CN105190725A - 提供组合的虚拟现实弧焊和三维(3d)观看的***和方法 - Google Patents

Abstract

实时虚拟现实焊接***(100,2000,2100)包括基于可编程处理器的子***(110)，所述基于可编程处理器的子***(110)被配置来生成仿真数据，所述仿真数据对应于在虚拟现实空间中的焊接环境的要件；三维(3D)转换单元(2010)，所述三维(3D)转换单元(2010)被可操作地连接到基于可编程处理器的子***(110)并且被配置来以立体3D传输格式将仿真数据的至少一部分转换为3D数据，所述仿真数据表征虚拟焊接环境的至少一部分；以及3D显示便利装置(2110)，所述3D显示便利装置(2110)被可操作地连接到3D转换单元(2010)并且被配置来接收来自3D转换单元(2010)的3D数据以及便利3D数据的立体表征的显示。

Description

提供组合的虚拟现实弧焊和三维(3D)观看的***和方法

本美国专利申请要求2009年7月10日递交的待审定美国专利申请序号12/501,257的优先权，并且是所述待审定美国专利申请的部分继续专利申请，所述待审定美国专利申请通过引用被全部并入本文，并且所述待审定美国专利申请要求2008年8月21日递交的美国临时专利申请序号61/090,794的优先权和权益。

发明领域

本发明涉及根据权利要求1的用于提供弧焊训练的***以及根据权利要求7和11的用于提供弧焊训练的方法。某些实施方案涉及虚拟现实仿真。更特别地，某些实施方案涉及用于在仿真的虚拟现实环境或增强的现实环境中以立体3D传输格式使用实时焊缝熔池反馈和三维(3D)数据来提供弧焊训练的***和方法。

技术背景

学习如何进行弧焊传统上需要许多小时的指导、训练和练习。存在可以进行学习的许多不同类型的弧焊和弧焊工艺。学员通常使用真实的焊接***并且在真实的金属工件上执行焊接操作来学习焊接。这样的真实世界的训练会占用稀缺的焊接资源并耗尽有限的焊接材料。然而，近来使用焊接仿真的训练想法已经变得更加流行。一些焊接仿真经由个人电脑和/或经由互联网在线实现。可是，当前已知的焊接仿真往往被限于其训练重点(focus)。例如，一些焊接仿真将重点放于仅仅针对“肌肉记忆”的训练，这只不过是训练焊接学员如何握持和定位焊接工具。其他焊接仿真也仅是以有限的且常常为不实际的方式来将重点放于示出焊接工艺的视觉效果和音频效果，所述方式不给学员提供是真实世界焊接的高度表征的期望反馈。正是这种实际的反馈引导学员进行必要的调节以完成好的焊接。通过查看电弧和/或熔池而不是通过肌肉记忆来学习焊接。

通过将这样的途径与如参照附图在本申请其余内容中阐述的本发明的实施方案进行比较，本领域技术人员将清楚常规的、传统的以及已提出的途径的其他限制和缺点。

发明内容

本发明的目标是克服本文所提及的限制和缺点。这个问题通过根据权利要求1的用于提供弧焊训练的***以及通过根据权利要求7和11的用于提供弧焊训练的方法来解决。本发明的进一步的实施方案是从属权利要求的主题。弧焊仿真已经被设计，所述弧焊仿真提供在虚拟现实空间中对具有实时熔融金属流动性特征以及吸热与散热特征的焊缝熔池的仿真。以立体3D传输格式的虚拟现实要件(elements)的显示也被提供。

在本发明的实施方案中，虚拟现实焊接***包括基于可编程处理器的子***、空间追踪器、至少一个模拟焊接工具以及至少一个显示装置，所述空间追踪器被可操作地连接到所述基于可编程处理器的子***，所述至少一个模拟焊接工具能够由所述空间追踪器在空间上追踪，所述至少一个显示装置被可操作地连接到所述基于可编程处理器的子***。***能够在虚拟现实空间中仿真焊缝熔池，所述焊缝熔池具有实时熔融金属流动性和散热特性。***进一步能够在显示装置上显示仿真的焊缝熔池，以描绘真实世界焊缝。基于学生表现，***将显示评估的焊缝，所述评估的焊缝将是可接受的或显示具有缺陷的焊缝。

一个实施方案提供***，所述***包括基于可编程处理器的子***，所述基于可编程处理器的子***被配置来生成仿真数据，所述仿真数据对应于在虚拟现实空间实时生成的虚拟焊件。***还包括3D转换单元，所述3D转换单元被可操作地连接到基于可编程处理器的子***并且被配置来以立体3D传输格式将仿真数据的至少一部分转换为3D数据，所述仿真数据表征虚拟焊件的至少一部分。***进一步包括3D显示便利装置，所述3D显示便利装置被可操作地连接到3D转换单元并且被配置来接收来自3D转换单元的3D数据以及便利3D数据的立体表征的显示。3D显示便利装置可以是例如3D投影仪或者3D电视机。虚拟焊件的焊道部分可以由仿真的焊缝熔池产生，所述仿真的焊缝熔池具有实时熔融金属流动性和散热特征，当仿真的焊缝熔池被移动来形成虚拟焊件的焊道部分时，提供仿真的焊缝熔池的实时流动至固化(fluidity-to-solidification)的转变。***可以还包括显示屏和3D眼镜，所述显示屏被可操作地连接到3D显示便利装置并且被配置来显示3D数据的立体表征，所述3D眼镜被配置来由使用者佩戴以将显示屏上的立体3D数据的表征作为3D空间中的3D图像来观看。***可以进一步包括3D使用者界面，所述3D使用者界面可操作地接口连接到3D显示便利装置，并且被配置来允许使用者操控显示屏上的3D数据的立体表征的空间取向。仿真数据可以表征虚拟焊件的至少横截部分。

一个实施方案提供方法，所述方法包括生成仿真数据，所述仿真数据对应于在虚拟现实空间实时生成的仿真的焊道，所述仿真的焊道具有实时焊道痕迹特征。仿真数据可以表征仿真的焊道的至少横截部分。方法还包括以立体3D传输格式将表征焊道的仿真数据转换为3D数据，以及显示3D数据的立体表征。仿真的焊道可以由仿真的焊缝熔池产生，所述仿真的焊缝熔池具有实时熔融金属流动性和散热特征，当仿真的焊缝熔池被移动来形成仿真的焊道时，提供仿真的焊缝熔池的实时流动至固化的转变。显示3D数据的立体表征可以包括将3D数据的立体表征投影到显示屏上。显示3D数据的立体表征可以包括将3D数据的立体表征显示到3D电视机的显示屏上。方法可以进一步包括通过使用3D眼镜来观看3D数据的所显示的立体表征，所述3D眼镜被配置来由使用者佩戴。方法可以还包括操控3D数据的所显示的立体表征的空间取向。

一个实施方案提供方法，所述方法包括生成仿真数据，所述仿真数据对应于在虚拟现实空间中的虚拟焊接环境。方法还包括以立体3D传输格式将仿真数据的一部分转换为3D数据，所述仿真数据表征虚拟焊接环境的一部分，以及显示3D数据的立体表征。虚拟焊接环境的部分可以包括仿真的焊条、仿真的焊接工具、仿真的焊件或者仿真的焊接试样中的一个或更多个。方法可以进一步包括操控3D数据的所显示的立体表征的空间取向。方法还可以包括通过使用3D眼镜来观看3D数据的所显示的立体表征，所述3D眼镜被配置来由使用者佩戴。可替换地，立体3D传输格式可以是自动立体格式，其中3D眼镜没有被用于观看。

从以下的说明和附图将更完整地理解要求保护的本发明的这些和其他特点，以及本发明的图示说明的实施方案的细节。

附图的简要说明

图1图示说明在实时虚拟现实环境下提供弧焊训练的***的***方框图的第一示例性实施方案；

图2图示说明结合的仿真焊接控制台和图1的***的观察者显示装置(ODD)的示例性实施方案；

图3图示说明图2的观察者显示装置(ODD)的示例性实施方案；

图4图示说明图2的仿真的焊接控制台的前部分的示例性实施方案，示出物理焊接使用者界面(WUI)；

图5图示说明图1的***的模拟焊接工具(MWT)的示例性实施方案；

图6图示说明图1的***的桌台/底座(table/stand)(T/S)的示例性实施方案；

图7A图示说明图1的***的管焊接(pipewelding)试样(coupon)(WC)的示例性实施方案；

图7B图示说明安装于图6的桌台/底座(T/S)的臂的图7A的管状WC；

图8图示说明图1的空间追踪器(ST)的示例性实施方案的各种部件；

图9A图示说明图1的***的戴于面部的(face-mounted)显示装置(FMDD)的示例性实施方案；

图9B为图9A的FMDD如何被固定在使用者的头部上的示意图；

图9C图示说明安装于焊接头盔内的图9A的FMDD的示例性实施方案；

图10图示说明图1的***的基于可编程处理器的子***(PPS)的子***方框图的示例性实施方案；

图11图示说明图10的PPS的图形处理单元(GPU)的方框图的示例性实施方案；

图12图示说明图1的***的功能方框图的示例性实施方案；

图13为使用图1的虚拟现实训练***的训练方法的实施方案的流程图；

图14A-14B根据本发明的实施方案图示说明焊接像元(weldingpixel)(焊元(wexel))移置图(displacementmap)的概念；

图15图示说明仿真于图1的***中的平坦焊接试样(WC)的试样空间(couponspace)和焊缝空间(weldspace)的示例性实施方案；

图16图示说明仿真于图1的***中的拐角(T型接头)焊接试样(WC)的试样空间和焊缝空间的示例性实施方案；

图17图示说明仿真于图1的***中的管焊接试样(WC)的试样空间和焊缝空间的示例性实施方案；

图18图示说明图17的管焊接试样(WC)的示例性实施方案；

]图19A-19C图示说明图1的***的双移置熔池模型的概念的示例性实施方案；

图20图示说明在实时虚拟现实环境下提供弧焊训练的***的***方框图的第二示例性实施方案；以及

图21图示说明提供虚拟要件的立体3D观看的***的***方框图的示例性实施方案，所述虚拟要件，作为虚拟焊接环境的部分，使用图20的***被生成。

具体实施方式

本发明的实施方案包括虚拟现实弧焊(VRAW)***，所述虚拟现实弧焊***包括基于可编程处理器的子***、空间追踪器、至少一个模拟焊接工具以及至少一个显示装置，所述空间追踪器可操作地连接到所述基于可编程处理器的子***，所述至少一个模拟焊接工具能够被所述空间追踪器在空间上追踪，所述至少一个显示装置可操作地连接到所述基于可编程处理器的子***。所述***能够在虚拟现实空间中仿真具有实时熔融金属流动性和散热特征的熔池。所述***还能够在所述显示装置上实时地显示所述仿真的熔池。当被显示时，所述仿真的熔池的实时熔融金属流动性和散热特征提供实时可视反馈给所述模拟焊接工具的使用者，允许所述使用者响应于所述实时可视反馈而实时地调节或保持焊接技法(即帮助使用者正确地学习焊接)。所显示的熔池是基于使用者的焊接技法和所选择的焊接工艺与参数而将会被形成于真实世界中的熔池的表征。通过观看熔池(例如形状、颜色、熔渣、大小、堆叠的币状体(stackeddimes))，使用者可以修正其技法来进行良好的焊接并确定被完成的焊接类型。所述熔池的形状响应于焊枪或焊条的运动。如本文所使用的，术语“实时”意指以与使用者在真实世界的焊接情景下将会感知和体验的相同的方式，在仿真的环境下及时感知和体验。此外，所述熔池响应于包括重力的物理环境的作用，允许使用者以各种位置(包括仰焊(overheadwelding))和各种管焊接角度(例如1G、2G、5G、6G)逼真地练习焊接。如本文所使用的，术语“虚拟焊件”指的是存在于虚拟现实空间中的仿真的焊接部件。例如，如本文所描述的已经被虚拟焊接的仿真的焊接试样是虚拟焊件的实施例。

图1图示说明***100的***方框图的示例性实施方案，***100在实时虚拟现实环境下提供弧焊训练。***100包括基于可编程处理器的子***(PPS)110。***100进一步包括可操作地连接到PPS110的空间追踪器(ST)120。***100还包括可操作地连接到PPS110的物理焊接使用者界面(WUI)130，以及可操作地连接到PPS110和ST120的戴于面部的显示装置(FMDD)140。***100还包括可操作地连接到PPS110的观察者显示装置(ODD)150。***100还包括可操作地连接到ST120和PPS110的至少一个模拟焊接工具(MWT)160。***100还包括桌台/底座(T/S)170，以及能够被附接到T/S170的至少一个焊接试样(WC)180。根据本发明可替换的实施方案，提供模拟气罐(未示出)，所述模拟气罐仿真保护气体源并具有可调节的流量调校器(flowregulator)。

图2图示说明结合的仿真焊接控制台135(仿真焊接电源使用者界面)和图1的***100的观察者显示装置(ODD)150的示例性实施方案。物理WUI130位于控制台135的前部分上，并且提供旋钮(knobs)、按钮以及操纵杆，用于各种模式和功能的使用者选择。ODD150被附接到控制台135的顶部分。MWT160放置在附接到控制台135的侧部分的托架(holder)中。在内部，控制台135容纳PPS110以及ST120的一部分。

图3图示说明图2的观察者显示装置(ODD)150的示例性实施方案。根据本发明的实施方案，ODD150为液晶显示(LCD)装置。其他显示装置也是可能的。例如，根据本发明的另一实施方案，ODD150可以为触控屏幕显示器。ODD150从PPS110接收视频(例如SVGA格式)并且显示来自PPS110的信息。

如图3所示，ODD150能够显示呈现各种焊接参数151的第一使用者场景，焊接参数151包括位置、末端到工件间隙(tiptowork)、焊接角度、行进角度以及行进速度。这些参数可以以图形的形式实时被选择并显示并且被用于教导适当的焊接技法。此外，如图3所示的，ODD150能够显示仿真的焊接不连贯性状态152，包括例如不适当的焊缝大小、不佳的焊道布置、凹入的焊道、过于外凸、咬边、多孔、未焊透、夹渣、过度飞溅、过度填充以及烧穿(焊穿)。咬边是熔入邻近焊缝或焊缝焊根(root)的基底金属的且没有被焊缝金属填充的凹槽(groove)。咬边常常是由于不正确的焊接角度造成的。多孔是由固化期间的夹气形成的空腔类不连贯，常常是由电弧过于远离试样移动而造成的。

再有，如图3所示的，ODD150能够显示使用者选择内容153，包括菜单、动作、视觉提示、新试样以及最终行程(endpass)。这些使用者选择内容被关联到控制台135上的使用者按钮。当使用者经由例如ODD150的触控屏幕或者经由物理WUI130进行各种选择时，所显示的特征可以改变以对使用者提供选择的信息和其他选项。此外，ODD150可以显示佩戴FDMM140的焊接者以与所述焊接者相同角度的视野或者以各种不同的角度(例如由指导人员选择的)可见的视图。ODD150可以由指导人员和/或学员出于各种训练目的进行观看。例如，所述视图可以围绕已完成的焊缝转动，以允许由指导人员进行的目检。根据本发明可替换的实施方案，来自***100的视频可以经由例如互联网被发送到远端位置，来进行远端观看和/或评论。另外，可以提供音频，允许学员和远端指导人员之间的实时音频通信。

图4图示说明图2的仿真的焊接控制台135的前部分的示例性实施方案，示出物理焊接使用者界面(WUI)130。WUI130包括对应于显示在ODD150上的使用者选择内容153的一组按钮131。按钮131被着色以对应于显示在ODD150上的使用者选择内容153的颜色。当按钮131中的一个被按下时，信号被发送到PPS110来激活对应的功能。WUI130还包括操纵杆132，操纵杆132能够被使用者使用来选择显示在ODD150上的各种参数和选择内容。WUI130还包括用于调节焊丝送进速度/安培数的刻度盘或旋钮133，以及用于调节伏特/微调的另一刻度盘或旋钮134。WUI130还包括用于选择弧焊工艺的刻度盘或旋钮136。根据本发明的实施方案，三种弧焊工艺是可选择的，包括具有气体保护和自保护过程的焊剂芯弧焊(FCAW)；包含短弧、轴向喷射(axialspray)、STT以及脉冲的气体保护金属极弧焊(GMAW)；气体保护钨极弧焊(GTAW)；以及包含E6010和E7010电极的自动保护金属极弧焊(SMAW)。WUI130还包括用于选择焊接极性的刻度盘或旋钮137。根据本发明的实施方案，三种弧焊极性是可选择的，包括交流电(AC)、正接直流电(DC+)以及负接直流电(DC-)。

图5图示说明图1的***100的模拟焊接工具(MWT)160的示例性实施方案。图5的MWT160仿真用于板焊接(platewelding)和管焊接的手工焊接工具，并且包括夹持器161和仿真的手工焊条162。在MWD160上的触发装置用于将信号传送到PPS110来激活所选择的仿真的焊接工艺。仿真的手工焊条162包括触觉型(tactilely)阻力末端163，用于仿真发生在例如真实世界的管焊接中的焊根焊道(rootpass)焊接过程期间或者焊接平板时的阻力反馈。如果使用者过于背离焊根移动仿真的手工焊条162，该使用者将能够感觉或觉察到较低的阻力，从而获得用于调节或保持当前焊接工艺的反馈。

要考虑的是，手工焊接工具可以包括致动器(未示出)，所述致动器在虚拟焊接工艺期间缩回仿真的手工焊条162。也就是说，当使用者从事虚拟焊接活动时，夹持器161和仿真的手工焊条162的末端之间的距离被减小来仿真焊条的消耗。消耗速率，即手工焊条162的缩回，可以由PPS110控制，并且更具体地，可以由PPS110执行的编码指令控制。仿真的消耗速率还可以取决于使用者的技法。在此值得一提的是，当***100便利利用不同类型焊条的虚拟焊接时，消耗率或手工焊条162的减少可以随所使用的焊接过程和/或***100的设置而变化。

根据本发明的其他实施方案，其他模拟焊接工具也是可能的，包括例如仿真手持半自动焊枪的MWD，所述MWD具有被送进通过所述枪的焊丝焊条。此外，根据本发明的其他特定实施方案，即使在***100中工具不会用于实际上创建真实的电弧，真实的焊接工具可以用作MWT160来更好地仿真使用者手中的所述工具的实际感觉。再者，可以提供仿真的打磨工具(grindingtool)用来在仿真器100的仿真的打磨模式下使用。类似地，可以提供仿真的切割工具，用来在仿真器100的仿真的切割模式下使用。另外，可以提供仿真的气体保护钨极弧焊(GTAW)焊炬或填充物材料，用来在仿真器100中使用。

图6图示说明图1的***100的桌台/底座(T/S)170的示例性实施方案。T/S170包括可调节的桌台171、底座或基座172、可调节的臂173以及立柱174。桌台171、底座172以及臂173的每个被附接到立柱174。桌台171和臂173的每个能够相对于立柱174被手动地向上、向下和转动地调节。臂173用于支撑各种焊接试样(例如焊接试样175)，并且在训练时使用者可以将他/她的手臂放于桌台171上。立柱174被标记有位置信息从而使用者可以确切地知晓臂173的所在位置，并且桌台171被垂直地固定在柱171上。这种垂直位置信息可以由使用者使用WUI130和ODD150来输入***。

根据本发明可替换的实施方案，桌台171和臂173的位置可以由PSS110经由预先编程的设置内容或者经由WUI130和/或ODD150按照使用者的命令自动地被设置。在这样的可替换实施方案中，T/S170包括例如，马达和/或伺服机构，并且来自PPS110的信号命令激活所述马达和/或伺服机构。根据本发明又一可替换的实施方案，桌台171和臂173的位置以及试样的类型由***100检测。以这种方式，使用者无需经由使用者界面手动输入位置信息。在这样的可替换实施方案中，T/S170包括位置检测器和定向检测器并且发送信号命令到PPS110来提供位置和定向信息，而WC175包括位置检测传感器(例如用于检测磁场的线圈传感器)。根据本发明的实施方案，当调节参数改变时，使用者能够在ODD150上看到T/S170调节的呈现(rendering)。

图7A图示说明图1的***100的管焊接试样(WC)175的示例性实施方案。WC175仿真被放置在一起以形成要焊接的焊根176的两个六英寸直径的管175'和175”。WC175在WC175的一端包括连接部分177，允许WC175以准确且可重复的方式被附接到臂173。图7B图示说明安装于图6的桌台/底座(T/S)170的臂173的图7A的管状WC175。WC175能够被附接到臂173的所述准确且可重复的方式允许WC175的空间校准只需在工厂进行一次。于是，在实践中，只要***100被告知臂173的位置，***100能够在虚拟环境下相对于WC175追踪MWT160和FMDD140。如图6所示的，WC175所附接到的臂173的第一部分能够相对于臂173的第二部分倾斜(tilt)。这允许使用者在管处于数种不同定向和角度中的任一种时练习管焊接。

图8图示说明图1的空间追踪器(ST)120的示例性实施方案的各种部件。ST120为能够可操作地与***100的PPS110连接的磁性追踪器。ST120包括磁源121和源线缆、至少一个传感器122及相关联的线缆、存储盘123上的主机软件、电源124及相关联的线缆、USB和RS-232线缆125以及处理器追踪单元126。磁源121能够经由线缆可操作地连接到处理器追踪单元126。传感器122能够经由线缆可操作地连接到处理器追踪单元126。电源124能够经由线缆可操作地连接到处理器追踪单元126。处理器追踪单元126能够经由USB或RS-232线缆125可操作地连接到PPS110。存储盘123上的主机软件能够加载到PPS110上并且允许ST120和PPS110之间的功能通信。

参考图6，ST120的磁源121被安装在臂173的第一部分上。磁源121创建围绕源121的磁场(包括包围被附接到臂173的WC175的空间)，所述磁场建立3D空间参考框架。T/S170大部分为非金属的(非铁的或不导电的)，从而不会使由磁源121创建的磁场畸变(distort)。传感器122包括沿三个空间方向正交排列的三个感应线圈。传感器122的感应线圈的每个测量磁场在所述三个方向中的每个上的强度并将这样的信息提供给处理器追踪单元126。因此，当WC175被安装在臂173上时，***100能够知晓WC175的任一部分相对于由磁场建立的3D空间参考框架的位置所在。传感器122可以被附接到MWT160或FMDD140，允许MWT160或FMDD140相对于3D空间参考框架在空间和定向二者上被ST120追踪。当两个传感器122被提供并可操作地连接到处理器追踪单元126时，MWT160和FMDD140二者都可以被追踪。以这种方式，***100能够在虚拟现实空间中创建虚拟WC、虚拟MWT以及虚拟T/S，并且能够在MWT160和FMDD140相对于3D空间参考框架被追踪时，在FMDD140和/或ODD150上显示虚拟WC、虚拟MWT以及虚拟T/S。

根据本发明可替换的实施方案，一个或更多个传感器122可以无线的方式连接到处理器追踪单元126，并且处理器追踪单元126可以无线的方式连接到PPS110。根据本发明的其他可替换实施方案，其他类型的空间追踪器120可以用于***100，例如包括基于加速度计/陀螺仪的追踪器、光学追踪器(有源或无源)、红外追踪器、声学追踪器、激光追踪器、射频追踪器、惯性追踪器以及基于增强现实的追踪***。其他类型的追踪器也是可能的。

图9A图示说明图1的***100的戴于面部的显示装置140(FMDD)的示例性实施方案。图9B为图9A的FMDD140如何被固定在使用者的头部上的示意图。图9C图示说明被整合到焊接头盔900中的图9A的FMDD140的示例性实施方案。FMDD140经由有线方式或无线方式可操作地连接到PPS110和ST120。根据本发明的各种实施方案，ST120的传感器122可以被附接到FMDD140或焊接头盔900，允许FMDD140和/或焊接头盔900相对于所创建的3D空间参考框架被ST120追踪。

根据本发明的实施方案，FMDD140包括能够以2D和帧序列视频模式传送流体全活动视频(fluidfull-motionvideo)的两个高对比度SVGA3DOLED微显示器。虚拟现实环境的视频被提供并显示在FMDD140上。例如可以提供缩放(例如2倍(2X))模式，允许使用者仿真更加以假乱真的镜头(acheaterlens)。

FMDD140还包括两个耳塞扬声器910，允许使用者聆听由***100生成的仿真的焊接相关声音和环境声音。根据本发明的各种实施方案，FMDD140可以经由有线或无线方式可操作地连接到PPS110。根据本发明的实施方案，PPS110向FMDD140提供立体视频，向使用者提供加强的深度感知。根据本发明可替换的实施方案，使用者能够使用MWT160上的控制部件(例如按钮或开关)来调用和选择菜单，并且在FMDD140上显示选项。这可以允许使用者在其出现失误、改变特定参数或者例如回退一点以重新完成焊道轨迹的一部分时容易地重置焊接。

图10图示说明图1的***100的基于可编程处理器的子***(PPS)110的子***方框图的示例性实施方案。根据本发明的实施方案，PPS110包括中央处理单元(CPU)111和两个图形处理单元(GPU)115。根据本发明的实施方案，两个GPU115被编程以提供具有实时熔融金属流动性和吸热与散热特征的熔池(又叫焊池(weldpool))的虚拟现实仿真。

图11图示说明图10的PPS110的图形处理单元(GPU)115的方框图的示例性实施方案。每个GPU115支持数据并行算法的实现。根据本发明的实施方案，每个GPU115提供能够提供两个虚拟现实视图的两个视频输出118和119。视频输出中的两个可以被路由至FMDD140，给出焊接者的视野，并且第三视频输出例如可以被路由至ODD150，呈现焊接者的视野或者一些其他的视野。余下的第四视频输出例如可以被路由至投影仪。两个GPU115执行相同的焊接物理计算，但可以从相同或不同的视野呈现虚拟现实环境。GPU115包括统一计算设备架构(CUDA)116和着色器117。CUDA116是软件开发商通过行业标准编程语言可使用的GPU115的计算引擎。CUDA116包括并行核心并且被用于运行本文所描述的熔池仿真的物理模型。CPU111提供实时焊接输入数据至GPU115上的CUDA116。着色器117负责绘制并应用全部的仿真画面。焊道和熔池画面由本文稍后描述的焊元移置图的状态来驱动。根据本发明的实施方案，物理模型以约每秒30次的速率运行和更新。

图12图示说明图1的***100的功能方框图的示例性实施方案。如图12所示的***100的各种功能块大部分经由运行在PPS110上的软件指令和模块实现。***100的各种功能块包括物理界面1201、焊炬和夹具模型1202、环境模型1203、声音内容功能1204、焊接声音1205、桌台/底座模型1206、内部架构功能1207、校准功能1208、试样模型1210、焊接物理1211、内部物理调节工具(调整装置(tweaker))1212、图形使用者界面功能1213、绘图功能1214、学员报告功能1215、呈现装置1216、焊道呈现1217、3D纹理1218、视觉提示功能1219、评分和公差功能1220、公差编辑器1221以及特殊效果1222。

内部架构功能1207提供***100的处理的更高等级的软件运算，包括例如加载文件、保持信息、管理线程、启用物理模型以及触发菜单。根据本发明的实施方案，内部架构功能1207运行在CPU111上。针对PPS110的特定实时输入包括电弧位置、焊枪位置、FMDD或头盔位置、焊枪启用/关闭状态以及接触产生的状态(是/否)。

图形使用者界面功能1213通过ODD150允许使用者使用物理使用者界面130的操纵杆132设置焊接情景。根据本发明的实施方案，焊接情景的设置包括选择语言，输入使用者姓名，选择实***，设置安培数，选择极性以及启用或关闭特定视觉提示。

在仿真的焊接情景期间，绘图功能1214收集使用者表现参数并将所述使用者表现参数提供至图形使用者界面功能1213，来以图形格式进行显示(例如在ODD150上)。来自ST120的追踪信息馈入绘图功能1214。绘图功能1214包括简单分析模块(SAM)和抖动(whip)/摆动(weave)分析模块(WWAM)。SAM通过比较焊接参数和储存在焊道表格中的数据分析使用者焊接参数，所述使用者焊接参数包括焊接行进角度、行进速度、焊接角度、位置以及末端到工件间隙距离。WWAM分析使用者抖动参数，包括币状体间隔、抖动时间以及熔池时间。WWAM还分析使用者摆动参数，包括摆动宽度、摆动间隔以及摆动定时。SAM和WWAM将原输入数据(例如位置和定向数据)解释为在功能上可使用的数据，用于进行绘图。针对由SAM和WWAM分析的每个参数，公差窗口由参数限制(parameterlimits)围绕使用公差编辑器1221输入焊道表格的最佳或理想设定值来限定，并且评分和公差功能1220被执行。

公差编辑器1221包括估计材料使用、电气使用和焊接时间的焊接度量计(weldometer)。此外，当特定参数超出公差时，可能发生焊接不连贯(即焊接缺陷)。任何焊接不连贯的状态由绘图功能1214处理并经由图形使用者界面功能1213以图形格式呈现。这样的焊接不连贯包括不适当的焊缝大小、不佳的焊道布置、凹入的焊道、过于外凸、咬边、多孔、未焊透、夹渣(slagentrapment)、过度填充、烧穿以及过度飞溅。根据本发明的实施方案，不连贯的等级或量取决于特定使用者参数偏离最佳或理想的设定点的程度。

不同的参数限制可以针对不同类别的使用者(例如焊接初学者、焊接专家以及在交易展览会中的人)被预先限定。评分和公差功能1220根据使用者接近针对特定参数的最佳(理想)值的程度并且根据出现在焊接中的不连贯或缺陷的等级提供数字评分。所述最佳值是从真实世界数据获得的。来自评分和公差功能1220和来自绘图功能1214的信息可以被学员报告功能1215使用，来为指导人员和/或学员创建表现报告。

***100能够分析和显示虚拟焊接活动的结果。通过分析所述结果，意味着***能够确定在该焊接行程期间是何时以及沿焊接接缝是何处，使用者偏离焊接工艺可接受的限定范围。评分可以归因于使用者的表现。在一个实施方案中，评分可以是在多个公差范围上模拟焊接工具160在位置、定向和速度上的偏离的函数，这可以从理想的焊接行程延伸到临界的或不可接受的焊接活动。根据用于对使用者的表现进行评分的选择，多个范围的任何梯度均可以被包括在***100中。评分可以以数字的方式或字母数字的方式来显示。此外，使用者的表现可以以图形的方式来显示，在时间上和/或沿焊接接缝的位置上示出所述模拟焊接工具如何接近地横过焊接接缝。诸如行进角度、加工角度、速度以及离焊接接缝的距离的参数是可以被测量的内容的例子，然而出于评分的目的任何参数均可以被分析。所述参数的公差范围取自真实世界的焊接数据，从而提供关于使用者在真实世界中将会如何表现的准确反馈。在另一实施方案中，与使用者的表现对应的缺陷的分析也可以被包括并显示在ODD150上。在这个实施方案中，可以描绘示出由测量在虚拟焊接活动期间所监控的各种参数而造成的不连贯是何种类型的图形。尽管“吸留(occlusions)”在ODD150上可能不是可视的，但由于使用者的表现，缺陷仍可能已经发生，使用者的表现结果仍可能会相应地被显示(即图形化)。

视觉提示功能1219通过在FMDD140和/或ODD150上显示覆盖的颜色和指示标记，向使用者提供立即的反馈。针对焊接参数151中的每个提供视觉提示，焊接参数151包括位置、末端到工件间隙距离、焊接角度、行进角度、行进速度以及电弧长度(例如针对手工焊接)，并且如果基于预先限定的限制或公差，使用者的焊接技法的某些方面应当被调节，则在视觉上指示所述使用者。例如，还可以针对抖动/摆动技法以及焊道“币状体”间隔提供视觉提示。视觉提示可以独立地或以任何期望的组合被设置。

校准功能1208提供使真实世界空间(3D参考框架)中的实物部件与虚拟现实空间中的可视部件匹配的能力。通过将WC安装到T/S170的臂173上，并且利用可操作地连接到ST120的校准笔(stylus)接触WC预先限定的点(例如由WC上的三处浅凹指示的)，每种不同类型的焊接试样(WC)在工厂中被校准。ST120读取所述预先限定的点处的磁场强度，提供位置信息至PPS110，并且PPS110使用所述位置信息来进行所述校准(即从真实世界空间到虚拟现实空间的转换)。

任一特定类型的WC在非常严格的公差之内以相同的可重复方式装入T/S170的臂173。因而，一旦特定WC类型被校准，该WC类型无需被重复校准(即特定类型的WC的校准是一次性事件)。相同类型的WC是可互换的。校准确保使用者在焊接工艺期间所感知的物理反馈匹配在虚拟现实空间中向所述使用者显示的内容，使得仿真看上去更加真实。例如，如果使用者围绕实际WC180的拐角滑动MWT160的末端，所述使用者将会在FMDD140上看到所述末端围绕虚拟WC的拐角滑动，就像所述使用者感觉到的所述末端围绕所述实际的拐角滑动那样。根据本发明的实施方案，MWT160被放置在预先定位的架子(jig)上并且也基于已知的架子位置被校准。

根据本发明可替换的实施方案，提供例如在试样的拐角上具有传感器的“智能”试样。ST120能够追踪“智能”试样的拐角，从而***100连续地知晓“智能”试样在真实世界3D空间中的位置。根据本发明的又一可替换实施方案，提供许可密钥来“解锁”焊接试样。当特定WC被购买时，提供许可密钥，允许使用者将所述许可密钥输入***100，解锁与该WC相关联的软件。根据本发明的另一实施方案，基于部件的真实世界CAD制图，可以提供特殊的非标准焊接试样。使用者甚至可以在部件于真实世界中实际上被生成之前，能够训练焊接CAD部件。

声音内容功能1204和焊接声音1205提供具体类型的焊接声音，所述焊接声音根据特定焊接参数是否在公差内或超出公差而改变。声音根据各种焊接工艺和参数来调整。例如，在MIG喷弧焊工艺中，当使用者未使MWT160正确定位时提供噼啪的声音，而当MWT160被正确定位时提供嘶嘶的声音。在短弧焊接工艺中，针对适当的焊接技法提供稳定的噼啪声或“油煎”声(fryingsound)，而当发生咬边时可以提供嘶嘶的声音。这些声音模仿(mimic)对应于正确和错误焊接技法的真实世界的声音。

根据本发明的各种实施方案，高保真声音内容可以使用各种电子和机械装置取自实际焊接的真实世界录音。根据本发明的实施方案，所感知的声音的音量和方向性根据使用者的头部(假设使用者正佩戴由ST120追踪的FMDD140)相对于MWT160和WC180之间的仿真的电弧的位置、定向和距离而改变。例如，声音可以经由FMDD140中的耳塞扬声器910或经由配置在控制台135或T/S170中的扬声器被提供给使用者。

提供环境模型1203来提供虚拟现实空间中的各种背景场景(静止的和运动的)。这样的背景环境可以包括，例如室内焊接车间、室外跑道、车库等，并且可以包括移动的车辆、人、鸟、云以及各种环境声音。根据本发明的实施方案，背景环境可以为交互的。例如，使用者可以在开始焊接之前，需要审视(survey)背景区域以确保环境适于(例如安全)进行焊接。焊炬和夹具模型1202被提供来在虚拟现实空间中建模各种MWT160(包括例如枪、具有手工焊条的托架等)。

试样模型1210被提供来在虚拟现实空间中建模各种WC180，WC180包括例如平板试样、T-接头试样、对接-接头试样、坡口焊道试样以及管状试样(例如2英寸直径的管和6英寸直径的管)。底座/桌台模型1206被提供来在虚拟现实空间中建模T/S170的各种部件，T/S170的各种部件包括可调节的桌台171、底座172、可调节的臂173以及立柱174。物理界面模型1201被提供来在虚拟现实空间中建模焊接使用者界面130、控制台135以及ODD150的各种部件。

根据本发明的实施方案，实现了虚拟现实空间中的熔池或焊池的仿真，其中所述仿真的熔池具有实时熔融金属流动性和散热特征。根据本发明的实施方案，位于熔池仿真的中心的是运行在GPU115上的焊接物理功能1211(又叫物理模型)。焊接物理功能采用双移置层技术来准确地建模动态流动性/粘滞性(viscosity)、凝固性、热梯度(吸热与散热)、熔池痕迹(wake)以及焊道形状，并且本文结合图14A-14C对此进行更详细的描述。

焊接物理功能1211与焊道呈现功能1217连通，来表现焊道从热熔融状态到冷却固化状态之间的全部状态。焊道呈现功能1217使用来自焊接物理功能1211的信息(例如热、流动性、移置、币状体间隔)，来准确地且逼真地以实时的方式在虚拟现实空间中呈现焊道。3D纹理功能1218将纹理图(texturemaps)提供至焊道呈现功能1217，来使附加的纹理(例如焦痕(scorching)、熔渣、颗粒(grain))覆盖到仿真的焊道上。例如，在焊接过程中或焊接过程刚刚结束，熔渣可以被示出出现于焊道上，并且然后被移动以露出下面的焊道。呈现装置功能1216用于使用来自特殊效果模块1222的信息表现各种非熔池的具体特征，包括火星(sparks)、飞溅(spatter)、烟尘、电弧光、烟和气体以及特定不连贯性(例如咬边和多孔)。

内部物理调节工具1212是允许各种焊接物理参数针对各种焊接工艺被限定、更新和修改的调整装置。根据本发明的实施方案，内部物理调节工具1212运行在CPU111上并且调节的或更新的参数被下载到GPU115中。可以经由内部物理调节工具1212被调节的参数类型包括与焊接试样相关联的参数、允许工艺被改变而无需重置焊接试样(允许形成第二焊道(pass))的工艺参数、可以被改变而不会重置整个仿真的各种全局参数以及各种其他参数。

图13为使用图1的虚拟现实***100的训练方法1300的实施方案的流程图。在步骤1310中，按照焊接技法相对于焊接试样移动模拟焊接工具；在步骤1320中，使用虚拟现实***在三维空间内追踪模拟焊接工具的位置和定向；在步骤1330中，观看所述虚拟现实焊接***的显示画面，在仿真的模拟焊接工具通过在从所述仿真的模拟焊接工具射出的仿真的电弧附近形成仿真的熔池，来将仿真的焊道材料堆积到所述仿真的焊接试样的至少一个仿真的表面上时，所述显示画面示出所述模拟焊接工具和所述焊接试样在虚拟现实空间中的实时虚拟现实仿真；在步骤1340中，在所述显示画面上观看所述仿真的熔池的实时熔融金属流动性和散热特征；在步骤1350中，响应于观看所述仿真的熔池的所述实时熔融金属流动性和散热特征而实时地改变所述焊接技法的至少一个方面。

方法1300图示说明使用者如何能够观看虚拟现实空间中的熔池并响应于观看仿真的熔池的各种特征(包括实时熔融金属流动性(例如粘滞性)和散热)而改变其焊接技法。使用者还可以观看并响应于其他特征，包括实时熔池痕迹和币状体间隔。观看并响应于熔池的特征是大多数的焊接操作是如何在真实世界中实际上被执行的。焊接物理功能1211的双移置层模型运行在GPU115上，允许这样的实时熔融金属流动性和散热特征被准确地建模并向使用者展示。例如，散热确定固化时间(即焊元需要多少时间彻底地固化)。

另外，使用者可以使用相同或不同的(例如第二)模拟焊接工具和/或焊接工艺，在焊道材料上完成第二焊道。在这样的第二焊道情景中，在仿真的模拟焊接工具通过在从仿真的模拟焊接工具射出的仿真的电弧附近形成第二仿真的熔池，堆积与第一仿真的焊道材料结合的第二仿真的焊道材料时，所述仿真示出虚拟现实空间中的所述仿真的模拟焊接工具、焊接试样以及原始的仿真焊道材料。可以以类似的方式形成使用相同或不同的焊接工具或工艺的附加的后续焊道。根据本发明的特定实施方案，当由先前的焊道材料、新焊道材料以及有可能在下面的试样材料中的任何组合在虚拟现实世界中形成新熔池时，在任一第二或后续焊道中，先前的焊道材料与被堆积的新焊道材料结合。可能需要这样的后续焊道来形成大的填角焊缝或坡口焊缝，例如被执行来修复由先前的焊道形成的焊道，或者可以包括高温焊道(hotpass)和在管焊接中完成焊根焊道后的一个或更多个填充和盖面(cap)焊道。根据本发明的各种实施方案，焊道和基底材料可以包括软钢、不锈钢、铝、基于镍的合金或者其他材料。

图14A-14B根据本发明的实施方案图示说明焊接元(焊元)移置图1420的概念。图14A示出具有平坦顶部表面1410的平坦焊接试样(WC)1400的侧视图。焊接试样1400以例如塑料部件的形式存在于真实世界中，并且还可以以仿真的焊接试样的形式存在于虚拟现实空间中。图14B示出仿真的WC1400的顶部表面1410的表征，所述顶部表面1410被分解为形成焊元图1420的焊接元(即焊元)的网格或阵列。每个焊元(例如，焊元1421)限定焊接试样的表面1410的一小部分。焊元图限定了表面分辨率。可改变的通道(channel)参数值被分配给每个焊元，允许每个焊元的值于仿真的焊接工艺期间，在虚拟现实焊缝空间中以实时的方式动态地改变。所述可改变的通道参数值对应于通道熔池(熔融金属流动性/粘滞性移置)、热(吸热/散热)、移置(固体移置)、以及额外内容(各种额外状态，例如熔渣、颗粒、焦痕、原始金属(virginmetal))。本文中将这些可改变的通道称为PHED，PHED分别对应熔池、热、额外内容以及移置。

图15图示说明仿真于图1的***100中的图14的平坦焊接试样(WC)1400的试样空间和焊缝空间的示例性实施方案。点O、X、Y和Z限定局部3D试样空间。总地来说，每种试样类型限定从3D试样空间到2D虚拟现实焊缝空间的映射。图14的焊元图1420为映射到虚拟现实焊缝空间的值的二维矩阵。如在图15中所示的，使用者将从点B到点E进行焊接。在图15中，在3D试样空间和2D焊缝空间二者中示出从点B到点E的轨迹线。

每种类型的试样针对焊元图中的每个位置限定移置的方向。对于图15的平坦焊接试样，焊元图(即，在Z方向上)中的全部位置的移置方向是相同的。为阐明所述映射，在3D试样空间和2D焊缝空间二者中将焊元图的纹理坐标示为S、T(有时称为U、V)。焊元图被映射到并且表征焊接试样1400的矩形表面1410。

图16图示说明仿真于图1的***100的拐角(T型接头)焊接试样(WC)1600的试样空间和焊缝空间的示例性实施方案。拐角WC1600具有在3D试样空间中的两个表面1610和1620，所述两个表面1610和1620如在图16所示的被映射到2D焊缝空间。同样，点O、X、Y和Z限定局部3D试样空间。为阐明所述映射，在3D试样空间和2D焊缝空间二者中将焊元图的纹理坐标示为S、T。如在图16中所示的，使用者将从点B到点E进行焊接。在图16中，在3D试样空间和2D焊缝空间二者中示出从点B到点E的轨迹线。然而，移置的方向是朝向如在3D试样空间中示出的线条X'-O'，如图16所示地朝向相对的拐角。

图17图示说明仿真于图1的***100中的管状焊接试样(WC)1700的试样空间和焊缝空间的示例性实施方案。管状WC1700在3D试样空间中具有弯曲的表面1710，所述表面1710如图17所示地被映射到2D焊缝空间。同样，点O、X、Y和Z限定局部3D试样空间。为阐明所述映射，在3D试样空间和2D焊缝空间二者中将焊元图的纹理坐标示为S、T。如在图17中所示的，使用者将从点B到点E沿弯曲的轨迹进行焊接。在图17中，分别在3D试样空间和2D焊缝空间示出从点B到点E的轨迹曲线和线。移置的方向远离线条Y-O(即远离管的中心)。图18图示说明图17的管焊接试样(WC)1700的示例性实施方案。管状WC1700由非铁的、不导电的塑料制成，并且仿真聚到一起形成焊根接缝1703的两个管状部件1701和1702。还示出用于附接T/S170的臂173的附接部件1704。

以与纹理图可以被映射到几何结构的矩形表面区域的类似方式，可焊接焊元图可以被映射到焊接试样的矩形表面。在与图像的每个元被称作像元(图像元的缩写)相同的意义上，可焊接图的每个元被称作焊元。像元包含限定颜色(例如红色、绿色、蓝色等)的信息通道。焊元包含限定在虚拟现实空间中可焊接表面的信息通道(例如P、H、E、D)。

根据本发明的实施方案，焊元的格式被归结为包含四个浮点数的通道PHED(熔池、热、额外内容、移置)。额外的通道被用作储存关于焊元的逻辑信息(例如，在所述焊元位置是否存在任何熔渣)的一组二进制数。熔池通道储存针对所述焊元位置的任何液化的金属的移置值。移置通道储存针对所述焊元位置的固化的金属的移置值。热通道储存给出在所述焊元位置的热量级的值。以这种方式，试样的可焊接部分可以示出因被焊接的焊道而产生的移置、因液态金属而产生的闪烁的表面“熔池”、因热而产生的颜色等。所有这些效果均通过被施加到可焊接的表面的顶点着色器和像元着色器来实现。

根据本发明的实施方案，使用移置图和粒子***，其中粒子可以彼此相互作用并碰撞移置图。所述粒子是虚拟的动态流体粒子并且提供熔池的液体行为，但不是直接地呈现(即不是视觉上直接可见的)。相反，只有在所述移置图上的粒子作用是在视觉上可见的。输入到焊元的热影响邻近粒子的运动。涉及仿真熔池的有两种类型的移置，这两种类型的移置包括熔池和移置。熔池是“临时的”并且仅持续于存在粒子并出现热的时候。移置是“永久的”。熔池移置是快速变化(例如闪烁)的焊缝液态金属并且可以被看作是在移置的“顶部”。粒子覆盖虚拟表面移置图(即焊元图)的一部分。移置表征永久的固体金属，所述永久的固体金属包括最初的基底金属和已固化的焊道二者。

根据本发明的实施方案，在虚拟现实空间中仿真的焊接工艺以以下方式工作：粒子从薄型锥状部件中的发射器(仿真的MWT160的发射器)流出。所述粒子第一次接触仿真的焊接试样的表面，其中所述表面由焊元图限定。所述粒子彼此相互作用且与焊元图相互作用，并且以实时的方式累积起来。焊元越靠近发射器，则加的热越多。热根据与电弧点的距离和热从电弧输入的时间量被建模。特定图形部分(例如颜色等)是由热驱动的。针对足够高温的焊元，在虚拟现实空间中绘制或呈现熔池。无论何处只要足够热，焊元图液化，导致针对这些焊元位置熔池移置“升起”。通过在每个焊元位置采样“最高的”粒子来确定熔池移置。当发射器沿焊缝轨迹前进时，留下的焊元位置冷却。热以特定速率从焊元位置被移除。当达到冷却阈值时，焊元图固化。这样，熔池移置逐渐被转化为移置(即固化的焊道)。增加的移置等于去除的熔池，从而整体高度并未改变。调整或调节粒子的寿命以在固化完成之前得以存留。被建模于***100中的特定粒子特性包括吸引/排斥、速度(相对于热)、润湿(相对于散热)、方向(相对于重力)。

图19A-19C图示说明图1的***100的双移置(移置和粒子)熔池模型的概念的示例性实施方案。在虚拟现实空间内仿真具有至少一个表面的焊接试样。在虚拟现实空间内仿真焊接试样的表面，形成包括固体移置层和熔池移置层的双移置层。熔池移置层能够改变固体移置层。

如本文所描述的，“熔池”由焊元图的一区域限定，其中熔池值已经由于粒子的存在而提高。采样过程被表征于图19A-19C。示出焊元图的一具有七个邻近焊元的区段。当前的移置值由具有给定高度的无阴影的矩形条1910(即，针对每个焊元的给定的移置)表征。在图19A中，粒子1920被示为与当前移置水平面碰撞的圆形无阴影的点并且被堆集。在图19B中，“最高的”粒子高度1930在每个焊元位置被采样。在图19C中，带阴影的矩形1940示出由于粒子的缘故，移置的顶部上已增加多少熔池。由于熔池以基于热的特定液化率被增加，焊缝熔池高度不会立即被置为采样的值。尽管未在图19A-19C中示出，使所述固化过程可视化是可能的，如熔池(带阴影的矩形)逐渐缩小而移置(无阴影的矩形)从下面逐渐增大以正好替换所述熔池。以这种方式，实时熔融金属流动性特征被准确地仿真。当使用者练习特定焊接工艺时，使用者能够在实时虚拟现实空间中观察熔池的熔融金属流动性特征和散热特征，并且使用该信息来调节或保持其焊接技法。

表征焊接试样的表面的焊元的数目是固定的。另外，如本文所描述的，由仿真生成来建模流动性的熔池粒子是临时的。因而，一旦使用***100在仿真的焊接工艺期间于虚拟现实空间内生成原始熔池，焊元加上熔池粒子的数目往往是保持相对恒定的。这是因为在焊接工艺期间，正在被处理的焊元的数目是固定的，并且由于熔池粒子以相似的速率(即熔池粒子是临时的)正被创建和“销毁”，存在的且正在被处理的熔池粒子的数目趋于保持相对恒定。因此，在仿真的焊接阶段期间，PPS110的处理负载保持相对恒定。

根据本发明可替换的实施方案，熔池粒子可以被生成在焊接试样的表面中或在焊接试样的表面下方。在这样的实施方案中，移置可以以相对于初始(即未被焊接的)试样的原始表面移置为正向或负向的方式被建模。以这种方式，熔池粒子可以不仅在焊接试样的表面上建立，还可以熔透焊接试样。然而，焊元的数目仍是固定的，并且被创建和销毁的熔池粒子仍是相对恒定的。

根据本发明可替换的实施方案，可以提供具有更多通道的焊元移置图来建模熔池的流动性而不是建模粒子。或者，可以建模稠密的体元图(voxelmap)而不是建模粒子。或者，可以只建模被采样并且永远不会消失的粒子，而不是建模焊元图。然而，这样的可替换实施方案可能不为***提供相对恒定的处理负载。

此外，根据本发明的实施方案，通过将材料移走来仿真穿透(blowthrough)或透孔(keyhole)。例如，如果使用者在真实世界中将电弧保持在同一位置过长时间，材料将会烧掉造成孔洞。这样的真实世界穿透通过焊元抽选技术(decimationtechniques)被仿真于***100。如果由一焊元吸收的热量被***100确定为太高，该焊元可以被标记或被指定为是被烧掉的并且以此进行呈现(例如被呈现为孔洞)。然而，接下来，针对特定焊接工艺(例如管焊接)可以发生焊元重建，其中在最初被烧掉后，材料被添加回去。总之，***100仿真焊元抽选(将材料移走)和焊元重建(即将材料添加回去)。另外，在焊根焊道焊接中移除材料的操作被适当地仿真于***100。

另外，在焊根焊道焊接中移除材料的操作被适当地仿真于***100。例如，在真实世界中，在进行后续焊接行程之前，可以执行焊根焊道的打磨。类似地，***100可以仿真将材料从虚拟焊接接缝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为焊元图上的负向移置。也就是说，移除材料的打磨焊道操作由***100建模，导致改变的焊道轮廓。打磨行程操作的仿真可以是自动的，这也就是说，***100移除一预先确定厚度的材料，所述预先确定厚度的材料可以是对应焊根焊道的焊道表面。

在可替换的实施方案中，实际打磨工具或磨机(grinder)可以被仿真为通过模拟焊接工具160或另一输入装置的激活而启用或关闭。注意的是，打磨工具可以被仿真来效仿(resemble)真实世界的磨机。在该实施方案中，使用者沿焊根焊道操纵(maneuver)打磨工具以响应所述打磨工具的运动而移除材料。要理解的是，使用者可以被允许移除过多的材料。以与上述类似的方式，如果使用者打磨掉过多的材料则可能导致孔洞或其他(上述的)缺陷。再有，可以实现(即被编程)强制限位或停止，来防止使用者移除过多的材料或在过多的材料正被移除时进行提示。

根据本发明的实施方案，除本文所描述的不可视的“熔池”粒子外，***100还使用其他三种类型的可视粒子来表征电弧效果、火焰效果以及火星效果。这些类型的粒子不会与任何类型的其他粒子相互作用，而仅会与移置图相互作用。尽管这些粒子确实与仿真的焊接表面碰撞，但它们彼此不会相互作用。根据本发明的实施方案，仅有熔池粒子会彼此相互作用。火星粒子的物理特征被这样设置，从而在虚拟现实空间中火星粒子四处跳窜并且被呈现为发光的点(glowingdots)。

电弧粒子的物理特征被这样设置，从而电弧粒子撞击(hit)仿真的试样表面或焊道并且停留一段时间。电弧粒子在虚拟现实空间中被呈现为较大的暗青白色点。采用许多叠加的这样的点来形成任一种可视图像。最终结果是具有蓝色边缘的白色发光光环(nimbus)。

火焰粒子的物理特征被建模来缓慢地向上升起。火焰粒子被呈现为中等大小的暗红黄色点。采用许多叠加的这样的点来形成任一种可视图像。最终结果是向上升起并淡出的(fadingout)具有红色边缘的橙红色火焰团。根据本发明的其他实施方案，其他类型的非熔池粒子可以被实现在***100中。例如，可以以与火焰粒子类似的方式建模并仿真烟尘粒子。

仿真的可视化过程中最后的步骤由GPU115的着色器117所提供的顶点着色器和像元着色器来处理。顶点着色器和像元着色器提供熔池和移置以及由于热而改变的表面颜色和发射率等。如本文前面所述的PHED焊元格式中的额外(E)通道包含每个焊元处所使用的所有额外信息。根据本发明的实施方案，额外信息包括非初始位(真＝焊道，假＝初始钢铁)、熔渣位、咬边值(在该焊元处咬边的量，其中零等于无咬边)、多孔值(在该焊元处多孔的量，其中零等于无多孔)，以及编码焊道固化时间的所述焊道痕迹(wake)值。存在一组与不同试样画面相关联的图像映射，包括初始钢铁、熔渣、焊道和多孔。这些图像映射被用于凹凸映射和纹理映射二者中。这些图像映射融合(blending)的量由本文所描述的各种标记和值来控制。

使用1D图像映射以及每个焊元焊道痕迹值实现焊道痕迹效果，所述每个焊元焊道痕迹值编码焊道的给定部分(agivenbit)被固化的时间。一旦高温熔池焊元位置不再是被称为“熔池”的足够高温，时间被保存在该位置并且被称为“焊道痕迹”。最终结果是着色器代码能够使用1D纹理映射来绘制“波痕(ripples)”，所述“波痕”给焊道以刻画(portray)所述焊道被铺设的方向的其独特的外观。根据本发明可替换的实施方案，***100能够在虚拟现实空间内仿真并显示焊道，所述焊道具有当所述仿真的熔池沿着焊缝轨迹移动时由所述仿真的熔池的实时流动性到固化过渡造成的实时焊道痕迹特征。

根据本发明可替换的实施方案，***100能够教导使用者如何对焊接机器进行故障排解(troubleshoot)。例如，***的故障排解模式可以训练使用者确保其正确地(例如正确的气体流率、连接正确的电源线等)设置所述***。根据本发明另一可替换的实施方案，***100能够记录并重放焊接过程(或者至少焊接过程的一部分，例如N帧)。可以提供轨迹球(trackball)来滚动视频的帧，允许使用者或者指导人员评论焊接过程。还可以以可选择的速度(例如全速、半速、四分之一速度)提供重放。根据本发明的实施方案，可以提供分屏(split-screen)重放，例如允许在ODD150上并排地(side-by-side)观看两个焊接过程。例如出于对比的目的，“好的”焊接过程可以靠近“差的”焊接过程被观看。

根据某些实施方案，以立体3D传输格式对虚拟现实要件的显示被提供。立体显示技术(3D成像)是用于借助于针对双眼视觉的立体观测来生成或改善图像中的深度的感知的技术。立体方法通常对观看图像的人员的右眼和左眼单独呈现两个偏置的图像。人员的大脑趋于组合图像(其是二维图像)，以提供三维深度的假象。立体方法不同于简单的3D方法，所述简单的3D方法简单地以三个全维度显示图像。立体方法允许观看人员通过移动他们的眼睛和/或头部来观察关于正在被显示的3维目标的更多的信息。许多立体技术要求使用者佩戴3D眼镜，例如有源或无源3D眼镜。然而，自动立体显示技术考虑到在使用者不使用任何3D眼镜的情况下对立体图像的显示和观看。

一个实施方案提供***，所述***包括基于可编程处理器的子***，所述基于可编程处理器的子***被配置来生成仿真数据，所述仿真数据对应于在虚拟现实空间实时生成的虚拟焊件。***还包括3D转换单元，所述3D转换单元被可操作地连接到基于可编程处理器的子***并且被配置来以立体3D传输格式将仿真数据的至少一部分转换为3D数据，所述仿真数据表征虚拟焊件的至少一部分。***进一步包括3D显示便利装置，所述3D显示便利装置被可操作地连接到3D转换单元并且被配置来接收来自3D转换单元的3D数据以及便利3D数据的立体表征的显示。3D显示便利装置可以是例如3D投影仪或者3D电视机。虚拟焊件的焊道部分可以由仿真的焊缝熔池产生，所述仿真的焊缝熔池具有实时熔融金属流动性和散热特征，当仿真的焊缝熔池被移动来形成虚拟焊件的焊道部分时，提供仿真的焊缝熔池的实时流动至固化的转变。***可以还包括显示屏和3D眼镜，所述显示屏被可操作地连接到3D显示便利装置并且被配置来显示3D数据的立体表征，所述3D眼镜被配置来由使用者佩戴以将显示屏上的立体3D数据的表征作为3D空间中的3D图像来观看。***可以进一步包括3D使用者界面，所述3D使用者界面可操作地接口连接到3D显示便利装置，并且被配置来允许使用者操控显示屏上的3D数据的立体表征的空间取向。仿真数据可以表征虚拟焊件的至少横截部分。

一个实施方案提供方法，所述方法包括生成仿真数据，所述仿真数据对应于在虚拟现实空间实时生成的仿真的焊道，所述仿真的焊道具有实时焊道痕迹特征。仿真数据可以表征仿真的焊道的至少横截部分。方法还包括以立体3D传输格式将表征焊道的仿真数据转换为3D数据，以及显示3D数据的立体表征。仿真的焊道可以由仿真的焊缝熔池产生，所述仿真的焊缝熔池具有实时熔融金属流动性和散热特征，当仿真的焊缝熔池被移动来形成仿真的焊道时，提供仿真的焊缝熔池的实时流动至固化的转变。显示3D数据的立体表征可以包括将3D数据的立体表征投影到显示屏上。显示3D数据的立体表征可以包括将3D数据的立体表征显示到3D电视机的显示屏上。方法可以进一步包括通过使用3D眼镜来观看3D数据的所显示的立体表征，所述3D眼镜被配置来由使用者佩戴。方法可以还包括操控3D数据的所显示的立体表征的空间取向。

一个实施方案提供方法，所述方法包括生成仿真数据，所述仿真数据对应于在虚拟现实空间中的虚拟焊接环境。方法还包括以立体3D传输格式将仿真数据的一部分转换为3D数据，所述仿真数据表征虚拟焊接环境的一部分，以及显示3D数据的立体表征。虚拟焊接环境的部分可以包括仿真的焊条(例如，手工焊条或焊丝)、仿真的焊接工具、仿真的焊件或者仿真的焊接试样中的一个或更多个。方法可以进一步包括操控3D数据的所显示的立体表征的空间取向。方法还可以包括通过使用3D眼镜来观看3D数据的所显示的立体表征，所述3D眼镜被配置来由使用者佩戴。可替换地，立体3D传输格式可以是自动立体格式，其中3D眼镜没有被用于观看。

图20图示说明在实时虚拟现实环境下提供弧焊训练的***2000的***方框图的第二示例性实施方案。***2000类似于图1的***100。然而，***2000包括可操作地连接到PPS110的3D转换单元2010。3D转换单元2010被配置来接收来自PPS110的仿真数据并且以立体3D传输格式将仿真数据转换为3D数据。

仿真数据可以表征仿真的虚拟现实焊接环境的任何部分，包括例如仿真的焊件、仿真的焊道、仿真的焊条(例如，手工焊条或焊丝)、仿真的焊接工具(例如，焊枪或焊炬)或者仿真的焊接试样。例如，仿真的焊件或焊道的横截部分允许使用者看到虚拟焊缝里面以检查内部缺陷。根据实施方案，使用者可以使用焊接使用者界面130来选择虚拟焊接环境的哪部分转换为3D数据。立体3D传输格式允许使用者将呈现在显示屏上的虚拟焊接环境的所选择的部分作为出现在3D空间中的3D图像来观看。立体3D传输格式的类型的实施例是帧连续(framesequential)、帧封装、并排式和棋盘式。根据其他实施方案，其他传输格式也是可能的。

图21图示说明提供虚拟要件的立体3D观看的***2100的***方框图的示例性实施方案，所述虚拟要件，作为虚拟焊接环境的一部分，使用图20的***2000被生成。***2100包括图20的***2000、可操作地连接到***2000的3D显示便利装置(例如，3D电视机或3D投影仪)2110、可操作地连接到3D显示便利装置2110的显示屏2120以及使用者界面2130。

来自***2000的3D转换单元2010的3D数据可以以立体3D传输格式被传输到3D显示便利装置2110。3D显示便利装置2110接收3D数据并且(例如，经由投影)为用于显示的显示屏2120提供3D数据的立体表征。如果立体3D传输格式是自动立体格式，则使用者可以将显示屏2120上的立体3D数据的表征作为出现在3D空间中的3D图像来观看，不需要3D眼镜(例如，3D眼镜)的帮助。另有，***2100可以包括一副3D眼镜2140，所述3D眼镜2140被配置来由使用者佩戴，以将显示屏2120上的立体3D数据的表征作为出现在3D空间中的3D图像来观看。3D眼镜可以是无源型的或者有源型的，取决于3D电视机或3D投影仪的配置。

使用者界面2130允许焊接学员或指导人员操控或改变显示屏上的3D数据的空间取向。结果是，例如以立体3D的形式观看虚拟焊件(其由学员使用图21的***创建)的成果的焊接学员或指导人员可以对他正在观看的内容有更好的理解、增加他的领悟并且随着时间的过去更有效地保持他已经学到的内容。3D使用者界面2130可以包括例如键盘、计算机鼠标、操纵杆或者轨迹球中的一个或更多个。

根据实施方案，由3D转换单元生成的3D数据可以是静态3D帧或动态3D视频格式的。例如，焊接指导人员可以能够以3D的形式观看如由焊接学员在虚拟焊接学习阶段期间所创建的并且由***2100所记录的、与虚拟焊件相关的虚拟焊枪。以这种方式，焊接指导人员可以重放并且以3D的形式观看所记录的焊接工作，观察学员如何设置和移动焊枪来创建虚拟焊缝。根据实施方案，使用者界面2130可以提供测量工具，允许使用者对显示的3D图像的感兴趣的区域进行测量。另外，使用者界面2130可以允许使用者分割显示的3D图像的区域以及放大所分割的区域以更好地观看。

根据实施方案，***2100可以储存包含以下内容的库：示出例如使用***2000创建的各种类型的焊缝和焊接技术的3D格式化的图像和/或视频、蓝图、焊接试样或者可以使用***2100更容易以3D的形式可视化的其他指导性的图片或视频。例如，***2000或***2100可以包括储存装置2020或2150(例如，硬盘驱动器或数据库子***)，所述储存装置2020或2150被配置来储存3D格式化的信息。

尽管已经参照特定实施方案描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，可以进行各种改变，并且可以替换等同物，而不会偏离本发明的范围。此外，可以进行许多修改来使特定情形或材料适应本发明的教导，而不会偏离其范围。因此，不是意图将本发明限定为所公开的特定实施方案，相反，本发明将包括落入所附权利要求书范围的所有实施方案。

参考标号：

100***135控制台

110基于处理器的子***136旋钮

111中央处理单元137旋钮

115图形处理单元140戴于面部的显示装置

116统一计算设备架构150观察者显示装置

117着色器151焊接参数

118视频输出152焊接不连贯性状态

119视频输出153选择

120空间追踪器160模拟焊接工具

121磁源161夹持器

122传感器162焊条

123盘163末端

124电源170桌台/底座

125线缆171桌台

126追踪单元172底座/基座

130焊接使用者界面173臂

131一组按钮174立柱

132操纵杆175焊接试样

133旋钮175'管

134旋钮175”管

177部分176焊根

180焊接试样12183D纹理

900焊接头盔1219视觉提示功能

910耳塞扬声器1220评分和公差功能

1201物理界面1221公差编辑器

1202夹具模型1222特殊效果模块

1203环境模型1300方法

1204声音内容功能1310步骤

1205焊接声音1320步骤

1206底座/桌台模型1330步骤

1207内部架构功能1340步骤

1208校准功能1350步骤

1210试样模型1400焊接试样

1211焊接物理1410表面

1212内部物理调节工具/调整装置1420移置图

1213图形使用者界面功能1421移置

1214绘图功能1600焊接试样

1215学员报告功能1610表面

1216呈现装置1620表面

1217焊道呈现1700焊接试样

1704部件1701管状部件

1710表面1702管状部件

1910无阴影的矩形条1703焊根接缝

1920粒子2130使用者界面

1930粒子高度2140眼镜

1940带阴影的矩形O点/试样空间

2000***X点/试样空间

2010转换单元Y点/试样空间

2100***Z点/试样空间

2110显示便利装置S纹理坐标

2120显示屏T纹理坐标

B点

E点

U纹理坐标

V纹理坐标

Claims (15)

1.一种***(100,2000,2100)，所述***(100,2000,2100)包括：

基于可编程处理器的子***(110)，所述基于可编程处理器的子***(110)被配置来生成仿真数据，所述仿真数据对应于在虚拟现实空间实时生成的虚拟焊件；

三维(3D)转换单元(2010)，所述三维(3D)转换单元(2010)被可操作地连接到所述基于可编程处理器的子***(110)并且被配置来以立体3D传输格式将所述仿真数据的至少一部分转换为3D数据，所述仿真数据表征所述虚拟焊件的至少一部分；以及

3D显示便利装置(2110)，所述3D显示便利装置(2110)被可操作地连接到所述3D转换单元(2010)并且被配置来接收来自所述3D转换单元的所述3D数据以及便利所述3D数据的立体表征的显示。

2.如权利要求1所述的***(100,2000,2100)，其中所述3D显示便利装置包括3D投影仪，和/或

3D电视机。

3.如权利要求1或2所述的***(100,2000,2100)，还包括：

显示屏(2120)，所述显示屏(2120)被可操作地连接到所述3D显示便利装置(2110)并且被配置来显示所述3D数据的所述立体表征；以及

3D眼镜(2140)，所述3D眼镜(2140)被配置来由使用者佩戴以将所述显示屏(2120)上的立体3D数据的表征作为3D空间中的3D图像来观看，和/或

显示屏(2120)，所述显示屏(2120)被可操作地连接到所述3D显示便利装置(2110)，并且被配置来显示所述3D数据的所述立体表征。

4.如权利要求1至3中的任一项所述的***，还包括3D使用者界面(130,2130)，所述3D使用者界面(130,2130)可操作地接口连接到所述3D显示便利装置(2110)，并且被配置来允许使用者操控所述显示屏(2120)上的所述3D数据的所述立体表征的空间取向。

5.如权利要求1至4中的任一项所述的***(100,2000,2100)，其中所述仿真数据表征所述虚拟焊件的至少横截部分。

6.如权利要求1至5中的任一项所述的***(100,2000,2100)，其中所述虚拟焊件的焊道部分由仿真的焊缝熔池产生，所述仿真的焊缝熔池具有实时熔融金属流动性和散热特征，当所述仿真的焊缝熔池被移动来形成所述虚拟焊件的所述焊道部分时，提供所述仿真的焊缝熔池的实时流动至固化的转变。

7.一种方法，所述方法包括：

生成仿真数据，所述仿真数据对应于在虚拟现实空间实时生成的仿真的焊道，所述仿真的焊道具有实时焊道痕迹特征；

以立体3D传输格式将所述仿真数据转换为3D数据，所述仿真数据表征所述焊道；以及

显示所述3D数据的立体表征。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述仿真的焊道由仿真的焊缝熔池产生，所述仿真的焊缝熔池具有实时熔融金属流动性和散热特征，当所述仿真的焊缝熔池被移动来形成所述仿真的焊道时，提供所述仿真的焊缝熔池的实时流动至固化的转变。

9.如权利要求7或8所述的方法，其中显示所述3D数据的所述立体表征包括将所述3D数据的所述立体表征投影到显示屏上，和/或

3D电视机的显示屏上。

10.如权利要求7至9中的任一项所述的方法，其中所述仿真数据表征所述仿真的焊道的至少横截部分。

11.一种方法，所述方法包括：

生成仿真数据，所述仿真数据对应于在虚拟现实空间中的虚拟焊接环境；

以立体3D传输格式将所述仿真数据的一部分转换为3D数据，所述仿真数据表征所述虚拟焊接环境的一部分；以及

显示所述3D数据的立体表征。

12.如权利要求7至11中的任一项所述的方法，其中所述虚拟焊接环境的部分包括仿真的焊接电极、仿真的焊接工具、仿真的焊件或者仿真的焊接试样中的一个或更多个。

13.如权利要求7至12中的任一项所述的方法，还包括操控所述3D数据的所显示的立体表征的空间取向。

14.如权利要求7至13中的任一项所述的方法，还包括通过使用3D眼镜来观看所述3D数据的所显示的立体表征，所述3D眼镜被配置来由使用者佩戴。

15.如权利要求7至14中的任一项所述的方法，其中所述立体3D传输格式是自动立体格式。