本申請(qǐng)是2014年3月7日遞交的pct國際申請(qǐng)pct/ib2014/000259于2015年11月5日進(jìn)入中國國家階段的中國專利申請(qǐng)?zhí)枮?01480025614.3、發(fā)明名稱為“虛擬現(xiàn)實(shí)gtaw和管焊接仿真器及設(shè)置”的發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。

相關(guān)申請(qǐng)交叉引用：pct國際申請(qǐng)pct/ib2014/000259是2012年7月10日遞交的美國專利申請(qǐng)序號(hào)13/545,058的部分繼續(xù)申請(qǐng)，所述美國專利申請(qǐng)序號(hào)13/545,058的全部內(nèi)容通過引用被并入本文，并且所述美國專利申請(qǐng)序號(hào)13/545,058是2009年7月10日遞交的美國專利申請(qǐng)序號(hào)12/501,263的部分繼續(xù)申請(qǐng)，所述美國專利申請(qǐng)序號(hào)12/501,263的全部內(nèi)容通過引用被并入本文，并且所述美國專利申請(qǐng)序號(hào)12/501,263要求2008年8月21日遞交的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)序號(hào)61/090,794的優(yōu)先權(quán)。

本發(fā)明涉及用于模仿(emulating)虛擬焊接環(huán)境的系統(tǒng)，并且更具體地，涉及實(shí)時(shí)地模仿氣體保護(hù)鎢極電弧焊(gtaw或者tig)、管和留隙焊根(openroot)接頭焊接的虛擬焊接環(huán)境及其設(shè)置。再更具體地，本發(fā)明涉及用于便利虛擬焊接的仿真器和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

數(shù)十年來，各公司一直在教導(dǎo)焊接技巧。傳統(tǒng)地，焊接已在真實(shí)世界場景(setting)下被教導(dǎo)，也就是說，焊接已通過利用焊條實(shí)際地使電弧打到金屬件上而被教導(dǎo)。指導(dǎo)人員(本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員)在受訓(xùn)者進(jìn)行焊接時(shí)監(jiān)督訓(xùn)練過程，在某些情況下進(jìn)行糾正。通過指導(dǎo)和重復(fù)，新的受訓(xùn)者學(xué)會(huì)如何使用一種或更多種工藝進(jìn)行焊接。然而，取決于被教導(dǎo)的焊接工藝而變化的每次所進(jìn)行的焊接均會(huì)帶來開銷。

近來，用于訓(xùn)練焊接者的成本節(jié)省系統(tǒng)已經(jīng)被采用。一些系統(tǒng)包括動(dòng)作分析器。所述分析器包括焊接件的物理模型、模擬焊條以及追蹤模擬焊條的運(yùn)動(dòng)的感測裝置。生成報(bào)告以指示焊條末端行進(jìn)到可接受的動(dòng)作范圍之外的程度。更高級(jí)的系統(tǒng)包括虛擬現(xiàn)實(shí)的使用，所述虛擬現(xiàn)實(shí)的使用仿真模擬焊條在虛擬場景中的操縱。類似地，這些系統(tǒng)追蹤位置和定向(orientation)。這些系統(tǒng)教導(dǎo)的僅僅是肌肉記憶，但是，無法教導(dǎo)熟練的焊接者所需的更高級(jí)的焊接技巧。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

一種實(shí)施方案提供用于便利虛擬焊接活動(dòng)的仿真器。所述仿真器包括基于邏輯處理器的子系統(tǒng)，所述基于邏輯處理器的子系統(tǒng)可操作來執(zhí)行編碼指令以在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中生成交互焊接環(huán)境，所述交互焊接環(huán)境模仿虛擬焊接試樣上的焊接活動(dòng)，其中所述交互焊接環(huán)境響應(yīng)于實(shí)時(shí)地執(zhí)行虛擬焊接活動(dòng)，仿真虛擬焊接試樣上的虛擬焊縫熔池，所述虛擬焊縫熔池具有動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)熔融金屬流動(dòng)性和散熱特征。所述仿真器進(jìn)一步包括腳踏板裝置，所述腳踏板裝置與基于邏輯處理器的子系統(tǒng)可操作的通信，并且被配置來響應(yīng)于使用者對(duì)腳踏板裝置的控制，實(shí)時(shí)地影響虛擬焊縫熔池的至少一個(gè)特征。所述仿真器還包括顯示裝置，所述顯示裝置被可操作地連接到基于邏輯處理器的子系統(tǒng)，并且被配置來在視覺上實(shí)時(shí)地描繪交互焊接環(huán)境，包括虛擬焊接試樣上的虛擬焊縫熔池。

一種實(shí)施方案提供用于便利虛擬焊接活動(dòng)的仿真器。所述仿真器包括模擬焊接試樣和模擬焊接工具，所述模擬焊接試樣在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中通過虛擬焊接試樣被表征，所述模擬焊接工具在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中通過虛擬焊接工具被表征。所述仿真器進(jìn)一步包括基于邏輯處理器的子系統(tǒng)，所述基于邏輯處理器的子系統(tǒng)可操作來執(zhí)行編碼指令以在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中生成交互焊接環(huán)境，所述交互焊接環(huán)境通過虛擬焊接工具模仿虛擬焊接試樣上的焊接活動(dòng)，其中所述交互焊接環(huán)境響應(yīng)于實(shí)時(shí)地執(zhí)行虛擬焊接活動(dòng)，仿真虛擬焊接試樣上的虛擬焊縫熔池，所述虛擬焊縫熔池具有動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)熔融金屬流動(dòng)性和散熱特征。所述仿真器還包括一個(gè)或更多個(gè)第一傳感器，所述一個(gè)或更多個(gè)第一傳感器被配置來通過將關(guān)于模擬焊接工具的三維位置的數(shù)據(jù)傳遞到所述基于邏輯處理器的子系統(tǒng)來便利實(shí)時(shí)地追蹤模擬焊接工具的至少末端的移動(dòng)。基于邏輯處理器的子系統(tǒng)被配置來確定在虛擬焊接活動(dòng)期間虛擬焊接工具的末端何時(shí)與虛擬現(xiàn)實(shí)空間中的虛擬焊縫熔池的表面相交，所述虛擬焊接工具的末端對(duì)應(yīng)于模擬焊接工具的末端，并且其中基于邏輯處理器的子系統(tǒng)被進(jìn)一步配置來生成要提供給使用者的指示：虛擬焊接工具歸因于所述相交已經(jīng)變污染。本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施方案和特征從隨后的說明書、附圖和權(quán)利要求書中是可推斷的。

本申請(qǐng)的一個(gè)方面提供一種用于便利虛擬焊接活動(dòng)的仿真器，其特征在于：基于邏輯處理器的子系統(tǒng)，所述基于邏輯處理器的子系統(tǒng)可操作來執(zhí)行編碼指令以在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中生成交互焊接環(huán)境，所述交互焊接環(huán)境模仿虛擬焊接試樣上的焊接活動(dòng)，其中所述交互焊接環(huán)境響應(yīng)于實(shí)時(shí)地執(zhí)行所述虛擬焊接活動(dòng)，仿真所述虛擬焊接試樣上的虛擬焊縫熔池，所述虛擬焊縫熔池具有動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)熔融金屬流動(dòng)性和散熱特征；腳踏板裝置，所述腳踏板裝置與所述基于邏輯處理器的子系統(tǒng)可操作的通信，并且被配置來響應(yīng)于使用者對(duì)所述腳踏板裝置的控制，實(shí)時(shí)地影響所述虛擬焊縫熔池的至少一個(gè)特征；以及顯示裝置，所述顯示裝置被可操作地連接到所述基于邏輯處理器的子系統(tǒng)，并且被配置來在視覺上實(shí)時(shí)地描繪所述交互焊接環(huán)境，包括所述虛擬焊接試樣上的所述虛擬焊縫熔池。

在一些實(shí)施方案中，所述腳踏板裝置通過有線裝置或者無線裝置中的一個(gè)與所述基于邏輯處理器的子系統(tǒng)可操作的通信。

在一些實(shí)施方案中，所述腳踏板裝置是仿真真實(shí)世界腳踏板裝置的模擬腳踏板裝置，或者其中所述腳踏板裝置是能夠與真實(shí)世界焊接系統(tǒng)一起使用的真實(shí)世界腳踏板裝置。

在一些實(shí)施方案中，所述腳踏板裝置被配置來提供觸覺反饋給所述使用者，指示所述腳踏板裝置的目前的板位置在用于適當(dāng)焊接的確定的范圍之外。

在一些實(shí)施方案中，所述虛擬焊縫熔池的所述至少一個(gè)特征是所述虛擬焊縫熔池的寬度和所述虛擬焊縫熔池在一些實(shí)施方案中，的高度中的一個(gè)或更多個(gè)。

在一些實(shí)施方案中，所述基于邏輯處理器的子系統(tǒng)被配置來響應(yīng)于所述使用者對(duì)所述腳踏板裝置的控制，仿真至少一個(gè)仿真的焊接參數(shù)的改變，由此影響所述虛擬焊縫熔池的所述至少一個(gè)特征，其中所述至少一個(gè)焊接參數(shù)優(yōu)選地是仿真的焊接輸出電流水平或者仿真的焊絲送進(jìn)速度中的至少一個(gè)。

在一些實(shí)施方案中，所述的仿真器還包括：模擬焊接試樣，所述模擬焊接試樣表征虛擬現(xiàn)實(shí)空間中的所述虛擬焊接試樣；模擬焊接工具，所述模擬焊接工具表征虛擬現(xiàn)實(shí)空間中的虛擬焊接工具，用于當(dāng)使用者相對(duì)于所述模擬焊接試樣操控所述模擬焊接工具時(shí)實(shí)時(shí)地執(zhí)行所述虛擬焊接試樣上的虛擬焊接活動(dòng)；空間追蹤子系統(tǒng)，所述空間追蹤子系統(tǒng)被可操作地連接到所述基于邏輯處理器的子系統(tǒng)；以及一個(gè)或更多個(gè)傳感器，所述一個(gè)或更多個(gè)傳感器被配置來通過將關(guān)于所述模擬焊接工具在時(shí)間上改變的位置的數(shù)據(jù)傳遞到所述空間追蹤子系統(tǒng)來便利實(shí)時(shí)地追蹤所述模擬焊接工具的移動(dòng)；其中優(yōu)選地，所述模擬焊接工具和相應(yīng)的虛擬焊接工具被仿真為包括非可消耗的鎢電極、可消耗的手工電極或者可消耗的焊絲電極中的一個(gè)。

本發(fā)明的目的在于還提供一種用于便利虛擬焊接活動(dòng)的系統(tǒng)，其特征在于：模擬焊接試樣，所述模擬焊接試樣在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中通過虛擬焊接試樣被表征；模擬焊接工具，所述模擬焊接工具在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中通過虛擬焊接工具被表征；基于邏輯處理器的子系統(tǒng)，所述基于邏輯處理器的子系統(tǒng)可操作來執(zhí)行編碼指令以在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中生成交互焊接環(huán)境，所述交互焊接環(huán)境通過所述虛擬焊接工具模仿所述虛擬焊接試樣上的焊接活動(dòng)，其中所述交互焊接環(huán)境響應(yīng)于實(shí)時(shí)地執(zhí)行所述虛擬焊接活動(dòng)，仿真所述虛擬焊接試樣上的虛擬焊縫熔池，所述虛擬焊縫熔池具有動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)熔融金屬流動(dòng)性和散熱特征；空間追蹤子系統(tǒng)，所述空間追蹤子系統(tǒng)被可操作地連接到所述基于邏輯處理器的子系統(tǒng)；以及一個(gè)或更多個(gè)第一傳感器，所述一個(gè)或更多個(gè)第一傳感器被配置來通過將關(guān)于所述模擬焊接工具在時(shí)間上改變的位置的數(shù)據(jù)傳遞到所述空間追蹤子系統(tǒng)來便利實(shí)時(shí)地追蹤所述模擬焊接工具的至少末端的移動(dòng)，其中所述基于邏輯處理器的子系統(tǒng)被配置來接受來自所述空間追蹤子系統(tǒng)的追蹤信息并且確定在所述虛擬焊接活動(dòng)期間所述虛擬焊接工具的所述末端何時(shí)與虛擬現(xiàn)實(shí)空間中的所述虛擬焊縫熔池的表面相交，所述虛擬焊接工具的所述末端對(duì)應(yīng)于所述模擬焊接工具的所述末端，并且其中所述基于邏輯處理器的子系統(tǒng)被進(jìn)一步配置來生成要提供給使用者的指示：所述虛擬焊接工具歸因于所述相交已經(jīng)變污染。

在一些實(shí)施方案中，所述仿真器還包括：模擬填充焊絲，所述模擬填充焊絲在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中通過虛擬填充焊絲被表征；以及一個(gè)或更多個(gè)第二傳感器，所述一個(gè)或更多個(gè)第二傳感器被配置來通過將關(guān)于所述模擬填充焊絲在時(shí)間上改變的位置的數(shù)據(jù)傳遞到所述空間追蹤子系統(tǒng)來便利實(shí)時(shí)地追蹤所述模擬填充焊絲的至少末端的移動(dòng)，其中所述基于邏輯處理器的子系統(tǒng)被配置來接受來自所述空間追蹤子系統(tǒng)的追蹤信息并且確定在所述虛擬焊接活動(dòng)期間所述虛擬填充焊絲的所述末端何時(shí)觸及虛擬現(xiàn)實(shí)空間中的所述虛擬焊接工具，所述虛擬填充焊絲的所述末端對(duì)應(yīng)于所述模擬填充焊絲的所述末端，并且其中所述基于邏輯處理器的子系統(tǒng)被進(jìn)一步配置來生成提供給使用者的指示：所述虛擬焊接工具歸因于所述觸及已經(jīng)變污染。

在一些實(shí)施方案中，所述基于邏輯處理器的子系統(tǒng)被進(jìn)一步配置來：確定所述虛擬填充焊絲的所述末端何時(shí)穿入所述虛擬焊縫熔池；以及歸因于所述穿入，更改至少所述虛擬焊縫熔池的高度。

在一些實(shí)施方案中，所述的系統(tǒng)還包括腳踏板裝置，所述腳踏板裝置被可操作地連接到所述基于邏輯處理器的子系統(tǒng)，并且被配置來響應(yīng)于使用者對(duì)所述腳踏板裝置的控制，實(shí)時(shí)地改變所述虛擬焊縫熔池的至少一個(gè)特征，其中所述虛擬焊縫熔池的所述至少一個(gè)特征優(yōu)選地是所述虛擬焊縫熔池的寬度和所述虛擬焊縫熔池的高度中的一個(gè)或更多個(gè)。

在一些實(shí)施方案中，所述的系統(tǒng)還包括顯示裝置，所述顯示裝置被可操作地連接到所述基于邏輯處理器的子系統(tǒng)，用于在視覺上描繪所述交互焊接環(huán)境，其中所述顯示裝置實(shí)時(shí)地描繪所述虛擬焊接試樣上的所述虛擬焊縫熔池；其中優(yōu)選地，所述基于邏輯處理器的子系統(tǒng)被配置來在所述虛擬焊接活動(dòng)期間將所述虛擬焊縫熔池轉(zhuǎn)變?yōu)樘摂M焊道，其中所述虛擬焊接工具歸因于所述相交已經(jīng)變污染的所述指示對(duì)應(yīng)于在所述顯示裝置上將所述虛擬焊道描繪為具有一個(gè)或更多個(gè)缺陷。

在一些實(shí)施方案中，所述模擬焊接工具和對(duì)應(yīng)的虛擬焊接工具被仿真為包括非可消耗的鎢電極；和/或其中所述模擬焊接工具的突出位置是可調(diào)整的；和/或還包括使用者可選擇的氣流選擇器，所述使用者可選擇的氣流選擇器被安裝在所述模擬焊接工具上并且被配置來向所述基于邏輯處理器的子系統(tǒng)傳遞：當(dāng)在第一位置時(shí)從所述虛擬焊接工具向外的仿真的氣流關(guān)閉，以及當(dāng)在第二位置時(shí)所述仿真的氣流打開。

在一些實(shí)施方案中，所述的系統(tǒng)還包括多個(gè)模擬氣流杯，每個(gè)被配置來附接到所述模擬焊接工具以及與所述模擬焊接工具分離，其中所述多個(gè)模擬氣流杯中的每個(gè)模擬氣流杯被配置來仿真從所述虛擬焊接工具向外的氣流的特有的引導(dǎo)。

在一些實(shí)施方案中，所述基于邏輯處理器的子系統(tǒng)被配置來當(dāng)使用者以確定的方式將所述模擬焊接工具的所述末端觸及所述模擬焊接試樣以及將所述模擬焊接工具的所述末端提起離開所述模擬焊接試樣時(shí)，仿真所述虛擬焊接工具的所述末端和所述虛擬焊接試樣之間的電弧的建立；和/或其中所述基于邏輯處理器的子系統(tǒng)被配置來當(dāng)使用者以確定的方式跨所述模擬焊接試樣的表面拖動(dòng)所述模擬焊接工具的所述末端時(shí)，仿真所述虛擬焊接工具的所述末端和所述虛擬焊接試樣之間的電弧的建立；和/或其中所述基于邏輯處理器的子系統(tǒng)被配置來當(dāng)使用者以確定的方式朝所述模擬焊接試樣移動(dòng)所述模擬焊接工具的所述末端，還沒有以所述模擬焊接工具的所述末端觸及所述模擬焊接試樣時(shí)，仿真所述虛擬焊接工具的所述末端和所述虛擬焊接試樣之間的電弧的建立。

附圖說明

圖1為利用仿真器從事虛擬焊接活動(dòng)的最終使用操作者的立體視圖；

圖2為仿真器的前視圖；

圖3a為示出管焊接(pipewelding)位置的示意圖；

圖3b為示出板焊接(platewelding)位置的示例圖；

圖4為仿真器的第一實(shí)施方案的表征的示例性概要方框圖；

圖5為模擬焊接工具的側(cè)面立體視圖；

圖6為焊接使用者界面的特寫視圖；

圖6a為觀察者顯示裝置的特寫視圖；

圖7a為個(gè)性化顯示裝置的立體視圖；

圖7b為由最終使用者佩戴的個(gè)性化顯示裝置的立體視圖；

圖7c為安裝在焊接頭盔內(nèi)的個(gè)性化顯示裝置的立體視圖；

圖8為空間追蹤器的立體視圖；

圖9為用于支撐焊接試樣的底座(stand)的立體視圖；

圖9a為管焊接試樣的立體視圖；

圖9b為安裝到底座的管焊接試樣的立體視圖；

圖10圖示說明基于邏輯處理器的子系統(tǒng)的子系統(tǒng)方框圖的示例性實(shí)施方案；

圖11圖示說明基于邏輯處理器的子系統(tǒng)的圖形處理單元(gpu)的方框圖的示例性實(shí)施方案；

圖12圖示說明仿真器的功能方框圖的示例性實(shí)施方案；

圖13為使用虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)的訓(xùn)練方法的實(shí)施方案的流程圖；

圖14a-14b圖示說明焊接像元(weldingpixel)(焊元(wexel))移置圖(displacementmap)的概念；

圖15圖示說明仿真于仿真器中的平坦焊接試樣的試樣空間(couponspace)和焊縫空間(weldspace)的示例性實(shí)施方案；

圖16圖示說明仿真于仿真器中的拐角焊接試樣的試樣空間和焊縫空間的示例性實(shí)施方案；

圖17圖示說明仿真于仿真器中的管焊接試樣的試樣空間和焊縫空間的示例性實(shí)施方案；

圖18圖示說明管焊接試樣的示例性實(shí)施方案；

圖19a-19c圖示說明仿真器的雙移置熔池模型的概念的示例性實(shí)施方案；以及

圖20圖示說明如在軌道焊接環(huán)境中使用的軌道焊接系統(tǒng)的示例性實(shí)施方案；

圖21圖示說明用于與圖20的軌道焊接系統(tǒng)一起使用的焊接牽引器(weldingtractor)；

圖22圖示說明圖20的軌道焊接系統(tǒng)的電源和控制器；

圖23圖示說明用于與圖20的軌道焊接系統(tǒng)一起使用的遙控器；

圖24圖示說明仿真器的第二實(shí)施方案的示例性表征的概要方框圖；

圖25圖示說明在圖24的仿真器中使用的腳踏板裝置的示例性實(shí)施方案；

圖26圖示說明示出圖24的腳踏板裝置的圖24的仿真器的示例性實(shí)施方案；

圖27圖示說明在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中的虛擬焊接活動(dòng)的示例性實(shí)施方案；以及

圖28圖示說明使用具有傳感器的模擬焊接工具和模擬填充焊絲的、表征圖27的虛擬焊接活動(dòng)的仿真的焊接活動(dòng)的示例性實(shí)施方案。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在參照附圖，其中示圖僅是為了圖示說明本發(fā)明的實(shí)施方案，而不是為了限制本發(fā)明的實(shí)施方案，圖1和2示出用于仿真焊接的系統(tǒng)(一般地以10來描繪)，本文稱作仿真器10或系統(tǒng)10。仿真器10能夠生成虛擬環(huán)境15，虛擬環(huán)境15可以描繪類似于在真實(shí)世界中的焊接場景并且可以被稱為虛擬現(xiàn)實(shí)弧焊(vraw)。在虛擬環(huán)境15中，仿真器10便利與一個(gè)或更多個(gè)最終使用者12的交互。輸入設(shè)備155被包括，所述輸入設(shè)備155允許最終使用者12從事真實(shí)世界活動(dòng)，所述真實(shí)世界活動(dòng)由仿真器10追蹤并被轉(zhuǎn)換為虛擬活動(dòng)。因而，虛擬環(huán)境15包括交互的虛擬焊接環(huán)境15。顯示裝置200被包括，所述顯示裝置200提供進(jìn)入虛擬環(huán)境15和最終使用者12的活動(dòng)的“可視入口(visualaccess)”。在一個(gè)實(shí)施方案中，仿真器10可以包括由多個(gè)最終使用者12或其他觀察者可觀看的顯示屏幕150。此外，仿真器10可以包括調(diào)適來由單個(gè)最終使用者12使用的個(gè)性化顯示器140，單個(gè)最終使用者12可以為受訓(xùn)的使用者12a或指導(dǎo)使用者12b。在此要尤為注意的是，最終使用者12在真實(shí)世界中的活動(dòng)被轉(zhuǎn)換為虛擬焊接活動(dòng)并且在一個(gè)或更多個(gè)顯示器140、150上被實(shí)時(shí)地觀看。如本文所使用的，術(shù)語“實(shí)時(shí)”意指以與最終使用者12在真實(shí)世界場景下將會(huì)及時(shí)感知和體驗(yàn)的相同的方式，在虛擬環(huán)境下及時(shí)感知和體驗(yàn)。

在生成的交互虛擬焊接環(huán)境15中，仿真器10針對(duì)多個(gè)焊接接頭以不同焊接位置模仿一個(gè)或更多個(gè)焊接工藝，并且附加地模仿針對(duì)所述多個(gè)接頭構(gòu)型的不同種類的焊條的作用。在一個(gè)特定的實(shí)施方案中，仿真器10生成交互虛擬焊接環(huán)境15，交互虛擬焊接環(huán)境15模仿管焊接和/或留隙焊根接頭的焊接。所述系統(tǒng)能夠仿真具有實(shí)時(shí)熔融金屬流動(dòng)性和散熱特征的熔池。仿真器10還能夠建模虛擬焊接活動(dòng)如何影響焊接接頭，例如下面的基底材料。以圖示說明的方式，仿真器10可以模仿焊根焊道(rootpass)和高溫焊道(hotpass)以及后續(xù)的填充和蓋面(cap)焊道(pass)，每個(gè)均具有對(duì)應(yīng)真實(shí)世界情景的特征。由于在先前行程期間形成的基底材料的變化和/或由于所選擇的焊條不同，每個(gè)后續(xù)行程可以以與先前行程的方式有顯著不同的方式來焊接。熔池模型的實(shí)時(shí)反饋允許最終使用者12于虛擬焊接正在被進(jìn)行時(shí)，在顯示器200上觀察虛擬焊接過程，并且調(diào)節(jié)或保持他/她的技法。所觀察到的虛擬指示標(biāo)記的種類的例子可以包括(列舉幾例)：熔池流、熔融熔池的閃爍、在熔池固化過程中的顏色變化、熔池的凝固率、散熱的顏色梯度、聲音、焊道(bead)形成、擺動(dòng)方式(weavepattern)、熔渣的形成、咬邊(undercut)、多孔(porosity)、飛濺(spatter)、夾渣(slagentrapment)、過度填充(overfill)、穿透(blowthrough)以及吸留(occlusion)。要意識(shí)到的是，熔池特征取決于，也就是說響應(yīng)于，最終使用者12的輸入設(shè)備155的運(yùn)動(dòng)。以這種方式，所顯示的熔池是基于所選擇的焊接工藝和最終使用者12的焊接技法而實(shí)時(shí)地形成的真實(shí)世界熔池的表征。另外，“線狀?yuàn)A渣(wagontrack)”是留在使用smaw工藝進(jìn)行管焊接期間形成的焊根焊道的焊趾(toes)后面的焊縫缺陷和熔渣的可視尾跡(trail)。被稱為高溫焊道的管焊接中的第二焊道必須足夠熱以使線狀?yuàn)A渣再融化，從而這些線狀?yuàn)A渣在最終的焊接件中被去除。再者，線狀?yuàn)A渣可以通過打磨工藝被移除。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，這樣的線狀?yuàn)A渣和所述線狀?yuàn)A渣的去除被適當(dāng)?shù)胤抡嬗诒疚乃枋龅姆抡嫫?0中。

繼續(xù)參照?qǐng)D1和2并且現(xiàn)在還參照?qǐng)D3a和3b，仿真器10可以模仿以各種焊接位置的焊接工藝并建模熔池在每個(gè)位置如何反應(yīng)。更具體地，仿真器10可以模仿以本領(lǐng)域中分別被稱作5g、2g和6g位置的垂直、水平和/或傾斜位置的管焊接。此外，仿真器10可以模仿以涉及轉(zhuǎn)動(dòng)管的水平位置的1g位置的焊接，或者以涉及如可以與鄰近的板中的坡口焊縫(grooveweld)相關(guān)聯(lián)的仰焊的4g位置。其他焊接位置可以涉及針對(duì)平板的各種結(jié)構(gòu)的留隙焊根接頭的焊接。要理解的是，包括建模和分析引擎的仿真器10將在隨后的段落中在考慮熔池上的重力作用的情況下被詳細(xì)描述。因此，熔池以不同的方式反應(yīng)，例如，針對(duì)以5g位置焊接管和以6g位置焊接管不同。上述實(shí)施例不應(yīng)被解釋為是限制性的，而是出于示例性的目的而被包括。本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地理解本發(fā)明針對(duì)任何焊接接頭、焊接位置或者焊接件類型(包括不同種類的基底材料)的應(yīng)用。

現(xiàn)在參照?qǐng)D2和4，仿真器10包括基于邏輯處理器的子系統(tǒng)110，基于邏輯處理器的子系統(tǒng)110可以是可編程且可操作來執(zhí)行編碼指令的，以生成交互虛擬焊接環(huán)境15。仿真器10還包括傳感器和/或傳感器系統(tǒng)，所述傳感器和/或傳感器系統(tǒng)可以包括可操作地連接到基于邏輯處理器的子系統(tǒng)110的空間追蹤器120。仿真器10還包括與基于邏輯處理器的子系統(tǒng)110連通的焊接使用者界面130，用于設(shè)置并控制仿真器10。如上面所提及的，一個(gè)或更多個(gè)顯示裝置200被包括，顯示裝置200可以包括戴于面部的顯示裝置140和觀察者顯示裝置150，其中每個(gè)被連接到基于邏輯處理器的子系統(tǒng)110，提供到交互虛擬焊接環(huán)境15的“可視入口”。顯示裝置200中的一個(gè)或更多個(gè)可以被連接到空間追蹤器120，以如下所描述地響應(yīng)于空間追蹤器120的位置和/或其運(yùn)動(dòng)而改變?cè)谒鲅b置上被觀看的圖像。

輸入設(shè)備

現(xiàn)在參照?qǐng)D5，如上述所述的，仿真器10包括便利與最終使用者12交互的輸入設(shè)備155。在一個(gè)實(shí)施方案中，輸入設(shè)備155包括模擬焊接工具160。模擬焊接工具160可以被制造成效仿真實(shí)世界的焊接工具，例如手工焊條夾持器或提供連續(xù)供料到電極的焊槍，即mig、fcaw或者gtaw焊接工具。然而，其他結(jié)構(gòu)的模擬焊接工具160可以被實(shí)施而不偏離本發(fā)明的實(shí)施方案所意圖的覆蓋范圍。出于討論的目的，本發(fā)明的實(shí)施方案將被描述在使用效仿手工焊條夾持器156的模擬焊接工具160的上下文中。模擬焊接工具160可以準(zhǔn)確地效仿真實(shí)世界的焊接工具。在一個(gè)特定實(shí)施方案中，模擬焊接工具160可以具有與真實(shí)世界的焊接工具相同的形狀、重量和手感。事實(shí)上，真實(shí)的焊接工具可以被用作模擬焊接工具160來提供所述工具在使用者手中的實(shí)際感覺，即使是在仿真器10中，真實(shí)的焊接工具也不會(huì)被用于實(shí)際上創(chuàng)建真實(shí)電弧。以這樣的方式，最終使用者12(可以為受訓(xùn)使用者12a)變得習(xí)慣于操縱真實(shí)世界的焊接工具，從而加強(qiáng)虛擬焊接的體驗(yàn)。然而，模擬焊接工具160可以以利用合理的判斷選擇的任何方式來構(gòu)造。

圖示說明地，模擬焊接工具160仿真用于管焊接的手工焊接工具，并且包括夾持器161和從中延伸的仿真的手工焊條162。仿真的手工焊條162可以包括觸覺型(tactilely)阻力末端163，用于仿真在真實(shí)世界情景中的焊接期間產(chǎn)生的阻力反饋。如果最終使用者12過于背離焊根移動(dòng)仿真的手工焊條162(下面所詳細(xì)描述的)，最終使用者12將能夠感覺或覺察到減少的阻力，從而獲得用于調(diào)節(jié)或保持當(dāng)前焊接工藝的反饋。要考慮的是，手工焊接工具可以包括致動(dòng)器(未示出)，所述致動(dòng)器在虛擬焊接工藝期間縮回仿真的手工焊條162。也就是說，當(dāng)最終使用者12從事虛擬焊接活動(dòng)時(shí)，夾持器161和仿真的手工焊條162的末端之間的距離被減小來仿真焊條的消耗。消耗速率，即手工焊條162的縮回，可以由基于邏輯處理器的子系統(tǒng)110控制，并且更具體地，可以由基于邏輯處理器的子系統(tǒng)110執(zhí)行的編碼指令控制。仿真的消耗速率還可以取決于最終使用者12的技法。在此值得一提的是，當(dāng)仿真器10便利利用不同類型焊條的虛擬焊接時(shí)，消耗率或手工焊條162的減少可以隨所使用的焊接過程和/或仿真器10的設(shè)置而變化。

模擬焊接工具160的致動(dòng)器可以被電氣地驅(qū)動(dòng)。用于保障致動(dòng)器工作的電力可以來自仿真器10、來自外部電源或者來自內(nèi)部電池電力。在一個(gè)實(shí)施方案中，致動(dòng)器可以為電動(dòng)裝置，例如電動(dòng)機(jī)。然而，任何類型的致動(dòng)器或動(dòng)力形式都可以被使用，包括但不限于：電磁致動(dòng)器、氣動(dòng)致動(dòng)器、機(jī)械或彈簧承載的致動(dòng)器及其任意組合。

如上面所說明的，模擬焊接工具160可以與空間追蹤器結(jié)合工作，以與仿真器10進(jìn)行交互。具體地，模擬焊接工具160的位置和/或定向可以由空間追蹤器120實(shí)時(shí)地監(jiān)控和追蹤。因此，表征所述位置和定向的數(shù)據(jù)可以被傳送到基于邏輯處理器的子系統(tǒng)110并且被修改或轉(zhuǎn)換以根據(jù)需要用來與虛擬焊接環(huán)境15進(jìn)行交互。

空間追蹤器

參照?qǐng)D8，圖示說明空間追蹤器120的實(shí)施例?？臻g追蹤器120可以與基于邏輯處理器的子系統(tǒng)110連接。在一個(gè)實(shí)施方案中，空間追蹤器120可以以磁的方式追蹤模擬焊接工具160。也就是說，所述空間追蹤器生成磁性包絡(luò)，所述磁性包絡(luò)用于確定位置和定向，以及速度和/或速度上的變化。因此，空間追蹤器120包括磁源121和源線纜、一個(gè)或更多個(gè)傳感器122、磁盤123上的主機(jī)軟件、電源124、usb和rs-232線纜125、處理器追蹤單元126以及其他相關(guān)聯(lián)的線纜。磁源121能夠經(jīng)由線纜可操作地連接到處理器追蹤單元126，傳感器122也是如此。電源124也能夠經(jīng)由線纜可操作地連接到處理器追蹤單元126。處理器追蹤單元126能夠經(jīng)由usb或rs-232線纜125可操作地連接到基于邏輯處理器的子系統(tǒng)110。磁盤123上的主機(jī)軟件可以被加載到基于邏輯處理器的子系統(tǒng)110上并且允許空間追蹤器120和基于邏輯處理器的子系統(tǒng)110之間的功能通信。

磁源121創(chuàng)建圍繞源121的磁場或包絡(luò)，所述磁場或包絡(luò)限定三維空間，在所述三維空間內(nèi)最終使用者12的活動(dòng)可以被追蹤以與仿真器10進(jìn)行交互。所述包絡(luò)建立空間參考框架。使用在所述包絡(luò)內(nèi)的物體，例如模擬焊接工具160和試樣底座(下面描述)，可以由非金屬(即非鐵的或不導(dǎo)電的)材料構(gòu)成，從而不會(huì)使磁源121創(chuàng)建的磁場畸變(distort)。傳感器122可以包括多個(gè)在相交的空間方向上排列的感應(yīng)線圈，所述多個(gè)感應(yīng)線圈可以基本上為正交排列。感應(yīng)線圈測量磁場在三個(gè)方向中的每個(gè)上的強(qiáng)度，提供信息給處理器追蹤單元126。在一個(gè)實(shí)施方案中，傳感器122可以被附接到模擬焊接工具160，允許模擬焊接工具160相對(duì)于所述空間參考框架在位置和定向二者上被追蹤。更具體地，感應(yīng)線圈可以被安裝在焊條162的末端中。以這種方式，仿真器10能夠確定模擬焊接工具160在三維包絡(luò)中的位置所在。附加的傳感器122可以被提供并且可操作地附接到一個(gè)或更多個(gè)顯示裝置200。因此，仿真器10可以響應(yīng)于最終使用者12的運(yùn)動(dòng)而使用傳感器數(shù)據(jù)來改變最終使用者12所見的視圖。從而，仿真器10捕捉并追蹤最終使用者12在真實(shí)世界中的活動(dòng)，用于轉(zhuǎn)換為虛擬焊接環(huán)境15。

根據(jù)本發(fā)明可替換的實(shí)施方案，一個(gè)或更多個(gè)傳感器122可以無線的方式連接到處理器追蹤單元126，并且處理器追蹤單元126可以無線的方式連接到基于邏輯處理器的子系統(tǒng)110。根據(jù)本發(fā)明的其他可替換實(shí)施方案，其他類型的空間追蹤器120可以用于仿真器10，例如包括基于加速度計(jì)/陀螺儀的追蹤器、光學(xué)追蹤器、紅外追蹤器、聲學(xué)追蹤器、激光追蹤器、射頻追蹤器、慣性追蹤器、有源或無源光學(xué)追蹤器以及基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的追蹤。然而，可以使用其他類型的追蹤器而不偏離本發(fā)明的實(shí)施方案所意圖的覆蓋范圍。

顯示裝置

現(xiàn)在參照?qǐng)D7a，現(xiàn)在將描述戴于面部的顯示裝置140的實(shí)施例。戴于面部的顯示裝置140可以如圖7c中所示地被整合到焊接頭盔900中，或者可替換地可以如圖7b所示地被單獨(dú)地安裝。戴于面部的顯示裝置140可以包括能夠以2d和幀序列視頻模式傳送流體全活動(dòng)視頻(fluidfull-motionvideo)的兩個(gè)高對(duì)比度svga3doled微顯示器。來自虛擬焊接環(huán)境15的虛擬圖像(例如視頻)被提供并顯示在戴于面部的顯示裝置140上。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，基于邏輯處理器的子系統(tǒng)110向戴于面部的顯示裝置140提供立體視頻，加強(qiáng)使用者的深度感知。立體圖像可以由邏輯處理單元生成，所述邏輯處理單元可以為下面詳細(xì)描述的圖形處理單元。還可以提供縮放(例如2倍(2x))模式，允許使用者仿真更加以假亂真的板(acheaterplate)。戴于面部的顯示裝置140經(jīng)由有線或無線方式可操作地連接到基于邏輯處理器的子系統(tǒng)110和空間追蹤器120。空間追蹤器120的傳感器122可以被附接到戴于面部的顯示裝置140或被附接到焊接頭盔900，從而允許戴于面部的顯示裝置140相對(duì)于空間追蹤器120創(chuàng)建的3d空間參考框架而被追蹤。以這種方式，焊接頭盔900的運(yùn)動(dòng)以響應(yīng)的方式改變?nèi)S虛擬現(xiàn)實(shí)情景中最終使用者12所見的圖像。

如隨后描述的，戴于面部的顯示裝置140還可以起到這樣的作用，即與觀察者顯示裝置150類似地來調(diào)用并顯示菜單項(xiàng)的作用。因此，以這種方式，最終使用者能夠使用模擬焊接工具160上的控制部件(例如按鈕或開關(guān))來激活菜單并從菜單中選擇選項(xiàng)。這可以允許使用者在其出現(xiàn)失誤、改變特定參數(shù)或者例如回退以重新完成焊道軌跡的一部分時(shí)容易地重置焊接。

戴于面部的顯示裝置140還可以包括揚(yáng)聲器910，允許使用者聆聽由仿真器10生成的仿真的焊接相關(guān)聲音和環(huán)境聲音。聲音內(nèi)容功能和焊接聲音提供具體類型的焊接聲音，所述焊接聲音根據(jù)特定焊接參數(shù)是否在公差內(nèi)或超出公差而改變。聲音根據(jù)各種焊接工藝和參數(shù)來調(diào)整。例如，在mig噴弧焊工藝中，當(dāng)使用者未使模擬焊接工具160正確定位時(shí)提供噼啪的聲音，而當(dāng)模擬焊接工具160被正確定位時(shí)提供嘶嘶的聲音。在短弧焊接工藝中，當(dāng)發(fā)生咬邊時(shí)提供嘶嘶的聲音。這些聲音模仿(mimic)對(duì)應(yīng)于正確和錯(cuò)誤焊接技法的真實(shí)世界的聲音。

高保真聲音內(nèi)容可以使用各種電子和機(jī)械裝置取自實(shí)際焊接的真實(shí)世界錄音。所感知的聲音的音量和方向根據(jù)最終使用者的頭部(即戴于面部的顯示裝置140)相對(duì)于模擬焊接工具160和焊接試樣175之間的仿真的電弧的位置、定向和距離而改變。聲音可以經(jīng)由安裝于戴于面部的顯示裝置140中或可替換地安裝于控制臺(tái)135和/或底座170中的揚(yáng)聲器910(可以為耳塞揚(yáng)聲器或任何其他類型的揚(yáng)聲器或聲音生成裝置)提供給使用者。然而，在從事虛擬焊接活動(dòng)時(shí)將聲音呈現(xiàn)給最終使用者12的任何方式可以被選擇。在此還要注意的是，其他類型的聲音信息可以通過揚(yáng)聲器910被傳輸。實(shí)例包括來自指導(dǎo)人員使用者12b的實(shí)時(shí)口頭指令或經(jīng)由預(yù)先錄制的信息的口頭指令。預(yù)先錄制的信息可以通過特定的虛擬焊接活動(dòng)自動(dòng)地被觸發(fā)。實(shí)時(shí)的指令可以現(xiàn)場生成或者從遠(yuǎn)端位置生成。然而，任何類型的信息或指令都可以被傳達(dá)給最終使用者12。

控制臺(tái)

現(xiàn)在參照?qǐng)D2、圖6和圖7，仿真器10可以包括容置仿真器10的一個(gè)或更多個(gè)部件的控制臺(tái)135。在一個(gè)實(shí)施方案中，控制臺(tái)135可以被構(gòu)造來效仿焊接電源。也就是說，控制臺(tái)135的形狀和尺寸可以匹配真實(shí)世界裝置的形狀和尺寸。仿真器10的操作可以由焊接單元界面130來提供，焊接單元界面130可以被制造成效仿焊接電源旋鈕、刻度盤和/或開關(guān)133、134。仿真器10還可以包括顯示器，所述顯示器可以為顯示裝置200。被安裝到仿真器10上的編碼指令(即軟件)可以通過在顯示屏幕200上顯示指令和/或菜單選項(xiàng)來引導(dǎo)最終使用者12與仿真器10的交互。與仿真器10的交互可以包括的功能涉及：管理的活動(dòng)或仿真設(shè)置及激活。這可以包括特定焊接工藝和焊條類型的選擇，以及包括焊接位置的部件設(shè)置。通過焊接單元界面130的方式進(jìn)行的選擇被反映在顯示裝置200上。

圖6圖示說明控制臺(tái)135和焊接使用者界面130的示例性實(shí)施方案。焊接單元界面130可以包括對(duì)應(yīng)于在仿真器10的設(shè)置和操作期間所使用的使用者選擇內(nèi)容153的一組按鈕131。按鈕131可以被著色以對(duì)應(yīng)于顯示在顯示裝置200上的使用者選擇內(nèi)容153的顏色。當(dāng)按鈕131中的一個(gè)被按下時(shí)，信號(hào)被發(fā)送到基于邏輯處理器的子系統(tǒng)110來激活對(duì)應(yīng)的功能。焊接單元界面130還可以包括操縱桿132，操縱桿132能夠被使用者使用來選擇顯示在顯示裝置200上的各種參數(shù)和選擇內(nèi)容。焊接單元界面130還包括可以以示例性的方式用于調(diào)節(jié)焊絲送進(jìn)速度/安培數(shù)的刻度盤或旋鈕133，以及用于調(diào)節(jié)伏特/微調(diào)的另一刻度盤或旋鈕134。焊接單元界面130還包括用于選擇弧焊工藝的刻度盤或旋鈕136。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，三種弧焊工藝是可選擇的，包括焊劑芯弧焊(fcaw)、氣體保護(hù)金屬極弧焊(gmaw)以及自動(dòng)保護(hù)金屬極弧焊(smaw)。焊接單元界面130還包括用于選擇焊接極性的刻度盤或旋鈕137。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，三種弧焊極性是可選擇的，包括交流電(ac)、正接直流電(dc+)以及負(fù)接直流電(dc-)。然而，其他焊接工藝(包括但不限于tig焊接)和設(shè)置特征可以被包括于仿真器10中而不偏離本發(fā)明的實(shí)施方案所意圖的覆蓋范圍。從上述的內(nèi)容中，將容易看出的是，仿真器10的設(shè)置對(duì)應(yīng)真實(shí)世界裝置的設(shè)置。

圖形使用者界面功能1213(見圖12)允許使用者經(jīng)由觀察者顯示裝置150是可觀看的并且使用物理使用者界面130的操縱桿132設(shè)置焊接情景。焊接情景的設(shè)置可以包括選擇語言，輸入最終使用者姓名，選擇實(shí)習(xí)板(例如焊接試樣、t形板、平板)，選擇焊接工藝(例如fcaw、gmaw、smaw、tig)和相關(guān)聯(lián)的軸向噴射、脈沖或轉(zhuǎn)換的短弧模式，選擇氣體類型和流率，選擇手工焊條的類型(例如e6010或e7018)，以及選擇焊劑芯焊絲的類型(例如自保護(hù)的、氣體保護(hù)的)。焊接情景的設(shè)置還可以包括設(shè)置將在下面詳細(xì)討論的試樣底座170。焊接情景的設(shè)置進(jìn)一步包括選擇環(huán)境(例如虛擬現(xiàn)實(shí)空間中的背景環(huán)境)，設(shè)置焊絲送進(jìn)速度，設(shè)置電壓電平，選擇極性以及啟用或關(guān)閉特定視覺提示。在此要注意的是，在一個(gè)實(shí)施方案中，限制(可以為軟件限制)可以被包括于仿真器10中，在針對(duì)所選擇的工藝的適合的設(shè)置已經(jīng)被恰當(dāng)?shù)剌斎胫埃鱿拗谱柚菇o定的焊接情景的操作。以這種方式，受訓(xùn)的使用者12a通過設(shè)置虛擬焊接情景而被教導(dǎo)或?qū)W會(huì)真實(shí)世界焊接場景的適當(dāng)范圍。

因此，顯示裝置200反映對(duì)應(yīng)于最終使用者選擇內(nèi)容153的活動(dòng)，包括菜單、動(dòng)作、視覺提示、新試樣設(shè)置以及評(píng)分。這些使用者選擇內(nèi)容可以被綁定到控制臺(tái)135上的使用者按鈕。當(dāng)使用者經(jīng)由顯示裝置200進(jìn)行各種選擇時(shí)，所顯示的特征可以改變來提供所選擇的信息和其他選項(xiàng)給所述使用者。然而，顯示裝置200(可以為觀察者顯示裝置150)可以具有另一功能：在仿真器10的操作期間，即當(dāng)從事虛擬焊接活動(dòng)時(shí)，顯示最終使用者12所見的虛擬圖像。顯示裝置200可以被設(shè)置來觀看與最終使用者12所見內(nèi)容相同的圖像。可替換地，顯示裝置200還可以用于顯示虛擬焊接活動(dòng)的不同視圖或者不同視角。

在圖10中示出的一個(gè)實(shí)施方案中，顯示裝置150、200可以被用于回放(playback)以電子方式儲(chǔ)存于數(shù)據(jù)儲(chǔ)存裝置300上的虛擬焊接活動(dòng)。表征最終使用者12的虛擬焊接活動(dòng)的數(shù)據(jù)可以被儲(chǔ)存用于：回放和復(fù)習(xí)(review)、出于歸檔目的的下載和/或傳輸至遠(yuǎn)端位置以實(shí)時(shí)地觀看和評(píng)論。在重放(replay)虛擬焊接活動(dòng)中，諸如熔池流動(dòng)性等細(xì)節(jié)、行進(jìn)速度以及不連貫性狀態(tài)152(例如包括不適當(dāng)?shù)奶罱?fillet)大小、不佳的焊道布置、凹入的焊道、過于外凸、咬邊、多孔、未焊透、夾渣、過度飛濺以及燒穿)可以被表征。由超出公差角度造成的咬邊也可以被顯示。另外，由過于遠(yuǎn)離焊接件移動(dòng)電弧而導(dǎo)致的多孔可以被顯示。以這種方式，仿真器10能夠重放特定虛擬焊接活動(dòng)的部分或全部，建模虛擬焊接情景的所有方面(包括與最終使用者的活動(dòng)直接相關(guān)的吸留和缺陷)。

參照?qǐng)D6a，仿真器10還能夠分析和顯示虛擬焊接活動(dòng)的結(jié)果。通過分析所述結(jié)果，意味著仿真器10能夠確定在該焊接行程期間是何時(shí)以及沿焊接接頭是何處，最終使用者12偏離焊接工藝可接受的限定范圍。評(píng)分可以歸因于最終使用者12的表現(xiàn)。在一個(gè)實(shí)施方案中，評(píng)分可以是在多個(gè)公差范圍上模擬焊接工具160在位置、定向和速度上的偏離的函數(shù)，這可以從理想的焊接行程延伸到臨界的或不可接受的焊接活動(dòng)。根據(jù)用于對(duì)最終使用者12的表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)分的選擇，多個(gè)范圍的任何梯度均可以被包括在仿真器10中。評(píng)分可以以數(shù)字的方式或字母數(shù)字的方式來顯示。此外，最終使用者12的表現(xiàn)可以以圖形的方式來顯示，在時(shí)間上和/或沿焊接接頭的位置上示出所述模擬焊接工具如何接近地橫過焊接接頭。諸如行進(jìn)角度、加工角度、速度以及離焊接接頭的距離的參數(shù)是可以被測量的內(nèi)容的例子，然而出于評(píng)分的目的任何參數(shù)均可以被分析。所述參數(shù)的公差范圍取自真實(shí)世界的焊接數(shù)據(jù)，從而提供關(guān)于最終使用者在真實(shí)世界中將會(huì)如何表現(xiàn)的準(zhǔn)確反饋。在另一實(shí)施方案中，與最終使用者12的表現(xiàn)對(duì)應(yīng)的缺陷的分析也可以被包括并顯示在顯示裝置150、200上。在這個(gè)實(shí)施方案中，可以描繪示出由測量在虛擬焊接活動(dòng)期間所監(jiān)控的各種參數(shù)而造成的不連貫是何種類型的圖形。盡管“吸留”在顯示裝置200上可能不是可視的，但由于最終使用者的表現(xiàn)，缺陷仍可能已經(jīng)發(fā)生，使用者的表現(xiàn)結(jié)果仍可能會(huì)相應(yīng)地被顯示(即圖形化)。

顯示裝置200還可以用于顯示被用來訓(xùn)練最終使用者12的輔導(dǎo)信息。輔導(dǎo)信息的實(shí)例可以包括可以為如由視頻或圖片所描繪的以圖形方式被顯示的指令。此外，指令可以以上述的音頻格式被寫入或呈現(xiàn)。這樣的信息可以被儲(chǔ)存和保留在數(shù)據(jù)儲(chǔ)存裝置300上。在一個(gè)實(shí)施方案中，仿真器10能夠顯示在本文中被稱作視覺提示的呈現(xiàn)各種焊接參數(shù)151的虛擬焊接場景，焊接參數(shù)151包括位置、末端到工件間隙(tiptowork)、焊接角度、行進(jìn)角度以及行進(jìn)速度。

在一個(gè)實(shí)施方案中，可以使用遠(yuǎn)程通信來提供場外人員(即以相似或不相似構(gòu)造的裝置(即仿真器)進(jìn)行加工的遠(yuǎn)程使用者)的虛擬指令。可以經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)連接來實(shí)現(xiàn)描述虛擬焊接過程，所述網(wǎng)絡(luò)連接包括但不限于因特網(wǎng)、lan以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠渌绞?。表征特定焊縫的數(shù)據(jù)(包括性能變量)可以被發(fā)送至能夠顯示虛擬圖像和/或焊縫數(shù)據(jù)的另一系統(tǒng)。應(yīng)當(dāng)注意的是，所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是足夠詳盡的以允許一個(gè)或更多個(gè)遠(yuǎn)端使用者分析焊接者的表現(xiàn)。發(fā)送到遠(yuǎn)端系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可以被用于生成虛擬焊接環(huán)境，從而重新創(chuàng)建特定的焊接過程。然而，將性能數(shù)據(jù)或虛擬焊接活動(dòng)傳送至另一裝置的任何方式可以被實(shí)施而不偏離本發(fā)明的實(shí)施方案所意圖的覆蓋范圍。

焊接試樣

現(xiàn)在參照?qǐng)D1、圖9a和圖9b，仿真器10可以包括焊接試樣175，焊接試樣175效仿被并置為形成焊接接頭176的管段。焊接試樣175可以與在從事虛擬焊接活動(dòng)時(shí)為最終使用者12起引導(dǎo)作用的仿真器10結(jié)合工作。多個(gè)焊接試樣175可以被使用，也就是說被互換以在虛擬焊接活動(dòng)的給定周期內(nèi)使用。焊接試樣的類型可以包括(列舉幾例)：圓柱形管區(qū)段、弓形管節(jié)、平板和t形板焊接接頭。在一個(gè)實(shí)施方案中，焊接試樣中的每個(gè)可以包括留隙焊根接頭或坡口。然而，任何結(jié)構(gòu)的焊接接頭均可以被包括于焊接試樣中而不偏離本發(fā)明的實(shí)施方案所意圖的覆蓋范圍。

焊接試樣175的尺寸可以改變。對(duì)于圓柱形的管來說，內(nèi)徑的范圍可以從11/2英寸(內(nèi)徑)延伸到18英寸(內(nèi)徑)。在一個(gè)特定實(shí)施方案中，內(nèi)徑的范圍可以超過18英寸。在另一實(shí)施方案中，弓形管節(jié)可以具有在從11/2英寸(內(nèi)徑)延伸達(dá)到并超過18英寸(內(nèi)徑)的范圍內(nèi)的特征半徑。另外，要解釋的是，任何內(nèi)徑的焊接試樣175都可以被使用，包括那些小于11/2英寸的和那些超過18英寸的兩者。就實(shí)踐的意義來說，只要焊接試樣175或焊接試樣175的部分在空間追蹤器120生成的包絡(luò)內(nèi)，任意大小的焊接試樣175都可以被使用。平板在長度上也可以延伸達(dá)到并超過18英寸。然而，要理解的是，焊接試樣175的尺寸上限僅由空間追蹤器120生成的感測場的大小和強(qiáng)度以及焊接試樣175各自被定位的能力所約束。所有這樣的變體被解釋為落入本發(fā)明的實(shí)施方案的覆蓋范圍。

如上所述的，焊接試樣175可以由不會(huì)與空間追蹤器120相互干擾的材料構(gòu)成。因?yàn)榭臻g追蹤器生成磁場，焊接試樣175可以由非鐵的和不導(dǎo)電的材料構(gòu)成。然而，可以選擇適于與所選擇的空間追蹤器120或其他傳感器類型一起使用的任何類型的材料。

參照?qǐng)D9a和9b，焊接試樣175可以被這樣構(gòu)造，從而其可以裝入桌臺(tái)或底座170，桌臺(tái)或底座170(至少部分地)起到將焊接試樣175相對(duì)于空間追蹤器120保持在恒定位置的作用。因此，焊接試樣175可以包括連接部分177或連接器177。連接部分177可以從焊接試樣175的一側(cè)(如所圖示說明的可以為底側(cè))延伸，并且可以被接納到與底座170一起被包括的機(jī)械互鎖裝置中。將理解的是，焊接試樣175被插入底座170的取向可能需要是恒定的，即可重復(fù)的，以緊密地匹配在虛擬焊接環(huán)境15中被創(chuàng)建的虛擬焊接件，即管。以這種方式，只要仿真器10知曉焊接試樣175的位置已經(jīng)如何變化，可以相應(yīng)地對(duì)虛擬對(duì)應(yīng)物(counterpart)進(jìn)行調(diào)節(jié)。例如，在設(shè)置期間，最終使用者12可以選擇要被焊接的管的大小。然后，最終使用者12可以將適合的焊接試樣175插入底座170，將其鎖固到適當(dāng)位置。隨后，最終使用者12可以選擇期望的焊接位置，經(jīng)由焊接使用者界面130進(jìn)行選擇。如下面將被描述的，底座170則可以被傾斜或調(diào)節(jié)以將焊接試樣175定位在仿真器10識(shí)別的焊接位置中的任一者。當(dāng)然，將理解的是，調(diào)節(jié)焊接試樣175的位置也要調(diào)節(jié)空間追蹤器120的位置，從而使焊接試樣175的相對(duì)位置被保留在感測的追蹤場中。

圖9描繪底座170的一個(gè)實(shí)施方案。底座170可以包括可調(diào)節(jié)的桌臺(tái)171、底座基座172、可調(diào)節(jié)的臂173以及立柱174。桌臺(tái)171和臂173分別被附接到立柱174。桌臺(tái)171和臂173中的每個(gè)能夠沿立柱174的高度被調(diào)節(jié)，所述調(diào)節(jié)可以包括向上、向下和/或相對(duì)于立柱174的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。臂173用于以與本文所討論的一致的方式支撐焊接試樣175。桌臺(tái)171可以通過在使用期間允許使用者將他/她的手臂放于桌臺(tái)171上而輔助最終使用者12。在一個(gè)特定的實(shí)施方案中，立柱174被標(biāo)記有位置信息從而使用者可以確切地知曉臂173和桌臺(tái)171被定位在何處。這種信息還可以在設(shè)置期間通過焊接使用者界面130和顯示裝置150的方式來輸入仿真器10。

考慮本發(fā)明的可替換實(shí)施方案，其中桌臺(tái)171和臂173的位置響應(yīng)于在仿真器10的設(shè)置期間所做的選擇而被自動(dòng)調(diào)節(jié)。在該實(shí)施方案中，經(jīng)由焊接使用者界面130所做的選擇可以被傳送至基于邏輯處理器的子系統(tǒng)110。由底座170所采用的致動(dòng)器和反饋傳感器可以由基于邏輯處理器的子系統(tǒng)110控制，以定位焊接試樣175而無需在物理上移動(dòng)臂173或桌臺(tái)171。在一個(gè)實(shí)施方案中，致動(dòng)器和反饋傳感器可以包括以電氣方式驅(qū)動(dòng)的伺服電動(dòng)機(jī)。然而，根據(jù)利用合理的工程判斷所選擇的任何運(yùn)動(dòng)裝置(locomotivedevice)都可以被用來自動(dòng)地調(diào)節(jié)底座170的位置。以這種方式，設(shè)置焊接試樣175的過程是自動(dòng)化的并且無需最終使用者12進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)。

本發(fā)明的另一實(shí)施方案包括與焊接試樣175結(jié)合使用的智能型裝置的使用，本文稱作“智能”試樣175。在該實(shí)施方案中，焊接試樣175包括具有關(guān)于可以被底座170感測的特定焊接試樣175的信息的裝置。具體地，臂173可以包括讀取儲(chǔ)存在位于焊接試樣175上的裝置上或儲(chǔ)存在該裝置中的數(shù)據(jù)的檢測器。實(shí)施例可以包括被編碼在傳感器(例如微電子器件)上的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的使用，當(dāng)被置于所述檢測器附近時(shí)，所述數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可以以無線的方式被讀取。其他實(shí)施例可以包括無源器件(如條形碼)的使用。然而，智能地將關(guān)于焊接試樣175的信息傳送至基于邏輯處理器的子系統(tǒng)110的任何方式可以利用合理的工程判斷來選擇。

儲(chǔ)存在焊接試樣175上的數(shù)據(jù)可以自動(dòng)地向仿真器10提示已經(jīng)被插入底座170的焊接試樣175的種類。例如，2英寸的管狀試樣可以包括關(guān)于其直徑的信息?？商鎿Q地，平板試樣可以包括提示被包括在試樣上的焊接接頭種類(例如坡口焊接接頭或?qū)雍附咏宇^)及其物理尺寸的信息。以這種方式，關(guān)于焊接試樣175的信息可以被用來使仿真器10的設(shè)置中涉及選擇和安裝焊接試樣175的部分自動(dòng)化。

校準(zhǔn)功能1208(見圖12)提供使真實(shí)空間(3d參考框架)中的實(shí)物部件與虛擬焊接環(huán)境15中的可視部件匹配的能力。通過將焊接試樣175安裝到底座170的臂173上，并且利用可操作地連接到底座170的校準(zhǔn)筆(stylus)接觸焊接試樣175預(yù)先限定的點(diǎn)179(例如由焊接試樣175上的三處淺凹179指示的)，每種不同類型的焊接試樣175在工廠中被校準(zhǔn)。仿真器10讀取預(yù)先限定的點(diǎn)179處的磁場強(qiáng)度，提供位置信息至基于邏輯處理器的子系統(tǒng)110，并且基于邏輯處理器的子系統(tǒng)110使用所述位置信息來進(jìn)行所述校準(zhǔn)(即從真實(shí)世界空間到虛擬現(xiàn)實(shí)空間的轉(zhuǎn)換)。

因此，相同類型的焊接試樣175的任一部分在非常嚴(yán)格的公差之內(nèi)以相同的可重復(fù)方式裝入底座170的臂173。因而，一旦特定類型的焊接試樣175被校準(zhǔn)，無需相似試樣的重復(fù)校準(zhǔn)(即特定類型的焊接試樣175的校準(zhǔn)是一次性事件)。換言之，相同類型的焊接試樣175是可互換的。校準(zhǔn)確保使用者在焊接工藝期間所感知的物理反饋匹配在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中向所述使用者顯示的內(nèi)容，使得仿真看上去更加真實(shí)。例如，如果使用者圍繞實(shí)際焊接試樣175的拐角滑動(dòng)模擬焊接工具160的末端，所述使用者將會(huì)在顯示裝置200上看到所述末端圍繞虛擬焊接試樣的拐角滑動(dòng)，就像所述使用者感覺到的所述末端圍繞所述實(shí)際的拐角滑動(dòng)那樣。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，模擬焊接工具160還可以被放置在預(yù)先定位的架子(jig)上并且基于已知的架子位置以類似的方式被校準(zhǔn)。

根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案，“智能”試樣可以包括允許仿真器10追蹤預(yù)先限定的校準(zhǔn)點(diǎn)或“智能”試樣的拐角的傳感器。傳感器可以被安裝在焊接試樣175上預(yù)先限定的校準(zhǔn)點(diǎn)的精確位置。然而，將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳送至仿真器10的任何方式可以被選擇。因此，仿真器10連續(xù)地知曉“智能”試樣在真實(shí)世界3d空間中的位置。另外，可以提供許可密鑰來“解鎖”焊接試樣175。當(dāng)特定焊接試樣175被購買時(shí)，可以提供許可密鑰，允許最終使用者12a、12b將所述許可密鑰輸入仿真器10，解鎖與特定焊接試樣175相關(guān)聯(lián)的軟件。在可替換的實(shí)施方案中，基于部件的真實(shí)世界cad制圖，可以提供特殊的非標(biāo)準(zhǔn)焊接試樣。

基于處理器的系統(tǒng)

現(xiàn)在參照?qǐng)D2、圖4和圖10，如上所述的，仿真器10包括基于邏輯處理器的子系統(tǒng)110，基于邏輯處理器的子系統(tǒng)110可以包括可編程電子電路200，用于執(zhí)行被用來生成虛擬焊接環(huán)境15的編碼指令?？删幊屉娮与娐?00可以包括一個(gè)或更多個(gè)邏輯處理器203或基于邏輯處理器的系統(tǒng)203，一個(gè)或更多個(gè)邏輯處理器203或基于邏輯處理器的系統(tǒng)203可以包括一個(gè)或更多個(gè)微處理器204。在一個(gè)特定實(shí)施方案中，可編程電子電路200可以包括下面要進(jìn)一步討論的一個(gè)或更多個(gè)中央處理單元(cpu)以及一個(gè)或更多個(gè)圖形處理單元(gpu)。附加的電路可以被包括，例如電子存儲(chǔ)器，即ram、rom以及其他外圍支持電路。要注意的是，電子存儲(chǔ)器可以被包括來用于cpu和gpu二者，其中每個(gè)可以被單獨(dú)地編程來用于呈現(xiàn)如本文所描述的虛擬焊接環(huán)境15的各方面。另外，可編程電子電路200可以包括并使用數(shù)據(jù)儲(chǔ)存裝置300，例如硬盤驅(qū)動(dòng)器、光學(xué)儲(chǔ)存設(shè)備、閃存等等。然而，其他類型的電子電路可以被包括，所述電子電路便利仿真器10內(nèi)的裝置之間或不同仿真器10之間的數(shù)據(jù)傳輸。這可以包括，例如從一個(gè)或更多個(gè)輸入設(shè)備155(例如空間追蹤器或傳感器)接收數(shù)據(jù)，或者在一個(gè)或更多個(gè)網(wǎng)絡(luò)上(可以為局域網(wǎng)絡(luò)(lan)、廣域網(wǎng)絡(luò)(wan)和/或因特網(wǎng))傳輸數(shù)據(jù)。要理解的是，上述的裝置和過程在本質(zhì)上是示例性的而不應(yīng)被解釋為限制性的。事實(shí)上，根據(jù)利用合理的工程判斷所選擇的任何形式的可編程電路、支持電路、通信電路和/或數(shù)據(jù)儲(chǔ)存裝置都可以被包括到本發(fā)明的實(shí)施方案中。

圖10圖示說明仿真器10的基于可編程邏輯處理器的子系統(tǒng)110的子系統(tǒng)方框圖的示例性實(shí)施方案?；谶壿嬏幚砥鞯淖酉到y(tǒng)110可以包括中央處理單元(cpu)111和兩個(gè)圖形處理單元(gpu)115。兩個(gè)gpu115可以被編程以提供具有實(shí)時(shí)熔融金屬流動(dòng)性和吸熱與散熱特征的熔池的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真。

參照?qǐng)D11，圖形處理單元(gpu)115的方框圖被示出。每個(gè)gpu115支持?jǐn)?shù)據(jù)并行算法的實(shí)現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，每個(gè)gpu115提供能夠提供兩個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)視圖的兩個(gè)視頻輸出118和119。視頻輸出中的兩個(gè)可以被傳送至戴于面部的顯示裝置140，給出焊接者的視野，并且第三視頻輸出例如可以被路由至觀察者顯示裝置150，給出焊接者的視野或者一些其他的視野。余下的第四視頻輸出例如可以被路由至投影儀，或者被用于適于仿真虛擬焊接環(huán)境15的任何其他目的。兩個(gè)gpu115可以執(zhí)行相同的焊接物理計(jì)算，但可以從相同或不同的視野呈現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境15。gpu115包括統(tǒng)一計(jì)算設(shè)備架構(gòu)(cuda)116和著色器117。cuda116是軟件開發(fā)商通過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編程語言可使用的gpu115的計(jì)算引擎。cuda116包括并行核心并且被用于運(yùn)行本文所描述的熔池仿真的物理模型。cpu111提供實(shí)時(shí)焊接輸入數(shù)據(jù)至gpu115上的cuda116。在一個(gè)特定實(shí)施方案中，著色器117負(fù)責(zé)繪制并應(yīng)用全部的仿真畫面。焊道和熔池畫面由本文稍后描述的焊元移置圖的狀態(tài)來驅(qū)動(dòng)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，物理模型以約每秒30次的速率運(yùn)行和更新。

圖12圖示說明仿真器10的功能方框圖的示例性實(shí)施方案。仿真器10的各種功能塊大部分經(jīng)由運(yùn)行在基于邏輯處理器的子系統(tǒng)110上的軟件指令和模塊實(shí)現(xiàn)。仿真器10的各種功能塊包括物理界面1201、焊炬和夾具模型1202、環(huán)境模型1203、聲音內(nèi)容功能1204、焊接聲音1205、桌臺(tái)/底座模型1206、內(nèi)部架構(gòu)功能1207、校準(zhǔn)功能1208、試樣模型1210、焊接物理1211、內(nèi)部物理調(diào)節(jié)工具(調(diào)整裝置(tweaker))1212、圖形使用者界面功能1213、繪圖功能1214、學(xué)員報(bào)告功能1215、呈現(xiàn)裝置1216、焊道呈現(xiàn)1217、3d紋理1218、視覺提示功能1219、評(píng)分和公差功能1220、公差編輯器1221以及特殊效果1222。

內(nèi)部架構(gòu)功能1207提供仿真器10的處理的更高等級(jí)的軟件運(yùn)算，包括例如加載文件、保持信息、管理線程、啟用物理模型以及觸發(fā)菜單。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，內(nèi)部架構(gòu)功能1207運(yùn)行在cpu111上。針對(duì)基于邏輯處理器的子系統(tǒng)110的特定實(shí)時(shí)輸入包括電弧位置、焊槍位置、戴于面部的顯示裝置或頭盔位置、焊槍啟用/關(guān)閉狀態(tài)以及接觸產(chǎn)生的狀態(tài)(是/否)。

在仿真的焊接情景期間，繪圖功能1214收集使用者表現(xiàn)參數(shù)并將所述使用者表現(xiàn)參數(shù)提供至圖形使用者界面功能1213，來以圖形格式進(jìn)行顯示(例如在觀察者顯示裝置150上)。來自空間追蹤器120的追蹤信息饋入繪圖功能1214。繪圖功能1214包括簡單分析模塊(sam)和抖動(dòng)(whip)/擺動(dòng)(weave)分析模塊(wwam)。sam通過比較焊接參數(shù)和儲(chǔ)存在焊道表格中的數(shù)據(jù)分析使用者焊接參數(shù)，所述使用者焊接參數(shù)包括焊接行進(jìn)角度、行進(jìn)速度、焊接角度、位置以及末端到工件間隙。wwam分析使用者抖動(dòng)參數(shù)，包括幣狀體間隔、抖動(dòng)時(shí)間以及熔池時(shí)間。wwam還分析使用者擺動(dòng)參數(shù)，包括擺動(dòng)寬度、擺動(dòng)間隔以及擺動(dòng)定時(shí)。sam和wwam將原輸入數(shù)據(jù)(例如位置和定向數(shù)據(jù))解釋為在功能上可使用的數(shù)據(jù)，用于進(jìn)行繪圖。針對(duì)由sam和wwam分析的每個(gè)參數(shù)，公差窗口由參數(shù)限制(parameterlimits)圍繞使用公差編輯器1221輸入焊道表格的最佳或理想設(shè)定值來限定，并且評(píng)分和公差功能1220被執(zhí)行。

公差編輯器1221包括估計(jì)材料使用、電氣使用和焊接時(shí)間的焊接度量計(jì)(weldometer)。此外，當(dāng)特定參數(shù)超出公差時(shí)，可能發(fā)生焊接不連貫(即焊接缺陷)。任何焊接不連貫的狀態(tài)由繪圖功能1214處理并經(jīng)由圖形使用者界面功能1213以圖形格式呈現(xiàn)。這樣的焊接不連貫包括填角大小、不佳的焊道布置、凹入的焊道、過于外凸、咬邊、多孔、未焊透、夾渣以及過度飛濺。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，不連貫的等級(jí)或量取決于特定使用者參數(shù)偏離最佳或理想的設(shè)定點(diǎn)的程度。

不同的參數(shù)限制可以針對(duì)不同類別的使用者(例如焊接初學(xué)者、焊接專家以及在交易展覽會(huì)中的人)被預(yù)先限定。評(píng)分和公差功能1220根據(jù)使用者接近針對(duì)特定參數(shù)的最佳(理想)值的程度并且根據(jù)出現(xiàn)在焊接中的不連貫或缺陷的等級(jí)提供數(shù)字評(píng)分。來自評(píng)分和公差功能1220和來自繪圖功能1214的信息可以被學(xué)員報(bào)告功能1215使用，來為指導(dǎo)人員和/或?qū)W員創(chuàng)建表現(xiàn)報(bào)告。

視覺提示功能1219通過在戴于面部的顯示裝置140和/或觀察者顯示裝置150上顯示覆蓋的顏色和指示標(biāo)記，向使用者提供立即的反饋。針對(duì)焊接參數(shù)151中的每個(gè)提供視覺提示，焊接參數(shù)151包括位置、末端到工件間隙、焊接角度、行進(jìn)角度以及行進(jìn)速度，并且如果基于預(yù)先限定的限制或公差使用者的焊接技法的某些方面應(yīng)當(dāng)被調(diào)節(jié)，則在視覺上指示所述使用者。例如，還可以針對(duì)抖動(dòng)/擺動(dòng)技法以及焊道“幣狀體(dime)”間隔提供視覺提示。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，實(shí)現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)空間中的熔池或焊池的仿真，其中所述仿真的熔池具有實(shí)時(shí)熔融金屬流動(dòng)性和散熱特征。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，位于熔池仿真的中心的是可以被運(yùn)行在gpu115上的焊接物理功能1211(又叫物理模型)。焊接物理功能采用雙移置層技術(shù)來準(zhǔn)確地建模動(dòng)態(tài)流動(dòng)性/粘滯性(viscosity)、凝固性、熱梯度(吸熱與散熱)、熔池痕跡(wake)以及焊道形狀，并且本文結(jié)合圖14a-14c對(duì)此進(jìn)行更詳細(xì)的描述。

焊接物理功能1211與焊道呈現(xiàn)功能1217連通，來表現(xiàn)焊道從熔融金屬狀態(tài)到冷卻固化狀態(tài)之間的全部狀態(tài)。焊道呈現(xiàn)功能1217使用來自焊接物理功能1211的信息(例如熱、流動(dòng)性、移置、幣狀體間隔)，來準(zhǔn)確地且逼真地以實(shí)時(shí)的方式在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中呈現(xiàn)焊道。3d紋理功能1218將紋理圖(texturemaps)提供至焊道呈現(xiàn)功能1217，來使附加的紋理(例如焦痕(scorching)、熔渣、顆粒(grain))覆蓋到仿真的焊道上。呈現(xiàn)裝置功能1216用于使用來自特殊效果模塊1222的信息表現(xiàn)各種非熔池的具體特征，包括火星(sparks)、飛濺、煙塵、電弧光、煙以及特定不連貫性(例如咬邊和多孔)。

內(nèi)部物理調(diào)節(jié)工具1212是允許各種焊接物理參數(shù)針對(duì)各種焊接工藝被限定、更新和修改的調(diào)整裝置。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，內(nèi)部物理調(diào)節(jié)工具1212運(yùn)行在cpu111上并且調(diào)節(jié)的或更新的參數(shù)被下載到gpu115中。可以經(jīng)由內(nèi)部物理調(diào)節(jié)工具1212被調(diào)節(jié)的參數(shù)類型包括與焊接試樣相關(guān)聯(lián)的參數(shù)、允許工藝被改變而無需重置焊接試樣(允許形成第二焊道)的工藝參數(shù)、可以被改變而不會(huì)重置整個(gè)仿真的各種全局參數(shù)以及各種其他參數(shù)。

圖13為使用仿真器10的訓(xùn)練方法1300的實(shí)施方案的流程圖。在步驟1310中，按照焊接技法相對(duì)于焊接試樣移動(dòng)模擬焊接工具。在步驟1320中，使用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在三維空間內(nèi)追蹤模擬焊接工具的位置和定向。在步驟1330中，觀看所述虛擬現(xiàn)實(shí)焊接系統(tǒng)的顯示畫面，在仿真的模擬焊接工具通過在從所述仿真的模擬焊接工具射出的仿真的電弧附近形成仿真的熔池，來將仿真的焊道材料堆積到所述仿真的焊接試樣的至少一個(gè)仿真的表面上時(shí)，所述顯示畫面示出所述模擬焊接工具和所述焊接試樣在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中的實(shí)時(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真。在步驟1340中，在所述顯示畫面上觀看所述仿真的熔池的實(shí)時(shí)熔融金屬流動(dòng)性和散熱特征。在步驟1350中，響應(yīng)于觀看所述仿真的熔池的所述實(shí)時(shí)熔融金屬流動(dòng)性和散熱特征而實(shí)時(shí)地改變所述焊接技法的至少一個(gè)方面。

方法1300圖示說明使用者如何能夠觀看虛擬現(xiàn)實(shí)空間中的熔池并響應(yīng)于觀看仿真的熔池的各種特征(包括實(shí)時(shí)熔融金屬流動(dòng)性(例如粘滯性)和散熱)而改變其焊接技法。使用者還可以觀看并響應(yīng)于其他特征，包括實(shí)時(shí)熔池痕跡和幣狀體間隔。觀看并響應(yīng)于熔池的特征是焊接操作在真實(shí)世界中實(shí)際上被執(zhí)行的是多少。焊接物理功能1211的雙移置層模型運(yùn)行在gpu115上，允許這樣的實(shí)時(shí)熔融金屬流動(dòng)性和散熱特征被準(zhǔn)確地建模并向使用者展示。例如，散熱確定固化時(shí)間(即焊元需要多少時(shí)間徹底地固化)。

另外，使用者可以使用相同或不同的(例如第二)模擬焊接工具、焊條和/或焊接工藝，在焊道材料上完成第二焊道。在這樣的第二焊道情景中，在仿真的模擬焊接工具通過在從仿真的模擬焊接工具射出的仿真的電弧附近形成第二仿真的熔池，堆積與第一仿真的焊道材料結(jié)合的第二仿真的焊道材料時(shí)，所述仿真示出虛擬現(xiàn)實(shí)空間中的所述仿真的模擬焊接工具、焊接試樣以及原始的仿真焊道材料。可以以類似的方式形成使用相同或不同的焊接工具或工藝的附加的后續(xù)焊道。根據(jù)本發(fā)明的特定實(shí)施方案，當(dāng)由先前的焊道材料、新焊道材料以及有可能在下面的試樣材料中的任何組合在虛擬現(xiàn)實(shí)世界中形成新熔池時(shí)，在任一第二或后續(xù)焊道中，先前的焊道材料與被堆積的新焊道材料結(jié)合。這樣的后續(xù)焊道例如可以被執(zhí)行來修復(fù)由先前的焊道形成的焊道，或者可以包括高溫焊道(heatpass)和在管焊接中完成焊根焊道后的一個(gè)或更多個(gè)彌合間隙的(gapclosing)焊道。根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施方案，基底和焊道材料可以被仿真為包括軟鋼、不銹鋼和鋁。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，采用不銹鋼材料的焊接在實(shí)時(shí)虛擬環(huán)境中被仿真?；捉饘偻庥^被仿真來提供不銹鋼焊接件的現(xiàn)實(shí)表征。視覺效果的仿真被提供來改變可見光譜以適應(yīng)電弧的著色(coloration)。現(xiàn)實(shí)的聲音也基于適當(dāng)?shù)墓ぷ骶嚯x、點(diǎn)火(ignition)和速度被仿真。電弧熔池外觀和沉積物外觀基于熱影響區(qū)和焊炬移動(dòng)被仿真。氧化鋁或氮化鋁膜的浮渣或破碎的顆粒的仿真被提供，所述浮渣或破碎的顆粒可以散布于整個(gè)焊道。與加熱和冷卻影響區(qū)相關(guān)的計(jì)算針對(duì)不銹鋼焊接來調(diào)整。與飛濺相關(guān)的不連貫操作被提供來更接近地且精確地仿真不銹鋼gmaw焊接的外觀。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，采用鋁材料的焊接在實(shí)時(shí)虛擬環(huán)境中被仿真。焊道痕跡(beadwake)被仿真來將鋁焊接的外觀接近地匹配為現(xiàn)實(shí)世界中所看到的外觀?；捉饘偻庥^被仿真來表征鋁焊接件的現(xiàn)實(shí)表征。視覺效果的仿真被提供來改變可見光譜以適應(yīng)電弧的著色。照明(lighting)的計(jì)算被提供來創(chuàng)建反射性。與加熱和冷卻影響區(qū)相關(guān)的計(jì)算針對(duì)鋁焊接來調(diào)整。氧化的仿真被提供來創(chuàng)建現(xiàn)實(shí)的“清理動(dòng)作(cleaningaction)”。現(xiàn)實(shí)的聲音也基于適當(dāng)?shù)墓ぷ骶嚯x、點(diǎn)火和速度被仿真。電弧熔池外觀和沉積物外觀基于熱影響區(qū)和焊炬移動(dòng)被仿真。gmaw焊炬中鋁焊絲的外觀被仿真來提供現(xiàn)實(shí)的且適當(dāng)?shù)耐庥^。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，gtaw焊接在實(shí)時(shí)虛擬環(huán)境中被仿真。針對(duì)gtaw焊接的操作參數(shù)的仿真被提供，所述操作參數(shù)包括但不限于，流速、脈沖頻率、脈沖寬度、電弧電壓控制、ac平衡以及輸出頻率控制。熔池“飛濺(splash)”或浸漬技術(shù)以及焊接消耗品的熔化的視覺表征也被仿真。另外，焊縫熔池中自發(fā)的(沒有填充金屬的)焊接操作以及利用填充金屬的gtaw焊接操作的表征被可視地且可聽地呈現(xiàn)。附加的填充金屬變化的實(shí)現(xiàn)方式可以被仿真，所述填充金屬包括但不限于碳鋼、不銹鋼、鋁以及鉻鉬鋼。外部腳踏板的可選的實(shí)現(xiàn)方式在焊接時(shí)可以針對(duì)操作來提供。

用于建模的引擎

圖14a-14b根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案圖示說明焊接元(焊元)移置圖1420的概念。圖14a示出具有平坦頂部表面1410的平坦焊接試樣1400的側(cè)視圖。焊接試樣1400以例如塑料部件的形式存在于真實(shí)世界中，并且還可以以仿真的焊接試樣的形式存在于虛擬現(xiàn)實(shí)空間中。圖14b示出仿真的焊接試樣1400的頂部表面1410的表征，所述頂部表面1410被分解為形成焊元圖1420的焊接元(稱為“焊元”)的網(wǎng)格或陣列。每個(gè)焊元(例如，焊元1421)限定焊接試樣的表面1410的一小部分。焊元圖限定了表面分辨率?？筛淖兊耐ǖ?channel)參數(shù)值被分配給每個(gè)焊元，允許每個(gè)焊元的值于仿真的焊接工藝期間，在虛擬現(xiàn)實(shí)焊縫空間中以實(shí)時(shí)的方式動(dòng)態(tài)地改變。所述可改變的通道參數(shù)值對(duì)應(yīng)于通道熔池(熔融金屬流動(dòng)性/粘滯性移置)、熱(吸熱/散熱)、移置(固體移置)、以及額外內(nèi)容(各種額外狀態(tài)，例如熔渣、顆粒、焦痕、原始金屬(virginmetal))。本文中將這些可改變的通道稱為phed，phed分別對(duì)應(yīng)熔池、熱、額外內(nèi)容以及移置。

圖15圖示說明仿真于圖1和2的仿真器10中的圖14的平坦焊接試樣1400的試樣空間和焊縫空間的示例性實(shí)施方案。點(diǎn)o、x、y和z限定局部3d試樣空間。總地來說，每種試樣類型限定從3d試樣空間到2d虛擬現(xiàn)實(shí)焊縫空間的映射。圖14的焊元圖1420為映射到虛擬現(xiàn)實(shí)焊縫空間的值的二維矩陣。如在圖15中所示的，使用者將從點(diǎn)b到點(diǎn)e進(jìn)行焊接。在圖15中，在3d試樣空間和2d焊縫空間二者中示出從點(diǎn)b到點(diǎn)e的軌跡線。

每種類型的試樣針對(duì)焊元圖中的每個(gè)位置限定移置的方向。對(duì)于圖15的平坦焊接試樣，焊元圖(即，在z方向上)中的全部位置的移置方向是相同的。為闡明所述映射，在3d試樣空間和2d焊縫空間二者中將焊元圖的紋理坐標(biāo)示為s、t(有時(shí)稱為u、v)。焊元圖被映射到并且表征焊接試樣1400的矩形表面1410。

圖16圖示說明仿真于仿真器10的拐角焊接試樣1600的試樣空間和焊縫空間的示例性實(shí)施方案。拐角焊接試樣1600具有在3d試樣空間中的兩個(gè)表面1610和1620，所述兩個(gè)表面1610和1620如在圖16所示的被映射到2d焊縫空間。同樣，點(diǎn)o、x、y和z限定局部3d試樣空間。為闡明所述映射，在3d試樣空間和2d焊縫空間二者中將焊元圖的紋理坐標(biāo)示為s、t。如在圖16中所示的，使用者將從點(diǎn)b到點(diǎn)e進(jìn)行焊接。在圖16中，在3d試樣空間和2d焊縫空間二者中示出從點(diǎn)b到點(diǎn)e的軌跡線。然而，移置的方向是朝向如在3d試樣空間中示出的線條x'-o'，朝向相對(duì)的拐角。

圖17圖示說明仿真于仿真器10中的管狀焊接試樣1700的試樣空間和焊縫空間的示例性實(shí)施方案。管狀焊接試樣1700在3d試樣空間中具有彎曲的表面1710，所述表面1710被映射到2d焊縫空間。點(diǎn)o、x、y和z再一次限定局部3d試樣空間。為闡明所述映射，在3d試樣空間和2d焊縫空間二者中將焊元圖的紋理坐標(biāo)示為s、t。如在圖17中所示的，最終使用者12將從點(diǎn)b到點(diǎn)e沿彎曲的軌跡進(jìn)行焊接。分別在3d試樣空間和2d焊縫空間示出從點(diǎn)b到點(diǎn)e的軌跡曲線和線。移置的方向遠(yuǎn)離線條y-o(即遠(yuǎn)離管的中心)。圖18圖示說明圖17的管焊接試樣1700的示例性實(shí)施方案。管狀焊接試樣1700由非鐵的、不導(dǎo)電的塑料制成，并且仿真聚到一起形成焊根接頭1703的兩個(gè)管狀部件1701和1702。還示出用于附接底座170的臂173的附接部件1704。

以與紋理圖可以被映射到幾何結(jié)構(gòu)的矩形表面區(qū)域的類似方式，可焊接焊元圖可以被映射到焊接試樣的矩形表面。在與圖像的每個(gè)元被稱作像元(圖像元的縮寫)相同的意義上，可焊接圖的每個(gè)元被稱作焊元。像元包含限定顏色(例如紅色、綠色、藍(lán)色等)的信息通道。焊元包含限定在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中可焊接表面的信息通道(例如p、h、e、d)。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，焊元的格式被歸結(jié)為包含四個(gè)浮點(diǎn)數(shù)的通道phed(熔池、熱、額外內(nèi)容、移置)。額外的通道被用作儲(chǔ)存關(guān)于焊元的邏輯信息(例如，在所述焊元位置是否存在任何熔渣)的一組二進(jìn)制數(shù)。熔池通道儲(chǔ)存針對(duì)所述焊元位置的任何液化的金屬的移置值。移置通道儲(chǔ)存針對(duì)所述焊元位置的固化的金屬的移置值。熱通道儲(chǔ)存給出在所述焊元位置的熱量級(jí)的值。以這種方式，試樣的可焊接部分可以示出因被焊接的焊道而產(chǎn)生的移置、因液態(tài)金屬而產(chǎn)生的閃爍的表面“熔池”、因熱而產(chǎn)生的顏色等。所有這些效果均通過被施加到可焊接的表面的頂點(diǎn)著色器和像元著色器來實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，使用移置圖和粒子系統(tǒng)，其中粒子可以彼此相互作用并碰撞移置圖。所述粒子是虛擬的動(dòng)態(tài)流體粒子并且提供熔池的液體行為，但不是直接地呈現(xiàn)(即不是直接可見的)。相反，只有在所述移置圖上的粒子作用是在視覺上可見的。輸入到焊元的熱影響鄰近粒子的運(yùn)動(dòng)。涉及仿真熔池的有兩種類型的移置，這兩種類型的移置包括熔池和移置。熔池是“臨時(shí)的”并且僅持續(xù)于存在粒子并出現(xiàn)熱的時(shí)候。移置是“永久的”。熔池移置是快速變化(例如閃爍)的焊縫液態(tài)金屬并且可以被看作是在移置的“頂部”。粒子覆蓋虛擬表面移置圖(即焊元圖)的一部分。移置表征永久的固體金屬，所述永久的固體金屬包括最初的基底金屬和已固化的焊道二者。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中仿真的焊接工藝以以下方式工作：粒子從薄型錐狀部件中的發(fā)射器(仿真的模擬焊接工具160的發(fā)射器)流出。所述粒子第一次接觸仿真的焊接試樣的表面，其中所述表面由焊元圖限定。所述粒子彼此相互作用且與焊元圖相互作用，并且以實(shí)時(shí)的方式累積起來。焊元越靠近發(fā)射器，則加的熱越多。熱根據(jù)與電弧點(diǎn)的距離和熱從電弧輸入的時(shí)間量被建模。特定圖形部分(例如顏色等)是由熱驅(qū)動(dòng)的。針對(duì)足夠高溫的焊元，在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中繪制或呈現(xiàn)熔池。無論何處只要足夠熱，焊元圖液化，導(dǎo)致針對(duì)這些焊元位置熔池移置“升起”。通過在每個(gè)焊元位置采樣“最高的”粒子來確定熔池移置。當(dāng)發(fā)射器沿焊縫軌跡前進(jìn)時(shí)，留下的焊元位置冷卻。熱以特定速率從焊元位置被移除。當(dāng)達(dá)到冷卻閾值時(shí)，焊元圖固化。這樣，熔池移置逐漸被轉(zhuǎn)化為移置(即固化的焊道)。增加的移置等于去除的熔池，從而整體高度并未改變。調(diào)整或調(diào)節(jié)粒子的壽命以在固化完成之前得以存留。被建模于仿真器10中的特定粒子特性包括吸引/排斥、速度(相對(duì)于熱)、潤濕(相對(duì)于散熱)、方向(相對(duì)于重力)。

圖19a-19c圖示說明仿真器10的雙移置(移置和粒子)熔池模型的概念的示例性實(shí)施方案。在虛擬現(xiàn)實(shí)空間內(nèi)仿真具有至少一個(gè)表面的焊接試樣。在虛擬現(xiàn)實(shí)空間內(nèi)仿真焊接試樣的表面，形成包括固體移置層和熔池移置層的雙移置層。熔池移置層能夠改變固體移置層。

如本文所描述的，“熔池”由焊元圖的一區(qū)域限定，其中熔池值已經(jīng)由于粒子的存在而提高。采樣過程被表征于圖19a-19c。示出焊元圖的一具有七個(gè)鄰近焊元的區(qū)段。當(dāng)前的移置值由具有給定高度的無陰影的矩形條1910表征。在圖19a中，粒子1920被示為與當(dāng)前移置水平面碰撞的圓形無陰影的點(diǎn)并且被堆集。在圖19b中，“最高的”粒子高度1930在每個(gè)焊元位置被采樣。在圖19c中，帶陰影的矩形1940示出由于粒子的緣故，移置的頂部上已增加多少熔池。由于熔池以基于熱的特定液化率被增加，焊縫熔池高度不會(huì)立即被置為采樣的值。盡管未在圖19a-19c中示出，使所述固化過程可視化是可能的，如熔池(帶陰影的矩形)逐漸縮小而移置(無陰影的矩形)從下面逐漸增大以正好替換所述熔池。以這種方式，實(shí)時(shí)熔融金屬流動(dòng)性特征被準(zhǔn)確地仿真。當(dāng)使用者練習(xí)特定焊接工藝時(shí)，使用者能夠在實(shí)時(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)空間中觀察熔池的熔融金屬流動(dòng)性特征和散熱特征，并且使用該信息來調(diào)節(jié)或保持其焊接技法。

表征焊接試樣的表面的焊元的數(shù)目是固定的。另外，如本文所描述的，由仿真生成來建模流動(dòng)性的熔池粒子是臨時(shí)的。因而，一旦使用仿真器10在仿真的焊接工藝期間于虛擬現(xiàn)實(shí)空間內(nèi)生成原始熔池，焊元加上熔池粒子的數(shù)目往往是保持相對(duì)恒定的。這是因?yàn)樵诤附庸に嚻陂g，正在被處理的焊元的數(shù)目是固定的，并且由于熔池粒子以相似的速率(即熔池粒子是臨時(shí)的)正被創(chuàng)建和“銷毀”，存在的且正在被處理的熔池粒子的數(shù)目趨于保持相對(duì)恒定。因此，在仿真的焊接階段期間，基于邏輯處理器的子系統(tǒng)110的處理負(fù)載保持相對(duì)恒定。

根據(jù)本發(fā)明可替換的實(shí)施方案，熔池粒子可以被生成在焊接試樣的表面中或在焊接試樣的表面下方。在這樣的實(shí)施方案中，移置可以以相對(duì)于初始(即未被焊接的)試樣的原始表面移置為正向或負(fù)向的方式被建模。以這種方式，熔池粒子可以不僅在焊接試樣的表面上建立，還可以熔透焊接試樣。然而，焊元的數(shù)目仍是固定的，并且被創(chuàng)建和銷毀的熔池粒子仍是相對(duì)恒定的。

根據(jù)本發(fā)明可替換的實(shí)施方案，可以提供具有更多通道的焊元移置圖來建模熔池的流動(dòng)性而不是建模粒子?；蛘撸梢越３砻艿捏w元圖(voxelmap)而不是建模粒子。或者，可以只建模被采樣并且永遠(yuǎn)不會(huì)消失的粒子，而不是建模焊元圖。然而，這樣的可替換實(shí)施方案可能不為系統(tǒng)提供相對(duì)恒定的處理負(fù)載。

此外，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，通過將材料移走來仿真穿透或透孔(keyhole)。例如，如果使用者在真實(shí)世界中將電弧保持在同一位置過長時(shí)間，材料將會(huì)燃掉造成孔洞。這樣的真實(shí)世界穿透通過焊元抽選技術(shù)(decimationtechniques)被仿真于仿真器10。如果由一焊元吸收的熱量被仿真器10確定為太高，該焊元可以被標(biāo)記或被指定為是被燒掉的并且以此進(jìn)行呈現(xiàn)(例如被呈現(xiàn)為孔洞)。然而，接下來，針對(duì)特定焊接工藝(例如管焊接)可以發(fā)生焊元重建，其中在最初被燒掉后，材料被添加回去。總之，仿真器10仿真焊元抽選(將材料移走)和焊元重建(即將材料添加回去)。

另外，在焊根焊道焊接中移除材料的操作被適當(dāng)?shù)胤抡嬗诜抡嫫?0。例如，在真實(shí)世界中，在進(jìn)行后續(xù)焊接行程之前，可以執(zhí)行焊根焊道的打磨。類似地，仿真器10可以仿真將材料從虛擬焊接接頭移除的打磨行程操作。要理解的是，所移除的材料被建模為焊元圖上的負(fù)向移置。也就是說，移除材料的打磨焊道操作由仿真器10建模，導(dǎo)致改變的焊道輪廓。打磨行程操作的仿真可以是自動(dòng)的，這也就是說，仿真器10移除一預(yù)先確定厚度的材料，所述預(yù)先確定厚度的材料可以是對(duì)應(yīng)焊根焊道的焊道表面。在可替換的實(shí)施方案中，實(shí)際打磨工具或磨機(jī)(grinder)可以被仿真為通過模擬焊接工具160或另一輸入裝置的激活而啟用或關(guān)閉。注意的是，打磨工具可以被仿真來效仿(resemble)真實(shí)世界的磨機(jī)。在該實(shí)施方案中，使用者沿焊根焊道操縱(maneuver)打磨工具以響應(yīng)所述打磨工具的運(yùn)動(dòng)而移除材料。要理解的是，使用者可以被允許移除過多的材料。以與上述類似的方式，如果使用者“打磨掉”過多的材料則可能導(dǎo)致孔洞或透孔，或者其他(上述的)缺陷。再有，可以實(shí)現(xiàn)(即被編程)強(qiáng)制限位或停止，來防止使用者移除過多的材料或在過多的材料正被移除時(shí)進(jìn)行提示。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，除本文所描述的不可視的“熔池”粒子外，仿真器10還使用其他三種類型的可視粒子來表征電弧效果、火焰效果以及火星效果。這些類型的粒子不會(huì)與任何類型的其他粒子相互作用，而僅會(huì)與移置圖相互作用。盡管這些粒子確實(shí)與仿真的焊接表面碰撞，但它們彼此不會(huì)相互作用。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，僅有熔池粒子會(huì)彼此相互作用?；鹦橇Ｗ拥奈锢硖卣鞅贿@樣設(shè)置，從而在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中火星粒子四處跳竄并且被呈現(xiàn)為發(fā)光的點(diǎn)(glowingdots)。

電弧粒子的物理特征被這樣設(shè)置，從而電弧粒子撞擊(hit)仿真的試樣表面或焊道并且停留一段時(shí)間。電弧粒子在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中被呈現(xiàn)為較大的暗青白色點(diǎn)。采用許多疊加的這樣的點(diǎn)來形成任一種可視圖像。最終結(jié)果是具有藍(lán)色邊緣的白色發(fā)光光環(huán)(nimbus)。

火焰粒子的物理特征被建模來緩慢地向上升起?；鹧媪Ｗ颖怀尸F(xiàn)為中等大小的暗紅黃色點(diǎn)。采用許多疊加的這樣的點(diǎn)來形成任一種可視圖像。最終結(jié)果是向上升起并淡出的(fadingout)具有紅色邊緣的橙紅色火焰團(tuán)。根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施方案，其他類型的非熔池粒子可以被實(shí)現(xiàn)在仿真器10中。例如，可以以與火焰粒子類似的方式建模并仿真煙塵粒子。

仿真的可視化過程中最后的步驟由gpu115的著色器117所提供的頂點(diǎn)著色器和像元著色器來處理。頂點(diǎn)著色器和像元著色器提供熔池和移置以及由于熱而改變的表面顏色和發(fā)射率等。如本文前面所述的phed焊元格式中的額外(e)通道包含每個(gè)焊元處所使用的所有額外信息。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，額外信息包括非初始位(真＝焊道，假＝初始鋼鐵)、熔渣位、咬邊值(在該焊元處咬邊的量，其中零等于無咬邊)、多孔值(在該焊元處多孔的量，其中零等于無多孔)，以及編碼焊道固化時(shí)間的所述焊道痕跡值。存在一組與不同試樣畫面相關(guān)聯(lián)的圖像映射，包括初始鋼鐵、熔渣、焊道和多孔。這些圖像映射被用于凹凸映射和紋理映射二者中。這些圖像映射融合(blending)的量由本文所描述的各種標(biāo)記和值來控制。

使用1d圖像映射以及每個(gè)焊元焊道痕跡值實(shí)現(xiàn)焊道痕跡效果，所述每個(gè)焊元焊道痕跡值編碼焊道的給定部分(agivenbit)被固化的時(shí)間。一旦高溫熔池焊元位置不再是被稱為“熔池”的足夠高溫，時(shí)間被保存在該位置并且被稱為“焊道痕跡”。最終結(jié)果是著色器代碼能夠使用1d紋理映射來繪制“波痕(ripples)”，所述“波痕”給出刻畫(portray)所述焊道被鋪設(shè)的方向的獨(dú)特的外觀。根據(jù)本發(fā)明可替換的實(shí)施方案，仿真器10能夠在虛擬現(xiàn)實(shí)空間內(nèi)仿真并顯示焊道，所述焊道具有當(dāng)所述仿真的熔池沿著焊縫軌跡移動(dòng)時(shí)由所述仿真的熔池的實(shí)時(shí)流動(dòng)性到固化過渡造成的實(shí)時(shí)焊道痕跡特征。

根據(jù)本發(fā)明可替換的實(shí)施方案，仿真器10能夠教導(dǎo)使用者如何對(duì)焊接機(jī)器進(jìn)行故障排解(troubleshoot)。例如，系統(tǒng)的故障排解模式可以訓(xùn)練使用者確保其正確地(例如正確的氣體流率、連接正確的電源線等)設(shè)置所述系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明另一可替換的實(shí)施方案，仿真器10能夠記錄并重放焊接過程(或者至少焊接過程的一部分，例如n幀)?？梢蕴峁┸壽E球(trackball)來滾動(dòng)視頻的幀，允許使用者或者指導(dǎo)人員評(píng)論焊接過程。還可以以可選擇的速度(例如全速、半速、四分之一速度)提供重放。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，可以提供分屏(split-screen)重放，例如允許在觀察者顯示裝置150上并排地(side-by-side)觀看兩個(gè)焊接過程。例如出于對(duì)比的目的，“好的”焊接過程可以靠近“差的”焊接過程被觀看。

自動(dòng)焊接也是本發(fā)明的方面。自動(dòng)焊接的一個(gè)說明性實(shí)施例是軌道焊接，所述軌道焊接通常被用于各種類型材料的管道(tube)或管(pipe)的接合。例如，tig(gtaw)焊炬可以被用來通過自動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)繞行要被焊接到一起的管。圖20圖示說明如在軌道焊接環(huán)境中使用的軌道焊接系統(tǒng)的示例性實(shí)施方案。軌道焊接系統(tǒng)包括繞管或管道行進(jìn)的焊接牽引器，焊接電源和控制器，以及提供操作者控制的遙控器。圖21示出圖20的軌道焊接系統(tǒng)的焊接牽引器2010，如可操作地連接到要被焊接的兩個(gè)管。圖22示出圖20的軌道焊接系統(tǒng)的電源和控制器2020，并且圖23示出圖20的軌道焊接系統(tǒng)的遙控器2030。

盡管上面的討論針對(duì)的是多種工藝(其包括軌道焊接)的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真，但本發(fā)明的實(shí)施方案不限于該方面并且包括與根據(jù)使用者限定的設(shè)置形成的焊縫相關(guān)聯(lián)的實(shí)際設(shè)置和性能特性的教導(dǎo)和反饋方面。如上面所討論的，gtaw/gmaw焊接需要訓(xùn)練來確保操作者理解可用于該工藝的實(shí)踐的控制。存在這樣的誤解，即與軌道焊接系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的自動(dòng)化消除了對(duì)訓(xùn)練的需要，因?yàn)闄C(jī)器在完成焊接。自動(dòng)軌道焊接需要訓(xùn)練來確保操作者理解焊接以及用于控制tig焊道的所有獨(dú)特的設(shè)置和實(shí)現(xiàn)技術(shù)。這包括錯(cuò)誤校正、較大直徑管焊接、遠(yuǎn)程攝像機(jī)的利用以及適當(dāng)?shù)腻e(cuò)誤評(píng)估和校正。訓(xùn)練程序提供了這樣的不一致的或不充分的范圍，即教導(dǎo)好的焊接條件、差的焊接條件以及對(duì)每個(gè)來執(zhí)行、作出反應(yīng)或校正的機(jī)制。難以找到有足夠背景和/或行業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的這種類型的利基(niche)方案的指導(dǎo)者。只有通過由合格的指導(dǎo)者所教導(dǎo)的質(zhì)量訓(xùn)練，軌道焊接裝備的操作者才可以獲得滿足當(dāng)今焊接環(huán)境中的嚴(yán)格的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)所需要的復(fù)雜技術(shù)。附加地，在具有長焊接接頭的大圓周項(xiàng)目上，保持注意力和集中精力的難度呈現(xiàn)了一個(gè)重要的問題。

在gtaw工藝中，電弧被保持在非可消耗的鎢電極和工件之間。電極支持著電弧的熱量，并且工件的金屬熔化并形成焊縫熔池。工件的熔融金屬和電極必須被保護(hù)免受大氣中的氧的影響，因此典型地采用惰性氣體(例如氬)作為保護(hù)氣體。如果填充金屬的添加被使用，填充焊絲可以被送進(jìn)到焊縫熔池，在所述焊縫熔池中，填充焊絲由于電弧傳遞的能量而熔化。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，虛擬現(xiàn)實(shí)焊接系統(tǒng)被提供，所述虛擬現(xiàn)實(shí)焊接系統(tǒng)并入與以下內(nèi)容相關(guān)的技術(shù)：查看gtaw/gmaw自動(dòng)焊接操作、使用遙控器(實(shí)際的或虛擬的)或遠(yuǎn)程控制(當(dāng)它與自動(dòng)焊接相關(guān))、基于所選的焊接參數(shù)組合識(shí)別焊接的不連貫，以及通過使用者屏幕的使用校正操作者選擇和參數(shù)的組合，以利用與自動(dòng)焊接相關(guān)的適當(dāng)?shù)男g(shù)語和視覺元素來理解各種參數(shù)的交互以及它們對(duì)焊接質(zhì)量的影響。

通過在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)軌道gtaw訓(xùn)練，許多問題可以被解決。例如，行業(yè)與軌道焊接方面的經(jīng)驗(yàn)是基于開發(fā)公司的知識(shí)的，并且因此與可獲得的最新技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)相一致并被更新到可獲得的最新技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，這在虛擬環(huán)境中通過軟件更新來容易地完成。對(duì)于該程序而言，指導(dǎo)者變成推進(jìn)者而不需要是軌道gtaw專家。附加的訓(xùn)練輔助(例如路徑跟隨提示或視覺覆蓋)提高虛擬環(huán)境中的訓(xùn)練傳遞。軌道gtaw裝備(其可以成為過時(shí)的)不需要被采購。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以被用在一對(duì)一的訓(xùn)練環(huán)境或教室類型的場景中。

虛擬架構(gòu)的使用允許多個(gè)遙控器以一個(gè)訓(xùn)練裝置仿真。在實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)中的軌道gtaw中，遙控器可以被制為物理裝置或?yàn)樘摂M遙控器。利用物理裝置，學(xué)員能夠與控制裝置交互并且得到對(duì)于控制的“感覺”。利用虛擬遙控器(其中控制裝置在觸摸屏上是可獲得的并且是與之交互的)，使用者能夠容易地選擇多種用于控制的遙控器，無論它們是定制的還是取決于公司的。虛擬遙控器還允許啟用不同類型的控制或水平，以用于學(xué)員根據(jù)基于他們的行業(yè)水平(反映領(lǐng)域工作經(jīng)驗(yàn))可獲得的學(xué)習(xí)水平或控制來使用。與傳統(tǒng)的訓(xùn)練不同，隨機(jī)化的故障(例如，焊絲嵌套)可以被實(shí)現(xiàn)而不損壞裝備或者不需耗時(shí)的設(shè)置，所述隨機(jī)化的故障提供使用者更詳細(xì)和完整的經(jīng)驗(yàn)。

學(xué)習(xí)交互的一部分是基于接頭、制備、材料類型等等對(duì)適當(dāng)?shù)暮附訁?shù)的理解。根據(jù)實(shí)施方案，在虛擬現(xiàn)實(shí)中，支持理論的屏幕可以被啟用，以提示有知識(shí)的使用者作出適當(dāng)?shù)倪x擇。附加的屏幕或表格可以被啟用，以提示有知識(shí)的使用者輸入什么，而且還可以在錯(cuò)誤的選擇被選擇時(shí)被啟用，以強(qiáng)調(diào)什么被選擇了并且利用所識(shí)別的適當(dāng)?shù)倪x擇強(qiáng)調(diào)為什么它是不正確的。這種類型的智能代理可以確保學(xué)員不會(huì)不正確地執(zhí)行并且被最終的結(jié)果所挫敗，積極強(qiáng)化和學(xué)習(xí)成為關(guān)鍵。本發(fā)明的實(shí)施方案還將允許系統(tǒng)或指導(dǎo)者考查使用者的知識(shí)并且針對(duì)各個(gè)使用者的盲點(diǎn)調(diào)整訓(xùn)練課程和測試。本發(fā)明的實(shí)施方案采用人工智能(ai)和學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)(lms)來幫助所需領(lǐng)域的指導(dǎo)、強(qiáng)化知識(shí)以及提供學(xué)習(xí)輔助。

設(shè)置參數(shù)可以包括但不限于：惰性氣體(例如，氬、氦)；電弧點(diǎn)火；焊接電流(例如，脈沖的對(duì)(vs.)非脈沖的)；避免在焊縫的端部形成坑的衰減(downslope)功能；焊炬轉(zhuǎn)動(dòng)行進(jìn)速度；焊絲送進(jìn)特性(例如，脈沖波形)；焊絲直徑選擇；電弧電壓；焊條和工件之間的距離；焊接振蕩控制；遠(yuǎn)程控制；一般集成的閉環(huán)水冷卻電路的冷卻特性；以及焊接循環(huán)程序設(shè)計(jì)(常常具有四軸)等等。

焊縫的檢查和回顧是學(xué)習(xí)過程的另一方面。學(xué)員可以查看焊縫并且識(shí)別什么是正確的或錯(cuò)誤的，并且基于這些選擇，接收得分來識(shí)別它們是否是正確的，并且進(jìn)一步接收關(guān)于基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的什么是正確的或錯(cuò)誤的輸入。這可以被進(jìn)一步增強(qiáng)來識(shí)別如何校正這些狀況。例如，具有正確的安培數(shù)和速度(識(shí)別的)，基于特定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，焊縫可能是優(yōu)良焊縫。

如上面所描述的，在虛擬現(xiàn)實(shí)焊接中用于輸入選擇的物理教學(xué)遙控器或手持式控制裝置可以被提供?？商鎿Q地，針對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)焊接的用于控制輸入選擇的虛擬教學(xué)遙控器裝置可以被提供?？梢栽谘b置上啟用的與手持式或虛擬裝置的交互是取決于學(xué)員學(xué)習(xí)水平或行業(yè)角色的。根據(jù)實(shí)施方案，基于使用者的限制控制或交互可以被提供來增強(qiáng)學(xué)習(xí)目標(biāo)或強(qiáng)化行業(yè)角色交互。

基于可視的、可聽的或物理的改變的教學(xué)交互或反應(yīng)可以被提供，以確保使用者了解適當(dāng)?shù)脑O(shè)置或錯(cuò)誤恢復(fù)。再有，基于可視的、可聽的或物理的改變的教學(xué)交互或反應(yīng)可以被提供，以確保使用者了解基于環(huán)境的或焊接具體的改變所需要的在控制上被作出的適當(dāng)改變。虛擬計(jì)算器或表格可以被啟用，所述虛擬計(jì)算器或表格允許輸入并且基于所輸入的值提供輸出。基于不正確的設(shè)置參數(shù)或選擇的支持智能代理的結(jié)果可以被提供，以強(qiáng)化正確的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。另外，基于目前可視的、有聲的或物理的指示，識(shí)別適當(dāng)?shù)目刂戚斎霊?yīng)該是什么的支持智能代理的輸入可以被提供。根據(jù)實(shí)施方案，基于攝像機(jī)的系統(tǒng)的仿真可以與路徑跟隨和路徑確定系統(tǒng)的創(chuàng)建一起被提供，所述路徑跟隨和路徑確定系統(tǒng)以基于模糊邏輯控制器的系統(tǒng)為基礎(chǔ)。例如，多種呈現(xiàn)可以通過仿真兩個(gè)攝像機(jī)視場被提供，以使攝像機(jī)視場可以在仿真期間移動(dòng)。根據(jù)實(shí)施方案，警報(bào)器可以例如基于模糊邏輯在偏離所期望的路徑時(shí)發(fā)聲。仿真的tig焊縫熔池的可視化可以經(jīng)由像素尺寸來提供，所述像素尺寸足夠小以提供tig焊縫熔池的適當(dāng)?shù)目梢暬?。為了更好地被使用者看到，仿真的tig焊縫熔池的放大的仿真也可以被提供。

針對(duì)使用者的多個(gè)經(jīng)驗(yàn)水平(lms兼容的)可以被提供，所述多個(gè)經(jīng)驗(yàn)水平適應(yīng)于使用者的技術(shù)水平、學(xué)習(xí)速度和學(xué)習(xí)類型。基于人工智能(ai)的故障感應(yīng)也可以被提供，以測試使用者檢測問題、校正問題以及從問題中恢復(fù)的能力。不安全的狀況、機(jī)器設(shè)置和材料缺陷的仿真可以被提供。再有，根據(jù)實(shí)施方案，能夠進(jìn)行多語言的系統(tǒng)可以被提供，以顧及針對(duì)全球市場訓(xùn)練的協(xié)調(diào)。本發(fā)明的實(shí)施方案可以提供這樣的虛擬仿真環(huán)境，所述虛擬仿真環(huán)境例如在某些軌道焊接情景中允許兩個(gè)或更多個(gè)使用者(多人)來創(chuàng)建虛擬焊縫。

增強(qiáng)仿真的tig焊接

一種實(shí)施方案提供用于便利虛擬焊接活動(dòng)的仿真器。所述仿真器包括基于邏輯處理器的子系統(tǒng)，所述基于邏輯處理器的子系統(tǒng)可操作來執(zhí)行編碼指令以在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中生成交互焊接環(huán)境，所述交互焊接環(huán)境模仿虛擬焊接試樣上的焊接活動(dòng)，其中所述交互焊接環(huán)境響應(yīng)于實(shí)時(shí)地執(zhí)行虛擬焊接活動(dòng)，仿真虛擬焊接試樣上的虛擬焊縫熔池，所述虛擬焊縫熔池具有動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)熔融金屬流動(dòng)性和散熱特征。術(shù)語“基于邏輯處理器的子系統(tǒng)”和“基于可編程處理器的子系統(tǒng)”在本文可以被可互換地使用。如本文所使用的術(shù)語“虛擬”可以指的是通過仿真器的計(jì)算機(jī)指令在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中被仿真的部件。一些虛擬部件可以例如經(jīng)由如本文所描述的顯示裝置顯示給使用者。

仿真器進(jìn)一步包括腳踏板裝置，所述腳踏板裝置與基于邏輯處理器的子系統(tǒng)可操作的通信，并且被配置來響應(yīng)于使用者對(duì)腳踏板裝置的控制，實(shí)時(shí)地影響虛擬焊縫熔池的至少一個(gè)特征。所述仿真器還包括顯示裝置，所述顯示裝置被可操作地連接到基于邏輯處理器的子系統(tǒng)，并且被配置來在視覺上實(shí)時(shí)地描繪交互焊接環(huán)境，包括虛擬焊接試樣上的虛擬焊縫熔池。腳踏板裝置可以通過有線裝置或者無線裝置中的一個(gè)與基于邏輯處理器的子系統(tǒng)可操作的通信。虛擬焊縫熔池的至少一個(gè)特征可以是虛擬焊縫熔池的寬度和虛擬焊縫熔池的高度中的一個(gè)或更多個(gè)。

腳踏板裝置可以是仿真真實(shí)世界腳踏板裝置的模擬腳踏板裝置，或者腳踏板裝置可以是能夠與真實(shí)世界焊接系統(tǒng)以及與仿真器一起使用的真實(shí)世界腳踏板裝置?；谶壿嬏幚砥鞯淖酉到y(tǒng)可以被配置來響應(yīng)于使用者對(duì)腳踏板裝置的控制，仿真焊接參數(shù)(例如仿真的焊接輸出電流水平或者仿真的焊絲送進(jìn)速度中的一個(gè))的改變，由此影響虛擬焊縫熔池的至少一個(gè)特征。仿真器可以包括表征虛擬現(xiàn)實(shí)空間中的虛擬焊接試樣的模擬焊接試樣。如本文所使用的術(shù)語“模擬(mock)”可以指的是在真實(shí)世界而不是在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中被仿真的、用以表征真實(shí)世界部件的部件。例如，模擬焊接工具可以由塑料制成并且具有一個(gè)或更多個(gè)傳感器并且可以被配置來當(dāng)使用者運(yùn)用和操控模擬焊接工具時(shí)對(duì)于使用者而言接近真實(shí)世界焊接工具的外觀和感覺。

仿真器可以還包括模擬焊接工具，所述模擬焊接工具表征虛擬現(xiàn)實(shí)空間中的虛擬焊接工具，用于當(dāng)使用者相對(duì)于模擬焊接試樣操控模擬焊接工具時(shí)實(shí)時(shí)地執(zhí)行虛擬焊接試樣上的虛擬焊接活動(dòng)。仿真器可以包括空間追蹤子系統(tǒng)，所述空間追蹤子系統(tǒng)被可操作地連接到基于邏輯處理器的子系統(tǒng)。仿真器可以進(jìn)一步包括一個(gè)或更多個(gè)傳感器，所述一個(gè)或更多個(gè)傳感器被配置來通過將關(guān)于模擬焊接工具在時(shí)間上改變的位置的數(shù)據(jù)傳遞到空間追蹤子系統(tǒng)來便利實(shí)時(shí)地追蹤模擬焊接工具的移動(dòng)。模擬焊接工具和相應(yīng)的虛擬焊接工具可以被仿真為包括例如非可消耗的鎢電極、可消耗的手工電極或者可消耗的焊絲電極中的一個(gè)。腳踏板裝置可以被配置來提供觸覺反饋給使用者，指示腳踏板裝置的目前的板位置在用于適當(dāng)焊接的確定的范圍之外。

圖24圖示說明仿真器2400的第二實(shí)施方案的示例性表征的概要方框圖。仿真器2400類似于圖4的仿真器100，除了仿真器2400包括腳踏板裝置2410并且包括具有可選擇的氣流選擇器2420的模擬焊接工具160。腳踏板裝置2410經(jīng)由有線裝置(例如，電纜)或者無線裝置(例如，藍(lán)牙^tm連接裝置)可操作地連接到pps110。根據(jù)實(shí)施方案，腳踏板裝置2410可以被操作者(使用者)用來調(diào)整例如仿真的焊接輸出電流或者仿真的焊絲送進(jìn)速度。例如，在仿真的tig焊接過程期間，操作者可以按壓腳踏板裝置2410來通過有效地告知仿真器增加有效的焊接輸出電流水平來增加虛擬焊縫熔池的尺寸。類似地，操作者可以按壓腳踏板裝置2410來通過有效地告知仿真器減小有效的焊接輸出電流水平來減小虛擬焊縫熔池的尺寸。虛擬焊縫熔池的長度、寬度和高度中的一個(gè)或更多個(gè)可以被實(shí)時(shí)地影響。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，腳踏板裝置可以由操作者在確定的范圍之上以連續(xù)的方式被調(diào)整。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方案，腳踏板裝置可以在確定的范圍之上以步進(jìn)的方式被調(diào)整。

圖25圖示說明在圖24的仿真器2400中使用的腳踏板裝置2410的示例性實(shí)施方案。圖26圖示說明示出圖25的腳踏板裝置2410的圖24的仿真器2400的示例性實(shí)施方案。腳踏板裝置2410可以是模擬腳踏板裝置，所述模擬腳踏板裝置被具體配置用于與仿真器一起操作來仿真“真實(shí)的”腳踏板裝置?？商鎿Q地，腳踏板裝置2410可以是被配置用于與“真實(shí)的”焊接系統(tǒng)一起使用的“真實(shí)的”腳踏板裝置。然而，根據(jù)實(shí)施方案，仿真器2400可以被配置來與“真實(shí)的”腳踏板裝置兼容。例如，“真實(shí)的”腳踏板裝置可以是無線裝置，所述無線裝置以無線的方式輸出指示腳踏板裝置的板位置的數(shù)據(jù)?；谶壿嬏幚砥鞯淖酉到y(tǒng)(pps110)可以被配置來以無線的方式接收從腳踏板裝置輸出的數(shù)據(jù)，正如真實(shí)的焊接系統(tǒng)(腳踏板裝置最初被意圖用于所述真實(shí)的焊接系統(tǒng))所配置的那樣。

在仿真器的操作者對(duì)虛擬焊接活動(dòng)的執(zhí)行期間，模擬焊接試樣180在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中被表征為虛擬焊接試樣。模擬焊接工具160在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中被表征為虛擬焊接工具并且被用于當(dāng)操作者相對(duì)于模擬焊接試樣操控模擬焊接工具時(shí)實(shí)時(shí)地執(zhí)行虛擬焊接試樣上的虛擬焊接活動(dòng)。根據(jù)實(shí)施方案，一個(gè)或更多個(gè)傳感器122被配置來通過將關(guān)于模擬焊接工具在時(shí)間上改變的位置的數(shù)據(jù)傳遞到空間追蹤子系統(tǒng)120來便利實(shí)時(shí)地追蹤模擬焊接工具的移動(dòng)。根據(jù)實(shí)施方案，空間追蹤器(st)120可以是基于邏輯處理器的子系統(tǒng)110的一部分并且執(zhí)行追蹤功能。術(shù)語“空間追蹤器”和“空間追蹤子系統(tǒng)”在本文可以被可互換地使用?？商鎿Q地，空間追蹤子系統(tǒng)120被可操作地連接到基于邏輯處理器的子系統(tǒng)110，執(zhí)行追蹤功能，并且將追蹤信息提供給基于邏輯處理器的子系統(tǒng)110。模擬焊接工具和相應(yīng)的虛擬焊接工具可以被仿真為包括例如非可消耗的鎢電極、可消耗的手工電極或者可消耗的焊絲電極中的一個(gè)。

根據(jù)實(shí)施方案，腳踏板裝置2410可以被配置來提供觸覺反饋給使用者，指示腳踏板裝置的目前的板位置在用于適當(dāng)焊接的確定的范圍之外。例如，當(dāng)腳踏板裝置的目前的板位置在用于適當(dāng)焊接的確定的范圍之外時(shí)，腳踏板裝置2410可以振動(dòng)(其中振動(dòng)是觸覺反饋)。可替換地，當(dāng)腳踏板裝置的目前的板位置在用于適當(dāng)焊接的確定的范圍之內(nèi)時(shí)，腳踏板裝置2410可以振動(dòng)(其中振動(dòng)是觸覺反饋)。其他反饋指示手段也可以被提供。例如，顯示的信息可以提供給操作者，或者一些其他可視的指示手段(例如，閃光)或者可聽的指示手段(例如，蜂鳴聲)可以被提供，指示關(guān)于腳踏板裝置的目前的板位置的范圍內(nèi)或范圍外的狀況。

一種實(shí)施方案提供用于便利虛擬焊接活動(dòng)的仿真器。所述仿真器包括模擬焊接試樣和模擬焊接工具，所述模擬焊接試樣在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中通過虛擬焊接試樣被表征，所述模擬焊接工具在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中通過虛擬焊接工具被表征。所述仿真器進(jìn)一步包括基于邏輯處理器的子系統(tǒng)，所述基于邏輯處理器的子系統(tǒng)可操作來執(zhí)行編碼指令以在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中生成交互焊接環(huán)境，所述交互焊接環(huán)境通過虛擬焊接工具模仿虛擬焊接試樣上的焊接活動(dòng)，其中所述交互焊接環(huán)境響應(yīng)于實(shí)時(shí)地執(zhí)行虛擬焊接活動(dòng)，仿真虛擬焊接試樣上的虛擬焊縫熔池，所述虛擬焊縫熔池具有動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)熔融金屬流動(dòng)性和散熱特征。

仿真器包括空間追蹤子系統(tǒng)，所述空間追蹤子系統(tǒng)被可操作地連接到基于邏輯處理器的子系統(tǒng)。仿真器還包括一個(gè)或更多個(gè)第一傳感器，所述一個(gè)或更多個(gè)第一傳感器被配置來通過將關(guān)于模擬焊接工具在時(shí)間上改變的位置的數(shù)據(jù)傳遞到所述空間追蹤子系統(tǒng)來便利實(shí)時(shí)地追蹤模擬焊接工具的至少末端的移動(dòng)?；谶壿嬏幚砥鞯淖酉到y(tǒng)被配置來接受來自空間追蹤子系統(tǒng)的追蹤信息并且確定在虛擬焊接活動(dòng)期間虛擬焊接工具的末端何時(shí)與虛擬現(xiàn)實(shí)空間中的虛擬焊縫熔池的表面相交，所述虛擬焊接工具的末端對(duì)應(yīng)于模擬焊接工具的末端，并且其中基于邏輯處理器的子系統(tǒng)被進(jìn)一步配置來生成要提供給使用者的指示：虛擬焊接工具歸因于所述相交已經(jīng)變污染。

仿真器可以進(jìn)一步包括模擬填充焊絲或者模擬填充焊條(rod)，所述模擬填充焊絲在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中通過虛擬填充焊絲或者虛擬填充焊條被表征。術(shù)語“填充焊絲”和“填充焊條”在本文可以被可互換地使用。仿真器可以還包括一個(gè)或更多個(gè)第二傳感器，所述一個(gè)或更多個(gè)第二傳感器被配置來通過將關(guān)于模擬填充焊絲在時(shí)間上改變的位置的數(shù)據(jù)傳遞到邏輯空間追蹤子系統(tǒng)來便利實(shí)時(shí)地追蹤模擬填充焊絲的至少末端的移動(dòng)?；谶壿嬏幚砥鞯淖酉到y(tǒng)可以被配置來接受來自空間追蹤子系統(tǒng)的追蹤信息并且確定在虛擬焊接活動(dòng)期間虛擬填充焊絲的末端何時(shí)觸及虛擬現(xiàn)實(shí)空間中的虛擬焊接工具，所述虛擬填充焊絲的末端對(duì)應(yīng)于模擬填充焊絲的末端?；谶壿嬏幚砥鞯淖酉到y(tǒng)可以被進(jìn)一步配置來生成提供給使用者的指示：虛擬焊接工具歸因于所述觸及已經(jīng)變污染。

基于邏輯處理器的子系統(tǒng)可以被進(jìn)一步配置來確定虛擬填充焊絲的末端何時(shí)穿入虛擬焊縫熔池，以及歸因于所述穿入，更改至少虛擬焊縫熔池的高度。仿真器可以還包括腳踏板裝置，所述腳踏板裝置被可操作地連接到基于邏輯處理器的子系統(tǒng)，并且被配置來響應(yīng)于使用者對(duì)腳踏板裝置的控制，實(shí)時(shí)地改變虛擬焊縫熔池的至少一個(gè)特征。虛擬焊縫熔池的至少一個(gè)特征可以是虛擬焊縫熔池的寬度和虛擬焊縫熔池的高度中的一個(gè)或更多個(gè)。

仿真器可以進(jìn)一步包括顯示裝置，所述顯示裝置被可操作地連接到基于邏輯處理器的子系統(tǒng)，用于在視覺上描繪交互焊接環(huán)境，其中顯示裝置實(shí)時(shí)地描繪虛擬焊接試樣上的虛擬焊縫熔池?；谶壿嬏幚砥鞯淖酉到y(tǒng)可以被配置來在虛擬焊接活動(dòng)期間將虛擬焊縫熔池轉(zhuǎn)變?yōu)樘摂M焊道，其中虛擬焊接工具歸因于所述相交已經(jīng)變污染的指示對(duì)應(yīng)于在顯示裝置上將虛擬焊道描繪為具有一個(gè)或更多個(gè)缺陷。

模擬焊接工具和對(duì)應(yīng)的虛擬焊接工具可以被仿真為包括非可消耗的鎢電極。模擬焊接工具的突出(stick-out)位置可以是由使用者可調(diào)整的。仿真器可以還包括使用者可選擇的氣流選擇器，所述使用者可選擇的氣流選擇器被安裝在模擬焊接工具上并且被配置來向基于邏輯處理器的子系統(tǒng)傳遞：當(dāng)在第一位置時(shí)從虛擬焊接工具向外的仿真的氣流關(guān)閉，以及當(dāng)在第二位置時(shí)所述仿真的氣流打開。仿真器可以進(jìn)一步包括多個(gè)模擬氣流杯，每個(gè)被配置來附接到模擬焊接工具以及與模擬焊接工具分離，其中多個(gè)模擬氣流杯中的每個(gè)模擬氣流杯被配置來仿真從虛擬焊接工具向外的氣流的特有的引導(dǎo)。

基于邏輯處理器的子系統(tǒng)可以被配置來當(dāng)使用者以確定的方式將模擬焊接工具的末端觸及模擬焊接試樣以及將模擬焊接工具的末端提起離開模擬焊接試樣時(shí)，仿真虛擬焊接工具的末端和虛擬焊接試樣之間的電弧的建立?；谶壿嬏幚砥鞯淖酉到y(tǒng)可以被配置來當(dāng)使用者以確定的方式跨模擬焊接試樣的表面拖動(dòng)模擬焊接工具的末端時(shí)，仿真虛擬焊接工具的末端和虛擬焊接試樣之間的電弧的建立。基于邏輯處理器的子系統(tǒng)可以被配置來當(dāng)使用者以確定的方式朝模擬焊接試樣移動(dòng)模擬焊接工具的末端，還沒有以模擬焊接工具的末端觸及模擬焊接試樣時(shí)，仿真虛擬焊接工具的末端和虛擬焊接試樣之間的電弧的建立。

在真實(shí)世界中，當(dāng)非可消耗的鎢電極變污染時(shí)，使用者不得不停止焊接并且替換已污染的電極或者清理并重新制備已污染的電極。這花費(fèi)了時(shí)間并且導(dǎo)致低效的焊接過程。因此，當(dāng)訓(xùn)練使用者使用本文的仿真器執(zhí)行g(shù)taw焊接工藝時(shí)，使用者會(huì)意識(shí)到何時(shí)他已經(jīng)污染了電極。使用者可以以如下方式污染電極：通過將電極的末端或端部下降到焊縫熔池中，通過將填充焊絲觸及電極，或者通過利用填充焊絲增高焊縫熔池導(dǎo)致焊縫熔池上升并且觸及電極的末端或端部。教導(dǎo)使用者不要污染電極是gtaw焊接的重要方面。

圖27圖示說明在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中的虛擬焊接活動(dòng)的示例性實(shí)施方案。這樣的虛擬焊接活動(dòng)可以在例如顯示裝置150上顯示。圖27所示的焊接活動(dòng)是仿真的gtaw焊接活動(dòng)。虛擬焊接工具2710和虛擬填充焊絲2720被示出為在仿真的gtaw焊接工藝期間在虛擬焊接試樣2740上創(chuàng)建虛擬焊縫熔池2730。虛擬焊接工具2710在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中仿真非可消耗的鎢電極2711、導(dǎo)電管(contacttube)2712和gtaw焊頭2713。圖27所示的焊接活動(dòng)還圖示說明虛擬現(xiàn)實(shí)空間中的虛擬電弧2714和虛擬保護(hù)氣體2715。

圖28圖示說明使用模擬焊接工具2810和模擬填充焊絲2820的、表征圖27的虛擬焊接活動(dòng)的仿真的焊接活動(dòng)的示例性實(shí)施方案，所述模擬焊接工具2810和模擬填充焊絲2820可以由使用者在仿真的焊接活動(dòng)期間相對(duì)于模擬焊接試樣2830被操控。模擬焊接工具2810、模擬填充焊絲2820和模擬焊接試樣2830在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中分別通過虛擬焊接工具2710、虛擬填充焊絲2720和虛擬焊接試樣2740來表征。如圖27所示的虛擬現(xiàn)實(shí)空間中的焊接活動(dòng)的表征響應(yīng)于使用者對(duì)于模擬焊接工具2810、模擬填充焊絲2820和模擬焊接試樣2830的動(dòng)作。

模擬焊接工具2810包括模擬非可消耗的鎢電極2811。根據(jù)實(shí)施方案，模擬非可消耗的鎢電極2811的末端具有一個(gè)或更多個(gè)傳感器2812，以便利空間追蹤子系統(tǒng)120對(duì)模擬電極2811的末端的位置的追蹤。類似地，模擬填充焊絲2820的末端具有一個(gè)或更多個(gè)傳感器2821，以便利空間追蹤子系統(tǒng)120對(duì)模擬填充焊絲2820的末端的位置的追蹤。根據(jù)實(shí)施方案，當(dāng)空間追蹤子系統(tǒng)120是如本文所描述的磁追蹤子系統(tǒng)時(shí)，傳感器2812和2821可以類似于傳感器122，并且可以具有多個(gè)在相交的空間方向上排列的感應(yīng)線圈，當(dāng)使用者在仿真的焊接活動(dòng)期間移動(dòng)模擬焊接工具2810和模擬填充焊絲2820時(shí)，允許模擬電極2811和模擬填充焊絲2820的各自的末端在三維空間中被追蹤。其他類型的傳感器可以使用其他追蹤的方法(例如，基于紅外的追蹤，基于攝像機(jī)的追蹤，基于加速度計(jì)的追蹤)被用在其他實(shí)施方案中。

再次，模擬焊接工具2810在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中被表征為虛擬焊接工具2710，并且模擬焊接試樣2830在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中被表征為虛擬焊接試樣2740?；谶壿嬏幚砥鞯淖酉到y(tǒng)110可操作來執(zhí)行編碼指令以在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中生成交互焊接環(huán)境，所述交互焊接環(huán)境通過虛擬焊接工具2710模仿虛擬焊接試樣2740上的焊接活動(dòng)。模擬填充焊絲2820的使用是可選的，并且因此模擬填充焊絲2820在仿真的焊接活動(dòng)期間可以或者可以不被使用。

交互焊接環(huán)境在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中仿真虛擬焊接試樣2740上的虛擬焊縫熔池2730。響應(yīng)于使用者實(shí)時(shí)地執(zhí)行仿真的焊接活動(dòng)，虛擬焊縫熔池2730被仿真為具有動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)熔融金屬流動(dòng)性和散熱特征。當(dāng)仿真虛擬焊縫熔池時(shí)，虛擬電弧2714、虛擬保護(hù)氣體2715和虛擬填充焊絲2720的影響均被考慮。在gtaw(tig)焊接中，非可消耗的鎢電極不觸及焊縫熔池或者填充焊絲是重要的。否則，非可消耗的鎢電極會(huì)變污染，這會(huì)不利地影響最終的焊道。例如，已污染的電極可以導(dǎo)致最終的焊道包含本領(lǐng)域已知的各種類型的缺陷。

根據(jù)實(shí)施方案，基于邏輯處理器的子系統(tǒng)110接受來自空間追蹤子系統(tǒng)120的追蹤信息并且確定在虛擬焊接活動(dòng)期間虛擬焊接工具2710的虛擬電極2711的末端何時(shí)與虛擬現(xiàn)實(shí)空間中的虛擬焊縫熔池2730的表面相交，因此實(shí)際上污染了電極，所述虛擬焊接工具2710的虛擬電極2711的末端對(duì)應(yīng)于模擬焊接工具2810的模擬電極2811的末端。電極可以歸因于使用者將電極的末端或端部下降到焊縫熔池中，或者通過利用填充焊絲增高焊縫熔池導(dǎo)致焊縫熔池上升并且觸及電極的末端或端部，與焊縫熔池的表面相交。根據(jù)實(shí)施方案，基于邏輯處理器的子系統(tǒng)110確定虛擬填充焊絲2720的末端何時(shí)穿入虛擬焊縫熔池2730，以及歸因于所述穿入，更改例如虛擬焊縫熔池2730的高度。再有，根據(jù)實(shí)施方案，如本文之前所描述的，腳踏板裝置2410可以被使用，以實(shí)時(shí)地影響虛擬焊縫熔池2730。例如，虛擬焊縫熔池的高度或?qū)挾瓤梢酝ㄟ^腳踏板裝置的操作被改變。對(duì)腳踏板的不適當(dāng)?shù)牟僮饕部梢詫?dǎo)致電極的污染。類似地，基于邏輯處理器的子系統(tǒng)110接受來自空間追蹤子系統(tǒng)120的追蹤信息并且確定在虛擬焊接活動(dòng)期間虛擬填充焊絲2720的末端何時(shí)實(shí)際上觸及虛擬現(xiàn)實(shí)空間中的虛擬電極2711，因此實(shí)際上污染了電極，所述虛擬填充焊絲2720的末端對(duì)應(yīng)于模擬填充焊絲2820的末端。

根據(jù)實(shí)施方案，基于邏輯處理器的子系統(tǒng)110考慮電極的污染以及已污染的電極如何影響焊縫熔池并且因此如何影響最終的焊道。再有，基于邏輯處理器的子系統(tǒng)110可以被配置來從虛擬的意義上講，生成要提供給使用者的指示：焊接工具的電極已經(jīng)變污染。指示可以是可視的指示手段(例如，閃光)和/或可聽的指示手段(例如，蜂鳴聲)這樣的形式?？商鎿Q地，或者此外，顯示的信息可以提供給操作者，指示電極已經(jīng)變污染。根據(jù)實(shí)施方案，直到使用者指示仿真器鎢電極已經(jīng)被清理或者替換，使用者才可以能夠繼續(xù)進(jìn)行仿真的焊接活動(dòng)。這可以通過例如由使用者輸入到焊接仿真器的使用者界面中的輸入序列來實(shí)現(xiàn)。對(duì)促動(dòng)使用者來避免污染電極，輸入使用者輸入序列可能只不過是相當(dāng)不方便的。

根據(jù)實(shí)施方案，模擬非可消耗的鎢電極2811的突出位置是可調(diào)整的。因此，使用者可以調(diào)整模擬焊接工具2810上的模擬電極2811的突出的量，例如來幫助防止使用者對(duì)相應(yīng)的虛擬電極2711的虛擬污染。突出位置的調(diào)整可以以各種方式(包括例如對(duì)固定的模擬導(dǎo)電管2813的可調(diào)整的連接方式)中的任一種來實(shí)現(xiàn)。這樣的調(diào)整可以通過例如將模擬電極2811擰進(jìn)或擰出模擬導(dǎo)電管2813一期望的距離來完成。根據(jù)各種其他實(shí)施方案，其他調(diào)整的方法也是可能的。

在仿真的焊接活動(dòng)期間，虛擬焊接工具2710提供從虛擬焊接工具2710的端部向外的仿真的保護(hù)氣體2715，以仿真例如在gtaw焊接工藝中所提供的保護(hù)氣體。參照?qǐng)D24，模擬焊接工具160(或者圖28中的2810)可以包括安裝在模擬焊接工具上的可選擇的模擬氣流選擇器2420。模擬氣流選擇器2420被配置來(經(jīng)由有線或者無線裝置)向基于邏輯處理器的子系統(tǒng)110傳遞：當(dāng)從第一位置時(shí)虛擬焊接工具向外的仿真的氣流“關(guān)閉”，以及當(dāng)在第二位置時(shí)所述仿真的氣流“打開”。根據(jù)各種實(shí)施方案，模擬氣流選擇器2420可以是例如可旋轉(zhuǎn)的旋鈕或者開關(guān)。對(duì)于gtaw焊接工藝而言，使用者在焊接工藝期間“打開”氣流來提供保護(hù)氣體是重要的。在仿真中未“打開”氣流可以導(dǎo)致焊道被仿真為具有一個(gè)或更多個(gè)類型的缺陷。

根據(jù)實(shí)施方案，仿真器可以提供多個(gè)模擬氣流杯，每個(gè)被配置來附接到模擬焊接工具以及與模擬焊接工具分離。每個(gè)模擬氣流杯可以被配置來仿真從虛擬焊接工具向外的氣流的特有的引導(dǎo)?？煞蛛x的模擬氣流杯2805的實(shí)施例在圖28中被示出。根據(jù)實(shí)施方案，模擬氣流杯2805扣入模擬焊接工具2810的模擬gtaw焊頭2801。根據(jù)各種其他實(shí)施方案，將模擬氣流杯附接到模擬焊接工具的其他手段也是可能的。在模擬電極2811的末端附近的模擬氣流杯2805的輸出端的形狀模仿真實(shí)氣流杯的形狀，所述真實(shí)氣流杯的形狀確定從焊接工具向外的真實(shí)氣流的方向。多個(gè)模擬氣流杯中的每個(gè)模擬氣流杯可以具有不同形狀的輸出端，所述不同形狀的輸出端表征提供不同方向氣流的不同的真實(shí)氣流杯。在仿真的焊接環(huán)境中，使用者可以選擇模擬氣流被來附接到模擬焊接工具。

根據(jù)實(shí)施方案，當(dāng)模擬氣流杯2805被使用者附接到模擬焊接工具2810時(shí)，使用者可以將模擬氣流杯的識(shí)別標(biāo)識(shí)經(jīng)由使用者界面130輸入到仿真器中。如此一來，基于邏輯處理器的子系統(tǒng)110考慮特定附接的模擬氣流杯，并且基于所識(shí)別的模擬氣流杯在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中仿真從虛擬焊接工具2810向外的有方向的氣流。結(jié)果是，虛擬焊縫熔池以及最終的虛擬焊道的仿真可以被附接的模擬氣流杯影響。

根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方案，當(dāng)模擬氣流杯被附接到模擬焊接工具時(shí)，識(shí)別數(shù)據(jù)可以自動(dòng)地通過有線或者無線裝置提供給基于邏輯處理器的子系統(tǒng)110。例如，模擬氣流杯可以以仿真器可以讀取的識(shí)別碼(例如，經(jīng)由條形編碼或者射頻識(shí)別)被編碼。在這樣的實(shí)施方案中，掃描或讀取裝置2430(例如，條形碼掃描裝置或者射頻識(shí)別讀取裝置)可以被可操作地連接到基于邏輯處理器的子系統(tǒng)110并且被配置來掃描或讀取附接的模擬氣流杯上的識(shí)別碼。根據(jù)其他實(shí)施方案，自動(dòng)地將模擬氣流杯的識(shí)別碼傳遞到基于邏輯處理器的子系統(tǒng)110的其他手段也是可能的。

根據(jù)實(shí)施方案，基于邏輯處理器的子系統(tǒng)110被配置來在仿真的焊接工藝的開始，當(dāng)使用者以確定的方式將模擬焊接工具2810的模擬電極2811的末端觸及模擬焊接試樣2830以及將末端提起離開模擬焊接試樣2830時(shí)，仿真虛擬焊接工具2710的虛擬電極2711的末端和虛擬焊接試樣2740之間的電弧2714的建立。這樣的實(shí)施方案仿真例如針對(duì)gtaw焊接工藝的“提起起弧(liftstart)”。為了實(shí)現(xiàn)仿真的電弧的“提起起弧”的建立，模擬電極的末端的位置由仿真器使用本文所描述的追蹤技術(shù)相對(duì)于模擬焊接試樣來追蹤?？商鎿Q地，模擬焊接電極的末端可以被配備有壓力傳感器(例如，壓電傳感器)，以使當(dāng)模擬焊接電極的末端觸及模擬試樣時(shí)，壓力傳感器產(chǎn)生電信號(hào)，所述電信號(hào)可以被提供給基于邏輯處理器的子系統(tǒng)例如來指示所述觸及。根據(jù)另一個(gè)可替換的實(shí)施方案，模擬焊接工具的末端和模擬焊接試樣可以被配置來使得導(dǎo)電(或者至少部分導(dǎo)電)的路徑完整，向仿真器指示末端已經(jīng)觸及試樣。

根據(jù)實(shí)施方案，基于邏輯處理器的子系統(tǒng)110被配置來在仿真的焊接工藝的開始，當(dāng)使用者以確定的方式跨模擬焊接試樣的表面拖動(dòng)模擬焊接電極的末端時(shí)，仿真虛擬焊接工具2710的的虛擬電極2711的末端和虛擬焊接試樣2740之間的電弧2714的建立。這樣的實(shí)施方案仿真例如針對(duì)gtaw焊接工藝的“刮擦起弧(scratchstart)”。再次，為了實(shí)現(xiàn)仿真的電弧的“刮擦起弧”的建立，模擬電極的末端的位置由仿真器使用本文所描述的追蹤技術(shù)相對(duì)于模擬焊接試樣來追蹤。可替換地，模擬焊接電極的末端可以被配備有壓力傳感器(例如，壓電傳感器)，以使當(dāng)模擬焊接電極的末端跨模擬試樣被拖動(dòng)時(shí)，壓力傳感器產(chǎn)生電信號(hào)，所述電信號(hào)可以被提供給基于邏輯處理器的子系統(tǒng)例如來指示所述拖動(dòng)。根據(jù)另一個(gè)可替換的實(shí)施方案，模擬焊接工具的末端和模擬焊接試樣可以被配置來使得導(dǎo)電(或者至少部分導(dǎo)電)的路徑完整，向仿真器指示末端正在觸及并且正在跨試樣被拖動(dòng)。

根據(jù)實(shí)施方案，基于邏輯處理器的子系統(tǒng)110被配置來在仿真的焊接工藝的開始，當(dāng)使用者以確定的方式朝模擬焊接試樣移動(dòng)模擬焊接工具的末端，還沒有以模擬焊接工具的末端觸及模擬焊接試樣時(shí)，仿真虛擬焊接工具2710的的虛擬電極2711的末端和虛擬焊接試樣2740之間的電弧2714的建立。這樣的實(shí)施方案可以仿真例如針對(duì)gtaw焊接工藝的“高頻起弧”。在仿真的焊接工藝開始，當(dāng)模擬焊接工具靠近模擬焊接試樣時(shí)，仿真器使用高頻輸出來仿真。一旦模擬焊接工具的電極的末端到達(dá)離模擬焊接試樣的表面一確定的距離，虛擬電弧2714被建立。根據(jù)實(shí)施方案，腳踏板裝置2410可以被使用者用來進(jìn)入和離開高頻操作模式。

根據(jù)實(shí)施方案，顯示裝置150可以被配置為觸摸屏裝置，所述觸摸屏裝置可以被用作焊接使用者界面。觸摸屏裝置可以允許使用者選擇使用者界面，所述使用者界面模仿真實(shí)世界焊機(jī)的使用者界面。使用者可以能夠從表征多個(gè)真實(shí)世界焊機(jī)的多個(gè)使用者界面中選擇。結(jié)果是，使用者可以能夠使用在觸摸屏裝置上顯示的使用者界面來針對(duì)選擇的焊機(jī)類型建立仿真的焊接活動(dòng)。以這種方式，使用者可以使用仿真器來熟悉各種類型的真實(shí)世界焊機(jī)的使用者界面。另外，一旦焊機(jī)的類型被選擇，例如根據(jù)焊接電源如何操作以及可獲得的焊接波形的類型，仿真器可以自動(dòng)地被調(diào)適來仿真該特定類型的焊機(jī)。

根據(jù)實(shí)施方案，仿真器允許使用者選擇鎢電極的類型來在仿真的焊接活動(dòng)期間使用。鎢電極的可選擇的類型可以包括例如純鎢、2％鈰鎢、1.5％鑭鎢和2％釷鎢。根據(jù)各種其他實(shí)施方案，其他類型的鎢電極也是可選擇的。如果使用者針對(duì)特定的仿真的焊接活動(dòng)選擇了不正確類型的鎢電極，仿真器可以指示使用者已經(jīng)作出了這樣不正確的選擇。以這種方式，仿真器可以教導(dǎo)使用者哪種類型的鎢電極針對(duì)哪種類型的焊接活動(dòng)是合適的。另外，基于所選擇的鎢電極的類型，焊接活動(dòng)的仿真可以被更改來兼顧鎢電極的類型。例如，既然鎢電極的類型可以影響電弧的外觀是已知的，仿真器可以基于所選擇的鎢電極的類型來調(diào)適電弧的外觀。

根據(jù)實(shí)施方案，仿真器可以被配置來允許使用者在執(zhí)行仿真的管焊接活動(dòng)之后觀看并且檢查虛擬管的內(nèi)側(cè)上的焊根焊道。甚至在已經(jīng)使用仿真器創(chuàng)建好的焊根焊道之后，接續(xù)的熱行程(heatpass)如果被不適當(dāng)?shù)貓?zhí)行的話可以降低焊根焊道的質(zhì)量。根據(jù)實(shí)施方案，仿真器被配置來通過采用本文所描述的焊縫熔池和焊道仿真方法來基于接續(xù)的熱行程焊接來更改虛擬焊根焊道焊接。仿真器可以顯示仿真的已焊接的管的內(nèi)側(cè)，仿佛在執(zhí)行管焊接活動(dòng)之后，使用者利用例如閃光在管內(nèi)側(cè)查看?？商鎿Q地，仿真器可以有效地轉(zhuǎn)化仿真的管來顯示仿真的管的內(nèi)側(cè)，仿佛出現(xiàn)在外側(cè)上，反之亦然。

總而言之，公開了一種實(shí)時(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)焊接系統(tǒng)，所述實(shí)時(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)焊接系統(tǒng)包括基于可編程處理器的子系統(tǒng)(又稱，基于邏輯處理器的子系統(tǒng))、空間追蹤器、至少一個(gè)模擬焊接工具以及至少一個(gè)顯示裝置，所述空間追蹤器可操作地連接到基于可編程處理器的子系統(tǒng)，所述至少一個(gè)模擬焊接工具能夠被空間追蹤器在空間上追蹤，所述至少一個(gè)顯示裝置可操作地連接到基于可編程處理器的子系統(tǒng)?；谶壿嬏幚砥鞯淖酉到y(tǒng)可以可操作來在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中生成交互焊接環(huán)境，所述交互焊接環(huán)境通過響應(yīng)于實(shí)時(shí)地執(zhí)行仿真的焊接活動(dòng)，仿真具有動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)熔融金屬流動(dòng)性和散熱特征的虛擬焊縫熔池來模仿焊接活動(dòng)。系統(tǒng)進(jìn)一步能夠在顯示裝置上實(shí)時(shí)地顯示仿真的焊縫熔池。系統(tǒng)可以包括腳踏板裝置，所述腳踏板裝置與基于邏輯處理器的子系統(tǒng)可操作的通信，并且被配置來響應(yīng)于使用者對(duì)腳踏板裝置的控制，實(shí)時(shí)地影響虛擬焊縫熔池的特征。系統(tǒng)可以被配置來追蹤模擬焊接工具和模擬填充焊絲的移動(dòng)，并且確定虛擬現(xiàn)實(shí)空間中虛擬焊縫熔池、相應(yīng)的虛擬焊接工具以及相應(yīng)的填充焊絲之間的相互作用，所述相互作用會(huì)導(dǎo)致焊接工具變污染。

本文已經(jīng)參照所公開的實(shí)施方案描述了本發(fā)明。明顯地，在閱讀和理解本說明書的基礎(chǔ)上，其他人將想到各種改變和變通。意圖的是，包括所有在所附的權(quán)利要求書或其等同物的范圍內(nèi)的這樣的修改和變通。

參考標(biāo)號(hào)：

10系統(tǒng)/仿真器137刻度盤/旋鈕

12最終使用者(一個(gè)或多個(gè))140個(gè)性化顯示器

12a受訓(xùn)的使用者150顯示屏幕

12b指導(dǎo)使用者153使用者選擇

15環(huán)境155輸入設(shè)備

100仿真器156焊條夾持器

110子系統(tǒng)160模擬焊接工具

111中央處理單元161夾持器

115圖形處理單元162仿真的手工焊條

116統(tǒng)一計(jì)算設(shè)備架構(gòu)163阻力末端

117著色器170底座

118視頻輸出171可調(diào)節(jié)的桌臺(tái)

119視頻輸出172底座基座

120空間追蹤器173可調(diào)節(jié)的臂

121磁源174立柱

122傳感器175焊接試樣

123盤176焊接接縫

124電源177連接部分

125線纜179預(yù)先限定的點(diǎn)/淺凹

126處理器追蹤單元200顯示裝置

130焊接使用者界面203邏輯處理器

131按鈕204微處理器

132操縱桿300數(shù)據(jù)儲(chǔ)存裝置

133刻度盤/開關(guān)/旋鈕900焊接頭盔

134刻度盤/開關(guān)/旋鈕910揚(yáng)聲器

135控制臺(tái)1201物理使用者界面

136刻度盤/旋鈕1202夾具模型

1203環(huán)境模型1600拐角焊接試樣

1204聲音內(nèi)容功能1610表面

1205焊接聲音1620表面

1206底座/桌臺(tái)模型1700管狀焊接試樣

1207內(nèi)部架構(gòu)功能1701管狀部件

1208校準(zhǔn)功能1702管狀部件

1210試樣模型1703焊根接縫

1211焊接物理1704附接部件

1212調(diào)整裝置1710彎曲表面

1213使用者界面功能1910矩形條

1214繪圖功能1920粒子

1215學(xué)員報(bào)告功能1930粒子高度

1216呈現(xiàn)裝置1940帶陰影的矩形

1217焊道呈現(xiàn)2400仿真器

12183d紋理2410腳踏板裝置

1219視覺提示功能2420氣流選擇器

1220公差功能2430讀取裝置

1221公差編輯器2710虛擬焊接工具

1222特殊效果2711鎢電極

1300方法2712導(dǎo)電管

1310步驟2713gtaw焊頭

1320步驟2714虛擬電弧

1330步驟2715虛擬保護(hù)氣體

1340步驟2720虛擬填充焊絲

1350步驟2730虛擬焊縫熔池

1400平坦焊接試樣2740虛擬焊接試樣

1410平坦頂部表面2801模擬gtaw焊頭

1420焊元圖2805模擬氣流杯

1421焊元2810模擬焊接工具

2811模擬鎢電極b點(diǎn)

2812傳感器e點(diǎn)

2813模擬導(dǎo)電管o點(diǎn)

2820模擬填充焊絲x點(diǎn)

2821傳感器y點(diǎn)

2830模擬焊接試樣z點(diǎn)