基于虚拟现实的仿真焊接培训系统研究

宋金虎

（山东交通职业学院，山东潍坊261206）

0 前言

传统焊接培训不仅消耗大量培训材料、污染环境、有害身体健康，同时由于环境的限制，使教员在新焊工培训过程中无法及时地对学员的动作进行规范，只能根据焊接后的焊缝情况分析指导学员的操作，培训效果不甚理想。基于虚拟现实的焊接仿真模拟不同的焊接方法在不同焊接工艺参数下的焊缝成形过程，采用仿真焊接培训系统教学具有节省培训成本及培训时间、增强培训管理、提高培训效果、改善培训环境等优点，为学员提供了一种有益的学习手段，加快学习进程，是对传统焊接教学活动的必要补充[1]。

1 仿真焊接培训系统的设计要求

（1）能让学员在高度仿真的模拟环境下进行焊接技能的高效训练，使训练者感受到真实的焊接过程，可以有效地与周围真实的环境进行互动。

（2）为有经验的训练者提供高训练平台，通过视觉、听觉和触觉来操作完成一个好的焊缝。

（3）精确地测量到操作信息，训练者可以从中学到要点并能简便有效地将这些焊接技能转化到实际的焊接工作中。

（4）能够提供焊条电弧焊、CO2气体保护焊、氩弧焊等多种模拟训练系统。

（5）适用于新一代焊接人员的培训和焊接就业教育，在一般的培训教室即可进行培训工作。

2 仿真焊接培训系统设计

基于虚拟现实的仿真焊接培训系统根据不同的焊接工艺参数模拟不同的焊接方法对焊件进行焊接加工，产生不同的焊缝形状从而使焊缝成形。让受训者在高度仿真的模拟环境下进行焊接技能的高效训练，感受到真实的焊接过程。系统提供多种不同的工件形式选择，以便受训者可以练习不同的焊缝形式和焊接位置。仿真焊接培训系统包括硬件和软件部分，硬件包括模拟焊枪、视频眼镜、焊接平台、控制主机等，软件包含示教功能模块、仿真训练功能模块、训练结果评估模块[2]。

当受训者进行训练时，系统中的各个传感器将获得的各个焊枪实时参数反馈给控制中心，控制中心对数据进行处理分析，并在显示装置和音响上显示相应的焊接画面和焊接声音。仿真焊接培训系统原理如图1所示。

图1 仿真焊接培训系统原理

3 仿真焊接培训系统的结构

基于虚拟现实的仿真焊接培训系统包括模拟焊枪、视频眼镜、焊接平台、控制主机等，如图2所示。

模拟焊枪主要包括微电机、箱体、支撑轴、光学端部、把柄、传感器以及焊条（丝）等。微电机带动与之紧配合的橡皮轮转动，通过橡皮轮带动焊条来回移动模拟电弧焊过程中焊条（丝）的进给过程；光学端部上的两个二极管激光灯产生两束互成45°的光线，通过与倾角传感器的配合以及对模拟焊板上两光点的坐标测定可以完成对弧长的精确测量[3]。

视频眼镜为3D视频眼镜，主要包括3D立体头盔、位置追踪摄像头、各种转接线及适配器等，属虚拟现实头戴显示器设备，利用仿真技术、计算机图形学人机接口技术、多媒体技术传感技术与网络技术等多种技术集合的产品，是借助计算机及最新传感器技术创造的一种崭新的人机交互手段。

图2 仿真焊接培训系统结构示意

焊接平台为灵活调节的工作台，将模拟焊板固定在工作台上，适应焊接受训者的多种作业姿态。

控制主机为仿真焊接培训系统的软硬件控制中心。

4 工作原理

模拟焊枪通过捕捉VR（虚拟现实技术）焊枪与焊板的相对位置和旋转角度，转换到虚拟场景中，现实中焊枪焊接的时刻和虚拟现实中的是一一对应的。捕捉到焊枪的位置和旋转以后，通过焊枪模块转换为unity里可用的数据格式，赋值给焊枪模型。焊枪模型与现实中的焊枪按照1∶1比例制作。

仿真焊接培训系统工作时，通过VR焊枪获取位置和旋转角度，通过矩阵运算转化为三维模型的位置和旋转角度，然后通过3D视频眼镜观察焊条是否接触到焊板，控制VR焊枪使其碰到焊板，碰到以后即表示通电生成烧熔的焊缝。仿真系统结构如图3所示。

数据输入模块主要负责将焊接工艺参数和焊枪运动参数状态信息传递给仿真模型模块和仿真引擎模块[4]。

仿真模型模块主要负责对工件、焊枪等焊接仿真环境进行静态几何建模,完成焊缝模拟、烟、光照、火光、阴影、光照等特效3D图形渲染。

焊接仿真引擎是系统的核心，它主要探寻焊接工艺、焊枪运动状态参数和焊缝横截面几何参数之间的关系。

图3 仿真焊接培训系统仿真系统结构

仿真结果输出模块包括评价系统模块和其他功能子模块，负责实时监测仿真状态，输出动态仿真结果，分析、评价仿真过程数据。

5 应用系统设计

系统控制流程如图4所示。界面设计流程如图5所示。

图4 系统控制流程

图5 界面设计流程

6 应用效果

基于虚拟现实的仿真焊接培训系统自动采集操作姿态，受训者可通过视频眼镜观看虚拟焊接场景，能看到焊接过程中的熔弧、火花飞溅、电弧闪烁、焊缝的生成与冷却等过程，使模拟更具沉浸性和逼真性。通过对焊接过程的逼真模拟，像操作真实焊接设备一样获取焊接操作的实际经验和技能。CO2气体保护焊虚拟显示效果如图6所示[5]。

7 结论

图6 CO2气体保护焊虚拟显示效果

基于虚拟现实的仿真焊接培训系统替代真实焊接系统，能够提供焊条电弧焊、CO2气体保护焊和氩弧焊不同情景、不同型材和角度的实训模拟，无需消耗焊件焊材、无强电磁污染、无化学光学污染、节能环保[6]。方便学习与操作，使受训者在虚拟现实中完成多种焊接技能培训，使受训者可以像操作真实焊接设备一样获取焊接操作的实际经验和技能。