淺析信息化技術(shù)在焊接實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用

王 鑫

（廊坊燕京職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 廊坊 065200）

0 序言

焊接實(shí)訓(xùn)是一個(gè)高危險(xiǎn)，高投入，高能耗的過程，尤其在實(shí)訓(xùn)初期階段，由于不僅要投入大量的人力資源來保障實(shí)訓(xùn)現(xiàn)場秩序，以保證實(shí)訓(xùn)人員的安全，并且還要投入大量的試件及焊接材料，經(jīng)過長時(shí)間的反復(fù)練習(xí)，才能初步掌握基本操作要領(lǐng)，并且由于培訓(xùn)人員水平參差不齊，也會(huì)對(duì)實(shí)訓(xùn)人員基本操作產(chǎn)生不同的影響，并且由于焊接實(shí)際操作環(huán)境中有高壓電、弧光、飛濺、煙塵等，對(duì)于缺乏實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)的學(xué)員很容易對(duì)其產(chǎn)生負(fù)面影響。

1 國外仿真技術(shù)在焊接實(shí)訓(xùn)上的應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，仿真模擬技術(shù)廣泛應(yīng)用于飛機(jī)駕駛，汽車駕駛等培訓(xùn)領(lǐng)域，歐美等發(fā)達(dá)國家也已經(jīng)將模擬仿真技術(shù)應(yīng)用于焊接實(shí)訓(xùn)領(lǐng)域。

在焊接實(shí)訓(xùn)初期階段，模擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)可以大大降低焊接實(shí)訓(xùn)成本，并且保證在學(xué)員實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足的情況的降低其危險(xiǎn)隱患，模擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，使學(xué)員能在優(yōu)美的，舒適的模擬操作臺(tái)上，置身于真實(shí)的操作環(huán)境中，多次重復(fù)體驗(yàn)系統(tǒng)提供的最標(biāo)準(zhǔn)的狀態(tài)下的焊接全過程，盡快掌握焊接基本技能，為下一步進(jìn)行焊接實(shí)際操作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

歐美等發(fā)達(dá)國家在焊接仿真實(shí)訓(xùn)領(lǐng)域起步較早，并且已經(jīng)有了較成熟和系統(tǒng)的仿真實(shí)訓(xùn)產(chǎn)品，如法國西施公司生產(chǎn)的CS WAVE焊接姿勢操練系統(tǒng)，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，通過該焊接實(shí)訓(xùn)產(chǎn)品的使用使培訓(xùn)成本降低達(dá)35%。通過該系統(tǒng)的使用降低焊接用原輔材料消耗；降低能源消耗(降低焊接氣體和電力消耗)，并且極大的提高了實(shí)訓(xùn)過程的安全性。另外通過仿真系統(tǒng)的使用縮短了初級(jí)焊工早期培訓(xùn)的周期（縮短周期達(dá)50%）,改進(jìn)對(duì)教學(xué)工作的監(jiān)控，方便和加強(qiáng)學(xué)員管理 ,改善焊接環(huán)境，有利于環(huán)境保護(hù),提高焊工培訓(xùn)的層次 。

2 國內(nèi)仿真技術(shù)在焊接實(shí)訓(xùn)上的發(fā)展現(xiàn)狀

雖然國外已經(jīng)大規(guī)模使用焊接仿真實(shí)訓(xùn)設(shè)備，國內(nèi)近年也開始了在該方面的嘗試，但是由于沒有自主研發(fā)的設(shè)備，整套設(shè)備需要進(jìn)口。而進(jìn)口設(shè)備造價(jià)高昂，以法國西施公司生產(chǎn)的CS WAVE焊接姿勢操練系統(tǒng)為例，單臺(tái)設(shè)備到岸價(jià)格為40萬左右，每臺(tái)設(shè)備能滿足兩名學(xué)生實(shí)訓(xùn)要求，按標(biāo)準(zhǔn)班40人計(jì)算，建成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的焊接仿真實(shí)訓(xùn)室需購進(jìn)20臺(tái)仿真實(shí)訓(xùn)設(shè)備，那么一個(gè)仿真實(shí)訓(xùn)室前期投入將達(dá)到800萬左右，這是國內(nèi)一般高校很難承受的。

隨著模擬技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)許多高校也開始了這方面的研究，如燕山大學(xué)，西安交通大學(xué)等高校將焊接熱模擬技術(shù)已引入各種焊接試驗(yàn)，諸如焊接熱影響區(qū)性能、鋼材CCT曲線測定、焊接過程模擬等方面的研究工作中，也取得了非常好的效果[1]。但是國內(nèi)鮮有高校對(duì)焊接實(shí)訓(xùn)模擬開展系統(tǒng)性的探索和研究，僅有少數(shù)幾所高校模仿國外成熟的模擬仿真系統(tǒng)，開展了一些嘗試。

其開發(fā)步驟為[2]：。

1）虛擬環(huán)境建模。從現(xiàn)場環(huán)境取樣，通過三維造型的方法營造虛擬環(huán)境，給操作人員提供一個(gè)逼真的操作環(huán)境。

2）三維圖像生成。根據(jù)現(xiàn)實(shí)環(huán)境中物體的運(yùn)動(dòng)，連續(xù)進(jìn)行采樣跟蹤，根據(jù)物體位置的變化，實(shí)現(xiàn)在虛擬環(huán)境中物體的相應(yīng)變化。其關(guān)鍵是三維圖像的生成速度。物體空間位置的變化通過若干臺(tái)CCD攝像機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)控圖像經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和三維合成。同時(shí)在虛擬環(huán)境中成像。

3）傳感技術(shù)。通過接觸式的測量方法，在傳感器的幫助下感受操作人員手上施加力的情況，將力的大小反應(yīng)為虛擬環(huán)境中焊槍的前進(jìn)，后退，轉(zhuǎn)動(dòng)，提升，下降等動(dòng)作。

4）評(píng)判機(jī)制。這是培訓(xùn)系統(tǒng)中非常重要的一環(huán)。通過評(píng)判機(jī)制對(duì)操作人員的動(dòng)作進(jìn)行分析判別，對(duì)不規(guī)范的操作動(dòng)作提出警示。對(duì)相應(yīng)操作下焊接容易產(chǎn)生的缺陷進(jìn)行分析，并提供給操作人員，幫助操作人員進(jìn)行修正，提高操作技巧。

這種焊接模擬實(shí)訓(xùn)手段是最接近國外成熟的模擬實(shí)訓(xùn)技術(shù)的，但是由于經(jīng)費(fèi)投入，技術(shù)，人員等因素制約，國內(nèi)高校對(duì)于這方面的研究多止步于理論階段，并沒有成型的產(chǎn)品可以投入教學(xué)。

3 建立“準(zhǔn)仿真實(shí)訓(xùn)焊接系統(tǒng)”的構(gòu)想

高職院校，培養(yǎng)的是生產(chǎn)、管理、建設(shè)、服務(wù)第一線需要的高級(jí)技術(shù)應(yīng)用型人才。應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，主要取決于實(shí)踐教學(xué)開展。目前很多職業(yè)院校焊接專業(yè)實(shí)訓(xùn)都面臨場地、實(shí)訓(xùn)設(shè)備、實(shí)訓(xùn)專業(yè)指導(dǎo)人員不足等復(fù)雜問題。這對(duì)我們職業(yè)教育從業(yè)者來說既是挑戰(zhàn)，又是機(jī)遇。在資源不足的情況下，我們可以改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，在焊接實(shí)訓(xùn)初期階段引入視頻、動(dòng)畫技術(shù)、計(jì)算機(jī)多媒體仿真技術(shù)建立一套“準(zhǔn)焊接實(shí)訓(xùn)仿真系統(tǒng)”（整個(gè)系統(tǒng)可分為4個(gè)一級(jí)模塊和若干二級(jí)模塊）使仿真實(shí)訓(xùn)與實(shí)際操作相結(jié)合。這樣不僅可以極大的緩解我院場地、設(shè)備以及人員不足的問題，并且節(jié)省大量的實(shí)訓(xùn)材料。另外信息化技術(shù)的引入還可以極大的提升學(xué)院的形象以及實(shí)力。在教學(xué)方面，信息化技術(shù)的引入可以使學(xué)生在直觀性好、交互性強(qiáng)的環(huán)境下學(xué)習(xí)焊接專業(yè)核心技能。為學(xué)生提供多種感官的綜合刺激，模擬真實(shí)的場景，有利于學(xué)習(xí)者產(chǎn)生強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)欲望以及對(duì)知識(shí)、技能的獲取和保持；提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率與效果，體現(xiàn)學(xué)生的主體地位。

該套模擬仿真系統(tǒng)與國外進(jìn)口仿真設(shè)備以及國內(nèi)一些高校正在研制模擬仿真設(shè)備相比具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：

1）投入小（不需要過多的硬件支持，主要以視頻、以及flash互動(dòng)、以及網(wǎng)頁作為系統(tǒng)主要組成部分）。

2）研制周期短（從立項(xiàng)開始，大約使用1年時(shí)間即可投入使用）。

3）實(shí)用性強(qiáng)（可根據(jù)我院實(shí)際教學(xué)情況，隨時(shí)修改系統(tǒng)內(nèi)容）。

在實(shí)訓(xùn)方面，如汽車駕駛，工程機(jī)械駕駛等均有模擬培訓(xùn)系統(tǒng)的實(shí)踐，而國外焊接仿真模擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)已經(jīng)普遍應(yīng)用，并且取得良好的效果，但是高昂的價(jià)格和過高的技術(shù)門檻使其很難進(jìn)入中國。本課題國內(nèi)尚無成功先例，如果將該系統(tǒng)引入到焊接實(shí)訓(xùn)中，1.可以大大降低成本；2.可為入門焊工提供良好的學(xué)習(xí)氣氛；3.可以緩解我院場地、設(shè)備、人員不足的問題，4.將信息化技術(shù)引入實(shí)踐教學(xué)可以大大提高我院的知名度，也可以增強(qiáng)我院的實(shí)力。

［1］王鑫,張福成,呂博,等.貝氏體鋼轍叉與 U71Mn鋼軌的焊接[J].焊接學(xué)報(bào),2009,30(12):61-64.

［2］薛金保,鄒林,陳小藝,等.焊接操作計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].焊接技術(shù),2005,34(7):56-57.