[发明专利]面向绿色施工的虚拟焊接烟尘仿真方法

说明书

本发明涉及一种面向绿色施工的虚拟焊接烟尘仿真方法，针对焊接烟尘的性质，提出适于焊接烟尘仿真的涡动力模型，并求解该涡动力模型，在焊接烟尘涡动力模型的基础上，绘制虚拟焊接烟尘。本发明能够提高焊接烟尘仿真的真实感。

技术领域

本发明涉及虚拟焊接技术领域，特别是一种面向绿色施工的虚拟焊接烟尘仿真方法。

背景技术

总体上讲，虚拟焊接培训系统的技术特点是采用计算机图形学、数据采集与处理相结合的方法，引进了VR外围设备技术，结合计算机语言和动画技术，实现对焊接过程的模拟与仿真。

虚拟焊接培训系统集成了一些高成本的VR外围设备，如头盔显示器、3D眼镜、数据手套、触觉设备以及6自由度跟踪系统等。VR TEX 360将虚拟现实技术和可视化硬件设备进行虚实结合，设计了可以手动设置焊接设备参数的模拟焊机，可以实现焊枪在不同焊接接头、不同焊接结构和不同焊接位置的全位置检测，并在试板上产生熔池凹陷和焊缝生长过程。Fronius和CSWAVE以及HTS等培训系统的可视化硬件和虚拟软件结合还不成熟，焊接参数的调节只能在软件上来进行设置，Fronius和CS WAVE采用触摸屏技术，直接将屏幕作为焊接试板，HTS将导电玻璃作为焊接试板，只能实现平焊、横焊、立焊和仰焊，焊枪的空间位置检测技术还不成熟，在人机交互性和沉浸感上还有待提升。

虚拟焊接场景的设计主要是利用高级编程语言并结合VRML，OpenGL，Pro/E，3DMAX建模工具，有限差分逼近法以及神经网络模型来实现。虚拟场景中包括焊接试板，焊枪，焊条(焊丝)，熔滴过渡、熔池凹陷，焊缝成形，弧光，飞溅火花和烟雾等。西安交大开发的HTS系列，采用OpenGL语言在VC++平台上进行三维场景设计，利用网格法建立熔池焊缝模型，双椭球型热源模型建立焊接温度场以及粒子系统构建烟雾和飞溅效果，再现了焊条电弧焊焊接时的场景。ARC+在场景中绘制了与焊接方法相匹配的各种虚拟焊枪，采用虚拟动作捕捉系统实现了焊接过程中的熔滴过渡，焊缝成形效果逼真。天津大学和香港大学系统场景中焊缝的建模采用简单几何体堆积的方式，缺乏逼真性。

综上所述，目前有几家单位对虚拟焊接进行了研究，但大多缺乏真实感，而烟尘是虚拟焊接中关键的仿真对象之一，烟尘的真实感仿真对于虚拟焊接的整体真实感是至关重要的，现有烟尘仿真都是基于现有的粒子系统，而未充分考虑到焊接烟尘自身的特点。

焊接烟尘是由金属及非金属物质在过热条件下产生的蒸气经氧化和冷凝而形成的。因此电焊烟尘的化学成分，取决于焊接材料(焊丝、焊条、焊剂等)和被焊接材料成分及其蒸发的难易。焊接烟尘的特点有：(1)焊接烟尘粒径小，烟尘呈碎片状，粒径为0.38μm左右。(2)焊接烟尘的粘性大，随着温度和湿度的变化在空中飘浮。通常在焊接操作过程中，焊接烟尘飘浮在远离车间地面高3～5m之间。(3)焊接烟尘的温度较高，通过空气和排风管道的稀释为40～55℃。(4)焊接过程的发尘最大，一般来说，1个焊工操作一天所产生的烟尘量约60～150g。

焊接烟尘跟普通的烟雾有明显的差别，现有的虚拟焊接都采用粒子系统来对焊接烟尘进行仿真，现有粒子系统是针对普通的烟雾展开研究的，因而未能充分考虑到焊接独自的特征，在仿真的真实感上面将有所欠缺。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种面向绿色施工的虚拟焊接烟尘仿真方法，能够提高焊接烟尘仿真的真实感。

本发明采用以下方案实现：一种面向绿色施工的虚拟焊接烟尘仿真方法，针对焊接烟尘的性质，提出适于焊接烟尘仿真的涡动力模型，并求解该涡动力模型，在焊接烟尘涡动力模型的基础上，绘制虚拟焊接烟尘。

进一步地，所述针对焊接烟尘的性质具体为：将粉尘各个位置点的特征采用以下四个属性来表示：

压力：压力是指对于放入烟尘中的物体所受到的烟尘的法向力；

粘度：烟尘同样有剪切力，粘度是指烟尘抵抗形变的能力，浓稠的烟尘的粘度大，稀薄的烟尘粘度小；