氣焊與氣割實做方式、焊接檢驗與焊接標準等。

引弧、收弧、能夠真實的模擬焊接過程中的各種參數設置，如引弧、收弧、直線運條、直線往返運條、鋸齒形運條、月牙形運條、正三角形運條、斜三角形運條、圓形運條的各種手法，并能體驗操作手法中的各種力量反饋感，電弧、明暗場、飛濺、焊縫、聲效表現逼真，該系統可進行多角度、全位置焊接演練。

采用VR虛擬現實頭戴式顯示器進行虛擬場景展現，分辨率：單眼：不低于1200×1080、刷新率：不高于90fps、動作可捕捉。空間不少于1.5m×1.3m×2.0m，同時配備Vive VR無線操控手柄與精確的SteamV定位技術配合系統進行焊接操作。回放展廳：記錄并回放操作過程，重現操作結果，便于充分分析具體的焊接過程。使得操作人員更加清楚的了解焊接訓練當中的問題，有助于提高焊接效率。同時提供不低于5種的模擬實訓場景，如港口工況場景、工程機械維修焊接、工廠工況、石油管道焊接、船倉焊接等。通過真實的焊板、焊槍、焊具進行焊接教學，系統采用聲音、光、文字等提示內容，并采用標準圖形示范包括焊接位置、焊槍角度、焊槍與工件的距離和角度等及語音提示幫助操作人員校正操作姿勢和手法，輔助指導培訓過程與應用。提供多種虛擬的焊接環境，同時根據客戶需求定制專屬的焊接場景。

對相應焊槍的功能特性及主要應用領域進行了文字形說明，同時通過視頻形式展示了模擬操作方式。使理論知識體系和焊接任務體系在訓練過程中更加人性化的融合起來。具有焊接電流、電壓、焊絲直徑、氣體流量等參數調節功能。虛擬焊板上生成的焊疤狀、魚鱗狀與真實的焊疤相符。生成的焊跡能夠表現出熔化過程和冷卻過程，并伴隨相應的光學效果。可選擇不同厚度，不同母材、不同種類焊接接頭，如對接平焊焊板、對接橫焊焊板、角接接頭、立焊焊板、仰焊焊板、管管對接以及管板對接接頭。配合3D立體視覺頭盔，訓練者可以更加真實的看到焊接過程的3D場景，以及實時的火花飛濺和熔滴效果。同時系統可以追蹤頭部姿態控制主視角和主畫面，讓操作人員獲得身臨其境的感受，沉浸在虛擬現實環境中，真正融入訓練過程。提供多種虛擬焊接試板包括平板拼接、T型接頭、坡口板拼接、管板拼接、管管拼接等。

2.4 虛擬制造焊接技術項目技術指標

在具體的訓練過程中要求訓練人員掌握正確的模擬頭盔與模擬焊接試件等操作技術，具體表現在以下幾點。模擬頭盔。操作者佩戴后可以在視覺中看到：體驗現場環境、焊槍、焊條、焊絲、焊接試件、焊接電弧、焊接熔池。模擬焊接試件。模擬焊接試件應滿足組成各種輸變電鐵塔焊接接頭，并符合空間位置的要求。模擬焊槍。模擬焊槍應與實際焊槍外形、尺寸及重量接近。操作者抓握模擬焊槍，在模擬焊接試件上做出與實際焊接接近的仿真模擬焊接動作。

模擬焊接外顯示器。模擬焊接外顯示器是同步顯示操作者訓練時佩戴的模擬焊接頭盔的立體視覺圖像，應滿足同步、一致的要求。模擬焊接軟件。模擬焊接軟件是在上述4個模擬焊接硬件中運行的程序。在訓練過程中，操作者在立體視覺里清晰地觀察到：電弧引燃前，模擬焊接試件、模擬焊槍以及二者的空間距離隨著模擬動作而變化；電弧引燃后，電弧燃燒情況、焊接熔池的狀態變化隨著焊槍的動作而變化；電弧熄滅后，隨著不同的操作動作得到的逼真的焊縫影像；全過程中，存在一個仿真教師作為向導，示范最佳的焊槍姿態包括焊接速度、焊槍與工件距離和角度等。訓練過程中，模擬焊接外顯示器的圖像與訓練者視覺始終保持同步。

3 結束語

虛擬仿真焊接訓練相比較真實的焊接，虛擬仿真的培訓時間更短，效率更高。通過訓練養成好的習慣同時養成肌肉記憶，虛擬防護培訓浸入感強，容易激發操作人員的興趣，增強安全系數的同時不耽誤一線的生產任務，污染減少，節約成本降低浪費，減少試板、電、焊材等的消耗，提高人身安全，規避焊接安全風險，實現循序漸進的學習，相較傳統的培訓方式更加系統，實現對焊縫的實時評估，提高焊接訓練的實際作用。在輸變電鐵塔項目開發中具有重要的應用空間。

參考文獻：

[1]尚校.數字化虛擬制造技術助推焊裝工藝規劃體系發展[J].汽車工業研究，2016（1）：46-48.

[2]王志兵，李杏清.電子SMT虛擬制造技術的研究[J].電子技術與軟件工程，2016（11）：140-140.

[3]戴淮初.白車身側圍焊接虛擬制造技術的研究[D].合肥工業大學，2014.