浅析虚拟现实焊接设备在电焊工技能考证培训的应用

孙秀春

摘 要：虚拟现实焊接设备是利用电脑技术模拟产生一个虚拟的三维世界，它能够提供给使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者仿佛身临其境，能够及时、不加限制地观察三维空间的事物。采用VR技术进行教学能有效促进学生对知识的理解，激发学生对知识学习的兴趣，进入虚拟的实训环境中，可以在不损坏设备和耗材的情况下，提前熟悉实训操作要领，为真实操作做好准备。本文以虚拟现实焊接设备在电焊工技能考证中的应用情况进行分析和研究，希望通过这样的分析和研究助力职业技术人才的培养。

关键词：虚拟现实焊接设备 技能培训 人才培养

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 電焊工技能培训研究背景

随着中国产业结构的调整和制造业的技术发展，以及国际贸易的对接，对焊接人员的技术技能水平和职业素养要求更高了，在船舶、轨道交通、锅炉及承压容器、建筑钢结构、管道、电站设备、工程设备、军用装备等领域表现尤为明显。在电焊工技能考证培训中，由于时间紧，受培训者能力水平参差不齐，为保证培训效果和提高培训效率，大部分培训部门对教学方法进行优化，合理应用现代信息和数字技术，将理论与实践相结合，将虚拟与现实相结合，进行培训。虚拟现实焊接设备是将虚拟现实、计算机图形学以及视景仿真等技术结合在一起，用于焊接技能训练的新型设备。虚拟现实焊接设备致力于在保证全面培训和发展焊工的各项焊接操作技能的同时，缩短培训时间，降低培训费用、耗材及能源。利用该设备进行培训可以节约培训成本，缩短培训时间，消除传统培训对焊工的身体健康危害，同时还能起到绿色环保的作用。虚拟现实焊接设备经实际运行测试，系统可以真实的反映操作者的各种焊接操作水平，并且运行稳定，模拟场景逼真。

电焊工作为焊接生产的主要执行者，他们的操作水平和熟练程度将直接影响到焊接质量和焊接结构的安全性和可靠性，甚至可以说电焊工的职业素养和技能在一定程度上决定着焊接技术的发展，尤其是面对日益复杂的焊接环境和层出不穷的新型材料，如何培养出符合现代工业要求的焊接技术人员已经成为焊接培训部门在当前的新课题。

2 电焊工技能培训当前存在的问题和改进

焊接培训作为焊接人才的培养手段，目前大部分企业依然是采用传统的培训方法，这种师傅带徒弟的方法，造成材料和能源消耗大，危险系数高，环境污染严重，伤身体，培训费用高，知识更新慢，在一定程度上已不能适应新型焊接技术的发展速度;对于从来没有接触过焊接，对焊接缺乏基本认识，又没有一点安全意识的新人，会存在较大的安全性问题，不敢让他直接操作，需要先观察和领悟，达到一定程度后才允许进行实际焊接。目前焊接技能培训的受训者能力和岗位都不一样，培训前的摸底对于培训老师有一定的难度，况且比较耗时，需要较大的人力和物力。实操焊接培训不便于边操作边讲解，因为弧光、噪声、烟尘较大，受训学员较多的话，场地和人员监控要求较高，各方面的投入较大。应用高效、低成本、绿色环保、安全且具有良好技术更新性能的焊接培训设备，对于提高焊接培训质量和焊接操作者的素质，促进焊接技术的信息化和机械化，以及提高电焊工培训的积极性和自信心，都具有着重要的意义。

虚拟现实焊接设备能够提供电焊工的所有培训功能，况且在虚拟现实焊接设备上进行焊接操作练习过程中，无须消耗任何焊接材料，可以看到实时的焊接场景，听到焊接声音，看到焊接火花和烟尘，一切都比较逼真。虚拟现实焊接设备为电焊工培训人员提供尽可能真实的焊接感受，从而为其进一步提升焊接技能打下良好的基础。此外虚拟现实焊接设备有配套的焊接评价软件和系统可以方便用户了解操作规范以及自己的不足，学习系统和考试系统方便用户随时对焊接理论知识进行查询和测试，该系统目前可以完成对学员各种焊接的训练。学员采用虚拟现实焊接设备训练，既学到了正确的焊接理论知识和实际操作要领，也激发了学习的积极性。将焊工评定、学习辅助功能集成在培训系统中，通过生动的画面将焊接标准同焊工实际施焊动作进行对比并打分，既可以让电焊工看到自己的缺点和差距，又可以让他们看到自己应该努力的方向和目标。在焊接培训过程中，电焊工根据看到的熔池和焊缝来调整焊接操作。因此虚拟现实焊接设备场景中熔池焊缝的模拟越接近真实越有利于焊工的培训。

3 虚拟现实焊接设备在电焊工技能考证培训的应用

3.1 电焊工技能考证培训中应用虚拟现实焊接设备的必要性

（1）随着焊接技术的革新，新设备、新工艺、新材料的研发和大量使用，要求电焊工必须通过不断学习，提高自身的理论知识和技术技能水平。（2）虚拟现实焊接设备为电焊工的培训提供了一个强有力的集现代化、数字化、信息化的培训工具，是迅速提高电焊工技能水平的有效方法，是电焊工培训的一个新途径。（3）电焊工培训的科学化、规范化、标准化、数字化、信息化的客观要求。目前，焊接培训中实践指导教师一般都是来自基层的电焊工，没有经过正规系统的专业理论和技能培训，更谈不上懂得教育理论和采用科学化、规范化、标准化、数字化、信息化的教学方法了。

3.2 虚拟现实焊接设备在电焊工技能考证培训教学中应用的可行性

电焊工技能考证培训技术含量很高、涉及的理论知识及实际操作技术比较复杂，应用虚拟现实焊接设备就可以解决这些问题，还可以给我们带来较大的便利。虚拟现实焊接设备提供足够丰富的虚拟场景和虚拟资源来满足学员开放式学习的要求，同时也是对传统焊接教学模式的一种补充。基于虚拟现实技术模拟不同焊接种类的方式再现真实的焊接工艺，让学员体验到真实的焊接过程，避免实际操作中可能出现的安全问题、环境污染问题、能量和材料浪费问题等，提高学员对知识的理解、加深对知识的记忆，实时监测学员并修正学员的操作问题，提高学习效率，降低实践成本，使教学质量高于传统教学模式的教学质量。

通过VR技术把焊接难懂的实践知识更加直观化、可视化，同时学员通过VR虚拟焊接设备不但可以更加真实的感受到整个焊接过程，还可以体验多种焊接工艺。利用虚拟现实技术丰富焊接实践教学内容，将理论知识难点教学、实践等技能训练相互结合起来。另外，虚拟现实焊接设备可以将焊接检验用虚拟现实技术再现，解决了焊接检验过程中难懂的知识以及由于X射线检测带来的安全隐患，导致X射线检测没办法开展问题。虚拟现实焊接设备高度逼真、绿色、安全、零风险的实训环境为师生带来全新的沉浸式教学和学习体验，从而最大化地激发学生、教师积极性和创造热情，丰富教学内容，节约教学资源等。学生可以真实感受到焊接过程，焊接温度场和应力场变化，以及在焊接实践过程中无法观察到的现象可通过虚拟技术手段再现。对于加深理论知识有很大的帮助，同时极大提高学员实践的积极性，实现科研与教学相结合、优化实践教学的内容，提升实践教学效果，促进焊接人才培养，教学改革创新，提升教学效率与实践效果。

3.3 虚拟现实焊接设备在电焊工技能考证培训的应用

进行电焊工技能考证培训项目应是能系统全面覆盖各级别层次等级，以便学员考取他所需考取的等级，所以虚拟现实焊接设备应能涵盖电焊工技能考证大纲所要求的理论与实际操作两部分内容。具体应用如下：

3.3.1 虚拟现实焊接设备能系统地总结理论，方便学员进行学习并能进行模拟考试

虚拟现实焊接设备对电焊工所需理论知识进行了总结描述，将单调、枯燥的理论知识放在设计精美的界面中，同时配合讲解，放入到虚拟现实焊接设備中，使理论知识的学习变得轻松、简单，还可以进行模拟考试。

3.3.2 虚拟现实焊接设备能观看实际操作部分的演示视频，并能进行虚拟焊接和考核评价

将实际操作部分的演示以微课等形式进行分步处理，导入到虚拟现实焊接设备，并对演示过程提供播放、暂停、停止功能，有利于学员进行自主学习;可通过画中画技术展示在焊接过程中焊条的运条方式及焊条倾角变化，使焊工能尽快掌握技术要点，做到操作规范化;可通过窗口技术的运用，在实际操作的演示中设提示功能，更为详尽地对实际操作技术进行描述，使学员通过多次重复学习掌握技术要领;可用动画展示实际焊接过程中熔滴送进熔池的位置，使学员通过反复观察、比较，增加对榕滴熔化过程的感性认识，从而促进其对实际操作技能培训要点的尽快理解与掌握;制作各种典型焊接缺陷的视频文件、图片，使学员能直观、形象地认识焊接缺陷产生的机理、危害及克服方法，从而减少和防止焊接缺陷的产生;详细地对焊接过程中应注意的安全问题进行直观演示，增加学员感性认识，引起学员对安全的重视，防患于未然。还应满足学员在虚拟现实焊接设备进行模拟焊接和考核评价，以便学员尽快找到自己的不足，在实际操作中快速上手，达到考核要求。

3.4 虚拟现实焊接设备在电焊工技能考证培训应用研究总结

通过虚拟现实焊接设备在电焊工技能考证培训中的应用分析和实地调研发现，确实起到了较好的效果，提升了培训质量和效率，节约了成本，降低了风险，减少了环境污染。但在前期投资比较大，适用于大型电焊工技能考证培训机构采购使用，只有培训的人员多，平摊下来的成本才会低，所以有一定的局限性。虚拟现实焊接设备还有较大的优化空间，如画面优化，使在模拟焊接时操作者更轻松一点，眼睛没那么累;头戴式面罩做轻一点，更适合人体面部结构，这样人带着就更舒适;设备价格降低，培训机构更愿意买。

项目基金来源：湖南省教育厅科学研究项目：基于虚拟现实技术的汽车焊接实训教学模式研究，课题编号18C1351、湖南国防工业职业技术学院院级课题：《汽车钣金与涂装技术》理实一体化课程信息化教学资源库建设。课题编号2019YJYBKT09）。

参考文献：

[1]杜云汉.基于虚拟制造的焊接工艺计算机仿真技术研究[D].南京：南京理工大学，2010.

[2]梁利东，江本赤，贾文友.VR技术在实践教学中的应用研究[J].教育教学论坛，2019，（04）：50-52.

[3]刘明.AR虚拟焊接技术在铝合金车体焊接培训中的应用[R].2019“田心杯”第三届轨道交通先进金属加工技术交流会，2019.