DE202009019018U1

DE202009019018U1 - System zur Lichtbogenschweißschulung in einer simulierten Echtzeit-Virtual-Reality-Umgebung mittels Schweißpfützenrückmeldung in Echtzeit

Info

Publication number: DE202009019018U1
Application number: DE202009019018.8U
Authority: DE
Original assignee: Lincoln Global Inc
Current assignee: Lincoln Global Inc
Priority date: 2008-08-21
Filing date: 2009-08-20
Publication date: 2016-02-29
Anticipated expiration: 2019-08-21
Also published as: CA2728791A1; WO2010020867A3; EP2327068A2; CN102165505A; MX2011001224A; RU2491649C2; RU2011110502A; US20100062405A1; WO2010020867A2; US8747116B2; BRPI0924569A2; CN102165505B; BRPI0917270A2

Abstract

Virtual-Reality-Schweißsystem (100), das Folgendes umfasst: ein programmierbares Prozessor-gestütztes Teilsystem (110); eine räumliche Nachführvorrichtung (120), die mit dem programmierbaren Prozessor-gestützten Teilsystem (110) wirkverbunden ist; mindestens eine Schweißwerkzeugattrappe (160), das durch die räumliche Nachführvorrichtung (120) räumlich nachgeführt werden kann; und mindestens eine Displayvorrichtung, die mit dem programmierbaren Prozessor-gestützten Teilsystem (110) wirkverbunden ist, wobei das System (100) in der Lage ist, in einem Virtual-Reality-Raum eine Schweißpfütze zu simulieren, die in Echtzeit Eigenschaften der Fluidität und Wärmedissipation von schmelzflüssigem Metall nachstellt, und die simulierte Schweißpfütze auf der mindestens einen Displayvorrichtung (150) in Echtzeit anzuzeigen.

Description

QUERVERWEIS ZU VERWANDTEN ANMELDUNGEN/AUFNAHME DURCH BEZUGNAHME
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 61/090,794, eingereicht am 21. August 2008, die hiermit durch Bezugnahme in vollem Umfang in den vorliegenden Text aufgenommen wird.
TECHNISCHES GEBIET
Bestimmte Ausführungsformen betreffen die Virtual-Reality-Simulation. Genauer gesagt, betreffen bestimmte Ausführungsformen Systeme zur Lichtbogenschweißschulung in einer simulierten Virtual-Reality-Umgebung oder Augmented-Reality-Umgebung mittels Schweißpfützenrückmeldung in Echtzeit und mit einer Schweißsimulation.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Das Erlernen des Lichtbogenschweißens erfordert herkömmlicherweise viele Stunden Unterweisung, Schulung und Praxis. Es gibt viele verschiedene Arten von Lichtbogenschweißen und Lichtbogenschweißprozessen, die erlernt werden können. In der Regel erlernt ein Lehrgangsteilnehmer das Schweißen mittels eines echten Schweißsystems, wobei er Schweißoperationen an echten Metallstücken ausführt. Eine solche reale Schulung kann wertvolle Schweißressourcen binden und begrenzte Schweißmaterialien verbrauchen. Seit einiger Zeit gewinnt die Idee einer Schulung mittels Schweißsimulationen an Beliebtheit. Einige Schweißsimulationen werden über Personalcomputer und/oder online über das Internet implementiert. Jedoch sind die derzeit bekannten Schweißsimulationen im Allgemeinen hinsichtlich ihres Schulungsschwerpunktes beschränkt. Zum Beispiel konzentrieren sich einigen Schweißsimulationen auf die Schulung allein des „Muskelgedächtnisses”, wobei der Schweißlehrgangsteilnehmer einfach darauf geschult wird, wie er ein Schweißwerkzeug halten und positionieren muss. Andere Schweißsimulationen konzentrieren sich auf das Zeigen visueller und akustischer Effekte des Schweißprozesses, aber nur in einer beschränkten und oft unrealistischen Weise, die dem Lehrgangsteilnehmer nicht die gewünschte Rückmeldung vermittelt, die in hohem Maße für das echte Schweißen repräsentativ ist. Diese echte Rückmeldung ist es, die den Lehrgangsteilnehmer veranlasst, die notwendigen Korrekturen vorzunehmen, um eine gute Schweißnaht zu ziehen. Schweißen lernt man durch Beobachten des Lichtbogens und/oder Pfütze, nicht durch Muskelgedächtnis.
Weitere Einschränkungen und Nachteile herkömmlicher, traditioneller und vorgeschlagener Lösungsansätze erkennt der Fachmann durch Vergleichen solcher Lösungsansätze mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die im übrigen Teil der vorliegenden Anmeldung mit Bezug auf die Zeichnungen dargelegt sind.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Lichtbogenschweißsimulation erfunden worden, die eine Schweißpfütze in einem Virtual-Reality-Raum simuliert, der in Echtzeit die Eigenschaften der Fluidität sowie der Wärmeabsorption und Wärmedissipation von schmelzflüssigem Metall darstellt.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält ein Virtual-Reality-Schweißsystem ein programmierbares Prozessor-gestütztes Teilsystem, eine räumliche Nachführvorrichtung, die mit dem programmierbaren Prozessor-gestützten Teilsystem wirkverbunden ist, mindestens eine Schweißwerkzeugattrappe, die durch die räumliche Nachführvorrichtung räumlich nachgeführt werden kann, und mindestens eine Displayvorrichtung, die mit dem programmierbaren Prozessor-gestützten Teilsystem wirkverbunden ist. Das System ist in der Lage, im Virtual-Reality-Raum eine Schweißpfütze zu simulieren, die in Echtzeit die Eigenschaften der Fluidität und Wärmedissipation von schmelzflüssigem Metall nachstellt. Das System ist des Weiteren in der Lage, die simulierte Schweißpfütze auf der Displayvorrichtung anzuzeigen, um eine echte Schweißnaht nachzustellen. Auf der Grundlage der Leistung des Lehrgangsteilnehmers zeigt das System eine beurteilte Schweißnaht an, die entweder akzeptabel ist, oder es zeigt eine Schweißnaht mit Defekten an.
Diese und weitere Merkmale und Ausführungsformen der beanspruchten Erfindung sowie Details von veranschaulichten Ausführungsformen davon werden anhand der folgenden Beschreibung, Zeichnungen und Ansprüche besser verstanden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform eines Systemblockschaubildes eines Systems, mit dem eine Lichtbogenschweißschulung in Echtzeit in einer Virtual-Reality-Umgebung durchgeführt wird;
2 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform einer kombinierten Schweißsimulationskonsole und Beobachter-Displayvorrichtung (Observer Display Device, ODD) des Systems von 1;
3 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform der Beobachter-Displayvorrichtung (ODD) von 2;
4 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform eines Vorderabschnitts der Schweißsimulationskonsole von 2, wobei eine physische Schweißbenutzerschnittstelle (Welding User Interface, WUI) gezeigt ist;
5 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform einer Schweißwerkzeugattrappe (Mock Welding Tool, MWT) des Systems von 1;
6 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform eines Tisch/Ständers (T/S) des Systems von 1;
7A veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform eines Rohrschweißstücks (Welding Coupon, WC) des Systems von 1;
7B veranschaulicht das Rohr-WC von 7A, das in einem Arm des Tisch/Ständers (TS) von 6 montiert ist;
8 veranschaulicht verschiedene Elemente einer beispielhaften Ausführungsform der räumlichen Nachführvorrichtung (Spacial Tracker, ST) von 1;
9A veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform einer vor dem Gesicht getragenen Displayvorrichtung (Face-Mounted Display Device, FMDD) des Systems von 1;
9B ist eine Veranschaulichung, wie die FMDD von 9A am Kopf eines Benutzers angebracht wird;
9C veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform der FMDD von 9A, die innerhalb eines Schweißhelmes montiert ist;
10 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform eines Teilsystemblockschaubildes eines programmierbaren Prozessor-gestützten Teilsystems (Programmable Processor-based Subsystem, PPS) des Systems von 1;
11 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform eines Blockschaubildes einer Grafikverarbeitungseinheit (Graphics Processing Unit, GPU) des PPS von 10;
12 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform eines Funktionsschaubildes des Systems von 1;
13 ist ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Schulungsverfahrens mittels des Virtual-Reality-Schulungsystems von 1;
14A–14B veranschaulichen das Konzept einer Schweißpixel(Welding Pixel, Wexel)-Verschiebungsmatrix gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
15 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform eines Schweißstückraums und eines Schweißraums eines flachen Schweißstücks (Welding Coupon, WC), das in dem System von 1 simuliert wird;
16 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform eines Schweißstückraums und eines Schweißraums eines Eck(T-Stoß)-Schweißstücks (WC), das in dem System von 1 simuliert wird;
17 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform eines Schweißstückraums und eines Schweißraums eines Rohrschweißstücks (WC), das in dem System von 1 simuliert wird;
18 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform des Rohrschweißstücks (WC) von 17; und
19A–19C veranschaulichen eine beispielhafte Ausführungsform des Konzepts eines Doppelverschiebungs-Pfützenmodells des Systems von 1.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Virtual-Reality-Lichtbogenschweiß(Virtual Reality Arc Welding, VRAW)-System, das Folgendes umfasst: ein programmierbares Prozessor-gestütztes Teilsystem, eine räumliche Nachführvorrichtung, das mit dem programmierbaren Prozessor-gestützten Teilsystem wirkverbunden ist, mindestens eine Schweißwerkzeugattrappe, die durch die räumliche Nachführvorrichtung räumlich nachgeführt werden kann, und mindestens eine Displayvorrichtung, die mit dem programmierbaren Prozessor-gestützten Teilsystem wirkverbunden ist. Das System in der Lage ist, in einem Virtual-Reality-Raum eine Schweißpfütze zu simulieren, die in Echtzeit die Eigenschaften der Fluidität und Wärmedissipation von schmelzflüssigem Metall nachstellt. Das System ist außerdem in der Lage, die simulierte Schweißpfütze auf der Displayvorrichtung in Echtzeit anzuzeigen. Die in Echtzeit nachgestellten Eigenschaften der Fluidität und Wärmedissipation von schmelzflüssigem Metall der simulierten Schweißpfütze stellen eine visuelle Echtzeit-Rückmeldung für einen Benutzer der Schweißwerkzeugattrappe bereit, wenn sie angezeigt wird, wodurch es möglich ist, dass der Benutzer eine Schweißtechnik in Echtzeit in Reaktion auf die visuelle Echtzeit-Rückmeldung korrigieren oder beibehalten kann (d. h. es hilft dem Benutzer, richtig schweißen zu lernen). Die angezeigte Schweißpfütze ist für eine Schweißpfütze repräsentativ, die entsprechend der vom Benutzer verwendeten Schweißtechnik, dem ausgewählten Schweißprozess und den ausgewählten Schweißparametern in Wirklichkeit entstehen würde. Durch Betrachten einer Pfütze (zum Beispiel Form, Farbe, Schlacke, Größe, Raupenwülste) kann ein Benutzer seine Technik modifizieren, um eine gute Schweißnaht zu ziehen und die Art des ausgeführten Schweißens zu bestimmen. Die Form der Pfütze reagiert auf die Bewegung der Schweißpistole oder des Schweißstabes. Im Sinne des vorliegenden Textes meint der Begriff „Echtzeit” das gleiche zeitliche Wahrnehmen und Erleben in einer simulierten Umgebung, das ein Benutzer in einem realen Schweißszenario haben würde. Des Weiteren reagiert die Schweißpfütze auf die Auswirkungen der physischen Umgebung, wie zum Beispiel Schwerkraft, wodurch es möglich ist, dass ein Benutzer das Schweißen in verschiedenen Positionen realistisch üben kann, einschließlich Überkopfschweißen und verschiedener Rohrschweißwinkel (zum Beispiel 1G, 2G, 5G, 6G).
1 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform eines Systemblockschaubildes eines Systems 100, mit dem eine Lichtbogenschweißschulung in Echtzeit in einer Virtual-Reality-Umgebung durchgeführt wird. Das System 100 enthält ein programmierbares Prozessor-gestütztes Teilsystem (PPS) 110. Das System 100 enthält des Weiteren eine räumliche Nachführvorrichtung (Spatial Tracker, ST) 120, die mit dem PPS 110 wirkverbunden ist. Das System 100 enthält außerdem eine physische Schweißbenutzerschnittstelle (Welding User Interface, WUI) 130, die mit dem PPS 110 wirkverbunden ist, und eine vor dem Gesicht getragene Displayvorrichtung (Face-Mounted Display Device, FMDD) 140, die mit dem PPS 110 und der ST 120 wirkverbunden ist. Das System 100 enthält des Weiteren eine Beobachter-Displayvorrichtung (ODD) 150, die mit dem PPS 110 wirkverbunden ist. Das System 100 enthält außerdem mindestens eine Schweißwerkzeugattrappe (Mock Welding Tool, MWT) 160, die mit dem ST 120 und der PPS 110 wirkverbunden ist. Das System 100 enthält des Weiteren einen Tisch/Ständer (T/S) 170 und mindestens ein Schweißstück (WC) 180, das an dem T/S 170 angebracht werden kann. Gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine (nicht gezeigte) Gasflaschenattrappe vorhanden, die eine Schutzgasquelle simuliert und einen verstellbaren Strömungsregler aufweist.
2 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform einer kombinierten Schweißsimulationskonsole 135 (die eine Schweißstromquellen-Benutzerschnittstelle simuliert) und Beobachter-Displayvorrichtung (Observer Display Device, ODD) 150 des Systems 100 von 1. Die physische WUI 130 befindet sich an einem Vorderabschnitt der Konsole 135 und stellt Drehknöpfe, Druckknöpfe und einen Joystick für die Benutzerauswahl verschiedener Modi und Funktionen bereit. Die ODD 150 ist an einem oberen Abschnitt der Konsole 135 angebracht. Die MWT 160 sitzt in einem Halter, der an einem Seitenabschnitt der Konsole 135 angebracht ist. In ihrem Inneren hält die Konsole 135 das PPS 110 und einen Abschnitt der ST 120.
3 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform der Beobachter-Displayvorrichtung (ODD) 150 von 2. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die ODD 150 eine Flüssigkristallanzeige (LCD). Andere Display-Vorrichtungen sind ebenfalls möglich. Zum Beispiel kann die ODD 150 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Touchscreen-Display sein. Die ODD 150 empfängt Video-Informationen (zum Beispiel im SVGA-Format) und Display-Informationen von dem PPS 110.
Wie in 3 gezeigt, ist die ODD 150 in der Lage, eine erste Benutzerszene anzuzeigen, die verschiedene Schweißparameter 151 zeigt, wie zum Beispiel Position, den Abstand Spitze zu Werkstück, Schweißwinkel, Vorschubwinkel und Vorschubgeschwindigkeit. Diese Parameter können ausgewählt und in Echtzeit in grafischer Form angezeigt werden und dafür verwendet werden, die richtige Schweißtechnik zu lehren. Des Weiteren, wie in 3 gezeigt, ist die ODD 150 in der Lage, simulierte Schweißdiskontinuitätszustände 152 anzuzeigen, wie zum Beispiel falsche Schweißnahtgröße, schlechte Raupenplatzierung, konkave Raupe, übermäßige Konvexität, Unterschneidung, Porosität, unvollständiges Verschmelzen, Schlackeeinschluss, überschüssige Schweißspritzer, Überfüllung und Durchbrand (Durchschmelzen). Eine Unterschneidung ist eine Nut, die in den Grundwerkstoff neben der Schweißnaht oder Schweißwurzel geschmolzen wurde und nicht mit Schweißmetall aufgefüllt wird. Eine Unterschneidung entsteht oft durch einen falschen Schweißwinkel. Porosität sind hohlraumartige Diskontinuitäten, die durch Gaseinschluss während der Verfestigung entstehen, was oft dadurch verursacht wird, dass der Lichtbogen zu weit von dem Schweißstück fortbewegt wird.
Außerdem, wie in 3 gezeigt, ist die ODD 50 in der Lage, Benutzerauswahlen 153 anzuzeigen, wie zum Beispiel Menü, Aktionen, visuelle Hinweise, neues Schweißstück und letzter Schweißdurchgang. Diese Benutzerauswahlen sind an Benutzerknöpfe auf der Konsole 135 gebunden. Wenn ein Benutzer verschiedene Auswahlen beispielsweise über einen Touchscreen der ODD 150 oder über die physischen WUI 130 vornimmt, so können sich die angezeigten Eigenschaften ändern, um dem Benutzer ausgewählte Informationen und andere Optionen anzubieten. Des Weiteren kann die ODD 150 eine Ansicht, die ein Schweißer sieht, der die FMDD 140 trägt, im gleichen Sichtwinkel wie der Schweißer oder in verschiedenen anderen Winkeln anzeigen, die zum Beispiel durch einen Ausbilder ausgewählt werden. Die ODD 150 kann durch einen Ausbilder und/oder durch Lehrgangsteilnehmer für verschiedene Schulungszwecke betrachtet werden. Zum Beispiel kann die Ansicht um die fertige Schweißnaht herum gedreht werden, wodurch eine visuelle Inspektion durch einen Ausbilder möglich ist. Gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Video von dem System 100 zum Beispiel über das Internet an einen räumlich abgesetzten Ort übertragen werden, wo es einer Fernbeurteilung und/oder -kritik unterzogen wird. Des Weiteren kann auch Ton bereitgestellt werden, wodurch eine Echtzeit-Audiokommunikation zwischen einem Lehrgangsteilnehmer und einem an einem anderen Ort befindlichen Ausbilder möglich ist.
4 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform eines Vorderabschnitts der Schweißsimulationskonsole 135 von 2, wobei eine physische Schweißbenutzerschnittstelle (Welding User Interface, WUI) 130 gezeigt ist. Die WUI 130 enthält einen Satz Knöpfe 131, die den Benutzerauswahlen 153 entsprechen, die auf der ODD 150 angezeigt werden. Die Knöpfe 131 sind farbig, so dass sie den Farben der Benutzerauswahlen 153 entsprechen, die auf der ODD 150 angezeigt werden. Wenn einer der Knöpfe 131 gedrückt wird, so wird ein Signal zu dem PPS 110 übertragen, um die entsprechende Funktion zu aktivieren. Die WUI 130 enthält außerdem einen Joystick 132, der von einem Benutzer dafür verwendet werden kann, verschiedene Parameter und Auswahlen auszuwählen, die auf der ODD 150 angezeigt werden. Die WUI 130 enthält des Weiteren eine Wählscheibe oder einen Drehknauf 133 zum Justieren der Drahtzufuhrgeschwindigkeit oder der Amperezahl und eine weitere Wählscheibe oder einen weiteren Drehknauf 134 zum Justieren der Voltzahl oder der Trimmung. Die WUI 130 enthält außerdem eine Wählscheibe oder einen Drehknauf 136 zum Auswählen eines Lichtbogenschweißprozesses. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können drei Lichtbogenschweißprozesse ausgewählt werden, zum Beispiel Flussmittelkern-Lichtbogenschweißen (FCAW), einschließlich durch Gas abgeschirmte und selbstabschirmende Prozesse; Gas-Metall-Lichtbogenschweißen (GMAW), einschließlich Kurzlichtbogen, Axialspray, STT und Impuls; Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen (GTAW); und abgeschirmtes Metall-Lichtbogenschweißen (SMAW), einschließlich E6010- und E7010-Elektroden. Die WUI 130 enthält des Weiteren eine Wählscheibe oder einen Drehknauf 137 zum Auswählen einer Schweißpolarität. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können drei Lichtbogenschweißpolaritäten ausgewählt werden, einschließlich Wechselstrom, positiver Gleichstrom (Gleichstrom +) und negativer Gleichstrom (Gleichstrom –).
5 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform einer Schweißwerkzeugattrappe (MWT) 160 des Systems 100 von 1. Die MWT 160 von 5 simuliert ein Stabschweißwerkzeug für Platten- und Rohrschweißen und enthält einen Halter 161 und eine simulierte Stabelektrode 162. Ein Auslöser auf der MWT 160 wird verwendet, um ein Signal an das PPS 110 zu senden, um einen ausgewählten simulierten Schweißprozess zu aktivieren. Die simulierte Stabelektrode 162 enthält eine taktil ohmsche Spitze 163 zum Simulieren einer ohmschen Rückmeldung, die beispielsweise während eines Wurzellagenschweißverfahrens beim echten Rohrschweißen oder beim Schweißen einer Platten auftritt. Wenn der Benutzer die simulierte Stabelektrode 162 zu weit von der Wurzel zurückzieht, so kann der Benutzer den geringeren Widerstand fühlen oder spüren, wodurch er eine Rückmeldung zur Verwendung beim Korrigieren oder Beibehalten des momentanen Schweißprozesses erhält.
Es wird in Betracht gezogen, dass das Stabschweißwerkzeug einen (nicht gezeigten) Aktuator enthalten kann, der die simulierte Stabelektrode 162 während des virtuellen Schweißprozesses zurückzieht. Das heißt, wenn ein Benutzer eine virtuelle Schweißaktivität ausführt, so wird die Distanz zwischen dem Halter 161 und der Spitze der simulierten Stabelektrode 162 verkürzt, um das Aufzehren der Elektrode zu simulieren. Die Aufzehrrate, d. h. das Zurückziehen der Stabelektrode 162, kann durch das PPS 110 und insbesondere durch codierte Instruktionen, die durch das PPS 110 ausgeführt werden, gesteuert werden. Die simulierte Aufzehrrate kann auch von der Technik des Benutzers abhängen. Es soll hier auch erwähnt werden, dass das System 100 ein virtuelles Schweißen mit verschiedenen Arten von Elektroden ermöglicht, so dass sich die Aufzehrrate oder die Verkürzung der Stabelektrode 162 mit dem verwendeten Schweißverfahren und/oder der Einrichtung des Systems 100 ändern kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind auch andere Schweißwerkzeugattrappen möglich, wie zum Beispiel eine MWT, die eine handgehaltene halbautomatische Schweißpistole simuliert, bei der zum Beispiel eine Drahtelektrode durch die Pistole geführt wird. Des Weiteren könnte gemäß anderen konkreten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein echtes Schweißwerkzeug als die MWT 160 verwendet werden, um besser das tatsächliche Gefühl für das Werkzeug in der Hand des Benutzers zu simulieren, auch wenn in dem System 100 das Werkzeug nicht dafür verwendet werden würde, tatsächlich einen echten Lichtbogen zu erzeugen. Des Weiteren kann ein simuliertes Schleifwerkzeug zur Verwendung in einem simulierten Schleifmodus des Simulators 100 bereitgestellt werden. Gleichermaßen kann ein simuliertes Schneidwerkzeug zur Verwendung in einem simulierten Schneidmodus des Simulators 100 bereitgestellt werden. Des Weiteren kann ein simulierter Gas-Wolfram-Lichtbogenschweiß(GTAW)-Brenner oder ein simuliertes Gas-Wolfram-Lichtbogenschweiß(GTAW)-Füllmaterial zur Verwendung in dem Simulator 100 bereitgestellt werden.
6 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform eines Tisch/Ständers (T/S) 170 des Systems 100 von 1. Der T/S 170 enthält einen verstellbaren Tisch 171, einen Ständer oder eine Basis 172, einen verstellbaren Arm 173 und einen vertikalen Pfosten 174. Der Tisch 171, der Ständer 172 und der Arm 173 sind jeweils an dem vertikalen Pfosten 174 angebracht. Der Tisch 171 und der Arm 173 können jeweils manuell nach oben, abwärts und rotational mit Bezug auf den vertikalen Pfosten 174 justiert werden. Der Arm 173 wird zum Halten verschiedener Schweißstücke (zum Beispiel des Schweißstücks 175) verwendet, und ein Benutzer kann während der Schulung seinen Arm auf den Tisch 171 legen. Der vertikale Pfosten 174 ist mit Positionsangaben indexiert, so dass ein Benutzer genau weiß, wo der Arm 173 und der Tisch 171 vertikal an dem Pfosten 171 positioniert sind. Diese vertikalen Positionsangaben können durch einen Benutzer mittels der WUI 130 und der ODD 150 in das System eingegeben werden.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Positionen des Tisches 171 und des Arms 173 automatisch durch das PSS 110 über vorprogrammierte Einstellungen oder über die WUI 130 und/oder die ODD 150 gemäß Anweisung durch einen Benutzer eingestellt werden. In einer solchen alternativen Ausführungsform enthält der T/S 170 zum Beispiel Motoren und/oder Servomechanismen, und Signalbefehle von dem PPS 110 aktivieren die Motoren und/oder Servomechanismen. Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Positionen des Tisches 171 und des Arms 173 und der Typ des Schweißstücks durch das System 100 detektiert. Auf diese Weise braucht ein Benutzer die Positionsangaben nicht manuell über die Benutzerschnittstelle einzugeben. In einer solchen alternativen Ausführungsform enthält der T/S 170 Positions- und Ausrichtungsdetektoren und sendet Signalbefehle an das PPS 110, um Positions- und Ausrichtungsinformationen auszugeben, und das WC 175 enthält Positionsdetektionssensoren (zum Beispiel Spulensensoren zum Detektieren von Magnetfeldern). Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Benutzer auf der ODD 150 sehen, wie sich die Darstellung des T/S 170 verändert, während die Justierungsparameter verändert werden.
7A veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform eines Rohrschweißstücks (WC) 175 des Systems 100 von 1. Das WC 175 simuliert zwei Rohre mit sechs Inch Durchmesser 175' und 175'', die aneinander gelegt werden, um eine zu schweißende Wurzel 176 zu bilden. Das WC 175 enthält einen Verbindungsabschnitt 177 an einem Ende des WC 175, wodurch es möglich ist, das WC 175 in einer präzisen und wiederholbaren Weise an dem Arm 173 zu befestigen. 7B veranschaulicht das Rohr-WC 175 von 7A, das an dem Arm 173 des Tisch/Ständers (TS) 170 von 6 montiert ist. Die präzise und wiederholbare Weise, in der das WC 175 an dem Arm 173 angebracht werden kann, erlaubt es, die räumliche Kalibrierung des WC 175 nur ein einziges Mal im Werk vorzunehmen. In der Praxis kann dann das System 100 die MWT 160 und die FMDD 140 mit Bezug an das WC 175 in einer virtuellen Umgebung nachführen, solange dem System 100 die Position des Arms 173 mitgeteilt wird. Ein erster Abschnitt des Arms 173, an dem das WC 175 angebracht ist, kann mit Bezug auf einen zweiten Abschnitt des Arms 173 geneigt werden, wie in 6 gezeigt. Dies erlaubt es dem Benutzer, das Rohrschweißen zu üben, während sich das Rohr in irgendeiner bzw. irgendeinem von verschiedenen Ausrichtungen und Winkeln befindet.
8 veranschaulicht verschiedene Elemente einer beispielhaften Ausführungsform der räumlichen Nachführvorrichtung (ST) 120 von 1. Die ST 120 ist eine magnetische Nachführvorrichtung, die in Wirkverbindung mit dem PPS 110 des Systems 100 gebracht werden kann. Die ST 120 enthält eine Magnetquelle 121 und ein Quellenkabel, mindestens einen Sensor 122 und ein zugehöriges Kabel, Host-Software auf einer Disk 123, eine Stromquelle 124 und ein zugehöriges Kabel, USB- und RS-232-Kabel 125, und eine Prozessornachführeinheit 126. Die Magnetquelle 121 kann mit der Prozessornachführeinheit 126 über ein Kabel wirkverbunden werden. Der Sensor 122 kann mit der Prozessornachführeinheit 126 über ein Kabel wirkverbunden werden. Die Stromquelle 124 kann mit der Prozessornachführeinheit 126 über ein Kabel wirkverbunden werden. Die Prozessornachführeinheit 126 kann mit dem PPS 110 über ein USB- oder RS-232-Kabel 125 wirkverbunden werden. Die Host-Software auf einer Disk 123 kann in das PPS 110 geladen werden und erlaubt eine funktionale Kommunikation zwischen der ST 120 und dem PPS 110.
Wir wenden uns 6 zu. Die Magnetquelle 121 der ST 120 ist an dem ersten Abschnitt des Arms 173 montiert. Die Magnetquelle 121 erzeugt ein Magnetfeld um die Quelle 121, einschließlich des Raumes, der das an dem Arm 173 angebrachte WC 175 umfängt, wodurch ein räumlicher 3D-Bezugsrahmen gebildet wird. Der T/S 170 ist größtenteils nichtmetallisch (nichtferritisch und nicht leitfähig), so dass das durch die Magnetquelle 121 erzeugte Magnetfeld nicht verzerrt wird. Der Sensor 122 enthält drei Induktionsspulen, die orthogonal entlang dreier räumlicher Richtungen ausgerichtet sind. Die Induktionsspulen des Sensors 122 messen jeweils die Stärke des Magnetfeldes in jeder der drei Richtungen und übermitteln diese Informationen an die Prozessornachführeinheit 126. Dadurch weiß das System 100, wo sich jeder Abschnitt des WC 175 mit Bezug auf den durch das Magnetfeld gebildeten räumlichen 3D-Bezugsrahmen befindet, wenn das WC 175 an dem Arm 173 montiert ist. Der Sensor 122 kann an dem MWT 160 oder an der FMDD 140 angebracht sein, wodurch die MWT 160 oder die FMDD 140 durch das ST 120 mit Bezug an den räumlichen 3D-Bezugsrahmen sowohl im Raum als auch in der Ausrichtung nachgeführt werden kann. Wenn zwei Sensoren 122 vorhanden und mit der Prozessornachführeinheit 126 wirkverbunden sind, so können sowohl die MWT 160 als auch die FMDD 140 nachgeführt werden. Auf diese Weise kann das System 100 ein virtuelles WC, eine virtuelle MWT und einen virtuellen T/S im Virtual-Reality-Raum erzeugen und das virtuelle WC, die virtuelle MWT und den virtuellen T/S auf dem FMDD 140 und/oder dem ODD 150 anzeigen, da die MWT 160 und die FMDD 140 mit Bezug auf den räumlichen 3D-Bezugsrahmen nachgeführt werden.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können der oder die Sensoren 122 drahtlos mit der Prozessornachführeinheit 126 verbunden sein, und die Prozessornachführeinheit 126 kann drahtlos mit dem PPS 110 verbunden sein. Gemäß verschiedenen alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auch andere Arten von räumlichen Nachführvorrichtungen 120 in dem System 100 verwendet werden, einschließlich beispielsweise eine Beschleunigungsmesser/Gyroskop-basierte Nachführvorrichtung, eine optische Nachführvorrichtung (aktiv oder passiv), eine Infrarot-Nachführvorrichtung, eine akustische Nachführvorrichtung, eine Laser-Nachführvorrichtung, eine Hochfrequenz-Nachführvorrichtung, eine Trägheits-Nachführvorrichtung und Augmented-Reality-basierte Nachführsysteme. Anderen Arten von Nachführvorrichtungen können ebenfalls möglich sein.
9A veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform der vor dem Gesicht getragenen Displayvorrichtung 140 (FMDD) des Systems 100 von 1. 9B ist eine Veranschaulichung, wie die FMDD 140 von 9A am Kopf eines Benutzers angebracht wird. 9C veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform der FMDD 140 von 9A, die in einen Schweißhelm 900 integriert ist. Die FMDD 140 ist mit dem PPS 110 und der ST 120 entweder über ein Kabelmittel oder drahtlos wirkverbunden. Ein Sensor 122 der ST 120 kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung an der FMDD 140 oder an dem Schweißhelm 900 angebracht sein, wodurch es möglich ist, die FMDD 140 und/oder den Schweißhelm 900 mit Bezug auf den durch das ST 120 erzeugten räumlichen 3D-Bezugsrahmen nachzuführen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die FMDD 140 zwei kontraststarke SVGA 3D-OLED-Mikrodisplays, die in der Lage sind, flüssiges Full-Motion-Video in den 2D- und Frame-Sequential-Video-Modi darzustellen. Ein Video der Virtual-Reality-Umgebung wird auf der FMDD 140 bereitgestellt und angezeigt. Ein Zoom-Modus (zum Beispiel ein 2-fach-Zoom) kann bereitgestellt werden, wodurch ein Benutzer zum Beispiel eine Vergrößerungslinse simulieren kann.
Die FMDD 140 enthält des Weiteren zwei Miniohrhörer 910, wodurch der Benutzer simulierte schweiß- und umgebungsbezogene Geräusche hören kann, die durch das System 100 erzeugt werden. Die FMDD 140 kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit dem PPS 110 über ein drahtgebundenes oder ein drahtloses Mittel wirkverbunden sein. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzeugt das PPS 110 stereoskopisches Video auf der FMDD 140, wodurch der Benutzer ein besseres Tiefenempfinden hat. Gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Benutzer ein Bedienelement an dem MWT 160 (zum Beispiel einen Knopf oder Schalter) verwenden, um Menüs aufzurufen und auswählen und Optionen auf der FMDD 140 anzuzeigen. Dadurch kann der Benutzer zum Beispiel problemlos eine Schweißnaht zurücksetzen, wenn er einen Fehler macht, bestimmte Parameter ändern oder ein Stück zurückgehen, um einen Abschnitt einer Schweißraupentrajektorie zu wiederholen.
10 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform eines Teilsystemblockschaubildes des programmierbaren Prozessor-gestützten Teilsystems (PPS) 110 des Systems 100 von 1. Das PPS 110 enthält gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) 111 und zwei Grafikverarbeitungseinheiten (Graphics Processing Units, GPU) 115. Die zwei GPUs 115 sind gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dafür programmiert, eine Virtual-Reality-Simulation einer Schweißpfütze (auch als ein Schweißpool bezeichnet) zu erzeugen, die die Eigenschaften der Fluidität und Wärmeabsorption und -dissipation von schmelzflüssigem Metall in Echtzeit nachstellt.
11 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform eines Blockschaubildes einer Grafikverarbeitungseinheit (Graphics Processing Unit, GPU) 115 der PPS 110 von 10. Jede GPU 115 unterstützt die Implementierung paralleler Datenalgorithmen. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzt jede GPU 115 zwei Videoausgänge 118 und 119, die zwei Virtual-Reality-Ansichten bereitstellen können. Zwei der Videoausgänge können zu der FMDD 140 geroutet werden, um das Blickfeld des Schweißers darzustellen, und ein dritter Videoausgang kann zu der ODD 150 geroutet werden, wo entweder das Blickfeld des Schweißers oder irgendein anderes Blickfeld dargestellt wird. Der übrige vierte Videoausgang kann zum Beispiel zu einem Projektor geroutet werden. Beide GPUs 115 führen die gleichen schweißphysikalischen Berechnungen aus, können aber die Virtual-Reality-Umgebung mit dem gleichen oder verschiedenen Blickfeldern darstellen. Die GPU 115 enthält eine Compute Unified Device Architecture (CUDA) 116 und einen Shader 117. Die CUDA 116 ist die Berechnungs-Engine der GPU 115, auf die Software-Entwickler über industriestandardisierte Programmiersprachen zugreifen können. Die CUDA 116 enthält parallele Kerne und wird dafür verwendet, das physikalische Modell der im vorliegenden Text beschriebenen Schweißpfützensimulation abzuarbeiten. Die CPU 111 übermittelt Echtzeit-Schweißeingangsdaten an die CUDA 116 in der GPU 115. Der Shader 117 ist für das Zeichnen und Anwenden aller visuellen Elemente der Simulation zuständig. Raupen- und Pfützengrafik werden durch den Zustand einer Wexel-Verschiebungsmatrix angesteuert, was weiter unten noch beschrieben wird. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das physikalische Modell mit einer Rate von etwa 30-mal pro Sekunde ausgeführt und aktualisiert.
12 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform eines Funktionsschaubildes des Systems 100 von 1. Die verschiedenen Funktionen des Systems 100, wie in 12 gezeigt, werden größtenteils über Software-Instruktionen und Module implementiert, die in dem PPS 110 laufen. Die verschiedenen Funktionen des Systems 100 enthalten eine physische Schnittstelle 1201, Brenner- und Klemmenmodelle 1202, Umgebungsmodelle 1203, eine Geräuschinhaltsfunktionalität 1204, Schweißgeräusche 1205, ein Ständer/Tisch-Modell 1206, eine Innenarchitekturfunktionalität 1207, eine Kalibrierungsfunktionalität 1208, Schweißstückmodelle 1210, eine Schweißphysik 1211, ein Innenphysik-Anpassungstool (Tweaker) 1212, eine Grafische-Benutzerschnittstellen-Funktionalität 1213, eine Grafikdarstellungsfunktionalität 1214, eine Lehrgangsteilnehmer-Berichtsfunktionalität 1215, einen Renderer 1216, eine Raupendarstellung 1217, 3D-Texturen 1218, eine Visuelle-Hinweis-Funktionalität 1219, eine Bewertungs- und Toleranzfunktionalität 1220, einen Toleranzeditor 1221 und Spezialeffekte 1222.
Die Innenarchitekturfunktionalität 1207 stellt die höheren Software-Logistik der Prozesse des Systems 100 bereit, einschließlich beispielsweise das Laden von Dateien, das Aufbewahren von Informationen, das Verwalten von Befehlsketten, das Einschalten des physikalischen Modells und Auslösemenüs. Die Innenarchitekturfunktionalität 1207 läuft gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf der CPU 111. Zu einigen Echtzeit-Eingaben in das PPS 110 gehören Lichtbogenposition, Pistolenposition, FMDD oder Heimposition, Pistole-Ein/Aus-Zustand und Kontakt-hergestellt-Zustand (Ja/Nein).
Die Grafische-Benutzerschnittstellen-Funktionalität 1213 erlaubt es einem Benutzer, über das ODD 150 mittels des Joysticks 132 der physischen Benutzerschnittstelle 130 ein Schweißszenario einzurichten. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält das Einrichten eines Schweißszenarios Folgendes: Auswählen einer Sprache, Eingeben eines Benutzernamens, Auswählen einer Übungsplatte (d. h. eines Schweißstücks), Auswählen eines Schweißprozesses (zum Beispiel FCAW, GMAW, SMAW) und der zugehörigen Axialsprüh-, Impuls- oder Kurzlichtbogenverfahren, Auswählen eines Gastyps und einer Strömungsrate, Auswählen eines Typ einer Stabelektrode (zum Beispiel 6010 oder 7018), und Auswählen eines Typs eines Flussmittelkerndrahtes (zum Beispiel selbstabschirmend, Gas-abgeschirmt). Das Einrichten eines Schweißszenarios enthält außerdem das Auswählen einer Tischhöhe, einer Armhöhe, einer Armposition und einer Armdrehung des T/S 170. Das Einrichten eines Schweißszenarios enthält des Weiteren Folgendes: Auswählen einer Umgebung (zum Beispiel einer Hintergrundumgebung im Virtual-Reality-Raum), Einstellen einer Drahtzufuhrgeschwindigkeit, Einstellen eines Spannungspegels, Einstellen einer Stromstärke, Auswählen einer Polarität und Ein- und Ausschalten bestimmter visueller Hinweise.
Während eines simulierten Schweißszenarios erfasst die Grafikdarstellungsfunktionalität 1214 Benutzerleistungsparameter und übermittelt die Benutzerleistungsparameter an die Grafische-Benutzerschnittstellen-Funktionalität 1213 zur Anzeige in einem grafischen Format (zum Beispiel auf der ODD 150). Nachführinformationen von dem ST 120 werden in die Grafikdarstellungsfunktionalität 1214 eingespeist. Die Grafikdarstellungsfunktionalität 1214 enthält ein Simple-Analysis-Modul (SAM) und ein Whip/Weave-Analysis-Modul (WWAM). Das SAM analysiert Benutzerschweißparameter, wie zum Beispiel Schweißvorschubwinkel, Vorschubgeschwindigkeit, Schweißwinkel, Position und den Abstand Spitze zu Werkstück durch Vergleichen der Schweißparameter mit in Raupentabellen gespeicherten Daten. Das WWAM analysiert Benutzer-Whipping-Parameter, einschließlich Raupenwulstbeabstandung, Whip-Zeit und Pfützenzeit. Das WWAM analysiert auch Benutzer-Weaving-Parameter, einschließlich Breite der Weave-Bewegung, Weave-Beabstandung und Weave-Timing. Das SAM und das WWAM interpretieren rohe Eingangsdaten (zum Beispiel Positions- und Ausrichtungsdaten) in funktional verwendbaren Daten zur grafischen Darstellung. Für jeden durch das SAM und das WWAM analysierten Parameter wird ein Toleranzfenster durch Parametergrenzwerte um einen optimalen oder idealen Sollpunkt, der mittels des Toleranzeditors 1221 in Raupentabellen eingegeben wurde, herum definiert, und eine Bewertungs- und Toleranzfunktionalität 1220 wird ausgeführt.
Der Toleranzeditor 1221 enthält ein Weldometer, das Materialverbrauch, Stromverbrauch und Schweißzeit approximiert. Wenn bestimmte Parameter außerhalb der Toleranz liegen, kann es des Weiteren zu Schweißdiskontinuitäten (d. h. Schweißdefekten) kommen. Der Zustand jeglicher Schweißdiskontinuitäten wird durch die Grafikdarstellungsfunktionalität 1214 verarbeitet und über die Grafische-Benutzerschnittstellen-Funktionalität 1213 in einem grafischen Format präsentiert. Zu solchen Schweißdiskontinuitäten gehören falsche Schweißnahtgröße, schlechte Raupenplatzierung, konkave Raupe, übermäßige Konvexität, Unterschneidung, Porosität, unvollständiges Verschmelzen, Schlackeeinschluss, Überfüllung, Durchbrand und übermäßige Schweißspritzer. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Grad oder Betrag einer Diskontinuität davon abhängig, wie weit sich ein bestimmter Benutzerparameter vom optimalen oder idealen Sollpunkt entfernt hat.
Es können verschiedene Parametergrenzwerte für verschiedene Arten von Nutzern vordefiniert werden, wie beispielsweise für Schweißneulinge, Schweißexperten und Personen auf einer Handelsmesse. Die Bewertungs- und Toleranzfunktionalität 1220 stellt numerische Wertungen in Abhängigkeit davon bereit, wie nahe am Optimum (Ideal) sich ein Benutzer für einen bestimmten Parameter befindet, sowie in Abhängigkeit vom Grad der Diskontinuitäten oder Defekte in der Schweißnaht. Die optimalen Werte sind von echten Daten abgeleitet. Informationen von der Bewertungs- und Toleranzfunktionalität 1220 und von der Grafikfunktionalität 1214 können durch die Lehrgangsteilnehmer-Berichtsfunktionalität 1215 dafür verwendet werden, einen Leistungsbericht für einen Ausbilder und/oder einen Lehrgangsteilnehmer zu erstellen.
Das System 100 kann die Ergebnisse virtueller Schweißaktivitäten analysieren und anzeigen. Mit Analysieren der Ergebnisse ist gemeint, dass das System 100 bestimmen kann, wann während des Schweißdurchgangs und wo entlang der Schweißfugen der Benutzer von den akzeptablen Grenzwerten des Schweißprozesses abgewichen ist. Der Leistung eines Benutzers kann eine Wertung beigegeben werden. In einer Ausführungsform kann die Wertung eine Funktion der Abweichung von der Position, der Ausrichtung und der Geschwindigkeit der Schweißwerkzeugattrappe 160 über Toleranzbereiche hinweg sein, die sich von einem idealen Schweißdurchgang bis zu einer grenzwertigen oder inakzeptablen Schweißaktivität erstrecken können. Es kann jeder beliebige Gradient von Bereichen in das System 100 integriert werden, so wie es für das Bewerten der Leistung des Benutzers gewählt wird. Die Wertung kann numerisch oder alphanumerisch angezeigt werden. Außerdem kann die Leistung des Benutzers grafisch angezeigt werden, wobei im zeitlichen Verlauf und/oder in der Position entlang der Schweißfuge angezeigt wird, wie nahe die Schweißwerkzeugattrappe die Schweißfuge passierte. Parameter wie zum Beispiel Vorschubwinkel, Arbeitswinkel, Geschwindigkeit und Distanz von der Schweißfuge sind Beispiel dafür, was gemessen werden kann, obgleich jegliche Parameter für Bewertungszwecke analysiert werden können. Die Toleranzbereiche der Parameter werden echten Schweißdaten entnommen, wodurch eine genaue Rückmeldung erhalten wird, wie der Benutzer in der Realität abschneiden wird. In einer weiteren Ausführungsform kann die Analyse der Defekte, die der Leistung des Benutzers entsprechen, ebenfalls auf der ODD 150 integriert und angezeigt werden. In dieser Ausführungsform kann ein Diagramm dargestellt werden, das anzeigt, welche Art von Diskontinuität aus dem Messen der verschiedenen Parameter resultierte, die während der virtuellen Schweißaktivität überwacht wurden. Obgleich zwar keine Einschlüsse auf der ODD 150 zu sehen sind, können als Resultat der Leistung des Benutzers dennoch Defekte entstanden sein, deren Ergebnisse trotzdem entsprechend angezeigt, d. h. grafisch dargestellt werden können.
Die Visuelle-Hinweis-Funktionalität 1219 gibt dem Benutzer eine sofortige Rückmeldung durch Anzeigen überlagerter Farben und Indikatoren auf der FMDD 140 und/oder der ODD 150. Visuelle Hinweise werden für jeden der Schweißparameter 151 gegeben, einschließlich Position, Abstand Spitze zu Werkstück, Schweißwinkel, Vorschubwinkel, Vorschubgeschwindigkeit und Lichtbogenlänge (zum Beispiel für Stabschweißen), und zeigen dem Benutzer visuell an, ob irgend ein Aspekt der Schweißtechnik des Benutzers auf der Basis der zuvor festgelegten Grenzwerte oder Toleranzen justiert werden sollte. Visuelle Hinweise können zum Beispiel auch für die Whip/Weave-Technik und die Abstände der Schweißraupenwülste gegeben werden. Visuelle Hinweise, können unabhängig oder in jeder beliebigen gewünschten Kombination eingestellt werden.
Die Kalibrierungsfunktionalität 1208 stellt die Fähigkeit bereit, physische Komponenten im realen Raum (3D-Bezugsrahmen) mit visuellen Komponenten im Virtual-Reality-Raum abzugleichen. Jeder unterschiedliche Schweißstücktyp (WC) wird im Werk durch Montieren des WC an dem Arm 173 des T/S 170 und Berühren des WC an zuvor festgelegten Punkten (die zum Beispiel durch drei Grübchen auf dem WC angedeutet sind) mit einem Kalibrierungsstift, der mit dem ST 120 wirkverbunden ist, kalibriert. Die ST 120 liest die Magnetfeldintensitäten an den zuvor festgelegten Punkten, übermittelt Positionsangaben an das PPS 110, und das PPS 110 verwendet die Positionsangaben zu Ausführen der Kalibrierung (d. h. die Umsetzung vom realen Raum zum Virtual-Reality-Raum).
Jeder WC-Typ passt in der gleichen wiederholbaren Form innerhalb sehr enger Toleranzen in den Arm 173 der T/S 170. Sobald also ein bestimmter WC-Typ kalibriert wurde, braucht dieser WC-Typ nicht noch einmal kalibriert zu werden (d. h. die Kalibrierung eines bestimmten WC-Typs ist eine einmalige Angelegenheit). WCs des gleichen Typs sind untereinander austauschbar. Die Kalibrierung gewährleistet, dass eine physische Rückmeldung, die der Benutzer während eines Schweißprozesses wahrnimmt, mit dem übereinstimmt, was dem Benutzer im Virtual-Reality-Raum angezeigt wird, wodurch die Simulation realistischer wirkt. Wenn zum Beispiel der Benutzer die Spitze eines MWT 160 um die Ecke eines echten WC 180 herum schiebt, so sieht der Benutzer, wie sich die Spitze um die Ecke des virtuellen WC auf dem FMDD 140 herum bewegt, während der Benutzer spürt, wie sich die Spitze um die echte Ecke herum bewegt. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die MWT 160 in einer vorpositionierten Aufspannvorrichtung angeordnet und wird außerdem auf der Basis der bekannten Position der Aufspannvorrichtung kalibriert.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden „intelligente” Schweißstücke bereitgestellt, die beispielsweise an ihren Ecken Sensoren haben. Die ST 120 ist in der Lage, die Ecken eines „intelligenten” Schweißstück so nachzuführen, dass das System 100 fortlaufend weiß, wo sich das „intelligente” Schweißstück im realen 3D-Raum befindet. Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden Lizenzierungsschlüssel bereitgestellt, um die Schweißstücke zu „entsperren”. Wenn ein bestimmtes WC gekauft wird, so wird ein Lizenzierungsschlüssel mitgeliefert, den der Benutzer in das System 100 eingegeben kann, um die Software zu entsperren, die mit diesem WC verknüpft ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können spezielle, nichtstandardmäßige Schweißstücke auf der Basis realer CAD-Zeichnungen von Teilen bereitgestellt werden. Den Benutzern kann es ermöglicht werden, das Schweißen an einem CAD-Teil zu üben, noch bevor das Teil überhaupt in der Realität hergestellt wird.
Die Geräuschinhaltsfunktionalität 1204 und Schweißgeräusche 1205 stellen bestimmte Arten von Schweißgeräuschen bereit, die sich in Abhängigkeit davon ändern, ob bestimmte Schweißparameter innerhalb der Toleranz oder außerhalb der Toleranz liegen. Die Geräusche werden speziell an die verschiedenen Schweißprozesse und -parameter angepasst. Zum Beispiel wird in einem MIG-Spray-Lichtbogenschweißprozess ein Knistergeräusch ausgegeben, wenn der Benutzer die MWT 160 nicht korrekt positioniert hat, und ein Zischgeräusch wird ausgegeben, wenn die MWT 160 korrekt positioniert ist. In einem Kurzlichtbogenschweißprozess wird für eine ordnungsgemäße Schweißtechnik ein stabiles Knister- oder Brutzelgeräusch ausgegeben, und ein Zischgeräusch kann ausgegeben werden, wenn eine Unterschneidung entsteht. Diese Geräusche imitieren reale Geräusche entsprechend einer korrekten und einer falschen Schweißtechnik.
Originalgetreue Geräuschinhalte können gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung aus realen Aufzeichnungen tatsächlicher Schweißvorgänge entnommen werden, die mittels einer Vielzahl verschiedener elektronischer und mechanischer Mittel vorgenommen werden. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die wahrgenommene Lautstärke und Richtung von Geräuschen je nach der Position, Ausrichtung und Distanz des Kopfes des Benutzers (unter der Annahme, dass der Benutzer eine FMDD 140 trägt, die durch die ST 120 nachgeführt wird) mit Bezug auf den simulierten Lichtbogen zwischen der MWT 160 und dem WC 180 modifiziert. Geräusche können zum Beispiel an den Benutzer über Miniohrhörer 910 in der FMDD 140 oder über Lautsprecher ausgegeben werden, die in der Konsole 135 oder dem T/S 170 konfiguriert sind.
Umgebungsmodelle 1203 werden bereitgestellt, um verschiedene Hintergrundszenen (still und bewegt) im Virtual-Reality-Raum nachzuahmen. Zu solchen Hintergrundumgebungen können zum Beispiel eine Schweißwerkhalle, eine Rennstrecke im Freien, eine Autowerkstatt usw. gehören, und es können fahrende Autos, Menschen, Vögel, Wolken und verschiedene Umgebungsgeräusche darin vorkommen. Die Hintergrundumgebung kann gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung interaktiv sein. Zum Beispiel muss ein Benutzer einen Hintergrundbereich untersuchen, bevor er mit dem Schweißen beginnt, um sicherzustellen, dass die Umgebung zum Schweißen unbedenklich (zum Beispiel sicher) ist. Es werden Brenner- und Klemmenmodelle 1202 bereitgestellt, die verschiedene MWTs 160, wie zum Beispiel Pistolen, Halter mit Stabelektroden usw., im Virtual-Reality-Raum modellieren.
Es werden Schweißstückmodelle 1210 bereitgestellt, die verschiedene WCs 180 im Virtual-Reality-Raum modellieren, einschließlich beispielsweise flache Plattenschweißstücke, T-Stoß-Verbindungs-Schweißstücke, Stumpfstoßverbindungs-Schweißstücke, Fugennaht-Schweißstücke und Rohrschweißstücke (zum Beispiel Rohr mit 2 Inch Durchmesser und Rohr mit 6 Inch Durchmesser). Ein Ständer/Tisch-Modell 1206 wird bereitgestellt, das die verschiedenen Teile des T/S 170 im Virtual-Reality-Raum modelliert, wie zum Beispiel einen verstellbaren Tisch 171, einen Ständer 172, einen verstellbaren Arm 173 und einen vertikalen Pfosten 174. Ein Physische-Schnittstelle-Modell 1201 wird bereitgestellt, das die verschiedenen Teile der Schweißbenutzerschnittstelle 130, der Konsole 135 und der ODD 150 im Virtual-Reality-Raum modelliert.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Simulation einer Schweißpfütze oder eines Schweißpools im Virtual-Reality-Raum ausgeführt, wobei die simulierte Schweißpfütze in Echtzeit nachgestellte Eigenschaften der Fluidität und Wärmedissipation von schmelzflüssigem Metall hat. Das Herzstück der Schweißpfützensimulation ist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Schweißphysikfunktionalität 1211 (auch als das physikalische Modell bezeichnet), das in den GPUs 115 abläuft. Die Schweißphysikfunktionalität verwendet eine Doppelverschiebungsschichttechnik zum präzisen Modellieren von dynamischer Fluidität/Viskosität, Verfestigung, Wärmegradient (Wärmeabsorption und -dissipation), Pfützenwelle und Raupenform und wird im vorliegenden Text ausführlicher mit Bezug auf die 14A–14C beschrieben.
Die Schweißphysikfunktionalität 1211 kommuniziert mit der Raupendarstellungsfunktionalität 1217, um eine Schweißraupe in allen Zuständen vom erwärmten schmelzflüssigen Zustand bis zum abgekühlten, verfestigten Zustand darzustellen. Die Raupendarstellungsfunktionalität 1217 verwendet Informationen von der Schweißphysikfunktionalität 1211 (zum Beispiel Wärme, Fluidität, Verschiebung, Raupenwulstbeabstandung) zum präzisen und realistischen Rendern einer Schweißraupe im Virtual-Reality-Raum in Echtzeit. Die 3D-Texturfunktionalität 1218 übermittelt Texturmatrizen an die Raupendarstellungsfunktionalität 1217, um zusätzliche Texturen (zum Beispiel Verbrennen, Schlacke, Korn) über die simulierte Schweißraupe zu legen. Zum Beispiel kann Schlacke, die über eine Schweißraupe gerendert wurde, während und kurz nach einem Schweißprozess gezeigt und dann entfernt werden, um die darunter liegende Schweißraupe offenzulegen. Die Rendererfunktionalität 1216 wird verwendet, um verschiedene nicht-pfützenspezifische Eigenschaften unter Verwendung von Informationen aus dem Spezialeffekte-Modul 1222 zu rendern, wie zum Beispiel Funken, Schweißspritzer, Rauch, Lichtbogenglühen, Dämpfe und Gase und bestimmte Diskontinuitäten, wie zum Beispiel Unterschneidung und Porosität.
Das Innenphysik-Anpassungstool 1212 ist ein Abstimmungs(Tweaking)-Werkzeug, das es erlaubt, verschiedene Schweißphysikparameter für die verschiedenen Schweißprozesse zu definieren, zu aktualisieren und zu modifizieren. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung läuft das Innenphysik-Anpassungstool 1212 auf der CPU 111, und die justierten oder aktualisierten Parameter werden zu den GPUs 115 heruntergeladen. Zu den Arten von Parametern, die über das Innenphysik-Anpassungstool 1212 justiert werden können, gehören Parameter im Zusammenhang mit Schweißstücken, Prozessparameter, die das Ändern eines Prozesses erlauben, ohne dass ein Schweißstück zurückgesetzt werden muss (so dass ein zweiter Durchgang ausgeführt werden kann), verschiedene globale Parameter, die geändert werden können, ohne die gesamte Simulation zurückzusetzen, und eine Reihe anderer Parameter.
13 ist ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens 1300 zur Schulung mittels des Virtual-Reality-Schulungsystems 100 von 1. In Schritt 1310 wird eine Schweißwerkzeugattrappe mit Bezug auf ein Schweißstück gemäß einer Schweißtechnik bewegt. In Schritt 1320 werden eine Position und eine Ausrichtung der Schweißwerkzeugattrappe im dreidimensionalen Raum mittels eines Virtual-Reality-Systems nachgeführt. In Schritt 1330 wird ein Display des Virtual-Reality-Schweißsystems betrachtet, das eine Echtzeit-Virtual-Reality-Simulation der Schweißwerkzeugattrappe und des Schweißstücks in einem Virtual-Reality-Raum zeigt, während die simulierte Schweißwerkzeugattrappe ein simuliertes Schweißraupenmaterial auf mindestens eine simulierte Oberfläche des simulierten Schweißstücks abscheidet, indem eine simulierte Schweißpfütze in der Nähe eines simulierten Lichtbogens gebildet wird, der von der simulierten Schweißwerkzeugattrappe ausgesendet wird. In Schritt 1340 werden auf dem Display in Echtzeit nachgestellte Eigenschaften der Fluidität und Wärmedissipation von schmelzflüssigem Metall der simulierten Schweißpfütze betrachtet. In Schritt 1350 wird in Echtzeit mindestens ein Aspekt der Schweißtechnik in Reaktion auf das Betrachten der in Echtzeit nachgestellten Eigenschaften der Fluidität und Wärmedissipation von schmelzflüssigem Metall der simulierten Schweißpfütze modifiziert.
Das Verfahren 1300 veranschaulicht, wie ein Benutzer in der Lage ist, eine Schweißpfütze im Virtual-Reality-Raum zu betrachten und seine Schweißtechnik in Reaktion auf das Betrachten verschiedener Eigenschaften der simulierten Schweißpfütze, wie zum Beispiel der Echtzeit nachgestellten Fluidität (zum Beispiel Viskosität) und Wärmedissipation von schmelzflüssigem Metall, zu modifizieren. Der Benutzer kann auch andere Eigenschaften betrachten und darauf reagieren, wie zum Beispiel die in Echtzeit nachgestellte Pfützenwelle und die Raupenwulstbeabstandung. Das Betrachten der, und das Reagieren auf die, Eigenschaften der Schweißpfütze sind die Tätigkeiten, mit denen die meisten Schweißoperationen tatsächlich in der Realität ausgeführt werden. Die auf den GPUs 115 ablaufende Doppelverschiebungsschichtmodellierung der Schweißphysikfunktionalität 1211 erlaubt es, diese in Echtzeit nachgestellten Eigenschaften der Fluidität und Wärmedissipation von schmelzflüssigem Metall präzise zu modellieren und für den Benutzer darzustellen. Zum Beispiel bestimmt die Wärmedissipation die Verfestigungszeit (d. h. wie lange es dauert, bis ein Wexel vollständig verfestigt ist).
Des Weiteren kann ein Benutzer einen zweiten Durchgang über dem Schweißraupenmaterial mit derselben oder einer anderen (zum Beispiel einer zweiten) Schweißwerkzeugattrappe und/oder demselben oder einem anderen Schweißprozess ausführen. In einem solchen zweiten Durchgangsszenario zeigt die Simulation die simulierte Schweißwerkzeugattrappe, das Schweißstück und das originale simulierte Schweißraupenmaterial im Virtual-Reality-Raum, während die simulierte Schweißwerkzeugattrappe ein zweites simuliertes Schweißraupenmaterial abscheidet, das mit dem ersten simulierten Schweißraupenmaterial verschmilzt, indem eine zweite simulierte Schweißpfütze in der Nähe eines simulierten Lichtbogens gebildet wird, der von der simulierten Schweißwerkzeugattrappe ausgesendet wird. Zusätzliche anschließende Durchgänge mittels derselben oder anderer Schweißwerkzeuge oder -prozesse können in einer ähnlichen Weise vorgenommen werden. In einem zweiten oder anschließenden Durchgang wird – gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung – das frühere Schweißraupenmaterial mit dem neuen abgeschiedenen Schweißraupenmaterial verschmolzen, während eine neue Schweißpfütze im Virtual-Reality-Raum aus der Kombination aus dem früheren Schweißraupenmaterial, dem neuen Schweißraupenmaterial und eventuell dem darunterliegenden Schweißstückmaterial gebildet wird. Solche anschließenden Durchgänge können zum Beispiel erforderlich sein, um eine große Kehl- oder Fugennaht zu ziehen, die zum Reparieren einer Schweißraupe verwendet wird, die durch einen früheren Durchgang gebildet wurde, oder können eine Warmlage und eine oder mehrere Füll- und Kapplagen nach einer Wurzellage enthalten, wie es beim Rohrschweißen praktiziert wird. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können Schweißraupe und Grundwerkstoff Weichstahl, Edelstahl, Aluminium, Nickel-basierte Legierungen oder andere Materialien enthalten.
14A–14B veranschaulichen das Konzept einer Schweißelement(Welding Element, Wexel)-Verschiebungsmatrix 1420 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 14A zeigt eine Seitenansicht eines flachen Schweißstücks (Welding Coupon, WC) 1400, das eine flache Oberseite 1410 aufweist. Das Schweißstück 1400 existiert in der Realität zum Beispiel als ein Kunststoffteil und existiert im Virtual-Reality-Raum auch als ein simuliertes Schweißstück. 14B zeigt eine Darstellung der Oberseite 1410 des simulierten WC 1400, die in ein Gitternetz oder Array von Schweißelementen (d. h. Wexels) aufgeschlüsselt ist, das eine Wexel-Matrix 1420 bildet. Jedes Wexel (zum Beispiel Wexel 1421) definiert einen kleinen Abschnitt der Oberfläche 1410 des Schweißstücks. Die Wexel-Matrix definiert die Oberflächenauflösung. Jedem Wexel werden änderbare Kanalparameterwerte zugewiesen, wodurch sich die Werte jedes Wexels dynamisch in Echtzeit im Virtual-Reality-Schweißraum während eines simulierten Schweißprozesses ändern können. Die änderbaren Kanalparameterwerte entsprechen den Kanälen Pfütze (Verschiebung von Fluidität/Viskosität von schmelzflüssigem Metall), Wärme (Wärmeabsorption/-dissipation), Verschiebung (feste Verschiebung) und Extra (verschiedene Extra-Zustände zum Beispiel Schlacke, Korn, Verbrennen, unbearbeitetes Metall). Diese änderbaren Kanäle werden im vorliegenden Text als PHED für Puddle (Pfütze), Heat (Wärme), Extra bzw. Displacement (Verschiebung) bezeichnet.
15 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform eines Schweißstückraums und eines Schweißraums des flachen Schweißstücks (WC) 1400 von 14, das in dem System 100 von 1 simuliert wird. Punkte O, X, Y und Z definieren den lokalen 3D-Schweißstückraum. Im Allgemeinen definiert jeder Schweißstücktyp die Abbildung vom 3D-Schweißstückraum auf den 2D-Virtual-Reality-Schweißraum. Die Wexel-Matrix 1420 von 14 ist ein zweidimensionales Array von Werten, die auf den Schweißraum in der virtuellen Realität abgebildet werden. Ein Benutzer soll von Punkt B zu Punkt E schweißen, wie in 15 gezeigt. Eine Trajektorie-Linie von Punkt B zu Punkt E ist sowohl im 3D-Schweißstückraum als auch im 2D-Schweißraum in 15 gezeigt.
Jeder Schweißstücktyp definiert die Verschiebungsrichtung für jede Stelle in der Wexel-Matrix. Für das flache Schweißstück von 15 ist die Verschiebungsrichtung an allen Stellen in der Wexel-Matrix die gleiche (d. h. in der Z-Richtung). Die Texturkoordinaten der Wexel-Matrix sind als S, T (mitunter als U, V bezeichnet) sowohl im 3D-Schweißstückraum als auch im 2D-Schweißraum gezeigt, um die Abbildung zu verdeutlichen. Die Wexel-Matrix ist auf die rechteckige Oberfläche 1410 des Schweißstücks 1400 abgebildet und stellt diese dar.
16 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform eines Schweißstückraums und eines Schweißraums eines Eck(T-Stoß)-Schweißstücks (WC) 1600, das in dem System 100 von 1 simuliert wird. Das Eck-WC 1600 hat zwei Flächen 1610 und 1620 im 3D-Schweißstückraum, die auf den 2D-Schweißraum abgebildet werden, wie in 16 gezeigt. Auch hier definieren Punkte O, X, Y und Z den lokalen 3D-Schweißstückraum. Die Texturkoordinaten der Wexel-Matrix sind im 3D-Schweißstückraum und im 2D-Schweißraum als S, T gezeigt, um die Abbildung zu verdeutlichen. Ein Benutzer soll von Punkt B zu Punkt E schweißen, wie in 16 gezeigt. Eine Trajektorie-Linie von Punkt B zu Punkt E ist sowohl im 3D-Schweißstückraum als auch im 2D-Schweißraum in 16 gezeigt. Jedoch erfolgt die Verschiebungsrichtung in Richtung der Linie X'-O', wie im 3D-Schweißstückraum gezeigt, in Richtung der gegenüberliegenden Ecke, wie in 16 gezeigt.
17 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform eines Schweißstückraums und eines Schweißraums eines Rohrschweißstücks (WC) 1700, das in dem System 100 von 1 simuliert wird. Das Rohr-WC 1700 hat im 3D-Schweißstückraum eine gekrümmte Oberfläche 1710, die auf den 2D-Schweißraum abgebildet wird, wie in 17 gezeigt. Auch hier definieren Punkte O, X, Y und Z den lokalen 3D-Schweißstückraum. Die Texturkoordinaten der Wexel-Matrix sind im 3D-Schweißstückraum und im 2D-Schweißraum als S, T gezeigt, um die Abbildung zu verdeutlichen. Ein Benutzer soll von Punkt B zu Punkt E entlang einer gekrümmten Trajektorie schweißen, wie in 17 gezeigt. Eine Trajektorie-Kurve und -Linie von Punkt B zu Punkt E ist im 3D-Schweißstückraum bzw. im 2D-Schweißraum in 17 gezeigt. Die Verschiebungsrichtung weist von der Linie Y-0 fort (d. h. von der Mitte des Rohres fort). 18 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform des Rohrschweißstücks (WC) 1700 von 17. Das Rohr-WC 1700 besteht aus einem nichtferritischen, nicht-leitfähigen Kunststoff und simuliert zwei Rohrstücke 1701 und 1702, die zusammentreffen, um einen Wurzelstoß 1703 zu bilden. Ein Befestigungsstück 1704 zum Anbringen an dem Arm 173 des T/S 170 ist ebenfalls gezeigt.
In einer ähnlichen Weise, in der eine Texturmatrix auf eine rechteckige Oberfläche einer Geometrie abgebildet werden kann, kann eine schweißfähige Wexel-Matrix auf eine rechteckige Oberfläche eines Schweißstücks abgebildet werden. Jedes Element der schweißfähigen Matrix wird im gleichen Sinn als ein Wexel bezeichnet, in dem jedes Element eines Bildes als ein Pixel (ein Kurzwort für Picture Element = Bildelement) bezeichnet wird. Ein Pixel enthält Kanäle von Informationen, die eine Farbe definieren (zum Beispiel rot, grün, blau usw.). Ein Wexel enthält Kanäle von Informationen (zum Beispiel P, N, E, D), die eine schweißfähige Oberfläche im Virtual-Reality-Raum definieren.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Format eines Wexels als Kanäle PHED (Puddle, Heat, Extra, Displacement = Pfütze, Wärme, Extra, Verschiebung) zusammengefasst, die vier Gleitkommazahlen enthalten. Der Extra-Kanal wird als ein Satz Bits behandelt, die logische Informationen über die Wexel speichern, wie zum Beispiel, ob es Schlacke an der Wexel-Stelle gibt oder nicht. Der Pfützen-Kanal speichert einen Verschiebungswert für verflüssigtes Metall an der Wexel-Stelle. Der Verschiebungs-Kanal speichert einen Verschiebungswert für das verfestigte Metall an der Wexel-Stelle. Der Wärme-Kanal speichert einen Wert, der die Größenordnung der Wärme an der Wexel-Stelle angibt. Auf diese Weise kann der schweißfähige Teil des Schweißstücks eine Verschiebung aufgrund einer Schweißraupe, eine schimmernde Oberflächen-„Pfütze” aufgrund von flüssigem Metall, eine Farbe aufgrund von Wärme usw. zeigen. Alle diese Effekte werden durch die Vertex- und Pixel-Shader erreicht, die auf die schweißfähige Oberfläche angewendet werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden eine Verschiebungsmatrix und ein Partikelsystem verwendet, wo die Partikel miteinander interagieren und mit der Verschiebungsmatrix kollidieren können. Die Partikel sind virtuelle dynamische Fluidpartikel und stellen das flüssige Verhalten der Schweißpfütze dar, werden aber nicht direkt gerendert (d. h. sie sind nicht direkt sichtbar). Stattdessen sieht man nur die Partikeleffekte auf die Verschiebungsmatrix. Eine Wärmezufuhr zu einem Wexel beeinflusst die Bewegung von in der Nähe befindlichen Partikeln. Es gibt zwei Arten der Verschiebung bei der Simulation einer Schweißpfütze, und zwar „Puddle” (Pfütze) und „Displacement” (Verschiebung). „Puddle” ist „zeitweilig” und dauert nur so lange, wie Partikel und Wärme vorhanden sind. „Displacement” ist „permanent”. Eine Puddle-Verschiebung ist das flüssige Metall der Schweißnaht, das sich rasch verändert (zum Beispiel schimmert), und man kann sie sich als „auf” der Verschiebung liegend vorstellen. Die Partikel liegen über einem Abschnitt einer Verschiebungsmatrix einer virtuellen Oberfläche (d. h. einer Wexel-Matrix). Das „Displacement” stellt das permanente feste Metall dar, einschließlich des anfänglichen Grundwerkstoffs und der Schweißraupe, die sich verfestigt hat.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung funktioniert der simulierte Schweißprozess im Virtual-Reality-Raum folgendermaßen: Partikel strömen vom Emitter (Emitter der simulierten MWT 160) in einem dünnen Konus. Die Partikel stellen zuerst einen Kontakt mit der Oberfläche des simulierten Schweißstücks her, wo die Oberfläche durch eine Wexel-Matrix definiert wird. Die Partikel interagieren miteinander und mit der Wexel-Matrix und bauen sich in Echtzeit auf. Es wird umso mehr Wärme hinzugefügt, je näher sich ein Wexel beim Emitter befindet. Wärme wird in Abhängigkeit von der Distanz vom Lichtbogenpunkt und der Zeitdauer modelliert, wie lange Wärme von dem Lichtbogen einwirkt. Einige visuelle Elemente (zum Beispiel Farbe usw.) werden durch die Wärme bedingt. Eine Schweißpfütze wird im Virtual-Reality-Raum für Wexels gezeichnet oder gerendert, die genug Wärme haben. Wo immer es heiß genug ist, verflüssigt sich die Wexel-Matrix, wodurch die Puddle-Verschiebung für jene Wexel-Stellen „zunimmt”. Die Puddle-Verschiebung wird durch Abtastung der „höchsten” Partikel an jeder Wexel-Stelle bestimmt. Während sich der Emitter weiter entlang der Schweißtrajektorie bewegt, kühlen sich die dahinter liegenden Wexel-Stellen ab. Wärme wird von einer Wexel-Stelle mit einer bestimmten Rate abgezogen. Wenn eine Kühlungsschwelle erreicht ist, verfestigt sich die Wexel-Matrix. Darum wird die Puddle-Verschiebung allmählich zu einem „Displacement” (d. h. einer verfestigten Raupe) umgewandelt. Das hinzugefügte „Displacement” entspricht dem fortgenommenen „Puddle”, so dass sich die Gesamthöhe nicht verändert. Die Lebensdauer von Partikeln wird so abgestimmt („tweaked”) oder justiert, dass sie fortdauert, bis die Verfestigung vollständig ist. Zu konkreten Partikeleigenschaften, die in dem System 100 modelliert werden, gehören Anziehen/Abstoßen, Geschwindigkeit (in Bezug auf Wärme), Dämpfung (in Bezug auf Wärmedissipation) und Richtung (in Bezug auf Schwerkraft).
19A–19C veranschaulichen eine beispielhafte Ausführungsform des Konzepts eines Doppelverschiebungs(Verschiebung und Partikel)-Pfützenmodells des Systems 100 von 1. Es werden Schweißstücke im Virtual-Reality-Raum simuliert, die mindestens eine Fläche haben. Die Flächen der Schweißstücke werden im Virtual-Reality-Raum als eine Doppelverschiebungsschicht simuliert, die eine feste Verschiebungsschicht und eine Pfützenverschiebungsschicht enthält. Die Puddle-Verschiebungsschicht kann die feste Verschiebungsschicht modifizieren.
Im Sinne des vorliegenden Textes wird eine „Pfütze” durch einen Bereich der Wexel-Matrix definiert, wo der Puddle-Wert durch das Vorhandensein von Partikeln erhöht wurde. Der Abtastprozess ist in den 19A–19C dargestellt. Es ist eine Sektion einer Wexel-Matrix gezeigt, die sieben benachbarte Wexel hat. Die momentanen Displacement-Werte sind durch nicht-abgedunkelte rechteckige Balken 1910 mit einer bestimmten Höhe (d. h. einer bestimmten Verschiebung für jedes Wexel) dargestellt. In 19A sind die Partikel 1920 als runde, nicht-abgedunkelte Punkte gezeigt, die mit den momentanen Displacement-Ebenen kollidieren, und werden übereinander gestapelt. In 19B werden die „höchsten” Partikelhöhen 1930 an jeder Wexel-Stelle abgetastet. In 19C zeigen die abgedunkelten Rechtecke 1940, wie viel „Puddle” infolge der Partikel auf das „Displacement” hinzugefügt wurde. Die Schweißpfützenhöhe wird nicht sofort auf die abgetasteten Werte eingestellt, da „Puddle” mit einer bestimmten Verflüssigungsrate auf der Basis der Wärme („Heat”) hinzugefügt wird. Obgleich in den 19A–19C nicht gezeigt, ist es möglich, den Verfestigungsprozess zu visualisieren, da das „Puddle” (abgedunkelte Rechtecke) allmählich schrumpft und das „Displacement” (nicht-abgedunkelte Rechtecke) allmählich von unten her zunimmt, bis es exakt den Platz des „Puddle” eingenommen hat. Auf diese Weise werden die Fluiditätseigenschaften von schmelzflüssigem Metall in Echtzeit präzise simuliert. Während ein Benutzer einen bestimmten Schweißprozess übt, ist der Benutzer in der Lage, die Fluiditätseigenschaften von schmelzflüssigem Metall und die Wärmedissipationseigenschaften der Schweißpfütze in Echtzeit im Virtual-Reality-Raum zu beobachten und diese Informationen dafür zu verwenden, seine Schweißtechnik zu korrigieren oder beizubehalten.
Die Anzahl von Wexeln, die die Oberfläche eines Schweißstücks darstellen, ist unveränderlich. Des Weiteren sind die Pfützenpartikel, die durch die Simulation erzeugt werden, um Fluidität zu modellieren, zeitweilig, wie im vorliegenden Text beschrieben. Sobald also eine anfängliche Pfütze im Virtual-Reality-Raum während eines simulierten Schweißprozesses mittels des Systems 100 erzeugt wurde, bleibt die Anzahl von Wexeln plus der Pfützenpartikel im Allgemeinen relativ konstant. Das liegt daran, dass die Anzahl von Wexeln, die verarbeitet werden, unveränderlich ist und die Anzahl von Pfützenpartikel, die während des Schweißensprozesses existieren und verarbeitet werden, im Allgemeinen relativ konstant bleibt, weil Pfützenpartikel mit einer ähnlichen Rate erzeugt und „vernichtet” werden (d. h. die Pfützenpartikel sind zeitweilig). Darum bleibt der Verarbeitungsaufwand der PPS 110 während einer simulierten Schweißsitzung relativ konstant.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können Pfützenpartikel in oder unter der Oberfläche des Schweißstücks erzeugt werden. In einer solchen Ausführungsform kann die Verschiebung so modelliert werden, dass sie mit Bezug auf die ursprüngliche Oberflächenverschiebung eines unbearbeiteten (d. h. ungeschweißten) Schweißstücks positiv oder negativ ist. Auf diese Weise ist es nicht nur möglich, dass Pfützenpartikel sich auf der Oberfläche eines Schweißstücks aufbauen, sondern auch in das Schweißstück eindringen. Jedoch ist die Anzahl von Wexeln nach wie vor unveränderlich, und die Pfützenpartikel, die erzeugt und vernichtet werden, sind weiterhin relativ konstant.
Gemäß alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann anstelle des Modellierens von Partikeln eine Wexel-Verschiebungsmatrix bereitgestellt werden, die mehr Kanäle besitzt, um die Fluidität der Pfütze zu modellieren. Oder anstelle des Modellierens von Partikeln kann eine dichte Voxel-Matrix modelliert werden. Oder anstelle einer Wexel-Matrix brauchen nur Partikel modelliert zu werden, die abgetastet werden und nie verschwinden. Bei solchen alternativen Ausführungsformen ist es aber möglich, dass das System keinen relativ konstanten Verarbeitungsaufwand hat.
Des Weiteren wird gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Durchblasen oder ein Schlüsselloch simuliert, indem Material fortgenommen wird. Wenn zum Beispiel ein Benutzer in der Realität einen Lichtbogen zu lange an derselben Stelle hält, so würde das Material wegbrennen, und ein Loch würde entstehen. Ein solches reales Durchbrennen wird in dem System 100 durch Wexeldezimierungstechniken simuliert. Wenn durch das System 100 festgestellt wird, dass die durch ein Wexel absorbierte Wärmemenge zu hoch ist, so kann das Wexel als weggebrannt markiert oder bezeichnet und als solches gerendert (zum Beispiel als ein Loch gerendert) werden. Anschließend kann es jedoch bei bestimmten Schweißprozessen (zum Beispiel beim Rohrschweißen) zu einer Wexel-Neubildung kommen, wo Material wieder hinzugefügt wird, nachdem es zunächst weggebrannt worden war. Im Allgemeinen simuliert das System 100 eine Wexeldezimierung (eine Materialfortnahme) und eine Wexel-Neubildung (d. h. ein erneutes Hinzufügen von Material). Des Weiteren wird das Wegnehmen von Material beim Wurzellagenschweißen korrekt in dem System 100 simuliert.
Des Weiteren wird das Wegnehmen von Material beim Wurzellagenschweißen korrekt in dem System 100 simuliert. Zum Beispiel kann in der Realität vor der Durchführung anschließender Schweißdurchgänge ein Schleifen der Wurzellage ausgeführt werden. Gleichermaßen kann das System 100 einen Schleifdurchgang simulieren, der Material von der virtuellen Schweißfuge entfernt. Es versteht sich, dass das entfernte Material als eine negative Verschiebung in der Wexel-Matrix modelliert werden kann. Das heißt, dass der Schleifdurchgang Material entfernt, das durch das System 100 modelliert wird, was eine veränderte Raupenkontur zur Folge hat. Die Simulation des Schleifdurchgangs kann automatisch erfolgen, das heißt, dass das System 100 eine zuvor festgelegte Dicke an Material entfernt, die der Oberfläche der Wurzellagenschweißraupe entspricht.
In einer alternativen Ausführungsform kann ein echtes Schleifwerkzeug oder Schleifgerät simuliert werden, das durch Aktivierung der Schweißwerkzeugattrappe 160 oder einer anderen Eingabevorrichtung ein- und ausgeschaltet wird. Ist es anzumerken, dass das Schleifwerkzeug so simuliert werden kann, dass es einem echten Schleifgerät ähnelt. In dieser Ausführungsform manövriert der Benutzer das Schleifwerkzeug entlang der Wurzellage, um Material durch seine Bewegung zu entfernen. Es versteht sich, dass es dem Benutzer erlaubt sein kann, zu viel Material zu entfernen. In einer Weise ähnlich der oben beschriebenen können Löcher oder andere Defekte (oben beschrieben) entstehen, wenn der Benutzer zu viel Material abschleift. Es können trotzdem noch feste Grenzen oder Endanschläge implementiert, d. h. programmiert, werden, um zu verhindern, dass der Benutzer zu viel Material abträgt, oder um anzuzeigen, wenn zu viel Material abgetragen wird.
Zusätzlich zu den im vorliegenden Text beschriebenen nicht-sichtbaren „Pfütze”-Partikeln verwendet das System 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung noch drei andere Arten von sichtbaren Partikeln, um Arc(Lichtbogen)-, Flame(Flammen)- und Spark(Funken)-Effekte darzustellen. Diese Arten von Partikeln interagieren nicht mit anderen Partikeln irgendeiner Art, sondern interagieren nur mit der Verschiebungsmatrix. Zwar kollidieren diese Partikel mit der simulierten Schweißoberfläche, doch sie interagieren nicht miteinander. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung interagieren nur „Puddel”-Partikel miteinander. Die Physik der „Spark”-Partikel wird so eingestellt, dass die „Spark”-Partikel umherspringen und als glühende Punkte im Virtual-Reality-Raum gerendert werden.
Die Physik der „Arc”-Partikel wird so eingestellt, dass die „Arc”-Partikel auf die Oberfläche des simulierten Schweißstücks oder der Schweißraupe treffen und eine Weile bleiben. Die „Arc”-Partikel werden als größere, gedämpfte, bläulich-weißen Punkte im Virtual-Reality-Raum gerendert. Man braucht viele solcher Punkte, die übereinander gelegt werden, um irgendeine Art von visuellem Bild zu bilden. Das Endresultat ist ein weiß-glühender Schein mit blauen Rändern.
Die Physik der „Flame”-Partikel wird so modelliert, dass sie langsam aufsteigen. Die „Flame”-Partikel werden als mittelgroße, gedämpfte, rötlich-gelbe Punkte gerendert. Man braucht viele solcher Punkte, die übereinander gelegt werden, um irgendeine Art von visuellem Bild zu bilden. Das Endresultat sind Flecken orange-roter Flammen mit roten Rändern, die aufsteigen und verblassen. Gemäß anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können noch andere Arten von Nicht-Pfützenpartikeln in dem System 100 implementiert werden. Zum Beispiel können Rauchpartikel in einer ähnlichen Weise wie die Flammenpartikel modelliert und simuliert werden.
Die abschließenden Schritte in der simulierten Visualisierung werden durch die Vertex- und Pixel-Shader abgewickelt, die durch die Shader 117 der GPUs 115 bereitgestellt werden. Die Vertex- und Pixel-Shader wenden „Puddle” und „Displacement” an, wie auch Oberflächenfarben und -reflexionsvermögen, die sich aufgrund von Wärme ändern, usw. Der Extra(E)-Kanal des PHED-Wexel-Formats, wie zuvor im vorliegenden Text besprochen, enthält alle zusätzlichen Informationen, die für jedes Wexel verwendet. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten die zusätzlichen Informationen ein Nicht-Unbearbeitet-Bit (wahr = Raupe, falsch = unbearbeiteter Stahl), ein Schlacke-Bit, einen Unterschneidungswert (Betrag an Unterschneidung an diesem Wexel, wobei Null gleich keine Unterschneidung ist), einen Porositätswert (Betrag an Porosität an diesem Wexel, wobei Null gleich keine Porosität ist), und einen Raupenwellenwert, der den Zeitpunkt codiert, an dem sich die Raupe verfestigt. Es gibt einen Satz Bildmatrizes, die mit verschiedenen Schweißstück-Bilddarstellungen verknüpft sind, einschließlich unbearbeiteter Stahl, Schlacke, Raupe und Porosität. Diese Bildmatrizes werden sowohl für das Bump-Mapping als auch für das Textur-Mapping verwendet. Der Betrag an Vermischung dieser Bildmatrizes wird durch die verschiedenen im vorliegenden Text beschriebenen Flags und Werte gesteuert.
Ein Raupenwelleneffekt wird mittels einer 1D-Bildmatrix und eines Raupenwellenwertes je Wexel erreicht, der den Zeitpunkt codiert, an dem ein bestimmtes Bit der Raupe verfestigt ist. Sobald eine heiße Pfützenwexelstelle nicht mehr heiß genug ist, um als „Pfütze” bezeichnet zu werden, wird ein Zeitpunkt an dieser Stelle gespeichert und als „Raupenwelle” bezeichnet. Das Endresultat ist, dass der Shader-Code die 1D-Texturmatrix dafür verwenden kann, die „Wellungen” zu zeichnen, die einer Raupe ihr einzigartiges Aussehen verleihen, das die Richtung wiedergibt, in der die Raupe gezogen wurde. Gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das System 100 im Virtual-Reality-Raum eine Schweißraupe simulieren und anzeigen, die eine Echtzeit-Schweißraupenwelleneigenschaft besitzt, die aus einem Echtzeit-Übergang von Fluidität zu Verfestigung der simulierten Schweißpfütze resultiert, während die simulierte Schweißpfütze entlang einer Schweißtrajektorie bewegt wird.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das System 100 einen Benutzer lehren, wie er Probleme an einem Schweißgerät löst. Zum Beispiel kann ein Fehlerbeseitigungsmodus des Systems einen Benutzer darauf schulen, sich zu vergewissern, dass das System korrekt eingerichtet ist (zum Beispiel korrekte Gasströmungsrate, richtiges Stromkabel angeschlossen, usw.). Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das System 100 eine Schweißsitzung (oder wenigstens einen Teil einer Schweißsitzung, zum Beispiel N Vollbilder) aufzeichnen und wiedergeben. Ein Trackball kann bereitgestellt werden, um durch Videovollbilder zuscrollen, so dass ein Benutzer oder ein Ausbilder die Möglichkeit hat, eine Schweißsitzung zu besprechen. Die Wiedergabe kann auch mit auswählbaren Geschwindigkeiten erfolgen (zum Beispiel volle Geschwindigkeit, halbe Geschwindigkeit, viertel Geschwindigkeit). Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Wiedergabe mit geteiltem Bildschirm bereitgestellt werden, wodurch zum Beispiel zwei Schweißsitzungen nebeneinander auf der ODD 150 betrachtet werden können. Zum Beispiel kann eine „gute” Schweißsitzung neben einer „schlechten” Schweißsitzung für Vergleichszwecke betrachtet werden.
Zusammenfassend ausgedrückt, wird ein in Echtzeit arbeitendes Virtual-Reality-Schweißsystem offenbart, das Folgendes enthält: ein programmierbares Prozessor-gestütztes Teilsystem, eine räumliche Nachführvorrichtung, die mit dem programmierbaren Prozessor-gestützten Teilsystem wirkverbunden ist, mindestens eine Schweißwerkzeugattrappe, die durch die räumliche Nachführvorrichtung räumlich nachgeführt werden kann, und mindestens eine Displayvorrichtung, die mit dem programmierbaren Prozessor-gestützten Teilsystem wirkverbunden ist. Das System kann im Virtual-Reality-Raum eine Schweißpfütze simulieren, die in Echtzeit nachgestellte Eigenschaften der Fluidität und Wärmedissipation von schmelzflüssigem Metall besitzt. Das System ist des Weiteren in der Lage, die simulierte Schweißpfütze auf der Displayvorrichtung in Echtzeit anzuzeigen.
Obgleich die Erfindung anhand konkreter Ausführungsformen beschrieben wurde, ist dem Fachmann klar, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Äquivalente substituiert werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Darüber hinaus können viele Modifizierungen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von ihrem Schutzumfang abzuweichen. Darum ist es beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die konkret offenbarten Ausführungsformen zu beschränken ist, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen beinhaltet, die in den Schutzumfang der beiliegenden Ansprüche fallen.
Bezugszeichenliste

100: System
110: Prozessor-gestütztes Teilsystem
111: zentrale Verarbeitungseinheit
115: grafische Verarbeitungseinheiten
116: Compute Unified Device Architecture
117: Shader
118: Videoausgang
119: Videoausgang
120: räumliche Nachführvorrichtung
121: Magnetquelle
122: Sensor
123: Disk
124: Stromquelle
125: Kabel
126: Prozessornachführeinheit
130: Schweißbenutzerschnittstelle
131: Knopf
132: Joystick
133: Drehknauf
134: Drehknauf
135: Schweißkonsole
136: Drehknauf
137: Drehknauf
140: vor dem Gesicht getragene Displayvorrichtung
1206: Ständer/Tisch-Modell
150: Beobachter-Displayvorrichtung
151: Schweißparameter
152: Schweißdiskontinuitätszustände
153: Anzeigen von Benutzerauswahlen
160: Schweißwerkzeugattrappe
161: Halter
162: simulierte Stabelektrode
163: ohmsche Wurzellagenspitze
170: Tisch/Ständer
171: verstellbarer Tisch
172: Ständer oder Basis
173: verstellbarer Arm
174: vertikaler Pfosten
175: Schweißstück
176: Wurzel
177: Verbindungsabschnitt
180: Schweißstück
900: Schweißhelm
910: Miniohrhörer
1201: physische Schnittstelle
1202: Brenner- und Klemmenmodelle
1203: Umgebungsmodelle
1204: Geräuschinhaltsfunktionalität
1205: Schweißgeräusche
1600: Schweißstücke
1207: Innenarchitekturfunktionalität
1208: Kalibrierungsfunktionalität
1210: Schweißstückmodelle
1211: Schweißphysik
1212: Innenphysik-Anpassungstool
1213: Grafische-Benutzerschnittstellen-Funktionalität
1214: Grafikdarstellungsfunktionalität
1215: Lehrgangsteilnehmer-Berichtsfunktionalität
1216: Renderer
1217: Raupendarstellung
1218: 3D-Texturen
1219: Visuelle-Hinweis-Funktionalität
1220: Bewertungs- und Toleranzfunktionalität
1221: Toleranzeditor
1222: Spezialeffekte
1300: Verfahren
1310: Schritt
1320: Schritt
1330: Schritt
1340: Schritt
1350: Schritt
1400: flaches Schweißstück
1410: flache Oberseite
1420: Verschiebungsmatrix
1421: Wexel
1610: Oberfläche
1620: Oberfläche
1700: Rohrschweißstück
1701: Rohrstück
1702: Rohrstück
1703: Wurzelstoß
1704: Befestigungsstück
1710: gekrümmte Oberfläche
1910: nicht-abgedunkelte rechteckige Balken
1920: Partikel
1930: Partikelhöhen
1940: abgedunkelte Rechtecke
6010: Auswählen von Gastyp/Strömungsrate
7018: Auswählen des Stabelektrodentyps

Claims

Virtual-Reality-Schweißsystem (100), das Folgendes umfasst: ein programmierbares Prozessor-gestütztes Teilsystem (110); eine räumliche Nachführvorrichtung (120), die mit dem programmierbaren Prozessor-gestützten Teilsystem (110) wirkverbunden ist; mindestens eine Schweißwerkzeugattrappe (160), das durch die räumliche Nachführvorrichtung (120) räumlich nachgeführt werden kann; und mindestens eine Displayvorrichtung, die mit dem programmierbaren Prozessor-gestützten Teilsystem (110) wirkverbunden ist, wobei das System (100) in der Lage ist, in einem Virtual-Reality-Raum eine Schweißpfütze zu simulieren, die in Echtzeit Eigenschaften der Fluidität und Wärmedissipation von schmelzflüssigem Metall nachstellt, und die simulierte Schweißpfütze auf der mindestens einen Displayvorrichtung (150) in Echtzeit anzuzeigen.
System nach Anspruch 1, wobei die in Echtzeit nachgestellten Eigenschaften der Fluidität und Wärmedissipation von schmelzflüssigem Metall der simulierten Schweißpfütze eine visuelle Echtzeit-Rückmeldung an einen Benutzer der Schweißwerkzeugattrappe (160) übermitteln, wenn sie auf der mindestens einen Displayvorrichtung angezeigt werden, wodurch der Benutzer eine Schweißtechnik in Echtzeit in Reaktion auf die visuelle Echtzeit-Rückmeldung korrigieren oder beibehalten kann.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mindestens eine Displayvorrichtung mindestens eine vor dem Gesicht getragene Displayvorrichtung (140) enthält, die durch die räumliche Nachführvorrichtung (160) räumlich nachgeführt werden kann.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das programmierbare Prozessor-basierte Teilsystem (110) mindestens eine grafische Verarbeitungseinheit (Graphics Processing Unit, GPU) (115) enthält.
System nach Anspruch 4, wobei die in Echtzeit nachgestellten Eigenschaften der Fluidität und Wärmedissipation von schmelzflüssigem Metall der simulierten Schweißpfütze mittels eines physikalischen Modells (1211) erzeugt werden, das in der mindestens einen GPU (115) abläuft.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die simulierte Schweißpfütze in dem Virtual-Reality-Raum mehrere zeitweilige virtuelle dynamische Fluidpartikel umfasst, die über einem Abschnitt einer virtuellen Oberflächenverschiebungsmatrix (1420) liegen.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das programmierbare Prozessor-basierte Teilsystem (110) die Implementierung paralleler Datenalgorithmen unterstützt.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, das des Weiteren eine Schweißbenutzerschnittstelle (130) umfasst, die eine reale Schweißstromquellen-Benutzerschnittstelle simuliert.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das System (100) in dem Virtual-Reality-Raum eine Schweißraupe simulieren kann, die eine Echtzeit-Schweißraupenwelleneigenschaft besitzt, die aus einem Echtzeit-Übergang von Fluidität zu Verfestigung der simulierten Schweißpfütze resultiert, während die simulierte Schweißpfütze bewegt wird, und die simulierte Schweißraupe auf der mindestens einen Displayvorrichtung anzeigen kann.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, das des Weiteren ein Schweißstück (1600) umfasst, das mindestens eine Oberfläche aufweist und ein reales zu schweißendes Teil simuliert, wobei die mindestens eine Oberfläche des Schweißstücks (1600) in dem Virtual-Reality-Raum als eine Doppelverschiebungsschicht simuliert wird, die eine feste Verschiebungsschicht und eine Pfützenverschiebungsschicht enthält, wobei die Pfützenverschiebungsschicht in der Lage ist, die feste Verschiebungsschicht zu modifizieren.
Virtual-Reality-Schweißsystem (100), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 10, ausgestaltet zum: Bewegen einer ersten Schweißwerkzeugattrappe (160) mit Bezug auf ein Schweißstück (1400, 1600) gemäß einer ersten Schweißtechnik; Nachführen der ersten Schweißwerkzeugattrappe (160) im dreidimensionalen Raum mittels des Virtual-Reality-Schweißsystems (100); Betrachten eines Displays des Virtual-Reality-Schweißsystems (100), das eine Echtzeit-Virtual-Reality-Simulation der ersten Schweißwerkzeugattrappe (160) und des Schweißstücks (1400, 1600) in einem Virtual-Reality-Raum zeigt, während die simulierte erste Schweißwerkzeugattrappe (160) ein erstes simuliertes Schweißraupenmaterial auf mindestens eine simulierte Oberfläche des simulierten Schweißstücks (1400, 1600) abscheidet, indem eine simulierte Schweißpfütze in der Nähe eines simulierten Lichtbogens gebildet wird, der von der simulierten ersten Schweißwerkzeugattrappe (160) ausgesendet wird; Betrachten, auf dem Display, erster in Echtzeit nachgestellter Eigenschaften der Fluidität und Wärmedissipation von schmelzflüssigem Metall der ersten simulierten Schweißpfütze; und Modifizieren, in Echtzeit, mindestens eines Aspekts der ersten Schweißtechnik in Reaktion auf das Betrachten der ersten in Echtzeit nachgestellten Eigenschaften der Fluidität und Wärmedissipation von schmelzflüssigem Metall der ersten simulierten Schweißpfütze.
System nach Anspruch 11, des Weiteren ausgestaltet zum: Bewegen einer zweiten Schweißwerkzeugattrappe mit Bezug auf das Schweißstück gemäß einer zweiten Schweißtechnik; Nachführen der zweiten Schweißwerkzeugattrappe im dreidimensionalen Raum mittels des Virtual-Reality-Schweißsystems; Betrachten des Displays des Virtual-Reality-Schulungsystems, das die Echtzeit-Virtual-Reality-Simulation der zweiten Schweißwerkzeugattrappe, des Schweißstücks und des ersten simulierten Schweißraupenmaterial in dem Virtual-Reality-Raum zeigt, während die simulierte zweite Schweißwerkzeugattrappe ein zweites simuliertes Schweißraupenmaterial abscheidet, das mit dem ersten simulierten Schweißraupenmaterial verschmilzt, indem eine zweite simulierte Schweißpfütze in der Nähe eines simulierten Lichtbogens gebildet wird, der von der simulierten zweiten Schweißwerkzeugattrappe ausgesendet wird; Betrachten, auf dem Display, zweiter in Echtzeit nachgestellter Eigenschaften der Fluidität und Wärmedissipation von schmelzflüssigem Metall der zweiten simulierten Schweißpfütze; und Modifizieren, in Echtzeit, mindestens eines Aspekts der zweiten Schweißtechnik in Reaktion auf das Betrachten der zweiten in Echtzeit nachgestellten Eigenschaften der Fluidität und Wärmedissipation von schmelzflüssigem Metall der zweiten simulierten Schweißpfütze.
System nach Anspruch 11 oder 12, des Weiteren ausgestaltet zum: Bewegen der ersten Schweißwerkzeugattrappe (160) mit Bezug auf die Schweißstückattrappe (1400, 1600) gemäß einer zweiten Schweißtechnik; Fortsetzen des Nachführens der ersten Schweißwerkzeugattrappe (160) im dreidimensionalen Raum mittels des Virtual-Reality-Schweißsystems; Betrachten des Displays des Virtual-Reality-Schulungsystems, das die Echtzeit-Virtual-Reality-Simulation der ersten Schweißwerkzeugattrappe, des Schweißstücks und des ersten simulierten Schweißraupenmaterials in dem Virtual-Reality-Raum zeigt, während die simulierte erste Schweißwerkzeugattrappe ein zweites simuliertes Schweißraupenmaterial abscheidet, das mit dem ersten simulierten Schweißraupenmaterial verschmilzt, indem eine zweite simulierte Schweißpfütze in der Nähe des simulierten Lichtbogens gebildet wird, das von der simulierten ersten Schweißwerkzeugattrappe ausgesendet wird; Betrachten, auf dem Display, zweiter in Echtzeit nachgestellter Eigenschaften der Fluidität und Wärmedissipation von schmelzflüssigem Metall der zweiten simulierten Schweißpfütze; und Modifizieren, in Echtzeit, mindestens eines Aspekts der zweiten Schweißtechnik in Reaktion auf das Betrachten der zweiten in Echtzeit nachgestellten Eigenschaften der Fluidität und Wärmedissipation von schmelzflüssigem Metall der zweiten simulierten Schweißpfütze.
System nach Anspruch 11, wobei das Display auf einer vor dem Gesicht getragenen Displayvorrichtung (140) oder auf einer Beobachter-Displayvorrichtung (150) oder auf einer Beobachter-Displayvorrichtung präsentierbar ist.
Schweißsimulation, die Folgendes umfasst: ein Mittel zum Simulieren einer in Echtzeit nachgestellten Fluiditätseigenschaft von schmelzflüssigem Metall einer simulierten Schweißpfütze; und ein Mittel zum Simulieren einer in Echtzeit nachgestellten Wärmedissipationseigenschaft der simulierten Schweißpfütze.
Schweißsimulation nach Anspruch 15, die des Weiteren ein Mittel zum Simulieren einer in Echtzeit nachgestellten Schweißraupenwelleneigenschaft einer simulierten Schweißnaht in Reaktion auf eine Schweißtechnik eines Benutzers umfasst.
Schweißsimulation nach Anspruch 15 oder 16, die des Weiteren ein Mittel zum Simulieren eines Unterschneidungszustands, eines Porositätszustands und/oder eines Durchbrandzustands einer simulierten Schweißnaht, die durch eine Schweißtechnik eines Benutzers verursacht werden, umfasst.