ES3037974T3 - Simulated welding training supporting real-world applications - Google Patents

Abstract

Un simulador de soldadura (100) que facilita la formación en soldadura simulada en una estructura compleja. El simulador puede recibir datos CAD o de mediciones reales de los componentes que conforman la estructura y utilizarlos para generar modelos digitales de los componentes para su visualización o análisis. El simulador (100) puede permitir la realización de pruebas simuladas de la estructura compleja y calcular medidas de rendimiento a partir de los resultados de las pruebas simuladas. El simulador (100) puede permitir al usuario (1202, 1204) repetir una soldadura simulada hasta obtener la puntuación deseada y almacenar los datos recopilados durante la soldadura simulada para su uso posterior. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Entrenamiento de soldadura simulada compatible con aplicaciones del mundo real

Campo de la invención

La invención se refiere a un simulador de soldadura según la reivindicación 1 y a un sistema de entrenamiento de soldadura según la reivindicación 11. La presente solicitud se presenta como una solicitud de patente no provisional donde se reivindica la prioridad y cualquier otro beneficio de la Solicitud de Patente Provisional de EE. UU. núm.

62/659,729 presentada el 19 de abril de 2018. T

La presente invención se refiere a sistemas para entrenar a soldadores que usan un entorno de soldadura simulado (por ejemplo, realidad virtual o aumentada) y, más particularmente, al entrenamiento de soldadores para soldar conjuntos complejos usando un entorno de soldadura simulado, eliminando así la necesidad de un conjunto real sobre el que entrenar.

Antecedentes de la técnica

Hasta hace poco, la soldadura se enseñaba en un entorno real, es decir, la soldadura se enseñaba usando una pistola de soldar real y muestras de piezas de metal colocadas para imitar una junta de soldadura que era el tipo de soldadura que el estudiante de soldadura pretendía aprender. Los instructores guiarían al estudiante durante el proceso de hacer una soldadura. El estudiante aprendería a soldar la junta de soldadura en particular que fue simulada por las piezas de muestra. Este proceso requería un equipo de seguridad, un entorno de trabajo adecuado y materiales consumidos, como varillas/alambres de soldadura, piezas de trabajo y la energía eléctrica consumida por la máquina de soldar. Además, debido al arco y otros peligros relacionados con las soldaduras reales, los instructores y otros estudiantes eran susceptibles de lesionarse debido a los destellos de soldadura, las chispas y las quemaduras causadas por piezas de trabajo calientes. Los estudiantes aprendieron a través de la instrucción y la repetición, lo que requirió una cantidad potencialmente grande de muestras de piezas de trabajo y materiales consumidos. En tiempos más recientes, se han empleado sistemas que simulan el entrenamiento de soldadura.

El entrenamiento de soldadura y la simulación de soldadura son conocidos en la técnica. En las siguientes patentes y solicitudes de patente de EE. U<u>. comúnmente cedidas se encuentran ejemplos y detalles adicionales sobre estos conceptos:

(1) La patente de EE. UU. 8,747,116, presentada el 10 de julio de 2009 y expedida el 10 de junio de 2015, titulada Sistema y método que proporciona entrenamiento de soldadura por arco en un entorno de realidad virtual simulada en tiempo real usando la retroalimentación de baños de soldadura en tiempo real;

(2) La patente de EE. UU. 8,915,740, presentada el 10 de julio de 2009, expedida el 23 de diciembre de 2014 y titulada Simulador de soldadura de tuberías de realidad virtual;

(3) La patente de EE. UU. 9,483,959, presentada el 17 de julio de 2009, expedida el 1 de noviembre de 2016 y titulada Simulador de soldadura;

(4) La patente de EE. UU. 8,657,605, presentada el 7 de abril de 2011 y expedida el 25 de febrero de 2014, titulada Pruebas e inspección virtuales de un soldadura virtual;

(5) La patente de EE. UU. 9,011,154, presentada el 2 de febrero de 2012, expedida el 21 de abril de 2015 y titulada Sistema de soldadura virtual;

(6) La patente de EE. UU. 8,911,237, presentada el 10 de julio de 2012, expedida el 16 de diciembre de 2014 y titulada Simulador y configuración de soldadura de tuberías con realidad virtual;

(7) La solicitud de patente de EE. UU. 14/132,496, presentada el 18 de diciembre de 2013 y titulada Editor de secuencias de soldadura.

El documento US2013189658 describe un sistema de soldadura por arco de realidad virtual que proporciona simulaciones de realidad virtual con fines de entrenamiento.

Estos sistemas incorporan sensores de movimiento y posición que reciben la posición y el movimiento de una herramienta de soldadura simulada (pistola) y un electrodo simulado que lleva esa herramienta. Los ejemplos de sistemas podrían incorporar el uso de la realidad virtual para simular la manipulación por parte de un estudiante de un electrodo simulado y tomar muestras de piezas de trabajo en un entorno virtual (por ejemplo, generado por ordenador). Los sistemas rastrean la posición y la orientación del electrodo simulado y de las piezas de trabajo de muestra. Estos sistemas convencionales permiten al estudiante aprender a manipular la herramienta de soldadura (desarrollando la memoria muscular), pero no proporcionan una educación realista cuando las piezas de muestra se ensamblan en una estructura, particularmente cuando la estructura implica un mayor número de piezas, requiere soldaduras realizadas en un orden particular o comprende soldaduras que requieren que el usuario aborde las soldaduras desde una variedad de ángulos, como sería el caso de un estudiante que soldara una estructura real. Debido a que las piezas usadas en una estructura pueden no ser formas estándar que se obtengan fácilmente para el entrenamiento, se requiere un sistema y un método para generar estas formas. Además, se requiere un sistema y un método que faciliten la capacitación del estudiante para realizar soldaduras en estructuras complejas simuladas o reales. La soldadura de estructuras complejas a menudo se realiza con maquinaria de soldadura robótica; sin embargo, estos robots deben programarse para realizar estas soldaduras complejas. Un sistema y un método para registrar las instrucciones de movimiento proporcionados por un usuario donde se le proporciona una guía mientras el usuario realiza una soldadura simulada o real para la que se registran los movimientos del usuario para que los use el robot soldador.

Descripción

Para superar las desventajas mencionadas anteriormente y/o mejorar los aspectos del entrenamiento de soldadura, se describe un simulador de soldadura según la reivindicación 1 y un sistema de entrenamiento de soldadura según las reivindicaciones 7 y 12. Las realizaciones preferidas son objeto de las subreivindicaciones. Un ejemplo de realización de un simulador de soldadura comprende una pantalla, una herramienta de soldadura simulada; una pluralidad de cupones que representan una pluralidad de piezas de trabajo simuladas; una base de datos comprendiendo datos de posición y orientación del conjunto para la pluralidad de piezas de trabajo simuladas dispuestas en una estructura simulada; y una lógica de soporte de carcasa comprendiendo una memoria que almacena instrucciones legibles por máquina y un procesador para ejecutar las instrucciones a fin de generar un entorno simulado donde la pluralidad de piezas de trabajo simuladas se disponen según los datos de posición y orientación; definir una pluralidad de trayectorias de soldadura para un ejercicio de entrenamiento, en donde las trayectorias de soldadura se definen a través de la disposición de las piezas de trabajo simuladas; rastrear una pluralidad de recorridos de la herramienta de soldadura simulada correspondientes a la pluralidad de trayectorias de soldadura; y mostrar el entorno simulado, una pluralidad de soldaduras simuladas resultantes de la pluralidad de recorridos y la estructura simulada formada por la pluralidad simulada de soldaduras simuladas combinadas con la disposición de las piezas de trabajo simuladas.

En otro ejemplo de realización, el procesador ejecuta instrucciones para calcular un parámetro de cada una de la pluralidad de soldaduras simuladas.

En otro ejemplo de realización, el procesador ejecuta instrucciones para mostrar una indicación del parámetro calculado de cada una de la pluralidad de soldaduras simuladas.

En otro ejemplo de realización, el procesador ejecuta instrucciones para calcular una puntuación para la estructura determinada a partir de un agregado del parámetro calculado de cada una de la pluralidad de soldaduras simuladas.

En otro ejemplo de realización, el procesador ejecuta instrucciones para aplicar una fuerza simulada a la estructura simulada, determinar una tensión simulada presente en cada una de la pluralidad de soldaduras simuladas y determinar si el parámetro calculado de cada una de la pluralidad de soldaduras es suficiente para soportar la tensión simulada presente en cada una de la pluralidad de soldaduras respectivas.

En otro ejemplo de realización, el procesador ejecuta instrucciones para mostrar en el entorno simulado una indicación de la probabilidad de fallo de la estructura.

Un ejemplo de realización de un sistema de entrenamiento de soldadura comprende una pantalla configurada para proyectar imágenes en el campo de visión de un usuario, una herramienta de soldadura, una pieza de trabajo, una lógica de sujeción de la carcasa comprendiendo una memoria que almacena instrucciones legibles por máquina y un procesador para ejecutar las instrucciones para definir una trayectoria de soldadura usando la pieza de trabajo, seleccionar un área de la trayectoria de soldadura y generar un gráfico que proporcione información sobre el área seleccionada al usuario; y mostrar el gráfico sobre el área seleccionada en el campo de visión del usuario.

En otro ejemplo de realización de un sistema de entrenamiento de soldadura, el gráfico que proporciona información sobre el área seleccionada al usuario sugiere una acción que debe realizar el usuario en el área seleccionada.

En otro ejemplo de realización de un sistema de entrenamiento de soldadura, se genera una puntuación que representa la calidad de la soldadura simulada. En algunos ejemplos de realizaciones, la puntuación se muestra en la pantalla.

En otro ejemplo de realización de un sistema de entrenamiento de soldadura, el procesador ejecuta instrucciones para rastrear un recorrido de la herramienta de soldadura en relación con la trayectoria de soldadura y mostrar la soldadura resultante del recorrido superpuesta en una parte de la pieza de trabajo en el campo de visión del usuario.

En otro ejemplo de realización de un sistema de entrenamiento de soldadura, la información relativa al área seleccionada comprende señales virtuales, imágenes y otra información para ayudar al usuario a realizar la operación.

Un ejemplo de realización de un sistema de entrenamiento de soldadura comprende una pantalla, una herramienta de soldadura, una lógica de retención de la carcasa comprendiendo una memoria que almacena instrucciones legibles por máquina y un procesador para ejecutar las instrucciones para generar un entorno simulado donde se defina una trayectoria de soldadura para una soldadura, rastrear un primer recorrido de la herramienta de soldadura en relación con la trayectoria de soldadura, mostrar el entorno simulado y una soldadura resultante del primer recorrido, almacenar datos que definen las características del primer recorrido universal y transfiera los datos a un sistema de soldadura robótico para ejecución por el sistema de soldadura robotizada de un segundo recorrido que se basa en el primer recorrido. En otro ejemplo de realización de un sistema de entrenamiento de soldadura, las características del primer recorrido comprenden al menos una de una lista comprendiendo: la distancia entre la punta de la herramienta y la pieza de trabajo, el ángulo de la herramienta y la velocidad de desplazamiento de la herramienta.

En otro ejemplo de realización de un sistema de entrenamiento de soldadura, la soldadura resultante del primer recorrido es una soldadura simulada.

En otro ejemplo de realización de un sistema de entrenamiento de soldadura, la soldadura resultante del primer recorrido es una soldadura real.

Un ejemplo de realización de un sistema de entrenamiento de soldadura comprende una pantalla, una herramienta de soldadura, una lógica de retención de la carcasa comprendiendo una memoria que almacena instrucciones legibles por máquina y un procesador para ejecutar las instrucciones para generar un entorno simulado donde se defina una trayectoria de soldadura para una soldadura, rastrear un primer recorrido de la herramienta de soldadura en relación con la trayectoria de soldadura, mostrar el entorno simulado y una soldadura resultante del primer recorrido, almacenar datos que definen las características del primer recorrido; y transferir los datos a un sistema de soldadura robótico para que el sistema de soldadura robotizada ejecute un segundo recorrido que se basa en el primer recorrido.

En otro ejemplo de realización de un sistema de entrenamiento de soldadura, las características del primer recorrido comprenden al menos una de: una distancia entre la punta de la herramienta y la pieza de trabajo, el ángulo de la herramienta y la velocidad de desplazamiento de la herramienta.

Breve descripción de los dibujos

Estas y otras características del concepto inventivo general se comprenderán mejor con respecto a la siguiente descripción y los dibujos adjuntos, donde:

La FIG. 1 es un diagrama de un simulador de soldadura configurado para su uso por un solo usuario según un ejemplo de realización;

Las FIGS. 2a-2c son vistas en perspectiva de un ejemplo de conjunto usado como modelo para un conjunto simulado según un ejemplo de realización;

La FIG. 3 es un diagrama que ilustra una vista bidimensional de componentes simulados y una representación de un archivo de datos usado por un ejemplo de realización para representar esos componentes;

La FIG. 4 es un diagrama que ilustra una cuadrícula de wéxeles según un ejemplo de realización;

Las FIGS. 5a-5c son vistas en perspectiva de un conjunto formado a partir de los componentes simulados de la FIG. 3; La FIG. 6 es una vista lateral de un dispositivo de visualización montado en la cara según un ejemplo de realización; La FIG. 7 es una vista en perspectiva trasera de un casco de soldadura que incorpora el dispositivo de visualización montado en la cara de la FIG. 6 según un ejemplo de realización;

La FIG. 8 es una vista de usuario representativa de un entorno de soldadura simulado mostrado por el dispositivo de visualización montado en la cara de la FIG. 6 en un ejemplo de realización;

La FIG. 9 es un diagrama que ilustra una fuerza simulada aplicada a un conjunto simulado según un ejemplo de realización; La FIG. 10 es un diagrama que ilustra una fuerza simulada aplicada a un conjunto simulado hasta el punto de fallo simulado del conjunto simulado según un ejemplo de realización;

La FIG. 11 es una vista representativa del usuario de una pistola de ensamblaje y soldadura con una soldadura simulada que se genera y se superpone a la vista del usuario a través del dispositivo de visualización montado en la cara de la FIG. 6 en un ejemplo de realización;

La FIG. 12 es una vista representativa del usuario de la pistola de ensamblaje y soldadura de la FIG. 11, con una retroalimentación instructiva superpuesta a la vista del usuario a través del dispositivo de visualización montado en la cara de la FIG. 6 en un ejemplo de realización;

La FIG. 13 es una vista en perspectiva de un conjunto con una pistola de soldadura y una soldadura simuladas superpuestas al conjunto de modo que los datos de movimiento puedan capturarse según un ejemplo de realización; y

La FIG. 14 es una vista de un soldador robótico que recibe los datos recopilados de la operación ilustrada en la FIG.

13 para realizar una soldadura real en un conjunto según un ejemplo de realización.

Descripción detallada

Un ejemplo de realización de un simulador de soldadura comprende un subsistema basado en procesador, un rastreador espacial conectado operativamente al subsistema basado en procesador, al menos una herramienta de soldadura simulada capaz de ser rastreada espacialmente por el rastreador espacial y al menos un dispositivo de visualización conectado operativamente al subsistema basado en procesador programable. El simulador de soldadura es capaz de simular, en un espacio de realidad virtual, las operaciones asociadas a una estación de soldadura del mundo real. En un ejemplo de realización, estas operaciones pueden incluir varios tipos diferentes de operaciones de soldadura y no soldadura. En general, la estación de soldadura de realidad virtual puede incluir cualquiera o todas las características y capacidades descritas en las patentes y solicitudes de patente.

La FIG. 1 ilustra un diagrama de bloques del sistema de un simulador de soldadura 100 para proporcionar entrenamiento de soldadura en un entorno de realidad simulada en tiempo real según un ejemplo de realización. El simulador de soldadura 100 incluye un subsistema basado en procesador programable(Programmable Processorbased Subsystem,PPS) 102. El simulador de soldadura 100 incluye además un rastreador espacial 3D 104 conectado operativamente al subsistema basado en procesador programable 102. En la realización ilustrada, el rastreador espacial 3D 104 está incrustado en un brazo de una mesa/soporte 110. Sin embargo, debido a que los conjuntos complejos pueden no ser capaces de montarse en una mesa/soporte 110, en otros ejemplos de realizaciones, el rastreador espacial 3D 104 puede estar ubicado en un soporte u otro dispositivo que pueda colocarse en o cerca de un conjunto complejo. El simulador de soldadura 100 también incluye un dispositivo de visualización montado en la cara 106 conectado operativamente al subsistema basado en procesador programable 102 y al rastreador espacial 3D 104. El simulador de soldadura 100 también incluye al menos una herramienta de soldadura simulada 108 (a) -108 (d) conectada operativamente al rastreador espacial 3D 104 y al subsistema basado en procesador programable 102. Como se ilustra, ciertos ejemplos de realizaciones del simulador de soldadura 100 pueden incluir una mesa/soporte 110. Como se describe con mayor detalle en las patentes y solicitudes de patente, el rastreador espacial 3D 104 proporciona la ubicación y orientación de una herramienta de soldadura simulada 108 (a) -108 (d), el dispositivo de visualización montado en la cara 106 y un cupón ubicado en la mesa/soporte 110. Con esta información, el subsistema basado en procesador programable 102 genera un entorno simulado comprendiendo una pieza (o piezas de trabajo) simuladas representadas por el cupón (o cupones) y una herramienta de soldadura simulada representada por la herramienta de soldadura simulada 108 (a) -108 (d). La posición y la orientación del dispositivo de visualización montado en la cara 106 se usan para determinar la vista que debe presentarse al usuario que lleva puesto el dispositivo de visualización montado en la cara 106. Por ejemplo, si el usuario está mirando una de las herramientas de soldadura simuladas 108 (a) -108 (d), se debe colocar una herramienta de soldadura simulada en la pantalla de manera que se le presente al usuario una imagen que represente la vista del usuario de la herramienta de soldadura simulada, tal como aparecería si el usuario estuviera mirando una herramienta de soldadura real en el mundo real. Lo mismo se aplica a la pieza o piezas de trabajo, de modo que al usuario se le presenta un entorno de soldadura simulado creíble para mejorar la experiencia de aprendizaje del usuario.

En estructuras complejas, puede requerirse que un usuario realice la operación de soldadura de una manera o secuencia distinta. Por ejemplo, si una parte de una estructura es inaccesible una vez que la estructura está ensamblada, cualquier operación de soldadura a esa parte debe realizarse antes de un punto del ensamblaje de la estructura donde la parte se vuelva inaccesible. En estructuras relativamente simples, puede ser fácil para un usuario determinar qué partes de soldadura deben realizarse primero. Sin embargo, en estructuras más complejas o en aquellas estructuras donde las soldaduras anteriores pueden provocar un impacto en las soldaduras posteriores, puede emplearse un secuenciador de soldaduras. En la solicitud número 14/132,496, presentada el 18 de diciembre de 2013, se describe un secuenciador de soldadura para su uso en un entorno de soldadura simulado.

Los entornos de soldadura reales probablemente incluirían una pluralidad de piezas de trabajo y esas piezas de trabajo a menudo serían más complejas que las placas rectangulares simples. Sin embargo, para facilitar la comprensión del lector de los conceptos presentados en esta invención, se usará una estructura en forma de cubo para representar una estructura compleja con el fin de describir con más detalle los ejemplos de realizaciones presentadas en esta invención. Un ejemplo de dicha estructura en forma de cubo 200 se muestra en la FIG. 2a. Para desarrollar modelos de los diversos componentes que se usan para formar la estructura en forma de cubo 200, un simulador de soldadura 100 debe recibir o capturar la información que describe esos componentes. Debido a que muchos componentes ahora se diseñan y producen usando modelos de diseño asistido por ordenador(Computer-Aided Design,c AD), un ejemplo de realización del sistema 100 puede desarrollar un modelo tridimensional de cada componente de la estructura en forma de cubo 200 usando la información obtenida de dicho modelo CAD. Como se ilustra en el modelo simplificado de la FIG. 2b, un modelo CAD puede comprender una medición de la altura 202 y la profundidad 204 de un componente. Además, el modelo CAD también puede comprender, sin limitación, el grosor, diversa información relacionada con las curvaturas y otras características de los componentes. El modelo CAD puede proporcionar información sobre el material con el que se va a fabricar el componente. Esta información es de particular interés en la soldadura simulada, ya que se usa, por ejemplo, para establecer las características de comportamiento de una pieza de trabajo simulada cuando se somete a una soldadura simulada. También puede usarse para representar las piezas simuladas en el entorno simulado.

En determinadas circunstancias, es posible que un modelo CAD no esté disponible o que el componente se haya modificado con respecto a su diseño original por un motivo u otro. En tales casos, un ejemplo de realización puede construir un modelo a través de la medición de una pieza real. Este enfoque se ilustra en la FIG. 2 (c). Como se muestra, una herramienta de medición 206 se mueve desde una primera ubicación a una segunda ubicación (preferiblemente una esquina u otra ubicación similar que se usa para definir los límites del componente). Como se muestra, la herramienta de medición 206 se mueve desde un primer punto 208 hacia un segundo punto 210. Cuando se alcanza el segundo punto, se mide la distancia desde el primer punto 208 al segundo punto 210 y se introduce en un modelo de componentes. Como se muestra, las dimensiones de otros componentes se miden para llegar a un modelo informático que describa con precisión las características de los componentes. Como se describió para la FIG.

2b, el material con el que se fabrica el componente también puede almacenarse en el modelo de ordenador.

Volviendo al cubo 200 de la FIG. 2a, un ejemplo de estructura cúbica se forma a partir de una parte superior 212, una parte frontal 214, una parte posterior 216 (no se muestra), un lado izquierdo 218 (no se muestra) y un lado derecho 220. En este ejemplo, no se usa la parte inferior. Usando el modelo CAD de la FIG. 2B, o el método de medición directa de la FIG. 2c, se crean los modelos de componentes 300 representados por datos digitales. Un ejemplo de dichos modelos 300 se muestra en la FIG. 3. Se muestra un modelo 212 superior representado por los datos digitales 222, un modelo frontal 214 representado por los datos digitales 224, un modelo posterior 216 representado por los datos digitales 226, un modelo del lado izquierdo 218 representado por los datos digitales 228 y un modelo del lado derecho 220 representado por los datos digitales 230.

Para simular la reacción de un modelo de componente 300 a una operación de soldadura simulada, los modelos se construyen a partir de una serie de elementos denominados wéxeles. Un ejemplo de esto se muestra en la FIG. 4, que ilustra un mapa de wéxeles 400 compuesto por un número de wéxeles 402. Este concepto se describe con mayor detalle en la patente de EE. UU. 8,911,237 a la que se ha hecho referencia anteriormente. En una simulación real, el número de wéxeles 402 en un modelo de componentes 300 sería significativamente mayor que el mostrado en la FIG.

4. Cada wéxel 402 comprende datos que caracterizan una parte de un componente donde dichos datos pueden comprender información usada para determinar, sin limitación, la temperatura y las características de fusión, la conductividad térmica, la conductividad eléctrica y las características de oxidación. Cada wéxel 402 también puede comprender información relacionada con el estado actual de la parte de un componente. Un ejemplo, sin limitación, puede ser la temperatura prevista del componente en la ubicación representada por el wéxel 402.

El sistema 100 es capaz de simular un baño de soldadura que tiene características de fluidez de metal fundido y disipación de calor en tiempo real. El simulador de soldadura 100 es capaz de modelar cómo la actividad de soldadura simulada afecta la unión soldada, por ejemplo, el material base subyacente. De manera ilustrativa, el simulador de soldadura 100 puede emular la soldadura de una pasada de raíz y una pasada en caliente, así como unas pasadas posteriores de aportación y de cierre, cada una con características paralelas a los escenarios en el mundo real. Cada pasada posterior puede soldar de manera significativamente diferente a la de la pasada anterior como consecuencia de los cambios en el material de base realizados durante la pasada anterior y/o como consecuencia de la selección de un electrodo diferente. La retroalimentación en tiempo real del modelado del baño permite al usuario observar el proceso de soldadura simulado en el dispositivo de visualización montado en la cara 106 y ajustar o mantener su técnica mientras se realiza la soldadura simulada. Ejemplos de los tipos de indicadores simulados observados pueden incluir: el flujo del baño de soldadura, el brillo del baño fundido, los cambios de color durante la solidificación del baño, la velocidad de congelación del baño, los gradientes de color de la disipación de calor, el sonido, la formación de cuentas, el patrón de oscilación, la formación de escoria, el socavado, la porosidad, las salpicaduras, el atrapamiento de escoria, el sobrellenado, la perforación y las oclusiones, por nombrar algunos. Se debe tener en cuenta que las características del baño dependen, es decir, responden al movimiento del usuario de una herramienta de soldadura simulada 108(a)-108(d). De esta manera, el baño de soldadura visualizado es representativo de un baño de soldadura en el mundo real formado en tiempo real basándose en el proceso de soldadura seleccionado y en la técnica de soldadura del usuario. En un ejemplo de realización, el número de wéxeles 402 que representan la superficie de una pieza de trabajo simulada es fijo. Por lo tanto, una vez que se genera un baño inicial en el espacio de realidad virtual durante un proceso de soldadura simulado usando el simulador de soldadura 100, la cantidad de wéxeles 402 más las partículas del baño tiende a permanecer relativamente constante. Esto se debe a que el número de wéxeles que se están procesando es fijo y el número de partículas de baño que existen y que se están procesando durante el proceso de soldadura tienden a permanecer relativamente constantes porque las partículas de baño se están creando y “se destruyen” a una velocidad similar (es decir, las partículas de baño son temporales).

Según una realización alternativa de la presente invención, pueden generarse partículas de baño dentro o debajo de la superficie de la pieza de trabajo simulada. En dicha realización, el desplazamiento puede modelarse como positivo o negativo con respecto al desplazamiento de la superficie original de una pieza de trabajo simulada virgen (es decir, sin soldar). De esta manera, las partículas de baño no solo pueden acumularse en la superficie de una pieza de trabajo simulada, sino que también pueden penetrar en ella. Sin embargo, el número de wéxeles 402 todavía es fijo y las partículas de baño que se crean y destruyen todavía son relativamente constantes.

Según realizaciones alternativas de la presente invención, en lugar de partículas de modelado, puede proporcionarse un mapa de desplazamiento de wéxel que tiene más canales para modelar la fluidez del baño. O, en lugar de partículas de modelado, puede modelarse un mapa de vóxeles denso. O bien, en lugar de un mapa de desplazamiento de wéxeles (por ejemplo, el mapa de wéxeles 400), solo pueden modelarse partículas que se muestrean y nunca desaparecen. Sin embargo, es posible que dichas realizaciones alternativas no proporcionen una carga de procesamiento relativamente constante para el sistema (por ejemplo, el PPS 102).

Además, según una realización de la presente invención, se simula el soplado o un ojo de cerradura tomando material. Por ejemplo, si un usuario mantiene un arco en la misma ubicación durante mucho tiempo, en el mundo real, el material se quemaría provocando un agujero. En el simulador de soldadura 100 se simula este tipo de combustión en el mundo real a través de técnicas de diezmado de wéxeles. Si el simulador de soldadura 100 determina que la cantidad de calor absorbido por un wéxel 402 es demasiado alta, ese wéxel 402 puede marcarse o designarse como quemado y representarse como tal (por ejemplo, representarse como un agujero). Posteriormente, sin embargo, puede producirse una reconstitución de wéxel para ciertos procesos de soldadura (por ejemplo, soldadura de tubos) donde el material se añade de nuevo después de quemarse inicialmente. En general, el simulador de soldadura 100 simula el diezmado de wéxel (quitar material) y la reconstitución de wéxel (volver a agregar material). Además de las partículas de “ baño” no visibles descritas en esta invención, el simulador de soldadura 100 también usa tres otros tipos de partículas visibles para representar efectos de arco, llama y chispa, según una realización de la presente invención. Estos tipos de partículas no interactúan con otras partículas de cualquier tipo, sino que interactúan solo con el mapa de desplazamiento. Si bien estas partículas colisionan con la superficie de soldadura simulada, no interactúan entre sí. Solo las partículas de baño interactúan entre sí, según una realización de la presente invención. La física de las partículas de tipo chispa está configurada de modo que las partículas de las chispas rebotan y se representan como puntos de soplado en el espacio de realidad virtual.

La física de las partículas de arco está configurada de tal manera que las partículas de arco golpean la superficie de la pieza de trabajo simulada o el cordón de soldadura y permanecen allí durante un tiempo. Las partículas de arco se representan como puntos de color blanco azulados tensos más grandes en el espacio de realidad virtual. Lleva muchas de estas manchas superpuestas para formar cualquier tipo de imagen visual. El resultado final es un rombo de color blanco con bordes azules.

La física de las partículas de llama se modela para elevar lentamente hacia arriba. Las partículas de llama se representan como puntos de color rojo-amarillo tenue de tamaño medio. Lleva muchas de estas manchas superpuestas para formar cualquier tipo de imagen visual. El resultado final es manchas de llamas de color naranjarojo con los bordes rojos que aumentan hacia arriba y se eliminan. Pueden implementarse otros tipos de partículas ajenas al baño en el simulador de soldadura 100, según otras realizaciones de la presente invención. Por ejemplo, las partículas de humo pueden modelarse y simularse de manera similar a las partículas de llama.

La FIG. 5a ilustra una estructura 500 completa, así como los componentes que forman la estructura 500 (es decir, un componente superior 212, un componente frontal 214, un componente posterior 216, un lado izquierdo 218 y un componente lateral derecho 220). En un ejemplo de realización, una imagen como la de la FIG. 5a puede presentarse a un usuario para proporcionar una guía con respecto a la ubicación final de los diversos componentes usados para formar la estructura 500. La FIG.5b representa los componentes superior 212, frontal 214, posterior 216, lado izquierdo 218 y lado derecho 220 tal como pueden colocarse antes del ensamblaje de la estructura 500. En un ejemplo de realización, se le puede indicar a un usuario que mueva los componentes a su lugar de manera que pueda realizarse una operación de soldadura para crear la estructura. Esto se ilustra en la FIG. 5c, donde la parte superior 212, la parte frontal 214, la parte posterior 216, el lado izquierdo 218 y el lado derecho 220 se muestran casi en posición tal que un usuario puede soldarlos entre sí.

En un ejemplo de realización, el dispositivo de visualización montado en la cara 106 se coloca de tal manera que la pantalla se coloca delante de los ojos del usuario, como se ilustra en la FIG. 6. Como se muestra, el dispositivo de visualización montado en la cara 106 puede fijarse en su posición a través de auriculares 602 y una correa posterior 604 y superior 606. Esta disposición asegura que el dispositivo de visualización montado en la cara 106 permanezca en posición mientras el usuario mueve la cabeza. Debido a que la realización descrita simula una operación de soldadura, el dispositivo de visualización montado en la cara 106 puede estar ubicado dentro de un casco de soldadura 700, como se muestra en la FIG. 7. Además del dispositivo de visualización montado en la cara 106, el casco de soldadura 700 también comprende un receptor de sensor de posición 702 que está en comunicación con el PPS 102 (no ilustrado en la FIG. 7) a través de un cable de comunicación 704 u otro método de comunicación de información entre el casco de soldadura 700 y el subsistema 102 basado en un procesador programable. Como se describió anteriormente en esta invención, la imagen del dispositivo de visualización montado en la cara 106 puede representar el entorno de soldadura simulado que se presenta al usuario. El casco de soldadura 700 también podría incluir uno o más altavoces para presentar sonidos de soldadura simulados.

La FIG. 8 ilustra una imagen del entorno de soldadura simulado 800 presentado a un usuario. Se muestra la estructura 500. También se ilustra una pistola de soldadura 802 simulada y la soldadura simulada 804 que se crea a través de la pistola de soldadura 802. Debido a que se trata de un entorno simulado mostrado por el dispositivo de visualización montado en la cara 106, no hay ninguna pieza de trabajo del mundo real que sea visible para un usuario fuera del dispositivo de visualización montado en la cara 106. Debido a que el dispositivo de visualización montado en la cara 106 está ubicado en el casco de soldadura 700, a medida que el usuario mueve la cabeza para cambiar un campo de visión 806 que estaría ubicado en la dirección en que mira el usuario, la imagen que se muestra en el dispositivo de visualización montado en la cara 106 también cambiará para representar la parte del entorno de soldadura simulado que se corresponde con el campo de visión 806 del usuario.

Para facilitar el aprendizaje, los sistemas de aprendizaje tales como el simulador de soldadura 100 pueden configurarse para proporcionar una puntuación o calificación del trabajo de un usuario con el fin de clasificar al usuario según sus compañeros y también para alentar al usuario a esforzarse más para lograr y mantener una puntuación más deseable. En los simuladores de soldadura existentes, se obtiene una puntuación o clasificación a partir de los datos almacenados por los wéxeles 402 que representan partes muy pequeñas de la soldadura y los metales circundantes. Las puntuaciones generadas por los simuladores pueden representar la resistencia prevista de una soldadura, el aspecto de la soldadura y la eficiencia del usuario al realizar la soldadura. Por ejemplo, un usuario de baja eficiencia puede tener que reparar defectos o volver a revisar su trabajo, lo que resulta en un mayor nivel de tiempo dedicado a inspeccionar y corregir errores, mientras que un usuario de mayor eficiencia puede realizar la soldadura con defectos mínimos o nulos, lo que resulta en un menor nivel de tiempo empleado.

El simulador de soldadura 100 es capaz de analizar y mostrar los resultados de la actividad de la estación de soldadura simulada. Al analizar los resultados, se quiere decir que el simulador de soldadura 100 es capaz de determinar cuándo durante las etapas del proceso especificado, incluidas las operaciones de soldadura y no soldadura, el usuario se desvió de los límites aceptables de los procesos especificados. Como se indicó anteriormente, puede usarse una puntuación para cuantificar el rendimiento del usuario. En ejemplos de realizaciones, la puntuación puede ser una función de operaciones omitidas; piezas mal fijadas; desviación en la posición, orientación y velocidad de la herramienta de soldadura simulada a través de intervalos de tolerancias, que pueden extenderse desde un paso de soldadura ideal hasta una actividad de soldadura marginal o inaceptable; controles de calidad omitidos; o cualquier otra operación asociada a la estación de soldadura seleccionada. En un ejemplo de realización, un usuario puede estar realizando un ejercicio que implica la fabricación de estructuras complejas tales como la estructura 500. En lugar de puntuar (o además de) puntuar al usuario en cada soldadura individual como se describió anteriormente, un ejemplo de realización puede realizar pruebas simuladas en la estructura simulada completa. En la FIG. 9 se ilustra un ejemplo de estructura 500. En las pruebas simuladas, se aplica una fuerza 902 a una parte (por ejemplo, una esquina) de la estructura 500. Esta fuerza se distribuye a través de la estructura 500 como muestran los vectores de fuerza 904. Estos vectores sirven para simular los efectos de una fuerza real sobre una estructura 500. La puntuación de calidad para la estructura 500 se calcula usando una resistencia calculada para cada soldadura individual de la estructura 500 y la fuerza que se ejerce sobre cada una de esas soldaduras. En un ejemplo de realización, se aplica una cierta fuerza simulada a la estructura 500. Si la estructura 500 no experimenta un fallo simulado, se calcula una puntuación. En un ejemplo de realización de este tipo, la puntuación puede ser “ aprobado” o “ reprobado” . En otro ejemplo de realización, se aplica una cierta fuerza a la estructura 500. Se calcula una fuerza simulada resultante en cada soldadura de la estructura 500. Puede obtenerse una puntuación para cada soldadura según un porcentaje calculado de la resistencia que queda en la soldadura a medida que se aplica cierta fuerza. Las puntuaciones de todas las soldaduras de la estructura se suman para llegar a una puntuación final. En otro ejemplo de realización, cuyo ejemplo se ilustra en la FIG. 10, se aplica una fuerza 1002 simulada a la estructura 500. La fuerza se distribuye a través de la estructura 500, como ilustran los vectores de fuerza 1004, hasta que la fuerza en cada soldadura da como resultado un fallo de una o más soldaduras 1006. La cantidad de fuerza requerida para alcanzar el fracaso se compara con un nivel de fuerza establecido y se calcula una puntuación. Esta puntuación puede usarse para establecer una clasificación de usuarios, determinar si se ha alcanzado un nivel mínimo de rendimiento o proporcionar comentarios a un usuario para que pueda medir su progreso a medida que realiza varios ejercicios de entrenamiento.

Hasta este punto, los ejemplos de realizaciones descritas se han dirigido a ejercicios de entrenamiento donde se genera un entorno simulado que incluye piezas de trabajo simuladas usadas para realizar soldaduras simuladas. Como se describió anteriormente en esta invención, un sistema de este tipo permite al usuario practicar soldaduras repetidamente sin consumir materiales reales.

En otro ejemplo de realización de un simulador de soldadura, en lugar de una pieza de trabajo simulada, puede usarse una pieza de trabajo real. Tal realización puede permitir a un usuario practicar una soldadura simulada en una estructura real antes de realizar una soldadura real. Esto puede resultar útil cuando la estructura es especialmente valiosa o la calidad de la soldadura resultante es extremadamente crítica. Por ejemplo, puentes, barcos, submarinos y aviones.

En la FIG. 11 se muestra una estructura en forma de cubo 1100. A diferencia de los ejemplos de realizaciones descritas hasta ahora, esta estructura en forma de cubo 1100 es una estructura física real en lugar de una estructura simulada. En un ejemplo de realización de este tipo, el usuario ve las piezas de trabajo reales comprendiendo la estructura 100 mientras realiza una soldadura simulada. Por lo tanto, el dispositivo de visualización montado en la cara 106 en tales realizaciones está configurado para proyectar imágenes en el campo de visión 1108 de un usuario sin bloquear la visión del usuario de los objetos reales. Como se muestra, el usuario puede ver la pistola de soldadura 1104 real y las imágenes simuladas de una operación de soldadura 1106 superpuestas a la estructura en forma de cubo 1100. Esta superposición permite al usuario realizar una soldadura en un entorno simulado (por ejemplo, de forma virtual o a través de realidad aumentada) sin dañar piezas de trabajo potencialmente valiosas. En tales casos, puede obtenerse una puntuación para esta soldadura simulada como se describe en otra parte de esta invención. La puntuación puede presentarse a un usuario para que pueda continuar practicando hasta que se alcance de forma fiable una puntuación deseada o mínima. Una vez que un usuario ha demostrado un nivel satisfactorio de competencia, el usuario puede realizar la soldadura real con la herramienta de soldadura 1104. Por lo tanto, un ejemplo de realización permite al usuario refinar su técnica con respecto a una soldadura particular sin dañar la pieza de trabajo ni consumir materiales de soldadura. La determinación de una puntuación proporciona un nivel de retroalimentación al usuario y le permite centrar sus esfuerzos de mejora en un aspecto particular de la soldadura si es necesario para lograr el resultado deseado.

Para mejorar aún más los esfuerzos del usuario para lograr una soldadura óptima en una estructura, la guía u otra información puede superponerse sobre una pieza de trabajo real. Esto se ilustra en la FIG. 12. Como se muestra, se ilustra una pistola de soldadura 1104 que produce imágenes simuladas de una operación de soldadura 1106. Alternativamente, esta operación de soldadura podría ser una operación de soldadura real. La guía para el usuario 1202 y 1204 se superpone en el campo de visión del usuario 1206 a través del dispositivo de visualización montado en la cara 106. Este ejemplo de realización proporciona así una retroalimentación continua a un usuario en operaciones de soldadura reales o simuladas. Esta retroalimentación puede proporcionar una mejor formación a un usuario o, alternativamente, puede proporcionar orientación a un usuario durante una soldadura real si se determina que el usuario necesita una corrección para producir una soldadura óptima.

Se conoce el entrenamiento de sistemas robóticos de soldadura haciendo que un usuario humano mueva una pistola de soldar, real o simulada, a lo largo de un área a la que se aplica una soldadura; sin embargo, estos sistemas generalmente dependen de que el usuario humano realice la soldadura de manera óptima. Los ejemplos de realizaciones proporcionan un entorno simulado donde un usuario humano puede realizar la soldadura simulada mientras recibe retroalimentación como se describe en esta invención. La retroalimentación puede ser en forma de puntuación o grado una vez finalizada una soldadura simulada. En un ejemplo de realización de este tipo, ilustrada en la FIG. 13, un usuario puede almacenar los datos 1302, tales como los datos del movimiento de la pistola de soldar, a medida que se completa una soldadura simulada 1304. Una vez que el usuario está satisfecho con la soldadura simulada, los datos 1302 pueden proporcionarse a un robot 1402 para duplicar la soldadura simulada 1304 con una soldadura real 1404 como se ilustra en la FIG. 14.

En resumen, se describe un sistema y un método de un sistema de soldadura de realidad simulada que apoya el entrenamiento de soldadura en el mundo real. El sistema es capaz de simular, en un espacio de realidad simulada, una pluralidad de componentes que se disponen en una orientación predeterminada y se sueldan entre sí a través de un proceso de soldadura simulado para crear una estructura virtualizada que representa un conjunto compuesto por la pluralidad de componentes. La invención se ha descrito en la presente memoria haciendo referencia a las realizaciones descritas. Obviamente, a otros se les ocurrirán modificaciones y alteraciones tras la lectura y comprensión de esta especificación. Se pretende incluir todas esas modificaciones y alteraciones en la medida en que estén dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas o su equivalencia.

Números de referencia

100 simulador de soldadura 230 datos digitales

102 subsistema basado en procesador programable 300 modelo de componente 400 mapa de wéxeles 104 rastreador espacial 3D 402 wéxel

106 dispositivo de visualización montado en la cara 500 estructura completada 108a herramienta de soldadura simulada 602 auricular

108b herramienta de soldadura simulada 604 correa trasera

108c herramienta de soldadura simulada 606 correa superior

108d herramienta de soldadura simulada 700 casco de soldadura 110 mesa 702 receptor de sensor 200 estructura en forma de cubo 704 cable de comunicación 202 medición de altura 800 entorno de soldadura 204 medición de profundidad 802 pistola de soldar

206 herramienta de medición 806 campo de visión

208 primer punto 902 fuerza

210 segundo punto 904 vector de fuerza

212 parte superior 1002 fuerza simulada

214 parte frontal 1004 vector de fuerza

216 parte posterior 1006 soldadura

218 lado izquierdo 1100 estructura en forma de cubo 220 lado derecho 1104 pistola de soldar

222 datos digitales 1106 operación de soldadura 224 datos digitales 1108 campo de visión

226 datos digitales 1202 usuario

228 datos digitales 1204 usuario

1206 campo de visión 1402 robot

1302 datos 1404 soldadura

1304 soldadura simulada

Claims (15)

1. REIVINDICACIONES

   i.Un simulador de soldadura (100) comprendiendo:

   una pantalla (106);

   una herramienta de soldadura (108a, 108b, 108c, 108d);

   una pluralidad de cupones que representan una pluralidad de piezas de trabajo simuladas; datos de posición y orientación de ensamblaje para la pluralidad de piezas de trabajo simuladas dispuestas en una estructura simulada; y

   una lógica de soporte de carcasa comprendiendo una memoria que almacena instrucciones legibles por máquina y un procesador para ejecutar las instrucciones:

   caracterizado por quela herramienta de soldadura es una herramienta de soldadura simulada, ypor queel procesador está dispuesto para ejecutar las instrucciones para:

   generar un entorno virtual o aumentado simulado donde la pluralidad de piezas de trabajo simuladas se dispone según los datos de posición y orientación;

   definir una pluralidad de trayectorias de soldadura para un ejercicio de entrenamiento, en donde las trayectorias de soldadura se definen mediante la disposición de las piezas de trabajo simuladas;

   rastrear una pluralidad de recorridos de la herramienta de soldadura (108a, 108b, 108c, 108d) simulada correspondientes a la pluralidad de trayectorias de soldadura; y mostrar el entorno virtual o aumentado simulado, una pluralidad de soldaduras simuladas resultantes de la pluralidad de recorridos y la estructura simulada formada por la pluralidad simulada de soldaduras simuladas combinadas con la disposición de las piezas de trabajo simuladas.
2. 2. El simulador de soldadura (100) según la reivindicación 1, en donde el procesador ejecuta instrucciones para calcular un parámetro de cada una de las soldaduras simuladas.
3. 3. El simulador de soldadura (100) según las reivindicaciones 1 o 2, en donde el procesador ejecuta instrucciones para mostrar una indicación del parámetro calculado de cada una de las soldaduras simuladas, y/o en donde el procesador ejecuta instrucciones para calcular una puntuación para la estructura determinada a partir de un agregado del parámetro calculado de las soldaduras simuladas, y/o en donde el procesador ejecuta instrucciones para:

   aplicar una fuerza simulada a la estructura simulada;

   determinar una tensión simulada presente en cada una de la pluralidad de soldaduras simuladas; y determinar si cada una de las soldaduras simuladas es suficiente para soportar la tensión simulada aplicada a esta.
4. 4. El simulador de soldadura (100) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde las piezas de trabajo simuladas representan partes de un conjunto, y/o en donde las piezas de trabajo simuladas se almacenan como modelos de diseño asistidos por ordenador.
5. 5. El simulador de soldadura (100) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde cada una de las piezas de trabajo simuladas se almacena como una pluralidad de medidas tomadas de una pieza real.
6. 6. El simulador de soldadura (100) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde la pantalla está configurada para permitir la visualización de un objeto del mundo real en el campo de visión de un usuario.
7. 7. Un simulador de soldadura según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6,

   caracterizado por queel procesador está dispuesto para ejecutar instrucciones para:

   generar un entorno virtual o aumentado simulado donde la pluralidad de piezas de trabajo simuladas esté dispuesta según los datos de posición y orientación y la trayectoria de soldadura para una soldadura esté definida por la disposición de las piezas de trabajo simuladas;

   rastrear una pluralidad de recorridos de la herramienta de soldadura simulada correspondientes a la pluralidad de trayectorias de soldadura;

   mostrar el entorno virtual o aumentado simulado, y una soldadura real resultante de la pluralidad de soldaduras simuladas que resultan de la pluralidad de recorridos, y la estructura simulada; y almacenar datos que definen las características de la pluralidad de recorridos.
8. 8.El simulador de soldadura según la reivindicación 7, en donde el procesador ejecuta instrucciones para transferir los datos almacenados a un sistema de soldadura robótico para su ejecución por el sistema de soldadura robotizada.
9. 9. El simulador de soldadura según las reivindicaciones 7 u 8, en donde las características de la pluralidad de recorridos comprenden al menos uno de: una distancia desde la punta de la herramienta hasta la pieza de trabajo, un ángulo de la herramienta y una velocidad de desplazamiento de la herramienta.
10. 10. El simulador de soldadura según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, en donde las soldaduras resultantes de la pluralidad de recorridos son soldaduras simuladas, y/o donde las soldaduras resultantes de la pluralidad de recorridos son soldaduras reales.
11. 11. Un sistema de entrenamiento de soldadura según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, comprendiendo, además:

    la pantalla (106) configurada para proyectar imágenes en el campo de visión de un usuario (1202, 1204); en donde el procesador está dispuesto para:

    definir una trayectoria de soldadura usando la pluralidad de piezas de trabajo;

    seleccionar un área de la trayectoria de soldadura;

    generar un gráfico que proporcione información sobre el área al usuario (1202, 1204); y mostrar el gráfico de forma que se superponga al gráfico dentro del área del campo de visión del usuario.
12. 12. El sistema de entrenamiento de soldadura según la reivindicación 11, en donde el gráfico comprende una acción sugerida que debe realizar el usuario (1202, 1204).
13. 13. El sistema de entrenamiento de soldadura según las reivindicaciones 11 o 12, en donde el procesador ejecuta instrucciones para:

    rastrear un recorrido de la herramienta de soldadura con respecto a la trayectoria de soldadura; y mostrar una soldadura simulada resultante del recorrido en el campo de visión del usuario, y/o en donde el procesador ejecuta instrucciones para:

    rastrear un recorrido de la herramienta de soldadura con respecto a la trayectoria de soldadura; y mostrar una soldadura real resultante del recorrido superpuesto en una parte de la pieza de trabajo en el campo de visión del usuario.
14. 14. El sistema de entrenamiento de soldadura según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, en donde se genera una puntuación que representa la calidad de una soldadura simulada.
15. 15. El sistema de entrenamiento de soldadura según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 14, en donde la información relativa al área seleccionada comprende una o más señales virtuales, imágenes y otra información para calificar al usuario (1202, 1204) al realizar una operación.