CN110390848A - 双用户配置式焊接仿真器 - Google Patents

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Abstract

焊接训练系统和方法利用焊接仿真器，其中多个用户可以同时与不同仿真环境或与同一仿真环境进行交互。

Description

双用户配置式焊接仿真器
相关申请的交叉引用
本美国专利申请要求2018年4月19日提交的美国临时专利申请序列号62/659,729的权益和优先权，所述临时专利申请的全部披露内容通过援引全部并入本文。
技术领域
总体发明构思涉及仿真焊接训练，更具体地涉及仿真焊接训练的系统和方法，其中多个用户可以同时与不同仿真环境或与同一仿真环境进行交互。
背景技术
学习如何弧焊传统上需要很长时间的指导、训练和实习。存在许多不同类型的弧焊和弧焊工艺可以学习。通常，学员使用真实的焊接系统对真实的金属件执行焊接操作来学习焊接。这种真实世界训练可能会占用稀缺的焊接资源，耗尽有限的和/或昂贵的焊接材料，并且存在安全问题。然而近来，使用焊接仿真器进行训练的想法已经变得越来越普遍。例如，在虚拟现实(VR)焊接环境或增强现实(AR)焊接环境中的训练可以避免真实世界焊接训练的许多缺点。
典型地，焊接仿真器将与外部部件接口连接以每次支持单一用户。因此，对于可以支持多个用户同时与不同仿真环境或与同一仿真环境进行交互的焊接仿真器存在尚未满足的需求。
发明内容
本文提出了提供一种能够支持多个用户同时与不同仿真环境或与同一仿真环境进行交互的焊接仿真器。
因此，总体发明构思涉及并考虑了执行仿真焊接训练的系统和方法，其中两个或更多个用户可以同时与不同仿真环境或与同一仿真环境进行交互。以这种方式，创新的焊接仿真器可以为广泛的用户(例如，学员、指导员、合作者)提供新的训练机会。
在一个示例性实施例中，一种焊接仿真器包括：第一显示器，所述第一显示器与第一用户相关联；第二显示器，所述第二显示器与第二用户相关联；第一模拟焊接工具，所述第一模拟焊接工具与所述第一用户相关联；第二模拟焊接工具，所述第二模拟焊接工具与所述第二用户相关联；第一支架，所述第一支架能操作以固持第一试样；第二支架，所述第二支架能操作以固持第二试样；第一空间追踪器，所述第一空间追踪器用于追踪由所述第一用户使所述第一模拟焊接工具相对于所述第一试样的第一移动；第二空间追踪器，所述第二空间追踪器用于追踪由所述第二用户使所述第二模拟焊接工具相对于所述第二试样的第二移动；以及壳体，所述壳体固持逻辑部，所述逻辑部包括存储器和处理器，所述存储器存储机器可读指令，所述处理器用于执行所述指令以：生成仿真环境；以及在所述第一显示器和所述第二显示器上同时显示所述仿真环境，包含所述第一移动和所述第二移动中的至少一者。
在一些示例性实施例中，所述第一显示器是焊接面罩的一部分。在一些示例性实施例中，所述第二显示器是焊接面罩的一部分。
在一些示例性实施例中，所述焊接仿真器进一步包括第三显示器。在一些示例性实施例中，所述第三显示器安装在所述壳体上。
在一些示例性实施例中，所述焊接仿真器进一步包括第四显示器。在一些示例性实施例中，所述第四显示器安装在所述壳体上。
在一些示例性实施例中，所述逻辑部将所述第一试样和所述第二试样显示为同一部分。在一些示例性实施例中，焊接路径被限定在所述部分上，所述第一移动对应于所述焊接路径的第一遍历，并且所述第二运动对应于所述焊接路径的第二遍历。
在一些示例性实施例中，所述逻辑部将所述第一试样和所述第二试样显示为同一组件的多个部分。
在一个示例性实施例中，一种焊接仿真器包括：第一显示器，所述第一显示器与第一用户相关联；第二显示器，所述第二显示器与第二用户相关联；第一模拟焊接工具，所述第一模拟焊接工具与所述第一用户相关联；第二模拟焊接工具，所述第二模拟焊接工具与所述第二用户相关联；第一支架，所述第一支架能操作以固持第一试样；第二支架，所述第二支架能操作以固持第二试样；第一空间追踪器，所述第一空间追踪器用于追踪由所述第一用户使所述第一模拟焊接工具相对于所述第一试样的第一移动；第二空间追踪器，所述第二空间追踪器用于追踪由所述第二用户使所述第二模拟焊接工具相对于所述第二试样的第二移动；以及壳体，所述壳体固持第一逻辑部和第二逻辑部，其中，所述第一逻辑包括第一存储器和第一处理器，所述第一存储器存储第一机器可读指令，所述第一处理器用于执行所述第一机器可读指令以：生成第一仿真环境；以及在所述第一显示器上显示所述第一仿真环境和所述第一移动；并且其中，所述第二逻辑部包括第二存储器和第二处理器，所述第二存储器存储第二机器可读指令，所述第二处理器用于执行所述第二机器可读指令以：生成第二仿真环境；以及在所述第二显示器上显示所述第二仿真环境和所述第二移动。
在一些示例性实施例中，所述第一显示器是焊接面罩的一部分。在一些示例性实施例中，所述第二显示器是焊接面罩的一部分。
在一些示例性实施例中，所述焊接仿真器进一步包括第三显示器。在一些示例性实施例中，所述第三显示器安装在所述壳体上。在一些示例性实施例中，所述第一逻辑部使所述第一仿真环境和所述第一移动显示在所述第三显示器上。
在一些示例性实施例中，所述焊接仿真器进一步包括第四显示器。在一些示例性实施例中，所述第四显示器安装在所述壳体上。在一些示例性实施例中，所述第二逻辑部使所述第二仿真环境和所述第二移动显示在所述第四显示器上。
在一些示例性实施例中，所述第一逻辑部将所述第一试样显示为第一部分，并且所述第二逻辑部将所述第二试样显示为第二部分。在一些示例性实施例中，所述第一部分和所述第二部分是相同的。在一些示例性实施例中，所述第一部分和所述第二部分是组件的不同部分。
根据以下对示例性实施例的详细描述、根据权利要求并且根据随附的附图，总体发明构思的许多其他方面、优点、和/或特征将变得清楚。
附图说明
图1展示了在实时虚拟现实环境中提供弧焊训练的系统的系统框图的示例性实施例；
图2展示了图1的系统的仿真焊接控制台与观察者显示设备(ODD)的组合的示例性实施例；
图3展示了图2的观察者显示设备(ODD)的示例性实施例；
图4展示了图2的仿真焊接控制台的前部的示例性实施例，示出了物理焊接用户接口(WUI)；
图5展示了图1的系统的模拟焊接工具(MWT)的示例性实施例；
图6展示了图1的系统的桌台/支架(T/S)的示例性实施例；
图7A展示了图1的系统的管焊接试样(WC)的示例性实施例；
图7B展示了安装在图6的桌台/支架(TS)的臂上的图7A的管WC；
图8展示了图1的空间追踪器(ST)的示例性实施例的各种元件；
图9A展示了图1的系统的戴于面部的显示设备(FMDD)的示例性实施例；
图9B是图9A的FMDD如何紧固在用户的头部的图示；
图9C展示了安装在焊接面罩内的图9A的FMDD的示例性实施例；
图10展示了图1的系统的基于可编程处理器的子系统(PPS)的子系统框图的示例性实施例；
图11展示了图10的PPS的图形处理单元(GPU)的框图的示例性实施例；
图12展示了图1的系统的功能框图的示例性实施例；
图13是使用图1的虚拟现实训练系统的训练方法的实施例的流程图；
图14A和图14B展示了焊接像元(焊元)移置图(displacement map)的构思；
图15展示了在仿真器中仿真的平坦焊接试样的试样空间(coupon space)和焊缝空间(weld space)的示例性实施例；
图16展示了在仿真器中仿真的拐角焊接试样的试样空间和焊缝空间的示例性实施例；
图17展示了在仿真器中仿真的管焊接试样的试样空间和焊缝空间的示例性实施例；
图18展示了管焊接试样的示例性实施例；
图19A至图19C展示了仿真器的双移置熔池模型的构思的示例性实施例；
图20展示了多用户焊接仿真器的焊接控制台的示例性实施例。
图21展示了生成两个分立仿真环境的多用户焊接仿真器。
图22展示了生成共用仿真环境的多用户焊接仿真器。
具体实施方式
总体发明构思涵盖了执行仿真焊接训练的系统和方法，其中两个或更多个用户可以同时与不同仿真环境或与同一仿真环境进行交互。在一些实施例中，单一焊接仿真器可以生成多个不同仿真环境，所述仿真环境各自同时支持不同用户进行训练。在一些实施例中，单一焊接仿真器可以生成仿真环境并且管理多个不同用户与仿真环境的同时交互。
本文描述了作为焊接仿真器的示例性实施例的虚拟现实弧焊(VRAW)系统，以将在虚拟现实焊接环境中训练的想法放入上下文中。随后，本文在从一个或多个VRAW系统(或类似的虚拟现实焊接系统)收集数据并且存储和分析所述数据的上下文中描述学习管理系统(LMS)。所述数据可以表示由学员焊工在VRAW系统上执行的仿真焊接操作，并且对数据的分析可以由例如焊接指导员发起，以追踪学员的进展并向学员焊工提供恰当的反馈。
虚拟现实弧焊系统
本发明的实施例提供了一个或多个虚拟现实弧焊(VRAW)系统，每个系统具有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、以及至少一个显示设备，所述空间追踪器可操作地连接至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，所述至少一个显示设备可操作地连接至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设备上实时地显示所仿真的熔池。所仿真的熔池的实时熔融金属流动性和散热特征在被显示时向模拟焊接工具的用户提供实时视觉反馈，从而允许用户响应于实时视觉反馈而实时调节或维持焊接技法(即，帮助用户正确地学习焊接)。所显示的熔池表示基于用户的焊接技法和所选择的焊接过程和参数而将在真实世界中形成的熔池。通过查看熔池(例如形状、颜色、熔渣、大小、堆积币状体)，用户可以修改其技法以进行良好的焊接并且确定正在进行的焊接的类型。熔池的形状响应于焊枪或棒的移动。如本文所使用的，术语“实时”意指以与用户在真实世界焊接情景下将会感知和体验的相同的方式，在仿真环境下及时感知和体验。此外，熔池响应于包括重力在内的物理环境的影响，从而允许用户在各种位置实际地练习焊接，包括仰焊及各种管焊接角度(例如1G、2G、5G、6G)。所述系统进一步能够保存与用于用户(例如，学员焊工)的仿真虚拟现实焊接会话相关联的数据。
图1展示了在实时仿真(例如，虚拟现实)环境中提供弧焊训练的系统100的系统框图的示例性实施例。系统100包括具有处理单元和计算机存储器的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至PPS 110的空间追踪器(ST)120。系统100还包括可操作地连接至PPS 110的物理焊接用户接口(WUI)130、以及可操作地连接至PPS 110和ST 120的戴于面部的显示设备(FMDD)140。系统100进一步包括可操作地连接至PPS 110的观察者显示设备(ODD)150。系统100还包括可操作地连接至ST 120和PPS 110的至少一个模拟焊接工具(MWT)160。系统100进一步包括桌台/支架(T/S)170和能够被附接至T/S 170的至少一个焊接试样(WC)180。根据本发明的替代性实施例，可以提供模拟气体瓶(未示出)以仿真具有可调流量调节器的保护气体来源。
图2展示了图1的系统100的仿真焊接控制台135(仿真焊接电源用户接口)与观察者显示设备(ODD)150的组合的示例性实施例。物理WUI 130驻留在控制台135的前部并且提供旋钮、按钮以及操纵杆，以便用户选择各种模式和功能。ODD 150附接至控制台135的顶部。MWT160安置在附接至控制台135侧部的固持器中。在内部，控制台135固持PPS 110以及ST 120的一部分。根据替代性实施例，对WUI 130所提供的模式和功能的选择可以采用触摸屏显示器的形式。
图3展示了图2的观察者显示设备(ODD)150的示例性实施例。根据本发明的实施例，ODD 150是液晶显示器(LCD)设备。其他显示设备也是可能的。例如，根据本发明的另一个实施例，ODD 150可以是触摸屏显示器。ODD 150从PPS 110接收视频(例如SVGA格式)和显示信息。
如图3中所示，ODD 150能够显示呈现各种焊接参数151的第一用户情景，所述焊接参数包括位置、末端到工件距离(tip to work)、焊接角度、行进角度、以及行进速度。这些参数可以被选择并以图形形式实时显示并且被用于教示正确的焊接技法。此外，如图3中所示，ODD 150能够显示仿真焊接不连贯状态152，包括例如不恰当的焊接尺寸、不佳的焊珠布置、凹形焊珠、过于外凸、咬边、多孔、未焊透、夹渣、过度飞溅、溢出、以及烧穿(熔穿)。咬边是熔融到邻近焊接或焊根的基础金属中并且未由焊接金属填充的凹槽。咬边往往是由于焊接的不正确角度造成的。多孔涉及由常常由于移动电弧过于远离试样引起的凝固期间的气体夹带形成的空腔类型的不连贯。与参数和状态相关联的数据可以针对学员焊工被存储在VRAW系统上。
此外，如图3中所示，ODD 150能够显示用户选择153，包括菜单、动作、视觉提示、新的试样、以及结束行程。这些用户选择被绑定到控制台135上的用户按钮。当用户经由(例如)ODD 150的触摸屏或经由物理WUI 130进行各种选择时，所显示的特征可以改变来给所述用户提供所选择的信息和其他选项。此外，ODD 150可以在焊工的相同角度视图下或在例如由指导员选择的各种不同的角度下显示由戴着FMDD 140的焊工看到的视图。出于各种训练目的，ODD 150可以由指导员和/或学员观看。例如，可以使视图围绕已完成的焊接旋转，从而允许由指导员进行目视检查。根据本发明的替代性实施例，来自系统100的视频可以通过例如互联网来发送至远程位置，以用于远程观看和/或评论。此外，可以提供音频，从而允许学员与远程指导员之间的实时音频通信。
图4展示了图2的仿真焊接控制台135的前部的示例性实施例，示出了物理焊接用户接口(WUI)130。WUI 130包括与ODD 150上显示的用户选择153相对应的一组按钮131。按钮131可以被着色以对应于显示在ODD 150上的用户选择153的颜色。当按钮131中的一个被按下时，信号被发送到PPS 110来启用对应的功能。WUI 130还包括操纵杆132，所述操纵杆能够被用户用来选择ODD 150上所显示的各种参数和选择。WUI 130还包括用于调节焊丝送进速度/安培的刻度盘或旋钮133、以及用于调节伏特/微调的另一刻度盘或旋钮134。WUI130还包括用于选择弧焊工艺的刻度盘或旋钮136。根据本发明的实施例，三种弧焊工艺是可选择的，包括：包括气体保护和自保护工艺的焊剂芯弧焊(FCAW)；包括短弧、轴向喷射、STT和脉冲的气体金属弧焊(GMAW)；以及包括E6010和E7010焊条的保护金属弧焊(SMAW)。在一些实施例中，可以支持其他焊接工艺，如气体钨极弧焊(GTAW)。WUI 130进一步包括用于选择焊接极性的刻度盘或旋钮137。根据本发明的实施例，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展示了图1的系统100的模拟焊接工具(MWT)160的示例性实施例。图5的MWT160仿真用于板和管焊接的手工焊接工具，并且包括固持器161和所仿真的手工焊条162。MWT 160上的触发器用于将信号传送到PPS 110来启用所选择的仿真焊接工艺。所仿真的手工焊条162包括触觉电阻末端163来仿真在例如真实世界管焊接中的根部焊道焊接过程期间或在焊接板时发生的电阻反馈。如果用户过于背离焊根移动所仿真的手工焊条162，用户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。
所设想的是，手工焊接工具可以结合有致动器(未示出)，所述致动器在虚拟焊接工艺期间使所仿真的手工焊条162缩回。也就是说，当用户从事虚拟焊接活动时，固持器161与所仿真的手工焊条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所执行的编码指令来控制。所仿真的消耗速率还可以取决于用户的技法。在此值得一提的是，由于系统100便于利用不同类型焊条进行虚拟焊接，所仿真的手工焊条162的消耗速率或减少可能随所使用的焊接工艺和/或系统100的设置而变化。
根据本发明的其他实施例，其他模拟焊接工具也是可能的，包括仿真具有例如通过焊枪送进的焊丝电极的手持式半自动焊枪的MWT。此外，根据本发明的其他特定实施例，真实的焊接工具可以被用作MWT160来更好地仿真所述工具在用户手中的实际感觉，即使是在系统100中，所述工具也不会被用于实际上产生真实电弧。另外，可以提供或以其他方式仿真出模拟研磨工具，用于仿真器100的所仿真的研磨模式中。类似地，可以提供或以其他方式仿真出模拟切割工具，用于仿真器100的所仿真的切割模式中。此外，可以提供或以其他方式仿真出模拟气体钨弧焊(GTAW)焊炬或填充材料，用于仿真器100中。
图6展示了图1的系统100的桌台/支架(T/S)170的示例性实施例。T/S 170包括可调桌台171、支架或基座172、可调臂173、以及立柱174。桌台171、支架172、以及臂173均附接至立柱174。桌台171和臂173各自能够相对于立柱174手动地向上、向下、和旋转地调节。臂173被用于固持各种焊接试样(例如管焊接试样175)，并且用户在训练时可以将他/她的手臂安置在桌台171上。立柱174被标记有位置信息，从而用户可以确切地知晓臂173和桌台171在竖直方向上定位在柱174上何处。此竖直位置信息可以被用户使用WUI 130和ODD 150输入到系统中。
根据本发明的替代性实施例，桌台171和臂173的位置可以自动地由PPS 110经由所编程的设置来设定或根据用户的命令经由WUI130和/或ODD 150来设定。在这样的替代性实施例中，T/S 170包括例如马达和/或伺服机构，并且来自PPS 110的信号命令激活马达和/或伺服机构。根据本发明的进一步的替代性实施例，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，用户不必经由用户接口手动输入位置信息。在这样的替代性实施例中，T/S 170包括位置和取向检测器并且发送信号命令到PPS 110来提供位置和取向信息，并且管焊接试样175包括位置检测传感器(例如用于检测磁场的线圈式传感器)。根据本发明的实施例，在调节参数被改变时，用户能够在ODD 150上看到T/S 170调节的呈现。
图7A展示了作为图1的系统100的管焊接试样(WC)180的示例性实施例的焊接试样(WC)175。管WC 175仿真被放置在一起以形成有待焊接的焊根176的两个六英寸直径的管175’和175”。管WC 175包括在管WC 175的一端的连接部分177，允许管WC 175以精确且可重复的方式附接至臂173。图7B展示了安装在图6的桌台/支架(TS)170的臂173上的图7A的管WC 175。管WC 175能够被附接至臂173的精确且可重复的方式允许仅在工厂进行一次管WC175的空间校准。然后，在现场，只要系统100被告知臂173的位置，系统100便能够在仿真环境中相对于管WC 175追踪MWT 160和FMDD 140。WC 175所附接至的臂173的第一部分能够相对于臂173的第二部分倾斜，如图6中所示。这允许用户在管处于若干不同的取向和角度中的任何取向和角度时实习管焊接。
图8展示了图1的空间追踪器(ST)120的示例性实施例的各种元件。ST 120是能够与系统100的PPS 110可操作地接口连接的磁性追踪器。ST 120包括磁源121和源线缆、至少一个传感器122和相关联线缆、磁盘123上的主机软件、电源124和相关联线缆、USB和RS-232线缆125、以及处理器追踪单元126。磁源121能够经由线缆可操作地连接至处理器追踪单元126。传感器122能够经由线缆可操作地连接至处理器追踪单元126。电源124能够经由线缆可操作地连接至处理器追踪单元126。处理器追踪单元126能够经由线缆(例如，USB或RS-232线缆125)可操作地连接至PPS 110。磁盘123上的主机软件能够被加载到PPS 110上并且允许ST 120和PPS 110之间的功能性通信。
参照图6，ST 120的磁源121被安装在臂173的第一部分上。磁源121围绕源121产生磁场，包括包围附接至臂173的管WC 175的空间，该磁场建立了3D空间参照系。T/S 170主要是非金属的(非铁的和非导电的)，以便不扭曲由磁源121创建的磁场。传感器122包括沿三个空间方向正交对准的三个感应线圈。传感器122的感应线圈各自测量磁场在三个方向中的每个方向上的强度并且提供该信息给处理器追踪单元126。因此，当管WC 175被安装在臂173上时，系统100能够确定管WC 175的任何部分相对于由磁场建立的3D空间参照系在何处。传感器122可以被附接至MWT 160或FMDD 140，从而允许MWT 160或FMDD 140由ST120相对于3D空间参照系在空间和取向两者上进行追踪。当两个传感器122被提供并且可操作地连接至处理器追踪单元126时，MWT 160和FMDD 140两者可以被追踪。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并且在MWT 160和FMDD 140相对于3D空间参照系被追踪时在FMDD 140和/或ODD 150上显示所述虚拟WC、虚拟MWT以及虚拟T/S。
根据本发明的替代性实施例，(多个)传感器122可以以无线的方式连接至处理器追踪单元126，并且处理器追踪单元126可以以无线的方式连接至PPS 110。根据本发明的其他替代性实施例，其他类型的空间追踪器120可以用于系统100，包括例如基于加速度计/陀螺仪的追踪器、光学追踪器(有源或无源式)、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，包括任何上述追踪器中的任意追踪器的组合。
图9A展示了图1的系统100的戴于面部的显示设备140(FMDD)的示例性实施例。图9B是图9A的FMDD 140如何被紧固在用户的头部的图示。图9C展示了被集成到焊接面罩900中的图9A的FMDD140的示例性实施例。FMDD 140通过有线手段或以无线方式可操作地连接至PPS 110和ST 120。根据本发明的各种实施例，ST 120的传感器122可以被附接至FMDD140或焊接面罩900，从而允许FMDD 140和/或焊接面罩900相对于由ST 120创建的3D空间参照系被追踪。
根据本发明的实施例，FMDD 140包括能够以2D和帧序列视频模式传送流体全运动视频(fluid full-motion video)的两个高对比度SVGA3D OLED微显示器。虚拟现实环境的视频被提供和显示于FMDD 140上。可以提供缩放(例如，2倍(2X))模式，允许用户仿真更加以假乱真的透镜。
FMDD 140进一步包括两个耳塞式扬声器910，允许用户聆听由系统100生成的仿真焊接相关声音和环境声音。根据本发明的各种实施例，FMDD 140可以通过有线或无线手段可操作地接口连接至PPS 110。根据本发明的实施例，PPS 110提供立体视频给FMDD 140，从而提供增强深度感知给用户。根据本发明的替代性实施例，用户能够使用MWT 160上的控件(例如按钮或开关)来调用和选择FMDD 140上的菜单和显示选项。这可以允许用户在其例如出现失误、改变特定参数、或回退一点点以重新完成焊珠轨迹的一部分时容易地重置焊接。
图10展示了图1的系统100的基于可编程处理器的子系统(PPS)110的子系统框图的示例性实施例。根据本发明的实施例，PPS 110包括中央处理单元(CPU)111和两个图形处理单元(GPU)115。根据本发明的实施例，两个GPU 115经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(也称为焊池)的虚拟现实仿真。
图11展示了图10的PPS 110的图形处理单元(GPU)115的框图的示例性实施例。每个GPU 115支持数据并行算法的实施。根据本发明的实施例，每个GPU 115提供了能够提供两个虚拟现实视图的两个视频输出118和119。此示例性实施例的PPS 110中的两个GPU 115提供了总共四个视频输出。所述视频输出中的两个可以被路由至FMDD 140，呈现焊工的视野，并且第三视频输出可以被路由至例如ODD 150，呈现焊工的视野或者某一其他视野。剩余的第四视频输出可以被路由到例如投影仪。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GPU 115的计算引擎，所述计算引擎是软件开发商通过行业标准编程语言可使用的。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向GPU 115上的CUDA 116提供实时焊接输入数据。着色器117负责绘制并应用全部的仿真画面。焊珠和熔池画面由本文稍后描述的焊元移置图的状态来驱动。根据本发明的实施例，物理模型以约每秒30次的速率运行和更新。
图12展示了图1的系统100的功能框图的示例性实施例。如图12中所示的系统100的各种功能方框在很大程度上是通过在PPS 110上运行的软件指令和模块来实施。系统100的各种功能块包括物理接口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、支架/桌台模型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(微调器)1212、图形用户接口功能1213、绘图功能1214、学员报告功能1215、呈现器1216、焊珠呈现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逻辑，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。根据本发明的实施例，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或面罩位置、焊枪启用/关闭状态、以及接触产生的状态(是/否)。
图形用户接口功能1213允许用户经由ODD 150使用物理用户接口130的操纵杆132来设置焊接情景。根据本发明的实施例，焊接情景的设置包括：选择语言，输入用户姓名，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(例如自保护式、气体保护式)。焊接情景的设置还包括选择T/S 170的桌台高度、臂高度、臂位置、以及臂旋转。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，设定安培数，选择极性，以及启用或关闭特定视觉提示。
在仿真焊接情景期间，绘图功能1214收集用户表现参数并将所述用户表现参数提供至图形用户接口功能1213，以便以图形格式进行显示(例如在ODD 150上)。来自ST 120的追踪信息馈入绘图功能1214。绘图功能1214包括简单分析模块(SAM)和抖动(whip)/摆动(weave)分析模块(WWAM)。SAM通过比较焊接参数和存储在焊珠表格中的数据来分析用户焊接参数，所述用户焊接参数包括焊接行进角度、行进速度、焊接角度、位置、以及末端到工件距离。WWAM分析用户抖动参数，包括币状体间隔、抖动时间、以及熔池时间。WWAM还分析用户摆动参数，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(例如位置和取向数据)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，使用公差编辑器1221由围绕输入焊珠表格的最佳或理想设定点的参数极限来限定公差窗口，并且评分和公差功能1220被执行。各种类型的学员训练数据(例如参数数据和评分数据)可以存储在VRAW系统上。
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处理并经由图形用户接口功能1213以图形格式呈现。这样的焊接不连贯包括不恰当的焊接大小、不佳的焊珠布置、凹形焊珠、过于外凸、咬边、多孔、未焊透、夹渣、溢出、烧穿、以及过度飞溅。根据本发明的实施例，不连贯的等级或量取决于特定用户参数偏离最佳或理想的设定点的程度。
不同的参数极限可以针对不同类型的用户(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根据用户接近针对特定参数的最佳(理想)值的程度并且根据焊接中出现的不连贯或缺陷的等级提供数字得分。最佳值典型地从真实世界数据获得。学员报告功能1215可以使用来自评分和公差功能1220的信息和来自绘图功能1214的信息，以便为指导员和/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100能够确定在焊接行程期间是何时以及沿焊接接头是何处，用户偏离焊接工艺可接受的极限。得分可以归因于用户的表现。在一个实施例中，得分可以是在多个公差范围上模拟焊接工具160在位置、取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。根据用于对用户的表现进行评分的选择，任何梯度范围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，用户的表现可以以图形的方式来显示，在时间上和/或在沿焊接接头的位置上示出模拟焊接工具有多接近地横过焊接接头。诸如行进角度、加工角度、速度以及离焊接接头的距离等参数是可以被测量的内容的实例，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，从而提供关于用户在真实世界中将会如何表现的准确反馈。在另一实施例中，对与用户的表现相对应的缺陷的分析还可以被包括并显示在ODD 150上。在这个实施例中，可以描绘指示出由测量在虚拟焊接活动期间所监测的各种参数而造成的不连贯是何种类型的图形。尽管吸留在ODD 150上可能不是可视的，但由于用户的表现，缺陷仍可能已经发生，用户表现的结果仍可能会相应地被显示(例如，图形化)。同样，各种类型的学员训练数据(例如参数数据和评分数据)可以存储在VRAW系统上。
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，向用户提供立即的反馈。针对焊接参数151中的每个焊接参数提供视觉提示，所述焊接参数包括位置、末端到工件距离、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极限或公差而用户的焊接技法的某些方面应当被调节，则在视觉上指示所述用户。例如，还可以针对抖动/摆动技法以及焊珠“币状体”间隔提供视觉提示。视觉提示可以被单独或以任何期望的组合来设定。
校准功能1208提供使真实世界空间(3D参照系)中的物理部件与仿真环境(例如，虚拟现实空间)中的可视部件匹配的能力。通过将焊接试样(WC)180安装到T/S 170的臂173上，并且利用可操作地连接至ST 120的校准笔(stylus)在(例如由WC 180上的三处浅凹指示的)预先限定的点处接触WC 180，每种不同类型的WC 180在工厂中被校准。ST 120读取在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)。
任何特定类型的WC 180在非常严格的公差之内以相同的可重复方式装配到T/S170的臂173中。因此，一旦特定WC类型被校准，该WC类型不必被重新校准(即特定类型的WC的校准是一次性事件)。相同类型的WC 180是可互换的。校准确保用户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该用户显示的内容，从而使得仿真看上去更加真实。例如，如果用户围绕实际WC 180的拐角滑动MWT 160的末端，所述用户将会在FMDD 140上看到所述末端围绕虚拟WC的拐角滑动，就像所述用户感觉到的所述末端围绕所述实际的拐角滑动那样。根据本发明的实施例，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。
根据本发明的替代性实施例，提供“智能”试样，其在例如试样的拐角上具有传感器。ST 120能够追踪“智能”试样的拐角，使得系统100持续知道“智能”试样在真实世界3D空间中的何处。根据本发明的进一步的替代性实施例，提供许可密钥以“解锁”焊接试样。当特定WC 180被购买时，提供许可密钥，允许用户将所述许可密钥输入系统100，解锁与该WC180相关联的软件。在本发明的另一个实施例中，基于零件的真实世界CAD制图，可以提供特殊的非标准焊接试样。用户可以甚至能够在CAD零件在真实世界中实际生产之前训练焊接所述零件。
声音内容功能1204和焊接声音1205提供特定类型的焊接声音，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，当用户未使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，针对恰当的焊接技法提供稳定的噼啪或油炸的声音，并且当咬边发生时可以提供嘶嘶的声音。这些声音模仿与正确和不正确的焊接技法相对应的真实世界声音。
根据本发明的各种实施例，高保真声音内容可以使用各种电子和机械装置来取自实际焊接的真实世界录音。根据本发明的实施例，根据用户头部(假设用户正戴着由ST 120追踪的FMDD 140)相对于MWT160和WC 180之间的仿真的电弧的位置、取向和距离改变声音的所感知音量和方向性。例如，声音可以经由FMDD 140中的耳塞式扬声器910或经由在控制台135或T/S 170中配置的扬声器被提供给用户。
环境模型1203被提供以在仿真环境(例如，虚拟现实空间)中提供各种背景场景(静止的和移动的)。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汽车、人、鸟、云以及各种环境声音。根据本发明的实施例，背景环境可以是交互性的。例如，用户在开始焊接之前可能必须调查背景区域，以确保环境对于焊接是合适的(例如安全的)。提供焊炬和夹具模型1202，其在虚拟现实空间中建模各种MWT 160，包括例如焊枪、具有手工焊条的固持器等。
提供试样模型1210，其在虚拟现实空间中建模各种WC 180，包括例如平板试样、T形接头试样、对接接头试样、坡口焊接试样、以及管试样(例如2英寸直径的管和6英寸直径的管)。提供支架/桌台模型1206，其在虚拟现实空间中建模T/S 170的各种零件，包括可调桌台171、支架172、可调臂173、以及立柱174。提供物理接口模型1201，其在虚拟现实空间中建模焊接用户接口130、控制台135和ODD 150的各种零件。
根据本发明的一个实施例，实现了虚拟现实空间中的熔池或焊池的仿真，其中所仿真的熔池具有实时熔融金属流动性和散热特征。根据本发明的实施例，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(也称为物理模型)。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)、以及焊珠形状。
焊接物理功能1211与焊珠呈现功能1217连通，以便呈现焊道从加热熔融状态到冷却固化状态的全部状态。焊珠呈现功能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)，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珠。3D纹理功能1218将纹理图(texture map)提供至焊珠呈现功能1217，来使附加的纹理(例如焦痕(scorching)、熔渣、颗粒)覆盖到所仿真的焊珠上。例如，熔渣可以被示为在焊接工艺期间和恰好在焊接工艺之后呈现在焊珠上，并且然后被除去以露出下面的焊珠。呈现装置功能1216用于使用来自特殊效果模块1222的信息来呈现各种非熔池的具体特征，包括火花、飞溅、烟尘、电弧光、烟和气体以及特定不连贯(例如咬边和多孔)。
内部物理调整工具1212是允许针对不同焊接工艺限定、更新和修改不同焊接物理参数的微调工具。根据本发明的实施例，内部物理调节工具1212运行在CPU 111上并且所调节的或所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来调节的参数类型包括与焊接试样相关联的参数、允许工艺被改变而无需重置焊接试样(允许形成第二焊道)的工艺参数、可以被改变而不会重置整个仿真的各种全局参数以及各种其他参数。
图13是使用图1的虚拟现实训练系统100的训练方法1300的实施例的流程图。在步骤1310中，用户根据焊接技法相对于焊接试样移动模拟焊接工具。在步骤1320中，焊接仿真器(例如，系统100)追踪模拟焊接工具在三维空间中的位置和取向。在步骤1330中，用户观看焊接仿真器的显示器，在所仿真的模拟焊接工具通过在从所述所仿真的模拟焊接工具射出的所仿真的电弧附近形成所仿真的熔池来将所仿真的焊珠材料堆积到所仿真的焊接试样的至少一个仿真表面上时，所述显示器示出模拟焊接工具和焊接试样在仿真环境(例如，虚拟现实空间)中的实时仿真。在步骤1340中，用户在显示器上观看所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，用户响应于观看所仿真的熔池的实时熔融金属流动性和散热特征而实时地修改焊接技法的至少一个方面。
方法1300展示了用户如何能够观看虚拟现实空间中的熔池并响应于观看所仿真的熔池的不同特征(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。用户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焊接操作在真实世界中实际上如何被执行。焊接物理功能1211的双移置层建模在多个GPU 115上运行，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用户展示。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，用户可以使用相同或不同的(例如第二)模拟焊接工具和/或焊接工艺来在焊珠材料上完成第二焊道。在这样的第二焊道情景中，在所仿真的模拟焊接工具通过在从所仿真的模拟焊接工具射出的所仿真的电弧附近形成第二仿真熔池来堆积与第一仿真焊珠材料结合的第二仿真焊珠材料时，所述仿真示出了虚拟现实空间中的所仿真的模拟焊接工具、焊接试样、以及原始的仿真焊珠材料。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例，当由先前的焊珠材料、新焊珠材料、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，先前的焊珠材料与正在堆积的新焊珠材料结合。这样的后续焊道可能需要进行大的圆角或坡口焊接，例如可以被执行以修复由先前的焊道形成的焊珠，或者可以包括热焊道和在管焊接中完成根部焊道后的一个或多个填充和盖面焊道。根据本发明的各种实施例，焊珠和母材可以包括软钢、不锈钢、铝、镍基合金、或其他材料。同样，各种类型的学员训练数据(例如参数数据和评分数据)可以被存储在VRAW系统上并且可以稍后相对于如本文稍后描述的学习管理系统(LMS)使用。其他类型的学员训练数据也可以被存储，例如学员标识数据。
用于建模的引擎
图14A和图14B展示了根据本发明的实施例的焊接元素(焊元)移置图1420的构思。图14A示出了具有平坦顶表面1410的平坦焊接试样1400的侧视图。焊接试样1400例如作为塑料部分存在于真实世界中，并且作为所仿真的焊接试样(例如，仿真金属工件)存在于虚拟现实空间中。图14B示出了破碎成焊接元素网格或阵列的所仿真的焊接试样1400的顶表面1410的表示，所述焊接元素被称为“焊元”、形成焊元图1420。每个焊元(例如，焊元1421)限定焊接试样的表面1410的一小部分。焊元图限定表面分辨率。可改变的通道参数值被指配给每个焊元，从而允许每个焊元值在仿真焊接工艺期间实时在仿真环境(例如，虚拟现实焊缝空间)中动态改变。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)、以及额外项(不同额外状态，例如熔渣、颗粒、焦痕、原生金属)。这些可改变的通道在此被称为PHED，分别用于熔池、热量、额外项、以及移置。
图15展示了在图1的焊接训练系统100中仿真的图14A的平坦焊接试样1400的试样空间和焊缝空间的示例性实施例。点0、X、Y和Z限定本地3D试样空间。大体上，每个试样类型限定从3D试样空间到2D虚拟现实焊缝空间的映射。图14B的焊元图1420是映射到虚拟现实中的焊缝空间的值的二维阵列。如图15所示，用户将从点B焊接到点E。在图15中，在3D试样空间和2D焊缝空间两者中示出从点B至点E的轨迹线。
每种类型的试样限定焊元图中的每个位置的移置方向。针对图15的平坦焊接试样，移置方向在焊元图中的所有位置处是相同的(即在Z方向上)。焊元图的纹理坐标在3D试样空间和2D焊缝空间两者中被示出为S、T(有时被称为U、V)以便阐明映射。焊元图被映射到并且表示焊接试样1400的矩形表面1410。
图16展示了在系统100中仿真的拐角焊接试样1600的试样空间和焊缝空间的示例性实施例。如图16所示，拐角焊接试样1600具有在3D试样空间中的两个表面1610和1620，所述表面被映射到2D焊缝空间。同样，点0、X、Y和Z限定本地3D试样空间。焊元图的纹理坐标在3D试样空间和2D焊缝空间两者中被示出为S、T，以便阐明映射。如图16所示，用户将从点B焊接到点E。在图16中，在3D试样空间和2D焊缝空间两者中示出从点B至点E的轨迹线。然而，移置方向朝向如3D试样空间所示的线X'-0'、朝向相反拐角。
图17展示了在系统100中仿真的管焊接试样1700的试样空间和焊缝空间的示例性实施例。管焊接试样1700具有在3D试样空间中的弯曲表面1710，所述弯曲表面被映射到2D焊缝空间。点0、X、Y和Z再一次限定本地3D试样空间。焊元图的纹理坐标在3D试样空间和2D焊缝空间两者中被示出为S、T，以便阐明映射。如图17所示，用户将沿弯曲轨迹从点B焊接到点E。在3D试样空间和2D焊缝空间中分别示出从点B至点E的轨迹曲线。移置方向远离线Y-0(即远离管的中心)。图18示出了图17的管焊接试样1700的示例性实施例。管焊接试样1700由非铁的、不导电的塑料制成，并且仿真一起形成根部接头1703的两个管件1701和1702。还示出了用于附接至支架170的臂173的附接件1704。
以纹理图可以被映射到几何形状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。可焊接图的每个元素在图片的每个元素被称为像元(图片元素的缩并)的相同意义上被称为焊元。像元包含限定颜色(例如，红色、绿色、蓝色)的信息通道。焊元包含限定虚拟现实空间中的可焊接表面的信息通道(例如，P、H、E、D)。
根据本发明的实施例，焊元的格式被汇总成包含四个浮点数的通道PHED(熔池、热量、额外项、移置)。额外项通道被视为数位集，所述数位集存储关于焊元的逻辑信息，例如在焊元位置处是否存在任何熔渣。熔池通道存储在焊元位置处的任何液化金属的移置值。移置通道存储在焊元位置处的固化金属的移置值。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，试样的可焊接部分可以示出由于焊珠导致的移置、由于液体金属导致的闪烁表面“熔池”、由于热量导致的颜色等。所有这些效果通过应用到可焊接表面上的顶点着色器和像元着色器实现。
根据本发明的实施例，在颗粒可以彼此交互并且与移置图碰撞的地方使用移置图和颗粒系统。颗粒是虚拟动态流体颗粒，并且提供熔池的液体行为，但并不直接呈现(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。熔池移置是“暂时的”并且只要存在颗粒和热量时才会持续。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)并且可以被认为是在移置的“顶部上”。这些颗粒覆盖在虚拟表面移置图(即，焊元图)的一部分上。移置表示包括初始母材金属和已经固化的焊珠两者的永久固体金属。
根据本发明的实施例，虚拟现实空间中的仿真焊接工艺工作方式如下：来自发射器(所仿真的模拟焊接工具160的发射器)的颗粒流处于薄锥体中。这些颗粒与所仿真的焊接试样的表面进行第一接触，其中所述表面由焊元图限定。这些颗粒彼此交互并且与焊元图交互，并且实时积聚。添加的热量越多，焊元离发射器越近。取决于与电弧点的距离和从电弧输入热量的时间量来对热量进行建模。某些图形部分(例如，颜色)由热量驱动。熔池在虚拟现实空间中绘制或呈现，用于具有足够热量的焊元。在足够热处，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(即固化焊珠)。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。颗粒寿命被微调或调整以便持续，直到固化完成。在系统100中建模的某些颗粒特性包括吸引/排斥、速度(与热量相关)、减震(与散热相关)、以及方向(与重力相关)。
图19A至图19C展示了系统100的双移置(移置和颗粒)熔池模型的构思的示例性实施例。在仿真环境(例如，虚拟现实空间)中仿真具有至少一个表面的焊接试样。焊接试样的表面在虚拟现实空间被仿真成包括固体移置层和熔池移置层的双移置层。熔池移置层能够修改固体移置层。
如本文所描述的，“熔池”由焊元图中的一个区域限定，在所述区域中熔池值已经通过颗粒的存在而升高。在图19A至图19C中表示了采样过程。示出了焊元图的具有七个相邻焊元的区段。当前移置值由给定高度(即每个焊元的给定移置)的无阴影的矩形柱1910表示。在图19A中，颗粒1920被示出为与当前移置水平撞击的圆形无阴影点并且被堆积。在图19B中，在每个焊元位置处对“最高”颗粒高度1930进行采样。在图19C中，带阴影矩形1940示出了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，熔池高度初始未设定到所采样的值。尽管未在图19A至图19C中示出，但仍可以将固化过程可视化为熔池(带阴影矩形)逐渐收缩，并且移置(无阴影矩形)从下面逐渐增长到恰好代替熔池。以此方式，准确地仿真了实时熔融金属流动性特征。在用户实习特定焊接工艺时，用户能够在虚拟现实空间中实时观察熔池的熔融金属流动性特征和散热特征，并且使用此信息来调整或维持其焊接技法。
表示焊接试样表面的焊元数目是固定的。此外，如本文描述的，由对模型流动性的仿真产生的熔池颗粒是暂时的。因此，一旦在仿真焊接工艺期间使用焊接训练系统100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，并且在焊接工艺期间存在的和正被处理的熔池颗粒的数目趋于保持恒定，原因是熔池颗粒以相似速率被创建和“破坏”(即熔池颗粒是暂时的)。因此，基于逻辑处理器的子系统110的处理负载在仿真焊接会话期间保持相对恒定。
根据本发明的替代性实施例，熔池颗粒可以在焊接试样表面之内或下方产生。在此类实施例中，可以相对于原生(即未焊接)试样的原始表面移置将移置建模成正的或负的。以此方式，熔池颗粒可能不仅在焊接试样的表面上积聚，而且还可能渗透该焊接试样。然而，焊元的数目仍然是固定的，并且正在创建和破坏的熔池颗粒仍然是相对恒定的。
根据本发明的替代性实施例，代替对颗粒进行建模，可以提供具有更多通道的焊元移置图以便对熔池的流动性进行建模。或代替对颗粒进行建模，可以对密集型体元图进行建模。或代替焊元图，可以仅对被采样且从不离开的颗粒进行建模。然而，此类替代性实施例可能不为系统100提供相对恒定的处理负载。
此外，根据本发明的实施例，通过取走材料来仿真烧穿或锁眼。例如，如果用户在相同位置保持电弧持续过久，在真实世界中，该材料将烧掉从而产生孔。在系统100中通过焊元抽选技术来仿真此类真实世界烧穿。如果焊元所吸收的热量被系统100确定是过高的，焊元可以被标记或指定为烧掉并且这样呈现(例如，呈现为孔)。然而，随后，可以针对特定焊接工艺(例如，管焊接)发生焊元重新构造，其中材料在初始烧掉之后被添加回。大体上，系统100仿真了焊元抽选(取走材料)和焊元重新构造(将材料添加回)。
此外，在根部焊道焊接中移除材料在系统100中被适当仿真。例如，在真实世界中，根部焊道的研磨可能在随后的焊道之前执行。类似地，系统100可以仿真将材料从虚拟焊接接头移除的研磨焊道。应当理解所移除的材料在焊元图上被建模成负移置。也就是说，研磨焊道移除被系统100建模的材料，从而导致改变的焊珠轮廓。研磨焊道的仿真可以是自动的，这也就是说系统100移除预先确定厚度的材料，该材料可能是对应于根部焊道焊珠的表面。在替代性实施例中，可以仿真实际的研磨工具或研磨器，其通过激活模拟焊接工具160或另一输入设备来打开和关闭。应当指出研磨工具可以被仿真以便类似真实世界研磨器。在此实施例中，用户沿根部焊道操纵研磨工具以便响应于其移动来移除材料。应当理解可以允许用户移除过多的材料。以类似于以上所述的方法，如果用户“研磨掉”太多材料，可能导致孔或锁眼或其他缺陷(以上所描述的)。另外，硬限制或停止可以被实现，即被编程来阻止用户移除太多材料，或指示过多材料何时被移除。
除在此描述的非可视的“熔池”颗粒之外，根据本发明的一个实施例，系统100还使用三种其他类型的可视的颗粒来表示电弧、火焰和火花效应。这些类型的颗粒不与任何类型的其他颗粒交互，但仅与移置图交互。尽管这些颗粒不与仿真焊接表面碰撞，它们不彼此交互。根据本发明的实施例，仅熔池颗粒彼此交互。火花颗粒的物理性质被设置，使得火花颗粒到处跳动并且在仿真环境(例如，虚拟现实空间)中被呈现为发光点。
电弧颗粒的物理性质被设置，使得电弧颗粒撞击仿真试样或焊珠的表面并且停留一段时间。电弧颗粒在虚拟现实空间中被呈现为较大的暗淡青白色点。形成任何种类的虚拟图像需要许多此类点叠加。最终结果是具有蓝色边缘的白色发光光轮。
火焰颗粒的物理性质被建模以便缓慢地向上升高。火焰颗粒被呈现为中等尺寸的暗淡红黄点。形成任何种类的虚拟图像需要许多此类点叠加。最终结果是向上升高并且向外减弱的具有红色边缘的橙红色火焰的斑点。根据本发明的其他实施例，其他类型的非熔池颗粒可以在系统100中实现。例如，烟雾颗粒可能以类似于火焰颗粒的方式来建模和仿真。
在仿真可视化中的最终步骤由GPU 115的着色器117所提供的顶点着色器和像元着色器处理。顶点着色器和像元着色器应用熔池和移置，以及由于热改变的表面颜色和反射性，等等。如本文前面论述的PHED额外项(E)通道焊元格式包含每焊元所使用的所有额外项信息。根据本发明的实施例，额外项信息包括非原生位(真＝焊珠、假＝原生钢)、熔渣位、咬边值(在此焊元处的咬边量，其中零等于无咬边)、多孔值(在此焊元处的多孔量，其中零等于无多孔)、以及对焊珠固化的时间进行编码的焊珠痕迹值。存在与不同试样图形部分(包括原生钢、熔渣、焊珠和多孔)相关联的一组图像映射。这些图像映射用于冲击映射和纹理映射两者。通过在此描述的不同标记和值来控制这些图像映射的混合量。
使用1D图像映射和每个焊珠痕迹值来实现焊珠痕迹效应，该每个焊珠痕迹值对少量给定焊珠固化的时间进行编码。一旦热熔池焊元位置不再是足以被称为“熔池”那样热，在该位置处节约时间并且被称为“焊珠痕迹”。最终结果是着色器代码能够使用1D纹理图来绘制“波纹”，这些波纹给予焊珠其描述所述焊珠铺放所沿方向的独特外观。根据本发明的替代性实施例，系统100能够在虚拟现实空间中仿真并且显示在所仿真的熔池沿焊接轨迹移动时，具有由所仿真的熔池的实时流动性至固化转化所导致的实时焊珠痕迹特征的焊珠。
多用户配置
在传统的焊接训练系统中，单一控制台(例如，控制台135)被设计成与单一工作站(例如，T/S 170)接口连接，使得单一用户可以参与仿真焊接练习。因此，仅提供单一用户显示器(例如，FMDD 140)和单一模拟焊接工具(例如，MWT 160)。同样地，控制台仅需要与单一附加显示设备(例如，ODD 150)接口连接，使得第三方可以观察用户与由控制台生成的仿真环境交互。相反，总体发明构思涵盖支持多个用户同时与不同仿真环境或与同一仿真环境进行交互的焊接训练系统。
图20中示出了根据示例性实施例的焊接训练系统2000(即，焊接仿真器)。焊接仿真器2000包括用于与第一桌台/支架(T/S)2010和第二桌台/支架(T/S)2015接口连接的控制台2035。第一T/S 2010与第一用户相关联，而第二T/S 2015与第二用户相关联。虽然T/S2010和T/S2015可以与上述T/S 170相同，但是总体发明构思不限于此并且可以涵盖用于与焊接仿真器2000接口连接的任何合适的工作站。另外，应当理解的是，总体发明构思可以扩展到多于两个的这种工作站。
同样地，虽然控制台2035的大部分可以类似于上述控制台135，但仍存在必要的差异。例如，在一些实施例中，控制台2035与第一观察者显示设备(ODD)2020和第二观察者显示设备(ODD)2025接口连接。在一些实施例中，可以使用以分割屏幕模式运行的单一观察者显示设备(ODD)来代替ODD 2020和ODD 2025。另外，控制台2035能够相应地同与第一用户和第二用户中的每一者相关联的单独的模拟焊接工具(例如，模拟焊接工具160)接口连接或以其他方式进行通信。同样地，控制台2035能够相应地同与第一用户和第二用户中的每一者相关联的单独的显示器(例如，FMDD 140)接口连接或以其他方式进行通信。
在一些实施例中，控制台2035同与第一T/S 2010相关联的第一空间追踪器(例如，ST 120)和与第二T/S 2015相关联的第二空间追踪器(例如，ST 120)接口连接。在一些实施例中，控制台2035与单一空间追踪器接口连接，所述单一空间追踪器能够限定包含第一T/S2010和第二T/S 2015两者的相关工作区域的3D空间参照系。
在一些实施例中，控制台2035具有可由第一用户和第二用户共享的单一物理焊接用户接口(WUI)(例如，WUI 130)。
在一些实施例中，控制台2035容纳与第一用户相关联的第一基于可编程处理器的子系统(PPS)(例如，PPS 110)和与第二个用户相关联的第二基于可编程处理器的子系统(PPS)(例如，PPS 110)。例如，可以在控制台2035中安装分开的主板。在一些实施例中，控制台2035容纳单一基于可编程处理器的子系统(PPS)(例如，PPS110)，所述单一基于可编程处理器的子系统能够为第一用户和第二用户生成分开的不同仿真环境(并且处理与之相应的交互)或为第一用户和第二用户生成共用仿真环境(并且处理与之相应的交互)。
焊接训练系统2000支持传统焊接训练系统所缺乏的功能。例如，指导员可以在控制台2035处通过第一ODD 2020和第二ODD 2025观察第一学员(即，第一用户)和第二学员(即，第二用户)的同时焊接训练。在这样的场景中，每个学员都可能与不同仿真环境交互。指导员不必从第一学员的工作站(例如，T/S 2010)移动到第二学员的工作站(例如，T/S2015)以观察两个学员的表现。此外，在一些实施例中，第一学员和第二学员正在执行同一焊接练习(例如，焊接过程)，这便于指导员对两个学员进行比较。如果两个学员同时开始仿真，则尤其如此。
作为另一示例，指导员可以使用所述工作站之一(例如，T/S2015)来向处于共用仿真环境中的学员(例如，第一用户)演示焊接技法。在此，指导员的焊接动作可通过第一用户的FMDD被第一用户观察到。因此，焊接仿真器2000允许指导员进行仿真的“动手”演示。同样地，指导员可以与最初由第一用户执行的仿真焊接交互，例如教导补救焊接(例如，修复)技法。
在共用仿真环境的情况下，两个不同的学员可以同时在共用组件(在共用仿真环境中示出)的零件上执行仿真焊接。再次，指导员通过控制台2035上的ODD 2020、2025可看到两个学员的活动。同样地，两个学员可以轮流实习彼此互补的仿真焊接，例如根部焊道和填充焊道。再次，指导员通过控制台2035上的ODD 2020、2025可看到两个学员的活动。
考虑到焊接仿真器2000的增加的灵活性，本领域普通技术人员将认识到其许多其他应用。将参考图21和图22更概括地描述焊接仿真器2000的功能。
如图21所示，多用户焊接仿真器2100(例如，焊接仿真器2000)包括容纳PPS和其他相关部件的控制台2102。控制台2102同与第一用户2106相关联的第一工作站2104和与第二用户2110相关联的第二工作站2108接口连接。工作站2104、2108各自包括用户2106、2110参与仿真焊接训练所需要的那些部件(例如，T/S、ST、WC、MWT、FMDD)。焊接仿真器2100生成第一仿真环境2112，例如虚拟现实空间或增强现实空间。焊接仿真器2100还生成第二仿真环境2114，例如虚拟现实空间或增强现实空间。第一仿真环境2112对第一用户2106可见，但对第二用户2110不可见。同样地，第二仿真环境2114对第二用户2110可见，但对第一用户2106不可见。焊接仿真器2100能够实时地处理第一用户2106与第一仿真环境2112和第二用户2110与第二仿真环境2114的同时交互。
如图22所示，多用户焊接仿真器2100还可以生成单一(共用)仿真环境2120，例如虚拟现实空间或增强现实空间。仿真环境2120对第一用户2106和第二用户2110两者均可见。焊接仿真器2100能够实时地处理第一用户2106和第二用户2110与共用仿真环境2120的同时交互。
虽然本文中讨论的实施例与以上讨论的系统和方法相关，但这些实施例旨在是示例性的并且并不旨在将这些实施例的适用范围限制在仅本文所阐述的那些讨论。本文中所讨论的控制系统和方法论同等地应用于与电弧焊接、激光焊接、硬钎焊、软钎焊、等离子体切割、水射流切割、激光切割的模拟相关的系统和方法、以及使用类似控制方法论的任何其他系统或方法，并且可以用于其中，而不脱离以上讨论的发明的精神或范围。本文的实施例和讨论可以容易地由本领域的技术人员并入到这些系统和方法中的任何系统和方法中。
虽然已经参考某些实施例描述了本发明，但本领域技术人员将理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下可以做出各种改变并且用等效物替换。此外，可以进行许多修改来使得具体的情形或材料与本发明传授内容相适配而不背离其范围。因此，所旨在的是本发明并不受限于所披露的具体实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (22)

1.一种焊接仿真器，包括：
第一显示器，所述第一显示器与第一用户相关联；
第二显示器，所述第二显示器与第二用户相关联；
第一模拟焊接工具，所述第一模拟焊接工具与所述第一用户相关联；
第二模拟焊接工具，所述第二模拟焊接工具与所述第二用户相关联；
第一支架，所述第一支架能操作以固持第一试样；
第二支架，所述第二支架能操作以固持第二试样；
第一空间追踪器，所述第一空间追踪器用于追踪由所述第一用户使所述第一模拟焊接工具相对于所述第一试样的第一移动；
第二空间追踪器，所述第二空间追踪器用于追踪由所述第二用户使所述第二模拟焊接工具相对于所述第二试样的第二移动；以及
壳体，所述壳体固持逻辑部，所述逻辑部包括存储器和处理器，所述存储器存储机器可读指令，所述处理器用于执行所述指令以：
生成仿真环境；以及
在所述第一显示器和所述第二显示器上同时显示所述仿真环境，包含所述第一移动和所述第二移动中的至少一者。
2.如权利要求1所述的焊接仿真器，其中，所述第一显示器是焊接面罩的一部分。
3.如权利要求1所述的焊接仿真器，其中，所述第二显示器是焊接面罩的一部分。
4.如权利要求1所述的焊接仿真器，进一步包括第三显示器。
5.如权利要求4所述的焊接仿真器，其中，所述第三显示器安装在所述壳体上。
6.如权利要求4所述的焊接仿真器，进一步包括第四显示器。
7.如权利要求6所述的焊接仿真器，其中，所述第四显示器安装在所述壳体上。
8.如权利要求1所述的焊接仿真器，其中，所述逻辑部将所述第一试样和所述第二试样显示为同一部分。
9.如权利要求8所述的焊接仿真器，其中，焊接路径被限定在所述部分上，
其中，所述第一移动对应于所述焊接路径的第一遍历，并且
其中，所述第二运动对应于所述焊接路径的第二遍历。
10.如权利要求1所述的焊接仿真器，其中，所述逻辑部将所述第一试样和所述第二试样显示为同一组件的多个部分。
11.一种焊接仿真器，包括：
第一显示器，所述第一显示器与第一用户相关联；
第二显示器，所述第二显示器与第二用户相关联；
第一模拟焊接工具，所述第一模拟焊接工具与所述第一用户相关联；
第二模拟焊接工具，所述第二模拟焊接工具与所述第二用户相关联；
第一支架，所述第一支架能操作以固持第一试样；
第二支架，所述第二支架能操作以固持第二试样；
第一空间追踪器，所述第一空间追踪器用于追踪由所述第一用户使所述第一模拟焊接工具相对于所述第一试样的第一移动；
第二空间追踪器，所述第二空间追踪器用于追踪由所述第二用户使所述第二模拟焊接工具相对于所述第二试样的第二移动；以及
壳体，所述壳体固持第一逻辑部和第二逻辑部，
其中，所述第一逻辑包括第一存储器和第一处理器，所述第一存储器存储第一机器可读指令，所述第一处理器用于执行所述第一机器可读指令以：
生成第一仿真环境；以及
在所述第一显示器上显示所述第一仿真环境和所述第一移动；并且
其中，所述第二逻辑部包括第二存储器和第二处理器，所述第二存储器存储第二机器可读指令，所述第二处理器用于执行所述第二机器可读指令以：
生成第二仿真环境；以及
在所述第二显示器上显示所述第二仿真环境和所述第二移动。
12.如权利要求11所述的焊接仿真器，其中，所述第一显示器是焊接面罩的一部分。
13.如权利要求11所述的焊接仿真器，其中，所述第二显示器是焊接面罩的一部分。
14.如权利要求11所述的焊接仿真器，进一步包括第三显示器。
15.如权利要求14所述的焊接仿真器，其中，所述第三显示器安装在所述壳体上。
16.如权利要求14所述的焊接仿真器，其中，所述第一逻辑部使所述第一仿真环境和所述第一移动显示在所述第三显示器上。
17.如权利要求16所述的焊接仿真器，进一步包括第四显示器。
18.如权利要求17所述的焊接仿真器，其中，所述第四显示器安装在所述壳体上。
19.如权利要求17所述的焊接仿真器，其中，所述第二逻辑部使所述第二仿真环境和所述第二移动显示在所述第四显示器上。
20.如权利要求11所述的焊接仿真器，其中，所述第一逻辑部将所述第一试样显示为第一部分；并且
其中所述第二逻辑部将所述第二试样显示为第二部分。
21.如权利要求20所述的焊接仿真器，其中，所述第一部分和所述第二部分是相同的。
22.如权利要求20所述的焊接仿真器，其中，所述第一部分和所述第二部分是组件的不同部分。
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