PCT國際申請PCT/IB2011/001157要求于2009年7月10日遞交的待審美國專利申請序號No.12/501,257的優(yōu)先權(quán)，并且是該待審美國專利申請的部分繼續(xù)(CIP)專利申請，該待審美國專利申請通過引用將其全部內(nèi)容并入本文。PCT國際申請PCT/IB2011/001157還要求于2010年5月27日遞交的美國臨時專利申請序號No.61/349,029的優(yōu)先權(quán)，該美國臨時專利申請通過引用將其全部內(nèi)容并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域：
：特定的實施方案涉及虛擬現(xiàn)實仿真(simulation)。更具體地，特定的實施方案涉及針對虛擬焊件的虛擬測試和檢驗的系統(tǒng)和方法，所述系統(tǒng)和方法用于焊接者、焊接檢驗員、焊接教學(xué)者、結(jié)構(gòu)工程師以及材料工程師的訓(xùn)練。
背景技術(shù)：
：：在真實世界的焊接和訓(xùn)練中，焊件可能經(jīng)受破壞性測試和/或非破壞性測試。這樣的測試幫助確定焊件的質(zhì)量，并且從而確定焊接者的能力。不幸的是，特定類型的非破壞性測試(例如，X射線照相測試)可能需要昂貴的測試器材，并且進行這些測試可能是耗時的。另外，根據(jù)定義，破壞性測試破壞焊件。結(jié)果是，焊件僅可以在破壞性測試中被測試一次。再者，在業(yè)內(nèi)形成焊件和知曉焊縫是否是優(yōu)良的焊縫之間存在很大差距。焊接檢驗訓(xùn)練通常依靠這樣的破壞性和非破壞性測試來適當(dāng)?shù)赜?xùn)練焊接檢驗員確定焊件可能是多么優(yōu)良或多么不佳。美國焊接標(biāo)準(zhǔn)(AWS)以及其他焊接標(biāo)準(zhǔn)組織提供目檢(visualinspection)標(biāo)準(zhǔn)，所述目檢標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定了關(guān)于在特定類型的焊件中允許的不連貫性和缺陷的類型及等級的準(zhǔn)則。通過將這樣的途徑與如參照附圖在本申請其余內(nèi)容中闡述的本發(fā)明的實施方案進行比較，本領(lǐng)域技術(shù)人員將清楚常規(guī)的、傳統(tǒng)的以及已提出的途徑的其他限制和缺點。技術(shù)實現(xiàn)要素：本文公開了出于訓(xùn)練目的的弧焊仿真，該弧焊仿真提供虛擬破壞性和非破壞性測試與檢測的仿真以及虛擬焊件的材料測試。可以在使用虛擬現(xiàn)實焊接仿真器系統(tǒng)(例如，虛擬現(xiàn)實弧焊(VRAM)系統(tǒng))創(chuàng)建的虛擬焊件上進行虛擬測試仿真。虛擬檢驗仿真可以在“預(yù)先備好的(precanned)”(即被預(yù)先限定的)虛擬焊件上進行，或使用通過使用虛擬現(xiàn)實焊接仿真器系統(tǒng)創(chuàng)建的虛擬焊件?？偟貋碚f，可以使用虛擬現(xiàn)實焊接仿真器系統(tǒng)(例如，虛擬現(xiàn)實弧焊(VRAW)系統(tǒng))進行虛擬測試，并且可以使用獨立式的虛擬焊件檢驗(VWI)系統(tǒng)或使用虛擬現(xiàn)實焊接仿真器系統(tǒng)(例如，虛擬現(xiàn)實弧焊(VRAW)系統(tǒng))進行虛擬檢驗。然而，根據(jù)本發(fā)明的特定改善的實施方案，虛擬測試還可以在獨立式VWI系統(tǒng)上進行。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，所述獨立式VWI系統(tǒng)是具有顯示能力的硬件和軟件的基于可編程處理器的系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案，所述VRAW系統(tǒng)包括基于可編程處理器的子系統(tǒng)、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(tǒng)，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被可操作地連接到所述基于可編程處理器的子系統(tǒng)。所述VRAW系統(tǒng)能夠在虛擬現(xiàn)實空間中仿真實時焊接情景，所述實時焊接情景包括由使用者(焊接者)實現(xiàn)的焊件的形成以及與所述焊件相關(guān)聯(lián)的各種缺陷和不連貫特征。所述獨立式VWI系統(tǒng)和所述VRAW系統(tǒng)兩者能夠進行虛擬焊件的虛擬檢驗并且顯示在檢驗之下的所述虛擬焊件的動畫，以觀察效果。所述VRAW系統(tǒng)能夠進行虛擬焊件的虛擬測試與虛擬檢驗兩者，并且顯示在測試與檢驗之下的所述虛擬焊件的動畫。虛擬焊件可以通過使用對應(yīng)的虛擬現(xiàn)實焊接仿真器系統(tǒng)或?qū)?yīng)的獨立式虛擬焊件檢驗系統(tǒng)反復(fù)地被破壞性和非破壞性地測試或檢驗。本申請的一個方面提供一種用于虛擬焊件的虛擬測試與檢驗的系統(tǒng)，尤其是用于虛擬焊件的虛擬測試與檢驗的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：基于可編程處理器的子系統(tǒng)，所述基于可編程處理器的子系統(tǒng)可操作來執(zhí)行編碼指令，所述編碼指令包括：呈現(xiàn)引擎，所述呈現(xiàn)引擎被配置來呈現(xiàn)在仿真的測試之前的三維(3D)虛擬焊件、在仿真的測試之下的虛擬焊件的3D動畫以及在仿真的測試之后的3D虛擬焊件中的至少一個；以及分析引擎，所述分析引擎被配置來進行3D虛擬焊件的仿真的測試，并且進一步地被配置來對在仿真的測試之前的3D虛擬焊件、在仿真的測試之下的虛擬焊件的3D動畫以及在仿真的測試之后的3D虛擬焊件中的至少一個進行針對合格/不合格條件與缺陷/不連貫特征的檢驗；至少一個顯示裝置，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(tǒng)，用來顯示在仿真的測試之前的3D虛擬焊件、在仿真的測試之下的虛擬焊件的3D動畫以及在仿真的測試之后的3D虛擬焊件中的至少一個；以及使用者界面，所述使用者界面被可操作地連接到所述基于可編程處理器的子系統(tǒng)，并且被配置來在所述至少一個顯示裝置上至少操縱在仿真的測試之前的3D虛擬焊件、在仿真的測試之下的虛擬焊件的3D動畫以及在仿真的測試之后的3D虛擬焊件中的至少一個的定向。在一些實施方案中，所述基于可編程處理器的子系統(tǒng)包括中央處理單元以及至少一個圖形處理單元，其中所述至少一個圖像處理單元包括統(tǒng)一計算設(shè)備架構(gòu)(CUDA)和著色器。在一些實施方案中，所述分析引擎包括專家系統(tǒng)、支持向量機(SVM)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及智能代理中的至少一個。在一些實施方案中，所述分析引擎使用焊接代碼數(shù)據(jù)或焊接標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)來分析在仿真的測試之前的3D虛擬焊件、在仿真的測試之下的虛擬焊件的3D動畫以及在仿真的測試之后的3D虛擬焊件中的至少一個。在一些實施方案中，所述分析引擎包括程序化的虛擬檢驗工具，所述程序化的虛擬檢驗工具可以被使用所述使用者界面的使用者觸及和操縱，以檢驗虛擬焊件。在一些實施方案中，所述仿真的測試包括仿真的破壞性測試和仿真的非破壞性測試中的至少一個。本申請的另一個方面提供一種虛擬焊接測試及檢驗仿真器，所述仿真器包括：用于對呈現(xiàn)的3D虛擬焊件進行一個或更多個仿真的破壞性和非破壞性測試的裝置；用于分析對所述呈現(xiàn)的3D虛擬焊件的所述一個或更多個仿真的破壞性和非破壞性測試的結(jié)果的裝置；以及用于至少在所述3D虛擬焊件的仿真的測試之后檢驗所述呈現(xiàn)的3D虛擬焊件的裝置。在一些實施方案中，本發(fā)明的仿真器還包括用于呈現(xiàn)3D虛擬焊件的裝置。在一些實施方案中，本發(fā)明的仿真器還包括用于在進行所述一個或更多個仿真的破壞性和非破壞性測試的同時呈現(xiàn)所述虛擬焊件的3D動畫的裝置，并且優(yōu)選地還包括用于顯示和操縱所述虛擬焊件的所述3D動畫的定向的裝置。在一些實施方案中，本發(fā)明的仿真器還包括用于檢驗在所述3D虛擬焊件的仿真的測試之前、期間以及之后的3D虛擬焊件的裝置。本申請的另一個方面提供一種評估在虛擬現(xiàn)實空間中呈現(xiàn)的基線虛擬焊件的質(zhì)量的方法，尤其是使用所述系統(tǒng)或仿真器來評估在虛擬現(xiàn)實空間中所呈現(xiàn)的基線虛擬焊件的質(zhì)量的方法，所述方法包括：使所述基線虛擬焊件經(jīng)受第一計算機仿真的測試，所述第一計算機仿真的測試被配置來測試所述基線虛擬焊件的至少一個特征；呈現(xiàn)第一受測試的虛擬焊件，并且響應(yīng)于所述第一測試生成第一測試數(shù)據(jù)；以及使所述第一受測試的虛擬焊件和所述第一測試數(shù)據(jù)經(jīng)受計算機仿真的分析，所述計算機仿真的分析被配置來相對于所述至少一個特征確定所述第一受測試的虛擬焊件的至少一個合格/不合格條件。在一些實施方案中，所述第一計算機仿真的測試仿真真實世界破壞性測試，并且用于真實世界非破壞性測試。在一些實施方案中，本發(fā)明的方法還包括：在虛擬現(xiàn)實空間中再呈現(xiàn)所述基線虛擬焊件；使所述基線虛擬焊件經(jīng)受第二計算機仿真的測試，所述第二計算機仿真的測試被配置來測試所述基線虛擬焊件的至少一個其他特征；呈現(xiàn)第二受測試的虛擬焊件，并且響應(yīng)于所述第二測試生成第二測試數(shù)據(jù)；以及使所述第二受測試的虛擬焊件和所述第二測試數(shù)據(jù)經(jīng)受計算機仿真的分析，所述計算機仿真的分析被配置來相對于所述至少一個其他特征確定所述第二受測試的虛擬焊件的至少一個其他合格/不合格條件。在一些實施方案中，所述第二計算機仿真的測試仿真真實世界破壞性測試，并且用于真實世界非破壞性測試。在一些實施方案中，本發(fā)明的方法還包括手動檢驗所述呈現(xiàn)的第一受測試的虛擬焊件的顯示的版本。從以下的說明和附圖將更完整地理解要求保護的本發(fā)明的這些和其他特點，以及本發(fā)明的圖示說明的實施方案的細節(jié)。附圖說明圖1圖示說明在實時虛擬現(xiàn)實環(huán)境下提供弧焊訓(xùn)練的系統(tǒng)的系統(tǒng)方框圖的示例性實施方案；圖2圖示說明結(jié)合的仿真焊接控制臺和圖1的系統(tǒng)的觀察者顯示裝置(ODD)的示例性實施方案；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；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)；圖5圖示說明圖1的系統(tǒng)的模擬焊接工具(MWT)的示例性實施方案；圖6圖示說明圖1的系統(tǒng)的桌臺/底座(table/stand)(T/S)的示例性實施方案；圖7A圖示說明圖1的系統(tǒng)的管焊接(pipewelding)試樣(coupon)(WC)的示例性實施方案；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；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；圖9A圖示說明圖1的系統(tǒng)的戴于面部的(face-mounted)顯示裝置(FMDD)的示例性實施方案；圖9B為圖9A的FMDD如何被固定在使用者的頭部上的示意圖；圖9C圖示說明安裝于焊接頭盔內(nèi)的圖9A的FMDD的示例性實施方案；圖10圖示說明圖1的系統(tǒng)的基于可編程處理器的子系統(tǒng)(PPS)的子系統(tǒng)方框圖的示例性實施方案；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；圖12圖示說明圖1的系統(tǒng)的功能方框圖的示例性實施方案；圖13為使用圖1的虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練系統(tǒng)的訓(xùn)練方法的實施方案的流程圖；圖14A-14B根據(jù)本發(fā)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；圖15圖示說明仿真于圖1的系統(tǒng)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；圖16圖示說明仿真于圖1的系統(tǒng)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；圖17圖示說明仿真于圖1的系統(tǒng)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；圖18圖示說明圖17的管焊接試樣(WC)的示例性實施方案；圖19A-19C圖示說明圖1的系統(tǒng)的雙移置熔池模型的概念的示例性實施方案；圖20圖示說明獨立式虛擬焊件檢驗(VWI)系統(tǒng)的示例性實施方案，該獨立式虛擬焊件檢驗系統(tǒng)能夠仿真虛擬焊件的檢驗并且顯示在檢驗之下的虛擬焊件的動畫以進行觀察由于與焊件相關(guān)聯(lián)的各種特征產(chǎn)生的效果；圖21圖示說明評估在虛擬現(xiàn)實空間中呈現(xiàn)的基線虛擬焊件的質(zhì)量的方法的示例性實施方案的流程圖；以及圖22-24圖示說明針對相同的虛擬焊件段的仿真的彎曲測試、仿真的拉伸測試以及仿真的斷裂測試的虛擬動畫的實施方案。具體實施方式本發(fā)明的實施方案包括一種用于虛擬焊件的虛擬測試與檢驗的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括可操作來執(zhí)行編碼指令的基于可編程處理器的子系統(tǒng)。所述編碼指令包括呈現(xiàn)引擎以及分析引擎。所述呈現(xiàn)引擎被配置來呈現(xiàn)在仿真的測試之前的三維(3D)虛擬焊件、在仿真的測試之下的虛擬焊件的3D動畫以及在仿真的測試之后的3D虛擬焊件中的至少一個。所述分析引擎被配置來進行3D虛擬焊件的仿真的測試。所述仿真的測試可以包括仿真的破壞性測試和仿真的非破壞性測試中的至少一個。所述分析引擎還被配置來對在仿真的測試之前的3D虛擬焊件、在仿真的測試之下的虛擬焊件的3D動畫以及在仿真的測試之后的3D虛擬焊件中的至少一個進行針對合格/不合格條件和缺陷/不連貫性特征中的至少一個的檢驗。所述系統(tǒng)還包括至少一個顯示裝置，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(tǒng)，用來顯示在仿真的測試之前的3D虛擬焊件、在仿真的測試之下的虛擬焊件的3D動畫以及在仿真的測試之后的3D虛擬焊件中的至少一個。所述系統(tǒng)還包括使用者界面，所述使用者界面被可操作地連接到所述基于可編程處理器的子系統(tǒng)，并且被配置來在所述至少一個顯示裝置上至少操縱在仿真的測試之前的3D虛擬焊件、在仿真的測試之下的虛擬焊件的3D動畫以及在仿真的測試之后的3D虛擬焊件中的至少一個的定向(orientation)。所述基于可編程處理器的子系統(tǒng)可以包括中央處理單元以及至少一個圖形處理單元。所述至少一個圖形處理單元可以包括統(tǒng)一計算設(shè)備架構(gòu)(CUDA)以及著色器。所述分析引擎可以包括專家系統(tǒng)、支持向量機(SVM)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及一個或更多個智能代理中的至少一個。所述分析引擎可以使用焊接代碼數(shù)據(jù)或焊接標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)來分析在仿真的測試之前的3D虛擬焊件、在仿真的測試之下的虛擬焊件的3D動畫以及在仿真的測試之后的3D虛擬焊件中的至少一個。所述分析引擎還可以包括程序化的虛擬檢驗工具，所述程序化的虛擬檢驗工具可以被使用所述使用者界面的使用者觸及和操縱，以檢驗虛擬焊件。本發(fā)明的另一實施方案包括一種虛擬焊接測試及檢驗仿真器。所述仿真器包括用于對呈現(xiàn)的3D虛擬焊件進行一個或更多個仿真的破壞性和非破壞性測試的裝置。所述仿真器還包括用于分析對所述呈現(xiàn)的3D虛擬焊件的所述一個或更多個仿真的破壞性和非破壞性測試的結(jié)果的裝置。所述仿真器還包括用于至少在所述3D虛擬焊件的仿真的測試之后檢驗所述呈現(xiàn)的3D虛擬焊件的裝置。所述仿真器還可以包括用于呈現(xiàn)3D虛擬焊件的裝置。所述仿真器還可以包括用于在進行所述一個或更多個仿真的破壞性和非破壞性測試的同時呈現(xiàn)所述虛擬焊件的3D動畫的裝置。所述仿真器還可以包括用于顯示和操縱所述虛擬焊件的所述3D動畫的定向的裝置。所述仿真器還可以包括用于檢驗在所述3D虛擬焊件的仿真的測試之前、期間以及之后的3D虛擬焊件的裝置。本發(fā)明的又一實施方案包括一種評估在虛擬現(xiàn)實空間中呈現(xiàn)的基線虛擬焊件的質(zhì)量的方法。所述方法包括使所述基線虛擬焊件經(jīng)受第一計算機仿真的測試，所述第一計算機仿真的測試被配置來測試所述基線虛擬焊件的至少一個特征。所述方法還包括呈現(xiàn)第一受測試的虛擬焊件，并且響應(yīng)于所述第一測試生成第一測試數(shù)據(jù)。所述方法還包括使所述第一受測試的虛擬焊件和所述第一測試數(shù)據(jù)經(jīng)受計算機仿真的分析，所述計算機仿真的分析被配置來相對于所述至少一個特征確定所述第一受測試的虛擬焊件的至少一個合格/不合格條件。所述第一計算機仿真的測試可以仿真真實世界破壞性測試或真實世界非破壞性測試。所述方法還可以包括在虛擬現(xiàn)實空間中重新呈現(xiàn)所述基線虛擬焊件，使所述基線虛擬焊件經(jīng)受第二計算機仿真的測試，所述第二計算機仿真的測試被配置來測試所述基線虛擬焊件的至少一個其他特征，呈現(xiàn)第二受測試的虛擬焊件，并且響應(yīng)于所述第二測試生成第二測試數(shù)據(jù)，并且使所述第二受測試的虛擬焊件和所述第二測試數(shù)據(jù)經(jīng)受計算機仿真的分析，所述計算機仿真的分析被配置來相對于所述至少一個其他特征確定所述第二受測試的虛擬焊件的至少一個其他合格/不合格條件。所述第二計算機仿真的測試可以仿真真實世界破壞性測試或真實世界非破壞性測試。所述方法還可以包括手動檢驗所述呈現(xiàn)的第一受測試的虛擬焊件的顯示的版本。所述方法還可以包括手動檢驗所述呈現(xiàn)的第二受測試的虛擬焊件的顯示的版本。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，在虛擬現(xiàn)實空間中形成的完整的虛擬焊件可以針對焊縫缺陷進行分析，并且可以做出關(guān)于這樣的焊件是否會通過或不通過標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)測試的結(jié)論。特定的缺陷可以在所述焊件內(nèi)的特定的位置內(nèi)造成特定類型的不合格。作為虛擬焊接工藝的一部分，表征任何缺陷和不連貫性的數(shù)據(jù)通過使用虛擬現(xiàn)實焊接仿真器系統(tǒng)(例如，虛擬現(xiàn)實弧焊(VRAW)系統(tǒng))預(yù)先限定虛擬焊件或創(chuàng)建虛擬焊件被捕獲為所述虛擬焊件的限定(definition)的部分。再者，基于預(yù)先限定的焊接代碼和標(biāo)準(zhǔn)(例如，AWS焊接標(biāo)準(zhǔn))，對任何特定的測試的合格/不合格的準(zhǔn)則是先驗得知的(knownapriori)。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，創(chuàng)建動畫以允許虛擬焊件的仿真的破壞性或非破壞性測試的可視化。可以以許多不同的方式測試相同的虛擬焊件。虛擬焊件的測試與檢驗可以發(fā)生在本文稍后具體描述的虛擬現(xiàn)實焊接仿真器系統(tǒng)(例如，虛擬現(xiàn)實弧焊(VRAW)系統(tǒng))上。虛擬焊件的檢驗可以發(fā)生在本文稍后具體描述的獨立式虛擬焊件檢驗(VWI)系統(tǒng)上。VRAW系統(tǒng)能夠允許使用者通過仿真焊接情景實時創(chuàng)建虛擬焊件，猶如使用者實際上在焊接一樣，并且捕獲所有限定虛擬焊件的所得數(shù)據(jù)(resultantdata)，包括缺陷和不連貫性。VRAW系統(tǒng)還能夠進行虛擬焊件的虛擬破壞性和非破壞性測試與檢驗以及虛擬焊件的材料測試和檢驗。獨立式VWI系統(tǒng)能夠使用VRAW系統(tǒng)輸入預(yù)先限定的虛擬焊件或被創(chuàng)建的虛擬焊件，并且能夠進行虛擬焊件的虛擬檢驗。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，三維虛擬焊件或部件可以得自計算機輔助設(shè)計(CAD)模型。因此，可以在不規(guī)則幾何結(jié)構(gòu)上針對具體的部件仿真測試與檢驗。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，VRAM系統(tǒng)還能夠進行預(yù)先限定的虛擬焊件的虛擬檢驗。例如，VRAM系統(tǒng)可以包括預(yù)先形成的虛擬焊件，學(xué)員可以參照所述預(yù)先形成的虛擬焊件以便學(xué)習(xí)好的焊縫看起來應(yīng)當(dāng)是如何的。各種類型的焊接不連貫性和缺陷包括本領(lǐng)域均熟知的不適當(dāng)?shù)暮缚p大小、不佳的焊道(bead)布置、凹入的焊道、過于外凸、咬邊(undercut)、多孔(porosity)、未焊透、夾渣(slaginclusion)、過度飛濺、過度填充(overfill)、裂縫以及燒穿或焊穿。例如，咬邊通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(gasentrapment)形成的空腔類不連貫，通常是由電弧過于遠離焊件移動而造成的。其他問題可能由于不正確的工藝(填充材料、焊絲尺寸或技法，所有這些均可以被仿真)而發(fā)生。可以進行的各種類型的破壞性測試包括本領(lǐng)域均熟知的焊根彎曲測試、表面彎曲測試、側(cè)面彎曲測試、拉力或拉伸測試、斷裂測試(例如，凹口斷裂測試或T-接頭斷裂測試)、沖擊測試以及硬度測試。針對這些測試中的多個，工件從所述焊件切斷，并且在該工件上進行測試。例如，焊根彎曲測試是將從所述焊件切下的工件彎曲以至于焊縫焊根在具有特定的彎曲半徑的凸面上的測試。側(cè)面彎曲測試是將焊件彎曲以至于焊縫的橫斷面的側(cè)面在具有特定的彎曲半徑的凸面上的測試。表面彎曲測試是將焊件彎曲以至于焊縫表面在具有特定的彎曲半徑的凸面上的測試。進一步的破壞性測試是拉力或拉伸測試，其中從焊件割下的工件被拉伸或被伸展直到焊縫斷裂，來測試焊縫的彈性極限和拉力強度。另一破壞性測試是斷裂測試。斷裂測試中的一種類型是對具有以90度彼此焊接在一起以形成T-接頭的兩段的焊件的測試，其中一段朝向另一段被彎起來，以確定焊縫是否斷裂。如果焊縫斷裂，則可以檢驗內(nèi)部焊道。沖擊測試是沖擊元件在各種溫度下被強制進入焊件來確定焊件抵抗沖擊能力的測試。焊件在靜負荷下可以具有良好的強度，然而如果經(jīng)受高速沖擊，焊件可能折斷。例如，擺錘裝置可以用來不停搖擺并且撞擊焊件(可能使焊件斷裂)，并且被稱為沙比沖擊測試(Charpyimpacttest)。進一步的破壞性測試是硬度測試，所述硬度測試測試焊件抵抗在焊接接縫處的縮進或穿透的能力。焊件的硬度取決于在焊接接縫處的所得冶金特性，這部分基于焊接接縫如何在熱影響區(qū)域冷卻。硬度測試的兩種類型是布氏硬度測試(Brinelltest)和洛氏硬度測試(Rockwelltest)。兩種測試使用具有硬球體或尖的金剛石刻刀的穿頭。所述穿頭在標(biāo)準(zhǔn)化的負荷下被施加到焊縫。當(dāng)所述負荷被移除時，測量穿透深度?？梢栽谥車慕饘僦械臄?shù)個點處進行所述測試，并且所述測試是潛在裂縫的良好的指示器。破壞性測試的又一類型是在管上的彎曲測試，其中焊接的管被切割來從管的四個象限的每個中取出工件。焊根彎曲在工件中的兩個上進行，并且表面彎曲在其他兩個工件上進行?？梢赃M行的非破壞性測試的各種類型包括射線照相測試和超聲波測試。在射線照相測試中，所述焊件被暴露到X-射線，并且生成可以被檢查的焊接接縫的X-射線圖像。在超聲波測試中，焊件被暴露到超聲波能量，并且焊接接縫的各種特性從反射的超聲波中得出。針對特定類型的非破壞性測試，焊件(以虛擬的方式)經(jīng)受X-射線或超聲波暴露，并且例如內(nèi)部的多孔、夾渣、未穿透的缺陷被可視地呈現(xiàn)給使用者。另一類型的非破壞性測試是可以以虛擬現(xiàn)實的方式仿真的染色滲透測試或液體滲透測試。焊件經(jīng)受染色材料，并且焊件然后被暴露到顯影劑來確定例如是否表面存在非肉眼可見的裂縫。進一步的非破壞性測試是磁性粒子測試，所述磁性粒子測試還用來檢測裂縫，并且可以以虛擬現(xiàn)實的方式仿真。在焊件的表面之下的小裂縫可以由輸入到焊件的不適當(dāng)?shù)臒釀?chuàng)建。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，行進速度和其他焊接工藝參數(shù)在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中被追蹤，并且被用來確定輸入到焊件的熱，并且從而確定可以使用虛擬非破壞性測試被檢測的在焊件的表面附近的裂縫。另外，可以在仿真的結(jié)構(gòu)中進行焊件的仿真。例如，由VRAW系統(tǒng)的使用者創(chuàng)建的具有虛擬焊接接縫的虛擬焊件可以被包括到用于測試的橋梁的虛擬仿真中。例如，虛擬焊件可以對應(yīng)于橋梁的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)元件。橋梁可以被指定為在不合格之前的上一百年。所述測試可以包括隨著時間(即虛擬時間)的流逝觀察橋梁來看焊件是否不合格。例如，如果焊件具有差的質(zhì)量(即，具有令人無法接受的不連貫性或缺陷)，所述仿真可以示出橋梁在45年后塌倒的動畫。圖1-19C公開了能夠在虛擬現(xiàn)實空間中仿真的虛擬現(xiàn)實弧焊(VRAW)系統(tǒng)100的實施方案，實時焊接情景包括由使用者(焊接者)實現(xiàn)的虛擬焊件的形成以及與焊件相關(guān)聯(lián)的各種缺陷和不連貫性特征，并且仿真虛擬焊件的測試與檢驗以及顯示在測試之下的虛擬焊件的動畫以觀察效果。VRAW系統(tǒng)能夠創(chuàng)建焊件的精細的虛擬呈現(xiàn)，并且進行所述虛擬呈現(xiàn)的精細的分析，該分析將虛擬焊件的各種特征與焊接代碼相比較。虛擬檢驗可以在VRAW系統(tǒng)上以多種不同方式中的任何一種或多種不同方式的組合實現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，VRAW系統(tǒng)包括專家系統(tǒng)，并且VRAW系統(tǒng)由一組規(guī)則驅(qū)動。專家系統(tǒng)是這樣的軟件，即試圖提供問題的答案，或者闡明通常需要向一個或多個人類專家咨詢的不確定性。專家系統(tǒng)在特殊的問題領(lǐng)域中是最普通的，并且是傳統(tǒng)的應(yīng)用和/或人造智能的子領(lǐng)域。各種各樣的方法可以被用來仿真專家的表現(xiàn)，然而，對很多人來說通常是1)知識庫的創(chuàng)建，所述知識庫使用一些知識表達形式體系來獲得主題專家(SME)的知識(例如，持有證件的焊接檢驗者的知識)，以及2)從SME收集知識并且根據(jù)形式體系編寫該知識的過程，被稱之為知識工程。專家系統(tǒng)可以具有或可以不具有學(xué)習(xí)部件，而第三常見的要素(athirdcommonelement)是這樣的，即一旦系統(tǒng)被開發(fā)，通過被置于與人類SME相同的真實世界問題解決情形中而被證實的是，一般地對人類工人起到輔助作用或?qū)σ恍┬畔⑾到y(tǒng)起到補充的作用。根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案，VRAW系統(tǒng)包括支持向量機。多個支持向量機(SVM)是一套用于分類和回歸的相關(guān)的監(jiān)督式學(xué)習(xí)方法?？紤]到一套訓(xùn)練實例的每個被標(biāo)記為屬于兩個類別中的一個，SVM訓(xùn)練算法建立預(yù)測一新的實例是否落入一個類別或其他類別(例如針對特定的缺陷和不連貫性的合格/不合格類別)的模型。直觀地，SVM模型是作為空間映射點的實例的表征，從而分開的類別的實例被盡可能寬的明顯的間隙所劃分開。新的實例則被映射到這一相同的空間中，并且基于這些新的實例落入該間隙的哪一側(cè)來預(yù)測為屬于一類別。仍根據(jù)本發(fā)明的又一實施方案，VRAW系統(tǒng)包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠被訓(xùn)練并且被適應(yīng)到新的情景。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由互相連接的人工神經(jīng)元(模仿生物神經(jīng)元的特性的程序化構(gòu)造)構(gòu)成。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以被用來獲得生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的認知，或用于解決人工智能問題而不必創(chuàng)建真實生物系統(tǒng)模型。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被這樣設(shè)計，即從虛擬焊件數(shù)據(jù)輸入缺陷和不連貫性，并且輸出合格/不合格數(shù)據(jù)。根據(jù)本發(fā)明的各種實施方案，可以采用智能代理(intelligentagent)給學(xué)員提供關(guān)于學(xué)員需要更多練習(xí)的區(qū)域的反饋，或者給指導(dǎo)者或教學(xué)者提供關(guān)于如何修改教學(xué)課程來改善學(xué)員學(xué)習(xí)的反饋。在人工智能中，智能代理是通常在軟件中實施的自治實體，所述自治實體觀察并且作用于環(huán)境，并且朝向要達到的目標(biāo)引導(dǎo)其行動。智能代理能夠?qū)W習(xí)并且使用知識來實現(xiàn)目標(biāo)(例如將相關(guān)反饋提供給焊接學(xué)員或焊接教學(xué)者的目標(biāo))。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，使用VRAW系統(tǒng)創(chuàng)建的焊件的虛擬呈現(xiàn)被輸出至系統(tǒng)的破壞性/非破壞性測試部分。系統(tǒng)的測試部分能夠自動生成(針對破壞性測試的)虛擬焊件的切割段，并且將那些切割段提交至VRAW系統(tǒng)的測試部分之內(nèi)的多個可能的測試中的一個。多個測試中的每個能夠生成圖示說明特定的測試的動畫。VRAW系統(tǒng)能夠向使用者顯示測試的動畫。動畫向使用者清楚地示出由使用者生成的虛擬焊件是否通過測試。針對非破壞性測試，焊件(以虛擬的方式)經(jīng)受X-射線或超聲波暴露，并且諸如內(nèi)部多孔、夾渣以及未穿透的缺陷被可視地呈現(xiàn)給使用者。例如，經(jīng)受虛擬彎曲測試的虛擬焊件可以被示出在動畫中在虛擬焊件的焊接接縫中發(fā)生特定類型的缺陷的位置處斷裂。作為另一個實施例，經(jīng)受虛擬彎曲測試的虛擬焊件可以被示出在所述動畫中彎曲并且破裂，或者盡管焊件沒有完全斷裂，在動畫中示出大量缺陷。相同的虛擬焊件可以針對不同的測試使用虛擬焊件的相同的切割段(例如，切割段可以是由VRAW系統(tǒng)重新構(gòu)成的或重新呈現(xiàn)的)或不同的切割段反復(fù)被測試。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，虛擬焊件用冶金特征標(biāo)記，例如，舉例說明，納入特定選擇的破壞性/非破壞性測試進行考慮的金屬類型以及拉力強度。根據(jù)本發(fā)明的各種實施方案，仿真各種常見的基底焊接金屬，包括例如鋁和不銹鋼的焊接金屬。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，背景運行專家系統(tǒng)可以在VRAW系統(tǒng)的顯示畫面上的窗口中彈出并且(例如，經(jīng)由文本消息和/或用圖形表示地)向使用者指出焊件為何未通過所述測試(例如，在焊接接縫中的這些特定的點處有太多的孔)以及什么特定的焊接標(biāo)準(zhǔn)(一個或多個)未滿足。根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案，VRAW系統(tǒng)可以以超文本的形式鏈接到將目前的測試約束到特定焊接標(biāo)準(zhǔn)的外部工具。另外，使用者可以利用知識庫(包括文本、圖片、視頻以及圖表)來支持其訓(xùn)練。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，特定的破壞性/非破壞性測試的動畫是隨著測試的改變的虛擬焊件的3D呈現(xiàn)，以至于在測試期間，使用者可以以三維的方式在VRAW系統(tǒng)的顯示畫面上四處移動呈現(xiàn)的虛擬焊件，以從各個角度和視角觀看所述測試。特定測試的相同的3D呈現(xiàn)的動畫可以反復(fù)播放，以針對相同使用者或針對多個使用者允許最大的訓(xùn)練好處。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，在測試之下的呈現(xiàn)的虛擬焊件和/或虛擬焊件的對應(yīng)的3D呈現(xiàn)的動畫可以被輸出到系統(tǒng)的檢驗部分，以進行焊縫的檢驗和/或在焊接檢驗方面訓(xùn)練使用者(例如，以成為持有證件的焊接檢驗員)。系統(tǒng)的檢驗部分包括教學(xué)模式和訓(xùn)練模式。在教學(xué)模式下，在測試之下的虛擬焊件和/或虛擬焊件的3D呈現(xiàn)的動畫被顯示并且被評分者(訓(xùn)練者)與焊接學(xué)員一起觀看。訓(xùn)練者和焊接學(xué)員能夠觀看并且與虛擬焊件進行交互。訓(xùn)練者能夠(例如，經(jīng)由計分方法)做出焊接學(xué)員在識別虛擬焊件中的缺陷和不連貫性方面表現(xiàn)得如何的結(jié)論，并且向焊接學(xué)員指出該焊接學(xué)員表現(xiàn)得如何以及(從不同的視角觀看等)通過與顯示的虛擬焊件進行交互指出該學(xué)員遺漏了什么內(nèi)容。在訓(xùn)練模式下，系統(tǒng)詢問焊接檢驗學(xué)員各種關(guān)于虛擬焊件的問題，并且允許焊接檢驗學(xué)員輸入問題的答案。系統(tǒng)可以在提問結(jié)束時對焊接檢驗學(xué)員給出評分。例如，系統(tǒng)最初可以針對一個虛擬焊件給焊接檢驗學(xué)員提供樣本問題，并且然后針對在測試模式期間被評分的另一虛擬焊件繼續(xù)給焊接檢驗學(xué)員提供限時的問題。系統(tǒng)的檢驗部分還可以提供特定的交互工具，所述特定的交互工具幫助焊接檢驗學(xué)員或訓(xùn)練者檢測缺陷，并且在虛擬焊縫上進行與預(yù)先確定的焊接標(biāo)準(zhǔn)相比的特定的測量(例如，測量焊根焊縫的熔深以及將所述測量值與要求的標(biāo)準(zhǔn)熔深相比的虛擬計量器)。焊接檢驗學(xué)員的評分還可以包括焊接檢驗學(xué)員是否使用正確的交互工具來評價所述焊縫。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，基于評分(即，計分)的系統(tǒng)的檢驗部分確定哪些區(qū)域焊接檢驗學(xué)員需要幫助，并且給焊接檢驗學(xué)員提供更多的在其上練習(xí)檢驗的代表性的樣本。如本文先前所討論的，智能代理可以被采用來給學(xué)員提供關(guān)于該學(xué)員需要更多練習(xí)的區(qū)域的反饋，或給指導(dǎo)者或教學(xué)者提供關(guān)于如何修改教學(xué)課程來改善學(xué)員的學(xué)習(xí)的反饋。在人工智能中，智能代理是通常在軟件中實施的自治實體，所述自治實體觀察并且作用于環(huán)境，并且朝向要達到的目標(biāo)引導(dǎo)其行動。智能代理能夠?qū)W習(xí)并且使用知識來實現(xiàn)目標(biāo)(例如，將相關(guān)反饋提供給焊接學(xué)員或焊接教學(xué)者的目標(biāo))。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，例如，由智能代理感知和作用于的環(huán)境是由VRAW系統(tǒng)生成的虛擬現(xiàn)實環(huán)境。再者，各種交互檢驗工具可以用于在經(jīng)受測試之前的虛擬焊件上或在經(jīng)受測試之后的虛擬焊件上或該兩者上。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，各種交互檢驗工具和方法論針對各種焊接工藝、各種類型的金屬以及各種類型的焊接標(biāo)準(zhǔn)被配置。在獨立式VWI系統(tǒng)上，交互檢驗工具可以使用例如鍵盤或鼠標(biāo)被操縱。在VRAW系統(tǒng)上，交互檢驗工具可以經(jīng)由例如操縱桿(joystick)和/或控制面板被操縱。所述VRAW系統(tǒng)包括基于可編程處理器的子系統(tǒng)、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(tǒng)，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(tǒng)。所述系統(tǒng)能夠在虛擬現(xiàn)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(tǒng)還能夠在所述顯示裝置上實時地顯示所述仿真的熔池。當(dāng)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(yīng)于所述實時可視反饋而實時地調(diào)節(jié)或保持焊接技法(即幫助使用者正確地學(xué)習(xí)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(shù)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(yīng)于焊槍或焊條的運動。如本文所使用的，術(shù)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(huán)境下及時感知和體驗。此外，所述熔池響應(yīng)于包括重力的物理環(huán)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(xí)焊接。這樣的實時虛擬焊接場景導(dǎo)致虛擬焊件的數(shù)據(jù)表征的生成。圖1圖示說明系統(tǒng)100的系統(tǒng)方框圖的示例性實施方案，系統(tǒng)100在實時虛擬現(xiàn)實環(huán)境下提供弧焊訓(xùn)練。系統(tǒng)100包括基于可編程處理器的子系統(tǒng)(PPS)110。PPS100提供被配置作為用于提供虛擬焊件的3D動畫呈現(xiàn)的呈現(xiàn)引擎的硬件與軟件。PPS110還提供被配置作為用于進行虛擬焊件的測試和檢驗的分析引擎的硬件與軟件。在圖1的系統(tǒng)的上下文中，虛擬焊件是已通過仿真焊接工藝而形成焊道或焊接接縫的焊接試樣的所得仿真。系統(tǒng)100進一步包括可操作地連接到PPS110的空間追蹤器(ST)120。系統(tǒng)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(參見圖9A-9C)。然而，特定的實施方案可以不提供FMDD。系統(tǒng)100還包括可操作地連接到PPS110的觀察者顯示裝置(ODD)150。系統(tǒng)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(MWT)160。系統(tǒng)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(jù)本發(fā)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(diào)節(jié)的流量調(diào)校器(flowregulator)。圖2圖示說明結(jié)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(tǒng)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。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，ODD150被附接到控制臺135的頂部分。MWT160放置在附接到控制臺135的側(cè)部分的托架(holder)中。在內(nèi)部，控制臺135容納PPS110以及ST120的一部分。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(jù)本發(fā)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(jù)本發(fā)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。如圖3所示，ODD150能夠顯示呈現(xiàn)各種焊接參數(shù)151的第一使用者場景，焊接參數(shù)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(shù)可以以圖形的形式實時被選擇并顯示并且被用于教導(dǎo)適當(dāng)?shù)暮附蛹挤?。此外，如圖3所示的，ODD150能夠顯示仿真的焊接不連貫性狀態(tài)152，包括例如不適當(dāng)?shù)暮缚p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。這樣的仿真焊接不連貫性狀態(tài)由系統(tǒng)100在仿真焊接工藝期間生成，以使用仿真焊接試樣形成虛擬焊件。再有，如圖3所示的，ODD150能夠顯示使用者選擇內(nèi)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(nèi)容被關(guān)聯(lián)到控制臺135上的使用者按鈕。當(dāng)使用者經(jīng)由例如ODD150的觸控屏幕或者經(jīng)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。此外，ODD150可以顯示佩戴FDMM140的焊接者以與所述焊接者相同角度的視野或者以各種不同的角度(例如由指導(dǎo)人員選擇的)可見的視圖。ODD150可以由指導(dǎo)人員和/或?qū)W員出于各種訓(xùn)練目的進行觀看，包括針對虛擬焊件的破壞性/非破壞性的測試與檢驗。例如，所述視圖可以圍繞已完成的焊縫轉(zhuǎn)動，以允許由指導(dǎo)人員進行的目檢。根據(jù)本發(fā)明可替換的實施方案，來自系統(tǒng)100的視頻可以經(jīng)由例如互聯(lián)網(wǎng)被發(fā)送到遠端位置，來進行遠端觀看和/或評論。另外，可以提供音頻，允許學(xué)員和遠端指導(dǎo)人員之間的實時音頻通信。圖4圖示說明圖2的仿真的焊接控制臺135的前部分的示例性實施方案，示出物理焊接使用者界面(WUI)130。WUI130包括對應(yīng)于顯示在ODD150上的使用者選擇內(nèi)容153的一組按鈕131。按鈕131被著色以對應(yīng)于顯示在ODD150上的使用者選擇內(nèi)容153的顏色。當(dāng)按鈕131中的一個被按下時，信號被發(fā)送到PPS110來激活對應(yīng)的功能。WUI130還包括操縱桿132，操縱桿132能夠被使用者使用來選擇顯示在ODD150上的各種參數(shù)和選擇內(nèi)容。WUI130還包括用于調(diào)節(jié)焊絲送進速度/安培數(shù)的刻度盤或旋鈕133，以及用于調(diào)節(jié)伏特/微調(diào)的另一刻度盤或旋鈕134。WUI130還包括用于選擇弧焊工藝的刻度盤或旋鈕136。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，三種弧焊工藝是可選擇的，包括具有氣體保護和自保護過程的焊劑芯弧焊(FCAW)；包含短弧、軸向噴射(axialspray)、STT以及脈沖的氣體保護金屬極弧焊(GMAW)；氣體保護鎢極弧焊(GTAW)；以及包含E6010、E6013和E7018電極的自動保護金屬極弧焊(SMAW)。WUI130還包括用于選擇焊接極性的刻度盤或旋鈕137。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，三種弧焊極性是可選擇的，包括交流電(AC)、正接直流電(DC+)以及負接直流電(DC-)。圖5圖示說明圖1的系統(tǒng)100的模擬焊接工具(MWT)160的示例性實施方案。圖5的MWT160仿真用于板焊接(platewelding)和管焊接的手工焊接工具，并且包括夾持器161和仿真的手工焊條162。在MWD160上的觸發(fā)裝置用于將信號傳送到PPS110來激活所選擇的仿真的焊接工藝。仿真的手工焊條162包括觸覺型(tactilely)阻力末端163，用于仿真發(fā)生在例如真實世界的管焊接中的焊根焊道(rootpass)焊接過程期間或者焊接平板時的阻力反饋。如果使用者過于背離焊根移動仿真的手工焊條162，該使用者將能夠感覺或覺察到較低的阻力，從而獲得用于調(diào)節(jié)或保持當(dāng)前焊接工藝的反饋。要考慮的是，手工焊接工具可以包括致動器(未示出)，所述致動器在虛擬焊接工藝期間縮回仿真的手工焊條162。也就是說，當(dāng)使用者從事虛擬焊接活動時，夾持器161和仿真的手工焊條162的末端之間的距離被減小來仿真焊條的消耗。消耗速率，即手工焊條162的縮回，可以由PPS110控制，并且更具體地，可以由PPS110執(zhí)行的編碼指令控制。仿真的消耗速率還可以取決于使用者的技法。在此值得一提的是，當(dāng)系統(tǒng)100便利利用不同類型焊條的虛擬焊接時，消耗率或手工焊條162的減少可以隨所使用的焊接過程和/或系統(tǒng)100的設(shè)置而變化。根據(jù)本發(fā)明的其他實施方案，其他模擬焊接工具也是可能的，包括例如仿真手持半自動焊槍的MWD，所述MWD具有被送進通過所述槍的焊絲焊條。此外，根據(jù)本發(fā)明的其他特定實施方案，即使在系統(tǒng)100中工具不會用于實際上創(chuàng)建真實的電弧，真實的焊接工具可以用作MWT160來更好地仿真使用者手中的所述工具的實際感覺。再者，可以提供仿真的打磨工具(grindingtool)用來在仿真器100的仿真的打磨模式下使用。類似地，可以提供仿真的切割工具，用來在仿真器100的仿真的切割模式下使用(例如，舉例說明，如在火焰切割和等離子切割中使用的仿真的切割工具)。另外，可以提供仿真的氣體保護鎢極弧焊(GTAW)焊炬或填充物材料，用來在仿真器100中使用。圖6圖示說明圖1的系統(tǒng)100的桌臺/底座(T/S)170的示例性實施方案。T/S170包括可調(diào)節(jié)的桌臺171、底座或基座172、可調(diào)節(jié)的臂173以及立柱174。桌臺171、底座172以及臂173的每個被附接到立柱174。桌臺171和臂173的每個能夠相對于立柱174被手動地向上、向下和轉(zhuǎn)動地調(diào)節(jié)。臂173用于支撐各種焊接試樣(例如焊接試樣175)，并且在訓(xùn)練時使用者可以將他/她的手臂放于桌臺171上。立柱174被標(biāo)記有位置信息從而使用者可以確切地知曉臂173的所在位置，并且桌臺171被垂直地固定在柱171上。這種垂直位置信息可以由使用者使用WUI130和ODD150來輸入系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明可替換的實施方案，桌臺171和臂173的位置可以由PSS110經(jīng)由預(yù)先編程的設(shè)置內(nèi)容或者經(jīng)由WUI130和/或ODD150按照使用者的命令自動地被設(shè)置。在這樣的可替換實施方案中，T/S170包括例如，馬達和/或伺服機構(gòu)，并且來自PPS110的信號命令激活所述馬達和/或伺服機構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明又一可替換的實施方案，桌臺171和臂173的位置以及試樣的類型由系統(tǒng)100檢測。以這種方式，使用者無需經(jīng)由使用者界面手動輸入位置信息。在這樣的可替換實施方案中，T/S170包括位置檢測器和定向檢測器并且發(fā)送信號命令到PPS110來提供位置和定向信息，而WC175包括位置檢測傳感器(例如用于檢測磁場的線圈傳感器)。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，當(dāng)調(diào)節(jié)參數(shù)改變時，使用者能夠在ODD150上看到T/S170調(diào)節(jié)的呈現(xiàn)(rendering)。圖7A圖示說明圖1的系統(tǒng)100的管焊接試樣(WC)175的示例性實施方案。WC175仿真被放置在一起以形成要焊接的焊根176的兩個六英寸直徑的管175'和175”。WC175在WC175的一端包括連接部分177，允許WC175以準(zhǔn)確且可重復(fù)的方式被附接到臂173。圖7B圖示說明安裝于圖6的桌臺/底座(T/S)170的臂173的圖7A的管狀WC175。WC175能夠被附接到臂173的所述準(zhǔn)確且可重復(fù)的方式允許WC175的空間校準(zhǔn)只需在工廠進行一次。于是，在實踐中，只要系統(tǒng)100被告知臂173的位置，系統(tǒng)100能夠在虛擬環(huán)境下相對于WC175追蹤MWT160和FMDD140。如圖6所示的，WC175所附接到的臂173的第一部分能夠相對于臂173的第二部分傾斜(tilt)。這允許使用者在管處于數(shù)種不同定向和角度中的任一種時練習(xí)管焊接。圖8圖示說明圖1的空間追蹤器(ST)120的示例性實施方案的各種部件。ST120為能夠可操作地與系統(tǒng)100的PPS110連接的磁性追蹤器。ST120包括磁源121和源線纜、至少一個傳感器122及相關(guān)聯(lián)的線纜、存儲盤123上的主機軟件、電源124及相關(guān)聯(lián)的線纜、USB和RS-232線纜125以及處理器追蹤單元126。磁源121能夠經(jīng)由線纜可操作地連接到處理器追蹤單元126。傳感器122能夠經(jīng)由線纜可操作地連接到處理器追蹤單元126。電源124能夠經(jīng)由線纜可操作地連接到處理器追蹤單元126。處理器追蹤單元126能夠經(jīng)由USB或RS-232線纜125可操作地連接到PPS110。存儲盤123上的主機軟件能夠加載到PPS110上并且允許ST120和PPS110之間的功能通信。參考圖6和圖8，ST120的磁源121被安裝在臂173的第一部分上。磁源121創(chuàng)建圍繞源121的磁場(包括包圍被附接到臂173的WC175的空間)，所述磁場建立3D空間參考框架。T/S170大部分為非金屬的(非鐵的或不導(dǎo)電的)，從而不會使由磁源121創(chuàng)建的磁場畸變(distort)。傳感器122包括沿三個空間方向正交排列的三個感應(yīng)線圈。傳感器122的感應(yīng)線圈的每個測量磁場在所述三個方向中的每個上的強度并將這樣的信息提供給處理器追蹤單元126。因此，當(dāng)WC175被安裝在臂173上時，系統(tǒng)100能夠知曉WC175的任一部分相對于由磁場建立的3D空間參考框架的位置所在。傳感器122可以被附接到MWT160或FMDD140，允許MWT160或FMDD140相對于3D空間參考框架在空間和定向二者上被ST120追蹤。當(dāng)兩個傳感器122被提供并可操作地連接到處理器追蹤單元126時，MWT160和FMDD140二者都可以被追蹤。以這種方式，系統(tǒng)100能夠在虛擬現(xiàn)實空間中創(chuàng)建虛擬WC、虛擬MWT以及虛擬T/S，并且能夠在MWT160和FMDD140相對于3D空間參考框架被追蹤時，在FMDD140和/或ODD150上顯示虛擬WC、虛擬MWT以及虛擬T/S。根據(jù)本發(fā)明可替換的實施方案，一個或更多個傳感器122可以無線的方式連接到處理器追蹤單元126，并且處理器追蹤單元126可以無線的方式連接到PPS110。根據(jù)本發(fā)明的其他可替換實施方案，其他類型的空間追蹤器120可以用于系統(tǒng)100，例如包括基于加速度計/陀螺儀的追蹤器、光學(xué)追蹤器(有源或無源)、紅外追蹤器、聲學(xué)追蹤器、激光追蹤器、射頻追蹤器、慣性追蹤器以及基于增強現(xiàn)實的追蹤系統(tǒng)。其他類型的追蹤器也是可能的。圖9A圖示說明圖1的系統(tǒng)100的戴于面部的顯示裝置140(FMDD)的示例性實施方案。圖9B為圖9A的FMDD140如何被固定在使用者的頭部上的示意圖。圖9C圖示說明被整合到焊接頭盔900中的圖9A的FMDD140的示例性實施方案。FMDD140經(jīng)由有線方式或無線方式可操作地連接到PPS110和ST120。根據(jù)本發(fā)明的各種實施方案，ST120的傳感器122可以被附接到FMDD140或焊接頭盔900，允許FMDD140和/或焊接頭盔900相對于所創(chuàng)建的3D空間參考框架被ST120追蹤。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，F(xiàn)MDD140包括能夠以2D和幀序列視頻模式傳送流體全活動視頻(fluidfull-motionvideo)的兩個高對比度SVGA3DOLED微顯示器。虛擬現(xiàn)實環(huán)境的視頻被提供并顯示在FMDD140上。例如可以提供縮放(例如2倍(2X))模式，允許使用者仿真更加以假亂真的鏡頭(acheaterlens)。FMDD140還包括兩個耳塞揚聲器910，允許使用者聆聽由系統(tǒng)100生成的仿真的焊接相關(guān)聲音和環(huán)境聲音。根據(jù)本發(fā)明的各種實施方案，F(xiàn)MDD140可以經(jīng)由有線或無線方式可操作地連接到PPS110。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，PPS110向FMDD140提供立體視頻，向使用者提供加強的深度感知。根據(jù)本發(fā)明可替換的實施方案，使用者能夠使用MWT160上的控制部件(例如按鈕或開關(guān))來調(diào)用和選擇菜單，并且在FMDD140上顯示選項。這可以允許使用者在其出現(xiàn)失誤、改變特定參數(shù)或者例如回退一點以重新完成焊道軌跡的一部分時容易地重置焊接。圖10圖示說明圖1的系統(tǒng)100的基于可編程處理器的子系統(tǒng)(PPS)110的子系統(tǒng)方框圖的示例性實施方案。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，PPS110包括中央處理單元(CPU)111和兩個圖形處理單元(GPU)115。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，兩個GPU115被編程以提供具有實時熔融金屬流動性和吸熱與散熱特征的熔池(又叫焊池(weldpool))的虛擬現(xiàn)實仿真。圖11圖示說明圖10的PPS110的圖形處理單元(GPU)115的方框圖的示例性實施方案。每個GPU115支持?jǐn)?shù)據(jù)并行算法的實現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，每個GPU115提供能夠提供兩個虛擬現(xiàn)實視圖的兩個視頻輸出118和119。視頻輸出中的兩個可以被路由至FMDD140，給出焊接者的視野，并且第三視頻輸出例如可以被路由至ODD150，呈現(xiàn)焊接者的視野或者一些其他的視野。余下的第四視頻輸出例如可以被路由至投影儀。兩個GPU115執(zhí)行相同的焊接物理計算，但可以從相同或不同的視野呈現(xiàn)虛擬現(xiàn)實環(huán)境。GPU115包括統(tǒng)一計算設(shè)備架構(gòu)(CUDA)116和著色器117。CUDA116是軟件開發(fā)商通過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編程語言可使用的GPU115的計算引擎。CUDA116包括并行核心并且被用于運行本文所描述的熔池仿真的物理模型。CPU111提供實時焊接輸入數(shù)據(jù)至GPU115上的CUDA116。著色器117負責(zé)繪制并應(yīng)用全部的仿真畫面。焊道和熔池畫面由本文稍后描述的焊元移置圖的狀態(tài)來驅(qū)動。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，物理模型以約每秒30次的速率運行和更新。在虛擬破壞性/非破壞性測試和檢驗仿真期間，GPU115充當(dāng)呈現(xiàn)引擎，以提供在仿真焊接工藝期間所創(chuàng)建的虛擬焊件的3D動畫呈現(xiàn)。此外，CPU111充當(dāng)分析引擎，以相對于將被呈現(xiàn)在虛擬焊件中的各種缺陷和不連貫性提供虛擬焊件的測試分析。圖12圖示說明圖1的系統(tǒng)100的功能方框圖的示例性實施方案。如圖12所示的系統(tǒng)100的各種功能塊大部分經(jīng)由運行在PPS110上的軟件指令和模塊實現(xiàn)。系統(tǒng)100的各種功能塊包括物理界面1201、焊炬和夾具模型1202、環(huán)境模型1203、聲音內(nèi)容功能1204、焊接聲音1205、桌臺/底座模型1206、內(nèi)部架構(gòu)功能1207、校準(zhǔn)功能1208、試樣模型1210、焊接物理1211、內(nèi)部物理調(diào)節(jié)工具(調(diào)整裝置(tweaker))1212、圖形使用者界面功能1213、繪圖功能1214、學(xué)員報告功能1215、呈現(xiàn)裝置1216、焊道呈現(xiàn)1217、3D紋理1218、視覺提示功能1219、評分和公差功能1220、公差編輯器1221以及特殊效果1222。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，呈現(xiàn)裝置1216、焊道呈現(xiàn)1217、3D紋理1218以及評分和公差功能1220在虛擬破壞性/非破壞性測試或檢驗期間以及在仿真焊接工藝期間被采用。內(nèi)部架構(gòu)功能1207提供系統(tǒng)100的處理的更高等級的軟件運算，包括例如加載文件、保持信息、管理線程、啟用物理模型以及觸發(fā)菜單。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，內(nèi)部架構(gòu)功能1207運行在CPU111上。針對PPS110的特定實時輸入包括電弧位置、焊槍位置、FMDD或頭盔位置、焊槍啟用/關(guān)閉狀態(tài)以及接觸產(chǎn)生的狀態(tài)(是/否)。圖形使用者界面功能1213通過ODD150允許使用者使用物理使用者界面130的操縱桿132設(shè)置焊接情景、測試情景或檢驗情景。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，焊接情景的設(shè)置包括選擇語言，輸入使用者姓名，選擇實習(xí)板(即焊接試樣)，選擇焊接工藝(例如FCAW、GMAW、SMAW)和相關(guān)聯(lián)的軸向噴射、脈沖或短弧方法，選擇氣體類型和流率，選擇手工焊條的類型(例如6010或7018)，以及選擇焊劑芯焊絲的類型(例如自保護的、氣體保護的)。焊接情景的設(shè)置還包括選擇T/S170的桌臺高度、臂高度、臂位置以及臂轉(zhuǎn)動。焊接情景的設(shè)置進一步包括選擇環(huán)境(例如虛擬現(xiàn)實空間中的背景環(huán)境)，設(shè)置焊絲送進速度，設(shè)置電壓電平，設(shè)置安培數(shù)，選擇極性以及啟用或關(guān)閉特定視覺提示。類似地，虛擬測試或檢驗情景的設(shè)置可以包括選擇語言、輸入使用者姓名、選擇虛擬焊件、選擇破壞性/非破壞性測試、選擇交互工具以及選擇動畫的立體圖。在仿真的焊接情景期間，繪圖功能1214收集使用者表現(xiàn)參數(shù)并將所述使用者表現(xiàn)參數(shù)提供至圖形使用者界面功能1213，來以圖形格式進行顯示(例如在ODD150上)。來自ST120的追蹤信息饋入繪圖功能1214。繪圖功能1214包括簡單分析模塊(SAM)和抖動(whip)/擺動(weave)分析模塊(WWAM)。SAM通過比較焊接參數(shù)和儲存在焊道表格中的數(shù)據(jù)分析使用者焊接參數(shù)，所述使用者焊接參數(shù)包括焊接行進角度、行進速度、焊接角度、位置以及末端到工件間隙距離。WWAM分析使用者抖動參數(shù)，包括幣狀體間隔、抖動時間以及熔池時間。WWAM還分析使用者擺動參數(shù)，包括擺動寬度、擺動間隔以及擺動定時。SAM和WWAM將原輸入數(shù)據(jù)(例如位置和定向數(shù)據(jù))解釋為在功能上可使用的數(shù)據(jù)，用于進行繪圖。針對由SAM和WWAM分析的每個參數(shù)，公差窗口由參數(shù)限制(parameterlimits)圍繞使用公差編輯器1221輸入焊道表格的最佳或理想設(shè)定值來限定，并且評分和公差功能1220被執(zhí)行。公差編輯器1221包括估計材料使用、電氣使用和焊接時間的焊接度量計(weldometer)。此外，當(dāng)特定參數(shù)超出公差時，可能發(fā)生焊接不連貫(即焊接缺陷)。任何焊接不連貫的狀態(tài)由繪圖功能1214處理并經(jīng)由圖形使用者界面功能1213以圖形格式呈現(xiàn)。這樣的焊接不連貫包括不適當(dāng)?shù)暮缚p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(slagentrapment)、過度填充、燒穿以及過度飛濺。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，不連貫的等級或量取決于特定使用者參數(shù)偏離最佳或理想的設(shè)定點的程度。作為仿真焊接工藝的部分生成的這樣的焊接不連貫性被用作為與虛擬焊件相關(guān)聯(lián)的虛擬破壞性/非破壞性以及檢驗工藝的輸入。不同的參數(shù)限制可以針對不同類別的使用者(例如焊接初學(xué)者、焊接專家以及在交易展覽會中的人)被預(yù)先限定。評分和公差功能1220根據(jù)使用者接近針對特定參數(shù)的最佳(理想)值的程度并且根據(jù)出現(xiàn)在焊接中的不連貫或缺陷的等級提供數(shù)字評分。所述最佳值是從真實世界數(shù)據(jù)獲得的。來自評分和公差功能1220和來自繪圖功能1214的信息可以被學(xué)員報告功能1215使用，來為指導(dǎo)人員和/或?qū)W員創(chuàng)建表現(xiàn)報告。系統(tǒng)100能夠分析和顯示虛擬焊接活動的結(jié)果。通過分析所述結(jié)果，意味著系統(tǒng)能夠確定在該焊接行程期間是何時以及沿焊接接縫是何處，使用者偏離焊接工藝可接受的限定范圍。評分可以歸因于使用者的表現(xiàn)。在一個實施方案中，評分可以是在多個公差范圍上模擬焊接工具160在位置、定向和速度上的偏離的函數(shù)，這可以從理想的焊接行程延伸到臨界的或不可接受的焊接活動。根據(jù)用于對使用者的表現(xiàn)進行評分的選擇，多個范圍的任何梯度均可以被包括在系統(tǒng)100中。評分可以以數(shù)字的方式或字母數(shù)字的方式來顯示。此外，使用者的表現(xiàn)可以以圖形的方式來顯示，在時間上和/或沿焊接接縫的位置上示出所述模擬焊接工具如何接近地橫過焊接接縫。諸如行進角度、加工角度、速度以及離焊接接縫的距離的參數(shù)是可以被測量的內(nèi)容的例子，然而出于評分的目的任何參數(shù)均可以被分析。所述參數(shù)的公差范圍取自真實世界的焊接數(shù)據(jù)，從而提供關(guān)于使用者在真實世界中將會如何表現(xiàn)的準(zhǔn)確反饋。在另一實施方案中，與使用者的表現(xiàn)對應(yīng)的缺陷的分析也可以被包括并顯示在ODD150上。在這個實施方案中，可以描繪示出由測量在虛擬焊接活動期間所監(jiān)控的各種參數(shù)而造成的不連貫是何種類型的圖形。盡管“吸留(occlusions)”在ODD150上可能不是可視的，但由于使用者的表現(xiàn)，缺陷仍可能已經(jīng)發(fā)生，使用者的表現(xiàn)結(jié)果仍可能會相應(yīng)地被顯示(即圖形化)，并且還被測試(例如，經(jīng)由彎曲測試)和檢驗。視覺提示功能1219通過在FMDD140和/或ODD150上顯示覆蓋的顏色和指示標(biāo)記，向使用者提供立即的反饋。針對焊接參數(shù)151中的每個提供視覺提示，焊接參數(shù)151包括位置、末端到工件間隙距離、焊接角度、行進角度、行進速度以及電弧長度(例如針對手工焊接)，并且如果基于預(yù)先限定的限制或公差，使用者的焊接技法的某些方面應(yīng)當(dāng)被調(diào)節(jié)，則在視覺上指示所述使用者。例如，還可以針對抖動/擺動技法以及焊道“幣狀體”間隔提供視覺提示。視覺提示可以獨立地或以任何期望的組合被設(shè)置。校準(zhǔn)功能1208提供使真實世界空間(3D參考框架)中的實物部件與虛擬現(xiàn)實空間中的可視部件匹配的能力。通過將WC安裝到T/S170的臂173上，并且利用可操作地連接到ST120的校準(zhǔn)筆(stylus)接觸WC預(yù)先限定的點(例如由WC上的三處淺凹指示的)，每種不同類型的焊接試樣(WC)在工廠中被校準(zhǔn)。ST120讀取所述預(yù)先限定的點處的磁場強度，提供位置信息至PPS110，并且PPS110使用所述位置信息來進行所述校準(zhǔn)(即從真實世界空間到虛擬現(xiàn)實空間的轉(zhuǎn)換)。任一特定類型的WC在非常嚴(yán)格的公差之內(nèi)以相同的可重復(fù)方式裝入T/S170的臂173。因而，一旦特定WC類型被校準(zhǔn)，該WC類型無需被重復(fù)校準(zhǔn)(即特定類型的WC的校準(zhǔn)是一次性事件)。相同類型的WC是可互換的。校準(zhǔn)確保使用者在焊接工藝期間所感知的物理反饋匹配在虛擬現(xiàn)實空間中向所述使用者顯示的內(nèi)容，使得仿真看上去更加真實。例如，如果使用者圍繞實際WC180的拐角滑動MWT160的末端，所述使用者將會在FMDD140上看到所述末端圍繞虛擬WC的拐角滑動，就像所述使用者感覺到的所述末端圍繞所述實際的拐角滑動那樣。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，MWT160被放置在預(yù)先定位的架子(jig)上并且也基于已知的架子位置被校準(zhǔn)。根據(jù)本發(fā)明可替換的實施方案，提供例如在試樣的拐角上具有傳感器的“智能”試樣。ST120能夠追蹤“智能”試樣的拐角，從而系統(tǒng)100連續(xù)地知曉“智能”試樣在真實世界3D空間中的位置。根據(jù)本發(fā)明的又一可替換實施方案，提供許可密鑰來“解鎖”焊接試樣。當(dāng)特定WC被購買時，提供許可密鑰，允許使用者將所述許可密鑰輸入系統(tǒng)100，解鎖與該WC相關(guān)聯(lián)的軟件。根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案，基于部件的真實世界CAD制圖，可以提供特殊的非標(biāo)準(zhǔn)焊接試樣。使用者甚至可以在部件于真實世界中實際上被生成之前，能夠訓(xùn)練焊接CAD部件。聲音內(nèi)容功能1204和焊接聲音1205提供具體類型的焊接聲音，所述焊接聲音根據(jù)特定焊接參數(shù)是否在公差內(nèi)或超出公差而改變。聲音根據(jù)各種焊接工藝和參數(shù)來調(diào)整。例如，在MIG噴弧焊工藝中，當(dāng)使用者未使MWT160正確定位時提供噼啪的聲音，而當(dāng)MWT160被正確定位時提供嘶嘶的聲音。在短弧焊接工藝中，針對適當(dāng)?shù)暮附蛹挤ㄌ峁┓€(wěn)定的噼啪聲或“油煎”聲(fryingsound)，而當(dāng)發(fā)生咬邊時可以提供嘶嘶的聲音。這些聲音模仿(mimic)對應(yīng)于正確和錯誤焊接技法的真實世界的聲音。根據(jù)本發(fā)明的各種實施方案，高保真聲音內(nèi)容可以使用各種電子和機械裝置取自實際焊接的真實世界錄音。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，所感知的聲音的音量和方向性根據(jù)使用者的頭部(假設(shè)使用者正佩戴由ST120追蹤的FMDD140)相對于MWT160和WC180之間的仿真的電弧的位置、定向和距離而改變。例如，聲音可以經(jīng)由FMDD140中的耳塞揚聲器910或經(jīng)由配置在控制臺135或T/S170中的揚聲器被提供給使用者。提供環(huán)境模型1203來提供虛擬現(xiàn)實空間中的各種背景場景(靜止的和運動的)。這樣的背景環(huán)境可以包括，例如室內(nèi)焊接車間、室外跑道、車庫等，并且可以包括移動的車輛、人、鳥、云以及各種環(huán)境聲音。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，背景環(huán)境可以為交互的。例如，使用者可以在開始焊接之前，需要審視(survey)背景區(qū)域以確保環(huán)境適于(例如安全)進行焊接。焊炬和夾具模型1202被提供來在虛擬現(xiàn)實空間中建模各種MWT160(包括例如槍、具有手工焊條的托架等)。試樣模型1210被提供來在虛擬現(xiàn)實空間中建模各種WC180，WC180包括例如平板試樣、T-接頭試樣、對接-接頭試樣、坡口焊道試樣以及管狀試樣(例如2英寸直徑的管和6英寸直徑的管)。底座/桌臺模型1206被提供來在虛擬現(xiàn)實空間中建模T/S170的各種部件，T/S170的各種部件包括可調(diào)節(jié)的桌臺171、底座172、可調(diào)節(jié)的臂173以及立柱174。物理界面模型1201被提供來在虛擬現(xiàn)實空間中建模焊接使用者界面130、控制臺135以及ODD150的各種部件。再者，相對于系統(tǒng)100，已通過仿真的焊接工藝來形成焊道、焊接接頭、在板上的管狀焊縫、塞焊焊縫(plugweld)或搭接焊縫(lapweld)的焊接試樣的所得仿真在本文中被稱為虛擬焊件。可以提供焊接試樣來支持這些情景中的每個。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，實現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實空間中的熔池或焊池的仿真，其中所述仿真的熔池具有實時熔融金屬流動性和散熱特征。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，位于熔池仿真的中心的是運行在GPU115上的焊接物理功能1211(又叫物理模型)。焊接物理功能采用雙移置層技術(shù)來準(zhǔn)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，并且本文結(jié)合圖14A-14C對此進行更詳細的描述。焊接物理功能1211與焊道呈現(xiàn)功能1217連通，來表現(xiàn)焊道從熱熔融狀態(tài)到冷卻固化狀態(tài)之間的全部狀態(tài)。焊道呈現(xiàn)功能1217使用來自焊接物理功能1211的信息(例如熱、流動性、移置、幣狀體間隔)，來準(zhǔn)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。3D紋理功能1218將紋理圖(texturemaps)提供至焊道呈現(xiàn)功能1217，來使附加的紋理(例如焦痕(scorching)、熔渣、顆粒(grain))覆蓋到仿真的焊道上。例如，在焊接過程中或焊接過程剛剛結(jié)束，熔渣可以被示出出現(xiàn)于焊道上，并且然后被移動以露出下面的焊道。呈現(xiàn)裝置功能1216用于使用來自特殊效果模塊1222的信息表現(xiàn)各種非熔池的具體特征，包括火星(sparks)、飛濺(spatter)、煙塵、電弧光、煙和氣體以及特定不連貫性(例如咬邊和多孔)。內(nèi)部物理調(diào)節(jié)工具1212是允許各種焊接物理參數(shù)針對各種焊接工藝被限定、更新和修改的調(diào)整裝置。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，內(nèi)部物理調(diào)節(jié)工具1212運行在CPU111上并且調(diào)節(jié)的或更新的參數(shù)被下載到GPU115中。可以經(jīng)由內(nèi)部物理調(diào)節(jié)工具1212被調(diào)節(jié)的參數(shù)類型包括與焊接試樣相關(guān)聯(lián)的參數(shù)、允許工藝被改變而無需重置焊接試樣(允許形成第二焊道(pass))的工藝參數(shù)、可以被改變而不會重置整個仿真的各種全局參數(shù)以及各種其他參數(shù)。圖13為使用圖1的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)100的訓(xùn)練方法1300的實施方案的流程圖。所述方法以下列步驟進行：在步驟1310中，按照焊接技法相對于焊接試樣移動模擬焊接工具；在步驟1320中，使用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)在三維空間內(nèi)追蹤模擬焊接工具的位置和定向；在步驟1330中，觀看所述虛擬現(xiàn)實焊接系統(tǒng)的顯示畫面，在仿真的模擬焊接工具通過在從所述仿真的模擬焊接工具射出的仿真的電弧附近形成仿真的熔池，來將仿真的焊道材料堆積到所述仿真的焊接試樣的至少一個仿真的表面上時，所述顯示畫面示出所述模擬焊接工具和所述焊接試樣在虛擬現(xiàn)實空間中的實時虛擬現(xiàn)實仿真；在步驟1340中，在所述顯示畫面上觀看所述仿真的熔池的實時熔融金屬流動性和散熱特征；在步驟1350中，響應(yīng)于觀看所述仿真的熔池的所述實時熔融金屬流動性和散熱特征而實時地改變所述焊接技法的至少一個方面。方法1300圖示說明使用者如何能夠觀看虛擬現(xiàn)實空間中的熔池并響應(yīng)于觀看仿真的熔池的各種特征(包括實時熔融金屬流動性(例如粘滯性)和散熱)而改變其焊接技法。使用者還可以觀看并響應(yīng)于其他特征，包括實時熔池痕跡和幣狀體間隔。觀看并響應(yīng)于熔池的特征是大多數(shù)的焊接操作是如何在真實世界中實際上被執(zhí)行的。焊接物理功能1211的雙移置層模型運行在GPU115上，允許這樣的實時熔融金屬流動性和散熱特征被準(zhǔn)確地建模并向使用者展示。例如，散熱確定固化時間(即焊元需要多少時間徹底地固化)。另外，使用者可以使用相同或不同的(例如第二)模擬焊接工具和/或焊接工藝，在虛擬焊件的焊道材料上完成第二焊道。在這樣的第二焊道情景中，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的電弧附近形成第二仿真的熔池，堆積與第一仿真的焊道材料結(jié)合的第二仿真的焊道材料時，所述仿真示出虛擬現(xiàn)實空間中的所述仿真的模擬焊接工具、焊接試樣以及原始的仿真焊道材料?？梢砸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。根據(jù)本發(fā)明的特定實施方案，當(dāng)由先前的焊道材料、新焊道材料以及有可能在下面的試樣材料中的任何組合在虛擬現(xiàn)實世界中形成新熔池時，在任一第二或后續(xù)焊道中，先前的焊道材料與被堆積的新焊道材料結(jié)合，由此改變所得的虛擬焊件?？赡苄枰@樣的后續(xù)焊道來形成大的填角焊縫或坡口焊縫，例如被執(zhí)行來修復(fù)由先前的焊道形成的焊道，或者可以包括高溫焊道(hotpass)和在管焊接中完成焊根焊道后的一個或更多個填充和蓋面(cap)焊道。根據(jù)本發(fā)明的各種實施方案，焊道和基底材料可以包括軟鋼、不銹鋼、鋁、基于鎳的合金或者其他材料。圖14A-14B根據(jù)本發(fā)明的實施方案圖示說明焊接元(焊元)移置圖1420的概念。圖14A示出具有平坦頂部表面1410的平坦焊接試樣(WC)1400的側(cè)視圖。焊接試樣1400以例如塑料部件的形式存在于真實世界中，并且還可以以仿真的焊接試樣的形式存在于虛擬現(xiàn)實空間中。圖14B示出仿真的WC1400的頂部表面1410的表征，所述頂部表面1410被分解為形成焊元圖1420的焊接元(即焊元)的網(wǎng)格或陣列。每個焊元(例如，焊元1421)限定焊接試樣的表面1410的一小部分。焊元圖限定了表面分辨率?？筛淖兊耐ǖ?channel)參數(shù)值被分配給每個焊元，允許每個焊元的值于仿真的焊接工藝期間，在虛擬現(xiàn)實焊縫空間中以實時的方式動態(tài)地改變。所述可改變的通道參數(shù)值對應(yīng)于通道熔池(熔融金屬流動性/粘滯性移置)、熱(吸熱/散熱)、移置(固體移置)、以及額外內(nèi)容(各種額外狀態(tài)，例如熔渣、顆粒、焦痕、原始金屬(virginmetal))。本文中將這些可改變的通道稱為PHED，PHED分別對應(yīng)熔池、熱、額外內(nèi)容以及移置。圖15圖示說明仿真于圖1的系統(tǒng)100中的圖14的平坦焊接試樣(WC)1400的試樣空間和焊縫空間的示例性實施方案。點O、X、Y和Z限定局部3D試樣空間?？偟貋碚f，每種試樣類型限定從3D試樣空間到2D虛擬現(xiàn)實焊縫空間的映射。圖14的焊元圖1420為映射到虛擬現(xiàn)實焊縫空間的值的二維矩陣。如在圖15中所示的，使用者將從點B到點E進行焊接。在圖15中，在3D試樣空間和2D焊縫空間二者中示出從點B到點E的軌跡線。每種類型的試樣針對焊元圖中的每個位置限定移置的方向。對于圖15的平坦焊接試樣，焊元圖(即，在Z方向上)中的全部位置的移置方向是相同的。為闡明所述映射，在3D試樣空間和2D焊縫空間二者中將焊元圖的紋理坐標(biāo)示為S、T(有時稱為U、V)。焊元圖被映射到并且表征焊接試樣1400的矩形表面1410。圖16圖示說明仿真于圖1的系統(tǒng)100的拐角(T型接頭)焊接試樣(WC)1600的試樣空間和焊縫空間的示例性實施方案。拐角WC1600具有在3D試樣空間中的兩個表面1610和1620，所述兩個表面1610和1620如在圖16所示的被映射到2D焊縫空間。同樣，點O、X、Y和Z限定局部3D試樣空間。為闡明所述映射，在3D試樣空間和2D焊縫空間二者中將焊元圖的紋理坐標(biāo)示為S、T。如在圖16中所示的，使用者將從點B到點E進行焊接。在圖16中，在3D試樣空間和2D焊縫空間二者中示出從點B到點E的軌跡線。然而，移置的方向是朝向如在3D試樣空間中示出的線條X'-O'，如圖16所示地朝向相對的拐角。圖17圖示說明仿真于圖1的系統(tǒng)100中的管狀焊接試樣(WC)1700的試樣空間和焊縫空間的示例性實施方案。管狀WC1700在3D試樣空間中具有彎曲的表面1710，所述表面1710如圖17所示地被映射到2D焊縫空間。同樣，點O、X、Y和Z限定局部3D試樣空間。為闡明所述映射，在3D試樣空間和2D焊縫空間二者中將焊元圖的紋理坐標(biāo)示為S、T。如在圖17中所示的，使用者將從點B到點E沿彎曲的軌跡進行焊接。在圖17中，分別在3D試樣空間和2D焊縫空間示出從點B到點E的軌跡曲線和線。移置的方向遠離線條Y-O(即遠離管的中心)。圖18圖示說明圖17的管焊接試樣(WC)1700的示例性實施方案。管狀WC1700由非鐵的、不導(dǎo)電的塑料制成，并且仿真聚到一起形成焊根接縫1703的兩個管狀部件1701和1702。還示出用于附接T/S170的臂173的附接部件1704。以與紋理圖可以被映射到幾何結(jié)構(gòu)的矩形表面區(qū)域的類似方式，可焊接焊元圖可以被映射到焊接試樣的矩形表面。在與圖像的每個元被稱作像元(圖像元的縮寫)相同的意義上，可焊接圖的每個元被稱作焊元。像元包含限定顏色(例如紅色、綠色、藍色等)的信息通道。焊元包含限定在虛擬現(xiàn)實空間中可焊接表面的信息通道(例如P、H、E、D)。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，焊元的格式被歸結(jié)為包含四個浮點數(shù)的通道PHED(熔池、熱、額外內(nèi)容、移置)。額外的通道被用作儲存關(guān)于焊元的邏輯信息(例如，在所述焊元位置是否存在任何熔渣)的一組二進制數(shù)。熔池通道儲存針對所述焊元位置的任何液化的金屬的移置值。移置通道儲存針對所述焊元位置的固化的金屬的移置值。熱通道儲存給出在所述焊元位置的熱量級的值。以這種方式，試樣的可焊接部分可以示出因被焊接的焊道而產(chǎn)生的移置、因液態(tài)金屬而產(chǎn)生的閃爍的表面“熔池”、因熱而產(chǎn)生的顏色等。所有這些效果均通過被施加到可焊接的表面的頂點著色器和像元著色器來實現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的可替換的實施方案，焊元還可以包括可以在焊接仿真期間(例如，由于輸入至焊元的熱)變化的特殊的冶金特性。這樣的冶金特性可以被用來仿真焊件的虛擬測試或虛擬檢驗。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，使用移置圖和粒子系統(tǒng)，其中粒子可以彼此相互作用并碰撞移置圖。所述粒子是虛擬的動態(tài)流體粒子并且提供熔池的液體行為，但不是直接地呈現(xiàn)(即不是視覺上直接可見的)。相反，只有在所述移置圖上的粒子作用是在視覺上可見的。輸入到焊元的熱影響鄰近粒子的運動。涉及仿真熔池的有兩種類型的移置，這兩種類型的移置包括熔池和移置。熔池是“臨時的”并且僅持續(xù)于存在粒子并出現(xiàn)熱的時候。移置是“永久的”。熔池移置是快速變化(例如閃爍)的焊縫液態(tài)金屬并且可以被看作是在移置的“頂部”。粒子覆蓋虛擬表面移置圖(即焊元圖)的一部分。移置表征永久的固體金屬，所述永久的固體金屬包括最初的基底金屬和已固化的焊道二者。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，在虛擬現(xiàn)實空間中仿真的焊接工藝以以下方式工作：粒子從薄型錐狀部件中的發(fā)射器(仿真的MWT160的發(fā)射器)流出。所述粒子第一次接觸仿真的焊接試樣的表面，其中所述表面由焊元圖限定。所述粒子彼此相互作用且與焊元圖相互作用，并且以實時的方式累積起來。焊元越靠近發(fā)射器，則加的熱越多。熱根據(jù)與電弧點的距離和熱從電弧輸入的時間量被建模。特定圖形部分(例如顏色等)是由熱驅(qū)動的。針對足夠高溫的焊元，在虛擬現(xiàn)實空間中繪制或呈現(xiàn)熔池。無論何處只要足夠熱，焊元圖液化，導(dǎo)致針對這些焊元位置熔池移置“升起”。通過在每個焊元位置采樣“最高的”粒子來確定熔池移置。當(dāng)發(fā)射器沿焊縫軌跡前進時，留下的焊元位置冷卻。熱以特定速率從焊元位置被移除。當(dāng)達到冷卻閾值時，焊元圖固化。這樣，熔池移置逐漸被轉(zhuǎn)化為移置(即固化的焊道)。增加的移置等于去除的熔池，從而整體高度并未改變。調(diào)整或調(diào)節(jié)粒子的壽命以在固化完成之前得以存留。被建模于系統(tǒng)100中的特定粒子特性包括吸引/排斥、速度(相對于熱)、潤濕(相對于散熱)、方向(相對于重力)。圖19A-19C圖示說明圖1的系統(tǒng)100的雙移置(移置和粒子)熔池模型的概念的示例性實施方案。在虛擬現(xiàn)實空間內(nèi)仿真具有至少一個表面的焊接試樣。在虛擬現(xiàn)實空間內(nèi)仿真焊接試樣的表面，形成包括固體移置層和熔池移置層的雙移置層。熔池移置層能夠改變固體移置層。如本文所描述的，“熔池”由焊元圖的一區(qū)域限定，其中熔池值已經(jīng)由于粒子的存在而提高。采樣過程被表征于圖19A-19C。示出焊元圖的一具有七個鄰近焊元的區(qū)段。當(dāng)前的移置值由具有給定高度的無陰影的矩形條1910(即，針對每個焊元的給定的移置)表征。在圖19A中，粒子1920被示為與當(dāng)前移置水平面碰撞的圓形無陰影的點并且被堆集。在圖19B中，“最高的”粒子高度1930在每個焊元位置被采樣。在圖19C中，帶陰影的矩形1940示出由于粒子的緣故，移置的頂部上已增加多少熔池。由于熔池以基于熱的特定液化率被增加，焊縫熔池高度不會立即被置為采樣的值。盡管未在圖19A-19C中示出，使所述固化過程可視化是可能的，如熔池(帶陰影的矩形)逐漸縮小而移置(無陰影的矩形)從下面逐漸增大以正好替換所述熔池。以這種方式，實時熔融金屬流動性特征被準(zhǔn)確地仿真。當(dāng)使用者練習(xí)特定焊接工藝時，使用者能夠在實時虛擬現(xiàn)實空間中觀察熔池的熔融金屬流動性特征和散熱特征，并且使用該信息來調(diào)節(jié)或保持其焊接技法。表征焊接試樣的表面的焊元的數(shù)目是固定的。另外，如本文所描述的，由仿真生成來建模流動性的熔池粒子是臨時的。因而，一旦使用系統(tǒng)100在仿真的焊接工藝期間于虛擬現(xiàn)實空間內(nèi)生成原始熔池，焊元加上熔池粒子的數(shù)目往往是保持相對恒定的。這是因為在焊接工藝期間，正在被處理的焊元的數(shù)目是固定的，并且由于熔池粒子以相似的速率(即熔池粒子是臨時的)正被創(chuàng)建和“銷毀”，存在的且正在被處理的熔池粒子的數(shù)目趨于保持相對恒定。因此，在仿真的焊接階段期間，PPS110的處理負載保持相對恒定。根據(jù)本發(fā)明可替換的實施方案，熔池粒子可以被生成在焊接試樣的表面中或在焊接試樣的表面下方。在這樣的實施方案中，移置可以以相對于初始(即未被焊接的)試樣的原始表面移置為正向或負向的方式被建模。以這種方式，熔池粒子可以不僅在焊接試樣的表面上建立，還可以熔透焊接試樣。然而，焊元的數(shù)目仍是固定的，并且被創(chuàng)建和銷毀的熔池粒子仍是相對恒定的。根據(jù)本發(fā)明可替換的實施方案，可以提供具有更多通道的焊元移置圖來建模熔池的流動性而不是建模粒子?；蛘?，可以建模稠密的體元圖(voxelmap)而不是建模粒子。或者，可以只建模被采樣并且永遠不會消失的粒子，而不是建模焊元圖。然而，這樣的可替換實施方案可能不為系統(tǒng)提供相對恒定的處理負載。此外，根據(jù)本發(fā)明的實施方案，通過將材料移走來仿真穿透(blowthrough)或透孔(keyhole)。例如，如果使用者在真實世界中將電弧保持在同一位置過長時間，材料將會燒掉造成孔洞。這樣的真實世界穿透通過焊元抽選技術(shù)(decimationtechniques)被仿真于系統(tǒng)100。如果由一焊元吸收的熱量被系統(tǒng)100確定為太高，該焊元可以被標(biāo)記或被指定為是被燒掉的并且以此進行呈現(xiàn)(例如被呈現(xiàn)為孔洞)。然而，接下來，針對特定焊接工藝(例如管焊接)可以發(fā)生焊元重建，其中在最初被燒掉后，材料被添加回去?？傊?，系統(tǒng)100仿真焊元抽選(將材料移走)和焊元重建(即將材料添加回去)。另外，在焊根焊道焊接中移除材料的操作被適當(dāng)?shù)胤抡嬗谙到y(tǒng)100。另外，在焊根焊道焊接中移除材料的操作被適當(dāng)?shù)胤抡嬗谙到y(tǒng)100。例如，在真實世界中，在進行后續(xù)焊接行程之前，可以執(zhí)行焊根焊道的打磨。類似地，系統(tǒng)100可以仿真將材料從虛擬焊接接縫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為焊元圖上的負向移置。也就是說，移除材料的打磨焊道操作由系統(tǒng)100建模，導(dǎo)致改變的焊道輪廓。打磨行程操作的仿真可以是自動的，這也就是說，系統(tǒng)100移除一預(yù)先確定厚度的材料，所述預(yù)先確定厚度的材料可以是對應(yīng)焊根焊道的焊道表面。在可替換的實施方案中，實際打磨工具或磨機(grinder)可以被仿真為通過模擬焊接工具160或另一輸入裝置的激活而啟用或關(guān)閉。注意的是，打磨工具可以被仿真來效仿(resemble)真實世界的磨機。在該實施方案中，使用者沿焊根焊道操縱(maneuver)打磨工具以響應(yīng)所述打磨工具的運動而移除材料。要理解的是，使用者可以被允許移除過多的材料。以與上述類似的方式，如果使用者打磨掉過多的材料則可能導(dǎo)致孔洞或其他(上述的)缺陷。再有，可以實現(xiàn)(即被編程)強制限位或停止，來防止使用者移除過多的材料或在過多的材料正被移除時進行提示。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，除本文所描述的不可視的“熔池”粒子外，系統(tǒng)100還使用其他三種類型的可視粒子來表征電弧效果、火焰效果以及火星效果。這些類型的粒子不會與任何類型的其他粒子相互作用，而僅會與移置圖相互作用。盡管這些粒子確實與仿真的焊接表面碰撞，但它們彼此不會相互作用。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，僅有熔池粒子會彼此相互作用?；鹦橇Ｗ拥奈锢硖卣鞅贿@樣設(shè)置，從而在虛擬現(xiàn)實空間中火星粒子四處跳竄并且被呈現(xiàn)為發(fā)光的點(glowingdots)。電弧粒子的物理特征被這樣設(shè)置，從而電弧粒子撞擊(hit)仿真的試樣表面或焊道并且停留一段時間。電弧粒子在虛擬現(xiàn)實空間中被呈現(xiàn)為較大的暗青白色點。采用許多疊加的這樣的點來形成任一種可視圖像。最終結(jié)果是具有藍色邊緣的白色發(fā)光光環(huán)(nimbus)?；鹧媪Ｗ拥奈锢硖卣鞅唤砭徛叵蛏仙稹；鹧媪Ｗ颖怀尸F(xiàn)為中等大小的暗紅黃色點。采用許多疊加的這樣的點來形成任一種可視圖像。最終結(jié)果是向上升起并淡出的(fadingout)具有紅色邊緣的橙紅色火焰團。根據(jù)本發(fā)明的其他實施方案，其他類型的非熔池粒子可以被實現(xiàn)在系統(tǒng)100中。例如，可以以與火焰粒子類似的方式建模并仿真煙塵粒子。仿真的可視化過程中最后的步驟由GPU115(見圖11)的著色器117所提供的頂點著色器和像元著色器來處理。頂點著色器和像元著色器提供熔池和移置以及由于熱而改變的表面顏色和發(fā)射率等。如本文前面所述的PHED焊元格式中的額外(E)通道包含每個焊元處所使用的所有額外信息。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，額外信息包括非初始位(真＝焊道，假＝初始鋼鐵)、熔渣位、咬邊值(在該焊元處咬邊的量，其中零等于無咬邊)、多孔值(在該焊元處多孔的量，其中零等于無多孔)，以及編碼焊道固化時間的所述焊道痕跡(wake)值。存在一組與不同試樣畫面相關(guān)聯(lián)的圖像映射，包括初始鋼鐵、熔渣、焊道和多孔。這些圖像映射被用于凹凸映射和紋理映射二者中。這些圖像映射融合(blending)的量由本文所描述的各種標(biāo)記和值來控制。使用1D圖像映射以及每個焊元焊道痕跡值實現(xiàn)焊道痕跡效果，所述每個焊元焊道痕跡值編碼焊道的給定部分(agivenbit)被固化的時間。一旦高溫熔池焊元位置不再是被稱為“熔池”的足夠高溫，時間被保存在該位置并且被稱為“焊道痕跡”。最終結(jié)果是著色器代碼能夠使用1D紋理映射來繪制“波痕(ripples)”，所述“波痕”給焊道以刻畫(portray)所述焊道被鋪設(shè)的方向的其獨特的外觀。根據(jù)本發(fā)明可替換的實施方案，系統(tǒng)100能夠在虛擬現(xiàn)實空間內(nèi)仿真并顯示焊道，所述焊道具有當(dāng)所述仿真的熔池沿著焊縫軌跡移動時由所述仿真的熔池的實時流動性到固化過渡造成的實時焊道痕跡特征。根據(jù)本發(fā)明可替換的實施方案，系統(tǒng)100能夠教導(dǎo)使用者如何對焊接機器進行故障排解(troubleshoot)。例如，系統(tǒng)的故障排解模式可以訓(xùn)練使用者確保其正確地(例如正確的氣體流率、連接正確的電源線等)設(shè)置所述系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明另一可替換的實施方案，系統(tǒng)100能夠記錄并重放焊接過程(或者至少焊接過程的一部分，例如N幀)?？梢蕴峁┸壽E球(trackball)來滾動視頻的幀，允許使用者或者指導(dǎo)人員評論焊接過程。還可以以可選擇的速度(例如全速、半速、四分之一速度)提供重放。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，可以提供分屏(split-screen)重放，例如允許在ODD150上并排地(side-by-side)觀看兩個焊接過程。例如出于對比的目的，“好的”焊接過程可以靠近“差的”焊接過程被觀看。如本文早先所討論的，獨立式虛擬焊件檢驗(VWI)系統(tǒng)能夠使用VRAW系統(tǒng)輸入預(yù)先限定的虛擬焊件或被創(chuàng)建的虛擬焊件，并且能夠進行虛擬焊件的虛擬檢驗。然而，根據(jù)本發(fā)明的特定的實施方案，不像所述VRAW系統(tǒng)，VWI系統(tǒng)可能不能夠以作為仿真的虛擬焊接工藝的一部分的方式創(chuàng)建虛擬焊件，并且可能能夠或可能不能夠進行該焊件的虛擬破壞性/非破壞性測試。圖20圖示說明獨立式虛擬焊件檢驗(VWI)系統(tǒng)2000的示例性實施方案，獨立式虛擬焊件檢驗(VWI)系統(tǒng)2000能夠仿真虛擬焊件的檢驗，并且顯示在檢驗之下的虛擬焊件的動畫，以觀察由于與焊件相關(guān)聯(lián)的各種特征產(chǎn)生的效果。在一個實施方案中，VWI系統(tǒng)2000包括類似于圖1的PPS110的基于可編程處理器的子系統(tǒng)(PPS)2010。VWI系統(tǒng)2000還包括類似于圖1的ODD150的觀察者顯示裝置(ODD)2050，觀察者顯示裝置(ODD)2050可操作地連接到PPS2010。VWI系統(tǒng)2000還包括被可操作地連接到PPS2010的鍵盤2020和鼠標(biāo)2030。在圖20的系統(tǒng)2000的第一實施方案中，PPS110提供被配置作為用于提供虛擬焊件的3D動畫呈現(xiàn)的呈現(xiàn)引擎的硬件和軟件。PPS110還提供被配置作為用于進行虛擬焊件的測試與檢驗的分析引擎的硬件和軟件。PPS2010能夠輸入表征虛擬焊件的數(shù)據(jù)，并且使用基于該輸入數(shù)據(jù)進行操作的PPS110的呈現(xiàn)引擎生成用于檢驗的虛擬焊件的動畫的3D呈現(xiàn)。虛擬焊件數(shù)據(jù)可以是“預(yù)先備好的”(即預(yù)先限定的)虛擬焊件(例如，使用單獨的計算機系統(tǒng)生成的)或使用虛擬現(xiàn)實焊接仿真器系統(tǒng)(例如，如本文先前描述的VRAW系統(tǒng))創(chuàng)建的虛擬焊件數(shù)據(jù)。另外，根據(jù)本發(fā)明的改進實施方案，PPS2010包括先進的分析/呈現(xiàn)/動畫能力，所述先進的分析/呈現(xiàn)/動畫能力允許VWI系統(tǒng)2000在輸入虛擬焊件上進行虛擬破壞性/非破壞性測試并且顯示類似于VRAW系統(tǒng)的測試動畫的測試動畫。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，使用VRAW系統(tǒng)創(chuàng)建的焊件的虛擬呈現(xiàn)被輸出至VWI系統(tǒng)。VWI系統(tǒng)的測試部分能夠自動生成虛擬焊件的切割段，并且將那些切割段(或未切割的虛擬焊件本身)提交至VWI系統(tǒng)的測試部分之內(nèi)的多個可能的破壞性和非破壞性測試中的一個。多個測試中的每個能夠生成圖示說明特定的測試的動畫。VWI系統(tǒng)能夠向使用者顯示測試的動畫。動畫向使用者清楚地示出由該使用者生成的虛擬焊件是否通過測試。例如，經(jīng)受虛擬彎曲測試的虛擬焊件可以被示出在動畫中在虛擬焊件的焊接接縫中發(fā)生特定類型的缺陷的位置處斷裂。作為另一實施例，經(jīng)受虛擬彎曲測試的虛擬焊件可以被示出在動畫中彎曲并且破裂，或者盡管焊件沒有完全斷裂，在動畫中示出大量的缺陷。相同的虛擬焊件可以針對不同的測試使用虛擬焊件的相同的切割段(例如，切割段可以是由VWI系統(tǒng)重新構(gòu)成的)或不同的切割段反復(fù)被測試。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，虛擬焊件用冶金特征標(biāo)記，例如，舉例說明，納入特定選擇的破壞性/非破壞性測試進行考慮的金屬類型以及拉力強度。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，背景運行專家系統(tǒng)可以在VWI系統(tǒng)的顯示畫面上的窗口中彈出并且(例如，經(jīng)由文本消息和/或用圖形表示地)向使用者指出焊件為何未通過測試(例如，在焊接接縫中的這些特定的點處有太多的孔)以及什么特定的焊接標(biāo)準(zhǔn)(一個或多個)未滿足。根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案，VWI系統(tǒng)可以以超文本的形式鏈接到將目前的測試約束到特定焊接標(biāo)準(zhǔn)的外部工具。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，特定的破壞性/非破壞性測試的動畫是隨著測試的改變的虛擬焊件的3D呈現(xiàn)，以至于在測試期間，使用者可以以三維的方式在VWI系統(tǒng)的顯示畫面上四處移動呈現(xiàn)的虛擬焊件，以從各個角度和視角觀看測試。特定測試的相同的3D呈現(xiàn)動畫可以反復(fù)播放，以針對相同的使用者或針對多個使用者允許最大的訓(xùn)練好處。在圖20的VWI系統(tǒng)2000的更簡單、不太復(fù)雜的實施方案中，PPS2010能夠輸入由VRAW系統(tǒng)生成的虛擬破壞性或非破壞性測試的動畫的3D呈現(xiàn)，并且出于檢驗的目的顯示所述動畫。PPS2010提供被配置作為用于進行虛擬焊件的檢驗的分析引擎的硬件和軟件。然而，在這一更簡單的實施方案中，PPS2010不提供被配置作為用于提供虛擬焊件的3D動畫呈現(xiàn)的呈現(xiàn)引擎的硬件和軟件，并且所述分析引擎被限制以支持虛擬焊件的檢驗。在這樣的實施方案中，呈現(xiàn)和測試在其他地方(例如，在VRAW系統(tǒng)上)被實現(xiàn)并且被輸入到VWI系統(tǒng)。在這樣的更簡單的實施方案中，PPS2010可以是以軟件程序化的標(biāo)準(zhǔn)的、現(xiàn)成的個人計算機或工作站來相對于焊接檢驗進行虛擬檢驗并且訓(xùn)練。如本文先前所討論的，虛擬檢驗可以在VWI系統(tǒng)上以若干不同的方式中的任一種和/或若干不同方式的組合來實現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，VWI系統(tǒng)包括專家系統(tǒng)，并且由一組準(zhǔn)則驅(qū)動。根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案，VWI系統(tǒng)包括支持向量機。仍根據(jù)本發(fā)明的又一實施方案，VWI系統(tǒng)包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和/或智能代理，所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠被訓(xùn)練并且被適應(yīng)于新情景，所述智能代理向?qū)W員提供關(guān)于該學(xué)員需要更多練習(xí)的區(qū)域的反饋，或給指導(dǎo)者或教學(xué)者提供關(guān)于如何修改教學(xué)課程以改善學(xué)員學(xué)習(xí)的反饋。另外，使用者可以利用知識庫(包括文本、圖片、視頻以及圖表)來支持其訓(xùn)練。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，在測試之下的呈現(xiàn)的虛擬焊件和/或虛擬焊件的相應(yīng)的3D呈現(xiàn)的動畫可以被輸入至VWI系統(tǒng)，以進行焊縫的檢驗和/或在焊接檢驗方面訓(xùn)練使用者(例如，以成為持有證件的焊接檢驗員)。系統(tǒng)的檢驗部分包括教學(xué)模式和訓(xùn)練模式。在教學(xué)模式下，在測試之下的虛擬焊件和/或虛擬焊件的3D呈現(xiàn)的動畫被顯示并且被評分者(訓(xùn)練者)與焊接學(xué)員一起觀看。訓(xùn)練者和焊接學(xué)員能夠觀看并且與虛擬焊件進行交互。訓(xùn)練者能夠(例如，經(jīng)由計分方法)做出焊接學(xué)員在識別虛擬焊件中的缺陷和不連貫性方面表現(xiàn)得如何的結(jié)論，并且向焊接學(xué)員指出該焊接學(xué)員表現(xiàn)得如何以及(從不同的視角觀看等)通過與顯示的虛擬焊件進行交互指出該學(xué)員遺漏了什么內(nèi)容。在訓(xùn)練模式下，系統(tǒng)詢問焊接檢驗學(xué)員各種關(guān)于虛擬焊件的問題，并且允許焊接檢驗學(xué)員輸入問題的答案。系統(tǒng)可以在提問結(jié)束時對焊接檢驗學(xué)員給出評分。例如，系統(tǒng)最初可以針對一個虛擬焊件給焊接檢驗學(xué)員提供樣本問題，并且然后針對要被評分的另一虛擬焊件繼續(xù)給焊接檢驗學(xué)員提供限時的問題。系統(tǒng)的檢驗部分還可以提供特定的交互工具，所述特定的交互工具幫助焊接檢驗學(xué)員或訓(xùn)練者檢測缺陷，并且在虛擬焊縫上進行與預(yù)先確定的焊接標(biāo)準(zhǔn)相比的特定的測量(例如，測量例如焊根焊縫的熔深以及將所述測量值與要求的標(biāo)準(zhǔn)熔深相比的虛擬計量器(guage))。焊接檢驗學(xué)員的評分還可以包括焊接檢驗學(xué)員是否使用正確的交互工具來評價所述焊縫。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，基于評分(即，計分)的系統(tǒng)的檢驗部分確定哪些區(qū)域焊接檢驗學(xué)員需要幫助，并且給焊接檢驗學(xué)員提供更多的在其上練習(xí)檢驗的代表性樣本。再者，各種交互檢驗工具可以被用在經(jīng)受測試之前的虛擬焊件上或經(jīng)受測試之后的虛擬焊件上或該兩者上。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，各種交互檢驗工具和方法論針對各種焊接工藝、各種類型的金屬以及各種類型的焊接標(biāo)準(zhǔn)被配置。在獨立式VWI系統(tǒng)2000上，交互檢驗工具可以使用例如鍵盤2020和鼠標(biāo)2030來操縱。交互檢驗工具的其他實施例包括用于進行喉深(throat)測量的虛擬帕爾姆格倫計量器(Palmgrenguage)、用于確定焊腳尺寸的虛擬填角計量器(filletgauge)、用于進行凸面測量或咬邊測量的虛擬VWAC計量器、用于測量裂縫長度的虛擬游標(biāo)卡尺、用于測量裂縫寬度的虛擬千分尺以及針對檢測的用于放大焊縫的一部分的虛擬放大透鏡。根據(jù)本發(fā)明的各種實施方案，其他虛擬交互檢驗工具也是可能的。圖21圖示說明方法2100的示例性實施方案的流程圖，以評估在虛擬現(xiàn)實空間中呈現(xiàn)的基線虛擬焊件的質(zhì)量。在步驟2110中，基線虛擬焊件被呈現(xiàn)(或再次被呈現(xiàn)…重新被呈現(xiàn))。例如，使用者可以采用VRAW系統(tǒng)100來在虛擬部分上練習(xí)其焊接技法，并且呈現(xiàn)表征使用者的焊接能力的基線虛擬焊件。正如本文所使用的，術(shù)語“虛擬焊件”可以是指如在許多焊接測試中使用的整個虛擬的被焊接的部件或其虛擬切割段。在步驟2120中，基線虛擬焊件經(jīng)受被配置來測試基線虛擬焊件的特征(一個或多個)的計算機仿真測試(例如，破壞性虛擬測試或非破壞性虛擬測試)。計算機仿真測試可以由例如VRAW系統(tǒng)或VWI系統(tǒng)進行。在步驟2130中，響應(yīng)于仿真測試，受測試的虛擬焊件被呈現(xiàn)(例如，由于破壞性測試造成的基線虛擬焊件的修正)，并且相關(guān)聯(lián)的測試數(shù)據(jù)被產(chǎn)生。在步驟2140中，受測試的虛擬焊件和測試數(shù)據(jù)經(jīng)受計算機仿真分析。計算機仿真分析被配置來相對于虛擬焊件的所述特征(一個或多個)確定受測試的虛擬焊件的合格/不合格條件。例如，基于測試之后的所述特征(一個或多個)的分析做出關(guān)于虛擬焊件是否通過彎曲測試的結(jié)論。在步驟2150中，使用者做出決定是否檢驗受測試的虛擬焊件。如果決定是不檢測，則在步驟2160中，做出關(guān)于是否進行另一項測試的決定。如果決定進行另一項測試，那么所述方法返回到步驟2110，并且基線虛擬焊件被重新呈現(xiàn)，如同先前的測試沒有在虛擬焊件上發(fā)生過。以這種方式，許多測試(破壞性的和非破壞性的)可以在相同的基線虛擬焊件上被運行，并且針對各種合格/不合格條件被分析。在步驟2150中，如果決定要檢驗，那么在步驟2170中，受測試的虛擬焊件(即，測試之后的虛擬焊件)被顯示給使用者，并且該使用者可以操縱受測試的虛擬焊件的定向來檢驗受測試的虛擬焊件的各種特征。在步驟2180中，使用者可以觸及并且將程序化的檢驗工具應(yīng)用到受測試的虛擬焊件來在檢驗中進行輔助。例如，使用者可以使用測量焊根焊縫的熔深并且將測量值與要求的標(biāo)準(zhǔn)熔深相比的虛擬計量器。在檢驗之后，再次在步驟2160中，決定是否進行另一項測試。如果另一項測試沒有被進行，那么所述方法結(jié)束。例如，圖22-24分別示出虛擬焊件2200的相同的切割段可以經(jīng)受仿真的彎曲測試、仿真的拉力或拉伸測試以及仿真的凹口斷裂測試。參照圖22，具有焊接接縫2210的虛擬焊件2200的直的切割段經(jīng)受仿真的彎曲測試。所述彎曲測試可以被進行來發(fā)現(xiàn)各種焊縫性能，例如焊接區(qū)域的延展性、焊縫熔深、熔融、(破裂面的)晶體結(jié)構(gòu)以及強度。彎曲測試幫助確定焊縫金屬的質(zhì)量、焊縫接合以及高熱影響區(qū)。在彎曲測試期間的任何金屬的破裂標(biāo)志著差的熔融、差的熔深或可能造成破裂的一些其他條件。金屬的伸長幫助指出焊縫的延展性。破裂的表面露出焊縫的晶體結(jié)構(gòu)。更大的晶體趨在焊接之后指出有缺陷的焊接過程或不充分的熱處理。優(yōu)質(zhì)的焊縫具有小的晶體。參照圖23，在彎曲測試之后，具有相同焊接接縫2210的虛擬焊件2200的相同的直的切割段可以被重新呈現(xiàn)，并且經(jīng)受仿真的拉伸測試?？梢赃M行所述拉伸測試(或拉力測試)來得到焊接的接頭的強度。在仿真的測試中，虛擬焊件2200被夾持在一端并且在另一端上被拉伸直到虛擬焊件2200破裂。使焊件2200斷裂的拉力負載或牽引力被確定并且可以與標(biāo)準(zhǔn)測量值相比較來進行合格/不合格確定。參照圖24，在拉伸測試之后，具有相同焊接接縫2210的虛擬焊件2200的相同的直的切割段可以被重新呈現(xiàn)并且經(jīng)受仿真的凹口斷裂測試。進行仿真的凹口斷裂測試來確定焊接的對接接頭的焊縫金屬是否具有任何內(nèi)部缺陷，例如，夾渣、氣窩、未焊透以及已氧化的金屬。圖24示出槽被切割到焊縫接頭2210的各個側(cè)部中。虛擬焊件2200被放置為跨兩個支撐件并且用錘敲打直到在所述槽之間的焊縫2210段破裂。焊縫2210的內(nèi)部金屬可以針對缺陷被檢驗。缺陷可以與標(biāo)準(zhǔn)測量值相比較來進行合格/不合格確定。盡管已經(jīng)參照特定實施方案描述了本申請要求保護的主題，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可以進行各種改變，并且可以替換等同物，而不會偏離要求保護的主題的范圍。此外，可以進行許多修改來使特定情形或材料適應(yīng)要求保護的主題的教導(dǎo)，而不會偏離其范圍。因此，不是意圖將要求保護的主題限定為所公開的特定實施方案，相反，要求保護的主題將包括落入所附權(quán)利要求書范圍的所有實施方案。參考標(biāo)號：100虛擬現(xiàn)實弧焊系統(tǒng)140戴于面部的顯示裝置110基于可編程處理器的子系統(tǒng)150觀察者顯示裝置111中央處理單元151各種焊接參數(shù)115圖形處理單元152焊接不連貫性狀態(tài)116統(tǒng)一計算設(shè)備架構(gòu)153使用者選擇內(nèi)容117著色器160模擬焊接工具118視頻輸出161夾持器119視頻輸出162仿真的手工焊條120空間追蹤器163阻力末端121磁源170桌臺/底座122傳感器171可調(diào)節(jié)的桌臺123存儲盤172底座或基座124電源173可調(diào)節(jié)的臂125線纜174立柱126處理器追蹤單元175焊接試樣130物理焊接使用者界面175'六英寸直徑的管131一組按鈕175”六英寸直徑的管132操縱桿176焊根133刻度盤或旋鈕177連接部分134刻度盤或旋鈕180焊接試樣135組合的仿真的焊接控制臺900焊接頭盔136刻度盤或旋鈕910耳塞揚聲器137刻度盤或旋鈕1201物理界面1202夾具模型1350步驟1203環(huán)境模型1400平坦焊接試樣1204聲音內(nèi)容功能1410平坦頂部表面1205焊接聲音1420移置圖1206底座/桌臺模型1421焊元1207內(nèi)部架構(gòu)功能1600焊接試樣1208校準(zhǔn)功能1610表面1210試樣模型1620表面1211焊接物理1700管焊接試樣1212內(nèi)部物理調(diào)節(jié)工具1701管狀部件1213圖形使用者界面功能1702管狀部件1214繪圖功能1703焊根接縫1215學(xué)員報告功能1704附接部件1216呈現(xiàn)裝置1710彎曲的表面1217焊道呈現(xiàn)1910無陰影的矩形條12183D紋理1920粒子1219視覺提示功能1930粒子高度1220評分和公差功能1940帶陰影的矩形1221公差編輯器2000系統(tǒng)1222特殊效果2010基于處理器的子系統(tǒng)1300方法2020鍵盤1310步驟2030鼠標(biāo)1320步驟2050觀察者顯示裝置1330步驟2100方法1340步驟2110步驟2120步驟2130步驟2140步驟2150步驟2160步驟2170步驟2180步驟2200虛擬焊件2210焊接接縫B點E點O點O'線S紋理坐標(biāo)T紋理坐標(biāo)U紋理坐標(biāo)V紋理坐標(biāo)X點X'線Y點Z點當(dāng)前第1頁1 2 3 當(dāng)前第1頁1 2 3