仿真焊接培训系统技术实施方案

十、货物名称、型号、规格、数量、性能、内部配置、使用

原材料，引进新技术、新工艺、新材料等的情况

10.1焊接模拟器技术方案

10.1.1系统概述

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、

氧弧焊模拟训练系统。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，可以让训练者能够感受到真实的焊接过程。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，可有效促进操作者完全投入到当前的

任务中。

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，技术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)单台单工位型焊接训练模拟器实训设备占地要求为长3米,

宽2.5米，高2米。

10.1.2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。

焊接模拟器技术原理图

10.1.3视景仿真系统结构

焊接模拟器视景仿真系统结构图

各个模块应具有的功能如下：

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。

10.1.4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、氤弧焊。

其中手工焊条焊还配有实时的电机系统动态模拟焊条融化缩短效果。

3、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。

4、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。

5、全球首款3D立体视觉焊接模拟

本产品为全球首款使用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。

6、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。

7、”手把手，，引导学习模式

学员在进行焊接训练前可以进行“手把手”的引导学习模式，可以在虚拟的焊

接场景中看到系统提供的虚拟“引导焊枪”，学员只需跟随“引导焊枪”进行焊接操

作，就好像有老师对其“手把手”进行引导焊接手法训练。

8、3D焊接录像可分享及学习

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。

9、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。

10、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。

11、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。

12、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。

13、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。

14、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。

15、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。

10.1.5功能说明

焊接模拟器功能简介

焊接模拟器是我公司自主研发的虚拟仿真焊接训练产品。该产品能让学员

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。

虚拟焊接仿真系统功能图

VR支架

灵活调节的工作台,可适应焊接

训练者的多种作业姿态

VR母接头片

3D效果的饵接头盔,让视觉与听觉

和漉统一,使训练者有身唯其境的

感觉

VR饵检

育手工痒,C02气体保护屏及H级异

三种焊枪,可以访塔.实际饵条电匏饵

（SMAW）.气依俣护焊（GMAW、

FCAW）多种操作技能

VR«tt

基于所选饵条的河类.控制焊条

的融化速度.训练手感

VR主控制器

虎掠倬接系统的款疆件控制中心

焊接模拟器组成图

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焊接模拟器与传统的焊接训练相比，具有以下优点:

一、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，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

（①2.5、①3.2、04.0）＞碱性焊条J507（中2.5、①3.2、①4.0）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）CO?气体保护焊模拟训练系统

CO?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：直径中1.0、①1.2、

由1.6。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，以便训练者了改进

焊接手法，以达到C0,气体保护焊训练效果。

3）氤弧焊模拟训练系统

氮气体保护焊可模拟200A/mm2左右的高强度电流密度效果，焊接过程中系

统可体现氮弧焊燃烧稳定、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，以达到氤弧焊训练效果。

2、三种焊枪。本实训设备包含以下三种焊枪：焊条电弧焊枪、CO2气体保

护焊枪及氯弧焊枪。见下图:

焊条电弧焊实物焊枪co?气体保护焊实物焊枪氮弧焊实物焊枪

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和可调高度及角度的横臂，

可以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。如下图：

烽接操作台可般至远离焊接位置90.45和0度的横臂角度

以体皖实际埠培时的感受适合于2G.5G和6G的管道焊接位置

二、技术创新:

1、iMotionCap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。

iMotionCap定位功能

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，具体参数如下：

训练辅助功能

2.岸接设备界而为学员提供如下内容:

当前焊接设缶的设定参数:

工艺选择、送丝速度、电流/电压、极性、保护气

选择及潦R.

焊接动作：

费理炜丝、更新饵条、熄灭电弧.清理仰渣.

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。

熔化过程见下图：

6、“虚拟教师-叠影”技术

焊接模拟训练，操作分两个阶段进行。

(1)第一阶段：手感训练阶段。该阶段训练方式是用“虚拟教师-叠影”

技术作为操作指导，给训练者示范其在训练中应保持的最佳焊接速度、焊枪与工

件距离、焊枪角度等焊接姿态和手感，以红绿影像警示和逼真的焊接声效及时反

馈给训练者,提示焊接速度和焊枪位置是否准确，便于训练者在操作时及时修正。

(2)第二阶段：仿真训练阶段。该阶段展现真实的焊枪和工件，无“叠影

虚拟教师”的指导。

模拟器训练系统创立真实的焊接环境，让训练者在没有“叠影教师”指导

下的真实条件中实训。训练者可以自己设置适合的焊接参数进行练习，这种模式

确保能够带来高品质的训练效果。

对不同的训练者，系统能清晰客观地作出评估，自动生成成绩排行榜，就

像在电脑游戏中竞赛，使训练变得更加有趣。

7、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。

8、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。

9、全球首款3D立体视觉焊接模拟

本产品为全球首款使用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。

三、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。

四、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。

五、丰富的系统课程

模拟系统提供了不同的系统课程功能，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。

引弧、收弧、运弧；直线运弧法；弧线绘制；标准弧线；人工弧

基础课程线；弧线比较；直线往复运弧法；锯齿形法；月牙形法；正三角

法；斜三角法；正圆圈形法；斜圆圈形法

焊条电弧焊

厚度6=8~12mm低碳钢板或低合金钢板角接接头；

厚度6=812mm低碳钢板或低合金钢板T形接头焊接；

厚度626mm的低碳钢板或低合金钢板对接平焊；

管径①260mm的低碳钢管水平转动对接焊；

初级课程

熔化极气体保护焊

低碳钢板或低合金钢板的角接；

T形接头熔化极气体保护焊；

低碳钢板或低合金钢板平位对接的熔化极气体保护焊（双面焊或

背部加衬垫）

焊条电弧焊

管板插入式或骑座式焊接的单面焊双面成型；

厚度526mm低碳钢板或低合金钢板的对接立焊单面焊双面成型；

厚度626mm低碳钢板或低合金钢板的对接横焊单面焊双面成型；

管径①276mm低碳钢管或低合金钢管的对接水平固定、垂直固定

或45°固定焊接；

中级课程

熔化极气体保护焊

厚度8=8~12mm低碳钢板或低合金钢板横位或立位对接的熔化极

气体保护焊（单面焊双面成型）；

管径中=76~168mm低碳钢管或低合金钢管对接水平固定和垂直固

定的二氧化碳气体保护焊；

低碳钢板或低合金钢板气电立焊；

焊接模拟器实物图见下:

焊接模拟器实物图

功能表

单工位型焊接模拟器功能表

功能功能详细说明

通过焊机主机上的旋钮（真实物理存在的，非软件

1实现电流、电压参数的设置

模拟）进行设置

通过物理真实焊板配合系统选取进行不同的焊接

2焊板选择

工艺训练

3焊材选择可选择市场通用的多种焊材

通过光学跟踪技术进行焊板、焊枪、头盔的定位与

4定位系统

空中姿态捕捉，采样率不低于120hz

提供干伸长度，弧长、焊枪与构件角度、焊枪与焊

5焊接过程中实时数据显示缝角度、焊枪速度、摆动曲线、电流、电压等实时

数据

学员可以通过教学网络进行数据查看自己的成绩

6辅助功能和评定，并可以查看自己的焊接操作回放。可进行

理论知识的学习及相关训练项目资料的动态查询。

10.1.6配置清单

单工位型焊接模拟器（单台）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

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

1设备主机1个

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

一台设备提供一个独立焊接操作工

2训练工位1个

位，

多通道高速USB数

高速采集位移及角度，焊枪动作等数

3据采集器（独立驱1个

据，采集帧率＞=120HZ

动）

空间位置测量模块及其系统总成，空间

4光学定位总成测量动态精度空间测量范1套

围＞=2000MM

5虚拟现实视觉系统视频眼镜重量小于100克1个

具有六方位角度测量功能，测量动态精

6六轴角传感终端3个

度＜=().05度

模拟真实焊枪，MMA电弧焊有焊接操作

手感(起弧具有粘连力反馈感，起弧、

运弧、收弧过程中有空间力反馈感。)；

7增强现实焊枪3把

MIG熔化极气保焊提供喷气、出丝等手

感；焊枪焊嘴部分为真实焊枪的金属焊

嘴部件

8音响系统2.1声道，模拟各类作业环境音效1套

各种坡口，各种真实材质焊板，为同等

9焊板材质金属焊件，不用塑料件或其他材料4套

取代

软件系统

支持酸性焊条J422(①2.5、03.2,

焊条电弧焊模拟训

10①4.0)；碱性焊条J507(①2.5、①3.2、1套

练系统

04.0)各种手工焊条焊操作训练

支持C0?气体保护焊：药芯焊丝YJ502、

COz气体保护焊模拟

11YJ507、YJ507CuCr、YJ607、YJ707.；1套

训练系统

自保护：焊丝直径中1.0、中1.2、01.6

氤气体保护焊可模拟200A/mm2左右的

僦弧焊模拟训练系高强度电流密度效果，焊接过程中系统

121套

统可体现氤弧焊燃烧稳定、热量集中、熔

滴细小、飞溅少的使用特点

10.2教师端管理系统技术方案

10.2.1系统概述

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。

10.2.2教师端管理系统与焊接模拟器组合方式

教师端管理系统与焊接模拟器是采用网络管理方式，即单台管理系统可动

态的管理多台实训设备，即可以同时监控实训数据并控制多个实训设备的注册、

练习、考核、焊接录像等功能，也可以点对点的方式对单台实训设备进行训练状

态的监控和控制，可以将任意学员的实训焊接信息在管理系统上进行再现，教师

可通过教学投影设备对多个学员教学讲解及管理系统内容的推送，并也将学员的

数据信息及操作内容连接至远程的校园网络及互联网络。

具体功能如下图:

培训中心管理系统结构

焊接培训中心全局展示图

10.2.3功能说明及系统界面

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。

教师端管理系统功能表

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

1基本功能

理，如：年级、专业、班及、学员及成绩，作业操

作回放等。

建立标准作业库，既可作为学员机训练的参考也可

2理论教学功能以做校内网上的多媒体课程资源，供学生进行网路

学习。

教师机能够实现远程对学员机开关机、任务设置与

3任务设定功能终止，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。

系统在考试完毕后可立即生成考试结果及评定，并

4考核评定功能上传至数据库进行长期保存，可随时进行查询、打

印。

教师可通过教学投影设备可以进行理论知识的教

5扩展功能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。

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教师端管理系统学员管理界面

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教师端管理系统训练参数设置界面

10.2.4配置清单

教师端管理系统配置清单表

教师设置及监控计工业控制型计算机，CPU：i5,内存；

11套

算机（含显示器）4G；硬盘容量500G

2音响系统2.1声道，模拟各类作业环境音效1套

分辨率不小于1024*768,亮度不低于

3教学投影设备1台

3500流明。

4幕布100寸电动1套

5打印机A4激光打印机1台

6无线网卡TP-LINK1套

、质量保证措施

11.1项目管理

由于项目实施涉及的技术相对复杂，为了保证整个项目圆满完成并顺利投

入使用，项目的实施必须在保证整个系统的质量、安全性、可靠性的前提下迅速

完成。为了完全满足客户对实施的要求，我们所组成的开发和实施队伍将严格遵

照如下原则：

(1)保证质量：本项目中所有的实施工作必须在保证系统高质量的前提下

完成。将遵从IS09001质量认证体系及软件能力成熟度模型(CMM),