此外，ODD 150可以顯示佩戴FDMM 140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(jiàn)的視圖。ODD 150可以由指導(dǎo)人員和/或?qū)W員出于各種訓(xùn)練目的進(jìn)行觀看。例如，所述視圖可以圍繞已完成的焊縫轉(zhuǎn)動(dòng)，以允許由指導(dǎo)人員進(jìn)行的目檢。根據(jù)本發(fā)明可替換的實(shí)施方案，來(lái)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(yuǎn)端位置，來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)端觀看和/或評(píng)論。另外，可以提供音頻，允許學(xué)員和遠(yuǎn)端指導(dǎo)人員之間的實(shí)時(shí)音頻通信。
[0050]圖4圖示說(shuō)明圖2的仿真的焊接控制臺(tái)135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) 130。而1 130包括對(duì)應(yīng)于顯示在ODD 150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(duì)應(yīng)于顯示在ODD 150上的使用者選擇內(nèi)容153的顏色。當(dāng)按鈕131中的一個(gè)被按下時(shí)，信號(hào)被發(fā)送到PPS 110來(lái)激活對(duì)應(yīng)的功能。WUI 130還包括操縱桿132，操縱桿132能夠被使用者使用來(lái)選擇顯示在ODD 150上的各種參數(shù)和選擇內(nèi)容。WUI 130還包括用于調(diào)節(jié)焊絲送進(jìn)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。WUI 130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(shí)施方案，三種弧焊工藝是可選擇的，包括具有氣體保護(hù)和自保護(hù)過(guò)程的焊劑芯弧焊(FCAW);包含短弧、軸向噴射(axial spray)、STT以及脈沖的氣體保護(hù)金屬極弧焊(GMAW);氣體保護(hù)鎢極弧焊(GTAW);以及包含E6010和E7010電極的自動(dòng)保護(hù)金屬極弧焊(SMAW)。WUI 130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(shí)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(fù)接直流電(DC-) ο
[0051]圖5圖示說(shuō)明圖1的系統(tǒng)100的模擬焊接工具(MffT) 160的示例性實(shí)施方案。圖5的MffT 160仿真用于板焊接(plate welding)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MffD 160上的觸發(fā)裝置用于將信號(hào)傳送到PPS 110來(lái)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(jué)型(tactilely)阻力末端163，用于仿真發(fā)生在例如真實(shí)世界的管焊接中的焊根焊道(root pass)焊接過(guò)程期間或者焊接平板時(shí)的阻力反饋。如果使用者過(guò)于背離焊根移動(dòng)仿真的手工焊條162，該使用者將能夠感覺(jué)或覺(jué)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。
[0052]要考慮的是，手工焊接工具可以包括致動(dòng)器(未示出)，所述致動(dòng)器在虛擬焊接工藝期間縮回仿真的手工焊條162。也就是說(shuō)，當(dāng)使用者從事虛擬焊接活動(dòng)時(shí)，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(lái)仿真焊條的消耗。消耗速率，即手工焊條162的縮回，可以由PPS 110控制，并且更具體地，可以由PPS 110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(shí)，消耗率或手工焊條162的減少可以隨所使用的焊接過(guò)程和/或系統(tǒng)100的設(shè)置而變化。
[0053]根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)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(dòng)焊槍的MWD，所述MffD具有被送進(jìn)通過(guò)所述槍的焊絲焊條。此外，根據(jù)本發(fā)明的其他特定實(shí)施方案，即使在系統(tǒng)100中工具不會(huì)用于實(shí)際上創(chuàng)建真實(shí)的電弧，真實(shí)的焊接工具可以用作MffT 160來(lái)更好地仿真使用者手中的所述工具的實(shí)際感覺(jué)。再者，可以提供仿真的打磨工具(grinding tool)用來(lái)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(lái)在仿真器100的仿真的切割模式下使用。另外，可以提供仿真的氣體保護(hù)鎢極弧焊(GTAW)焊炬或填充物材料，用來(lái)在仿真器100中使用。
[0054]圖6圖示說(shuō)明圖1的系統(tǒng)100的桌臺(tái)/底座(T/S) 170的示例性實(shí)施方案。T/S170包括可調(diào)節(jié)的桌臺(tái)171、底座或基座172、可調(diào)節(jié)的臂173以及立柱174。桌臺(tái)171、底座172以及臂173的每個(gè)被附接到立柱174。桌臺(tái)171和臂173的每個(gè)能夠相對(duì)于立柱174被手動(dòng)地向上、向下和轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)使用者可以將他/她的手臂放于桌臺(tái)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(tái)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WUI 130和ODD 150來(lái)輸入系統(tǒng)。
[0055]根據(jù)本發(fā)明可替換的實(shí)施方案，桌臺(tái)171和臂173的位置可以由PSS 110經(jīng)由預(yù)先編程的設(shè)置內(nèi)容或者經(jīng)由WUI 130和/SODD 150按照使用者的命令自動(dòng)地被設(shè)置。在這樣的可替換實(shí)施方案中，T/S 170包括例如，馬達(dá)和/或伺服機(jī)構(gòu)，并且來(lái)自PPS 110的信號(hào)命令激活所述馬達(dá)和/或伺服機(jī)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明又一可替換的實(shí)施方案，桌臺(tái)171和臂173的位置以及試樣的類型由系統(tǒng)100檢測(cè)。以這種方式，使用者無(wú)需經(jīng)由使用者界面手動(dòng)輸入位置信息。在這樣的可替換實(shí)施方案中，T/S 170包括位置檢測(cè)器和定向檢測(cè)器并且發(fā)送信號(hào)命令到PPS 110來(lái)提供位置和定向信息，而WC 175包括位置檢測(cè)傳感器(例如用于檢測(cè)磁場(chǎng)的線圈傳感器)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，當(dāng)調(diào)節(jié)參數(shù)改變時(shí)，使用者能夠在ODD 150上看到T/S 170調(diào)節(jié)的呈現(xiàn)(rendering)。
[0056]圖7A圖示說(shuō)明圖1的系統(tǒng)100的管焊接試樣(WC) 175的示例性實(shí)施方案。WC 175仿真被放置在一起以形成要焊接的焊根176的兩個(gè)六英寸直徑的管175’和175”。WC 175在WC 175的一端包括連接部分177，允許WC 175以準(zhǔn)確且可重復(fù)的方式被附接到臂173。圖7B圖示說(shuō)明安裝于圖6的桌臺(tái)/底座(T/S) 170的臂173的圖7A的管狀WC 175。WC 175能夠被附接到臂173的所述準(zhǔn)確且可重復(fù)的方式允許WC 175的空間校準(zhǔn)只需在工廠進(jìn)行一次。于是，在實(shí)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(duì)于WC 175追蹤MffT 160和FMDD 140。如圖6所示的，WC 175所附接到的臂173的第一部分能夠相對(duì)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(shí)練習(xí)管焊接。
[0057]圖8圖示說(shuō)明圖1的空間追蹤器(ST) 120的示例性實(shí)施方案的各種部件。ST 120為能夠可操作地與系統(tǒng)100的PPS 110連接的磁性追蹤器。ST 120包括磁源121和源線纜、至少一個(gè)傳感器122及相關(guān)聯(lián)的線纜、存儲(chǔ)盤123上的主機(jī)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PPS 110。存儲(chǔ)盤123上的主機(jī)軟件能夠加載到PPS 110上并且允許ST 120和PPS 110之間的功能通信。
[0058]參考圖6，ST 120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(chǎng)(包括包圍被附接到臂173的WC 175的空間)，所述磁場(chǎng)建立3D空間參考框架。T/S 170大部分為非金屬的(非鐵的或不導(dǎo)電的)，從而不會(huì)使由磁源121創(chuàng)建的磁場(chǎng)畸變(distort)。傳感器122包括沿三個(gè)空間方向正交排列的三個(gè)感應(yīng)線圈。傳感器122的感應(yīng)線圈的每個(gè)測(cè)量磁場(chǎng)在所述三個(gè)方向中的每個(gè)上的強(qiáng)度并將這樣的信息提供給處理器追蹤單元126。因此，當(dāng)WC 175被安裝在臂173上時(shí)，系統(tǒng)100能夠知曉WC 175的任一部分相對(duì)于由磁場(chǎng)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MffT160或FMDD 140，允許MffT 160或FMDD 140相對(duì)于3D空間參考框架在空間和定向二者上被ST 120追蹤。當(dāng)兩個(gè)傳感器122被提供并可操作地連接到處理器追蹤單元126時(shí)，MffT160和FMDD 140 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(shí)空間中創(chuàng)建虛擬WC、虛擬MffT以及虛擬T/S，并且能夠在MffT 160和FMDD 140相對(duì)于3D空間參考框架被追蹤時(shí)，在FMDD 140和/或ODD 150上顯示虛擬WC、虛擬MffT以及虛擬T/S。
[0059]根據(jù)本發(fā)明可替換的實(shí)施方案，一個(gè)或更多個(gè)傳感器122可以無(wú)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(wú)線的方式連接到PPS 110。根據(jù)本發(fā)明的其他可替換實(shí)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(jì)/陀螺儀的追蹤器、光學(xué)追蹤器(有源或無(wú)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)的追蹤系統(tǒng)。其他類型的追蹤器也是可能的。
[0060]圖9A圖示說(shuō)明圖1的系統(tǒng)100的戴于面部的顯示裝置HO(FMDD)的示例性實(shí)施方案。圖9B為圖9A的FMDD 140如何被固定在使用者的頭部上的示意圖。圖9C圖示說(shuō)明被整合到焊接頭盔900中的圖9A的FMDD 140的示例性實(shí)施方案。FMDD 140經(jīng)由有線方式或無(wú)線方式可操作地連接到PPS 110和ST 120。根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施方案，ST 120的傳感器122可以被附接到FMDD 140或焊接頭盔900，允許FMDD 140和/或焊接頭盔900相對(duì)于所創(chuàng)建的3D空間參考框架被ST 120追蹤。
[0061 ] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，F(xiàn)MDD 140包括能夠以2D和幀序列視頻模式傳送流體全活動(dòng)視頻(fluid full-mot1n video)的兩個(gè)高對(duì)比度SVGA 3D OLED微顯示器。虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的視頻被提供并顯示在FMDD 140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(a cheater lens)。
[0062]FMDD 140還包括兩個(gè)耳塞揚(yáng)聲器910，允許使用者聆聽(tīng)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(shí)施方案，F(xiàn)MDD 140可以經(jīng)由有線或無(wú)線方式可操作地連接到PPS 110。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，PPS 110向FMDD 140提供立體視頻，向使用者提供加強(qiáng)的深度感知。根據(jù)本發(fā)明可替換的實(shí)施方案，使用者能夠使用MffT 160上的控制部件(例如按鈕或開關(guān))來(lái)調(diào)用和選擇菜單，并且在FMDD 140上顯示選項(xiàng)。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(diǎn)以重新完成焊道軌跡的一部分時(shí)容易地重置焊接。
[0063]圖10圖示說(shuō)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(shí)施方案。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，PPS 110包括中央處理單元(CPU)Ill和兩個(gè)圖形處理單元(GPU)115。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，兩個(gè)GPU 115被編程以提供具有實(shí)時(shí)恪融金屬流動(dòng)性和吸熱與散熱特征的恪池(又叫焊池(weld pool))的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真。
[0064]圖11圖示說(shuō)明圖10的PPS 110的圖形處理單元(GPU) 115的方框圖的示例性實(shí)施方案。每個(gè)GPU 115支持?jǐn)?shù)據(jù)并行算法的實(shí)現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，每個(gè)GPU 115提供能夠提供兩個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)視圖的兩個(gè)視頻輸出118和119。視頻輸出中的兩個(gè)可以被路由至FMDD 140，給出焊接者的視野，并且第三視頻輸出例如可以被路由至ODD 150，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(gè)GPU115執(zhí)行相同的焊接物理計(jì)算，但可以從相同或不同的視野呈現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境。GPU 115包括統(tǒng)一計(jì)算設(shè)備架構(gòu)(CUDA) 116和著色器117。CUDA 116是軟件開發(fā)商通過(guò)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編程語(yǔ)言可使用的GPU 115的計(jì)算引擎。CUDA 116包括并行核心并且被用于運(yùn)行本文所描述的熔池仿真的物理模型。CPU 111提供實(shí)時(shí)焊接輸入數(shù)據(jù)至GPU 115上的CUDA 116。著色器117負(fù)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(lái)驅(qū)動(dòng)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，物理模型以約每秒30次的速率運(yùn)行和更新。
[0065]圖12圖示說(shuō)明圖1的系統(tǒng)100的功能方框圖的示例性實(shí)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(yùn)行在PPS 110上的軟件指令和模塊實(shí)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(tái)/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(bào)告功能1215、呈現(xiàn)裝置1216、焊道呈現(xiàn)1217、3D紋理1218、視覺(jué)提示功能1219、評(píng)分和公差功能1220、公差編輯器1221以及特殊效果1222。
[0066]內(nèi)部架構(gòu)功能1207提供系統(tǒng)100的處理的更高等級(jí)的軟件運(yùn)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(shí)施方案，內(nèi)部架構(gòu)功能1207運(yùn)行在CPU 111上。針對(duì)PPS 110的特定實(shí)時(shí)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)。
[0067]圖形使用者界面功能1213通過(guò)ODD 150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。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，焊接情景的設(shè)置包括選擇語(yǔ)言，輸入使用者姓名，選擇實(shí)習(xí)板(即焊接試樣)，選擇焊接工藝(例如FCAW、GMAff, SMAff)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(hù)的、氣體保護(hù)的)。焊接情景的設(shè)置還包括選擇T/S 170的桌臺(tái)高度、臂高度、臂位置以及臂轉(zhuǎn)動(dòng)。焊接情景的設(shè)置進(jìn)一步包括選擇環(huán)境(例如虛擬現(xiàn)實(shí)空間中的背景環(huán)境)，設(shè)置焊絲送進(jìn)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(jué)提示。
[0068]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(lái)以圖形格式進(jìn)行顯示(例如在ODD 150上)。來(lái)自ST 120的追蹤信息饋入繪圖功能1214。繪圖功能1214包括簡(jiǎn)單分析模塊(SAM)和抖動(dòng)(whip)/擺動(dòng)(weave)分析模塊(WffAM)。SAM通過(guò)比較焊接參數(shù)和儲(chǔ)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(jìn)角度、行進(jìn)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(dòng)參數(shù)，包括幣狀體間隔、抖動(dòng)時(shí)間以及熔池時(shí)間。WWAM還分析使用者擺動(dòng)參數(shù)，包括擺動(dòng)寬度、擺動(dòng)間隔以及擺動(dòng)定時(shí)。SAM和WffAM將