CN103273166B - 一种可视化横焊位焊接操作系统及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可视化横焊位焊接操作系统及其操作方法，包括：控制柜、触摸屏显示器、支撑架、模拟试板和模拟焊条；模拟试板固定在调节杆上，调节杆固定在支撑架上；调节杆上固定有电磁式位置跟踪器发射器，模拟焊条上安装有电磁式位置跟踪器接收器；电磁式位置跟踪器的控制器连接电磁式位置跟踪器发射器和电磁式位置跟踪器接收器，控制柜连接触摸屏显示器。采用电磁式位置跟踪器准确、迅速检测出焊条角度和空间坐标；通过该空间角度和坐标数据结合熔池、焊缝模型实时在触摸屏显示器和头盔中的视频眼镜上模拟出模拟焊接图像。焊接操作者在可视化横焊位焊接操作系统中进行横焊位焊接的操作，培养焊接操作者的横焊位焊接操作能力。

Description

一种可视化横焊位焊接操作系统及其操作方法

技术领域：

本发明属于可视化焊接领域，特别涉及一种可视化横焊位焊接操作系统及其操作方法。

背景技术

掌握良好的焊接技术是保证和提高焊接产品质量的一个重要环节。为提高掌握焊接技术效率，将计算机多媒体技术、虚拟现实技术运用到可视化焊接操作系统，开发节能环保、经济高效、低碳清洁、实用可靠的可视化焊接技术是当前焊接研究面临的新课题。

可视化焊接是近几年来新兴的研究领域，系统采用虚拟现实技术，将计算机图形学和图像处理相结合，给焊接操作者构造虚拟三维焊接场景，将操作者的操作信息传给计算机，经过计算机识别并合成出三维图像在显示设备上显示出来，从而模拟操作过程。虚拟三维环境给焊接操作者构造了一个具有沉浸感的焊接空间。在可视化焊接中运用虚拟现实技术具有很重要的现实意义，是提高焊接操作学习效率，直观地理解焊接操作的有效措施。

国内现有的类似专利有：CN101419755A提供了一种多功能焊接模拟训练装置；CN1909020A提出了一种氩弧焊焊接操作模拟培训装置；CN101719333A提出了一种平板堆焊成形过程模拟与仿真的网格实现方法。

横焊位焊接是指在垂直或倾斜平面上水平方向的焊接工艺；它是较难掌握的一种焊接工艺，在实际焊接学习中需要消耗大量的材料和时间反复地摸索，才能掌握横焊位焊接操作基本技能。在焊条电弧焊横焊位焊接过程的可视化焊接方面还是空白。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可视化横焊位焊接操作系统及其操作方法；使焊接操作者在可视化横焊位焊接操作系统中进行横焊位焊接的操作，提高焊接操作者的横焊位焊接操作能力。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种可视化横焊位焊接操作系统，包括：控制柜、触摸屏显示器、支撑架、模拟试板、模拟焊条和模拟头盔；模拟试板固定在调节杆上，调节杆固定在支撑架上；调节杆上固定有电磁式位置跟踪器发射器，模拟焊条上安装有电磁式位置跟踪器接收器；电磁式位置跟踪器的控制器连接电磁式位置跟踪器发射器和电磁式位置跟踪器接收器，控制柜连接触摸屏显示器；模拟头盔连接控制柜，其上安装有用于显示模拟焊接虚拟场景的视频眼镜。

本发明进一步的改进在于：模拟操作时，模拟焊条在模拟试板上进行模拟焊接，电磁式位置跟踪器的控制器控制电磁式位置跟踪器发射器不断发出电磁波，模拟焊条上的电磁式位置跟踪器接收器接收电磁式位置跟踪器发射器发出的电磁波并将接收到的信号传送给控制柜，控制柜根据电磁式位置跟踪器接收器接收到的信号判断出模拟焊条在模拟焊接时的空间角度和坐标，控制柜通过该空间角度和坐标数据实时在触摸屏显示器上模拟出模拟焊接图像。

本发明进一步的改进在于：横焊焊接时，在模拟试板的焊接区域内焊接时绘制大量的静态三角形拼接成网格焊道平面，来构成熔池与焊缝区域；

实时采集焊接电流I、焊接电压U、三角形网格点与电弧中心y方向的距离R_y和三角形网格点与电弧中心z方向的距离R_z，通过公式1控制熔池范围内的三角形网格点坐标变化，模拟出熔池的形状；其中，y方向为焊缝的宽度方向，z方向为焊条的移动方向，x方向为焊缝的深度方向；

$\mathrm{\Δx}=k_1\exp (-c_1(\frac{({R_y}^2-c_2{R}_y)}{b_y^2}+\frac{R_z^2}{c_z^2}))$             （公式1）

公式1中：Δx为x方向上熔池向负方向凹陷的幅度；k₁为控制熔池凹陷速率的系数，取值为0.5-5；c₁为椭球修正系数，取值为1.2；R_y为三角形网格点与电弧中心y方向的距离；b_y为椭球的短半轴，控制熔池金属的宽度；c₂为熔池金属在重力方向的偏移修正量，取值为2；R_z为三角形网格点与电弧中心z方向的距离；c_z为椭球的长半轴，控制熔池金属的长度；

b_y=1.875U+0.1I                 （公式2）

c_z=1.2b_y           （公式3）

其中，U为焊接电压、I为焊接电流；

通过公式4控制熔池范围以外已被焊接过的范围内的三角形网格点坐标变换，模拟出焊缝的形状；

$\mathrm{\Δx}=k_2\exp [-c_3\left(\frac{{R_y}^2-c_2{R}_y}{a_y}\right)]$             （公式4）

公式4中，Δx为x方向上焊缝厚度增量；k₂为控制焊缝生长快慢的系数，取值为0.5-2；c₃为可调系数，取值为3；c₂为重力修正系数，取值为2；R_y为三角形网格点距离电弧中心y方向的距离；a_y为可调系数，控制焊缝生长的宽度；a_y=b_y。

本发明进一步的改进在于：三角形网格点与电弧中心y方向的距离R_y和三角形网格点与电弧中心z方向的距离R_z由所述空间角度和坐标数据计算获得。

本发明进一步的改进在于：支撑架、模拟试板和模拟焊条均为工程塑料制成。

一种可视化横焊位焊接操作系统的操作方法，包括：

1）利用电磁式位置跟踪器检测出焊条的空间坐标：控制柜中的电磁式位置跟踪器的控制器控制电磁式位置跟踪器发射器发射出电磁波，电磁式位置跟踪器接收器接收电磁式位置跟踪器发射器发出的电磁波，通过计算检测出电磁式位置跟踪器接收器的空间位置和角度信息，即得到模拟焊条的空间位置和角度信息；

2）、在可视化横焊位焊接操作系统中，建立焊道、熔池及焊缝的网格一体化模型；

在可视化横焊位焊接操作系统中，在模拟试板的焊接区域内焊接时绘制大量的静态三角形拼接成网格焊道平面，来构成熔池与焊缝区域；

3）、熔池模拟；

横焊焊接时，控制柜实时采集焊接电流I、焊接电压U、三角形网格点与电弧中心y方向的距离R_y和三角形网格点与电弧中心z方向的距离R_z，通过公式1控制熔池范围内的三角形网格点坐标变化，模拟出熔池的形状，并在触摸屏显示器上实时显示；其中，y方向为焊缝的宽度方向，z方向为焊条的移动方向，x方向为焊缝的深度方向；

$\mathrm{\Δx}=k_1\exp (-c_1(\frac{({R_y}^2-c_2{R}_y)}{b_y^2}+\frac{R_z^2}{c_z^2}))$            （公式1）

公式1中：Δx为x方向上熔池向负方向凹陷的幅度；k₁为控制熔池凹陷速率的系数，取值为0.5-5；c₁为椭球修正系数，取值为1.2；R_y为三角形网格点与电弧中心y方向的距离；b_y为椭球的短半轴，控制熔池金属的宽度；c₂为熔池金属在重力方向的偏移修正量，取值为2；R_z为三角形网格点与电弧中心z方向的距离；c_z为椭球的长半轴，控制熔池金属的长度；

b_y=1.875U+0.1I              （公式2）

c_z=1.2b_y          （公式3）

其中，U为焊接电压、I为焊接电流；

4）焊缝模拟

控制柜通过公式4控制熔池范围以外已被焊接过的范围内的三角形网格点坐标变换，模拟出焊缝的形状，并在触摸屏显示器和视频眼镜上实时显示；

$\mathrm{\Δx}=k_2\exp [-c_3\left(\frac{{R_y}^2-c_2{R}_y}{a_y}\right)]$       （公式4）

公式4中，Δx为x方向上焊缝厚度增量；k₂为控制焊缝生长快慢的系数，取值为0.5-2；c₃为可调系数，取值为3；c₂为重力修正系数，取值为2；R_y为三角形网格点距离电弧中心y方向的距离；a_y为可调系数，控制焊缝生长的宽度；a_y=b_y；

三角形网格点与电弧中心y方向的距离R_y和三角形网格点与电弧中心z方向的距离R_z由控制柜根据所述空间角度和坐标数据计算获得。

本发明进一步的改进在于：横焊开始时，步骤2）所绘制的三角形网格点为不可见；横焊过程中，引弧成功后，随着模拟焊条的移动，三角形网格点在熔池和焊缝所在区域开始实时显示，然后利用可见的点勾画三角形。

本发明进一步的改进在于：对于I形坡口横焊，在焊缝的正面和背面各设置一层三角形网格点，当焊接开始后，正面的网格正面可见，背面网格背面可见，并进行光照、法向量计算，使效果逼真；对于V形坡口横焊，在焊缝的正面和背面各设置一层三角形网格点的同时，在背面三角形网格点和正面三角线网格点之间还设有三层中间层三角形网格点，中间层三角形网格点都为正面可见，所有网格都进行光照和法向量的计算。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：本发明提供一种可视化横焊位焊接操作系统及其操作方法，采用电磁式位置跟踪器准确、迅速检测出焊条角度和空间坐标；分别采用双层网格法和多层网格法建立了I形坡口和V形坡口的横焊熔池与焊缝几何模型；对双椭球体模型和高斯热源模型进行重力修正建立了熔池凹陷和焊缝生长数学模型，模型中考虑了横焊工艺参数的影响。焊接操作者在可视化横焊位焊接操作系统中进行横焊位焊接的操作，培养焊接操作者的横焊位焊接操作能力。

附图说明

图1为可视化横焊位焊接操作系统整体示意图；

图2为安装有电磁式位置跟踪器接收器的焊条示意图；

图3（a）为电磁式位置跟踪器接收器示意图；图3（b）为电磁式位置跟踪器发射器示意图；图3(c)为电磁式位置跟踪器的控制器示意图。

图4为模拟头盔整体结构示意图。

图5（a）为三角形绘制的局部示意图；图4（b）为网格法模拟的网格示意图；

图6为I形破口横焊模拟示意图；

图7为V形破口横焊模拟示意图；

图8为网格绘制流程图；

图9为横焊过程示意图；

图10（a）为横焊过程中的熔池凹陷效果示意图；图10（b）为焊接完成后的熔池效果示意图；图10（c）为焊接速度较快时熔池凹陷效果示意图；图10（d）为焊接速度较慢时熔池凹陷效果；图10（e）为焊接过程中的熔池温度场示意图；图10（f）为息弧后的熔池温度场示意图；

图11（a）和图11（b）为I形坡口横焊焊缝形貌随焊接参数的变化示意图；

图12为V形坡口横焊位焊缝形貌示意图；

图13为I形坡口横焊过程中出现的焊接缺陷效果示意图。

具体实施方式

请参阅图1至图13所示，本发明采用电磁式位置跟踪器检测出焊条的角度和空间坐标；采用双层网格法和多层网格法分别建立了I形坡口和V形坡口的横焊熔池和焊缝几何模型；采用双椭球体模型进行重力修正建立熔池凹陷函数；采用高斯热源模型进行重力修正建立了横焊焊缝生长数学模型。

请参阅图1至图3（c）所示，本发明可视化横焊位焊接操作系统，包括控制柜20、触摸屏显示器21、支撑架22、模拟试板10、模拟焊条11和模拟头盔27；模拟试板10固定在调节杆25上，调节杆25通过销钉26固定在支撑架22上。调节杆25上固定有电磁式位置跟踪器发射器23，模拟焊条11上安装有电磁式位置跟踪器接收器24。电磁式位置跟踪器的控制器连接电磁式位置跟踪器发射器23和电磁式位置跟踪器接收器24，控制柜20连接触摸屏显示器21和模拟头盔27，模拟头盔27上安装有用于显示模拟焊接虚拟场景的视频眼镜。模拟操作时，模拟焊条11在模拟试板10上进行模拟焊接，电磁式位置跟踪器的控制器控制电磁式位置跟踪器发射器23不断发出电磁波，模拟焊条11上的电磁式位置跟踪器接收器24接收电磁式位置跟踪器发射器23发出的电磁波并将接收到的信号传送给控制柜20，控制柜20根据电磁式位置跟踪器接收器24接收到的信号判断出模拟焊条11在模拟焊接时的空间角度和坐标，通过该空间角度和坐标数据结合熔池、焊缝模型实时在触摸屏显示器21和模拟头盔27上模拟出模拟焊接图像。

支撑架22、模拟试板10和模拟焊条11均为工程塑料制成，以防止其对电磁式位置跟踪器的影响。

本发明可视化横焊位焊接操作系统的操作方法，包括以下步骤：

1）利用电磁式位置跟踪器检测出焊条的空间坐标：控制柜20中的电磁式位置跟踪器的控制器控制电磁式位置跟踪器发射器23发射出电磁波，电磁式位置跟踪器接收器24接收电磁式位置跟踪器发射器23发出的电磁波，由于电磁式位置跟踪器发射器23位置固定，通过计算检测出电磁式位置跟踪器接收器24的位置和角度，即可检测出焊条11的位置和角度；

2）、在可视化横焊位焊接操作系统中，建立焊道、熔池及焊缝的网格一体化模型：

模拟焊接时，在图8中的模拟试板10的待焊区域内绘制大量的静态三角形拼接成网格焊道平面，来构成熔池12与焊缝13区域。通过控制三角形网格点属性的变化来改变三角形的形状和取向从而来模拟熔池与焊缝的复杂曲面。三角形点属性包括坐标、颜色、点法向量和三角形是否绘制（预先在试板上绘制的三角形不可见，焊接时被焊接部分的三角形显现出来模拟熔池和焊缝），

三角形的绘制按行分为奇数行和偶数行，按照点的排列方式分为正、反两面。在横焊几何建模过程中，设置起始行网格为偶数行，第二行网格为奇数行；设置点按逆时针排列的三角形网格为正面，否则为反面。因此，将三角形分为四类，如表1所示：

表1三角形网格分类

表中的编号如图5(a)所示，经过一个循环将这四类三角形绘制好，绘制效果如图5(b)所示。

横焊过程中，引弧成功后，随着焊条11的移动，三角形网格在熔池和焊缝所在区域开始实时绘制。

根据横焊工艺中使用坡口类型的不同，所采用的三角形网格的层数也不同。对于I形坡口的对接横焊（试板尺寸为300mm×190mm×5mm，试板间隙为2-3mm），根据焊接工艺，可采用单道焊进行焊接，所以采用双层网格进行模拟，如图6所示。上面的一层网格1模拟焊缝的正面成形，下面一层网格2模拟背面的焊缝成形。正面成型网格的可见面为正面，对于面的法向量和点的法向量进行计算，在光照作用下有较好的成型效果。背面成型网格可见面为反面，对于面的法向量和点的法向量进行计算，在光照作用下有较好的成型效果。

对于V形坡口的对接横焊（试板尺寸为300mm×190mm×12mm，试板间隙为2-3mm），根据焊接工艺，应采用多道焊或多层多道焊进行施焊，本文采用多层网格进行几何建模，共四层，包括打底焊焊道3、填充焊焊道4、填充焊焊道5和盖面焊焊道6；在焊道中心进行绘制，层与层之间相隔一定的距离，如图7所示。其中，打底层焊道3网格和盖面焊道6网格采用的处理方法分别与网格1和网格2类似。填充焊道4和焊道5网格的可见面为正面。

三角形网格的绘制过程如图8所示。横焊时，先将需要施焊的静态网格点进行初始化，通过电磁式位置跟踪器判断三角形网格点是否处于焊接范围，如果处于焊接范围内；采集模拟焊条的电弧高度和焊条角度，通过电弧高度和焊条角度控制范围进行引弧判断；如果处于施焊状态，则将处于模拟试板焊接区域的三角形点属性visiable设置为true，开始绘制三角形。在横焊过程中，采集焊接电流I和焊接电压U，位于熔池内的三角形点的坐标按横焊熔池数学模型的规律变化，位于熔池之外的已焊接焊缝的三角形点的坐标按焊缝数学模型的规律变化，从而模拟焊接过程中熔池凹陷和焊缝生长过程。

3）熔池模拟

模拟横焊的过程中，将电弧力和重力进行综合考虑，建立了横焊熔池的数学模型，如公式1所示：

$\mathrm{\Δx}=k_1\exp (-c_1(\frac{({R_y}^2-c_2{R}_y)}{b_y^2}+\frac{R_z^2}{c_z^2}))$           （公式1）

式中：Δx为x方向上熔池向负方向凹陷的幅度；k₁为控制熔池凹陷速率的系数，和焊条直径呈线性关系，取值为0.5-5；c₁为椭球修正系数，取值为1.2；R_y为三角形网格点与电弧中心y方向的距离；b_y为椭球的短半轴，控制熔池金属的宽度；由于横焊位焊接时，熔池受力与平焊焊接不同，公式1中在焊缝受力方向添加了因为力的作用而是熔池变形的参数c₂，模拟出因力的作用效果；c₂为熔池金属在重力方向的偏移修正量，取值为2；R_z为三角形网格点与电弧中心z方向的距离；c_z为椭球的长半轴，控制熔池金属的长度。

b_y=1.875U+0.1I                        （公式2）

c_z=1.2b_y                 （公式3）

其中，U为焊接电压、I为焊接电流。

横焊焊接时，实时采集焊接电流I、焊接电压U、三角形网格点与电弧中心y方向的距离R_y和三角形网格点与电弧中心z方向的距离R_z，通过公式1控制熔池范围内的三角形网格点坐标变换，模拟出熔池的形状；其中，y方向为焊缝的宽度方向，z方向为焊条的移动方向，x方向为焊缝的深度方向。

4）焊缝模拟

熔池金属在电弧力的作用下克服重力和表面张力而排向熔池尾部，当焊接热源离开后，熔池开始凝固。随着热源的移动，工件接缝处不断熔化，焊接熔池不断形成，熔池尾部金属流向电弧移去后留下的凹坑里，冷却结晶形成焊缝。因此焊缝的形状与熔池形状有直接联系，熔池的形状又与接头的型式和空间位置、坡口和间隙的形状尺寸、母材边缘、焊丝金属的熔化情况及熔滴的过渡方式等有关。重力对熔池的作用因母材的接头型式和所处空间位置不同而有所不同。横焊的熔池凹陷和焊缝生长过程方面可以沿用高斯模型。同时，根据横焊自身的特点，考虑熔池重力对横焊焊缝成形的影响，对高斯模型进行了变形，焊缝数学模型如公式4所示。

$\mathrm{\Δx}=k_2\exp [-c_3\left(\frac{({R_y}^2-c_2{R}_y)}{a_y}\right)]$          （公式4）

Δx为x方向上焊缝厚度增量；k₂为控制焊缝生长快慢的系数，和焊条直径呈线性关系，取值为0.5-2；c₃为可调系数，取值为3；c₂为重力修正系数，取值为2；R_y为三角形网格点距离电弧中心y方向的距离；a_y为可调系数，控制焊缝生长的宽度；公式1中椭球的短半轴b_y和长半轴c_z分别对应横焊熔池的宽度和长度，公式4中的a_y与椭球的短半轴b_y值相同。

横焊焊接时，实时采集焊接电流I、焊接电压U、三角形网格点与电弧中心y方向的距离R_y和三角形网格点与电弧中心z方向的距离R_z，通过公式4控制熔池12范围以外已被焊接过的范围内的三角形网格点坐标变换，模拟出焊缝13的形状；其中，y方向为焊缝的宽度方向，z方向为焊条的移动方向，x方向为焊缝的深度方向。

根据横焊熔池几何模型和数学模型控制三角形网格点的变化，模拟横焊工艺中的熔池和焊缝的成型过程，得到的熔池效果如图10（a）所示。从图10（a）可以看出：随着焊条11的移动，熔池12在重力、电弧吹力和表面张力作用下不断熔化和冷却；焊条作用的地方，有熔滴过渡和飞溅现象的产生，三角形网格颜色的变化体现出了熔池金属熔化的现象。从图10（b）可以看出：三角形网格构建的熔池几何模型在数学模型的控制下得到了凹陷的效果。图10(c)和图10(d)分别为不同的横焊速度下，熔池凹陷的幅度变化量，从图中可以看出：焊接速度快，则熔池凹陷的幅值小，否则，熔池凹陷的幅值大；同时可以从图中看出熔池网格在重力偏移作用下呈现非对称分布现象；图10(e)和图10(f)为横焊过程中，熔池温度场的模拟效果，从图中可以看出明显的拖尾现象。

焊缝形貌随焊接工艺参数改变而不同，图11（a）和图11（b）为I形坡口在不同焊条直径和焊接电流条件下的焊缝成形。

图12为V形坡口横焊结果示意图，在VB界面中对V形坡口的横焊工艺参数的设置如表2所示。由于该坡口厚度为12mm，所以采用了多道焊，分四道完成横焊过程。

表2焊接参数设置

从图12中可以看出：随着焊接层数的增加，焊缝宽度和熔深不断增加，熔池焊缝逐渐填充母材坡口。盖面焊和填充焊的过程中，在OpenGL光照效果下可以明显的看到焊缝呈现鱼鳞纹形状，成形效果比较逼真。

焊接操作者在焊接过程中如果操作不当，会出现未熔合、未焊透和焊瘤等缺陷，如图13所示。系统可以真实的反映出操作者的焊接水平。

Claims (6)

1.一种可视化横焊位焊接操作系统，其特征在于，包括：控制柜(20)、触摸屏显示器(21)、支撑架(22)、模拟试板(10)、模拟焊条(11)和模拟头盔(27)；模拟试板(10)固定在调节杆(25)上，调节杆(25)固定在支撑架(22)上；调节杆(25)上固定有电磁式位置跟踪器发射器(23)，模拟焊条(11)上安装有电磁式位置跟踪器接收器(24)；电磁式位置跟踪器的控制器连接电磁式位置跟踪器发射器(23)和电磁式位置跟踪器接收器(24)，控制柜(20)连接触摸屏显示器(21)；模拟头盔(27)连接控制柜(20)，其上安装有用于显示模拟焊接虚拟场景的视频眼镜；

模拟操作时，模拟焊条(11)在模拟试板(10)上进行模拟焊接，电磁式位置跟踪器的控制器控制电磁式位置跟踪器发射器(23)不断发出电磁波，模拟焊条(11)上的电磁式位置跟踪器接收器(24)接收电磁式位置跟踪器发射器(23)发出的电磁波并将接收到的信号传送给控制柜(20)，控制柜(20)根据电磁式位置跟踪器接收器(24)接收到的信号判断出模拟焊条(11)在模拟焊接时的空间角度和坐标，控制柜(20)通过该空间角度和坐标数据实时在触摸屏显示器(21)和模拟头盔(27)的视频眼镜上模拟出模拟焊接图像；

横焊焊接时，在模拟试板(10)的焊接区域内焊接时绘制大量的静态三角形拼接成网格焊道平面，来构成熔池(12)与焊缝(13)区域；

实时采集焊接电流I、焊接电压U、三角形网格点与电弧中心y方向的距离R_y和三角形网格点与电弧中心z方向的距离R_z，通过公式1控制熔池范围内的三角形网格点坐标变化，模拟出熔池的形状；其中，y方向为焊缝的宽度方向，z方向为焊条的移动方向，x方向为焊缝的深度方向；

$\mathrm{\Δx}=k_1\exp (-c_1(\frac{({R_y}^2-c_2{R}_y)}{b_y^2}+\frac{R_z^2}{c_z^2}))$             (公式1)

公式1中：Δx为x方向上熔池向负方向凹陷的幅度；k₁为控制熔池凹陷速率的系数，取值为0.5-5；c₁为椭球修正系数，取值为1.2；R_y为三角形网格点与电弧中心y方向的距离；b_y为椭球的短半轴，控制熔池金属的宽度；c₂为熔池金属在重力方向的偏移修正量，取值为2；R_z为三角形网格点与电弧中心z方向的距离；c_z为椭球的长半轴，控制熔池金属的长度；

b_y＝1.875U+0.1I            (公式2)

c_z＝1.2b_y               (公式3)

其中，U为焊接电压、I为焊接电流；

通过公式4控制熔池(12)范围以外已被焊接过的范围内的三角形网格点坐标变换，模拟出焊缝(13)的形状；

$\mathrm{\Δx}=k_2\exp [-c_3\left(\frac{{R_y}^2-c_2{R}_y}{a_y}\right)]$                     (公式4)

公式4中，Δx为x方向上焊缝厚度增量；k₂为控制焊缝生长快慢的系数，取值为0.5-2；c₃为可调系数，取值为3；c₂为重力修正系数，取值为2；R_y为三角形网格点距离电弧中心y方向的距离；a_y为可调系数，控制焊缝生长的宽度；a_y＝b_y。

2.根据权利要求1所述的可视化横焊位焊接操作系统，其特征在于，三角形网格点与电弧中心y方向的距离R_y和三角形网格点与电弧中心z方向的距离R_z由所述空间角度和坐标数据计算获得。

3.根据权利要求1所述的可视化横焊位焊接操作系统，其特征在于，支撑架(22)、模拟试板(10)和模拟焊条(11)均为工程塑料制成。

4.权利要求1所述的一种可视化横焊位焊接操作系统的操作方法，其特征在于，包括：

1)利用电磁式位置跟踪器检测出焊条的空间坐标：控制柜(20)中的电磁式位置跟踪器的控制器控制电磁式位置跟踪器发射器(23)发射出电磁波，电磁式位置跟踪器接收器(24)接收电磁式位置跟踪器发射器(23)发出的电磁波，通过计算检测出电磁式位置跟踪器接收器(24)的空间位置和角度信息，即得到模拟焊条(11)的空间位置和角度信息；

2)、在可视化横焊位焊接操作系统中，建立焊道、熔池及焊缝的网格一体化模型；

在可视化横焊位焊接操作系统中，在模拟试板(10)的焊接区域内焊接时绘制大量的静态三角形拼接成网格焊道平面，来构成熔池(12)与焊缝(13)区域；

3)、熔池模拟；

横焊焊接时，控制柜(20)实时采集焊接电流I、焊接电压U、三角形网格点与电弧中心y方向的距离R_y和三角形网格点与电弧中心z方向的距离R_z，通过公式1控制熔池范围内的三角形网格点坐标变化，模拟出熔池的形状，并在触摸屏显示器(21)上实时显示；其中，y方向为焊缝的宽度方向，z方向为焊条的移动方向，x方向为焊缝的深度方向；

$\mathrm{\Δx}=k_1\exp (-c_1(\frac{({R_y}^2-c_2{R}_y)}{b_y^2}+\frac{R_z^2}{c_z^2}))$                 (公式1)

公式1中：Δx为x方向上熔池向负方向凹陷的幅度；k₁为控制熔池凹陷速率的系数，取值为0.5-5；c₁为椭球修正系数，取值为1.2；R_y为三角形网格点与电弧中心y方向的距离；b_y为椭球的短半轴，控制熔池金属的宽度；c₂为熔池金属在重力方向的偏移修正量，取值为2；R_z为三角形网格点与电弧中心z方向的距离；c_z为椭球的长半轴，控制熔池金属的长度；

b_y＝1.875U+0.1I            (公式2)

c_z＝1.2b_y                 (公式3)

其中，U为焊接电压、I为焊接电流；

4)焊缝模拟

控制柜(20)通过公式4控制熔池(12)范围以外已被焊接过的范围内的三角形网格点坐标变换，模拟出焊缝(13)的形状，并在触摸屏显示器(21)上实时显示；

$\mathrm{\Δx}=k_2\exp [-c_3\left(\frac{{R_y}^2-c_2{R}_y}{a_y}\right)]$                    (公式4)

公式4中，Δx为x方向上焊缝厚度增量；k₂为控制焊缝生长快慢的系数，取值为0.5-2；c₃为可调系数，取值为3；c₂为重力修正系数，取值为2；R_y为三角形网格点距离电弧中心y方向的距离；a_y为可调系数，控制焊缝生长的宽度；a_y＝b_y；

三角形网格点与电弧中心y方向的距离R_y和三角形网格点与电弧中心z方向的距离R_z由控制柜(20)根据所述空间角度和坐标数据计算获得。

5.根据权利要求4所述的操作方法，其特征在于，横焊开始时，步骤2)所绘制的三角形网格点为不可见；横焊过程中，引弧成功后，随着模拟焊条(11)的移动，三角形网格点在熔池和焊缝所在区域开始实时显示。

6.根据权利要求5所述的操作方法，其特征在于，对于I形坡口横焊，在焊缝的正面和背面各设置一层三角形网格点，当焊接开始后，正面的网格正面可见，背面网格背面可见；对于V形坡口横焊，在焊缝的正面和背面各设置一层三角形网格点的同时，在背面三角形网格点和正面三角线网格点之间还设有三层中间层三角形网格点，中间层三角形网格点都为正面可见。