虚拟卧式压力容器焊接生产线设计

摘要：为解决压力容器焊接生产过程学习与培训的问题，设计了虚拟卧式压力容器焊接生产线，采用3D Max建模软件构建了焊接操作机、滚轮架等设备、工具的三维模型，采用Unity3D设计了操作界面，用C#语言开发了操作流程，实现了与虚拟模型的交互。所设计的虚拟生产线包括下料、筒节成形、纵缝焊接、环缝焊接等9个工位，可以进行下料、焊前准备、纵缝焊接、环缝焊接等多项工艺的虚拟操作。所设计的虚拟生产线可以实现压力容器焊接的互动式教学，为大专院校虚拟试验教学和企业新员工虚拟实操培训提供了新的方案。

关键词：压力容器； 生产线； 虚拟焊接； 设计

中图分类号： TG 408

Design of virtual welding production line for horizontal pressure vessels

Liu Aiguo

（Shenyang Ligong University， Shenyang 110159， Liaoning， China）

Abstract： In order to solve problems of learning and training in welding process of pressure vessels， a virtual welding production line for horizontal pressure vessels was designed.3D Max was used to construct 3D models of welding manipulator， roller carriage and other equipment and tools. The user interface was designed with Unity3D， and operation process was developed in C # language， achieving interaction with virtual model. The designed virtual production line consisted of nine workstations， including cutting， cylinder section forming， welding of longitudinal seam and circumferential seam， which could perform virtual operations for multiple processes such as cutting， pre-welding preparation， welding of longitudinal seam and circumferential seam. The designed virtual production line could achieve interactive teaching of pressure vessel welding， providing a new solution for virtual experimental teaching in universities and virtual practical training for new employees in enterprises.

Key words： pressure vessels; production line; virtual welding; design

0前言

压力容器的制造是一个以焊接加工为核心的多工艺、长流程的复杂过程[1-2]。焊接质量的高低直接关系到压力容器的安全使用，而各个工艺环节都对焊接质量有着直接或间接的影响[3-4]。尽管在高校学习阶段会有相关课程对压力容器的制造工艺进行介绍，但制造过程的复杂性决定了在高校试验室进行压力容器焊接生产线的复制是没有可能的，学生的感性认识仅能来自于走马观花式的认识实习，导致毕业后从事相关工作时对生产线缺乏整体认识，甚至有些技术人员在工作若干年后仍然对各个生产环节之间的关系和相互影响不甚了了，严重影响生产线整体水平的提高，增大了压力容器生产产生质量问题的概率。如何在高校教学中更好地开展压力容器焊接生产线实践实训教学，是一个迫切需要解决的问题。

虚拟仿真是利用计算机硬件和软件对真实世界中特定场景进行模拟，让使用者产生和处于真实场景中相类似的体验的过程[5]。近年来，虚拟仿真被大量应用于高等院校的实践类教学中，取得了非常好的教学效果[6-7]。对于在试验室中难以复制的多工艺环节复杂生产过程，虚拟仿真无疑是相关教学的最优选择。余剑等学者[8]设计了基于组态王的PLC电镀生产线仿真實训系统，运用到教学实践，成功实现动态仿真监控电镀生产线生产的运行过程，取得了较好的教学效果。朱力杰等学者[9]开发了虚拟酸奶生产线，解决了实践教学成本高、资源受限、过程走马观花等一系列问题，激发了学生的学习兴趣，提高了学习效率，提高了学生的创造性和动手能力。高德等学者[10]为了解决吹灌旋一体灌装生产线存在高速、高值、高危等隐患而不能开展试验的问题，运用虚拟仿真技术开发设计了饮料吹灌旋一体灌装工艺及生产线虚拟仿真试验教学系统。邱会东等学者[11]为解决现代化化工生产工艺流程复杂、生产过程连续不可逆，而且存在高温高压、易燃易爆、有毒有害、腐蚀性与环境污染等危险性，导致学生在企业生产现场无法亲自动手操作的问题，开发建设了“丙烯酸甲酯生产工艺—化工过程及装备全流程半实物仿真生产线”。仿真生产线由硬件、软件2大部分构成，硬件部分按照实际化工生产线设计成10个单元，每个单元中包括１个主体设备，在金属框架上安装按实物比例缩小的不锈钢主体流程设备模型。软件部分包括半实物仿真生产线模拟监控系统、化学反应工艺仿真软件、计算机控制系统仿真、实训评价与管理系统、智能实时故障诊断软件等。

虚拟技术不仅可以让使用者在和计算机的交互过程中产生和在真实环境中相类似的体验，甚至可以完成真实环境中无法实现的操作，如试错操作，从而使学习者获得更大的收获。该文设计了一条虚拟卧式压力容器焊接生产线，构建工件、焊接设备、工具的三维模型，设计操作界面，开发操作流程，实现与虚拟模型的交互。所设计的虚拟生产线可以实现压力容器焊接的互动式教学，为大专院校虚拟实验教学和企业新员工虚拟实操培训提供新的方案。

1焊接生产线总体设计

1件卧式压力容器产品的生产过程是原材料按照一定的生产工艺流程，经过各个不同工位，进行加工操作变成最终产品的过程。卧式压力容器焊接生产线就是执行这一生产过程的工艺流程、工位、操作环节的有机组合。1个虚拟卧式压力容器焊接生产线，就是要采用计算机硬件、软件模拟出这一生产过程，也就是要在计算机中实现卧式压力容器焊接生产过程的工艺流程、工位、操作环节的有机组合。虚拟卧式压力容器焊接生产线的设计任务包括：生产工艺流程设计、虚拟工位建模、操作界面设计、操作流程设计。

不同压力容器生产企业中真实的生产线会因所生产的产品不同而有所不同，但典型的工位是基本类似的。文中要开发的是1个虚拟卧式压力容器焊接生产线，因此，对多个特定压力容器产品生产线进行了共性分析，在选择典型工位的基础上对生产工艺流程进行了简化。设计的虚拟卧式压力容器焊接生产工艺流程如图1所示。

尽管进行了适当的简化，虚拟卧式压力容器焊接生产工艺环节仍然多达十几个。在实际生产过程中，出于控制占地面积和减少设备投资的需要，在不影响生产效率的前提下，有一些工艺环节是可以在同一个工位按顺序完成的，如环缝打底焊、环缝焊接及其之前的装配定位、焊前处理（图1中进行了简化省略），都可以在同一个工位完成。因此，虚拟卧式压力容器焊接生产线需要建设的工位数少于工艺环节数。需要建设的工位包括：下料工位、筒节成形工位、封头成形工位、坡口加工及开孔工位、纵缝焊接工位、环缝焊接工位、人孔接管焊接工位、无损检测工位、压力试验工位。

具体操作流程如下：首先，在下料工位进行原材料检验、划线、火焰切割下料；然后，在成筒节成形工位进行筒体的卷制，在封头成形工位进行封头的旋压；在坡口加工及开孔工位采用火焰切割开坡口、开孔；加工完成后将筒节转移到纵缝焊接工位进行焊前处理，去除坡口附近母材表面的油、水、锈和氧化皮，采用TIG进行纵缝打底焊；打底焊完成后，用埋弧焊机进行纵缝焊接，形成筒节部件；将要连接到一起的各个筒节及封头全部转移到环缝焊接工位进行装配，对环焊缝坡口附近母材表面进行除油、除水、除锈、去氧化皮处理，然后用焊条电弧焊进行点固定位；用TIG进行环焊缝打底焊，打底完成后，用埋弧焊机进行环焊缝焊接；最后将焊接完成的筒体转移到人孔接管焊接工位，用焊接机器人进行人孔、接管的焊接。焊接完成后，压力容器转移到无损检测工位进行X射线探伤和超声探伤；最后在压力试验工位进行水压试验。虚拟卧式压力容器焊接生产线总体设计方案如图2所示。

2焊接生产线典型工位开发

虚拟卧式压力容器焊接生产线上有多个虚拟工位要开发，其开发流程基本相似。文中选取纵缝焊接工位作为代表进行说明。虚拟工位的开发分为3个步骤：①设备、工具、部件建模；②操作界面设计；③操作流程设计。

2.1纵缝焊接工位建模

纵缝焊接工位要完成多个工艺环节的加工操作，涉及大量的设备、工具、部件。主要设备有：TIG焊机、埋弧焊机、悬臂梁式TIG操作机、龙门架式埋弧焊操作机、滚轮架；主要工具有：角磨机、氧乙炔枪、电加热带等；部件为卷制好的筒节。通过对设备、工具、部件的观察分析，提取其关键特征，采用3DMax分别进行建模。建成的部分模型如图3所示。将建好的模型导入到Unity3D中使用。

2.2纵缝焊接工位操作界面设计

纵缝焊接工位操作界面包括焊前处理操作界面、纵缝打底焊操作界面、纵缝焊接操作界面。这些界面都采用Unity3D设计完成。

进入焊前处理操作界面，界面上显示安放就位的筒节部件及可选择使用的焊前处理工具，为简便起见，所有操作都以按钮的形式显示在屏幕下方，通过采用鼠标点击按钮的方式进行操作。操作按钮包括：“操作步骤提示”、“除水、除油”、“除锈、去氧化皮”、“预热”。

焊前处理完成后，将进入纵缝打底焊操作界面，界面上除了安放就位的筒节部件，还显示有TIG焊机、滚轮架和悬臂梁式TIG操作机。操作按钮包括：“系统上电”、“启动冷却水泵”、“设定焊接参数”、“焊缝就位”、“焊枪就位”、“焊接”、“收弧”。

打底焊完成后，将进入纵缝焊接操作界面，如图4所示。界面上显示筒节部件、滚轮架和焊接操作机等。操作按钮包括：“系统上电”、“设定焊接参数”、“焊枪就位”、“焊接”、“收弧”。

各个按钮和控制模型部件动作的程序相关联。如果操作者按正确步骤点击按钮进行操作，系统将执行相应程序，显示相应的操作动作，并完成操作过程，如点击“焊接”按钮后，焊枪将开始行走，完成焊接过程；如果操作者操作步骤不正确，系統将给出错误提示信息。如果需要学习正确的操作过程，可以点击“操作步骤提示”按钮，系统将显示帮助信息。控制程序用C#语言编写。

2.3纵缝焊接工位典型操作流程设计

纵缝焊接工位虽然是1个工位，但需要完成3个工艺步骤的操作：焊前处理、纵缝打底焊、纵缝焊接。3个工艺步骤都有一定的操作流程，现以纵缝打底焊为例进行说明。纵缝打底焊操作流程如图5所示。

进入纵缝打底焊操作界面后，首先需要点击“系统上电”按钮，为打底焊系统供电。在系统上电前点击其它按钮将给出错误提示。系统上电后，即可按随机顺序点击“启动冷却水泵”、“设定焊接参数”、“焊缝就位”、“焊枪就位”等几个按钮。其中“焊枪就位”按钮必须在“焊缝就位”按钮之后点击。点击“启动冷却水泵”后，冷却水指示灯亮；点击“设定焊接参数”按钮后，弹出焊接参数设定对话框，进行焊接电流、焊接速度设定；点击“焊缝就位”按钮，滚轮架旋转，将待焊坡口调整到水平位置；点击“焊枪就位”按钮，焊接操作机运动，带动焊枪移动到焊缝位置。纵缝焊接过程如图6所示。所有这些步骤执行完以后，才可以点击“焊接”按钮开始焊接。焊接完成后，点击“收弧”按钮，结束焊接。

3结论

文中进行了虚拟卧式压力容器焊接生产线设计，开发了虚拟工位模型，设计了操作界面和操作流程。所设计的虚拟卧式压力容器焊接生产线可以实现压力容器焊接生产的互动式教学，既可用于大专院校虚拟实验教学，也可以进行企业新员工培训。

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收稿日期：2023-02-05

刘爱国简介：博士，教授；主要从事先进焊接技术、表面强化技术及相关过程建模与模拟等方面的研究；已发表论文40余篇；386370659@qq.com。