虚拟现实和现实焊接训练系统及方法与流程
本申请是申请日为2014年11月5日，申请号为201480060353.9，发明名称为“虚拟现实和现实焊接训练系统及方法”的申请的分案申请。
本发明涉及虚拟焊接系统。本申请作为非临专利申请提交，要求在35u.s.c.§119(e)下于2013年11月5日提交的美国临时专利申请号61/900,136的优先权/权益，其全部披露内容通过引用结合在此。
发明领域
本发明涉及焊接站模拟领域，并且更具体地涉及模拟复杂组件的半自动焊接的虚拟定序器。
技术背景
学习如何执行焊接站中所需的全部步骤，包括除焊接以外的步骤，传统上要耗费很多指导、训练和练习的时间。
有很多不同类型的操作可以学习，包括各种焊接和非焊接操作。通常，焊接站的步骤由学员操作员在现实焊接站学习，学员操作员对现实金属件进行焊接操作。这种现实世界的训练可能占用稀有的焊接资源并耗尽有限的焊接材料。因为操作员学习装配操作，在现实生产零件上焊接的同时进行训练可能成本较高。在现实生产零件上的训练时间通常需要两个操作员(成本高)并且有可能产生碎料、返工、或低质量组件。
然而近来，使用焊接模拟进行训练的想法变得越来越普遍。一些焊接模拟通过个人计算机来实现、通过互联网在网上实现、或甚至作为虚拟焊工来实现。然而，常规的焊接模拟倾向在它们的训练重点上限制于单一焊接点并且通常一次涉及一种焊接技术。常规的虚拟现实训练通常仅涉及单独焊接点并且不准备或训练焊接者如何生产完整的组件，所述完整组件涉及多个焊接和/或装配步骤。实际上，不同于在这些模拟器中，在焊接站需要很多不同的焊接技术和非焊接操作，这些技术和操作需要产生整体的、完整的焊接组件。因此，存在一种对焊接模拟系统和方法的未满足的需求，这些系统和方法可以有效地模拟完整组件的生产。
说明
为了有效地模拟完整组件的生产，披露了根据如下所述的虚拟焊接系统。一般发明概念包含虚拟焊接系统(及相关方法)，包括本文中披露的和建议的说明性系统和方法。
在一个示例性实施例中，一种虚拟焊接系统包括：一个基于逻辑处理器的子系统，所述子系统可操作用于执行用于产生交互式焊接环境的编码指令，所述交互式焊接环境模拟在焊接试件和样件中的至少一者所限定的虚拟焊接头上的焊接活动；一个虚拟顺序控制器，所述虚拟顺序控制器操作性地连接至所述基于逻辑处理器的子系统用于实现虚拟顺序；显示装置，所述显示装置操作性地连接至所述基于逻辑处理器的子系统以在视觉上描绘包括所述虚拟焊接头的所述交互式焊接环境；一个输入设备，所述输入设备用于在所述虚拟焊接头上实时进行虚拟焊接活动；以及一个空间追踪器，所述空间追踪器包括一个或多个传感器，所述一个或多个传感器被适配成用于实时追踪所述输入设备的移动以便将与所述输入设备的移动有关的数据传递至所述基于逻辑处理器的子系统。
在一个示例性实施例中，所述虚拟焊接系统进一步包括一个使用者界面，用于一个使用者向所述虚拟焊接系统提供输入。
在一个示例性实施例中，所述基于逻辑处理器的子系统封装在一个模拟焊接控制台内，所述模拟焊接控制台的大小和形状被确定为近似一个焊接电源。
在一个示例性实施例中，所述基于逻辑处理的子系统实现所述虚拟顺序控制器。
在一个示例性实施例中，所述虚拟顺序控制器包括一个微处理器、一个顺序控制程序、以及一个存储器。所述存储器存储一个或多个状态表文件。
在一个示例性实施例中，所述虚拟焊接系统进一步包括一个虚拟顺序配置工具。所述虚拟顺序配置工具允许使用者修改现有的状态表文件之一。所述虚拟顺序配置工具允许创建新的使用者状态表文件，以便在存储器中进行存储。
在一个示例性实施例中，所述虚拟顺序是由所述状态表文件中的至少一者定义的。
在一个示例性实施例中，使用者基于有待执行的任务选择所述状态表文件之一。在一个示例性实施例中，所述任务是生产完整的虚拟组件。
在一个示例性实施例中，所述虚拟顺序包括有待按次序执行的多项操作，每项操作旨在实现一个具体状态。
在一个示例性实施例中，所述操作中的至少一者是所述使用者有待执行的手动操作。在一个示例性实施例中，所述手动操作是提供使用者信息、检索零件、提供零件信息、放置零件、固定零件、以及提供组件信息中的一者。
在一个示例性实施例中，所述虚拟焊接系统进一步包括虚拟顺序显示装置。所述虚拟顺序显示装置显示与所述手动操作有关的信息。
在一个示例性实施例中，所述操作中的至少一者是所述虚拟焊接系统有待执行的自动操作。在一个示例性实施例中，所述自动操作是指定焊接工艺、指定气体类型、指定气体流速、指定电焊条类型、指定药芯焊丝类型、指定送丝速度、指定电压电平、指定安培数、指定极性、以及为所述交互式焊接环境指定背景环境中的一者。
在一个示例性实施例中，所述操作中的至少一者是所述使用者有待执行的手动操作；并且所述操作中的至少一者是所述虚拟焊接系统有待执行的自动操作。
在一个示例性实施例中，每个状态与一个条件相关联。在一个示例性实施例中，如果未满足所述条件，所述顺序控制器执行一个动作。在一个示例性实施例中，所述动作是等待预定的时长。在一个示例性实施例中，所述动作是重复用于所述状态的操作。在一个示例性实施例中，所述动作是重新开始所述虚拟顺序。
在一个示例性实施例中，所述虚拟顺序包括从由以下各项组成的组中选择模拟功能：质量检查(qualitycheck)功能、重复(repeat)功能、通知焊工(notifywelder)功能、输入作业(enterjob)功能、作业报告(jobreport)功能、系统检查(systemcheck)功能、执行焊接操作(performweldingoperation)功能、以及它们的组合。
在一个示例性实施例中，所述显示装置包括lcd屏幕。
在一个示例性实施例中，所述显示装置是戴于面部的显示器。在一个示例性实施例中，所述戴于面部的显示器整合在焊工帽罩中。在一个示例性实施例中，所述焊工帽罩包括至少一个扬声器。
在一个示例性实施例中，所述显示装置包括第一显示器和第二显示器。所述第一显示器是戴于面部的显示器，而所述第二显示器不是戴于面部的显示器。
在一个示例性实施例中，所述第一显示器和所述第二显示器可操作用于(同时)呈现交互式焊接环境的不同视图。
在一个示例性实施例中，所述显示装置可操作用于在网络上通信。在一个示例性实施例中，所述网络是无线网络。
在一个示例性实施例中，所述输入设备是模拟焊接工具。
在一个示例性实施例中，所述输入设备可操作用于在网络上通信。在一个示例性实施例中，所述网络是无线网络。
在一个示例性实施例中，所述空间追踪器产生磁场。所述磁场可操作用于确定所述磁场中一个或多个传感器的位置。
在一个示例性实施例中，所述虚拟焊接系统进一步包括支撑结构。
在一个示例性实施例中，所述支撑结构是机架。在一个示例性实施例中，所述机架包括一个底座、一个立柱、一个可调工作台、以及一个可调臂。在一个示例性实施例中，所述焊接试件可操作用于附接至所述机架。在一个示例性实施例中，至少一个夹钳用于将所述焊接试件附接至所述机架。
在一个示例性实施例中，所述支撑结构是装配夹具。在一个示例性实施例中，所述装配夹具固持所述样件。
在一个示例性实施例中，所述虚拟焊接系统进一步包括从所述虚拟顺序控制器收集并存储焊接和操作数据的装置。
在一个示例性实施例中，所述虚拟焊接系统进一步包括用于给所述虚拟焊接活动分配质量分数的装置。
附图说明
附图结合在说明书中并构成其一部分，在附图中，展示了本发明的不同示例性实施例，附图与以上给出的
技术实现要素：
和以下给出的详细说明一起用于例证本发明的实施例。
图1的框图，展示了根据示例性实施例的系统，所述系统提供在实时虚拟现实环境中的电弧焊训练；
图2是框图，展示了根据示例性实施例的图1的系统的模拟焊接控制台和观察者显示设备(odd)；
图3是简图，展示了根据示例性实施例的图1的系统的模拟焊接控制台和定序器显示器/使用者界面(sdui)；
图4是简图，展示了根据示例性实施例的图1的系统的工作台/机架(t/s)；
图5是绘图，展示了根据示例性实施例的图1的系统的装配夹具中的样件(焊件)；
图6是绘图，展示了根据示例性实施例的图1的系统的空间追踪器(st)的不同元件；
图7是框图，进一步展示了根据示例性实施例的图1的系统；
图8是流程图，展示了根据示例性实施例的定序器逻辑；
图9是系统简图，展示了根据示例性实施例的具有可重复编程的虚拟定序器控制器的虚拟系统；
图10是示意图，进一步展示了图9的示例性可重复编程虚拟定序器控制器；
图11是流程图，展示了图9和图10的示例性虚拟定序器控制器中的条件检查；
图12是流程图，展示了图9和图10的示例性虚拟定序器控制器中的顺序控制程序的操作；
图13是流程图，展示了根据示例性实施例的在虚拟顺序中包括的示例性操作，所述虚拟顺序采用半自动焊接工作单元；
图14是流程图，展示了根据示例性实施例的训练例程；
图15是流程图，展示了根据示例性实施例的使用虚拟分数的训练例程；
图16是流程图，展示了根据示例性实施例的使用虚拟表现测量的招聘过程；
图17是流程图，展示了根据示例性实施例的使用虚拟焊接站的优化例程；
图18是流程图，展示了根据示例性实施例的使用虚拟分数和现实世界分数的训练例程；
图19是流程图，展示了根据示例性实施例的使用虚拟分数和现实世界分数的训练例程；并且
图20是流程图，展示了根据示例性实施例的使用虚拟分数和现实世界分数来确定虚拟站如何良好地预测现实世界表现的例程。
详细说明
在示例性实施例中，虚拟(模拟)焊接站包括虚拟焊接作业定序器。虚拟焊接作业定序器在虚拟环境中或使用一个或多个虚拟部件(如虚拟焊机)模拟现实世界焊接作业定序器(例如，美国林肯电气公司(lincolnelectric)的焊接定序器(weldsequencer))。现实世界焊接作业定序器可以控制半自动工作单元的操作，包括指导操作员接下来做什么并且自动地改变焊接单元的某些参数，包括例如焊接参数。现实世界焊接作业定序器可以为操作员提供一系列命令和指令，这些命令和指令和与焊接站相关联的操作的焊接和非焊接方面有关。
包括虚拟定序器的虚拟焊接站可以包括lincolnelectric公司的
在示例性实施例中，所有的训练数据(来自vrtex和焊接定序器)收集在生产监测系统中。使用这种技术来提供综合性的课程计划(具有虚拟组件创造和现实组件创造)。这包括用在虚拟(vrtex)环境和现实焊接定序器控制器(连同用于训练的现实焊接部分的零件工具箱)中的常见焊接顺序。单独课程的最终成果是所有训练焊接/操作、装配周期时间和工具箱的现实零件的完整报告。
操作顺序(用在虚拟和现实世界环境中)可以包含对参数的有性检查，像零件摆放、行进速度(焊接时长)、平均安培数、以及其他焊接变量。这些常见要求的使用强化了首先在虚拟焊接站中学习的并且此后在现实组件上重复的现实要求(同时虚拟定序器和焊接定序器分别以相同方式对操作进行指导和监测)。
虚拟训练的成功完成可以包括用于所有焊接操作、总周期时限、总电弧时限、电弧开始/停止的次数、以及其他焊接变量的总分数。一旦达到最低要求(例如，一旦表现分数达到预定的阈值)，将批准操作员进行包括现实焊接的下一个训练步骤。
在现实焊接过程中，焊接定序器将使用要求与成功完成现实组件的虚拟定序器相同的相同焊接顺序。
来自虚拟定序器和焊接定序器操作的焊接和操作数据可以在常见的生产监测系统(例如，检查站(checkpoint))中收集。数据可以由操作员、焊接操作(虚拟和现实)、生产的组件的数量、质量分数、周期时间度量等汇总。
在示例性实施例中，如同现实世界定序器一样，虚拟定序器可以自动地选择并实现虚拟焊接工作单元的功能。例如，功能可以包括将要用在虚拟工作单元内的具体虚拟焊接计划。换言之，虚拟定序器可以为具体的虚拟焊接选择有待使用的虚拟焊接计划，并根据所选择的虚拟焊接计划自动地为操作员修改虚拟工作单元的设置(即，无需操作员的特定干预)。
另外，在示例性实施例中，虚拟定序器可以自动地指示操作员应当遵从的操作顺序、步骤或不同的焊接点以产生最终的虚拟组件。结合虚拟焊接计划的自动选择，这种指示的顺序允许操作员遵从所述顺序以产生最终的虚拟组件，就像期望操作员在现实世界的焊接站中预期要做的一样。
因此，由于虚拟定序器设立虚拟焊接设备并组织了工作流程，就像现实世界定序器一样，因此在操作员开始在现实世界焊接单元或焊接站中操作之前，可使用虚拟定序器训练他们。以此方式，大大地减少了现实世界焊接站中错误的机会并提高了生产率和质量。
在示例性示例中，虚拟现实焊接站(vrws)包括基于可编程处理器的子系统、操作性地连接至基于可编程处理器的子系统的空间追踪器、能够由空间追踪器在空间追踪的至少一个模拟焊接工具、以及操作性地连接至基于可编程处理器的子系统的至少一个显示设备。vrws能够在虚拟现实空间中模拟与现实世界焊接站相关联的操作。这些操作可以包括各种不同类型的焊接和非焊接操作。对于焊接操作，vrws能够在显示设备上实时显示模拟的焊接熔池。如本文所用，术语“实时”意指以与使用者在真实世界焊接情景下将会感知和体验的相同的方式，在模拟的环境下及时感知和体验。对于非焊接操作，例如像操作员识别输入/扫描、零件识别输入/扫描、零件夹持、夹具操控/控制、检查等，系统能够重复和/或模拟操作员在具体焊接站完成焊接操作所需要的步骤。通常，vrws可以包括以下专利申请中披露的特征和能力中的任一者或全部，这些专利申请的每一个申请的全文通过引用结合在此。2005年9月15日提交的美国序列号11/227,349，现在是美国专利号8,692,157；2006年12月20日提交的美国序列号11/613,652；2009年7月10日提交的美国序列号12/501,257，现在是美国专利号8,747,116；2009年7月10日提交的美国序列号12/501,263；2009年7月17日提交的美国序列号12/504,870；2010年3月8日提交的美国序列号12/719,053，现在是美国专利号8,274,013；2011年4月7日提交的美国序列号13/081,725，现在是美国专利号8,657,605；2012年2月2日提交的美国序列号13/364,489；2012年12月19日提交的美国序列号13/720,300，现在是美国专利号8,787,051；2013年3月11日提交的美国序列号13/792,288，现在是美国专利号8,834,168；2013年3月11日提交的美国序列号13/792,309；2013年3月11日提交的美国序列号13/792,294，现在是美国专利号8,851,896；2013年3月11日提交的美国序列号13/792,280；以及2012年7月10日提交的美国序列号13/545,058。
现在参考附图，提供附图的目的是说明本文中披露的或以其他方式建议的不同示例性实施例而不是为了限制它们，图1展示了系统100的系统框图的示例性实施例，所述系统用于提供在实时虚拟现实环境中的焊接站训练。系统100包括基于可编程处理器的子系统(pps)110。系统100进一步包括操作性地连接至pps110的空间追踪器(st)120。系统100还包括操作性地连接至pps110的物理焊接使用者界面(wui)130和操作性地连接至pps110以及st120的戴于面部的显示设备(fmdd)140。系统100还可以包括操作性地连接至pps110的观察者显示设备(odd)150。系统100还可以包括操作性地连接至st120以及pps100的至少一个模拟焊接工具(mwt)160。系统100可以包括工作台/机架(t/s)170。系统100还可以包括能够附接至t/s170的至少一个焊接试件(wc)180。系统100可以包括装配夹具(af)182。系统100还可以包括至少一个样件(sp)184。系统100还包括虚拟定序器(vs)186和定序器显示器/使用者界面(sdui)188。在其他示例性实施例中，vs186可以与pps110相结合和/或sdui188可以与wui130和/或其他界面、显示器等相结合，以便模拟需要站点操作员在现实世界焊接站中交互的界面和/或显示器的数量和类型。
系统100还可以包括各种其他设备，例如像操作设备190，所述操作设备模拟某些操作所需的现实世界焊接站设备。如图1所示，操作设备190可以与af182相关联以便例如验证af182内的sp184的摆放、操控af182的位置、使一个或多个夹子将sp184固持在af182中等。其他设备(未示出)可以包括例如扫描仪、阅读器、使用者界面、显示器(包括例如可配置的视觉帮助)、视觉/声音指示器(例如，用于顺序错误、焊接越限、焊接分数缺陷检测)、plc接口、联动装置(例如，预热和/或焊层间温度、自动定位器的位置、零件检测/零件装载、夹子闭合/打开)、控制面板、装配工具、检查工具、操作员位置传感器(例如，体重感测垫)、零件位置/接近度传感器、安全/闭锁设备、照明控制、原料搬运设备、零件和/或组件仪表(例如，用于质量控制)等。根据其他示例性实施，提供模拟气瓶(未示出)来模拟保护气源并具有可调流量调节器。系统100的以上元件中的一些元件可以是用在虚拟焊接站中的现实世界部件。例如，现实世界装配夹具182可用于固持样件184。虚拟和现实世界部件的任意组合可以包括虚拟焊接站。
图2展示了图1的系统100的具有观察者显示设备(odd)150的模拟焊接控制台135的示例性实施例。物理wui130驻留在控制台135的前部并且提供旋钮、按钮和操纵杆，用于使用者选择各种模式和功能。可选odd150附接至控制台135的顶部。mwt160驻留在附接至控制台135的侧部的固持器中。在内部，控制台135可以固持或以其他方式封装系统100的各种部件，例如，pps110、vs186、和/或st120的一部分。
图3展示了图1的系统100的焊接控制台135(模拟焊接电源使用者界面)和sdui188的示例性实施例。还示出了sdui188的示例性截屏189的放大视图。物理sdui188可以提供显示屏、旋钮、按钮和/或操纵杆，用于使用者选择各种模式和功能。vs186可以与sdui188成为一体或可以包括在pps110中，pps可以包括在控制台135中。
图4展示了图1的系统100的工作台/机架(t/s)170的示例性实施例。t/s170包括可调工作台171、机架或底座172、可调臂173、以及立柱174。工作台171、底座172、以及臂173均附接至立柱174。工作台171和臂173各自能够相对于立柱174手动地向上、向下、和旋转地调节。臂173用于固持各种焊接试件(例如，焊接试件175)和/或样件184，并且在训练时使用者可以将他/她的手臂放置在工作台171上。立柱174被标记有位置信息从而使用者可以确切地知晓臂173和工作台171被垂直定位在柱174上何处。使用者可以使用wui130、odd150、和/或sdui188将此垂直位置信息输入到系统中。
图5展示了示例性装配夹具(af)182，所述装配夹具示为单个可调支撑结构。所述支撑结构被描绘为固持(即，支撑)样件(sp)184，即，具有间隔开的轨道514、516的焊件。支撑结构182包括上部可移动平台518，在所述平台上固持焊件184的上表面520。针对用于模拟焊接的焊件184的具体区域，将可移平台518调节至期望的位置和朝向。在围绕框架522周围由细长带524(图5中仅示出了细长带的短段)框围了焊件184。当合并到轨道系统中时，焊件184的上表面520是轨道截面的上侧。支持结构526沿着焊件184的长度位于间隔开的位置上。如这个图所示，将支持结构526定位成具有轨道514、516，这些轨道位于支架526与焊件184的框架522的外部之间。进一步关注支撑结构182，下部固定支撑底座528通过横向间隔开的多位置铰链530、532可操作地连接上部可移动平台518。在一个实施例中，多位置铰链可以是2杆机构，并且以下讨论主要将部件或元件530、532称为2杆机构。然而应当认识到，在不偏离一般发明概念的范围和意图情况下，可以使用准许可移动平台518适当移动的其他铰链或其他适当的结构。可移动平台518可以由图1的系统100的操作设备190控制。另外，图5中描绘的支撑结构182(如af)和焊件184(如sp)仅仅是示例性的。af182和sp184可以包括任意焊接操作所需的任意形状、构造、零件数量、零件类型以及零件大小。
如所提及，可以调节支撑结构182以便将焊件184定位到适合于所需模拟焊接操作的朝向和位置。为了调节上部可移动平台518相对于固定支撑底座528的位置，致动器(如长度调节构件550、552)分别连接在枢轴或枢转元件540、542与枢轴或枢转元件554和556之间，其中后者通常位于固定底座528的中心附近。另外，致动器(如长度调节构件560)经由枢轴或枢转元件556与枢轴或枢转元件562连接在固定支撑底座528与可移动平台518之间。长度调节构件550、552和560的定位决定了可移动平台518的位置并因此决定了其上承载的焊件184的位置。枢转元件530c、532c、530d、532d、540、542、554、556、和562提供具有3个自由度的支撑结构182，即，能够在x和z方向上移动、也能够在x-z平面中倾斜。单独长度调节构件550、552、560的物理大小和操作特点用于确定支撑机构182的运动包络。尽管在一个示例性实施例中，长度调节构件是液压致动器，但它们还可以表示其他致动器，如气动致动器、滚珠丝杠致动器和/或任意类型的电控致动器。这些可移动部件的任意或全部部件可以由图1的系统100的一个或多个操作设备190控制。
其他示例性实施例可以包括工作台171、臂173、装配夹具182、试件180、和/或样件184中的一者或多者的任意组合，以便最佳地模拟被模拟的现实世界焊接站操作。
根据其他示例性实施例，工作台171、臂173、和/或af182的位置可以通过预编程的设置或通过使用者要求的wui130、odd150、和/或sdui188由pss110和/或vs186来自动设定。在这种实施例中，t/s170和/或af182通常包括例如电机和/或伺服机构，并且来自上述设备的信号命令激活电机和/或伺服机构。
根据进一步的示例性实施例，工作台171、臂173、af182、wc180、和/或sp184的位置可以由系统100来检测。这样，使用者不必通过使用者界面手动地输入位置信息。在这种实施例中，t/s170和/或af182包括位置和朝向检测器并且向pps110和/或vs186发送提供位置和朝向信息的信号指令。wc175和/或sp184可以包括位置检测传感器(例如，用于检测磁场的盘绕传感器)。根据示例性实施例，当调节参数改变时，使用者能够看到odd150、fmdd140、和/或sdui188上的t/s170和/或af182的呈现。
根据进一步的示例性实施例，工作台171、臂173、af182、wc180、和/或sp184的位置可以由系统100来指定和监测。在不同的示例性实施例中，工作台171、臂173、af182、wc180、和/或sp184的位置可以由操作设备190基于pps110和/或vs186的命令来控制。在其他示例性实施中，使用者可以通过使用者界面提供位置信息并且手动地定位工作台171、臂173、af182、wc180、和/或sp184。基于模拟的现实世界焊接站操作来确定自动和手动定位。
各种其他操作设备190可以包括在vrws中，以便模拟现实世界焊接站。与这些设备的控制和通信被设计成使用虚拟和/或现实世界设备和部件(类似于本文中描述的示例性af182)来模拟现实世界焊接环境。
图6展示了图1的空间追踪器(st)120的示例性实施例中的不同元件。st120是能够与系统100的pps110操作性地接口连接的磁性追踪器。st120包括磁源121和源线缆、至少一个传感器122和相关联线缆、磁盘123上的主机软件、电源124和相关联线缆、usb和rs-232线缆125以及处理器追踪单元126。磁源121能够操作性地连接至处理器追踪单元126或以其他方式与其接口连接(例如，通过缆线)。传感器122能够操作性地连接至处理器追踪单元126或以其他方式与其接口连接(例如，通过缆线)。电源124能够操作性地连接至处理器追踪单元126或以其他方式与其接口连接(例如，通过缆线)。处理器追踪单元126能够通过usb或rs-232缆线125操作性地连接至pps110或以其他方式与其接口连接。磁盘123上的主机软件能够被加载到pps110上并且允许st120和pps110之间的功能通信。
如图4所示，st120的磁源121安装在臂173的第一部分上或以其他方式与其接口连接。参考图5，st120的磁源121安装在上部平台18的后部或以其他方式与其接口连接。在其他示例性实施例中，多个磁源121安装在不同位置上并且可用于提供适当的追踪。磁源121在磁源121周围产生磁场，包括环绕wc175和sp184的空间，所述空间建立了3d空间参照系。t/s170和/或装配夹具182可以大部分是非金属的(非铁的且非导电的)，从而不会使磁源121产生的磁场畸变。传感器122可以包括沿着三个空间方向正交排列的三个感应线圈。传感器122的感应线圈各自可以测量三个方向的每一者上的磁场强度并将那条信息提供给处理器追踪单元126。因此，系统100能够知道wc175和/或sp184的任意部分相对于磁场建立的3d空间参照系位于什么地方。传感器122可以附接到mwt160或fmdd140，从而允许mwt160或fmdd140在空间和朝向上由st120相对于3d空间参照系进行追踪。当两个传感器122被提供并且操作地连接到处理器追踪单元126时，mwt160和fmdd140两者可以被追踪。以此方式，系统100能够在虚拟现实空间中产生虚拟wc、虚拟sp、虚拟mwt、虚拟t/s、和/或虚拟af，并且当相对于3d空间参照系追踪mwt160和fmdd140时在fmdd140、odd150、和/或sdui188上显示虚拟wc、虚拟sp、虚拟mwt、虚拟t/s、和/或虚拟af。
根据另一个示例性实施例，传感器122可以无线地接口连接到处理器追踪单元126，并且处理器追踪单元126可以无线地接口连接到pps110。根据其他示例性实施例，其他类型的空间追踪器120可用在系统100中，包括例如基于加速度计/陀螺仪的追踪器、光学追踪器(主动式或被动式的)、红外追踪器、声音追踪器、激光追踪器、射频追踪器、惯性追踪器、以及基于增强现实的追踪系统。其他类型的追踪器也是可能的。在一些示例性实施例中，可以使用两种或更多种不同追踪技术的组合。
图7展示了图1系统100的示例性实施例。图7中所示的系统100的各种功能模块主要通过在pps110和/或vs186上运行的软件指令和模块来实现。系统100的各种功能模块快包括物理接口701、焊灯和夹具模型702、环境模型703、声音内容功能704、焊接声音705、装配夹具/机架/工作台模型706、内部架构功能707、校准功能708、操作装置模型709、样件/试件模型710、焊接物理件711、内部物理件调节工具(调整装置(tweaker))712、图形使用者界面功能713、绘图功能714、学员上报功能715、呈现装置716、焊珠呈现717、3d纹理718、视觉提示功能719、评分和容差功能720、公差编辑器721、特效722、以及顺序模型723。
图7中所示的各框的功能以上文提及的美国序列号12/501,257披露的功能类似的方式操作，其全文通过引用结合在此。af182的建模可以类似于框706中的t/s170。sp184的建模可以类似于框710中的wc180。图形使用者界面功能713还可以包括sdui188以设立/显示模拟的焊接站场景的操作和步骤。根据示例性实施例，焊接场景的设立包括选择语言、输入使用者姓名、以及选择模拟的焊接站。根据所选择的焊接站，vs186可以从框723选择适当的顺序模型。顺序模型723将包括与所选择的焊接站的操作相关联的各个方面，从而指定加工步骤，包括例如指定wc180和/或sp184；指定t/s170配置和/或af182；指定一个或多个焊接工艺(例如，fcaw、gmaw、smaw)以及相关联的轴向喷涂、脉冲、或短弧法；指定气体类型和流速；指定电焊条的类型；指定药芯焊丝(例如，自保护、气体保护)的类型；指定环境(例如，虚拟现实空间中的背景环境)；指定送丝速度；指定电压电平；指定安培数；指定极性；以及打开或关闭具体视觉提示。在其他示例性实施例中，根据在模拟的现实世界焊接站过程中操作员必须指定的决策，可以提示使用者指定某些选项和/或参数。
系统100能够分析和显示虚拟焊接站活动的结果。通过分析所述结果，意味着系统100能够确定在指定的加工步骤(包括焊接和非焊接操作)，使用者何时偏离了指定的过程的可接受界限。可以根据使用者的表现进行评分。在一个示例性实施例中，分数可以是以下内容的函数：遗漏的操作；不正确固定的零件；以及模拟焊接工具160的位置、朝向和速度在整个公差范围上的偏差(公差可能从理想的焊道延伸至临界或不可接受的焊接活动)、遗漏的质量检查、或与所选择的焊接站相关联的任何其他操作。
视觉提示功能719可以通过在fmdd140、odd150、和/或sdui188上显示覆加色彩和指示器来向使用者提供即时反馈。可以针对与所选择的焊接站相关联的操作中的每项操作或每项操作的多个部分提供视觉提示。
图8是根据示例性实施例的定序器逻辑的流程图。在这个示例性实施例中，虚拟定序器可以指令操作员执行任意数量的操作以模拟现实世界焊接站。例如，虚拟定序器可以指令操作员执行操作1以达到具体状态。操作1的完成还可以与条件检查相关联。如果条件未得到满足(例如，未输入零件编号、零件没有放在夹具中、焊接时长不够长等)，顺序可以采取动作，例如，像等待、重发指令、停止、或任何其他动作。这些动作可以被设计用于模拟现实世界焊接站中所需的动作或可以偏离现实世界焊接站，以便为操作员提供更好的训练体验(例如，重发指令)。当针对虚拟焊接站完成所有操作(并且满足相关联的条件)时，顺序就完成了。
图9至图12描述了根据示例性实施例的控制系统。现在参考图9至图11，示出了图1的系统100的示例性控制系统902。在不同实施例中，控制系统902可以嵌入在pps110、vs186、模拟焊接控制台135、和/或其他组部中。系统902包括多个焊接系统部件950，通常这些部件是虚拟部件，包括电源951、送丝器952、移动车架953、气体螺线管954、冷却剂螺线管955、烟雾提取系统956、以及机器人或可编程逻辑控制器(plc)957，其中所示的系统部件950仅仅是示例，并且根据一般发明概念，可以为系统提供更多或更少的部件。虚拟焊接部件可以包含在模拟的焊接控制台135中，如2。如果某些部件不能充分地模拟，现实世界焊接或非焊接部件可以用在虚拟焊接站中。
如图10所示，系统902进一步包括具有微处理器912的虚拟定序器控制器910、顺序控制程序922、以及一个或多个状态表文件924、926、928，其中虚拟定序器控制器910还提供各种接口，这些接口包括用于将定序器910与网络930操作性连接的网络接口914、通过缆线940提供与系统部件950中的一个或多个系统部件的直接通信连通性的一个或多个专用通信接口916、以及使用者界面918(例如，像图1的sdui188)，所述使用者界面提供操作员或使用者对定序器910的访问以用于设置参数、值等，和/或用于向使用者呈现操作信息。
如图8所示，网络930可以将系统部件950中的一个或多个系统部件和控制器910与彼此联接并且还在部件910、950中的任一者与外部装置或其他网络(未示出)之间提供数据共享和其他信息交换。这包括作为现实世界焊接站连接至同一网络。
而且，可替代地或组合地，专用缆线940可用于将定序器910与焊接系统部件950中的一些或全部部件互相连接，如电源控制缆线941、送丝器缆线942、移动车架缆线943、气体控制缆线944、冷却剂螺线管控制缆线945、烟雾提取控制缆线946、和/或机器人或plc缆线947，其中通过网络930(以及网络接口914)和/或缆线940(以及接口916)的接口连接提供了数据或其他信息、信令、消息等的交换，通过这种交换，可以从一个或多个系统部件950获得顺序控制输入921并且顺序控制输出923可以提供给部件950中的一个或多个部件。
在一个示例性实施例中，处理器912是微处理器、微控制器、dsp、可编程逻辑装置等，虽然在一般发明概念的范围内可以使用任意形式的计算处理部件，不管是硬件、软件、固件、还是它们的组合，并且它们可以是单个装置或可以在多个部件中实现。进一步需要注意的，控制器910可以整合到系统部件950之一(如电源951、送丝器952等)，其中使用者界面918可以包括一个或多个显示装置、使用者控制旋钮、开关、小键盘等，并且可以将使用者与系统部件950的一些方面以及定序器控制器910的那些方面接口连接。而且，控制器910包括存储器920，所述存储器中可以是任意适合的数据存储器(集成式的或分布式的)，存储器操作性地与处理器912联接，以允许处理器912存取存储在处理器920中的文件、程序、指令、例程、数据等。应注意的是，尽管处理部件912和存储器920可以整合在一个部件中，如单一电路板，但这些元件可以单独提供或分布在多个系统部件中以便在一般发明概念范围内提供控制器910。存储器920存储顺序控制程序922和状态表文件924、926、928，提供了处理器912对其存取。存储器920还可以包括顺序配置工具929，如也可以由处理器912执行的软件程序。状态可用于定义装配过程的不同阶段，包括单独操作(例如，夹具中的零件、焊接时间等)结束时预期的半自动或手动状态和/或在操作过程中出现的被自动控制的自动状态(例如，在单一焊接过程中出现的焊接参数的变化)。
在示例性实施例中，示例性电源951和其他部件是基于状态表的，其中控制器输出923中的某些输出作为输入996提供给部件。在操作中，控制器910将所需的输出级或多个输出级作为一个或多个控制器输出923来提供并且提供给各种虚拟部件，这些部件采用这些输出级定义并调节部件的所需状态。例如，控制器910可以调节具体的焊接状态、具体的夹具状态等。微处理器912根据顺序控制程序执行标准例程，所述标准例程模拟与指定的焊接站相关联的所有操作(及其相关联参数)。控制器可以读取每个状态、调节与当前状态相关联的指令、并确定一系列条件检查是否为真，并且如果是，转移到下一个状态(或操作)。
在一些示例性实施例中，可以进行某些检查以确保顺序准备前进到下一项操作。图11展示了示例性控制程序962的操作，包括条件检查，其中第一状态表和数据表在1150载入并且输入值在1152获得。在1154计算参数并执行状态指令，此后在1156载入第一条件检查并在1158进行测试(例如，真或假)。如果第一条件是真的(在1158为是(yes))，则在1160程序962执行相关联的指令，在1162更新定时器，并在1164跳转到相应的下一状态，此后在1166对输出进行更新，并且程序962返回到1152。如果第一测试条件不为真(在1158为否(no))，则在1170确定是否为当前状态指定更多的检查，并且如果是(在1170为是)，在1172载入下一个条件检查，并且如上所述，程序在1158测试新的条件。一旦发现所有条件检查对当前状态不是真的(在1170为否)，在1174，程序962更新定时器，在1166更新输出，然后如上所述再次返回到1152。
参考图12，处理器912根据顺序控制器输入921和根据选择的顺序控制状态表文件924、926、928执行示例性虚拟循序控制程序922，以提供顺序控制器输出923，从而通过以逐状态(或逐步的)方式实现指定的功能来执行虚拟操作，其中条件检查提供基于输入、定时器等转移到适当的下一状态。在操作中，使用定序器使用者界面918上的选择特征，使用者从可用的状态表文件924、926、928中进行选择(例如，虚拟焊接站顺序)。在图12中循序控制程序922的执行开始于1202，其中在1204，处理部件912从顺序控制状态表文件924获得当前的顺序控制状态表文件项，并在1206从虚拟系统部件中的至少一个部件获得当前的循序控制器输入921。在1208，处理器912执行当前项的指令标识符所标识的控制程序922的一个或多个可执行指令或例程(使用其一个或多个指令参数)，并在1210提供顺序控制器输出923。在1212检查状态表文件项的一个或多个退出条件标识符所标识的虚拟系统条件，并且在1214根据当前的顺序控制器输入921确定是否满足任何标识的退出条件，包括与当前状态相关联的任何定时器。如果不满足，则继续当前状态(在1214为否)，并且如上所述，程序执行返回到1206-1212。以此方式，顺序控制器910根据相应表文件项中的状态定义实现给定的虚拟顺序的状态，直到已经满足指定的退出条件中的一项或多项条件。一旦满足退出条件(在1214为是)，在1216，处理器912获得下一个循序控制状态表文件项，所述循序控制状态表文件项对应于满足的退出条件标识符。另外，在1216执行指令或例程，它们对应于满足条件的任意指定的动作标识符。然后，控制程序922的执行过程返回，以便在1206获得当前系统输入921从而分别在1208和1210执行新的状态表文件项中标识的指令和产生相应的输出923，并且如上所述，在1212和1214检查新的退出条件。
应注意的是，就与所选择的状态表文件924互操作而言，顺序控制程序922是相当通用，其中程序922的硬编码指令和例程是适合于与各种系统部件接口连接并控制它们并且适合于从它们获得输入的那些指令和例程，而给定虚拟顺序的具体逻辑由状态表文件项及其要素提供。以此方式，实施例基本上将表文件924、926、928中的虚拟顺序逻辑与控制程序922的硬编码可执行指令和例程相分隔。因此，无需重新编译和安装软件以及固件并且无需硬件修改(例如，无需修改或重新编译顺序控制程序922)，就可以完成整个虚拟系统的重新配置。相反，可以构建状态表文件924、926、928并简单地存储在存储器920中(或存储在处理部件912可访问的任意适合的数据存储器中)，从而实现新的虚拟操作顺序。而且，现有的状态表文件924、926、928可以用作起始点或模板，可以从它们中修改、添加、或移除状态表文件项以便使用循序控制器910实现新的或修改的虚拟操作。此外，如果定序器状态表文件924、926、928是在存储器920之外创建的，则这类文件可以容易地下载到处理部件912可访问的数据存储器。就这一点而言，根据一般发明概念，虚拟系统操作员或服务人员可以从远程位置配置顺序控制器910并因此配置整个虚拟系统，其中状态表文件924、926、928可以通过网络930和操作性与其连接的其他网络进行下载，所述网络包括lan、wan、互联网连接等。而且，应注意的是，状态表文件项的要素可以是标记、字符串、指针、地址等，其提供了处理器912在执行顺序控制程序922时可理解的指令、例程、数值、状态或动作。因此，顺序配置工具929(图10)可以是任意适合的硬件、软件、固件、或它们的组合，其可以获得要素和虚拟顺序的逻辑并创建状态表文件924、926、928及其项，并且然后，这些文件和项可以用于执行虚拟操作。
图13中概略地示出了包括各种焊工(操作员)和非焊工操作的虚拟顺序的示例性实施例。在图13中，在操作1310，虚拟定序器开始操作并可以指令操作员输入操作员的标识号、正确的零件标识号、装配标识号等。虚拟定序器还可以将虚拟焊接设备设置成使用焊接计划a(操作1320)并指令操作员虚拟地执行焊接#1、#2和#3。然后，操作员使用焊接计划a虚拟地执行焊接#1、#2、和#3(操作1322、1324、和1326)。接着，虚拟定序器将虚拟焊接设备设置成使用焊接计划b(操作1330)并指令操作员执行焊接#4。接着，操作员使用焊接计划b(操作1332)执行焊接#4。在焊接计划b完成后，虚拟定序器将虚拟焊接设备设置成使用焊接计划c(操作1350)并指令操作员执行焊接#5和#6并以视觉方式检查零件。然后，操作员使用焊接计划c执行焊接#5和#6(操作1352和1354)并检查完成的零件或部件以确认它是正确的(操作1360)。这种检查可以包括尺寸验证、视觉缺陷确认、或可能需要的任何其他类型的检查。进一步地，操作1360可以包括这样的要求，即操作员如通过按下“ok”按钮来在可能行进到下一操作之前肯定地指示该检验已完成。最后，虚拟定序器指示虚拟焊接操作结束(操作1370)并为下一个操作重新设置。数据(包括生产数据)可以在所有操作过程中收集。
因此，如上所指出的，定序器完成或以其他方式帮助虚拟焊接操作的排序和计划，从而模拟现实世界焊接站。由虚拟定序器自动执行的其他操作可以包括例如改变夹具的位置、致动操作装置、显示视觉帮助、控制声音和视觉指示器、验证某些检查等。由焊工操作员的虚拟定序器引导的其他操作可以包括例如检索样件、输入样件id、在夹具中放置样件、致动夹具夹钳、执行测试等。
虚拟定序器可以基于各种变量和输入选择并实现新的功能，如图13所示的焊接计划a、b和c的选择和实现。例如，虚拟定序器可以基于监测自从焊接操作开始以来或自从焊接停止以来过去的时间(如以上图13中的焊接#3之后的时刻)简单地选择新的焊接计划。可替代地，虚拟定序器可以监测操作员的动作、比较动作和标识的焊件顺序、以及适当地选择新的焊接计划。
仍进一步地，可以实现这些方法的不同组合、或任何其他有效的方法，只要最终效果是模拟了现实世界顺序和现实世界焊接站中的环境。举例来讲，并且无限制地，以下现实世界功能可以在虚拟焊接站中模拟并包括在虚顺序中。
质量检查(qualitycheck)功能要求在允许作业顺序继续进行之前执行焊接的质量检查(在焊接过程中或在焊接完成后)。质量检查可以监测各种虚拟焊接参数并可以中止焊接操作，而且如果检测到异常就警告操作员。可通过这种功能测量的焊接参数的示例是电弧数据。
另一个示例性功能是重复(repeat)功能。这种功能指令操作员重复具体的虚拟焊接或焊接顺序。使用这种功能的示例包括当质量检查(qualitycheck)功能显示异常时或当需要相同焊接的多个实例时。
另一个示例性功能是通知焊工(notifywelder)功能，所述功能将信息传递给焊工。这种功能将显示信息、给出声音信号、或通过某种其他装置与焊工通信。使用这种功能的示例包括指示操作员他自由地开始虚拟焊接，或指示操作员应当以质量为宗旨地检查焊接零件的某个部分。
另一个示例性功能是输入作业信息(enterjobinformation)功能。这种功能要求焊工在虚拟定序器可以继续进行之前输入信息，如样件序列号、个人id号、或其他特殊条件。此信息还可以通过rfid、条形码扫描等从样件或存货标签本身读取。然后，虚拟定序器可以利用输入的信息进行虚拟焊接操作。使用这种功能的示例是预测整个虚拟焊接操作，从而向虚拟定序器指示应当选择哪些计划和/或顺序。
另一个示例性功能是作业报告(jobreport)功能。这种功能会创建关于虚拟焊接作业的报告，所述报告可以包括信息，如：执行的虚拟焊接的次数、总的和单独的电弧定时、顺序中断、误差、故障、焊丝使用、电弧数据等。使用这种功能的示例是就虚拟过程的效率和质量方面向制造质量部门报告。
另一个示例性功能是系统检查(systemcheck)功能。这个功能将确立虚拟焊接作业是否可以继续，并且可以检测如下参数：焊丝供应、气体供应、(与结束该作业所需时间相比)轮班的剩余时间等。该功能然后可以确定这些参数是否指示有足够的时间和/或材料供虚拟焊接作业继续进行。这个功能模拟防止由于材料耗尽而停工的努力，并且将防止处理中工作装配被延迟，该延迟可以由于热和计划问题而导致质量问题。
进一步地，如上所述，基于各种变量和输入，虚拟定序器可以选择和实现新的功能。这些变量和输入不受具体限制并且甚至可以是另一种功能。例如，与虚拟定序器相兼容的另一个示例性功能是执行焊接操作(performweldingoperation)功能。这个功能被设计为检测操作员执行的虚拟焊接以及报告那项焊接，这样使得虚拟定序器可以确定是否进行进一步的操作。例如，这个功能可以通过以下方式操作：在操作员牵拉触发器以发起虚拟焊接操时开始，并且在虚拟焊接完成之后或预定时段已经过去之后操作员释放触发器时结束。这个功能可以在触发器被释放时结束，或者其可以被配置成在一段时间后、某数量的焊丝或某个量的能量被递送后自动关闭。如以上讨论的，这个功能可以用于确定何时选择新的功能，如，新的焊接计划。
仍进一步地，各种半自动和/或机器人工作单元可以在单一网络上整合在一起，并且在单一工作单元的虚拟焊接步骤的排序可以完全整合到虚拟完整生产计划中，所述计划本身可以根据需要修改以追踪虚拟生产计划的变化。排序和/或计划信息还可以存储在数据库中，按照日期存储为档案信息，并可以被存取以提供各种虚拟生产报告。
上文和在附图中描述的示例性虚拟焊接站实施例(包括示例性虚拟定序器实施例)可用于各种训练和操作优化技术，包括基于以下程序的课程计划。可以在一个或多个共用的或分离的数据库(来自虚拟和现实世界操作)中收集、比较和操控生产监测数据。
例如，图14是展示了示例性训练例程的流程图。操作员可以在进行现实世界焊接操作之前执行虚拟焊接站操作。
图15是展示了使用虚拟分数的示例性训练例程的流程图。在这个实施例中，在现实世界焊接站中进行操作之前，操作员必须达到某个分数。
图16是展示了使用虚拟表现测量的示例性招聘流程的流程图。在这个实施例中，申请人(操作员)必须使用将要雇佣的虚拟焊接站达到某种表现。
图17是展示了使用虚拟焊接站的示例性优化例程的流程图。在这个实施例中，虚拟焊接站用于优化建议的操作顺序的某个方面。可以修改虚拟操作，直到一个或多个方面是可接受的(例如，超过某个预定的阈值或满足一个或多个质量参数)。然后，虚拟顺序用作现实世界顺序。
图18是展示了使用虚拟分数和现实分数的示例性训练例程的流程图。在这个实施例中，在现实世界焊接站中进行操作之前，操作员必须达到某个分数。然后，现实世界定序器(例如，lincolnelectric公司的焊接定序器)由同一操作员用在相同的操作上使用，并确定现实世界分数。
图19是展示了使用虚拟分数和现实世界分数的示例性训练例程的另一个流程图。在这个实施例中，在现实世界焊接站中进行操作之前，操作员必须达到某个分数。然后，确定现实世界分数，并且如果现实世界分数下降到低于阈值，操作员可以使用虚拟焊接站进一步接受训练。
图20是另一个流程图，展示了使用虚拟分数和现实世界分数来确定虚拟站预测现实世界表现如何良好的例程。在这个实施例中，比较虚拟和现实世界表现分数以确定虚拟模拟如何良好地预测现实世界表现。如果相关性不足，可以修改虚拟模拟。
可见，虚拟焊接站和虚拟定序器可用于收集并存储大量数据，这些数据可用于计算并最终提高生产率。这种数据可以存储在数据“云”中，并且然后被存取以供分析和操控。虚拟定序器可以监测并指令使用者防止遗漏焊点、遗漏焊接步骤、遗漏其他操作、过度使用焊接耗材、以及其他不希望的活动。虚拟定序器还可以用于在恰当的时间训练使用者以便在具体组件上实现或完成各种焊接或非焊接步骤。虚拟定序器还产生连续的过程顺序以制造特殊的焊件组件。虚拟定序器还减少了训练时间和碎料。还可以确定每个使用者必须在某些组件上接受训练的次数以便为具体使用者标记有问题的零件。所有这些项使得生产率提高并且更少地浪费时间和资源。
虽然一般发明概念已经通过其不同实施例的描述进行了说明，并且虽然已经相当详细地描述了这些实施例，但申请人无意将所附权利要求的范围约束或以任何方式限制于这类细节。对本领域的技术人员而言，附加优点和修改将是很明显的。因此，本发明在其更宽泛的方面不限制于所示和所描述的具体细节、代表性设备和方法、以及说明性示例。因此，在不偏离申请人的一般发明概念的精神和范围的情况下，可以与这些细节有所偏差。
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