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焊接虚拟仿真软件研究

发布时间:2022-12-01

编辑人:灵图互动

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如今焊接技术逐步从“技艺”走向“科学”,更需要焊工有扎实的操作手法、规范的动作。但是由于传统焊接培训受危险环境的限制,教员在新焊工培训过程中不能即时地对学员的动作规范进行控制,只能根据焊接后的焊缝情况对学员的操作进行分析、指导,所以培训效果不理想。不仅如此,传统焊接培训存在消耗大量的培训材料,难以定义学员的焊接水平,培训过程中环境污染,有害身体健康等诸多问题。

虚拟仿真技术是指采用以计算机技术为主,借助计算机和输输出设备,产生身临其境真实环境的感受和体验的一门技术。利用虚拟仿真技术开发的焊接虚拟仿真软件为学员提供一种结构化的学习经验,加快学习进程的手段,是对传统焊接教学活动的有益补充。焊接虚拟仿真软件是根据不同的焊接工艺参数(工件尺寸、焊接方法、焊接电流、电压、速度等),模拟不同的焊接方法对焊件进行焊接加工,产生不同的焊缝形状从而使焊缝成型的过程。其技术涉及计算机科学、材料学、自动控制技术等诸多学科领域。焊接虚拟仿真软件具有:节省大量的培训成本及培训时间,增强培训管理,提高培训效果,改善培训环境等优点。目前,已经有许多研究机构和商业公司对焊接虚拟仿真软件展开了深入的研究并开发出商业产品。然而,国内对焊接仿真技术的研究还处于起步阶段,和国外相比存在很大差距。

焊接虚拟仿真软件

焊接虚拟仿真软件分为四大模块:数据输入模块、仿真模型模块、焊接仿真引擎模块、仿真结果输出模块。各个模块功能如下:(1)焊接虚拟仿真软件的数据输人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)焊接虚拟仿真软件的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)焊接虚拟仿真软件的焊接仿真引擎是焊接虚拟仿真软件的核心,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)焊接虚拟仿真软件的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。

焊接虚拟仿真软件的关键是采集焊枪运行状态等信息,并提供或显示给被训者。多数焊接虚拟仿真软件的原理是借助头盔显示器、虚拟焊枪跟踪器等其它传感设备,采用主动式光学、电磁追踪定位的方法采集焊枪运行状态等信息。焊接虚拟仿真软件还利用机械跟踪系统,获取焊枪的姿态位置参数信息,其工作原理是通过机械连杆装置上的参考点与被测物体相接触的方法来检测其位置变化。根据焊接虚拟仿真软件的追踪焊枪运行状态原理的不同,将虚拟仿真软件分为3大类:混合现实式(Mixed—Reality)、光学电磁跟踪式、机械跟踪虚拟仿真软件。

混合现实式虚拟仿真软件

混合现实式虚拟仿真软件包括具有保护面罩功能的手柄式光学透视显示器,真实焊枪和PC控制柜。混合现实式虚拟仿真软件的原理是保护面罩显示器上的CCD摄像头,获取工作环境的信息数据之后,运用图像配准方法交互技术,允许用户在保护面罩的显示器上看到真实焊接环境和火光等虚拟对象。同时焊枪上的图像感应器将测量焊接距离,虚拟仿真软件运用电磁感应原理产生虚拟焊接过程反馈力,并通过焊枪步进马达驱动焊条运动,模拟焊条缩短的过程。

光学电磁跟踪式虚拟仿真软件的包括SMAW/MIG/MAG仿真系统。虚拟仿真软件能够记录工作路径过程;多角度地观察操作过程;自动检测焊接错误;实时产生三维焊接图像;记录、重放焊接过程等功能,而且还能够模拟焊接过程中设备运行状况、焊接声音以及填充金属消耗情况,显示焊枪的水平角、垂直工作角、运动速度、操作距离、目标误差等实时状态信息。

传统的焊接虚拟仿真软件将焊缝视觉感知通道作为焊接学习的唯一途径。然而,机械跟踪引入焊接虚拟仿真软件引入之后,操作者增加了通过力觉感知通道学习焊接的途径,它是对传统焊接仿真模拟的补充。

光学电磁跟踪式虚拟仿真软件

具有力反馈的焊接虚拟仿真软件除了具有其它虚拟仿真软件都有的视觉和听觉模拟功能之外,还能够通过触觉引导功能指导操纵者进行训练。从目前焊接虚拟仿真软件发展状况来看,通过视觉、听觉、触觉方式以及将来引入嗅觉,这种一体化、多方位的交互方式而构建的焊接虚拟仿真软件将是未来的发展方向。


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