摘要：侧墙是高速列车车体的主要构成部分，由于其焊接工艺复杂、专业设备昂贵，因此企业需要不断培养技术熟练的员工来满足生产要求，但常规的人员现场培训方法会占用专业的生产设备，降低企业生产效率，难以达到良好的培训效果。为了满足企业对专业焊接人才培养及培训的需要，基于虚拟现实技术，通过3ds Max建立焊接车间及装卡工具模型，采用LOD技术降低内存占用。依靠Unity3D虚拟现实引擎搭建仿真环境，采用C#编程语言开发系统功能，并应用包围盒算法优化焊接过程演示。参照铝合金侧墙焊接工艺流程，开发完成高速列车侧墙焊接虚拟现实系统。实践表明，所开发的系统包含知识考核、操作交互、结果展示等功能，具有较好的实用性、可视性及沉浸感，能够有效满足高速列车制造人员训练要求，同时保证培训期间企业生产效率，降低了事故发生的概率。

　　关键词：虚拟现实；高速列车；侧墙；焊接模拟

　　0引言

　　高速列车中间车车体主要由两侧侧墙、两个端墙、车顶与底架组焊而成。侧墙作为车厢的主要结构部件，能够提供稳定的支撑和强度，确保整个列车在高速行驶过程中的结构稳定性。同时侧墙作为列车车厢的外围边界，它能够隔离车厢内部与外部环境，降低意外伤害风险，其焊接质量直接影响列车使用寿命，因此通过提高焊接工人的技术水平进而提升侧墙焊接质量对于列车的稳定性和安全性具有至关重要的作用，企业生产当中更需一种高效、安全的培训方法。

　　近年来我国开展了虚拟现实技术在各领域中的研究，本文参考了高速列车领域虚拟现实技术的相关应用。针对高速列车车体焊接培训的复杂性、专业性，开发虚拟现实培训系统，依靠其高沉浸感、交互感的特点来弥补传统培训方式效率低及安全性差的短板。

　　当前高速列车车体结构需要采用轻量化的材料，6005A-T6铝合金拉伸型材能够满足车体强度及刚性要求，因此常用来制造高速列车侧墙。MIG焊是侧墙铝合金型材的主要焊接方法，其焊接工艺及自动化水平已较为成熟。MIG焊又称为熔化极惰性气体保护焊，其使用熔化电极，以外加惰性气体作为电弧介质，保护金属熔滴、焊接熔池和焊接区高温金属，进而避免产生焊接缺陷。

　　高速列车的车体焊接是一项技术要求较为严苛的工作，在焊接过程中需考虑型材在工装夹具上正装、反装等定位工作，综合运用从里向外焊和从外向里焊、对称焊和不对称焊等多种焊接方法，以达到控制焊接变形的目的。同时，焊接工艺参数如：焊接电流、电压以及焊接速度，对焊接质量和焊接残余应力、焊接变形的控制至关重要。本文开发高速列车侧墙焊接虚拟现实系统，以用虚拟现实可视化的方法展示专业焊接工装设备、相关焊接工艺流程为目的，既实现了对专业操作人员的高效教学培训，又不影响企业正常生产，进而提高生产效率。

　　1系统三维模型建立

　　高速列车侧墙焊接虚拟现实系统由Unity3D开发，其中车间场景、焊接设备等都需要建立模型后导入到Unity3D中进一步实现各种需求，同时在虚拟现实环境中进行基于实景的建模要考虑3个方面问题：逼真性、实时性、可控性。3ds Max是市面上构建模型与Unity3D结合较为流畅的一款3D建模软件，相比于其他软件，3ds Max所构建模型点、面数相对合理并可控，不会造成计算机资源占用量过大。运用3ds Max软件创建三维模型的方法多种多样，需要结合具体情况，选择合适的方法进行建模，在系统开发过程中大致可采用两种建模方法，模型构建技术路线如图1所示。

　　1.1由二维模型挤出3D模型

　　在有详细数据的二维建造图纸的情况下，可以将相应格式的图纸如AutoCAD的dwg格式文件导入到3ds Max中。将CAD软件中的平面图形导入到3ds Max当中，能够更加方便拾取轮廓，或选择图纸线条以其为基准使用样条线工具绘制其轮廓，再将所需进行三维建模的封闭样条线归纳成组，对样条线组添加挤出修改器，调整挤出高度为所需数值，便可构建出三维立体模型。将三维模型转变为可编辑多边形后，便可编辑其点、线、面的位置及布局，点线面建模较为直观，操作者可直接进行点的定位，进而修改细节部位以达到建模要求。以此种方法得出的模型尺寸较为精确，可适用于对尺寸要求较高的模型的建立。开发系统时的车间模型选择此种方法进行建模，如图2所示。

　　在缺乏具体建模数据的情况下，则可采用描绘模型边缘后挤出的方法进行建模。利用其他三维建模软件如SolidWorks、Maya等所建造的模型，对模型剖面或断面视角进行截图，抑或截取相关文献中对某设备、材料部件进行描述的图片。在3ds Max建立一模型真实轮廓尺寸的Vray平面，在平面材质中插入精确模型剖面截图或图纸图片，以顶视图角度俯视平面，选择3ds Max的样条线工具，在图片模型的边缘勾勒出其轮廓与细节。将轮廓样条线归类为一组，同时保证样条线间的闭合，再为样条线组采用同样操作进行挤出。以高速列车侧墙为例，调整图片与模型坐标轴方向一致，由样条线轮廓挤出侧墙模型，挤出高度为侧墙板材长度，再由布尔运算取差集裁出车门与车窗，如图3所示。

　　此方法可较为准确地勾画出模型轮廓，且尺寸相对准确，虽然不能100%还原物体的几何尺寸，但仍可以较真实地构建模型的细节，用这种方法建立的模型可在后期导入Unity3D中进行运动编辑时节约计算机内存空间，避免出现系统卡顿、操作延时等问题出现，提升用户体验感。

　　1.2利用3ds Max独立构建模型

　　在没有图纸或其他细致参考内容进行建模的情况下，若模型具有简单的几何形状则可利用软件给出的基本几何体和拓展几何体，首先确定其大小尺寸，再通过移动、缩放、旋转等命令将所需的几何元素构建堆叠出要构建的模型。若模型较为复杂，则需在叠加基础几何体的基础上对其添加修改器，修改其点、线、面的布局位置进而得到想要的形状，然后增加一个平滑网格修改器，以实现对表面的平滑度提升。在模型结构建立完成之后，想要使模型在Unity3D中显示得更为真实，则需要为模型添加材质，利用Vray渲染器调整其漫反射、全反射颜色；为模型添加具有真实阴影质感的贴图；以及用Vray渲染器中的全局光照明给模型环境增加真实光照反馈，模拟现实中的直接光照与间接光照，综合考虑场景中整体光照效果与物体之间的光照影响。

　　2三维模型简化技术

　　由于不同软件格式导入到3ds Max中会导致模型结构的面片数、边面数、顶点数大量增加。以SolidWorks与3ds Max为例分别建立惰性气体气瓶模型，其模型点、面数与3ds Max模型对比如表1所示。

　　为节约计算机内存资源，需要简化原始模型，即在保证不改变原模型拓扑结构的前提下，采用适当的算法减少模型的面片数、边数和顶点数。构建车间环境时需要将众多模型合并到同一场景中，此时对模型进行各种操作会导致计算机需加载各个模型的各面并因此占用极大内存资源，所以需对模型结构进行简化。首先可删除由于添加修改器后产生的不必要的点和线，其次对于距离非常接近的顶点或边缘线可以选择Merge Vertex工具将相邻顶点及边线合并或删除。如图4所示，气瓶圆柱形主体可只保留一定数量纵线以维持其外形圆润度，横线可只保留两端衔接处，使外形边界处细节处理合理。对于细节较多的模型可采取使用贴图来还原细节部位，在保持其真实外观的同时减少了内存占用，若一些模型材质类似，则可将类似材质合并为一种将其多次添加。在大场景中需要不断移动视角时可使用LOD(Level of Detail)技术，创建多个细节不同模型来显示不同观察距离下模型的细化程度，利用LOD层次细节模型来降低距离相机较远的模型的几何复杂度,在动画演示过程中根据观察距离切换不同细节的模型。

　　3虚拟现实开发技术

　　3.1动画编辑

　　在Unity3D中为已导入模型制作演示动画，其本质为控制模型对象所持有的各个组件属性定量、定向变化，如Transform属性下的position、rotation等参数。确定模型动画起始位置与演示时间，在相应关键帧更改其参数，动画的编辑可以通过鼠标的简单操作来完成动画控制器的创建，不涉及任何代码。

　　本系统中添加车体焊接构件材料在焊接工装位置的移动、对齐演示动画，以及焊接操作中焊枪等部件的操作流程，模拟出焊接操作后焊缝形状。在动画起始阶段明确各模型位置关系及运动路径，在合理的时间范围内确定所需添加关键帧位置，为避免虚拟动画系统发生碰撞现象，采用Unity3D中的包围盒算法进行解决,在两模型接触时对于复杂模型用较大体积包围盒代替其进行碰撞检测，且只需对基地进行操作便可实现模型的移动。

　　3.2视角移动

　　在系统各子系统之间衔接时，用户通过键盘鼠标操作与虚拟车间场景中指定设备进行交互，则需要能满足用户操作移动、控制视角的视角移动技术。在虚拟现实游戏开发中，第一人称视角游戏和第三人称视角游戏是比较常见的游戏类型，本系统中采用虚拟场景中的第一人称视角，即以操作者本人视角观看，系统所展示便为操作者所见。依靠视角移动技术可实现镜头根据虚拟现实引擎默认键盘W、A、S、D键进行前后左右移动，使用C#语言编辑脚本，其移动部分代码如下：

　　void Update()

　　{//键盘控制前后

　　floatx=Input.GetAxis("Horizontal")*Time.deltaTime*speed;//左右移动floatz=Input.GetAxis("Vertical")*Time.deltaTime*speed;//前后移动Vector3 movement=new Vector3(x,0,z);

　　movement=transform.TransformDirection(movement);//旋转之后的

　　转向

　　Vector3newMovement=newVector3(movement.x,0,movement.z);characterController.Move(newMovement);

　　//移动}

　　镜头旋转则通过鼠标移动而实现。摄像机为主视角位置，根据环境模型确定摄像机高度，并确定摄像机旋转时的适宜阻尼参数。其部分代码如下：

　　void Update(){

　　rotationX+=Input.GetAxis("Mouse X")*speedX;rotationY+=Input.GetAxis("Mouse Y")*speedY;if(rotationX<0){rotationX+=360;

　　}

　　if(rotationX>360){rotationX-=360;}

　　rotationY=Mathf.Clamp(rotationY,minY,maxY);

　　transform.localEulerAngles=newVector3(-rotationY,rotationX,0);}

　　4系统设计说明

　　高速列车侧墙焊接虚拟现实系统通过虚拟现实技术在电脑上模拟演示车体焊接过程，使用户身临其境。系统主要包含复习、考核，焊接过程交互演示，结果展示3个子系统，使用户在基础知识与实践操作等方面得到多角度、全方位训练，系统功能构架如图5所示。

　　（1）复习、考合格子系统

　　用户在进入系统后首先对相应实践操作所需知识内容进行学习，系统为用户提供相关内容文献、课本知识等资源中提炼出的内容，用户可通过交互界面选择所需内容进行阅读，并在进入所选文章之后可通过鼠标操作对文章滑动浏览、放大缩小等便捷操作。学习完成之后进入考核界面，系统给出包括单选、多选等不同形式的相关题目，用户作答之后系统给出正误评判以及正确答案，用户需对错误题目再次学习，并可保存考核结果方便进行复习，最后将作答结果改正后方能进行下一步操作。

　　（2）焊接过程交互演示子系统

　　考核合格后进入焊接模拟模块，首先系统提供给用户所需高速列车车体结构，包括：侧墙、顶架、地板，并显示出各车墙在车体中的作用及其他相关信息。用户通过鼠标选择所要进行焊接的结构以及焊接流程要采用的板材及焊接工艺。然后系统将用演示通过工装完成板材的定位、夹紧、对齐等一系列准备步骤。下一步需要用户利用键盘、鼠标移动镜头视角接近焊接工位，对焊机及其他可交互焊接虚拟设备模型进行操作，通过扭转气瓶阀门角度、点击焊机参数设置按钮等操作来设定焊接工艺参数，进而达到采用不同工艺焊接的目的。参数输入完成后系统给出焊接过程动画，动画演示出为保证定位的点焊过程；自动焊机按照上一步设定的焊接速度移动过程；随焊枪移动产生在设定的焊接参数下相应焊接质量的焊缝，由此实现不同焊接工艺的选择与演示。

　　（3）结果展示子系统

　　焊接动画演示完成后，系统给出此次焊接操作所输入数据是否合理的评判，若合理则进一步给出由CAE软件仿真获得的分析数据，包括焊缝质量、外观，焊接变形和残余应力程度云图等焊接仿真数据。若输入数据不合理则提示出不合理数据步骤，引导用户回到该步骤之前，按顺序再次输入相应数据，重复完成操作有误部分，直至数据可得出后续分析数据。通过展示后续分析数据可进一步反映出操作者的技术水平对于焊接质量的映射关系，使用户更系统化、全面化地学习到高速列车车体焊接操作相关专业知识。系统为无经验受训用户提供初步知识储备的同时亦可培养其自主学习能力及总结归纳能力。

　　5系统使用效果

　　进入软件后，首先提供焊接操作相关的交互按钮，其中包括：焊接流程、焊接工艺、结构材料等，点击相应按钮在屏幕中间位置显示出相关内容。以接下来进行操作的车间为背景，主交互对话框在屏幕上层。在焊接相关内容学习结束后，提供针对高速列车侧墙焊接所需相关内容的文献资料，在文献项目下另分类有不同标题内容的子菜单，用户可根据需要依次点击相应位置进行学习。在学习知识要点后进行在线答题，系统可直接通过链接跳转到“学习通”线上考核功能网页，如此既能使用更加专业、全面的考核功能，又能进一步节约内存资源。

　　用户进入高速列车车体焊接车间（图6），选择要焊接的车体部位；视角由车间整体移动到车间中放置车体焊接部位的位置，屏幕底部给出下一步进行焊接的车体部位，在鼠标指针指向部位名称时给予高亮显示，并同时在屏幕正中对话框中显示出不同车体部位的作用，在背景视角中将选中的车体部位高亮显示并移动出一定距离旋转展示其主要结构。选取完成后系统给出对应部位的工件材料模型，用以进一步选择所用材料厚度，选取完成后设置焊接间隙、焊接顺序等焊接工艺参数，最后系统依据参数设置给出相应焊接流程动画演示。

　　焊接过程动画演示结束之后，用户通过操作移动到数据分析位置，视角切换为数据分析界面，分别由系统提供出相应的焊接分析结果，如：焊接残余变形云图、不同方向的焊接残余应力云图等，在该图中可以给出焊缝不同位置处的详细残余应力值的大小。此外，系统还可以依照操作者焊接时对侧墙多条焊缝采用不同的焊接顺序，给出所对应的焊接残余应力的大小。

　　6结束语

　　本文基于3ds Max和Unity3D开发了高速列车侧墙焊接虚拟现实系统，构建出了真实焊接车间虚拟模型，利用C#语言编程使系统具备了可交互的文献查阅、知识考核、模拟演练以及结果分析等功能，实现了列车车体结构焊接过程、焊接工艺的模拟，可以满足高速列车生产人员的基础培训、操作演练等需求。结合虚拟现实技术的沉浸性、交互性等特点，融合考核、演示及互动操作功能，将高速列车焊接过程的专业知识融入整个系统当中，注重模拟操作的交互性、规律性以及探究性。用户通过系统获得真实的现场沉浸感，弥补了传统实践培训中现场培训不直观、安全性不高的短板，为相关企业培训方式提供了新思路。

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