虚拟现实管道焊接仿真器和设置的制作方法

虚拟现实管道焊接仿真器和设置的制作方法
【专利摘要】在此披露一种仿真器，该仿真器促进凸台(例如，轨道)焊接接缝的虚拟焊接活动。该仿真器可以包括一个基于逻辑处理器的系统，该基于逻辑处理器的系统可操作来执行用于生成一个交互式焊接环境的编码指令，该交互式焊接环境仿真在具有至少一个虚拟焊接接缝的虚拟管道的一个区段上的焊接活动。该仿真器还包括一个显示器，该显示器连接到该基于逻辑处理器的系统上，用于在视觉上描绘该交互式焊接环境，其中该显示器描绘该虚拟管道区段。一个挂件被提供用于在该至少一个焊接接缝上实时执行焊接设备设置和虚拟焊接活动，其中一个或多个传感器被适配用于实时追踪该输入装置的移动，以便将关于该输入装置的该移动的数据传送到该基于逻辑处理器的系统。
【专利说明】虚拟现实管道焊接仿真器和设置
相关申请
[0001 ]本申请作为非临专利申请提交，要求在35U.S.C.§119(e)下于2014年2月14日提交的美国临时专利申请号61/940，221的优先权以及任何其他权益，其全部披露内容通过弓I用结合在此。
[0002]以下共同转让的、共同代决的美国专利申请中的每一个通过引用以其全文结合在此:
[0003](I)2009年7月10日提交的以及题目为使用实时熔池反馈在实时仿真的虚拟现实环境下提供弧焊训练的系统和方法(System And Method Providing Arc WeldingTraining In A Real-Time Simulated Virtual Reality Environment Using Real-TimeWeld Puddle Feedback)的美国专利申请序列号12/501，257;
[0004](2)2009年7月10日提交的以及题目为虚拟现实管道焊接仿真器(VirtualReality Pipe Welding Simulator)的美国专利申请序列号 12/501,263;
[0005](3)2009年7月17日提交的以及题目为焊接仿真器(Welding Simulator)的美国专利申请序列号12/504，870;
[0006](4)2011年4月7日提交的以及题目为虚拟焊接件的虚拟测试和检查(VirtualTesting And Inspect1n Of A Virtual Weldment)的美国专利申请序列号 13/081,725;
[0007](5)2012年2月2日提交的以及题目为虚拟焊接系统(Virtual Welding System)的美国专利申请序列号13/364，489;以及
[0008](6)2012年7月10日提交的以及题目为虚拟现实管道焊接仿真器和设置(VirtualReality Pipe Welding Simulator And Setup)的美国专利申请序列号 13/545,058。
领域
[0009]本发明涉及用于仿真虚拟焊接环境的系统，并且更具体地，涉及仿真凸台焊接接缝的实时焊接和其设置的虚拟焊接环境。
背景
[0010]数十年来，公司一直教导焊接技能。传统上，在现实世界设置中教导焊接，也就是说通过用焊条将电弧打击在金属工件上来教导焊接。本领域中有技能的指导员监视训练过程，从而在受训者执行焊接时在一些情况下进行校正。通过指导和重复，新的受训者学会如何使用一个或多个工艺来焊接。然而，每次执行焊接增加成本，其根据所教导的焊接工艺而变化。
[0011]在最近一段时间，用于训练焊工的成本节约系统已经被采用。一些系统合并运动分析器。该分析器包括焊接件的物理模型、模拟焊条、以及追踪模拟焊条移动的感测装置。生成一份指示焊条端在可以接受的运动范围之外行进到何程度的报告。更高级的系统合并虚拟现实的使用，该虚拟现实在虚拟设置中仿真模拟焊条的操纵。类似地，这些系统追踪位置和定向。此类系统仅教导肌肉记忆，但不能教导有技能的焊工所需要的更高级的焊接技會K。

【发明内容】

[0012]本发明的实施例涉及一种用于促进虚拟焊接活动的仿真器，该仿真器包括但不限于以下元件:一个基于逻辑处理器的子系统，该基于逻辑处理器的子系统可操作来执行用于生成一个交互式焊接环境的编码指令，该交互式焊接环境仿真在凸台焊接接缝上的焊接设置和活动(包括任何搭接操作)，诸如在限定至少一个虚拟焊接接缝的虚拟管道的一个区段与一个虚拟平板之间的界面;一个显示装置，该显示装置操作性地连接到该基于逻辑处理器的子系统上，用于在视觉上描绘该交互式焊接环境，其中该显示装置描绘该虚拟焊接接缝;一个挂件或手持式输入装置，该挂件或手持式输入装置用于在该至少一个虚拟焊接接缝上实时执行设置和虚拟焊接活动；以及一个或多个传感器，该一个或多个传感器被适配成用于实时追踪该输入设备的移动以便将与该输入设备的该移动有关的数据传送到该基于逻辑处理器的子系统。该输入装置将仿真对虚拟现实焊接的输入选择的控制。该基于逻辑处理器的子系统可以进一步包括基于用户限制控制或交互以便提高学习目标。该基于逻辑处理器的子系统可以任选地包括基于视觉、可听、物理变化来教导交互或反应，以便确保该用户能够适当地设置一个焊接环境或能够实现误差恢复。该基于逻辑处理器的子系统通常将包括允许输入并且基于所输入的值提供输出的虚拟计算器或表格。该基于逻辑处理器的子系统还可以包括基于不正确的设置参数或参数组合的启用智能代理的结果。该基于逻辑处理器的子系统还可以包括用于识别应当已经由该用户输入的这些适当的设置参数或参数组合的启用智能代理的输入。该仿真器还可以包括这些设置参数或参数组合的视觉、音频或物理指示符。一个基于摄像机的系统可以被任选地添加以便追踪焊接路径，包括沿所述路径的任何停止和开始。该摄像机系统可以包括根据一个基于模糊逻辑控制器的系统的路径跟随系统和路径确定系统。该仿真器的基于逻辑处理器的子系统可以包括针对用户的多个水平，每个水平被适配到该用户的技能水平、学习步调和学习风格；以及基于人工智能的故障指令，以便测试用户检测问题、校正问题和从问题恢复的能力。多语言能力也是本发明的一个任选方面。在随后的说明书、附图和权利要求书中给出了进一步的特征、实施例和优点。
附图简要说明
[0013]图1为最终用户通过仿真器参与虚拟焊接活动的透视图；
[0014]图2为仿真器的前视图；
[0015]图3A为示出管道焊接位置的示图；
[0016]图3B为示出板焊接位置的示图；
[0017]图4为仿真器的展示的示例性示意框图；
[0018]图5为模拟焊接工具的侧面透视图；
[0019]图6为焊接用户界面的特写图；
[0020]图7为观察者显示装置的特写图；
[0021 ]图8A为个人化显示装置的透视图；
[0022]图SB为由最终用户佩戴的个人化显示装置的透视图；
[0023]图SC为安装在焊工帽罩中的个人化显示装置的透视图；
[0024]图9为空间追踪器的透视图；
[0025]图10为用于保持焊接试样的支持架的透视图；
[0026]图11为管道焊接试样的透视图；
[0027]图12为安装到支持架中的管道焊接试样的透视图；
[0028]图13A-13C示出了凸台焊接接缝的示例性实施例；
[0029]图14描绘了在虚拟环境中的在图13A-13B的凸台焊接接缝上的仿真焊接操作；
[0030]图15示出了管道焊接试样的示例性实施例；
[0031 ]图16A-16E示出了搭接操作的示例性实施例；
[0032]图17示出了基于逻辑处理器的子系统的子系统框图的示例性实施例；
[0033]图18示出了基于逻辑处理器的子系统的图形处理单元(GPU)的框图的示例性实施例；
[0034]图19示出了仿真器的功能框图的示例性实施例；
[0035]图20为使用虚拟现实训练系统的训练方法的实施例的流程图；
[0036]图21A-21B示出了焊接像元(welding pixel)(焊元(wexel))移置图的概念；
[0037]图22示出了在仿真器中仿真的平焊试样的试样空间(couponspace)和焊缝空间(weld space)的示例性实施例;
[0038]图23示出了在仿真器中仿真的拐角焊接试样的试样空间和焊缝空间的示例性实施例；
[0039]图24示出了在仿真器中仿真的管道焊接试样的试样空间和焊缝空间的示例性实施例；
[0040]图25示出了管道焊接试样的示例性实施例；
[0041 ]图26A-26C示出了仿真器的双移置熔池模型的概念的示例性实施例；
[0042]图27示出了如在轨道焊接环境中使用的轨道焊接系统的示例性实施例；
[0043]图28示出了用于与图27的轨道焊接系统一起使用的焊接牵引器；
[0044]图29示出了图27的轨道焊接系统的电源和控制器;并且
[0045]图30示出了用于与图27的轨道焊接系统一起使用的挂件。
详细说明
[0046]现在参考附图，其中这些图示仅是为了展示本发明的实施例的目的，而不是为了对其进行限制的目的，图1和图2示出了用于大体在10处仿真焊接的系统，在此称为仿真器10或系统10。仿真器10能够生成虚拟环境15，该虚拟环境可以描绘类似于现实世界中的焊接设置的焊接设置，并且可以被称为虚拟现实弧焊(VRAW)。在虚拟环境15内，仿真器10促进与一个或多个最终用户12交互。包括允许最终用户12参与现实世界活动的一个输入装置155，该现实世界活动由仿真器10追踪并且转化成虚拟活动。虚拟环境15从而包括一个交互式虚拟焊接环境15。包括一个显示装置200，该显示装置提供进入虚拟环境15和最终用户12的活动的视觉访问。在一个实施例中，仿真器10可以包括由多个最终用户12或其他观察者可见的一个显示屏幕150。附加地，仿真器10可以包括一个个人化显示器140，该个人化显示器被适配用于由单个最终用户12使用，该单个最终用户可以是受训者用户12a或指导员用户12b。在此明确地指出最终用户12在现实世界中的活动被转化成虚拟焊接活动，并且在一个或多个显示器140、150上实时观看。如在此使用的，术语“实时”意指以与最终用户12将及时感知和体验现实世界设置相同的方式，及时感知和体验虚拟环境。
[0047]在生成交互式虚拟焊接环境15时，仿真器10仿真用于不同焊接位置的多个焊接接缝的一个或多个焊接工艺，并且附加地仿真不同种类的焊条针对多个接缝构型的效果。在一个特定实施例中，仿真器10生成一个交互式虚拟焊接环境15，该交互式虚拟焊接环境仿真凸台焊接接缝的焊接，诸如通常在管道焊接和/或开口的根部接缝焊接过程中遇到的。
[0048]如在此使用的，“凸台焊接接缝”通常是指在第一工件与第二工件之间的焊接界面，其中这些工件中的至少一个将通常具有圆形、成轮廓的、或成角度的部分。因此，该焊接界面的至少一部分将通常是非线性的。在一些实施例中，这些工件中的一个将具有形成焊接界面的一部分的突片、凸缘、凸出部等(即，“凸台”)。例如，焊接螺母可以包括促进将该焊接螺母焊接到另一个工件或表面的一个凸台部分。然而，这种凸台不要求落在如在此使用的“凸台焊接接缝”的定义内。例如，邻接平板的圆形管道之间的界面或管道的两个区段之间的界面也是凸台焊接接缝的实例。为达进一步描述广义发明概念的目的，凸台接缝焊接工艺通常将在将管道焊接到平板的背景下在此描述。。
[0049]该系统能够仿真具有实时熔融金属流动性和散热特征的熔池。仿真器10也能够对虚拟焊接活动如何影响焊接接缝(例如，下面的基底材料)进行建模。例示性地，仿真器10可仿真焊接根部焊道和热焊道，以及随后的填充焊道和盖面焊道，每一个具有与现实世界场景平行的特征。由于在先前焊道过程中进行基底材料改变和/或由于选择不同的焊条，所以每个随后的焊道可能以显著不同于先前焊道的焊接方式来进行焊接。熔池建模的实时反馈允许最终用户12在显示器200上观察虚拟焊接工艺，并且在进行虚拟焊接时调节或维持他/她的技法。所观察的虚拟指示符种类的实例包括:熔池流动、熔融的熔池的闪烁、在熔池固化过程中的颜色变化、熔池的冻结速率、热耗散的色彩渐层、声音、焊道形成、织造图案、结渣、咬边、多孔、飞溅、夹渣、溢出、烧穿、以及吸留，仅举几例。应当认识到，熔池特征取决于，也就是说响应于最终用户12(进行)的输入装置155的移动。以此方式，所显示的熔池代表基于所选择的焊接工艺和最终用户12的焊接技法实时形成的现实世界熔池。此外，“咬边”是在使用SMAW工艺的凸台接缝(例如，管道)焊接过程中在根部焊道趾部中留下的焊接缺陷和熔渣的视觉痕迹。在凸台接缝焊接中的被称为热焊道的第二焊道必须是足够热的以使这些咬边重熔，因此它们在最终焊接件中被消除。另外，咬边可通过研磨工艺来去除。根据本发明的一个实施例，在此所述的仿真器10中适当地仿真此类咬边和这些咬边的消除。
[0050]继续参考图1和图2，并且现在还参考图3A和图3B，仿真器10可以仿真不同焊接位置中的焊接工艺、以及对熔池在每个位置中如何反应进行建模。更具体地，仿真器10可以仿真在本领域中分别称为5G位置、2G位置和6G位置的垂直位置、水平位置和/或倾斜位置中的凸台接缝(例如，管道)焊接。附加地，仿真器10可以仿真在与管道的旋转水平位置相关的IG位置中的焊接，或在与焊接架高位置相关的4G位置中的焊接，如可能与邻接板中的坡口焊相关联。其他焊接位置可与用于不同平板构型的开口的根部接缝的焊接相关。应当理解，包括有待在随后段落中详细描述的建模和分析引擎的仿真器10将重力对熔池的影响考虑在内。因此，该熔池例如针对5G位置中的焊接管道与6G位置中的焊接管道做出不同反应。以上实例将不被理解为限制性的，但为例示性目的而包括。本领域的技术人员将容易理解其应用于任何焊接接缝、焊接位置、或包括不同基底材料类型的焊接件的类型。
[0051]现参考图2和图4，仿真器10包括一个基于逻辑处理器的子系统110，该基于逻辑处理器的子系统可以是可编程的和可操作的，以便执行用于生成交互式虚拟焊接环境15的编码指令。仿真器10进一步包括传感器和/或传感器系统，这些传感器和/或传感器系统可以由可操作地连接到基于逻辑处理器的子系统110上的空间追踪器120组成。仿真器10还包括与基于逻辑处理器的子系统110通信的用于设置和控制仿真器10的一个焊接用户界面130。如以上提及的，包括一个或多个显示装置200，该或这些显示装置可以包括各自联接到基于逻辑处理器的子系统110上的戴于面部的一个显示装置140和一个观察者显示装置150，从而提供对交互式虚拟焊接环境15的视觉访问。一个或多个显示装置200可以连接到空间追踪器120上，用于响应于其位置和/或其移动而改变在该装置上观看的图像，如以下描述的。输入装置
[0052]现参考图5，如以上提及的，仿真器10包括促进与最终用户12的交互的一个输入装置155。在一个实施例中，输入装置155包括一个模拟焊接工具160。该模拟焊接工具160可以但不必须地制成类似现实世界焊接工具，诸如例如手动电焊条夹持器、或将连续进料递送到焊条的焊枪(例如，MIG、FCAW、GTAW焊接工具)。此外，模拟焊接工具160的其他构型可以在不偏离本发明实施例的预期涵盖范围的情况下实现。为达讨论目的，将在使用类似手动电焊条夹持器156的模拟焊接工具160的背景下描述本发明的实施例。模拟焊接工具160可高度类似现实世界焊接工具。在一个特定实施例中，模拟焊接工具160可以具有与现实世界焊接工具相同的形状、重量和感觉。事实上，现实焊接工具可以被用作模拟焊接工具160以便提供工具在用户手中的实际感觉，虽然在仿真器10中，现实焊接工具将不用于实际产生真实电弧。以此方式，可以是受训者12a的最终用户12变得习惯于处理现实世界焊接工具，从而增强虚拟焊接体验。然而，模拟焊接工具160可能以通过合理判断所选择的任何方式和构型构造。
[0053]例示性地，模拟焊接工具160仿真用于管道焊接的手工焊接工具，并且包括一个夹持器161和从其延伸的一个仿真的手工焊条162。该仿真的手工焊条162可以包括触觉阻力末端163，以便仿真在现实世界设置中的焊接过程中发生的阻力反馈。如果最终用户12过于背离根部移动仿真的手工焊条162(以下更详细描述的)，最终用户12将能够感觉或觉察到减小的阻力，从而获得用于调节或维持当前焊接工艺的反馈。要考虑的是，手工焊接工具可以包括致动器(未示出)，该致动器在虚拟焊接工艺的过程中缩回仿真的手工焊条162。也就是说，当最终用户12从事虚拟焊接活动时，夹持器161与仿真的手工焊条162的末端之间的距离被减小来仿真焊条的消耗。消耗速率，即手工焊条162的缩回，可以由基于逻辑处理的子系统110控制，并且更具体地，可以由基于逻辑处理的子系统110执行的编码指令控制。仿真的消耗速率还可以取决于最终用户12的技法。在此值得一提的是，当仿真器10便利利用不同类型焊条的虚拟焊接时，手工焊条162的消耗速率或减少可以随所使用的焊接过程和/或仿真器10的设置而变化。
[0054]模拟焊接工具160的致动器可以是电气驱动的。用于接通致动器的电力可以来自仿真器10、来自一个外部电源、或来自内部电池电源。在一个实施例中，该致动器可以是电动装置，诸如电动机。此外，任何类型的致动器或任何形式的动力可被使用，包括但不限于电磁致动器、气动致动器、机械或弹簧加载致动器、以它们的任意组合。
[0055]如以上所指出的，模拟焊接工具160可结合空间追踪器工作，用于与仿真器10交互。具体地，模拟焊接工具160的位置和/或定向可由空间追踪器120实时监测和追踪。表示位置和定向的数据因此可被传送到基于逻辑处理器的子系统110，并且被修改或转变以便按需使用，以用于与虚拟焊接环境15交互。
空间追踪器
[0056]参考图9，示出了一个空间追踪器120的一个实例。空间追踪器120可与基于逻辑处理器的子系统110对接。在一个实施例中，空间追踪器120可磁性地追踪模拟焊接工具160。也就是说，该空间追踪器生成一个磁包络，该磁包络用于确定位置和定向、以及速度和/或速度变化。因此，空间追踪器120包括一个磁源121和源线缆、一个或多个传感器122、磁盘123上的主机软件、一个电源124、USB和RS-232线缆125、一个处理器追踪单元126、以及其他相关联的线缆。磁源121能够经由线缆可操作地连接到处理器追踪单元126上，就像一个或多个传感器122—样。电源124也能够经由线缆可操作地连接到处理器追踪单元126上。处理器追踪单元126能够经由USB或RS-232线缆125可操作地连接到基于逻辑处理器的子系统110上。磁盘123上的该主机软件可以加载到基于逻辑处理器的子系统110上，并且允许空间追踪器120与基于逻辑处理器的子系统110之间的功能通信。
[0057]磁源121产生围绕该源121的一个磁场、或包络从而限定一个三维空间，在该三维空间内最终用户12活动可被追踪以便与仿真器10进行交互。该包络建立空间参考系。在该包络内使用的物体，例如模拟焊接工具160和试样支持架(以下描述的)可由非金属(S卩，非铁的和非导电的)材料组成，以便不会致使磁源121所产生的该磁场扭曲。每个传感器122可以包括在交叉空间方向上对齐的多个感应线圈，该多个感应线圈可以是基本上正交对齐的。这些感应线圈测量磁场在三个方向中的每个上的强度，从而将信息提供给处理器追踪单元126。在一个实施例中，至少一个传感器122被附接到模拟焊接工具160上，从而允许模拟焊接工具160以位置和定向两者相对于空间参考系被追踪。更具体地，这些感应线圈可安装在焊条162的末端中。以此方式，仿真器10能够确定模拟焊接工具160定位在该三维包络内的何处。附加的传感器122可被提供并且可操作地附接到一个或多个显示装置200上。因此，响应于最终用户12的移动，仿真器10可使用传感器数据来改变最终用户12看到的视图。这样，仿真器10捕获和追踪最终用户12在现实世界中的活动，用于转化到虚拟焊接环境15中。
[0058]根据本发明的一个替代性实施例，一个或多个传感器122可以无线地对接到处理器追踪单元126上，并且处理器追踪单元126可以无线地对接到基于逻辑处理器的子系统110上。根据本发明的其他替代性实施例，其他类型的空间追踪器120可以用于仿真器10，例如包括基于加速度计/陀螺仪的追踪器、光学追踪器、红外追踪器、声学追踪器、激光追踪器、射频追踪器、惯性追踪器、有源或无源光学追踪器、以及基于增强现实的追踪装置。此夕卜，其他类型的追踪器可以在不偏离广义发明概念的预期涵盖范围的情况下使用。
显示装置
[0059]现参考图8A，现将描述戴于面部的显示装置140的一个实例。戴于面部的显示装置140可整合到焊工帽罩900中，如图SC所示，或可替代地单独安装，如图SB所示。戴于面部的显示装置140可以包括能够以2D和帧序列视频模式递送流体全运动视频的两个高对比度SVGA 3D OLED微显示器。来自虚拟焊接环境15的虚拟图像(例如，视频)被提供并显示在戴于面部的显示装置140上。在本发明的一个实施例中，基于逻辑处理器的子系统110向戴于面部的显示装置140提供立体视频，从而增强用户的深度感知。立体图像可以由一个逻辑处理单元产生，该逻辑处理单元可以是以下详细描述的一个图形处理单元。也可以提供缩放(例如2倍)模式，从而允许用户仿真眼镜板。
[0060]戴于面部的显示装置140经由有线或无线装置来操作地连接到基于逻辑处理器的子系统110和空间追踪器120上。空间追踪器120的一个传感器122可以附接到戴于面部的显示装置140上，或附接到焊工帽罩900上，从而允许该戴于面部的显示装置140相对于由空间追踪器120所创建的3D空间参考系被追踪。以此方式，焊工帽罩900的移动响应地改变最终用户12在三维虚拟现实设置中看到的图像。戴于面部的显示装置140也可以运行以便呼叫和显示类似于观察者显示装置150的菜单项的菜单项，如随后描述的。以此方式，一位最终用户因此能够使用在模拟焊接工具160上的控制装置(例如，按钮或开关)以便从该菜单激活和选择选项。这可以允许用户例如在其出现失误、改变特定参数、或者回退以重新完成焊道轨迹的一部分时容易地重置焊接。
[0061]戴于面部的显示装置140可以进一步包括扬声器910，从而允许用户听见由仿真器10所产生的仿真的焊接相关声音和环境声音。声音内容功能性和焊接声音提供特定类型的焊接声音，这些焊接声音取决于特定焊接参数是否在公差内或超出公差而改变。声音根据各种焊接工艺和参数来调整。例如，在MIG喷弧焊工艺中，当用户未使模拟焊接工具160正确定位时提供嘛啪的声音，而当模拟焊接工具160被正确定位时提供嘶嘶的声音。在短弧焊工艺中，当咬边发生时提供嘶嘶的声音。这些声音模仿对应于正确和不正确的焊接技法的现实世界声音。
[0062]高保真声音内容可以使用各种电子和机械装置取自实际焊接的现实世界录音。所感知的声音音量和方向取决于最终用户的头部(即，戴于面部的显示装置140)相对于模拟焊接工具160与焊接试样175之间的仿真电弧的位置、定向和距离而被修改。声音可经由扬声器910提供给该用户，这些扬声器可以是耳塞扬声器或任何其他类型的扬声器或声音生成装置，其被安装在戴于面部的显示装置140中或可替代地安装在控制台135和/或支持架
170中。此外，可以选择在参与虚拟焊接活动的同时向最终用户12呈现声音的任何方式。在此也指出可以通过扬声器910传送其他类型的声音信息。实例包括实时或经由预先录制的消息来自指导员用户12b的言语指导。预先录制的消息可以由特定的虚拟焊接活动自动触发。可在现场或从远程位置生成实时指令。此外，可向最终用户12传达任何类型的消息或指令。
控制台
[0063]现参考图2、图6和图7，仿真器10可以包括容纳仿真器10的一个或多个部件的一个控制台135。在一个实施例中，控制台135可以被构造成类似一个焊接电源。也就是说控制台
135的尺寸和形状可以匹配一个现实世界装置的尺寸和形状。仿真器10的操作可以由焊接单元界面130促进，该焊接单元界面可以被制成类似焊接电源旋钮、刻度盘和/或开关133、134。仿真器10可以进一步包括显示器，该显示器可以是显示装置200。被安装到仿真器10上的编码指令(即，软件)可以通过在显示屏幕200上显示指令和/或菜单选项来引导最终用户12与仿真器10的交互。与仿真器10的交互可以包括与管理活动、仿真设置和激活等相关的功能。这可能进一步包括特定焊接工艺和焊条类型、以及包括焊接位置的部分设置的选择。通过焊接单元界面130所进行的选择反映在显示装置200上。
[0064]图6示出了控制台135和焊接用户界面130的一个示例性实施例。焊接单元界面130可以包括对应于在仿真器10的设置和操作期间所使用的用户选择153的一组按纽131。按钮131可能被着色以便对应于在显示装置200上所显示的用户选择153的颜色。当按钮131中的一个被按下时，信号被发送到基于逻辑处理器的子系统110来激活相应功能。焊接单元界面130还可以包括操纵杆132，该操纵杆能够被用户使用来选择在显示装置200上显示的各种参数和选择。焊接单元界面130进一步包括以示例性方式可以用于调节焊丝送进速度/安培数的刻度盘或旋钮133、以及用于调节伏特/微调的另一刻度盘或旋钮134。焊接单元界面130还包括用于选择弧焊工艺的刻度盘或旋钮136。根据本发明的一个实施例，三个弧焊工艺是可选择的，包括焊剂芯弧焊(FCAW)、气体保护金属弧焊(GMAW)、以及自动保护金属弧焊(SMAW)。焊接单元界面130进一步包括用于选择焊接极性的刻度盘或旋钮137。根据本发明的实施例，三种弧焊极性是可选择的，包括交流电(AC)、正接直流电(DC+)以及负接直流电(DC-)。此外，其他焊接工艺和设置特征可以在不偏离广义发明概念的预期涵盖范围的情况下合并在仿真器10中，包括但不限于TIG焊接实施例。根据前述，将容易看到仿真器10的设置与现实世界装置的设置平行。
[0065]图形用户界面功能性1213(见图19)允许用户经由观察者显示装置150以及使用物理用户界面130的操纵杆132来设置焊接场景。焊接场景的设置可以包括选择语言，输入最终用户姓名，选择实习板(例如焊接试样、T板、平板)，选择焊接工艺(例如FCAW、GMAff、SMAff)和相关联的轴向喷射、脉冲、或短弧转移模式，选择气体类型和流率，选择手工焊条的类型(例如E6010或E7018)，以及选择焊剂芯焊丝的类型(例如自保护的、气体保护的)。焊接场景的设置还可以包括设置以下将详细讨论的试样支持架170。焊接场景的设置进一步包括选择环境(例如虚拟现实空间中的背景环境)，设置焊丝送进速度，设置电压电平，选择极性，以及启用或关闭特定视觉提示。在一些实施例中，焊接场景的设置可以包括输入与焊接前预热工件(例如，粗杆或板)相关联的输入参数。在此指出在一个实施例中，限制可能合并到仿真器10中，这些限制可以是软件限制，阻止给定焊接场景的操作，直到已经适当输入所选择工艺的合适设置。以此方式，受训者用户12a通过设置虚拟焊接场景被教导或学习现实世界焊接设置的适当范围。
[0066]因此，显示装置200反映对应于最终用户选择153的活动，包括菜单、行为、视觉提示、新试样设置和评分。这些用户选择可以被绑定到控制台135上的用户按钮。当用户经由显示装置200进行各种选择时，所显示的特征可以改变以便向该用户提供所选择的信息和其他选项。然而，可以是观察者显示装置150的显示装置200可以具有另一种功能，该另一种功能是显示由最终用户12在仿真器10的操作过程中所见的虚拟图像，即在参与虚拟焊接活动时。显示装置200可以被设置以便观看与最终用户12所见相同的图像。可替代地，显示装置200也可以用于显示虚拟焊接活动的不同视图、或不同透视图。
[0067]在一个实施例中，显示装置150、200可以用于回放电存储在数据存储装置300上的虚拟焊接活动，如图17所示。表示最终用户12的虚拟焊接活动的数据可以例如被存储用于回放和查看、被下载用于归档目的、和/或被传输到远程位置用于实时观看和批判。在重放虚拟焊接活动中，可展示细节，诸如熔池流动性、行进速度、以及不连贯状态152，包括例如不恰当的圆角尺寸、不佳的焊道布置、不佳的搭接、凹入的焊道、过于外凸、咬边、多孔、未焊透、夹渣、过度飞溅、以及烧穿。也可以显示咬边，该咬边是容限角之外的结果。此外，可显示通过将电弧移动过度远离焊接件所导致的多孔。以此方式，仿真器10能够重放特定虚拟焊接活动的一部分或所有，对仿真焊接场景的所有方面进行建模，包括与用户的活动直接相关的吸留和缺陷。
[0068]参考图7，仿真器10也能够分析和显示虚拟焊接活动的结果。通过分析所述结果，意味着仿真器10能够确定在该焊接行程(包括任何搭接)过程中是何时以及沿焊接接缝是何处，最终用户12偏离焊接工艺可接受的限制。评分可以归因于最终用户12的表现。在一个实施例中，评分可以是在多个公差范围上模拟焊接工具160在位置、定向和速度上的偏离的函数，这可以从理想的焊接行程延伸到临界的或不可接受的焊接活动。根据用于对最终用户12的表现进行评分的选择，多个范围的任何梯度均可以被合并到仿真器10中。评分可以以数字的方式或字母数字的方式来显示。此外，最终用户12的表现可能以图形的方式来显示，在时间上和/或沿焊接接缝的位置上示出该模拟焊接工具如何接近地横过焊接接缝。诸如行进角度、加工角度、速度以及离焊接接缝的距离的参数是可以被测量的内容的例子，然而出于评分的目的任何参数均可以被分析。例如，搭接过程的表现如本文所述可被分析和评分。这些参数的公差范围取自现实世界的焊接数据，从而提供关于最终用户在现实世界中如何表现的准确反馈。在另一个实施例中，对应于最终用户12的表现的缺陷的分析也可以被合并且显示在现实装置150、200上。在此实施例中，可以描绘示出由测量在虚拟焊接活动期间所监控的不同参数而造成的不连贯是何种类型的图形。尽管吸留在显示装置200上可能不是可视的，但由于最终用户12的表现，缺陷仍可能已经发生，最终用户的表现结果仍可能会相应地被显示(即图形化)。
[0069]显示装置200也可以用于显示用于训练最终用户12的辅导信息。辅导信息的实例可以包括指令，这些指令可以图形地显示，如由视频或图片所描绘的。附加地，指令可能以音频格式写入或呈现，如以上所提及的。此类信息可被存储和维持在数据存储装置300上。在一个实施例中，仿真器10能够显示示出不同焊接参数151的虚拟焊接情景，这些焊接参数包括位置、末端到工件间隙(tip to work)、焊接角度、行进角度、以及行进速度，在此称为视觉提示。
[0070]在一个实施例中，远程通信可用于提供现场外人员进行的视觉指导，即从类似或不类似构造的装置(即仿真器)工作的远程用户。描述虚拟焊接工艺可经由网络连接来完成，该网络连接包括但不限于互联网、LAN、以及数据传输的其他方式。表示特定焊接的数据(包括表现变量)可能被发送到能够显示虚拟图像和/或焊接数据的另一个系统。应当指出的是所传输的数据是充分详细的，用于允许一个或多个远程用户分析焊工的表现。发送到远程系统的数据可用于产生虚拟焊接环境，从而重新创建特定焊接工艺。此外，将表现数据或虚拟焊接活动传送到另一个装置的任何方式可以在不偏离本发明实施例的预期涵盖范围的情况下实现。
焊接试样
[0071]现参考图1、图11和图12，仿真器10可以包括类似并置以便形成焊接接缝176的管道区段的焊接试样175。焊接试样175可能与仿真器10结合工作，该仿真器作为用于最终用户12在参与虚拟焊接活动(例如，凸台焊接接缝的焊接)时的引导。多个焊接试样175可以被使用，也就是说用于在虚拟焊接活动的给定循环中可互换使用。焊接试样的类型可以包括圆柱形管道区段、弧形管道段、平板、T板和实心杆，仅举几例。在一个实施例中，每个焊接试样可合并开放根部接缝或沟槽。然而，焊接接缝的任何构型可以在不偏离本发明实施例的预期涵盖范围的情况下合并到焊接试样中。
[0072]焊接试样175的大小可变化。对于圆柱形管道，内直径的范围可从11/2英寸(内直径)延伸到18英寸(内径)。在一个特定实施例中，内径的范围可超过18英寸。在另一个实施例中，弧形管道段可以具有在从11/2英寸(内径)延伸直到以及超过18英寸(内径)的范围内的特征半径。此外，应当理解可以利用焊接试样175的任何内径，小于11/2英寸的内径和超过18英寸的内径。在实际意义上，只要焊接试样175或焊接试样175的一部分配合在空间追踪器120所产生的包络内，可使用焊接试样175的任何尺寸。平板也可以在长度上延伸直到和超过18英寸。此外，应当理解焊接试样175的上大小限制仅被空间追踪器120所产生的感测场的尺寸和强度以及其对应焊接试样175定位的能力约束。所有此类变型应当被理解为落在本发明的实施例的覆盖范围内。
[0073]在一个实施例中，焊接试样175包括与一个板2002对接的一个管道2000或管道区段，该板是平坦的、平面的等。以此方式，焊接试样175可仿真管道在板上焊接，如一种类型的凸台焊接(见图13A-13B和图15)。管道2000与板2002对接或以其他方式接触板2002的地方的外周长形成一个焊接路径2004。焊接路径2004的形状将通常对应于管道2000的形状。焊接路径2004是模拟焊接工具2010 (例如，模拟焊接工具160)在将管道2000和板2002彼此焊接时期望横过的路径。
[0074]在一个实施例中，管道2000和板2002对接以便形成圆角接缝(见图13A-13B)。图13A为管道2000和板2002的侧正视图。图13B为管道2000和板2002的透视图。图13C为实心杆2001和板2002的根据一个替代性实施例的透视图，其中模拟焊接工具2010就位以便沿焊接路径2004焊接。
[0075]图14为示出了在管道2000和板2002的界面处焊接圆角接缝的仿真操作可能对于用户(例如，用户12)看起来如何的图像2100。例如，图像2100可以在任何合适的显示装置(例如，显示装置200)上显示。以此方式，图像2100可以在观察者显示装置150上显示。此外，图像2100示出用户可能在其戴于面部的显示装置140中看见什么。
[0076]在一个实施例中，管道2000的一个下区段2020包括斜的或沟槽状的区段以便形成凹槽接缝(见图15)。由此，管道2000和板2002对接以便形成沟槽状接缝。图15为管道2000和板2002的透视图。
[0077]当焊接特定焊接接缝(诸如图13A-13C的圆角接缝、图15的凹槽接缝、拐角接缝等，包括笔直/线性焊接接缝)时，有经验的焊工可以能够在单个焊道中横过整个焊接路径(例如，焊接路径2004)。然而环境障碍或其他约束(例如，疲劳、分心)可能要求用户仅横过焊接路径的一部分，立刻停止(例如，以便相对于焊接重新定位其身体)，以及随后重新开始横过该焊接路径。同样地，无经验的焊工(例如，受训者焊工12a)可能感觉更舒服或另外得益于将一个长焊道(例如，360度焊道)分解成两个或更多个较小的焊道(例如，一个第一 180度焊道和一个第二 180度焊道)。两个不同焊道的接合或连接被称为搭接。
[0078]在一个实施例中，在仿真器10中仿真搭接操作2300(例如，如图16A-16E所示)。以此方式，搭接操作可能被执行和实践/教导、评分等。如图16A所示，在管道2000和板2002的界面(见图13B)处的圆角接缝的焊接路径2004是圆形的。在焊接圆角接缝中，用户对模拟焊接工具2010进行定位，以便在焊接路径2004上的第一点2302处开始焊接(见图16B)。用户随后沿焊接路径2004在箭头2304的方向上移动模拟焊接工具2010。用户沿焊接路径2004移动模拟焊接工具2010直到到达第二点2306，在该时间焊接暂时暂停，从而完成第一焊道2308(见图16C)。通常第一焊道在此非焊接时段过程中基本上固化。
[0079]在用户准备开始第二焊道2326时，重要的是将第二焊道2326搭接到第一焊道2308。因此，用户对模拟焊接工具2010进行定位，以便在焊接路径2004上的第三点2320处开始焊接，该第三点与焊接路径2004上的第一焊道2308结束的第二点2306至少部分地重叠(见图16D)。通过在与第一焊道2308至少部分地重叠或另外合并的一点处开始第二焊道2326，第二焊道2326将与第一焊道2308搭接。用户随后沿焊接路径2004在箭头2322的方向上移动模拟焊接工具2010。用户沿焊接路径2004移动模拟焊接工具2010直到到达第四点2324，在该时间焊接停止，从而完成第二焊道2326(见图16E)。同样，焊接路径2004上的第四点2324与焊接路径2004上的第一点2302至少部分地重叠。
[0080]彼此搭接的第一焊道2308和第二焊道2326形成管道2000与板2002之间的圆角接缝焊接。
[0081]如以上所提及的，焊接试样175可以由不干扰空间追踪器120的材料构造。对于产生磁场的空间追踪器，焊接试样175可以由非铁的和不导电的材料构造。然而，可选择适用于与该类型的空间追踪器120或所选择的其他传感器一起使用的任何类型的材料。
[0082]参考图11-12、图13A-13C和图15，焊接试样175可以被构造成使得它配合到桌台或支持架170中，该桌台或支持架运行(至少部分地)以便保持焊接构件175相对于空间追踪器
120恒定。因此，焊接试样175可以包括连接部分177或连接器177，如图11-12所示。连接部分177可以从焊接试样175的如图所示可以是底侧(例如，板2002的底表面)的一侧延伸，并且可接收到包括有支持架170的机械互锁装置中。应当理解焊接试样175插入支持架170中的定向可能需要是恒定的，即可重复的，用于紧密匹配在虚拟焊接环境15内创建的虚拟焊接件(例如管道)。以此方式，只要仿真器10意识到焊接试样175的位置已经如何改变，可以相应地进行对虚拟配对物的调整。例如，在设置过程中，最终用户12可以选择将焊接上的部分(例如，管道)的尺寸。最终用户12随后可以将合适的焊接试样175插入支持架170中，从而将其锁定到位置中。随后，最终用户12可选择期望的焊接位置，
从而经由焊接用户界面130进行选择。如以下将描述的，支持架170随后可以是倾斜的或被调整，以便将焊接试样175定位在由仿真器10所识别的任何焊接位置中。当然，应当理解调整焊接试样175的位置还调整空间追踪器120的位置，从而保留焊接试样175在感测追踪场内的相对位置。
[0083]图10描绘了支持架170的一个实施例。支持架170可以包括一个可调节桌台171、一个支持架底座172、一个可调节臂173和一个立柱174。桌台171和臂173分别附接到立柱174上。桌台171和臂173各自能够沿立柱174的高度被调节，这可以包括相对于立柱174的向上、向下和/或旋转运动。臂173用于以与在此讨论的方式一致的方式来保持焊接试样175。桌台171可辅助最终用户12，通过允许他/她的手臂在使用过程中停留在桌台171上。在一个特定实施例中，立柱174被标记有位置信息，这样使得用户可以确切地知道臂173和桌台171被定位在何处。也可以在设置过程中通过焊接用户界面130和显示装置150将此信息输入到仿真器10中。
[0084]本发明的一个替代性实施例被考虑，其中桌台171和臂173的位置响应于在仿真器10的设置过程中所进行的选择来自动调节。在此实施例中，经由焊接用户界面130所进行的选择可以被传送到基于逻辑处理器的子系统110。由支持架170所采用的致动器和反馈传感器可以由基于逻辑处理器的子系统110控制，用于在不物理移动臂173或桌台171的情况下对焊接试样175进行定位。在一个实施例中，这些致动器和反馈传感器可以包括电气驱动的伺服电动机。然而，任何机车装置可以如根据合理的工程判断而被选择的那样用于自动调节支持架170的位置。以此方式，设置焊接试样175的过程是自动的，并且不需要最终用户12的手动调节。
[0085]本发明的另一个实施例包括与焊接试样175结合使用的智能装置的使用，在此被称为“智能”试样175。在此实施例中，焊接试样175包括一个装置，该装置具有关于可以由支持架170感测的特定焊接试样175的信息。具体地，臂173可以包括检测器，这些检测器读取存储在位于焊接试样175上的装置上或之内的数据。实例可以包括编码在传感器(例如，微电子装置)上的数字数据的使用，该数字数据在被带入检测器近侧时可以被无线读取。其他实例可以包括类似条形码的无源装置的使用。将关于焊接试样175的信息智能传送到基于逻辑处理器的子系统110的又一种方式可以根据合理的工程判断而被选择。
[0086]存储在焊接试样175上的数据可以向仿真器10自动指示已经插入在支持架170中的焊接试样175的类型。例如，2英寸管道试样可以包括与其直径相关的信息。可替代地，第一板试样可以包括信息，该信息指示包括在该试样上的焊缝的类型(例如，沟槽焊接焊缝或对接焊接焊缝)、以及其物理大小。以此方式，关于焊接试样175的信息可用于使仿真器10的设置的与选择和安装焊接试样175相关的部分自动化。
[0087]校准功能性1208(见图19)提供使现实世界空间(3D参考系)中的物理部件与虚拟焊接环境15中的视觉部件匹配的能力。通过将焊接试样175安装到支持架170的臂173上，并且利用可操作地连接到支持架170上的校准笔(stylus)在预先限定的点179(例如，由焊接试样175上的三处浅凹179指示的)处接触焊接试样175，每种不同类型的焊接试样175在工厂中被校准。仿真器10读取预定点179处的磁场强度，向基于逻辑处理器的子系统110提供位置信息，并且基于逻辑处理器的子系统110使用该位置信息来执行校准(即从现实世界空间到虚拟现实空间的转化)。
[0088]相同类型的焊接试样175的任何部分因此在非常严格的公差之内以相同的可重复方式配合到支持架170的臂173中。因此，一旦特定类型的焊接试样175被校准，类似试样的重复校准不是必须的，即特定类型的焊接试样175的校准是一次性事件。换句话说，相同类型的焊接试样175是可互换的。校准确保用户在焊接工艺期间所感知的物理反馈匹配在虚拟现实空间中向该用户显示的内容，从而使得仿真看上去更加现实。例如，如果用户围绕实际焊接试样175的拐角滑动模拟焊接工具160的末端，用户将在显示装置200上看到该末端围绕虚拟焊接试样的拐角滑动，就像该用户感觉到该末端围绕实际拐角滑动那样。根据本发明的一个实施例，模拟焊接工具160也可以被放置在预先定位的架子(jig)上并且基于已知架子位置以类似方式来校准。
[0089]根据本发明的另一个实施例，“智能”试样可以包括允许仿真器10追踪预先限定的校准点或“智能”试样的拐角的传感器。这些传感器可以在预先限定的校准点的精确位置处安装在焊接试样175上。然而，可以选择将校准数据传送到仿真器10的任何方式。因此，仿真器10连续地知道“智能”试样在现实世界3D空间中的何处。此外，可以提供许可密钥以便“解锁”焊接试样175ο当特定焊接构件175被购买时，可以提供许可密钥，该许可密钥允许最终用户12a、12b将该许可密钥输入仿真器10，从而解锁与该特定焊接试样175相关联的软件。在一个替代性实施例中，特别的非标准焊接试样可以基于零件的现实世界CAD图来制造或另外提供。
[0090]现参考图2、图4和图10，如以上所提及的，仿真器10包括一个基于逻辑处理器的子系统110，该基于逻辑处理器的子系统可以包括可编程电子电路200，用于执行用于生成交互式虚拟焊接环境15的编码指令。可编程电子电路200可以包括一个或多个逻辑处理器203或基于逻辑处理器的子系统203，其可由一个或多个微处理器204组成。在一个特定实施例中，可编程电子电路200可以由以下将进一步讨论的一个或多个中央处理单元(CPU)和一个或多个图形处理单元(GPU)组成。可以包括附加电路，例如电子存储器(即RAM、R0M)、以及其他外部支持电路。应当指出电子存储器可以被包括用于CPU和GPU两者，该CPU和GPU中的每一个可以是单独可编程的，以用于在呈现如在此所描述的虚拟焊接环境15的方面中使用。此外，可编程电子电路200可以包括和利用数据存储装置300(诸如硬盘驱动器，光存储装置、闪存等)。可以包括其他类型的电子电路，该电子电路促进仿真器10内的装置之间或不同仿真器10之间的数据转移。这可以包括例如从一个或多个输入装置155(例如，空间追踪器或传感器)接收数据，或通过一个或多个网络来转移数据，该一个或多个网络可以是局域网(LAN)、广域网(WAN)和/或互联网。应当理解上述装置和工艺本质上是示例性的，并且不应当理解为限制性的。事实上，任何形式的可编程电路、支持电路、通信电路和/或数据存储可合并到本发明的实施例中，如根据合理的工程判断而选择的。
[0091]图17示出了仿真器10的基于逻辑处理器的子系统110的子系统框图的示例性实施例。基于逻辑处理器的子系统110可以包括一个中央处理单元(CPU)Ill和两个图形处理单元(GPU)115。两个GPU 115可以被编程以便提供具有实时熔融金属流动性、以及热吸收和耗散特征的熔池的虚拟现实仿真。
[0092]参考图18，示出了图形处理单元(GPU)115的框图。每个GPU 115支持数据并行算法的实现。根据本发明的一个实施例，每个GPU 115提供能够提供两个虚拟现实视图的两个视频输出118和119。视频输出中的两个可以被路由到戴于面部的显示装置140，呈现焊工的视野，并且第三视频输出例如可以被路由到观察者显示装置150，呈现焊工的视野或者某个其他视野。剩余的第四视频输出可以例如被路由到投影仪，或用于适用于仿真虚拟焊接环境15的任何其他目的。两个GPU 115执行相同的焊接物理计算，但可以从相同或不同的视野呈现虚拟焊接环境15 APU 115包括统一个计算统一装置架构(CUDA) 116和着色器117。⑶DA116是软件开发商通过行业标准编程语言可使用的GPU 115的计算引擎。⑶DA 116包括并行核心并且被用于运行在此所描述的熔池仿真的物理模型。CPU 111向GPU 115上的CUDA 116提供实时焊接输入数据。在一个特定实施例中，着色器117负责绘制并应用全部的仿真画面。焊道和熔池画面由在此稍后描述的焊元移置图的状态来驱动。根据本发明的一个实施例，物理模型以大约每秒30次的速率运行和更新。
[0093]图19示出了仿真器10的功能框图的示例性实施例。仿真器10的不同功能方框可以在很大程度上是经由在基于逻辑处理器的子系统110上运行的软件指令和模块实现。仿真器10的各种功能方框包括物理界面1201、焊炬和夹具模型1202、环境模型1203、声音内容功能性1204、焊接声音1205、底座/桌台模型1206、内部架构功能性1207、校准功能性1208、试样模型1210、焊接物理1211、内部物理调节工具(微调器(tweaker))1212、图形用户界面功能性1213、绘图功能性1214、学员报告功能性1215、呈现器1216、焊道呈现1217、3D纹理1218、视觉提示功能性1219、评分和公差功能性1220、公差编辑器1221以及特殊效果1222。
[0094]内部架构功能1207提供仿真器10的处理的更高水平的软件逻辑，包括例如加载文件、保持信息、管理线程、启用物理模型以及触发菜单。根据本发明的实施例，内部架构功能1207运行在CPU 111上。针对基于逻辑处理器的子系统110的特定实时输入包括电弧位置、焊枪位置、戴于面部的显示装置或头盔位置、焊枪启用/关闭状态以及接触产生的状态(是/否)。
[0095]在仿真的焊接场景期间，绘图功能性1214收集用户表现参数并将这些用户表现参数提供到图形用户界面功能性1213，用于以图形格式进行显示(例如，在观察者显示装置150上)。来自空间追踪器120的追踪信息馈入绘图功能性1214。绘图功能性1214包括简单分析模块(SAM)和抖动(whip)/摆动(weave)分析模块(WffAM)。SAM通过比较焊接参数和存储在焊道表格中的数据分析用户焊接参数，这些用户焊接参数包括焊接行进角度、行进速度、焊接角度、位置以及末端到工件的间隙。WWAM分析用户抖动参数，包括币状体间隔、抖动时间以及熔池时间IWAM还分析用户摆动参数，包括摆动宽度、摆动间隔以及摆动定时。SAM和WW AM将原输入数据(例如，位置和定向数据)解释为在功能上可使用的数据，用于进行绘图。在一个实施例中，SAM、ffffAM和/或某个其他模块用于追踪、绘图、或另外负责搭接操作，如在此所描述的。针对由SAM和WWAM和/或其他相关模块所分析的每个参数，公差窗口由参数限制(parameter limits)围绕使用公差编辑器1221输入焊道表格的最佳或理想设定点来限定，并且评分和公差功能性1220被执行。
[0096]公差编辑器I22 I包括估计材料使用、电气使用和焊接时间的焊接度量计(weldometer)。此外，当特定参数超出公差时，可能发生焊接不连贯(即焊接缺陷)。任何焊接不连贯的状态由绘图功能性1214处理并经由图形用户界面功能性1213以图形格式呈现。这样的焊接不连贯包括圆角尺寸、不佳的焊道布置、不恰当的搭接、凹入的焊道、过于外凸、咬边、多孔、未焊透、夹渣以及过度飞溅。根据本发明的一个实施例，不连贯的水平或量取决于特定用户参数偏离最佳或理想的设定点的程度。
[0097]不同的参数限制可以针对不同类型的用户(例如，焊接初学者、焊接专家以及在交易展览会中的人)被预先限定。评分和公差功能1220根据用户接近针对特定参数的最佳(理想)值的程度并且根据出现在焊接中的不连贯或缺陷的水平提供数字评分。来自评分和公差功能性1220和来自绘图功能性1214的信息可以被学员报告功能性1215使用，以便为指导员和/或学员创建表现报告。
[0098]视觉提示功能性1219通过在戴于面部的显示装置140和/或观察者显示装置150上显示覆盖的颜色和指示符，向用户提供立即的反馈。针对焊接参数151中的每个提供视觉提示，这些焊接参数包括位置、末端到工件的间隙、焊接角度、行进角度、以及行进速度，并且如果基于预先限定的限制或公差用户的焊接技术的某些方面应当被调节，则在视觉上指示该用户。例如，还可以针对抖动/摆动技术、焊道“币状体(dime)”间隔、以及适当的搭接技术提供视觉提不。
[0099]根据本发明的一个实施例，实现了虚拟现实空间中的熔池或焊池的仿真，其中所仿真的熔池具有实时熔融金属流动性和热耗散特征。根据本发明的一个实施例，位于熔池仿真的中心的是可以在GPU 115上执行的焊接物理功能性1211(又称物理模型)。焊接物理功能性采用双移置层技术来准确地建模动态流动性/粘滞性(viscosity)、凝固性、热梯度(吸热与耗散)、熔池痕迹(wake)以及焊道形状，并且在此参考图21A-21B更详细地描述。
[0100]焊接物理功能性1211与焊道呈现功能性1217连通，以便呈现焊道从加热熔融状态到冷却固化状态的全部状态。焊道呈现功能性1217使用来自焊接物理功能性1211的信息(例如，热、流动性、移置、币状体间隔)，以便准确地且逼真地以实时的方式在虚拟现实空间中呈现焊道。3D纹理功能性1218将纹理图(texture maps)提供到焊道呈现功能性1217，来使附加的纹理(例如焦痕(scorching)、恪渣、颗粒(grain))覆盖到仿真焊道上。呈现器功能性1216用于使用来自特殊效果模块1222的信息呈现各种非熔池的具体特征，包括火星(sparks)、飞溅、烟尘、电弧光、烟以及特定不连贯(例如像咬边和多孔性)。
[0101]内部物理调节工具1212是允许针对不同焊接工艺限定、更新和修改不同焊接物理参数的微调(tweaking)装置。根据本发明的一个实施例，内部物理调整工具1212在CPU 111上运行，并且调节的或更新的参数被下载到多个GPU 115中。可以经由内部物理调节工具1212调整的参数类型包括与焊接试样相关联的参数、允许工艺被改变而无需重置焊接试样(允许形成第二焊道)的工艺参数、可以被改变而不会重置整个仿真的不同全局参数以及其他不同参数。
[0102]图20为使用虚拟现实训练仿真器10的训练方法1300的实施例的流程图。在步骤1310中，根据焊接技术相对于焊接试样移动模拟焊接工具。在步骤1320中，使用虚拟现实系统在三维空间内追踪模拟焊接工具的位置和定向。在步骤1330中，观看虚拟现实焊接系统的显示器，在仿真的模拟焊接工具通过在从所述仿真的模拟焊接工具射出的仿真电弧附近形成仿真熔池，来将仿真的焊道材料堆积到仿真的焊接试样的至少一个仿真表面上时，该显示器示出模拟焊接工具和焊接试样在虚拟现实空间中的实时虚拟现实仿真。在步骤1340中，在显示器上观看仿真的熔池的实时熔融金属流动性和散热特征。在步骤1350中，响应于观看仿真的熔池的实时熔融金属流动性和散热特征而实时地修改焊接技术的至少一个方面。在一个实施例中，焊接技术包括搭接操作，如在此所描述的。
[0103]方法1300示出用户如何能够观看虚拟现实空间中的熔池并响应于观看，仿真熔池的不同特征(包括实时熔融金属流动性(例如，粘滞性)和热耗散)而改变其焊接技术。用户还可以观看并响应于其他特征，包括实时熔池痕迹和币状体间隔。观看并响应于熔池的特征是许多焊接操作在现实世界中实际上如何被执行。焊接物理功能性1211的双移置层建模在多个GPU 115上运行，允许这样的实时熔融金属流动性和热耗散特征被准确地建模并向用户展示。例如，热耗散确定固化时间(即焊元需要多少时间彻底地固化)。
[0104]此外，用户可以使用相同或不同的(例如，第二)模拟焊接工具、焊条和/或焊接工艺，在焊道材料上完成第二焊道。在这样的第二焊道场景中，在仿真的模拟焊接工具通过在从仿真的模拟焊接工具射出的仿真电弧附近形成第二仿真的熔池，堆积与第一仿真的焊道材料合并的第二仿真的焊道材料时，该仿真示出虚拟现实空间中的仿真的模拟焊接工具、焊接试样以及原始的仿真焊道材料。可能以类似的方式形成使用相同或不同的焊接工具或工艺的附加的后续焊道。根据本发明的特定实施例，当由先前的焊道材料、新焊道材料以及有可能在下面的试样材料中的任何组合在虚拟现实世界中形成新熔池时，在任一第二或后续焊道中，先前的焊道材料与被堆积的新焊道材料合并(作为一种搭接形式)。这样的后续焊道可能例如被执行来修复由先前的焊道形成的焊道，或者可以包括热焊道和在管道焊接中完成焊根部焊道后的一个或多个间隙闭合焊道。根据本发明的不同实施例，基座和焊道材料可以被仿真以便包括软钢、不锈钢和铝。
[0105]如以上指出的，多个焊道的合并被称为“搭接”。第二焊道或随后焊道可以被执行成平行于并且至少部分地位于第一焊道或先前焊道上。搭接的另一种类型是当焊道在横过完整的焊接路径之前中断或另外停止时。然而，用户在焊接路径上开始新的焊道，其中该新焊道与预先存在的焊道重叠或另外对接。由此，适当的搭接包括正确地将两个或更多个焊道合并，从而组成沿焊接路径的焊接。
[0106]根据本发明的一个实施例，在实时虚拟环境中仿真与不锈钢材料的焊接。仿真基金属外观以便提供不锈钢焊接的现实表示。提供视觉效应的仿真以便改变光的视觉光谱来适应电弧着色。也基于适当的工作距离、点火和速度来仿真现实声音。基于热影响区和焊炬移动来仿真电弧熔池外观和沉积外观。提供氧化铝膜或氮化铝膜的浮渣或破碎颗粒的仿真，其可以在整个焊道上散射。与加热和冷却影响区相关的计算被定制用于不锈钢焊接。提供与飞溅相关的不连贯操作，以便更接近和准确地仿真不锈钢GMAW焊接的外观。
[0107]根据本发明的一个实施例，在实时虚拟环境中仿真与铝材料的焊接。仿真焊道痕迹以便接近地将铝焊接的外观与现实世界中所见的外观匹配。仿真基金属外观以便表示铝焊接的现实表示。提供视觉效应的仿真以便改变光的视觉光谱来适应电弧着色。提供照明的计算以便创建反射性。与加热和冷却影响区相关的计算被定制用于铝焊接。提供氧化的仿真以便创建现实的“清洁行为”。也基于适当的工作距离、点火和速度来仿真现实声音。基于热影响区和焊炬移动来仿真电弧熔池外观和沉积外观。在GMAW焊炬中仿真铝焊丝的外观以便提供现实和适当的外观。
[0108]根据本发明的一个实施例，在实时虚拟环境中仿真GTAW焊接。提供GTAW焊接的操作参数的仿真，这些操作参数包括但不限于流率、脉冲频率、脉冲宽度、电弧电压控制、AC平衡、以及输出频率控制。也仿真熔池“飞派”或浸没技术以及焊接消费品的熔化掉的视觉表示。此外，视觉上和听觉上呈现在熔池中的气焊操作(无填隙金属)以及具有填隙金属的GTAW焊接操作的表示。可以仿真附加填隙金属变型的实现，包括但不限于碳钢、不锈钢、铝和铬钼合金。可以提供外部脚踏板的可选择的实现方式用于在焊接过程中的操作。
用于建模的引擎
[0109]图21A-21B示出了根据本发明的一个实施例的焊接元素(焊元)移置图1420的概念。图21A示出了具有平坦顶表面1410的平坦焊接试样1400的侧视图。焊接试样1400例如作为塑料部分存在于现实世界中，并且作为仿真焊接试样存在于虚拟现实空间中。图21B示出仿真焊接试样1400的破碎成的焊接元素(被称为“焊元”)网格或阵列的顶表面1410的形成焊元图1420的表示。每个焊元(例如，焊元1421)限定焊接试样的表面1410的一小部分。焊元图限定表现分辨率。可改变的通道参数值被分配到每个焊元，从而允许每个焊元值在仿真的焊接工艺过程中实时在虚拟现实空间中动态改变。可改变的通道参数值对应于通道熔池(熔融金属流动性/黏性移置)、热量(热吸收/耗散)、移置(固体移置)、以及额外的(不同额外状态，例如，熔渣、颗粒、烧焦、原生金属)。这些可改变的通道在此被称为PHED(分别用于熔池、热量、额外的、以及移置)。
[0110]图22示出了在图1和图2的仿真器10中仿真的图21A的平焊试样1400的试样空间和焊缝空间的示例性实施例。点O、X、Y和Z限定本地3D试样空间。大体上，每个试样类型限定从3D试样空间到2D虚拟现实焊缝空间的映射。图21B的焊元图1420是映射到虚拟现实中的焊缝空间的值的二维阵列。如图22所示，用户将从点B焊接到点E。在图22中，在3D焊接件空间和2D焊缝空间两者中示出从点B至点E的轨迹线。
[0111]每种类型的焊接件限定焊元图中的每个位置的移置方向。针对图22的平焊试样，移置方向在焊元图中的所有位置处是相同的(即在Z方向上)。焊元图的纹理坐标在3D试样空间和2D焊缝空间两者中被示出为S、T(有时被称为U、V)以便说明映射。焊元图被映射到并且表示焊接试样1400的矩形表面1410。
[0112]图23示出了在仿真器10中仿真的拐角焊试样1600的试样空间和焊缝空间的示例性实施例。如图23所示，拐角焊接试样1600具有在3D试样空间中的被映射到2D焊缝空间中的两个表面1610和1620。同样，点0、Χ、Υ和Z限定本地3D试样空间。焊元图的纹理坐标在3D试样空间和2D焊缝空间两者中被示出为S、T，以便说明映射。如图23所示，用户将从点B焊接到点E。在图23中，在3D焊接件空间和2D焊缝空间两者中示出从点B至点E的轨迹线。然而，移置方向朝向如3D试样空间所示的线X ’ -O ’，朝向相反拐角。
[0113]图24示出了在仿真器10中仿真的管道焊试样1700的试样空间和焊缝空间的示例性实施例。管道焊接试样1700具有在3D试样空间中的被映射到2D焊缝空间中的弯曲表面1710。点0、Χ、Υ和Z再一次限定本地3D试样空间。焊元图的纹理坐标在3D试样空间和2D焊缝空间两者中被示出为S、T，以便说明映射。如图24所示，最终用户12将沿弯曲轨迹从点B焊接至IJ点E。在3D焊接件空间和2D焊缝空间中分别示出从点B至点E的轨迹曲线。移置方向远离线Y-O(即远离管道中心)。图25示出了图24的管道焊接试样1700的示例性实施例。管道焊接试样1700由非铁的、不导电的塑料制成，并且仿真到一起以便形成根部接缝1703的两个管道件1701和1702。用于附接到支持架170的臂173上的附接件1704也被示出。
[0114]以纹理图可以被映射到几何形状的矩形表面区域的类似方式，可焊接的焊元图可以被映射到焊接试样的矩形表面。可焊接图的每个元素在图片的每个元素被称为像元(图片元素的缩并)的相同意义上被称为焊元。一个像元包含限定颜色(例如，红色、绿色、蓝色)的信息通道。一个焊元包含限定虚拟现实空间中的可焊接表面的信息通道(例如，P、H、E、D)0
[0115]根据本发明的一个实施例，焊元的格式被汇总成包含四个浮点数的通道PHED(熔池、热量、额外、移置)。该额外通道被视为一组数位，该组数位存储关于焊元的逻辑信息，例如像在焊元位置处是否存在任何熔渣。该熔池通道存储在焊元位置处的任何液化金属的移置值。该移置通道存储在焊元位置处的固化金属的移置值。该热量通道存储给定在焊元位置处的热量量值的值。以此方式，试样的可焊接部分可示出由于焊道的移置、由于液体金属的闪烁表面“熔池”、由于热量的颜色等。通过施加到可焊接表面的顶点着色器和象素着色器来实现所有这些效果。
[0116]根据本发明的一个实施例，在颗粒可以彼此交互并且与移置图碰撞的地方使用移置图和颗粒系统。这些颗粒是虚拟动态流体颗粒，并且提供熔池的液体行为，但不直接呈现(即不是直接视觉可见的)。相反，仅移置图上的颗粒效果是视觉可见的。对焊元的热量输入影响附近颗粒的移动。在仿真熔池中涉及两种类型的移置，其包括熔池和移置。熔池移置是“暂时的”并且仅在只要存在颗粒和热量时持续。移置是“永久的”。熔池移置是焊接的液体金属，其快速改变(例如，闪烁)并且可被认为是移置的“顶部上”。这些颗粒覆盖虚拟表面移置图的一部分(即，焊元图)。该移置表示包括已经固化的初始基金属和焊道两者的永久固体金属。
[0117]根据本发明的一个实施例，在虚拟现实空间中的仿真焊接过程如下工作:来自发射器(仿真模拟焊接工具160的发射器)的以细锥形的颗粒流。这些颗粒与仿真焊接试样的表面进行第一接触，其中该表面由焊元图限定。这些颗粒彼此交互以及与焊元图交互，并且实时增长。添加的热量越多，焊元离发射器越近。取决于与电弧点的距离和从该电弧输入热量的时间量来对热量进行建模。某些图形部分(例如，颜色)由热量驱动。恪池在虚拟现实空间中绘制或呈现，用于具有足够热量的焊元。在其为热的任何地方，焊元图液化，从而导致熔池移置针对那些焊元位置“升高”。通过对每个焊元位置处的“最高”颗粒进行采样来确定熔池移置。随着发射器沿焊接轨迹继续移动，留下的焊元位置冷却。以特定速率将热量从焊元位置去除。当到达冷却阈值时，焊元图固化。这样，熔池移置逐渐转化到移置(即固化焊道)。所添加的移置相当于所移动的熔池，这样使得总高度不改变。颗粒寿命被微调或调整以便持续直到固化完成。在仿真器10中模制的某些颗粒特性包括吸引/排斥、速率(与热量相关)、减震(与热耗散相关)、以及方向(与重力相关)。
[0118]图26A-26C示出了仿真器10的双移置(移置和颗粒)熔池模型的概念的示例性实施例。在虚拟现实空间中仿真具有至少一个表面的焊接试样。焊接试样的表面在虚拟现实空间被仿真成包括固体移置层和熔池移置层的双移置层。熔池移置层能够修改固体移置层。
[0119]如在此所描述的，“熔池”被焊元图中的一个区域限定，在该区域中熔池至已经通过颗粒的存在升高。在图26A-26C中表示采样过程。示出焊元图的具有七个邻近焊元的一个区段。电流移置由给定高度(即每个焊元的给定移置)无阴影的矩形柱1910表示。在图26A中，颗粒1920被示出为与电流移置水平撞击的圆形无阴影点并且被堆积。在图26B中，在每个焊元位置处对“最高”颗粒高度1930进行采样。在图26C中，阴影矩形1940示出在移置顶部上由于颗粒已经添加多少熔池。由于基于热量以特定的液化速率添加熔池，熔池高度初始未设置到采样值。尽管未在图26A-26C中示出，有可能将固化过程可视化为熔池(阴影矩形)逐渐收缩，并且移置(无阴影矩形)从下面逐渐增长到恰好代替熔池。以此方式，准确地仿真实时熔融金属流动性特征。在用户实践特定焊接工艺时，该用户能够在虚拟现实空间中实时观察熔融金属流动性特征和热耗散特征，并且使用此信息来调节或维持其焊接技法。
[0120]表示焊接试样表面的焊元数目是固定的。此外，如在此描述的，由对模型流动性的仿真产生的熔池颗粒是暂时的。因此，一旦在仿真的焊接工艺过程中使用仿真器10在虚拟现实空间中产生初始熔池，焊元加熔池颗粒的数目倾向于保持相对恒定。这是因为所处理的焊元的数目是固定的，并且在焊接工艺过程中存在和被处理的熔池颗粒的数目以类似速率被创建和“破坏”(即焊元颗粒是暂时的)。因此，基于逻辑处理器的子系统110的处理负载在仿真焊接会话过程中维持相对恒定。
[0121 ]根据本发明的一个替代性实施例，熔池颗粒可能在焊接试样表面内或下面产生。在此类实施例中，可相对于原生(即未焊接)试样将移置建模成正的或负的。以此方式，熔池颗粒可能不仅在焊接试样的表面上增长，但也可能渗透该焊接试样。然而，焊元的数目仍然是固定的，并且所创建和破坏的熔池颗粒是仍然是相对恒定的。
[0122]根据本发明的替代性实施例，代替对颗粒进行建模，可以提供具有更多通道的焊元移置图以便对熔池的流动性进行建模。或代替对颗粒进行建模，可以对密集型体元图进行建模。或代替焊元图，可以仅对被采样以及从不离开的颗粒进行建模。然而，此类替代性实施例可能不为系统提供相对恒定的处理负载。
[0123]此外，根据本发明的一个实施例，通过取走材料来仿真烧穿或栓孔。例如，如果用户在相同维持保持电弧持续过久，在现实世界中，该材料将烧掉从而导致一个孔。在仿真器10中通过焊元抽选技术来仿真此类现实世界烧穿。如果焊元所吸收的热量被仿真器10确定是过高的，焊元可以被标记或指定成烧掉并且这样呈现(例如，呈现为一个孔)。随后，然而，焊元重新构造可能针对特定焊接工艺(例如，管道焊接)发生，其中材料在初始烧掉之后被添加回。大体上，仿真器10仿真焊元抽选(取走材料)和焊元重新构造(将材料添加回)。
[0124]此外，在根部焊道焊接中去除材料在仿真器10中被适当仿真。例如，在现实世界中，根部焊道的研磨可能在随后的焊道之前执行。类似地，仿真器10可以仿真将材料从虚拟焊接接缝去除的研磨焊道。应当理解所去除的材料在焊元图上被建模成负移置。也就是说，研磨焊道去除被仿真器10建模的材料，从而导致改变的焊道轮廓。研磨焊道的仿真可以是自动的，这也就是说仿真器10去除一个预先确定厚度的材料，该材料可能是对应于根部焊道焊道的表面。在一个替代性实施例中，可以仿真实际的研磨工具或研磨器，其通过激活模拟焊接工具160或另一个输入装置来打开和关闭。应当指出研磨工具可以被仿真以便类似现实世界研磨器。在此实施例中，用户沿根部焊道操纵研磨工具以便响应于其移动来去除材料。应当理解用户可以被允许去除过多的材料。以类似于以上所述的方法，如果用户“研磨掉”太多材料，可导致孔或栓孔或其他缺陷(以上所描述的)。另外，硬限制或停止可以被实现，即被编程来阻止用户去除太多材料，或指示何时过多材料被去除。
[0125]除在此描述的非可视的“熔池”颗粒之外，根据本发明的一个实施例，仿真器10还使用三种其他类型的可视的颗粒来表示电弧、火焰和火花效应。这些类型的颗粒不与任何类型的其他颗粒交互，但仅与移置图交互。尽管这些颗粒不与仿真焊接表面碰撞，它们不彼此交互。根据本发明的一个实施例，仅熔池颗粒彼此交互。火花颗粒的物理被设置，这样使得火花颗粒到处跳动并且在虚拟现实空间中被呈现为发光点。
[0126]电弧颗粒的物理被设置，这样使得电弧颗粒撞击仿真试样或焊道的表面并且停留一段时间。电弧颗粒在虚拟现实空间中被呈现为较大的暗淡青白色点。形成任何种类的虚拟图像需要许多此类点叠加。最终结果是具有蓝色边缘的白色发光光轮。
[0127]火焰颗粒的物理被建模以便缓慢地向上升高。火焰颗粒被呈现为中等尺寸的暗淡红黄点。形成任何种类的虚拟图像需要许多此类点叠加。最终结果是向上升高并且向外减弱的具有红色边缘的橙红色火焰的斑点。根据本发明的其他实施例，其他类型的非熔池颗粒可以在仿真器10中实现。例如，烟雾颗粒可能以类似于火焰颗粒的方式来建模和仿真。
[0128]在仿真可视化中的最终步骤由GPU115的着色器117所提供的顶点着色器和象素着色器处理。顶点着色器和像元着色器施加熔池和移置，以及由于热量而改变的表面颜色和反射性等。如在此较早讨论的，PffiD焊元格式的额外(E)通道包含每个焊元所使用的所有额外信息。根据本发明的一个实施例，额外信息包括非原生位(真实=焊道、虚假=原生钢)、熔渣位、咬边值(在此焊元处的咬边量，其中零等于无咬边)、多孔值(在此焊元处的多孔量，其中零等于无多孔)、以及对焊道固化的时间进行编码的焊道痕迹值。存在与不同试样图形部分(包括原生钢、熔渣、焊道和多孔)相关联的一组图像映射。这些图像映射用于冲击映射和纹理映射两者。通过在此描述的不同标记和值来控制这些图像映射的混合量。
[0129]使用ID图像映射和每个焊道痕迹值来实现焊道痕迹效应，该每个焊道痕迹值对少量给定焊道固化的时间进行编码。一旦热熔池焊元位置不再是足以被称为“熔池”那样热，在该位置处节约时间并且被称为“焊道痕迹”。最终结果是着色器代码能够使用ID纹理图来绘制“波纹”，这些波纹给予焊道描述将该焊道放下的方向的其独特外观。根据本发明的一个替代性实施例，仿真器10能够在虚拟现实空间中仿真并且显示在仿真熔池沿焊接轨迹移动时，具有由仿真熔池的实时流动性-至-固化转化所导致的实时焊道痕迹特征的焊道。
[0130]根据本发明的一个替代性实施例，仿真器10能够教导用户如何对焊机进行故障检测。例如，系统的故障检测模式可能训练用户确保其正确设置该系统(例如，正确的气体流动速率、正确连接的电源线)。根据本发明的另一个替代性实施例，仿真器10能够录制和回放焊接会话(或焊接会话的至少一部分，例如，N帧)。追踪球可以被设置来通过视频帧滚动，从而允许用户或指导员批判焊接会话。回放也可能以可选择的速度来设置(例如，全速度、二分之一速度、四分之一速度)。根据本发明的一个实施例，可以提供分屏回放，从而允许例如在观察者显示装置150上并排观看两个焊接会话。例如，为比较目的，可以在“不好的”焊接会话附近观看“良好的”焊接会话。
[0131]自动化焊接也是本发明的一个方面。自动化焊接的一个例示性实例是轨道焊接，该轨道焊接通常用于接合不同类型材料的导管或管道。例如，可以使用TIG(GTAW)焊炬来围绕在有待通过自动化机械系统焊接在一起的这些管道进行轨道运动。图27示出了如在轨道焊接环境中使用的轨道焊接系统的示例性实施例。一个轨道焊接系统包括围绕这些管道或导管行进的焊接牵引器、焊接电源和控制器、以及提供操作者控制的挂件。图28示出图27的如可操作地连接到两个待焊接管道上的轨道焊接系统的焊接牵引器2010。图29示出了图27的轨道焊接系统的电源和控制器2020，并且图30示出了图27的轨道焊接系统的挂件2030。
[0132]尽管以上讨论已经聚焦在不同焊接工艺(包括轨道焊接)的虚拟现实仿真上，本发明的实施例不限于该方面，并且包括与根据用户限定的设置所进行的焊接相关联的实际设置和表现特征的教导和反馈方面。如以上所讨论的，GTAW/GMAW焊接需要训练以便确保操作员理解可用于焊接工艺(例如，轨道焊接工艺)的实践的控制。存在以下误解:由于机器进行焊接，与轨道焊接系统相关联的自动化消除对训练的需要。自动化轨道焊接需要训练，以便确保操作员理解焊接以及用于控制TIG焊道的所有独特的设置和实现技能。这包括误差校正、较大直径管道焊接、远程摄像机的利用、以及适当的误差评估和校正。
[0133]训练程序提供不一致的或不充分的教导以下的覆盖:良好的焊接解决方案、不良的焊接解决方案、以及待执行、对其反应或校正每个的机构。针对此类型的利基市场解决方案，难以找到具有充分背景和/或行业知识和经验的指导员。只有通过授权指导员所教导的质量训练，焊接设备的操作员可能获得满足现在的焊接环境中的严格验收标准所需的复杂技能。附加地，在具有长焊缝(其可能包括一个或多个搭接)的大周长突出上，维持注意和聚焦的困难表示一个显著问题。
[0134]在GTAW过程中，在不消耗的钨焊条与工件之间维持电弧。焊条支持电弧的热量，并且工件的金属融化以及形成熔池。工件和焊条的熔融金属必须被保护免于大气中的氧气，从而通常采用诸如氩的惰性气体作为防护气体。如果使用填隙金属的添加，填隙焊丝可被馈送到熔池，在该熔池中它由于电弧所递送的能量融化。根据本发明的一个实施例，提供一种虚拟现实焊接系统，该虚拟现实焊接系统合并涉及以下的技术:观看GTAW/GMAW自动化焊接操作、使用挂件(实际的或虚拟的)或远程控制(由于其涉及自动化焊接)、基于所选择的焊接参数组合来识别焊接不连贯、以及通过使用用户屏幕来校正操作者选择和参数组合，以便通过与自动化焊接相关的适当技术和视觉元素来理解不同参数的交互和其对焊接质量的影响。
[0135]通过在虚拟环境中实现焊接(例如，轨道GTAW)训练，可以解决多个问题。例如，在焊接过程中的行业和经历可以基于开发公司的知识，并且因此与可用的最新技术和标准一致以及更新到其，这在虚拟环境中容易通过软件升级来进行。指导者变成对程序的促进者，并且不需要是焊接工艺的专家。附加的训练辅助(诸如路径跟随提示或视觉覆盖)改善在虚拟环境中的训练转移。不需要购买可能变得过时的焊接设备。可以在一对一训练环境或教室类型的设置中使用该虚拟现实系统。
[0136]虚拟框架的使用允许通过一个训练装置仿真多个挂件。在虚拟现实中实现焊接(例如，轨道GTAW)工艺汇总，挂件可以被制造成物理装置或虚拟挂件。通过物理装置，学员能够与控制交互并且得到对于控制的“感觉”。通过虚拟挂件，其中控制在触摸屏上是可用的和交互的，用户可以轻易地选择用于控制的各种挂件，无论他们是定制的或公司相关的。虚拟挂件也允许启用不同类型的控制或水平以用于由学员使用，取决于基于其行业水平(镜像处理领域工作经历)可用的学习水平或控制。不同于传统训练，随机故障(例如，焊丝嵌套)可以被实现，这些随机故障给用户提供更详细和完整的经历而不用损害设备或耗时的设置。
[0137]学习交互部分是基于接缝、制备、材料类型等的对于适当焊接参数的理解。根据一个实施例，在虚拟现实中，理论支持的屏幕可以被启用以便给用户提示关于进行适当选择的知识。附加的屏幕或表格可以被启用以便给用户提示将输入什么的知识，但也可以在选择了错误选择时被启用以便高亮显示选择了什么以及它为什么是错误的，其中识别适当的选择。这种类型的智能代理可以确保学员不会不正确地执行并且通过最终结果变得挫败，积极的增强和学习是关健。本发明的一个实施例也将允许系统或指导员测验用户的知识，以及使训练课程和测试适配到单独用户的盲点。本发明的一个实施例采用人工智能(Al)和学习管理系统(LMS)，以便在需要区域帮助指导、增强知识和提供学习辅助。
[0138]设置参数可以包括但不限于:惰性气体(例如，氩、氦气)；电弧点火;焊接电流(例如，脉冲式对比非脉冲式)；用于避免在焊接端部处的箱环的下斜坡功能性;焊炬旋转行进速度;焊丝馈送特征(例如，脉冲式波形)；焊丝直径选择；电弧电压;焊条与工件之间的距离;焊接振荡控制;远程控制;通常集成的闭环水冷却回路的冷却特征；以及焊接循环编程(通常具有四个轴)等。
[0139]焊接的检查和查看是学习过程的另一个方面。学员可以观察焊接和识别什么是正确的或错误的，并且基于这些选择接收评分来识别他们是否是对的，以及进一步基于行业标准来接收关于什么是对的或错的输入。这可以被增强以便识别如何校正这些情况。例如，在正确的安培数和速度(所识别的)下，焊接基于特定行业标准可以是良好的焊接。
[0140]如以上所描述的，可以提供用于在虚拟现实焊接中的输入选择的物理教导挂件或手持控制装置。可替代地，可提供用于控制虚拟现实焊接的输入选择的虚拟教导挂件装置。为学员学习水平或行业角色相关的与手持式或视觉装置的交互可以在装置上启用。根据一个实施例，基于用户限制控制或交互可以被设置以便提高学习目标或增强行业角色交互。
[0141]基于视觉、可听、或物理改变的教学交互或反应可以被设置以便确保用户知道适当的设置或误差恢复。另外，基于视觉、可听、或物理改变的教学交互或反应可以被设置，以便确保用户基于所进行的环境或焊接具体改变知道所需控制的适当改变。虚拟计算机或表格可以被启用，这些虚拟计算机或表格允许输入以及基于所输入的值提供输出。基于错误设置参数或选择的启用智能代理的结果可以被设置以便增强正确的行业标准。此外，可以基于电流、视觉、可听的、或物理指示符来提供启用智能代理的用于识别适当控制输入应该是什么的输入。根据一个实施例，可以与根据基于模糊逻辑控制器系统创建路径跟随系统和路径确定系统一起，提供基于摄像机的系统的仿真。例如，多个呈现可以通过仿真两个摄像机视图来提供，这样使得这些摄像机视图在仿真过程中可以是移动。根据一个实施例，例如当从希望路径偏离时，报警基于模糊逻辑报警可以发出声音。仿真TIG熔池的可视化可以经由像元尺寸来设置，这些像元尺寸是足够小的以便提供TIG熔池的适当可视化。仿真TIG熔池的量值的仿真也可以被设置以用于用户的更好可视化。
[0142]可以提供针对用户的适配到用户(LMS兼容的)的技能水平、学习速度和学习风格的多个经验水平。基于人工智能(Al)的故障感应也可以被设置以便测试用户检测、校正以及从问题恢复的能力。可以提供不安全情况、机器设置、以及材料缺陷的仿真。另外，根据一个实施例可以提供能够多语言的系统，从而允协调全球市场的训练。本发明的一个实施例可以提供虚拟的仿真环境，从而允许两个或更多个用户(多人)诸如在特定轨道焊接场景中创建虚拟焊接。
[0143]总之，本发明公开一种实时虚拟现实焊接系统，该实时虚拟现实焊接系统包括基于可编程处理器的子系统、操作性地连接到基于可编程处理器的子系统上的空间追踪器、能够由空间追踪器在空间追踪的至少一个模拟焊接工具、以及操作性地连接到基于可编程处理器的子系统上的至少一个显示装置。该系统能够在虚拟现实空间中仿真具有实时熔融金属流动性和热耗散特征的熔池。该系统进一步能够在该显示装置上实时地显示所仿真的熔池。
[0144]在此已经参考所披露的实施例描述了本发明。显然，在阅读和理解本说明书的基础上，其他人将会想到修改和改变。旨在包括落在所附权利要求书或其等效物范围内的所有此类修改和变更。
参考号
10仿真器或系统 12 最终用户 12a 受训者用户 12b 指导员用户 15 虚拟环境
110基于逻辑处理器的子系统
111CPU
115GPU
116CUDA
117着色器
118输出
119输出120空间
121磁源
122传感器
123磁盘
124电源
125USB 和 RS-232 线缆
126处理器追踪单元
130焊接用户界面
131按钮
132操纵杆
133旋钮、刻度盘和/或开关
134旋钮、刻度盘和/或开关
135控制台
136刻度盘或旋钮
137刻度盘或旋钮140显示器
150显示器
151各种焊接参数
152不连贯状态
153用户选择
155输入装置
156手动电焊条夹持器
160模拟焊接工具
161夹持器
162仿真的手工焊条
170试样支持架
171可调节桌台
172支持架基座
173可调节臂
174立柱
175焊接试样
177连接部分或连接器
179预先限定的点
200显示装置
203逻辑处理器
204微处理器300数据存储装置900焊工帽罩910扬声器1201物理界面
1202焊炬和夹具模型
1203环境模型
1204声音内容功能性
1205焊接声音
1206支持架/桌台模型
1207架构功能性
1208校准功能性
1210试样模型
1211焊接物理
1212调节工具
1213图形用户界面功能性
1214绘图功能性
1215学员报告功能性
1216呈现器
1217焊珠呈现
1218纹理
1219功能性
1220评分和公差功能性
1221公差编辑器
1222特殊效果1300方法1310步骤1320步骤1330步骤1340步骤1350步骤1400焊接试样1410平坦顶表面
1420焊接元素(焊元)移置图
1421焊元
1600拐角焊接试样
1610表面
1620表面
1700管道焊接试样
1701管道件
1702管道件
1703根部接缝
1704附接件2010焊接牵引器
2020电源和控制器
2030挂件
2300搭接操作
2302第一点
2304箭头
2306第二点
2308第一焊道
2322箭头
2324第四点
2326第二焊道
【主权项】
1.一种用于促进虚拟焊接活动的仿真器(10)，包括: 一个基于逻辑处理器的子系统(110)，该基于逻辑处理器的子系统可操作来执行用于生成一个交互式焊接环境(15)的编码指令，该交互式焊接环境仿真在限定一个虚拟焊接接缝的一个第一虚拟工件与一个第二虚拟工件的界面处的焊接设置和活动中的至少一者； 一个显示装置，该显示装置操作性地连接到该基于逻辑处理器的子系统上，用于在视觉上描绘该交互式焊接环境，其中所述显示装置描绘该虚拟焊接接缝； 一个挂件或手持式输入装置，该挂件或手持式输入装置用于在该虚拟焊接接缝上实时执行设置和虚拟焊接活动中的至少一者。2.如权利要求1所述的仿真器，其中该第一虚拟工件和该第二虚拟工件中的至少一个是管道、杆、或螺母。3.如权利要求1或2所述的仿真器，其中该输入装置仿真对虚拟现实焊接的输入选择的控制。4.如权利要求1至3之一所述的仿真器，其中该基于逻辑处理器的子系统(110)进一步包括基于用户限制控制或交互以便提高学习目标。5.如权利要求1至4之一所述的仿真器，其中该基于逻辑处理器的子系统进一步包括基于视觉、可听、物理变化来教导交互或反应，以便确保所述用户能够适当地设置一个焊接环境或能够实现误差恢复。6.如权利要求1至5之一所述的仿真器，其中该基于逻辑处理器的子系统进一步包括允许输入并且基于所输入的值提供输出的虚拟计算器或表格。7.如权利要求1至6之一所述的仿真器，其中该基于逻辑处理器的子系统进一步包括基于不正确的设置参数或参数组合的启用智能代理的结果。8.如权利要求7所述的仿真器，其中该基于逻辑处理器的子系统进一步包括用于识别应当已经由该用户输入的这些适当的设置参数或参数组合的启用智能代理的输入。9.如权利要求8所述的仿真器，该仿真器进一步包括这些设置参数或参数组合的视觉、音频或物理指示符。10.如权利要求1至9之一所述的仿真器，该仿真器进一步包括用于追踪该焊接路径的基于仿真摄像机的系统。11.如权利要求1至10之一所述的仿真器，该仿真器进一步包括根据基于一个模糊逻辑控制器的系统的路径跟随系统和路径确定系统，其中该路径跟随系统和该路径确定系统优选用于访问搭接操作。12.如权利要求1至11之一所述的仿真器，其中该基于逻辑处理器的子系统进一步包括针对用户的多个等级，每个等级被适配到该用户的技能水平、学习步调和学习风格。13.如权利要求1至12之一所述的仿真器，其中该基于逻辑处理器的子系统进一步包括基于人工智能的故障指令，以便测试用户检测、校正和从问题恢复的能力。14.如权利要求1至13之一所述的仿真器，其中该基于逻辑处理器的子系统进一步包括对机器设置的不安全情况和材料缺陷的仿真。15.如权利要求1至14之一所述的仿真器，该仿真器包括多语言能力。
【文档编号】G09B5/06GK105981087SQ201580007161
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2015年2月13日
【发明人】D·波斯尔思韦特, D·A·兹伯瑞, 克里斯·甘迪, A·阿代蒂安德拉, M·W·华莱士, Z·S·兰克尔
【申请人】林肯环球股份有限公司