用于表征人工焊接操作的系统的制作方法
【专利说明】用于表征人工焊接操作的系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本专利申请是2009年7月8日递交的且题为“用于监控和表征人工焊缝的创建的方法和系统”的美国专利申请序号为N0.12/499, 687以及2010年12月13日递交的且题为“焊接训练系统”的美国专利申请序号为N0.12/966，570的部分继续申请，所述美国专利申请序号为N0.12/499，687和所述美国专利申请序号为N0.12/966，570的公开内容在此全部通过引用被并入本文，如同在本文被完整地重新叙述一样。
[0003]发明背景
[0004]所描述的发明一般地涉及用于表征人工焊接操作的系统，并且更具体地，涉及用于通过这样的方式将有用的信息提供给焊接受训者的系统，所述方式为捕捉、处理并且以可见的格式来呈现由焊接受训者在人工地执行实际焊接时所实时产生的数据。
[0005]制造业对有效且经济的焊工训练的期望已经在过去的十年里成为了有记录可查的主题，因为在今天的工厂、造船厂和建筑工地，技术焊工严重短缺的现状正变得惊人地明显。迅速退休的劳动力，结合传统的基于指导者的焊工训练的缓慢步伐，已经成为更有效的训练技术发展的推动力。对具体到焊接的人工灵巧技术的加速训练的创新，连同对电弧焊接基本原理的快速教导，正在变为一种必要。本文所公开的表征和训练系统解决了对提高焊工训练的这个至关重要的需求并且能够监控人工焊接过程来确保所述过程是在可允许的限制内，所述限制对满足全行业的质量要求是必要的。迄今为止，多数焊接过程都被人工地执行，然而，该领域仍缺乏实用的、商业上可获得的工具来跟踪这些人工过程的执行。因此，对这样的有效系统存在持续的需求，所述系统用于训练焊工来在各种条件下正确地执行各种类型的焊接。
【发明内容】
[0006]以下内容提供本发明的某些示例性实施方案的总结。该总结不是广泛的概述并且不意图来确定本发明的关键的或决定性的方面或元件或者来划定它的范围。
[0007]依据本发明的一个方面，用于表征人工和/或半自动焊接操作和练习的系统被提供。该系统包括数据产生部件、数据捕捉部件和数据处理部件。数据产生部件进一步包括固定装置，其中固定装置的几何特征是预先确定的；工件，所述工件被调适来安装在固定装置上，其中工件包括要被焊接的至少一个接头，并且其中沿要被焊接的接头延伸的矢量限定操作路径；至少一个标定装置，其中每个标定装置进一步包括与标定装置一体的至少两个点标记，并且其中点标记和操作路径之间的几何关系是预先确定的；以及焊接工具，其中焊接工具可操作来在要被焊接的接头处形成焊缝，其中焊接工具限定工具点和工具矢量，并且其中焊接工具进一步包括被附着到焊接工具的标靶，其中标靶进一步包括以预先确定的图案被安装在标靶上的多个点标记，并且其中点标记的预先确定的图案可操作来限定刚体。数据捕捉部件进一步包括用于捕捉点标记的图像的成像系统。数据处理部件可操作来接收来自数据捕捉部件的信息并且然后计算操作路径相对于通过成像系统可见的三维空间的位置和定向；工具点相对于刚体的位置以及工具矢量相对于刚体的定向；以及工具点相对于操作路径的位置以及工具矢量相对于操作路径的定向。
[0008]依据本发明的另一个方面，用于表征人工和/或半自动焊接操作和练习的系统也被提供。该系统包括数据产生部件、数据捕捉部件和数据处理部件。数据产生部件进一步包括固定装置，其中固定装置的几何特征是预先确定的；工件，所述工件被调适来安装在固定装置上，其中工件包括要被焊接的至少一个接头，并且其中沿要被焊接的接头延伸的矢量限定操作路径；至少一个标定装置，其中每个标定装置进一步包括与标定装置一体的至少两个点标记，并且其中点标记和操作路径之间的几何关系是预先确定的；以及焊接工具，其中焊接工具可操作来在要被焊接的接头处形成焊缝，其中焊接工具限定工具点和工具矢量，并且其中焊接工具进一步包括被附着到焊接工具的标靶，其中标靶进一步包括以预先确定的图案被安装在标靶上的多个点标记，并且其中点标记的预先确定的图案可操作来限定刚体。数据捕捉部件进一步包括用于捕捉点标记的图像的成像系统并且成像系统进一步包括多个数码相机。至少一个带通滤波器被并入到多个数码相机中的每个的光学序列中，用于允许仅来自从点标记反射或发出的波长的光，以提高图像信噪比。数据处理部件可操作来接收来自数据捕捉部件的信息并且然后计算操作路径相对于通过成像系统可见的三维空间的位置和定向；工具点相对于刚体的位置以及工具矢量相对于刚体的定向；以及工具点相对于操作路径的位置以及工具矢量相对于操作路径的定向。
[0009]基于阅读和理解下面的示例性实施方案的详细描述，本发明的附加特征和方面对于本领域的技术人员而言将变得明晰。如将被技术人员所理解的，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，本发明的进一步的实施方案是可能的。从而，附图和相关联的描述在本质上被认为是图示说明性的而不是限制性的。
_0] 附图简要说明
[0011]附图(其被并入到说明书中并且形成说明书的一部分)示意性地图示说明本发明的一个或更多个示例性实施方案以及上面所给出的总的描述和下面所给出的详细描述，用于解释本发明的原理，并且其中:
[0012]图1是图示说明本发明的示例性实施方案的信息流通过数据处理和可视化部件的流程图；
[0013]图2提供依据本发明的示例性实施方案的一种用于表征人工焊接操作的便携式或半便携式系统的等距视图；
[0014]图3提供图2的系统的平放组件的等距视图；
[0015]图4提供图2的系统的水平组件的等距视图；
[0016]图5提供图2的系统的竖直组件的等距视图；
[0017]图6图示说明图2的平放组件上的两个点标记的放置；
[0018]图7图示说明示例性工件操作路径；
[0019]图8图示说明用于确定工件操作路径的示例性工件上的两个主动的或被动的点标记的放置；
[0020]图9是详述在本发明的第一标定部件的示例性实施方案中所涉及的处理步骤的流程图；
[0021]图10图示说明本发明的示例性实施方案的焊接工具，示出被用来限定刚体的点标记的放置；
[0022]图11图示说明本发明的示例性实施方案的焊接工具，示出被用来限定工具矢量和刚体的点标记的放置；以及
[0023]图12是详述在本发明的第二标定部件的示例性实施方案中所涉及的处理步骤的流程图。
[0024]发明的详细描述
[0025]现在参照附图描述本发明的示例性实施方案。参考编号在详细描述中自始至终被用来指代各种元件和结构。在其他情况中，出于简化描述的目的，众所周知的结构和装置以方框图的形式被示出。尽管出于图示说明的目的，下面的详细描述包含许多具体的内容，但本领域的技术人员将理解的是，对下面细节的许多变化和变更是在本发明的范围内。从而，本发明下面的实施方案被阐述而没有对所要求保护的发明的一般性造成任何损失并且没有对所要求保护的发明进行限定。
[0026]本发明涉及用于观察和表征人工焊接练习和操作的先进系统。这种系统对于焊接教导和焊工训练而言是特别有用的，所述系统提供这样的可负担的工具，所述工具用于衡量人工焊接技术并且比较所述技术与已建立的规程。本发明的训练应用包括:(i)筛选申请人技术水平；(ii)评价受训者随时间的进步；(iii)提供实时辅导以降低训练时间和成本；以及(iv)利用可量化的结果定期地重新测试焊工技术水平。处理监控和质量控制应用包括:(i)实时确认与优选状况的偏差；(ii)记录并跟踪随时间的与规程的符合度(compliance)出于统计过程控制的目的，捕捉过程中的数据(例如，热量输入测量)；以及(iv)确认需要附加训练的焊工。本发明的系统提供这样的独到好处，即能够确定对各种被接收的焊接规程的符合度。
[0027]在各种示例性实施方案中，本发明在焊接练习期间基于点云图像分析使用单个或多个相机跟踪系统来测量焊炬动作并且收集过程数据。本发明适用于宽范围的过程，包括但不必限于GMAW、FCAW、SMAW、GTAW以及切割。本发明对于工件配置的范围是可扩展的，包括大尺寸、各种接头类型、管道、板以及复杂的形状。所测量的参数包括工作角度、行进角度、工具间隔、行进速度、焊