基于计算机虚拟制造焊接工艺仿真设计

摘 要：随着计算机技术的快速发展，在制造业中大量运用到了计算机虚拟焊接工艺，在信息系统与制造系统之间构筑了一个有效的沟通桥梁，对传统的制造业发展进行了优化与改进，文章以输变电铁塔开发为例分析了基于计算机虚拟制造焊接工艺仿真设计。

关键词：计算机虚拟制造；焊接工艺；仿真设计

中图分类号：TP391.9 文献标志码：A 文章编号：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

虚拟制造技术的发展是计算机技术快速发展的产物，充分运用计算机模型对产品的性能、功能与可加工性进行充分分析，从而对制造知识进行系统化处理，对所需要处理的制造工程进行全面建模，通过计算机的仿真设计来达到制造活动的良好评估设计，在输变电铁塔开发中具有重要的应用空间。

1 计算机虚拟制造焊接技术

在目前社会的发展过程中计算机技术得到了快速地发展，在产品设计、工艺设计、制造与信息管理等各个领域制作業的发展中都得到了快速地推广与使用。计算机辅助制造焊接技术即CAW能够充分运用计算机进行焊接结构与接头的辅助设计，运用计算机辅助制定焊接工艺计划，并运用计算机管理软件辅助管理焊接工艺过程[1]。

虚拟焊接综合仿真实训系统是新一代环保、节能、通用型操作技能实训与评价平台。本产品采用分布式仿真实训技术、虚拟现实技术、微机测控技术、声音仿真技术及计算机图像实时生成技术。在不需要真实焊机的情况下，通过仿真主控系统、位置追踪系统、声效显示系统和评定系统将焊接演练过程中焊枪的位置、速度、角度、操作信息等进行采集处理，并实时生成虚拟焊缝[2]。

系统将仿真操作设备、实时3D技术及WM-VR渲染引擎相结合，演练过程真实，视觉效果、操作手感与真实一致。在焊接演练的过程中，操作人员能够看到焊接电弧以及焊液从生成、流动到冷却的过程，同时可以听到相应的焊接音效。

焊接工艺的进行需要充分运用到传热、冶金、高温电弧物理与力学等多个层面，是材料加工领域中研究的热点内容，焊接工艺要求在极短的时间内完成，为了促进焊接达到良好的效果，需要建立一个精准的物理模型对焊接过程进行仿真与模拟，与计算机技术进行充分结合能够有效达到这一目的，充分分析焊接过程中的残余应力与热应力反应，以及对结构构件所产生的影响作用，从而对焊接过程进行精确化地控制，最终基于计算机技术的充分运用达到焊接工艺的自动化与可控化发展[3]。

2 计算机虚拟制造焊接技术在输变电铁塔开发中的运用

2.1 目标设置

目前，由于电网建设快速发展，特别是特高压等级电网投入运行，输、变、配电设备和技术发生很大变化。电网铁塔特强钢施工和检修焊接急需培训大量金属技术监督人员，确保电网铁塔焊接质量。在确保培训质量的前提下，降低培训成本、减少培训时间是当前的迫切需要。输变电铁塔模拟焊接软件是通过开发研制包括模拟焊接硬件包括头盔、焊枪、试件、外显示器等、主机、模拟焊接软件、技术文件、使用手册和软件备份等四部分的一整套模拟操作装置，既可实现焊接操作模仿练习中钢材、焊材等物资的零损耗，又可对模仿练习中动作的准确度和稳定度进行科学的评价，从而达到节约培训成本、提高培训效果的目的。

2.2 虚拟制造焊接技术项目内容

输变电铁塔模拟焊接软件是由模拟焊接硬件、模拟焊接软件、使用手册和软件备份四部分组成。模拟焊接硬件又细分成模拟焊接头盔、模拟焊接试件、模拟焊枪、模拟焊接外显示器和主机。

输变电铁塔模拟焊接软件工作原理是：训练者佩戴一个带有立体视觉的头盔，抓握一支带有三维定位功能的模拟焊枪，将模拟焊枪沿着模拟焊接试件组成的焊道作出模拟焊接动作。训练者能在头盔的视觉部分体验到逼真的三维模拟焊接环境，同时模拟焊接软件根据训练者的焊枪动作以及焊枪与模拟焊接试件的距离变化，反馈信号生成不同的数据组建不同的焊接电弧、焊接熔池状态，并将上述状态显示在模拟焊接头盔的视觉部分，于是建立起人机间的“交互式虚拟现实世界”。每个工位需配备真实的焊接设备，且不少于一套原装电焊钳、气保焊枪、焊具组合件等。模拟训练为分级训练模式，分为基础训练、初级训练、中级训练、高级训练考核四个等级。

输变电铁塔模拟焊接软件的仿真模拟焊接过程，具有“沉浸-交互-构想”三个基本特征，以虚拟现实技术创造虚拟环境，特别强调参与者身临其境的沉浸感，同时操作者与虚拟环境之间可以有多维信息交互作用，从定性和定量综合集成的虚拟环境中，可以获得对实习对象的感性和理性的认识。

输变电铁塔模拟焊接软件在训练者训练过程中，存在一个仿真教师作为向导，示范最佳的焊枪动作包括焊接速度，焊枪与工件距离和角度等。因此，通过项目研究可以实现以下目标：提高训练中动作的准确度和稳定度，缩短焊接培训周期；在不消耗钢材和焊材情况下，体验现场环境实际焊接的过程，并掌握操作要领和技术规范，大大降低培训的原材料成本包括试板、气体、焊材等耗材费用；清洁安静的培训环境，提高学习效果，无人身安全风险。

2.3 虚拟制造焊接技术项目方式

焊工安全操作之前需要充分掌握常用焊材的介绍、焊缝符号、焊接方法介绍、焊条、焊丝知识、焊接用气体知识与焊接电源、电流、电压知识等。还包括金属学与热处理知识、金属工艺学、焊接冶金过程、防火与防爆、识图知识与船体建造工艺等。在焊条电弧焊实作中能够进行焊接设备选用与维护、掌握金属熔焊原理与气体保护焊工艺、埋弧焊工艺、气焊与气割实做方式、焊接检验与焊接标准等。

引弧、收弧、能够真实的模拟焊接过程中的各种参数设置，如引弧、收弧、直线运条、直线往返运条、锯齿形运条、月牙形运条、正三角形运条、斜三角形运条、圆形运条的各种手法，并能体验操作手法中的各种力量反馈感，电弧、明暗场、飞溅、焊缝、声效表现逼真，该系统可进行多角度、全位置焊接演练。

采用VR虚拟现实头戴式显示器进行虚拟场景展现，分辨率：单眼：不低于1200×1080、刷新率：不高于90fps、动作可捕捉。空间不少于1.5m×1.3m×2.0m，同时配备Vive VR无线操控手柄与精确的SteamV定位技术配合系统进行焊接操作。回放展厅：记录并回放操作过程，重现操作结果，便于充分分析具体的焊接过程。使得操作人员更加清楚的了解焊接训练当中的问题，有助于提高焊接效率。同时提供不低于5种的模拟实训场景，如港口工况场景、工程机械维修焊接、工厂工况、石油管道焊接、船仓焊接等。通过真实的焊板、焊枪、焊具进行焊接教学，系统采用声音、光、文字等提示内容，并采用标准图形示范包括焊接位置、焊枪角度、焊枪与工件的距离和角度等及语音提示帮助操作人员校正操作姿势和手法，辅助指导培训过程与應用。提供多种虚拟的焊接环境，同时根据客户需求定制专属的焊接场景。

对相应焊枪的功能特性及主要应用领域进行了文字形说明，同时通过视频形式展示了模拟操作方式。使理论知识体系和焊接任务体系在训练过程中更加人性化的融合起来。具有焊接电流、电压、焊丝直径、气体流量等参数调节功能。虚拟焊板上生成的焊疤状、鱼鳞状与真实的焊疤相符。生成的焊迹能够表现出熔化过程和冷却过程，并伴随相应的光学效果。可选择不同厚度，不同母材、不同种类焊接接头，如对接平焊焊板、对接横焊焊板、角接接头、立焊焊板、仰焊焊板、管管对接以及管板对接接头。配合3D立体视觉头盔，训练者可以更加真实的看到焊接过程的3D场景，以及实时的火花飞溅和熔滴效果。同时系统可以追踪头部姿态控制主视角和主画面，让操作人员获得身临其境的感受，沉浸在虚拟现实环境中，真正融入训练过程。提供多种虚拟焊接试板包括平板拼接、T型接头、坡口板拼接、管板拼接、管管拼接等。

2.4 虚拟制造焊接技术项目技术指标

在具体的训练过程中要求训练人员掌握正确的模拟头盔与模拟焊接试件等操作技术，具体表现在以下几点。模拟头盔。操作者佩戴后可以在视觉中看到：体验现场环境、焊枪、焊条、焊丝、焊接试件、焊接电弧、焊接熔池。模拟焊接试件。模拟焊接试件应满足组成各种输变电铁塔焊接接头，并符合空间位置的要求。模拟焊枪。模拟焊枪应与实际焊枪外形、尺寸及重量接近。操作者抓握模拟焊枪，在模拟焊接试件上做出与实际焊接接近的仿真模拟焊接动作。

模拟焊接外显示器。模拟焊接外显示器是同步显示操作者训练时佩戴的模拟焊接头盔的立体视觉图像，应满足同步、一致的要求。模拟焊接软件。模拟焊接软件是在上述4个模拟焊接硬件中运行的程序。在训练过程中，操作者在立体视觉里清晰地观察到：电弧引燃前，模拟焊接试件、模拟焊枪以及二者的空间距离随着模拟动作而变化；电弧引燃后，电弧燃烧情况、焊接熔池的状态变化随着焊枪的动作而变化；电弧熄灭后，随着不同的操作动作得到的逼真的焊缝影像；全过程中，存在一个仿真教师作为向导，示范最佳的焊枪姿态包括焊接速度、焊枪与工件距离和角度等。训练过程中，模拟焊接外显示器的图像与训练者视觉始终保持同步。

3 结束语

虚拟仿真焊接训练相比较真实的焊接，虚拟仿真的培训时间更短，效率更高。通过训练养成好的习惯同时养成肌肉记忆，虚拟防护培训浸入感强，容易激发操作人员的兴趣，增强安全系数的同时不耽误一线的生产任务，污染减少，节约成本降低浪费，减少试板、电、焊材等的消耗，提高人身安全，规避焊接安全风险，实现循序渐进的学习，相较传统的培训方式更加系统，实现对焊缝的实时评估，提高焊接训练的实际作用。在输变电铁塔项目开发中具有重要的应用空间。

参考文献：

[1]尚校.数字化虚拟制造技术助推焊装工艺规划体系发展[J].汽车工业研究，2016（1）：46-48.

[2]王志兵，李杏清.电子SMT虚拟制造技术的研究[J].电子技术与软件工程，2016（11）：140-140.

[3]戴淮初.白车身侧围焊接虚拟制造技术的研究[D].合肥工业大学，2014.