虚拟现实管焊接仿真器的制作方法
专利名称：虚拟现实管焊接仿真器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于模仿(emulating)虚拟焊接环境的系统，并且更具体地，涉及实时地模仿管和留隙焊根(open root)接缝焊接的虚拟焊接环境，更为具体地，涉及用于便利虚拟焊接活动的仿真器(simulator)。
背景技术：
数十年来，各公司一直在教导焊接技巧。传统地，焊接已在真实世界场景 (setting)下被教导，也就是说，焊接已通过利用焊条实际地使电弧打到金属件上而被教导。指导人员(本领域熟练技术人员)在受训者进行焊接时监督训练过程，在某些情况下进行纠正。通过指导和重复，新的受训者学会如何使用一种或更多种工艺进行焊接。然而， 取决于被教导的焊接工艺而变化的每次所进行的焊接均会带来开销。近来，用于训练焊接者的成本节省系统已经被采用。一些系统包括动作分析器。所述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的运动的感测装置。生成报告以指示焊条末端行进到可接受的动作范围之外的程度。更高级的系统包括虚拟现实的使用，所述虚拟现实的使用仿真模拟焊条在虚拟场景中的操纵。类似地，这些系统追踪位置和定向(orientation)。这些系统教导的仅仅是肌肉记忆，但是，无法教导熟练的焊接者所需的更高级的焊接技巧。
发明内容
本发明的实施方案涉及便利管和其他留隙焊根焊接接缝(weld joint)的虚拟焊接活动的系统。所述系统可以包括基于逻辑处理器的系统，所述基于逻辑处理器的系统可操作来执行编码指令以生成交互焊接环境，所述交互焊接环境模仿在具有至少一个虚拟焊接接缝的虚拟管段上的焊接活动。所述系统还包括显示器，所述显示器连接到所述基于逻辑处理器的系统，以可视地描绘所述交互焊接环境，其中所述显示器描绘所述虚拟管段。输入设备被提供来在所述至少一个焊接接缝上实时地进行虚拟焊接活动，其中一个或更多个传感器被调适来实时地追踪所述输入设备的运动，以将关于所述输入设备的所述运动的数据传送到所述基于逻辑处理器的系统。本发明进一步的优点、特征和非限制性的实施方案被公开于下面的说明书、权利要求书和/或附图中。
图1为根据本发明的实施方案利用仿真器从事虚拟焊接活动的最终使用操作者的立体视图。图2为根据本发明的实施方案的仿真器的前视图。
图3a为根据本发明的实施方案的示意图，示出管焊接(pipe welding)位置。图3b为根据本发明的实施方案的示例图，示出板焊接(plate welding)位置。图4为仿真器的一个实施方案的表征的概要方框图。图5为根据本发明的实施方案的模拟焊接工具的侧面立体视图。图6为根据本发明的实施方案的焊接使用者界面的特写视图。图6a为根据本发明的实施方案的观察者显示装置的特写视图。图7a为根据本发明的实施方案的个性化显示装置的立体视图。图7b为根据本发明的实施方案由最终使用者佩戴的个性化显示装置的立体视图。图7c为根据本发明的实施方案安装在焊接头盔内的个性化显示装置的立体视图。图8为根据本发明的实施方案的空间追踪器的立体视图。图9为根据本发明的实施方案用于支撑焊接试样的底座(stand)的立体视图。图9a为根据本发明的实施方案的管焊接试样的立体视图。图9b为根据本发明的实施方案的安装到底座的管焊接试样的立体视图。图10根据本发明的实施方案图示说明基于逻辑处理器的子系统的子系统方框图的示例性实施方案。图11根据本发明的实施方案图示说明基于逻辑处理器的子系统的图形处理单元 (GPU)的方框图的示例性实施方案。图12根据本发明的实施方案图示说明仿真器的功能方框图的示例性实施方案。图13为根据本发明的实施方案使用虚拟现实训练系统的训练方法的实施方案的流程图。图14a_14b根据本发明的实施方案图示说明焊接像元(welding pixel)(焊元 (wexel))移置图(displacement map)的概念。图15根据本发明的实施方案图示说明仿真于仿真器中的平坦焊接试样的试样空间(coupon space)和焊缝空间(weld space)的示例性实施方案；图16根据本发明的实施方案图示说明仿真于仿真器中的拐角焊接试样的试样空间和焊缝空间的示例性实施方案图17根据本发明的实施方案图示说明仿真于仿真器中的管焊接试样的试样空间和焊缝空间的示例性实施方案；图18根据本发明的实施方案图示说明管焊接试样的示例性实施方案；图19a_19c根据本发明的实施方案图示说明仿真器的双移置熔池模型的概念的示例性实施方案。
具体实施方式
现在参照附图，其中示图仅是为了图示说明本发明的实施方案，而不是为了限制本发明的实施方案，图1和2示出用于仿真焊接的系统(一般地以10来描绘)，本文称作仿真器10或系统10。仿真器10能够生成虚拟环境15，虚拟环境15可以描绘类似于在真实世界中的焊接场景并且可以被称为虚拟现实弧焊(VRAW)。在虚拟环境15中，仿真器10便利与一个或更多个最终使用者12的交互。输入设备155被包括，所述输入设备155允许最 终使用者12从事真实世界活动，所述真实世界活动由仿真器10追踪并被转换为虚拟活动。 因而，虚拟环境15包括交互的虚拟焊接环境15。显示装置200被包括，所述显示装置200 提供进入虚拟环境15和最终使用者12的活动的“可视入口(visual access)”。在一个实施方案中，仿真器10可以包括由多个最终使用者12或其他观察者可观看的显示屏幕150。 此外，仿真器10可以包括调适来由单个最终使用者12使用的个性化显示器140，单个最终使用者12可以为受训的使用者12a或指导使用者12b。在此要尤为注意的是，最终使用者 12在真实世界中的活动被转换为虚拟焊接活动并且在一个或更多个显示器140、150上被实时地观看。如本文所使用的，术语“实时”意指以与最终使用者12在真实世界场景下将会及时感知和体验的相同的方式，在虚拟环境下及时感知和体验。在生成的交互虚拟焊接环境15中，仿真器10针对多个焊接接缝以不同焊接位置模仿一个或更多个焊接工艺，并且附加地模仿针对所述多个接缝构型的不同种类的焊条的作用。在一个特定的实施方案中，仿真器10生成交互虚拟焊接环境15，交互虚拟焊接环境 15模仿管焊接和/或留隙焊根接缝的焊接。所述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还能够建模虚拟焊接活动如何影响焊接接缝，例如下面的基底材料。以图示说明的方式，仿真器10可以模仿焊根焊道(root pass)和高温焊道(hot pass)以及后续的填充和盖面(cap)焊道(pass)，每个均具有对应真实世界情景的特征。 由于在先前行程期间形成的基底材料的变化和/或由于所选择的焊条不同，每个后续行程可以以与先前行程的方式有显著不同的方式来焊接。熔池模型的实时反馈允许最终使用者 12于虚拟焊接正在被进行时，在显示器200上观察虚拟焊接过程，并且调节或保持他/她的技法。所观察到的虚拟指示标记的种类的例子可以包括(列举几例)熔池流、熔融熔池的闪烁、在熔池固化过程中的颜色变化、熔池的凝固率、散热的颜色梯度、声音、焊道(bead) 形成、摆动方式(weave pattern)、熔渣的形成、咬边(undercut)、多孔(porosity)、飞溅 (spatter)、夹· (slag entrapment)、过度填充(overfill)、穿透(blowthrough)以及吸留 (occlusion) 0要意识到的是，熔池特征取决于，也就是说响应于，最终使用者12的输入设备155的运动。以这种方式，所显示的熔池是基于所选择的焊接工艺和最终使用者12的焊接技法而实时地形成的真实世界熔池的表征。另外，“线状夹渣(wagon track)”是留在使用SMAW工艺进行管焊接期间形成的焊根焊道的焊趾(toes)后面的焊缝缺陷和熔渣的可视尾迹(trail)。被称为高温焊道的管焊接中的第二焊道必须足够热以使线状夹渣再融化，从而这些线状夹渣在最终的焊接件中被去除。再者，线状夹渣可以通过打磨工艺被移除。根据本发明的实施方案，这样的线状夹渣和所述线状夹渣的去除被适当地仿真于本文所描述的仿真器10中。继续参照图1和2并且现在还参照图3a和3b，仿真器10可以模仿以各种焊接位置的焊接工艺并建模熔池在每个位置如何反应。更具体地，仿真器10可以模仿以本领域中分别被称作5G、2G和6G位置的垂直、水平和/或倾斜位置的管焊接。此外，仿真器10可以模仿以涉及转动管的水平位置的IG位置的焊接，或者以涉及如可以与邻近的板中的坡口焊缝(groove weld)相关联的仰焊的4G位置。其他焊接位置可以涉及针对平板的各种结构的留隙焊根接缝的焊接。要理解的是，包括建模和分析引擎的仿真器10将在随后的段落中在考虑熔池上的重力作用的情况下被详细描述。因此，熔池以不同的方式反应，例如，针对以5G位置焊接管和以6G位置焊接管不同。上述实施例不应被解释为是限制性的，而是出于示例性的目的而被包括。本领域技术人员将容易地理解本发明针对任何焊接接缝、焊接位置或者焊接件类型(包括不同种类的基底材料)的应用。现在参照图2和4，仿真器10包括基于逻辑处理器的子系统110，基于逻辑处理器的子系统110可以是可编程且可操作来执行编码指令的，以生成交互虚拟焊接环境15。仿真器10还包括传感器和/或传感器系统，所述传感器和/或传感器系统可以包括可操作地连接到基于逻辑处理器的子系统110的空间追踪器120。仿真器10还包括与基于逻辑处理器的子系统110连通的焊接使用者界面130，用于设置并控制仿真器10。如上面所提及的， 一个或更多个显示装置200被包括，显示装置200可以包括戴于面部的显示装置140和观察者显示装置150，其中每个被连接到基于逻辑处理器的子系统110，提供到交互虚拟焊接环境15的“可视入口”。显示装置200中的一个或更多个可以被连接到空间追踪器120，以如下所描述地响应于空间追踪器120的位置和/或其运动而改变在所述装置上被观看的图像。输入设备现在参照图5，如上述所述的，仿真器10包括便利与最终使用者12交互的输入设备155。在一个实施方案中，输入设备155包括模拟焊接工具160。模拟焊接工具160可以被制造成效仿真实世界的焊接工具，例如手工焊条夹持器或提供连续供料到电极的焊枪， 即MIG、FCAff或者GTAW焊接工具。然而，其他结构的模拟焊接工具160可以被实施而不偏离本发明的实施方案所意图的覆盖范围。出于讨论的目的，本发明的实施方案将被描述在使用效仿手工焊条夹持器156的模拟焊接工具160的上下文中。模拟焊接工具160可以准确地效仿真实世界的焊接工具。在一个特定实施方案中，模拟焊接工具160可以具有与真实世界的焊接工具相同的形状、重量和手感。事实上，真实的焊接工具可以被用作模拟焊接工具160来提供所述工具在使用者手中的实际感觉，即使是在仿真器10中，真实的焊接工具也不会被用于实际上创建真实电弧。以这样的方式，最终使用者12(可以为受训使用者 12a)变得习惯于操纵真实世界的焊接工具，从而加强虚拟焊接的体验。然而，模拟焊接工具 160可以以利用合理的判断选择的任何方式来构造。图示说明地，模拟焊接工具160仿真用于管焊接的手工焊接工具，并且包括夹持器161和从中延伸的仿真的手工焊条162。仿真的手工焊条162可以包括触觉型 (tactilely)阻力末端163，用于仿真在真实世界情景中的焊接期间产生的阻力反馈。如果最终使用者12过于背离焊根移动仿真的手工焊条162 (下面所详细描述的)，最终使用者 12将能够感觉或觉察到减少的阻力，从而获得用于调节或保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)，所述致动器在虚拟焊接工艺期间缩回仿真的手工焊条162。也就是说，当最终使用者12从事虚拟焊接活动时，夹持器161和仿真的手工焊条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器的子系统110控制，并且更具体地，可以由基于逻辑处理器的子系统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使用者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，消耗率或手工焊条 162的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。模拟焊接工具160的致动器可以被电气地驱动。用于保障致动器工作的电力可以来自仿真器10、来自外部电源或者来自内部电池电力。在一个实施方案中，致动器可以为电动装置，例如电动机。然而，任何类型的致动器或动力形式都可以被使用，包括但不限于电磁致动器、气动致动器、机械或弹簧承载的致动器及其任意组合。如上面所说明的，模拟焊接工具160可以与空间追踪器结合工作，以与仿真器10 进行交互。具体地，模拟焊接工具160的位置和/或定向可以由空间追踪器120实时地监控和追踪。因此，表征所述位置和定向的数据可以被传送到基于逻辑处理器的子系统110 并且被修改或转换以根据需要用来与虚拟焊接环境15进行交互。空间追踪器 参照图8，图示说明空间追踪器120的实施例。空间追踪器120可以与基于逻辑处理器的子系统Iio连接。在一个实施方案中，空间追踪器120可以以磁的方式追踪模拟焊接工具160。也就是说，所述空间追踪器生成磁性包络，所述磁性包络用于确定位置和定向， 以及速度和/或速度上的变化。因此，空间追踪器120包括磁源121和源线缆、一个或更多个传感器122、磁盘123上的主机软件、电源124、USB和RS-232线缆125、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， 传感器122也是如此。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。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。磁盘123上的主机软件可以被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和基于逻辑处理器的子系统110之间的功能通信。磁源121创建围绕源121的磁场或包络，所述磁场或包络限定三维空间，在所述三维空间内最终使用者12的活动可以被追踪以与仿真器10进行交互。所述包络建立空间参考框架。使用在所述包络内的物体，例如模拟焊接工具160和试样底座(下面描述)， 可以由非金属(即非铁的或不导电的)材料构成，从而不会使磁源121创建的磁场畸变 (distort)。传感器122可以包括多个在相交的空间方向上排列的感应线圈，所述多个感应线圈可以基本上为正交排列。感应线圈测量磁场在三个方向中的每个上的强度，提供信息给处理器追踪单元126。在一个实施方案中，传感器122可以被附接到模拟焊接工具160， 允许模拟焊接工具160相对于所述空间参考框架在位置和定向二者上被追踪。更具体地， 感应线圈可以被安装在焊条162的末端中。以这种方式，仿真器10能够确定模拟焊接工具 160在三维包络中的位置所在。附加的传感器122可以被提供并且可操作地附接到一个或更多个显示装置200。因此，仿真器10可以响应于最终使用者12的运动而使用传感器数据来改变最终使用者12所见的视图。从而，仿真器10捕捉并追踪最终使用者12在真实世界中的活动，用于转换为虚拟焊接环境15。根据本发明可替换的实施方案，一个或更多个传感器122可以无线的方式连接到处理器追踪单元126，并且处理器追踪单元126可以无线的方式连接到基于逻辑处理器的子系统110。根据本发明的其他可替换实施方案，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。然而，可以使用其他类型的追踪器而不偏离本发明的实施方案所意图的覆盖范围。显示装置现在参照图7a，现在将描述戴于面部的显示装置140的实施例。戴于面部的显示装置140可以如图7c中所示地被整合到焊接头盔900中，或者可替换地可以如图7b所示地被单独地安装。戴于面部的显示装置140可以包括能够以2D和帧序列视频模式传送流体全活动视频(fluid full-motion video)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方案中，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，加强使用者的深度感知。立体图像可以由逻辑处理单元生成，所述逻辑处理单元可以为下面详细描述的图形处理单元。还可以提供缩放(例如2倍(2X))模式，允许使用者仿真更加以假乱真的板(a cheater plate)。戴于面部的显示装置140经由有线或无线方式可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。空间追踪器120 的传感器122可以被附接到戴于面部的显示装置140或被附接到焊接头盔900，从而允许戴于面部的显示装置140相对于空间追踪器120创建的3D空间参考框架而被追踪。以这种方式，焊接头盔900的运动以响应的方式改变三维虚拟现实情景中最终使用者12所见的图像。如随后描述的，戴于面部的显示装置140还可以起到这样的作用，即与观察者显示装置150类似地来调用并显示菜单项的作用。因此，以这种方式，最终使用者能够使用模拟焊接工具160上的控制部件(例如按钮或开关)来激活菜单并从菜单中选择选项。这可以允许使用者在其出现失误、改变特定参数或者例如回退以重新完成焊道轨迹的一部分时容易地重置焊接。戴于面部的显示装置140还可以包括扬声器910，允许使用者聆听由仿真器10生成的仿真的焊接相关声音和环境声音。声音内容功能和焊接声音提供具体类型的焊接声音，所述焊接声音根据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，当使用者未使模拟焊接工具160正确定位时提供噼啪的声音，而当模拟焊接工具160被正确定位时提供嘶嘶的声音。在短弧焊接工艺中，当发生咬边时提供嘶嘶的声音。这些声音模仿(mimic)对应于正确和错误焊接技法的真实世界的声音。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真实世界录音。所感知的声音的音量和方向根据最终使用者的头部(即戴于面部的显示装置140)相对于模拟焊接工具160和焊接试样175之间的仿真的电弧的位置、定向和距离而改变。声音可以经由安装于戴于面部的显示装置140中或可替换地安装于控制台135和/或底座170中的扬声器910 (可以为耳塞扬声器或任何其他类型的扬声器或声音生成装置)提供给使用者。 然而，在从事虚拟焊接活动时将声音呈现给最终使用者12的任何方式可以被选择。在此还要注意的是，其他类型的声音信息可以通过扬声器910被传输。实例包括来自指导人员使用者12b的实时口头指令或经由预先录制的信息的口头指令。预先录制的信息可以通过特定的虚拟焊接活动自动地被触发。实时的指令可以现场生成或者从远端位置生成。然而， 任何类型的信息或指令都可以被传达给最终使用者12。控制台现在参照图2、图6和图7，仿真器10可以包括容置仿真器10的一个或更多个部件的控制台135。在一个实施方案中，控制台135可以被构造来效仿焊接电源。也就是说， 控制台135的形状和尺寸可以匹配真实世界装置的形状和尺寸。仿真器10的操作可以由焊接单元界面130来提供，焊接单元界面130可以被制造成效仿焊接电源旋钮、刻度盘和/ 或开关133、134。仿真器10还可以包括显示器，所述显示器可以为显示装置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使用者12与仿真器10的交互。与仿真器10的交互可以包括的功能涉及管理的活动或仿真设置及激活。这可以包括特定焊接工艺和焊条类型的选择，以及包括焊接位置的部件设置。通过焊接单元界面130的方式进行的选择被反映在显示装置200上。图6图示说明控制台135和焊接使用者界面130的示例性实施方案。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使用者选择内容153的一组按钮131。按钮131可以被着色以对应于显示在显示装置200上的使用者选择内容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来激活对应的功能。焊接单元界面130还可以包括操纵杆132，操纵杆132能够被使用者使用来选择显示在显示装置200上的各种参数和选择内容。焊接单元界面130还包括可以以示例性的方式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。 根据本发明的实施方案，三种弧焊工艺是可选择的，包括焊剂芯弧焊(FCAW)、气体保护金属极弧焊(GMAW)以及自动保护金属极弧焊(SMAW)。焊接单元界面130还包括用于选择焊接极性的刻度盘或旋钮137。根据本发明的实施方案，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-)。然而，其他焊接工艺(包括但不限于TIG 焊接)和设置特征可以被包括于仿真器10中而不偏离本发明的实施方案所意图的覆盖范围。从上述的内容中，将容易看出的是，仿真器10的设置对应真实世界装置的设置。图形使用者界面功能1213 (见图12)允许使用者经由观察者显示装置150是可观看的并且使用物理使用者界面130的操纵杆132设置焊接情景。焊接情景的设置可以包括选择语言，输入最终使用者姓名，选择实习板(例如焊接试样、T形板、平板)，选择焊接工艺 (例如FCAW、GMAW、SMAW、TIG)和相关联的轴向喷射、脉冲或转换的短弧模式，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)。焊接情景的设置还可以包括设置将在下面详细讨论的试样底座 170。焊接情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。在此要注意的是，在一个实施方案中，限制(可以为软件限制)可以被包括于仿真器10中，在针对所选择的工艺的适合的设置已经被恰当地输入之前，所述限制阻止给定的焊接情景的操作。以这种方式， 受训的使用者12a通过设置虚拟焊接情景而被教导或学会真实世界焊接场景的适当范围。因此，显示装置200反映对应于最终使用者选择内容153的活动，包括菜单、动作、 视觉提示、新试样设置以及评分。这些使用者选择内容可以被绑定到控制台135上的使用者按钮。当使用者经由显示装置200进行各种选择时，所显示的特征可以改变来提供所选择的信息和其他选项给所述使用者。然而，显示装置200 (可以为观察者显示装置150)可以具有另一功能在仿真器10的操作期间，即当从事虚拟焊接活动时，显示最终使用者12 所见的虚拟图像。显示装置200可以被设置来观看与最终使用者12所见内容相同的图像。 可替换地，显示装置200还可以用于显示虚拟焊接活动的不同视图或者不同视角。在图10中示出的一个实施方案中，显示装置150、200可以被用于回放(playback)以电子方式储存于数据储存装置300上的虚拟焊接活动。表征最终使用者12的虚拟焊接活动的数据可以被储存用于回放和复习(review)、出于归档目的的下载和/或传输至远端位置以实时地观看和评论。在重放(Mplay)虚拟焊接活动中，诸如熔池流动性等细节、行进速度以及不连贯性状态152 (例如包括不适当的填角(fillet)大小、不佳的焊道布置、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)可以被表征。由超出公差角度造成的咬边也可以被显示。另外，由过于远离焊接件移动电弧而导致的多孔可以被显示。以这种方式，仿真器10能够重放特定虚拟焊接活动的部分或全部，建模虚拟焊接情景的所有方面(包括与最终使用者的活动直接相关的吸留和缺陷)。参照图6a，仿真器10还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期间是何时以及沿焊接接缝是何处，最终使用者12偏离焊接工艺可接受的限定范围。评分可以归因于最终使用者12的表现。在一个实施方案中，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。根据用于对最终使用者12的表现进行评分的选择，多个范围的任何梯度均可以被包括在仿真器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，最终使用者12的表现可以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所述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。所述参数的公差范围取自真实世界的焊接数据，从而提供关于最终使用者在真实世界中将会如何表现的准确反馈。在另一实施方案中，与最终使用者12的表现对应的缺陷的分析也可以被包括并显示在显示装置150、200上。在这个实施方案中，可以描绘示出由测量在虚拟焊接活动期间所监控的各种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，但由于最终使用者的表现，缺陷仍可能已经发生，使用者的表现结果仍可能会相应地被显示(即图形化)。 显示装置200还可以用于显示被用来训练最终使用者12的辅导信息。辅导信息的实例可以包括可以为如由视频或图片所描绘的以图形方式被显示的指令。此外，指令可以以上述的音频格式被写入或呈现。这样的信息可以被储存和保留在数据储存装置300上。 在一个实施方案中，仿真器10能够显示在本文中被称作视觉提示的呈现各种焊接参数151 的虚拟焊接场景，焊接参数151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。在一个实施方案中，可以使用远程通信来提供场外人员(即以相似或不相似构造的装置(即仿真器)进行加工的远程使用者)的虚拟指令。可以经由网络连接来实现描述虚拟焊接过程，所述网络连接包括但不限于因特网、LAN以及数据传输的其他方式。表征特定焊缝的数据(包括性能变量)可以被发送至能够显示虚拟图像和/或焊缝数据的另一系统。应当注意的是，所传输的数据是足够详尽的以允许一个或更多个远端使用者分析焊接者的表现。发送到远端系统的数据可以被用于生成虚拟焊接环境，从而重新创建特定的焊接过程。然而，将性能数据或虚拟焊接活动传送至另一装置的任何方式可以被实施而不偏离本发明的实施方案所意图的覆盖范围。焊接试样
现在参照图1、图9a和图％，仿真器10可以包括焊接试样175，焊接试样175效仿被并置为形成焊接接缝176的管段。焊接试样175可以与在从事虚拟焊接活动时为最终使用者12起引导作用的仿真器10结合工作。多个焊接试样175可以被使用，也就是说被互换以在虚拟焊接活动的给定周期内使用。焊接试样的类型可以包括(列举几例)圆柱形管区段、弓形管节、平板和T形板焊接接缝。在一个实施方案中，焊接试样中的每个可以包括留隙焊根接缝或坡口。然而，任何结构的焊接接缝均可以被包括于焊接试样中而不偏离本发明的实施方案所意图的覆盖范围。焊接试样175的尺寸可以改变。对于圆柱形的管来说，内径的范围可以从172英寸 (内径)延伸到18英寸(内径)。在一个特定实施方案中，内径的范围可以超过18英寸。 在另一实施方案中，弓形管节可以具有在从172英寸(内径)延伸达到并超过18英寸(内径)的范围内的特征半径。另外，要解释的是，任何内径的焊接试样175都可以被使用，包括那些小于172英寸的和那些超过18英寸的两者。就实践的意义来说，只要焊接试样175 或焊接试样175的部分在空间追踪器120生成的包络内，任 意大小的焊接试样175都可以被使用。平板在长度上也可以延伸达到并超过18英寸。然而，要理解的是，焊接试样175 的尺寸上限仅由空间追踪器120生成的感测场的大小和强度以及焊接试样175各自被定位的能力所约束。所有这样的变体被解释为落入本发明的实施方案的覆盖范围。如上所述的，焊接试样175可以由不会与空间追踪器120相互干扰的材料构成。因为空间追踪器生成磁场，焊接试样175可以由非铁的和不导电的材料构成。然而，可以选择适于与所选择的空间追踪器120或其他传感器类型一起使用的任何类型的材料。参照图9a和％，焊接试样175可以被这样构造，从而其可以装入桌台或底座170， 桌台或底座170 (至少部分地)起到将焊接试样175相对于空间追踪器120保持在恒定位置的作用。因此，焊接试样175可以包括连接部分177或连接器177。连接部分177可以从焊接试样175的一侧(如所图示说明的可以为底侧)延伸，并且可以被接纳到与底座170 一起被包括的机械互锁装置中。将理解的是，焊接试样175被插入底座170的取向可能需要是恒定的，即可重复的，以紧密地匹配在虚拟焊接环境15中被创建的虚拟焊接件，即管。 以这种方式，只要仿真器10知晓焊接试样175的位置已经如何变化，可以相应地对虚拟对应物(counterpart)进行调节。例如，在设置期间，最终使用者12可以选择要被焊接的管的大小。然后，最终使用者12可以将适合的焊接试样175插入底座170，将其锁固到适当位置。随后，最终使用者12可以选择期望的焊接位置，经由焊接使用者界面130进行选择。 如下面将被描述的，底座170则可以被倾斜或调节以将焊接试样175定位在仿真器10识别的焊接位置中的任一者。当然，将理解的是，调节焊接试样175的位置也要调节空间追踪器 120的位置，从而使焊接试样175的相对位置被保留在感测的追踪场中。图9描绘底座170的一个实施方案。底座170可以包括可调节的桌台171、底座基座172、可调节的臂173以及立柱174。桌台171和臂173分别被附接到立柱174。桌台 171和臂173中的每个能够沿立柱174的高度被调节，所述调节可以包括向上、向下和/或相对于立柱174的转动运动。臂173用于以与本文所讨论的一致的方式支撑焊接试样175。 桌台171可以通过在使用期间允许使用者将他/她的手臂放于桌台171上而辅助最终使用者12。在一个特定的实施方案中，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和桌台171被定位在何处。这种信息还可以在设置期间通过焊接使用者界面130和显示装置150的方式来输入仿真器10。考虑本发明的可替换实施方案，其中桌台171和臂173的位置响应于在仿真器10 的设置期间所做的选择而被自动调节。在该实施方案中，经由焊接使用者界面130所做的选择可以被传送至基于逻辑处理器的子系统110。由底座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，以定位焊接试样175而无需在物理上移动臂 173或桌台171。在一个实施方案中，致动器和反馈传感器可以包括以电气方式驱动的伺服电动机。然而，根据利用合理的工程判断所选择的任何运动装置(locomotive device)都可以被用来自动地调节底座170的位置。以这种方式，设置焊接试样175的过程是自动化的并且无需最终使用者12进行手动调节。本发明的另一实施方案包括与焊接试样175结合使用的智能型装置的使用，本文称作“智能”试样175。在该实施方案中，焊接试样175包括具有关于可以被底座170感测的特定焊接试样175的信息的装置。具体地，臂173可以包括读取储存在位于焊接试样175 上的装置上或储存在该装置中的数据的检测器。实施例可以包括被编码在传感器(例如微电子器件)上的数字数据的使用，当被置于所述检测器附近时，所述数字数据可以以无线的方式被读取。其他实施例可以包括无源器件(如条形码)的使用。然而，智能地将关于焊接试样175的信息传送至基于逻辑处理器的子系统110的任何方式可以利用合理的工程判断来选择。储存在焊接试样175上的数据可以自动地向仿真器10提示已经被插入底座170 的焊接试样175的种类。例如，2英寸的管状试样可以包括关于其直径的信息。可替换地， 平板试样可以包括提示被包括在试样上的焊接接缝种类(例如坡口焊接接缝或对接焊接接缝)及其物理尺寸的信息。以这种方式，关于焊接试样175的信息可以被用来使仿真器 10的设置中涉及选择和安装焊接试样175的部分自动化。校准功能1208(见图12)提供使真实空间(3D参考框架)中的实物部件与虚拟焊接环境15中的可视部件匹配的能力。通过将焊接试样175安装到底座170的臂173上，并且利用可操作地连接到底座170的校准笔(stylus)接触焊接试样175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)，每种不同类型的焊接试样175在工厂中被校准。仿真器10读取预先限定的点179处的磁场强度，提供位置信息至基于逻辑处理器的子系统110，并且基于逻辑处理器的子系统110使用所述位置信息来进行所述校准(即从真实世界空间到虚拟现实空间的转换)。因此，相同类型的焊接试样175的任一部分在非常严格的公差之内以相同的可重复方式装入底座170的臂173。因而，一旦特定类型的焊接试样175被校准，无需相似试样的重复校准(即特定类型的焊接试样175的校准是一次性事件)。换言之，相同类型的焊接试样175是可互换的。校准确保使用者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所述使用者显示的内容，使得仿真看上去更加真实。例如，如果使用者围绕实际焊接试样175的拐角滑动模拟焊接工具160的末端，所述使用者将会在显示装置200上看到所述末端围绕虚拟焊接试样的拐角滑动，就像所述使用者感觉到的所述末端围绕所述实际的拐角滑动那样。根据本发明的实施方案，模拟焊接工具160还可以被放置在预先定位的架子(jig)上并且基于已知的架子位置以类似的方式被校准。根据本发明的另一实施方案，“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。传感器可以被安装在焊接试样175上预先限定的校准点的精确位置。然而，将校准数据传送至仿真器10的任何方式可以被选择。因此，仿真器10连续地知晓“智能”试样在真实世界3D空间中的位置。另外，可以提供许可密钥来 “解锁”焊接试样175。当特定焊接试样175被购买时，可以提供许可密钥，允许最终使用者 12a、12b将所述许可密钥输入仿真器10，解锁与特定焊接试样175相关联的软件。在可替换的实施方案中，基于部件的真实世界CAD制图，可以提供特殊的非标准焊接试样。基于处理器的系统 现在参照图2、图4和图10，如上所述的，仿真器10包括基于逻辑处理器的子系统 110，基于逻辑处理器的子系统110可以包括可编程电子电路200，用于执行被用来生成虚拟焊接环境15的编码指令。可编程电子电路200可以包括一个或更多个逻辑处理器203或基于逻辑处理器的系统203，一个或更多个逻辑处理器203或基于逻辑处理器的系统203可以包括一个或更多个微处理器204。在一个特定实施方案中，可编程电子电路200可以包括下面要进一步讨论的一个或更多个中央处理单元(CPU)以及一个或更多个图形处理单元 (GPU)。附加的电路可以被包括，例如电子存储器，即RAM、ROM以及其他外围支持电路。要注意的是，电子存储器可以被包括来用于CPU和GPU二者，其中每个可以被单独地编程来用于呈现如本文所描述的虚拟焊接环境15的各方面。另外，可编程电子电路200可以包括并使用数据储存装置300，例如硬盘驱动器、光学储存设备、闪存等等。然而，其他类型的电子电路可以被包括，所述电子电路便利仿真器10内的装置之间或不同仿真器10之间的数据传输。这可以包括，例如从一个或更多个输入设备155(例如空间追踪器或传感器)接收数据，或者在一个或更多个网络上(可以为局域网络(LAN)、广域网络(WAN)和/或因特网) 传输数据。要理解的是，上述的装置和过程在本质上是示例性的而不应被解释为限制性的。 事实上，根据利用合理的工程判断所选择的任何形式的可编程电路、支持电路、通信电路和 /或数据储存装置都可以被包括到本发明的实施方案中。图10图示说明仿真器10的基于可编程逻辑处理器的子系统110的子系统方框图的示例性实施方案。基于逻辑处理器的子系统110可以包括中央处理单元(CPU) 111和两个图形处理单元(GPU) 115。两个GPU 115可以被编程以提供具有实时熔融金属流动性和吸热与散热特征的熔池的虚拟现实仿真。参照图11，图形处理单元(GPU) 115的方框图被示出。每个GPU 115支持数据并行算法的实现。根据本发明的实施方案，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传送至戴于面部的显示装置140，给出焊接者的视野，并且第三视频输出例如可以被路由至观察者显示装置150，给出焊接者的视野或者一些其他的视野。余下的第四视频输出例如可以被路由至投影仪，或者被用于适于仿真虚拟焊接环境15的任何其他目的。两个GPU 115可以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现实环境15。GPU 115包括统一计算设备架构(CUDA)116 和着色器117。CUDA 116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。CUDA 116包括并行核心并且被用于运行本文所描述的熔池仿真的物理模型。CPU 111 提供实时焊接输入数据至GPU 115上的CUDA 116。在一个特定实施方案中，着色器117负责绘制并应用全部的仿真画面。焊道和熔池画面由本文稍后描述的焊元移置图的状态来驱动。根据本发明的实施方案，物理模型以约每秒30次的速率运行和更新。
图12图示说明仿真器10的功能方框图的示例性实施方案。仿真器10的各种功能块大部分经由运行在基于逻辑处理器的子系统110上的软件指令和模块实现。仿真器 10的各种功能块包括物理界面1201、焊炬和夹具模型1202、环境模型1203、声音内容功能 1204、焊接声音1205、桌台/底座模型1206、内部架构功能1207、校准功能1208、试样模型 1210、焊接物理1211、内部物理调节工具(调整装置(tweaker)) 1212、图形使用者界面功能 1213、绘图功能1214、学员报告功能1215、呈现装置1216、焊道呈现1217、3D纹理1218、视觉提示功能1219、评分和公差功能1220、公差编辑器1221以及特殊效果1222。内部架构功能1207提供仿真器10的处理的更高等级的软件运算，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。根据本发明的实施方案，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)。在仿真的焊接情景期间，绘图功能1214收集使用者表现参数并将所述使用者表现参数提供至图形使用者界面功能1213，来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1214。绘图功能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储存在焊道表格中的数据分析使用者焊接参数，所述使用者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间隙。WWAM分析使用者抖动参数，包括币状体间隔、抖动时间以及熔池时间。WWAM还分析使用者摆动参数，包括摆动宽度、摆动间隔以及摆动定时。SAM和WffAM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。针对由SAM和WffAM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值来限定，并且评分和公差功能1220被执行。公差编辑器1221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1214处理并经由图形使用者界面功能1213以图形格式呈现。这样的焊接不连贯包括填角大小、不佳的焊道布置、凹入的焊道、过于外凸、咬边、多孔、 未焊透、夹渣以及过度飞溅。根据本发明的实施方案，不连贯的等级或量取决于特定使用者参数偏离最佳或理想的设定点的程度。 不同的参数限制可以针对不同类别的使用者(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根据使用者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等级提供数字评分。来自评分和公差功能1220和来自绘图功能1214的信息可以被学员报告功能1215使用，来为指导人员和/或学员创建表现报告。视觉提示功能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标记，向使用者提供立即的反馈。针对焊接参数151中的每个提供视觉提示，焊接参数151包括位置、末端到工件间隙、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使用者的焊接技法的某些方面应当被调节，则在视觉上指示所述使用者。例如，还可以针对抖动/摆动技法以及焊道“币状体(dime)”间隔提供视觉提示。根据本发明的实施方案，实现了虚拟现实空间中的熔池或焊池的仿真，其中所述仿真的熔池具有实时熔融金属流动性和散热特征。根据本发明的实施方案，位于熔池仿真的中心的是可以被运行在GPU 115上的焊接物理功能1211 (又叫物理模型)。焊接物理功能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(吸热与散热)、熔池痕迹(wake)以及焊道形状，并且本文结合图14a_14c对此进行更详细的描述。焊接物理功能1211与焊道呈现功能1217连通，来表现焊道从熔融金属状态到冷却固化状态之间的全部状态。焊道呈现功能1217使用来自焊接物理功能1211的信息(例如热、流动性、移置、币状体间隔)，来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1218将纹理图(texture maps)提供至焊道呈现功能1217，来使附加的纹理(例如焦痕(scorching)、熔渣、颗粒(grain))覆盖到仿真的焊道上。呈现装置功能1216 用于使用来自特殊效果模块1222的信息表现各种非熔池的具体特征，包括火星(sparks)、 飞溅、烟尘、电弧光、烟以及特定不连贯性(例如咬边和多孔)。内部物理调节工具1212是允许各种焊接物理参数针对各种焊接工艺被限定、更新和修改的调整装置。根据本发明的实施方案，内部物理调节工具1212运行在CPU 111上并且调节的或更新的参数被下载到GPU 115中。可以经由内部物理调节工具1212被调节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各种全局参数以及各种其他参数。图13为使用仿真器10的训练方法1300的实施方案的流程图。在步骤1310中， 按照焊接技法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，观看所述虚拟现实焊接系统的显示画面，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的电弧附近形成仿真的熔池，来将仿真的焊道材料堆积到所述仿真的焊接试样的至少一个仿真的表面上时，所述显示画面示出所述模拟焊接工具和所述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，在所述显示画面上观看所述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，响应于观看所述仿真的熔池的所述实时熔融金属流动性和散热特征而实时地改变所述焊接技法的至少一个方面。方法1300图示说明使用者如何能够观看虚拟现实空间中的熔池并响应于观看仿真的熔池的各种特征(包括实时熔融金属流动性(例如粘滞性)和散热)而改变其焊接技法。使用者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焊接操作在真实世界中实际上被执行的是多少。焊接物理功能1211的双移置层模型运行在GPU 115上，允许这样的实时熔融金属流动性和散热特征被准确地建模并向使用者展示。例如，散热确定固化时间(即焊元需要多少时间彻底地固化)。另外，使用者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。在这样的第二焊道情景中，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的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结合的第二仿真的焊道材料时，所述仿真示出虚拟现实空间中的所述仿真的模拟焊接工具、焊接试样以及原始的仿真焊道材料。可以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方案，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结合。这样的后续焊道例如可以被执行来修复由先前的焊道形成的焊道，或者可以包括高温焊道(heat pass)和在管焊接中完成焊根焊道后的一个或更多个弥合间隙的(gap closing)焊道。根据本发明的各种实施方案，焊道材料可以被仿真为包括软钢、不锈钢和铝。用于津樽的引擎图14a_14b根据本发明的实施方案图示说明焊接元(焊元)移置图1420的概念。 图14a示出具有平坦顶部表面1410的平坦焊接试样1400的侧视图。焊接试样1400以例如塑料部件的形式存在于真实世界中，并且还可以以仿真的焊接试样的形式存在于虚拟现实空间中。图14b示出仿真的焊接试样1400的顶部表面1410的表征，所述顶部表面1410 被分解为形成焊元图1420的焊接元(称为“焊元”)的网格或阵列。每个焊元(例如，焊元 1421)限定焊接试样的表面1410的一小部分。焊元图限定了表面分辨率。可改变的通道 (channel)参数值被分配给每个焊元，允许每个焊元的值于仿真的焊接工艺期间，在虚拟现实焊缝空间中以实时的方式动态地改变。所述可改变的通道参数值对应于通道熔池(熔融金属流动性/粘滞性移置)、热(吸热/散热)、移置(固体移置)、以及额外内容(各种额外状态，例如熔渣、颗粒、焦痕、原始金属(virgin metal))。本文中将这些可改变的通道称为PHED，PHED分别对应熔池、热、额外内容以及移置。图15图示说明仿真于图1和2的仿真器10中的图14的平坦焊接试样1400的试样空间和焊缝空间的示例性实施方案。点0、Χ、Υ和Z限定局部3D试样空间。总地来说，每种试样类型限定从3D试样空间到2D虚拟现实焊缝空间的映射。图14的焊元图1420为映射到虚拟现实焊缝空间的值的二维矩阵。如在图15中所示的，使用者将从点B到点E进行焊接。在图15中，在3D试样空间和2D焊缝空间二者中示出从点B到点E的轨迹线。每种类型的试样针对焊元图中的每个位置限定移置的方向。对于图15的平坦焊接试样，焊元图(即，在Z方向上)中的全部位置的移置方向是相同的。为阐明所述映射， 在3D试样空间和2D焊缝空间二者中将焊元图的纹理坐标示为S、T(有时称为U、V)。焊元图被映射到并且表征焊接试样1400的矩形表面1410。图16图示说明仿真于仿真器10的拐角焊接试样1600的试样空间和焊缝空间的示例性实施方案。拐角焊接试样1600具有在3D试样空间中的两个表面1610和1620，所述两个表面1610和1620如在图16所示的被映射到2D焊缝空间。同样，点0、X、Y和Z限定局部3D试样空间。为阐明所述映射，在3D试样空间和2D焊缝空间二者中将焊元图的纹理坐标示为S、T。如在图16中所示的，使用者将从点B到点E进行焊接。在图16中，在3D 试样空间和2D焊缝空间二者中示出从点B到点E的轨迹线。然而，移置的方向是朝向如在 3D试样空间中示出的线条X’ -0’，朝向相对的拐角。图17图示说明仿真于仿真器10中的管状焊接试样1700的试样空间和焊缝空间的示例性实施方案。管状焊接试样1700在3D试样空间中具有弯曲的表面1710，所述表面 1710被映射到2D焊缝空间。点0、X、Y和Z再一次限定局部3D试样空间。为阐明所述映射，在3D试样空间和2D焊缝空间二者中将焊元图的纹理坐标示为S、T。如在图17中所示的，最终使用者12将从点B到点E沿弯曲的轨迹进行焊接。分别在3D试样空间和2D焊缝空间示出从点B到点E的轨迹曲线和线。移置的方向远离线条Y-O(即远离管的中心)。图 18图示说明图17的管焊接试样1700的示例性实施方案。管状焊接试样1700由非铁的、不导电的塑料制成，并且仿真聚到一起形成焊根接缝1703的两个管状部件1701和1702。还示出用于附接底座170的臂173的附接部件1704。
以与纹理图可以被映射到几何结构的矩形表面区域的类似方式，可焊接焊元图可以被映射到焊接试样的矩形表面。在与图像的每个元被称作像元(图像元的缩写)相同的意义上，可焊接图的每个元被称作焊元。像元包含限定颜色(例如红色、绿色、蓝色等)的信息通道。焊元包含限定在虚拟现实空间中可焊接表面的信息通道(例如P、H、E、D)。根据本发明的实施方案，焊元的格式被归结为包含四个浮点数的通道PHED(熔池、热、额外内容、移置)。额外的通道被用作储存关于焊元的逻辑信息(例如，在所述焊元位置是否存在任何熔渣)的一组二进制数。熔池通道储存针对所述焊元位置的任何液化的金属的移置值。移置通道储存针对所述焊元位置的固化的金属的移置值。热通道储存给出在所述焊元位置的热量级的值。以这种方式，试样的可焊接部分可以示出因被焊接的焊道而产生的移置、因液态金属而产生的闪烁的表面“熔池”、因热而产生的颜色等。所有这些效果均通过被施加到可焊接的表面的顶点着色器和像元着色器来实现。根据本发明的实施方案，使用移置图和粒子系统，其中粒子可以彼此相互作用并碰撞移置图。所述粒子是虚拟的动态流体粒子并且提供熔池的液体行为，但不是直接地呈现(即不是直接可见的)。相反，只有在所述移置图上的粒子作用是在视觉上可见的。输入到焊元的热影响邻近粒子的运动。涉及仿真熔池的有两种类型的移置，这两种类型的移置包括熔池和移置。篮池是“临时的”并且仅持续于存在粒子并出现热的时候。移置是“永久的”。悠池移置是快速变化(例如闪烁)的焊缝液态金属并且可以被看作是在签置的“顶部”。粒子覆盖虚拟表面移置图(即焊元图)的一部分。移置表征永久的固体金属，所述永久的固体金属包括最初的基底金属和已固化的焊道二者。根据本发明的实施方案，在虚拟现实空间中仿真的焊接工艺以以下方式工作粒子从薄型锥状部件中的发射器(仿真的模拟焊接工具160的发射器)流出。所述粒子第一次接触仿真的焊接试样的表面，其中所述表面由焊元图限定。所述粒子彼此相互作用且与焊元图相互作用，并且以实时的方式累积起来。焊元越靠近发射器，则加的热越多。热根据与电弧点的距离和热从电弧输入的时间量被建模。特定图形部分(例如颜色等)是由热驱动的。针对足够高温的焊元，在虚拟现实空间中绘制或呈现熔池。无论何处只要足够热，焊元图液化，导致针对这些焊元位置Mt移置“升起”。通过在每个焊元位置采样“最高的”粒子来确定MM移置。当发射器沿焊缝轨迹前进时，留下的焊元位置冷却。热以特定速率从焊元位置被移除。当达到冷却阈值时，焊元图固化。这样,熔池移置逐渐被转化为移置(即固化的焊道)。增加的移置等于去除的熔池，从而整体高度并未改变。调整或调节粒子的寿命以在固化完成之前得以存留。被建模于仿真器 ο中的特定粒子特性包括吸引/排斥、速度(相对于热)、润湿(相对于散热)、方向(相对于重力)。图19a_19c图示说明仿真器10的双移置(移置和粒子)熔池模型的概念的示例性实施方案。在虚拟现实空间内仿真具有至少一个表面的焊接试样。在虚拟现实空间内仿真焊接试样的表面，形成包括固体移置层和熔池移置层的双移置层。熔池移置层能够改变固体移置层。如本文所描述的，“熔池”由焊元图的一区域限定，其中熔池值已经由于粒子的存在而提高。采样过程被表征于图19a_19c。示出焊元图的一具有七个邻近焊元的区段。当前的—值由具有给定高度的无阴影的矩形条1910表征。在图19a中，粒子1920被示为与当前移置水平面碰撞的圆形无阴影的点并且被堆集。在图1%中，“最高的”粒子高度1930 在每个焊元位置被采样。在图19c中，带阴影的矩形1940示出由于粒子的缘故，—的顶部上已增加多少MM。由于悠池以基于热的特定液化率被增加，焊缝熔池高度不会立即被置为采样的值。尽管未在图19a_19c中示出，使所述固化过程可视化是可能的，如皿(带阴影的矩形)逐渐缩小而无阴影的 矩形)从下面逐渐增大以正好替换所述篮池。以这种方式，实时熔融金属流动性特征被准确地仿真。当使用者练习特定焊接工艺时，使用者能够在实时虚拟现实空间中观察熔池的熔融金属流动性特征和散热特征，并且使用该信息来调节或保持其焊接技法。表征焊接试样的表面的焊元的数目是固定的。另外，如本文所描述的，由仿真生成来建模流动性的熔池粒子是临时的。因而，一旦使用仿真器10在仿真的焊接工艺期间于虚拟现实空间内生成原始熔池，焊元加上熔池粒子的数目往往是保持相对恒定的。这是因为在焊接工艺期间，正在被处理的焊元的数目是固定的，并且由于熔池粒子以相似的速率 (即熔池粒子是临时的)正被创建和“销毁”，存在的且正在被处理的熔池粒子的数目趋于保持相对恒定。因此，在仿真的焊接阶段期间，基于逻辑处理器的子系统110的处理负载保持相对恒定。根据本发明可替换的实施方案，熔池粒子可以被生成在焊接试样的表面中或在焊接试样的表面下方。在这样的实施方案中，移置可以以相对于初始(即未被焊接的)试样的原始表面移置为正向或负向的方式被建模。以这种方式，熔池粒子可以不仅在焊接试样的表面上建立，还可以熔透焊接试样。然而，焊元的数目仍是固定的，并且被创建和销毁的熔池粒子仍是相对恒定的。根据本发明可替换的实施方案，可以提供具有更多通道的焊元移置图来建模熔池的流动性而不是建模粒子。或者，可以建模稠密的体元图(voxel map)而不是建模粒子。或者，可以只建模被采样并且永远不会消失的粒子，而不是建模焊元图。然而，这样的可替换实施方案可能不为系统提供相对恒定的处理负载。此外，根据本发明的实施方案，通过将材料移走来仿真穿透或透孔(keyhole)。例如，如果使用者在真实世界中将电弧保持在同一位置过长时间，材料将会燃掉造成孔洞。这样的真实世界穿透通过焊元抽选技术(decimation techniques)被仿真于仿真器10。如果由一焊元吸收的热量被仿真器10确定为太高，该焊元可以被标记或被指定为是被烧掉的并且以此进行呈现(例如被呈现为孔洞)。然而，接下来，针对特定焊接工艺(例如管焊接)可以发生焊元重建，其中在最初被烧掉后，材料被添加回去。总之，仿真器10仿真焊元抽选(将材料移走)和焊元重建(即将材料添加回去)。另外，在焊根焊道焊接中移除材料的操作被适当地仿真于仿真器10。例如，在真实世界中，在进行后续焊接行程之前，可以执行焊根焊道的打磨。类似地，仿真器10可以仿真将材料从虚拟焊接接缝移除的打磨行程操作。要理解的是，所移除的材料被建模为焊元图上的负向移置。也就是说，移除材料的打磨焊道操作由仿真器10建模，导致改变的焊道轮廓。打磨行程操作的仿真可以是自动的，这也就是说，仿真器10移除一预先确定厚度的材料，所述预先确定厚度的材料可以是对应焊根焊道的焊道表面。在可替换的实施方案中，实际打磨工具或磨机(grinder)可以被仿真为通过模拟焊接工具160或另一输入装置的激活而启用或关闭。注意的是，打磨工具可以被仿真来效仿(resemble)真实世界的磨机。在该实施方案中，使用者沿焊根焊道操纵(maneuver)打磨工具以响应所述打磨工具的运动而移除材料。要理解的是，使用者可以被允许移除过多的材料。以与上述类似的方式，如果使用者“打磨掉”过多的材料则可能导致孔洞或透孔，或者其他(上述的)缺陷。再有，可以实现(即被编程)强制限位或停止，来防止使用者移除过多的材料或在过多的材料正被移除时进行提示。根据本发明的实施方案，除本文所描述的不可视的“熔池”粒子外，仿真器10还使用其他三种类型的可视粒子来表征_效果、_效果以及生星效果。这些类型的粒子不会与任何类型的其他粒子相互作用，而仅会与移置图相互作用。尽管这些粒子确实与仿真的焊接表面碰撞，但它们彼此不会相互作用。根据本发明的实施方案，仅有MM粒子会彼此相互作用。火星粒子的物理特征被这样设置，从而在虚拟现实空间中火星粒子四处跳窜并且被呈现为发光的点(glowing dots)。 电弧粒子的物理特征被这样设置，从而电弧粒子搐击(hit)仿真的试样表面或焊道并且停留一段时间。^IiMi在虚拟现实空间中被呈现为较大的暗青白色点。采用许多叠加的这样的点来形成任一种可视图像。最终结果是具有蓝色边缘的白色发光光环 (nimbus)。火焰粒子的物理特征被津樽来缓慢地向上升起。火焰粒子被旱现为中等大小的暗红黄色点。采用许多叠加的这样的点来形成任一种可视图像。最终结果是向上升起并淡出的(fading out)具有红色边缘的橙红色火焰团。根据本发明的其他实施方案，其他类型的非熔池粒子可以被实现在仿真器10中。例如，可以以与火焰粒子类似的方式建模并仿真烟尘粒子。仿真的可视化过程中最后的步骤由GPU 115的着色器117所提供的顶点着色器和像元着色器来处理。顶点着色器和像元着色器提供悠池和签置以及由于热而改变的表面颜色和发射率等。如本文前面所述的PHED焊元格式中的额外(E)通道包含每个焊元处所使用的所有额外信息。根据本发明的实施方案，额外信息包括非初始位(真=焊道，假=初始钢铁)、熔渣位、咬边值(在该焊元处咬边的量，其中零等于无咬边)、多孔值(在该焊元处多孔的量，其中零等于无多孔)，以及编码焊道固化时间的所述焊道痕迹(wake)值。存在一组与不同试样画面相关联的图像映射，包括初始钢铁、熔渣、焊道和多孔。这些图像映射被用于凹凸映射和纹理映射二者中。这些图像映射融合(blending)的量由本文所描述的各种标记和值来控制。使用ID图像映射以及每个焊元焊道痕迹值实现焊道痕迹效果，所述每个焊元焊道痕迹值编码焊道的给定部分(a given bit)被固化的时间。一旦高温熔池焊元位置不再是被称为“熔池”的足够高温，时间被保存在该位置并且被称为“焊道痕迹”。最终结果是着色器代码能够使用ID纹理映射来绘制“波痕(ripples)”，所述“波痕”给出刻画(portray) 所述焊道被铺设的方向的独特的外观。根据本发明可替换的实施方案，仿真器10能够在虚拟现实空间内仿真并显示焊道，所述焊道具有当所述仿真的熔池沿着焊缝轨迹移动时由所述仿真的熔池的实时流动性到固化过渡造成的实时焊道痕迹特征。根据本发明可替换的实施方案，仿真器10能够教导使用者如何对焊接机器进行故障排解(troubleshoot)。例如，系统的故障排解模式可以训练使用者确保其正确地(例如正确的气体流率、连接正确的电源线等)设置所述系统。根据本发明另一可替换的实施方案，仿真器10能够记录并重放焊接过程(或者至少焊接过程的一部分，例如N帧)。 可以提供轨迹球(track ball)来滚动视频的帧，允许使用者或者指导人员评论焊接过程。还可以以可选择的速度(例如全速、半速、四分之一速度)提供重放。根据本发明的实施方案，可以提供分屏(split-screen)重放，例如允许在观察者显示装置150上并排地 (side-by-side)观看两个焊接过程。例如出于对比的目的，“好的”焊接过程可以靠近“差的”焊接过程被观看。总而言之，公开了一种实时虚拟现实焊接系统，所述系统包括基于可编程控制器的子系统、空间追踪器、至少一个模拟焊接工具以及至少一个显示装置，所述空间追踪器可操作地连接到所述基于可编程控制器的子系统，所述至少一个模拟焊接工具能够被所述空间追踪器在空间上追踪，所述至少一个显示装置可操作地连接到所述基于可编程控制器的子系统。所述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散热特征的熔池。所述系统还能够在所述显示装置上实时地显示所述仿真的熔池。本文已经参照所公开的实施方案描述了本发明。明显地，在阅读和理解本说明书的基础上，其他人将想到各种改变和变通。具体地，参照示例性实施方案描述的部件(输入设备、空间追踪器、显示装置、控制台等等)可以任何方式进行结合，并且每个这样的部件和示例性实施方案被意图在没有其他部件或实施方案的情况下以其自身的发明性优点被公开。意图的是，包括所有在所附的权利要求书或其等同物的范围内的这样的修改和变通。
0111]参考标号0112]10仿真器 155输入设备0113]12使用者 156焊条夹持器0114]12a使用者 160模拟焊接工具0115]12b使用者161夹持器0116]15虚拟焊接环境162手工焊条0117]110基于逻辑处理器的子系统163触觉型阻力末端0118]111中央处理单元170底座0119]115图形处理单元171桌台0120]116统一设备架构172底座基座0121]117着色器173臂0122]118视频输出174立柱0123]119视频输出175焊接试样0124]120空间追踪器176焊接接缝0125]121磁源177连接部分0126]122传感器179占0127]123磁盘200显示装置0128]124电源203逻辑处理器0129]125USB和RS-232线缆204微处理器0130]126处理器追踪单元300数据储存装置0131]130使用者界面900焊接头盔0132]131按钮910扬声器0133]132操纵杆1201物理界面0134]133开关1202夹具模型0135]134开关1203环境模型0136]135控制台1204声音内容功能0137]136旋钮1205焊接声音0138]137旋钮1206底座/桌台模型0139]140显示装置1207内部架构功能0140]150显示装置1208校准功能0141]151焊接参数1210试样模型0142]152不连贯状态1211焊接物理0143]153使用者选择内容1212内部物理调节工具0144]1213界面功能0145]1214绘图功能0146]1215学员报告功能0147]1216呈现装置0148]1217焊道呈现0149]12183D纹理0150]1219视觉提示功能0151]1220公差功能0152]1221公差编辑器0153]1222特殊效果0154]1300方法0155]1310步骤0156]1320步骤0157]1330步骤0158]1340步骤0159]1350步骤0160]1400平坦焊接试样0161]1410顶部表面0162]1420移置图0163]1421焊元(焊接元)0164]1600拐角焊接试样0165]1610表面0166]1620表面0167]1700管焊接试样
1701管状部件1702管状部件1703焊根接缝1704附接部件1710弯曲的表面1910无阴影的矩形条1920粒子1930粒子高度1940带阴影的矩形
权利要求
1.一种用于便利虚拟焊接活动的仿真器(10)，所述仿真器(10)包括基于逻辑处理器的子系统(110)，所述基于逻辑处理器的子系统(110)可操作来执行编码指令以生成交互焊接环境(15)，所述交互焊接环境(1 模仿在具有至少一个虚拟焊接接缝的虚拟管段上的焊接活动；显示装置(140，150)，所述显示装置(140，150)可操作地连接到所述基于逻辑处理器的子系统(110)以可视地描绘所述交互焊接环境(15)，其中所述显示装置(140，150)描绘所述虚拟管段；输入设备(155)，所述输入设备(155)用于在所述至少一个虚拟焊接接缝上实时地进行虚拟焊接活动；以及一个或更多个传感器(122)，所述一个或更多个传感器(12 被调适来实时地追踪所述输入设备(15 的运动，以将关于所述输入设备(15 的所述运动的数据传送到所述基于逻辑处理器的子系统(110)。
2.如权利要求1所述的仿真器，其中所述基于逻辑处理器的子系统(110)模仿在虚拟管段上以第一和至少一第二基本上不同的焊接位置的焊接活动。
3.如权利要求1或2所述的仿真器，其中所述基于逻辑处理器的子系统(110)模仿在虚拟管段上以2G、5G和6G位置的焊接活动。
4.如权利要求1至3中的一项所述的仿真器，还包括焊接试样(175)，所述焊接试样(17 限定包括焊接接缝(176)的外表面，其中所述焊接试样对应于所述虚拟管段的轮廓；并且，其中所述输入设备(15 包括具有模拟焊条末端(16 的模拟焊条夹持器(161)，所述模拟焊条末端(16 被调适来接合所述焊接试样的所述外表面，以在进行虚拟焊接活动过程中用作引导。
5.如权利要求4所述的仿真器，其中所述模拟焊条末端(16 相对于所述模拟焊条夹持器(161)移动，以模仿所述虚拟焊接活动期间的焊条消耗。
6.如权利要求4或5所述的仿真器，其中所述模拟焊条末端(163)由在与所述焊接试样的所述焊接接缝接合时仿真焊接过程的触觉阻力的材料制成。
7.如权利要求1至6中的一项所述的仿真器，其中所述交互焊接环境(15)响应于进行所述虚拟焊接活动而建模熔池的流动性；并且，其中所述显示装置实时地描绘所述熔池的流动性。
8.如权利要求1至7中的一项所述的仿真器，其中所述交互焊接环境(15)响应于进行所述虚拟焊接活动而生成形成于虚拟熔池中的吸留。
9.如权利要求1至7中的一项所述的仿真器，其中所述基于逻辑处理器的子系统 (110)模仿所述熔池上的重力作用。
10.如权利要求2或从属于权利要求2的任一项权利要求所述的仿真器，其中在所述交互焊接环境中，相对于所述至少一第二基本上不同的焊接位置，针对所述第一焊接位置的重力作用以不同的方式被模仿。
11.一种用于便利虚拟焊接活动的仿真器(10)，特别地，根据权利要求1至10中的一项所述的仿真器，所述仿真器(10)包括基于逻辑处理器的子系统(110)，所述基于逻辑处理器的子系统(110)可操作来执行编码指令以生成交互焊接环境(15)，所述交互焊接环境(1 仿真在具有至少一个留隙焊根焊接接缝的虚拟焊接件上的焊接活动；个性化的显示器(140，150)，所述个性化的显示器(140，150)可操作地连接到所述基于逻辑处理器的子系统(110)，以在所述交互焊接环境(1 中可视地描绘虚拟焊接活动；模拟焊接工具(160)，所述模拟焊接工具(160)用于在所述至少一个留隙焊根焊接接缝上实时地进行所述虚拟焊接活动；以及空间追踪器(120)，所述空间追踪器(120)被调适来实时地追踪所述模拟焊接工具 (160)的运动。
12.如权利要求1至11中的一项所述的仿真器，其中所述交互焊接环境(1 仿真在所述虚拟焊接件上以第一垂直位置和第二基本上为水平位置的焊接活动。
13.如权利要求1至12中的一项所述的仿真器，还包括匹配所述虚拟焊接件的焊接试样；底座(170)，所述底座(170)用于接纳在第一和至少一第二基本上不同的位置之间可调节的所述焊接试样。
14.如权利要求1至13中的一项所述的仿真器，还包括匹配所述虚拟焊接件的焊接试样(175)；底座(170)，所述底座(170)用于接纳在第一和至少一第二基本上不同的垂直位置之间可调节的所述焊接试样(17 ；并且，其中所述交互焊接环境(1 仿真在所述虚拟焊接件上以仰焊位置的焊接活动。
15.如权利要求1至14中的一项所述的仿真器，其中所述交互焊接环境(1 仿真具有粘滞性的熔池，所述粘滞性响应于所述模拟焊接工具(160)的运动而变化。
16.如权利要求1至15中的一项所述的仿真器，其中所述交互焊接环境(1 仿真利用第一和第二不同类型的焊条(1)的焊接；并且，其中，所述交互焊接环境仿真针对所述第一焊条相对于所述第二焊条的具有基本上不同的粘滞性的熔池。
17.如权利要求1至16中的一项所述的仿真器，其中所述交互焊接环境动态地建模虚拟熔池的熔融流动性以及所述虚拟熔池的散热特征。
18.如权利要求1至17中的一项所述的仿真器，其中所述个性化的显示器描绘所述虚拟焊接活动的立体图像以仿真深度感知。
19.如权利要求1至18中的一项所述的仿真器，其中所述模拟焊接工具(160)效仿手工焊条夹持器(156)。
20.如权利要求1至19中的一项所述的仿真器，还包括焊接使用者界面，所述焊接使用者界面可操作地连接到所述基于逻辑处理器的子系统 (110)以操作所述仿真器(10)，其中所述焊接使用者界面效仿真实世界电源的控制面板。
全文摘要
一种仿真器，所述仿真器便利管和留隙焊根焊接接缝的虚拟焊接活动。所述仿真器可以包括基于逻辑处理器的系统，所述基于逻辑处理器的系统可操作来执行编码指令以生成交互焊接环境，所述交互焊接环境模仿在具有至少一个虚拟焊接接缝的虚拟管段上的焊接活动。所述仿真器还包括显示器，所述显示器连接到所述基于逻辑处理器的系统以可视地描绘所述交互焊接环境，其中所述显示器描绘所述虚拟管段。模拟焊接工具被提供来在所述至少一个焊接接缝上实时地进行虚拟焊接活动，其中一个或更多个传感器被调适来实时地追踪所述输入设备的运动，以将关于所述输入设备的所述运动的数据传送到所述基于逻辑处理器的系统。
文档编号G09B19/24GK102165504SQ200980137393
公开日2011年8月24日 申请日期2009年8月20日 优先权日2008年8月21日
发明者A·P·伦戴尔, D·A·兹伯瑞, E·C·布里吉斯, E·普瑞兹, J·亨尼西, L·布里吉斯, M·A·贝内特, M·W·华莱士, P·达纳, R·B·卓勒尔, Y·C·杜达科, Z·S·兰克尔 申请人:林肯环球股份有限公司
技术领域：
本发明涉及用于模仿(emulating)虚拟焊接环境的系统，并且更具体地，涉及实时地模仿管和留隙焊根(open root)接缝焊接的虚拟焊接环境，更为具体地，涉及用于便利虚拟焊接活动的仿真器(simulator)。
背景技术：
数十年来，各公司一直在教导焊接技巧。传统地，焊接已在真实世界场景 (setting)下被教导，也就是说，焊接已通过利用焊条实际地使电弧打到金属件上而被教导。指导人员(本领域熟练技术人员)在受训者进行焊接时监督训练过程，在某些情况下进行纠正。通过指导和重复，新的受训者学会如何使用一种或更多种工艺进行焊接。然而， 取决于被教导的焊接工艺而变化的每次所进行的焊接均会带来开销。近来，用于训练焊接者的成本节省系统已经被采用。一些系统包括动作分析器。所述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的运动的感测装置。生成报告以指示焊条末端行进到可接受的动作范围之外的程度。更高级的系统包括虚拟现实的使用，所述虚拟现实的使用仿真模拟焊条在虚拟场景中的操纵。类似地，这些系统追踪位置和定向(orientation)。这些系统教导的仅仅是肌肉记忆，但是，无法教导熟练的焊接者所需的更高级的焊接技巧。
发明内容
本发明的实施方案涉及便利管和其他留隙焊根焊接接缝(weld joint)的虚拟焊接活动的系统。所述系统可以包括基于逻辑处理器的系统，所述基于逻辑处理器的系统可操作来执行编码指令以生成交互焊接环境，所述交互焊接环境模仿在具有至少一个虚拟焊接接缝的虚拟管段上的焊接活动。所述系统还包括显示器，所述显示器连接到所述基于逻辑处理器的系统，以可视地描绘所述交互焊接环境，其中所述显示器描绘所述虚拟管段。输入设备被提供来在所述至少一个焊接接缝上实时地进行虚拟焊接活动，其中一个或更多个传感器被调适来实时地追踪所述输入设备的运动，以将关于所述输入设备的所述运动的数据传送到所述基于逻辑处理器的系统。本发明进一步的优点、特征和非限制性的实施方案被公开于下面的说明书、权利要求书和/或附图中。
图1为根据本发明的实施方案利用仿真器从事虚拟焊接活动的最终使用操作者的立体视图。图2为根据本发明的实施方案的仿真器的前视图。
图3a为根据本发明的实施方案的示意图，示出管焊接(pipe welding)位置。图3b为根据本发明的实施方案的示例图，示出板焊接(plate welding)位置。图4为仿真器的一个实施方案的表征的概要方框图。图5为根据本发明的实施方案的模拟焊接工具的侧面立体视图。图6为根据本发明的实施方案的焊接使用者界面的特写视图。图6a为根据本发明的实施方案的观察者显示装置的特写视图。图7a为根据本发明的实施方案的个性化显示装置的立体视图。图7b为根据本发明的实施方案由最终使用者佩戴的个性化显示装置的立体视图。图7c为根据本发明的实施方案安装在焊接头盔内的个性化显示装置的立体视图。图8为根据本发明的实施方案的空间追踪器的立体视图。图9为根据本发明的实施方案用于支撑焊接试样的底座(stand)的立体视图。图9a为根据本发明的实施方案的管焊接试样的立体视图。图9b为根据本发明的实施方案的安装到底座的管焊接试样的立体视图。图10根据本发明的实施方案图示说明基于逻辑处理器的子系统的子系统方框图的示例性实施方案。图11根据本发明的实施方案图示说明基于逻辑处理器的子系统的图形处理单元 (GPU)的方框图的示例性实施方案。图12根据本发明的实施方案图示说明仿真器的功能方框图的示例性实施方案。图13为根据本发明的实施方案使用虚拟现实训练系统的训练方法的实施方案的流程图。图14a_14b根据本发明的实施方案图示说明焊接像元(welding pixel)(焊元 (wexel))移置图(displacement map)的概念。图15根据本发明的实施方案图示说明仿真于仿真器中的平坦焊接试样的试样空间(coupon space)和焊缝空间(weld space)的示例性实施方案；图16根据本发明的实施方案图示说明仿真于仿真器中的拐角焊接试样的试样空间和焊缝空间的示例性实施方案图17根据本发明的实施方案图示说明仿真于仿真器中的管焊接试样的试样空间和焊缝空间的示例性实施方案；图18根据本发明的实施方案图示说明管焊接试样的示例性实施方案；图19a_19c根据本发明的实施方案图示说明仿真器的双移置熔池模型的概念的示例性实施方案。
具体实施方式
现在参照附图，其中示图仅是为了图示说明本发明的实施方案，而不是为了限制本发明的实施方案，图1和2示出用于仿真焊接的系统(一般地以10来描绘)，本文称作仿真器10或系统10。仿真器10能够生成虚拟环境15，虚拟环境15可以描绘类似于在真实世界中的焊接场景并且可以被称为虚拟现实弧焊(VRAW)。在虚拟环境15中，仿真器10便利与一个或更多个最终使用者12的交互。输入设备155被包括，所述输入设备155允许最 终使用者12从事真实世界活动，所述真实世界活动由仿真器10追踪并被转换为虚拟活动。 因而，虚拟环境15包括交互的虚拟焊接环境15。显示装置200被包括，所述显示装置200 提供进入虚拟环境15和最终使用者12的活动的“可视入口(visual access)”。在一个实施方案中，仿真器10可以包括由多个最终使用者12或其他观察者可观看的显示屏幕150。 此外，仿真器10可以包括调适来由单个最终使用者12使用的个性化显示器140，单个最终使用者12可以为受训的使用者12a或指导使用者12b。在此要尤为注意的是，最终使用者 12在真实世界中的活动被转换为虚拟焊接活动并且在一个或更多个显示器140、150上被实时地观看。如本文所使用的，术语“实时”意指以与最终使用者12在真实世界场景下将会及时感知和体验的相同的方式，在虚拟环境下及时感知和体验。在生成的交互虚拟焊接环境15中，仿真器10针对多个焊接接缝以不同焊接位置模仿一个或更多个焊接工艺，并且附加地模仿针对所述多个接缝构型的不同种类的焊条的作用。在一个特定的实施方案中，仿真器10生成交互虚拟焊接环境15，交互虚拟焊接环境 15模仿管焊接和/或留隙焊根接缝的焊接。所述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还能够建模虚拟焊接活动如何影响焊接接缝，例如下面的基底材料。以图示说明的方式，仿真器10可以模仿焊根焊道(root pass)和高温焊道(hot pass)以及后续的填充和盖面(cap)焊道(pass)，每个均具有对应真实世界情景的特征。 由于在先前行程期间形成的基底材料的变化和/或由于所选择的焊条不同，每个后续行程可以以与先前行程的方式有显著不同的方式来焊接。熔池模型的实时反馈允许最终使用者 12于虚拟焊接正在被进行时，在显示器200上观察虚拟焊接过程，并且调节或保持他/她的技法。所观察到的虚拟指示标记的种类的例子可以包括(列举几例)熔池流、熔融熔池的闪烁、在熔池固化过程中的颜色变化、熔池的凝固率、散热的颜色梯度、声音、焊道(bead) 形成、摆动方式(weave pattern)、熔渣的形成、咬边(undercut)、多孔(porosity)、飞溅 (spatter)、夹· (slag entrapment)、过度填充(overfill)、穿透(blowthrough)以及吸留 (occlusion) 0要意识到的是，熔池特征取决于，也就是说响应于，最终使用者12的输入设备155的运动。以这种方式，所显示的熔池是基于所选择的焊接工艺和最终使用者12的焊接技法而实时地形成的真实世界熔池的表征。另外，“线状夹渣(wagon track)”是留在使用SMAW工艺进行管焊接期间形成的焊根焊道的焊趾(toes)后面的焊缝缺陷和熔渣的可视尾迹(trail)。被称为高温焊道的管焊接中的第二焊道必须足够热以使线状夹渣再融化，从而这些线状夹渣在最终的焊接件中被去除。再者，线状夹渣可以通过打磨工艺被移除。根据本发明的实施方案，这样的线状夹渣和所述线状夹渣的去除被适当地仿真于本文所描述的仿真器10中。继续参照图1和2并且现在还参照图3a和3b，仿真器10可以模仿以各种焊接位置的焊接工艺并建模熔池在每个位置如何反应。更具体地，仿真器10可以模仿以本领域中分别被称作5G、2G和6G位置的垂直、水平和/或倾斜位置的管焊接。此外，仿真器10可以模仿以涉及转动管的水平位置的IG位置的焊接，或者以涉及如可以与邻近的板中的坡口焊缝(groove weld)相关联的仰焊的4G位置。其他焊接位置可以涉及针对平板的各种结构的留隙焊根接缝的焊接。要理解的是，包括建模和分析引擎的仿真器10将在随后的段落中在考虑熔池上的重力作用的情况下被详细描述。因此，熔池以不同的方式反应，例如，针对以5G位置焊接管和以6G位置焊接管不同。上述实施例不应被解释为是限制性的，而是出于示例性的目的而被包括。本领域技术人员将容易地理解本发明针对任何焊接接缝、焊接位置或者焊接件类型(包括不同种类的基底材料)的应用。现在参照图2和4，仿真器10包括基于逻辑处理器的子系统110，基于逻辑处理器的子系统110可以是可编程且可操作来执行编码指令的，以生成交互虚拟焊接环境15。仿真器10还包括传感器和/或传感器系统，所述传感器和/或传感器系统可以包括可操作地连接到基于逻辑处理器的子系统110的空间追踪器120。仿真器10还包括与基于逻辑处理器的子系统110连通的焊接使用者界面130，用于设置并控制仿真器10。如上面所提及的， 一个或更多个显示装置200被包括，显示装置200可以包括戴于面部的显示装置140和观察者显示装置150，其中每个被连接到基于逻辑处理器的子系统110，提供到交互虚拟焊接环境15的“可视入口”。显示装置200中的一个或更多个可以被连接到空间追踪器120，以如下所描述地响应于空间追踪器120的位置和/或其运动而改变在所述装置上被观看的图像。输入设备现在参照图5，如上述所述的，仿真器10包括便利与最终使用者12交互的输入设备155。在一个实施方案中，输入设备155包括模拟焊接工具160。模拟焊接工具160可以被制造成效仿真实世界的焊接工具，例如手工焊条夹持器或提供连续供料到电极的焊枪， 即MIG、FCAff或者GTAW焊接工具。然而，其他结构的模拟焊接工具160可以被实施而不偏离本发明的实施方案所意图的覆盖范围。出于讨论的目的，本发明的实施方案将被描述在使用效仿手工焊条夹持器156的模拟焊接工具160的上下文中。模拟焊接工具160可以准确地效仿真实世界的焊接工具。在一个特定实施方案中，模拟焊接工具160可以具有与真实世界的焊接工具相同的形状、重量和手感。事实上，真实的焊接工具可以被用作模拟焊接工具160来提供所述工具在使用者手中的实际感觉，即使是在仿真器10中，真实的焊接工具也不会被用于实际上创建真实电弧。以这样的方式，最终使用者12(可以为受训使用者 12a)变得习惯于操纵真实世界的焊接工具，从而加强虚拟焊接的体验。然而，模拟焊接工具 160可以以利用合理的判断选择的任何方式来构造。图示说明地，模拟焊接工具160仿真用于管焊接的手工焊接工具，并且包括夹持器161和从中延伸的仿真的手工焊条162。仿真的手工焊条162可以包括触觉型 (tactilely)阻力末端163，用于仿真在真实世界情景中的焊接期间产生的阻力反馈。如果最终使用者12过于背离焊根移动仿真的手工焊条162 (下面所详细描述的)，最终使用者 12将能够感觉或觉察到减少的阻力，从而获得用于调节或保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)，所述致动器在虚拟焊接工艺期间缩回仿真的手工焊条162。也就是说，当最终使用者12从事虚拟焊接活动时，夹持器161和仿真的手工焊条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器的子系统110控制，并且更具体地，可以由基于逻辑处理器的子系统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使用者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，消耗率或手工焊条 162的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。模拟焊接工具160的致动器可以被电气地驱动。用于保障致动器工作的电力可以来自仿真器10、来自外部电源或者来自内部电池电力。在一个实施方案中，致动器可以为电动装置，例如电动机。然而，任何类型的致动器或动力形式都可以被使用，包括但不限于电磁致动器、气动致动器、机械或弹簧承载的致动器及其任意组合。如上面所说明的，模拟焊接工具160可以与空间追踪器结合工作，以与仿真器10 进行交互。具体地，模拟焊接工具160的位置和/或定向可以由空间追踪器120实时地监控和追踪。因此，表征所述位置和定向的数据可以被传送到基于逻辑处理器的子系统110 并且被修改或转换以根据需要用来与虚拟焊接环境15进行交互。空间追踪器 参照图8，图示说明空间追踪器120的实施例。空间追踪器120可以与基于逻辑处理器的子系统Iio连接。在一个实施方案中，空间追踪器120可以以磁的方式追踪模拟焊接工具160。也就是说，所述空间追踪器生成磁性包络，所述磁性包络用于确定位置和定向， 以及速度和/或速度上的变化。因此，空间追踪器120包括磁源121和源线缆、一个或更多个传感器122、磁盘123上的主机软件、电源124、USB和RS-232线缆125、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， 传感器122也是如此。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。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。磁盘123上的主机软件可以被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和基于逻辑处理器的子系统110之间的功能通信。磁源121创建围绕源121的磁场或包络，所述磁场或包络限定三维空间，在所述三维空间内最终使用者12的活动可以被追踪以与仿真器10进行交互。所述包络建立空间参考框架。使用在所述包络内的物体，例如模拟焊接工具160和试样底座(下面描述)， 可以由非金属(即非铁的或不导电的)材料构成，从而不会使磁源121创建的磁场畸变 (distort)。传感器122可以包括多个在相交的空间方向上排列的感应线圈，所述多个感应线圈可以基本上为正交排列。感应线圈测量磁场在三个方向中的每个上的强度，提供信息给处理器追踪单元126。在一个实施方案中，传感器122可以被附接到模拟焊接工具160， 允许模拟焊接工具160相对于所述空间参考框架在位置和定向二者上被追踪。更具体地， 感应线圈可以被安装在焊条162的末端中。以这种方式，仿真器10能够确定模拟焊接工具 160在三维包络中的位置所在。附加的传感器122可以被提供并且可操作地附接到一个或更多个显示装置200。因此，仿真器10可以响应于最终使用者12的运动而使用传感器数据来改变最终使用者12所见的视图。从而，仿真器10捕捉并追踪最终使用者12在真实世界中的活动，用于转换为虚拟焊接环境15。根据本发明可替换的实施方案，一个或更多个传感器122可以无线的方式连接到处理器追踪单元126，并且处理器追踪单元126可以无线的方式连接到基于逻辑处理器的子系统110。根据本发明的其他可替换实施方案，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。然而，可以使用其他类型的追踪器而不偏离本发明的实施方案所意图的覆盖范围。显示装置现在参照图7a，现在将描述戴于面部的显示装置140的实施例。戴于面部的显示装置140可以如图7c中所示地被整合到焊接头盔900中，或者可替换地可以如图7b所示地被单独地安装。戴于面部的显示装置140可以包括能够以2D和帧序列视频模式传送流体全活动视频(fluid full-motion video)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方案中，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，加强使用者的深度感知。立体图像可以由逻辑处理单元生成，所述逻辑处理单元可以为下面详细描述的图形处理单元。还可以提供缩放(例如2倍(2X))模式，允许使用者仿真更加以假乱真的板(a cheater plate)。戴于面部的显示装置140经由有线或无线方式可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。空间追踪器120 的传感器122可以被附接到戴于面部的显示装置140或被附接到焊接头盔900，从而允许戴于面部的显示装置140相对于空间追踪器120创建的3D空间参考框架而被追踪。以这种方式，焊接头盔900的运动以响应的方式改变三维虚拟现实情景中最终使用者12所见的图像。如随后描述的，戴于面部的显示装置140还可以起到这样的作用，即与观察者显示装置150类似地来调用并显示菜单项的作用。因此，以这种方式，最终使用者能够使用模拟焊接工具160上的控制部件(例如按钮或开关)来激活菜单并从菜单中选择选项。这可以允许使用者在其出现失误、改变特定参数或者例如回退以重新完成焊道轨迹的一部分时容易地重置焊接。戴于面部的显示装置140还可以包括扬声器910，允许使用者聆听由仿真器10生成的仿真的焊接相关声音和环境声音。声音内容功能和焊接声音提供具体类型的焊接声音，所述焊接声音根据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，当使用者未使模拟焊接工具160正确定位时提供噼啪的声音，而当模拟焊接工具160被正确定位时提供嘶嘶的声音。在短弧焊接工艺中，当发生咬边时提供嘶嘶的声音。这些声音模仿(mimic)对应于正确和错误焊接技法的真实世界的声音。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真实世界录音。所感知的声音的音量和方向根据最终使用者的头部(即戴于面部的显示装置140)相对于模拟焊接工具160和焊接试样175之间的仿真的电弧的位置、定向和距离而改变。声音可以经由安装于戴于面部的显示装置140中或可替换地安装于控制台135和/或底座170中的扬声器910 (可以为耳塞扬声器或任何其他类型的扬声器或声音生成装置)提供给使用者。 然而，在从事虚拟焊接活动时将声音呈现给最终使用者12的任何方式可以被选择。在此还要注意的是，其他类型的声音信息可以通过扬声器910被传输。实例包括来自指导人员使用者12b的实时口头指令或经由预先录制的信息的口头指令。预先录制的信息可以通过特定的虚拟焊接活动自动地被触发。实时的指令可以现场生成或者从远端位置生成。然而， 任何类型的信息或指令都可以被传达给最终使用者12。控制台现在参照图2、图6和图7，仿真器10可以包括容置仿真器10的一个或更多个部件的控制台135。在一个实施方案中，控制台135可以被构造来效仿焊接电源。也就是说， 控制台135的形状和尺寸可以匹配真实世界装置的形状和尺寸。仿真器10的操作可以由焊接单元界面130来提供，焊接单元界面130可以被制造成效仿焊接电源旋钮、刻度盘和/ 或开关133、134。仿真器10还可以包括显示器，所述显示器可以为显示装置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使用者12与仿真器10的交互。与仿真器10的交互可以包括的功能涉及管理的活动或仿真设置及激活。这可以包括特定焊接工艺和焊条类型的选择，以及包括焊接位置的部件设置。通过焊接单元界面130的方式进行的选择被反映在显示装置200上。图6图示说明控制台135和焊接使用者界面130的示例性实施方案。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使用者选择内容153的一组按钮131。按钮131可以被着色以对应于显示在显示装置200上的使用者选择内容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来激活对应的功能。焊接单元界面130还可以包括操纵杆132，操纵杆132能够被使用者使用来选择显示在显示装置200上的各种参数和选择内容。焊接单元界面130还包括可以以示例性的方式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。 根据本发明的实施方案，三种弧焊工艺是可选择的，包括焊剂芯弧焊(FCAW)、气体保护金属极弧焊(GMAW)以及自动保护金属极弧焊(SMAW)。焊接单元界面130还包括用于选择焊接极性的刻度盘或旋钮137。根据本发明的实施方案，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-)。然而，其他焊接工艺(包括但不限于TIG 焊接)和设置特征可以被包括于仿真器10中而不偏离本发明的实施方案所意图的覆盖范围。从上述的内容中，将容易看出的是，仿真器10的设置对应真实世界装置的设置。图形使用者界面功能1213 (见图12)允许使用者经由观察者显示装置150是可观看的并且使用物理使用者界面130的操纵杆132设置焊接情景。焊接情景的设置可以包括选择语言，输入最终使用者姓名，选择实习板(例如焊接试样、T形板、平板)，选择焊接工艺 (例如FCAW、GMAW、SMAW、TIG)和相关联的轴向喷射、脉冲或转换的短弧模式，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)。焊接情景的设置还可以包括设置将在下面详细讨论的试样底座 170。焊接情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。在此要注意的是，在一个实施方案中，限制(可以为软件限制)可以被包括于仿真器10中，在针对所选择的工艺的适合的设置已经被恰当地输入之前，所述限制阻止给定的焊接情景的操作。以这种方式， 受训的使用者12a通过设置虚拟焊接情景而被教导或学会真实世界焊接场景的适当范围。因此，显示装置200反映对应于最终使用者选择内容153的活动，包括菜单、动作、 视觉提示、新试样设置以及评分。这些使用者选择内容可以被绑定到控制台135上的使用者按钮。当使用者经由显示装置200进行各种选择时，所显示的特征可以改变来提供所选择的信息和其他选项给所述使用者。然而，显示装置200 (可以为观察者显示装置150)可以具有另一功能在仿真器10的操作期间，即当从事虚拟焊接活动时，显示最终使用者12 所见的虚拟图像。显示装置200可以被设置来观看与最终使用者12所见内容相同的图像。 可替换地，显示装置200还可以用于显示虚拟焊接活动的不同视图或者不同视角。在图10中示出的一个实施方案中，显示装置150、200可以被用于回放(playback)以电子方式储存于数据储存装置300上的虚拟焊接活动。表征最终使用者12的虚拟焊接活动的数据可以被储存用于回放和复习(review)、出于归档目的的下载和/或传输至远端位置以实时地观看和评论。在重放(Mplay)虚拟焊接活动中，诸如熔池流动性等细节、行进速度以及不连贯性状态152 (例如包括不适当的填角(fillet)大小、不佳的焊道布置、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)可以被表征。由超出公差角度造成的咬边也可以被显示。另外，由过于远离焊接件移动电弧而导致的多孔可以被显示。以这种方式，仿真器10能够重放特定虚拟焊接活动的部分或全部，建模虚拟焊接情景的所有方面(包括与最终使用者的活动直接相关的吸留和缺陷)。参照图6a，仿真器10还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期间是何时以及沿焊接接缝是何处，最终使用者12偏离焊接工艺可接受的限定范围。评分可以归因于最终使用者12的表现。在一个实施方案中，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。根据用于对最终使用者12的表现进行评分的选择，多个范围的任何梯度均可以被包括在仿真器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，最终使用者12的表现可以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所述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。所述参数的公差范围取自真实世界的焊接数据，从而提供关于最终使用者在真实世界中将会如何表现的准确反馈。在另一实施方案中，与最终使用者12的表现对应的缺陷的分析也可以被包括并显示在显示装置150、200上。在这个实施方案中，可以描绘示出由测量在虚拟焊接活动期间所监控的各种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，但由于最终使用者的表现，缺陷仍可能已经发生，使用者的表现结果仍可能会相应地被显示(即图形化)。 显示装置200还可以用于显示被用来训练最终使用者12的辅导信息。辅导信息的实例可以包括可以为如由视频或图片所描绘的以图形方式被显示的指令。此外，指令可以以上述的音频格式被写入或呈现。这样的信息可以被储存和保留在数据储存装置300上。 在一个实施方案中，仿真器10能够显示在本文中被称作视觉提示的呈现各种焊接参数151 的虚拟焊接场景，焊接参数151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。在一个实施方案中，可以使用远程通信来提供场外人员(即以相似或不相似构造的装置(即仿真器)进行加工的远程使用者)的虚拟指令。可以经由网络连接来实现描述虚拟焊接过程，所述网络连接包括但不限于因特网、LAN以及数据传输的其他方式。表征特定焊缝的数据(包括性能变量)可以被发送至能够显示虚拟图像和/或焊缝数据的另一系统。应当注意的是，所传输的数据是足够详尽的以允许一个或更多个远端使用者分析焊接者的表现。发送到远端系统的数据可以被用于生成虚拟焊接环境，从而重新创建特定的焊接过程。然而，将性能数据或虚拟焊接活动传送至另一装置的任何方式可以被实施而不偏离本发明的实施方案所意图的覆盖范围。焊接试样
现在参照图1、图9a和图％，仿真器10可以包括焊接试样175，焊接试样175效仿被并置为形成焊接接缝176的管段。焊接试样175可以与在从事虚拟焊接活动时为最终使用者12起引导作用的仿真器10结合工作。多个焊接试样175可以被使用，也就是说被互换以在虚拟焊接活动的给定周期内使用。焊接试样的类型可以包括(列举几例)圆柱形管区段、弓形管节、平板和T形板焊接接缝。在一个实施方案中，焊接试样中的每个可以包括留隙焊根接缝或坡口。然而，任何结构的焊接接缝均可以被包括于焊接试样中而不偏离本发明的实施方案所意图的覆盖范围。焊接试样175的尺寸可以改变。对于圆柱形的管来说，内径的范围可以从172英寸 (内径)延伸到18英寸(内径)。在一个特定实施方案中，内径的范围可以超过18英寸。 在另一实施方案中，弓形管节可以具有在从172英寸(内径)延伸达到并超过18英寸(内径)的范围内的特征半径。另外，要解释的是，任何内径的焊接试样175都可以被使用，包括那些小于172英寸的和那些超过18英寸的两者。就实践的意义来说，只要焊接试样175 或焊接试样175的部分在空间追踪器120生成的包络内，任 意大小的焊接试样175都可以被使用。平板在长度上也可以延伸达到并超过18英寸。然而，要理解的是，焊接试样175 的尺寸上限仅由空间追踪器120生成的感测场的大小和强度以及焊接试样175各自被定位的能力所约束。所有这样的变体被解释为落入本发明的实施方案的覆盖范围。如上所述的，焊接试样175可以由不会与空间追踪器120相互干扰的材料构成。因为空间追踪器生成磁场，焊接试样175可以由非铁的和不导电的材料构成。然而，可以选择适于与所选择的空间追踪器120或其他传感器类型一起使用的任何类型的材料。参照图9a和％，焊接试样175可以被这样构造，从而其可以装入桌台或底座170， 桌台或底座170 (至少部分地)起到将焊接试样175相对于空间追踪器120保持在恒定位置的作用。因此，焊接试样175可以包括连接部分177或连接器177。连接部分177可以从焊接试样175的一侧(如所图示说明的可以为底侧)延伸，并且可以被接纳到与底座170 一起被包括的机械互锁装置中。将理解的是，焊接试样175被插入底座170的取向可能需要是恒定的，即可重复的，以紧密地匹配在虚拟焊接环境15中被创建的虚拟焊接件，即管。 以这种方式，只要仿真器10知晓焊接试样175的位置已经如何变化，可以相应地对虚拟对应物(counterpart)进行调节。例如，在设置期间，最终使用者12可以选择要被焊接的管的大小。然后，最终使用者12可以将适合的焊接试样175插入底座170，将其锁固到适当位置。随后，最终使用者12可以选择期望的焊接位置，经由焊接使用者界面130进行选择。 如下面将被描述的，底座170则可以被倾斜或调节以将焊接试样175定位在仿真器10识别的焊接位置中的任一者。当然，将理解的是，调节焊接试样175的位置也要调节空间追踪器 120的位置，从而使焊接试样175的相对位置被保留在感测的追踪场中。图9描绘底座170的一个实施方案。底座170可以包括可调节的桌台171、底座基座172、可调节的臂173以及立柱174。桌台171和臂173分别被附接到立柱174。桌台 171和臂173中的每个能够沿立柱174的高度被调节，所述调节可以包括向上、向下和/或相对于立柱174的转动运动。臂173用于以与本文所讨论的一致的方式支撑焊接试样175。 桌台171可以通过在使用期间允许使用者将他/她的手臂放于桌台171上而辅助最终使用者12。在一个特定的实施方案中，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和桌台171被定位在何处。这种信息还可以在设置期间通过焊接使用者界面130和显示装置150的方式来输入仿真器10。考虑本发明的可替换实施方案，其中桌台171和臂173的位置响应于在仿真器10 的设置期间所做的选择而被自动调节。在该实施方案中，经由焊接使用者界面130所做的选择可以被传送至基于逻辑处理器的子系统110。由底座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，以定位焊接试样175而无需在物理上移动臂 173或桌台171。在一个实施方案中，致动器和反馈传感器可以包括以电气方式驱动的伺服电动机。然而，根据利用合理的工程判断所选择的任何运动装置(locomotive device)都可以被用来自动地调节底座170的位置。以这种方式，设置焊接试样175的过程是自动化的并且无需最终使用者12进行手动调节。本发明的另一实施方案包括与焊接试样175结合使用的智能型装置的使用，本文称作“智能”试样175。在该实施方案中，焊接试样175包括具有关于可以被底座170感测的特定焊接试样175的信息的装置。具体地，臂173可以包括读取储存在位于焊接试样175 上的装置上或储存在该装置中的数据的检测器。实施例可以包括被编码在传感器(例如微电子器件)上的数字数据的使用，当被置于所述检测器附近时，所述数字数据可以以无线的方式被读取。其他实施例可以包括无源器件(如条形码)的使用。然而，智能地将关于焊接试样175的信息传送至基于逻辑处理器的子系统110的任何方式可以利用合理的工程判断来选择。储存在焊接试样175上的数据可以自动地向仿真器10提示已经被插入底座170 的焊接试样175的种类。例如，2英寸的管状试样可以包括关于其直径的信息。可替换地， 平板试样可以包括提示被包括在试样上的焊接接缝种类(例如坡口焊接接缝或对接焊接接缝)及其物理尺寸的信息。以这种方式，关于焊接试样175的信息可以被用来使仿真器 10的设置中涉及选择和安装焊接试样175的部分自动化。校准功能1208(见图12)提供使真实空间(3D参考框架)中的实物部件与虚拟焊接环境15中的可视部件匹配的能力。通过将焊接试样175安装到底座170的臂173上，并且利用可操作地连接到底座170的校准笔(stylus)接触焊接试样175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)，每种不同类型的焊接试样175在工厂中被校准。仿真器10读取预先限定的点179处的磁场强度，提供位置信息至基于逻辑处理器的子系统110，并且基于逻辑处理器的子系统110使用所述位置信息来进行所述校准(即从真实世界空间到虚拟现实空间的转换)。因此，相同类型的焊接试样175的任一部分在非常严格的公差之内以相同的可重复方式装入底座170的臂173。因而，一旦特定类型的焊接试样175被校准，无需相似试样的重复校准(即特定类型的焊接试样175的校准是一次性事件)。换言之，相同类型的焊接试样175是可互换的。校准确保使用者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所述使用者显示的内容，使得仿真看上去更加真实。例如，如果使用者围绕实际焊接试样175的拐角滑动模拟焊接工具160的末端，所述使用者将会在显示装置200上看到所述末端围绕虚拟焊接试样的拐角滑动，就像所述使用者感觉到的所述末端围绕所述实际的拐角滑动那样。根据本发明的实施方案，模拟焊接工具160还可以被放置在预先定位的架子(jig)上并且基于已知的架子位置以类似的方式被校准。根据本发明的另一实施方案，“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。传感器可以被安装在焊接试样175上预先限定的校准点的精确位置。然而，将校准数据传送至仿真器10的任何方式可以被选择。因此，仿真器10连续地知晓“智能”试样在真实世界3D空间中的位置。另外，可以提供许可密钥来 “解锁”焊接试样175。当特定焊接试样175被购买时，可以提供许可密钥，允许最终使用者 12a、12b将所述许可密钥输入仿真器10，解锁与特定焊接试样175相关联的软件。在可替换的实施方案中，基于部件的真实世界CAD制图，可以提供特殊的非标准焊接试样。基于处理器的系统 现在参照图2、图4和图10，如上所述的，仿真器10包括基于逻辑处理器的子系统 110，基于逻辑处理器的子系统110可以包括可编程电子电路200，用于执行被用来生成虚拟焊接环境15的编码指令。可编程电子电路200可以包括一个或更多个逻辑处理器203或基于逻辑处理器的系统203，一个或更多个逻辑处理器203或基于逻辑处理器的系统203可以包括一个或更多个微处理器204。在一个特定实施方案中，可编程电子电路200可以包括下面要进一步讨论的一个或更多个中央处理单元(CPU)以及一个或更多个图形处理单元 (GPU)。附加的电路可以被包括，例如电子存储器，即RAM、ROM以及其他外围支持电路。要注意的是，电子存储器可以被包括来用于CPU和GPU二者，其中每个可以被单独地编程来用于呈现如本文所描述的虚拟焊接环境15的各方面。另外，可编程电子电路200可以包括并使用数据储存装置300，例如硬盘驱动器、光学储存设备、闪存等等。然而，其他类型的电子电路可以被包括，所述电子电路便利仿真器10内的装置之间或不同仿真器10之间的数据传输。这可以包括，例如从一个或更多个输入设备155(例如空间追踪器或传感器)接收数据，或者在一个或更多个网络上(可以为局域网络(LAN)、广域网络(WAN)和/或因特网) 传输数据。要理解的是，上述的装置和过程在本质上是示例性的而不应被解释为限制性的。 事实上，根据利用合理的工程判断所选择的任何形式的可编程电路、支持电路、通信电路和 /或数据储存装置都可以被包括到本发明的实施方案中。图10图示说明仿真器10的基于可编程逻辑处理器的子系统110的子系统方框图的示例性实施方案。基于逻辑处理器的子系统110可以包括中央处理单元(CPU) 111和两个图形处理单元(GPU) 115。两个GPU 115可以被编程以提供具有实时熔融金属流动性和吸热与散热特征的熔池的虚拟现实仿真。参照图11，图形处理单元(GPU) 115的方框图被示出。每个GPU 115支持数据并行算法的实现。根据本发明的实施方案，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传送至戴于面部的显示装置140，给出焊接者的视野，并且第三视频输出例如可以被路由至观察者显示装置150，给出焊接者的视野或者一些其他的视野。余下的第四视频输出例如可以被路由至投影仪，或者被用于适于仿真虚拟焊接环境15的任何其他目的。两个GPU 115可以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现实环境15。GPU 115包括统一计算设备架构(CUDA)116 和着色器117。CUDA 116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。CUDA 116包括并行核心并且被用于运行本文所描述的熔池仿真的物理模型。CPU 111 提供实时焊接输入数据至GPU 115上的CUDA 116。在一个特定实施方案中，着色器117负责绘制并应用全部的仿真画面。焊道和熔池画面由本文稍后描述的焊元移置图的状态来驱动。根据本发明的实施方案，物理模型以约每秒30次的速率运行和更新。
图12图示说明仿真器10的功能方框图的示例性实施方案。仿真器10的各种功能块大部分经由运行在基于逻辑处理器的子系统110上的软件指令和模块实现。仿真器 10的各种功能块包括物理界面1201、焊炬和夹具模型1202、环境模型1203、声音内容功能 1204、焊接声音1205、桌台/底座模型1206、内部架构功能1207、校准功能1208、试样模型 1210、焊接物理1211、内部物理调节工具(调整装置(tweaker)) 1212、图形使用者界面功能 1213、绘图功能1214、学员报告功能1215、呈现装置1216、焊道呈现1217、3D纹理1218、视觉提示功能1219、评分和公差功能1220、公差编辑器1221以及特殊效果1222。内部架构功能1207提供仿真器10的处理的更高等级的软件运算，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。根据本发明的实施方案，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)。在仿真的焊接情景期间，绘图功能1214收集使用者表现参数并将所述使用者表现参数提供至图形使用者界面功能1213，来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1214。绘图功能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储存在焊道表格中的数据分析使用者焊接参数，所述使用者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间隙。WWAM分析使用者抖动参数，包括币状体间隔、抖动时间以及熔池时间。WWAM还分析使用者摆动参数，包括摆动宽度、摆动间隔以及摆动定时。SAM和WffAM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。针对由SAM和WffAM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值来限定，并且评分和公差功能1220被执行。公差编辑器1221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1214处理并经由图形使用者界面功能1213以图形格式呈现。这样的焊接不连贯包括填角大小、不佳的焊道布置、凹入的焊道、过于外凸、咬边、多孔、 未焊透、夹渣以及过度飞溅。根据本发明的实施方案，不连贯的等级或量取决于特定使用者参数偏离最佳或理想的设定点的程度。 不同的参数限制可以针对不同类别的使用者(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根据使用者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等级提供数字评分。来自评分和公差功能1220和来自绘图功能1214的信息可以被学员报告功能1215使用，来为指导人员和/或学员创建表现报告。视觉提示功能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标记，向使用者提供立即的反馈。针对焊接参数151中的每个提供视觉提示，焊接参数151包括位置、末端到工件间隙、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使用者的焊接技法的某些方面应当被调节，则在视觉上指示所述使用者。例如，还可以针对抖动/摆动技法以及焊道“币状体(dime)”间隔提供视觉提示。根据本发明的实施方案，实现了虚拟现实空间中的熔池或焊池的仿真，其中所述仿真的熔池具有实时熔融金属流动性和散热特征。根据本发明的实施方案，位于熔池仿真的中心的是可以被运行在GPU 115上的焊接物理功能1211 (又叫物理模型)。焊接物理功能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(吸热与散热)、熔池痕迹(wake)以及焊道形状，并且本文结合图14a_14c对此进行更详细的描述。焊接物理功能1211与焊道呈现功能1217连通，来表现焊道从熔融金属状态到冷却固化状态之间的全部状态。焊道呈现功能1217使用来自焊接物理功能1211的信息(例如热、流动性、移置、币状体间隔)，来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1218将纹理图(texture maps)提供至焊道呈现功能1217，来使附加的纹理(例如焦痕(scorching)、熔渣、颗粒(grain))覆盖到仿真的焊道上。呈现装置功能1216 用于使用来自特殊效果模块1222的信息表现各种非熔池的具体特征，包括火星(sparks)、 飞溅、烟尘、电弧光、烟以及特定不连贯性(例如咬边和多孔)。内部物理调节工具1212是允许各种焊接物理参数针对各种焊接工艺被限定、更新和修改的调整装置。根据本发明的实施方案，内部物理调节工具1212运行在CPU 111上并且调节的或更新的参数被下载到GPU 115中。可以经由内部物理调节工具1212被调节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各种全局参数以及各种其他参数。图13为使用仿真器10的训练方法1300的实施方案的流程图。在步骤1310中， 按照焊接技法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，观看所述虚拟现实焊接系统的显示画面，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的电弧附近形成仿真的熔池，来将仿真的焊道材料堆积到所述仿真的焊接试样的至少一个仿真的表面上时，所述显示画面示出所述模拟焊接工具和所述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，在所述显示画面上观看所述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，响应于观看所述仿真的熔池的所述实时熔融金属流动性和散热特征而实时地改变所述焊接技法的至少一个方面。方法1300图示说明使用者如何能够观看虚拟现实空间中的熔池并响应于观看仿真的熔池的各种特征(包括实时熔融金属流动性(例如粘滞性)和散热)而改变其焊接技法。使用者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焊接操作在真实世界中实际上被执行的是多少。焊接物理功能1211的双移置层模型运行在GPU 115上，允许这样的实时熔融金属流动性和散热特征被准确地建模并向使用者展示。例如，散热确定固化时间(即焊元需要多少时间彻底地固化)。另外，使用者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。在这样的第二焊道情景中，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的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结合的第二仿真的焊道材料时，所述仿真示出虚拟现实空间中的所述仿真的模拟焊接工具、焊接试样以及原始的仿真焊道材料。可以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方案，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结合。这样的后续焊道例如可以被执行来修复由先前的焊道形成的焊道，或者可以包括高温焊道(heat pass)和在管焊接中完成焊根焊道后的一个或更多个弥合间隙的(gap closing)焊道。根据本发明的各种实施方案，焊道材料可以被仿真为包括软钢、不锈钢和铝。用于津樽的引擎图14a_14b根据本发明的实施方案图示说明焊接元(焊元)移置图1420的概念。 图14a示出具有平坦顶部表面1410的平坦焊接试样1400的侧视图。焊接试样1400以例如塑料部件的形式存在于真实世界中，并且还可以以仿真的焊接试样的形式存在于虚拟现实空间中。图14b示出仿真的焊接试样1400的顶部表面1410的表征，所述顶部表面1410 被分解为形成焊元图1420的焊接元(称为“焊元”)的网格或阵列。每个焊元(例如，焊元 1421)限定焊接试样的表面1410的一小部分。焊元图限定了表面分辨率。可改变的通道 (channel)参数值被分配给每个焊元，允许每个焊元的值于仿真的焊接工艺期间，在虚拟现实焊缝空间中以实时的方式动态地改变。所述可改变的通道参数值对应于通道熔池(熔融金属流动性/粘滞性移置)、热(吸热/散热)、移置(固体移置)、以及额外内容(各种额外状态，例如熔渣、颗粒、焦痕、原始金属(virgin metal))。本文中将这些可改变的通道称为PHED，PHED分别对应熔池、热、额外内容以及移置。图15图示说明仿真于图1和2的仿真器10中的图14的平坦焊接试样1400的试样空间和焊缝空间的示例性实施方案。点0、Χ、Υ和Z限定局部3D试样空间。总地来说，每种试样类型限定从3D试样空间到2D虚拟现实焊缝空间的映射。图14的焊元图1420为映射到虚拟现实焊缝空间的值的二维矩阵。如在图15中所示的，使用者将从点B到点E进行焊接。在图15中，在3D试样空间和2D焊缝空间二者中示出从点B到点E的轨迹线。每种类型的试样针对焊元图中的每个位置限定移置的方向。对于图15的平坦焊接试样，焊元图(即，在Z方向上)中的全部位置的移置方向是相同的。为阐明所述映射， 在3D试样空间和2D焊缝空间二者中将焊元图的纹理坐标示为S、T(有时称为U、V)。焊元图被映射到并且表征焊接试样1400的矩形表面1410。图16图示说明仿真于仿真器10的拐角焊接试样1600的试样空间和焊缝空间的示例性实施方案。拐角焊接试样1600具有在3D试样空间中的两个表面1610和1620，所述两个表面1610和1620如在图16所示的被映射到2D焊缝空间。同样，点0、X、Y和Z限定局部3D试样空间。为阐明所述映射，在3D试样空间和2D焊缝空间二者中将焊元图的纹理坐标示为S、T。如在图16中所示的，使用者将从点B到点E进行焊接。在图16中，在3D 试样空间和2D焊缝空间二者中示出从点B到点E的轨迹线。然而，移置的方向是朝向如在 3D试样空间中示出的线条X’ -0’，朝向相对的拐角。图17图示说明仿真于仿真器10中的管状焊接试样1700的试样空间和焊缝空间的示例性实施方案。管状焊接试样1700在3D试样空间中具有弯曲的表面1710，所述表面 1710被映射到2D焊缝空间。点0、X、Y和Z再一次限定局部3D试样空间。为阐明所述映射，在3D试样空间和2D焊缝空间二者中将焊元图的纹理坐标示为S、T。如在图17中所示的，最终使用者12将从点B到点E沿弯曲的轨迹进行焊接。分别在3D试样空间和2D焊缝空间示出从点B到点E的轨迹曲线和线。移置的方向远离线条Y-O(即远离管的中心)。图 18图示说明图17的管焊接试样1700的示例性实施方案。管状焊接试样1700由非铁的、不导电的塑料制成，并且仿真聚到一起形成焊根接缝1703的两个管状部件1701和1702。还示出用于附接底座170的臂173的附接部件1704。
以与纹理图可以被映射到几何结构的矩形表面区域的类似方式，可焊接焊元图可以被映射到焊接试样的矩形表面。在与图像的每个元被称作像元(图像元的缩写)相同的意义上，可焊接图的每个元被称作焊元。像元包含限定颜色(例如红色、绿色、蓝色等)的信息通道。焊元包含限定在虚拟现实空间中可焊接表面的信息通道(例如P、H、E、D)。根据本发明的实施方案，焊元的格式被归结为包含四个浮点数的通道PHED(熔池、热、额外内容、移置)。额外的通道被用作储存关于焊元的逻辑信息(例如，在所述焊元位置是否存在任何熔渣)的一组二进制数。熔池通道储存针对所述焊元位置的任何液化的金属的移置值。移置通道储存针对所述焊元位置的固化的金属的移置值。热通道储存给出在所述焊元位置的热量级的值。以这种方式，试样的可焊接部分可以示出因被焊接的焊道而产生的移置、因液态金属而产生的闪烁的表面“熔池”、因热而产生的颜色等。所有这些效果均通过被施加到可焊接的表面的顶点着色器和像元着色器来实现。根据本发明的实施方案，使用移置图和粒子系统，其中粒子可以彼此相互作用并碰撞移置图。所述粒子是虚拟的动态流体粒子并且提供熔池的液体行为，但不是直接地呈现(即不是直接可见的)。相反，只有在所述移置图上的粒子作用是在视觉上可见的。输入到焊元的热影响邻近粒子的运动。涉及仿真熔池的有两种类型的移置，这两种类型的移置包括熔池和移置。篮池是“临时的”并且仅持续于存在粒子并出现热的时候。移置是“永久的”。悠池移置是快速变化(例如闪烁)的焊缝液态金属并且可以被看作是在签置的“顶部”。粒子覆盖虚拟表面移置图(即焊元图)的一部分。移置表征永久的固体金属，所述永久的固体金属包括最初的基底金属和已固化的焊道二者。根据本发明的实施方案，在虚拟现实空间中仿真的焊接工艺以以下方式工作粒子从薄型锥状部件中的发射器(仿真的模拟焊接工具160的发射器)流出。所述粒子第一次接触仿真的焊接试样的表面，其中所述表面由焊元图限定。所述粒子彼此相互作用且与焊元图相互作用，并且以实时的方式累积起来。焊元越靠近发射器，则加的热越多。热根据与电弧点的距离和热从电弧输入的时间量被建模。特定图形部分(例如颜色等)是由热驱动的。针对足够高温的焊元，在虚拟现实空间中绘制或呈现熔池。无论何处只要足够热，焊元图液化，导致针对这些焊元位置Mt移置“升起”。通过在每个焊元位置采样“最高的”粒子来确定MM移置。当发射器沿焊缝轨迹前进时，留下的焊元位置冷却。热以特定速率从焊元位置被移除。当达到冷却阈值时，焊元图固化。这样,熔池移置逐渐被转化为移置(即固化的焊道)。增加的移置等于去除的熔池，从而整体高度并未改变。调整或调节粒子的寿命以在固化完成之前得以存留。被建模于仿真器 ο中的特定粒子特性包括吸引/排斥、速度(相对于热)、润湿(相对于散热)、方向(相对于重力)。图19a_19c图示说明仿真器10的双移置(移置和粒子)熔池模型的概念的示例性实施方案。在虚拟现实空间内仿真具有至少一个表面的焊接试样。在虚拟现实空间内仿真焊接试样的表面，形成包括固体移置层和熔池移置层的双移置层。熔池移置层能够改变固体移置层。如本文所描述的，“熔池”由焊元图的一区域限定，其中熔池值已经由于粒子的存在而提高。采样过程被表征于图19a_19c。示出焊元图的一具有七个邻近焊元的区段。当前的—值由具有给定高度的无阴影的矩形条1910表征。在图19a中，粒子1920被示为与当前移置水平面碰撞的圆形无阴影的点并且被堆集。在图1%中，“最高的”粒子高度1930 在每个焊元位置被采样。在图19c中，带阴影的矩形1940示出由于粒子的缘故，—的顶部上已增加多少MM。由于悠池以基于热的特定液化率被增加，焊缝熔池高度不会立即被置为采样的值。尽管未在图19a_19c中示出，使所述固化过程可视化是可能的，如皿(带阴影的矩形)逐渐缩小而无阴影的 矩形)从下面逐渐增大以正好替换所述篮池。以这种方式，实时熔融金属流动性特征被准确地仿真。当使用者练习特定焊接工艺时，使用者能够在实时虚拟现实空间中观察熔池的熔融金属流动性特征和散热特征，并且使用该信息来调节或保持其焊接技法。表征焊接试样的表面的焊元的数目是固定的。另外，如本文所描述的，由仿真生成来建模流动性的熔池粒子是临时的。因而，一旦使用仿真器10在仿真的焊接工艺期间于虚拟现实空间内生成原始熔池，焊元加上熔池粒子的数目往往是保持相对恒定的。这是因为在焊接工艺期间，正在被处理的焊元的数目是固定的，并且由于熔池粒子以相似的速率 (即熔池粒子是临时的)正被创建和“销毁”，存在的且正在被处理的熔池粒子的数目趋于保持相对恒定。因此，在仿真的焊接阶段期间，基于逻辑处理器的子系统110的处理负载保持相对恒定。根据本发明可替换的实施方案，熔池粒子可以被生成在焊接试样的表面中或在焊接试样的表面下方。在这样的实施方案中，移置可以以相对于初始(即未被焊接的)试样的原始表面移置为正向或负向的方式被建模。以这种方式，熔池粒子可以不仅在焊接试样的表面上建立，还可以熔透焊接试样。然而，焊元的数目仍是固定的，并且被创建和销毁的熔池粒子仍是相对恒定的。根据本发明可替换的实施方案，可以提供具有更多通道的焊元移置图来建模熔池的流动性而不是建模粒子。或者，可以建模稠密的体元图(voxel map)而不是建模粒子。或者，可以只建模被采样并且永远不会消失的粒子，而不是建模焊元图。然而，这样的可替换实施方案可能不为系统提供相对恒定的处理负载。此外，根据本发明的实施方案，通过将材料移走来仿真穿透或透孔(keyhole)。例如，如果使用者在真实世界中将电弧保持在同一位置过长时间，材料将会燃掉造成孔洞。这样的真实世界穿透通过焊元抽选技术(decimation techniques)被仿真于仿真器10。如果由一焊元吸收的热量被仿真器10确定为太高，该焊元可以被标记或被指定为是被烧掉的并且以此进行呈现(例如被呈现为孔洞)。然而，接下来，针对特定焊接工艺(例如管焊接)可以发生焊元重建，其中在最初被烧掉后，材料被添加回去。总之，仿真器10仿真焊元抽选(将材料移走)和焊元重建(即将材料添加回去)。另外，在焊根焊道焊接中移除材料的操作被适当地仿真于仿真器10。例如，在真实世界中，在进行后续焊接行程之前，可以执行焊根焊道的打磨。类似地，仿真器10可以仿真将材料从虚拟焊接接缝移除的打磨行程操作。要理解的是，所移除的材料被建模为焊元图上的负向移置。也就是说，移除材料的打磨焊道操作由仿真器10建模，导致改变的焊道轮廓。打磨行程操作的仿真可以是自动的，这也就是说，仿真器10移除一预先确定厚度的材料，所述预先确定厚度的材料可以是对应焊根焊道的焊道表面。在可替换的实施方案中，实际打磨工具或磨机(grinder)可以被仿真为通过模拟焊接工具160或另一输入装置的激活而启用或关闭。注意的是，打磨工具可以被仿真来效仿(resemble)真实世界的磨机。在该实施方案中，使用者沿焊根焊道操纵(maneuver)打磨工具以响应所述打磨工具的运动而移除材料。要理解的是，使用者可以被允许移除过多的材料。以与上述类似的方式，如果使用者“打磨掉”过多的材料则可能导致孔洞或透孔，或者其他(上述的)缺陷。再有，可以实现(即被编程)强制限位或停止，来防止使用者移除过多的材料或在过多的材料正被移除时进行提示。根据本发明的实施方案，除本文所描述的不可视的“熔池”粒子外，仿真器10还使用其他三种类型的可视粒子来表征_效果、_效果以及生星效果。这些类型的粒子不会与任何类型的其他粒子相互作用，而仅会与移置图相互作用。尽管这些粒子确实与仿真的焊接表面碰撞，但它们彼此不会相互作用。根据本发明的实施方案，仅有MM粒子会彼此相互作用。火星粒子的物理特征被这样设置，从而在虚拟现实空间中火星粒子四处跳窜并且被呈现为发光的点(glowing dots)。 电弧粒子的物理特征被这样设置，从而电弧粒子搐击(hit)仿真的试样表面或焊道并且停留一段时间。^IiMi在虚拟现实空间中被呈现为较大的暗青白色点。采用许多叠加的这样的点来形成任一种可视图像。最终结果是具有蓝色边缘的白色发光光环 (nimbus)。火焰粒子的物理特征被津樽来缓慢地向上升起。火焰粒子被旱现为中等大小的暗红黄色点。采用许多叠加的这样的点来形成任一种可视图像。最终结果是向上升起并淡出的(fading out)具有红色边缘的橙红色火焰团。根据本发明的其他实施方案，其他类型的非熔池粒子可以被实现在仿真器10中。例如，可以以与火焰粒子类似的方式建模并仿真烟尘粒子。仿真的可视化过程中最后的步骤由GPU 115的着色器117所提供的顶点着色器和像元着色器来处理。顶点着色器和像元着色器提供悠池和签置以及由于热而改变的表面颜色和发射率等。如本文前面所述的PHED焊元格式中的额外(E)通道包含每个焊元处所使用的所有额外信息。根据本发明的实施方案，额外信息包括非初始位(真=焊道，假=初始钢铁)、熔渣位、咬边值(在该焊元处咬边的量，其中零等于无咬边)、多孔值(在该焊元处多孔的量，其中零等于无多孔)，以及编码焊道固化时间的所述焊道痕迹(wake)值。存在一组与不同试样画面相关联的图像映射，包括初始钢铁、熔渣、焊道和多孔。这些图像映射被用于凹凸映射和纹理映射二者中。这些图像映射融合(blending)的量由本文所描述的各种标记和值来控制。使用ID图像映射以及每个焊元焊道痕迹值实现焊道痕迹效果，所述每个焊元焊道痕迹值编码焊道的给定部分(a given bit)被固化的时间。一旦高温熔池焊元位置不再是被称为“熔池”的足够高温，时间被保存在该位置并且被称为“焊道痕迹”。最终结果是着色器代码能够使用ID纹理映射来绘制“波痕(ripples)”，所述“波痕”给出刻画(portray) 所述焊道被铺设的方向的独特的外观。根据本发明可替换的实施方案，仿真器10能够在虚拟现实空间内仿真并显示焊道，所述焊道具有当所述仿真的熔池沿着焊缝轨迹移动时由所述仿真的熔池的实时流动性到固化过渡造成的实时焊道痕迹特征。根据本发明可替换的实施方案，仿真器10能够教导使用者如何对焊接机器进行故障排解(troubleshoot)。例如，系统的故障排解模式可以训练使用者确保其正确地(例如正确的气体流率、连接正确的电源线等)设置所述系统。根据本发明另一可替换的实施方案，仿真器10能够记录并重放焊接过程(或者至少焊接过程的一部分，例如N帧)。 可以提供轨迹球(track ball)来滚动视频的帧，允许使用者或者指导人员评论焊接过程。还可以以可选择的速度(例如全速、半速、四分之一速度)提供重放。根据本发明的实施方案，可以提供分屏(split-screen)重放，例如允许在观察者显示装置150上并排地 (side-by-side)观看两个焊接过程。例如出于对比的目的，“好的”焊接过程可以靠近“差的”焊接过程被观看。总而言之，公开了一种实时虚拟现实焊接系统，所述系统包括基于可编程控制器的子系统、空间追踪器、至少一个模拟焊接工具以及至少一个显示装置，所述空间追踪器可操作地连接到所述基于可编程控制器的子系统，所述至少一个模拟焊接工具能够被所述空间追踪器在空间上追踪，所述至少一个显示装置可操作地连接到所述基于可编程控制器的子系统。所述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散热特征的熔池。所述系统还能够在所述显示装置上实时地显示所述仿真的熔池。本文已经参照所公开的实施方案描述了本发明。明显地，在阅读和理解本说明书的基础上，其他人将想到各种改变和变通。具体地，参照示例性实施方案描述的部件(输入设备、空间追踪器、显示装置、控制台等等)可以任何方式进行结合，并且每个这样的部件和示例性实施方案被意图在没有其他部件或实施方案的情况下以其自身的发明性优点被公开。意图的是，包括所有在所附的权利要求书或其等同物的范围内的这样的修改和变通。
0111]参考标号0112]10仿真器 155输入设备0113]12使用者 156焊条夹持器0114]12a使用者 160模拟焊接工具0115]12b使用者161夹持器0116]15虚拟焊接环境162手工焊条0117]110基于逻辑处理器的子系统163触觉型阻力末端0118]111中央处理单元170底座0119]115图形处理单元171桌台0120]116统一设备架构172底座基座0121]117着色器173臂0122]118视频输出174立柱0123]119视频输出175焊接试样0124]120空间追踪器176焊接接缝0125]121磁源177连接部分0126]122传感器179占0127]123磁盘200显示装置0128]124电源203逻辑处理器0129]125USB和RS-232线缆204微处理器0130]126处理器追踪单元300数据储存装置0131]130使用者界面900焊接头盔0132]131按钮910扬声器0133]132操纵杆1201物理界面0134]133开关1202夹具模型0135]134开关1203环境模型0136]135控制台1204声音内容功能0137]136旋钮1205焊接声音0138]137旋钮1206底座/桌台模型0139]140显示装置1207内部架构功能0140]150显示装置1208校准功能0141]151焊接参数1210试样模型0142]152不连贯状态1211焊接物理0143]153使用者选择内容1212内部物理调节工具0144]1213界面功能0145]1214绘图功能0146]1215学员报告功能0147]1216呈现装置0148]1217焊道呈现0149]12183D纹理0150]1219视觉提示功能0151]1220公差功能0152]1221公差编辑器0153]1222特殊效果0154]1300方法0155]1310步骤0156]1320步骤0157]1330步骤0158]1340步骤0159]1350步骤0160]1400平坦焊接试样0161]1410顶部表面0162]1420移置图0163]1421焊元(焊接元)0164]1600拐角焊接试样0165]1610表面0166]1620表面0167]1700管焊接试样
1701管状部件1702管状部件1703焊根接缝1704附接部件1710弯曲的表面1910无阴影的矩形条1920粒子1930粒子高度1940带阴影的矩形
权利要求
1.一种用于便利虚拟焊接活动的仿真器(10)，所述仿真器(10)包括基于逻辑处理器的子系统(110)，所述基于逻辑处理器的子系统(110)可操作来执行编码指令以生成交互焊接环境(15)，所述交互焊接环境(1 模仿在具有至少一个虚拟焊接接缝的虚拟管段上的焊接活动；显示装置(140，150)，所述显示装置(140，150)可操作地连接到所述基于逻辑处理器的子系统(110)以可视地描绘所述交互焊接环境(15)，其中所述显示装置(140，150)描绘所述虚拟管段；输入设备(155)，所述输入设备(155)用于在所述至少一个虚拟焊接接缝上实时地进行虚拟焊接活动；以及一个或更多个传感器(122)，所述一个或更多个传感器(12 被调适来实时地追踪所述输入设备(15 的运动，以将关于所述输入设备(15 的所述运动的数据传送到所述基于逻辑处理器的子系统(110)。
2.如权利要求1所述的仿真器，其中所述基于逻辑处理器的子系统(110)模仿在虚拟管段上以第一和至少一第二基本上不同的焊接位置的焊接活动。
3.如权利要求1或2所述的仿真器，其中所述基于逻辑处理器的子系统(110)模仿在虚拟管段上以2G、5G和6G位置的焊接活动。
4.如权利要求1至3中的一项所述的仿真器，还包括焊接试样(175)，所述焊接试样(17 限定包括焊接接缝(176)的外表面，其中所述焊接试样对应于所述虚拟管段的轮廓；并且，其中所述输入设备(15 包括具有模拟焊条末端(16 的模拟焊条夹持器(161)，所述模拟焊条末端(16 被调适来接合所述焊接试样的所述外表面，以在进行虚拟焊接活动过程中用作引导。
5.如权利要求4所述的仿真器，其中所述模拟焊条末端(16 相对于所述模拟焊条夹持器(161)移动，以模仿所述虚拟焊接活动期间的焊条消耗。
6.如权利要求4或5所述的仿真器，其中所述模拟焊条末端(163)由在与所述焊接试样的所述焊接接缝接合时仿真焊接过程的触觉阻力的材料制成。
7.如权利要求1至6中的一项所述的仿真器，其中所述交互焊接环境(15)响应于进行所述虚拟焊接活动而建模熔池的流动性；并且，其中所述显示装置实时地描绘所述熔池的流动性。
8.如权利要求1至7中的一项所述的仿真器，其中所述交互焊接环境(15)响应于进行所述虚拟焊接活动而生成形成于虚拟熔池中的吸留。
9.如权利要求1至7中的一项所述的仿真器，其中所述基于逻辑处理器的子系统 (110)模仿所述熔池上的重力作用。
10.如权利要求2或从属于权利要求2的任一项权利要求所述的仿真器，其中在所述交互焊接环境中，相对于所述至少一第二基本上不同的焊接位置，针对所述第一焊接位置的重力作用以不同的方式被模仿。
11.一种用于便利虚拟焊接活动的仿真器(10)，特别地，根据权利要求1至10中的一项所述的仿真器，所述仿真器(10)包括基于逻辑处理器的子系统(110)，所述基于逻辑处理器的子系统(110)可操作来执行编码指令以生成交互焊接环境(15)，所述交互焊接环境(1 仿真在具有至少一个留隙焊根焊接接缝的虚拟焊接件上的焊接活动；个性化的显示器(140，150)，所述个性化的显示器(140，150)可操作地连接到所述基于逻辑处理器的子系统(110)，以在所述交互焊接环境(1 中可视地描绘虚拟焊接活动；模拟焊接工具(160)，所述模拟焊接工具(160)用于在所述至少一个留隙焊根焊接接缝上实时地进行所述虚拟焊接活动；以及空间追踪器(120)，所述空间追踪器(120)被调适来实时地追踪所述模拟焊接工具 (160)的运动。
12.如权利要求1至11中的一项所述的仿真器，其中所述交互焊接环境(1 仿真在所述虚拟焊接件上以第一垂直位置和第二基本上为水平位置的焊接活动。
13.如权利要求1至12中的一项所述的仿真器，还包括匹配所述虚拟焊接件的焊接试样；底座(170)，所述底座(170)用于接纳在第一和至少一第二基本上不同的位置之间可调节的所述焊接试样。
14.如权利要求1至13中的一项所述的仿真器，还包括匹配所述虚拟焊接件的焊接试样(175)；底座(170)，所述底座(170)用于接纳在第一和至少一第二基本上不同的垂直位置之间可调节的所述焊接试样(17 ；并且，其中所述交互焊接环境(1 仿真在所述虚拟焊接件上以仰焊位置的焊接活动。
15.如权利要求1至14中的一项所述的仿真器，其中所述交互焊接环境(1 仿真具有粘滞性的熔池，所述粘滞性响应于所述模拟焊接工具(160)的运动而变化。
16.如权利要求1至15中的一项所述的仿真器，其中所述交互焊接环境(1 仿真利用第一和第二不同类型的焊条(1)的焊接；并且，其中，所述交互焊接环境仿真针对所述第一焊条相对于所述第二焊条的具有基本上不同的粘滞性的熔池。
17.如权利要求1至16中的一项所述的仿真器，其中所述交互焊接环境动态地建模虚拟熔池的熔融流动性以及所述虚拟熔池的散热特征。
18.如权利要求1至17中的一项所述的仿真器，其中所述个性化的显示器描绘所述虚拟焊接活动的立体图像以仿真深度感知。
19.如权利要求1至18中的一项所述的仿真器，其中所述模拟焊接工具(160)效仿手工焊条夹持器(156)。
20.如权利要求1至19中的一项所述的仿真器，还包括焊接使用者界面，所述焊接使用者界面可操作地连接到所述基于逻辑处理器的子系统 (110)以操作所述仿真器(10)，其中所述焊接使用者界面效仿真实世界电源的控制面板。
全文摘要
一种仿真器，所述仿真器便利管和留隙焊根焊接接缝的虚拟焊接活动。所述仿真器可以包括基于逻辑处理器的系统，所述基于逻辑处理器的系统可操作来执行编码指令以生成交互焊接环境，所述交互焊接环境模仿在具有至少一个虚拟焊接接缝的虚拟管段上的焊接活动。所述仿真器还包括显示器，所述显示器连接到所述基于逻辑处理器的系统以可视地描绘所述交互焊接环境，其中所述显示器描绘所述虚拟管段。模拟焊接工具被提供来在所述至少一个焊接接缝上实时地进行虚拟焊接活动，其中一个或更多个传感器被调适来实时地追踪所述输入设备的运动，以将关于所述输入设备的所述运动的数据传送到所述基于逻辑处理器的系统。
文档编号G09B19/24GK102165504SQ200980137393
公开日2011年8月24日 申请日期2009年8月20日 优先权日2008年8月21日
发明者A·P·伦戴尔, D·A·兹伯瑞, E·C·布里吉斯, E·普瑞兹, J·亨尼西, L·布里吉斯, M·A·贝内特, M·W·华莱士, P·达纳, R·B·卓勒尔, Y·C·杜达科, Z·S·兰克尔 申请人:林肯环球股份有限公司
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