Virtuální svařování - simulátory pro výuku

V současné době se tedy hledají různé možnosti, jak by bylo možné urychlit školicí proces, případně ho provést za snížených nákladů při zachování nebo lépe při zvýšení kvality školení. Jedním z nových trendů ve výuce svařování je tzv. virtual welding (virtuální svařování). Jedná se v podstatě o „počítačové simulátory“ – trenažéry svařování –, které jsou v obecném principu podobné simulátorům řízení automobilů používaných v autoškolách či simulátorům pilotování letadel, ovládání vysokozdvižných vozíků apod.

První simulátory pro svařování se začaly objevovat už během 90. let minulého století, ale v té době se spíše podobaly počítačovým hrám. To, že se jedná o velmi zajímavý, nastupující trend ve výuce svářečů, se potvrdilo především v posledních deseti letech, kdy došlo k velkému vývojovému skoku a prudkému rozvoji tohoto odvětví. Dnes je na trhu celá řada simulátorů od různých výrobců a dodavatelů v různých cenových hladinách i kvalitativních provedeních.

Tento příspěvek si neklade za cíl popsat všechny dostupné svářečské simulátory, ale spíše informativně představit dnešní možnosti těchto zařízení a zmínit jejich základní varianty.

Simulátory výuky svařování jsou v podstatě tvořeny běžnými počítači (které jsou často zakomponované do podoby svařovacích zdrojů) se speciálním softwarem a s ovladači v podobě svařovacích hořáků (či držáků elektrod) se senzory snímajícími polohu a pohyby těchto ovladačů.

Všechny simulátory se zaměřují na konvenční obloukové technologie svařování, tedy metody, které jsou ve svářečské praxi v současnosti nejvíce používány. Nicméně už jsou známy i první příklady simulátorů pro robotické svařování – pro výuku operátorů. Drtivá většina simulátorů se však věnuje výuce pro ruční a poloautomatické metody svařování. Lze říci, že dnes už je téměř standardem, že simulátor nabízí svařovací metody jako MIG/MAG, MMA a TIG svařování (u některých typů lze volit i svařování plněnou elektrodou apod.). Stejně tak lze vybírat z různých typů svarových spojů a nácvik provádět v různých polohách svařování.

Zásadní rozdíl je tedy v základní koncepci simulace: stále je používáno několik variant, které se od sebe velmi odlišují. Jednou z nich je simulace svařování přímo na monitoru „počítače“, další je simulované svařování na „maketě svařence“ s promítáním obrazu na displeji vestavěném do speciálních 3D brýlí (obvykle zasazených do „kopie“ svářečské kukly). Existují však i další varianty: např. simulační systém zabudovaný přímo ve svářečské kukle určené pro skutečné svařování, která se používá v kombinaci s reálným svařovacím zdrojem. Ta poskytuje okamžitou odezvu při vyhodnocování úhlu sklonu hořáku, rychlosti posuvu atd., zatímco student skutečně svařuje. Při reálném svařování je tento systém umístěn na okraji vnitřní stěny svařovací kukly (podél průzoru s ochranným filtrem) a indikuje nápovědy správného vedení hořáku rozsvícením zelených nebo červených ukazatelů. Tento systém je sice zajímavý, ale není to virtuální svařování v pravém smyslu slova – a nedochází zde k úspoře materiálu, navíc hrozí určitá bezpečnostní rizika a chybí hlubší systém vyhodnocení výsledků, což jsou hlavní přednosti simulátorů prvních dvou typů zmíněných výše.

Pokud se vrátíme k popisu virtuálního svařování, u obou výše zmíněných typů simulátorů drží student ovladač ve formě skutečné rukojeti hořáku. V té jsou zabudované senzory, které vyhodnocují prostorovou pozici hořáku (úhly naklonění, výšku, vzdálenost, …) a jeho pohyby (resp. rychlost), příp. je v nich umístěna i další ovládací elektronika. Někteří výrobci simulátorů používají pro realističtější dojem kopie skutečných hořáků (aby si student zvykl i na jejich hmotnost a ergonomii).
První zmíněná varianta funguje tak, že simulovaný svar vzniká přímo na displeji simulátoru (neboli obrazovce počítače). Tyto simulátory se používaly zejména dříve a vyznačují se jednodušší grafikou, která není tak realistická. Na základě polohy rukojeti hořáku a dalších, předem navolených parametrů svařování simulátor generuje (vytváří) virtuální svar a vykresluje jej na monitoru. Tyto simulátory mají relativně jednoduché a snadné ovládání a jejich cena bývá obvykle nižší.

U druhé varianty má student nasazeny speciální brýle (nebo přímo svářečskou kuklu). V nich je však vestavěn malý displej, který zprostředkovává obraz z virtuálního svařovacího pracoviště. Takto je simulace mnohem realističtější. Dnes jsou tyto simulátory zdokonalovány o to, že zobrazují na displeji integrovaném do kukly celé virtuální svářečské pracoviště.

Ovšem i mezi těmito typy simulátorů jsou dnes značné rozdíly v reálnosti, rychlosti a plynulosti zobrazování, případně v rychlosti odezvy na pohyby hořáku (resp. vestavěných senzorů). Tyto rozdíly jsou dány zejména rozdílným způsobem snímání polohy a dalších veličin.

Některé simulátory jsou konstruovány a navrženy na základě magnetické technologie, která umožňuje systému kdykoli s milimetrovou přesností řídit polohu a orientaci snímačů umístěných uvnitř svařovacích nástrojů (hořáků) a vždy vzhledem k původu souřadnic. To umožňuje systému umístit jej do virtuální reality s přesnou shodou tak, jak jsou umístěny v rukou studenta. Magnetický snímač vytváří pod svařencem magnetické pole kulového tvaru, pomocí něhož senzor detekuje polohu hořáku. Takto získaný digitalizovaný signál obsahující polohová data představuje vstupní údaj pro vizualizační SW, který vyhodnocuje vzájemnou polohu svařence a hořáku. Na svářečské kukle se nachází další senzor, který umožňuje realitě odpovídající pohled na svar respektující pozorovací vzdálenost i úhel pohledu (tento systém využívá např. simulátor firmy Fronius Virtual welding).

Jedním z nejpropracovanějších simulátorů tohoto typu je i simulátor společnosti Lincoln Electric s názvem VRTEX 360. Tento systém jako jeden z prvních prohluboval výuku i prostřednictvím nutnosti správného nastavení svařovacího zdroje. Předtím, než mohou „svařovat“, musejí studenti do systému zadat správný typ materiálu, metodu, průtok plynu a svařovací parametry: intenzitu proudu, napětí, rychlost posuvu drátu.

Některé simulátory, např. systém firmy Apolo studios Weldtrainer (distribuovaný v ČR firmou Migatronic), navíc kombinuje magnetický senzor s infračerveným systémem snímání, což umožňuje určovat orientaci hlavy (kukly) v prostoru a sledovat její pohyb a místo simulace. Svařovací kukla simulátoru obsahuje v horní části integrovaný IR senzor, který analýzou odrazu orientuje a umisťuje virtuální kameru simulace ve shodě s umístěním studenta. Je tak umožněno úplné trojrozměrné ovládání svařovacích nástrojů, které vždy poskytují přesná prostorová data s původem souřadnic bez jakéhokoliv přerušení toku a odezvy. Díky této přesnosti 3D sledování je dosaženo velmi vysoké přesnosti virtualizace, která je vidět v simulaci a na rozdíl od ostatních systémů není vyžadována kalibrace na začátku procesu.
Existují však i jiné konstrukce simulátorů, založené např. na optickém snímání kamerovými systémy zabudovanými v kukle, které registrují specifické znaky nalepené na hubici hořáků i na svařovaných vzorcích. Tento systém využívá např. simulátor firmy Seabery s názvem: Soldamatic (v ČR distribuovaný firmou EWM). Zde se nejedná o klasické 3D zobrazení, ale o tzv. rozšířenou realitu (AR – augmented reality). AR je označení používané pro reálný obraz doplněný počítačem vytvořenými objekty. Jinak řečeno, jde o zobrazení reality (vidíte skutečné prostředí, ve kterém se nacházíte) a následné přidání digitálních prvků (v tomto případě svařence). „Animovaný“ je tedy pouze pracovní díl (svařenec), zatímco okolní prostředí je zaznamenáváno v reálném čase.

Výše popsané příklady jsou v současné době nejpokročilejšími systémy pro simulaci obloukových svařovacích procesů, které jsou určeny pro výuku nových svářečů. Zároveň jsou však použitelné i pro ověření znalosti/zručnosti zkušených pracovníků. Případně některé systémy umožňují vytvořit specifické úlohy – např. svaření reálné součásti z výroby a možnost „natrénování“ postupu výroby.

Je nutné zdůraznit, že kvalifikaci svářeče nelze získat pouze výukou na simulátoru (a to nejen z legislativních důvodů). Jde zejména o dosažení patřičné zručnosti při zacházení a manipulaci s hořákem, kterou si standardně musí osvojit během mnoha hodin praktické výuky. Svářeč proto musí být zapojen i do praktické výuky ve svařovně na reálných součástech.

Nicméně právě simulace může (velmi účinně především u naprostých začátečníků) seznámit studenty se svařováním (zejména pak s jeho praktickou metodikou) v bezpečném a čistém prostředí učebny. Řada simulátorů má i své mobilní varianty, které jsou velmi nenáročné na prostorové požadavky. Takže se výuka dá realizovat i tam, kde nelze vybudovat svařovnu apod.

Při výuce lze volit různé stupně obtížnosti a použít „nápovědu“, která studentovi umožňuje okamžitou korekci procesu a postupné zvládnutí úlohy.

Didaktický koncept virtuálního svařování je založen na sekvenci tréninku a simulace. Pokrok ve výuce se zaznamenává, individuálně dokumentuje a vyhodnocuje. Lze si opakovaně promítnout celý průběh vytvoření svaru a analyzovat postup společně s instruktorem. Stejně tak lze na hotovém svaru vyhodnotit např. velikost rozstřiku, množství vzniklých vad apod.

Řada zmíněných systémů umožňuje, zapojením více simulačních stanic do lokální sítě, vytvořit celou učebnu pro virtuální svařování. Vyučující (instruktor) může za pomoci strukturované, serveru podobné databáze, vytvářet, ukládat a vyvolávat aplikačně nebo individuálně specifická výuková prostředí. To umožňuje připravovat výuku kreativně a přizpůsobovat náročnost tréninku dosažené úrovni jednotlivých studentů.

Některé simulátory mají i možnost teoretické přípravy studentů formou vytvoření kontrolních testů, případně i doplněním studijních materiálů. Ty lze ve většině případů libovolně modifikovat ve speciální instruktorské verzi SW a přizpůsobit tak opět individuálním potřebám.

Reálně tak lze snížit nutný počet hodin praktické výuky a tím teoreticky i ušetřit náklady na spotřebovaný materiál. Různé studie uvádějí úsporu v rozmezí 10 % až 25 % nákladů. Zavedením školení pro svařování virtuální realitou do tradičních programů svařování se studenti rychleji učí. Tím se zvyšuje propustnost svářečské školy a otevírá se více času pro další výuku. Pro současnou mladou generaci studentů je to také způsob, jak je přilákat k oboru, o který by se možná jinak moc nezajímali. Je to prostě moderní metoda výuky, která je velmi atraktivní a zajímavá. Doufejme, že s dalším vývojem techniky bude dále zdokonalována, poroste i konkurence mezi jednotlivými výrobci a simulátory svařování se stanou i ve své nejdokonalejší podobě cenově přístupnější.ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav strojírenské technologie

doc. Ing. Ladislav Kolařík, Ph.D., IWE, Ing. Štěpán Ježek, IWE, Ing. Marie Kolaříková, Ph.D., IWE

Ladislav.Kolarik@fs.cvut.cz

https://www.fs.cvut.cz/ustavy/sekce-ustav-strojirenske-technologie/ustav-strojirenske-technologie-12133/ustav-12133/

Použité literární zdroje:

[1] Suchánek, J., Kolařík, L.: Quo vadis, svařování? MM PS, 2014/1
[2] Dalto da L., Benus, F., Balet, O.: Zdokonalení školení ve svařování integrací nových technologií, 2010, archiv CWS ANB
[3] Virtual welding – svařování bez svářečky. 2009. www.svarbazar.cz
[4] Virtuální svařování, Virtual welding – výuka budoucnosti, 2018. www.hbt-weld.cz
[5] Trommer, G.: Virtuální svařování při výuce svářečů, MM PS, 09, 2010
[6] Košťál, O.: Seabery SOLDAMATIC. Virtuální realita pro simulaci svařování, www.technickytydenik.cz
[7] Pastletwaite, D.: Community College Welding Program Update, Welding Journal, 04, 2012
[8] Stone, R. T., Watts, K., Zhong, P.: Virtual Reality Integrated Weld Training. www.lincolelectric.com
[9] Firemní podklady firem Fronius, EWM, Lincoln electric, Migatronic
[10] Informační brožura, Welding simulator Weldtrainer, Apolo studios, Migatronic, 2018
[11] Seabery: SOLDAMATIC: Inovativní řešení tréninku v rozšířené realitě, které zlepší vaše svařovací zkušenosti! Rozšířený trenažér pro svařování, EWM, 2017
[12] Fronius: Virtual Welding, Vzdělávání budoucnosti, 2010
[13] Lincoln Electric: Training Equipment. Revolution in Welding Education, 2016