CN106471557B - 用于虚拟现实焊接仿真器的通用试样 - Google Patents

Abstract

一种用于虚拟焊接系统的模拟焊接通用试样(22，...)，包括第一外表面以及垂直于该第一外表面的第二外表面。该第一外表面和该第二外表面一起提供多个凹槽(36，38，48，...)，这些凹槽被构造成用于在该模拟焊接通用试样上仿真多种不同类型的坡口焊。弯曲外表面(42，...)被构造成用于在该模拟焊接通用试样上仿真管角焊。磁源(46)被构造成在该模拟焊接通用试样周围产生磁场以用于追踪模拟焊接工具相对于该模拟焊接通用试样的运动。

Description

用于虚拟现实焊接仿真器的通用试样

背景技术

披露领域

本披露涉及用于在虚拟焊接环境中仿真焊接的系统以及用于与这类系统一起使用的焊接试样。

相关技术的说明

数十年来，公司一直教导焊接技能。传统上，在现实世界设置中教导焊接，也就是说通过用焊条将电弧真实地打击在金属件上来教导焊接。本领域的技术指导者监督训练过程，从而在受训者执行焊接时在一些情况下进行校正。通过指导和重复，新的受训者学会如何使用一种或多种工艺来焊接。然而，每次执行焊接都招致根据所教导的焊接工艺而变化的成本。

在最近一段时间，已经采用了用于训练焊工的成本节约系统。一些系统合并了运动分析器。该分析器包括焊接件的物理模型、模拟焊条、以及追踪模拟焊条移动的感测装置。生成一份指示焊条端在可以接受的运动范围之外行进到何种程度的报告。更高级的系统合并虚拟现实的使用，该虚拟现实在可由焊工实时观察(例如，在视觉上、在听觉上等)的虚拟设置中仿真模拟焊条的操作以及所得到的焊缝。

虚拟现实焊接仿真器通常包括焊接件的若干不同的物理模型(例如，模拟焊接试样)，其中，每个物理模型允许焊工实施某种类型的焊接。例如，一个模拟焊接试样可以具有允许焊工练习填角焊的两个垂直表面，而另一个模拟焊接试样可以具有允许焊工练习坡口焊的开槽表面。为了在不同类型的仿真焊接之间进行切换，焊工必须重新定位或更换模拟焊接试样。这不仅对于焊工是不方便的而使其中断训练以重新定位或更换模拟焊接试样，而且重新定位或更换模拟焊接试样可导致不正确地安装焊接试样。例如，如果该虚拟现实焊接仿真器被编程为期望模拟焊接试样位于某个固定位置，而焊工将焊接试样安装在另一个不正确的位置，则将得到不正确的仿真焊接数据。

简要概述

下面的概述呈现了简化的总结，以提供对本文所讨论的装置和系统的某些方面的基本理解。此概述不是本文讨论的装置和系统的广泛的综述。这并不旨在确定关键的元素或限定这样的装置和系统的范围。其唯一的目的是以简化的形式呈现一些概念，作为稍后呈现的更详细的说明的序言。特别地，本发明提出了根据权利要求1所述的模拟焊接通用试样以及根据权利要求6或12所述的虚拟焊接系统。在说明书中、在从属权利要求中和/或在附图中披露了多个优选实施例。这样，可能首选的是，该多个凹槽包括被构造成用于仿真竖直坡口焊的竖直凹槽、以及被构造成用于仿真水平坡口焊或平坡口焊的水平凹槽、和/或首选的是该弯曲外表面包括被构造成用于仿真管道坡口焊的凹槽。

根据一个方面，提供一种用于虚拟焊接系统的模拟焊接通用试样。该模拟焊接通用试样包括第一外表面以及垂直于该第一外表面的第二外表面。该第一外表面和该第二外表面一起提供多个凹槽，这些凹槽被构造成用于在该模拟焊接通用试样上仿真多种不同类型的坡口焊。弯曲外表面被构造成用于在该模拟焊接通用试样上仿真管角焊(pipe filletweld)。磁源被构造成在该模拟焊接通用试样周围产生磁场以用于追踪模拟焊接工具相对于该模拟焊接通用试样的运动。

根据另一方面，提供一种虚拟焊接系统。该虚拟焊接系统包括用于进行仿真焊接的模拟焊接工具。模拟焊接通用试样被构造成用于使用该模拟焊接工具接受多种不同类型的仿真焊接。该模拟焊接通用试样包括至少一个开槽的竖直表面、至少一个开槽的水平表面以及至少一个弯曲表面。该多种不同类型的仿真焊接包括管角焊、竖直坡口焊、水平坡口焊或平坡口焊、以及水平填角焊。基于可编程处理器的子系统可操作来执行用于生成交互式虚拟现实焊接环境的编码指令，该交互式虚拟现实焊接环境仿真对应于该模拟焊接通用试样的虚拟焊接通用试样上的焊接活动。该交互式虚拟现实焊接环境包括响应于该模拟焊接通用试样上的仿真焊接而实时产生的该虚拟焊接通用试样上的虚拟焊接熔池。显示装置可操作地连接到该基于可编程处理器的子系统，并且被构造成实时地可视地描绘包括该虚拟焊接通用试样上的虚拟焊接熔池的交互式虚拟现实焊接环境。

根据另一方面，提供一种虚拟焊接系统。该虚拟焊接系统包括用于进行仿真焊接的模拟焊接工具。该模拟焊接工具包括磁场传感器。模拟焊接通用试样被构造成用于使用该模拟焊接工具接受多种不同类型的仿真焊接。该模拟焊接通用试样包括磁源，该磁源被构造成在该模拟焊接通用试样周围产生磁场以用于追踪该模拟焊接工具相对于该模拟焊接通用试样的运动。该模拟焊接通用试样还包括至少一个开槽的竖直表面、至少一个开槽的水平表面以及至少一个弯曲表面。该多种不同类型的仿真焊接包括管角焊、竖直坡口焊、水平坡口焊、平坡口焊、水平填角焊、管道坡口焊或仰角焊。基于可编程处理器的子系统可操作来执行用于生成交互式虚拟现实焊接环境的编码指令，该交互式虚拟现实焊接环境仿真对应于该模拟焊接通用试样的虚拟焊接通用试样上的焊接活动。该交互式虚拟现实焊接环境包括响应于该模拟焊接通用试样上的仿真焊接而实时产生的该虚拟焊接通用试样上的虚拟焊接熔池。该虚拟焊接熔池包括动态的实时熔融金属流动性和散热特性。显示装置可操作地连接到该基于可编程处理器的子系统，并且被构造成实时地可视地描绘包括该虚拟焊接通用试样上的虚拟焊接熔池的交互式虚拟现实焊接环境。

附图简要说明

图1是使用虚拟焊接系统的焊工的透视图；

图2是使用虚拟焊接系统的焊工的透视图；

图3是虚拟焊接系统的透视图；

图4是虚拟焊接系统的示意性框图；

图5是模拟焊接通用试样的透视图；

图6是模拟焊接通用试样的透视图；

图7是模拟焊接通用试样的透视图；

图8是模拟焊接通用试样的透视图；

图9是模拟焊接通用试样的透视图；

图10是模拟焊接通用试样的透视图；

图11是模拟焊接通用试样的透视图；

图12是模拟焊接通用试样的透视图；

图13是模拟焊接通用试样的透视图；

图14是模拟焊接通用试样的透视图；

图15是模拟焊接通用试样的透视图；

图16是模拟焊接通用试样的透视图；并且

图17A-C示意性地展示用于对虚拟现实空间中的模拟焊接通用试样的表面进行仿真的示例双移置层。

详细说明

本主题针对用于训练或演示焊接操作的虚拟焊接系统，并且针对在这类系统中使用的模拟焊接试样。虚拟焊接系统的细节可以在2012年7月26日公开的题为“虚拟焊接系统(VIRTUAL WELDING SYSTEM)”的美国专利申请公开号2012/0189993 A1(金迪格(Kindig)等人)中找到，该申请通过引用以其全文结合在此，并且虚拟焊接系统的细节可以在2013年7月25日公开的题为“虚拟现实GTAW以及管道焊接仿真器和设置(VIRTUAL REALITY GTAWAND PIPE WELDING SIMULATOR AND SETUP)”的美国专利申请公开号2013/1089657 A1(华莱士(Wallace)等人)中找到，该申请通过引用以其全文结合在此。

现在将参照附图描述本主题，其中相同的参考编号在通篇中被用来指代相同的要素。将理解的是，各种附图不必以彼此按比例的方式来绘制，在给定的附图内也同样是这样，并且特别地，部件的尺寸被任意地绘制，以便于对附图的理解。在以下描述中，出于解释的目的，阐述了多个具体的细节以便提供对本主题的全面理解。然而，可以为明显的是，本主题可以被实践而不需要这些具体的细节。附加地，本主题的其他实施例是可能的并且本主题能够以除了如所描述的方式之外的方式来实践和实施。在描述本主题中所使用的术语和短语是出于促进对本主题的理解的目的而被采用，并且不应该被认为是限制性的。

图1至图3示出了虚拟焊接系统的部件，并且图4提供了虚拟焊接系统10的框图。该虚拟焊接系统包括基于可编程处理器的子系统12，基于可编程处理器的子系统产生用于向焊工或使用者14提供关于不同焊接技术和工艺的训练的交互式虚拟现实焊接环境。基于可编程处理器的子系统12可以在虚拟现实空间中仿真不同的焊接工艺，如气体保护金属极电弧焊(GMAW)、保护式金属极电弧焊(SMAW)、气体保护钨极电弧焊(GTAW)等，并且向使用者14提供关于这些仿真焊接的进度和质量的实时反馈。基于可编程处理器的子系统12可以包括一个或多个处理器(例如，微处理器、微控制器等)以及用于存储和执行编码程序指令的相关联的存储器(RAM、ROM等)，这些编码程序指令使得该基于可编程处理器的子系统提供本文中赋予它的功能。

虚拟焊接系统10包括与基于可编程处理器的子系统通信的焊接用户界面16。焊接用户界面16允许使用者14建立要被仿真的焊接过程。焊接用户界面16可以包括输入装置和输出装置，如视频显示器、键盘、鼠标、操纵杆、触摸屏等。通过焊接用户界面16，使用者14可以选择或设置各种虚拟或仿真焊接参数，如焊接电压、焊接电流、焊接极性、焊接波形、焊丝送进速度等。可以通过焊接用户界面16向使用者14提供虚拟焊接操作的实时反馈。例如，可以在焊接用户界面16上实时地向使用者14显示包括焊接质量、缺陷和焊接熔池的描述的焊接进度。虚拟焊接操作的实时的声音反馈也可以通过焊接用户界面16提供给使用者14。因此，使用者14在真实世界中的仿真焊接活动被转换成虚拟焊接活动并实时输出。如本文所使用的，术语“实时”意指以与最终使用者14在真实世界设置中及时感知和体验的大体上相同的方式进行及时地感知和体验虚拟环境。

也可以通过戴于面部的显示装置18来将虚拟焊接操作的实时反馈提供给使用者。戴于面部的显示装置18可以集成到焊工帽罩中，或者可替代地可以如图1所示单独安装。戴于面部的显示装置18可以包括能够以2D和帧序列视频模式递送流体全动态视频的两个高对比度微显示器。来自虚拟焊接环境的虚拟图像(例如，视频)被提供并显示在戴于面部的显示装置18上。还可以提供缩放模式，从而允许使用者14仿真模拟器板(cheater plate)。戴于面部的显示装置18还可以包括扬声器，从而允许使用者14听到仿真的焊接相关的声音和环境声音。戴于面部的显示装置18经由有线或无线器具可操作地连接到基于可编程处理器的子系统12。

在训练期间，使用者14使用模拟焊接工具20来进行仿真焊接。模拟焊接工具20可以被塑造成类似于真实世界的焊接工具，例如像手动焊条夹持器或弧焊焊炬。模拟焊接工具20可以具有与真实世界焊接工具相同的形状、重量和/或感觉。模拟焊接工具20经由有线或无线器具可操作地连接到基于可编程处理器的子系统12。

使用模拟焊接工具20，使用者14在模拟焊接试样(如模拟焊接通用试样22、22a、22b)上进行仿真焊接。如下面将详细描述的，模拟焊接通用试样22、22a、22b在结构上被构造成使用模拟焊接工具20接受多种不同类型的仿真焊接。传统的模拟焊接试样被构造成接受一种类型的仿真焊接，如水平填角焊。相反，本文所讨论的模拟焊接通用试样被构造成接受若干不同类型的仿真焊接。如果正确操作该虚拟焊接系统，则常规模拟焊接试样也必须相对于空间追踪系统的元件而正确定位。本文讨论的某些模拟焊接通用试样22、22a、22b具有以相对于该通用试样的固定位置关系内置于其中的空间追踪系统的元件，从而使得该通用试样固有地正确定位。

如图1至图3所示，虚拟焊接系统10可以包括用于存储和运输该虚拟焊接系统的部件的围罩24。围罩24包括盖子26和基座28。当该虚拟焊接系统10在使用中时，围罩24的盖子26可以用作在仿真焊接过程中支撑该模拟焊接通用试样的台架，而该系统的其他部件，例如该基于可编程处理器的子系统或该焊接用户界面，则保持在基座28上。

转向图5至图8，从几个不同的视角示出了一个示例模拟焊接通用试样22a。模拟焊接通用试样22a允许使用该模拟焊接工具来仿真多种不同的焊接。模拟焊接通用试样22a包括基座30以及垂直于该基座且彼此垂直的第一壁构件32和第二壁部件34。基座30以及第一壁构件32和第二壁构件34提供了该模拟焊接通用试样的外表面，可以在该模拟焊接通用试样上发生仿真焊接。例如，可以沿着基座30和第一壁构件32的相交处33进行仿真线性填角焊，如仿真水平填角焊(例如，焊接位置2F)。可以沿着第一壁构件32和第二壁构件34的相交处执行不同类型的仿真线性填角焊，例如仿真竖直填角焊(例如，焊接位置3F)。

基座30以及第一壁构件32和第二壁构件34包括用于仿真各种坡口焊的相应的凹槽36、38、40。基座30形成开槽的水平表面，该水平表面允许使用该模拟焊接工具来仿真平坡口焊(例如，焊接位置1G)。第一壁构件32包括允许仿真水平坡口焊(例如，焊接位置2G)的水平凹槽38。第二壁构件34包括允许仿真竖直坡口焊(例如，焊接位置3G)的竖直凹槽40。因此，开槽基座30以及第一壁构件32和第二壁构件34允许使用该模拟焊接工具仿真至少五种不同类型的焊接(两种类型的填角焊和三种类型的坡口焊)。在某些实施例中，可以使用该模拟焊接通用试样22a来仿真附加的焊接操作，如表面硬化。另外，在某些实施例中，模拟焊接通用试样22a可以重新定位(例如，上下颠倒)以允许仿真附加的焊接操作，如线性仰角焊(例如，焊接位置4F)、坡口仰焊(例如，焊接位置4G)、平角焊(例如，焊接位置1F)等。

模拟焊接通用试样22a可以包括允许仿真各种管道焊接的弯曲表面42。模拟焊接通用试样22a的基座30突出超过弯曲表面42，这允许沿着该弯曲表面和该基座的相交处43仿真管角焊。该弯曲表面包括弯曲凹槽44，该弯曲凹槽允许仿真管道坡口焊(例如，焊接位置2G)。在某些实施例中，模拟焊接通用试样22a可以重新定位以允许仿真附加的管道焊接，如水平固定的焊接位置(例如，焊接位置5G)或倾斜的焊接位置(例如，焊接位置6G)。

模拟焊接通用试样22a包括磁源46，该磁源产生围绕该通用试样的磁包络，使得可以追踪该模拟焊接工具的位置以及任选地戴于面部的显示装置。模拟焊接通用试样22a可以由不会干扰该磁包络或实质上不会使该磁包络变形的如塑料等材料制成。当要进行仿真焊接时，磁源46由该基于可编程处理器的子系统激活。在模拟焊接通用试样22a周围产生的磁包络限定了三维空间，在该三维空间内，可以追踪使用者活动，如该模拟焊接工具的运动以及使用者头部的运动(例如，观察位置)。

磁源46在对于基于可编程处理器的子系统是已知的固定位置处被附接到模拟焊接通用试样22a上，并且该使用者不必如在先前的虚拟焊接系统中那样相对于磁源46对该模拟焊接通用试样进行手动正确定位。在图5至图8的实施例中，磁源46被附接到模拟焊接通用试样22a的外表面。可替代地，该模拟焊接通用试样可以形成用于磁源46的围罩，并且该磁源可以位于该模拟焊接通用试样的内部。在某些实施例中，磁源46可以包括用于确定该模拟焊接通用试样22a的取向的一个或多个位置传感器。模拟焊接通用试样22a的取向可以被传输到该基于可编程处理器的子系统，使得该基于可编程处理器的子系统知晓模拟焊接通用试样22a的取向以及正在仿真什么焊接。例如，基于模拟焊接通用试样22a的取向，该基于可编程处理器的子系统可以区分在两个表面的相交处仿真的水平填角焊和仰角焊(例如，在基座30和第一壁构件32的相交处33)。

该模拟焊接工具和该戴于面部的显示装置可以包括传感器，这些传感器对由磁源46产生的磁场做出反应并且可以向该基于可编程处理器的子系统发送相应的相对位置信息。这些传感器可以包括在交叉空间方向上对准的多个感应线圈，该多个感应线圈可以是基本上正交对准的。这些感应线圈测量三个方向中的每个方向上的磁场的强度，并且因此可以生成提供给该基于可编程处理器的子系统的位置信息。该基于可编程处理器的子系统可以包括合适的电子器件，其可以是独立模块的形式，该独立模块用于激活和控制磁源46以及接收/解释来自该模拟焊接工具和戴于面部的显示装置中的位置传感器的位置信息。

该基于可编程处理器的子系统可以仿真虚拟现实空间中的模拟焊接通用试样22a的各种表面，并且追踪该使用者的真实世界的运动并将它们转换成该虚拟现实空间中的相应运动。可以根据该使用者的实际物理观察视角向使用者显示这个交互式虚拟现实焊接环境。

转向图9至图12，示出了模拟焊接通用试样22b的另一个实施例。在图9至图12所示的模拟焊接通用试样22b的实施例中，该模拟焊接通用试样位于磁源46a的顶部，其提供了用于该模拟焊接通用试样的基座。模拟焊接通用试样22b总体上是立方体形状的，其中各种外表面具有允许仿真不同类型的焊接的凹槽或突出部分。

模拟焊接通用试样22b的上表面50具有水平凹槽52和向上突出的圆柱形部分54。水平凹槽52允许使用该模拟焊接工具来仿真平坡口焊(例如，焊接位置1G)。圆柱形部分54允许沿着该圆柱形部分和上表面50的相交处55仿真管角焊。圆柱形部分54可以包括用于允许仿真管道坡口焊(例如，焊接位置2G)的周向凹槽(未示出)。

模拟焊接通用试样22b的第一竖直表面56可以包括从该第一竖直表面向外突出的水平突片58。可以沿着水平突片58的上表面和第一竖直表面56的相交处59进行仿真水平填角焊(例如，焊接位置2F)。可以沿着水平突片58的下表面和该第一竖直表面的相交处进行仿真仰角焊(例如，焊接位置4F)。

模拟焊接通用试样22b的第二竖直表面60可以包括从该第二竖直表面向外突出的竖直突片62。仿真竖直填角焊(例如，焊接位置3F)可以在竖直突片62的任一侧上沿着竖直突片62和第二竖直表面的相交处63进行。

模拟焊接通用试样22b的第三竖直表面64可以包括允许仿真竖直坡口焊(例如，焊接位置3G)的竖直凹槽66。

模拟焊接通用试样22b的第四竖直表面68可以包括允许仿真水平坡口焊(例如，焊接位置2G)的水平凹槽70。

因此，模拟焊接通用试样22b被构造成用于仅使用一个模拟焊接试样来仿真多种不同类型的焊接(例如，平坡口焊、竖直坡口焊、水平坡口焊、管角焊、水平填角焊以及仰角焊)。如上所讨论的，磁源46a在对于该基于可编程处理器的子系统是已知的固定位置处附接到模拟焊接通用试样22b，并且使用者不必相对于该磁源对该模拟焊接通用试样进行手动正确定位。此外，磁源46a被安装在模拟焊接通用试样22b的底部，并且用作该模拟焊接通用试样的基座。竖直表面56、60、64、68从磁源46a向上突出，并且当使用通用试样22b时这些竖直表面被支撑在该磁源的顶上。

在某些实施例中，模拟焊接通用试样22b包括该通用试样的相同表面上的多个凹槽和/或突片，使得可以使用该模拟焊接通用试样的同一侧来仿真各种不同的焊接。例如，模拟焊接通用试样22b的一个竖直侧可以包括水平突片58和竖直突片62，使得可以在该模拟焊接通用试样的共有侧仿真水平填角焊、竖直填角焊和仰角焊。

转向图13至图16，示出了模拟焊接通用试样22c的又另一个实施例。模拟焊接通用试样22c可以包括如上面所讨论的各种圆柱形突起、突片和凹槽，以用于使用一个模拟焊接通用试样来仿真多种不同的焊接。

在图13至图16所示的模拟焊接通用试样22c的实施例中，该模拟焊接通用试样可拆卸地安装到台架72上。该台架包括臂74，并且模拟焊接通用试样22c包括滑到臂74的端部上的套环76。模拟焊接通用试样22c可以包括紧固件，例如定位螺钉，以用于该通用试样固定到臂74上。在某些实施例中，模拟焊接通用试样22c可以在臂74上旋转，使得可以仿真不同的焊接。例如，模拟焊接通用试样22c可以旋转45°、90°、180°等，这改变了可以仿真的各种焊接的定向。例如，图14所示的竖直凹槽75可以旋转到如图15所示的水平位置，使得可以使用相同的开槽表面来仿真竖直坡口焊和平坡口焊。类似地，当模拟焊接通用试样22c如图14所示被定位时，向下突出的突片77可以允许仿真仰角焊，并且当该模拟焊接通用试样如图15所示被定位时，仿真竖直填角焊。

套环76和臂74以及台架72可以是键接的，以确保模拟焊接通用试样22c总是正确地定位在该台架/臂上。

在某些实施例中，如图16所示，模拟焊接通用试样22c可以可替代地放置在台架72的顶部，以允许仿真不同类型的焊接。也就是说，可以从臂74移除模拟焊接通用试样22c，并且套环76滑过台架72的圆柱形上端78，以重新构造该通用试样。重新定位模拟焊接通用试样22c使得该通用试样转动90°，这改变了能被仿真的各种焊接的定向。例如，模拟焊接通用试样22c可以包括圆柱形突起80，该圆柱形突起在该通用试样安装到臂74上时沿着竖直轴线向上定向，并且在该通用试样安装到该台架的端部78时沿着水平轴线侧向地定向。可以通过将模拟焊接通用试样22c从臂74重新定位到该台架的端部78来仿真不同类型的管道焊接。以类似的方式，可以通过将模拟焊接通用试样22c从臂74重新定位到台架72的端部78来仿真不同类型的线性填角焊。例如，当模拟焊接通用试样22c位于臂74上时，图14中的向下突出的突片77可以允许仿真仰角焊。当模拟焊接通用试样22c移动到如图16所示的台架72的端部78时，相同的突片将会水平地突出，从而允许仿真水平填角焊。还可以通过将模拟焊接通用试样22c从臂74重新定位到台架的端部78来仿真不同类型的坡口焊。例如，当模拟焊接通用试样22c位于臂74上时，图14所示的竖直凹槽75可以允许仿真竖直坡口焊。当模拟焊接通用试样22c移动到如图16所示的台架72的端部78时，相同的凹槽将会被水平定向，从而允许仿真水平坡口焊。

除了具有用于模拟不同焊接的凹槽、突起、突片等之外，图13至图16中所示的模拟焊接通用试样22c还具有各种直径的孔82、84和阶梯形部分86、88。孔82、84允许仿真塞焊，而阶梯形部分86、88允许仿真搭接焊。应当理解，如果需要，图5至图12中所示的模拟焊接通用试样22a、22b可具有类似的孔和阶梯形部分，以允许仿真塞焊和搭接焊。

在图13至图16所示的实施例中，磁源46b不直接附接到模拟焊接通用试样22c。而是，磁源46b附接到支撑该模拟焊接通用试样22c的台架72(例如，附接到臂74)上。磁源46b可以被构造成产生大得足以包围模拟焊接通用试样22c的磁包络，无论其是安装到臂74还是该台架的端部78。模拟焊接通用试样22c、磁源46b或台架72可以被构造成经由有线或无线通信向该基于可编程处理器的子系统告知该台架上的通用试样的位置(即，无论该通用试样是安装在臂74上还是该台架的端部78上)。例如，通用试样22c或台架72可以包括限位开关或用于识别台架上的通用试样的位置的另一种类型的传感器。

如以上关于图4所讨论的，虚拟焊接系统10包括基于可编程处理器的子系统12，基于可编程处理器的子系统可操作来执行用于生成交互式虚拟现实焊接环境的编码指令，该交互式虚拟现实焊接环境仿真与该模拟焊接通用试样对应的虚拟现实焊接通用试样上的焊接活动。该交互式虚拟现实焊接环境包括该虚拟焊接通用试样(对应于该模拟焊接通用试样)上的虚拟焊接熔池。基于当前的焊接参数(例如，电压、电流、波形、极性等)，响应于该使用者在该模拟焊接通用试样上的仿真焊接，基于可编程处理器的子系统12实时产生该虚拟焊接熔池。由基于可编程处理器的子系统12生成的交互式虚拟现实焊接环境以及该使用者的虚拟焊接活动的仿真结果是经由焊接用户界面16和/或戴于面部的显示装置18而显示给该使用者并且在听觉上再现的。该虚拟焊接系统可以通过实时地描绘包括该虚拟焊接通用试样上的虚拟焊接熔池的交互式虚拟现实焊接环境来仿真实际焊接操作。

该虚拟焊接熔池可以包括仿真焊接过程中显示给使用者的动态的实时熔融金属流动性以及吸热和散热特性。焊道和熔池图像由焊元(即焊接元件)移置图的状态来驱动，这将在下面进一步讨论。为了仿真动态焊接熔池并显示其特性，基于可编程处理器的子系统12可以采用焊接过程的焊接物理功能或物理模型以及模拟焊接通用试样。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。

基于可编程处理器的子系统12还可以采用焊道呈现功能来呈现焊道从加热熔融状态到冷却固化状态的所有状态。焊道呈现功能性使用来自焊接物理功能性的信息(例如，热、流动性、移置、币状体间隔)，以便准确地且逼真地以实时的方式在虚拟现实空间中呈现焊道。

可以将附加的纹理(例如，焦痕(scorching)、熔渣、颗粒)覆盖到该仿真的焊道上，并且可以为使用者呈现和显示各种特性，如火星、飞溅、烟尘、电弧光、烟以及不连贯(如，咬边和多孔性)。

当在该模拟焊接通用试样上仿真焊接时，该使用者能够观察虚拟现实空间中的焊接熔池并且响应于观察该仿真焊接熔池的各种特性(包括实时熔融金属流动性(例如，粘度)和散热)来改变其焊接技术。使用者还可以观看并响应其他特征，包括实时熔池痕迹和币状体间隔。观看并响应焊接熔池的特征是为在现实世界中实际上如何执行许多焊接操作。焊接物理功能性的双移置层建模，允许这样的实时熔融金属流动性和散热特性被准确地建模并且呈现给使用者。例如，散热确定固化时间(即焊元需要多少时间完全地固化)。

此外，该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。在这样的第二焊道场景中，在仿真的模拟焊接工具通过在从仿真的模拟焊接工具射出的仿真电弧附近形成第二仿真的焊接熔池，堆积与第一仿真的焊道材料合并的第二仿真的焊道材料时，该仿真示出虚拟现实空间中的仿真的模拟焊接工具、模拟焊接通用试样、以及原始的仿真焊道材料。可能以类似的方式形成使用相同或不同的焊接工具或工艺的附加的后续焊道。当由先前的焊道材料、新焊道材料以及有可能在下面出现的通用试样材料中的任何组合在虚拟现实空间中形成新的焊接熔池时，在任何第二或后续焊道中，先前的焊道材料与被堆积的新焊道材料合并。这样的后续焊道可能例如被执行来修复由先前的焊道形成的焊道，或者可以包括热焊道和在管道焊接中完成根部焊道后的一个或多个间隙闭合焊道。根据不同实施例，可以仿真基座和焊道材料以便包括低碳钢、不锈钢和铝。例如，该模拟焊接通用试样可以在虚拟现实空间中描绘为表现为低碳钢、不锈钢或铝，并且可以相应地控制该虚拟焊接熔池的特性(例如，加热或冷却)。

该模拟焊接通用试样例如作为塑料件存在于真实世界中，并且还作为虚拟焊接通用试样存在于虚拟现实空间中(即，在该交互式虚拟现实焊接环境中)。在基于可编程处理器的子系统12内，对应于该模拟焊接通用试样的实际表面的虚拟焊接通用试样的仿真表面被分割成称为“焊元”的焊接元件的网格或阵列，从而形成焊元图。每个焊元定义该模拟焊接通用试样的表面的一小部分。焊元图限定了表面分辨率。可改变的通道参数值被分配到每个焊元，从而允许每个焊元的值在仿真焊接过程中实时地在交互式虚拟现实焊接环境中动态地改变。可改变的通道参数值对应于通道熔池(熔融金属流动性/黏性移置)、热量(吸热/散热)、移置(固体移置)、以及额外的(不同额外状态，例如熔渣、颗粒、焦痕、原生金属)。这些可改变的通道可以被称为PHED(分别用于熔池、热量、额外的、以及移置)。

该熔池通道存储在焊元位置处的任何液化金属的移置值。该移置通道存储在焊元位置处的固化金属的移置值。该热量通道存储给定在焊元位置处的热量量值的值。以此方式，该通用试样的可焊接部分可以示出因焊道而产生的移置、因液体金属而产生的闪烁表面“熔池”、因热而产生的颜色等。

在颗粒可以彼此相互作用并且可以与移置图碰撞的地方可以使用移置图和颗粒系统。这些颗粒是虚拟动态流体颗粒，并且提供焊接熔池的液体行为，但不直接呈现(即不是直接视觉可见的)。相反，仅移置图上的颗粒效果是视觉可见的。对焊元的热量输入影响了附近颗粒的移动。在仿真焊接熔池中涉及两种类型的移置，其包括熔池和移置。熔池是“暂时的”并且仅在只要存在颗粒和热量时持续。移置是“永久的”。熔池移置是焊接的液体金属，其快速改变(例如，闪烁)并且可被认为是在移置的“顶部上”。这些颗粒覆盖虚拟表面移置图的一部分(即，焊元图)。该移置表示包括已经固化的初始基金属和焊道两者的永久固体金属。

根据一个示例实施例，在虚拟现实空间中的仿真焊接过程如下工作：来自发射器(仿真模拟焊接工具的发射器)的以细锥形的颗粒流。这些颗粒与模拟焊接通用试样的表面进行第一次接触，其中该表面由焊元图限定。这些颗粒彼此相互作用以及与焊元图相互作用，并且实时增长。增加的热量越多，焊元离发射器越近。取决于与电弧点的距离和从该电弧输入热量的时间量来对热量进行建模。特定图像(例如，颜色等)是由热驱动的。熔池被绘制或呈现在具有足够热量的焊元的虚拟现实空间中。在热足够之处，焊元图液化，从而导致熔池移置针对那些焊元位置“升高”。通过对每个焊元位置处的“最高”颗粒进行采样来确定熔池移置。随着发射器沿焊接轨迹移动，留下的焊元位置冷却。以特定速率将热量从焊元位置移除。当到达冷却阈值时，焊元图固化。这样，熔池移置逐渐转化到移置(即固化焊道)。所添加的移置相当于所移除的熔池，这样使得总高度不改变。颗粒寿命得以调整以便持续直到固化完成。可以被模制的某些颗粒特性包括吸引/排斥、速率(与热量相关)、减震(与散热相关)、以及方向(与重力相关)。

图17a至图17c展示了由该虚拟焊接系统使用的双重移置或双移置(移置和颗粒)熔池模型的概念的示例实施例。在虚拟现实焊接环境中仿真具有如上所述的多个表面的模拟焊接通用试样。在该虚拟现实焊接环境中将上述表面(例如，开槽的水平表面、开槽的竖直表面、开槽的弯曲表面、搭接表面等)仿真成具有固体移置层和熔池移置层的双移置层。熔池移置层能够修改固体移置层。

如在此所描述的，“熔池”是由焊元图中的一个区域限定，在该区域中熔池值已经通过颗粒的存在而升高。在图17a至图17c中表示采样过程。示出焊元图的具有七个邻近焊元的一个区段。电流移置值由给定高度(即每个焊元的给定移置)无阴影的矩形柱1710表示。在图17a中，颗粒1720被示出为与电流移置水平撞击的圆形无阴影点并且被堆积。在图17b中，在每个焊元位置处对“最高”颗粒高度1730进行采样。在图17c中，阴影矩形1740示出在移置顶部上由于颗粒而已经添加多少熔池。由于基于热量以特定的液化速率增加熔池，焊接熔池高度初始未设置到采样值。尽管未在图17a至图19c中示出，有可能将固化过程可视化为熔池(带阴影的矩形)逐渐缩小而移置(无阴影的矩形)从下方逐渐增大到恰好代替该熔池。以此方式，准确地仿真实时熔融金属流动性特征。在使用者实践特定焊接工艺时，该使用者能够在虚拟现实空间中实时观察熔融金属流动性特征和焊接熔池的散热特征，并且使用此信息来调整或保持其焊接技术。

表示模拟焊接通用试样表面的焊元的数目是固定的。此外，如在此描述的，由对模型流动性的仿真产生的熔池颗粒是暂时的。因此，一旦在仿真的焊接工艺过程中在虚拟现实空间中产生初始熔池，焊元加熔池颗粒的数目倾向于保持相对恒定。这是因为所处理的焊元的数目是固定的，并且在焊接工艺过程中存在和被处理的熔池颗粒的数目以类似速率被创建和“破坏”(即焊元颗粒是暂时的)。因此，该基于可编程处理器的子系统的处理负荷在仿真焊接过程期间保持相对恒定。

应该明显的是，本披露是通过举例的方式并且可以通过添加、更改或消除来作出各种改变而不脱离本披露所包含的教导的合理范围。因此，本发明不限于本披露的特定的细节，除非以下权利要求书被必要地如此限定。

参考号

10 虚拟焊接系统 46 磁源

12 子系统 46a 磁源

14 使用者 46b 磁源

16 焊接用户界面 50 上表面

18 显示装置 52 水平凹槽

20 模拟焊接工具 54 向上突出的圆柱形部分

22 模拟焊接通用试样 55 相交处

22a 模拟焊接通用试样 56 第一竖直表面

22b 模拟焊接通用试样 58 水平突片

22c 模拟焊接通用试样 60 第二竖直表面

24 围罩 62 竖直突片

26 盖子 63 相交处

28 基座 64 第三竖直表面

30 基座 66 竖直凹槽

32 第一壁 68 第四竖直表面

33 相交处 70 水平凹槽

34 第二壁 72 台架

36 凹槽 74 臂

38 凹槽 75 竖直凹槽

40 凹槽 76 套环

42 弯曲表面 77 向下突出的突片

43 相交处 78 圆柱形上端

44 弯曲凹槽 80 圆柱形突起

82 孔

84 孔

86 阶梯形部分

88 阶梯形部分

1710 矩形杆

1720 颗粒

1730 颗粒高度

1740 带阴影的矩形

Claims (19)

1.一种用于虚拟焊接系统的模拟焊接通用试样，包括：

第一外表面；

垂直于该第一外表面的第二外表面，其中，该第一外表面和该第二外表面一起提供多个凹槽，这些凹槽被构造成用于在该模拟焊接通用试样上仿真多种不同类型的坡口焊；

弯曲外表面，该弯曲外表面被构造成用于在该模拟焊接通用试样上仿真管角焊；以及

磁源，该磁源被构造成在该模拟焊接通用试样周围产生磁场以用于追踪模拟焊接工具相对于该模拟焊接通用试样的运动，其中，该磁源在固定位置被附接到该模拟焊接通用试样上。

2.如权利要求1所述的模拟焊接通用试样，其中，该磁源是用于该模拟焊接通用试样的基座，并且在该基座顶上支撑该第一外表面和第二外表面。

3.如权利要求1所述的模拟焊接通用试样，其中该磁源附接到该模拟焊接通用试样的一个或多个外表面上。

4.如权利要求1所述的模拟焊接通用试样，其中，该多个凹槽包括被构造成用于竖直坡口焊的仿真的竖直凹槽以及被构造成用于水平坡口焊或平坡口焊的仿真的水平凹槽。

5.如权利要求1所述的模拟焊接通用试样，其中，该弯曲外表面包括被构造成用于管道坡口焊的仿真的凹槽。

6.如权利要求5所述的模拟焊接通用试样，其中，该模拟焊接通用试样的所述的和/或附加的表面一起被构造成利于竖直坡口焊、水平坡口焊、平坡口焊、水平填角焊以及竖直填角焊中的每一个的仿真。

7.如权利要求1所述的模拟焊接通用试样，其中，该模拟焊接通用试样的所述的和/或附加的表面一起被构造成利于竖直坡口焊、平坡口焊以及仰角焊中的每一个的仿真。

8.一种虚拟焊接系统，包括：

用于进行仿真焊接的模拟焊接工具；

模拟焊接通用试样，该模拟焊接通用试样被构造成用于使用该模拟焊接工具接受多种不同类型的仿真焊接，该模拟焊接通用试样包括至少一个开槽的竖直表面、至少一个开槽的水平表面和至少一个弯曲表面，其中，该多种不同类型的仿真焊接包括：

管角焊；

坡口焊；以及

线性填角焊，

其中，该模拟焊接通用试样具有被构造成用于接受仿真塞焊的多个孔；

基于可编程处理器的子系统，该基于可编程处理器的子系统可操作来执行用于生成交互式虚拟现实焊接环境的编码指令，该交互式虚拟现实焊接环境仿真对应于该模拟焊接通用试样的虚拟焊接通用试样上的焊接活动，其中，该交互式虚拟现实焊接环境包括响应于该模拟焊接通用试样上的仿真焊接而实时产生的虚拟焊接通用试样上的虚拟焊接熔池；以及

显示装置，该显示装置可操作地连接到该基于可编程处理器的子系统上并且被构造成实时地可视地描绘包括该虚拟焊接通用试样上的虚拟焊接熔池的交互式虚拟现实焊接环境。

9.如权利要求8所述的虚拟焊接系统，其中，该模拟焊接通用试样包括磁源，该磁源附接到该模拟焊接通用试样上并且被构造成在该模拟焊接通用试样周围产生磁场以用于追踪该模拟焊接工具在仿真焊接过程中相对于该模拟焊接通用试样的运动。

10.如权利要求9所述的虚拟焊接系统，其中，该磁源是该模拟焊接通用试样的基座，该基座被构造成用于当该模拟焊接通用试样正在使用时支撑该磁源上方的所述表面。

11.如权利要求8所述的虚拟焊接系统，其中，该模拟焊接通用试样包括被构造成用于接受仿真的水平填角焊和仰角焊的突片。

12.如权利要求8所述的虚拟焊接系统，其中，该模拟焊接通用试样还被构造成用于接受仿真的搭接焊。

13.如权利要求8所述的虚拟焊接系统，其中，该虚拟焊接熔池包括在仿真焊接过程中显示在该显示装置上的动态的实时熔融金属流动性和散热特性。

14.如权利要求13所述的虚拟焊接系统，其中，在该交互式虚拟现实焊接环境中分别将该至少一个开槽的竖直表面、该至少一个开槽的水平表面以及该至少一个弯曲表面仿真为双移置层，其中，每个双移置层包括固体移置层和熔池移置层，并且其中，该熔池移置层能够修改该固体移置层。

15.一种虚拟焊接系统，包括：

用于进行仿真焊接的模拟焊接工具，其中，该模拟焊接工具包括：磁场传感器；

模拟焊接通用试样，该模拟焊接通用试样被构造成使用该模拟焊接工具接受多种不同类型的仿真焊接，该模拟焊接通用试样包括磁源，该磁源被构造成在该模拟焊接通用试样周围产生磁场以用于追踪该模拟焊接工具相对于该模拟焊接通用试样的运动，其中，该磁源在固定位置附接到该模拟焊接通用试样上，并且其中，该模拟焊接通用试样还包括至少一个开槽的竖直表面、至少一个开槽的水平表面以及至少一个弯曲表面，其中，该多种不同类型的仿真焊接包括：

管角焊；

竖直坡口焊；

水平坡口焊；

平坡口焊；

水平填角焊；以及

管道坡口焊或仰角焊；

基于可编程处理器的子系统，该基于可编程处理器的子系统可操作来执行用于生成交互式虚拟现实焊接环境的编码指令，该交互式虚拟现实焊接环境仿真对应于该模拟焊接通用试样的虚拟焊接通用试样上的焊接活动，其中，该交互式虚拟现实焊接环境包括响应于该模拟焊接通用试样上的仿真焊接而实时产生的虚拟焊接通用试样上的虚拟焊接熔池，并且其中，该虚拟焊接熔池包括动态的实时熔融金属流动性和散热特性；以及

显示装置，该显示装置可操作地连接到该基于可编程处理器的子系统上并且被构造成实时地可视地描绘包括该虚拟焊接通用试样上的虚拟焊接熔池的交互式虚拟现实焊接环境。

16.如权利要求15所述的虚拟焊接系统，其中，该磁源是该模拟焊接通用试样的基座，该基座被构造成用于当该模拟焊接通用试样正在使用时支撑该磁源上方的所述表面。

17.如权利要求15所述的虚拟焊接系统，其中，该模拟焊接通用试样还被构造成用于接受仿真的竖直填角焊。

18.如权利要求15所述的虚拟焊接系统，其中，在该交互式虚拟现实焊接环境中分别将该至少一个开槽的竖直表面、该至少一个开槽的水平表面以及该至少一个弯曲表面仿真为双移置层，其中，每个双移置层包括固体移置层和熔池移置层，并且其中，该熔池移置层能够修改该固体移置层。

19.如权利要求15所述的虚拟焊接系统，其中，在仿真焊接过程中在该显示装置上显示动态的实时熔融金属流动性和散热特性。