使用虛擬現(xiàn)實(shí)焊接系統(tǒng)導(dǎo)入和分析外部數(shù)據(jù)的制作方法【專利說明】使用虛擬現(xiàn)實(shí)焊接系統(tǒng)導(dǎo)入和分析外部數(shù)據(jù)[0001]本美國專利申請(qǐng)要求2009年7月10日遞交的待審定美國專利申請(qǐng)序號(hào)12/501，257的優(yōu)先權(quán)，并且是所述待審定美國專利申請(qǐng)的部分繼續(xù)專利申請(qǐng)，所述待審定美國專利申請(qǐng)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(qǐng)要求2008年8月21日遞交的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)序號(hào)61/090，794的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益。具有序號(hào)13/453，124并且在2012年4月23日遞交的公開的美國專利申請(qǐng)通過引用被全部并入本文。發(fā)明領(lǐng)域[0002]本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求16的虛擬現(xiàn)實(shí)焊接系統(tǒng)以及根據(jù)權(quán)利要求1、5、8和12的用于提供弧焊訓(xùn)練的方法。某些實(shí)施方案涉及虛擬現(xiàn)實(shí)仿真。更特別地，某些實(shí)施方案涉及用于在仿真的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境或增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)環(huán)境中使用實(shí)時(shí)焊縫熔池反饋來提供弧焊訓(xùn)練的系統(tǒng)和方法，以及用于在虛擬現(xiàn)實(shí)焊接系統(tǒng)中提供外部數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和分析的系統(tǒng)和方法。技術(shù)背景[0003]學(xué)習(xí)如何進(jìn)行弧焊傳統(tǒng)上需要許多小時(shí)的指導(dǎo)、訓(xùn)練和練習(xí)。存在可以進(jìn)行學(xué)習(xí)的許多不同類型的弧焊和弧焊工藝。學(xué)員通常使用真實(shí)的焊接系統(tǒng)并且在真實(shí)的金屬工件上執(zhí)行焊接操作來學(xué)習(xí)焊接。這樣的真實(shí)世界的訓(xùn)練會(huì)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(xùn)練想法已經(jīng)變得更加流行。一些焊接仿真經(jīng)由個(gè)人電腦和/或經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)在線實(shí)現(xiàn)?？墒?，當(dāng)前已知的焊接仿真往往被限于其訓(xùn)練重點(diǎn)(focus)。例如，一些焊接仿真將重點(diǎn)放于僅僅針對(duì)“肌肉記憶”的訓(xùn)練，這只不過是訓(xùn)練焊接學(xué)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(shí)際的方式來將重點(diǎn)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(xué)員提供是真實(shí)世界焊接的高度表征的期望反饋。正是這種實(shí)際的反饋引導(dǎo)學(xué)員進(jìn)行必要的調(diào)節(jié)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(xué)習(xí)焊接。[0004]通過將這樣的途徑與如參照附圖在本申請(qǐng)其余內(nèi)容中闡述的本發(fā)明的實(shí)施方案進(jìn)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(diǎn)?！?br/>發(fā)明內(nèi)容】[0005]目標(biāo)是克服本文所提及的限制和缺點(diǎn)。這個(gè)問題通過根據(jù)權(quán)利要求1、5、8和12的方法以及通過根據(jù)權(quán)利要求16的系統(tǒng)來解決。進(jìn)一步的實(shí)施方案是從屬權(quán)利要求的主題?；『阜抡嬉呀?jīng)在虛擬現(xiàn)實(shí)焊接系統(tǒng)上被設(shè)計(jì)，所述虛擬現(xiàn)實(shí)焊接系統(tǒng)提供在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中對(duì)具有實(shí)時(shí)熔融金屬流動(dòng)性特征以及吸熱與散熱特征的焊縫熔池的仿真。數(shù)據(jù)可以被導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實(shí)焊接系統(tǒng)中并且被分析來表示學(xué)生焊工的進(jìn)步的特征并且來提供訓(xùn)練。[0006]根據(jù)實(shí)施方案，虛擬現(xiàn)實(shí)焊接系統(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(gè)模擬焊接工具以及至少一個(gè)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(gè)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(gè)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)。系統(tǒng)能夠在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中仿真焊縫熔池，所述焊縫熔池具有實(shí)時(shí)熔融金屬流動(dòng)性和散熱特性。系統(tǒng)進(jìn)一步能夠在顯示裝置上顯示仿真的焊縫熔池，以描繪真實(shí)世界焊縫。基于學(xué)生表現(xiàn)，系統(tǒng)將顯示評(píng)估的焊縫，所述評(píng)估的焊縫將是可接受的或顯示具有缺陷的焊縫。外部數(shù)據(jù)可以被導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實(shí)焊接系統(tǒng)并且被分析來確定由學(xué)生焊工產(chǎn)生的焊縫的質(zhì)量，或者模型化焊接定制組件的部分用于訓(xùn)練。[0007]—個(gè)實(shí)施方案提供方法。所述方法包括將焊接質(zhì)量參數(shù)的第一數(shù)據(jù)集導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實(shí)焊接系統(tǒng)中，所述焊接質(zhì)量參數(shù)的第一數(shù)據(jù)集表征在對(duì)應(yīng)于限定的焊接工藝的真實(shí)世界焊接活動(dòng)期間由學(xué)生焊工產(chǎn)生的焊縫的質(zhì)量。所述方法還包括使用所述虛擬現(xiàn)實(shí)焊接系統(tǒng)的基于可編程處理器的子系統(tǒng)將儲(chǔ)存在虛擬現(xiàn)實(shí)仿真器上的焊接質(zhì)量參數(shù)的第二數(shù)據(jù)集與所述第一數(shù)據(jù)集相比較，所述焊接質(zhì)量參數(shù)的第二數(shù)據(jù)集表征在所述虛擬現(xiàn)實(shí)焊接系統(tǒng)上在對(duì)應(yīng)于所述限定的焊接工藝的仿真的焊接活動(dòng)期間由所述學(xué)生焊工產(chǎn)生的虛擬焊縫的質(zhì)量。所述方法進(jìn)一步包括響應(yīng)于使用所述虛擬現(xiàn)實(shí)焊接系統(tǒng)的所述基于可編程處理器的子系統(tǒng)的所述比較，產(chǎn)生數(shù)值比較得分。[0008]一個(gè)實(shí)施方案提供方法。所述方法包括將測量的焊接參數(shù)的第一數(shù)據(jù)集導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實(shí)焊接系統(tǒng)中，所述測量的焊接參數(shù)的第一數(shù)據(jù)集在對(duì)應(yīng)于限定的焊接工藝的真實(shí)世界焊接活動(dòng)期間產(chǎn)生，所述真實(shí)世界焊接活動(dòng)由專家焊工使用真實(shí)世界焊接機(jī)器來執(zhí)行。所述方法還包括將仿真的焊接參數(shù)的第二數(shù)據(jù)集儲(chǔ)存在所述虛擬現(xiàn)實(shí)焊接系統(tǒng)上，所述仿真的焊接參數(shù)的第二數(shù)據(jù)集在對(duì)應(yīng)于所述限定的焊接工藝的仿真的焊接活動(dòng)期間、在由學(xué)生焊工使用所述虛擬現(xiàn)實(shí)焊接系統(tǒng)來執(zhí)行所述仿真的焊接活動(dòng)時(shí)產(chǎn)生。所述方法進(jìn)一步包括通過使用所述虛擬現(xiàn)實(shí)焊接系統(tǒng)的基于可編程處理器的子系統(tǒng)將所述第一數(shù)據(jù)集與所述第二數(shù)據(jù)集相比較來計(jì)算多個(gè)學(xué)生焊接質(zhì)量參數(shù)。[0009]一個(gè)實(shí)施方案提供方法。所述方法包括將仿真的焊接參數(shù)的第一數(shù)據(jù)集儲(chǔ)存在所述虛擬現(xiàn)實(shí)焊接系統(tǒng)上，所述仿真的焊接參數(shù)的第一數(shù)據(jù)集在對(duì)應(yīng)于限定的焊接工藝的第一仿真的焊接活動(dòng)期間產(chǎn)生，所述第一仿真的焊接活動(dòng)由專家焊工使用虛擬現(xiàn)實(shí)焊接系統(tǒng)來執(zhí)行。所述方法還包括將仿真的焊接參數(shù)的第二數(shù)據(jù)集儲(chǔ)存在所述虛擬現(xiàn)實(shí)焊接系統(tǒng)上，所述仿真的焊接參數(shù)的第二數(shù)據(jù)集在對(duì)應(yīng)于所述限定的焊接工藝的第二仿真的焊接活動(dòng)期間、在由學(xué)生焊工使用所述虛擬現(xiàn)實(shí)焊接系統(tǒng)來執(zhí)行所述第二仿真的焊接活動(dòng)時(shí)產(chǎn)生。所述方法進(jìn)一步包括通過使用所述虛擬現(xiàn)實(shí)焊接系統(tǒng)的基于可編程處理器的子系統(tǒng)將所述第一數(shù)據(jù)集與所述第二數(shù)據(jù)集相比較來計(jì)算多個(gè)學(xué)生焊接質(zhì)量參數(shù)。[0010]一個(gè)實(shí)施方案提供方法。所述方法包括將表征焊接定制組件的數(shù)字模型導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實(shí)焊接系統(tǒng)中。所述方法還包括使用所述虛擬現(xiàn)實(shí)焊接系統(tǒng)的基于可編程處理器的子系統(tǒng)分析所述數(shù)字模型來將所述數(shù)字模型分為多個(gè)部分，其中所述多個(gè)部分中的每個(gè)部分對(duì)應(yīng)于所述焊接定制組件的單個(gè)焊縫接頭類型。所述方法進(jìn)一步包括使用所述虛擬現(xiàn)實(shí)焊接系統(tǒng)的所述基于可編程處理器的子系統(tǒng)將所述多個(gè)部分中的每個(gè)部分與在所述虛擬現(xiàn)實(shí)焊接系統(tǒng)中模型化的多個(gè)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(hù)的本發(fā)明的這些和其他特點(diǎn)，以及本發(fā)明的圖示說明的實(shí)施方案的細(xì)節(jié)。[0012]附圖的簡要說明[0013]圖1圖示說明在實(shí)時(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下提供弧焊訓(xùn)練的系統(tǒng)的系統(tǒng)方框圖的第一示例性實(shí)施方案；[0014]圖2圖示說明結(jié)合的仿真焊接控制臺(tái)和圖1的系統(tǒng)的觀察者顯示裝置(ODD)的示例性實(shí)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(shí)施方案；[0016]圖4圖示說明圖2的仿真的焊接控制臺(tái)的前部分的示例性實(shí)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(tǒng)的模擬焊接工具(MffT)的示例性實(shí)施方案；[0018]圖6圖示說明圖1的系統(tǒng)的桌臺(tái)/底座(table/stand)(T/S)的示例性實(shí)施方案；[0019]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(shí)施方案；[0020]圖7B圖示說明安裝于圖6的桌臺(tái)/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(shí)施方案的各種部件；[0022]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(shí)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(nèi)的圖9A的FMDD的示例性實(shí)施方案；[0025]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(shí)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(shí)施方案；[0027]圖12圖示說明圖1的系統(tǒng)的功能方框圖的示例性實(shí)施方案；[0028]圖13為使用圖1的虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)的訓(xùn)練方法的實(shí)施方案的流程圖；[0029]圖14A-14B根據(jù)本發(fā)明的實(shí)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(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(shí)施方案；[0031]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(shí)施方案；[0032]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(shí)施方案；[0033]圖18圖示說明圖17的管焊接試樣(WC)的示例性實(shí)施方案；[0034]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(shí)施方案；[0035]圖20圖示說明將焊接質(zhì)量參數(shù)從真實(shí)世界焊接機(jī)器導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實(shí)焊接系統(tǒng)中的概念；[0036]圖21是用以將學(xué)生焊工的真實(shí)世界焊接活動(dòng)與學(xué)生焊工的虛擬焊接活動(dòng)相比較的方法的實(shí)施方案的流程圖；[0037]圖22是用以將學(xué)生焊工的虛擬焊接活動(dòng)與專家焊工的真實(shí)世界焊接活動(dòng)相比較的方法的實(shí)施方案的流程圖；[0038]圖23圖示說明將測量的焊接參數(shù)從真實(shí)世界焊接機(jī)器導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實(shí)焊接系統(tǒng)中的概念；[0039]圖24是產(chǎn)生多個(gè)學(xué)生焊接質(zhì)量參數(shù)和數(shù)值學(xué)生得分的方法的第一實(shí)施方案的流程圖；[0040]圖25是產(chǎn)生多個(gè)學(xué)生焊接質(zhì)量參數(shù)和數(shù)值學(xué)生得分的方法的第二實(shí)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(shù)字模型導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實(shí)焊接系統(tǒng)中的概念；[0042]圖27圖示說明將表征焊接定制部件的數(shù)字模型的部分與多個(gè)焊接試樣相匹配的概念；以及[0043]圖28是產(chǎn)生用于焊接定制部件的虛擬焊接訓(xùn)練程序的方法的實(shí)施方案的流程圖?！揪唧w實(shí)施方式】[0044]本發(fā)明的實(shí)施方案包括虛擬現(xiàn)實(shí)弧焊(VRAW)系統(tǒng)，所述虛擬現(xiàn)實(shí)弧焊系統(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(gè)模擬焊接工具以及至少一個(gè)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(gè)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(gè)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(shí)空間中仿真具有實(shí)時(shí)熔融金屬流動(dòng)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(shí)時(shí)地顯示所述仿真的熔池。當(dāng)被顯示時(shí)，所述仿真的熔池的實(shí)時(shí)熔融金屬流動(dòng)性和散熱特征提供實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)可視反饋而實(shí)時(shí)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(huì)被形成于真實(shí)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(jìn)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(yùn)動(dòng)。如本文所使用的，術(shù)語“實(shí)時(shí)”意指以與使用者在真實(shí)世界的焊接情景下將會(huì)感知和體驗(yàn)的相同的方式，在仿真的環(huán)境下及時(shí)感知和體驗(yàn)。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。如本文所使用的，術(shù)語“虛擬焊件”指的是存在于虛擬現(xiàn)實(shí)空間中的仿真的焊接部件。例如，如本文所描述的已經(jīng)被虛擬焊接的仿真的焊接試樣是虛擬焊件的實(shí)施例。[0045]圖1圖示說明系統(tǒng)100的系統(tǒng)方框圖的示例性實(shí)施方案，系統(tǒng)100在實(shí)時(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)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。系統(tǒng)100進(jìn)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。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(gè)模擬焊接工具(MffT)160。系統(tǒng)100還包括桌臺(tái)/底座(T/S)170，以及能夠被附接到T/S170的至少一個(gè)焊接試樣(WC)180。根據(jù)本發(fā)明可替換的實(shí)施方案，提供模擬氣罐(未示出)，所述模擬氣罐仿真保護(hù)氣體源并具有可調(diào)節(jié)的流量調(diào)校器(flowregulator)。[0046]圖2圖示說明結(jié)合的仿真焊接控制臺(tái)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(shí)施方案。物理WUI130位于控制臺(tái)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(tái)135的頂部分。MffT160放置在附接到控制臺(tái)135的側(cè)部分的托架(holder)中。在內(nèi)部，控制臺(tái)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(shí)施方案。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)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(shí)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(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(jìn)角度以及行進(jìn)速度。這些參數(shù)可以以圖形的形式實(shí)時(shí)被選擇并顯示并且被用于教導(dǎo)適當(dāng)?shù)暮附蛹挤ā４送?，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(yuǎn)離試樣移動(dòng)而造成的。[0049]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(dòng)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(tái)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(jìn)行各種選擇時(shí)，所顯示的特征可以改變以對(duì)使用者提供選擇的信息和其他選項(xiàng)。當(dāng)前第1頁1 2 3 4 5 6