焊接操作训练模拟器技术方案(纯方案,34页)

焊接操作训练模拟器(双工位)技术方案

1.1 系统概述

气体保护焊模拟训ONEW-360焊接模拟器具备焊条电弧焊模拟训练系统、CO

2

练系统、氩弧焊模拟训练系统、机器人焊接。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，可以让训练者能够感受到真实的焊接过程。可以有效地和周围真实的环境进行互动，让训练者处于高度逼真的环境中，可有效促进操作者完全投入到当前的任务中。

对于有经验的训练者，本产品系统提供高训练平台，通过视觉、听觉和触觉来操作完成一个好的焊缝；并且，技术产品可以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。

单台ONEW-360双工位型焊接训练模拟器实训设备占地要求为长5米，宽2.5米，高2米。

1.2 技术基础

当操作者进行训练时，系统中的多个传感器将获得的多个焊枪实时参数反馈给计算机，计算机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。焊接实训设备应具有以下技术：

1、数字图像处理、信息技术。

2、计算机图形学、传感与控制技术。

3、多种焊接操作技术、安全操作规范。

4、融多项高新技术于一体，呈现代职业教育之先进手段。

5、新型的焊接训练实训设备是一种低成本、高效率、现代化的焊接训练解决方案。

焊接模拟器技术原理图

1.3 视景仿真系统结构

焊接模拟器视景仿真系统结构图

各个模块应具有的功能如下：

1、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焊接仿真模型模块和仿真引擎模块。

2、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。

3、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。

4、仿真结果输出模块包括评价系统模块和其它功能子模块。主要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、具备培训效果可评估功能：具有实时可视的操控信息反馈、虚拟焊缝的实时检测指导、训练者操作技能的实时评估功能。

1.4 系统功能特点

1、安全环保

设备无强电磁污染、无化学污染、对人无强光高温伤害，整个培训过程绿色环保。

2、一机多用、操作简单

本模拟机标配的实物模拟焊枪可模拟：二氧化碳气体保护焊枪、手工焊条焊枪、氩弧焊枪。系统易用、操作简单，所有交互无鼠标、键盘操作，普通用户通过简单的使用培训可以轻松地完成一个焊件的整个焊接操作，生成完整的焊缝。

3、一机多练，单台提供2个工位训练

单台模拟训练机采用2个工位操作共用一台设备主机同时进行数据采集，提供多个工位同时训练，大大提高了模拟机的使用效率。

4、触碰力反馈

所有的实物焊件能提供真实的触碰力反馈效果，配合系统精准的空间定位技术让受训者感受到真实的物理空间与虚拟训练空间一致的触碰感及反馈感。

5、操作零延时

本模拟器采用先进的传感器及显示设备让受训者在虚拟空间中的操作零延

时响应，实现“精准快速”、“指哪焊哪”的操作感，受训者使用焊枪操作无丝毫滞后感，仿真度极大提高。整个系统要求运行流畅、无卡顿效果。在进行仿真焊接过程中，系统运行最低帧率数为75帧/秒，可3DMark进行帧率检测验证合格性。本系统中的虚拟焊枪的移动、旋转与现实动作实时快速准确同步，操作同步延时响应为30ms，移动位移精度为2mm，动作可捕捉空间为(水平 x纵向 x 高度) 1.5m x 1.5m x 1.5m。

6、全球首款3D立体视觉焊接模拟

本产品为全球首款使用3D立体视觉进行焊接模拟训练，与现实中人用双眼来进行空间位置的识别一样，受训者通过立体头盔显示的立体画面可以直观的识别到枪与焊件的空间距离，这种立体视觉训练符合人类视觉定位的传统经验让训练真实度极大提高。这也是其它公司产品并不具备的功能特点。

7、实时广播教学模式

老师能在模拟器上进行广播教学，实时的焊接画面会同步到培训教室的每一台学员机上，以方便学生进行焊接观摩学习。学员可将老师的焊接过程同步到自己的学员机上，以实时学习老师的焊接手法，达到“手把手”教学模式。

8、“手把手”引导学习模式

学员在进行焊接训练前可以进行“手把手”的引导学习模式，可以在虚拟的焊接场景中看到系统提供的虚拟“引导焊枪”，学员只需跟随“引导焊枪”进行焊接操作，就好像有老师对其“手把手”进行引导焊接手法训练。

9、3D焊接录像可分享及学习

老师与学员的焊接录像可通过网络分享给其它任意学员进行回看，同时优秀的焊接录像还可下载导入模拟机中进行实时对比焊接学习及训练。

10、实时辅助显示

学员进行焊接训练时，系统会提供实时的焊接数据的图形化提示，如：弧长、行走速度、行走角度等相当于老师与学员一对一专注培训。学员根据这些数据化提示及时纠正运弧时的手部动作，以达到最高的教学效益。

11、降低培训成本

使用模拟机训练节省占用场地、无任何焊件焊材的消耗、大幅节省教室清洁成本、同时一位培训教师可以同时管理多台模拟训练机节省了培训投入成本，并且系统动态的显示出节省成本值。

12、多焊件多位置焊接

模拟机提供实物金属练习板焊件，可进行平板焊接练习、对接坡口焊接、T 型板焊接、圆管焊接等多种焊接方法的虚拟训练，并支持多种焊接位置训练，如：平焊、立焊、横焊、仰焊等。

13、教师端远程设备控制

教师端可以远程管理任意学员训练机如：动态分配任务、发布系统公告、设定考试时间段并布置考试、设备禁用、用户注册和用户踢出等控制功能。

14、焊接知识实时查阅

在模拟机上学员可以随时查阅与本次焊接相关的焊接知识的文档资料，老师可以配合理论课程的需要在后台动态的更新、上传、删除这些文档资料。

15、动态设定任务、分级培训学员

教师管理端下达任务时，通过设定不同任务参数，进行任务难易程序的划分，实现从易到难分级培训学员。

16、培训自动化、效果可评估

通过教师管理端轻松的管理多台训练模拟机，动态的分配训练任务。培训及考试结果可直接传送至数据库，系统进行统计评估并记录打印。老师可以对学员整个焊接培训过程进行追踪评定，并可随时将历史焊接数据进行调档查看及焊接录像回放。

1.5 功能说明

1.5.1 焊接模拟器功能简介

ONEW-360焊接模拟器是武汉湾流科技股份有限公司自主研发的虚拟仿真焊接训练产品。该产品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，让训练者能够感受到真实的焊接过程。

ONEW-360焊接模拟器（双工位）组成图

该产品可以有效地和周围真实的环境进行互动，让训练者处于高度逼真的环境中，有效促进操作者完全投入到当前的任务中。焊接训练模拟技术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。对于有经验的训练者，本产品系统提供高训练平台，通过视觉、听觉和触觉来操作完成一个好的焊缝；并且，本产品可以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。

ONEW-360虚拟焊接仿真系统功能图

1、实现电流、电压等参数的设置

通过焊机主机上的旋钮（真实物理存在的，非软件模拟）进行设置，与软件系统中的参数进行交互，在焊接过程中电压电流会根据焊接的情况模拟产生交互互动，如：“恒压特性”、“恒流特性”等，学员可根据任务的焊接工艺标准，调整焊接电流、焊接电压、气体流量和焊丝直径的数值大小，调节参数后在焊接中会有对应的物体表现，如：熔池大小变化、飞溅变化、焊接声音变化等。

2、焊接机器人自动示教模拟系统及示教器

学习焊接机器人知识、体验机械臂操作，通过仿真示教器在操作平台上进行直线轨迹、圆弧轨迹、摆动轨迹模拟示教操作训练，操控虚拟机械臂完成设置点及焊枪位置的定位，以动画的形式展示机械臂示教的运动轨迹，且能看到轨迹的形成及焊接示教点属性，可在指定的四个位置进行视角切换，每个视角都可以操控机械人进行坐标切换、速度调控等设置，视角可缩放拉伸，通过得分系统来评估学员的熟练度，以达到焊接机器人操作实训效果。

系统可模拟松下TA-1400工业机器人示教器在线编程，本示教器采用实物示教器进行在线操作，其按键、旋钮等布局及功能与市面上真实的焊接机器人示教器一致，示教器上的模拟操作软件的界面、菜单、功能也与实物一致。系统还提供三维的虚拟焊接机器人显示模块，以显示虚拟焊接机器人、训练所需的焊件、

焊接模拟环境等。

示教器可模拟松下TA-1400工业机器人进行焊枪多种坐标系移动、关节轴部或腕部的旋转操作、坐标系变换操作、培训直线的示教、圆弧插补、直线摆动插补、圆弧摆动插补、跟踪操作（增加示教点、改变示教点、删除示教点）、设定焊接参数、次序指令的更改等示教器操作。本示教器可与虚拟焊接机器人进行联动操作，完成在线编程设置、设定多个目标点、移动轨迹设定、试运行、自动焊接等整个焊接闭环操作。

系统具有三维的虚拟焊接机器人显示模块，以显示虚拟的焊接机器人、训练所需的焊件、焊接模拟环境等，并可同步对应机器人示教器所有功能操作，如下图所示：

3、焊板、焊材选择 通过物理真实焊板的选择，可以进入软件作业模块；系统可方便的进行课程组织及焊接任务设置。可以设置母材材料、母材厚度、接头种类等多种项目。母材材料至少应包含碳钢、不锈钢。

4、焊接过程中的实时数据显示 手工焊接时，要求能提供干伸长度，弧长、焊枪与构件角度、焊枪与焊缝角

度、焊枪速度、摆动曲线、电流、电压、机械臂轨迹、焊接点属性等实时数据，并根据用户操作时的状态实时进行语音提醒。训练结束后，在教员端可对干伸长度、焊枪夹角、行走速度进行不同权限的打分设置。

5、运弧手法的通用课程

引弧、收弧、直线往复运弧法、锯齿形运弧法、月牙形运弧法、正三角运弧法、斜三角运弧法、正圆圈运弧法、斜圆圈运弧法等运弧手法独立训练课程。

6、手工焊接录像网络转播功能

具备有网络实时转播功能，学员可以在自己的电脑上实时收看老师的焊接转播画面，以不同的角度和视角查看和学习老师在焊接时的操作手法。

7、一体化教学功能

通过教学控制机可以同时实现多终端学员机的控制与监控，还能通过教学网络进行数据查看和评定，实现网络监控管理和考核功能：

（1）教师机能够实现远程对学员机关机。

（2）可对学员端模拟器进行主机封锁禁用全部或部分任务功能。

（3）可对学员建立年级、班级分类，并可对班级进行统一任务批量指定。

（4）可以设定训练耗材单件成本如：气体成本、板件成本、焊丝成本等，系统将自动计算出日常训练的消耗量，并统计出总体节省成本。

（5）教员可以使用教员端随时编辑更新上传新的课程文，同时学员端模拟器上的理论知识模块也同步更新。

（6）分别对设备进行任务设置如，课程作业、课后作业、考试任务等，设置完成后学员端模拟器自动接收。

（7）可以查看所有学员的历史焊接数据及焊缝图，数据监控，评定等。

（8）建立标准作业库，既可作为学员机训练的参考也可以做校内网上的多媒体课程资源，供学生进行网路学习。

8、升级功能

该系统具有升级功能，提供终身免费升级服务。

1.5.2 焊接模拟器优点和创新性

ONEW-360焊接模拟器与传统的焊接训练相比，具有以下优点：

一、适用性广：

1、多种焊接工艺。本实训设备可以模拟训练多种焊接工艺，包括：

1）焊条电弧焊模拟训练系统

焊条电弧焊模拟训练系统可模拟焊条与工件互相熔化并在冷凝后形成焊缝，

从而获得牢固接头的焊接过程的模拟系统。本系统可进行酸性焊条J422（Φ2.5、

Φ3.2、Φ4.0）、碱性焊条J507（Φ2.5、Φ3.2、Φ4.0）的多种训练，并可对

焊件进行平焊、立焊、横焊和仰焊等多种不同位置的焊接训练。训练者在手工焊

接操作时可看到焊缝熔池实时生成，训练者的手工操作直接影响到了熔池成形的

结果，并由系统进行实时的专家评定焊接缺陷，以便训练者了改进焊接手法，以

达到焊条电弧焊训练效果。

气体保护焊模拟训练系统

2）CO

2

CO

气体保护焊模拟训练系统可模拟以二氧化碳气体作为电弧介质，保护金2

属熔滴、焊接熔池和焊接区高温金属的一种熔焊模拟系统。本系统可选用药芯焊

丝YJ502、YJ507、YJ507CuCr、YJ607、YJ707；自保护焊丝：直径Φ1.0、Φ1.2、

Φ1.6。并可对焊件进行平焊、立焊、横焊和仰焊等多种不同位置的焊接训。训

练者在手工焊接操作时可看到焊缝熔池实时生成，训练者的手工操作直接影响到

了熔池成形的结果，并由系统进行实时的专家评定焊接缺陷，以便训练者了改进

气体保护焊训练效果。

焊接手法，以达到CO

2

3）氩弧焊模拟训练系统

氩气体保护焊可模拟200A/mm2左右的高强度电流密度效果，焊接过程中系

统可体现氩弧焊燃烧稳定、热量集中、熔滴细小、飞溅少的使用特点。并可对焊

件进行多种不同位置的焊接训。训练者在手工焊接操作时可看到焊缝熔池实时生成，训练者的手工操作直接影响到了熔池成形的结果，并由系统进行实时的专家评定焊接缺陷，以便训练者了改进焊接手法，以达到氩弧焊训练效果。

2、多功能焊枪。本实训设备可模拟以下三种焊枪功能：焊条电弧焊枪、CO

2气体保护焊枪及氩弧焊枪。

3、多种接头（焊件）形式。本实训设备可以设置多种焊接接头形式，有平直槽、T型接头、开坡口接头、管道接头等。

4、多种焊接位置。本实训设备有独立的操作台和可调高度及角度的横臂，可以灵活地调节多种焊接位置，让训练者无障碍进行平焊、立焊、横焊、仰焊等多角度焊接位置训练。如下图：

二、技术创新：

1、iMotionCap精准定位技术

精确捕捉训练者操作时的焊枪姿态数据，如角度、速度、距离等，记录分析其操作柜机，精确的焊位信息所创建的评分记录，可以帮助训练者提高技能，快速转化为实操能力。并且，在真实物理存在的试件上进行焊接操作，用户可以感受到现实焊接中的各类触觉感受，这极大地增强了模拟的真实性。可模拟要将电极与母材接触的焊接工艺，比如用焊条焊接管根部焊道时用到的拖焊技巧。

iMotionCap定位功能

2、实时同步的触碰感和力反馈感

所有的实物焊件能提供真实的触碰力反馈效果，配合系统精准的空间定位技术让受训者感受到真实的物理空间与虚拟训练空间一致的触碰感及反馈感。

3、操作零延时实时操作体验

本系统采用高达120Hz动作采集传感器及先进的显示设备让受训者在虚拟空间中的操作零延时响应，实现“精准快速”、“指哪焊哪”的操作感，受训者使用焊枪操作无丝毫滞后感，仿真度极大提高。本系统中的虚拟焊枪的移动、旋转与现实动作实时快速准确同步，操作同步延时响应30ms，移动位移精度2mm，

动作可捕捉空间不少于(水平 x纵向 x 高度) 1.5m x 1.5m x 1.5m。

4、实时学员训练辅助功能

焊接模拟器在学员进行训练时，在VR主控机的显示器及VR焊接头盔中都会显示与正在训练项目相关的辅助功能，具体参数如下：

这些辅助功能显示，可以让学员快速的掌握运弧时的手法，及时的调整纠正在运弧时手部动作、移动速度、行走角度、干伸长度等重要细节，在焊接完成时系统会马上对整个焊接过程参数进行错误标记，让学员直观的了解自己的不足，

同时这些参数将会被传送至学员数据库中，以便在日后进行反复学习和研究。

5、iTrue真实的焊接熔池模型技术

此技术通过计算机模型生成了生动真实的熔池，焊接操作直观，可以让操作者学习“看懂熔池”；模拟焊接时的火花、焊渣、打磨（在管子上）以及焊接冷却的过程，并且可模拟当不良焊接手法操作时所形成的缺陷焊缝。

熔化过程见下图：

6、“虚拟教师-叠影”技术

ONEW-360焊接模拟训练，操作分两个阶段进行。

（1）第一阶段：手感训练阶段。该阶段训练方式是用“虚拟教师-叠影”技术作为操作指导，给训练者示范其在训练中应保持的最佳焊接速度、焊枪与工件距离、焊枪角度等焊接姿态和手感，以红绿影像警示和逼真的焊接声效及时反馈给训练者，提示焊接速度和焊枪位置是否准确，便于训练者在操作时及时修正。

（2）第二阶段：仿真训练阶段。该阶段展现真实的焊枪和工件，无“叠影虚拟教师”的指导。