呂林 楊吟野 梁毅 田雙 姚冰 蔡亞慶

摘 要：虛擬焊接是計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，在不需要耗材和特殊場(chǎng)地要求情況下就可以完成整個(gè)焊接實(shí)訓(xùn)的仿真過程，通過計(jì)算機(jī)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析給出相應(yīng)的焊接質(zhì)量評(píng)估報(bào)告，因此對(duì)高校焊接實(shí)訓(xùn)顯得尤為重要。高校應(yīng)充分利用現(xiàn)代仿真技術(shù)，使虛擬焊接與實(shí)操結(jié)合起來，進(jìn)一步提升學(xué)生的焊接技巧，從虛擬仿真中找感覺，萌創(chuàng)新，做到理論、實(shí)踐和創(chuàng)新三位一體的教學(xué)模式。同時(shí)，虛擬焊接技術(shù)的引入可降低耗材成本，減少環(huán)境污染。

關(guān)鍵詞：虛擬焊接技術(shù)；焊接實(shí)訓(xùn)；金工實(shí)訓(xùn)

中圖分類號(hào)：G420文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：Virtual welding can truly simulate the welding process in the absence of welding materials and sites， with the development of computer simulation technology. It shows an irreplaceable advantage in traditional welding training courses. Virtual welding should be full used of the modern simulation technology to improve students' welding skills in colleges and universities， combining with practical welding. At the same time， the introduction of virtual welding technology can reduce the cost of consumables and reduce environmental pollution.

Key word：Virtual welding technology； Welding training； Metalworking practice

1 緒論

焊接是加工制造業(yè)中重要生產(chǎn)工藝，隨著加工制造業(yè)的不斷發(fā)展，使得焊接質(zhì)量要求越來越高，焊接質(zhì)量好壞除了與焊接技術(shù)人員操作水平有關(guān)，對(duì)工藝設(shè)計(jì)也至關(guān)重要，如焊接方式的選擇和焊縫坡口的設(shè)計(jì)等[1，2]。目前，多數(shù)高校機(jī)械類專業(yè)設(shè)置了焊接實(shí)訓(xùn)課程，使學(xué)生理論教學(xué)與實(shí)踐結(jié)合，增強(qiáng)學(xué)生的理解和實(shí)操能力。但是，傳統(tǒng)的焊接教學(xué)模式在實(shí)操前只是進(jìn)行了理論基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)和安全通識(shí)教育，學(xué)生在不具備一定程度的實(shí)操技能時(shí)，很難掌握焊接操作技巧和根據(jù)零件來設(shè)置焊接參數(shù)，需要指導(dǎo)教師“手把手”進(jìn)行實(shí)訓(xùn)教學(xué)，加上焊接過程具有一定危險(xiǎn)性，對(duì)指導(dǎo)教師依附性較大，因此在師資配置比上要求較高。傳統(tǒng)的焊接實(shí)訓(xùn)是通過檢驗(yàn)焊接后的產(chǎn)品來判斷質(zhì)量的好壞，是根據(jù)焊接產(chǎn)品所出現(xiàn)的問題提出改進(jìn)方案，要提高焊接技術(shù)需要不斷對(duì)同一物件進(jìn)行多次焊接訓(xùn)練，這使得重復(fù)操作次數(shù)增加，同時(shí)增加了學(xué)生的實(shí)踐操作時(shí)間，勞動(dòng)強(qiáng)度較大，增加了耗材成本[3，4]。由于焊接具有一定危險(xiǎn)性，焊接時(shí)要求學(xué)生佩戴防護(hù)眼鏡、手套等安全設(shè)施，但是通過實(shí)訓(xùn)發(fā)現(xiàn)，由于部分學(xué)生防護(hù)眼鏡佩戴不規(guī)范，或因不便于觀察焊接過程而未佩戴防護(hù)眼鏡導(dǎo)致眼部灼傷的，未佩戴手套導(dǎo)致手部燙傷等安全事故常有發(fā)生，甚至有學(xué)生因受傷對(duì)焊接實(shí)訓(xùn)課程產(chǎn)生畏懼，使得課程很難順利進(jìn)行。本文通過分析貴州民族大學(xué)焊接實(shí)訓(xùn)室建設(shè)，簡(jiǎn)單論述虛擬焊接技術(shù)在高校焊接實(shí)訓(xùn)中的必要性。

2 虛擬焊接技術(shù)應(yīng)用分析

目前，貴州省內(nèi)高校焊接實(shí)訓(xùn)的教學(xué)模式是完成理論知識(shí)學(xué)習(xí)和安全教育后，學(xué)生直接進(jìn)行實(shí)操訓(xùn)練。但是由于焊接是一門實(shí)踐操作較強(qiáng)的實(shí)訓(xùn)課程，需要反復(fù)訓(xùn)練，而學(xué)生在實(shí)訓(xùn)前基本是處于零基礎(chǔ)狀態(tài)，未能較好掌握設(shè)備操作和使用，學(xué)校需要提供足夠資金保證設(shè)備的正常運(yùn)行和提供足量的使用耗材 [3]，這不但增加了學(xué)校實(shí)驗(yàn)室維持費(fèi)用而且加大了實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，在計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)高度發(fā)展的今天，高校應(yīng)該積極引入現(xiàn)代高新技術(shù)到實(shí)訓(xùn)課程中來，而且學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)較為感興趣，通過引入虛擬焊接技術(shù)，以學(xué)生興趣為導(dǎo)向來推動(dòng)焊接實(shí)訓(xùn)課程，把現(xiàn)代虛擬仿真技術(shù)與焊接實(shí)訓(xùn)結(jié)合起來，既要做到“真實(shí)”實(shí)訓(xùn)效果，又要達(dá)到節(jié)約實(shí)訓(xùn)成本，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，減少環(huán)境污染的目的。

2.1 虛擬焊接技術(shù)

虛擬焊接技術(shù)是在虛擬計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，引入了焊機(jī)硬件設(shè)施，在焊鉗上布置傳感器，通過仿真主控系統(tǒng)和位置追蹤系統(tǒng)，將焊接演練過程中焊槍的位置、移動(dòng)速度、角度、焊接手法等信號(hào)進(jìn)行采集處理，在虛擬計(jì)算機(jī)上設(shè)置相應(yīng)工藝參數(shù)，通過計(jì)算機(jī)模擬生成虛擬焊縫，分析焊機(jī)設(shè)置的參數(shù)和焊鉗輸入?yún)?shù)而造成的質(zhì)量缺陷[5-8]。分析完成后，系統(tǒng)通過焊鉗，3D立體視覺頭盔和揚(yáng)聲器等輸出設(shè)備，將焊接的動(dòng)作、焊接聲音及焊接手感反饋給學(xué)生，使學(xué)生感受到較為真實(shí)的焊接過程，從而促進(jìn)焊接技能向?qū)嶋H工況焊接的有效轉(zhuǎn)換。另外，虛擬仿真系統(tǒng)可把焊條電弧焊、CO2氣體保護(hù)焊模，氬弧焊等多種焊接方式集成一體，可開設(shè)多種焊接類型的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，解決了高校焊接設(shè)備單一化的缺點(diǎn)。由于虛擬焊接無真實(shí)焊接過程，不需要特定的焊接場(chǎng)地和實(shí)訓(xùn)耗材，無安全隱患，高?？蛇M(jìn)行大規(guī)模實(shí)訓(xùn)教學(xué)，同時(shí)也減少了環(huán)境的污染。

2.2 虛擬焊接課程設(shè)計(jì)-以貴州民族大學(xué)焊接實(shí)訓(xùn)教學(xué)規(guī)劃為例

利用虛擬焊接技術(shù)的靈活、高效、安全、節(jié)約、綠色無污染優(yōu)點(diǎn)，使傳統(tǒng)焊接與模擬培訓(xùn)教學(xué)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐之間的過度，提高學(xué)生實(shí)訓(xùn)效率和質(zhì)量，做到與時(shí)俱進(jìn)，充分利用現(xiàn)代高新技術(shù)來提高傳統(tǒng)教學(xué)質(zhì)量。因此，高校焊接實(shí)訓(xùn)課程引入虛擬焊接仿真技術(shù)是非常重要的。

上圖是我校規(guī)劃建設(shè)的焊接實(shí)訓(xùn)課程流程圖，學(xué)生在完成理論教學(xué)和安全教育后，首先對(duì)焊接構(gòu)建進(jìn)行化學(xué)成分，力學(xué)性能和焊接特性進(jìn)行分析，確定焊接方式和焊接坡口的設(shè)計(jì)，由于焊條電弧焊操作相對(duì)簡(jiǎn)單，適用面廣，學(xué)生首次實(shí)訓(xùn)時(shí)建議采用普通焊條電弧焊，在虛擬焊接設(shè)備選擇焊鉗和焊條，設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，學(xué)生通過焊鉗輸入起焊位置，移動(dòng)速度，角度等信號(hào)，模擬器分析后將視覺效果、操作手感及焊接音效反饋給學(xué)生。在焊接演練過程中，學(xué)生觀察到焊接電弧以及焊液從生成-流動(dòng)-冷卻的整個(gè)過程，完成操作后，模擬器會(huì)根據(jù)設(shè)置的參數(shù)和操作生成焊接質(zhì)量報(bào)告，可以分析焊接過程中出現(xiàn)的問題，比如電流設(shè)置，移動(dòng)速度，焊鉗角度等因素的影響，如果焊接質(zhì)量未達(dá)到要求，根據(jù)報(bào)告可以修正參數(shù)重新進(jìn)行實(shí)訓(xùn)，這不但減低了耗材成本，也減少環(huán)境的污染，且無安全隱患，同時(shí)也提高學(xué)生實(shí)訓(xùn)的積極性。

完成虛擬實(shí)訓(xùn)后，學(xué)生根據(jù)模擬操作過程進(jìn)行實(shí)操，在具有一定操作基礎(chǔ)條件下進(jìn)行實(shí)操焊接，讓理論知識(shí)逐步運(yùn)用到實(shí)踐中來，通過產(chǎn)品與模擬結(jié)果對(duì)比，利用模擬技術(shù)來量化焊接指標(biāo)，進(jìn)一步分析出現(xiàn)的問題并提供解決方案。

3 結(jié)語

焊接實(shí)訓(xùn)是高校金工實(shí)訓(xùn)體系中的重要組成部分，焊接在具有一定理論知識(shí)前提下，還需要較強(qiáng)的操作能力和技巧，而且焊接教學(xué)中具有一定的危險(xiǎn)性，高校在建設(shè)焊接實(shí)訓(xùn)室時(shí)不但面臨學(xué)生培養(yǎng)體系和師資隊(duì)伍的建設(shè)，還必須考慮到實(shí)訓(xùn)教學(xué)中學(xué)生安全問題。這導(dǎo)致了傳統(tǒng)的焊接實(shí)訓(xùn)體系上存在很多不足，如實(shí)訓(xùn)室設(shè)備數(shù)量不足和設(shè)備類型單一、師資隊(duì)伍建設(shè)不足、實(shí)驗(yàn)室維持費(fèi)用不夠、環(huán)境污染等問題。在引入虛擬焊接技術(shù)后，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來模擬焊接過程，解決了傳焊接實(shí)訓(xùn)中的問題。學(xué)生通過虛擬焊接設(shè)備訓(xùn)練基礎(chǔ)能力和焊接技巧，實(shí)訓(xùn)模式是以學(xué)生興趣為導(dǎo)向，從而提高焊接實(shí)訓(xùn)的教學(xué)質(zhì)量。

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