⑷ONEW360焊接训练模拟系统

双椭球体热源 模型
b
/ b
2
e
−3 y
2
3Q q ( 0 ,0 ,0 ) = a 2bπ π
z
q
6
Gauss 面热源 模型
O x
R
0
q(x, y) = q
y
m
⋅e
；
− K
(x
2
+ y
2
)
热源总功率 Q = 3 500 W 热源有效半径 R0 = 0.003 m
q
m
Q ⋅ K = π
3 K = R 02
3.焊接训练模拟器的技术原理
热源名称 热源示意图 热流密度分布定义式 所需给定的初始参数
x
O
R
y
0
q ( x , y , z ) = q ( 0 ,0 ) e
log(
−3cs H
z
)
(x
2
+ y
2
)
热源总功率 Q = 3 500 W 热源高度
旋转 Gauss 曲
H
q ( 0 ,0 ) =
c
z
x y
O
a
面体热源模型
3cs ⋅Q πH ( 1 − e
3
2 0
Biblioteka Baidu
−3
)
H = 0.01 m 热源开口半径 R0 = 0.003 m
s
=
R
q ( x , y , z ) = q ( 0 ,0 ,0 ) ⋅ e × e
−3 z
2
−3 x / a
2
2
/ a
2
热源总功率 Q = 3 500 W 热源形状参数 a = 0.003 m b = 0.010 m
1.虚拟现实仿真技术概述
虚拟现实的特征——3I(沉浸互动想象)
Immersion
Interaction
Imagination
1.虚拟现实仿真技术概述
实现过程：
虚拟现实利用计算机技术生成逼真的、具备视、听、 触、嗅、味等多种感知的虚拟环境。它借助于计算机生成一 个三维空间，通过将用户置身于该环境中，借助轻便的多维 输入输出设备(如跟踪器、头盔显示器、眼跟踪器、三维输 入设备和传感器等)和高速图形计算机，并根据由此而产生 的一种身临其境的感觉，去感知和研究客观世界的变化规 律。
3.1 焊接训练模拟器技术基础 3.2 焊接过程数值模拟技术 3.3 焊接训练模拟器的技术原理
4.焊接训练模拟器的发展现状
3.1 焊接训练模拟器技术基础 数字图像处理、信息技术、 计算机图形学、传感与控制技术 多种焊接操作技术、安全操作规范 融多项高新技术于一体，呈现代职业教育之先 进手段。 新型的焊接训练模拟器是一种低成本、高效 率、现代化的焊接训练解决方案。
3.焊接训练模拟器的技术原理
3.2 焊接过程数值模拟技术
3.2.1 焊接温度分布计算 在焊接过程中，热量通过电弧传导到焊件 上，使焊件各个位置产生温度差。 焊接温度场的计算方法主要分为：解析 法、蒙特卡洛法、有限差分法和有限元法
3.焊接训练模拟器的技术原理
3.2.2 热源模型 确定数值模拟中的热源模型，即确定合理的 焊接热流分布函数，使模拟的温度场符合实际 焊接的情况。
焊接训练模拟系统
ONEW360
焊接训练模拟仿真技术
• 1.虚拟现实仿真技术概述 • 2.焊接训练模拟器的发展现状 • 3.焊接训练模拟器的技术原理 • 4.现有焊接训练模拟器分析与评价 • 5.ONEW360焊接训练模拟系统
1.虚拟现实仿真技术概述
1.1 虚拟现实技术 虚拟现实（virtual reality,VR）是一种可以创 建和体验虚拟世界的计算机系统。虚拟环境是由计算 机和电子技术生成的，通过视觉、听觉、触觉等作用 于用户，使之产生身临其境的感觉。上个世纪80年代 末90年代初开始进行技术研究，随后出现一些初级产 品.
1.虚拟现实仿真技术概述
是一种使用数学算法将二 维或三维图形转化为计算机显 示器的栅格形式的科学。 是研究、开发用于模 拟、延伸和扩展人的智能的 理论、方法、技术及应用系 统的一门新的技术科学。
计算机图形学
是指通过计算机输入、输 出设备，以有效的方式实现人 与计算机对话的技术。
技术支持
人工交互技术
1.虚拟现实仿真技术概述
硬件要求： ¾ 跟踪系统； ¾ 触觉系统； ¾ 音频系统； ¾ 计算机处理系统； ¾ 图像生成和显示系统；
1.虚拟现实仿真技术概述
虚拟现实是多种技术的综合，其关键技术和研究内容 包括以下几个方面： (1)动态环境建模技术 (2)网络环境技术 (3)仿真场景管理技术 (4)交互技术 (5)传感与测控技术
虚拟现实
人工智能
传感技术
是关于从自然信源获取信 息，并对之进行处理和识别的 一门多学科交叉的现代科学与 工程技术。
1.虚拟现实仿真技术概述
软件要求： ¾ 复杂的逻辑控制； ¾ 模拟实时的相互作用； ¾ 模拟人脑的智能行为； ¾ 模拟复杂的时空关系，主要涉及时间与空间的同步等问 题； ¾ 感觉的表达，包括人的听觉、视觉、触觉、味觉和嗅觉 的计算机表达； ¾ 实时数据采集、压缩、分析、解压缩； ¾ 支持与虚拟环境交互的定位、操纵、导航等。
4.现有焊接训练模拟器分析与评价
CS WAVE系统的解决 方案可以将焊接动作分解, 再将焊接动作单独或多种 组合进行训练。系统还植 入焊接操作结果即时分析 以及培训师、培训经理可 分别对培训的内容权限设 置两种增值功能。 不足：视野覆盖面 小，无力反馈功能，价格 昂贵，沉浸感差。
4.现有焊接训练模拟器分析与评价
2.焊接训练模拟器的发展现状
2.2 焊接训练模拟器分类 (1)按显示方式形式分: 单屏幕无包裹：沉浸感差,逼真程度低,适用简单训练, 类似游戏机。 头盔式全包裹:沉浸感好,逼真程度高，适合焊接实际操 作场景的仿真。 (2)按焊枪运行状态跟踪方法分: 光学式、机械式、电磁式
2.焊接训练模拟器的发展现状
4.现有焊接训练模拟器分析与评价
该系统利用传感技术、 通过CCD摄像机进行监控， 监控图像由计算机进行处 理和三维合成，在虚拟环 境中成像，并且建立了相 应的评判机制，操作者可 以通过焊后系统给出了评 价来判定自己操作的好 坏。 不足：视野覆盖面少， 培训种类单一，沉浸感 差。
4.现有焊接训练模拟器分析与评价
2.焊接训练模拟器的发展现状
2.1 焊接训练模拟器概述 传统焊接培训有高投入、无规范化、作业环 境差等缺点，随着现代计算机的发展，强大的个 人计算机运行真实地模拟焊接过程绰绰有余，使 得利用焊接训练模拟器成为训练焊工的另一种方 法。使用虚拟焊接仿真系统进行焊工的岗前培训 可有效解决以上问题。
2.焊接训练模拟器的发展现状
美国林肯公司推出VRTEX360，该产品的显示 方式为立体头盔，可展示2D/3D效果，仿真画面 效果也较前者有很大改善，具有焊枪跟踪系统可 捕捉焊枪的运动轨迹。
2.焊接训练模拟器的发展现状
从技术层面来看，目前的焊接训练模拟系统主要存在 如下问题： (1)焊接过程模拟模型精度不高 (2)视景系统画面效果差 (3)无精确的力觉反馈功能 (4)焊接声音和弧光模拟都未做研究 (5) 价格昂贵
x y
O
R
0
q(x, y, z) = q
q Q ⋅ K = πH
m
⋅e
− K
(x
2
+ y
2
)
热源总功率 Q = 3 500 W 热源高度 H = 0.01 m 热源有效半径 R0 = 0.002 m
Gauss 圆柱热 源模型
H
m
；
3 K = R 02
(
z
x y
O
z ∈
[0 ,
H
])
热源总功率
R
0
热流密度均匀 分布的柱状热 源模型
起重机操作训练模拟机
船舶操作模拟机
叉车操作训练模拟机
1.虚拟现实仿真技术概述
1.3 其他类型的系统仿真 (1)连续系统仿真 机械设备、控制装置等为该类系统，解决 该类系统的设计、制造中的技术问题。 (2)离散事件系统仿真 企业生产线、港口装卸工艺与平面布置等 为该类系统，解决企业生产线、码头规划设计 的方案优选或生产调度问题。
1.虚拟现实仿真技术概述
1.2 虚拟现实技术的应用 娱乐、教育及艺术方面的应用占据主流，其次是军事 与航空、医学、商业，另外,在可视化计算、制造业等方面 也有相当的比重。 在工程技术的教育培训领域发展很快,潜力巨大.培训 学员的技能和安全操作程序。 改变职业教学的模式: 理论学习--- 虚拟训练 ---实 际操作 各种培训模拟设备，如：常用的起重机操作训练模拟 机、船舶操作模拟机、叉车操作训练模拟机等。 模拟产品逐渐呈现多样化趋势!
3.焊接训练模拟器的技术原理
3.焊接训练模拟器的技术原理
4.现有焊接训练模拟器分析与评价
(1)VRTEX360 VRSim公司以通用动力电气船舶公司、Edison 焊接协会合作开发的GMAW焊缝数据库为基础,以功 能 强 大 的 VRSim 可 视 化 软 件 和 SGI 公 司 的 Silicon Graphics Tezro可视化工作站作为系统的核心, 利 用 人 工 神 经 网 络 方 法 成 功 研 制 出 GMAW 焊 SimWelderTM仿真系统。
(4)123arc 加拿大蒙特利尔公司123认证公司早在20世 纪90年代初就研发了一款用于培训焊工的仿真 仪器，可以同时模拟手工电焊条、钨极氩弧焊 和二氧化碳气体保护焊。
4.现有焊接训练模拟器分析与评价
焊接模拟器具有一套 带有跟踪器的真实的焊 枪、一个3D显示器和一个 头 戴 式 显 示 器 （ HMD） ， 跟踪系统在用户的手和头 部之间互动，外音喇叭能 模拟真实的焊接声音，焊 枪、头盔和显示器同时在 线交互。 不足：焊缝模拟效果 不真实，画面质量差，无 力反馈功能。
(3)按有无力反馈功能分 无力反馈型:普通型 有力反馈型:电磁式、喷气式、机械式 力反馈装置根据焊枪的空间姿态参数，计算出实时的焊 接反馈力大小与方向，使操作者在训练过程中感受到力的效 果，使得学员学习的虚拟环境和沉浸感更强。 (4)按图象显示模式分 普通三维图象、立体图象
3.焊接训练模拟器的技术原理
3.3 焊接训练模拟器的技术原理 现有的焊接模拟系统一般由以下四部分组成： (1)硬件平台：包括面罩、焊枪、工件等。 (2)软件平台；仿真系统、评价系统等。 (3)信号检测与采集系统；运动跟踪系统等。 (4)人机交互界面；单屏、立体头盔等。
3.焊接训练模拟器的技术原理
模拟器工作原理： 当操作者进行训练时，系统中的多个传感器 将获得的焊枪多个实时参数反馈给计算机，计 算机对数据进行处理分析，并在显示装置和音 响上显示相应的焊接画面和焊接声音。
3.焊接训练模拟器的技术原理比较
名称 计算量 理解性 所需实验量 精度水平 应用领域 软件编程难 度 有限元法 大 难 无 好 多 复杂 多元线性回归 法 适中 难 大 适中 适中 适中 神经网络 法 适中 难 适中 中 多 适中 简单模型 法 小 容易 无 差 少 简单
3.焊接训练模拟器的技术原理
H
q(x, y, z) =
Q πR
2 0
Q = 3 500 W
(
z
2 0
⋅ H
z ∈
热源高度
x
2
+ y
2
≤ R
,
[0 ,
H
])
H = 0.01 m 热源有效半径 R0 = 0.002 m
3.焊接训练模拟器的技术原理
3.2.3 焊缝成形模拟方法 焊缝模拟方法可分为以下几类： 有限元法、多元线性回归法、神经网络法、 简单模型法
发展历程： 20世纪80年代：我国开始出现用于初级焊工培训的 培训设备，这种培训设备结构简单、训练焊种单 一，无视觉仿真效果，仅能模拟焊条的熔化。 20世纪90年代：加拿大123认证公司推出一款焊接训 练模拟器，其视景显示装置为一块触摸屏，仿真 画面效果粗糙，沉浸感差。
2.焊接训练模拟器的发展现状
4.现有焊接训练模拟器分析与评价
该系统的中央控制台 连接着6个焊接架, 指导者 可以在中央控制台上，监 视训练者的操作情况, 分 析存储焊缝的信息。 不足：画面效果一般， 无力反馈功能，价格昂 贵。
4.现有焊接训练模拟器分析与评价
(2)HTS 模拟焊接培训系统(HTS)是由西安交通大学和 中油一建在中国石油天然气集团公司资助下，针对 焊工培训而开发的一款焊接模拟器。该系统具有焊 后评价焊条位置检测、场景虚拟和焊接知识培训系 统四个基本功能，采用沉浸式、交互式的方式，通 过手持模拟焊枪对模拟焊板进行虚拟焊接。
(3)CS-WAVE 2003年6月法国西施公司开发的CSWAVE焊 接仿真系统被AFPA(法国国家成人职业培训协 会)采用,系统使用InterSense公司提供的IS900 PCT racker 运 动 跟 踪 系 统 研 制 出 SMAW/GMAW仿真系统。CS WAVE系统的解决方 案可以将焊接动作分解, 再将焊接动作单独 或多种组合进行训练。