KR20140005324A - 가상 용접물의 가상 시험 및 검사 - Google Patents

Abstract

훈련 목적으로 가상 용접물의 가상의 파괴적 및 비파괴적 시험 및 검사의 시뮬레이션을 제공하는 아크 용접 시뮬레이션이 개시된다. 가상 시험 시뮬레이션은 가상 현실 용접 시뮬레이터 시스템(예를 들면, 가상 현실 아크 용접(VRAW) 시스템)을 이용하여 생성된 가상 용접물에 대하여 수행될 수 있다. 가상 검사 시뮬레이션은 "미리 준비된"(즉, 미리 규정된) 가상 용접물에서 또는 가상 현실 용접 시뮬레이터 시스템을 이용하여 생성된 가상 용접물을 이용하여 수행될 수 있다. 일반적으로, 가상 시험은 가상 현실 용접 시뮬레이터 시스템(예를 들면, 가상 현실 아크 용접(VRAW) 시스템)을 이용하여 수행되고, 가상 검사는 독립식 가상 용접물 검사(VWI) 시스템을 이용해서 또는 가상 현실 용접 시뮬레이터 시스템(예를 들면, 가상 현실 아크 용접(VRAW) 시스템)을 이용해서 수행될 수 있다. 그러나, 본 발명의 소정의 향상된 실시형태에 따르면, 가상 시험은 독립식 VWI 시스템에서도 또한 수행될 수 있다.

Description

가상 용접물의 가상 시험 및 검사{VIRTUAL TESTING AND INSPECTION OF A VIRTUAL WELDMENT}

이 PCT 출원은 미국 특허 출원 제13/081,725호를 우선권 주장한다.

기술분야

본 발명은 가상 현실 시뮬레이션에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 용접자, 용접 검사자, 용접 교육자, 구조 기술자, 및 재료 기술자의 훈련을 위한 가상 용접물(virtual weldment)의 가상 시험 및 검사를 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

실세계 용접 및 훈련에 있어서, 용접물은 파괴적 시험 및/또는 비파괴적 시험을 받을 수 있다. 그러한 시험은 용접물의 품질 및 그에 따라서 용접자의 능력을 결정하는데 도움을 준다. 불행하게도, 예컨대 X-레이 방사선 시험과 같은 특정 유형의 비파괴 시험은 고가의 시험 장비를 필요로 하고 시험을 행함에 있어서 많은 시간이 소모될 수 있다. 또한, 파괴적 시험은, 정의적으로, 용접물을 파괴한다. 그 결과, 용접물은 파괴적 시험으로 1회만 시험할 수 있다. 또한, 용접물을 만드는 것과 용접이 양호한 용접인지를 아는 것 사이에는 산업계에서 큰 갭이 존재한다. 용접 검사 훈련은 가끔 용접물이 얼마나 양호한지 또는 얼마나 불량한지 결정하도록 용접 검사자를 적절히 훈련하기 위해 상기와 같은 파괴적 및 비파괴 시험에 의존한다. 아메리칸 용접 표준(American Welding Standard; AWS) 뿐만 아니라 다른 용접 표준 조직체는 특수 유형의 용접물에 허용되는 불연속(discontinuity) 및 결함의 유형 및 레벨에 대한 기준을 정하는 시각적 검사 표준을 제공한다.

종래의, 전통적인, 및 제안되어 있는 접근법의 추가의 제한 및 단점은 그러한 접근법을 이하에서 도면을 참조하여 본 명세서의 나머지 부분에서 설명하는 본 발명의 실시형태와 비교함으로써 명백하게 될 것이다.

훈련 목적으로 가상 용접물의 가상의 파괴적 및 비파괴적 시험 및 검사 및 재료 시험의 시뮬레이션을 제공하는 아크 용접 시뮬레이션이 여기에서 개시된다. 가상 시험 시뮬레이션은 가상 현실 용접 시뮬레이터 시스템(예를 들면, 가상 현실 아크 용접(virtual reality arc welding, VRAW) 시스템)을 이용하여 생성된 가상 용접물에 대하여 수행될 수 있다. 가상 검사 시뮬레이션은 "미리 준비된"(pre-canned)(즉, 미리 규정된) 가상 용접물에서 또는 가상 현실 용접 시뮬레이터 시스템을 이용하여 생성된 가상 용접물을 이용하여 수행될 수 있다. 일반적으로, 가상 시험은 가상 현실 용접 시뮬레이터 시스템(예를 들면, 가상 현실 아크 용접(VRAW) 시스템)을 이용하여 수행되고, 가상 검사는 독립식 가상 용접물 검사(virtual weldment inspection, VWI) 시스템을 이용해서 또는 가상 현실 용접 시뮬레이터 시스템(예를 들면, 가상 현실 아크 용접(VRAW) 시스템)을 이용해서 수행될 수 있다. 그러나, 본 발명의 소정의 향상된 실시형태에 따르면, 가상 시험은 독립식 VWI 시스템에서도 수행될 수 있다. 본 발명의 실시형태에 따르면, 독립식 VWI 시스템은 디스플레이 능력이 있는 하드웨어 및 소프트웨어의 프로그래머블 프로세서 기반형 시스템이다. 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 독립식 VRAW 시스템은 프로그래머블 프로세서 기반형 서브시스템, 프로그래머블 프로세서 기반형 서브시스템에 동작가능하게 접속된 공간 추적기(spatial tracker), 공간 추적기에 의해 공간적으로 추적될 수 있는 적어도 하나의 모조 용접 도구, 및 프로그래머블 프로세서 기반형 서브시스템에 동작가능하게 접속된 적어도 하나의 디스플레이 장치를 포함한다. VRAW 시스템은 사용자(용접자)에 의한 용접물의 형성 및 용접물과 관련된 각종 결함 및 불연속 특성을 포함한 실시간 용접 시나리오를 가상 현실 공간에서 시뮬레이트할 수 있다. 독립식 VWI 시스템과 VRAW 시스템은 둘 다 가상 용접물의 가상 검사를 수행하고, 효과를 관측하기 위해 검사 중에 있는 가상 용접물의 애니메이션을 디스플레이할 수 있다. VRAW 시스템은 가상 용접물의 가상 시험 및 가상 검사를 둘 다 수행하고 시험 또는 검사 중에 있는 가상 용접물의 애니메이션을 디스플레이할 수 있다. 가상 용접물은 대응하는 가상 현실 용접 시뮬레이터 시스템 또는 대응하는 독립식 가상 용접물 검사 시스템을 이용해서 파괴적으로 및 비파괴적으로 반복하여 시험 및 검사될 수 있다.

청구된 발명의 상기 및 다른 특징들뿐만 아니라 청구된 발명의 예시된 실시형태의 세부는 하기의 설명, 특허 청구범위 및 도면으로부터 더 잘 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 실시간 가상 현실 환경에서 아크 용접 훈련을 제공하는 시스템의 시스템 블록도의 예시적인 실시형태를 보인 도이다.
도 2는 도 1의 시스템의 결합 시뮬레이트형 용접 콘솔 및 관측자 디스플레이 장치(ODD)의 예시적인 실시형태를 보인 도이다.
도 3은 도 2의 관측자 디스플레이 장치(ODD)의 예시적인 실시형태를 보인 도이다.
도 4는 물리적 용접 사용자 인터페이스(WUI)를 보이는 도 2의 시뮬레이트형 용접 콘솔의 전면부의 예시적인 실시형태를 보인 도이다.
도 5는 도 1의 시스템의 모조 용접 도구(MWT)의 예시적인 실시형태를 보인 도이다.
도 6은 도 1의 시스템의 테이블/스탠드(T/S)의 예시적인 실시형태를 보인 도이다.
도 7A는 도 1의 시스템의 파이프 용접 쿠폰(WC)의 예시적인 실시형태를 보인 도이다.
도 7B는 도 6의 테이블/스탠드(T/S)의 암에 장착된 도 7A의 파이프 WC를 보인 도이다.
도 8은 도 1의 공간 추적기(ST)의 예시적인 실시형태의 각종 요소를 보인 도이다.
도 9A는 도 1의 시스템의 얼굴 장착형 디스플레이 장치(FMDD)의 예시적인 실시형태를 보인 도이다.
도 9B는 도 9A의 FMDD가 사용자의 머리에 고정되는 법을 보인 도이다.
도 9C는 용접 헬멧 내에 장착된 도 9A의 FMDD의 예시적인 실시형태를 보인 도이다.
도 10은 도 1의 시스템의 프로그래머블 프로세서 기반형 서브시스템(PPS)의 서브시스템 블록도의 예시적인 실시형태를 보인 도이다.
도 11은 도 10의 PPS의 그래픽 처리 장치(GPU)의 블록도의 예시적인 실시형태를 보인 도이다.
도 12는 도 1의 시스템의 기능 블록도의 예시적인 실시형태를 보인 도이다.
도 13은 도 1의 가상 현실 훈련 시스템을 이용하여 훈련하는 방법의 실시형태를 보인 흐름도이다.
도 14A-14B는 본 발명의 실시형태에 따른, 용접 픽셀(웩셀(wexel)) 전위 맵의 개념을 보인 도이다.
도 15는 도 1의 시스템에서 시뮬레이트된 평평한 용접 쿠폰(WC)의 쿠폰 공간 및 용접 공간의 예시적인 실시형태를 보인 도이다.
도 16은 도 1의 시스템에서 시뮬레이트된 코너(티 이음매) 용접 쿠폰(WC)의 쿠폰 공간 및 용접 공간의 예시적인 실시형태를 보인 도이다.
도 17은 도 1의 시스템에서 시뮬레이트된 파이프 용접 쿠폰(WC)의 쿠폰 공간 및 용접 공간의 예시적인 실시형태를 보인 도이다.
도 18은 도 17의 파이프 용접 쿠폰(WC)의 예시적인 실시형태를 보인 도이다.
도 19A-19C는 도 1의 시스템의 이중 전위 퍼들 모델의 개념의 예시적인 실시형태를 보인 도이다.
도 20은 용접물과 관련된 각종 특성에 기인한 효과들을 관측하기 위해 가상 용접물의 검사를 시뮬레이트하고 검사중에 있는 가상 용접물의 애니메이션을 디스플레이할 수 있는 독립식 가상 용접물 검사(VWI) 시스템의 예시적인 실시형태를 보인 도이다.
도 21은 가상 현실 공간에서 연출된 베이스라인 가상 용접물의 품질을 평가하는 방법의 예시적인 실시형태의 흐름도이다.
도 22 내지 도 24는 용접물의 동일한 가상 섹션에 대한 시뮬레이트화 굽힘 시험, 시뮬레이트화 당김 시험, 및 시뮬레이트화 파열 시험의 가상 애니메이션의 실시형태를 보인 도이다.

본 발명의 실시형태는 가상 용접물의 가상 시험 및 검사를 위한 시스템을 포함한다. 이 시스템은 부호화 명령어를 실행하도록 동작가능한 프로그래머블 프로세서 기반 서브시스템을 포함한다. 부호화 명령어는 연출(rendering) 엔진 및 분석 엔진을 포함한다. 연출 엔진은 시뮬레이트 시험 전의 3차원(3D) 가상 용접물, 시뮬레이트 시험 중의 가상 용접물의 3D 애니메이션, 및 시뮬레이트 시험 후의 3D 가상 용접물 중의 적어도 하나를 연출하도록 구성된다. 분석 엔진은 3D 가상 용접물의 시뮬레이트 시험을 수행하도록 구성된다. 시뮬레이트 시험은 시뮬레이트 파괴 시험과 시뮬레이트 비파괴 시험 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다. 분석 엔진은 또한 통과/실패 조건 및 결함/불연속 특성 중의 적어도 하나에 대하여 시뮬레이트 시험 전의 3D 가상 용접물, 시뮬레이트 시험 중의 가상 용접물의 3D 애니메이션, 및 시뮬레이트 시험 후의 3D 가상 용접물 중의 적어도 하나에 대한 검사를 수행하도록 구성된다. 시스템은 시뮬레이트 시험 전의 3D 가상 용접물, 시뮬레이트 시험 중의 가상 용접물의 3D 애니메이션, 및 시뮬레이트 시험 후의 3D 가상 용접물 중의 적어도 하나를 디스플레이하기 위해 프로그래머블 프로세서 기반 서브시스템에 동작가능하게 접속된 적어도 하나의 디스플레이 장치를 또한 포함한다. 시스템은 또한 적어도 하나의 디스플레이 장치에서 시뮬레이트 시험 전의 3D 가상 용접물, 시뮬레이트 시험 중의 가상 용접물의 3D 애니메이션, 및 시뮬레이트 시험 후의 3D 가상 용접물 중의 적어도 하나의 방위를 적어도 조작(manipulate)하도록 구성되고 프로그래머블 프로세서 기반 서브시스템에 동작가능하게 접속된 사용자 인터페이스를 포함한다. 프로그래머블 프로세서 기반 서브시스템은 중앙 처리 장치 및 적어도 하나의 그래픽 처리 장치를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 그래픽 처리 장치는 컴퓨터 통합 장치 아키텍쳐(computer unified device architecture, CUDA) 및 쉐이더(shader)를 포함할 수 있다. 분석 엔진은 전문가 시스템, 지원 벡터 머신(support vector machine, SVM), 신경망, 및 하나 이상의 지능 에이전트 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다. 분석 엔진은 용접 코드 데이터 또는 용접 표준 데이터를 이용하여 시뮬레이트 시험 전의 3D 가상 용접물, 시뮬레이트 시험 중의 가상 용접물의 3D 애니메이션, 및 시뮬레이트 시험 후의 3D 가상 용접물 중의 적어도 하나를 분석할 수 있다. 분석 엔진은 또한 가상 용접물을 검사하기 위해 사용자 인터페이스를 이용하여 사용자에 의해 접근(access) 및 조작될 수 있는 프로그램형 가상 검사 도구를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시형태는 가상 용접 시험 및 검사 시뮬레이터를 포함한다. 시뮬레이터는 연출된 3D 가상 용접물에서 하나 이상의 시뮬레이트화 파괴 및 비파괴 시험을 수행하는 수단을 포함한다. 시뮬레이터는 또한 연출된 3D 가상 용접물에서 하나 이상의 시뮬레이트화 파괴 및 비파괴 시험의 결과를 분석하는 수단을 포함한다. 시뮬레이터는 또한 3D 가상 용접물의 적어도 시뮬레이트 테스트 후에 연출된 3D 가상 용접물을 검사하는 수단을 포함한다. 시뮬레이터는 또한 3D 가상 용접물을 연출하는 수단을 포함한다. 시뮬레이터는 또한 하나 이상의 시뮬레이트 파괴 및 비파괴 시험을 수행하는 동안 가상 용접물의 3D 애니메이션을 연출하는 수단을 포함할 수 있다. 시뮬레이터는 또한 가상 용접물의 3D 애니메이션의 방위를 디스플레이 및 조작하는 수단을 포함할 수 있다. 시뮬레이터는 또한 3D 가상 용접물의 시뮬레이트 시험 전, 시험 중 및 시험 후에 3D 가상 용접물을 검사하는 수단을 포함할 수 있다.

본 발명의 추가의 실시형태는 가상 현실 공간에서 연출된 베이스라인 가상 용접물의 품질을 평가하는 방법을 포함한다. 이 방법은 베이스라인 가상 용접물에 대하여 베이스라인 가상 용접물의 적어도 하나의 특성을 시험하도록 구성된 제1 컴퓨터 시뮬레이트 시험을 받게 하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 제1의 시험된 가상 용접물을 연출하고 상기 제1 시험에 응답하여 제1 시험 데이터를 발생하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 제1의 시험된 가상 용접물 및 제1 시험 데이터에 대하여 적어도 하나의 특성과 관련한 제1의 시험된 가상 용접물의 적어도 하나의 통과/실패 조건을 결정하도록 구성된 컴퓨터 시뮬레이트 분석을 받게 하는 단계를 포함한다. 상기 제1 컴퓨터 시뮬레이트 시험은 실세계 파괴 시험 또는 실세계 비파괴 시험을 시뮬레이트할 수 있다. 이 방법은 또한 베이스라인 가상 용접물을 가상 현실 공간에서 재연출하는 단계, 베이스라인 가상 용접물에 대하여 베이스라인 가상 용접물의 적어도 하나의 다른 특성을 시험하도록 구성된 제2 컴퓨터 시뮬레이트 시험을 받게 하는 단계, 제2의 시험된 가상 용접물을 연출하고 상기 제2 시험에 응답하여 제2 시험 데이터를 발생하는 단계, 및 제2의 시험된 가상 용접물 및 제2 시험 데이터에 대하여 적어도 하나의 다른 특성과 관련한 제2의 시험된 가상 용접물의 적어도 하나의 다른 통과/실패 조건을 결정하도록 구성된 컴퓨터 시뮬레이트 분석을 받게 하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제2 컴퓨터 시뮬레이트 시험은 실세계 파괴 시험 또는 실세계 비파괴 시험을 시뮬레이트할 수 있다. 이 방법은 또한 연출된 제1의 시험된 가상 용접물의 디스플레이된 버전을 수동으로 검사하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 또한 연출된 제2의 시험된 가상 용접물의 디스플레이된 버전을 수동으로 검사하는 단계를 포함할 수 있다.

가상 현실 공간에서 형성된 완성된 가상 용접물은, 본 발명의 실시형태에 따라서, 용접 결함에 대하여 분석되고, 그러한 용접물이 표준 산업 시험에 통과하는지 또는 실패하는지에 대한 결정이 이루어질 수 있다. 소정의 결함은 용접물 내의 소정의 위치에서 소정 유형의 장애를 야기할 수 있다. 임의의 결함 또는 불연속을 나타내는 데이터는 가상 용접 공정의 일부로서 가상 용접물을 미리 규정함으로써 또는 가상 현실 용접 시뮬레이터 시스템(예를 들면, 가상 현실 아크 용접(VRAW) 시스템)을 이용하여 가상 용접물을 생성함으로써 가상 용접물의 정의의 일부로서 포착된다.

또한, 임의의 특수한 시험의 통과/실패의 기준은 예컨대 AWS 용접 표준과 같은 미리 규정된 용접 코드 및 표준에 기초하여 선험적으로 알려져 있다. 본 발명의 실시형태에 따르면, 애니메이션은 가상 용접물의 시뮬레이트된 파괴 또는 비파괴 시험의 시각화를 허용하도록 생성된다. 동일한 가상 용접물이 많은 다른 방법으로 시험될 수 있다. 가상 용접물의 시험 및 검사는 뒤에서 더 자세히 설명되는 가상 현실 용접 시뮬레이터 시스템(예를 들면, 가상 현실 아크 용접(VRAW) 시스템)에서 발생할 수 있다. 가상 용접물의 검사는 뒤에서 더 자세히 설명되는 독립식 가상 용접물 검사(VWI) 시스템에서 발생할 수 있다.

VRAW 시스템은 마치 사용자가 실제로 용접하는 것처럼 용접 시나리오를 시뮬레이트하고, 결함 및 불연속을 포함한 가상 용접물을 규정하는 모든 결과 데이터를 포착함으로써 사용자가 가상 용접물을 실시간으로 생성하게 할 수 있다. VRAW 시스템은 또한 가상 용접물의 가상의 파괴 및 비파괴 시험 및 검사뿐만 아니라 가상 용접물의 재료의 시험 및 검사를 수행할 수 있다. 독립식 VWI 시스템은 미리 규정된 가상 용접물 또는 VRAW 시스템을 이용하여 생성된 가상 용접물을 입력하고, 가상 용접물의 가상 검사를 수행할 수 있다. 3차원의 가상 용접물 또는 부분은 본 발명의 실시형태에 따라서 컴퓨터 이용 설계(computer-aided design, CAD) 모델로부터 유도될 수 있다. 그러므로, 시험 및 검사는 특정 부분에 대하여 불규칙적 지오메트리로 시뮬레이트될 수 있다. 본 발명의 실시형태에 따르면, VRAW 시스템은 미리 규정된 가상 용접물의 가상 검사를 또한 수행할 수 있다. 예를 들면, VRAW 시스템은 학생이 양호한 용접을 보는 법을 학습하기 위해 인용할 수 있는 사전 제작된 가상 용접물을 포함할 수 있다.

각종 유형의 용접 불연속 및 결함은 부적당한 용접 크기, 불량 비드 배치, 오목 비드, 과도한 볼록체, 언더컷, 다공성, 불완전한 용융, 슬래그(slag) 내포, 과도한 스패터, 오버필, 크랙, 및 업계에서 잘 알려져 있는 번쓰루 또는 멜트쓰루를 포함한다. 예를 들면, 언더컷은 가끔 부정확한 용접 각에 기인한다. 다공성은 아크를 용접물로부터 너무 멀리 이동시킴으로써 가끔 야기되는 응고중의 가스 흡장(gas entrapment)에 의해 형성된 캐비티형 불연속이다. 다른 문제점은 부정확한 처리, 충전 재료, 와이어 크기 또는 기술 때문에 발생할 수 있고, 이들은 모두 시뮬레이트될 수 있다.

수행될 수 있는 각종 유형의 파괴 시험은 루트 굽힘(bend) 시험, 페이스 굽힘 시험, 사이드 굽힘 시험, 인장 또는 당김(pull) 시험, 파열 시험(예를 들면, 흠(nick) 파열 시험 또는 T-이음매 파열 시험), 충격 시험, 및 업계에서 잘 알려져 있는 경도 시험을 포함한다. 많은 상기 시험들을 위하여, 시편(piece)이 용접물로부터 떼어지고 그 시편에 대하여 시험이 수행된다. 예를 들면, 루트 굽힘 시험은 용접 루트(weld root)가 특정 굽힘 반경의 볼록면에 있도록 용접물로부터의 절단된 시편을 구부리는 시험이다. 사이드 굽힘 시험은 용접의 교차부의 사이드가 특정 굽힘 반경의 볼록면에 있도록 용접물을 구부리는 시험이다. 페이스 굽힘 시험은 용접 페이스(weld face)가 특정 굽힘 반경의 볼록면에 있도록 용접물을 구부리는 시험이다.

추가의 파괴 시험은 용접이 파열할 때까지 용접물로부터의 절단 시편을 당기거나 늘려서 용접의 탄성 한계 및 인장 강도를 시험하는 인장 또는 당김 시험이다. 다른 파괴 시험은 파열 시험이다. 한가지 유형의 파열 시험은 T-이음매를 형성하도록 서로에 대하여 90도로 함께 용접된 2개의 섹션을 가진 용접물에서의 시험이고, 상기 2개의 섹션 중 하나의 섹션은 용접이 파열되었는지 아닌지를 결정하기 위해 다른 섹션쪽으로 구부려진다. 만일 용접이 파열하였으면, 내부 용접 비드가 검사될 수 있다. 충격 시험은 충격에 견디는 용접물의 능력을 결정하기 위해 충격 요소가 각종 온도로 용접물에 가해지는 시험이다. 용접물은 정적 부하 하에서 양호한 강도를 갖지만, 고속 충격이 가해지면 분쇄될 수 있다. 예를 들면, 진자 장치는 아래로 스윙하여 용접물을 치기 위해 사용될 수 있고(용접물을 파열시킬 수 있음) 샤르피(Charpy) 충격 시험이라고 부른다.

추가의 파괴 시험은 용접 이음매에서 만입(indentation) 또는 침투에 견디는 용접물 능력을 시험하는 경도(hardness) 시험이다. 용접물의 경도는 용접 이음매에서 결과적인 야금학적 특성에 의존하고, 이 특성은 부분적으로 용접 이음매가 열 영향부(heat-affected zone)에서 어떻게 냉각되는지에 따른다. 2가지 유형의 경도 시험은 브리넬(Brinell) 시험과 로크웰(Rockwell) 시험이다. 상기 2가지 시험은 경구(hard sphere) 또는 예리한 다이아몬드 포인트를 가진 침투자(penetrator)를 사용한다. 침투자는 표준 부하 하에서 용접에 적용된다. 부하가 제거된 때, 침투가 측정된다. 이 시험은 둘러싸는 금속의 몇 군데에서 수행될 수 있고, 잠재적인 크랙을 나타내는 양호한 표시자이다. 다른 유형의 파괴 시험은 용접된 파이프가 파이프의 4 사분면 각각에서 시편을 취하기 위해 절단되는 벤드온 파이프(bend-on-pipe)이다. 루트 굽힘은 2개의 시편 위에서 수행되고 페이스 굽힘은 다른 2개의 시편에서 수행된다.

수행될 수 있는 각종 유형의 비파괴 시험은 방사선 시험 및 초음파 시험을 포함한다. 방사선 시험에서, 용접물은 X-레이에 노출되고 용접 이음매의 X-레이 이미지가 생성되어 시험될 수 있다. 초음파 시험에서, 용접물은 초음파 에너지에 노출되고, 용접 이음매의 각종 특성이 반향된 초음파로부터 유도된다. 소정 유형의 비파괴 시험을 위하여, 용접물은 X-레이 또는 초음파 노출을 받고(가상의 방식으로), 내부 다공성, 슬래그 흡장 및 침투 결여와 같은 결함들이 사용자에게 시각적으로 나타난다. 다른 유형의 비파괴 시험은 가상 현실 방식으로 시뮬레이트될 수 있는 염료 침투 또는 액체 침투 시험이다. 용접물은 염료 물질로 처리되고, 용접물은 그 다음에 예컨대 맨눈으로 볼 수 없는 표면 크랙이 존재하는지 결정하기 위해 현상기에 노출된다. 추가의 비파괴 시험은 크랙을 검출하기 위해 또한 사용되고 가상 세계 방식으로 시뮬레이트될 수 있는 자기 입자 시험이다. 용접물의 표면 아래의 작은 크랙은 용접물에 대한 부적당한 열 입력에 의해 생성될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 주행 속도(travel speed) 및 다른 용접 처리 파라미터가 가상 현실 환경에서 추적되고 용접물에 대한 열 입력 및 그에 따라서 가상 비파괴 시험을 이용하여 검출될 수 있는 용접물의 표면 근처의 크랙을 결정하기 위해 사용된다.

더 나아가, 시뮬레이트 구조의 용접물의 시뮬레이션이 수행될 수 있다. 예를 들면, VRAW 시스템의 사용자에 의해 생성된 가상 용접 이음매를 가진 가상 용접물이 시험을 위한 브릿지의 가상 시뮬레이션에 통합될 수 있다. 가상 용접물은 예를 들면 브릿지의 기본적인 구조 요소에 대응할 수 있다. 브릿지는 쇠퇴하기 전에 백년을 견디도록 특정될 수 있다. 시험은 용접물이 쇠퇴하는지 확인하기 위해 시간(즉, 가상 시간)에 따라 브릿지를 관측하는 것을 수반할 수 있다. 예를 들어서, 만일 용접물이 불량 품질을 갖고 있으면(즉, 수용불능한 불연속 또는 결함을 갖고 있으면), 시뮬레이션에 의해 45년 후의 브릿지 붕괴의 애니메이션을 볼 수 있다.

도 1 내지 도 19C는 가상 현실 공간에서 사용자(용접자)에 의한 가상 용접물의 형성 및 용접물과 관련된 각종 결함 및 불연속 특성을 포함한 실시간 용접 시나리오를 시뮬레이트 할 뿐만 아니라, 가상 용접물의 시험 및 검사를 시뮬레이트하고 효과를 관측하기 위해 시험중에 있는 가상 용접물의 애니메이션을 디스플레이할 수 있는 가상 현실 아크 용접(VRAW) 시스템(100)의 일 실시형태를 보인 것이다. VRAW 시스템은 용접물의 복잡한 가상 연출을 생성하고, 가상 용접물의 각종 특성을 용접 코드에 비교하는 가상 연출의 복잡한 분석을 수행할 수 있다.

가상 검사는 다수의 상이한 방법 중의 임의의 방법 및/또는 그 조합으로 VRAW 시스템에서 구현될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, VRAW 시스템은 전문가 시스템을 포함하고, 일련의 규칙에 의해 구동된다. 전문가 시스템은 소정의 문제점에 대한 답을 제공하고, 또는 통상적으로 1인 이상의 인간 전문가가 협의할 필요가 있는 불확실성을 명확히 하도록 시도하는 소프트웨어이다. 전문가 시스템은 특정 문제 영역에서 가장 일반적이고, 전통적인 애플리케이션 및/또는 인공 지능의 하위분야(subfield)이다. 전문가의 수행을 시뮬레이트하기 위해 여러 가지 방법이 사용될 수 있지만, 많은 방법에 공통으로 되는 것은 1) 직무 전문가(Subject Matter Expert, SME) 지식(예를 들면, 인증된 용접 검사자 지식)을 얻기 위해 어떤 지식 표시 형식주의를 이용하는 지식 기반을 생성하는 것, 및 2) SME로부터 그 지식을 수집하고 그 지식을 형식주의에 따라서 성문화(codify)하는 처리(지식 엔지니어링이라고 부름)이다. 전문가 시스템은 학습 컴포넌트를 가질 수도 갖지 않을 수도 있지만, 제3의 공통 요소는 시스템이 개발되었을 때 인간 SME, 전형적으로 말해서 인간 작업자에 대한 보조물 또는 어떤 정보 시스템에 대한 보충물과 동일한 실세계 문제 해결 상황에 둠으로써 입증되는 것이다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, VRAW 시스템은 지원 벡터 머신을 포함한다. 지원 벡터 머신(SVM)은 분류 및 회귀를 위해 사용되는 일련의 관련 감독 학습 방법이다. 2개의 카테고리 중 하나에 속하는 것으로 각각 표시되는 일련의 훈련 예들이 주어지면, SVM 훈련 알고리즘은 새로운 예가 하나의 카테고리에 속하는지 다른 카테고리(예를 들면, 특정 결함 및 불연속에 대한 통과/실패 카테고리)에 속하는지를 예측하는 모델을 구축한다. 직관적으로, SVM 모델은 다른 카테고리의 예들이 가능한 한 넓은 클리어 갭에 의해 나누어지도록 맵된, 공간 내 포인트로서의 예들의 표시이다. 새로운 예들이 그 다음에 동일한 공간에 맵되고, 그 예들이 갭의 어느 쪽에 속하는지에 기초하여 소정의 카테고리에 속하는 것으로 예측된다.

본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, VRAW 시스템은 새로운 시나리오에 대하여 훈련 및 적응될 수 있는 신경망을 포함한다. 신경망은 상호접속하는 인공 신경세포(생물학적 신경세포의 특성을 흉내내는 프로그래밍 구성)로 구성된다. 신경망은 생물학적 신경망의 이해를 얻기 위해, 또는 실제 생체계의 모델을 생성할 필요없이 인공 지능 문제를 해결하기 위해 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 신경망은 가상 용접물 데이터로부터 결함 및 불연속 데이터를 입력하고 통과/실패 데이터를 출력하는 것으로 고안된다.

본 발명의 각종 실시형태에 따르면, 지능 에이전트는 학생이 더 많은 실습을 필요로 하는 학생 관련 영역에 피드백을 제공하기 위해, 또는 학생의 학습을 개선하기 위해 교수 커리큘럼(teaching curriculum)을 어떻게 수정할 것인지에 대하여 강사 또는 교육자에게 피드백을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 인공 지능에 있어서, 지능 에이전트는 환경을 관측하고 환경에 작용하며 그의 활동을 목표 달성에 지향시키는, 일반적으로 소프트웨어로 구현되는 자율적 엔티티이다. 지능 에이전트는 목표(예를 들면, 용접하는 학생 또는 용접하는 교육자에게 관련 피드백을 제공하는 목표)를 달성하기 위해 지식을 학습 및 사용할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, VRAW 시스템을 이용하여 생성된 용접물의 가상 연출은 시스템의 파괴/비파괴 시험 부분으로 전달된다. 시스템의 시험 부분은 가상 용접물의 절단 부분을 자동으로 발생하고(파괴적 시험을 위해) 그 절단 부분을 VRAW 시스템의 시험 부분 내에서 복수의 가능한 시험 중의 하나에 제공할 수 있다. 복수의 시험은 각각 그 특수 시험을 나타내는 애니메이션을 발생할 수 있다. VRAW 시스템은 사용자에게 시험의 애니메이션을 디스플레이할 수 있다. 애니메이션은 사용자에 의해 발생된 가상 용접물이 시험에 통과하였는지 여부를 사용자에게 명확하게 나타낸다. 비파괴 시험에 있어서, 용접물은 X-레이 또는 초음파 노출을 받고(가상의 방식으로), 내부 다공성, 슬래그 흡장 및 침투 결여와 같은 결함이 사용자에게 시각적으로 제시된다.

예를 들면, 가상의 굽힘 시험을 받는 가상 용접물은 특수 유형의 결함이 가상 용접물의 용접 이음매에서 발생하는 위치에서의 애니메이션에서 파열되는 것으로 나타날 수 있다. 다른 예로서, 가상의 굽힘 시험을 받는 가상 용접물은 용접물이 완전히 파열되지 않는다 하더라도 애니메이션에서 굽힘 및 크랙으로 나타나거나 또는 상당한 양의 결함을 보일 수 있다. 동일한 가상 용접물이 가상 용접물의 동일한 절단 부분(예를 들면, 절단 부분은 VRAW 시스템에 의해 재구성되거나 재연출될 수 있다) 또는 다른 절단 부분을 이용하여 다른 시험을 위하여 반복적으로 시험될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 가상 용접물은 예를 들면 특수한 선택된 파괴/비파괴 시험에 고려되는 금속의 유형 및 인장 강도와 같은 야금학적 특성이 꼬리표(tag)로 붙는다. 알루미늄 및 스테인레스와 같은 용접 금속을 포함한 각종의 일반적인 기본 용접 금속이 본 발명의 각종 실시형태에 따라서 시뮬레이트된다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 배경 작동 전문가 시스템은 VRAW 시스템의 디스플레이상의 윈도우에 팝업되어 용접물이 왜 시험에 실패하였는지(예를 들면, 용접 이음매의 특정 지점에 너무 많은 구멍이 있다) 및 어떤 특수 용접 표준이 부합되지 않았는지를 사용자에게 표시할 수 있다(예를 들면, 텍스트 메시지를 통해서 및/또는 그래픽적으로). 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, VRAW 시스템은 현재의 시험을 특수 용접 표준에 결속하는 외부 도구에 대한 하이퍼 텍스트 링크일 수 있다. 또한, 사용자는 그들의 훈련을 지원하기 위해 텍스트, 그림, 영상 및 다이어그램을 포함한 지식 기반에 대한 접근을 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 특수한 파괴/비파괴 시험의 애니메이션은 사용자가 각종 각도 및 투시 화법으로부터 시험을 보기 위해 시험 중에 VRAW 시스템의 디스플레이에 3차원 방식으로 연출된 가상 용접물을 이동시킬 수 있도록 시험에 의해 수정된 가상 용접물의 3D 연출이다. 특수 시험의 동일한 3D 연출 애니메이션은 동일한 사용자 또는 복수의 사용자에 대하여 최대 훈련 이익이 가능하도록 반복하여 플레이될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 시험중인 가상 용접물의 연출된 가상 용접물 및/또는 대응하는 3D 연출 애니메이션은 용접의 검사를 수행하기 위해 및/또는 용접 검사에서 사용자를 훈련하기 위해(예를 들면, 인증된 용접 검사자가 되기 위해) 시스템의 검사 부분에 전달될 수 있다. 시스템의 검사 부분은 교수 모드 및 훈련 모드를 포함한다.

교수 모드에 있어서, 가상 용접물 및/또는 시험중인 가상 용접물의 3D 연출 애니메이션은 용접 학생과 함께 채점자(트레이너)에 의해 디스플레이 및 보여진다. 트레이너 및 용접 학생은 가상 용접물을 보고 가상 용접물과 상호작용할 수 있다. 트레이너는 가상 용접물의 결함 및 불연속을 식별할 때 용접 학생이 얼마나 잘 수행되는지 결정할 수 있고(예를 들면, 스코어링 법에 의해), 용접 학생이 얼마나 잘 수행되었는지 및 학생이 디스플레이된 가상 용접물(다른 투시 화법으로 보는 것 등)과 상호작용함으로써 무엇을 미스하였는지를 용접 학생에게 표시할 수 있다.

훈련 모드에 있어서, 시스템은 가상 용접물에 대한 각종 질의를 용접 검사자 학생에게 질의하고, 용접 검사자 학생이 그 질의에 대한 답을 입력하게 한다. 시스템은 용접 검사자 학생에게 질의의 끝에서 그레이드를 제공할 수 있다. 예를 들면, 시스템은 초기에 하나의 가상 용접물과 관련하여 용접 검사자 학생에게 표본 질의를 제공하고, 그 다음에, 시험 모드 중에 그레이드된 다른 가상 용접물과 관련하여 용접 검사자 학생에게 시의적절한 질의를 제공하도록 진행할 수 있다.

시스템의 검사 부분은 용접 검사자 학생 또는 트레이너가 결함을 검출하는 것을 돕고 미리 규정된 용접 표준(예를 들면, 루트 용접의 침투를 측정하고 그 측정치를 필요한 표준 침투와 비교하는 가상 게이지)과 비교되는 가상 용접에 대하여 소정의 측정을 행하는 소정의 대화 도구(interactive tool)를 또한 제공할 수 있다. 용접 검사자 학생의 그레이딩은 용접 검사자 학생이 용접을 평가하기 위해 정확한 대화 고구를 사용하는지 여부를 또한 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 시스템의 검사 부분은 그레이딩(즉, 스코어링)에 기초하여 용접 검사자 학생이 어떤 영역에 도움을 필요로 하는지 결정하고 검사를 실시하는 더 많은 대표적 표본을 용접 검사자 학생에게 제공한다.

위에서 설명한 것처럼, 지능 에이전트는 학생이 더 많은 연습을 필요로 하는 학생 관련 영역에 대한 피드백을 제공하거나, 또는 학생의 학습을 개선하기 위해 교수 커리큘럼을 어떻게 수정해야 하는지에 대하여 강사 또는 교육자에게 피드백을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 인공 지능에 있어서, 지능 에이전트는 환경을 관측하고 환경에 작용하며 그의 활동을 목표 달성에 지향시키는, 일반적으로 소프트웨어로 구현되는 자율적 엔티티이다. 지능 에이전트는 목표(예를 들면, 용접 학생 또는 용접 교육자에게 관련 피드백을 제공하는 목표)를 달성하기 위해 지식을 학습 및 사용할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 지능 에이전트에 의해 인지 및 작용되는 환경은 예를 들면 VRAW 시스템에 의해 발생된 가상 현실 환경이다.

다시, 각종의 대화식 검사 도구는 시험을 행하기 전의 가상 용접물에 대하여, 또는 시험을 행한 후의 가상 용접물에 대하여, 또는 이들 둘 다에 대하여 사용될 수 있다. 각종의 대화식 검사 도구 및 방법론은 본 발명의 일 실시형태에 따라서, 각종 용접 처리, 금속의 유형, 및 용접 표준의 유형에 대하여 구성된다. 독립식 VWI 시스템에서, 대화식 검사 도구는 예컨대 키보드 및 마우스를 이용하여 조작될 수 있다. VRAW 시스템에서, 대화식 검사 도구는 예컨대 조이스틱 및/또는 콘솔 패널을 통하여 조작될 수 있다.

VRAW 시스템은 프로그래머블 프로세서 기반형 서브시스템, 프로그래머블 프로세서 기반형 서브시스템에 동작가능하게 접속된 공간 추적기, 공간 추적기에 의해 공간적으로 추적될 수 있는 적어도 하나의 모조 용접 도구, 및 프로그래머블 프로세서 기반형 서브시스템에 동작가능하게 접속된 적어도 하나의 디스플레이 장치를 포함한다. 이 시스템은 실시간 용융 금속 유동성 및 열 소산 특성을 가진 용접 퍼들(weld puddle)을 가상 현실 공간에서 시뮬레이트할 수 있다. 이 시스템은 또한 시뮬레이트된 용접 퍼들을 디스플레이 장치에서 실시간으로 디스플레이할 수 있다. 시뮬레이트된 용접 퍼들의 실시간 용융 금속 유동성 및 열 소산 특성은 디스플레이된 때 모조 용접 도구의 사용자에게 실시간 가상 피드백을 제공하여 사용자가 실시간 가상 피드백에 응답하여 실시간으로 용접 기술을 조정 또는 유지할 수 있게 한다(즉, 사용자가 용접을 정확히 학습하는 것을 돕는다). 디스플레이된 용접 퍼들은 사용자의 용접 기술 및 선택된 용접 공정 및 파라미터에 기초하여 실세계에서 형성되는 용접 퍼들을 나타낸다. 퍼들(예를 들면, 형상, 색상, 슬래그, 사이즈, 적층된 다임(stacked dimes))을 봄으로써, 사용자는 양호한 용접을 하기 위해 자신의 기술을 수정하고 행하여지는 용접의 유형을 결정할 수 있다. 퍼들의 형상은 건 또는 스틱의 이동에 응답한다. 여기에서 사용하는 용어 "실시간"은 사용자가 실세계 용접 시나리오에서 인지 및 경험하는 것과 동일한 방법으로 시뮬레이트 환경에서 시간적으로 인지 및 경험하는 것을 의미한다. 또한, 용접 퍼들은 중력을 포함한 물리적 환경의 효과에 응답하여 사용자가 위보기 용접(overhead welding) 및 각종 파이프 용접 각(예를 들면, 1G, 2G, 5G, 6G)을 포함한 각종 위치에서 용접을 사실주의적으로 실습할 수 있게 한다. 그러한 실시간 가상 용접 시나리오는 가상 용접물을 나타내는 데이터의 발생을 초래한다.

도 1은 실시간 가상 현실 환경에서 아크 용접 훈련을 제공하는 시스템(100)의 시스템 블록도의 예시적인 실시형태를 보인 것이다. 이 시스템(100)은 프로그래머블 프로세서 기반형 서브시스템(PPS)(110)을 포함한다. PPS(110)는 가상 용접물의 3D 애니메이션 연출을 제공하는 연출 엔진으로서 구성된 하드웨어 및 소프트웨어를 제공한다. PPS(110)는 또한 가상 용접물의 시험 및 검사를 수행하는 분석 엔진으로서 구성된 하드웨어 및 소프트웨어를 제공한다. 도 1의 시스템과 관련해서, 가상 용접물은 용접 비드 또는 용접 이음매를 형성하기 위해 시뮬레이트 용접 처리를 통과한 용접 쿠폰의 결과적인 시뮬레이션이다.

시스템(100)은 또한 PPS(110)에 동작가능하게 접속된 공간 추적기(spatial tracker, ST)(120)를 포함한다. 시스템(100)은 또한 PPS(110)에 동작가능하게 접속된 물리적 용접 사용자 인터페이스(welding user interface, WUI)(130) 및 PPS(110)와 ST(120)에 동작가능하게 접속된 얼굴 장착형 디스플레이 장치(face-mounted display device, FMDD)(140)(도 9A-9C 참조)를 포함한다. 그러나, 일부 실시형태에서는 FMDD를 제공하지 않을 수 있다. 시스템(100)은 PPS(110)에 동작가능하게 접속된 관측자 디스플레이 장치(observer display device, ODD)(150)를 또한 포함한다. 시스템(100)은 ST(120) 및 PPS(110)에 동작가능하게 접속된 적어도 하나의 모조 용접 도구(mock welding tool, MWT)(160)를 또한 포함한다. 시스템(100)은 또한 테이블 스탠드(table/stand, T/S)(170) 및 T/S(170)에 부착될 수 있는 적어도 하나의 용접 쿠폰(welding coupon, WC)(180)을 포함한다. 본 발명의 대안적인 실시형태에 따르면, 차폐 가스원을 시뮬레이트하고 조정가능한 유량 조절기를 가진 모조 가스병(도시 생략됨)이 제공된다.

도 2는 결합형 시뮬레이트 용접 콘솔(135)(용접 전원 사용자 인터페이스를 시뮬레이트하는 것) 및 도 1의 시스템(100)의 관측자 디스플레이 장치(ODD)(150)의 예시적인 실시형태를 보인 것이다. 물리적 WUI(130)는 콘솔(135)의 전면부에 배치되고 사용자가 각종 모드 및 기능을 선택하게 하는 손잡이(knob), 버튼 및 조이스틱을 제공한다. ODD(150)는 본 발명의 일 실시형태에 따라서 콘솔(135)의 상부에 부착된다. MWT(160)는 콘솔(135)의 측면부에 부착된 홀더에 설치된다. 내부적으로, 콘솔(135)은 PPS(110) 및 ST(120)의 일부를 유지한다.

도 3은 도 2의 관측자 디스플레이 장치(ODD)(150)의 예시적인 실시형태를 보인 것이다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, ODD(150)는 액정 디스플레이(LCD) 장치이다. 다른 디스플레이 장치도 또한 가능하다. 예를 들면, ODD(150)는, 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 터치스크린 디스플레이일 수 있다. ODD(150)는 비디오(예를 들면, SVGA 포맷)를 수신하고 PPS(110)로부터의 정보를 디스플레이한다.

도 3에 도시된 것처럼, ODD(150)는 위치, 팁투워크(tip to work), 용접 각, 주행 각, 및 주행 속도를 포함한 각종 용접 파라미터(151)를 나타내는 제1 사용자 장면을 디스플레이할 수 있다. 이 파라미터들은 그래픽 형태로 실시간으로 선택 및 디스플레이될 수 있고, 적당한 용접 기술을 가르치기 위해 사용된다. 또한, 도 3에 도시된 것처럼, ODD(150)는 예컨대 부적당한 용접 크기, 불량 비드 배치, 오목 비드, 과도한 볼록성, 언더컷, 다공성, 불완전 용융, 슬래그 내포, 과도한 스패터, 오버필 및 번쓰루(멜트쓰루)를 포함한 시뮬레이트된 용접 불연속 상태(152)를 디스플레이할 수 있다. 언더컷은 용접 또는 용접 루트에 인접한 모재(base metal)에 용융되어 용접 금속에 의해 채워지지 않은 채 남아있는 홈이다. 언더컷은 가끔 부정확한 용접 각도에 기인한다. 다공성은 아크를 쿠폰으로부터 너무 멀리 이동시킴으로써 가끔 야기되는 응고중의 가스 흡장에 의해 형성된 캐비티형 불연속이다. 이러한 시뮬레이트된 용접 불연속 상태는 시뮬레이트 용접 쿠폰을 이용하여 가상 용접물을 형성하기 위한 시뮬레이트 용접 공정 중에 시스템(100)에 의해 발생된다.

또한, 도 3에 도시된 것처럼, ODD(150)는 메뉴, 동작, 비주얼 큐, 새로운 쿠폰 및 최종 통과를 포함한 사용자 선택(153)을 디스플레이할 수 있다. 이러한 사용자 선택은 콘솔(135)의 사용자 버튼에 결속된다. 사용자가 예컨대 ODD(150)의 터치스크린을 통해서 또는 물리적 WUI(130)를 통해서 각종 선택을 행한 때, 디스플레이된 특성들이 바뀌어서 선택된 정보 및 다른 옵션을 사용자에게 제공할 수 있다. 또한, ODD(150)는 용접자의 동일한 각도 뷰에서 또는 예컨대 강사가 선정한 각종의 다른 각도에서 FMDD(140)를 착용한 용접자에 의해 보여지는 뷰(view)를 디스플레이할 수 있다. ODD(150)는 가상 용접물의 파괴/비파괴 시험 및 검사를 포함한 각종 훈련 목적으로 강사 및/또는 학생에게 보여질 수 있다. 예를 들면, 뷰는 마무리된 용접 주위에서 회전되어 강사에 의한 시각적 검사를 가능하게 한다. 본 발명의 대안적인 실시형태에 따르면, 시스템(100)으로부터의 비디오는 예를 들면 원격 관찰 및/또는 비평을 위해 인터넷을 통해 원격 위치에 보내질 수 있다. 또한, 오디오가 제공되어 학생과 원격 강사 간에 실시간 오디오 통신을 가능하게 할 수 있다.

도 4는 물리적 용접 사용자 인터페이스(WUI)(130)를 나타내는, 도 2의 시뮬레이트 용접 콘솔(135)의 전면부의 예시적인 실시형태를 보인 것이다. WUI(130)는 ODD(150)에서 디스플레이되는 사용자 선택(153)에 대응하는 일련의 버튼(131)을 포함한다. 버튼(131)은 ODD(150)에서 디스플레이되는 사용자 선택(153)의 색에 대응하는 색을 갖는다. 버튼(131) 중의 하나가 눌러지면, 대응하는 기능을 활성화시키는 신호가 PPS(110)에 보내진다. WUI(130)는 ODD(150)에서 디스플레이되는 각종 파라미터 및 선택을 선택하기 위해 사용자가 사용할 수 있는 조이스틱(132)을 또한 포함한다. WUI(130)는 와이어 공급 속도/앰프를 조정하기 위한 다이얼 또는 손잡이(133) 및 볼트/트림을 조정하기 위한 다른 다이얼 또는 손잡이(134)를 또한 포함한다. WUI(130)는 또한 아크 용접 공정을 선택하기 위한 다이얼 또는 손잡이(136)를 포함한다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 가스 차폐형 및 자기 차폐형 공정을 포함한 플럭스 코어 아크 용접(flux cored arc welding, FCAW); 쇼트 아크, 축상 스프레이, STT, 및 펄스를 포함한 가스 금속 아크 용접(gas metal arc welding, GMAW); 가스 텅스텐 아크 용접(gas tungsten arc welding, GTAW); 및 E6010, E6013 및 E7018 전극을 구비한 차폐 금속 아크 용접(shielded metal arc welding, SMAW)을 포함한 3개의 아크 용접 공정이 선택가능하다. WUI(130)는 또한 용접 극성을 선택하기 위한 다이얼 또는 손잡이(137)를 포함한다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 교류(AC), 양의 직류(DC+), 및 음의 직류(DC-)를 포함한 3개의 아크 용접 극성이 선택가능하다.

도 5는 도 1의 시스템(100)의 모조 용접 도구(MWT)(160)의 예시적인 실시형태를 보인 것이다. 도 5의 MWT(160)는 판 및 파이프 용접용의 스틱 용접 도구를 시뮬레이트하고 홀더(161) 및 시뮬레이트 스틱 전극(162)을 구비한다. MWT(160)에서의 트리거는 선택된 시뮬레이트 용접 공정을 활성화하기 위해 PPS(110)에 신호를 전송하기 위해 사용된다. 시뮬레이트 스틱 전극(162)은 예를 들면 실세계 파이프 용접의 루트 패스 용접 절차 중에 또는 판을 용접할 때 발생하는 저항성 피드백을 시뮬레이트하기 위한 촉각적으로 저항성인 팁(163)을 구비한다. 만일 사용자가 시뮬레이트 스틱 전극(162)을 루트로부터 너무 멀리 이동시키면, 사용자는 낮은 저항을 느끼거나 감지할 수 있고, 이로써 현재 용접 공정을 조정 또는 유지하는데 사용하는 피드백을 유도한다.

스틱 용접 도구는 가상의 용접 공정 중에 시뮬레이트 스틱 전극(162)을 회수하는 액추에이터(도시 생략됨)를 통합할 수 있는 것으로 예상된다. 다시 말하면, 사용자가 가상 용접 활동에 연계된 때, 홀더(161)와 시뮬레이트 스틱 전극(162)의 팁 간의 거리가 감소되어 전극의 소비를 시뮬레이트한다. 소비율, 즉 스틱 전극(162)의 회수율은 PPS(110)에 의해서, 더 구체적으로 말하면 PPS(110)에 의해 실행되는 부호화 명령어에 의해 제어될 수 있다. 시뮬레이트된 소비율은 사용자의 기술에 또한 의존할 수 있다. 여기에서, 시스템(100)이 다른 유형의 전극에 의해 가상 용접을 시행할 때, 스틱 전극(162)의 소비율 즉 감소는 사용되는 용접 절차 및/또는 시스템(100)의 설정에 따라 변할 수 있다는 점에 주목한다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 예컨대 건(gun)을 통하여 공급되는 와이어 전극을 가진 휴대용 반자동 용접 건(welding gun)을 시뮬레이트하는 MWD를 포함한 다른 모조 용접 도구가 또한 가능하다. 더 나아가, 본 발명의 다른 특정 실시형태에 따르면, 시스템(100)에서 실제 아크를 실제로 생성하기 위해 도구가 사용되지 않는다 하더라도, 사용자의 손에서 도구의 실제 느낌을 더 잘 시뮬레이트하기 위해 MWT(160)로서 실제 용접 도구가 사용될 수 있다. 또한, 시뮬레이터(100)의 시뮬레이트 연마 모드(grinding mode)에서 사용하기 위한 시뮬레이트 연마 도구가 제공될 수 있다. 유사하게, 예를 들면 산소연료 및 플라즈마 절단에 사용되는 것과 같은, 시뮬레이터(100)의 시뮬레이트 절단 모드에서 사용하기 위한 시뮬레이트 절단 도구가 제공될 수 있다. 더 나아가, 시뮬레이트 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW) 토치 또는 필러 재료가 시뮬레이터(100)에서 사용하기 위해 제공될 수 있다.

도 6은 도 1의 시스템(100)의 테이블/스탠드(T/S)(170)의 예시적인 실시형태를 보인 것이다. T/S(170)는 조정가능한 테이블(171), 스탠드 또는 베이스(172), 조정가능한 암(173) 및 수직 기둥(174)을 포함한다. 테이블(171), 스탠드(172) 및 암(173)은 수직 기둥(174)에 각각 부착된다. 테이블(171)과 암(173)은 각각 수직 기둥(174)에 대하여 상향, 하향 및 회전적으로 수동으로 조정가능하다. 암(173)은 각종의 용접 쿠폰(예를 들면, 용접 쿠폰(175))을 유지하기 위해 사용되고, 사용자는 훈련할 때 그의 팔을 테이블(171)에 올려놓을 수 있다. 수직 기둥(173)은 암(173)과 테이블(171)이 기둥(171)에서 수직으로 배치된 곳을 사용자가 정확히 알 수 있도록 위치 정보가 새겨져 있다. 이 수직 위치 정보는 WUI(130) 및 ODD(150)를 이용하여 사용자가 시스템에 입력할 수 있다.

본 발명의 대안적인 실시형태에 따르면, 테이블(171) 및 암(173)의 위치는 프로그램된 설정을 통해, 또는 사용자가 지시한 대로 WUI(130) 및/또는 ODD(150)를 통해, PSS(110)에 의해 자동으로 설정될 수 있다. 그러한 대안적인 실시형태에 있어서, T/S(170)는, 예를 들면, 모터 및/또는 서보 메카니즘을 구비하고, PPS(110)로부터의 신호 명령은 모터 및/또는 서보 메카니즘을 활성화한다. 본 발명의 다른 대안적인 실시형태에 따르면, 테이블(171) 및 암(173)의 위치 및 쿠폰의 유형은 시스템(100)에 의해 검출된다. 이 방식에서, 사용자는 위치 정보를 사용자 인터페이스를 통해 수동으로 입력할 필요가 없다. 그러한 대안적인 실시형태에 있어서, T/S(170)는 위치 및 방위 검출기를 구비하고 위치 및 방위 정보를 제공하기 위해 신호 명령을 PPS(110)에 보내며, WC(175)는 위치 검출 센서(예를 들면, 자계를 검출하기 위한 코일형 센서)를 구비한다. 사용자는 본 발명의 일 실시형태에 따라서, 조정 파라미터가 변경될 때 ODD(150)에서의 T/S(170) 조정의 연출을 볼 수 있다.

도 7A는 도 1의 시스템(100)의 파이프 용접 쿠폰(WC)(175)의 예시적인 실시형태를 보인 것이다. WC(175)는 용접될 루트(176)를 형성하기 위해 함께 배치되는 2개의 6인치 직경의 파이프(175', 175")를 시뮬레이트한다. WC(175)는 WC(175)의 일단부에 접속부(177)를 구비하여 WC(175)가 암(173)에 정확하고 반복가능한 방식으로 부착되게 한다. 도 7B는 도 6의 테이블/스탠드(T/S)(170)의 암(173)에 도 7A의 파이프 WC(175)가 장착된 것을 보인 것이다. WC(175)가 암(173)에 부착될 수 있는 정확하고 반복가능한 방식은 WC(175)의 공간적 눈금조정(calibration)이 공장에서 1회만 수행될 수 있게 한다. 그 다음에, 현장에서, 시스템(100)이 암(173)의 위치를 아는 한, 시스템(100)은 가상 환경에서 WC(175)에 대하여 MWT(160) 및 FMDD(140)를 추적할 수 있다. WC(175)가 부착되는 암(173)의 제1 부분은 도 6에 도시된 것처럼 암(173)의 제2 부분에 대하여 기울여질 수 있다. 이것에 의해 사용자는 몇 개의 다른 방위 및 각도 중의 임의의 것에서 파이프를 가지고 파이프 용접을 실습할 수 있다.

도 8은 도 1의 공간 추적기(ST)(120)의 예시적인 실시형태의 각종 요소를 보인 것이다. ST(120)는 시스템(100)의 PPS(110)와 동작가능하게 인터페이스할 수 있는 자기 추적기이다. ST(120)는 자기 소스(121) 및 소스 케이블, 적어도 하나의 센서(122) 및 관련 케이블, 디스크(123) 상의 호스트 소프트웨어, 전원(124) 및 관련 케이블, USB 및 RS-232 케이블(125), 및 프로세서 추적 장치(126)를 포함한다. 자기 소스(121)는 케이블을 통해 프로세서 추적 장치(126)에 동작가능하게 접속될 수 있다. 센서(122)는 케이블을 통해 프로세서 추적 장치(126)에 동작가능하게 접속될 수 있다. 전원(124)은 케이블을 통해 프로세서 추적 장치(126)에 동작가능하게 접속될 수 있다. 프로세서 추적 장치(126)는 USB 또는 RS-232 케이블(125)을 통해 PPS(110)에 동작가능하게 접속될 수 있다. 디스크(123) 상의 호스트 소프트웨어는 PPS(110)에 로드되어 ST(120)와 PPS(110) 간에 기능적 통신을 가능하게 한다.

도 6 및 도 8을 참조하면, ST(120)의 자기 소스(121)는 암(173)의 제1 부분에 장착된다. 자기 소스(121)는 암(173)에 부착된 WC(175)를 둘러싸는 공간을 포함한 소스(121) 주변에 자계를 생성하고, 이것은 3D 공간 기준 프레임을 확립한다. T/S(170)는 자기 소스(121)에 의해 생성된 자계를 왜곡시키지 않도록 대부분 비금속성(비철 및 비전도성)이다. 센서(122)는 3개의 공간 방향을 따라 직각으로 정렬된 3개의 유도 코일을 포함한다. 센서(122)의 유도 코일은 각각 3개의 방향 각각에서 자계의 강도를 측정하고 그 정보를 프로세서 추적 장치(126)에 제공한다. 그 결과, 시스템(100)은 WC(175)가 암(173)에 장착될 때 자계에 의해 확립된 3D 공간 기준 프레임에 대하여 WC(175)의 임의의 부분이 있는 곳을 알 수 있다. 센서(122)는 MWT(160) 또는 FMDD(140)에 부착되어 MWT(160) 또는 FMDD(140)가 공간 및 방위 둘 다에 있어서 3D 공간 기준 프레임에 대하여 ST(120)에 의해 추적될 수 있게 한다. 2개의 센서(122)가 제공되고 프로세서 추적 장치(126)에 동작가능하게 접속된 때, MWT(160) 및 FMDD(140)가 둘 다 추적될 수 있다. 이 방법으로, 시스템(100)은 가상 WC, 가상 MWT 및 가상 T/S를 가상 현실 공간에서 생성하고, MWT(160) 및 FMDD(140)가 3D 공간 기준 프레임에 대하여 추적될 때 가상 WC, 가상 MWT 및 가상 T/S를 FMDD(140) 및/또는 ODD(150)에서 디스플레이할 수 있다.

본 발명의 대안적인 실시형태에 따르면, 센서(122)는 프로세서 추적 장치(126)에 무선으로 인터페이스 접속하고, 프로세서 추적 장치(126)는 PPS(110)에 무선으로 인터페이스 접속할 수 있다. 본 발명의 다른 대안적인 실시형태에 따르면, 예컨대 가속도계/자이로스코프 기반형 추적기, 광학 추적기(액티브 또는 패시브), 적외선 추적기, 음향 추적기, 레이저 추적기, 고주파수 추적기, 관성 추적기, 및 증강 현실 기반형 추적 시스템을 포함한 다른 유형의 공간 추적기(120)가 시스템(100)에서 사용될 수 있다. 다른 유형의 추적기도 가능할 수 있다.

도 9A는 도 1의 시스템의 얼굴 장착형 디스플레이 장치(FMDD)(140)의 예시적인 실시형태를 보인 것이다. 도 9B는 도 9A의 FMDD(140)가 사용자의 머리에 고정되는 법을 보인 것이다. 도 9C는 용접 헬멧(900)에 통합된 도 9A의 FMDD(140)의 예시적인 실시형태를 보인 것이다. FMDD(140)는 유선 수단에 의해 또는 무선으로 PPS(110) 및 ST(120)에 동작가능하게 접속된다. ST(120)의 센서(122)는 본 발명의 각종 실시형태에 따라서 FMDD(140)에 또는 용접 헬멧(900)에 부착되어 FMDD(140) 및/또는 용접 헬멧(900)이 ST(120)에 의해 생성된 3D 공간 기준 프레임에 대하여 추적될 수 있게 한다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, FMDD(140)는 2D 및 프레임 순차 비디오 모드로 유체 풀모션 비디오를 전달할 수 있는 2개의 하이콘트라스트 SVGA 3D OLED 마이크로디스플레이를 포함한다. 가상 현실 환경의 비디오는 FMDD(140)에서 제공 및 디스플레이된다. 줌(예를 들면, 2×) 모드가 제공되어 사용자가 예컨대 치터 렌즈(cheater lens)를 시뮬레이트할 수 있다.

FMDD(140)는 2개의 이어버드 스피커(910)를 또한 포함하여 사용자가 시스템(100)에 의해 생성된 시뮬레이트 용접 관련 및 환경음을 들을 수 있게 한다. 본 발명의 각종 실시형태에 따르면, FMDD(140)는 유선 또는 무선 수단에 의해 PPS(110)에 동작가능하게 인터페이스 접속한다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, PPS(110)는 FMDD(140)에 입체 영상을 제공하여 사용자에게 향상된 깊이 인지를 제공한다. 본 발명의 대안적인 실시형태에 따르면, 사용자는 MWT(160)에서의 제어(예를 들면, 버튼 또는 스위치)를 이용하여 메뉴를 불러내어 선택하고 옵션들을 FMDD(140)에서 디스플레이할 수 있다. 이것은 예를 들면 사용자가 실수를 한 경우에 용접을 쉽게 리세트하고, 특정 파라미터를 변경하며, 용접 비드 궤적의 일부를 다시하도록 약간 후퇴할 수 있게 한다.

도 10은 도 1의 시스템(100)의 프로그래머블 프로세서 기반 서브시스템(PPS)(110)의 서브시스템 블록도의 예시적인 실시형태를 보인 것이다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, PPS(110)는 중앙 처리 장치(CPU)(111) 및 2개의 그래픽 처리 장치(GPU)(115)를 포함한다. 2개의 GPU(115)는, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 실시간 용융 금속 유동성과 열 흡수 및 소산 특성을 가진 용접 퍼들(용접 풀(weld pool)이라고도 함)의 가상 현실 시뮬레이션을 제공하도록 프로그램된다.

도 11은 도 10의 PPS(110)의 그래픽 처리 장치(GPU)(115)의 블록도의 예시적인 실시형태를 보인 것이다. 각 GPU(115)는 데이터 병렬 알고리즘의 구현을 지원한다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 각 GPU(115)는 2개의 가상 현실 뷰를 제공할 수 있는 2개의 비디오 출력(118, 119)을 제공한다. 2개의 비디오 출력은 FMDD(140)에 라우트되어 용접자의 관점을 연출하고, 예를 들면 제3의 비디오 출력이 ODD(150)에 라우트되어 용접자의 관점 또는 어떤 다른 관점을 연출할 수 있다. 나머지의 제4의 비디오 출력은 예를 들면 프로젝터에 라우트될 수 있다. 2개의 GPU(115)는 동일한 용접 물리학 계산을 수행하지만, 동일한 또는 다른 관점으로부터 가상 현실 환경을 연출할 수 있다. GPU(115)는 컴퓨터 통합 장치 아키텍쳐(compute unified device architecture, CUDA)(116) 및 쉐이더(shader)(117)를 포함한다. CUDA(116)는 산업 표준 프로그래밍 언어를 통하여 소프트웨어 개발자에게 접근할 수 있는 GPU(115)의 컴퓨팅 엔진이다. CUDA(116)는 병렬 코어를 포함하고 여기에서 설명하는 용접 퍼들 시뮬레이션의 물리학 모델을 구동하기 위해 사용된다. CPU(111)는 GPU(115)의 CUDA(116)에게 실시간 용접 입력 데이터를 제공한다. 쉐이더(117)는 시뮬레이션의 모든 영상(visuals)을 끌어내어 적용하는 역할을 한다. 비드 및 퍼들 영상은 뒤에서 설명하는 웩셀 전위 맵의 상태에 따라 구동된다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 물리학 모델은 약 30 회/초의 속도로 구동 및 갱신한다. 가상의 파괴/비파괴 시험 및 검사 시뮬레이션 동안에, GPU(115)는 시뮬레이트 용접 공정 중에 생성된 가상 용접의 3D 애니메이션 연출을 제공하기 위한 연출 엔진으로서 작용한다. 또한, CPU(111)는 가상 용접물에서 나타날 수 있는 각종 결함 및 불연속에 대하여 가상 용접물의 시험 분석을 제공하는 분석 엔진으로서 작용한다.

도 12는 도 1의 시스템(100)의 기능 블록도의 예시적인 실시형태를 보인 것이다. 도 12에 도시된 시스템(100)의 각종 기능 블록도는 PPS(110)에서 동작하는 소프트웨어 명령어 및 모듈을 통해 주로 구현된다. 시스템(100)의 각종 기능 블록은 물리적 인터페이스(1201), 토치 및 클램프 모델(1202), 환경 모델(1203), 사운드 콘텐트 기능(1204), 용접음(1205), 스탠드/테이블 모델(1206), 내부 아키텍쳐 기능(1207), 눈금조정 기능(1208), 쿠폰 모델(1210), 용접 물리학(1211), 내부 물리학 조정 도구(트위커(tweaker))(1212), 그래픽 사용자 인터페이스 기능(1213), 그래핑 기능(1214), 학생 보고 기능(1215), 렌더러(1216), 비드 연출(1217), 3D 텍스쳐(1218), 비주얼 큐 기능(1219), 스코어링 및 공차 기능(1220), 공차 편집자(1221), 및 특수 효과(1222)를 포함한다. 렌더러(1216), 비드 연출(1217), 3D 텍스쳐(1218), 및 스코어링 및 공차 기능(1220)은, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 가상의 파괴/비파괴 시험 및 검사 중에 뿐만 아니라 시뮬레이트 용접 공정 중에 사용된다.

내부 아키텍쳐 기능(1207)은 예를 들면 파일 로딩, 정보 유지, 스레드 관리, 물리학 모델 턴온 및 메뉴 트리거링을 포함한, 시스템(100)의 공정의 상위 레벨 소프트웨어 로지스틱을 제공한다. 내부 아키텍쳐 기능(1207)는, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, CPU(111)에서 동작한다. PPS(110)에 대한 소정의 실시간 입력은 아크 위치, 건 위치, FMDD 또는 헬멧 위치, 건 온/오프 상태 및 접촉 구성 상태(예/아니오)를 포함한다.

그래픽 사용자 인터페이스 기능(1213)은 사용자가 물리적 사용자 인터페이스(130)의 조이스틱(132)을 이용하여 ODD(150)를 통하여 용접 시나리오, 시험 시나리오 또는 검사 시나리오를 설정할 수 있게 한다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 용접 시나리오의 설정은 언어 선택, 사용자명 입력, 실습판(즉, 용접 쿠폰) 선택, 용접 공정(예를 들면, FCAW, GMAW, SMAW) 및 관련 축상 스프레이, 펄스 또는 쇼트 아크 방법 선택, 가스 유형 및 유량 선택, 스틱 전극의 유형(예를 들면, 6010 또는 7018) 선택, 및 플럭스 코어 와이어의 유형(예를 들면, 자기 차폐형, 가스 차폐형) 선택을 포함한다. 용접 시나리오의 설정은 테이블 높이, 암 높이, 암 위치 및 T/S(170)의 암 회전의 선택을 또한 포함한다. 용접 시나리오의 설정은 환경(예를 들면, 가상 현실 공간에서 배경 환경)의 선택, 와이어 공급 속도 설정, 전압 레벨 설정, 전류량 설정, 극성 선택, 및 특수 비주얼 큐의 온 또는 오프 전환을 또한 포함한다. 유사하게, 가상 시험 또는 검사 시나리오의 설정은 언어 선택, 사용자명 입력, 가상 용접 선택, 파괴 또는 비파괴 시험 선택, 대화 도구 선택, 및 애니메이션화 투시도 선택을 포함할 수 있다.

시뮬레이트 용접 시나리오 중에, 그래핑 기능(1214)은 사용자 수행 파라미터를 수집하고 사용자 수행 파라미터를 그래픽 형태로 디스플레이하기 위해(예를 들면, ODD(150)에서) 그래픽 사용자 인터페이스 기능(1213)에 제공한다. ST(120)로부터의 추적 정보는 그래핑 기능(1214)에 공급된다. 그래핑 기능(1214)은 단순 분석 모듈(simple analysis module, SAM) 및 위프/위브 분석 모듈(whip/weave analysis module, WWAM)을 포함한다. SAM은 용접 주행 각, 주행 속도, 용접 각, 위치, 및 용접 파라미터를 비드 테이블에 저장된 데이터와 비교한 팁투워크(tip to work) 거리를 포함한 사용자 용접 파라미터들을 분석한다. WWAM은 다임 스페이싱, 위프 타임 및 퍼들 타임을 포함한 사용자 위핑 파라미터들을 분석한다. WWAM은 또한 위브의 폭, 위브 스페이싱 및 위브 타이밍을 포함한 사용자 위빙 파라미터들을 분석한다. SAM 및 WWAM은 법칙 입력 데이터(예를 들면, 위치 및 방위 데이터)를 그래핑을 위한 기능적으로 사용가능한 데이터로 해석한다. SAM 및 WWAM에 의해 분석된 각 파라미터에 대하여, 공차 창(tolerance window)은 공차 편집자(1221)를 이용하여 비드 테이블에 입력된 최적의 또는 이상적인 설정점 주변의 파라미터 한계에 의해 규정되고, 스코어링 및 공차 기능(1220)이 수행된다.

공차 편집자(1221)는 재료 사용량, 전기 사용량 및 용접 시간을 근사화시키는 웰도미터(weldometer)를 포함한다. 더 나아가, 소정의 파라미터가 공차 밖에 있을 때, 용접 불연속(즉, 용접 결함)이 발생할 수 있다. 임의의 용접 불연속의 상태는 그래핑 기능(1214)에 의해 처리되고 그래픽 사용자 인터페이스 기능(1213)을 통해 그래픽 형태로 제공된다. 그러한 용접 불연속은 부적당한 용접 크기, 불량 비드 배치, 오목 비드, 과도한 볼록성, 언더컷, 다공성, 불완전 용융, 슬래그 흡장, 오버필, 번쓰루, 및 과도한 스패터를 포함한다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 불연속의 레벨 또는 양은 특수한 사용자 파라미터가 최적의 또는 이상적인 설정점으로부터 얼마나 멀리 떨어져 있는가에 의존한다. 시뮬레이트 용접 공정의 일부로서 발생되는 그러한 용접 불연속은 가상 용접물과 관련된 가상의 파괴/비파괴 및 검사 공정에 대한 입력으로서 사용된다.

다른 파라미터 한계는 예를 들면 용접 초심자, 용접 전문가, 및 시사회의 사람들과 같은 다른 유형의 사용자에 대하여 미리 규정될 수 있다. 스코어링 및 공차 기능(1220)은 사용자가 특수 파라미터에 대하여 최적(이상적)에 얼마만큼 근접한지 및 용접에서 나타나는 불연속 또는 결함의 레벨에 의존하는 수 스코어(number score)를 제공한다. 최적의 값은 실세계 데이터로부터 유도된다. 스코어링 및 공차 기능(1220)으로부터 및 그래픽 기능(1214)으로부터의 정보는 학생 보고 기능(1215)에서 사용되어 강사 및/또는 학생에 대한 수행 보고를 생성할 수 있다.

시스템(100)은 가상 용접 활동의 결과를 분석 및 디스플레이할 수 있다. 그 결과를 분석함으로써, 시스템(100)은 용접 통과 중의 언제 및 용접 이음매를 따르는 어디에서 사용자가 용접 공정의 허용가능한 한계로부터 벗어났는지 결정할 수 있다. 스코어는 사용자 수행에 기인할 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 스코어는 공차의 범위에 걸쳐서 모조 용접 도구(160)의 위치, 방위 및 속도의 편차의 함수일 수 있고, 이것은 이상적인 용접 통과로부터 한계 또는 수용불능의 용접 활동까지 확장할 수 있다. 범위의 임의의 기울기는 사용자의 수행을 스코어링하기 위해 선정된 때 시스템(100)에 통합될 수 있다. 스코어링은 숫자로 또는 영숫자로 디스플레이될 수 있다. 게다가, 사용자의 수행은 모조 용접 도구가 용접 이음매를 얼마나 근접하게 가로지르는지 시간적으로 및/또는 용접 이음매를 따르는 위치에서 나타내도록 그래픽적으로 디스플레이될 수 있다. 주행 각, 작업 각, 속도 및 용접 이음매로부터의 거리와 같은 파라미터들은 측정 대상이 되는 예이고, 임의의 파라미터가 스코어링 목적으로 분석될 수 있다. 파라미터의 공차 범위는 실세계 용접 데이터로부터 취해지고, 이것에 의해 사용자가 실세계에서 어떻게 수행할 것인지에 대한 정확한 피드백을 제공한다. 다른 실시형태에 있어서, 사용자의 수행에 대응하는 결함의 분석이 또한 통합되고 ODD(150)에서 디스플레이될 수 있다. 이 실시형태에 있어서, 그래프는 가상 용접 활동 중에 모니터링된 각종 파라미터의 측정으로부터 어떤 유형의 불연속이 발생되었는지를 나타내도록 묘사될 수 있다. 비록 폐색(occlusion)이 ODD(150)에서 보이지 않을 수 있지만, 결함들이 사용자 수행의 결과로서 여전히 발생될 수 있고, 그 결과가 그에 대응하게 디스플레이, 즉 그래프화될 수 있으며, 또한 시험(예를 들면, 굽힘 시험을 통해) 및 검사될 수 있다.

비주얼 큐 기능(1219)은 오버레이되는 컬러 및 표시자를 FMDD(140) 및/또는 ODD(150)에서 디스플레이함으로써 사용자에게 직접적인 피드백을 제공한다. 비주얼 큐는 위치, 팁투워크 거리, 용접 각, 주행 각, 주행 속도, 및 아크 길이(예를 들면, 스틱 용접의 경우)를 포함한 용접 파라미터 각각에 대하여 제공되고, 사용자 용접 기술의 일부 양태가 미리 규정된 한계 또는 공차에 기초하여 조정되어야 하는지를 사용자에게 시각적으로 표시한다. 비주얼 큐는 예를 들면 위프/위브 기술 및 용접 비드 "다임" 스페이싱에 대하여 또한 제공될 수 있다. 비주얼 큐는 독립적으로 또는 임의의 원하는 조합으로 설정될 수 있다.

눈금조정 기능(1208)은 실세계 공간의 물리적 컴포넌트(3D 기준 프레임)를 가상 현실 공간의 비주얼 컴포넌트와 정합시키는 능력을 제공한다. 각각의 다른 유형의 용접 쿠폰(WC)이 WC를 T/S(170)의 암(173)에 장착하고 미리 규정된 위치(예를 들면 WC에서 3개의 보조개(dimple)에 의해 표시됨)의 WC를 ST(120)에 동작가능하게 접속된 눈금조정 스타일러스와 접촉시킴으로써 공장에서 눈금조정된다. ST(120)는 미리 규정된 지점에서 자계 강도를 판독하고, 위치 정보를 PPS(110)에게 제공하며, PPS(110)는 위치 정보를 이용하여 눈금조정을 수행한다(즉, 실세계 공간으로부터 가상 현실 공간으로의 변환).

임의의 특수 유형의 WC는 매우 엄밀한(tight) 공차 내에서 동일한 반복가능 방법으로 T/S(170)의 암(173)에 맞추어진다. 그러므로, 일단 특수 WC 유형이 눈금조정되면, 그 WC 유형은 재눈금조정될 필요가 없다(즉, 특수 유형의 WC의 눈금조정은 1회성 이벤트이다). 동일 유형의 WC는 교체할 수 있다. 눈금조정은 용접 공정 중에 사용자에 의해 인지된 물리적 피드백이 가상 현실 공간에서 사용자에게 디스플레이되는 것과 정합되는 것을 보장하여 시뮬레이션을 더욱 실제적으로 보이게 한다. 예를 들어서, 만일 사용자가 MWT(160)의 팁을 실제 WC(180)의 코너 주변에서 슬라이드시키면, 사용자는 사용자가 실제 코너 주변에서 슬라이드하는 팁을 느끼는 것처럼 FMDD(140) 상의 가상 WC의 코너 주변에서 슬라이드하는 팁을 느낄 것이다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, MWT(160)는 미리 배치된 지그(jig)에 배치되고 공지된 지그 위치에 기초하여 역시 눈금조정된다.

본 발명의 대안적인 실시형태에 따르면, 예컨대 쿠폰의 코너에 센서들을 구비한 "스마트" 쿠폰이 제공된다. ST(120)는 "스마트" 쿠폰이 실세계 3D 공간에서 어디에 있는지를 시스템(100)이 연속적으로 알도록 "스마트" 쿠폰의 코너를 추적할 수 있다. 본 발명의 다른 대안적인 실시형태에 따르면, 용접 쿠폰을 "잠금해제"하게 위해 인증키가 제공된다. 특수한 WC를 구매할 때, 인증키가 제공되어 사용자가 시스템(100)에 인증키를 입력함으로써 그 WC와 관련된 소프트웨어를 잠금해제할 수 있게 한다. 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 특수한 비표준 용접 쿠폰이 부품의 실세계 CAD 도면에 기초하여 제공될 수 있다. 사용자는 부품이 실세계에서 실제로 생산되기 전이라도 CAD 부품을 용접하는 훈련을 할 수 있다.

사운드 콘텐트 기능(1204) 및 용접음(1205)은 소정의 용접 파라미터가 공차 내에 있는지 공차를 벗어나는지에 따라서 변화하는 특수 유형의 용접음을 제공한다. 사운드는 각종의 용접 공정 및 파라미터에 맞추어진다. 예를 들면, MIG 스프레이 아크 용접 공정에 있어서, 사용자가 정확히 위치된 MWT(160)를 갖고 있지 않은 때에는 터짐 소리(cracking sound)가 제공되고, MWT(160)가 정확히 위치된 때에는 치찰음(hissing sound)이 제공된다. 쇼트 아크 용접 공정에 있어서, 적당한 용접 기술에 대해서는 안정된 터짐 또는 튀김 소리(frying sound)가 제공되고 언더커팅이 발생한 때에는 치찰음이 제공될 수 있다. 이러한 사운드는 정확한 및 부정확한 용접 기술에 대응하는 실세계 사운드를 흉내낸다.

고충실도 사운드 콘텐트는, 본 발명의 각종 실시형태에 따르면, 각종의 전자적 및 기계적 수단을 이용하는 실제 용접의 실세계 기록으로부터 취해질 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 사운드의 인지되는 볼륨 및 방향성은 MWT(160)와 WC(180) 간의 시뮬레이트 아크에 대하여 사용자 머리의 위치, 방위 및 거리에 따라 수정된다(사용자는 ST(120)에 의해 추적되는 FMDD(140)를 착용하고 있다고 가정한다). 사운드는 예를 들면 FMDD(140)에서 이어버드 스피커(910)를 통하여, 또는 콘솔(135) 또는 T/S(170)에 구성된 스피커를 통하여 사용자에게 제공될 수 있다.

환경 모델(1203)은 가상 현실 공간에서 각종의 배경 장면(정지된 것 및 움직이는 것)을 제공하기 위해 제공된다. 그러한 배경 환경은 예를 들면 옥내의 용접 가게, 옥외의 레이스 트랙, 차고(garage) 등을 포함하고, 움직이는 자동차, 사람, 새, 구름 및 각종의 환경음을 포함할 수 있다. 배경 환경은 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 대화식일 수 있다. 예를 들면, 사용자는 환경이 용접하기에 적당한지(예를 들면, 안전한지) 확인하기 위해 용접을 시작하기 전에 배경 지역을 조사할 필요가 있을 수 있다. 예를 들면 가상 현실 공간에서 건, 스틱 전극을 구비한 홀더 등을 포함한 각종의 MWT(160)를 모델링하는 토치 및 클램프 모델(1202)이 제공된다.

예를 들면 가상 현실 공간에서 평판 쿠폰, T-이음매 쿠폰, 맞댐 이음(butt-joint) 쿠폰, 홈 용접 쿠폰 및 파이프 쿠폰(예를 들면 2-인치 직경의 파이프 및 6-인치 직경의 파이프)를 포함하는 각종의 WC(180)를 모델링하는 쿠폰 모델(1210)이 제공된다. 가상 현실 공간에서 조정가능한 테이블(171), 스탠드(172), 조정가능한 암(173) 및 수직 기둥(174)을 포함한 T/S(170)의 각종 부분을 모델링하는 스탠드/테이블 모델(1206)이 제공된다. 가상 현실 공간에서 용접 사용자 인터페이스(130), 콘솔(135) 및 ODD(150)의 각종 부분을 모델링하는 물리적 인터페이스 모델(1201)이 제공된다. 다시, 용접 비드, 용접 이음매, 판위 파이프(pipe-on-plate) 용접, 플러그 용접 또는 랩 용접을 형성하기 위해 시뮬레이트 용접 공정을 거친 용접 쿠폰의 결과적인 시뮬레이션은 시스템(100)에 대하여 가상 용접물로서 여기에서 알려진다. 용접 쿠폰은 각각의 상기 시나리오들을 지원하도록 제공될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 가상 현실 공간에서 용접 퍼들 또는 풀의 시뮬레이션은 시뮬레이트 용접 퍼들이 실시간 용융 금속 유동성 및 열소산 특성을 갖는 곳에서 달성된다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 용접 퍼들의 중심에서 시뮬레이션은 GPU(115)에서 동작하는 용접 물리학 기능(1211)(즉, 물리학 모델)이다. 용접 물리학 기능은 동적 유동성/점도, 고형성, 열경사(열 흡수 및 소산), 퍼들 소생(puddle wake) 및 비드 형상을 정확히 모델링하기 위해 이중 전위층 기술을 사용하고, 이것에 대해서는 도 14A-14C와 관련하여 더 자세히 설명된다.

용접 물리학 기능(1211)은 가열된 용융 상태로부터 냉각된 고형화 상태까지의 모든 상태에서 용접 비드를 연출하기 위해 비드 연출 기능(1217)과 통신한다. 비드 연출 기능(1217)은 용접 물리학 기능(1211)으로부터의 정보(예를 들면, 열, 유동성, 전위, 다임 스페이싱)를 이용하여 용접 비드를 가상 현실 공간에서 실시간으로 정확히 및 사실주의적으로 연출한다. 3D 텍스쳐 기능(1218)은 추가적인 텍스쳐(예를 들면, 태우기(scorching), 슬래그, 입자)를 시뮬레이트 용접 비드에 오버레이하기 위해 비드 연출 기능(1217)에 텍스쳐 맵을 제공한다. 예를 들면, 슬래그는 용접 공정 중에 및 용접 공정 직후에 용접 비드 위에 연출되는 것으로 나타날 수 있고, 그 다음에 아래의 용접 비드를 드러내도록 제거될 수 있다. 렌더러 기능(1216)은 스파크, 스패터, 연기(smoke), 아크 글로우, 퓸(fumes) 및 가스, 및 예컨대 언더컷 및 다공성과 같은 소정의 불연속을 포함하는 특수 효과 모듈(1222)로부터의 정보를 이용하여 각종의 비-퍼들 특성을 연출하기 위해 사용된다.

내부 물리학 조정 도구(1212)는 각종의 용접 물리학 파라미터가 각종의 용접 공정에 대하여 규정, 갱신 및 수정될 수 있게 하는 비틀기 도구(tweaking tool)이다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 내부 물리학 조정 도구(1212)는 CPU(111)에서 동작하고 조정 또는 갱신된 파라미터들은 GPU(115)에 다운로드된다. 내부 물리학 조정 도구(1212)를 통해 조정될 수 있는 유형의 파라미터들은 용접 쿠폰, 공정이 용접 쿠폰을 리세트할 필요없이 변경될 수 있게 하는 공정 파라미터(제2 통과를 하도록 허용함), 전체 시뮬레이션을 리세트하지 않고 변경될 수 있는 각종 글로벌 파라미터, 및 다른 각종 파라미터에 관련된 파라미터들을 포함한다.

도 13은 도 1의 가상 현실 훈련 시스템을 이용하여 훈련하는 방법(1300)의 일 실시형태를 보인 흐름도이다. 이 방법은 다음과 같이 진행한다: 단계 1310에서, 용접 기술에 따라 용접 쿠폰에 대하여 모조 용접 도구를 이동시키고; 단계 1320에서, 가상 현실 시스템을 이용하여 3차원 공간에서 모조 용접 도구의 위치 및 방위를 추적하고; 단계 1330에서, 시뮬레이트된 모조 용접 도구가 시뮬레이트 용접 퍼들을 상기 시뮬레이트된 모조 용접 도구로부터 방사되는 시뮬레이트 아크 부근에 형성함으로써 시뮬레이트 용접 쿠폰의 적어도 하나의 시뮬레이트 표면 위에 시뮬레이트 용접 비드 물질을 형성할 때 가상 현실 공간에서 모조 용접 도구 및 용접 쿠폰의 실시간 가상 현실 시뮬레이션을 나타내는 가상 현실 용접 시스템의 디스플레이를 보고; 단계 1340에서, 시뮬레이트 용접 퍼들의 실시간 용융 금속 유동성 및 열소산 특성을 디스플레이에서 보고; 단계 1350에서, 시뮬레이트 용접 퍼들의 실시간 용융 금속 유동성 및 열소산 특성을 보는 것에 응답하여 용접 기술의 적어도 하나의 양태를 실시간으로 수정한다.

이 방법(1300)은 실시간 용융 금속 유동성(예를 들면 점도) 및 열소산을 비롯해서, 사용자가 가상 현실 공간에서 용접 퍼들을 보고 시뮬레이트 용접 퍼들의 각종 특성을 본 것에 응답하여 그의 용접 기술을 수정하는 법을 보인 것이다. 사용자는 또한 실시간 퍼들 소생 및 다임 스페이싱을 포함한 다른 특성들을 보고 그에 응답할 수 있다. 용접 퍼들의 특성들을 보고 그에 응답하는 것은 대부분의 용접 동작들이 실세계에서 실제로 어떻게 수행되는가이다. GPU(115)에서 동작하는 용접 물리학 기능(1211)의 이중 전위 층 모델링은 그러한 실시간 용융 금속 유동성 및 열소산 특성이 사용자에게 정확하게 모델링되고 표현되게 한다. 예를 들면, 열소산은 고형화 시간을 결정한다(즉, 웩셀이 완전히 고형화하는데 얼마나 많은 시간이 소요되는지).

또한, 사용자는 동일한 또는 다른(예를 들면, 제2의) 모조 용접 도구 및/또는 용접 공정을 이용하여 가상 용접의 용접 비드 물질 위에 제2 통과를 행할 수 있다. 그러한 제2 통과 시나리오에서, 시뮬레이션은 시뮬레이트된 모조 용접 도구가 시뮬레이트된 모조 용접 도구로부터 방사되는 시뮬레이트 아크 부근에 제2의 시뮬레이트 용접 퍼들을 형성함으로써 제1의 시뮬레이트된 용접 비드 물질과 합체되는 제2의 시뮬레이트된 용접 비드 물질을 침전시킬 때 가상 현실 공간에서 시뮬레이트된 모조 용접 도구, 용접 쿠폰, 및 최초의 시뮬레이트 용접 비드 물질을 나타낸다. 동일한 또는 다른 용접 도구 또는 공정을 이용한 추가의 후속적인 통과가 유사한 방식으로 이루어질 수 있다. 임의의 제2 또는 후속적인 통과에 있어서, 본 발명의 소정의 실시형태에 따르면, 이전의 용접 비드 물질은 새로운 용접 퍼들이 이전 용접 비드 물질, 새로운 용접 비드 물질, 및 아마도 하부에 있는 쿠폰 물질 중의 임의의 조합으로부터 가상 현실 공간에서 형성될 때 침전되는 새로운 용접 비드 물질과 합체되어 결과적인 가상 용접물을 수정한다. 그러한 후속적인 통과는 예를 들면 이전 통과에 의해 형성된 용접 비드를 수선하기 위해 수행되는 큰 필렛(fillet) 또는 홈 용접을 행하기 위해 필요하고, 또는 파이프 용접에서 행하여지는 것처럼 루트 패스 후의 핫 패스 및 하나 이상의 필(fill) 및 캡(cap) 패스를 포함할 수 있다. 본 발명의 각종 실시형태에 따르면, 용접 비드 및 기저 물질은 연강, 스테인레스강, 알루미늄, 니켈 기반 합금, 또는 다른 물질을 포함할 수 있다.

도 14A-14B는 본 발명의 일 실시형태에 따른 용접 요소(웩셀) 전위 맵(1420)의 개념을 보인 것이다. 도 14A는 평평한 상부 표면(1410)을 가진 평평한 용접 쿠폰(WC)(1400)의 측면도이다. 용접 쿠폰(1400)은 예를 들면 플라스틱 부분으로서 실세계에 존재하고, 시뮬레이트 용접 쿠폰으로서 가상 현실 공간에 또한 존재한다. 도 14B는 웩셀 맵(1420)을 형성하는 용접 요소(즉, 웩셀)의 그리드 또는 어레이로 해체된 시뮬레이트 WC(1400)의 상부 표면(1410)을 보인 것이다. 각 웩셀(예를 들면, 웩셀(1421))은 용접 쿠폰의 표면(1410)의 작은 부분을 규정한다. 웩셀 맵은 표면 해상도를 규정할 수 있다. 변경가능한 채널 파라미터 값들이 각 웩셀에 지정되어 각 웩셀의 값들이 시뮬레이트 용접 공정 중에 가상 현실 용접 공간에서 실시간으로 동적으로 변경되게 한다. 변경가능한 채널 파라미터 값들은 채널 퍼들(용융 금속 유동성/점도 전위), 열(열 흡수/소산), 전위(고체 전위), 및 엑스트라(각종의 엑스트라 상태, 예를 들면, 슬래그, 입자, 태우기, 버진(virgin) 금속)에 대응한다. 이러한 변경가능한 채널들은 여기에서 퍼들(Puddle), 열(Heat), 엑스트라(Extra) 및 전위(Displacement)에 대하여 각각 PHED로서 인용된다.

도 15는 도 1의 시스템(100)에서 시뮬레이트된 도 14의 평평한 용접 쿠폰(WC)(1400)의 쿠폰 공간 및 용접 공간의 예시적인 실시형태를 보인 것이다. 점 O, X, Y 및 Z는 로컬 3D 쿠폰 공간을 규정한다. 일반적으로, 각 쿠폰 유형은 3D 쿠폰 공간으로부터 2D 가상 현실 용접 공간까지의 맵핑을 규정한다. 도 14의 웩셀 맵(1420)은 가상 현실의 용접 공간에 맵되는 값들의 2차원 어레이이다. 사용자는 도 15에 도시된 것처럼 점 B로부터 점 E까지 용접하려고 한다. 점 B로부터 점 E까지의 궤도선은 도 15에서 3D 쿠폰 공간 및 2D 용접 공간 모두에서 보여진다.

각 유형의 쿠폰은 웩셀 맵에서 각 위치의 전위의 방향을 규정한다. 도 15의 평평한 용접 쿠폰의 경우에, 전위의 방향은 웩셀 맵의 모든 위치에서(즉, Z-방향에서) 동일하다. 웩셀 맵의 텍스쳐 좌표는 맵핑을 명확히 하기 위해 3D 쿠폰 공간 및 2D 용접 공간 모두에서 S, T(가끔은 U, V라고 부름)로서 보여진다. 웩셀 맵은 용접 쿠폰(1400)의 직사각 표면(1410)에 맵되고 그 직사각 표면(1410)을 나타낸다.

도 16은 도 1의 시스템(100)에서 시뮬레이트된 코너(티 이음매) 용접 쿠폰(WC)(1600)의 쿠폰 공간 및 용접 공간의 예시적인 실시형태를 보인 것이다. 코너 WC(1600)는 도 16에 도시된 것처럼 2D 용접 공간에 맵된 3D 쿠폰 공간에 2개의 표면(1610, 1620)을 갖는다. 다시, 점 O, X, Y 및 Z는 로컬 3D 쿠폰 공간을 규정한다. 웩셀 맵의 텍스쳐 좌표는 맵핑을 명확히 하기 위해 3D 쿠폰 공간 및 2D 용접 공간 모두에서 S, T로서 보여진다. 사용자는 도 16에 도시된 것처럼 점 B로부터 점 E까지 용접하려고 한다. 점 B로부터 점 E까지의 궤도선은 도 16에서 3D 쿠폰 공간 및 2D 용접 공간 모두에서 보여진다. 그러나, 전위의 방향은 3D 쿠폰 공간에서 보여지는 것처럼 선 X'-O'를 향하고, 도 16에 도시된 것처럼 반대측 코너를 향한다.

도 17은 도 1의 시스템(100)에서 시뮬레이트된 파이프 용접 쿠폰(WC)(1700)의 쿠폰 공간 및 용접 공간의 예시적인 실시형태를 보인 것이다. 파이프 WC(1700)는 도 17에 도시된 것처럼 2D 용접 공간에 맵된 3D 쿠폰 공간에 곡면(1710)을 갖는다. 다시, 점 O, X, Y 및 Z는 로컬 3D 쿠폰 공간을 규정한다. 웩셀 맵의 텍스쳐 좌표는 맵핑을 명확히 하기 위해 3D 쿠폰 공간 및 2D 용접 공간 모두에서 S, T로서 보여진다. 사용자는 도 17에 도시된 것처럼 곡선 궤적을 따라 점 B로부터 점 E까지 용접하려고 한다. 점 B로부터 점 E까지의 궤도 곡선 및 선은 도 17에서 각각 3D 쿠폰 공간 및 2D 용접 공간에서 보여진다. 그러나, 전위의 방향은 선 Y-O로부터 멀어진다(즉, 파이프의 중심으로부터 멀어진다). 도 18은 도 17의 파이프 용접 쿠폰(WC)(1700)의 예시적인 실시형태를 보인 것이다. 파이프 WC(1700)는 비철, 비전도성 플라스틱으로 제조되고 루트 이음매(1703)를 형성하도록 함께 오는 2개의 파이프 시편(1701, 1702)을 시뮬레이트한다. T/S(170)의 암(173)에 부착하기 위한 부착편(1704)이 또한 도시되어 있다.

텍스쳐 맵이 기하학적 구조의 직사각형 표면 영역에 맵되는 것과 유사한 방식으로, 용접가능한 웩셀 맵이 용접 쿠폰의 직사각형 표면에 맵될 수 있다. 용접가능한 맵의 각 요소는 화상의 각 요소가 픽셀(pixel)(화상 요소(picture element)의 단축어)이라고 불리는 것과 동일한 개념으로 웩셀(wexel)이라고 부른다. 픽셀은 컬러(예를 들면, 적, 녹, 청 등)를 규정하는 정보의 채널을 포함한다. 웩셀은 가상 현실 공간에서 용접가능한 표면을 규정하는 정보의 채널들(예를 들면, P, H, E, D)을 포함한다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 웩셀의 포맷은 4개의 부동소숫점 수를 포함하는 채널 PHED(퍼들, 열, 엑스트라, 전위)로서 요약된다. 엑스트라 채널은 예를 들면 웩셀 위치에 임의의 슬래그가 있는지 여부와 같은 웩셀에 대한 논리적 정보를 저장하는 비트의 집합으로서 취급된다. 퍼들 채널은 웩셀 위치에서 임의의 액화 금속의 전위 값을 저장한다. 전위 채널은 웩셀 위치에서 고화 금속의 전위 값을 저장한다. 열 채널은 웩셀 위치에서 열의 크기를 나타내는 값을 저장한다. 이 방법으로, 쿠폰의 용접가능한 부분은 용접된 비드에 기인하는 전위, 액화 금속에 기인하는 번쩍이는(shimmering) 표면 "퍼들", 열에 기인하는 컬러 등을 나타낼 수 있다. 이러한 모든 효과는 용접가능한 표면에 적용된 정점 및 픽셀 쉐이더에 의해 달성된다. 본 발명의 대안적인 실시형태에 따르면, 웩셀은 예를 들면 웩셀에 입력되는 열에 기인하는 용접 시뮬레이션 중에 변할 수 있는 특유의 야금학적 특성을 또한 통합할 수 있다. 그러한 야금학적 특성은 용접물의 가상 시험 및 검사를 시뮬레이트하기 위해 사용될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 전위 맵 및 실습 시스템은 입자(particle)들이 서로 상호작용하고 전위 맵과 충돌하는 곳에서 사용된다. 입자들은 가상의 동적 유체 입자이고 용접 퍼들의 유체 행동을 제공하지만 직접 연출되지는 않는다(즉, 시각적으로 직접 보이지 않는다). 그 대신에, 전위 맵의 입자 효과만이 시각적으로 보여진다. 웩셀에 입력된 열은 부근 입자들의 이동에 영향을 준다. 퍼들 및 전위를 포함한 용접 퍼들을 시뮬레이트할 때 수반되는 2가지 유형의 전위가 있다. 퍼들은 "일시적"이고 입자와 열이 있는 동안에만 지속된다. 전위는 "영구적"이다. 퍼들 전위는 신속히 변화하는(예를 들면, 어른거림) 용접의 액체 금속이고 전위의 "상부"에 있는 것으로 생각될 수 있다. 입자들은 가상 표면 전위 맵(즉, 웩셀 맵)의 일부에 오버레이된다. 전위는 고형화된 용접 비드 및 초기 모재를 둘 다 포함하는 영구 고체 금속을 나타낸다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 가상 현실 공간에서 시뮬레이트 용접 공정은 다음과 같이 작용한다: 입자들이 얇은 콘(cone)에서 에미터(시뮬레이트 MWT(160)의 에미터)로부터 흐른다. 입자들은 표면이 웩셀 맵에 의해 규정된 곳에서 시뮬레이트 용접 쿠폰의 표면과 최초로 접촉한다. 입자들은 서로 및 웩셀 맵과 상호작용하고 실시간으로 구축된다. 더 많은 열이 추가될수록 웩셀이 에미터에 더 근접한다. 열은 아크 포인트로부터의 거리 및 아크로부터 열이 입력되는 시간량에 따라 모델링된다. 소정의 비주얼(예를 들면, 컬러 등)이 열에 의해 구동된다. 용접 퍼들은 충분한 열을 가진 웩셀에 대하여 가상 현실 공간에서 인출 또는 연출된다. 용접 퍼들이 충분히 뜨거울 때마다, 웩셀 맵은 유체화되어 퍼들 전위가 그 웩셀 위치에 대하여 "상승"하게 한다. 퍼들 전위는 각각의 웩셀 위치에서 "최고" 입자를 샘플링함으로써 결정된다. 에미터가 용접 궤도를 따라 이동함에 따라, 웩셀 위치는 냉각부 뒤에 남겨진다. 열은 특정 속도로 웩셀 위치로부터 제거된다. 냉각 역치에 도달한 때, 웩셀 맵은 고화한다. 이와 같이, 퍼들 전위는 점차적으로 전위(Displacement)(즉, 고화 비드)로 변환된다. 추가되는 전위는 제거되는 퍼들과 동등하게 되어서 전체 높이는 변하지 않는다. 입자 수명은 고화가 완성될 때까지 지속되도록 트윅(tweak) 또는 조정된다. 시스템(100)에서 모델링되는 소정의 입자 특성은 인력/척력, 속도(열에 관한 것), 감쇠(dampening)(열소산에 관한 것), 방향(중력에 관한 것)을 포함한다.

도 19A-19C는 도 1의 시스템(100)의 이중 전위(전위 및 입자) 퍼들 모델의 개념의 예시적인 실시형태를 보인 것이다. 용접 쿠폰은 적어도 하나의 표면을 가진 가상 현실 공간에서 시뮬레이트된다. 용접 쿠폰의 표면은 고체 전위 층 및 퍼들 전위 층을 포함한 이중 전위 층으로서 가상 현실 공간에서 시뮬레이트된다. 퍼들 전위 층은 고체 전위 층을 수정할 수 있다.

여기에서 설명하는 용어 "퍼들"은 퍼들 값이 입자의 존재에 의해 상승된 웩셀 맵의 영역에 의해 규정된다. 샘플링 공정이 도 19A-19C에 나타나 있다. 웩셀 맵의 하나의 섹션은 7개의 인접 웩셀을 갖는 것으로 도시되어 있다. 현재의 전위 값은 주어진 높이(즉, 각 웩셀의 주어진 전위)의 음영이 없는 직사각형 바(bar)에 의해 표시된다. 도 19A에서, 입자(1920)들은 현재 전위 레벨과 충돌하는 둥근 비음영(un-shaded) 도트로서 도시된다. 도 19B에서, "최고" 입자 높이(1930)는 각 웩셀 위치에서 샘플링된다. 도 19C에서, 음영을 넣은 직사각형(1940)은 얼마나 많은 퍼들이 입자들의 결과로서 전위의 상부에 추가되었는지를 나타낸다. 용접 퍼들 높이는 퍼들이 열에 기초한 특수 액화 속도로 추가되기 때문에 샘플링 값으로 순간적으로 설정되지 않는다. 비록 도 19A-19C에 도시되어 있지 않지만, 퍼들(음영을 넣은 직사각형)이 점차적으로 축소되고 전위(비음영 직사각형)가 퍼들의 자리를 정확히 취하기 위해 밑으로부터 점차적으로 성장할 때 고형화 처리를 시각화할 수 있다. 이 방식으로, 실시간 용융 금속 유동성 특성이 정확히 시뮬레이트된다. 사용자가 특수한 용접 공정을 실습할 때, 사용자는 용접 퍼들의 용융 금속 유동성 특성 및 열소산 특성을 가상 현실 공간에서 실시간으로 관측하고 이 정보를 그의 용접 기술을 조정 또는 유지하기 위해 사용할 수 있다.

용접 쿠폰의 표면을 나타내는 웩셀의 수는 고정된다. 또한, 유동성을 모델링하기 위해 시뮬레이션에 의해 발생된 퍼들 입자는 여기에서 설명하는 것처럼 일시적이다. 그러므로, 시스템(100)을 이용한 시뮬레이트 용접 공정 중에 가상 현실 공간에서 초기 퍼들이 발생된 때, 웩셀과 퍼들 입자를 합한 수는 비교적 일정하게 유지되는 경향이 있다. 이것은 처리되는 웩셀의 수는 고정되고 용접 공정 중에 존재하여 처리되는 퍼들 입자의 수는 퍼들 입자가 생성되면서 유사한 속도로 "파괴"되기 때문에(즉, 퍼들 입자는 일시적이다) 비교적 일정하게 유지되는 경향이 있기 때문이다. 그러므로, PPS(110)의 처리 부하는 시뮬레이트 용접 세션 중에 비교적 일정하게 유지된다.

본 발명의 대안적인 실시형태에 따르면, 퍼들 입자는 용접 쿠폰의 표면 내에 또는 표면 아래에서 발생될 수 있다. 그러한 실시형태에 있어서, 전위는 버진(즉, 비용접) 쿠폰의 최초 표면 전위에 대하여 양 또는 음으로 모델링될 수 있다. 이 방식으로, 퍼들 입자는 용접 쿠폰의 표면상에서 구축될 뿐만 아니라 용접 쿠폰에 침투할 수 있다. 그러나, 웩셀의 수는 여전히 고정되고 생성 및 파괴되는 퍼들 입자는 여전히 비교적 일정하다.

본 발명의 대안적인 실시형태에 따르면, 입자들을 모델링하는 대신에, 웩셀 전위 맵은 퍼들의 유동성을 모델링하기 위해 더 많은 채널을 갖는 것으로 제공될 수 있다. 또는, 입자들을 모델링하는 대신에, 조밀한 복셀(voxel) 맵이 모델링될 수 있다. 또는, 웩셀 맵 대신에, 샘플링되고 결코 사라지지 않는 입자들만이 모델링될 수 있다. 그러나 이러한 대안적인 실시형태는 시스템에 대하여 비교적 일정한 처리 부하를 제공하지 않는다.

더 나아가, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 블로쓰루(blowthrough) 또는 키홀(keyhole)이 물질을 제거함으로써 시뮬레이트된다. 예를 들어서, 만일 사용자가 아크를 동일 위치에서 너무 오랫동안 유지하면, 실세계에서는 물질이 타버려서 홀이 형성된다. 그러한 실세계 번쓰루는 웩셀 대량파괴(decimation) 기술에 의해 시스템(100)에서 시뮬레이트된다. 만일 웩셀에 의해 흡수된 열의 양이 시스템(100)에 의해 너무 높은 것으로 결정되면, 그 웩셀은 타버린 것으로 표시 또는 지정되고 그렇게 연출(예를 들면, 홀로서 연출)될 수 있다. 그러나, 후속적으로, 물질이 초기에 타버린 후에 다시 추가되는 소정의 용접 공정(예를 들면, 파이프 용접)에 대하여 웩셀 재구성이 발생할 수 있다. 일반적으로, 시스템(100)은 웩셀 대량파괴(물질을 제거하는 것) 및 웩셀 재구성(즉, 물질을 다시 추가하는 것)을 시뮬레이트한다. 또한, 루트-패스 용접에서 물질의 제거는 시스템(100)에서 적절히 시뮬레이트된다.

또한, 루트-패스 용접에서 물질의 제거는 시스템(100)에서 적절히 시뮬레이트된다. 예를 들면, 실세계에서는 루트 패스의 연마가 후속 용접 공정 전에 수행될 수 있다. 유사하게, 시스템(100)은 가상 용접 이음매로부터 물질을 제거하는 그라인딩 패스를 시뮬레이트할 수 있다. 제거되는 물질은 웩셀 맵에서 음의 전위로서 모델링될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 다시 말하면, 그라인딩 패스는 시스템(100)에 의해 모델링된 물질을 제거하여 변경된 비드 윤곽을 야기한다. 그라인딩 패스의 시뮬레이션은 자동으로 될 수 있다. 즉, 시스템(100)은 루트 패스 용접 비드의 표면 각각에 대하여 미리 정해진 두께의 물질을 제거한다.

대안적인 실시형태에 있어서, 모조 용접 도구(160) 또는 다른 입력 장치의 활성화에 의해 턴온 및 턴오프되는 실제 연마 도구, 즉 그라인더가 시뮬레이트될 수 있다. 연마 도구는 실세계 그라인더와 닮도록 시뮬레이트될 수 있다는 점에 주목한다. 이 실시형태에 있어서, 사용자는 연마 도구의 이동에 응답하여 물질을 제거하도록 루트 패스를 따라 연마 도구를 연습한다. 사용자는 너무 많은 물질을 제거하도록 허용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 전술한 것과 유사한 방식으로, 만일 사용자가 너무 많은 물질을 갈아내면 홀 또는 다른 결함(위에서 설명된 것)이 발생할 수 있다. 또한, 사용자가 너무 많은 물질을 제거하는 것을 방지하도록 또는 너무 많은 물질이 제거된 때를 표시하도록 하드 리미트 또는 스탑(stop)이 구현, 즉 프로그램될 수 있다.

여기에서 설명하는 보이지 않는 "퍼들" 입자 외에, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 시스템(100)은 또한 아크(Arc), 화염(Flame) 및 스파크(Spark) 효과를 표시하기 위해 3가지 다른 유형의 보이는 입자를 사용한다. 이러한 유형의 입자들은 임의 유형의 다른 입자들과 상호작용하지 않고, 전위 맵과만 상호작용한다. 비록 이 입자들이 시뮬레이트된 용접 표면과 충돌하지만, 입자들은 서로 상호작용하지 않는다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 단지 퍼들 입자들만이 서로 상호작용한다. 스파크 입자들의 물리학적 특성(physics)은 스파크 입자가 되튀김되고 가상 현실 공간에서 밝은 도트(glowing dot)로서 연출되도록 설정된다.

아크 입자의 물리학적 특성은 아크 입자가 시뮬레이트 쿠폰 또는 용접 비드의 표면을 치고(hit) 잠깐동안 머무르도록 설정된다. 아크 입자는 가상 현실 공간에서 더 크고 어두운 푸르스름한 흰 스포트(spot)로서 연출된다. 그러한 스포트가 많이 중첩되어 임의 종류의 비주얼 이미지를 형성한다. 최종적인 결과는 청색 모서리를 가진 백열 후광(white glowing nimbus)이다.

화염 입자의 물리학적 특성은 천천히 상향으로 상승하도록 모델링된다. 화염 입자들은 중간 크기의 주황색(red-yellow) 스포트로서 연출된다. 그러한 스포트가 많이 중첩되어 임의 종류의 비주얼 이미지를 형성한다. 최종적인 결과는 상향으로 상승하여 사라지는 적색 모서리를 가진 주홍색(orange-red) 화염의 얼룩(blob)이다. 다른 유형의 비-퍼들 입자가 본 발명의 다른 실시형태에 따라서 시스템(100)에서 구현될 수 있다. 예를 들면, 연기 입자가 화염 입자와 유사한 방식으로 모델링 및 시뮬레이트될 수 있다.

시뮬레이트 시각화의 마지막 단계는 GPU(115)의 쉐이더(117)(도 11 참조)에 의해 제공되는 정점 및 픽셀 쉐이더에 의해 취급된다. 정점 및 픽셀 쉐이더는 퍼들 및 전위뿐만 아니라 열 등에 의해 변경되는 표면색 및 반사성을 응용한다. 위에서 설명한 PHED 웩셀 포맷의 엑스트라(E) 채널은 웩셀마다 사용되는 모든 엑스트라 정보를 포함한다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 엑스트라 정보는 비-버진 비트(참=비드, 거짓=버진 스틸), 슬래그 비트, 언더컷 값(제로가 언더컷이 없는 경우일 때 이 웩셀에서 언더컷의 양), 다공성 값(제로가 구멍이 없는 경우일 때 이 웩셀에서 구멍의 양), 및 비드가 고형화될 때의 시간을 인코드하는 비드 소생 값을 포함한다. 버진 스틸, 슬래그, 비드 및 다공성을 포함한 상이한 쿠폰 비주얼과 관련된 일련의 이미지 맵이 있다. 이 이미지 맵은 범프 맵핑 및 텍스쳐 맵핑 모두에 사용된다. 이 이미지 맵의 굽힘 양은 여기에서 설명하는 각종 플래그 및 값에 의해 제어된다.

비드 소생 효과는 1D 이미지 맵 및 비드의 소정의 비트가 고형화될 때의 시간을 인코드하는 웩셀당 비드 소생 값을 이용하여 달성된다. 핫 퍼들 웩셀 위치가 "퍼들"이라고 부르기에 충분할 정도로 더 이상 뜨겁지 않은 때, 그 위치에서의 시간이 저장되고 "비드 소생"(bead wake)이라고 부른다. 최종적인 결과는 비드가 놓여진 방향을 묘사하는 독특한 외관을 비드에게 제공하는 "리플"을 인출하기 위해 쉐이더 코드가 1D 텍스쳐 맵을 사용할 수 있다는 것이다. 본 발명의 대안적인 실시형태에 따르면, 시스템(100)은 시뮬레이트된 용접 퍼들이 용접 궤도를 따라 이동할 때, 시뮬레이트 용접 퍼들의 실시간 유동성-고형화 천이로부터 야기되는 실시간 용접 비드 소생 특성을 가진 용접 비드를 가상 현실 공간에서 시뮬레이트 및 디스플레이할 수 있다.

본 발명의 대안적인 실시형태에 따르면, 시스템(100)은 용접기를 조정(troubleshoot)는 법을 사용자에게 가르칠 수 있다. 예를 들면, 시스템의 조정 모드는 사용자가 시스템을 정확히(예를 들면, 정확한 가스 유량, 정확한 전원선 접속 등) 설정하도록 사용자를 훈련시킬 수 있다. 본 발명의 다른 대안적인 실시형태에 따르면, 시스템(100)은 용접 세션(또는 용접 세션의 적어도 일부, 예를 들면 N개의 프레임)을 기록 및 재생할 수 있다. 트랙 볼은 비디오의 프레임을 통해 스크롤하여 사용자 또는 강사가 용접 세션을 비평할 수 있게 하기 위해 제공된다. 재생은 또한 선택가능한 속도(예를 들면, 전속도, 반속도, 1/4속도)로 제공될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 2개의 용접 세션이 예를 들면 ODD(150)에서 나란히 보여지도록 분할 화면 재생이 제공될 수 있다. 예를 들면, "양호한" 용접 세션은 비교 목적으로 "불량" 용접 세션 다음에 보여질 수 있다.

위에서 설명한 것처럼, 독립식의 가상 용접물 검사(virtual weldment inspection, VWI) 시스템은 미리 규정된 가상 용접물 또는 VRAW 시스템을 이용하여 생성된 가상 용접물을 입력하고, 가상 용접물의 가상 검사를 수행할 수 있다. 그러나, VRAW 시스템과는 달리, VWI 시스템은 시뮬레이트 가상 용접 공정의 일부로서 가상 용접물을 생성할 수 없고, 본 발명의 소정의 실시형태에 따라서 그 용접물의 가상 파괴/비파괴 시험을 수행할 수도 있고 수행하지 않을 수도 있다.

도 20은 가상 용접물의 검사를 시뮬레이트하고, 용접물과 관련된 각종 특성에 기인하는 효과들을 관측하기 위해 검사중에 있는 가상 용접물의 애니메이션을 디스플레이할 수 있는 독립식 가상 용접물 검사(VWI) 시스템(2000)의 예시적인 실시형태를 보인 것이다. 일 실시형태에 있어서, VWI 시스템(2000)은 도 1의 PPS(110)와 유사한 프로그래머블 프로세서 기반 서브시스템(PPS)(2010)을 포함한다. VWI 시스템(2000)은 또한 PPS(2010)에 동작가능하게 접속된, 도 1의 ODD(150)와 유사한 관측자 디스플레이 장치(ODD)(2050)를 포함한다. VWI 시스템(2000)은 PPS(2010)에 동작가능하게 접속된 키보드(2020) 및 마우스(2030)를 추가로 포함한다.

도 20의 시스템(2000)의 제1 실시형태에 있어서, PPS(110)는 가상 용접물이 3D 애니메이션 연출을 제공하기 위한 연출 엔진으로서 구성된 하드웨어 및 소프트웨어를 제공한다. PPS(110)는 또한 가상 용접물의 시험 및 검사를 수행하기 위한 분석 엔진으로서 구성된 하드웨어 및 소프트웨어를 제공한다. PPS(2010)는 가상 용접물의 데이터 표시를 입력하고 입력 데이터에 대하여 동작하는 PPS(110)의 연출 엔진을 이용하여 검사하기 위한 가상 용접물의 애니메이션화 3D 연출을 발생할 수 있다. 가상 용접물 데이터는 미리 준비된(pre-canned)(즉, 미리 규정된) 가상 용접물(예를 들면, 별도의 컴퓨터 시스템을 이용하여 발생된 것) 또는 가상 현실 용접 시뮬레이터 시스템(예를 들면, 위에서 설명한 VRAW 시스템)을 이용하여 생성된 가상 용접물 데이터일 수 있다.

또한, 본 발명의 향상된 실시형태에 따르면, PPS(2010)는 VWI 시스템(2000)이 입력 가상 용접물에 대하여 가상의 파괴/비파괴 시험을 수행하고 VRAW 시스템의 경우와 유사하게 시험의 애니메이션을 디스플레이할 수 있게 하는 진보된 분석/연출/애니메이션 능력을 포함한다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, VRAW 시스템을 이용하여 생성된 용접물의 가상 연출은 VWI 시스템에 전달된다. VWI 시스템의 시험부는 가상 용접물의 절단부를 자동으로 발생하고 그 절단부(또는 절단되지 않은 가상 용접물 자체)를 VWI 시스템의 시험부 내에서 복수의 가능한 파괴 및 비파괴 시험 중의 하나에 제공할 수 있다. 복수의 시험은 각각 그 특수한 시험을 나타내는 애니메이션을 발생할 수 있다. VWI 시스템은 시험의 애니메이션을 사용자에게 디스플레이할 수 있다. 애니메이션은 사용자에 의해 발생된 가상 용접물이 시험에 통과하였는지 여부를 사용자에게 명확히 보여준다.

예를 들면, 가상의 굽힘 시험을 받는 가상 용접물은 가상 용접물의 용접 이음매에서 특수 유형의 결함이 발생하는 위치에서 애니메이션이 파열되는 것으로 나타날 수 있다. 다른 예로서, 가상의 굽힘 시험을 받는 가상 용접물은 용접물이 완전히 파열되지는 않는다 하더라도, 애니메이션에서 휘어지고 깨지는 것으로 보여지거나 충분한 양의 결함을 보일 수 있다. 동일한 가상 용접물은 가상 용접물의 동일한 절단부(예를 들면, 절단부는 VWI 시스템에 의해 재구성될 수 있다) 또는 상이한 절단부를 이용하여 다른 시험에 대하여 반복적으로 시험될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 가상 용접물은 예를 들면 특수한 선택된 파괴/비파괴 시험에 영향을 주는 금속의 유형 및 인장 강도와 같은 야금학적 특성으로 꼬리표가 붙여진다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 배경 구동형 전문가 시스템은 VWI 시스템의 디스플레이에 윈도우를 팝업하고 용접물이 시험에 실패한 이유(예를 들면, 용접 이음매의 특정 지점에 너무 많은 구멍이 있는 것) 및 어떤 특수 용접 표준이 부합되지 않았는지를 사용자에게 (예를 들면 텍스트 메시지를 통하여 및/또는 그래픽적으로) 표시할 수 있다. 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, VWI 시스템은 현재의 시험을 특수 용접 표준에 결속하는 외부 도구에 하이퍼 텍스트 링크할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 특수한 파괴/비파괴 시험의 애니메이션은 사용자가 연출된 가상 용접물을 시험 중에 VWI 시스템의 디스플레이에서 3차원 방식으로 이동시켜서 여러 각도 및 투시화법으로 시험을 볼 수 있도록 시험에 의해 수정되는 가상 용접물의 3D 연출이다. 특수 시험의 동일한 3D 연출된 애니메이션은 반복적으로 플레이되어 동일한 사용자 또는 복수의 사용자에 대하여 최대의 훈련 이익을 얻을 수 있게 한다.

도 20의 VWI 시스템(2000)의 더 간단하고 덜 복잡한 실시형태에 있어서, PPS(2010)는 VRAW 시스템에 의해 발생된 가상의 파괴 또는 비파괴 시험의 애니메이션화 3D 연출을 입력하고 검사 목적으로 애니메이션을 디스플레이할 수 있다. PPS(2010)는 가상 용접물의 검사를 수행하기 위한 분석 엔진으로서 구성된 하드웨어 및 소프트웨어를 제공한다. 그러나, 이 더 간단한 실시형태에 있어서, PPS(2010)는 가상 용접물의 3D 애니메이션 연출을 제공하기 위한 연출 엔진으로서 구성된 하드웨어 및 소프트웨어를 제공하지 않고, 분석 엔진은 가상 용접물의 검사를 지원하는 것으로 제한된다. 연출 및 시험은 어디에서든 행하여지고(예를 들면, VRAW 시스템에서), 그러한 실시형태에서 VWI 시스템에 입력된다. 이러한 더 간단한 실시형태에 있어서, PPS(2010)는 가상의 검사를 수행하고 용접 검사와 관련한 훈련을 하도록 소프트웨어에 의해 프로그램된 표준형의 상용 퍼스널 컴퓨터 또는 워크스테이션일 수 있다.

전술한 바와 같이, 가상 검사는 다수의 다른 방법들 중의 임의의 방법 및/또는 그 방법들의 임의의 조합으로 VWI 시스템에서 구현될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, VWI 시스템은 전문가 시스템을 포함하고 일련의 규칙에 의해 구동된다. 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, VWI 시스템은 지원 벡터 머신을 포함한다. 본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, VWI 시스템은 새로운 시나리오에 대하여 훈련 및 적응될 수 있는 신경망, 및/또는 학생이 더 많은 실습을 필요로 하는 영역에 관한 피드백을 학생에게 제공하거나 학생의 학습을 개선하기 위해 교수 커리큘럼을 수정하는 것에 대한 피드백을 강사 또는 교육자에게 제공하는 지능 에이전트를 포함한다. 더 나아가, 사용자는 그들의 훈련을 지원하는 텍스트, 화상, 비디오 및 다이어그램을 포함한 지식 기반에 접근할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 연출된 가상 용접물 및/또는 시험을 받고 있는 가상 용접물의 대응하는 3D 연출 애니메이션이 VWI 시스템에 입력되어 용접의 검사를 수행하고 및/또는 용접 검사에 대하여 사용자를 훈련시킬 수 있다(예를 들면, 인증된 용접 검사자가 되기 위해). 시스템의 검사 부분은 교수 모드 및 훈련 모드를 포함한다.

교수 모드에 있어서, 가상 용접물 및/또는 시험을 받고 있는 가상 용접물의 3D 연출 애니메이션은 용접 학생과 함께 채점자(트레이너)에 의해 디스플레이 및 보여진다. 트레이너와 용접 학생은 가상 용접물을 보고 가상 용접물과 상호작용할 수 있다. 트레이너는 가상 용접물의 결함 및 불연속을 식별함에 있어서 용접 학생이 얼마나 잘 수행하는지 결정할 수 있고(예를 들면, 스코어링법에 의해), 디스플레이된 가상 용접물과 상호작용함으로써(다른 투시화법으로 보는 것 등) 용접 학생이 얼마나 잘 수행하고 학생이 무엇을 실수하는지 용접 학생에게 표시할 수 있다.

훈련 모드에 있어서, 시스템은 가상 용접물에 대한 질의를 용접 검사자 학생에게 문의하고, 용접 검사자 학생이 그 질의에 대한 답을 입력하게 한다. 시스템은 질의의 끝에서 용접 검사자 학생에게 등급을 제공할 수 있다. 예를 들면, 시스템은 초기에 하나의 가상 용접물에 대한 표본 질의를 용접 검사자 학생에게 제공하고, 그 다음에 등급을 매길 다른 가상 용접물에 대한 시의적절한 질의를 용접 검사자 학생에게 제공할 수 있다.

시스템의 검사 부분은 결함을 검출하고 미리 규정된 용접 표준에 비교되는 가상 용접물에 대한 소정의 측정치를 구하는 것과 관련하여 용접 검사자 학생 또는 트레이너를 돕는 소정의 대화 도구(예를 들면, 루트 용접의 침투를 측정하고 그 측정치를 필요한 표준 침투와 비교하는 가상 게이지)를 또한 제공할 수 있다. 용접 검사자 학생의 등급매기기(grading)는 용접 검사자 학생이 용접을 평가하기 위해 정확한 대화 도구를 사용하는지 여부를 또한 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 시스템의 검사 부분은, 등급매기기(즉, 스코어링)에 기초하여, 어떤 영역에서 용접 검사자 학생이 도움을 필요로 하는지 결정하고, 검사를 수행할 더 대표성 있는 표본을 용접 검사자 학생에게 제공한다.

다시, 각종의 대화식 검사 도구가 시험을 받기 전의 가상 용접물, 시험을 받은 후의 가상 용접물, 또는 상기 둘 다에 대하여 사용될 수 있다. 각종의 대화식 검사 도구 및 방법은 본 발명의 일 실시형태에 따르면 각종 용접 공정, 금속의 유형, 및 용접 표준의 유형에 대하여 구성된다. 독립식 VWI 시스템(2000)에 있어서, 대화식 검사 도구는 예를 들면 키보드(2020) 및 마우스(2030)를 이용하여 조작될 수 있다. 대화식 검사 도구의 다른 예는 목(throat) 측정을 수행하기 위한 가상 팜그렌(Palmgren) 게이지, 다리 크기를 결정하기 위한 가상 필렛 게이지, 볼록체 측정 또는 언더컷의 측정을 수행하기 위한 가상 VWAC 게이지, 크랙의 길이를 측정하기 위한 가상 슬라이딩 캘리퍼, 크랙의 폭을 측정하기 위한 가상 마이크로미터, 및 검사용 용접 부분을 확대하기 위한 가상 확대 렌즈를 포함한다. 다른 가상의 대화식 검사 도구가 본 발명의 각종 실시형태에 따라서 또한 가능하다.

도 21은 가상 현실 공간에서 연출된 베이스라인 가상 용접물의 품질을 평가하는 방법(2100)의 예시적인 실시형태를 보인 흐름도이다. 단계 2110에서, 베이스라인 가상 용접물이 연출(또는 다시 연출, 재연출)된다. 예를 들면, 사용자는 VRAW 시스템(100)을 이용하여 가상 부분에서 그의 용접 기술을 실습하고 사용자의 용접 능력을 나타내는 베이스라인 가상 용접물을 연출할 수 있다. 여기에서 사용하는 용어 "가상 용접물"은 많은 용접 시험에서 사용되는 것처럼 전체 가상 용접부 또는 그 가상 절단부를 의미한다.

단계 2120에서, 베이스라인 가상 용접물은 베이스라인 가상 용접물의 특성을 시험하도록 구성된 컴퓨터 시뮬레이트 시험(예를 들면, 파괴적 가상 시험 또는 비파괴적 가상 시험)을 받는다. 컴퓨터 시뮬레이트 시험은 예를 들면 VRAW 시스템 또는 VWI 시스템에 의해 수행될 수 있다. 단계 2130에서, 시뮬레이트 시험에 응답하여, 시험된 가상 용접물이 연출되고(예를 들면, 파괴 시험에 기인하는 베이스라인 가상 용접물의 수정), 관련 시험 데이터가 발생된다. 단계 2140에서, 시험된 가상 용접물 및 시험 데이터가 컴퓨터 시뮬레이트 분석을 받는다. 컴퓨터 시뮬레이트 분석은 가상 용접물의 특성과 관련하여 시험된 가상 용접물의 통과/실패 조건을 결정하도록 구성된다. 예를 들면, 결정은 시험 후의 특성의 분석에 기초하여 가상 용접물이 굽힘 시험에 통과하였는지 여부에 대하여 행하여질 수 있다.

단계 2150에서, 시험된 가상 용접물을 검사해야 하는지 아닌지에 대한 결정이 사용자에 의해 행하여진다. 만일 검사하지 않는 것으로 결정되면, 단계 2160에서 다른 시험을 수행해야 하는지 여부에 대한 결정이 이루어진다. 만일 다른 시험을 수행하는 것으로 결정되면, 방법은 단계 2110으로 되돌아가서 마치 가상 용접물에 대하여 이전의 시험이 이루어지지 않은 것처럼 베이스라인 가상 용접물이 재연출된다. 이 방식으로, 많은 시험(파괴적 및 비파괴적)이 동일한 베이스라인 가상 용접물에 대하여 행하여지고 각종 통과/실패 조건에 대하여 분석될 수 있다. 단계 2150에서, 만일 검사하는 것으로 결정되면, 단계 2170에서, 시험된 가상 용접물(즉, 시험 후의 가상 용접물)이 사용자에게 디스플레이되고, 사용자는 시험된 가상 용접물의 각종 특성을 검사하기 위해 시험된 가상 용접물의 방위를 조작할 수 있다. 단계 2180에서, 사용자는 검사를 돕기 위해 프로그램된 검사 도구에 접근하여 그 프로그램된 검사 도구를 시험된 가상 용접물에 적용할 수 있다. 예를 들면, 사용자는 루트 용접의 침투를 측정하고 그 측정치를 필요한 표준 침투와 비교하는 가상 게이지에 접근할 수 있다. 검사 후에, 다시 단계 2160에서, 다른 시험을 수행해야 하는지 여부에 대한 결정이 이루어진다. 만일 다른 시험이 수행될 필요가 없으면, 방법이 종료된다.

일 예로서, 도 22 내지 도 24에 각각 도시된 것처럼, 가상 용접물(2200)의 동일한 절단부가 시뮬레이트 굽힘 시험, 시뮬레이트 인장 또는 당김 시험, 및 시뮬레이트 흠 파열 시험을 받을 수 있다. 도 22를 참조하면, 용접 이음매(2210)를 가진 가상 용접물(2200)의 직선 절단부가 시뮬레이트 굽힘 시험을 받는다. 굽힘 시험은 용접 구역의 연성(ductility), 용접 침투, 용융, 결정질 구조(부러진 표면의 것), 및 강도와 같은 각종 용접 특성을 알기 위해 수행될 수 있다. 굽힘 시험은 용접 금속, 용접 접합, 및 열 영향을 받은 구역의 품질을 결정하는데 도움을 준다. 굽힘 시험 중의 임의의 금속 크래킹은 불량 용융, 불량 침투, 또는 크래킹을 야기할 수 있는 어떤 다른 조건을 표시한다. 금속의 늘림은 용접의 연성을 표시하는데 도움을 준다. 부러진 표면은 용접의 결정질 구조를 나타낸다. 큰 결정(crystal)은 결함있는 용접 절차 또는 용접 후의 부적절한 열처리를 표시하는 경향이 있다. 양질의 용접은 작은 결정을 갖는다.

도 23을 참조하면, 굽힘 시험 후에, 동일한 용접 이음매(2210)를 가진 가상 용접물(2200)의 동일한 직선 절단부가 재연출되고 시뮬레이트 당김 시험을 받는다. 당김 시험(또는 인장 시험)은 용접 이음매의 강도를 알기 위해 수행될 수 있다. 시뮬레이트 시험에 있어서, 가상 용접물(2200)은 일단부가 고정되고, 가상 용접물(2200)이 파열될 때까지 다른 단부가 당겨진다. 용접물(2200)이 파열될 때의 인장 부하 또는 당김이 결정되고, 통과/실패 결정을 위해 표준 측정치와 비교된다.

도 24를 참조하면, 당김 시험 후에, 동일한 용접 이음매(2210)를 가진 가상 용접물(2200)의 동일한 직선 절단부가 재연출되고 시뮬레이트 흠 파열 시험을 받는다. 시뮬레이트 흠 파열 시험은 용접된 맞댐 이음의 용접 금속이 임의의 내부 결함, 예를 들면 슬래그 내포, 가스 포켓, 불량 용융, 및 산화 금속 등을 갖는지 결정하기 위해 수행된다. 슬롯이 도 24에 도시된 것처럼 용접 이음매(2210)의 각 측면으로 절단되어 들어간다. 가상 용접물(2200)은 2개의 지지체에 걸쳐서 위치되고 슬롯들 간의 용접(2210) 부분이 부러질 때까지 망치로 두들겨진다. 용접(2210)의 내부 금속이 결함에 대하여 검사될 수 있다. 결함은 통과/실패 결정을 위하여 표준 측정치와 비교될 수 있다.

본 발명의 청구되는 주제가 소정의 실시형태와 관련하여 설명되었지만, 이 기술에 숙련된 사람이라면 청구된 주제의 범위로부터 벗어나지 않고 각종 변경이 이루어질 수 있고 등가물이 대체될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 청구된 주제의 범위로부터 벗어나지 않고 청구된 주제의 교시에 특수 상황 또는 물질을 적응시키기 위한 많은 수정이 있을 수 있다. 그러므로, 청구된 주제는 여기에서 설명한 특수한 실시형태로 제한되는 것이 아니고, 첨부된 특허 청구범위에 속하는 모든 실시형태를 포함하는 것으로 의도된다.

100: 시스템 110: 프로세서 기반 서브시스템
111: 중앙 처리 장치 115: 그래픽 처리 장치
116: 컴퓨터 통합 장치 아키텍쳐 117: 쉐이더
118: 비디오 출력 119: 비디오 출력
120: 공간 추적기 121: 자기 소스
122: 센서 123: 디스크
124: 전원 125: 케이블
126: 프로세서 추적 장치 130: 사용자 인터페이스
131: 일련의 버튼 132: 조이스틱
133: 다이얼/손잡이 134: 다이얼/손잡이
135: 시뮬레이트 용접 콘솔 136: 다이얼/손잡이
137: 다이얼/손잡이 140: 얼굴 장착형 디스플레이 장치
150: 관측자 디스플레이 장치 151: 용접 파라미터
152: 용접 불연속 상태 153: 사용자 선택부
160: 모조 용접 도구 161: 홀더
162: 시뮬레이트화 스틱 전극 163: 촉각 저항성 팁
170: 테이블/스탠드 171: 조정가능한 테이블
172: 스탠드/베이스 173: 조정가능한 암
174: 수직 기둥 175: 용접 쿠폰
175': 파이프 175": 파이프
176: 루트 177: 접속부
180: 용접 쿠폰 900: 용접 헬멧
910: 이어버드 스피커 1201: 물리적 인터페이스
1202: 클램프 모델 1203: 환경 모델
1204: 사운드 콘텐트 기능 1205: 용접음
1206: 스탠드/테이블 모델 1207: 내부 아키텍쳐 기능
1208: 눈금조정 기능 1210: 쿠폰 모델
1211: 용접 물리학 1212: 트위커
1213: 그래픽 사용자 인터페이스 기능 1214: 그래핑 기능
1215: 학생 보고 기능 1216: 렌더러
1217: 비드 연출 1218: 3D 텍스쳐
1219: 비주얼 큐 기능 1220: 스코어링 및 공차 기능
1221: 공차 편집자 1222: 특수 효과
1300: 방법 1310: 단계
1320: 단계 1330: 단계
1340: 단계 1350: 단계
1400: 평평한 용접 쿠폰 1410: 평평한 상부 표면
1420: 웩셀 맵 1421: 웩셀
1600: 코너 용접 쿠폰 1610: 표면
1620: 표면 1700: 파이프 용접 쿠폰
1701: 파이프 시편 1702: 파이프 시편
1703: 루트 이음매 1704: 부착 시편
1710: 곡면 1910: 직사각형 바
1920: 입자 1930: 입자 높이
1940: 음영있는 직사각형 2000: 가상 용접 검사
2010: 프로세서 기반 서브시스템 2020: 키보드
2030: 마우스 2050: 관측자 디스플레이 장치
2100: 방법 2110: 단계
2120: 단계 2130: 단계
2140: 단계 2150: 단계
2160: 단계 2170: 단계
2180: 단계 2200: 가상 용접물
2210: 용접 이음매 6010: 스틱 전극
7018: 스틱 전극
B: 점 E: 점
O: 점 O': 선
S: 텍스쳐 좌표 T: 텍스쳐 좌표
U: 텍스쳐 좌표 V: 텍스쳐 좌표
X: 점 X': 선
Y: 점 Z: 점

Claims (15)

1. 가상 용접물(virtual weldment)의 가상 시험 및 검사를 위한 시스템(100)에 있어서,
   시뮬레이트 시험 전의 3차원(3D) 가상 용접물(2200), 시뮬레이트 시험 중의 가상 용접물(2200)의 3D 애니메이션, 및 시뮬레이트 시험 후의 3D 가상 용접물(2200) 중의 적어도 하나를 연출(render)하도록 구성된 연출 엔진(rendering engine)과, 3D 가상 용접물(2200)의 시뮬레이트 시험을 수행하도록 구성되고, 통과/실패 조건 및 결함/불연속 특성 중의 적어도 하나에 대하여 시뮬레이트 시험 전의 3D 가상 용접물(2200), 시뮬레이트 시험 중의 가상 용접물(2200)의 3D 애니메이션, 및 시뮬레이트 시험 후의 3D 가상 용접물(2200) 중의 적어도 하나의 검사를 수행하도록 또한 구성된 분석 엔진(analysis engine)을 포함한 부호화 명령어를 실행하도록 동작하는 프로그래머블(programmable) 프로세서 기반 서브시스템(110)과;
   상기 프로그래머블 프로세서 기반 서브시스템(110)에 동작가능하게 접속되고, 시뮬레이트 시험 전의 3D 가상 용접물(2200), 시뮬레이트 시험 중의 가상 용접물(2200)의 3D 애니메이션, 및 시뮬레이트 시험 후의 3D 가상 용접물(2200) 중의 적어도 하나를 디스플레이하는 적어도 하나의 디스플레이 장치(140, 150)와;
   상기 프로그래머블 프로세서 기반 서브시스템(110)에 동작가능하게 접속되고, 상기 적어도 하나의 디스플레이 장치(140, 150) 상에서 시뮬레이트 시험 전의 3D 가상 용접물(2200), 시뮬레이트 시험 중의 가상 용접물(2200)의 3D 애니메이션, 및 시뮬레이트 시험 후의 3D 가상 용접물(2200) 중의 적어도 하나의 방위를 적어도 조작하도록 구성된 사용자 인터페이스(130)를 포함한 가상 시험 및 검사 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 프로그래머블 프로세서 기반 서브시스템(110)은 중앙 처리 장치(111) 및 적어도 하나의 그래픽 처리 장치(115)를 포함하고, 상기 적어도 하나의 그래픽 처리 장치(115)는 바람직하게 컴퓨터 통합 장치 아키텍쳐(CUDA; computer unified device architecture)(116) 및 쉐이더(shader)(117)를 포함한 것인 가상 시험 및 검사 시스템.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 분석 엔진은 전문가 시스템, 지원 벡터 머신(SVM; support vector machine), 신경망, 및 지능 에이전트 중의 적어도 하나를 포함한 것인 가상 시험 및 검사 시스템.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분석 엔진은 시뮬레이트 시험 전의 3D 가상 용접물(2200), 시뮬레이트 시험 중의 가상 용접물(2200)의 3D 애니메이션, 및 시뮬레이트 시험 후의 3D 가상 용접물(2200) 중의 적어도 하나를 분석하기 위해 용접 코드 데이터 또는 용접 표준 데이터를 이용하는 것인 가상 시험 및 검사 시스템.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분석 엔진은 가상 용접물(2200)을 검사하기 위해 상기 사용자 인터페이스(130)를 이용하여 사용자에 의해 접근 및 조작될 수 있는 프로그램형 가상 검사 도구를 포함한 것인 가상 시험 및 검사 시스템.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시뮬레이트 시험은 시뮬레이트 파괴 시험(simulated destructive testing)과 시뮬레이트 비파괴(non-destructive) 시험 중의 적어도 하나를 포함한 것인 가상 시험 및 검사 시스템.
7. 특히 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 시스템을 형성 또는 포함하는 가상 용접 시험 및 검사 시뮬레이터에 있어서,
   연출된 3D 가상 용접물에 대하여 하나 이상의 시뮬레이트 파괴 및 비파괴 시험을 수행하는 수단과;
   상기 연출된 3D 가상 용접물에 대한 상기 하나 이상의 시뮬레이트 파괴 및 비파괴 시험의 결과를 분석하는 수단과;
   적어도 상기 3D 가상 용접물의 시뮬레이트 시험 후에 상기 연출된 3D 가상 용접물을 검사하는 수단을 포함한 시뮬레이터.
8. 제7항에 있어서, 3D 가상 용접물(2200)을 연출하는 수단을 더 포함한 시뮬레이터.
9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 하나 이상의 시뮬레이트 파괴 및 비파괴 시험을 수행하는 동안에 상기 가상 용접물(2200)의 3D 애니메이션을 연출하는 수단을 더 포함하고, 바람직하게 상기 가상 용접물(2200)의 상기 3D 애니메이션의 방위를 디스플레이 및 조작하는 수단을 더 포함한 시뮬레이터.
10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 3D 가상 용접물(2200)의 시뮬레이트 시험 전, 시험 중, 및/또는 시험 후에 상기 3D 가상 용접물(2200)을 검사하는 수단을 더 포함한 시뮬레이터.
11. 가상 현실 공간에서 연출된 베이스라인(baseline) 가상 용접물의 품질을 평가하는 방법에 있어서,
    상기 베이스라인 가상 용접물에 대하여 상기 베이스라인 가상 용접물의 적어도 하나의 특성을 시험하도록 구성된 제1 컴퓨터 시뮬레이트 시험을 받게 하는 단계(2120)와;
    제1의 시험된 가상 용접물을 연출하고(2130) 상기 제1의 시험에 응답하여 제1 시험 데이터를 발생하는 단계와;
    상기 제1의 시험된 가상 용접물 및 상기 제1 시험 데이터에 대하여 상기 적어도 하나의 특성과 관련한 상기 제1의 시험된 가상 용접물의 적어도 하나의 통과/실패 조건을 결정하도록 구성된 컴퓨터 시뮬레이트 분석을 받게 하는 단계(2140)를 포함한 가상 용접물 품질 평가 방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 제1 컴퓨터 시뮬레이트 시험은 실세계(real-world) 파괴 시험 또는 실세계 비파괴 시험을 시뮬레이트하는 것인 가상 용접물 품질 평가 방법.
13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    가상 현실 공간에서 상기 베이스라인 가상 용접물을 재연출(re-rendering)하는 단계와;
    상기 베이스라인 가상 용접물에 대하여 상기 베이스라인 가상 용접물의 적어도 하나의 다른 특성을 시험하도록 구성된 제2 컴퓨터 시뮬레이트 시험을 받게 하는 단계와;
    상기 제2의 시험된 가상 용접물을 연출하고 상기 제2의 시험에 응답하여 제2 시험 데이터를 발생하는 단계와;
    상기 제2의 시험된 가상 용접물 및 상기 제2 시험 데이터에 대하여 상기 적어도 하나의 다른 특성과 관련한 상기 제2의 시험된 가상 용접물의 적어도 하나의 다른 통과/실패 조건을 결정하도록 구성된 컴퓨터 시뮬레이트 분석을 받게 하는 단계를 더 포함한 가상 용접물 품질 평가 방법.
14. 제13항에 있어서, 상기 제2 컴퓨터 시뮬레이트 시험은 실세계 파괴 시험 또는 실세계 비파괴 시험을 시뮬레이트하는 것인 가상 용접물 품질 평가 방법.
15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연출된 제1의 시험된 가상 용접물의 디스플레이된 버전을 수동으로 검사하는 단계, 또는 제13항과 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연출된 제2의 시험된 가상 용접물의 디스플레이된 버전을 수동으로 검사하는 단계를 더 포함한 가상 용접물 품질 평가 방법.

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