披露領(lǐng)域

本披露涉及用于在虛擬焊接環(huán)境中仿真焊接的系統(tǒng)以及用于與這類系統(tǒng)一起使用的焊接試樣。

相關(guān)技術(shù)的說明

數(shù)十年來，公司一直教導焊接技能。傳統(tǒng)上，在現(xiàn)實世界設(shè)置中教導焊接，也就是說通過用焊條將電弧真實地打擊在金屬件上來教導焊接。本領(lǐng)域的技術(shù)指導者監(jiān)督訓練過程，從而在受訓者執(zhí)行焊接時在一些情況下進行校正。通過指導和重復，新的受訓者學會如何使用一種或多種工藝來焊接。然而，每次執(zhí)行焊接都招致根據(jù)所教導的焊接工藝而變化的成本。

在最近一段時間，已經(jīng)采用了用于訓練焊工的成本節(jié)約系統(tǒng)。一些系統(tǒng)合并了運動分析器。該分析器包括焊接件的物理模型、模擬焊條、以及追蹤模擬焊條移動的感測裝置。生成一份指示焊條端在可以接受的運動范圍之外行進到何種程度的報告。更高級的系統(tǒng)合并虛擬現(xiàn)實的使用，該虛擬現(xiàn)實在可由焊工實時觀察(例如，在視覺上、在聽覺上等)的虛擬設(shè)置中仿真模擬焊條的操作以及所得到的焊縫。

虛擬現(xiàn)實焊接仿真器通常包括焊接件的若干不同的物理模型(例如，模擬焊接試樣)，其中，每個物理模型允許焊工實施某種類型的焊接。例如，一個模擬焊接試樣可以具有允許焊工練習填角焊的兩個垂直表面，而另一個模擬焊接試樣可以具有允許焊工練習坡口焊的開槽表面。為了在不同類型的仿真焊接之間進行切換，焊工必須重新定位或更換模擬焊接試樣。這不僅對于焊工是不方便的而使其中斷訓練以重新定位或更換模擬焊接試樣，而且重新定位或更換模擬焊接試樣可導致不正確地安裝焊接試樣。例如，如果該虛擬現(xiàn)實焊接仿真器被編程為期望模擬焊接試樣位于某個固定位置，而焊工將焊接試樣安裝在另一個不正確的位置，則將得到不正確的仿真焊接數(shù)據(jù)。

簡要概述

下面的概述呈現(xiàn)了簡化的總結(jié)，以提供對本文所討論的裝置和系統(tǒng)的某些方面的基本理解。此概述不是本文討論的裝置和系統(tǒng)的廣泛的綜述。這并不旨在確定關(guān)鍵的元素或限定這樣的裝置和系統(tǒng)的范圍。其唯一的目的是以簡化的形式呈現(xiàn)一些概念，作為稍后呈現(xiàn)的更詳細的說明的序言。特別地，本發(fā)明提出了根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬焊接通用試樣以及根據(jù)權(quán)利要求6或12所述的虛擬焊接系統(tǒng)。在說明書中、在從屬權(quán)利要求中和/或在附圖中披露了多個優(yōu)選實施例。這樣，可能首選的是，該多個凹槽包括被構(gòu)造成用于仿真豎直坡口焊的豎直凹槽、以及被構(gòu)造成用于仿真水平坡口焊或平坡口焊的水平凹槽、和/或首選的是該彎曲外表面包括被構(gòu)造成用于仿真管道坡口焊的凹槽。

根據(jù)一個方面，提供一種用于虛擬焊接系統(tǒng)的模擬焊接通用試樣。該模擬焊接通用試樣包括第一外表面以及垂直于該第一外表面的第二外表面。該第一外表面和該第二外表面一起提供多個凹槽，這些凹槽被構(gòu)造成用于在該模擬焊接通用試樣上仿真多種不同類型的坡口焊。彎曲外表面被構(gòu)造成用于在該模擬焊接通用試樣上仿真管角焊(pipe fillet weld)。磁源被構(gòu)造成在該模擬焊接通用試樣周圍產(chǎn)生磁場以用于追蹤模擬焊接工具相對于該模擬焊接通用試樣的運動。

根據(jù)另一方面，提供一種虛擬焊接系統(tǒng)。該虛擬焊接系統(tǒng)包括用于進行仿真焊接的模擬焊接工具。模擬焊接通用試樣被構(gòu)造成用于使用該模擬焊接工具接受多種不同類型的仿真焊接。該模擬焊接通用試樣包括至少一個開槽的豎直表面、至少一個開槽的水平表面以及至少一個彎曲表面。該多種不同類型的仿真焊接包括管角焊、豎直坡口焊、水平坡口焊或平坡口焊、以及水平填角焊。基于可編程處理器的子系統(tǒng)可操作來執(zhí)行用于生成交互式虛擬現(xiàn)實焊接環(huán)境的編碼指令，該交互式虛擬現(xiàn)實焊接環(huán)境仿真對應(yīng)于該模擬焊接通用試樣的虛擬焊接通用試樣上的焊接活動。該交互式虛擬現(xiàn)實焊接環(huán)境包括響應(yīng)于該模擬焊接通用試樣上的仿真焊接而實時產(chǎn)生的該虛擬焊接通用試樣上的虛擬焊接熔池。顯示裝置可操作地連接到該基于可編程處理器的子系統(tǒng)，并且被構(gòu)造成實時地可視地描繪包括該虛擬焊接通用試樣上的虛擬焊接熔池的交互式虛擬現(xiàn)實焊接環(huán)境。

根據(jù)另一方面，提供一種虛擬焊接系統(tǒng)。該虛擬焊接系統(tǒng)包括用于進行仿真焊接的模擬焊接工具。該模擬焊接工具包括磁場傳感器。模擬焊接通用試樣被構(gòu)造成用于使用該模擬焊接工具接受多種不同類型的仿真焊接。該模擬焊接通用試樣包括磁源，該磁源被構(gòu)造成在該模擬焊接通用試樣周圍產(chǎn)生磁場以用于追蹤該模擬焊接工具相對于該模擬焊接通用試樣的運動。該模擬焊接通用試樣還包括至少一個開槽的豎直表面、至少一個開槽的水平表面以及至少一個彎曲表面。該多種不同類型的仿真焊接包括管角焊、豎直坡口焊、水平坡口焊、平坡口焊、水平填角焊、管道坡口焊或仰角焊?；诳删幊烫幚砥鞯淖酉到y(tǒng)可操作來執(zhí)行用于生成交互式虛擬現(xiàn)實焊接環(huán)境的編碼指令，該交互式虛擬現(xiàn)實焊接環(huán)境仿真對應(yīng)于該模擬焊接通用試樣的虛擬焊接通用試樣上的焊接活動。該交互式虛擬現(xiàn)實焊接環(huán)境包括響應(yīng)于該模擬焊接通用試樣上的仿真焊接而實時產(chǎn)生的該虛擬焊接通用試樣上的虛擬焊接熔池。該虛擬焊接熔池包括動態(tài)的實時熔融金屬流動性和散熱特性。顯示裝置可操作地連接到該基于可編程處理器的子系統(tǒng)，并且被構(gòu)造成實時地可視地描繪包括該虛擬焊接通用試樣上的虛擬焊接熔池的交互式虛擬現(xiàn)實焊接環(huán)境。

附圖簡要說明

圖1是使用虛擬焊接系統(tǒng)的焊工的透視圖；

圖2是使用虛擬焊接系統(tǒng)的焊工的透視圖；

圖3是虛擬焊接系統(tǒng)的透視圖；

圖4是虛擬焊接系統(tǒng)的示意性框圖；

圖5是模擬焊接通用試樣的透視圖；

圖6是模擬焊接通用試樣的透視圖；

圖7是模擬焊接通用試樣的透視圖；

圖8是模擬焊接通用試樣的透視圖；

圖9是模擬焊接通用試樣的透視圖；

圖10是模擬焊接通用試樣的透視圖；

圖11是模擬焊接通用試樣的透視圖；

圖12是模擬焊接通用試樣的透視圖；

圖13是模擬焊接通用試樣的透視圖；

圖14是模擬焊接通用試樣的透視圖；

圖15是模擬焊接通用試樣的透視圖；

圖16是模擬焊接通用試樣的透視圖；并且

圖17A-C示意性地展示用于對虛擬現(xiàn)實空間中的模擬焊接通用試樣的表面進行仿真的示例雙移置層。

詳細說明

本主題針對用于訓練或演示焊接操作的虛擬焊接系統(tǒng)，并且針對在這類系統(tǒng)中使用的模擬焊接試樣。虛擬焊接系統(tǒng)的細節(jié)可以在2012年7月26日公開的題為“虛擬焊接系統(tǒng)(VIRTUAL WELDING SYSTEM)”的美國專利申請公開號2012/0189993 A1(金迪格(Kindig)等人)中找到，該申請通過引用以其全文結(jié)合在此，并且虛擬焊接系統(tǒng)的細節(jié)可以在2013年7月25日公開的題為“虛擬現(xiàn)實GTAW以及管道焊接仿真器和設(shè)置(VIRTUAL REALITY GTAW AND PIPE WELDING SIMULATOR AND SETUP)”的美國專利申請公開號2013/1089657 A1(華萊士(Wallace)等人)中找到，該申請通過引用以其全文結(jié)合在此。

現(xiàn)在將參照附圖描述本主題，其中相同的參考編號在通篇中被用來指代相同的要素。將理解的是，各種附圖不必以彼此按比例的方式來繪制，在給定的附圖內(nèi)也同樣是這樣，并且特別地，部件的尺寸被任意地繪制，以便于對附圖的理解。在以下描述中，出于解釋的目的，闡述了多個具體的細節(jié)以便提供對本主題的全面理解。然而，可以為明顯的是，本主題可以被實踐而不需要這些具體的細節(jié)。附加地，本主題的其他實施例是可能的并且本主題能夠以除了如所描述的方式之外的方式來實踐和實施。在描述本主題中所使用的術(shù)語和短語是出于促進對本主題的理解的目的而被采用，并且不應(yīng)該被認為是限制性的。

圖1至圖3示出了虛擬焊接系統(tǒng)的部件，并且圖4提供了虛擬焊接系統(tǒng)10的框圖。該虛擬焊接系統(tǒng)包括基于可編程處理器的子系統(tǒng)12，基于可編程處理器的子系統(tǒng)產(chǎn)生用于向焊工或使用者14提供關(guān)于不同焊接技術(shù)和工藝的訓練的交互式虛擬現(xiàn)實焊接環(huán)境?；诳删幊烫幚砥鞯淖酉到y(tǒng)12可以在虛擬現(xiàn)實空間中仿真不同的焊接工藝，如氣體保護金屬極電弧焊(GMAW)、保護式金屬極電弧焊(SMAW)、氣體保護鎢極電弧焊(GTAW)等，并且向使用者14提供關(guān)于這些仿真焊接的進度和質(zhì)量的實時反饋?；诳删幊烫幚砥鞯淖酉到y(tǒng)12可以包括一個或多個處理器(例如，微處理器、微控制器等)以及用于存儲和執(zhí)行編碼程序指令的相關(guān)聯(lián)的存儲器(RAM、ROM等)，這些編碼程序指令使得該基于可編程處理器的子系統(tǒng)提供本文中賦予它的功能。

虛擬焊接系統(tǒng)10包括與基于可編程處理器的子系統(tǒng)通信的焊接用戶界面16。焊接用戶界面16允許使用者14建立要被仿真的焊接過程。焊接用戶界面16可以包括輸入裝置和輸出裝置，如視頻顯示器、鍵盤、鼠標、操縱桿、觸摸屏等。通過焊接用戶界面16，使用者14可以選擇或設(shè)置各種虛擬或仿真焊接參數(shù)，如焊接電壓、焊接電流、焊接極性、焊接波形、焊絲送進速度等?？梢酝ㄟ^焊接用戶界面16向使用者14提供虛擬焊接操作的實時反饋。例如，可以在焊接用戶界面16上實時地向使用者14顯示包括焊接質(zhì)量、缺陷和焊接熔池的描述的焊接進度。虛擬焊接操作的實時的聲音反饋也可以通過焊接用戶界面16提供給使用者14。因此，使用者14在真實世界中的仿真焊接活動被轉(zhuǎn)換成虛擬焊接活動并實時輸出。如本文所使用的，術(shù)語“實時”意指以與最終使用者14在真實世界設(shè)置中及時感知和體驗的大體上相同的方式進行及時地感知和體驗虛擬環(huán)境。

也可以通過戴于面部的顯示裝置18來將虛擬焊接操作的實時反饋提供給使用者。戴于面部的顯示裝置18可以集成到焊工帽罩中，或者可替代地可以如圖1所示單獨安裝。戴于面部的顯示裝置18可以包括能夠以2D和幀序列視頻模式遞送流體全動態(tài)視頻的兩個高對比度微顯示器。來自虛擬焊接環(huán)境的虛擬圖像(例如，視頻)被提供并顯示在戴于面部的顯示裝置18上。還可以提供縮放模式，從而允許使用者14仿真模擬器板(cheater plate)。戴于面部的顯示裝置18還可以包括揚聲器，從而允許使用者14聽到仿真的焊接相關(guān)的聲音和環(huán)境聲音。戴于面部的顯示裝置18經(jīng)由有線或無線器具可操作地連接到基于可編程處理器的子系統(tǒng)12。

在訓練期間，使用者14使用模擬焊接工具20來進行仿真焊接。模擬焊接工具20可以被塑造成類似于真實世界的焊接工具，例如像手動焊條夾持器或弧焊焊炬。模擬焊接工具20可以具有與真實世界焊接工具相同的形狀、重量和/或感覺。模擬焊接工具20經(jīng)由有線或無線器具可操作地連接到基于可編程處理器的子系統(tǒng)12。

使用模擬焊接工具20，使用者14在模擬焊接試樣(如模擬焊接通用試樣22、22a、22b)上進行仿真焊接。如下面將詳細描述的，模擬焊接通用試樣22、22a、22b在結(jié)構(gòu)上被構(gòu)造成使用模擬焊接工具20接受多種不同類型的仿真焊接。傳統(tǒng)的模擬焊接試樣被構(gòu)造成接受一種類型的仿真焊接，如水平填角焊。相反，本文所討論的模擬焊接通用試樣被構(gòu)造成接受若干不同類型的仿真焊接。如果正確操作該虛擬焊接系統(tǒng)，則常規(guī)模擬焊接試樣也必須相對于空間追蹤系統(tǒng)的元件而正確定位。本文討論的某些模擬焊接通用試樣22、22a、22b具有以相對于該通用試樣的固定位置關(guān)系內(nèi)置于其中的空間追蹤系統(tǒng)的元件，從而使得該通用試樣固有地正確定位。

如圖1至圖3所示，虛擬焊接系統(tǒng)10可以包括用于存儲和運輸該虛擬焊接系統(tǒng)的部件的圍罩24。圍罩24包括蓋子26和基座28。當該虛擬焊接系統(tǒng)10在使用中時，圍罩24的蓋子26可以用作在仿真焊接過程中支撐該模擬焊接通用試樣的臺架，而該系統(tǒng)的其他部件，例如該基于可編程處理器的子系統(tǒng)或該焊接用戶界面，則保持在基座28上。

轉(zhuǎn)向圖5至圖8，從幾個不同的視角示出了一個示例模擬焊接通用試樣22a。模擬焊接通用試樣22a允許使用該模擬焊接工具來仿真多種不同的焊接。模擬焊接通用試樣22a包括基座30以及垂直于該基座且彼此垂直的第一壁構(gòu)件32和第二壁部件34。基座30以及第一壁構(gòu)件32和第二壁構(gòu)件34提供了該模擬焊接通用試樣的外表面，可以在該模擬焊接通用試樣上發(fā)生仿真焊接。例如，可以沿著基座30和第一壁構(gòu)件32的相交處33進行仿真線性填角焊，如仿真水平填角焊(例如，焊接位置2F)?？梢匝刂谝槐跇?gòu)件32和第二壁構(gòu)件34的相交處執(zhí)行不同類型的仿真線性填角焊，例如仿真豎直填角焊(例如，焊接位置3F)。

基座30以及第一壁構(gòu)件32和第二壁構(gòu)件34包括用于仿真各種坡口焊的相應(yīng)的凹槽36、38、40?；?0形成開槽的水平表面，該水平表面允許使用該模擬焊接工具來仿真平坡口焊(例如，焊接位置1G)。第一壁構(gòu)件32包括允許仿真水平坡口焊(例如，焊接位置2G)的水平凹槽38。第二壁構(gòu)件34包括允許仿真豎直坡口焊(例如，焊接位置3G)的豎直凹槽40。因此，開槽基座30以及第一壁構(gòu)件32和第二壁構(gòu)件34允許使用該模擬焊接工具仿真至少五種不同類型的焊接(兩種類型的填角焊和三種類型的坡口焊)。在某些實施例中，可以使用該模擬焊接通用試樣22a來仿真附加的焊接操作，如表面硬化。另外，在某些實施例中，模擬焊接通用試樣22a可以重新定位(例如，上下顛倒)以允許仿真附加的焊接操作，如線性仰角焊(例如，焊接位置4F)、坡口仰焊(例如，焊接位置4G)、平角焊(例如，焊接位置1F)等。

模擬焊接通用試樣22a可以包括允許仿真各種管道焊接的彎曲表面42。模擬焊接通用試樣22a的基座30突出超過彎曲表面42，這允許沿著該彎曲表面和該基座的相交處43仿真管角焊。該彎曲表面包括彎曲凹槽44，該彎曲凹槽允許仿真管道坡口焊(例如，焊接位置2G)。在某些實施例中，模擬焊接通用試樣22a可以重新定位以允許仿真附加的管道焊接，如水平固定的焊接位置(例如，焊接位置5G)或傾斜的焊接位置(例如，焊接位置6G)。

模擬焊接通用試樣22a包括磁源46，該磁源產(chǎn)生圍繞該通用試樣的磁包絡(luò)，使得可以追蹤該模擬焊接工具的位置以及任選地戴于面部的顯示裝置。模擬焊接通用試樣22a可以由不會干擾該磁包絡(luò)或?qū)嵸|(zhì)上不會使該磁包絡(luò)變形的如塑料等材料制成。當要進行仿真焊接時，磁源46由該基于可編程處理器的子系統(tǒng)激活。在模擬焊接通用試樣22a周圍產(chǎn)生的磁包絡(luò)限定了三維空間，在該三維空間內(nèi)，可以追蹤使用者活動，如該模擬焊接工具的運動以及使用者頭部的運動(例如，觀察位置)。

磁源46在對于基于可編程處理器的子系統(tǒng)是已知的固定位置處被附接到模擬焊接通用試樣22a上，并且該使用者不必如在先前的虛擬焊接系統(tǒng)中那樣相對于磁源46對該模擬焊接通用試樣進行手動正確定位。在圖5至圖8的實施例中，磁源46被附接到模擬焊接通用試樣22a的外表面?？商娲?，該模擬焊接通用試樣可以形成用于磁源46的圍罩，并且該磁源可以位于該模擬焊接通用試樣的內(nèi)部。在某些實施例中，磁源46可以包括用于確定該模擬焊接通用試樣22a的取向的一個或多個位置傳感器。模擬焊接通用試樣22a的取向可以被傳輸?shù)皆摶诳删幊烫幚砥鞯淖酉到y(tǒng)，使得該基于可編程處理器的子系統(tǒng)知曉模擬焊接通用試樣22a的取向以及正在仿真什么焊接。例如，基于模擬焊接通用試樣22a的取向，該基于可編程處理器的子系統(tǒng)可以區(qū)分在兩個表面的相交處仿真的水平填角焊和仰角焊(例如，在基座30和第一壁構(gòu)件32的相交處33)。

該模擬焊接工具和該戴于面部的顯示裝置可以包括傳感器，這些傳感器對由磁源46產(chǎn)生的磁場做出反應(yīng)并且可以向該基于可編程處理器的子系統(tǒng)發(fā)送相應(yīng)的相對位置信息。這些傳感器可以包括在交叉空間方向上對準的多個感應(yīng)線圈，該多個感應(yīng)線圈可以是基本上正交對準的。這些感應(yīng)線圈測量三個方向中的每個方向上的磁場的強度，并且因此可以生成提供給該基于可編程處理器的子系統(tǒng)的位置信息。該基于可編程處理器的子系統(tǒng)可以包括合適的電子器件，其可以是獨立模塊的形式，該獨立模塊用于激活和控制磁源46以及接收/解釋來自該模擬焊接工具和戴于面部的顯示裝置中的位置傳感器的位置信息。

該基于可編程處理器的子系統(tǒng)可以仿真虛擬現(xiàn)實空間中的模擬焊接通用試樣22a的各種表面，并且追蹤該使用者的真實世界的運動并將它們轉(zhuǎn)換成該虛擬現(xiàn)實空間中的相應(yīng)運動?？梢愿鶕?jù)該使用者的實際物理觀察視角向使用者顯示這個交互式虛擬現(xiàn)實焊接環(huán)境。

轉(zhuǎn)向圖9至圖12，示出了模擬焊接通用試樣22b的另一個實施例。在圖9至圖12所示的模擬焊接通用試樣22b的實施例中，該模擬焊接通用試樣位于磁源46a的頂部，其提供了用于該模擬焊接通用試樣的基座。模擬焊接通用試樣22b總體上是立方體形狀的，其中各種外表面具有允許仿真不同類型的焊接的凹槽或突出部分。

模擬焊接通用試樣22b的上表面50具有水平凹槽52和向上突出的圓柱形部分54。水平凹槽52允許使用該模擬焊接工具來仿真平坡口焊(例如，焊接位置1G)。圓柱形部分54允許沿著該圓柱形部分和上表面50的相交處55仿真管角焊。圓柱形部分54可以包括用于允許仿真管道坡口焊(例如，焊接位置2G)的周向凹槽(未示出)。

模擬焊接通用試樣22b的第一豎直表面56可以包括從該第一豎直表面向外突出的水平突片58?？梢匝刂酵黄?8的上表面和第一豎直表面56的相交處59進行仿真水平填角焊(例如，焊接位置2F)。可以沿著水平突片58的下表面和該第一豎直表面的相交處進行仿真仰角焊(例如，焊接位置4F)。

模擬焊接通用試樣22b的第二豎直表面60可以包括從該第二豎直表面向外突出的豎直突片62。仿真豎直填角焊(例如，焊接位置3F)可以在豎直突片62的任一側(cè)上沿著豎直突片62和第二豎直表面的相交處63進行。

模擬焊接通用試樣22b的第三豎直表面64可以包括允許仿真豎直坡口焊(例如，焊接位置3G)的豎直凹槽66。

模擬焊接通用試樣22b的第四豎直表面68可以包括允許仿真水平坡口焊(例如，焊接位置2G)的水平凹槽70。

因此，模擬焊接通用試樣22b被構(gòu)造成用于僅使用一個模擬焊接試樣來仿真多種不同類型的焊接(例如，平坡口焊、豎直坡口焊、水平坡口焊、管角焊、水平填角焊以及仰角焊)。如上所討論的，磁源46a在對于該基于可編程處理器的子系統(tǒng)是已知的固定位置處附接到模擬焊接通用試樣22b，并且使用者不必相對于該磁源對該模擬焊接通用試樣進行手動正確定位。此外，磁源46a被安裝在模擬焊接通用試樣22b的底部，并且用作該模擬焊接通用試樣的基座。豎直表面56、60、64、68從磁源46a向上突出，并且當使用通用試樣22b時這些豎直表面被支撐在該磁源的頂上。

在某些實施例中，模擬焊接通用試樣22b包括該通用試樣的相同表面上的多個凹槽和/或突片，使得可以使用該模擬焊接通用試樣的同一側(cè)來仿真各種不同的焊接。例如，模擬焊接通用試樣22b的一個豎直側(cè)可以包括水平突片58和豎直突片62，使得可以在該模擬焊接通用試樣的共有側(cè)仿真水平填角焊、豎直填角焊和仰角焊。

轉(zhuǎn)向圖13至圖16，示出了模擬焊接通用試樣22c的又另一個實施例。模擬焊接通用試樣22c可以包括如上面所討論的各種圓柱形突起、突片和凹槽，以用于使用一個模擬焊接通用試樣來仿真多種不同的焊接。

在圖13至圖16所示的模擬焊接通用試樣22c的實施例中，該模擬焊接通用試樣可拆卸地安裝到臺架72上。該臺架包括臂74，并且模擬焊接通用試樣22c包括滑到臂74的端部上的套環(huán)76。模擬焊接通用試樣22c可以包括緊固件，例如定位螺釘，以用于該通用試樣固定到臂74上。在某些實施例中，模擬焊接通用試樣22c可以在臂74上旋轉(zhuǎn)，使得可以仿真不同的焊接。例如，模擬焊接通用試樣22c可以旋轉(zhuǎn)45°、90°、180°等，這改變了可以仿真的各種焊接的定向。例如，圖14所示的豎直凹槽75可以旋轉(zhuǎn)到如圖15所示的水平位置，使得可以使用相同的開槽表面來仿真豎直坡口焊和平坡口焊。類似地，當模擬焊接通用試樣22c如圖14所示被定位時，向下突出的突片77可以允許仿真仰角焊，并且當該模擬焊接通用試樣如圖15所示被定位時，仿真豎直填角焊。

套環(huán)76和臂74以及臺架72可以是鍵接的，以確保模擬焊接通用試樣22c總是正確地定位在該臺架/臂上。

在某些實施例中，如圖16所示，模擬焊接通用試樣22c可以可替代地放置在臺架72的頂部，以允許仿真不同類型的焊接。也就是說，可以從臂74移除模擬焊接通用試樣22c，并且套環(huán)76滑過臺架72的圓柱形上端78，以重新構(gòu)造該通用試樣。重新定位模擬焊接通用試樣22c使得該通用試樣轉(zhuǎn)動90°，這改變了能被仿真的各種焊接的定向。例如，模擬焊接通用試樣22c可以包括圓柱形突起80，該圓柱形突起在該通用試樣安裝到臂74上時沿著豎直軸線向上定向，并且在該通用試樣安裝到該臺架的端部78時沿著水平軸線側(cè)向地定向。可以通過將模擬焊接通用試樣22c從臂74重新定位到該臺架的端部78來仿真不同類型的管道焊接。以類似的方式，可以通過將模擬焊接通用試樣22c從臂74重新定位到臺架72的端部78來仿真不同類型的線性填角焊。例如，當模擬焊接通用試樣22c位于臂74上時，圖14中的向下突出的突片77可以允許仿真仰角焊。當模擬焊接通用試樣22c移動到如圖16所示的臺架72的端部78時，相同的突片將會水平地突出，從而允許仿真水平填角焊。還可以通過將模擬焊接通用試樣22c從臂74重新定位到臺架的端部78來仿真不同類型的坡口焊。例如，當模擬焊接通用試樣22c位于臂74上時，圖14所示的豎直凹槽75可以允許仿真豎直坡口焊。當模擬焊接通用試樣22c移動到如圖16所示的臺架72的端部78時，相同的凹槽將會被水平定向，從而允許仿真水平坡口焊。

除了具有用于模擬不同焊接的凹槽、突起、突片等之外，圖13至圖16中所示的模擬焊接通用試樣22c還具有各種直徑的孔82、84和階梯形部分86、88?？?2、84允許仿真塞焊，而階梯形部分86、88允許仿真搭接焊。應(yīng)當理解，如果需要，圖5至圖12中所示的模擬焊接通用試樣22a、22b可具有類似的孔和階梯形部分，以允許仿真塞焊和搭接焊。

在圖13至圖16所示的實施例中，磁源46b不直接附接到模擬焊接通用試樣22c。而是，磁源46b附接到支撐該模擬焊接通用試樣22c的臺架72(例如，附接到臂74)上。磁源46b可以被構(gòu)造成產(chǎn)生大得足以包圍模擬焊接通用試樣22c的磁包絡(luò)，無論其是安裝到臂74還是該臺架的端部78。模擬焊接通用試樣22c、磁源46b或臺架72可以被構(gòu)造成經(jīng)由有線或無線通信向該基于可編程處理器的子系統(tǒng)告知該臺架上的通用試樣的位置(即，無論該通用試樣是安裝在臂74上還是該臺架的端部78上)。例如，通用試樣22c或臺架72可以包括限位開關(guān)或用于識別臺架上的通用試樣的位置的另一種類型的傳感器。

如以上關(guān)于圖4所討論的，虛擬焊接系統(tǒng)10包括基于可編程處理器的子系統(tǒng)12，基于可編程處理器的子系統(tǒng)可操作來執(zhí)行用于生成交互式虛擬現(xiàn)實焊接環(huán)境的編碼指令，該交互式虛擬現(xiàn)實焊接環(huán)境仿真與該模擬焊接通用試樣對應(yīng)的虛擬現(xiàn)實焊接通用試樣上的焊接活動。該交互式虛擬現(xiàn)實焊接環(huán)境包括該虛擬焊接通用試樣(對應(yīng)于該模擬焊接通用試樣)上的虛擬焊接熔池。基于當前的焊接參數(shù)(例如，電壓、電流、波形、極性等)，響應(yīng)于該使用者在該模擬焊接通用試樣上的仿真焊接，基于可編程處理器的子系統(tǒng)12實時產(chǎn)生該虛擬焊接熔池。由基于可編程處理器的子系統(tǒng)12生成的交互式虛擬現(xiàn)實焊接環(huán)境以及該使用者的虛擬焊接活動的仿真結(jié)果是經(jīng)由焊接用戶界面16和/或戴于面部的顯示裝置18而顯示給該使用者并且在聽覺上再現(xiàn)的。該虛擬焊接系統(tǒng)可以通過實時地描繪包括該虛擬焊接通用試樣上的虛擬焊接熔池的交互式虛擬現(xiàn)實焊接環(huán)境來仿真實際焊接操作。

該虛擬焊接熔池可以包括仿真焊接過程中顯示給使用者的動態(tài)的實時熔融金屬流動性以及吸熱和散熱特性。焊道和熔池圖像由焊元(即焊接元件)移置圖的狀態(tài)來驅(qū)動，這將在下面進一步討論。為了仿真動態(tài)焊接熔池并顯示其特性，基于可編程處理器的子系統(tǒng)12可以采用焊接過程的焊接物理功能或物理模型以及模擬焊接通用試樣。焊接物理功能采用雙移置層技術(shù)來準確地建模動態(tài)流動性/粘滯性(viscosity)、凝固性、熱梯度(吸熱與散熱)、熔池痕跡(wake)以及焊道形狀。

基于可編程處理器的子系統(tǒng)12還可以采用焊道呈現(xiàn)功能來呈現(xiàn)焊道從加熱熔融狀態(tài)到冷卻固化狀態(tài)的所有狀態(tài)。焊道呈現(xiàn)功能性使用來自焊接物理功能性的信息(例如，熱、流動性、移置、幣狀體間隔)，以便準確地且逼真地以實時的方式在虛擬現(xiàn)實空間中呈現(xiàn)焊道。

可以將附加的紋理(例如，焦痕(scorching)、熔渣、顆粒)覆蓋到該仿真的焊道上，并且可以為使用者呈現(xiàn)和顯示各種特性，如火星、飛濺、煙塵、電弧光、煙以及不連貫(如，咬邊和多孔性)。

當在該模擬焊接通用試樣上仿真焊接時，該使用者能夠觀察虛擬現(xiàn)實空間中的焊接熔池并且響應(yīng)于觀察該仿真焊接熔池的各種特性(包括實時熔融金屬流動性(例如，粘度)和散熱)來改變其焊接技術(shù)。使用者還可以觀看并響應(yīng)其他特征，包括實時熔池痕跡和幣狀體間隔。觀看并響應(yīng)焊接熔池的特征是為在現(xiàn)實世界中實際上如何執(zhí)行許多焊接操作。焊接物理功能性的雙移置層建模，允許這樣的實時熔融金屬流動性和散熱特性被準確地建模并且呈現(xiàn)給使用者。例如，散熱確定固化時間(即焊元需要多少時間完全地固化)。

此外，該使用者可以使用相同或不同的(例如，第二)模擬焊接工具、焊條和/或焊接工藝，在焊道材料上完成第二焊道。在這樣的第二焊道場景中，在仿真的模擬焊接工具通過在從仿真的模擬焊接工具射出的仿真電弧附近形成第二仿真的焊接熔池，堆積與第一仿真的焊道材料合并的第二仿真的焊道材料時，該仿真示出虛擬現(xiàn)實空間中的仿真的模擬焊接工具、模擬焊接通用試樣、以及原始的仿真焊道材料?？赡芤灶愃频姆绞叫纬墒褂孟嗤虿煌暮附庸ぞ呋蚬に嚨母郊拥暮罄m(xù)焊道。當由先前的焊道材料、新焊道材料以及有可能在下面出現(xiàn)的通用試樣材料中的任何組合在虛擬現(xiàn)實空間中形成新的焊接熔池時，在任何第二或后續(xù)焊道中，先前的焊道材料與被堆積的新焊道材料合并。這樣的后續(xù)焊道可能例如被執(zhí)行來修復由先前的焊道形成的焊道，或者可以包括熱焊道和在管道焊接中完成根部焊道后的一個或多個間隙閉合焊道。根據(jù)不同實施例，可以仿真基座和焊道材料以便包括低碳鋼、不銹鋼和鋁。例如，該模擬焊接通用試樣可以在虛擬現(xiàn)實空間中描繪為表現(xiàn)為低碳鋼、不銹鋼或鋁，并且可以相應(yīng)地控制該虛擬焊接熔池的特性(例如，加熱或冷卻)。

該模擬焊接通用試樣例如作為塑料件存在于真實世界中，并且還作為虛擬焊接通用試樣存在于虛擬現(xiàn)實空間中(即，在該交互式虛擬現(xiàn)實焊接環(huán)境中)。在基于可編程處理器的子系統(tǒng)12內(nèi)，對應(yīng)于該模擬焊接通用試樣的實際表面的虛擬焊接通用試樣的仿真表面被分割成稱為“焊元”的焊接元件的網(wǎng)格或陣列，從而形成焊元圖。每個焊元定義該模擬焊接通用試樣的表面的一小部分。焊元圖限定了表面分辨率。可改變的通道參數(shù)值被分配到每個焊元，從而允許每個焊元的值在仿真焊接過程中實時地在交互式虛擬現(xiàn)實焊接環(huán)境中動態(tài)地改變?？筛淖兊耐ǖ绤?shù)值對應(yīng)于通道熔池(熔融金屬流動性/黏性移置)、熱量(吸熱/散熱)、移置(固體移置)、以及額外的(不同額外狀態(tài)，例如熔渣、顆粒、焦痕、原生金屬)。這些可改變的通道可以被稱為PHED(分別用于熔池、熱量、額外的、以及移置)。

該熔池通道存儲在焊元位置處的任何液化金屬的移置值。該移置通道存儲在焊元位置處的固化金屬的移置值。該熱量通道存儲給定在焊元位置處的熱量量值的值。以此方式，該通用試樣的可焊接部分可以示出因焊道而產(chǎn)生的移置、因液體金屬而產(chǎn)生的閃爍表面“熔池”、因熱而產(chǎn)生的顏色等。

在顆?？梢员舜讼嗷プ饔貌⑶铱梢耘c移置圖碰撞的地方可以使用移置圖和顆粒系統(tǒng)。這些顆粒是虛擬動態(tài)流體顆粒，并且提供焊接熔池的液體行為，但不直接呈現(xiàn)(即不是直接視覺可見的)。相反，僅移置圖上的顆粒效果是視覺可見的。對焊元的熱量輸入影響了附近顆粒的移動。在仿真焊接熔池中涉及兩種類型的移置，其包括熔池和移置。熔池是“暫時的”并且僅在只要存在顆粒和熱量時持續(xù)。移置是“永久的”。熔池移置是焊接的液體金屬，其快速改變(例如，閃爍)并且可被認為是在移置的“頂部上”。這些顆粒覆蓋虛擬表面移置圖的一部分(即，焊元圖)。該移置表示包括已經(jīng)固化的初始基金屬和焊道兩者的永久固體金屬。

根據(jù)一個示例實施例，在虛擬現(xiàn)實空間中的仿真焊接過程如下工作：來自發(fā)射器(仿真模擬焊接工具的發(fā)射器)的以細錐形的顆粒流。這些顆粒與模擬焊接通用試樣的表面進行第一次接觸，其中該表面由焊元圖限定。這些顆粒彼此相互作用以及與焊元圖相互作用，并且實時增長。增加的熱量越多，焊元離發(fā)射器越近。取決于與電弧點的距離和從該電弧輸入熱量的時間量來對熱量進行建模。特定圖像(例如，顏色等)是由熱驅(qū)動的。熔池被繪制或呈現(xiàn)在具有足夠熱量的焊元的虛擬現(xiàn)實空間中。在熱足夠之處，焊元圖液化，從而導致熔池移置針對那些焊元位置“升高”。通過對每個焊元位置處的“最高”顆粒進行采樣來確定熔池移置。隨著發(fā)射器沿焊接軌跡移動，留下的焊元位置冷卻。以特定速率將熱量從焊元位置移除。當?shù)竭_冷卻閾值時，焊元圖固化。這樣，熔池移置逐漸轉(zhuǎn)化到移置(即固化焊道)。所添加的移置相當于所移除的熔池，這樣使得總高度不改變。顆粒壽命得以調(diào)整以便持續(xù)直到固化完成?？梢员荒Ｖ频哪承╊w粒特性包括吸引/排斥、速率(與熱量相關(guān))、減震(與散熱相關(guān))、以及方向(與重力相關(guān))。

圖17a至圖17c展示了由該虛擬焊接系統(tǒng)使用的雙重移置或雙移置(移置和顆粒)熔池模型的概念的示例實施例。在虛擬現(xiàn)實焊接環(huán)境中仿真具有如上所述的多個表面的模擬焊接通用試樣。在該虛擬現(xiàn)實焊接環(huán)境中將上述表面(例如，開槽的水平表面、開槽的豎直表面、開槽的彎曲表面、搭接表面等)仿真成具有固體移置層和熔池移置層的雙移置層。熔池移置層能夠修改固體移置層。

如在此所描述的，“熔池”是由焊元圖中的一個區(qū)域限定，在該區(qū)域中熔池值已經(jīng)通過顆粒的存在而升高。在圖17a至圖17c中表示采樣過程。示出焊元圖的具有七個鄰近焊元的一個區(qū)段。電流移置值由給定高度(即每個焊元的給定移置)無陰影的矩形柱1710表示。在圖17a中，顆粒1720被示出為與電流移置水平撞擊的圓形無陰影點并且被堆積。在圖17b中，在每個焊元位置處對“最高”顆粒高度1730進行采樣。在圖17c中，陰影矩形1740示出在移置頂部上由于顆粒而已經(jīng)添加多少熔池。由于基于熱量以特定的液化速率增加熔池，焊接熔池高度初始未設(shè)置到采樣值。盡管未在圖17a至圖19c中示出，有可能將固化過程可視化為熔池(帶陰影的矩形)逐漸縮小而移置(無陰影的矩形)從下方逐漸增大到恰好代替該熔池。以此方式，準確地仿真實時熔融金屬流動性特征。在使用者實踐特定焊接工藝時，該使用者能夠在虛擬現(xiàn)實空間中實時觀察熔融金屬流動性特征和焊接熔池的散熱特征，并且使用此信息來調(diào)整或保持其焊接技術(shù)。

表示模擬焊接通用試樣表面的焊元的數(shù)目是固定的。此外，如在此描述的，由對模型流動性的仿真產(chǎn)生的熔池顆粒是暫時的。因此，一旦在仿真的焊接工藝過程中在虛擬現(xiàn)實空間中產(chǎn)生初始熔池，焊元加熔池顆粒的數(shù)目傾向于保持相對恒定。這是因為所處理的焊元的數(shù)目是固定的，并且在焊接工藝過程中存在和被處理的熔池顆粒的數(shù)目以類似速率被創(chuàng)建和“破壞”(即焊元顆粒是暫時的)。因此，該基于可編程處理器的子系統(tǒng)的處理負荷在仿真焊接過程期間保持相對恒定。

應(yīng)該明顯的是，本披露是通過舉例的方式并且可以通過添加、更改或消除來作出各種改變而不脫離本披露所包含的教導的合理范圍。因此，本發(fā)明不限于本披露的特定的細節(jié)，除非以下權(quán)利要求書被必要地如此限定。

參考號

10 虛擬焊接系統(tǒng) 46 磁源

12 子系統(tǒng) 46a 磁源

14 使用者 46b 磁源

16 焊接用戶界面 50 上表面

18 顯示裝置 52 水平凹槽

20 模擬焊接工具 54 向上突出的圓柱形部分

22 模擬焊接通用試樣 55 相交處

22a 模擬焊接通用試樣 56 第一豎直表面

22b 模擬焊接通用試樣 58 水平突片

22c 模擬焊接通用試樣 60 第二豎直表面

24 圍罩 62 豎直突片

26 蓋子 63 相交處

28 基座 64 第三豎直表面

30 基座 66 豎直凹槽

32 第一壁 68 第四豎直表面

33 相交處 70 水平凹槽

34 第二壁 72 臺架

36 凹槽 74 臂

38 凹槽 75 豎直凹槽

40 凹槽 76 套環(huán)

42 彎曲表面 77 向下突出的突片

43 相交處 78 圓柱形上端

44 彎曲凹槽 80 圓柱形突起

82 孔

84 孔

86 階梯形部分

88 階梯形部分

1710 矩形桿

1720 顆粒

1730 顆粒高度

1740 帶陰影的矩形