虚拟焊接技术在汽车焊接实训中的运用

王治校

摘要：本文总结汽车制造与装配技术专业《焊接实训》教学过程中存在的实训项目有限、实训成本高、实训效率低等问题，充分利用现有的教学资源与实训基地资源，引进虚拟焊接技术，形成了“理论+虚拟焊接+实践+虚拟焊接”的教学模式，优化教学效果，为汽车制造与装配技术专业学生打下坚实的焊接理论基础，提升焊接实践能力，为面向汽车制造与装配技术专业学生的《焊接实训》教学改革做出积极探索。

关键词：汽车焊接实训;虚拟焊接;教学模式

中图分类号：G420                                        文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）08-0229-02

0  引言

改革开放以来，我国已经成为真正意义上的世界焊接大国，对焊接技术人员的需求与日俱增，据国家技术发展委员会提供的数据显示，中国焊接市场人才缺口高达60万。因此，培养出一大批适应社会经济需求的焊接专业人才是当前高职焊接专业教育的重中之重。根据中国汽车工业协会数据显示，2015-2020年中国汽车产量均在2370万辆以上。众所周知，在汽车工业中，从白车身到零部件，焊接是必不可少的重要环节，焊接质量直接影响汽车的安全性与舒适性。焊接为培养适应新时代的技术技能型汽车制造与装配人才，汽车制造与装配技术专业《焊接实训》教学改革势在必行。

1  《焊接实训》课程教学存在问题

《焊接实训》作为汽车制造与装配技术专业一门专业技能基础课程。要求学生在了解焊接操作及设备的基本功能的基础上，要做到结合本专业的知识，学会利用专业知识解决焊接过程中遇到的实际问题。为后续专业继续深造和将来从事与汽车相关的工作打下必要的专业技能基础。然而，汽车制造与装配技术专业《焊接实训》的教学仍存在许多问题，主要表现在：

1.1 场地问题

受限于场地、设备、教学人员等配套，焊接实训教学一般采用分组教学法，一个工位要有5-6名同学，分组教学中存在大部分学生“看别人操作”而不是“自己操作”的现象，达不到提高学生动手能力、发现分析解决问题能力的目的。另外，焊接技能水平的提高主要依靠学生长时间自主训练，因设备较少，不能完全满足焊接技能实训的要求。

1.2 成本问题

焊接实训需要大量的耗材，包括钢板、钢管、焊条、焊丝、气体、辅助工具以及用量较大的安全、劳保用品、各类焊接方法所使用的焊機、切割打磨设备、夹具、通风除尘设备。更不用说引进价格昂贵的焊接自动化设备和汽车焊接实训设备了。出于成本考虑，大部分焊接实训基地只开展有限的实训项目。因此，实训基地很难模拟真实的汽车白车身或者典型零部件焊接的工作环境。导致学生对汽车车身、典型零部件焊接的规范技术技能操作基本为零。

1.3 教学模式问题

焊接实训教学方法仍然是传统的教学模式，先是理论教学，然后视频演示，再是实践操作。这样的教学模式学生的学习、实践只能在焊接实训课堂上，高度依赖教师的讲解和示范。学生课后缺乏复习、巩固、实操的机会，从而导致学生焊接技能水平提升缓慢。另外，缺乏有效的考核评定机制，导致学生学习积极性不高。焊接实训以基本的焊条电弧焊练习为主，实训内容单调，学生长时间机械式的重复练习，实训周期长，这样很容易产生倦怠情绪。而其他焊接方法如二保焊、埋弧焊、等离子焊接、焊接机器人操作等就只进行演示、观摩进行教学，极大地降低了实训效果。不能全面培养学生的岗位职业能力，学生的独立分析、解决问题能力和创新能力较弱。

根据《焊接实训》教学中存在的弊端和不足，在汽车制造与装配技术专业《焊接实训》课程实训教学中考虑将虚拟焊接这种新的技术方法引入，来改善实训教学现状以适应新时代焊接人才目标定位。

2  虚拟焊接在《焊接实训》课程教学中的应用

2.1 虚拟焊接特点

虚拟焊接技术是在虚拟现实技术（VR）上发展的一种新技术，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，使用户沉浸到该环境中。该技术集计算机硬件技术、传感技术、仿真技术于一体，虚拟焊接技术是在虚拟计算机系统基础上，引入VR头盔、定位器、追踪器、焊件、真实焊枪等设备，通过仿真主控系统和位置追踪系统，戴上VR头盔即可在操作台对焊件进行焊接操作，同时可以看到逼真的液态熔池成型、焊缝成型以及弧光飞溅等其他焊接物理虚拟场景。虚拟焊接系统将焊接演练过程中焊枪的位置、移动速度、角度、焊接手法等信号进行采集处理，在虚拟计算机上设置相应工艺参数，通过计算机模拟生成虚拟焊缝，分析焊机设置的参数和焊钳输入参数而造成的质量缺陷。针对焊接实训教学，虚拟焊接具有以下特点：

2.1.1 成本低，不受场地限制

虚拟焊接系统主要由设备柜、计算机、VR头盔、定位器、追踪器组成，占地面积小，相对传统的焊接实训室，尤其是汽车车身焊接实训基地，虚拟焊接的实训基地成本低。焊材方面，虚拟焊接系统只消耗电能，不需要钢板、钢管、焊条、焊丝，气体、辅助工具以及安全、劳保用品、切割打磨设备、夹具、通风除尘设备、焊接自动化设备等。因此，虚拟焊接技术对于汽车制造与装配技术专业焊接实训来说是最经济、最绿色的选择。

2.1.2 安全性好，拓展性强，功能全面

学生只需要通过计算机、VR头盔、焊枪来实现焊接操作，不直接接触焊材、焊机、切割设备等，安全性大大提高。因为焊接实训面向的学生都是零基础、零经验的，实训安全性的保障是十分重要的。另外，虚拟焊接技术，模拟了多种焊接方法在不同焊接参数影响下焊缝的形成过程，形成了十几种不同的应用场景学生在虚拟焊接过程中的行进角度、工作角度、电弧长度、焊接速度可以进行可视量化，焊后还可以透过X射线仿真系统查看自己焊接情况，了解自己的焊接水平，课后仍可以利用虚拟焊接系统进行训练。虚拟焊接给人以环境沉浸感，激发学生的焊接兴趣，矫正焊接姿势，从而提高焊接水平。传统的焊接教学，焊接实训项目极其有限，一般以基本的焊条电弧焊练习为主，实训内容单调。二保焊、埋弧焊、等离子焊接、焊接机器人操作基本停留在教师的讲解中。但虚拟焊接可以有效地解决这个问题，通过虚拟系统，学生可以进行各种场景的焊接操作，汽车白车身到典型零部件的焊接操作都可以二次拓展。

2.2 虚拟焊接教学应用

传统的《焊接实训》教学首先由教师进行理论讲解，然后通过视频或微课演示焊接操作，再由实训老师示范焊接操作，最后学生分组进行焊接训练，实训教师进行巡查点评。整个教学过程理论与实际脱离，且实训课对于理论学习缺乏考核评价，学生无形之中认为理论学习不重要;受到场地、设备、师资的限制，学生实操的机会不多，很多时候实操就走走过场，且课后缺少训练的机会，因此，焊接技能水平的提升极其有限。基于虚拟焊接的“理论+虚拟焊接+实践+虚拟焊接”教学模式可以有效地解决以上问题，首先仍然是实训教师进行焊接相关理论知识的讲解，然后学生分组进行虚拟焊接操作，学生在模拟的焊接环境中进行焊接操作，焊接过程中的行进角度、工作角度、电弧长度、焊接速度可以进行可视量化，操作过程中学生自然而然地掌握焊接操作的规范动作、基本流程、注意事项等，为后续实践操作打下坚实的基础。完成虚拟焊接相关任务后，学生可以按照虚拟焊接平台中的流程进行焊接实践操作。学生在完成实践任务后可以利用自己的空余时间进行虚拟焊接操作，系统自动记录学生操作规范性、正确性和安全性，对学生焊缝质量进行评分。在这个过程中学生可以利用虚拟焊接平台验证自己的焊接水平。同时，虚拟焊接平台中的初级焊工模拟认证、中级焊工模拟认证、高级焊工模拟认证、焊接答题游戏可以极大提高学生学习兴趣和积极性，焊接相关理论知识不再抽象，各种模拟的汽车焊接应用场景通过VR技术复现，让学生身临其境。学有余力的学生可以通过虚拟焊接平台的拓展模块进行二保焊、埋弧焊、等离子焊接、焊接机器人操作，提升自己的综合素质。“理论+虚拟焊接+实践+虚拟焊接”教学模式让学生在课前、课中、课后都有任务可做，理论水平和实践水平都得到了提高。

3  教学效果分析

本研究通过问卷调查+访谈法获取汽车制造与装配技术专业2018级40位同学、2019级40位同学（2018级学生采用传统教学模式，2019级学生采用基于虚拟焊接教学模式）和6位专业教师对于《焊接实训》传统教学模式和基于虚拟焊接的“理论+虚拟焊接+实践+虚拟焊接”教学模式的满意程度与教学效果评价。如表1所示，采用传统的教学模式（理论+视频演示+实践）非常满意占25%，满意占20%，一般占35%，不满意占20%;基于虚拟焊接的教学模式非常满意度达40%，满意达28%，一般占37.5%，不满意占5%。充分表明基于虚拟焊接的“理论+虚拟焊接+实践+虚拟焊接”教学模式极大提高学生对《焊接实训》学习兴趣与积极性。同时，同专业教师访谈发现，“理论+虚拟焊接+實践+虚拟焊接”教学模式下的学生理论水平和焊接实操能力相较往届有明显提高，而且焊接操作的训练积极性高且更加规范。总之，相较于传统的教学方法，“理论+虚拟焊接+实践+虚拟焊接”的闭环教学模式在汽车制造与装配技术专业《焊接实训》教学效果上有显著提升。

4  结语

“理论+虚拟焊接+实践+虚拟焊接”的闭环教学模式将焊接理论教学与焊接实训通过虚拟焊接技术进行有机整合，有效解决了传统焊接实训教学中实训项目有限、实训成本高、实训效率低等问题。实践证明，“理论+虚拟焊接+实践+虚拟焊接”的闭环教学模式在汽车制造与装配技术专业《焊接实训》教学中的探索尝试丰富了课堂教学内容、激发学生学习兴趣、提高教师教学质量。让学生更好地掌握了汽车焊接理论知识、操作规范，有效促进了学生焊接水平的提高。

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