基于VR仿真焊接加工技术平台组成与硬件连接设计研究

梁毅峰

淮北职业技术学院机电工程系，安徽淮北，235000

1 问题提出

焊接加工是机械加工制造业中的基本加工手段，能够使被加工件接口原子间通过热加工的方式充分结合，让两个分离的物体具有一定强度的连接成型，从大型巨轮机的加工到电路板上的微小电子元件加工，都离不开焊接加工技术。焊接加工在我国机械加工领域应用范围非常广泛，焊接加工每年消耗的钢材量达到我国年钢材总产量的40%左右，高于工业发达国家，但是焊接的效率和焊接的质量还处于较为落后阶段。面对国内企业对高技能水平的焊接加工人员的需求不断增加，只有通过进一步提升对焊接加工技术人员职业素质、岗位能力、专业知识、操作技能等多角度的综合培养，才能解决技术人员缺口的问题，这就需要更高效、安全的焊接加工模拟设备[1]。传统的焊接加工设备主要能提供电弧焊、二氧化碳焊、埋弧焊、氩弧焊、等离子焊、电阻焊等常规焊接加工技术训练，主要是对常见的铝件、低碳钢、低合金钢、奥氏体不锈钢等金属部件进行焊接。在加工过程中,焊条、焊丝、金属件以及保护气体等材料被大量消耗，并且技术人员能够达到熟练掌握技术的训练周期较长，操作过程也难以精确掌握，效果往往不理想。在焊接加工过程中,高温、强光、飞溅出的火花、冒出的烟尘以及释放的有毒气体都会影响操作者身体健康，因此，操作过程中存在一些难以把控的安全隐患。

为改进传统焊接加工模拟设备，提升其工作效率，研究设计基于VR技术的虚拟焊接仿真系统平台，综合运用传感器技术、VR技术、人体工程学技术、评分系统项目软件等先进技术，能够使操作人员快速、真实地投入到焊接模拟加工中，消除强光、高温、明火、烟尘和有毒气体的危害，节省耗材和降低用电，提高工作效率。并且虚拟焊接仿真技术平台便于在开展传统项目的基础上，拓展和增加新的内容和先进技术。

2 仿真焊接加工技术平台组成

VR仿真焊接加工技术平台采用虚拟现实的方式实现模拟加工，技术平台负责VR场景的开发、运算、生成。设计技术平台主要由VR主机、头盔、仿真焊枪、触控面板、工作台等部分组成。

2.1 VR主机和头盔选配

VR技术就是“虚拟现实”技术，是在电脑和网络空间上创建一个模拟真实的信息环境。该技术综合利用了多维图形处理、PC仿真、位置追踪传感器、触觉力量方向反馈、人工智能等多种最新研究成果，其配套设备主要由VR头盔、VR输入设备、VR运行软件、用于运算的计算机和触控显示屏这五部分组成，能够很好地实现互动性、仿真感和操作评价性，有助于加深感受、启发认知[2]。自2015年VR技术在全球兴起以来，国外科技巨头和国内多家公司纷纷加大VR技术的相关技术及产品研发，陆续推出了技术较为成熟的VR设备组装部件，如 HTC Vive、AMD Sulon Q等系列产品，为仿真焊接加工技术平台选配部件组装提供了便利[3]。为满足平台设计需求，研究选用由AMOLED屏幕、耳机、追踪传感器、追踪摄像头、输入输出接口组成的VR头盔，能够提供视觉和听觉上的输入和输出信息。VR主机PC可配置英特尔i5-4590或AMD FX 8350以上处理器、6GB或以上RAM、GTX 970或AMD 480图形处理器以及Windows 8.1或更高版本的操作系统[4]。

2.2 仿真焊枪设计

焊枪是利用焊机的高电压和高电流把产生的热能集中到焊枪头部，融化焊丝到需要焊接的部位，融入焊缝的金属冷却后把两个分离的物体连接成一体。仿真焊枪采用常见的鹅颈式结构设计，送丝方式选用结构简单、操作灵活的推丝式。设计气体保护焊仿真焊枪时，模拟典型的Φ13～32 mm焊接直径，焊枪头部由加热元件、喷嘴、导电嘴和分流器等组成[5]。仿真焊枪上设计保护气体开关按钮，喷嘴内孔直径设计为Φ16～22 mm，既能便于观察熔池又能节约保护气体；导电嘴又称焊丝嘴，通常直径比焊丝直径要大0.2 mm，这样设计既能防止焊丝头部摆动造成焊接缝不直，又能避免推丝阻力过大；分流器采用环状结构设计，上面均匀开若干小孔，保护性气体从枪体喷出后以层流状态覆盖被保护部位以提高保护效果。气体保护焊仿真焊枪模拟真实焊枪重量，配重后约1.8 kg左右。真实焊枪插电后，如操作者不小心触碰枪头会出现烫伤等事故，设计的仿真焊枪枪头配备触摸式蜂鸣报警器，一旦出现报警，模拟操作便判定为不合格，并能提醒操作者进一步提高安全意识。

设计手持式仿真焊枪作为VR输入设备，进行手势识别和动作捕捉。与传统操作杆相比较，采用手持仿真焊枪操作具有更好的灵活性和识别性。对应焊条电弧焊、气体保护焊、埋弧焊、氩弧焊和等离子焊等焊接加工设计多个仿照真实造型的不同结构仿真焊枪。每个焊枪上安装一个技术较为成熟的HTC VIVE Tracker追踪器。HTC VIVE Tracker追踪器能够让一般物体变为能够被Valve开发的“Lighthouse”技术追踪的VR物体，另外VIVE追踪器还能够加装配件，可以建立起和VIVE VR系统之间的无线、无延迟连接，实现对焊枪在虚拟场景中的定位，实时采集仿真焊枪移动距离、速度、方向和角度等动作信息，反馈到系统平台。

2.3 VR主机触控面板设计

设计VR主机触控面板能够对模拟项目、加工参数、评分系统等进行选择操作，并能实现利用评分软件对操作情况打分，VR主机触控面板部分功能设计如图1所示。设计采用Easy Manager软件制作触摸屏程序，在模拟训练项目中设计操作视频学习、分类训练、模拟考试3个模块，在焊枪选择上提供焊条电弧焊、气体保护焊、埋弧焊、氩弧焊和等离子焊等5种常见焊枪选择按钮，在焊接参数选择上设计电压、电流、气体流量、焊丝直径、板材厚度等选择增减数值按钮，在焊接板材类型上提供板与板、管与管、T接等选项按钮，金属材质选择能够提供铝、铜、碳钢、合金钢，碳钢不锈钢等多个不同类型触控选项，提供具有平焊、仰焊、立焊、横焊等焊接空间位置的选项[5]。通过系统录入的标准操作参数与操作过程中系统采集到的实时参数进行对比，计算操作过程中的偏差并实时显示记录，可发出声音报警和不同颜色的指示灯闪烁提醒学员及时调整相关操作。系统触控制面板设计总体评分选项，通过与使用者总体操作参数与录入标准参数比较，对操作过程评价总体分值。

图1 VR主机触控面板部分功能设计

采用CAPP(计算机辅助工艺设计系统)设计主机触控面板接口、输入输出及支撑软件。系统的信息交换和相互作用是操作者通过控制接口和输入输出来实现，接口的设计由输入输出和运行控制两个部分组成，采用商品化CAPP系统软件常用的结构树和菜单的形式以实现较好的系统运行控制[6]。选择硬件时，在满足系统运行要求的前提下，主要考虑系统运行的方便性和经济性。硬件选择包括计算机内存及外存容量、显示器规格型号及显示器分辨率等因素。设计运行软件，首先要根据软件需要完成的模拟任务及操作者的具体情况确定系统结构，以及确定运行软件需要的相关设备，如计算机和显示器类型、内外存储器规格、编程语言及系统支撑软件等。在系统面板控制软件开发方面，采用并联设计的形式同时开发几个模块，然后联接起来，可采用THcapp系统用总体设计的接口联接各个模块的独立设计软件，并且方便后续系统的升级和扩展。软件模块里增加产生式数据库系统，与一般的知识库不同，系统数据库有描述问题求解领域的知识规则构成[7]。通过收集源知识、对源知识进行精炼和对源知识进行有效学习来进行知识获取环节，在对有效技能进行收集的同时能够自动去除多余信息和错误内容。系统数据库通过推理机对提出的问题利用知识库的内容完成最佳的求解，为使操作者得到能够接受的解释，在推理过程中对所应用的知识库进行解释说明。

3 仿真焊接加工技术平台硬件连接设计

仿真焊接加工技术平台设备要根据焊接加工培训实际情况，配备不同的输入和演示设备，并且系统要能够快速提供反馈信息，提供友好的人机互动界面。由VR支撑软件和硬件系统两大部分组成仿真焊接加工技术平台。选择技术相对成熟的OpenGL视景仿真软件和Directx多媒体编程接口软件作为VR支撑软件，负责VR场景的运算、生成、反馈，对虚拟空间进行添加，用代码编程的方式实现复杂的响应动画。虚拟现实软件场景设计投影在操作工作台上，戴上头盔式显示器，手持仿真焊枪等输入设备，在工作台上就可以看到和真实的焊接加工一样的三维立体图像。随着科技发展，VR应用技术进入了快速发展时期,各相关知名科技公司不断推出丰富的VR设备支撑软件和高效新型传感检测处理软件,为VR支撑软件的开发制作提供了更有利的条件[8]。

设计仿真焊接加工技术平台VR硬件系统，要能够满足结构紧凑、操作便捷、容易实现沉浸式感官体验的要求。硬件系统要进行仿真焊接加工技术平台主机、触控显示屏幕、VR设备支持台、操作工作台、仿真焊枪、头盔等主要部分的连接，使用MastercamXq软件设计VR技术焊接加工技术平台硬件连接如图2。系统设备支持工作台设计为多自由度机械转台，便于模拟多种位置焊接练习。经实验，该平台能向操作人员提供较好的视觉和听觉模拟体验，相关分布式虚拟现实场景和VR支持软件正在开发拓展中。

图2 VR技术焊接加工技术平台硬件连接设计

4 结 语

本文深入研究了仿真焊接加工平台技术，阐述了基于VR仿真的焊接加工平台系统的硬件选配和软件组成，并设计了仿真焊接加工平台的主控面板功能和硬件连接方案。通过应用VR技术的焊接加工技术平台，可以实现焊接加工模拟过程的安全环保、一机多枪、一机多练、3D立体视觉焊接模拟及多场景练习，可大幅降低培训成本，达到提高操作安全性和实现自动化的改进目标，让操作者与场景内的虚拟环境、元素进行具有强烈真实感的互动操作，让使用者沉浸到布置的焊接任务中；同时，还可以精确地测量各种操作信息。平台具有内存存储并可以播放全套焊接教学视频资料，帮助使用者学习相关基础知识、安全规程、技术要点等焊接技能。通过VR技术在焊接加工中的应用，能够使操作者较为高效地掌握焊接加工技能，并能更好地转化到实际的焊接工作中，该仿真焊接加工技术平台具有较好的市场应用前景。