CN110246398A - 使用虚拟现实焊接系统导入和分析外部数据 - Google Patents

Abstract

实时虚拟现实焊接系统包括基于可编程处理器的子系统、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，所述空间追踪器被可操作地连接到所述基于可编程处理器的子系统，所述至少一个模拟焊接工具能够由所述空间追踪器在空间上追踪，所述至少一个显示装置被可操作地连接到所述基于可编程处理器的子系统。系统能够在虚拟现实空间中仿真焊缝熔池，所述焊缝熔池具有实时熔融金属流动性和散热特性。系统进一步能够将数据导入到虚拟现实焊接系统中并且分析数据来表示学生焊工的进步的特征并且来提供训练。

Description

使用虚拟现实焊接系统导入和分析外部数据

本申请是2014年3月11日递交的PCT国际申请PCT/IB2014/000288于2015年9月7日进入中国国家阶段的中国专利申请号为201480012861.X、发明名称为“使用虚拟现实焊接系统导入和分析外部数据”的发明专利申请的分案申请。

PCT国际申请PCT/IB2014/000288要求2009年7月10日递交的待审定美国专利申请序号12/501,257的优先权，并且是所述待审定美国专利申请的部分继续专利申请，所述待审定美国专利申请通过引用被全部并入本文，并且所述待审定美国专利申请要求2008年8月21日递交的美国临时专利申请序号61/090,794的优先权和权益。具有序号13/453,124并且在2012年4月23日递交的公开的美国专利申请通过引用被全部并入本文。

技术领域

本发明涉及虚拟现实焊接系统以及用于提供弧焊训练的方法。某些实施方案涉及虚拟现实仿真。更特别地，某些实施方案涉及用于在仿真的虚拟现实环境或增强的现实环境中使用实时焊缝熔池反馈来提供弧焊训练的系统和方法，以及用于在虚拟现实焊接系统中提供外部数据的导入和分析的系统和方法。

背景技术

学习如何进行弧焊传统上需要许多小时的指导、训练和练习。存在可以进行学习的许多不同类型的弧焊和弧焊工艺。学员通常使用真实的焊接系统并且在真实的金属工件上执行焊接操作来学习焊接。这样的真实世界的训练会占用稀缺的焊接资源并耗尽有限的焊接材料。然而，近来使用焊接仿真的训练想法已经变得更加流行。一些焊接仿真经由个人电脑和/或经由互联网在线实现。可是，当前已知的焊接仿真往往被限于其训练重点(focus)。例如，一些焊接仿真将重点放于仅仅针对“肌肉记忆”的训练，这只不过是训练焊接学员如何握持和定位焊接工具。其他焊接仿真也仅是以有限的且常常为不实际的方式来将重点放于示出焊接工艺的视觉效果和音频效果，所述方式不给学员提供是真实世界焊接的高度表征的期望反馈。正是这种实际的反馈引导学员进行必要的调节以完成好的焊接。通过查看电弧和/或熔池而不是通过肌肉记忆来学习焊接。

通过将这样的途径与如参照附图在本申请其余内容中阐述的本发明的实施方案进行比较，本领域技术人员将清楚常规的、传统的以及已提出的途径的其他限制和缺点。

发明内容

目标是克服本文所提及的限制和缺点。这个问题通过本申请的方法以及系统来解决。进一步的实施方案是从属权利要求的主题。弧焊仿真已经在虚拟现实焊接系统上被设计，所述虚拟现实焊接系统提供在虚拟现实空间中对具有实时熔融金属流动性特征以及吸热与散热特征的焊缝熔池的仿真。数据可以被导入到虚拟现实焊接系统中并且被分析来表示学生焊工的进步的特征并且来提供训练。

根据实施方案，虚拟现实焊接系统包括基于可编程处理器的子系统、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，所述空间追踪器被可操作地连接到所述基于可编程处理器的子系统，所述至少一个模拟焊接工具能够由所述空间追踪器在空间上追踪，所述至少一个显示装置被可操作地连接到所述基于可编程处理器的子系统。系统能够在虚拟现实空间中仿真焊缝熔池，所述焊缝熔池具有实时熔融金属流动性和散热特性。系统进一步能够在显示装置上显示仿真的焊缝熔池，以描绘真实世界焊缝。基于学生表现，系统将显示评估的焊缝，所述评估的焊缝将是可接受的或显示具有缺陷的焊缝。外部数据可以被导入到虚拟现实焊接系统并且被分析来确定由学生焊工产生的焊缝的质量，或者模型化焊接定制组件的部分用于训练。

一个实施方案提供方法。所述方法包括将焊接质量参数的第一数据集导入到虚拟现实焊接系统中，所述焊接质量参数的第一数据集表征在对应于限定的焊接工艺的真实世界焊接活动期间由学生焊工产生的焊缝的质量。所述方法还包括使用所述虚拟现实焊接系统的基于可编程处理器的子系统将储存在虚拟现实仿真器上的焊接质量参数的第二数据集与所述第一数据集相比较，所述焊接质量参数的第二数据集表征在所述虚拟现实焊接系统上在对应于所述限定的焊接工艺的仿真的焊接活动期间由所述学生焊工产生的虚拟焊缝的质量。所述方法进一步包括响应于使用所述虚拟现实焊接系统的所述基于可编程处理器的子系统的所述比较，产生数值比较得分。

一个实施方案提供方法。所述方法包括将测量的焊接参数的第一数据集导入到虚拟现实焊接系统中，所述测量的焊接参数的第一数据集在对应于限定的焊接工艺的真实世界焊接活动期间产生，所述真实世界焊接活动由专家焊工使用真实世界焊接机器来执行。所述方法还包括将仿真的焊接参数的第二数据集储存在所述虚拟现实焊接系统上，所述仿真的焊接参数的第二数据集在对应于所述限定的焊接工艺的仿真的焊接活动期间、在由学生焊工使用所述虚拟现实焊接系统来执行所述仿真的焊接活动时产生。所述方法进一步包括通过使用所述虚拟现实焊接系统的基于可编程处理器的子系统将所述第一数据集与所述第二数据集相比较来计算多个学生焊接质量参数。

一个实施方案提供方法。所述方法包括将仿真的焊接参数的第一数据集储存在所述虚拟现实焊接系统上，所述仿真的焊接参数的第一数据集在对应于限定的焊接工艺的第一仿真的焊接活动期间产生，所述第一仿真的焊接活动由专家焊工使用虚拟现实焊接系统来执行。所述方法还包括将仿真的焊接参数的第二数据集储存在所述虚拟现实焊接系统上，所述仿真的焊接参数的第二数据集在对应于所述限定的焊接工艺的第二仿真的焊接活动期间、在由学生焊工使用所述虚拟现实焊接系统来执行所述第二仿真的焊接活动时产生。所述方法进一步包括通过使用所述虚拟现实焊接系统的基于可编程处理器的子系统将所述第一数据集与所述第二数据集相比较来计算多个学生焊接质量参数。

一个实施方案提供方法。所述方法包括将表征焊接定制组件的数字模型导入到虚拟现实焊接系统中。所述方法还包括使用所述虚拟现实焊接系统的基于可编程处理器的子系统分析所述数字模型来将所述数字模型分为多个部分，其中所述多个部分中的每个部分对应于所述焊接定制组件的单个焊缝接头类型。所述方法进一步包括使用所述虚拟现实焊接系统的所述基于可编程处理器的子系统将所述多个部分中的每个部分与在所述虚拟现实焊接系统中模型化的多个虚拟焊接试样中的虚拟焊接试样相匹配。

本申请的一个方面提供一种方法，所述方法包括：将焊接质量参数的第一数据集导入到虚拟现实焊接系统中，所述焊接质量参数的第一数据集表征在对应于限定的焊接工艺的真实世界焊接活动期间由学生焊工产生的焊缝的质量；使用所述虚拟现实焊接系统的基于可编程处理器的子系统将储存在虚拟现实仿真器上的焊接质量参数的第二数据集与所述第一数据集相比较，所述焊接质量参数的第二数据集表征在所述虚拟现实焊接系统上在对应于所述限定的焊接工艺的仿真的焊接活动期间由所述学生焊工产生的虚拟焊缝的质量；以及响应于使用所述虚拟现实焊接系统的所述基于可编程处理器的子系统的所述比较，产生数值比较得分。

在一些实施方案中，所述数值比较得分表征所述第一数据集和所述第二数据集之间在焊缝质量上的总偏差。

在一些实施方案中，所述方法还包括：将焊接质量参数的第三数据集导入到所述虚拟现实焊接系统中，所述焊接质量参数的第三数据集表征在对应于所述限定的焊接工艺的真实世界焊接活动期间由专家焊工产生的理想焊缝的质量；使用所述虚拟现实焊接系统的所述基于可编程处理器的子系统将所述第二数据集与所述第三数据集相比较；以及响应于使用所述虚拟现实焊接系统的所述基于可编程处理器的子系统的所述比较，产生数值学生得分。

在一些实施方案中，所述数值学生得分表征焊缝质量与所述理想焊缝的总偏差。

本申请的一个方面还提供一种方法，所述方法包括：将测量的焊接参数的第一数据集导入到虚拟现实焊接系统中，所述测量的焊接参数的第一数据集在对应于限定的焊接工艺的真实世界焊接活动期间产生，所述真实世界焊接活动由专家焊工使用真实世界焊接机器来执行；将仿真的焊接参数的第二数据集储存在所述虚拟现实焊接系统上，所述仿真的焊接参数的第二数据集在对应于所述限定的焊接工艺的仿真的焊接活动期间、在由学生焊工使用所述虚拟现实焊接系统来执行所述仿真的焊接活动时产生；使用所述虚拟现实焊接系统的基于可编程处理器的子系统来基于所述第一数据集计算多个专家焊接质量参数；以及使用所述虚拟现实焊接系统的所述基于可编程处理器的子系统来基于所述第二数据集计算多个学生焊接质量参数。

在一些实施方案中，所述方法还包括：使用所述虚拟现实焊接系统的所述基于可编程处理器的子系统将所述多个专家焊接质量参数与所述多个学生焊接质量参数相比较；以及响应于使用所述虚拟现实焊接系统的所述基于可编程处理器的子系统的所述比较，产生数值学生得分。

在一些实施方案中，所述数值学生得分表征学生焊缝质量与专家焊缝质量上的总偏差。

本申请的一个方面还提供一种方法，所述方法包括：将仿真的焊接参数的第一数据集储存在虚拟现实焊接系统上，所述仿真的焊接参数的第一数据集在对应于限定的焊接工艺的第一仿真的焊接活动期间产生，所述第一仿真的焊接活动由专家焊工使用虚拟现实焊接系统来执行；将仿真的焊接参数的第二数据集储存在所述虚拟现实焊接系统上，所述仿真的焊接参数的第二数据集在对应于所述限定的焊接工艺的第二仿真的焊接活动期间、在由学生焊工使用所述虚拟现实焊接系统来执行所述第二仿真的焊接活动时产生；使用所述虚拟现实焊接系统的基于可编程处理器的子系统来基于所述第一数据集计算多个专家焊接质量参数；以及使用所述虚拟现实焊接系统的所述基于可编程处理器的子系统来基于所述第二数据集计算多个学生焊接质量参数。

在一些实施方案中，所述专家焊工是机器人焊工，和/或其中所述专家焊工是人类焊工。

在一些实施方案中，所述方法还包括：使用所述虚拟现实焊接系统的所述基于可编程处理器的子系统将所述多个专家焊接质量参数与所述多个学生焊接质量参数相比较；以及响应于使用所述虚拟现实焊接系统的所述基于可编程处理器的子系统的所述比较，产生数值学生得分。

在一些实施方案中，所述数值学生得分表征学生焊缝质量与专家焊缝质量上的总偏差。

本申请的一个方面还提供一种方法，所述方法包括：将表征焊接定制组件的数字模型导入到虚拟现实焊接系统中；使用所述虚拟现实焊接系统的基于可编程处理器的子系统分析所述数字模型来将所述数字模型分为多个部分，其中所述多个部分中的每个部分对应于所述焊接定制组件的单个焊缝接头类型；以及使用所述虚拟现实焊接系统的所述基于可编程处理器的子系统将所述多个部分中的每个部分与在所述虚拟现实焊接系统中模型化的多个虚拟焊接试样中的虚拟焊接试样相匹配。

在一些实施方案中，所述方法还包括使用所述虚拟现实焊接系统的所述基于可编程处理器的子系统产生虚拟焊接训练程序，所述虚拟焊接训练程序使用所述虚拟焊接试样，所述虚拟焊接试样对应于表征所述焊接定制组件的所述数字模型的匹配的部分。

在一些实施方案中，所述虚拟焊接试样中的每个对应于所述虚拟现实焊接系统的模拟焊接试样。

在一些实施方案中，所述单个焊缝接头类型包括对接接头、T形接头、角接接头、边缘接头或搭接接头中的一个。

本申请的一个方面还提供一种虚拟现实焊接系统，所述虚拟现实焊接系统包括基于可编程处理器的子系统、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，所述空间追踪器被可操作地连接到所述基于可编程处理器的子系统，所述至少一个模拟焊接工具能够由所述空间追踪器在空间上追踪，所述至少一个显示装置被可操作地连接到所述基于可编程处理器的子系统，其中所述系统能够在虚拟现实空间中仿真焊缝熔池，所述焊缝熔池具有实时熔融金属流动性和散热特性。

从以下的说明和附图将更完整地理解要求保护的本发明的这些和其他特点，以及本发明的图示说明的实施方案的细节。

附图说明

图1图示说明在实时虚拟现实环境下提供弧焊训练的系统的系统方框图的第一示例性实施方案；

图2图示说明结合的仿真焊接控制台和图1的系统的观察者显示装置(ODD)的示例性实施方案；

图3图示说明图2的观察者显示装置(ODD)的示例性实施方案；

图4图示说明图2的仿真的焊接控制台的前部分的示例性实施方案，示出物理焊接使用者界面(WUI)；

图5图示说明图1的系统的模拟焊接工具(MWT)的示例性实施方案；

图6图示说明图1的系统的桌台/底座(table/stand)(T/S)的示例性实施方案；

图7A图示说明图1的系统的管焊接(pipe welding)试样(coupon)(WC)的示例性实施方案；

图7B图示说明安装于图6的桌台/底座(T/S)的臂的图7A的管状WC；

图8图示说明图1的空间追踪器(ST)的示例性实施方案的各种部件；

图9A图示说明图1的系统的戴于面部的(face-mounted)显示装置(FMDD)的示例性实施方案；

图9B为图9A的FMDD如何被固定在使用者的头部上的示意图；

图9C图示说明安装于焊接头盔内的图9A的FMDD的示例性实施方案；

图10图示说明图1的系统的基于可编程处理器的子系统(PPS)的子系统方框图的示例性实施方案；

图11图示说明图10的PPS的图形处理单元(GPU)的方框图的示例性实施方案；

图12图示说明图1的系统的功能方框图的示例性实施方案；

图13为使用图1的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图示说明仿真于图1的系统中的平坦焊接试样(WC)的试样空间(couponspace)和焊缝空间(weld space)的示例性实施方案；

图16图示说明仿真于图1的系统中的拐角(T型接头)焊接试样(WC)的试样空间和焊缝空间的示例性实施方案；

图17图示说明仿真于图1的系统中的管焊接试样(WC)的试样空间和焊缝空间的示例性实施方案；

图18图示说明图17的管焊接试样(WC)的示例性实施方案；

图19A-19C图示说明图1的系统的双移置熔池模型的概念的示例性实施方案；

图20图示说明将焊接质量参数从真实世界焊接机器导入到虚拟现实焊接系统中的概念；

图21是用以将学生焊工的真实世界焊接活动与学生焊工的虚拟焊接活动相比较的方法的实施方案的流程图；

图22是用以将学生焊工的虚拟焊接活动与专家焊工的真实世界焊接活动相比较的方法的实施方案的流程图；

图23图示说明将测量的焊接参数从真实世界焊接机器导入到虚拟现实焊接系统中的概念；

图24是产生多个学生焊接质量参数和数值学生得分的方法的第一实施方案的流程图；

图25是产生多个学生焊接质量参数和数值学生得分的方法的第二实施方案的流程图；

图26图示说明将表征焊接定制组件的数字模型导入到虚拟现实焊接系统中的概念；

图27图示说明将表征焊接定制部件的数字模型的部分与多个焊接试样相匹配的概念；以及

图28是产生用于焊接定制部件的虚拟焊接训练程序的方法的实施方案的流程图。

具体实施方式

本发明的实施方案包括虚拟现实弧焊(VRAW)系统，所述虚拟现实弧焊系统包括基于可编程处理器的子系统、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处理器的子系统，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处理器的子系统。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。当被显示时，所述仿真的熔池的实时熔融金属流动性和散热特征提供实时可视反馈给所述模拟焊接工具的使用者，允许所述使用者响应于所述实时可视反馈而实时地调节或保持焊接技法(即帮助使用者正确地学习焊接)。所显示的熔池是基于使用者的焊接技法和所选择的焊接工艺与参数而将会被形成于真实世界中的熔池的表征。通过观看熔池(例如形状、颜色、熔渣、大小、堆叠的币状体(stacked dimes))，使用者可以修正其技法来进行良好的焊接并确定被完成的焊接类型。所述熔池的形状响应于焊枪或焊条的运动。如本文所使用的，术语“实时”意指以与使用者在真实世界的焊接情景下将会感知和体验的相同的方式，在仿真的环境下及时感知和体验。此外，所述熔池响应于包括重力的物理环境的作用，允许使用者以各种位置(包括仰焊(overhead welding))和各种管焊接角度(例如1G、2G、5G、6G)逼真地练习焊接。如本文所使用的，术语“虚拟焊件”指的是存在于虚拟现实空间中的仿真的焊接部件。例如，如本文所描述的已经被虚拟焊接的仿真的焊接试样是虚拟焊件的实施例。

图1图示说明系统100的系统方框图的示例性实施方案，系统100在实时虚拟现实环境下提供弧焊训练。系统100包括基于可编程处理器的子系统(PPS)110。系统100进一步包括可操作地连接到PPS 110的空间追踪器(ST)120。系统100还包括可操作地连接到PPS110的物理焊接使用者界面(WUI)130，以及可操作地连接到PPS 110和ST 120的戴于面部的显示装置(FMDD)140。系统100还包括可操作地连接到PPS 110的观察者显示装置(ODD)150。系统100还包括可操作地连接到ST 120和PPS 110的至少一个模拟焊接工具(MWT)160。系统100还包括桌台/底座(T/S)170，以及能够被附接到T/S 170的至少一个焊接试样(WC)180。根据本发明可替换的实施方案，提供模拟气罐(未示出)，所述模拟气罐仿真保护气体源并具有可调节的流量调校器(flow regulator)。

图2图示说明结合的仿真焊接控制台135(仿真焊接电源使用者界面)和图1的系统100的观察者显示装置(ODD)150的示例性实施方案。物理WUI 130位于控制台135的前部分上，并且提供旋钮(knobs)、按钮以及操纵杆，用于各种模式和功能的使用者选择。ODD 150被附接到控制台135的顶部分。MWT 160放置在附接到控制台135的侧部分的托架(holder)中。在内部，控制台135容纳PPS 110以及ST 120的一部分。

图3图示说明图2的观察者显示装置(ODD)150的示例性实施方案。根据本发明的实施方案，ODD 150为液晶显示(LCD)装置。其他显示装置也是可能的。例如，根据本发明的另一实施方案，ODD 150可以为触控屏幕显示器。ODD 150从PPS 110接收视频(例如SVGA格式)并且显示来自PPS 110的信息。

如图3所示，ODD 150能够显示呈现各种焊接参数151的第一使用者场景，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。这些参数可以以图形的形式实时被选择并显示并且被用于教导适当的焊接技法。此外，如图3所示的，ODD 150能够显示仿真的焊接不连贯性状态152，包括例如不适当的焊缝大小、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、过度填充以及烧穿(焊穿)。咬边是熔入邻近焊缝或焊缝焊根(root)的基底金属的且没有被焊缝金属填充的凹槽(groove)。咬边常常是由于不正确的焊接角度造成的。多孔是由固化期间的夹气形成的空腔类不连贯，常常是由电弧过于远离试样移动而造成的。

再有，如图3所示的，ODD 150能够显示使用者选择内容153，包括菜单、动作、视觉提示、新试样以及最终行程(end pass)。这些使用者选择内容被关联到控制台135上的使用者按钮。当使用者经由例如ODD 150的触控屏幕或者经由物理WUI 130进行各种选择时，所显示的特征可以改变以对使用者提供选择的信息和其他选项。此外，ODD 150可以显示佩戴FDMM 140的焊接者以与所述焊接者相同角度的视野或者以各种不同的角度(例如由指导人员选择的)可见的视图。ODD 150可以由指导人员和/或学员出于各种训练目的进行观看。例如，所述视图可以围绕已完成的焊缝转动，以允许由指导人员进行的目检。根据本发明可替换的实施方案，来自系统100的视频可以经由例如互联网被发送到远端位置，来进行远端观看和/或评论。另外，可以提供音频，允许学员和远端指导人员之间的实时音频通信。

图4图示说明图2的仿真的焊接控制台135的前部分的示例性实施方案，示出物理焊接使用者界面(WUI)130。WUI 130包括对应于显示在ODD 150上的使用者选择内容153的一组按钮131。按钮131被着色以对应于显示在ODD 150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PPS 110来激活对应的功能。WUI 130还包括操纵杆132，操纵杆132能够被使用者使用来选择显示在ODD 150上的各种参数和选择内容。WUI130还包括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。WUI 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，包括具有气体保护和自保护过程的焊剂芯弧焊(FCAW)；包含短弧、轴向喷射(axial spray)、STT以及脉冲的气体保护金属极弧焊(GMAW)；气体保护钨极弧焊(GTAW)；以及包含E6010和E7010电极的自动保护金属极弧焊(SMAW)。WUI130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-)。

图5图示说明图1的系统100的模拟焊接工具(MWT)160的示例性实施方案。图5的MWT 160仿真用于板焊接(plate welding)和管焊接的手工焊接工具，并且包括夹持器161和仿真的手工焊条162。在MWD 160上的触发装置用于将信号传送到PPS 110来激活所选择的仿真的焊接工艺。仿真的手工焊条162包括触觉型(tactilely)阻力末端163，用于仿真发生在例如真实世界的管焊接中的焊根焊道(root pass)焊接过程期间或者焊接平板时的阻力反馈。如果使用者过于背离焊根移动仿真的手工焊条162，该使用者将能够感觉或觉察到较低的阻力，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，当使用者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PPS 110控制，并且更具体地，可以由PPS 110执行的编码指令控制。仿真的消耗速率还可以取决于使用者的技法。在此值得一提的是，当系统100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/或系统100的设置而变化。

根据本发明的其他实施方案，其他模拟焊接工具也是可能的，包括例如仿真手持半自动焊枪的MWD，所述MWD具有被送进通过所述枪的焊丝焊条。此外，根据本发明的其他特定实施方案，即使在系统100中工具不会用于实际上创建真实的电弧，真实的焊接工具可以用作MWT 160来更好地仿真使用者手中的所述工具的实际感觉。再者，可以提供仿真的打磨工具(grinding tool)用来在仿真器100的仿真的打磨模式下使用。类似地，可以提供仿真的切割工具，用来在仿真器100的仿真的切割模式下使用。另外，可以提供仿真的气体保护钨极弧焊(GTAW)焊炬或填充物材料，用来在仿真器100中使用。

图6图示说明图1的系统100的桌台/底座(T/S)170的示例性实施方案。T/S 170包括可调节的桌台171、底座或基座172、可调节的臂173以及立柱174。桌台171、底座172以及臂173的每个被附接到立柱174。桌台171和臂173的每个能够相对于立柱174被手动地向上、向下和转动地调节。臂173用于支撑各种焊接试样(例如焊接试样175)，并且在训练时使用者可以将他/她的手臂放于桌台171上。立柱174被标记有位置信息从而使用者可以确切地知晓臂173的所在位置，并且桌台171被垂直地固定在柱171上。这种垂直位置信息可以由使用者使用WUI 130和ODD 150来输入系统。

根据本发明可替换的实施方案，桌台171和臂173的位置可以由PSS 110经由预先编程的设置内容或者经由WUI 130和/或ODD 150按照使用者的命令自动地被设置。在这样的可替换实施方案中，T/S 170包括例如，马达和/或伺服机构，并且来自PPS 110的信号命令激活所述马达和/或伺服机构。根据本发明又一可替换的实施方案，桌台171和臂173的位置以及试样的类型由系统100检测。以这种方式，使用者无需经由使用者界面手动输入位置信息。在这样的可替换实施方案中，T/S 170包括位置检测器和定向检测器并且发送信号命令到PPS 110来提供位置和定向信息，而WC 175包括位置检测传感器(例如用于检测磁场的线圈传感器)。根据本发明的实施方案，当调节参数改变时，使用者能够在ODD 150上看到T/S 170调节的呈现(rendering)。

图7A图示说明图1的系统100的管焊接试样(WC)175的示例性实施方案。WC 175仿真被放置在一起以形成要焊接的焊根176的两个六英寸直径的管175'和175”。WC 175在WC175的一端包括连接部分177，允许WC 175以准确且可重复的方式被附接到臂173。图7B图示说明安装于图6的桌台/底座(T/S)170的臂173的图7A的管状WC 175。WC 175能够被附接到臂173的所述准确且可重复的方式允许WC 175的空间校准只需在工厂进行一次。于是，在实践中，只要系统100被告知臂173的位置，系统100能够在虚拟环境下相对于WC 175追踪MWT160和FMDD 140。如图6所示的，WC 175所附接到的臂173的第一部分能够相对于臂173的第二部分倾斜(tilt)。这允许使用者在管处于数种不同定向和角度中的任一种时练习管焊接。

图8图示说明图1的空间追踪器(ST)120的示例性实施方案的各种部件。ST 120为能够可操作地与系统100的PPS 110连接的磁性追踪器。ST 120包括磁源121和源线缆、至少一个传感器122及相关联的线缆、存储盘123上的主机软件、电源124及相关联的线缆、USB和RS-232线缆125以及处理器追踪单元126。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能够经由线缆可操作地连接到处理器追踪单元126。电源124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PPS 110。存储盘123上的主机软件能够加载到PPS 110上并且允许ST120和PPS 110之间的功能通信。

参考图6，ST 120的磁源121被安装在臂173的第一部分上。磁源121创建围绕源121的磁场(包括包围被附接到臂173的WC 175的空间)，所述磁场建立3D空间参考框架。T/S170大部分为非金属的(非铁的或不导电的)，从而不会使由磁源121创建的磁场畸变(distort)。传感器122包括沿三个空间方向正交排列的三个感应线圈。传感器122的感应线圈的每个测量磁场在所述三个方向中的每个上的强度并将这样的信息提供给处理器追踪单元126。因此，当WC 175被安装在臂173上时，系统100能够知晓WC 175的任一部分相对于由磁场建立的3D空间参考框架的位置所在。传感器122可以被附接到MWT 160或FMDD 140，允许MWT 160或FMDD 140相对于3D空间参考框架在空间和定向二者上被ST 120追踪。当两个传感器122被提供并可操作地连接到处理器追踪单元126时，MWT 160和FMDD 140二者都可以被追踪。以这种方式，系统100能够在虚拟现实空间中创建虚拟WC、虚拟MWT以及虚拟T/S，并且能够在MWT 160和FMDD 140相对于3D空间参考框架被追踪时，在FMDD 140和/或ODD150上显示虚拟WC、虚拟MWT以及虚拟T/S。

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PPS 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可以用于系统100，例如包括基于加速度计/陀螺仪的追踪器、光学追踪器(有源或无源)、红外追踪器、声学追踪器、激光追踪器、射频追踪器、惯性追踪器以及基于增强现实的追踪系统。其他类型的追踪器也是可能的。

图9A图示说明图1的系统100的戴于面部的显示装置140(FMDD)的示例性实施方案。图9B为图9A的FMDD 140如何被固定在使用者的头部上的示意图。图9C图示说明被整合到焊接头盔900中的图9A的FMDD 140的示例性实施方案。FMDD 140经由有线方式或无线方式可操作地连接到PPS 110和ST 120。根据本发明的各种实施方案，ST 120的传感器122可以被附接到FMDD 140或焊接头盔900，允许FMDD 140和/或焊接头盔900相对于所创建的3D空间参考框架被ST 120追踪。

根据本发明的实施方案，FMDD 140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。虚拟现实环境的视频被提供并显示在FMDD 140上。例如可以提供缩放(例如2倍(2X))模式，允许使用者仿真更加以假乱真的镜头(a cheater lens)。

FMDD 140还包括两个耳塞扬声器910，允许使用者聆听由系统100生成的仿真的焊接相关声音和环境声音。根据本发明的各种实施方案，FMDD 140可以经由有线或无线方式可操作地连接到PPS 110。根据本发明的实施方案，PPS 110向FMDD 140提供立体视频，向使用者提供加强的深度感知。根据本发明可替换的实施方案，使用者能够使用MWT 160上的控制部件(例如按钮或开关)来调用和选择菜单，并且在FMDD 140上显示选项。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一点以重新完成焊道轨迹的一部分时容易地重置焊接。

图10图示说明图1的系统100的基于可编程处理器的子系统(PPS)110的子系统方框图的示例性实施方案。根据本发明的实施方案，PPS 110包括中央处理单元(CPU)111和两个图形处理单元(GPU)115。根据本发明的实施方案，两个GPU 115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(又叫焊池(weld pool))的虚拟现实仿真。

图11图示说明图10的PPS 110的图形处理单元(GPU)115的方框图的示例性实施方案。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路由至FMDD140，给出焊接者的视野，并且第三视频输出例如可以被路由至ODD 150，呈现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。两个GPU 115执行相同的焊接物理计算，但可以从相同或不同的视野呈现虚拟现实环境。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。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图示说明图1的系统100的功能方框图的示例性实施方案。如图12所示的系统100的各种功能块大部分经由运行在PPS 110上的软件指令和模块实现。系统100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提供系统100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PPS 110的特定实时输入包括电弧位置、焊枪位置、FMDD或头盔位置、焊枪启用/关闭状态以及接触产生的状态(是/否)。

图形使用者界面功能1213通过ODD 150允许使用者使用物理使用者界面130的操纵杆132设置焊接情景。根据本发明的实施方案，焊接情景的设置包括选择语言，输入使用者姓名，选择实习板(即焊接试样)，选择焊接工艺(例如FCAW、GMAW、SMAW)和相关联的轴向喷射、脉冲或短弧方法，选择气体类型和流率，选择手工焊条的类型(例如6010或7018)，以及选择焊剂芯焊丝的类型(例如自保护的、气体保护的)。焊接情景的设置还包括选择T/S170的桌台高度、臂高度、臂位置以及臂转动。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，设置安培数，选择极性以及启用或关闭特定视觉提示。

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ODD 150上)。来自ST120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(WWAM)。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距离。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WWAM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WWAM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不适当的焊缝大小、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(slag entrapment)、过度填充、烧穿以及过度飞溅。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。所述最佳值是从真实世界数据获得的。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。

系统100能够分析和显示虚拟焊接活动的结果。通过分析所述结果，意味着系统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，使用者偏离焊接工艺可接受的限定范围。评分可以归因于使用者的表现。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。根据用于对使用者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系统100中。评分可以以数字的方式或字母数字的方式来显示。此外，使用者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，与使用者的表现对应的缺陷的分析也可以被包括并显示在ODD 150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(occlusions)”在ODD 150上可能不是可视的，但由于使用者的表现，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)。

视觉提示功能1219通过在FMDD 140和/或ODD 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、末端到工件间隙距离、焊接角度、行进角度、行进速度以及电弧长度(例如针对手工焊接)，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”间隔提供视觉提示。视觉提示可以独立地或以任何期望的组合被设置。

校准功能1208提供使真实世界空间(3D参考框架)中的实物部件与虚拟现实空间中的可视部件匹配的能力。通过将WC安装到T/S 170的臂173上，并且利用可操作地连接到ST 120的校准笔(stylus)接触WC预先限定的点(例如由WC上的三处浅凹指示的)，每种不同类型的焊接试样(WC)在工厂中被校准。ST 120读取所述预先限定的点处的磁场强度，提供位置信息至PPS 110，并且PPS 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)。

任一特定类型的WC在非常严格的公差之内以相同的可重复方式装入T/S 170的臂173。因而，一旦特定WC类型被校准，该WC类型无需被重复校准(即特定类型的WC的校准是一次性事件)。相同类型的WC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WC 180的拐角滑动MWT 160的末端，所述使用者将会在FMDD 140上看到所述末端围绕虚拟WC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，MWT 160被放置在预先定位的架子(jig)上并且也基于已知的架子位置被校准。

根据本发明可替换的实施方案，提供例如在试样的拐角上具有传感器的“智能”试样。ST 120能够追踪“智能”试样的拐角，从而系统100连续地知晓“智能”试样在真实世界3D空间中的位置。根据本发明的又一可替换实施方案，提供许可密钥来“解锁”焊接试样。当特定WC被购买时，提供许可密钥，允许使用者将所述许可密钥输入系统100，解锁与该WC相关联的软件。根据本发明的另一实施方案，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。使用者甚至可以在部件于真实世界中实际上被生成之前，能够训练焊接CAD部件。

声音内容功能1204和焊接声音1205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MWT 160正确定位时提供噼啪的声音，而当MWT 160被正确定位时提供嘶嘶的声音。在短弧焊接工艺中，针对适当的焊接技法提供稳定的噼啪声或“油煎”声(frying sound)，而当发生咬边时可以提供嘶嘶的声音。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。

根据本发明的各种实施方案，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。根据本发明的实施方案，所感知的声音的音量和方向性根据使用者的头部(假设使用者正佩戴由ST 120追踪的FMDD 140)相对于MWT 160和WC 180之间的仿真的电弧的位置、定向和距离而改变。例如，声音可以经由FMDD 140中的耳塞扬声器910或经由配置在控制台135或T/S 170中的扬声器被提供给使用者。

提供环境模型1203来提供虚拟现实空间中的各种背景场景(静止的和运动的)。这样的背景环境可以包括，例如室内焊接车间、室外跑道、车库等，并且可以包括移动的车辆、人、鸟、云以及各种环境声音。根据本发明的实施方案，背景环境可以为交互的。例如，使用者可以在开始焊接之前，需要审视(survey)背景区域以确保环境适于(例如安全)进行焊接。焊炬和夹具模型1202被提供来在虚拟现实空间中建模各种MWT 160(包括例如枪、具有手工焊条的托架等)。

试样模型1210被提供来在虚拟现实空间中建模各种WC 180，WC 180包括例如平板试样、T-接头试样、对接-接头试样、坡口焊道试样以及管状试样(例如2英寸直径的管和6英寸直径的管)。底座/桌台模型1206被提供来在虚拟现实空间中建模T/S 170的各种部件，T/S 170的各种部件包括可调节的桌台171、底座172、可调节的臂173以及立柱174。物理界面模型1201被提供来在虚拟现实空间中建模焊接使用者界面130、控制台135以及ODD 150的各种部件。

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，来表现焊道从热熔融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。例如，在焊接过程中或焊接过程刚刚结束，熔渣可以被示出出现于焊道上，并且然后被移动以露出下面的焊道。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(spatter)、烟尘、电弧光、烟和气体以及特定不连贯性(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(pass))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为使用图1的虚拟现实系统100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大多数的焊接操作是如何在真实世界中实际上被执行的。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。可能需要这样的后续焊道来形成大的填角焊缝或坡口焊缝，例如被执行来修复由先前的焊道形成的焊道，或者可以包括高温焊道(hot pass)和在管焊接中完成焊根焊道后的一个或更多个填充和盖面(cap)焊道。根据本发明的各种实施方案，焊道和基底材料可以包括软钢、不锈钢、铝、基于镍的合金或者其他材料。

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(WC)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WC 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(即焊元)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的系统100中的图14的平坦焊接试样(WC)1400的试样空间和焊缝空间的示例性实施方案。点O、X、Y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图示说明仿真于图1的系统100的拐角(T型接头)焊接试样(WC)1600的试样空间和焊缝空间的示例性实施方案。拐角WC 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O、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'-O'，如图16所示地朝向相对的拐角。

图17图示说明仿真于图1的系统100中的管状焊接试样(WC)1700的试样空间和焊缝空间的示例性实施方案。管状WC 1700在3D试样空间中具有弯曲的表面1710，所述表面1710如图17所示地被映射到2D焊缝空间。同样，点O、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17中所示的，使用者将从点B到点E沿弯曲的轨迹进行焊接。在图17中，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(WC)1700的示例性实施方案。管状WC 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T/S 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(即不是视觉上直接可见的)。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。熔池是“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”。熔池移置是快速变化(例如闪烁)的焊缝液态金属并且可以被看作是在移置的“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MWT 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熔池移置“升起”。通过在每个焊元位置采样“最高的”粒子来确定熔池移置。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。被建模于系统100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图示说明图1的系统100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。当前的移置值由具有给定高度的无阴影的矩形条1910(即，针对每个焊元的给定的移置)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19B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，移置的顶部上已增加多少熔池。由于熔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，如熔池(带阴影的矩形)逐渐缩小而移置(无阴影的矩形)从下面逐渐增大以正好替换所述熔池。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，一旦使用系统100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，PPS 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(blowthrough)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，材料将会烧掉造成孔洞。这样的真实世界穿透通过焊元抽选技术(decimation techniques)被仿真于系统100。如果由一焊元吸收的热量被系统100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，系统100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系统100。

另外，在焊根焊道焊接中移除材料的操作被适当地仿真于系统100。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，系统100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，被移除的材料可以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系统100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，系统100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，系统100还使用其他三种类型的可视粒子来表征电弧效果、火焰效果以及火星效果。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，仅有熔池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，从而电弧粒子撞击(hit)仿真的试样表面或焊道并且停留一段时间。电弧粒子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建模来缓慢地向上升起。火焰粒子被呈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系统100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熔池和移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1D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1D纹理映射来绘制“波痕(ripples)”，所述“波痕”给焊道以刻画(portray)所述焊道被铺设的方向的其独特的外观。根据本发明可替换的实施方案，系统100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，系统100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，系统100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ODD 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。

导入和分析外部数据

根据某些实施方案，外部数据可以被导入到虚拟现实焊接系统中并且被分析来帮助表示例如学生焊工的进步的特征并且来辅助学生焊工的训练。

一个实施方案提供导入和分析数据的方法。所述方法包括将焊接质量参数的第一数据集导入到虚拟现实焊接系统中，所述焊接质量参数的第一数据集表征在对应于限定的焊接工艺的真实世界焊接活动期间由学生焊工产生的焊缝的质量。所述方法还包括使用虚拟现实焊接系统的基于可编程处理器的子系统将储存在虚拟现实仿真器上的焊接质量参数的第二数据集与第一数据集相比较，所述焊接质量参数的第二数据集表征在虚拟现实焊接系统上在对应于限定的焊接工艺的仿真的焊接活动期间由学生焊工产生的虚拟焊缝的质量。所述方法进一步包括响应于使用虚拟现实焊接系统的基于可编程处理器的子系统的所述比较，产生数值比较得分。数值比较得分可以表征第一数据集和第二数据集之间在焊缝质量上的总偏差。所述方法可以还包括将焊接质量参数的第三数据集导入到虚拟现实焊接系统中，所述焊接质量参数的第三数据集表征在对应于限定的焊接工艺的真实世界焊接活动期间由专家焊工产生的理想焊缝的质量。专家焊工可以例如是机器人焊工或人类焊工。所述方法可以进一步包括使用虚拟现实焊接系统的基于可编程处理器的子系统将第二数据集与第三数据集相比较以及响应于使用虚拟现实焊接系统的基于可编程处理器的子系统的所述比较，产生数值学生得分。数值学生得分例如可以表征焊缝质量与理想焊缝的总偏差。

图20图示说明将焊接质量参数2020从真实世界焊接机器2000导入到虚拟现实焊接系统100中的概念。焊接质量参数2020可以通过通信装置2010经由有线手段或无线手段被导入到虚拟现实焊接系统100中。根据实施方案，通信装置2010被可操作地连接到基于可编程处理器的子系统110并且提供用于以数字通信的方式接收数据的所有电路和/或软件(见图1)。例如，通信装置2010可以包括以太网端口以及能够基于以太网的(Ethernet-capable)接收电路。作为另一个实施例，通信装置2010可以提供无线蓝牙TM通信连接。可替换地，通信装置2010可以是这样的装置，所述装置例如接受并且读取永久的计算机可读媒介(例如计算机磁盘)或者闪存数据储存装置。作为进一步可替换的实施方案，通信装置2010可以是提供到因特网的连接的调制解调器装置。根据各种其他实施方案，其他类型的通信装置也是可能的。

各种类型的焊接质量参数在具有序号13/453,124的公开的美国专利申请中被讨论，所述美国专利申请通过引用被并入本文。然而，根据其他实施方案，其他类型的焊接质量参数可能也是可能的。焊接质量参数表征例如由学生焊工产生的焊缝的质量。如本文稍后所讨论的，质量参数可以从测量的或仿真的焊接参数得到。测量的或仿真的焊接参数的一些实施例是所采取的测量的计数、平均电压、均方根电压、电压方差、平均电流、均方根电流、电流方差、平均焊丝送进速度、均方根焊丝送进速度以及焊丝送进速度方差。焊接质量参数的一些实施例是质量计数标准差、质量电压平均值、质量电压标准差、质量电流平均值、质量电流标准差、质量电压方差平均值、质量电压方差标准差、质量电流平均值、质量电流方差标准差、质量焊丝送进速度平均值、质量焊丝送进速度标准差、质量焊丝送进速度方差平均值以及质量焊丝送进速度方差标准差。

图21是用以将学生焊工的真实世界焊接活动与学生焊工的虚拟焊接活动相比较的方法2100的实施方案的流程图。在步骤2110，焊接质量参数的第一数据集被导入到虚拟现实焊接系统100中，所述焊接质量参数的第一数据集表征在对应于限定的焊接工艺的真实世界焊接活动期间由学生焊工产生的焊缝的质量。在步骤2120，使用虚拟现实焊接系统100的基于可编程处理器的子系统110将储存在虚拟现实焊接系统100上的焊接质量参数的第二数据集与第一数据集相比较，所述焊接质量参数的第二数据集表征在虚拟现实焊接系统100上在对应于限定的焊接工艺的仿真的焊接活动期间由学生焊工产生的虚拟焊缝的质量。在步骤2130，响应于使用虚拟现实焊接系统100的基于可编程处理器的子系统110的比较步骤，数值比较得分被产生。

图21的方法2100可以表征这样的情况，其中学生焊工在已经训练在虚拟现实焊接系统100上执行限定的焊接工艺之后，转换到相应的真实世界焊接系统2000并且在真实世界执行相同的限定的焊接工艺，实际上创建真实的焊缝。焊接质量参数在虚拟情形和真实世界情形二者中被产生并且储存。方法2100允许学生焊工相对于限定的焊接工艺将他在真实世界中的焊接表现与他在虚拟世界中的焊接表现相比较。限定的焊接工艺的实施例包括气体保护金属极弧焊(GMAW)工艺、手工焊工艺、焊剂芯弧焊(FCAW)工艺以及气体保护钨极弧焊(GTAW)工艺。根据各种其他实施方案，其他类型的限定的焊接工艺也是可能的。

数值比较得分可以表征第一数据集和第二数据集之间在焊缝质量上的总偏差。可替换地，数值比较得分可以表征第一数据集与第二数据集在焊缝质量上的总接近度。例如，数值比较得分可以通过以下方式来计算：从虚拟焊接活动和真实世界焊接活动求出每个相应的焊缝质量参数之间的差值、对每个差值进行加权以及对加权后的差值进行求和。根据各种其他实施方案，产生数值比较得分的其他方法也是可能的。例如，具有序号13/453,124的公开的美国专利申请公开了计算这样的得分的方法，所述美国专利申请通过引用被并入本文。作为一个实施例，每个质量值可以与期望的质量值相比较，以确定质量值和期望的质量值之间的差值是否超出预先确定的阈值。如果差值超出预先确定的阈值，质量值可以以基于差值的量值权重被加权，并且质量值可以以基于针对它波形的状态的时间贡献的时间贡献权重被加权。在所述弧焊工艺期间所获得的所有的质量值(包括任何加权后的质量值)可以被用来确定数值得分。另外，数值比较得分例如可以被归一化到0％至100％的范围，其中0％表征最大偏差并且100％表征最小偏差。

图22是用以将学生焊工的虚拟焊接活动与专家焊工的真实世界焊接活动相比较的方法2200的实施方案的流程图。在步骤2210，焊接质量参数的第三数据集被导入到虚拟现实焊接系统100中，所述焊接质量参数的第三数据集表征在对应于限定的焊接工艺的真实世界焊接活动期间由专家焊工产生的理想焊缝的质量。专家焊工例如可以是有经验的人类焊工或者被编程的机器人焊工。在步骤2220，使用虚拟现实焊接系统100的基于可编程处理器的子系统110将储存在虚拟现实系统上的焊接质量参数的第二数据集与第三数据集相比较，所述焊接质量参数的第二数据集表征在虚拟现实焊接系统100上在对应于限定的焊接工艺的仿真的焊接活动期间由学生焊工产生的虚拟焊缝的质量。在步骤2230，响应于使用虚拟现实焊接系统100的基于可编程处理器的子系统110的比较步骤，数值比较得分被产生。

图22的方法2200可以表征这样的情况，其中学生焊工正在学习使用虚拟现实焊接系统100执行限定的焊接工艺，并且想要知道相对于在真实世界创建的理想焊缝他正在取得多少进步。同样，焊接质量参数在虚拟情形和真实世界情形二者中被产生并且储存。方法2200允许学生焊工相对于限定的焊接工艺将他在虚拟世界中的焊接表现与专家在现实世界中的焊接表现相比较。类似于数值比较得分，数值学生得分可以表征焊缝质量与理想焊缝的总偏差。可替换地，数值学生得分可以表征焊缝质量与理想焊缝的总接近度。例如，数值学生得分可以通过以下方式来计算：从学生的虚拟焊接活动和专家的真实世界焊接活动求出每个相应的焊缝质量参数之间的差值、对每个差值进行加权以及对加权后的差值进行求和。根据各种其他实施方案，产生数值学生得分的其他方法也是可能的。类似于数值比较得分，数值学生得分可以被归一化到0％至100％的范围。

另一个实施方案提供导入和分析数据的方法。所述方法包括将测量的焊接参数的第一数据集导入到虚拟现实焊接系统中，所述测量的焊接参数的第一数据集在对应于限定的焊接工艺的真实世界焊接活动期间产生，所述真实世界焊接活动由专家焊工使用真实世界焊接机器来执行。专家焊工可以是机器人焊工或人类焊工。所述方法还包括将仿真的焊接参数的第二数据集储存在虚拟现实焊接系统上，所述仿真的焊接参数的第二数据集在对应于限定的焊接工艺的仿真的焊接活动期间、在由学生焊工使用虚拟现实焊接系统来执行仿真的焊接活动时产生。所述方法进一步包括使用虚拟现实焊接系统的基于可编程处理器的子系统来基于第一数据集计算多个专家焊接质量参数。所述方法还包括使用虚拟现实焊接系统的基于可编程处理器的子系统来基于第二数据集计算多个学生焊接质量参数。所述方法可以还包括使用虚拟现实焊接系统的基于可编程处理器的子系统将多个专家焊接质量参数与多个学生焊接质量参数相比较。所述方法可以进一步包括响应于使用虚拟现实焊接系统的基于可编程处理器的子系统的所述比较，产生数值学生得分。数值学生得分例如可以表征焊缝质量与理想质量的焊缝的总偏差。

图23图示说明将测量的焊接参数从真实世界焊接机器2000导入到虚拟现实焊接系统100中的概念。测量的焊接参数2320可以通过通信装置2010经由有线手段或无线手段被导入到虚拟现实焊接系统100中。根据实施方案，通信装置2010被可操作地连接到基于可编程处理器的子系统110并且提供用于以数字通信的方式接收数据的所有电路和/或软件(见图1)。例如，通信装置2010可以包括以太网端口以及能够基于以太网的接收电路。作为另一个实施例，通信装置2010可以提供无线蓝牙TM通信连接。可替换地，通信装置2010可以是这样的装置，所述装置例如接受并且读取永久的计算机可读媒介(例如计算机磁盘)或者闪存数据储存装置。作为进一步可替换的实施方案，通信装置2010可以是提供到因特网的连接的调制解调器装置。根据各种实施方案，其他类型的通信装置也是可能的。

各种类型的测量的焊接参数在具有序号13/453,124的公开的美国专利申请中被讨论，所述美国专利申请通过引用被并入本文。然而，根据其他实施方案，其他类型的测量的焊接参数可能也是可能的。测量的焊接参数表征在针对限定的焊接工艺的焊接活动(其中焊丝朝向工件推进来创建焊缝)期间出现的实际的焊接参数。根据实施方案，质量参数可以从测量的焊接参数得到。测量的焊接参数的一些实施例是所采取的测量的计数、平均电压、均方根电压、电压方差、平均电流、均方根电流以及电流方差。

图24是产生多个学生焊接质量参数和数值学生得分的方法2400的第一实施方案的流程图。在步骤2410，测量的焊接参数的第一数据集被导入到虚拟现实焊接系统100中，所述测量的焊接参数的第一数据集在对应于限定的焊接工艺的真实世界焊接活动期间产生，所述真实世界焊接活动由专家焊工使用真实世界焊接机器2000来执行。专家焊工例如可以是有经验的人类焊工或者机器人焊工。在步骤2420，仿真的焊接参数的第二数据集被储存在虚拟现实焊接系统100上，所述仿真的焊接参数的第二数据集在对应于限定的焊接工艺的仿真的焊接活动期间、在由学生焊工使用虚拟现实焊接系统100来执行仿真的焊接活动时产生。仿真的焊接参数对应于测量的焊接参数，但与在真实世界焊接机器中产生相反，仿真的焊接参数作为焊接仿真的一部分在虚拟现实焊接系统100中产生。例如，在虚拟现实焊接系统100，焊接参数(例如，电流和电流的导数、电压和电压的导数、焊丝送进速度和焊丝送进速度的导数)作为仿真具有实时熔融金属流动性和散热特性的虚拟焊缝熔池的一部分被仿真。

在步骤2430，使用虚拟现实焊接系统100的基于可编程处理器的子系统110来基于第一数据集计算多个专家焊接质量参数。在步骤2440，使用虚拟现实焊接系统100的基于可编程处理器的子系统110来基于第二数据集计算多个学生焊接质量参数。基于测量的焊接参数的质量参数的计算在具有序号13/453,124的公开的美国专利申请中被公开，所述美国专利申请通过引用被并入本文。基于仿真的焊接参数的质量参数的计算可以以类似的方式来执行。

在方法2400，学生焊接质量参数从仿真的焊接参数和测量的焊接参数得到，所述仿真的焊接参数在学生焊接活动期间由虚拟现实焊接系统产生，所述测量的焊接参数在真实世界焊接活动期间由专家产生并且从真实世界焊接机器导入。因此，学生焊接质量参数表征相对于专家焊工在真实世界的表现而言学生在虚拟现实空间的表现。

在步骤2450，使用虚拟现实焊接系统100的基于可编程处理器的子系统110将多个专家焊接质量参数与多个学生焊接质量参数相比较。在步骤2460，响应于使用虚拟现实焊接系统100的基于可编程处理器的子系统110的比较步骤，计算数值学生得分。数值学生得分可以表征焊缝质量与理想焊缝的总偏差。可替换地，数值学生得分可以表征焊缝质量与理想焊缝的总接近度。例如，数值学生得分可以通过以下方式来计算：求出学生焊接质量参数和专家焊接质量参数的每个相应的焊缝质量参数之间的差值、对每个差值进行加权以及对加权后的差值进行求和。根据各种其他实施方案，产生数值学生得分的其他方法也是可能的。同样，数值学生得分例如可以被归一化到0％至100％的范围。

进一步的实施方案提供分析仿真的焊接参数的方法。所述方法包括将仿真的焊接参数的第一数据集储存在虚拟现实焊接系统上，所述仿真的焊接参数的第一数据集在对应于限定的焊接工艺的第一仿真的焊接活动期间产生，所述第一仿真的焊接活动由专家焊工使用虚拟现实焊接系统来执行。专家焊工例如可以是机器人焊工或人类焊工。所述方法还包括将仿真的焊接参数的第二数据集储存在虚拟现实焊接系统上，所述仿真的焊接参数的第二数据集在对应于限定的焊接工艺的第二仿真的焊接活动期间、在由学生焊工使用虚拟现实焊接系统来执行第二仿真的焊接活动时产生。所述方法进一步包括使用虚拟现实焊接系统的基于可编程处理器的子系统来基于第一数据集计算多个专家焊接质量参数。所述方法进一步包括使用虚拟现实焊接系统的基于可编程处理器的子系统来基于第二数据集计算多个学生焊接质量参数。所述方法可以进一步包括使用虚拟现实焊接系统的基于可编程处理器的子系统将多个专家焊接质量参数与多个学生焊接质量参数相比较。所述方法可以还包括响应于使用虚拟现实焊接系统的基于可编程处理器的子系统的所述比较，产生数值学生得分。数值得分例如可以表征焊缝质量与理想质量的焊缝的总偏差。

图25是产生多个学生焊接质量参数和数值学生得分的方法2500的第二实施方案的流程图。在步骤2510，仿真的焊接参数的第一数据集被储存在虚拟现实焊接系统100上，所述仿真的焊接参数的第一数据集在对应于限定的焊接工艺的第一仿真的焊接活动期间产生，所述第一仿真的焊接活动由专家焊工使用虚拟现实焊接系统100来执行。专家焊工例如可以是有经验的人类焊工或机器人焊工。在步骤2520，仿真的焊接参数的第二数据集被储存在虚拟现实焊接系统100上，所述仿真的焊接参数的第二数据集在对应于限定的焊接工艺的仿真的焊接活动期间、在由学生焊工使用虚拟现实焊接系统100来执行仿真的焊接活动时产生。仿真的焊接参数作为焊接仿真的一部分在虚拟现实焊接系统100中产生。在步骤2530，使用虚拟现实焊接系统100的基于可编程处理器的子系统110来基于第一数据集计算多个专家焊接质量参数。在步骤2540，使用虚拟现实焊接系100的基于可编程处理器的子系统110来基于第二数据集计算多个学生焊接质量参数。质量参数(无论是测量的还是仿真的)的计算在具有序号13/453,124的公开的美国专利申请中被公开，所述美国专利申请通过引用被并入本文。

在方法2500，焊接质量参数从仿真的焊接参数得到，所述仿真的焊接参数在专家焊接活动和学生焊接活动期间由虚拟现实焊接系统产生。因此，学生焊接质量参数表征学生在虚拟现实空间的表现并且专家焊接质量参数表征专家在虚拟现实空间的表现。学生焊接质量参数接下来可以与专家焊接质量参数相比较。

在步骤2550，使用虚拟现实焊接系统100的基于可编程处理器的子系统110将多个专家焊接质量参数与多个学生焊接质量参数相比较。在步骤2560，响应于使用虚拟现实焊接系统100的基于可编程处理器的子系统110的比较步骤，计算数值学生得分。数值学生得分可以表征焊缝质量与理想焊缝的总偏差。可替换地，数值学生得分可以表征焊缝质量与理想焊缝的总接近度。例如，数值学生得分可以通过以下方式来计算：求出学生焊接质量参数和专家焊接质量参数的每个相应的焊缝质量参数之间的差值、对每个差值进行加权以及对加权后的差值进行求和。根据各种其他实施方案，产生数值学生得分的其他方法也是可能的。

另一个实施方案提供导入和分析数据的方法。所述方法包括将表征焊接定制组件的数字模型导入到虚拟现实焊接系统中。所述方法还包括使用虚拟现实焊接系统的基于可编程处理器的子系统分析数字模型来将数字模型分为多个部分，其中多个部分中的每个部分对应于焊接定制组件的单个焊缝接头类型。所述方法进一步包括使用虚拟现实焊接系统的基于可编程处理器的子系统将多个部分中的每个部分与在虚拟现实焊接系统中模型化的多个虚拟焊接试样中的虚拟焊接试样相匹配。所述方法可以还包括使用虚拟现实焊接系统的基于可编程处理器的子系统产生虚拟焊接训练程序，所述虚拟焊接训练程序使用虚拟焊接试样，所述虚拟焊接试样对应于表征焊接定制组件的数字模型的匹配的部分。虚拟焊接试样中的每个可以对应于虚拟现实焊接系统的模拟焊接试样。单个焊缝接头类型可以包括对接接头、T形接头、角接接头、边缘接头或搭接接头中的一个。根据各种其他实施方案，其他单个焊缝接头类型也是可能的。

图26图示说明将表征焊接定制组件的数字模型2600导入到虚拟现实焊接系统100中的概念。焊接定制组件可以对应于被焊接在一起的多个金属部件的最后组装的产品。制造商可以生产许多这样的最后组装的产品，并且因此，可能需要训练一个或更多个焊工来有效地并且可靠地将金属部件焊接在一起。根据实施方案，数字模型2600例如是在三维空间中表征的定制焊接组件的计算机辅助设计(CAD)模型。根据本发明的各种其他实施方案，其他类型的数字模型可能也是可能的。例如，数字模型可以对应于以如在蓝图上的多个二维视图示出的定制焊接组件。如本文所使用的，术语“数字模型”指的是以数字格式的(例如，储存在计算机可读媒介上的数字电子格式)、可以由基于计算机的或基于处理器的设备(例如，虚拟现实焊接系统100)读取的数据和/或指令。

数字模型2600可以通过通信装置2010经由有线手段或无线手段被导入到虚拟现实焊接系统100中。根据实施方案，通信装置2010被可操作地连接到基于可编程处理器的子系统110并且提供用于以数字通信的方式接收数据的所有电路和/或软件(见图1)。例如，通信装置2010可以包括以太网端口以及能够基于以太网的接收电路。作为另一个实施例，通信装置2010可以提供无线蓝牙TM通信连接。可替换地，通信装置2010可以是这样的装置，所述装置例如接受并且读取永久的计算机可读媒介(例如计算机磁盘)或者闪存数据储存装置。作为进一步可替换的实施方案，通信装置2010可以是提供到因特网的连接的调制解调器装置。根据各种其他实施方案，其他类型的通信装置也是可能的。

图27图示说明将表征焊接定制组件2700的数字模型2600的部分与多个焊接试样2705相匹配的概念。例如，焊接定制组件2700可以由多个不同的焊缝接头类型构成，所述多个不同的焊缝接头类型将多个不同的金属部件接合在一起。根据实施方案，虚拟现实焊接系统100被配置来(即，被编程来)分析定制焊接组件2700的数字模型2600并且将数字模型2600分为多个部分，其中每个部分对应于焊接定制组件2700的焊缝接头类型。如关于图28的方法2800所讨论的，每个部分可以与多个焊接试样2705中的一个相匹配(或者被意图来匹配)。例如，如在数字模型2600中所表征的，焊接定制组件2700的部分2701可以与焊接试样2706相匹配。

根据实施方案，多个焊接试样2705中的每个焊接试样在虚拟现实空间中的虚拟现实焊接系统100被模型化，并且也作为模拟焊接试样存在(例如，塑料部件)，所述模拟焊接试样可以在虚拟焊接活动期间与模拟焊接工具一起由使用者来使用。多个焊接试样可以对应于例如具有对接接头、T形接头、角接接头、边缘接头或搭接接头的试样。根据各种其他实施方案，具有其他类型的接头的焊接试样也是可能的。

图28是产生用于焊接定制组件2700的虚拟焊接训练程序的方法2800的实施方案的流程图。在步骤2810，如图26所图示说明的，表征焊接定制组件2700的数字模型2600导入到虚拟现实焊接系统100中。在步骤2820，使用虚拟现实焊接系统100的基于可编程处理器的子系统110分析数字模型来将数字模型2600分为多个部分，其中多个部分中的每个部分对应于焊接定制组件的单个焊缝接头类型。

根据实施方案，所述分析包括使用特征识别技术来辨识数字模型中的特征，所述特征对应于焊接定制组件的单个焊缝接头类型。在计算机辅助设计(CAD)模型中，特征可以是具有一些特定的几何的或拓扑的图案(可以涉及例如形状、功能或制造信息)的组件的区域。在特征辨识中，目的是在算法上从CAD模型的较低级别的元素(例如表面、边缘等)提取较高级别的实体(例如制造特征)。基于期望得到的焊接定制组件的类型，所使用的准确类型的算法可以以适当的工程判断来选择和实现。

在步骤2830，使用虚拟现实焊接系统100的基于可编程处理器的子系统110将多个部分中的每个部分与在虚拟现实焊接系统100中模型化的多个虚拟焊接试样2705中的虚拟焊接试样相匹配(或者被意图来匹配)。根据实施方案，特征匹配包括使用针对焊接试样的具体特征定做的卷积模板(mask/template)。卷积过程的输出在部分与焊接试样的模板特征相匹配的位置是最高的。基于期望得到的焊接定制组件的类型，所使用的准确类型的匹配技术可以以适当的工程判断来选择和实现。

在步骤2840，使用虚拟现实焊接系统100的基于可编程处理器的子系统110产生虚拟焊接训练程序，所述虚拟焊接训练程序使用虚拟焊接试样，所述虚拟焊接试样对应于定制焊接组件2700的数字模型2600的匹配的部分。例如，虚拟焊接训练程序可以包括以特定的顺序使用匹配的焊接试样来指导焊工关于如何练习焊接组件2700的一系列焊接步骤。

总之，实时虚拟现实焊接系统被公开。所述系统包括基于可编程处理器的子系统、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，所述空间追踪器被可操作地连接到所述基于可编程处理器的子系统，所述至少一个模拟焊接工具能够由所述空间追踪器在空间上追踪，所述至少一个显示装置被可操作地连接到所述基于可编程处理器的子系统。系统能够在虚拟现实空间中仿真焊缝熔池，所述焊缝熔池具有实时熔融金属流动性和散热特性。系统进一步能够将数据导入到虚拟现实焊接系统中并且分析数据来表示学生焊工的进步的特征并且来提供训练。

尽管已经参照特定实施方案描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，可以进行各种改变，并且可以替换等同物，而不会偏离本发明的范围。此外，可以进行许多修改来使特定情形或材料适应本发明的教导，而不会偏离其范围。因此，不是意图将本发明限定为所公开的特定实施方案，相反，本发明将包括落入所附权利要求书范围的所有实施方案。

参考标号：

100 系统 151 焊接参数

110 基于处理器的子系统 152 焊接不连贯性状态

111 中央处理单元 160 模拟焊接工具

115 图形处理单元 161 夹持器

116 统一计算设备架构 162 焊条

117 着色器 163 触觉型阻力末端

118 视频输出 170 桌台/底座

119 视频输出 171 桌台

120 空间追踪器 172 底座

121 磁源 173 臂

122 传感器 174 立柱

123 存储盘 175 焊接试样

124 电源 175' 管

125 线缆 175” 管

126 追踪单元 180 焊接试样

130 焊接使用者界面 900 焊接头盔

131 一组按钮 910 耳塞扬声器

132 操纵杆 1201 物理界面

133 旋钮 1202 夹具模型

134 旋钮 1203 环境模型

135 焊接控制台 1204 声音内容功能

136 旋钮 1205 焊接声音

137 旋钮 1206 底座/桌台模型

140 戴于面部的显示装置 1207 内部架构功能

150 观察者显示装置 1208 校准功能

1211 焊接物理 1210 试样模型

1212 内部物理调节工具 1703 焊根接缝

1213 图形使用者界面功能 1704 部件

1214 绘图功能 1910 无阴影的矩形条

1215 学员报告功能 1920 粒子

1216 呈现装置 1930 粒子高度

1217 焊道呈现 1940 带阴影的矩形

1218 3D纹理 2000 真实世界焊接机器

1219 视觉提示功能 2010 通信装置

1220 评分和公差功能 2020 焊接质量参数

1221 公差编辑器 2100 方法

1222 特殊效果 2110 步骤

1300 方法 2120 步骤

1310 步骤 2130 步骤

1320 步骤 2200 方法

1330 步骤 2210 步骤

1340 步骤 2220 步骤

1350 步骤 2230 步骤

1400 焊接试样 2320 焊接参数

1410 平坦顶部表面 2400 方法

1420 移置图 2410 步骤

1600 焊接试样 2420 步骤

1610 表面 2430 步骤

1620 表面 2440 步骤

1700 焊接试样 2450 步骤

1701 管状部件 2460 步骤

1702 管状部件 2500 方法

2520 步骤 2510 步骤

2530 步骤 2705 焊接试样

2540 步骤 2706 焊接试样

2550 步骤 2800 方法

2560 步骤 2810 步骤

2600 数字模型 2820 步骤

2700 焊接试样 2830 步骤

2701 部分 2840 步骤

Claims (20)

1.一种用于仿真焊接活动的系统，所述系统包括：

用于仿真的焊接操作的手工焊接工具，所述手工焊接工具具有仿真的手工焊条和致动器；

空间追踪器，所述空间追踪器追踪所述焊接工具的移动和定向；

焊接试样；

基于处理器的子系统，所述基于处理器的子系统被可操作地耦合到所述空间追踪器，所述基于处理器的子系统从所述空间追踪器接收与所述焊接工具的所述移动和定向相关的信息；以及

第一显示装置，所述第一显示装置被可操作地耦合到所述基于处理器的子系统，所述第一显示装置显示所述仿真的焊接操作；

其中在所述仿真的焊接操作期间，所述基于处理器的子系统对所述焊接试样的仿真的焊接表面进行建模并且在所述第一显示装置上显示所述仿真的焊接表面；

其中在所述仿真的焊接操作期间，所述基于处理器的子系统在所述仿真的焊接操作期间对具有实时熔融金属流动性和实时散热特性的仿真的焊缝熔池进行建模；

其中所述基于处理器的子系统基于所述焊接工具的所述移动和定向并且基于所述焊缝熔池从熔融态至固态的固化的仿真来对仿真的焊道进行建模；

其中所述第一显示装置显示所述仿真的焊接表面、所述仿真的焊缝熔池以及所述仿真的焊道；

其中在所述仿真的焊接操作期间，所述致动器移动所述仿真的手工焊条，以使所述焊接工具与所述仿真的手工焊条的仿真的焊接末端之间的距离在仿真的所述焊接活动期间被减小；并且

其中所述仿真的手工焊条包括触觉型阻力末端，用于仿真阻力反馈。

2.如权利要求1所述的仿真的焊接系统，其中所述空间追踪器利用光学传感器，所述光学传感器被安装在头盔上以在光学上追踪所述焊接工具。

3.如权利要求1所述的仿真的焊接系统，还包括头盔，所述头盔包括音频扬声器，所述音频扬声器以与所述仿真的焊接操作实时的方式提供仿真的焊接声音。

4.如权利要求1所述的仿真的焊接系统，还包括第二显示装置，所述第二显示装置被耦合到所述基于处理器的子系统，其中所述基于处理器的子系统基于所述焊接工具的所述移动和定向来产生多个仿真的焊接参数并且其中所述第二显示装置在所述仿真的焊接操作期间实时地显示所述焊接参数。

5.如权利要求4所述的仿真的焊接系统，其中所述仿真的焊接参数中的至少一个在所述仿真的焊接操作期间以图形的形式被实时地显示。

6.如权利要求4所述的仿真的焊接系统，其中所述仿真的焊接参数包括焊接角度、行进角度和行进速度。

7.如权利要求1所述的仿真的焊接系统，其中所述基于处理器的子系统在所述仿真的焊接操作期间产生至少一个仿真的焊接参数，并且将所述仿真的焊接参数与针对所述仿真的焊接参数的储存的值相比较，并且其中所述基于处理器的子系统在第二显示装置上显示所述比较。

8.如权利要求7所述的仿真的焊接系统，其中所述比较以图形的形式被显示。

9.如权利要求1所述的仿真的焊接系统，其中所述第一显示装置在所述仿真的焊接操作期间显示多个视觉提示，其中所述多个视觉提示中的每个是针对不同的仿真的焊接参数，并且其中所述视觉提示分别基于所述仿真的焊接操作期间的所述仿真的焊接参数与所述仿真的焊接参数中的每个的期望值的偏差被显示。

10.如权利要求1所述的仿真的焊接系统，其中所述基于处理器的子系统产生并且在所述第一显示装置上显示至少一个焊接效果，所述至少一个焊接效果可以是在所述仿真的焊接操作期间仿真的焊接火星、仿真的焊接飞溅、仿真的弧光以及仿真的多孔中的任一种，并且其中所述至少一个焊接效果基于所述焊接工具的所述移动和定向被实时地显示。

11.如权利要求1所述的仿真的焊接系统，其中所述焊缝熔池的表面区域从熔融态至固态的所述固化的所述仿真是基于所述仿真的手工焊条的所述末端和所述表面区域之间的距离。

12.如权利要求1所述的仿真的焊接系统，其中所述焊缝熔池从熔融态至固态的所述固化的所述仿真是基于针对所述仿真的焊缝熔池的冷却阈值。

13.一种用于仿真焊接活动的系统，所述系统包括：

用于仿真的焊接操作的手工焊接工具，所述手工焊接工具具有仿真的手工焊条和致动器；

空间追踪器，所述空间追踪器追踪所述焊接工具的移动和定向；

焊接试样；

基于处理器的子系统，所述基于处理器的子系统被可操作地耦合到所述空间追踪器，所述基于处理器的子系统从所述空间追踪器接收与所述焊接工具的所述移动和定向相关的信息；以及

第一显示装置，所述第一显示装置被可操作地耦合到所述基于处理器的子系统，所述第一显示装置显示所述仿真的焊接操作；

其中在所述仿真的焊接操作期间，所述基于处理器的子系统对所述焊接试样的仿真的焊接表面进行建模并且在所述第一显示装置上显示所述仿真的焊接表面；

其中所述基于处理器的子系统基于所述焊接工具的所述移动和定向并且基于焊缝熔池从熔融态至固态的固化的仿真来对仿真的焊道进行建模；

其中所述第一显示装置显示所述仿真的焊接表面以及所述仿真的焊道；并且

其中在所述仿真的焊接操作期间，所述致动器相对于所述焊接试样缩回所述仿真的手工焊条。

14.一种用于仿真焊接活动的系统，所述系统包括：

用于仿真的焊接操作的手工焊接工具，所述手工焊接工具具有仿真的手工焊条和致动器；

空间追踪器，所述空间追踪器追踪所述焊接工具的移动和定向，所述空间追踪器包括感测所述移动和定向的至少一个传感器；

焊接试样；

基于处理器的子系统，所述基于处理器的子系统被可操作地耦合到所述空间追踪器，所述基于处理器的子系统从所述空间追踪器接收与所述焊接工具的所述移动和定向相关的信息；

头盔，所述头盔包括所述传感器和第一显示装置，所述第一显示装置被可操作地耦合到所述基于处理器的子系统，所述第一显示装置显示所述仿真的焊接操作；以及

仿真的焊接控制台，所述仿真的焊接控制台包括第二显示装置；

其中在所述仿真的焊接操作期间，所述基于处理器的子系统对所述焊接试样的仿真的焊接表面进行建模并且在所述第一显示装置上显示所述仿真的焊接表面；

其中在所述仿真的焊接操作期间，所述基于处理器的子系统在所述仿真的焊接操作期间对具有实时熔融金属流动性和实时散热特性的仿真的焊缝熔池进行建模；

其中所述基于处理器的子系统基于所述焊接工具的所述移动和定向并且基于所述焊缝熔池从熔融态至固态的固化的仿真来对仿真的焊道进行建模；

其中所述第一显示装置显示所述仿真的焊接表面、所述仿真的焊缝熔池以及所述仿真的焊道；并且

其中在所述仿真的焊接操作期间，所述致动器移动所述仿真的手工焊条，以使所述焊接工具与所述仿真的手工焊条的仿真的焊接末端之间的距离在仿真的所述焊接活动期间被减小。

15.如权利要求14所述的仿真的焊接系统，其中所述头盔包括音频扬声器，所述音频扬声器以与所述仿真的焊接操作实时的方式提供仿真的焊接声音。

16.如权利要求14所述的仿真的焊接系统，其中所述基于处理器的子系统基于所述焊接工具的所述移动和定向来产生多个仿真的焊接参数并且其中所述第二显示装置在所述仿真的焊接操作期间实时地显示所述焊接参数。

17.如权利要求16所述的仿真的焊接系统，其中所述仿真的焊接参数中的至少一个在所述仿真的焊接操作期间以图形的形式被实时地显示。

18.如权利要求16所述的仿真的焊接系统，其中所述仿真的焊接参数包括焊接角度、行进角度和行进速度。

19.如权利要求14所述的仿真的焊接系统，其中所述基于处理器的子系统产生并且在所述第一显示装置上显示至少一个焊接效果，所述至少一个焊接效果可以是在所述仿真的焊接操作期间仿真的焊接火星、仿真的所显示的手工焊条的移动、焊接飞溅、仿真的弧光以及仿真的多孔中的任一种，并且其中所述至少一个焊接效果基于所述焊接工具的所述移动和定向被实时地显示。

20.如权利要求19所述的仿真的焊接系统，其中所述焊接效果是所显示的手工焊条的仿真的移动，并且其中所显示的焊条的缩回以与所述致动器对所述仿真的手工焊条的所述移动成正比的方式在所述第一显示装置上被产生。