CN102165505B

CN102165505B - 使用实时熔池反馈在实时仿真的虚拟现实环境下提供弧焊训练的系统和方法

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Publication number: CN102165505B
Application number: CN200980137394.2A
Authority: CN
Inventors: D·A·兹伯瑞; M·A·贝内特; M·W·华莱士; J·亨尼西; Y·C·杜达科; Z·S·兰克尔; A·P·伦戴尔; P·达纳; E·A·普瑞兹
Original assignee: Lincoln Global Inc
Current assignee: Lincoln Global Inc
Priority date: 2008-08-21
Filing date: 2009-08-20
Publication date: 2016-03-16
Anticipated expiration: 2029-08-20
Also published as: MX2011001224A; WO2010020867A3; DE202009019018U1; BRPI0917270A2; BRPI0924569A2; US20100062405A1; RU2011110502A; EP2327068A2; US8747116B2; CA2728791A1; CN102165505A; WO2010020867A2; RU2491649C2

Abstract

一种实时虚拟现实焊接系统，所述系统包括基于可编程处理器的子系统、空间追踪器、至少一个模拟焊接工具以及至少一个显示装置，所述空间追踪器可操作地连接到所述基于可编程处理器的子系统，所述至少一个模拟焊接工具能够被所述空间追踪器在空间上追踪，所述至少一个显示装置可操作地连接到所述基于可编程处理器的子系统。所述系统能够在虚拟现实空间中仿真具有实时熔融金属流动性和散热特征的熔池。所述系统还能够在所述显示装置上实时地显示所述仿真的虚拟熔池。

Description

使用实时熔池反馈在实时仿真的虚拟现实环境下提供弧焊训练的系统和方法

对相关申请的交叉引用/通过引用并入：本专利申请要求于2008年8月21日提交的美国临时专利申请No.61/090,794的优先权，通过引用将其全部内容并入本文。

技术领域

特定实施方案涉及虚拟现实仿真(simulation)。更具体地，特定实施方案涉及用于使用实时熔池(weldpuddle)反馈在仿真的虚拟现实环境或增强现实(augmentedreality)环境下提供弧焊训练的系统和方法，并且涉及焊接仿真。

背景技术

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

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

发明内容

弧焊仿真已经被设想为在虚拟现实空间中提供熔池的仿真，所述熔池具有实时熔融金属流动性(fluidity)特征和吸热与散热特征。

在本发明的实施方案中，虚拟现实焊接系统包括基于可编程处理器的子系统、空间追踪器(spatialtracker)、至少一个模拟(mock)焊接工具以及至少一个显示装置，所述空间追踪器可操作地连接到所述基于可编程处理器的子系统，所述至少一个模拟焊接工具能够被所述空间追踪器在空间上追踪，所述至少一个显示装置可操作地连接到所述基于可编程处理器的子系统。所述系统能够在虚拟现实空间中仿真具有实时熔融金属流动性和散热特征的熔池。所述系统还能够在所述显示装置上显示所述仿真的熔池以描绘真实世界的焊缝(weld)。基于学员的表现，所述系统将显示被评价的焊缝，所述被评价的焊缝将会是可接受的或示出具有缺陷的焊缝。

从以下的说明、附图和权利要求书将更完整地理解要求保护的本发明的这些和其他特点和实施方案，以及本发明的图示说明的实施方案的细节。

附图说明

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

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

图3图示说明图2的观察者显示装置(ODD)的示例性实施方案；

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

图5图示说明图1的系统的模拟焊接工具(MWT)的示例性实施方案；

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

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

图7B图示说明安装于图6的桌台/底座(T/S)的臂的图7A的管状WC；

图8图示说明图1的空间追踪器(ST)的示例性实施方案的各种部件；

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

图9B为图9A的FMDD如何被固定在使用者的头部上的示意图；

图9C图示说明安装于焊接头盔内的图9A的FMDD的示例性实施方案；

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

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

图12图示说明图1的系统的功能方框图的示例性实施方案；

图13为使用图1的虚拟现实训练系统的训练方法的实施方案的流程图；

图14A-14B根据本发明的实施方案图示说明焊接像元(weldingpixel)(焊元(wexel))移置图(displacementmap)的概念；

图15图示说明仿真于图1的系统中的平坦焊接试样(WC)的试样空间(couponspace)和焊缝空间(weldspace)的示例性实施方案；

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

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

图18图示说明图17的管焊接试样(WC)的示例性实施方案；以及

图19A-19C图示说明图1的系统的双移置熔池模型的概念的示例性实施方案。

具体实施方式

本发明的实施方案包括虚拟现实弧焊(VRAW)系统，所述虚拟现实弧焊系统包括基于可编程处理器的子系统、空间追踪器、至少一个模拟焊接工具以及至少一个显示装置，所述空间追踪器可操作地连接到所述基于可编程处理器的子系统，所述至少一个模拟焊接工具能够被所述空间追踪器在空间上追踪，所述至少一个显示装置可操作地连接到所述基于可编程处理器的子系统。所述系统能够在虚拟现实空间中仿真具有实时熔融金属流动性和散热特征的熔池。所述系统还能够在所述显示装置上实时地显示所述仿真的熔池。当被显示时，所述仿真的熔池的实时熔融金属流动性和散热特征提供实时可视反馈给所述模拟焊接工具的使用者，允许所述使用者响应于所述实时可视反馈而实时地调节或保持焊接技法(即帮助使用者正确地学习焊接)。所显示的熔池是基于使用者的焊接技法和所选择的焊接工艺与参数而将会被形成于真实世界中的熔池的表征。通过观看熔池(例如形状、颜色、熔渣、大小、堆叠的币状体(stackeddimes))，使用者可以修正其技法来进行良好的焊接并确定被完成的焊接类型。所述熔池的形状响应于焊枪或焊条的运动。如本文所使用的，术语“实时”意指以与使用者在真实世界的焊接情景下将会感知和体验的相同的方式，在仿真的环境下及时感知和体验。此外，所述熔池响应于包括重力的物理环境的作用，允许使用者以各种位置(包括仰焊(overheadwelding))和各种管焊接角度(例如1G、2G、5G、6G)逼真地练习焊接。

图1图示说明系统100的系统方框图的示例性实施方案，系统100在实时虚拟现实环境下提供弧焊训练。系统100包括基于可编程处理器的子系统(PPS)110。系统100进一步包括可操作地连接到PPS110的空间追踪器(ST)120。系统100还包括可操作地连接到PPS110的物理焊接使用者界面(WUI)130，以及可操作地连接到PPS110和ST120的戴于面部的显示装置(FMDD)140。系统100还包括可操作地连接到PPS110的观察者显示装置(ODD)150。系统100还包括可操作地连接到ST120和PPS110的至少一个模拟焊接工具(MWT)160。系统100还包括桌台/底座(T/S)170，以及能够被附接到T/S170的至少一个焊接试样(WC)180。根据本发明可替换的实施方案，提供模拟气罐(未示出)，所述模拟气罐仿真保护气体源并具有可调节的流量调校器(flowregulator)。

图2图示说明结合的仿真焊接控制台135(仿真焊接电源使用者界面)和图1的系统100的观察者显示装置(ODD)150的示例性实施方案。物理WUI130位于控制台135的前部分上，并且提供旋钮(knobs)、按钮以及操纵杆(joystick)，用于各种模式和功能的使用者选择。ODD150被附接到控制台135的顶部分。MWT160放置在附接到控制台135的侧部分的托架(holder)中。在内部，控制台135容纳PPS110以及ST120的一部分。

图3图示说明图2的观察者显示装置(ODD)150的示例性实施方案。根据本发明的实施方案，ODD150为液晶显示(LCD)装置。其他显示装置也是可能的。例如，根据本发明的另一实施方案，ODD150可以为触控屏幕显示器。ODD150从PPS110接收视频(例如SVGA格式)并且显示来自PPS110的信息。

如图3所示，ODD150能够显示呈现各种焊接参数151的第一使用者场景，焊接参数151包括位置、末端到工件间隙(tiptowork)、焊接角度、行进角度以及行进速度。这些参数可以以图形的形式实时被选择并显示并且被用于教导适当的焊接技法。此外，如图3所示的，ODD150能够显示仿真的焊接不连贯性状态152，包括例如不适当的焊缝大小、不佳的焊道(bead)布置、凹入的焊道、过于外凸、咬边(undercut)、多孔(porosity)、未焊透、夹渣(slaginclusion)、过度飞溅、过度填充(overfill)以及烧穿(焊穿)。咬边是熔入邻近焊缝或焊缝焊根(root)的基底金属的且没有被焊缝金属填充的凹槽(groove)。咬边常常是由于不正确的焊接角度造成的。多孔是由固化期间的夹气(gasentrapment)形成的空腔类不连贯，常常是由电弧过于远离试样移动而造成的。

再有，如图3所示的，ODD50能够显示使用者选择内容153，包括菜单、动作、视觉提示、新试样以及最终行程(endpass)。这些使用者选择内容被关联到控制台135上的使用者按钮。当使用者经由例如ODD150的触控屏幕或者经由物理WUI130进行各种选择时，所显示的特征可以改变以对使用者提供选择的信息和其他选项。此外，ODD150可以显示佩戴FDMM140的焊接者以与所述焊接者相同角度的视野或者以各种不同的角度(例如由指导人员选择的)可见的视图。ODD150可以由指导人员和/或学员出于各种训练目的进行观看。例如，所述视图可以围绕已完成的焊缝转动，以允许由指导人员进行的目检(visualinspection)。根据本发明可替换的实施方案，来自系统100的视频可以经由例如互联网被发送到远端位置，来进行远端观看和/或评论。另外，可以提供音频，允许学员和远端指导人员之间的实时音频通信。

图4图示说明图2的仿真的焊接控制台135的前部分的示例性实施方案，示出物理焊接使用者界面(WUI)130。WUI130包括对应于显示在ODD150上的使用者选择内容153的一组按钮131。按钮131被着色以对应于显示在ODD150上的使用者选择内容153的颜色。当按钮131中的一个被按下时，信号被发送到PPS110来激活对应的功能。WUI130还包括操纵杆132，操纵杆132能够被使用者使用来选择显示在ODD150上的各种参数和选择内容。WUI130还包括用于调节焊丝送进速度/安培数的刻度盘或旋钮133，以及用于调节伏特/微调的另一刻度盘或旋钮134。WUI130还包括用于选择弧焊工艺的刻度盘或旋钮136。根据本发明的实施方案，三种弧焊工艺是可选择的，包括具有气体保护和自保护过程的焊剂芯弧焊(FCAW)；包含短弧、轴向喷射(axialspray)、STT以及脉冲的气体保护金属极弧焊(GMAW)；气体保护钨极弧焊(GTAW)；以及包含E6010和E7010电极的自动保护金属极弧焊(SMAW)。WUI130还包括用于选择焊接极性的刻度盘或旋钮137。根据本发明的实施方案，三种弧焊极性是可选择的，包括交流电(AC)、正接直流电(DC+)以及负接直流电(DC-)。

图5图示说明图1的系统100的模拟焊接工具(MWT)160的示例性实施方案。图5的MWT160仿真用于板焊接(platewelding)和管焊接的手工焊接工具，并且包括夹持器161和仿真的手工焊条162。在MWD160上的触发装置用于将信号传送到PPS110来激活所选择的仿真的焊接工艺。仿真的手工焊条162包括触觉型(tactilely)阻力末端163，用于仿真发生在例如真实世界的管焊接中的焊根焊道(rootpass)焊接过程期间或者焊接平板时的阻力反馈。如果使用者过于背离焊根移动仿真的手工焊条162，该使用者将能够感觉或觉察到较低的阻力，从而获得用于调节或保持当前焊接工艺的反馈。

要考虑的是，手工焊接工具可以包括致动器(未示出)，所述致动器在虚拟焊接工艺期间缩回仿真的手工焊条162。也就是说，当使用者从事虚拟焊接活动时，夹持器161和仿真的手工焊条162的末端之间的距离被减小来仿真焊条的消耗。消耗速率，即手工焊条162的缩回，可以由PPS110控制，并且更具体地，可以由PPS110执行的编码指令控制。仿真的消耗速率还可以取决于使用者的技法。在此值得一提的是，当系统100便利利用不同类型焊条的虚拟焊接时，消耗率或手工焊条162的减少可以随所使用的焊接过程和/或系统100的设置而变化。

根据本发明的其他实施方案，其他模拟焊接工具也是可能的，包括例如仿真手持半自动焊枪的MWD，所述MWD具有被送进通过所述枪的焊丝焊条。此外，根据本发明的其他特定实施方案，即使在系统100中工具不会用于实际上创建真实的电弧，真实的焊接工具可以用作MWT160来更好地仿真使用者手中的所述工具的实际感觉。再者，可以提供仿真的打磨工具(grindingtool)用来在仿真器100的仿真的打磨模式下使用。类似地，可以提供仿真的切割工具，用来在仿真器100的仿真的切割模式下使用。另外，可以提供仿真的气体保护钨极弧焊(GTAW)焊炬或填充物材料，用来在仿真器100中使用。

图6图示说明图1的系统100的桌台/底座(T/S)170的示例性实施方案。T/S170包括可调节的桌台171、底座或基座172、可调节的臂173以及立柱174。桌台171、底座172以及臂173的每个被附接到立柱174。桌台171和臂173的每个能够相对于立柱174被手动地向上、向下和转动地调节。臂173用于支撑各种焊接试样(例如焊接试样175)，并且在训练时使用者可以将他/她的手臂放于桌台171上。立柱174被标记有位置信息从而使用者可以确切地知晓臂173的所在位置，并且桌台171被垂直地固定在柱171上。这种垂直位置信息可以由使用者使用WUI130和ODD150来输入系统。

根据本发明可替换的实施方案，桌台171和臂173的位置可以由PSS110经由预先编程的设置内容或者经由WUI130和/或ODD150按照使用者的命令自动地被设置。在这样的可替换实施方案中，T/S170包括例如，马达和/或伺服机构，并且来自PPS110的信号命令激活所述马达和/或伺服机构。根据本发明又一可替换的实施方案，桌台171和臂173的位置以及试样的类型由系统100检测。以这种方式，使用者无需经由使用者界面手动输入位置信息。在这样的可替换实施方案中，T/S170包括位置检测器和定向(orientation)检测器并且发送信号命令到PPS110来提供位置和定向信息，而WC175包括位置检测传感器(例如用于检测磁场的线圈传感器)。在本发明的实施方案中，当调节参数改变时，使用者能够在ODD150上看到T/S170调节的呈现(rendering)。

图7A图示说明图1的系统100的管焊接试样(WC)175的示例性实施方案。WC175仿真被放置在一起以形成要焊接的焊根176的两个六英寸直径的管175′和175″。WC175在WC175的一端包括连接部分177，允许WC175以准确且可重复的方式被附接到臂173。图7B图示说明安装于图6的桌台/底座(T/S)170的臂173的图7A的管状WC175。WC175能够被附接到臂173的所述准确且可重复的方式允许WC175的空间校准只需在工厂进行一次。于是，在实践中，只要系统100被告知臂173的位置，系统100能够在虚拟环境下相对于WC175追踪MWT160和FMDD140。如图6所示的，WC175所附接到的臂173的第一部分能够相对于臂173的第二部分倾斜(tilt)。这允许使用者在管处于数种不同定向和角度中的任一种时练习管焊接。

图8图示说明图1的空间追踪器(ST)120的示例性实施方案的各种部件。ST120为能够可操作地与系统100的PPS110连接的磁性追踪器。ST120包括磁源121和源线缆、至少一个传感器122及相关联的线缆、磁盘123上的主机软件、电源124及相关联的线缆、USB和RS-232线缆125以及处理器追踪单元126。磁源121能够经由线缆可操作地连接到处理器追踪单元126。传感器122能够经由线缆可操作地连接到处理器追踪单元126。电源124能够经由线缆可操作地连接到处理器追踪单元126。处理器追踪单元126能够经由USB或RS-232线缆125可操作地连接到PPS110。磁盘123上的主机软件能够加载到PPS110上并且允许ST120和PPS110之间的功能通信。

参考图6，ST120的磁源121被安装在臂173的第一部分上。磁源121创建围绕源121的磁场(包括包围被附接到臂173的WC175的空间)，所述磁场建立3D空间参考框架。T/S170大部分为非金属的(非铁的或不导电的)，从而不会使由磁源121创建的磁场畸变(distort)。传感器122包括沿三个空间方向正交排列的三个感应线圈。传感器122的感应线圈的每个测量磁场在所述三个方向中的每个上的强度并将这样的信息提供给处理器追踪单元126。因此，当WC175被安装在臂173上时，系统100能够知晓WC175的任一部分相对于由磁场建立的3D空间参考框架的位置所在。传感器122可以被附接到MWT160或FMDD140，允许MWT160或FMDD140相对于3D空间参考框架在空间和定向二者上被ST120追踪。当两个传感器122被提供并可操作地连接到处理器追踪单元126时，MWT160和FMDD140二者都可以被追踪。以这种方式，系统100能够在虚拟现实空间中创建虚拟WC、虚拟MWT以及虚拟T/S，并且能够在MWT160和FMDD140相对于3D空间参考框架被追踪时，在FMDD140和/或ODD150上显示虚拟WC、虚拟MWT以及虚拟T/S。

根据本发明可替换的实施方案，一个或更多个传感器122可以无线的方式连接到处理器追踪单元126，并且处理器追踪单元126可以无线的方式连接到PPS110。根据本发明的其他可替换实施方案，其他类型的空间追踪器120可以用于系统100，例如包括基于加速度计/陀螺仪的追踪器、光学追踪器(有源或无源)、红外追踪器、声学追踪器、激光追踪器、射频追踪器、惯性追踪器以及基于增强现实的追踪系统。其他类型的追踪器也是可能的。

图9A图示说明图1的系统100的戴于面部的显示装置140(FMDD)的示例性实施方案。图9B为图9A的FMDD1400如何被固定在使用者的头部上的示意图。图9C图示说明被整合到焊接头盔900中的图9A的FMDD140的示例性实施方案。FMDD140经由有线方式或无线方式可操作地连接到PPS110和ST120。根据本发明的各种实施方案，ST120的传感器122可以被附接到FMDD140或焊接头盔900，允许FMDD140和/或焊接头盔900相对于所创建的3D空间参考框架被ST120追踪。

根据本发明的实施方案，FMDD140包括能够以2D和帧序列视频模式传送流体全活动视频(fluidfull-motionvideo)的两个高对比度SVGA3DOLED微显示器。虚拟现实环境的视频被提供并显示在FMDD140上。例如可以提供缩放(例如2倍(2X))模式，允许使用者仿真更加以假乱真的镜头(acheaterlens)。

FMDD140还包括两个耳塞扬声器910，允许使用者聆听由系统100生成的仿真的焊接相关声音和环境声音。根据本发明的各种实施方案，FMDD140可以经由有线或无线方式可操作地连接到PPS110。根据本发明的实施方案，PPS110向FMDD140提供立体视频，向使用者提供加强的深度感知。根据本发明可替换的实施方案，使用者能够使用MWT160上的控制部件(例如按钮或开关)来调用和选择菜单，并且在FMDD140上显示选项。这可以允许使用者在其出现失误、改变特定参数或者例如回退一点以重新完成焊道轨迹的一部分时容易地重置焊接。

图10图示说明图1的系统100的基于可编程处理器的子系统(PPS)110的子系统方框图的示例性实施方案。根据本发明的实施方案，PPS110包括中央处理单元(CPU)111和两个图形处理单元(GPU)115。根据本发明的实施方案，两个GPU115被编程以提供具有实时熔融金属流动性和吸热与散热特征的熔池(又叫焊池(weldpool))的虚拟现实仿真。

图11图示说明图10的PPS110的图形处理单元(GPU)115的方框图的示例性实施方案。每个GPU115支持数据并行算法的实现。根据本发明的实施方案，每个GPU115提供能够提供两个虚拟现实视图的两个视频输出118和119。视频输出中的两个可以被传送至FMDD140，给出焊接者的视野，并且第三视频输出例如可以被路由至ODD150，给出焊接者的视野或者一些其他的视野。余下的第四视频输出例如可以被路由至投影仪。两个GPU115执行相同的焊接物理计算，但可以从相同或不同的视野呈现虚拟现实环境。GPU115包括统一计算设备架构(CUDA)116和着色器117。CUDA116是软件开发商通过行业标准编程语言可使用的GPU115的计算引擎。CUDA116包括并行核心并且被用于运行本文所描述的熔池仿真的物理模型。CPU111提供实时焊接输入数据至GPU115上的CUDA116。着色器117负责绘制并应用全部的仿真画面。焊道和熔池画面由本文稍后描述的焊元移置图的状态来驱动。根据本发明的实施方案，物理模型以约每秒30次的速率运行和更新。

图12图示说明图1的系统100的功能方框图的示例性实施方案。如图12所示的系统100的各种功能块大部分经由运行在PPS110上的软件指令和模块实现。系统100的各种功能块包括物理界面1201、焊炬和夹具模型1202、环境模型1203、声音内容功能1204、焊接声音1205、桌台/底座模型1206、内部架构功能1207、校准功能1208、试样模型1210、焊接物理1211、内部物理调节工具(调整装置(tweaker))1212、图形使用者界面功能1213、绘图功能1214、学员报告功能1215、呈现装置1216、焊道呈现1217、3D纹理1218、视觉提示功能1219、评分和公差功能1220、公差编辑器1221以及特殊效果1222。

内部架构功能1207提供系统100的处理的更高等级的软件运算，包括例如加载文件、保持信息、管理线程、启用物理模型以及触发菜单。根据本发明的实施方案，内部架构功能1207运行在CPU111上。针对PPS110的特定实时输入包括电弧位置、焊枪位置、FMDD或头盔位置、焊枪启用/关闭状态以及接触产生的状态(是/否)。

图形使用者界面功能1213通过ODD150允许使用者使用物理使用者界面130的操纵杆132设置焊接情景。根据本发明的实施方案，焊接情景的设置包括选择语言，输入使用者姓名，选择实习板(即焊接试样)，选择焊接工艺(例如FCAW、GMAW、SMAW)和相关联的轴向喷射、脉冲或短弧方法，选择气体类型和流率，选择手工焊条的类型(例如6010或7018)，以及选择焊剂芯焊丝的类型(例如自保护的、气体保护的)。焊接情景的设置还包括选择T/S170的桌台高度、臂高度、臂位置以及臂转动。焊接情景的设置进一步包括选择环境(例如虚拟现实空间中的背景环境)，设置焊丝送进速度，设置电压电平，设置安培数，选择极性以及启用或关闭特定视觉提示。

在仿真的焊接情景期间，绘图功能1214收集使用者表现参数并将所述使用者表现参数提供至图形使用者界面功能1213，来以图形格式进行显示(例如在ODD150上)。来自ST120的追踪信息馈入绘图功能1214。绘图功能1214包括简单分析模块(SAM)和抖动(whip)/摆动(weave)分析模块(WWAM)。SAM通过比较焊接参数和储存在焊道表格中的数据分析使用者焊接参数，所述使用者焊接参数包括焊接行进角度、行进速度、焊接角度、位置以及末端到工件间隙距离。WWAM分析使用者抖动参数，包括币状体间隔、抖动时间以及熔池时间。WWAM还分析使用者摆动参数，包括摆动宽度、摆动间隔以及摆动定时。SAM和WWAM将原输入数据(例如位置和定向数据)解释为在功能上可使用的数据，用于进行绘图。针对由SAM和WWAM分析的每个参数，公差窗口由参数限制(parameterlimits)围绕使用公差编辑器1221输入焊道表格的最佳或理想设定值来限定，并且评分和公差功能1220被执行。

公差编辑器1221包括估计材料使用、电气使用和焊接时间的焊接度量计(weldometer)。此外，当特定参数超出公差时，可能发生焊接不连贯(即焊接缺陷)。任何焊接不连贯的状态由绘图功能1214处理并经由图形使用者界面功能1213以图形格式呈现。这样的焊接不连贯包括不适当的焊缝大小、不佳的焊道布置、凹入的焊道、过于外凸、咬边、多孔、未焊透、夹渣(slagentrapment)、过度填充、烧穿以及过度飞溅。根据本发明的实施方案，不连贯的等级或量取决于特定使用者参数偏离最佳或理想的设定点的程度。

不同的参数限制可以针对不同类别的使用者(例如焊接初学者、焊接专家以及在交易展览会中的人)被预先限定。评分和公差功能1220根据使用者接近针对特定参数的最佳(理想)值的程度并且根据出现在焊接中的不连贯或缺陷的等级提供数字评分。所述最佳值是从真实世界数据获得的。来自评分和公差功能1220和来自绘图功能1214的信息可以被学员报告功能1215使用，来为指导人员和/或学员创建表现报告。

系统100能够分析和显示虚拟焊接活动的结果。通过分析所述结果，意味着系统能够确定在该焊接行程期间是何时以及沿焊接接缝是何处，使用者偏离焊接工艺可接受的限定范围。评分可以归因于使用者的表现。在一个实施方案中，评分可以是在多个公差范围上模拟焊接工具160在位置、定向和速度上的偏离的函数，这可以从理想的焊接行程延伸到临界的或不可接受的焊接活动。根据用于对使用者的表现进行评分的选择，多个范围的任何梯度均可以被包括在系统100中。评分可以以数字的方式或字母数字的方式来显示。此外，使用者的表现可以以图形的方式来显示，在时间上和/或沿焊接接缝的位置上示出所述模拟焊接工具如何接近地横过焊接接缝。诸如行进角度、加工角度、速度以及离焊接接缝的距离的参数是可以被测量的内容的例子，然而出于评分的目的任何参数均可以被分析。所述参数的公差范围取自真实世界的焊接数据，从而提供关于使用者在真实世界中将会如何表现的准确反馈。在另一实施方案中，与使用者的表现对应的缺陷的分析也可以被包括并显示在ODD150上。在这个实施方案中，可以描绘示出由测量在虚拟焊接活动期间所监控的各种参数而造成的不连贯是何种类型的图形。尽管“吸留(occlusions)”在ODD150上可能不是可视的，但由于使用者的表现，缺陷仍可能已经发生，使用者的表现结果仍可能会相应地被显示(即图形化)。

视觉提示功能1219通过在FMDD140和/或ODD150上显示覆盖的颜色和指示标记，向使用者提供立即的反馈。针对焊接参数151中的每个提供视觉提示，焊接参数151包括位置、末端到工件间隙距离、焊接角度、行进角度、行进速度以及电弧长度(例如针对手工焊接)，并且如果基于预先限定的限制或公差使用者的焊接技法的某些方面应当被调节，则在视觉上指示所述使用者。例如，还可以针对抖动/摆动技法以及焊道“币状体”间隔提供视觉提示。视觉提示可以独立地或以任何期望的组合被设置。

校准功能1208提供使真实空间(3D参考框架)中的实物部件与虚拟现实空间中的可视部件匹配的能力。通过将WC安装到T/S170的臂173上，并且利用可操作地连接到ST120的校准笔(stylus)接触WC预先限定的点(例如由WC上的三处浅凹指示的)，每种不同类型的焊接试样(WC)在工厂中被校准。ST120读取所述预先限定的点处的磁场强度，提供位置信息至PPS110，并且PPS110使用所述位置信息来进行所述校准(即从真实世界空间到虚拟现实空间的转换)。

任一特定类型的WC在非常严格的公差之内以相同的可重复方式装入T/S170的臂173。因而，一旦特定WC类型被校准，该WC类型无需被重复校准(即特定类型的WC的校准是一次性事件)。相同类型的WC是可互换的。校准确保使用者在焊接工艺期间所感知的物理反馈匹配在虚拟现实空间中向所述使用者显示的内容，使得仿真看上去更加真实。例如，如果使用者围绕实际WC180的拐角滑动MWT160的末端，所述使用者将会在FMDD140上看到所述末端围绕虚拟WC的拐角滑动，就像所述使用者感觉到的所述末端围绕所述实际的拐角滑动那样。根据本发明的实施方案，MWT160被放置在预先定位的架子(jig)上并且也基于已知的架子位置被校准。

根据本发明可替换的实施方案，提供例如在试样的拐角上具有传感器的“智能”试样。ST120能够追踪“智能”试样的拐角，从而系统100连续地知晓“智能”试样在真实世界3D空间中的位置。根据本发明的又一可替换实施方案，提供许可密钥来“解锁”焊接试样。当特定WC被购买时，提供许可密钥，允许使用者将所述许可密钥输入系统100，解锁与该WC相关联的软件。根据本发明的另一实施方案，基于部件的真实世界CAD制图，可以提供特殊的非标准焊接试样。使用者甚至可以在部件于真实世界中实际上被生成之前，能够训练焊接CAD部件。

声音内容功能1204和焊接声音1205提供具体类型的焊接声音，所述焊接声音根据特定焊接参数是否在公差内或超出公差而改变。声音根据各种焊接工艺和参数来调整。例如，在MIG喷弧焊工艺中，当使用者未使MWT160正确定位时提供噼啪的声音，而当MWT160被正确定位时提供嘶嘶的声音。在短弧焊接工艺中，针对适当的焊接技法提供稳定的噼啪声或“油煎”声(fryingsound)，而当发生咬边时可以提供嘶嘶的声音。这些声音模仿(mimic)对应于正确和错误焊接技法的真实世界的声音。

根据本发明的各种实施方案，高保真声音内容可以使用各种电子和机械装置取自实际焊接的真实世界录音。根据本发明的实施方案，所感知的声音的音量和方向性根据使用者的头部(假设使用者正佩戴由ST120追踪的FMDD140)相对于MWT160和WC180之间的仿真的电弧的位置、定向和距离而改变。例如，声音可以经由FMDD140中的耳塞扬声器910或经由配置在控制台135或T/S170中的扬声器被提供给使用者。

提供环境模型1203来提供虚拟现实空间中的各种背景场景(静止的和运动的)。这样的背景环境可以包括，例如室内焊接车间、室外跑道、车库等，并且可以包括移动的车辆、人、鸟、云以及各种环境声音。根据本发明的实施方案，背景环境可以为交互的。例如，使用者可以在开始焊接之前，需要审视(survey)背景区域以确保环境适于(例如安全)进行焊接。焊炬和夹具模型1202被提供来在虚拟现实空间中建模各种MWT160(包括例如枪、具有手工焊条的托架等)。

试样模型1210被提供来在虚拟现实空间中建模各种WC180，WC180包括例如平板试样、T-接头试样、对接-接头试样、坡口焊道试样以及管状试样(例如2英寸直径的管和6英寸直径的管)。底座/桌台模型1206被提供来在虚拟现实空间中建模T/S170的各种部件，T/S170的各种部件包括可调节的桌台171、底座172、可调节的臂173以及立柱174。物理界面模型1201被提供来在虚拟现实空间中建模焊接使用者界面130、控制台135以及ODD150的各种部件。

根据本发明的实施方案，实现了虚拟现实空间中的熔池或焊池的仿真，其中所述仿真的熔池具有实时熔融金属流动性和散热特征。根据本发明的实施方案，位于熔池仿真的中心的是运行在GPU115上的焊接物理功能1211(又叫物理模型)。焊接物理功能采用双移置层技术来准确地建模动态流动性/粘滞性(viscosity)、凝固性、热梯度(吸热与散热)、熔池痕迹(wake)以及焊道形状，并且本文结合图14A-14C对此进行更详细的描述。

焊接物理功能1211与焊道呈现功能1217连通，来表现焊道从熔融金属状态到冷却固化状态之间的全部状态。焊道呈现功能1217使用来自焊接物理功能1211的信息(例如热、流动性、移置、币状体间隔)，来准确地且逼真地以实时的方式在虚拟现实空间中呈现焊道。3D纹理功能1218将纹理图(texturemaps)提供至焊道呈现功能1217，来使附加的纹理(例如焦痕(scorching)、熔渣、颗粒(grain))覆盖到仿真的焊道上。例如，在焊接过程中或焊接过程刚刚结束，熔渣可以被示出出现于焊道上并且然后被移动以露出下面的焊道。呈现装置功能1216用于使用来自特殊效果模块1222的信息表现各种非熔池的具体特征，包括火星(sparks)、飞溅(spatter)、烟尘、电弧光、烟和气体以及特定不连贯性(例如咬边和多孔)。

内部物理调节工具1212是允许各种焊接物理参数针对各种焊接工艺被限定、更新和修改的调整装置。根据本发明的实施方案，内部物理调节工具1212运行在CPU111上并且调节的或更新的参数被下载到GPU115中。可以经由内部物理调节工具1212被调节的参数类型包括与焊接试样相关联的参数、允许工艺被改变而无需重置焊接试样(允许形成第二焊道(pass))的工艺参数、可以被改变而不会重置整个仿真的各种全局参数以及各种其他参数。

图13为使用图1的虚拟现实系统100的训练方法1300的实施方案的流程图。在步骤1310中，按照焊接技法相对于焊接试样移动模拟焊接工具。在步骤1320中，使用虚拟现实系统在三维空间内追踪模拟焊接工具的位置和定向。在步骤1330中，观看所述虚拟现实焊接系统的显示画面，在仿真的模拟焊接工具通过在从所述仿真的模拟焊接工具射出的仿真的电弧附近形成仿真的熔池，来将仿真的焊道材料堆积到所述仿真的焊接试样的至少一个仿真的表面上时，所述显示画面示出所述模拟焊接工具和所述焊接试样在虚拟现实空间中的实时虚拟现实仿真。在步骤1340中，在所述显示画面上观看所述仿真的熔池的实时熔融金属流动性和散热特征。在步骤1350中，响应于观看所述仿真的熔池的所述实时熔融金属流动性和散热特征而实时地改变所述焊接技法的至少一个方面。

方法1300图示说明使用者如何能够观看虚拟现实空间中的熔池并响应于观看仿真的熔池的各种特征(包括实时熔融金属流动性(例如粘滞性)和散热)而改变其焊接技法。使用者还可以观看并响应于其他特征，包括实时熔池痕迹和币状体间隔。观看并响应于熔池的特征是大多数的焊接操作是如何在真实世界中实际上被执行的。焊接物理功能1211的双移置层模型运行在GPU115上，允许这样的实时熔融金属流动性和散热特征被准确地建模并向使用者展示。例如，散热确定固化时间(即焊元需要多少时间彻底地固化)。

另外，使用者可以使用相同或不同的(例如第二)模拟焊接工具和/或焊接工艺，在焊道材料上完成第二焊道。在这样的第二焊道情景中，在仿真的模拟焊接工具通过在从仿真的模拟焊接工具射出的仿真的电弧附近形成第二仿真的熔池，堆积与第一仿真的焊道材料结合的第二仿真的焊道材料时，所述仿真示出虚拟现实空间中的所述仿真的模拟焊接工具、焊接试样以及原始的仿真焊道材料。可以以类似的方式形成使用相同或不同的焊接工具或工艺的附加的后续焊道。根据本发明的特定实施方案，当由先前的焊道材料、新焊道材料以及有可能在下面的试样材料中的任何组合在虚拟现实世界中形成新熔池时，在任一第二或后续焊道中，先前的焊道材料与被堆积的新焊道材料结合。可能需要这样的后续焊道来形成大的填角焊缝或坡口焊缝，例如可以被执行来修复由先前的焊道形成的焊道，或者可以包括高温焊道(hotpass)和在管焊接中完成焊根焊道后的一个或更多个填充和盖面(cap)焊道。根据本发明的各种实施方案，焊道和基底材料可以包括软钢、不锈钢、铝、基于镍的合金或者其他材料。

图14A-14B根据本发明的实施方案图示说明焊接元(焊元)移置图1420的概念。图14A示出具有平坦顶部表面1410的平坦焊接试样(WC)1400的侧视图。焊接试样1400以例如塑料部件的形式存在于真实世界中，并且还可以以仿真的焊接试样的形式存在于虚拟现实空间中。图14B示出仿真的WC1400的顶部表面1410的表征，所述顶部表面1410被分解为形成焊元图1420的焊接元(即焊元)的网格或阵列。每个焊元(例如，焊元1421)限定焊接试样的表面1410的一小部分。焊元图限定了表面分辨率。可改变的通道(channel)参数值被分配给每个焊元，允许每个焊元的值于仿真的焊接工艺期间，在虚拟现实焊缝空间中以实时的方式动态地改变。所述可改变的通道参数值对应于通道熔池(熔融金属流动性/粘滞性移置)、热(吸热/散热)、移置(固体移置)、以及额外内容(各种额外状态，例如熔渣、颗粒、焦痕、原始金属(virginmetal))。本文中将这些可改变的通道称为PHED，PHED分别对应熔池、热、额外内容以及移置。

图15图示说明仿真于图1的系统100中的图14的平坦焊接试样(WC)1400的试样空间和焊缝空间的示例性实施方案。点O、X、Y和Z限定局部3D试样空间。总地来说，每种试样类型限定从3D试样空间到2D虚拟现实焊缝空间的映射。图14的焊元图1420为映射到虚拟现实焊缝空间的值的二维矩阵。如在图15中所示的，使用者将从点B到点E进行焊接。在图15中，在3D试样空间和2D焊缝空间二者中示出从点B到点E的轨迹线。

每种类型的试样针对焊元图中的每个位置限定移置的方向。对于图15的平坦焊接试样，焊元图(即，在Z方向上)中的全部位置的移置方向是相同的。为阐明所述映射，在3D试样空间和2D焊缝空间二者中将焊元图的纹理坐标示为S、T(有时称为U、V)。焊元图被映射到并且表征焊接试样1400的矩形表面1410。

图16图示说明仿真于图1的系统100的拐角(T型接头)焊接试样(WC)1600的试样空间和焊缝空间的示例性实施方案。拐角WC1600具有在3D试样空间中的两个表面1610和1620，所述两个表面1610和1620如在图16所示的被映射到2D焊缝空间。同样，点O、X、Y和Z限定局部3D试样空间。为阐明所述映射，在3D试样空间和2D焊缝空间二者中将焊元图的纹理坐标示为S、T。如在图16中所示的，使用者将从点B到点E进行焊接。在图16中，在3D试样空间和2D焊缝空间二者中示出从点B到点E的轨迹线。然而，移置的方向是朝向如在3D试样空间中示出的线条X’-O’，如图16所示地朝向相对的拐角。

图17图示说明仿真于图1的系统100中的管状焊接试样(WC)1700的试样空间和焊缝空间的示例性实施方案。管状WC1700在3D试样空间中具有弯曲的表面1710，所述表面1710如图17所示地被映射到2D焊缝空间。同样，点O、X、Y和Z限定局部3D试样空间。为阐明所述映射，在3D试样空间和2D焊缝空间二者中将焊元图的纹理坐标示为S、T。如在图17中所示的，使用者将从点B到点E沿弯曲的轨迹进行焊接。在图17中，分别在3D试样空间和2D焊缝空间示出从点B到点E的轨迹曲线和线。移置的方向远离线条Y-O(即远离管的中心)。图18图示说明图17的管焊接试样(WC)1700的示例性实施方案。管状WC1700由非铁的、不导电的塑料制成，并且仿真聚到一起形成焊根接缝1703的两个管状部件1701和1702。还示出用于附接T/S170的臂173的附接部件1704。

以与纹理图可以被映射到几何结构的矩形表面区域的类似方式，可焊接焊元图可以被映射到焊接试样的矩形表面。在与图像的每个元被称作像元(图像元的缩写)相同的意义上，可焊接图的每个元被称作焊元。像元包含限定颜色(例如红色、绿色、蓝色等)的信息通道。焊元包含限定在虚拟现实空间中可焊接表面的信息通道(例如P、H、E、D)。

根据本发明的实施方案，焊元的格式被归结为包含四个浮点数的通道PHED(熔池、热、额外内容、移置)。额外的通道被用作储存关于焊元的逻辑信息(例如，在所述焊元位置是否存在任何熔渣)的一组二进制数。熔池通道储存针对所述焊元位置的任何液化的金属的移置值。移置通道储存针对所述焊元位置的固化的金属的移置值。热通道储存给出在所述焊元位置的热量级的值。以这种方式，试样的可焊接部分可以示出因被焊接的焊道而产生的移置、因液态金属而产生的闪烁的表面“熔池”、因热而产生的颜色等。所有这些效果均通过被施加到可焊接的表面的顶点着色器和像元着色器来实现。

根据本发明的实施方案，使用移置图和粒子系统，其中粒子可以彼此相互作用并碰撞移置图。所述粒子是虚拟的动态流体粒子并且提供熔池的液体行为，但不是直接地呈现(即不是直接可见的)。相反，只有在所述移置图上的粒子作用是在视觉上可见的。输入到焊元的热影响邻近粒子的运动。涉及仿真熔池的有两种类型的移置，这两种类型的移置包括熔池和移置。熔池是“临时的”并且仅持续于存在粒子并出现热的时候。移置是“永久的”。熔池移置是快速变化(例如闪烁)的焊缝液态金属并且可以被看作是在移置的“顶部”。粒子覆盖虚拟表面移置图(即焊元图)的一部分。移置表征永久的固体金属，所述永久的固体金属包括最初的基底金属和已固化的焊道二者。

根据本发明的实施方案，在虚拟现实空间中仿真的焊接工艺以以下方式工作：粒子从薄型锥状部件中的发射器(仿真的MWT160的发射器)流出。所述粒子第一次接触仿真的焊接试样的表面，其中所述表面由焊元图限定。所述粒子彼此相互作用且与焊元图相互作用，并且以实时的方式累积起来。焊元越靠近发射器，则加的热越多。热根据与电弧点的距离和热从电弧输入的时间量被建模。特定图形部分(例如颜色等)是由热驱动的。针对足够高温的焊元，在虚拟现实空间中绘制或呈现熔池。无论何处只要足够热，焊元图液化，导致针对这些焊元位置熔池移置“升起”。通过在每个焊元位置采样“最高的”粒子来确定熔池移置。当发射器沿焊缝轨迹前进时，留下的焊元位置冷却。热以特定速率从焊元位置被移除。当达到冷却阈值时，焊元图固化。这样，熔池移置逐渐被转化为移置(即固化的焊道)。增加的移置等于去除的熔池，从而整体高度并未改变。调整或调节粒子的寿命以在固化完成之前得以存留。被建模于系统100中的特定粒子特性包括吸引/排斥、速度(相对于热)、润湿(相对于散热)、方向(相对于重力)。

图19A-19C图示说明图1的系统100的双移置(移置和粒子)熔池模型的概念的示例性实施方案。在虚拟现实空间内仿真具有至少一个表面的焊接试样。在虚拟现实空间内仿真焊接试样的表面，形成包括固体移置层和熔池移置层的双移置层。熔池移置层能够改变固体移置层。

如本文所描述的，“熔池”由焊元图的一区域限定，其中熔池值已经由于粒子的存在而提高。采样过程被表征于图19A-19C。示出焊元图的一具有七个邻近焊元的区段。当前的移置值由具有给定高度的无阴影的矩形条1910表征。在图19A中，粒子1920被示为与当前移置水平面碰撞的圆形无阴影的点并且被堆集。在图19B中，“最高的”粒子高度1930在每个焊元位置被采样。在图19C中，带阴影的矩形1940示出由于粒子的缘故，移置的顶部上已增加多少熔池。由于熔池以基于热的特定液化率被增加，焊缝熔池高度不会立即被置为采样的值。尽管未在图19A-19C中示出，使所述固化过程可视化是可能的，如熔池(带阴影的矩形)逐渐缩小而移置(无阴影的矩形)从下面逐渐增大以正好替换所述熔池。以这种方式，实时熔融金属流动性特征被准确地仿真。当使用者练习特定焊接工艺时，使用者能够在实时虚拟现实空间中观察熔池的熔融金属流动性特征和散热特征，并且使用该信息来调节或保持其焊接技法。

表征焊接试样的表面的焊元的数目是固定的。另外，如本文所描述的，由仿真生成来建模流动性的熔池粒子是临时的。因而，一旦使用系统100在仿真的焊接工艺期间于虚拟现实空间内生成原始熔池，焊元加上熔池粒子的数目往往是保持相对恒定的。这是因为在焊接工艺期间，正在被处理的焊元的数目是固定的，并且由于熔池粒子以相似的速率(即熔池粒子是临时的)正被创建和“销毁”，存在的且正在被处理的熔池粒子的数目趋于保持相对恒定。因此，在仿真的焊接阶段期间，PPS110的处理负载保持相对恒定。

根据本发明可替换的实施方案，熔池粒子可以被生成在焊接试样的表面中或在焊接试样的表面下方。在这样的实施方案中，移置可以以相对于初始(即未被焊接的)试样的原始表面移置为正向或负向的方式被建模。以这种方式，熔池粒子可以不仅在焊接试样的表面上建立，还可以熔透焊接试样。然而，焊元的数目仍是固定的，并且被创建和销毁的熔池粒子仍是相对恒定的。

根据本发明可替换的实施方案，可以提供具有更多通道的焊元移置图来建模熔池的流动性而不是建模粒子。或者，可以建模稠密的体元图(voxelmap)而不是建模粒子。或者，可以只建模被采样并且永远不会消失的粒子，而不是建模焊元图。然而，这样的可替换实施方案可能不为系统提供相对恒定的处理负载。

此外，根据本发明的实施方案，通过将材料移走来仿真穿透(blowthrough)或透孔(keyhole)。例如，如果使用者在真实世界中将电弧保持在同一位置过长时间，材料将会燃掉造成孔洞。这样的真实世界穿透通过焊元抽选技术(decimationtechniques)被仿真于系统100。如果由一焊元吸收的热量被系统100确定为太高，该焊元可以被标记或被指定为是被烧掉的并且以此进行呈现(例如被呈现为孔洞)。然而，接下来，针对特定焊接工艺(例如管焊接)可以发生焊元重建，其中在最初被烧掉后，材料被添加回去。总之，系统100仿真焊元抽选(将材料移走)和焊元重建(即将材料添加回去)。另外，在焊根焊道焊接中移除材料的操作被适当地仿真于系统100。

另外，在焊根焊道焊接中移除材料的操作被适当地仿真于系统100。例如，在真实世界中，在进行后续焊接行程之前，可以执行焊根焊道的打磨。类似地，系统100可以仿真将材料从虚拟焊接接缝移除的打磨行程操作。要理解的是，被移除的材料可以被建模为焊元图上的负向移置。也就是说，移除材料的打磨焊道操作由系统100建模，导致改变的焊道轮廓。打磨行程操作的仿真可以是自动的，这也就是说，系统100移除一预先确定厚度的材料，所述预先确定厚度的材料可以是对应焊根焊道的焊道表面。

在可替换的实施方案中，实际打磨工具或磨机(grinder)可以被仿真为通过模拟焊接工具160或另一输入装置的激活而启用或关闭。注意的是，打磨工具可以被仿真来效仿(resemble)真实世界的磨机。在该实施方案中，使用者沿焊根焊道操纵(maneuver)打磨工具以响应所述打磨工具的运动而移除材料。要理解的是，使用者可以被允许移除过多的材料。以与上述类似的方式，如果使用者打磨掉过多的材料则可能导致孔洞或其他(上述的)缺陷。再有，可以实现(即被编程)强制限位或停止，来防止使用者移除过多的材料或在过多的材料正被移除时进行提示。

根据本发明的实施方案，除本文所描述的不可视的“熔池”粒子外，系统100还使用其他三种类型的可视粒子来表征电弧效果、火焰效果以及火星效果。这些类型的粒子不会与任何类型的其他粒子相互作用，而仅会与移置图相互作用。尽管这些粒子确实与仿真的焊接表面碰撞，但它们彼此不会相互作用。根据本发明的实施方案，仅有熔池粒子会彼此相互作用。火星粒子的物理特征被这样设置，从而在虚拟现实空间中火星粒子四处跳窜并且被呈现为发光的点(glowingdots)。

电弧粒子的物理特征被这样设置，从而电弧粒子撞击(hit)仿真的试样表面或焊道并且停留一段时间。电弧粒子在虚拟现实空间中被呈现为较大的暗青白色点。采用许多叠加的这样的点来形成任一种可视图像。最终结果是具有蓝色边缘的白色发光光环(nimbus)。

火焰粒子的物理特征被建模来缓慢地向上升起。火焰粒子被呈现为中等大小的暗红黄色点。采用许多叠加的这样的点来形成任一种可视图像。最终结果是向上升起并淡出的(fadingout)具有红色边缘的橙红色火焰团。根据本发明的其他实施方案，其他类型的非熔池粒子可以被实现在系统100中。例如，可以以与火焰粒子类似的方式建模并仿真烟尘粒子。

仿真的可视化过程中最后的步骤由GPU115的着色器117所提供的顶点着色器和像元着色器来处理。顶点着色器和像元着色器提供熔池和移置以及由于热而改变的表面颜色和发射率等。如本文前面所述的PHED焊元格式中的额外(E)通道包含每个焊元处所使用的所有额外信息。根据本发明的实施方案，额外信息包括非初始位(真＝焊道，假＝初始钢铁)、熔渣位、咬边值(在该焊元处咬边的量，其中零等于无咬边)、多孔值(在该焊元处多孔的量，其中零等于无多孔)，以及编码焊道固化时间的所述焊道痕迹(wake)值。存在一组与不同试样画面相关联的图像映射，包括初始钢铁、熔渣、焊道和多孔。这些图像映射被用于凹凸映射和纹理映射二者中。这些图像映射融合(blending)的量由本文所描述的各种标记和值来控制。

使用1D图像映射以及每个焊元焊道痕迹值实现焊道痕迹效果，所述每个焊元焊道痕迹值编码焊道的给定部分(agivenbit)被固化的时间。一旦高温熔池焊元位置不再是被称为“熔池”的足够高温，时间被保存在该位置并且被称为“焊道痕迹”。最终结果是着色器代码能够使用1D纹理映射来绘制“波痕(ripples)”，所述“波痕”给出刻画(portray)所述焊道被铺设的方向的独特的外观。根据本发明可替换的实施方案，系统100能够在虚拟现实空间内仿真并显示焊道，所述焊道具有当所述仿真的熔池沿着焊缝轨迹移动时由所述仿真的熔池的实时流动性到固化过渡造成的实时焊道痕迹特征。

根据本发明可替换的实施方案，系统100能够教导使用者如何对焊接机器进行故障排解(troubleshoot)。例如，系统的故障排解模式可以训练使用者确保其正确地(例如正确的气体流率、连接正确的电源线等)设置所述系统。根据本发明另一可替换的实施方案，系统100能够记录并重放焊接过程(或者至少焊接过程的一部分，例如N帧)。可以提供轨迹球(trackball)来滚动视频的帧，允许使用者或者指导人员评论焊接过程。还可以以可选择的速度(例如全速、半速、四分之一速度)提供重放。根据本发明的实施方案，可以提供分屏(split-screen)重放，例如允许在ODD150上并排地(side-by-side)观看两个焊接过程。例如出于对比的目的，“好的”焊接过程可以靠近“差的”焊接过程被观看。

总而言之，公开了一种实时虚拟现实焊接系统，所述系统包括基于可编程控制器的子系统、空间追踪器、至少一个模拟焊接工具以及至少一个显示装置，所述空间追踪器可操作地连接到所述基于可编程控制器的子系统，所述至少一个模拟焊接工具能够被所述空间追踪器在空间上追踪，所述至少一个显示装置可操作地连接到所述基于可编程控制器的子系统。所述系统能够在虚拟现实空间中仿真具有实时熔融金属流动性和散热特征的熔池。所述系统还能够在所述显示装置上实时地显示所述仿真的熔池。

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

参考标号：

100系统150观察者显示装置

110基于处理器的子系统151焊接参数

111中央处理单元152焊接不连贯性状态

115图形处理单元153显示的使用者选择内容

116统一计算设备架构160模拟焊接工具

117着色器161夹持器

118视频输出162仿真的手工焊条

119视频输出163焊根焊道阻力末端

120空间追踪器170桌台/底座

121磁源171可调节的桌台

122传感器172底座或基座

123磁盘173可调节的臂

124电源174立柱

125线缆175焊接试样

126处理器追踪单元176焊根

130焊接使用者界面177连接部分

131按钮180焊接试样

132操纵杆900焊接头盔

133旋钮910耳塞扬声器

134旋钮1201物理界面

135焊接控制台1202焊炬和夹具模型

136旋钮1203环境模型

137旋钮1204声音内容功能

140戴于面部的显示装置1205焊接声音

1206底座/桌台模型1600焊接试样

1207内部架构功能1610表面

1208校准功能1620表面

1210试样模型1700管焊接试样

1211焊接物1701管状部件

1212内部物理调节工具1702管状部件

1213图形使用者界面功能1703焊根接缝

1214绘图功能1704附接部件

1215学员报告功能1710弯曲的表面

1216呈现装置1910无阴影的矩形条

1217焊道呈现1920粒子

12183D纹理1930粒子高度

1219视觉提示1940带阴影的矩形

1220评分和公差功能6010选择的气体类型/流率

1221公差编辑器7018选择的手工焊条类型

1222特殊效果

1300方法

1310步骤

1320步骤

1330步骤

1340步骤

1350步骤

1400平坦焊接试样

1410平坦顶部表面

1420移置图

1421焊元

Claims

1.一种虚拟现实焊接系统，所述系统包括：

基于可编程处理器的子系统；

空间追踪器，所述空间追踪器可操作地连接到所述基于可编程处理器的子系统；

至少一个模拟焊接工具，所述至少一个模拟焊接工具能够被所述空间追踪器在空间上追踪，所述模拟焊接工具包括触觉型阻力末端来仿真发生在焊接期间的阻力反馈，由此驱动反馈来用于调节或保持焊接过程，所述模拟焊接工具将仿真的粒子发射到焊元图的表面上；以及

至少一个显示装置，所述至少一个显示装置可操作地连接到所述基于可编程处理器的子系统，所述显示装置在焊接期间提供视觉提示来通过基于针对追踪的参数的预先限定的限制或公差显示针对每个所述追踪的参数的覆盖的颜色和指示标记提供立即的反馈，

其中所述系统在虚拟现实空间中仿真具有实时熔融金属流动性和散热特征的熔池，并且在所述至少一个显示装置上实时地显示所述仿真的熔池，所述虚拟现实空间包括焊接元移置图网格，其中所述图网格限定表面分辨率，其中可改变的通道参数值被分配给所述网格的每个部分，所述通道参数值在仿真的焊接工艺期间以实时的方式动态地改变，

当被显示在所述至少一个显示装置上时，所述仿真的熔池的所述实时熔融金属流动性和散热特征提供实时可视反馈给所述模拟焊接工具(160)的使用者，所述至少一个显示装置包括使用者可见的戴于面部的显示装置，允许所述使用者响应于所述实时可视反馈而实时地调节或保持焊接技法，并且

其中所述仿真的熔池的所述实时熔融金属流动性和散热特征在所述焊元图上被图示说明，所述焊元图包括信息通道，所述信息通道至少包括：

第一通道，所述第一通道储存针对焊元位置的任何液化的金属的移置值；

第二通道，所述第二通道储存给出在所述焊元位置的热量级的值；

第三通道，所述第三通道储存针对所述焊元位置的固化的金属的移置值；以及

第四通道，所述第四通道储存关于所述焊元的逻辑信息，所述逻辑信息包括关于在所述焊元位置的熔渣的表征，并且

其中当所述粒子与所述焊元图的所述表面接触时，所述粒子彼此相互作用并且与所述焊元图相互作用，并且以实时的方式累积起来，其中所述焊元越靠近发射器，则加的热越多，并且热根据与电弧点的距离和热从电弧输入的时间量被建模，并且针对足够高温的焊元，在虚拟现实空间中呈现所述熔池，因为无论何处只要所述热超过阈值，在该焊元位置的焊元液化，导致针对这些焊元位置所述液化的金属的移置值升起，并且其中所述液化的金属的所述移置值通过在每个焊元位置采样最高的粒子来确定，并且进一步地，其中当所述发射器沿焊缝轨迹前进时，留下的焊元位置冷却，其中热以限定的速率从焊元位置被移除，其中当达到冷却阈值时，在该焊元位置的焊元固化。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个显示装置包括能够被所述空间追踪器(120)在空间上追踪的至少一个使用者可见的戴于面部的显示装置(140)。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述基于可编程处理器的子系统(110)包括至少一个图形处理单元(GPU)(115)。

4.如权利要求1所述的系统，其中所述仿真的熔池在所述虚拟现实空间中包括覆盖虚拟表面移置图(1420)的一部分的多个临时虚拟动态流体粒子。

5.如权利要求1所述的系统，其中所述基于可编程处理器的子系统(110)支持数据并行算法的执行。

6.如权利要求1所述的系统，还包括实时地仿真现实世界焊接电源的使用者界面的焊接使用者界面(130)。

7.如权利要求3所述的系统，其中所述仿真的熔池的所述实时熔融金属流动性和散热特征由操作于所述至少一个GPU(115)上的物理模型(1211)生成。

8.如权利要求1所述的系统，其中所述系统(100)在所述虚拟现实空间中仿真焊道，所述焊道具有当所述仿真的熔池被移动时由所述仿真的熔池的实时流动性到固化过渡造成的实时焊道痕迹特征，并且在所述至少一个显示装置上显示所述仿真的焊道。

9.如权利要求1所述的系统，还包括具有至少一个表面并且仿真要焊接的现实世界部分的焊接试样(1600)，其中在所述虚拟现实空间中所述焊接试样(1600)的所述至少一个表面被仿真为包括固体移置层和熔池移置层的双移置层，其中所述熔池移置层能够改变所述固体移置层。

10.一种使用如权利要求1所述的虚拟现实焊接系统(100)训练的方法，所述方法包括：

按照第一焊接技法相对于焊接试样(1400,1600)移动第一模拟焊接工具(160)，所述第一模拟焊接工具将仿真的粒子发射到焊元图的表面上；

使用虚拟现实焊接系统(100)在三维空间内追踪所述第一模拟焊接工具(160)，并且其中追踪的步骤还包括估算被图示说明在焊元图上的仿真的熔池的实时熔融金属流动性和散热特征，所述焊元图包括信息通道，所述信息通道至少包括：

第四通道，所述第四通道储存关于所述焊元的逻辑信息，所述逻辑信息包括关于在所述焊元位置的熔渣的表征；

观看虚拟现实焊接系统(100)的显示画面，在所述仿真的第一模拟焊接工具(160)通过在从所述仿真的第一模拟焊接工具(160)射出的仿真的电弧附近形成仿真的熔池，将第一仿真的焊道材料堆积到所述仿真的焊接试样(1400,1600)的至少一个仿真的表面上时，所述显示画面示出所述第一模拟焊接工具(160)和所述焊接试样(1400,1600)在虚拟现实空间中的实时虚拟现实仿真，所述显示画面在焊接期间提供视觉提示来通过基于针对追踪的参数的预先限定的限制或公差显示针对每个所述追踪的参数的覆盖的颜色和指示标记提供立即的反馈；

在所述显示画面上观看所述第一仿真的熔池的第一实时熔融金属流动性和散热特征，所述仿真的熔池包括焊接元移置图网格，其中所述图网格限定表面分辨率，其中可改变的通道参数值被分配给所述网格的每个部分，所述通道参数值在仿真的焊接工艺期间以实时的方式动态地改变；使用所述第一模拟焊接工具上的触觉型阻力末端来仿真发生在焊接期间的阻力反馈，由此驱动反馈来用于调节或保持焊接过程；以及

响应于观看所述第一仿真的熔池的所述第一实时熔融金属流动性和散热特征而实时地改变所述第一焊接技法的至少一个方面，并且其中当所述粒子与所述焊元图的所述表面接触时，所述粒子彼此相互作用并且与所述焊元图相互作用，并且以实时的方式累积起来，其中焊元越靠近发射器，则加的热越多，并且热根据与电弧点的距离和热从电弧输入的时间量被建模，并且针对足够高温的焊元，在虚拟现实空间中呈现所述熔池，因为无论何处只要所述热超过阈值，所述焊元图液化，导致针对这些焊元位置所述液化的金属的移置值升起，并且其中所述液化的金属的所述移置值通过在每个焊元位置采样最高的粒子来确定，并且进一步地，其中当所述发射器沿焊缝轨迹前进时，留下的焊元位置冷却，其中热以限定的速率从焊元位置被移除，其中当达到冷却阈值时，所述焊元图固化。

11.如权利要求10所述的方法，还包括：

按照第二焊接技法相对于所述焊接试样移动第二模拟焊接工具；

使用所述虚拟现实焊接系统在三维空间内追踪所述第二模拟焊接工具；

观看所述虚拟现实训练系统的所述显示画面，在所述仿真的第二模拟焊接工具通过在从所述仿真的第二模拟焊接工具射出的仿真的电弧附近形成第二仿真的熔池，堆积与所述第一仿真的焊道材料结合的第二仿真的焊道材料时，所述显示画面示出所述第二模拟焊接工具、所述焊接试样以及所述第一仿真的焊道材料在所述虚拟现实空间中的实时虚拟现实仿真；

在所述显示画面上观看所述第二仿真的熔池的第二实时熔融金属流动性和散热特征；以及

响应于观看所述第二仿真的熔池的所述第二实时熔融金属流动性和散热特征而实时地改变所述第二焊接技法的至少一个方面。

12.如权利要求10所述的方法，还包括：

按照第二焊接技法相对于所述模拟焊接试样(1400,1600)移动所述第一模拟焊接工具(160)；

使用所述虚拟现实焊接系统在三维空间内继续追踪所述第一模拟焊接工具(160)；

观看所述虚拟现实训练系统的所述显示画面，在所述仿真的第一模拟焊接工具通过在从所述仿真的第一模拟焊接工具射出的所述仿真的电弧附近形成第二仿真的熔池，堆积与所述第一仿真的焊道材料结合的第二仿真的焊道材料时，所述显示画面示出所述第一模拟焊接工具、所述焊接试样以及所述第一仿真的焊道材料在所述虚拟现实空间中的实时虚拟现实仿真；

13.如权利要求10所述的方法，其中所述显示画面出现在使用者可见的戴于面部的显示装置(140)上。

14.如权利要求10所述的方法，其中所述显示画面出现在观察者显示装置(150)上。

15.一种焊接仿真设备，所述焊接仿真设备包括：

用于创建仿真的实时熔池的装置，所述装置将仿真的粒子发射到焊元图的表面上；

用于仿真所述仿真的熔池的实时熔融金属流动性特征的装置；以及

用于仿真所述仿真的熔池的实时散热特征的装置；

用于在使用者可见的戴于面部的显示装置上显示具有至少所述仿真的熔融金属流动性和散热特征的所述仿真的熔池的装置；

用于提供发生在焊接期间的触觉型阻力反馈，由此驱动反馈来用于调节或保持焊接过程的装置；以及

用于在焊接期间提供视觉提示来通过基于针对追踪的参数的预先限定的限制或公差显示针对每个所述追踪的参数的覆盖的颜色和指示标记提供立即的反馈的装置，并且其中所述用于提供视觉提示的所述装置包括在所述焊元图上被图示说明的所述仿真的熔池的所述实时熔融金属流动性和散热特征，所述焊元图包括信息通道，所述信息通道至少包括：

第四通道，所述第四通道储存关于焊元的逻辑信息，所述逻辑信息包括关于在所述焊元位置的熔渣的表征，并且其中

当所述粒子与所述焊元图的所述表面接触时，所述粒子彼此相互作用并且与所述焊元图相互作用，并且以实时的方式累积起来，其中焊元越靠近发射器，则加的热越多，并且热根据与电弧点的距离和热从电弧输入的时间量被建模，并且针对足够高温的焊元，在虚拟现实空间中呈现所述熔池，因为无论何处只要所述热超过阈值，所述焊元图液化，导致针对这些焊元位置所述液化的金属的移置值升起，并且其中所述液化的金属的所述移置值通过在每个焊元位置采样最高的粒子来确定，并且进一步地，其中当所述发射器沿焊缝轨迹前进时，留下的焊元位置冷却，其中热以限定的速率从所述焊元位置被移除，其中当达到冷却阈值时，所述焊元图固化。

16.如权利要求15所述的焊接仿真设备，还包括用于响应于使用者的焊接技法而仿真一仿真的焊缝的实时焊道痕迹特征的装置。

17.如权利要求15所述的焊接仿真设备，还包括用于仿真由使用者的焊接技法造成的仿真的焊缝的咬边状态的装置。

18.如权利要求15所述的焊接仿真设备，还包括用于仿真由使用者的焊接技法造成的仿真的焊缝的多孔状态的装置。

19.如权利要求15所述的焊接仿真设备，还包括用于仿真由使用者的焊接技法造成的仿真的焊缝的烧穿状态的装置。