DE202013011845U1

DE202013011845U1 - Virtuelles Schweisssystem

Info

Publication number: DE202013011845U1
Application number: DE202013011845.8U
Authority: DE
Original assignee: Lincoln Global Inc
Current assignee: Lincoln Global Inc
Priority date: 2012-02-02
Filing date: 2013-02-01
Publication date: 2014-10-08
Anticipated expiration: 2023-02-02
Also published as: JP2017223966A; JP6184422B2; CN107316544B; CN107316544A; KR20140128361A; BR112014019144A2; BR112014019144A8; CN104221069A; KR102154879B1; WO2013114189A1; JP6483210B2; CN104221069B; JP2015513115A

Abstract

Virtuelles Schweißsystem (100), umfassend:
ein programmierbares Prozessor-basiertes Subsystem (110);
einen räumlichen Tracker (120), der funktionell mit dem programmierbaren Prozessor-basierten Subsystem (110) verbunden ist;
eine Schweißwerkzeug-Attrappe (160), die in der Lage ist, durch den räumlicher Tracker (120) räumlich geführt zu werden, wobei die Schweißwerkzeug-Attrappe (160) umfasst:
einen oder mehrere Adapter (162), wobei jeder Adapter (162) das Erscheinungsbild eines bestimmten Schweißtyps in der realen Welt nachbildet; und
eine Basis (166), die mit jedem des einen Adapters oder der mehreren Adapter (162) abnehmbar verbunden ist.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung ist eine Teilfortführung der U.S.-Patentanmeldung Seriennummer 12/501,257, eingereicht am 10. Juli 2009.
HINTERGRUND
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Simulation der virtuellen Realität und, genauer gesagt, auf Systeme und Verfahren zur Bereitstellung eines Training für das Lichtbogenschweißen in einer simulierten virtuellen Realitätsumgebung oder einer erweiterten Realitätsumgebung.
STAND DER TECHNIK
Das Erlernen des Lichtbogenschweißens erfordert traditionell viele Stunden von Unterricht, Training und Übung. Es gibt viele unterschiedliche Arten von Lichtbogenschweißen und Lichtbogenschweißprozessen, die erlernt werden können. Typischerweise wird das Schweißen von einem Student unter Verwendung eines realen Schweißsystems und durch Ausführen von Schweißvorgängen an realen Metallstücken erlernt. Ein derartiges Training in der realen Welt kann knappe Schweißressourcen binden und begrenzte Schweißmaterialien aufbrauchen. Vor kurzer Zeit ist jedoch die Idee des Trainings unter Verwendung von Schweißsimulationen populärer geworden. Einige Schweißsimulationen werden über Personalcomputer und/oder online über das Internet realisiert. Gegenwärtig bekannte Schweißsimulationen tendieren jedoch dazu, in ihrem Trainingsfokus eingeschränkt zu sein.
Zum Beispiel konzentrieren sich einige Schweißsimulationen auf ein Training nur für den ”Muskelspeicher”, welche einen schweißenden Studenten einfach darin trainieren, wie er ein Schweißwerkzeug halten und positionieren soll. Andere Schweißsimulationen konzentrieren sich auf das Zeigen von sicht- und hörbaren Effekten des Schweißprozesses, aber nur in einer eingeschränkten und oftmals unrealistischen Weise, welche dem Studenten nicht das erwünschte Feedback liefert, das für das Schweißen in der realen Welt äußerst maßgeblich ist. Es ist dieses jeweilige Feedback, das den Studenten dazu bringt, die notwendigen Anpassungen für eine gute Schweißung vorzunehmen. Das Schweißen wird durch Beobachten des Lichtbogens und/oder der Schweißraupe erlernt, nicht allein durch den Muskelspeicher.
Weitere Einschränkungen und Nachteile von herkömmlichen, traditionellen und bisher vorgeschlagenen Ansätzen werden für den Fachmann durch Vergleich dieser Ansätze mit den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung deutlich, wie im Rest der vorliegenden Anmeldung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
KURZE BESCHREIBUNG
In einem Aspekt der Erfindung weist ein virtuelles Schweißsystem ein programmierbares Prozessor-basiertes Subsystem und einen räumlicher Tracker auf, der mit dem programmierbaren Prozessor-basierten Subsystem funktionell verbunden ist. Eine Schweißwerkzeug-Attrappe wird eingesetzt, welche in der Lage ist, durch den räumlichen Tracker räumlich geführt zu werden. Die Schweißwerkzeug-Attrappe weist einen oder mehr Adapter auf, wobei jeder Adapter das Erscheinungsbild eines bestimmten Schweißtyps in der realen Welt nachbildet. Eine Basis ist abnehmbar mit jedem der Adapter (ein Adapter oder mehrere Adapter) verbunden.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Schweißwerkzeug-Attrappe in einem virtuellen Schweißsystem verwendet. Ein oder mehrere Adapter werden eingesetzt, wobei jeder Adapter die physikalischen Eigenschaften eines bestimmten Schweißtyps nachbildet. Eine Basis ist abnehmbar mit jedem der Adapter (einer oder mehrere) verbunden, die Basis identifiziert eine räumliche Position der Schweißwerkzeug-Attrappe relativ zu einer Bezugsposition in Echtzeit.
Weiterhin wird ein Verfahren zur Verwendung einer Schweißwerkzeug-Attrappe in einem virtuellen Schweißsystem eingesetzt. Ein erster Adapter wird abnehmbar mit einer Basis verbunden, wobei der erste Adapter einem ersten Schweißtyp zugeordnet ist. Der erste Adapter wird von der Basis abgenommen, wobei ein zweiter Adapter abnehmbar mit der Basis verbunden wird, wobei der zweite Adapter einem zweiten Schweißtyp zugeordnet ist. Die Verwendung von mehreren Adaptertypen mit einer gemeinsamen Basis erleichtert die Verwendung eines tragbaren virtuellen Schweißsystems, das in praktisch jeder mobilen Position eingesetzt werden kann.
Diese kurze Beschreibung ist vorgesehen, um eine Auswahl von Konzepten in einer vereinfachten Form vorzustellen, die hier weiter beschrieben werden. Diese kurze Beschreibung ist nicht vorgesehen, um wichtige Merkmale oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu identifizieren, noch ist sie vorgesehen, um den Umfang des beanspruchten Gegenstands einzuschränken. Weiterhin wird der beanspruchte Gegenstand nicht auf Realisierungen eingeschränkt, die einen oder alle in einem Teil dieser Offenbarung genannten Nachteile lösen. Weitere Ausführungsformen, Aspekte und Vorteile der Erfindung können aus der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüche abgeleitet werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in welchen besondere Ausführungsformen und weitere Vorteile der Erfindung dargestellt sind, wie in der folgenden Beschreibung näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Blockdiagramm eines virtuellen Schweißsystems, das eine austauschbare Schweißwerkzeug-Attrappe mit einer Basis aufweist, die mit jedem von mehreren Adaptern verbunden werden kann;
2 eine Realisierung des in 1 dargestellten Systems;
3 eine beispielhafte Seitenansicht eines GMAW-Adapters, der abnehmbar an einer Basis befestigt ist;
4 eine beispielhafte perspektivische Ansicht eines Stab-Schweißwerkzeugadapters, der abnehmbar an einer Basis befestigt ist;
5 eine beispielhafte perspektivische Ansicht eines Oxyfuel-Adapters, der abnehmbar an einer Basis befestigt ist;
6 eine perspektivische Ansicht einer Basis, die mit den in 3, 4 und 5 dargestellten Adaptern verbunden werden kann;
7 eine weggeschnittene perspektivische Ansicht der in 6 gezeigten Basis;
8A eine perspektivische Ansicht einer zusammengebauten Schweißwerkzeug-Attrappe, welche die Basis und einen Stab-Schweißwerkzeugadapter enthält;
8B eine perspektivische Explosionsansicht einer Schweißwerkzeug-Attrappe, welche die Basis und einen Stab-Schweißwerkzeugadapter enthält;
9 eine perspektivische Ansicht eines Ständers, der zum Halten eines Schweißübungsstücks und eines Magnets in bekannten räumlichen Positionen verwendet wird;
10 eine perspektivische Ansicht, die den Ständer von 9 in einer alternativen, kompakten Position darstellt, der zum Halten des Schweißübungsstücks und des Magnets in bekannten räumlichen Positionen verwendet wird;
11 eine Zusammenbau-Ansicht, die einen Kit darstellt, der Komponenten zum Transport und Betrieb eines mobilen virtuellen Schweißsystems enthält;
12 eine Vorderansicht, die ein Benutzer-Interface zum Kommunizieren mit einem virtuellen Schweißsystem darstellt;
13 eine Vorderansicht, die ein alternatives Benutzer-Interface zum Kommunizieren mit einem virtuellen Schweißsystem darstellt;
14 eine perspektivische Ansicht eines Helms, der von einem Benutzer in einem virtuellen Schweißsystem verwendet werden kann;
15 eine rückwärtige perspektivische Ansicht einer in einem Schweißhelm angebrachten FMDD, die bei einem virtuellen Schweißsystem verwendet wird;
16 ein Flussdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform eines Subsystem-Blockdiagramms eines programmierbaren Prozessorbasierten Subsystems (PPS), wie in 1 gezeigt;
17 ein Flussdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform eines Blockdiagramms einer Grafikprozessoreinheit des PPS von 16;
18 ein Flussdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform eines funktionellen Blockdiagramms des Systems von 1;
19 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Trainieren unter Verwendung des virtuellen Realitäts-Trainingssystems von 1;
20 eine Draufsicht auf eine Schweißpixel (Wexel) Displacement Map gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
21 eine perspektivische Ansicht eines Übungsstücks und des entsprechenden x-y-Schweißraums eines im System von 1 simulierten flachen Schweißübungsstücks;
22 eine perspektivische Ansicht eines Eckstücks und des entsprechenden T-S-Schweißraums eines im System von 1 simulierten flachen Eckstücks (T-Stücks);
23 eine perspektivische Ansicht eines Rohr-Übungsstücks und des entsprechenden T-S-Schweißraums eines im System von 1 simulierten Rohr-Schweißübungsstücks; und
24A–24C Draufsichten, die das Konzept einer Schweißraupe mit zweifachem Verfahren des Systems von 1 darstellen.
EINGEHENDE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die Figuren werden im Folgenden mehrere Ausführungsformen oder Realisierungen der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Bezugsziffern sich durchwegs auf gleiche Elemente beziehen. Die vorliegenden Ausführungsformen sind auf ein virtuelles Schweißsystem gerichtet, das eine Schweißwerkzeug-Attrappe einsetzt, die eine Basis zum Aufnehmen mehrerer Adapter aufweist, wobei jeder Adapter einen unterschiedlichen Schweißtyp simuliert. Die Adapter können eine gemeinsame Größe haben, um eine nahtlose abnehmbare Kupplung mit der Basis zu erlauben, falls erwünscht. Obwohl im Folgenden im Kontext von diversen beispielhaften virtuellen Schweißsystemen dargestellt und beschrieben, ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Beispiele beschränkt.
Insbesondere beziehen sich diese Ausführungsformen auf ein Virtuelle-Realitäts-Schweißsystem, das ein programmierbares Prozessor-basiertes Subsystem enthält, einen räumlichen Tracker, der funktionell mit dem programmierbaren Prozessor-basierten Subsystem verbunden ist, wenigstens eine Schweißwerkzeug-Attrappe, die in der Lage ist, räumlich durch den räumlichen Tracker geführt zu werden, und wenigstens eine Anzeigevorrichtung, die funktionell mit dem programmierbaren Prozessor-basierten Subsystem verbunden ist. Um eine zusätzliche Flexibilität zu liefern, weist die Schweißwerkzeug-Attrappe eine Basis und mehrere Adapter auf, wobei jeder Adapter dazu verwendet wird, einen unterschiedlichen Schweißtyp zu simulieren. Zum Beispiel kann ein erster Adapter das GMAW-Schweißen simulieren, ein zweiter Adapter kann das SMAW-Schweißen simulieren, ein dritter Adapter kann das Oxyfuel-Schweißen simulieren, und so weiter. Alternativ oder zusätzlich können die Werkzeuge dazu verwendet werden, um eine Schneidvorrichtung zu simulieren, wie z. B. ein Oxyfuel- oder einen anderen Schneidbrenner. Die Adapter können alle eine standardisierte Größe haben, um ein nahtloses Umschalten zu erlauben, wenn sie abgenommen und mit einer gemeinsamen Basis verbunden werden. Um den tragbaren Gebrauch zu erlauben, wird ein zusammenlegbarer Ständer eingesetzt, um ein Schweißübungsstück zur Verwendung mit der Schweißwerkzeug-Attrappe im Raum zu halten. Auf diese Weise ist das System in der Lage, mehrere Schweißtypen im virtuellen Realitätsraum zu simulieren, wobei eine Schweißraupe ein Fließvermögen des geschmolzenen Metalls und Wärmeableitungs-Eigenschaften in Echtzeit aufweist, die jedem Schweißtyp angemessen sind.
Das Fließvermögen des geschmolzenen Metalls und die Wärmeableitungs-Eigenschaften in Echtzeit der simulierten Schweißraupe liefern bei Anzeige in Echtzeit ein visuelles Feedback an einen Benutzer der Schweißwerkzeug-Attrappe, was dem Benutzer erlaubt, eine Schweißtechnik in Echtzeit in Reaktion auf das visuelle Feedback in Echtzeit einzustellen oder beizubehalten. Die angezeigte Schweißraupe ist repräsentativ für eine Schweißraupe, die in der realen Welt auf Grundlage der Schweißtechnik des Benutzers und der ausgewählten Schweißprozesse und -parameter gebildet würde. Durch Betrachten einer Schweißraupe (z. B. Form, Farbe, Schlacke, Größe) kann ein Benutzer seine Technik modifizieren, um eine gute Schweißung zu erhalten und den Typ der durchgeführten Schweißung zu bestimmen. Die Form der Schweißraupe reagiert auf die Bewegung der Schweißwerkzeug-Attrappe. Wie hier verwendet, bedeutet der Ausdruck ”Echtzeit” das zeitliche Wahrnehmen und Erfahren in einer simulierten Umgebung auf die gleiche Weise, die ein Benutzer in einem Schweißszenario der realen Welt wahrnehmen und erfahren würde. Weiterhin reagiert die Schweißraupe auf die Effekte der physikalischen Umgebung einschließlich der Gravität, was einem Benutzer erlaubt, das Schweißen in diversen Positionen einschließlich horizontalem, vertikalem und Überkopf-Schweißen und diversen Rohr-Schweißwinkeln realistisch auszuüben.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, wobei diese zum Zweck der Illustration von beispielhaften Ausführungsformen aufgeführt sind, ist 1 ein Blockdiagramm eines virtuellen Schweißsystems 100, das das Trainieren des Lichtbogenschweißens in einer virtuellen Realitätsumgebung in Echtzeit vorsieht. Das virtuelle Schweißsystem 100 weist ein programmierbares Prozessor-basiertes Subsystem (PPS) 110 auf. Das virtuelle Schweißsystem 100 weist weiterhin einen räumlichen Tracker (ST) 120 auf, der funktionell mit dem PPS 110 verbunden ist. Das virtuelle Schweißsystem 100 weist weiterhin ein physikalisches Schweiß-Benutzer-Interface (WUI) 130, das funktionell mit dem PPS 110 verbunden ist, und eine frontmontierte Anzeigevorrichtung (FMDD) 140, die funktionell mit dem PPS 110 verbunden ist, und den ST 120 auf. Das virtuelle Schweißsystem 100 weist weiterhin eine Beobachter-Anzeigevorrichtung (ODD) 150 auf, die funktionell mit dem PPS 110 verbunden ist. Das virtuelle Schweißsystem 100 weist weiterhin wenigstens eine Schweißwerkzeug-Attrappe (MWT) 160 auf, die funktionell mit dem ST 120 und dem PPS 110 verbunden ist. Das virtuelle Schweißsystem 100 weist weiterhin einen Ständer 170 und wenigstens ein Schweißübungsstück (WC) 180 auf, das am Ständer 170 befestigt werden kann. Die MWT 160 kann eine Basis (nicht gezeigt) aufweisen, die an einem oder mehreren Adaptern (nicht gezeigt) befestigt wird, um mehrere unterschiedliche Schweißtypen zu simulieren.
Die 2 stellt ein System 200 dar, das eine Realisierung des in 1 dargestellten Systems zeigt. Die FMDD 140 wird dafür verwendet, um eine simulierte virtuelle Umgebung für einen Benutzer anzuzeigen, um visuell das Schweißen zu erfahren. Um ein genaues Rendering dieser simulierten Umgebung zu liefern, ist die FMDD 140 in Kommunikation mit dem PPS 110, um Daten über die räumliche Position der FMDD 140 im System 200 zu empfangen und übertragen. Die Kommunikation kann erleichtert werden, indem bekannte verdrahtete und/oder drahtlose Technologien einschließlich Bluetooth, drahtloses Ethernet und dergleichen verwendet werden. Um räumliche Positionsdaten zu erhalten, sind ein oder mehrere Sensoren 142 in und/oder nahe zu der FMDD 140 angeordnet. Die Sensoren 142 wiederum werten die räumliche Position relativ zu einem besonderen Bezugswert im System 200 aus, wie z. B. ein Magnet 172. Der Magnet 172 kann an einem bekannten Bezugspunkt positioniert und in einem vorgegebenen Abstand 178 zum Schweißübungsstück 180 angeordnet werden. Dieser vorgegebene Abstand 178 kann beibehalten werden, indem ein Formfaktor, Schablone oder eine vorkonfigurierte Struktur in Verbindung mit dem Ständer 170 verwendet wird. Somit kann die Bewegung der Sensoren 142 relativ zum Magnet 172 inhärent Positionsdaten der FMDD 140 relativ zum Schweißübungsstück 180 im Ständer 170 liefern. Die Sensoren 142 können drahtlos kommunizieren, um die Position relativ zum Magnet zu identifizieren, indem bekannte Kommunikationsprotokolle zum Updaten der FMDD 140 in Echtzeit in Übereinstimmung mit der Bewegung des Benutzers verwendet werden.
Das System 200 weist auch die MWT 160 auf, welche einen Adapter 162 aufweist, der mit einer Basis 166 verbunden ist. Es ist darauf hinzuweisen, dass der Adapter 162 nur für einen von mehreren Adaptern repräsentativ ist, die alle jeweils einen bestimmten Schweißtyp simulieren. Der Adapter 162 ist abnehmbar mit der Basis 166 verbunden, um das Abnehmen und Wiederanbringen eines Adapters als Ersatz für einen anderen zu ermöglichen. Eine abnehmbare Befestigung kann durch Laschen, Vertiefungen, Schieber, Druckknöpfe, etc. stattfinden, um einem Benutzer zu erlauben, den Adapter 162 und/oder die Basis 166 herunterzudrücken, zu verdrehen oder anderweitig mechanisch zu modifizieren. Um die bestimmten Schweißtypen akkurat zu simulieren, ist jeder Adapter 162 derart dimensioniert, dass eine reale Welt äquivalent zu der zu repräsentiert wird, die verwendet werden würde, um reelle Schweißvorgänge auszuführen. Sobald ein spezieller Adapter mit der Basis verbunden ist, kann der Benutzer den eingesetzten Typ von Adapter eingeben, um der PPS zu erlauben, einen geeigneten zugeordneten Anweisungssatz zu laden und auszuführen. Auf diese Weise wird ein akkurates Rendering auf der FMDD 140 angezeigt, das für jeden Adaptertyp geeignet ist.
Ein oder mehrere Sensoren 168 können in oder nahe zu der Basis 166 angeordnet sein. Wie bei der FMDD 140 können die Sensoren 168 drahtlos die räumliche Position relativ zum Magnet 172 auf dem Ständer 170 bestimmen. Auf diese Weise haben der Adapter 162 und die Basis 166 in Kombination inhärent eine bekannte Position und räumliche Stellung relativ zum Magnet 172, da die Dimensionen sowohl vom Adapter 162 als auch von der Basis 166 vorbestimmt sind. Um sicherzustellen, dass das System 200 korrekt kalibriert ist, um jeden Adapter 162 aufzunehmen, kann ein Benutzer mit dem PPS 110 verbunden werden (z. B. über das WUI 130), um anzuzeigen, dass ein spezieller Adapter gegenwärtig in Gebrauch ist. Sobald ein derartiger Hinweis erfolgt, kann das PPS 110 eine Nachsehtabelle aus dem Speicher 112 abrufen, welche eine Regel für das korrekte Gestalten einer simulierten Umgebung enthält, wie sie durch den Benutzer durch die FMDD 140 erfahren wird.
In einer Ausführungsform ist das PPS 110 ein Computer, der die offenbarte Architektur ausführen kann. Um einen zusätzlichen Kontext für diverse Aspekte der vorliegenden Erfindung vorzusehen, soll die folgende Diskussion eine kurze, allgemeine Beschreibung einer geeigneten Computerumgebung liefern, in welcher die diversen Aspekte der vorliegenden Erfindung realisiert werden können. Das PPS 110 kann per Computer ausführbare Anweisungen einsetzen, die auf einem oder mehreren Computern laufen können, realisiert in Kombination mit anderen Programmmodulen, und/oder als Kombination von Hardware und Software. Allgemein enthalten Programmmodule Routinen, Programme, Komponenten, Datenstrukturen, etc., die besondere Aufgaben ausführen oder besondere abstrakte Datentypen realisieren. Zum Beispiel können derartige Programme und per Computer ausführbare Anweisungen über einen Roboter unter Verwendung von diversen Maschinen-Steuerparadigmen verarbeitet werden.
Weiterhin wird der Fachmann anerkennen, dass die erfindungsgemäßen Verfahren auch mit anderen Computersystem-Konfigurationen ausgeführt werden können, einschließlich Single-Prozessor- oder Multi-Prozessor-Computersystemen, Mini-Computern, Mainframe-Computern, ebenso wie Personalcomputern, tragbaren Rechenvorrichtungen, Mikroprozessor-basierter oder programmierbarer Anwenderelektronik, und dergleichen, wobei alle diese funktionell mit einen oder mehreren zugeordneten Vorrichtungen verbunden sind. Die dargestellten Aspekte der Erfindung können auch im Distributed Computing Environment ausgeführt werden, wobei bestimmte Aufgaben durch Fernverarbeitungs-Vorrichtungen ausgeführt werden, die durch ein Kommunikationsnetzwerk verknüpft sind. In einem Distributed Computing Environment können sich Programmmodule sowohl in lokalen als auch fernen Speichervorrichtungen befinden.
Das PPS 110 kann eine beispielhafte Umgebung zum Realisieren von diversen Aspekten der Erfindung mit einem Computer verwenden, wobei der Computer einen Prozessor 114, einen Speicher 112 und einen Systembus für Kommunikationszwecke aufweist. Der Systembus verbindet Systemkomponenten einschließlich, aber nicht eingeschränkt auf, den Speicher 112 für den Prozessor 114. Der Prozessor 114 kann einer von diversen handelsüblichen Prozessoren sein. Dual-Mikroprozessoren und andere Multi-Prozessor-Architekturen können ebenfalls als Prozessor 114 eingesetzt werden.
Der Systembus kann einer von mehreren Typen von Busstrukturen sein, einschließlich einem Speicherbus oder einer Speichersteuerung, einem peripheren Bus und einem lokalen Bus unter Verwendung von einer Vielzahl von handelsüblichen Bus-Architekturen. Der Speicher 112 kann ein Nur-Lese-Speicher (ROM) und ein Schreib-Lese-Speicher (RAM) sein. Ein Eingangs/Ausgangs-System (BIOS) mit den grundlegenden Routinen, die bei der Übertragung von Informationen zwischen den Elementen im PPS 110 helfen, wie z. B. beim Hochfahren, ist im ROM gespeichert.
Das PPS 110 kann weiterhin eine Festplatte enthalten, eine Magnetplatteneinheit, um z. B. von einer Wechselplatte zu lesen oder auf sie zu schreiben, und eine optische Speicherplatte, z. B. zum Lesen einer CD-ROM oder zum Lesen von oder Schreiben auf anderen optischen Medien, enthalten. Das PPS 110 kann wenigstens per Computer lesbare Medien in der einen oder anderen Form enthalten. Per Computer lesbare Medien können alle verfügbaren Medien sein, auf die der Computer zugreifen kann. Beispielsweise, und in nicht einschränkender Weise, können per Computer lesbare Medien Computer-Speichermedien und Kommunikationsmedien umfassen. Computer-Speichermedien sind volatile und nicht volatile, auswechselbare und nicht auswechselbare Medien, realisiert durch irgendein Verfahren oder irgendeine Technologie zum Speichern von Informationen, wie z. B. per Computer lesbare Anweisungen, Datenstrukturen, Programmmodule oder andere Daten. Computer-Speichermedien umfassen, ohne jedoch auf diese beschränkt zu sein, RAM-, ROM-, EEPROM-, Flash-Speicher oder andere Speicher-Technologien, CD-ROMs, Digital-Versatile-Disks (DVD) oder andere magnetische Speichervorrichtungen, oder jegliches andere Medium, welches dazu verwendet werden kann, erwünschte Informationen zu speichern, und zu welchem das PPS 110 Zugang hat.
Kommunikationsmedien enthalten typischerweise per Computer lesbare Anweisungen, Datenstrukturen, Programmmodule oder andere Daten in einem modulierten Datensignal, wie z. B. eine Trägerwelle oder andere Transportmechanismen, und enthält Medien zur Lieferung von Informationen. Der Ausdruck ”moduliertes Datensignal” bedeutet ein Signal, bei dem eine oder mehrere seiner Eigenschaften derart festgelegt oder geändert ist, um Informationen im Signal zu kodieren. Beispielsweise, und nicht in einschränkender Weise, sind Kommunikationsmedien verdrahtete Medien, wie z. B. ein verdrahtetes Netzwerk oder eine direkt verdrahtete Verbindung, und drahtlose Medien, wie z. B. akustische, RF-, Infrarot- und andere drahtlose Medien. Kombinationen der obigen Medien sollten auch im Umfang von per Computer lesbaren Medien eingeschlossen werden.
Eine Anzahl von Programmmodulen kann in den Laufwerken und dem RAM gespeichert werden, einschließlich einem Betriebssystem, einem oder mehreren Anwendungsprogrammen, anderen Programmmodulen und Programmdaten. Das Betriebssystem im PPS 110 kann eines aus einer Anzahl von handelsüblichen Betriebssystemen sein.
Zusätzlich kann ein Benutzer Befehle und Informationen in den Computer über eine Tastatur und ein Zeigegerät eingeben, wie z. B. eine Maus. Andere Eingangsvorrichtungen können ein Mikrofon, eine IR-Fernsteuerung, einen Trackball, eine Stifteingabe, einen Joystick, einen Gamepad, ein Digitalisiertablett, eine Satellitenschüssel, ein Scanner oder dergleichen enthalten. Diese und andere Eingangsvorrichtungen werden oftmals mit dem Prozessor durch ein Serial-Port-Interface verbunden, das mit dem Systembus verbunden ist, aber auch durch andere Interfacesysteme verbunden sein kann, wie z. B. einen Parallelport, einen Gameport, einen Universal-Serial-Bus (”USB”), ein IR-Interface und/oder diverse drahtlose Technologien. Ein Monitor (nicht gezeigt) oder ein anderer Typ von Anzeigevorrichtung kann ebenfalls mit dem Systembus über ein Interface verbunden sein, wie z. B. ein Video-Adapter. Ein visueller Ausgang kann ebenfalls über ein Fernanzeige-Netzwerkprotokoll bewerkstelligt werden, wie z. B. Remote-Desktop-Protocol, VNC, X-Window-System, etc. Zusätzlich zu dem visuellen Ausgang enthält ein Computer typischerweise andere periphere Ausgangsvorrichtungen, wie z. B. Lautsprecher, Drucker, etc.
Eine Anzeige, wie z. B. die ODD 150 und das WUI 130, kann mit dem PPS 110 eingesetzt werden, um Daten zu präsentieren, die elektronisch vom Prozessor empfangen werden. Zum Beispiel kann die Anzeige ein LCD-, Plasma-, CRT-, etc. Monitor sein, der Daten elektronisch präsentiert. Alternativ oder zusätzlich kann die Anzeige empfangene Daten in Papierformat, wie z. B. mit einem Drucker, Fax-Gerät, Plotter etc. präsentieren. Die Anzeige kann Daten in irgendeiner Farbe präsentieren und kann Daten vom PPS 110 über ein drahtloses oder festverdrahtetes Protokoll und/oder als Standard empfangen. In einer Ausführungsform ist die WUI 130 ein Touch-Screen, der einem Benutzer erlaubt, sich mit dem PPS 110 zu verbinden, wie z. B. beim Überprüfen von Schweißdaten von eine oder mehreren vorherigen Simulationen. Ein Benutzer kann auch durch diverse Datenparadigmen navigieren, um für eine spezielle Analyse (z. B. Schweißqualität) relevante Informationen zu identifizieren, wobei derartige Daten gegen eine oder mehrere Benchmarks zur Bewertung oder andere Vergleiche ausgewertet werden.
Der Computer kann in einer vernetzten Umgebung unter Verwendung von logischen und/oder physikalischen Verbindungen mit einem oder mehreren Remote-Computern arbeiten, wie z. B. einem Remote-Computer(n). Der/Die Remote-Computer kann/können eine Arbeitsstation, ein Server-Computer, ein Router, ein Personalcomputer, Mikroprozessor-basierte Entertainmentanlagen, eine Peer-Einrichtung oder ein anderer gemeinsamer Netzwerkknoten sein und enthält typischerweise viele oder alle der mit Bezug auf den Computer beschriebenen Elemente. Die beschriebenen logischen Verbindungen enthalten ein Local-Area-Network (LAN) und ein Wide-Area-Network (WAN). Derartige Netzwerkumgebungen sind weit verbreitet in Büros, Computernetzwerken über das gesamte Unternehmen, Intranets und das Internet.
Bei Verwendung in einer LAN-Netzwerkumgebung ist der Computer mit dem lokalen Netzwerk über ein Netzwerk-Interface oder einen Adapter verbunden. Bei Verwendung in einer WAN-Netzwerkumgebung enthält der Computer typischerweise ein Modem oder ist mit einem Kommunikationsserver auf dem LAN verbunden oder weist andere Mittel zum Einrichten von Kommunikationen über das WAN auf, wie z. B. das Internet. In einer vernetzten Umgebung können im Zusammenhang mit dem Computer beschriebene Programmmodule oder Teile davon in der Remote-Speichervorrichtung gespeichert werden. Es wird darauf hingewiesen, dass hier beschriebene Netzwerkverbindungen lediglich beispielhaft sind, und dass andere Mittel zum Einrichten eines Kommunikationslinks zwischen den Computern verwendet werden können.
Die 3–5 stellen in nicht einschränkender Weise beispielhafte Ausführungsformen des Adapters 162 dar, wobei 3 den Adapter 162 als GMAW-Schweißpistole 300 zeigt; 4 den Adapter 162 als SMAW(Stab)-Schweißwerkzeug 400 zeigt; und 5 den Adapter 162 als Oxyfuel-Brenner 500 zeigt. Obwohl die hier beschriebenen Adapter mehrere unterschiedliche Komponenten aufweisen, ist darauf hinzuweisen, dass sowohl die einteiligen als auch die mehrteiligen Ausführungsformen des Adapters im Umfang dieser Erfindung eingeschlossen sind. Betracht. man zunächst 3, so weist die GMAW-Schweißpistole 300 eine Düse 310 auf, die über ein Rohr 312 mit einem Interface 318 verbunden ist. Die Schweißpistole 300 kann im Wesentlichen das gleiche Gewicht und die gleichen Dimensionen wie eine GMAW-Pistole haben, wie sie in Anwendungen in der realen Welt verwendet wird. Die Dimensionen jeder Komponente in der Pistole 300 können bekannte Werte sein, welche zum Kalibrieren der Pistole im Hinblick auf das Schweißübungsstück 180 und den Magneten 172 verwendet werden können. Das Interface 318 kann ein oder mehrere mechanische Merkmale enthalten, um eine lösbare Befestigung des Adapters 300 an einer Basis zu erlauben.
4 stellt das SMAW-Schweißwerkzeug 400 für Platten- und Rohrschweißen dar und enthält einen Halter 422 und eine simulierte SMAW-Elektrode 410. In einer Ausführungsform kann die simulierte SMAW-Elektrode 410 eine taktil Widerstand leistende Spitze enthalten, um ein Widerstand leistendes Feedback zu simulieren, das während zum Beispiel eines Wurzellagen-Schweißvorgangs beim Rohrschweißen in der realen Welt oder beim Schweißen einer Platte auftritt. Falls der Benutzer die simulierte SMAW-Elektrode 162 zu weit zurück aus der Wurzel bewegt, ist der Benutzer in der Lage, den geringeren Widerstand zu fühlen, wodurch ein Feedback zur Verwendung bei Einstellen oder Beibehalten des gegenwärtigen Schweißprozesses geliefert wird. Ein Interface 418 erlaubt die lösbare Befestigung des SMAW-Schweißwerkzeugs 400 an einer Basis.
5 stellt den Oxyfuel-Adapter 500 dar, der eine Düse 510 und ein Interface 518 enthält, das die lösbare Befestigung des Oxyfuel-Adapters 500 an einer Basis erlaubt. In dieser Ausführungsform enthält das Interface 518 einen Kragen 522, der um den Durchmesser der Basis befestigt werden kann. Ein Druckknopf 520 kann einen Vorsprung oder ein anderes Merkmal enthalten, das mit einem komplementären Merkmal (z. B. einer Vertiefung) auf der Basis mechanisch zusammenwirkt. Auf diese Weise kann der Adapter 500 an der Basis ”verriegelt” werden, je nachdem, ob der Druckknopf gedrückt oder anderweitig betätigt ist. In anderen Ausführungsformen kann der Oxyfuel-Adapter dazu verwendet werden, einen Schneidbrenner zu repräsentieren, der zum Schneiden von Metallobjekten verwendet wird. In dieser Ausführungsform ist der Schneidbrenner in dem virtuellen Schweißsystem gezeigt, wie er bei einer Anwendung in einer realen Welt arbeiten würde. Zum Beispiel kann das PPS 110 Codes laden und ausführen, die repräsentativ für eine Schneidbrenner-Anwendung anstelle einer Schweißbrenner-Anwendung ist.
Andere Schweißwerkzeug-Attrappen sind gemäß anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ebenso möglich, einschließlich einer MWT, die zum Beispiel eine in der Hand gehaltene, halb-automatische Schweißpistole mit einer durch die Pistole zugeführten Drahtelektrode simuliert. Weiterhin könnte gemäß anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein reales Schweißwerkzeug als MWT 160 verwendet werden, um besser zu simulieren, wie sich das Werkzeug tatsächlich in den Händen des Benutzers anfühlt, obwohl in dem virtuellen Schweißsystem 100 das Werkzeug nicht dazu verwendet würde, tatsächlich einen realen Lichtbogen zu erzeugen. Ebenso kann ein simuliertes Schleifwerkzeug zur Verwendung bei einem simulierten Schleifmodus des virtuellen Schweißsystems 100 vorgesehen sein. In ähnlicher Weise kann ein simuliertes Schneidwerkzeug zur Verwendung bei einem simulierten Schneidmodus des virtuellen Schweißsystems 100 vorgesehen sein.
Weiterhin kann ein simulierter Brenner für Wolfram-Inertgasschweißen (GTAW) oder ein Füllmaterial zur Verwendung in dem virtuellen Schweißsystem 100 vorgesehen sein.
6 stellt eine Basis 600 dar, die eingesetzt wird, um mit einem oder mehreren Adaptern verbunden zu werden, wie z. B. die GMAW-Pistole 300, das Stab-Schweißwerkzeug 400 und der Oxyfuel-Adapter 500. Die Basis 600 enthält einen Körper 620, welcher einen oder mehrere elektronische Komponenten aufnehmen kann, wie z. B. die hier beschriebenen Sensoren 168. In einer Ausführungsform besteht der Körper 620 aus zwei Hälften, die durch Befestigungen 640 wie z. B. zum Beispiel Schrauben, Bolzen, Niete, etc. zusammen gehalten werden. Eine Festverdrahtung 630 erstreckt sich vom Körper 620, um die Kommunikation der Basis 600 mit dem PPS 110 zu erleichtern.
Das Interface 610 enthält einen Absatz 614 und eine darin angeordnete Vertiefung 616 auf entgegengesetzten Seiten des Interfaces 610. Die Kombination Absatz/Vertiefung kann als abnehmbare Verriegelung für eine komplementäre Komponente im Interface der beispielhaften Adapter 300, 400, 500 dienen. Im Wesentlichen kann jedoch jedes mechanische Interface das wirksame Abnehmen und Wiederaufsetzen eines Adapters an der Basis 600 erleichtern. Ein in einem Vorsprung 636 angeordneter Druckknopf 618 kann eingesetzt werden, um anzuzeigen, dass ein Benutzer sich in einem aktiven Schweißmodus befindet, wenn der Druckknopf 618 gedrückt ist. Wenigstens unter Bezugnahme auf den Adapter 400 kann ein komplementärer Formfaktor im Adapter enthalten sein, um als Hülse über den Druckknopf 618 zu passen, wobei der Benutzer den Druckknopf über ein Formfaktor-Merkmal auf dem Adapter drücken kann. Zu diesem Zweck kann der Adapter-Formfaktor einen Auslöser der realen Welt oder eine ähnliche Vorrichtung simulieren, um dem Benutzer ein Aussehen und Gefühl für den Schweißvorgang aus der realen Welt zu geben.
7 ist eine weggeschnittene perspektivische Ansicht der Basis 600, um einen darin angeordneten Sensor 652 zu zeigen. Der Sensor 652 kommuniziert mit einer oder mehreren unterschiedlichen Komponenten (z. B. PPS 110) über ein Kabel 654 und ist in der Basis 600 an einer vorbestimmten Position angeordnet und über Befestigungen 658 gehalten. Platten 672 liefern eine Abstützung für die Basis 600 in dem ganzen Körper 620. In einer Ausführungsform verwendet der Sensor 652 bekannte kontaktlose Technologien, wie z. B. kapazitive Sensoren, piezoelektrische, Wirbelstrom-, induktive, Ultraschall-, Hall-Effekt- und/oder Infrarot-Sensor-Technologien. Derartige Technologien können mit anderen hier beschriebenen Sensoren einschließlich den Sensoren 142 und 168 im Helm 146 bzw. der Basis 166 verwendet werden. 8 stellt eine Schweißwerkzeug-Attrappe 800 dar, wobei der Adapter 400 abnehmbar mit der Basis 600 verbunden ist, zur Verwendung in dem virtuellen Schweißsystem 100.
9 stellt einen Ständer 700 dar, der verwendet wird, um ein Schweißübungsstück 758 an einer räumlich bekannten Position relativ zu einem Magneten 710 zu positionieren. Der Ständer 700 umfasst einen Arm 714 und eine Basis 724, welche über eine Stütze 722 miteinander verbunden sind. In einer Ausführungsform ist die Stütze 722 abnehmbar an der Basis 724 befestigt, um zu erlauben, der Ständer 700 für Verpackung und Versand in einzelne Komponenten zerlegt wird. Zusätzlich kann die Basis 724 und die Stütze 722 einen oder mehrere Aufbaumerkmale (z. B. Platten) aufweisen, die eine zusätzliche Abstützung für derartige Komponenten liefern, wobei diese gleichzeitig ein relativ geringes Gewicht behalten. Ein Bolzen 732 kann vom Arm 714 weg gezogen werden, um das Abnehmen und Wiederaufsetzen der Übungsstücke auf dem Ständer 700 in einer wiederholbaren räumlichen Position zu erlauben.
Die Dimensionen des Arms 714 und die Position des Schweißübungsstücks 758 relativ zu einem auf einem Absatz 738 angeordneten Magneten 710 sind alle bekannt, eine Schweißwerkzeug-Attrappe nahe dem Schweißübungsstück 758 hat eine bekannte und wiederholbare Ausgangsleistung, wodurch eine geeignete virtuelle Schweißumgebung in Echtzeit für den Benutzer geliefert wird. Die Stifte 762, 764 können vom Ständer 700 abgenommen werden, um dem Arm 714 zu erlauben, um den Stift 764 zu schwenken, wie in 10 beschrieben. In dieser Ausführungsform ist der Stift 762 aus dem Loch 766, 768 entfernt, wodurch der Arm 714 um den Stift 764 in eine zweite Position drehen kann. Auf diese Weise kann ein Benutzer Schweißungen in mehreren Ebenen (z. B. horizontal und vertikal) simulieren, um die entsprechenden Nuancen zu lernen. Es ist anzumerken, dass die Konstruktion des Ständers 700 sicherstellt, dass die räumliche Position des Magneten 710 relativ zum Schweißübungsstück 758 in jeder Position beibehalten wird, um akkurate und wiederholbare Ergebnisse für die Bildung und Anzeige der Simulation der Schweißumgebung in Echtzeit zu liefern.
11 stellt einen mobilen Schweißkit dar, der leicht von Position zu Position transportiert werden kann. Der Kit kann im Wesentlichen an jeder Position nahe einer Stromquelle aufgestellt werden, wobei eine Batterie-, Netz- oder eine andere Versorgung vorliegen kann. Ein Behälter 810 kann im Wesentlichen als ein Schweißmaschinengehäuse gebildet sein, wobei das Innere mehrere Schalen, Plattformen und andere Speicherbereiche zur Aufnahme des WUI 130, des Ständers 700, der Schweißwerkzeug-Attrappe 800 und eines Helms 900 enthält. Der Behälter kann weiterhin Räder enthalten, um einen wirksamen Transport des Behälters 810 zu erleichtern.
12 stellt ein beispielhaftes Benutzer-Interface 830 dar, das mehrere einem typische Schweißsystem zugeordnete Messgrößen anzeigt. Das Interface 830 enthält einen Wahlschalter 832 zum Identifizieren des Typs von Adapter, der bei dem simulierten Schweißsystem eingesetzt wird. Ein Temperaturanzeiger 836, ein Stromanzeiger 838 und eine Spannungsanzeiger 842 können in Echtzeit ein Feedback für einen Benutzer während des Schweißvorgangs liefern. In ähnlicher Weise zeigen 854 und 856 zusätzliche Informationen an und erlauben dem Benutzer Eingaben zum Modifizieren derselben. 13 zeigt ein alternatives Benutzer-Interface 860, das ein Hardware-Interface für ein Schweißsystem in der realen Welt simuliert. In einer Ausführungsform kann ein Benutzer Eingaben für die Anzeige 860 unter Verwendung eines Touch-Screens oder eines anderen peripheren Eingabeverfahrens vornehmen, wie hier beschrieben.
14 und 15 stellen einen Helm 900 dar, der vom Benutzer getragen wird, wenn er das virtuelle Schweißsystem bedient. 14 zeigt eine perspektivische Frontansicht des Helms 900, welcher ein tatsächlicher Schweißhelm sein kann, wie er in der realen Welt verwendet wird, nachgerüstet durch den Einbau der FMDD, wie weiter oben beschrieben. Auf diese Weise kann ein Benutzer einen Schweißhelm genau wie in einem realen Weltszenario tragen, wobei die virtuelle Umgebung dem Benutzer in Echtzeit über die FMDD 140 angezeigt wird. 15 stellt eine beispielhafte Ausführungsform der in einem Schweißhelm 900 integrierten FMDD 140 dar. Die FMDD 140 ist funktionell mit dem PPS 110 und dem ST 120 entweder über verdrahtete Mittel oder drahtlos verbunden. Ein Sensor 142 des ST 120 kann an der FMDD 140 oder an dem Schweißhelm 900 befestigt werden, gemäß diversen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wodurch die FMDD 140 und/oder der Schweißhelm 900 mit Bezug auf den durch den ST 120 gebildeten räumlichen 3D-Referenzrahmen geführt werden kann.
16 stellt eine beispielhafte Ausführungsform eines Subsystem-Blockdiagramms des programmierbaren Prozessor-basierten Subsystems (PPS) 110 des virtuellen Schweißsystems 100 von 1 dar. Das PPS 110 enthält einen Zentralprozessor (CPU) 111 und einen oder mehrere Grafikprozessoren (GPU) 115 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In einer Ausführungsform wird eine GPU 115 verwendet, um eine monoskopische Ansicht auf der FMDD 140 zu liefern. In einer weiteren Ausführungsform sind zwei GPUs 115 programmiert, um eine stereoskopische Ansicht auf der FMDD 140 zu liefern. In jedem Fall sieht ein Benutzer eine virtuelle Realitätssimulation einer Schweißraupe (auch bekannt als eine Schweißbad) mit einem Fließvermögen des geschmolzenen Metalls und Wärmeabsorptions- und -ableitungs-Eigenschaften in Echtzeit, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
17 stellt eine beispielhafte Ausführungsform eines Blockdiagramms eines Grafikprozessors (GPU) 115 von dem PPS 110 von 10 dar. Jede GPU 115 unterstützt die Realisierung von Daten-Parallelalgorithmen. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liefert jede GPU 115 zwei Videoausgänge 118 und 119, die in der Lage sind, zwei virtuelle Realitätsansichten zu liefern. Zwei der Videoausgänge können zu der FMDD 140 geführt werden und geben die Perspektive des Schweißers wieder, und ein dritter Videoausgang kann zu der ODD 150 geführt werden und gibt zum Beispiel entweder die die Perspektive des Schweißers oder eine andere Perspektive wieder. Der restliche vierte Videoausgang kann zum Beispiel zu einem Projektor geführt werden. Beide GPUs 115 führen die gleiche Schweißphysik-Berechnungen aus, können aber die virtuelle Realitätsumgebung aus der gleichen oder unterschiedlichen Perspektive wiedergeben. Die GPU 115 enthält eine Compute-Unified-Device-Architecture (CUDA) 116 und einen Shader 117. Die CUDA 116 ist die Rechenmaschine der GPU 115, welche für Softwareentwickler durch die Standard-Programmiersprachen der Industrie zugänglich ist. Die CUDA 116 enthält Parallelcores und wird zum Laufenlassen des Physikmodells der hier beschriebenen Schweißraupensimulation verwendet. Die CPU 111 liefert Schweißeingangsdaten in Echtzeit an die CUDA 116 auf der GPU 115. Der Shader 117 ist zum Zeichnen und Anwenden aller Ansichten der Simulation verantwortlich. Die Ansichten von Wulst und Schweißraupe werden durch den Zustand einer Wexel-Displacement-Map geführt, welche weiter unten beschrieben ist. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung läuft und erneuert sich das Physikmodell mit einer Geschwindigkeit von etwa 30 Mal pro Sekunde.
18 stellt eine beispielhafte Ausführungsform eines funktionellen Blockdiagramms des virtuellen Schweißsystems 100 von 1 dar. Die diversen funktionellen Blöcke des virtuellen Schweißsystems 100, wie in 12 gezeigt, werden weitgehend über Software-Anweisungen und -Module, die auf dem PPS 110 laufen, realisiert. Die diversen funktionellen Blöcke des virtuellen Schweißsystems 100 enthalten ein physikalisches Interface 1201, Brenner- und Klammermodelle 1202, Umgebungsmodelle 1203, Funktionalität Geräuschgehalt 1204, Schweißgeräusche 1205, Ständer/Tischmodell 1206, Funktionalität interne Architektur 1207, Funktionalität Kalibrierung 1208, Schweißübungsstückmodelle 1210, Schweißphysik 1211, Einstellwerkzeug interne Physik (Tweaker) 1212, Funktionalität grafisches Benutzer-Interface 1213, Funktionalität Grafik 1214, Funktionalität Auszubildendenberichte 1215, Renderer 1216, Schweißnahtgestaltung 1217, 3D-Texturen 1218, Funktionalität visuelle Hinweise 1219, Funktionalität Bewertung und Toleranz 1220, Toleranzeditor 1221 und räumliche Effekte 1222.
Die Funktionalität interne Architektur 1207 liefert die Softwarelogistik auf höherem Niveau von den Prozessen des virtuellen Schweißsystems 100, einschließlich zum Beispiel Laden von Dateien, Behalten von Informationen, Veralten von Threads, Anschalten des Physikmodells und Auslösemenüs. Die Funktionalität interne Architektur 1207 läuft auf der CPU 111, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bestimmte Eingaben in Echtzeit in das PPS 110 enthalten die Lichtbogenposition, Pistolenposition, FMDD oder Helmposition, Pistole an/aus und ist Kontakt da (ja/nein).
Die Funktionalität grafisches Benutzer-Interface 1213 erlaubt einem Benutzer, durch die ODD 150 unter Verwendung des Joysticks 132 des physikalischen Benutzer-Interfaces 130, ein Schweißszenario aufzubauen. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet der Aufbau eines Schweißszenarios die Auswahl einer Sprache, die Eingabe eines Benutzernamens, die Auswahl einer Übungsplatte (d. h. eines Schweißübungsstücks), die Auswahl eines Schweißprozesses (z. B. FCAW, GMAW, SMAW) und des zugeordneten axialen Sprüh-, Puls- oder Kurz-Lichtbogen-Verfahren, die Auswahl von Gastyps und Flussrate, die Auswahl eines Typs von SMAW-Elektrode (z. B. 6010 oder 7018) und die Auswahl eine Typs von Fülldraht (z. B. selbstschützend, Schutzgas). Der Aufbau eines Schweißszenarios enthält auch die Auswahl einer Tischhöhe, einer Armhöhe, einer Armposition und einer Armdrehung des Ständers 170. Der Aufbau eines Schweißszenarios enthält weiterhin die Auswahl einer Umgebung (z. B. eine Hintergrund-Umgebung im virtuellen Realitätsraum), Festlegen einer Drahtzuführgeschwindigkeit, Festlegen eines Spannungswerts, Festlegen eines Stromwerts, die Auswahl einer Polarität und An- oder Ausschalten besonderer visueller Hinweise.
Während eines simuliertes Schweißszenarios sammelt die Funktionalität Grafik 1214 Benutzer-Performance-Parameter und liefert dem Benutzer Performance-Parameter an die Funktionalität grafisches Benutzer-Interface 1213 zur Anzeige in einem grafischen Format (z. B. auf der ODD 150). Trackinginformationen von dem ST 120 werden der Funktionalität Grafik 1214 zugeführt. Die Funktionalität Grafik 1214 enthält ein Simple-Analysis-Modul (SAM) und ein Whip/Weave-Analysis-Modul (WWAM). Das SAM analysiert Schweißparameter des Benutzers, einschließlich Schweißbahnwinkel, Bahngeschwindigkeit, Schweißwinkel, Position und Abstand Spitze zu Arbeitsfläche durch Vergleichen der Schweißparameter mit in Wulsttabellen gespeicherten Daten. Das WWAM analysiert die Whippingparameter (Vor- und Rückwärtsbewegung) des Benutzers einschließlich dem Wulstabstand, der Whippingzeit und dem zeitlichen Ablauf bei der Schweißraupe. Das WWAM analysiert auch die Weavingparameter (Hin- und Herbewegung) des Benutzers einschließlich der Breite der Hin- und Herbewegungen, dem Abstand der Hin- und Herbewegungen und dem zeitlichen Ablauf der Hin- und Herbewegungen. Die Module SAM und WWAM interpretieren rohe Eingabedaten (z. B. Positions- und Ausrichtungsdaten) in funktionell nutzbare Daten für die Grafik. Für jeden durch den SAM und den WWAM analysierten Parameter wird ein Toleranzfenster definiert durch Parametergrenzen um einen optimalen oder idealen Einstellpunkt, der in Wulsttabellen unter Verwendung des Toleranzeditors 1221 eingegeben wird, und die Funktionalität Bewertung und Toleranz 1220 wird ausgeführt.
Der Toleranzeditor 1221 enthält ein ”Weldometer”, welches den Materialverbrauch, den Stromverbrauch und die Schweißzeit annähert. Weiterhin können, wenn bestimmte Parameter außerhalb der Toleranz liegen, Schweißunterbrechungen (d. h. Schweißfehler) auftreten. Der Zustand von Schweißunterbrechungen wird durch die Funktionalität Grafik 1214 verarbeitet und über die die Funktionalität grafisches Benutzer-Interface 1213 in einem grafischen Format präsentiert. Derartige Schweißunterbrechungen enthalten inkorrekte Schweißgröße, schlechte Wulstplatzierung, konkave Wülste, übermäßige Konvexität, Hinterschnitte, Porosität, unvollständige Fusion, Schlackeneinschluss, Überfüllung, Durchbrennen und zu viele Spritzer. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Niveau oder der Betrag einer Unterbrechung davon abhängig, wie weit weg ein spezieller Benutzerparameter vom optimalen oder idealen Einstellpunkt ist.
Verschiedene Parametergrenzen können für unterschiedliche Typen von Benutzern, wie z. B. Schweißneulingen, Schweißexperten und Personen auf einer Fachmesse, vordefiniert werden. Die Funktionalität Bewertung und Toleranz 1220 liefert eine Anzahl von Bewertungen, je nachdem, wie dicht am Optimum (Ideal) ein Benutzer bei einem speziellen Parameter ist, und je nach Niveau der Unterbrechungen oder Fehler in der Schweißung. Die optimalen Werte werden von den Daten der realen Welt abgeleitet. Die Informationen von der Funktionalität Bewertung und Toleranz 1220 und von der Funktionalität Grafik 1214 können durch die Funktionalität Auszubildendenberichte 1215 verwendet werden, um einen Performancebericht für einen Ausbilder und/oder einen Auszubildenden zu erstellen.
Das virtuelle Schweißsystem 100 ist in der Lage, die Ergebnisse der virtuellen Schweißaktivität zu analysieren und anzuzeigen. Mit Analysieren der Ergebnisse ist gemeint, dass das virtuelle Schweißsystem 100 in der Lage ist, zu bestimmen, wenn der Benutzer während des Schweißens und an den Schweißverbindungen von den akzeptablen Grenzen des Schweißprozesses abwich. Eine Bewertung kann der Benutzer-Performance zugeordnet werden. In einer Ausführungsform kann die Bewertung eine Funktion der Abweichung der Position, Ausrichtung und Geschwindigkeit der Schweißwerkzeug-Attrappe 160 durch Toleranzbereiche sein, welche sich von einem idealen Schweißvorgang bis zu einer marginalen oder inakzeptablen Schweißaktivität erstrecken. Ein Gradient von Bereichen kann im virtuellen Schweißsystem 100 eingebaut werden, wie für die Bewertung der Benutzer-Performance gewählt. Die Bewertung kann numerisch oder alpha-numerisch angezeigt werden. Zusätzlich kann die Benutzer-Performance grafisch angezeigt werden, wobei in Zeit und/oder Position entlang der Schweißverbindung gezeigt wird, wie dicht die Schweißwerkzeug-Attrappe die Schweißverbindung entlang wanderte. Parameter wie z. B. Bewegungswinkel, Arbeitswinkel, Geschwindigkeit und Abstand von der Schweißverbindung sind Beispiele für das, was man messen kann, obwohl jeder Parameter für Bewertungszwecke analysiert werden kann. Die Toleranzbereiche der Parameter werden entsprechend den Schweißdaten der realen Welt festgelegt, wodurch ein akkurates Feedback dazu, wie der Benutzer in der realen Welt arbeitet, geliefert wird. In einer weiteren Ausführungsform kann auch die Analyse der Mängel entsprechend der Benutzer-Performance eingebaut und auf der ODD 150 angezeigt werden. In dieser Ausführungsform kann eine Kurve erstellt werden, die anzeigt, welcher Typ von Unterbrechung aus der Messung der diversen, während der virtuellen Schweißaktivität erfassten, Parameter resultierte. Während Verschlüsse auf der ODD 150 möglicherweise nicht sichtbar sind, können dennoch Mängel als Ergebnis der Benutzer-Performance aufgetreten sein, deren Ergebnisse entsprechend angezeigt, d. h. in einer Kurve dargestellt, werden können.
Die Funktionalität visuelle Hinweise 1219 liefert ein sofortiges Feedback an den Benutzer durch Anzeige überlagerter Farben und Indikatoren auf der FMDD 140 und/oder der ODD 150. Visuelle Hinweise sind für jeden der Schweißparameter 151 einschließlich der Position, des Abstands Spitze zu Arbeitsfläche, dem Schweißwinkel, dem Bewegungswinkel, der Bewegungsgeschwindigkeit und der Lichtbogenlänge (z. B. für SMAW-Schweißen) vorgesehen und zeigen es dem Benutzer optisch an, falls einige Aspekte der Schweißtechnik des Benutzers auf Grundlage der vordefinierten Grenzen oder Toleranzen angepasst werden sollten. Visuelle Hinweise können zum Beispiel ebenfalls für die Whip/Weave-Technik und den Schweißwulst-„Dime”-Abstand vorgesehen sein. Visuelle Hinweise können unabhängig oder in jeder erwünschten Kombination festgelegt werden.
Die Funktionalität Kalibrierung 1208 liefert die Fähigkeit, physikalische Komponenten im realen Weltraum (3D-Referenzrahmen) mit visuellen Komponenten im virtuellen Realitätsraum zu vergleichen. Jeder unterschiedliche Typ von Schweißübungsstück (welding coupon, WC) wird im Werk durch Montage des WC am Arm 714 des Ständers 170 und Berühren des WC an vordefinierten Punkten (zum Beispiel durch drei Vertiefungen auf dem WC angegeben) mit einem Kalibrierstift, der funktionell mit dem ST 120 verbunden ist, kalibriert. Der ST 120 liest die magnetischen Feldstärken an den vordefinierten Punkten aus, liefert Positionsinformation an das PPS 110, und das PPS 110 verwendet die Positionsinformation, um die Kalibrierung (d. h. die Übersetzung von realem Weltraum zu virtuellem Realitätsraum) auszuführen.
Jeder spezielle Typ von WC passt auf die gleiche wiederholbare Weise mit sehr engen Toleranzen in den Arm 714 des Ständers 170. In einem Beispiel ist der Abstand zwischen dem Übungsstück 758 und dem Magneten 710 auf dem Arm 714 ein bekannter Abstand 178, wie in 2 weiter oben dargestellt. Daher muss, sobald ein spezieller WC-Typ kalibriert ist, dieser WC-Typ nicht neu kalibriert werden (d. h. die Kalibrierung eines speziellen Typs von WC ist ein einmaliger Vorgang). WCs des gleichen Typs sind austauschbar. Die Kalibrierung stellt sicher, dass das physikalische Feedback, das der Benutzer während eines Schweißprozesses wahrnimmt, mit dem übereinstimmt, was dem Benutzer im virtuellen Realitätsraum angezeigt wird, was die Simulation realer erscheinen lässt. Wenn zum Beispiel der Benutzer die Spitze eines MWT 160 um die Ecke eines tatsächlichen WCs 180 gleiten lässt, wird der Benutzer auf der FMDD 140 sehen, wie die Spitze um das Eckstück des virtuellen WCs gleitet, da der Benutzer fühlt, wie die Spitze um das tatsächliche Eckstück gleitet. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die MWT 160 in eine vorpositionierte Vorrichtung gebracht und wird auf Grundlage der bekannten Position der Vorrichtung auch kalibriert.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind ”smarte” Übungsstücke vorgesehen, die zum Beispiel Sensoren auf den Ecken des Übungsstücks aufweisen. Der ST 120 ist in der Lage, die Ecken eines ”smarten” Schweißübungsstücks derartig zu verfolgen, dass das virtuelle Schweißsystem 100 immer weiß, wo das ”smarte” Schweißübungsstück im 3D-Raum der realen Welt ist. Gemäß eine weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind Autorisierungsschlüssel vorgesehen, um die Schweißübungsstücke zu ”entriegeln”. Wenn ein spezielles WC gekauft wird, wird ein Autorisierungsschlüssel zur Verfügung gestellt, der dem Benutzer erlaubt, den die Autorisierungsschlüssel in das virtuelle Schweißsystem 100 einzugeben, was die diesem WC zugeordnete Software entriegelt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können räumliche, nicht standardmäßige Schweißübungsstücke auf Grundlage von CAD-Zeichnungen von Teilen aus der realen Welt zur Verfügung gestellt sein. Die Benutzer können am Schweißen eines CAD-Teils trainieren, selbst bevor das Teil tatsächlich in der realen Welt produziert wird.
Die Funktionalitäten Geräuschgehalt 1204 und Schweißgeräusche 1205 liefern spezielle Typen von Schweißgeräuschen, die sich ändern, je nachdem bestimmte Schweißparameter innerhalb der Toleranz oder außerhalb der Toleranz liegen. Die Geräusche sind auf die diversen Schweißprozesse und Parameter abgestimmt. Zum Beispiel bei einem MIG-Sprüh-Lichtbogenschweißprozess ist ein knisterndes Geräusch zur Verfügung gestellt, wenn der Benutzer die MWT 160 nicht korrekt positioniert hat, und ein zischendes Geräusch ist zur Verfügung gestellt, wenn die MWT 160 ist korrekt positioniert ist. Bei einem Kurzlichtbogen-Schweißprozess ist eine ständiges knisterndes oder Bratgeräusch für korrekte Schweißtechnik zur Verfügung gestellt, und ein zischendes Geräusch kann zur Verfügung gestellt sein, wenn Einbrandkerben auftreten. Diese Geräusche imitieren in der realen Welt die Geräusche entsprechend einer korrekten und einer nicht korrekten Schweißtechnik.
Ein klangtreuer Geräuschgehalt kann aus Aufzeichnungen der realen Welt bei tatsächlichem Schweißen unter Verwendung einer Vielzahl von elektronischen und mechanischen Mitteln gemäß diverser Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung aufgenommen werden. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die wahrgenommene Lautstärke und Richtung des Geräuschs je nach der Position, der Ausrichtung und dem Abstand des Kopfs des Benutzers (unter der Annahme, dass der Benutzer eine FMDD 140 trägt, die durch den ST 120 geführt wird) mit Bezug auf den simulierten Lichtbogen zwischen der MWT 160 und dem WC 180 modifiziert. Ein Geräusch kann dem Benutzer zum Beispiel über Ohrstöpsel im Helm 900 oder über in der Konsole 35 oder dem Ständer 170 konfigurierte Lautsprecher geliefert werden.
Umgebungsmodelle 1203 sind dazu vorgesehen, diverse Hintergrundszenen (still und in Bewegung) im virtuellen Realitätsraum zu liefern. Derartige Hintergrundumgebungen können zum Beispiel eine Schweißwerkstatt, eine Rennbahn im Freien, eine Garage, etc. und sich bewegende Autos, Leute, Vögel, Wolken und diverse Umgebungsgeräusche enthalten. Die Hintergrundumgebung kann gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung interaktiv sein. Zum Beispiel kann es sein, dass ein Benutzer einen Hintergrundbereich vor dem Start des Schweißens beobachten muss, um sicherzustellen, dass die Umgebung für das Schweißen geeignet (d. h. sicher) ist. Brenner- und Klammermodelle 1202 sind zur Verfügung gestellt, welche diverse MWTs 160 einschließlich, zum Beispiel, Pistolen, Halter mit Stab-Elektroden, etc. im virtuellen Realitätsraum nachbilden.
Übungsstückmodelle 1210 sind zur Verfügung gestellt, welche diverse WCs 180 einschließlich, zum Beispiel, Flachplatten-Übungsstücken, T-Verbindungs-Übungsstücken, Stoßverbindungs-Übungsstücken, Stumpfnaht-Übungsstücken und Rohr-Übungsstücken (z. B. Rohr mit 2 Zoll Durchmesser und Rohr mit 6 Zoll Durchmesser) im virtuellen Realitätsraum nachbilden. Alternativ oder zusätzlich können Schweißübungsstückmodelle Mehrfachversionen enthalten, wobei die Übungsstücke einen oder mehrere Schweißübungsstücktypen in einem einzigen Formfaktor enthalten. Zum Beispiel kann ein beispielhaftes Mehrfach-Schweißübungsstück eine T-Verbindung, eine Stoßverbindung und eine Stumpfnaht in einer einzigen Komponente enthalten. Ein Ständer/Tischmodell 1206 ist zur Verfügung gestellt, welches die diversen Teile des Ständers 700 einschließlich eines einstellbaren Arms 714, einer Basis 724 und einer Stütze 174 zum Verbinden des einstellbaren Arms mit der Basis, wie sie im virtuellen Realitätsraum verwendet werden, nachbildet. Ein physikalisches Interfacemodell 1201 ist zur Verfügung gestellt, welches die diversen Teile des Benutzer-Interfaces Schweißen 130, der Konsole 135 und der ODD 150 im virtuellen Realitätsraum nachbildet.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Simulation einer Schweißraupe oder eines Schweißbads im virtuellen Realitätsraum bewerkstelligt, wobei die simulierte Schweißraupe ein Fließvermögen des geschmolzenen Metalls und Wärmeleitungseigenschaften in Echtzeit aufweist. Im Zentrum der Simulation der Schweißraupe ist die Funktionalität Schweißphysik 1211 (auch bekannt als Physikmodell), welche gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf den GPUs 115 läuft. Die Funktionalität Schweißphysik verwendet eine Doppeltverschiebeschicht-Technik, um das dynamische Fließvermögen/die Viskosität, die Festigkeit, den Wärmegradienten (Wärmeabsorption und -ableitung), Schweißraupenbildung und Wulstform nachzubilden, und ist beschrieben hier mit Bezug auf 18 genauer beschrieben.
Die Funktionalität Schweißphysik 1211 kommuniziert mit der Funktionalität Schweißnahtgestaltung 1217, um eine Schweißwulst in allen Zuständen vom erhitzen geschmolzenen Zustand bis zum abgekühlten verfestigten Zustand wiederzugeben. Die Funktionalität Schweißnahtgestaltung 1217 verwendet die Informationen von der Funktionalität Schweißphysik 1211 (z. B. Wärme, Fließvermögen, Verschiebeweg, Münzenabstand), um eine Schweißwulst im virtuellen Realitätsraum in Echtzeit akkurat und realistisch wiederzugeben. Die Funktionalität 3D-Texturen 1218 liefert Texturkarten an die Funktionalität Schweißnahtgestaltung 1217, um zusätzliche Texturen (z. B. Versengungen, Schlacke, Körner) der simulierten Schweißwulst zu überlagern. Zum Beispiel kann gezeigt werden, wie Schlacke während und gerade nach einem Schweißprozess über einer Schweißwulst aufgetragen und dann abgenommen wird, um die darunter liegende Schweißwulst offen zu legen. Die Funktionalität Renderer 1216 wird verwendet, um diverse nicht für die Schweißraupe spezifische Eigenschaften unter Verwendung von Informationen des Moduls räumliche Effekte 1222 einschließlich Funken, Spritzer, Rauch, Lichtbogenglühen, Dämpfe und Gase, und bestimmte Unterbrechungen wie z. B. zum Beispiel Einbrandkerben und Porosität wiederzugeben.
Das interne Physik-Einstellwerkzeug 1212 ist ein Tweaker-Werkzeug, das erlaubt, dass diverse Schweißphysik-Parameter für die diversen Schweißprozesse definiert, auf neuesten Stand gebracht, und modifiziert werden. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung läuft das interne Physik-Einstellwerkzeug 1212 auf der CPU 111 und die anzupassenden oder auf neuesten Stand zu bringenden Parameter werden auf die GPUs 115 heruntergeladen. Die Parametertypen, die über das interne Physik-Einstellwerkzeug 1212 angepasst werden können, enthalten Parameter in Bezug auf die Schweißübungsstücke, Prozessparameter, die erlauben, dass ein Prozess geändert wird, ohne dass ein Schweißübungsstück zurückgesetzt wird (erlaubt einen zweiten Durchgang), diverse globale Parameter, die geändert werden können, ohne dass die gesamte Simulation zurückgesetzt wird, und diverse andere Parameter.
19 ist ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens 1300 zum Training unter Verwendung des virtuellen Schweißsystems 100 von 1. Schritt 1310: Bewegen einer Schweißwerkzeug-Attrappe mit Bezug auf ein Schweißübungsstück gemäß einer Schweißtechnik. Schritt 1320: Nachverfolgen der Position und Ausrichtung der Schweißwerkzeug-Attrappe im dreidimensionalen Raum unter Verwendung eines virtuellen Realitäts-Systems. Schritt 1330: Betrachten einer Anzeige des virtuellen Realitäts-Schweißsystems, die eine virtuelle Realitäts-Simulation der Schweißwerkzeug-Attrappe und des Schweißübungsstücks in einem virtuellen Realitätsraum in Echtzeit zeigt, während die simulierte Schweißwerkzeug-Attrappe ein simuliertes Schweißwulstmaterial auf wenigstens eine simulierte Fläche des simulierten Schweißübungsstücks durch Bilden einer simulierten Schweißraupe in der Nachbarschaft eines von der simulierten Schweißwerkzeug-Attrappe ausgehenden simulierten Lichtbogens ablagert. Schritt 1340: Betrachten des Fließvermögens des geschmolzenen Metalls und der Wärmeleitungseigenschaften der simulierten Schweißraupe in Echtzeit auf der Anzeige. Schritt 1350: modifizieren wenigstens eines Aspekts der Schweißtechnik in Reaktion auf das Betrachten des Fließvermögens des geschmolzenen Metalls und der Wärmeleitungseigenschaften der simulierten Schweißraupe in Echtzeit.
Das Verfahren 1300 stellt dar, wie ein Benutzer in der Lage ist, eine Schweißraupe im virtuellen Realitätsraum zu betrachten und seine Schweißtechnik in Reaktion auf das Betrachten diverser Eigenschaften der simulierten Schweißraupe modifizieren, einschließlich des Fließvermögens des geschmolzenen Metalls (z. B. Viskosität) und der Wärmeableitung in Echtzeit. Der Benutzer kann auch andere Eigenschaften betrachten und auf sie reagieren, einschließlich Schweißraupenbildung und Münzenabstand in Echtzeit. Das Betrachten von und Reagieren auf Eigenschaften der Schweißraupe ist, wie die meisten Schweißvorgänge in der realen Welt tatsächlich ausgeführt werden. Das Doppeltverschiebeschicht-Modell der Funktionalität Schweißphysik 1211 läuft auf den GPUs 115 und erlaubt, dass derartige Eigenschaften des Fließvermögens des geschmolzenen Metalls und der Wärmeleitung in Echtzeit genau nachgebildet und dem Benutzer dargeboten werden können. Zum Beispiel bestimmt die Wärmeableitung die Verfestigungszeit (d. h. wie viel Zeit benötigt wird, dass ein Wexel sich vollständig verfestigt).
Weiterhin kann ein Benutzer unter Verwendung der gleichen oder einer anderen (z. B. einer zweiten) Schweißwerkzeug-Attrappe und/oder Schweißprozesses einen zweiten Durchgang über das Schweißwulstmaterial durchführen. In einem derartigen zweiten Durchgangsszenario zeigt die Simulation die simulierte Schweißwerkzeug-Attrappe, das Schweißübungsstück und das ursprüngliche simulierte Schweißwulstmaterial im virtuellen Realitätsraum, wenn die simulierte Schweißwerkzeug-Attrappe ein zweites simuliertes Schweißwulstmaterial ablagert, das sich mit dem ersten simulierten Schweißwulstmaterial durch Bilden einer zweiten simulierten Schweißraupe in der Nachbarschaft eines von der simulierten Schweißwerkzeug-Attrappe ausgehenden simulierten Lichtbogens vereint. Weitere darauf folgende Durchgänge unter Verwendung von gleichen oder anderen Schweißwerkzeugen oder Prozessen können auf ähnliche Weise durchgeführt werden. In jedem zweiten oder folgenden Durchgang wird das vorherige Schweißwulstmaterial mit dem neuen Schweißwulstmaterial vereint, das abgelagert wird, wenn eine neue Schweißraupe im virtuellen Realitätsraum aus der Kombination von vorherigem Schweißwulstmaterial, neuem Schweißwulstmaterial und möglicherweise dem darunter angeordneten Schweißübungsstücksmaterial gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gebildet wird. Derartige folgende Durchgänge können notwendig sein, um eine große Kehlnaht oder Stumpfnaht anzufertigen, was zum Beispiel zur Reparatur einer Schweißwulst von einem vorherigen Durchgang durchführt wird, oder können einen Heißdurchgang und einen oder mehrere Füll- und Abdeckdurchgänge nach einem Wurzellagendurchgang enthalten, wie es beim Rohrschweißen geschieht. Gemäß diversen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das Schweißwulst- und Basismaterial Flussstahl, rostfreien Stahl, Aluminium, Legierungen auf Nickelbasis oder andere Materialien enthalten.
Die 20A–20B stellen das Konzept einer Schweißelement (Wexel)-Displacement-Map (Verschiebeweg-Karte) 1420 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. 20A zeigt eine Seitenansicht eines flachen Schweißübungsstücks (WC) 1400 mit einer flachen oberen Fläche 1410. Das Schweißübungsstück 1400 existiert in der realen Welt zum Beispiel als ein Kunststoffteil und existiert auch im virtuellen Realitätsraum als ein simuliertes Schweißübungsstück. 20B zeigt eine Darstellung der oberen Fläche 1410 des simulierten WC 1400, aufgeteilt in ein Gitter oder Feld von Schweißelementen (d. h. Wexel), die eine Wexel-Map 1420 bilden. Jedes Wexel (z. B. Wexel 1421) definiert einen kleinen Teil der Fläche 1410 des Schweißübungsstücks. Die Wexel-Map definiert die Flächenauflösung. Änderbare Kanalparameter-Werte sind jedem Wexel zugeordnet, was erlaubt, dass die Werte jedes Wexels sich während eines simulierten Schweißprozesses im virtuellen Realitätsraum dynamisch in Echtzeit ändern. Die änderbaren Kanalparameter-Werte entsprechen den Kanälen Schweißraupe (Fließvermögen des geschmolzenen Metalls/Viskositätsverschiebung), Wärme (Wärmeabsorption/-ableitung), Verschiebung (feste Verschiebung) und Extras (diverse Zusatzzustände, z. B. Schlacke, Körner, Versengung, unberührtes Metall). Diese änderbaren Kanäle werden hier als PHED bezeichnet, für Schweißraupe, Wärme, Extras und Verschiebung (Puddle, Heat, Extra, und Displacement).
20 stellt eine beispielhafte Ausführungsform eines Schweißübungsstücksraums und eines Schweißraums des flachen Schweißübungsstücks (WC) 1400 von 14 dar, simuliert im virtuellen Schweißsystem 100 von 1. Die Punkte O, X, Y, und Z definieren den lokalen 3D-Schweißübungsstückraum. Im Allgemeinen definiert jeder Schweißübungsstück-Typ die Zuordnung des 3D-Schweißübungsstückraums zum virtuellen 2D-Realitäts-Schweißraum. Die Wexel-Map 1420 von 20 ist ein zweidimensionales Feld von Werten, die dem Schweißraum in der virtuellen Realität zugeordnet sind. Ein Benutzer soll von Punkt B zu Punkt E schweißen, wie in 20 gezeigt. Eine Bahnlinie von Punkt B zu Punkt E ist in sowohl dem 3D-Schweißübungsstückraum als auch dem 2D-Schweißraum in 20 gezeigt.
Jeder Typ von Schweißübungsstück definiert die Richtung der Verschiebung für jede Position in der Wexel-Map. Für das flache Schweißübungsstück von 21 ist die Richtung der Verschiebung an allen Positionen in der Wexel-Map gleich (d. h. in Z-Richtung). Die Texturkoordinaten der Wexel-Map sind als S, T (manchmal U, V genannt) sowohl im 3D-Schweißübungsstückraum als auch im 2D-Schweißraum gezeigt, um die die Zuordnung deutlich zu machen. Die Wexel-Map ist der rechteckigen Fläche 1410 des Schweißübungsstücks 1400 zugeordnet und repräsentiert diese.
22 stellt eine beispielhafte Ausführungsform eines Schweißübungsstückraums und eines Schweißraums eines Eckstück(T-Verbindung)-Schweißübungsstücks (WC) 1600 dar, simuliert im virtuellen Schweißsystem 100 von 1. Das Eckstück WC 1600 hat zwei Flächen 1610 und 1620 im 3D-Schweißübungsstückraum, die dem 2D-Schweißraum zugeordnet sind, wie in 22 gezeigt. Wieder definieren die Punkte O, X, Y, und Z den lokalen 3D-Schweißübungsstückraum. Die Texturkoordinate der Wexel-Map sind sowohl im 3D-Schweißübungsstückraum als auch im 2D-Schweißraum als S, T gezeigt, um die Zuordnung deutlich zu machen. Ein Benutzer soll von Punkt B zu Punkt E schweißen, wie in 22 gezeigt. Eine Bahnlinie von Punkt B zu Punkt E ist sowohl im 3D-Schweißübungsstückraum als auch im 2D-Schweißraum in 22 gezeigt. Jedoch ist die Richtung der Verschiebung zur Linie X'-O', wie im 3D-Schweißübungsstückraum gezeigt, zum entgegengesetzten Eckstück, wie in 22 gezeigt.
23 stellt eine beispielhafte Ausführungsform eines Schweißübungsstückraums und eines Schweißraums eines Rohr-Schweißübungsstücks (WC) 1700 dar, simuliert im virtuellen Schweißsystem 100 von 1. Das Rohr-WC 1700 hat eine gekrümmte Fläche 1710 im 3D-Schweißübungsstückraum, die dem 2D-Schweißraum zugeordnet ist, wie in 23 gezeigt. Wieder definieren die Punkte O, X, Y und Z den lokalen 3D-Schweißübungsstückraum. Die Texturkoordinaten der Wexel-Map sind als S, T sowohl im 3D-Schweißübungsstückraum als auch im 2D-Schweißraum gezeigt, um die die Zuordnung deutlich zu machen. Ein Benutzer soll von Punkt B zu Punkt E entlang einer gekrümmten Bahn schweißen, wie in 23 gezeigt. Eine Bahnkurve und -linie von Punkt B zu Punkt E ist im 3D-Schweißübungsstückraum bzw. im 2D-Schweißraum in 23 gezeigt. Die Richtung der Verschiebung ist weg von der Linie Y-0 (d. h. weg von der Mitte des Rohrs).
In ähnlicher Weise, wie eine Textur-Map einem rechteckigen Flächebereich einer Geometrie zugeordnet werden kann, kann eine schweißbare Wexel-Map einer rechteckigen Fläche eines Schweißübungsstücks zugeordnet werden. Jedes Element der schweißbaren Map wird als Wexel bezeichnet, genau wie jedes Element eines Bilds als Pixel bezeichnet wird (eine Abkürzung/Zusammenziehung von Picture Element). Ein Pixel enthält Informationskanäle, die eine Farbe definieren (z. B. rot, grün, blau, etc.). Ein Wexel enthält Informationskanäle (z. B. P, H, E, D), die eine schweißbare Fläche im virtuellen Realitätsraum definieren.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Format eines Wexels als Kanäle PHED zusammengefasst (Schweißraupe, Wärme, Extras, Verschiebung) (Puddle, Heat, Extra, Displacement), welche vier Fließkommazahlen enthalten. Der Kanal Extras wird als ein Satz von Bits behandelt, welche logische Informationen über das Wexel speichern, wie z. B. zum Beispiel ob sich eine Schlacke auch an der Wexel-Position befindet oder nicht. Der Kanal Schweißraupe speichert einen Verschiebungswert für verflüssigtes Metall an der Wexel-Position. Der Kanal Verschiebung speichert einen Verschiebungswert für das verfestigte Metall an der Wexel-Position. Der Kanal Wärme speichert einen Wert, der den Betrag der Wärme an der Wexel-Position angibt. Auf diese Weise kann der schweißbare Teil des Schweißübungsstücks eine Verschiebung auf Grund eines geschweißten Wulstes, eine schimmernde Fläche ”Schweißraupe” auf Grund von flüssigem Metall, eine Farbe auf Grund von Wärme, etc. zeigen. All diese Effekte werden durch die Anwendung der Vertex- und Pixel-Shader auf die schweißbare Fläche erzielt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden eine Displacement-Map und ein Partikelsystem verwendet, wobei die Partikel miteinander wechselwirken und mit der Displacement-Map kollidieren können. Die Partikel sind virtuelle dynamische Fluid-Partikel und liefern das Flüssigverhalten der Schweißraupe, werden aber nicht direkt wiedergegeben (d. h. sind nicht direkt sichtbar). Stattdessen sind nur die Partikel-Effekte auf der Displacement-Map sichtbar. Die Wärmeübertragung auf einen Wexel beeinflusst die Bewegung von benachbarten Partikeln. Es gibt zwei Typen der Verschiebung beim Simulieren einer Schweißraupe, nämlich Schweißraupe und Verschiebung. Schweißraupe ist ”temporär” und dauert nur solange an, wie sind Partikel und Wärme vorhanden sind. Verschiebung ist ”permanent”. Die Schweißraupenverschiebung ist das flüssige Metall der Schweißung, welches sich schnell ändert (z. B. schimmert) und das man als ”oben drauf” auf der Verschiebung ansehen kann. Die Partikel überlagern einen Teil einer Displacement-Map einer virtuellen Fläche (d. h. einer Wexel-Map). Die Verschiebung repräsentiert das permanente feste Metall einschließlich sowohl des ursprünglichen Basismetalls als auch der verfestigten Schweißwulst.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung arbeitet der simulierte Schweißprozess im virtuellen Realitätsraum wie folgt: Partikel strömen vom Emitter (Emitter der simulierten MWT 160) in einem dünnen Kegel. Die Partikel machen ersten Kontakt mit der Fläche des simulierten Schweißübungsstücks, wobei die Fläche durch eine Wexel-Map definiert wird. Die Partikel wechselwirken miteinander und der Wexel-Map und bauen sich in Echtzeit auf. Mehr Wärme wird zugefügt, je näher ein Wexel dem Emitter ist. Die Wärme wird in Abhängigkeit vom Abstand vom Lichtbogenpunkt und der Zeit gestaltet, während der Wärme vom Lichtbogen zugeführt wird. Bestimmte Ansichten (z. B. Farbe, etc.) werden durch die Wärme gesteuert. Eine Schweißraupe wird im virtuellen Realitätsraum für Wexel mit genügend Wärme gezeichnet oder wiedergegeben. Wo es heiß genug ist, verflüssigt sich die Wexel-Map, wodurch die Verschiebung der Schweißraupe sich für diese Wexel-Positionen ”nach oben erhebt”. Die Verschiebung der Schweißraupe wird durch Abtastung des ”höchsten” Partikels an jeder Wexel-Position bestimmt. Wenn sich der Emitter weiter entlang der Schweißbahn bewegt, kühlen sich die verlassenen Wexel-Positionen ab. Die Wärme wird von einer Wexel-Position in einer bestimmten Rate weggenommen. Wenn eine Abkühlschwelle erreicht ist, verfestigt sich die Wexel-Map. Somit wird die Verschiebung der Schweißraupe graduell in Verschiebung umgewandelt (d. h. eine verfestigte Wulst). Die zugefügte Verschiebung ist äquivalent zur Abnahme der Schweißraupe, so dass die Gesamthöhe sich nicht ändert. Die Lebensdauern der Partikel werden eingestellt oder angepasst, damit sie bestehen, bis die Verfestigung abgeschlossen ist. Bestimmte Partikeleigenschaften, die im virtuellen Schweißsystem 100 nachgebildet werden, enthalten die Anziehung/Abstoßung, Geschwindigkeit (in Bezug auf Wärme), Dämpfung (in Bezug auf Wärmeableitung), Richtung (in Bezug auf die Schwerkraft).
24A–24C stellen eine beispielhafte Ausführungsform des Konzepts eines Doppeltverschiebung(Verschiebung und Partikel)-Schweißraupenmodells des virtuellen Schweißsystems 100 von 1 dar. Die Schweißübungsstücke werden im virtuellen Realitätsraum mit wenigstens einer Fläche simuliert. Die Flächen des Schweißübungsstücks werden im virtuellen Realitätsraum als eine Doppeltverschiebungsschicht einschließlich einer festen Verschiebungsschicht und einer Verschiebung der Schweißraupenschicht simuliert. Die Verschiebung der Schweißraupenschicht kann die feste Verschiebungsschicht modifizieren.
Wie hier beschrieben, ist ”Schweißraupe” durch einen Bereich der Wexel-Map definiert, wo der Schweißraupenwert durch die Anwesenheit von Partikeln angehoben worden ist. Der Abtastprozess ist in 24A – 24C dargestellt. Ein Abschnitt einer Wexel-Map mit sieben benachbarten Wexeln ist gezeigt. Die gegenwärtigen Verschiebungswerte sind durch nicht schattierte rechteckige Stäbe 1910 einer gegebenen Höhe (d. h. eine gegebene Verschiebung für jeden Wexel) dargestellt. In 24A sind die Partikel 1920 als runde, nicht schattierte Punkte gezeigt, die mit den gegenwärtigen Verschiebungswerten kollidieren und aufgestapelt sind. In 24B sind die ”höchsten” Partikelhöhen 1930 an jeder Wexel-Position abgetastet. In 24C zeigen die schattierten Rechtecke 1940, wie viel Schweißraupe oben auf die Verschiebung als Ergebnis der Partikel aufgebracht wurde. Die Schweißraupenhöhe wird nicht sofort auf die abgetasteten Werte eingestellt, die Schweißraupenhöhe wird in einer bestimmten Verflüssigungsrate auf Grundlage der Wärme zugefügt. Obwohl in 24A–24C, ist es möglich, den Verfestigungsprozess sichtbar zu machen, wenn die Schweißraupe (schattierte Rechtecke) graduell schrumpft und die Verschiebung (nicht schattierte Rechtecke) graduell wächst von unten, um exakt die Stelle der Schweißraupe einzunehmen. Auf diese Weise werden die Eigenschaften des Fließvermögens des geschmolzenen Metalls in Echtzeit akkurat simuliert. Wenn ein Benutzer einen spezielle Schweißprozess ausübt, ist der Benutzer in der Lage, die Eigenschaften des Fließvermögens des geschmolzenen Metalls und die Wärmeleitungseigenschaften der Schweißraupe in Echtzeit im virtuellen Realitätsraum zu beobachten und diese Informationen zum Einstellen oder Beibehalten seiner Schweißtechnik zu verwenden.
Die Anzahl der die Fläche eines Schweißübungsstücks darstellenden Wexel ist fest. Weiterhin sind die Schweißraupen-Partikel, die durch die Simulation zum nachbilden des Fließvermögens erzeugt werden, temporär, wie hier beschrieben. Sobald daher eine anfängliche Schweißraupe im virtuellen Realitätsraum während eines simulierten Schweißprozesses unter Verwendung des virtuellen Schweißsystems 100 erzeugt ist, tendiert die Anzahl der Wexel plus der Schweißraupen-Partikel dazu, relativ konstant zu bleiben. Dies ist deshalb so, da die Anzahl der Wexel, die verarbeitet werden, fest ist, und die Anzahl der Schweißraupen-Partikel, die existieren und während des Schweißprozesses verarbeitet werden, dazu tendieren, relativ konstant zu bleiben, weil die Schweißraupen-Partikel in einer ähnlichen Rate gebildet und ”zerstört” werden (d. h. die Schweißraupen-Partikel sind temporär). Daher bleibt die Verarbeitungsmenge des PPS 110 während einer simulierten Schweißsitzung relativ konstant.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können Schweißraupen-Partikel in oder unter der Fläche des Schweißübungsstücke erzeugt werden. In einer derartigen Ausführungsform kann die Verschiebung als positiv oder negativ mit Bezug auf die ursprüngliche Flächenverschiebung eines unberührten (d. h. ungeschweißten) Schweißübungsstücks nachgebildet werden. Auf diese Weise können sich Schweißraupen-Partikel nicht nur auf der Fläche eines Schweißübungsstücks aufbauen, sondern können auch in das Schweißübungsstück eindringen. Jedoch ist die Anzahl der Wexel immer noch fest, und die erzeugten und zerstörten Schweißraupen-Partikel sind immer noch relativ konstant.
Gemäß alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann anstelle der Nachbildung der Partikel eine Wexel-Displacement-Map mit mehr Kanälen vorgesehen sein, um das Fließvermögen der Schweißraupe nachzubilden. Oder anstelle der Nachbildung der Partikel kann eine dichte Voxel-Map nachgebildet werden. Wie hier verwendet, ist ein Voxel (z. B. volumetrisches Pixel) ein Volumenelement, das einen Wert auf einem regulären Gitter im dreidimensionalen Raum darstellt. Oder anstelle einer Wexel-Map können nur Partikel nachgebildet werden, welche abgetastet sind und niemals verschwinden. Derartige alternative Ausführungsformen können jedoch keine relativ konstante Verarbeitungsmenge für das System liefern.
Weiterhin wird gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Durchblasen oder ein ”Schlüsselloch” durch Wegnahme von Material simuliert. Falls zum Beispiel ein Benutzer einen Lichtbogen zu lange an der gleichen Position behält, würde in der realen Welt das Material wegbrennen und die Bildung eines Lochs verursachen. Ein derartige Durchbrennen in der realen Welt wird im virtuellen Schweißsystem 100 durch Dezimierungstechniken von Wexeln simuliert. Falls der von einem Wexel absorbierte Betrag von Wärme durch das virtuelle Schweißsystem 100 als zu hoch bestimmt wird, kann dieses Wexel markiert werden, oder weggebrannt bezeichnet, und derart gestaltet werden (z. B. als Loch gestaltet). Darauffolgend kann jedoch ein Wexel-Wiederaufbau für einen bestimmten Schweißprozess (z. B. Rohrschweißen) auftreten, wobei Material, nachdem es anfangs weggebrannt wurde, wieder zurückgeführt wird. Im Allgemeinen simuliert das virtuelle Schweißsystem 100 eine Wexel-Dezimierung (Wegnahme von Material) und einen Wexel-Wiederaufbau (d. h. Rückführung von Material). Weiterhin wird die Wegnahme von Material beim Wurzellage-Schweißen im virtuellen Schweißsystem 100 korrekt simuliert.
Weiterhin wird die Wegnahme von Material beim Wurzellage-Schweißen im virtuellen Schweißsystem 100 korrekt simuliert. Zum Beispiel kann in der realen Welt das Schleifen der Wurzellage vor dem folgenden Schweißvorgang ausgeführt werden. In ähnlicher Weise kann das virtuelle Schweißsystem 100 einen Schleifdurchgang simulieren, der Material von der virtuellen Schweißverbindung wegnimmt. Es ist darauf hinzuweisen, dass das weggenommene Material als negative Verschiebung auf der Wexel-Map nachgebildet werden kann. Das heißt, dass der Schleifdurchgang Material wegnimmt, das durch das virtuelle Schweißsystem 100 nachgebildet wird und in einer geänderten Wulstkontur resultiert. Die Simulation des Schleifdurchgangs kann automatisch erfolgen, was heißt, dass das virtuelle Schweißsystem 100 eine vorbestimmte Dicke von Material wegnimmt, welche sich auf die Fläche der Schweißwulst der Wurzellage beziehen kann.
In einer alternativen Ausführungsform kann ein tatsächliches Schleifwerkzeug oder eine Schleifmaschine simuliert werden, das oder die durch Aktivierung der Schweißwerkzeug-Attrappe 160 oder einer weiteren Eingangsvorrichtung ein- oder ausgeschaltet wird/werden. Es wird angemerkt, dass das Schleifwerkzeug simuliert werden kann, um einer Schleifmaschine in der realen Welt zu ähneln. In dieser Ausführungsform manövriert der Benutzer das Schleifwerkzeug entlang der Wurzellage, um in Reaktion auf dessen Bewegung Material zu entfernen. Es wird darauf hingewiesen, dass dem Benutzer erlaubt sein kann, zu viel Material zu entfernen. Auf ähnliche Art und Weise wie oben beschrieben, können Löcher oder andere Mängel (weiter oben beschrieben) resultieren, falls der Benutzer zu viel Material weg schleift. Dennoch können harte Grenzen oder Stopps realisiert werden, d. h. programmiert werden, um zu verhindern, dass der Benutzer zu viel Material entfernt, oder um anzuzeigen, wenn zu viel Material weggenommen wird.
Zusätzlich zu den nicht sichtbaren ”Schweißraupen”-Partikeln, wie hier beschrieben, verwendet das virtuelle Schweißsystem 100 weiterhin drei andere Typen von sichtbaren Partikeln, um gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Lichtbogen-, Flammen- und Funken-Effekte zu repräsentieren. Diese Typen von Partikeln stehen nicht mit anderen Partikeln von irgendeinem Typ in Wechselwirkung, sondern stehen nur mit der Displacement-Map in Wechselwirkung. Während diese Partikel mit der simulierten Schweißfläche kollidieren, stehen sie nicht miteinander in Wechselwirkung. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stehen nur Schweißraupen-Partikel miteinander in Wechselwirkung. Die Physik der Funken-Partikel ist derart aufgebaut, dass die Funken-Partikel herumspringen und im virtuellen Realitätsraum werden sie als glühende Punkte wiedergegeben.
Die Physik der Lichtbogen-Partikel ist derart aufgebaut, dass die Lichtbogen-Partikel auf die Fläche des simulierten Schweißübungsstücks oder der Schweißwulst auftreffen und für eine Weile bleiben. Die Lichtbogen-Partikel werden als größere, matte blau-weiße Stellen im virtuellen Realitätsraum wiedergegeben. Es müssen viele derartige Stellen übereinander gelegt werden, um eine Art von sichtbarem Bild zu formen. Das Endergebnis ist ein weiß glühender Nimbus mit blauen Kanten.
Die Physik der Flammen-Partikel wird als langsam nach oben ansteigend nachgebildet. Die Flammen-Partikel werden als matte, rotgelbe Flecken mittlerer Größe wiedergegeben. Es müssen viele derartige Stellen übereinander gelegt werden, um eine Art von sichtbarem Bild zu formen. Das Endergebnis sind Kleckse von orange-roten Flammen mit roten Kanten, die sich nach oben erstrecken und verblassen. Andere Typen von Nicht-Schweißraupen-Partikeln können gemäß anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im virtuellen Schweißsystem 100 realisiert werden. Zum Beispiel können Rauch-Partikel nachgebildet werden und in ähnlicher Weise wie Flammen-Partikel simuliert werden.
Die letzten Schritte der simulierten Visualisierung werden durch die durch die Shader 117 der GPUs 115 vorgesehenen Vertex- und Pixel-Shader behandelt. Die Vertex- und Pixel-Shader wenden die Schweißraupe und die Verschiebung an, ebenso wie die aufgrund der Wärme etc. geänderten Oberflächenfarben und Reflektivität. Der Kanal Extras (E) des PHED-Wexel-Formats, wie weiter oben diskutiert, enthält alle pro Wexel verwendeten Extra-Informationen. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten die Extra-Informationen ein nicht unberührtes Bit (true = Wulst, false = unberührter Stahl), ein Schlacke-Bit, einen Einbrandkerben-Wert (Betrag der Einbrandkerbe an diesem Wexel, wobei Null keine Einbrandkerbe bedeutet), einen Porositäts-Wert (Menge von Porosität an diesem Wexel, wobei Null keine Porosität bedeutet), und eine Wulstbildungs-Wert, welcher die Zeit codiert, zu der Wulst sich verfestigt. Es gibt einen Satz von Bild-Maps, zugeordnet zu unterschiedlichen Schweißübungsstück-Ansichten einschließlich unberührtem Stahl, Schlacke, Wulst und Porosität. Diese Bild-Maps werden sowohl für die Relief-Zuordnung als auch die Textur Zuordnung verwendet. Die Mischung dieser Bild-Maps wird durch die diverse Flags und Werte gesteuert, wie hier beschrieben.
Ein Wulstbildungs-Effekt wird unter Verwendung einer 1D-Bild-Map und eines Wulstbildungswerts pro Wexel erzielt, wie hier beschrieben, der die Zeit codiert, zu der eine gegebener Wulst verfestigt ist. Sobald eine Wexel-Position einer heißen Schweißraupe nicht mehr heiß genug ist, um ”Schweißraupe” genannt zu werden, wird eine Zeit an dieser Position gespeichert und ”Wulstbildung” genannt. Das Endergebnis ist, dass der Shader-Code in der Lage ist, die 1D-Textur-Map, die ”Rippel” zu zeichnen, die einer Wulst ihr spezifisches Erscheinungsbild gibt, welches die Richtung anzeigt, in welcher die Wulst abgelegt wurde. Gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das virtuelle Schweißsystem 100 in der Lage, im virtuellen Realitätsraum eine Schweißwulst mit einer charakteristischen Schweißwulstbildung in Echtzeit zu simulieren und anzuzeigen, die aus einem Übergang Fließvermögen-zu-Verfestigung der simulierten Schweißraupe in Echtzeit resultiert, wenn die simulierte Schweißraupe entlang einer Schweißbahn bewegt wird.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das virtuelle Schweißsystem 100 in der Lage, einem Benutzer zu lehren, wie Fehler bei einer Schweißmaschine gesucht werden. Zum Beispiel kann ein Fehlersuchmodus des Systems einen Benutzer trainieren, um sicherzustellen, dass das System korrekt aufbaut (z. B. korrekte Gasflussrate, korrekte Netzleitung angeschlossen, etc.) Gemäß einer weiteren alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das virtuelle Schweißsystem 100 in der Lage, ein Schweißsitzung (oder wenigstens einen Teil einer Schweißsitzung, zum Beispiel N-Frames) aufzuzeichnen und abzuspielen. Ein Trackball kann vorgesehen sein, um durch Videoframes zu scrollen, was einem Benutzer oder Ausbilder das Kritisieren einer Schweißsitzung erlaubt. Eine Playback-Funktion mit wählbaren Geschwindigkeiten ebenso kann vorgesehen sein (z. B. volle Geschwindigkeit, halbe Geschwindigkeit, Viertel-Geschwindigkeit). Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Split-Screen-Playback-Funktion vorgesehen sein, wodurch zwei Schweißsitzungen nebeneinander zum Beispiel auf der ODD 150 betrachtet werden können. Zum Beispiel kann eine ”gute” Schweißsitzung neben einer ”schlechten” Schweißsitzung für Vergleichszwecke betrachtet werden.
Zusammengefasst ist ein Virtuelle-Realitäts-Schweißsystem in Echtzeit einschließlich einem programmierbaren Prozessor-basierten Subsystem, einem räumlicher Tracker, der funktionell mit dem programmierbaren Prozessor-basierten Subsystem verbunden ist, wenigstens einer Schweißwerkzeug-Attrappe, die in der Lage ist, durch den räumlichen Tracker räumlich geführt zu werden, und wenigstens einer Anzeigevorrichtung, die funktionell mit dem programmierbaren Prozessor-basierten Subsystem verbunden ist, offenbart. Das Virtuelle-Realitäts-Schweißsystem ist zum mobilen Gebrauch konzipiert, wobei ein zusammenlegbarer Ständer eingesetzt wird, um ein Schweißübungsstück im Raum zur Verwendung mit der Schweißwerkzeug-Attrappe zu halten. Die Schweißwerkzeug-Attrappe enthält eine gemeinsame Basis, die mit mehreren Adaptern verbunden werden kann, wobei jeder Adapter einen speziellen Schweißtyp simuliert. Auf diese Weise ist das System in der Lage, im virtuellen Realitätsraum eine Schweißraupe mit dem Fließvermögen des geschmolzenen Metalls und den Wärmeleitungseigenschaften in Echtzeit zu simulieren. Das System ist weiterhin in der Lage, die simulierte Schweißraupe auf der Anzeigevorrichtung in Echtzeit anzuzeigen.
Die oben genannten Beispiele sind lediglich illustrativ für mehrere mögliche Ausführungsformen von diversen Aspekten der vorliegenden Erfindung, wobei für den Fachmann beim Lesen und Verstehen dieser Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen äquivalente Änderungen und/oder Modifikationen deutlich werden. In speziellem Bezug auf die diversen Funktionen, die durch die oben beschriebenen Komponenten (Anordnungen, Vorrichtungen, Systeme, Kreise und dergleichen) ausgeführt werden, sollen sich die Ausdrücke (einschließlich einem Bezug auf ein ”Mittel”), die zum Beschreiben derartiger Komponenten verwendet werden, falls nicht anders angegeben, auf alle Komponenten, wie z. B. Hardware, Software oder Kombinationen davon, beziehen, welche die angegebene Funktion der beschriebenen Komponente (z. B. ist funktional äquivalent) ausführt, selbst wenn sie in ihrem Aufbau nicht zur offenbarten Struktur äquivalent sind, welche die Funktion in den dargestellten Ausführungen der Erfindung ausführt. Weiterhin kann, obwohl ein spezielles Merkmal der Erfindung mit Bezug auf nur eine von mehreren Realisierungen offenbart worden ist, ein derartiges Merkmal mit einem oder mehreren anderen Merkmalen der anderen Realisierungen kombiniert werden, wie es für eine gegebene oder spezielle Anwendung erwünscht und vorteilhaft sein kann. Weiterhin sollen in dem Maß, wie die Ausdrücke ”enthalten/umfassen”, ”enthält/umfasst”, ”haben”, ”hat”, ”mit” oder Varianten davon in der eingehenden Beschreibung und/oder in den Ansprüchen verwendet werden, derartige Ausdrücke in einer ähnlichen Art und Weise wie der Ausdruck ”umfassend” einschließend sein. Wie hier verwendet, beziehen sich die Ausdrücke ”Bezugswert” und ”Bezugspunkt” auf eine Referenz, von welcher Messungen vorgenommen werden.
Diese Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung zu offenbaren, einschließlich der besten Ausführungsart, und auch um einem Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung auszuführen, einschließlich dem Herstellen und Verwenden beliebiger Vorrichtungen oder Systeme und dem Ausführen beliebiger enthaltener Verfahren. Der patentierbare Umfang der Erfindung wird durch die Ansprüche definiert und kann andere Beispiele enthalten, die sich für den Fachmann ergeben. Derartige andere Beispiele sollen im Umfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie Aufbauelemente aufweisen, die von der wörtlichen Sprache der Ansprüche nicht verschieden sind, oder wenn sie äquivalente Aufbauelemente mit unwesentlichen Unterschieden von der wörtlichen Sprache der Ansprüche enthalten.
Bezugszeichenliste

100: virtuelles Schweißsystem
110: programmierbares Prozessor-basiertes Subsystem
111: Zentralprozessor
112: Speicher
114: Prozessor
115: Grafikprozessor
116: Berechnen der vereinigten Geräte-Architektur
117: Shader
118: Videoausgang
119: Videoausgang
120: räumlicher Tracker
130: Benutzer-Interface Schweißen
132: Joystick
140: frontmontierte Anzeigevorrichtung
142: Sensoren
146: Helm
150: Anzeigevorrichtung
160: Schweißwerkzeug-Attrappe
162: Adapter
166: Basis
168: Sensoren
170: Ständer
172: Magnet
178: vorgegebener Abstand
180: Schweißübungsstück
200: System
300: Schweißpistole
310: Düse
312: Rohr
318: Interface
400: Stab-Schweißwerkzeug
410: simulierte Stab-Elektrode
422: Halter
500: Oxyfuel-Brenner
510: Düse
518: Interface
520: Druckknopf
522: Kragen
600: Basis
610: Interface
614: Absatz
616: Vertiefung
618: Druckknopf
620: Körper
630: Festverdrahtung
640: Befestigungen
652: Sensor
654: Kabel
658: Befestigungen
672: Platten
700: Ständer
710: Magnet
714: Arm
722: Stütze
724: Basis
732: Bolzen
738: Absatz
758: Schweißübungsstück
762: Stift
764: Stift
766: Loch
768: Loch
800: Schweißwerkzeug-Attrappe
810: Behälter
830: Benutzer-Interface
832: Wahlschalter
836: Temperaturanzeiger
838: Stromanzeiger
842: Spannungsanzeiger
854: Schritt
856: Schritt
860: alternatives Benutzer-Interface
900: Helm
1201: physikalisches Interface
1202: Brenner/Klammermodelle
1203: Umgebungsmodelle
1204: Funktionalität Geräuschgehalt
1205: Schweißgeräusche
1206: Ständer/Tischmodell
1207: Funktionalität interne Architektur
1208: Funktionalität Kalibrierung
1210: Schweißübungsstückmodelle
1211: Schweißphysik
1212: internes Physik-Einstellwerkzeug
1213: Funktionalität Benutzer-Interface
1214: Funktionalität Grafik
1215: Funktionalität Auszubildendenberichte
1216: Renderinggerät
1217: Schweißnahtgestaltung
1218: 3D-Texturen
1219: Funktionalität visuelle Hinweise
1220: Funktionalität Bewertung/Toleranz
1221: Toleranzeditor
1222: räumliche Effekte
1300: Verfahren
1310: Schritt
1320: Schritt
1330: Schritt
1340: Schritt
1350: Schritt
1400: flaches Schweißübungsstück
1410: flache Oberseite
1420: Displacement-Map
1421: Wexel
1600: Schweißübungsstück
1610: Fläche
1620: Fläche
1700: Rohr-Schweißübungsstück
1710: gekrümmte Fläche
1910: rechteckige Stäbe
1920: Partikel
1930: Partikelhöhen
1940: schattierte Rechtecke
6010: Stab-Elektrode
7018: Stab-Elektrode
E: Punkt/Informationskanal
H: Informationskanal
O: Punkt
O': Linie
P: Informationskanal
S: Texturkoordinate
T: Texturkoordinate
U: Texturkoordinate
V: Texturkoordinate
X: Punkt
X: Linie
Y: Punkt
Z: Punkt
B: Punkt
D: Informationskanal

Claims

Virtuelles Schweißsystem (100), umfassend: ein programmierbares Prozessor-basiertes Subsystem (110); einen räumlichen Tracker (120), der funktionell mit dem programmierbaren Prozessor-basierten Subsystem (110) verbunden ist; eine Schweißwerkzeug-Attrappe (160), die in der Lage ist, durch den räumlicher Tracker (120) räumlich geführt zu werden, wobei die Schweißwerkzeug-Attrappe (160) umfasst: einen oder mehrere Adapter (162), wobei jeder Adapter (162) das Erscheinungsbild eines bestimmten Schweißtyps in der realen Welt nachbildet; und eine Basis (166), die mit jedem des einen Adapters oder der mehreren Adapter (162) abnehmbar verbunden ist.
Virtuelles Schweißsystem nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen oder mehrere Sensoren (168), die innerhalb der Basis (166) angeordnet sind; und einen Magneten (172), der eine räumliche Position hat, welche durch den einen oder die mehreren Sensor(en) (168) zum Identifizieren der relativen Position der Schweißwerkzeug-Attrappe (160) zum Magneten (172) nachverfolgt wird.
Virtuelles Schweißsystem nach Anspruch 2, weiterhin umfassend: ein Schweißübungsstück (180) mit wenigstens einer Fläche, das ein zu schweißendes Teil in der realen Welt simuliert, wobei das Schweißübungsstück (180) in einem bekannten Abstand von dem Magneten (172) angeordnet ist, wobei die wenigstens eine Fläche des Schweißübungsstücks (180) in dem virtuellen Realitätsraum als eine Doppeltverschiebungsschicht einschließlich einer festen Verschiebungsschicht und einer Verschiebung der Schweißraupenschicht simuliert wird, wobei die Verschiebung der Schweißraupenschicht in der Lage ist, die feste Verschiebungsschicht zu modifizieren; wobei ein Ständer (170) vorgesehen sein kann, um den Magneten (172) und das Schweißübungsstück (180) in einer vorbestimmten räumlichen Beziehung zu tragen.
Virtuelles Schweißsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner umfassend: einen Helm (146), der von einem Benutzer getragen wird; und eine frontmontierte Anzeigevorrichtung (150), die in dem Helm (146) angeordnet ist, und welche das Fließvermögen des geschmolzenen Metalls und die Wärmeleitungseigenschaften der simulierten Schweißraupe in Echtzeit anzeigt, um einem Benutzer der Schweißwerkzeug-Attrappe (160) in Echtzeit ein visuelles Feedbacks bei Anzeige auf der frontmontierten Anzeigevorrichtung (150) zur Verfügung zu stellen, was dem Benutzer erlaubt, eine Schweißtechnik in Echtzeit in Reaktion auf das visuelle Feedback in Echtzeit einzustellen oder beizubehalten.
System nach Anspruch 4, wobei die Position des Helms (146) durch den räumlicher Tracker (120) bestimmt wird und an das programmierbare Prozessor-basierte Subsystem (110) mitgeteilt wird.
System nach Anspruch 4 oder 5, weiterhin umfassend: einen oder mehr Sensoren (168), die im Helm (146) angeordnet sind, um die räumliche Position des Helms (146) relativ zum Magneten (172) nachzuverfolgen; wobei die Sensoren vorzugsweise einer oder mehrere sind, ausgewählt aus einem kapazitiven Sensor, einem piezoelektrischen Sensor, einem Infrarot-Näherungssensor, einem Hall-Effekt-Sensor, einem Wirbelstrom-Sensor, einem induktiven Sensor einem Ultraschall-Sensor.
Schweißwerkzeug-Attrappe (160) verwendet in einem virtuellen Schweißsystem (100), umfassend: einen oder mehrere Adapter (162), wobei jeder Adapter (162) die physikalischen Eigenschaften eines bestimmten Schweißtyps nachbildet; und eine Basis (166), welche mit jedem des einen Adapters oder der mehreren Adapter (162) abnehmbar verbunden ist, wobei die Basis (166) in Echtzeit eine räumliche Position der Schweißwerkzeug-Attrappe (160) relativ zu einer Bezugsposition identifiziert.
System nach Anspruch 7, wobei der Bezugspunkt ein Schweißübungsstück (180) mit wenigstens einer Fläche beim Simulieren eines zu schweißenden Teils in der realen Welt ist, wobei das Schweißübungsstück (180) wenigstens eine Fläche aufweist und ein zu schweißendes Teil in der realen Welt simuliert, wobei die wenigstens eine Fläche des Schweißübungsstücks (180) in dem virtuellen Realitätsraum als eine Doppeltverschiebungsschicht einschließlich einer festen Verschiebungsschicht und einer Verschiebung der Schweißraupenschicht simuliert wird, wobei die Verschiebung der Schweißraupenschicht in der Lage ist, die feste Verschiebungsschicht zu modifizieren.
System nach Anspruch 8, ferner umfassend: einen Magneten (172), der in einer vorbestimmten Position relativ zum Schweißübungsstück (180) angeordnet ist; wobei ein Ständer (170) zur Verfügung gestellt sein kann, der die räumliche Position des Magneten (172) relativ zum Schweißübungsstück (180) fixiert; wobei ein oder mehrere Sensoren (168) in der Basis (166) angeordnet sein können, wobei der eine oder die mehreren Sensoren die Position der Basis (166) relativ zum Magneten (172) bestimmen; wobei die Sensoren vorzugsweise ihre Positionen an das programmierbare Prozessor-basierte Subsystem (110) kommunizieren.
System nach einem der Ansprüche 7 bis 9, ferner umfassend: ein Interface, das an einem ersten Ende der Basis (166) angeordnet ist, wobei das Interface die abnehmbare mechanische Befestigung mit jedem des einen oder der mehreren Adapter(s) (162) erleichtert.
System nach Anspruch 10, wobei das Interface wenigstens ein erstes mechanisches Merkmal aufweist, das komplementär zu wenigstens einem zweiten mechanischen Merkmal im Adapter (162) ist, um die abnehmbare mechanische Befestigung von jedem Adapter (162) an der Basis (166) zu erleichtern.
System nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei die Basis (166) weiterhin einen Auslöser aufweist, der zur Anzeige eines aktiven Schweißzustands in einem virtuellen Schweißsystem (100) verwendet wird, wobei vorzugsweise der Auslöser über eine Hülse in jedem Adapter gekoppelt ist, und die Hülse mechanisch betätigt wird, um einen aktiven Schweißzustand durch einen Benutzer über den Adapter einzuleiten.