使用虛擬現實焊接系統導入和分析外部數據的制作方法【專利說明】使用虛擬現實焊接系統導入和分析外部數據[0001]本美國專利申請要求2009年7月10日遞交的待審定美國專利申請序號12/501，257的優先權，并且是所述待審定美國專利申請的部分繼續專利申請，所述待審定美國專利申請通過弓I用被全部并入本文，并且所述待審定美國專利申請要求2008年8月21日遞交的美國臨時專利申請序號61/090，794的優先權和權益。具有序號13/453，124并且在2012年4月23日遞交的公開的美國專利申請通過引用被全部并入本文。發明領域[0002]本發明涉及根據權利要求16的虛擬現實焊接系統以及根據權利要求1、5、8和12的用于提供弧焊訓練的方法。某些實施方案涉及虛擬現實仿真。更特別地，某些實施方案涉及用于在仿真的虛擬現實環境或增強的現實環境中使用實時焊縫熔池反饋來提供弧焊訓練的系統和方法，以及用于在虛擬現實焊接系統中提供外部數據的導入和分析的系統和方法。技術背景[0003]學習如何進行弧焊傳統上需要許多小時的指導、訓練和練習。存在可以進行學習的許多不同類型的弧焊和弧焊工藝。學員通常使用真實的焊接系統并且在真實的金屬工件上執行焊接操作來學習焊接。這樣的真實世界的訓練會占用稀缺的焊接資源并耗盡有限的焊接材料。然而，近來使用焊接仿真的訓練想法已經變得更加流行。一些焊接仿真經由個人電腦和/或經由互聯網在線實現。可是，當前已知的焊接仿真往往被限于其訓練重點(focus)。例如，一些焊接仿真將重點放于僅僅針對“肌肉記憶”的訓練，這只不過是訓練焊接學員如何握持和定位焊接工具。其他焊接仿真也僅是以有限的且常常為不實際的方式來將重點放于示出焊接工藝的視覺效果和音頻效果，所述方式不給學員提供是真實世界焊接的高度表征的期望反饋。正是這種實際的反饋引導學員進行必要的調節以完成好的焊接。通過查看電弧和/或熔池而不是通過肌肉記憶來學習焊接。[0004]通過將這樣的途徑與如參照附圖在本申請其余內容中闡述的本發明的實施方案進行比較，本領域技術人員將清楚常規的、傳統的以及已提出的途徑的其他限制和缺點。【
發明內容】[0005]目標是克服本文所提及的限制和缺點。這個問題通過根據權利要求1、5、8和12的方法以及通過根據權利要求16的系統來解決。進一步的實施方案是從屬權利要求的主題。弧焊仿真已經在虛擬現實焊接系統上被設計，所述虛擬現實焊接系統提供在虛擬現實空間中對具有實時熔融金屬流動性特征以及吸熱與散熱特征的焊縫熔池的仿真。數據可以被導入到虛擬現實焊接系統中并且被分析來表示學生焊工的進步的特征并且來提供訓練。[0006]根據實施方案，虛擬現實焊接系統包括基于可編程處理器的子系統、空間追蹤器、至少一個模擬焊接工具以及至少一個顯示裝置，所述空間追蹤器被可操作地連接到所述基于可編程處理器的子系統，所述至少一個模擬焊接工具能夠由所述空間追蹤器在空間上追蹤，所述至少一個顯示裝置被可操作地連接到所述基于可編程處理器的子系統。系統能夠在虛擬現實空間中仿真焊縫熔池，所述焊縫熔池具有實時熔融金屬流動性和散熱特性。系統進一步能夠在顯示裝置上顯示仿真的焊縫熔池，以描繪真實世界焊縫。基于學生表現，系統將顯示評估的焊縫，所述評估的焊縫將是可接受的或顯示具有缺陷的焊縫。外部數據可以被導入到虛擬現實焊接系統并且被分析來確定由學生焊工產生的焊縫的質量，或者模型化焊接定制組件的部分用于訓練。[0007]—個實施方案提供方法。所述方法包括將焊接質量參數的第一數據集導入到虛擬現實焊接系統中，所述焊接質量參數的第一數據集表征在對應于限定的焊接工藝的真實世界焊接活動期間由學生焊工產生的焊縫的質量。所述方法還包括使用所述虛擬現實焊接系統的基于可編程處理器的子系統將儲存在虛擬現實仿真器上的焊接質量參數的第二數據集與所述第一數據集相比較，所述焊接質量參數的第二數據集表征在所述虛擬現實焊接系統上在對應于所述限定的焊接工藝的仿真的焊接活動期間由所述學生焊工產生的虛擬焊縫的質量。所述方法進一步包括響應于使用所述虛擬現實焊接系統的所述基于可編程處理器的子系統的所述比較，產生數值比較得分。[0008]一個實施方案提供方法。所述方法包括將測量的焊接參數的第一數據集導入到虛擬現實焊接系統中，所述測量的焊接參數的第一數據集在對應于限定的焊接工藝的真實世界焊接活動期間產生，所述真實世界焊接活動由專家焊工使用真實世界焊接機器來執行。所述方法還包括將仿真的焊接參數的第二數據集儲存在所述虛擬現實焊接系統上，所述仿真的焊接參數的第二數據集在對應于所述限定的焊接工藝的仿真的焊接活動期間、在由學生焊工使用所述虛擬現實焊接系統來執行所述仿真的焊接活動時產生。所述方法進一步包括通過使用所述虛擬現實焊接系統的基于可編程處理器的子系統將所述第一數據集與所述第二數據集相比較來計算多個學生焊接質量參數。[0009]一個實施方案提供方法。所述方法包括將仿真的焊接參數的第一數據集儲存在所述虛擬現實焊接系統上，所述仿真的焊接參數的第一數據集在對應于限定的焊接工藝的第一仿真的焊接活動期間產生，所述第一仿真的焊接活動由專家焊工使用虛擬現實焊接系統來執行。所述方法還包括將仿真的焊接參數的第二數據集儲存在所述虛擬現實焊接系統上，所述仿真的焊接參數的第二數據集在對應于所述限定的焊接工藝的第二仿真的焊接活動期間、在由學生焊工使用所述虛擬現實焊接系統來執行所述第二仿真的焊接活動時產生。所述方法進一步包括通過使用所述虛擬現實焊接系統的基于可編程處理器的子系統將所述第一數據集與所述第二數據集相比較來計算多個學生焊接質量參數。[0010]一個實施方案提供方法。所述方法包括將表征焊接定制組件的數字模型導入到虛擬現實焊接系統中。所述方法還包括使用所述虛擬現實焊接系統的基于可編程處理器的子系統分析所述數字模型來將所述數字模型分為多個部分，其中所述多個部分中的每個部分對應于所述焊接定制組件的單個焊縫接頭類型。所述方法進一步包括使用所述虛擬現實焊接系統的所述基于可編程處理器的子系統將所述多個部分中的每個部分與在所述虛擬現實焊接系統中模型化的多個虛擬焊接試樣中的虛擬焊接試樣相匹配。[0011]從以下的說明和附圖將更完整地理解要求保護的本發明的這些和其他特點，以及本發明的圖示說明的實施方案的細節。[0012]附圖的簡要說明[0013]圖1圖示說明在實時虛擬現實環境下提供弧焊訓練的系統的系統方框圖的第一示例性實施方案；[0014]圖2圖示說明結合的仿真焊接控制臺和圖1的系統的觀察者顯示裝置(ODD)的示例性實施方案；[0015]圖3圖示說明圖2的觀察者顯示裝置(ODD)的示例性實施方案；[0016]圖4圖示說明圖2的仿真的焊接控制臺的前部分的示例性實施方案，示出物理焊接使用者界面(WUI);[0017]圖5圖示說明圖1的系統的模擬焊接工具(MffT)的示例性實施方案；[0018]圖6圖示說明圖1的系統的桌臺/底座(table/stand)(T/S)的示例性實施方案；[0019]圖7A圖示說明圖1的系統的管焊接(pipewelding)試樣(coupon)(WC)的示例性實施方案；[0020]圖7B圖示說明安裝于圖6的桌臺/底座(T/S)的臂的圖7A的管狀WC;[0021]圖8圖示說明圖1的空間追蹤器(ST)的示例性實施方案的各種部件；[0022]圖9A圖示說明圖1的系統的戴于面部的(face-mounted)顯示裝置(FMDD)的示例性實施方案；[0023]圖9B為圖9A的FMDD如何被固定在使用者的頭部上的示意圖；[0024]圖9C圖示說明安裝于焊接頭盔內的圖9A的FMDD的示例性實施方案；[0025]圖10圖示說明圖1的系統的基于可編程處理器的子系統(PPS)的子系統方框圖的示例性實施方案；[0026]圖11圖示說明圖10的PPS的圖形處理單元(GPU)的方框圖的示例性實施方案；[0027]圖12圖示說明圖1的系統的功能方框圖的示例性實施方案；[0028]圖13為使用圖1的虛擬現實訓練系統的訓練方法的實施方案的流程圖；[0029]圖14A-14B根據本發明的實施方案圖示說明焊接像元(weldingpixel)(焊元(wexel))移置圖(displacementmap)的概念；[0030]圖15圖示說明仿真于圖1的系統中的平坦焊接試樣(WC)的試樣空間(couponspace)和焊縫空間(weldspace)的示例性實施方案；[0031]圖16圖示說明仿真于圖1的系統中的拐角(T型接頭)焊接試樣(WC)的試樣空間和焊縫空間的示例性實施方案；[0032]圖17圖示說明仿真于圖1的系統中的管焊接試樣(WC)的試樣空間和焊縫空間的示例性實施方案；[0033]圖18圖示說明圖17的管焊接試樣(WC)的示例性實施方案；[0034]圖19A-19C圖示說明圖1的系統的雙移置熔池模型的概念的示例性實施方案；[0035]圖20圖示說明將焊接質量參數從真實世界焊接機器導入到虛擬現實焊接系統中的概念；[0036]圖21是用以將學生焊工的真實世界焊接活動與學生焊工的虛擬焊接活動相比較的方法的實施方案的流程圖；[0037]圖22是用以將學生焊工的虛擬焊接活動與專家焊工的真實世界焊接活動相比較的方法的實施方案的流程圖；[0038]圖23圖示說明將測量的焊接參數從真實世界焊接機器導入到虛擬現實焊接系統中的概念；[0039]圖24是產生多個學生焊接質量參數和數值學生得分的方法的第一實施方案的流程圖；[0040]圖25是產生多個學生焊接質量參數和數值學生得分的方法的第二實施方案的流程圖；[0041]圖26圖示說明將表征焊接定制組件的數字模型導入到虛擬現實焊接系統中的概念；[0042]圖27圖示說明將表征焊接定制部件的數字模型的部分與多個焊接試樣相匹配的概念；以及[0043]圖28是產生用于焊接定制部件的虛擬焊接訓練程序的方法的實施方案的流程圖。【具體實施方式】[0044]本發明的實施方案包括虛擬現實弧焊(VRAW)系統，所述虛擬現實弧焊系統包括基于可編程處理器的子系統、空間追蹤器、至少一個模擬焊接工具以及至少一個顯示裝置，所述空間追蹤器可操作地連接到所述基于可編程處理器的子系統，所述至少一個模擬焊接工具能夠被所述空間追蹤器在空間上追蹤，所述至少一個顯示裝置可操作地連接到所述基于可編程處理器的子系統。所述系統能夠在虛擬現實空間中仿真具有實時熔融金屬流動性和散熱特征的熔池。所述系統還能夠在所述顯示裝置上實時地顯示所述仿真的熔池。當被顯示時，所述仿真的熔池的實時熔融金屬流動性和散熱特征提供實時可視反饋給所述模擬焊接工具的使用者，允許所述使用者響應于所述實時可視反饋而實時地調節或保持焊接技法(即幫助使用者正確地學習焊接)。所顯示的熔池是基于使用者的焊接技法和所選擇的焊接工藝與參數而將會被形成于真實世界中的熔池的表征。通過觀看熔池(例如形狀、顏色、熔渣、大小、堆疊的幣狀體(stackeddimes))，使用者可以修正其技法來進行良好的焊接并確定被完成的焊接類型。所述熔池的形狀響應于焊槍或焊條的運動。如本文所使用的，術語“實時”意指以與使用者在真實世界的焊接情景下將會感知和體驗的相同的方式，在仿真的環境下及時感知和體驗。此外，所述熔池響應于包括重力的物理環境的作用，允許使用者以各種位置(包括仰焊(overheadwelding))和各種管焊接角度(例如1G、2G、5G、6G)逼真地練習焊接。如本文所使用的，術語“虛擬焊件”指的是存在于虛擬現實空間中的仿真的焊接部件。例如，如本文所描述的已經被虛擬焊接的仿真的焊接試樣是虛擬焊件的實施例。[0045]圖1圖示說明系統100的系統方框圖的示例性實施方案，系統100在實時虛擬現實環境下提供弧焊訓練。系統100包括基于可編程處理器的子系統(PPS)110。系統100進一步包括可操作地連接到PPS110的空間追蹤器(ST)120。系統100還包括可操作地連接到PPS110的物理焊接使用者界面(WUI)130，以及可操作地連接到PPS110和ST120的戴于面部的顯示裝置(FMDD)140。系統100還包括可操作地連接到PPS110的觀察者顯示裝置(ODD)150。系統100還包括可操作地連接到ST120和PPS110的至少一個模擬焊接工具(MffT)160。系統100還包括桌臺/底座(T/S)170，以及能夠被附接到T/S170的至少一個焊接試樣(WC)180。根據本發明可替換的實施方案，提供模擬氣罐(未示出)，所述模擬氣罐仿真保護氣體源并具有可調節的流量調校器(flowregulator)。[0046]圖2圖示說明結合的仿真焊接控制臺135(仿真焊接電源使用者界面)和圖1的系統100的觀察者顯示裝置(ODD)150的示例性實施方案。物理WUI130位于控制臺135的前部分上，并且提供旋鈕(knobs)、按鈕以及操縱桿，用于各種模式和功能的使用者選擇。ODD150被附接到控制臺135的頂部分。MffT160放置在附接到控制臺135的側部分的托架(holder)中。在內部，控制臺135容納PPS110以及ST120的一部分。[0047]圖3圖示說明圖2的觀察者顯示裝置(ODD)150的示例性實施方案。根據本發明的實施方案，ODD150為液晶顯示(LCD)裝置。其他顯示裝置也是可能的。例如，根據本發明的另一實施方案，ODD150可以為觸控屏幕顯示器。ODD150從PPS110接收視頻(例如SVGA格式)并且顯示來自PPS110的信息。[0048]如圖3所示，ODD150能夠顯示呈現各種焊接參數151的第一使用者場景，焊接參數151包括位置、末端到工件間隙(tiptowork)、焊接角度、行進角度以及行進速度。這些參數可以以圖形的形式實時被選擇并顯示并且被用于教導適當的焊接技法。此外，如圖3所示的，ODD150能夠顯示仿真的焊接不連貫性狀態152，包括例如不適當的焊縫大小、不佳的焊道布置、凹入的焊道、過于外凸、咬邊、多孔、未焊透、夾渣、過度飛濺、過度填充以及燒穿(焊穿)。咬邊是熔入鄰近焊縫或焊縫焊根(root)的基底金屬的且沒有被焊縫金屬填充的凹槽(groove)。咬邊常常是由于不正確的焊接角度造成的。多孔是由固化期間的夾氣形成的空腔類不連貫，常常是由電弧過于遠離試樣移動而造成的。[0049]再有，如圖3所示的，ODD150能夠顯示使用者選擇內容153，包括菜單、動作、視覺提示、新試樣以及最終行程(endpass)。這些使用者選擇內容被關聯到控制臺135上的使用者按鈕。當使用者經由例如ODD150的觸控屏幕或者經由物理WUI130進行各種選擇時，所顯示的特征可以改變以對使用者提供選擇的信息和其他選項。當前第1頁1 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