熔化焊接与热切割作业实操实训考核装置_焊接操作模拟器

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熔化焊接与热切割作业实操实训考核装置

一、焊接模拟器系统概述
该系统将仿真操作设备、实时3D技术及渲染引擎相结合，演练过程真实，视觉效果、操作手感与真实一致。在焊接演练的过程中，学员能够看到焊接电弧以及焊液从生成、流动到冷却的过程，同时听到相应的焊接音效。
LGM-HVR02型焊接模拟器具备焊条电弧焊模拟训练系统、CO2气体保护焊模拟训练系统、氩弧焊模拟训练系统、可编程机器人焊接训练系统，还可无缝扩展多种类型的焊接训练系统。
该系统与传统的焊接技艺教学能有机的融合在一起，是实现灵活、高效、安全、节约、绿色无污染的焊接模拟培训教学与考核的最佳教学方法。
通过电焊模拟实训系统，学员不仅仅可以获得与传统实训相同的操作经验，同时通过系统内置的数据采集、智能专家辅助模块和量化考核评价系统等一系列先进独特的教学功能，配合合理明晰的焊接知识穿插讲解，使学员可以获得在传统教学实践过程中难以量化的精确焊接培训指导，大幅度提升学员在培训过程中的方向性和目的性，有效缩短学员的培训周期，降低教师的教学负担，达到以低成本、低投入实现“精教、精学、精炼”的焊接培训机制。

三、技术基础
当操作者进行训练时，系统中的多个传感器将获得的多个焊枪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。焊接实训设备应具有以下技术：
1、数字图像处理、信息技术。
2、计算机图形学、传感与控制技术。
3、多种焊接操作技术、安全操作规范。
4、融多项高新技术于一体，呈现代职业教育之先进手段。
5、新型的焊接训练实训设备是一种低成本、高效率、现代化的焊接训练解决方案。
四、视景仿真系统结构
1、数据输入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、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、焊接仿真引擎是系统的核心，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、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。
5、具备培训效果可评估功能：具有实时可视的操控信息反馈、虚拟焊缝的实时检测指导、训练者操作技能的实时评估功能。
五、系统功能特点
1、安全环保
设备无强电磁污染、无化学污染、对人无强光高温伤害，整个培训过程绿色环保。
2、一机多枪
本模拟机标配三种实物焊枪模拟，包括有：二保焊、手工焊条焊、氩弧焊。
3、一机多练，单台双工位训练
对于单台双工位版模拟训练机采用两工位操作共用一台采集主机同时进行数据采集，各工位可同时进行焊接操作，互不影响。提供两个工位的同时训练，大大提高了模拟机的使用效率。
4、触碰力反馈
所有的实物焊件能提供真实的触碰力反馈效果，配合系统精准的空间定位技术让受训者感受到真实的物理空间与虚拟训练空间一致的触碰感及反馈感。
5、操作零延时
本模拟器采用先进的传感器及显示设备让受训者在虚拟空间中的操作零延时响应，实现“精准快速”、“指哪焊哪”的操作感，受训者使用焊枪操作无丝毫滞后感，仿真度极大提高。
6、3D立体视觉焊接模拟
本产品使用3D立体视觉进行焊接模拟训练，与现实中人用双眼来进行空间位置的识别一样，受训者通过立体头盔显示的立体画面可以直观的识别到枪与焊件的空间距离，这种立体视觉训练符合人类视觉定位的传统经验让训练真实度极大提高。这也是其它公司产品并不具备的功能特点。
7、实时广播教学模式
老师能在模拟器上进行广播教学，实时的焊接画面会同步到培训教室的每一台学员机上，以方便学生进行焊接观摩学习。学员可将老师的焊接过程同步到自己的学员机上，以实时学习老师的焊接手法，达到“手把手”教学模式。
8、“手把手”引导学习模式
有“引导枪”功能，在焊接训练操作前可以打开“引导学习”功能，在虚拟场景的板件前会生成一个透明引导枪。通过颜色变化来引导学生参考掌握干伸距离、行走速度等运枪手法。该引导枪可以由教师自己行录制并上传，来帮助学生对教师的运枪手法进行“实时临摹”对比操作。
9、3D焊接录像可分享及学习
学生可以保存上传自己的焊接录像，并可以随时用360度任意自由视角，查看以前的个人或老师的焊接三维回看录像。录像中以三维模型线段标示出焊枪移动的空间轨迹。并且录像中的三维焊枪移动数据可直接设置为该焊接项目的“引导枪”，方便学生在训练项目时直接对比“实时临摹”老师的焊接手法。
老师与学员的焊接录像可通过网络分享给其它任意学员进行回看，同时优秀的焊接录像还可下载导入模拟机中进行实时对比焊接学习及训练。
10、实时辅助显示
学员进行焊接训练时，系统会提供实时的焊接数据的图形化提示，如：弧长、行走速度、行走角度等相当于老师与学员一对一专注培训。学员根据这些数据化提示及时纠正运弧时的手部动作，以达到最高的教学效益。
11、降低培训成本
使用模拟机训练节省占用场地、无任何焊件焊材的消耗、大幅节省教室清洁成本、同时一位培训教师可以同时管理多台模拟训练机节省了培训投入成本，并且系统动态的显示出节省成本值。
12、多焊件多位置焊接
模拟机提供有四种实物焊件（平板练习板、对接坡口板、T型板、圆管）来进行训练，并支持多种焊接位置训练，如：平焊、立焊、横焊、仰焊。
13、教师端远程设备控制
教师端可以远程管理任意学员训练机如：动态分配任务、发布系统公告、设定考试时间段并布置考试、设备禁用、用户注册和用户踢出等控制功能。
14、焊接知识实时查阅
在模拟机上学员可以随时查阅与本次焊接相关的焊接知识的文档资料，老师可以配合理论课程的需要在后台动态的更新、上传、删除这些文档资料。
15、动态设定任务、分级培训学员
教师管理端下达任务时，通过设定不同任务参数，进行任务难易程序的划分，实现从易到难分级培训学员。
16、培训自动化、效果可评估
通过教师管理端轻松的管理多台训练模拟机，动态的分配训练任务。培训及考试结果可直接传送至数据库，系统进行统计评估并记录打印。老师可以对学员整个焊接培训过程进行追踪评定，并可随时将历史焊接数据进行调档查看及焊接录像回放。
17、理论与实践一体化
系统提供比较完善的理论知识体系进行学员的理论知识培训。
以视频、文字、图片形式展示，可对焊接训练的理论知识进行详细的学习和巩固
六、功能说明
LGM-HVR02型焊接模拟器是能让学员在高度仿真的模拟环境下进行焊接技能的高效训练，让训练者能够感受到真实的焊接过程。
该产品可以有效地和周围真实的环境进行互动，让训练者处于高度逼真的环境中，有效促进操作者完全投入到当前的任务中。焊接训练模拟技术适用于新一代焊接人员的培训和焊接就业教育，在一般的培训教室即可进行培训工作。对于有经验的训练者，本产品系统提供高训练平台，通过视觉、听觉和触觉来操作完成一个好的焊缝；并且，本产品可以精确地测量到操作信息，训练者可以从中学到要点并能简便有效地将这些焊接技能转化到实际的焊接工作中。
1、适用性广：
（1）多种焊接工艺。本实训设备可以模拟训练多种焊接工艺，其中包括：
1）焊条电弧焊模拟训练系统
焊条电弧焊模拟训练系统可模拟焊条与工件互相熔化并在冷凝后形成焊缝，从而获得牢固接头的焊接过程的模拟系统。本系统可进行酸性焊条J422（Φ2.5、Φ3.2、Φ4.0）、碱性焊条J507（Φ2.5、Φ3.2、Φ4.0）的多种训练，并可对焊件进行平焊、立焊、横焊和仰焊等多种不同位置的焊接训练。训练者在手工焊接操作时可看到焊缝熔池实时生成，训练者的手工操作直接影响到了熔池成形的结果，并由系统进行实时的专家评定焊接缺陷，以便训练者了改进焊接手法，以达到焊条电弧焊训练效果。
2）CO2气体保护焊模拟训练系统
CO2气体保护焊模拟训练系统可模拟以二氧化碳气体作为电弧介质，保护金属熔滴、焊接熔池和焊接区高温金属的一种熔焊模拟系统。本系统可选用药芯焊丝YJ502、YJ507、YJ507CuCr、YJ607、YJ707；自保护焊丝：直径Φ1.0、Φ1.2、Φ1.6。并可对焊件进行平焊、立焊、横焊和仰焊等多种不同位置的焊接训。训练者在手工焊接操作时可看到焊缝熔池实时生成，训练者的手工操作直接影响到了熔池成形的结果，并由系统进行实时的专家评定焊接缺陷，以便训练者改进焊接手法，以达到CO2气体保护焊训练效果。
3）氩弧焊模拟训练系统
氩气体保护焊可模拟200A/mm2左右的高强度电流密度效果，焊接过程中系统可体现氩弧焊燃烧稳定、热量集中、熔滴细小、飞溅少的使用特点。并可对焊件进行多种不同位置的焊接训。训练者在手工焊接操作时可看到焊缝熔池实时生成，训练者的手工操作直接影响到了熔池成形的结果，并由系统进行实时的专家评定焊接缺陷，以便训练者了改进焊接手法，以达到氩弧焊训练效果。
4）焊接机器人模拟示教操作系统
学习焊接机械人知识、体验机械臂操作、通过仿真示教器在操作平台上进行轨迹焊接示教、操作轨迹焊接实训。
（2）三种焊枪、机器人仿真示教器。本实训设备包含以下三种焊枪：焊条电弧焊枪、CO2气体保护焊枪及氩弧焊枪。
（3）多种接头（焊件）形式。本实训设备可以设置多种焊接接头形式，有平直槽、T型接头、开坡口接头、管道接头等。
（4）多种焊接位置。本实训设备有独立的操作台，可以在虚拟场景中灵活地调节多种焊接位置，让训练者无障碍进行平焊、立焊、横焊、仰焊等多角度焊接位置训练。
2、技术创新：
（1）精准定位技术
精确捕捉训练者操作时的焊枪姿态数据，如角度、速度、距离等，记录分析其操作柜机，精确的焊位信息所创建的评分记录，可以帮助训练者提高技能，快速转化为实操能力。并且，在真实物理存在的试件上进行焊接操作，用户可以感受到现实焊接中的各类触觉感受，这极大地增强了模拟的真实性。可模拟要将电极与母材接触的焊接工艺，比如用焊条焊接管根部焊道时用到的拖焊技巧。
（2）实时同步的触碰感和力反馈感
所有的实物焊件能提供真实的触碰力反馈效果，配合系统精准的空间定位技术让受训者感受到真实的物理空间与虚拟训练空间一致的触碰感及反馈感。
（3）操作零延时实时操作体验
本系统采用高达120Hz动作采集传感器及先进的显示设备让受训者在虚拟空间中的操作零延时响应，实现“精准快速”、“指哪焊哪”的操作感，受训者使用焊枪操作无丝毫滞后感，仿真度极大提高。
（4）实时学员训练辅助功能
焊接模拟器在学员进行训练时，在VR主控机的显示器及VR焊接头盔中都会显示与正在训练项目相关的辅助功能，焊接设备界面为学员提供如下内容：
1）当前焊接设备的设定参数：工艺选择、送丝速度、电流/电压、极性、保护气选择及流量；
2）焊接动作：整理焊丝、更新焊条、熄灭电弧、清理焊渣。
这些辅助功能显示，可以让学员快速的掌握运弧时的手法，及时的调整纠正在运弧时手部动作、移动速度、行走角度、干伸长度等重要细节，在焊接完成时系统会马上对整个焊接过程参数进行错误标记，让学员直观的了解自己的不足，同时这些参数将会被传送至学员数据库中，以便在日后进行反复学习和研究。
（5）iTrue真实的焊接熔池模型技术
此技术通过计算机模型生成了生动真实的熔池，焊接操作直观，可以让操作者学习“看懂熔池”；模拟焊接时的火花、焊渣、打磨（在管子上）以及焊接冷却的过程，并且可模拟当不良焊接手法操作时所形成的缺陷焊缝。
（6）焊接录像可共享与随时回放
老师与学员的焊接录像可通过网络分享给其它任意学员进行回看，同时优秀的焊接录像还可下载导入模拟机中进行实时对比焊接学习及训练。
（7）实时广播教学模式
老师能在模拟器上进行广播教学，实时的焊接画面会同步到培训教室的每一台学员机上，以方便学生进行焊接观摩学习。学员可将老师的焊接过程同步到自己的学员机上，以实时学习老师的焊接手法，达到“手把手”教学模式。
（8）3D立体视觉焊接模拟
本产品使用3D立体视觉进行焊接模拟训练，与现实中人用双眼来进行空间位置的识别一样，受训者通过立体头盔显示的立体画面可以直观的识别到枪与焊件的空间距离，这种立体视觉训练符合人类视觉定位的传统经验让训练真实度极大提高。
3、节能环保：
（1）无需消耗焊件焊材。该实训设备属绿色节能环保产品，训练的过程中无需焊接耗材即能提升操作者焊接水平。
（2）无强电磁污染。
（3）无化学、光学污染。
4、丰富的系统课程
模拟系统提供了不同的系统课程功能，分为基础、初级、中级、高级四个等级进行训练和考核，从最初级的运弧手法课程到高级的圆道焊接课程都有着详细的焊接项目供学员进行培训。基础课程包含：引弧、收弧、直线运条、直线往返运条、锯齿形运条、月牙形运条、正三角形运条、斜三角形运条、圆形运条。
课程包含有虚拟以12mm特厚实物焊板进行专业焊接课程学习，可进行多层多道焊，单面焊双面成形实操模拟训练。
5、培训效果可评估：
（1）实时可视的操控信息反馈。本产品具有可视标记功能，可实时提供训练者实时的焊接操控信息反馈。
（2）虚拟焊缝的实时检测指导。本产品具有实时检测指导功能，当训练者在焊接的时候，或对焊成的焊缝进行外观检查时可以使用教师辅助显示屏。该功能可以形象地检查出焊缝的气孔、咬边及焊道分布等。
（3）训练者操作技能的实时评估。该产品可以设置焊接技能标准，根据训练者操作焊成的每一焊缝进行测评，并能根据虚拟的焊缝评估确定潜在的缺陷范围和可视标识。
6、升级功能：该系统具有升级功能，并且提供终身免费升级服务。
7、教师端管理系统功能说明
教师端管理系统是焊接模拟器的教师服务器控制端，能够监控学员的实训设备训练的状态及数据，可远程管理多台实训设备，管理学员注册及登录，管理学员训练的数据结果并可随时抽取查看，进行教学演示，实时训练成本估算等。
（1）功能说明表
教师端管理系统功能表

1	基本功能	通过教学控制机可以同时实现单个或多个终端学员机的控制与监控，并可以对学员进行全面的管理，如：年级、专业、班及、学员及成绩，作业操作回放等。
2	理论教学功能	建立标准作业库，既可作为学员机训练的参考也可以做校内网上的多媒体课程资源，供学生进行网路学习。
3	任务设定功能	教师机能够实现远程对学员机开关机、任务设置与终止，并可以按学员等级进行不同阶段的训练难易设定，以便对学员循序渐进的培训，从易至难的过程。
4	考核评定功能	系统在考试完毕后可立即生成考试结果及评定，并上传至数据库进行长期保存，可随时进行查询、打印。
5	扩展功能	教师可通过教学投影设备可以进行理论知识的教学及标准操作录像回放，并可以随时调取学员训练记录进行重现、查看。

（2）具体功能说明
教师端管理系统有下述功能：
1）监控，选择虚拟焊接设备，向其发送训练或考试任务。每台设备应可以接受不同类型的课程，或进入不同的模式。
2）课程设计，可以对课程内容进行设置，应包括：课程名称、任务等，并可方便的添加和删除。应可以查看课程信息：选择一个节点，显示出该节点的详细信息。
3）任务设计，可以对任务内容进行设置，包括：任务名称、目的、焊机类型、接口类型、焊接位置、坡口类型和母材厚度等。在选择一个操作节点时，可显示出该节点的详细信息。
4）学生管理，可新建年级、新建专业、新建班级、新建学生、修改学生信息、删除信息等。
5）成绩管理，可以查看所管理班级的课程成绩单、学生考试成绩单、任务详细成绩单。能以文字报告、焊接参数曲线，显示训练结果。
6）系统设置，可修改登录密码、设置公差等级等具体参数。
7）网络连接：系统采用千兆网络通讯技术实现网络化，提高培训效率；应用便捷、移动方便、管理灵活。等等。
（2）管理员功能
系统可以实现对虚拟焊接实训设备的管理、教师管理、学生管理、成绩管理、课程设计、任务设计、实训设计和安排等功能。
七、配置清单
1、单工位配置清单

编号	设备名称	性能及技术要求	数量	单位
硬件系统
1	主设备柜	模拟真实焊机主机，包括仿真计算系统、位置传感器及其计算系统、焊板芯片系统；主机上按真实物理存在的旋钮进行电流电压等参数的设置	1	个
2	训练工位	一台设备提供一个焊接操作工位	1	个
3	多通道高速USB数据采集器(独立驱动)	高速采集位移及角度，焊枪动作等数据，采集帧率>=120HZ	1	个
4	光学定位总成	空间位置测量模块及其系统总成，空间测量动态精度<=1MM,空间测量范围>=2000MM	1	套
5	虚拟现实视觉系统	视频眼镜重量小于500克, 增强现实头盔具有5寸显示屏，显示效果不低于720P清晰度。头盔的实时位置采集活动范围不小于1立方米	1	个
6	六轴角传感终端	具有六方位角度测量功能，测量动态精度<=0.05度	1	套
7	增强现实焊枪	GMAW二保焊、GTAW氩弧焊、SMAW手工电弧焊三种真实焊枪操作终端，焊接操作过程中具有有空间力反馈感	3	把
8	音响系统	2.1声道，模拟各类作业环境音效	1	套
9	焊板	各种坡口，各种真实材质焊板，为同等材质金属焊件，不用塑料件或其他材料取代	1	套
10	教员管理平台	CPU:：i5；内存：4GB 硬盘： 500G的数据盘；显卡：NVIDIA 专业显卡 1块；电源：高性能金牌认证电源；操作系统： Windows 7	1	套
软件系统
10	焊条电弧焊模拟训练系统	支持酸性焊条J422（Φ2.5、Φ3.2、Φ4.0）；碱性焊条J507（Φ2.5、Φ3.2、Φ4.0）各种手工焊条焊操作训练	1	套
11	CO₂气体保护焊模拟训练系统	支持CO₂气体保护焊：药芯焊丝YJ502、YJ507、YJ507CuCr、YJ607、YJ707.；自保护：焊丝直径Φ1.0、Φ1.2、Φ1.6	1	套
12	氩弧焊模拟训练系统	氩气体保护焊可模拟200A/mm2左右的高强度电流密度效果，焊接过程中系统可体现氩弧焊燃烧稳定、热量集中、熔滴细小、飞溅少的使用特点	1	套
13	教员端培训管理系统	在后台进行模拟器的参数设定、考试训练管理、实时控制模拟机、学员的注册、登录、查询成绩、录像存储回看等管理功能，	1	套

2、双工位焊接模拟器硬件配置清单（单台）

编号	设备名称	性能及技术要求	数量	单位
硬件系统
1	主设备柜	模拟真实焊机主机，包括仿真计算系统、位置传感器及其计算系统、焊板芯片系统；主机上按真实物理存在的旋钮进行电流电压等参数的设置	1	台
2	训练工位	一台设备提供两个焊接操作工位,可同时进行模拟训练	2	个
3	多通道高速USB数据采集器(独立驱动)	高速采集位移及角度，焊枪动作等数据，采集帧率>=120HZ	2	套
4	光学定位总成	空间位置测量模块及其系统总成，空间测量动态精度<=1MM,空间测量范围>=2000MM	2	套
5	虚拟现实视觉系统	视频眼镜重量小于500克, 增强现实头盔具有5寸显示屏，显示效果不低于720P清晰度。头盔的实时位置采集活动范围不小于1立方米	2	套
6	九轴角传感终端	具有九方位角度测量功能，测量动态精度<=0.05度	2	套
7	增强现实焊枪	GMAW二保焊、GTAW氩弧焊、SMAW手工电弧焊三种真实焊枪操作终端，焊接操作过程中具有有空间力反馈感	2	套
8	仿真示教器	具有能通过实物仿真示教器模拟操作焊接机器人功能	2	套
9	音响系统	2.1声道，模拟各类作业环境音效	1	套
10	焊板	各种坡口，各种真实材质焊板，为同等材质金属焊件，不用塑料件或其他材料取代	1	套
11	教员管理平台	CPU:：i5；内存：4GB 硬盘： 500G的数据盘；显卡：NVIDIA 专业显卡 1块；电源：高性能金牌认证电源；操作系统： Windows 7	1	套
软件系统
10	焊条电弧焊模拟训练系统	支持酸性焊条J422（Φ2.5、Φ3.2、Φ4.0）；碱性焊条J507（Φ2.5、Φ3.2、Φ4.0）各种手工焊条焊操作训练	1	套
11	CO₂气体保护焊模拟训练系统	支持CO₂气体保护焊：药芯焊丝YJ502、YJ507、YJ507CuCr、YJ607、YJ707.；自保护：焊丝直径Φ1.0、Φ1.2、Φ1.6	1	套
12	氩弧焊模拟训练系统	氩气体保护焊可模拟200A/mm2左右的高强度电流密度效果，焊接过程中系统可体现氩弧焊燃烧稳定、热量集中、熔滴细小、飞溅少的使用特点	1	套
13	焊接机器人模拟示教操作系统	学习焊接机械人知识、体验机械臂操作、通过仿真示教器在操作平台上进行轨迹焊接示教、操作轨迹焊接实训	1	套
14	教员端培训管理系统	在后台进行模拟器的参数设定、考试训练管理、实时控制模拟机、学员的注册、登录、查询成绩、录像存储回看等管理功能。	1	套

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