(57)【要約】【課題】  模擬被覆金属アーク溶接を支援するばね付勢式チップアセンブリを提供する。【解決手段】  被覆金属アーク溶接（ＳＭＡＷ）作業の模擬的な再現を支援するシステム、装置、および方法の実施形態が開示される。一実施形態として、基端と、先端と、基端の近くのロックスリーブとを有する細長い模擬電極チップを含むチップアセンブリがある。圧縮ばねは、電極チップの基端と接するように構成される。ロックカップは、圧縮ばねおよびロックスリーブを囲むように構成される。オリフィスを有するハウジングは、電極チップの先端をオリフィスに通してロックスリーブまで受け入れることで、電極チップ、圧縮ばね、およびロックカップをハウジングの内部に入れ込むように構成される。ロックスリーブおよびロックカップは、互いに対して回転して、ロック位置とロック解除位置との間で切り換わるのを可能にするように構成される。【選択図】      図１
2018205740.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被覆金属アーク溶接作業の模擬的な再現を支援するチップアセンブリであって、
基端と、先端と、前記基端の近くのロックスリーブとを有する細長い模擬電極チップと、
第１の端部および第２の端部を有する圧縮ばねであって、前記第１の端部が、前記電極チップの前記基端と接するように構成された圧縮ばねと、
前記圧縮ばね、および前記電極チップの前記ロックスリーブを囲むように構成されたロックカップと、
オリフィスを有するハウジングと、
を含み、
前記ハウジングは、前記電極チップの前記先端を前記ハウジングの前記オリフィスに通して前記ロックスリーブまで受け入れることで、前記電極チップ、前記圧縮ばね、および前記ロックカップを前記ハウジング内に入れ込むように構成され、結果として、前記圧縮ばね、前記ロックカップ、および前記ロックスリーブは前記ハウジングの内部に存在し、前記電極チップの大部分は、前記ハウジングから外に突出し、
前記ロックスリーブおよび前記ロックカップは、互いに対して回転して、ロック位置とロック解除位置との間で切り換わるのを可能にするように構成される、チップアセンブリ。
【請求項２】
プレート溶接クーポンの模擬被覆金属アーク溶接で使用するために、前記ロック位置により、前記圧縮ばねが、前記ロックカップ内で最大限に圧縮した状態で保持され、その一方で、前記電極チップは、前記ロックカップおよび前記ハウジングに対して不動の状態で保持される、請求項１に記載のチップアセンブリ。
【請求項３】
前記ロック解除位置により、前記圧縮ばねは、前記電極チップの前記先端が、前記ハウジングに向かって押し込まれたときに、前記圧縮ばねが縮むのを可能にし、前記圧縮ばねが伸長して、前記電極チップの前記先端を前記ハウジングから遠ざかる方向に押しやることを可能にする自由状態に置かれ、その結果、模擬被覆金属アーク溶接作業中に、前記電極チップが、パイプ溶接クーポンに係合したときに、パイプに対して実際の被覆金属アーク溶接作業を行った感覚を模擬的に再現するように、触感フィードバックが見習い溶接工にもたらされる、請求項１に記載のチップアセンブリ。
【請求項４】
前記ハウジングは、模擬被覆金属アーク溶接作業で使用するために、模擬溶接ツールに取り外し可能に取付くように構成される、請求項１に記載のチップアセンブリ。
【請求項５】
前記電極チップの少なくとも前記先端は、模擬被覆金属アーク溶接作業中に、前記電極チップと溶接クーポンとの間のスリップを軽減するように構成された材料からなる、請求項１に記載のチップアセンブリ。
【請求項６】
前記圧縮ばねの少なくとも一部分は、ポリエーテルイミドからなる、請求項１に記載のチップアセンブリ。
【請求項７】
前記電極チップの少なくとも一部分は、ポリオキシメチレンからなる、請求項１に記載のチップアセンブリ。
【請求項８】
被覆金属アーク溶接作業の模擬的な再現を支援するチップアセンブリであって、
基端と、先端と、前記基端の近くのスリーブとを有する細長い模擬電極チップと、
第１の端部および第２の端部を有する圧縮ばねであって、前記第１の端部が、前記電極チップの前記基端と接するように構成された圧縮ばねと、
前記圧縮ばねの圧縮量を検出し、前記圧縮ばねの前記圧縮量を示す信号を生成するために、前記圧縮ばねの前記第２の端部と接するように構成された圧力センサトランスデューサと、
前記圧力センサトランスデューサ、前記圧縮ばね、および前記電極チップの前記スリーブを囲むように構成されたカップと、
オリフィスを有するハウジングと、
を含み、前記ハウジングは、前記電極チップの前記先端を前記ハウジングの前記オリフィスに通して前記スリーブまで受け入れることで、前記電極チップ、前記圧縮ばね、前記圧力センサトランスデューサ、および前記カップを前記ハウジング内に入れ込むように構成され、結果として、前記圧力センサトランスデューサ、前記圧縮ばね、前記カップ、および前記スリーブは前記ハウジングの内部に存在し、前記電極チップの大部分は、前記ハウジングから外に突出する、チップアセンブリ。
【請求項９】
前記圧縮ばねの前記圧縮量を示す前記信号は、少なくとも１つの模擬アーク特性を示す、請求項８に記載のチップアセンブリ。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの模擬アーク特性には、アーク電圧、アーク電流、アーク長さ、および消弧の少なくとも１つがある、請求項９に記載のチップアセンブリ。
【請求項１１】
前記スリーブおよび前記カップは、互いに対して回転して、ロック位置とロック解除位置との間で切り換わるのを可能にするように構成される、請求項８に記載のチップアセンブリ。
【請求項１２】
プレート溶接クーポンに対する模擬被覆金属アーク溶接作業中に使用するために、前記ロック位置により、前記圧縮ばねが、前記カップ内で最大限に圧縮した状態で保持され、その一方で、前記電極チップは、前記カップおよび前記ハウジングに対して不動の状態で保持される、請求項１１に記載のチップアセンブリ。
【請求項１３】
前記ロック解除位置により、前記圧縮ばねは、前記電極チップの前記先端が、前記ハウジングに向かって押し込まれたときに、前記圧縮ばねが縮むのを可能にし、前記圧縮ばねが伸長して、前記電極チップの前記先端を前記ハウジングから遠ざかる方向に押しやることを可能にする自由状態に置かれ、その結果、模擬被覆金属アーク溶接作業中に、前記電極チップが、パイプ溶接クーポンに係合したときに、パイプに対して実際の被覆金属アーク溶接作業を行った感覚を模擬的に再現するように、触感フィードバックが見習い溶接工にもたらされる、請求項１１に記載のチップアセンブリ。
【請求項１４】
被覆金属アーク溶接作業の模擬的な再現を支援する模擬溶接ツールであって、
見習い溶接工によって保持されるように構成されたハンドルと、
前記ハンドルに動作可能に連結され、動的溶接状態を溶接シミュレータに知らせるように構成されたトリガと、
チップアセンブリを有する模擬棒電極と、
を含み、
前記チップアセンブリは、
基端と、先端と、前記基端の近くのロックスリーブとを有する細長い模擬電極チップと、
第１の端部および第２の端部を有する圧縮ばねであって、前記第１の端部が、前記電極チップの前記基端と接するように構成された圧縮ばねと、
前記圧縮ばね、および前記電極チップの前記ロックスリーブを囲むように構成されたロックカップと、
オリフィスを有するハウジングと、
を含み、
前記ハウジングは、前記電極チップの前記先端を前記ハウジングの前記オリフィスに通して前記ロックスリーブまで受け入れることで、前記電極チップ、前記圧縮ばね、および前記ロックカップを前記ハウジング内に入れ込むように構成され、結果として、前記圧縮ばね、前記ロックカップ、および前記ロックスリーブは前記ハウジングの内部に存在し、前記電極チップの大部分は、前記ハウジングから外に突出し、
前記ロックスリーブおよび前記ロックカップは、互いに対して回転して、ロック位置とロック解除位置との間で切り換わるのを可能にするように構成される、模擬溶接ツール。
【請求項１５】
プレート溶接クーポンに対する模擬被覆金属アーク溶接作業で使用するために、前記ロック位置により、前記圧縮ばねが、前記ロックカップ内で最大限に圧縮した状態で保持され、その一方で、前記電極チップは、前記ロックカップおよび前記ハウジングに対して不動の状態で保持される、請求項１４に記載の模擬溶接ツール。
【請求項１６】
前記ロック解除位置により、前記圧縮ばねは、前記電極チップの前記先端が、前記ハウジングに向かって押し込まれたときに、前記圧縮ばねが縮むのを可能にし、前記圧縮ばねが伸長して、前記電極チップの前記先端を前記ハウジングから遠ざかる方向に押しやることを可能にする自由状態に置かれ、その結果、模擬被覆金属アーク溶接作業中に、前記電極チップが、パイプ溶接クーポンに係合したときに、パイプに対して実際の被覆金属アーク溶接作業を行った感覚を模擬的に再現するように、触感フィードバックが見習い溶接工にもたらされる、請求項１４に記載の模擬溶接ツール。
【請求項１７】
３次元空間の少なくとも位置および向きに関して前記模擬溶接ツールを追跡する際に、前記溶接シミュレータを手助けする少なくとも１つのセンサをさらに含む、請求項１４に記載の模擬溶接ツール。
【請求項１８】
実際の棒電極の消耗を模擬的に再現するために、前記見習い溶接工が前記トリガを動かしたのを受けて、前記模擬棒電極を前記見習い溶接工に向かって後退させるように構成されたアクチュエータアセンブリをさらに含む、請求項１４に記載の模擬溶接ツール。
【請求項１９】
前記溶接シミュレータと無線で通信するように構成された通信モジュールをさらに含む、請求項１４に記載の模擬溶接ツール。
【請求項２０】
前記模擬溶接ツールと前記溶接シミュレータとの間で接続されたケーブルを介して、前記溶接シミュレータと通信するように構成された通信モジュールをさらに含む、請求項１４に記載の模擬溶接ツール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照／参照による援用
本米国特許出願は、参照により、その全体を本明細書に援用される、２０１７年６月１日に出願された米国仮特許出願第６２／５１３，５８４号明細書の優先権および利益を主張するものである。「仮想現実パイプ溶接シミュレータ（Ｖｉｒｔｕａｌ  Ｒｅａｌｉｔｙ  Ｐｉｐｅ  Ｗｅｌｄｉｎｇ  Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ）」と題して、２００９年７月１０日に出願され、２０１４年１２月２３日に登録された米国特許第８，９１５，７４０号明細書は、参照により、その全体を本明細書に援用される。
【０００２】
本発明の実施形態は、模擬溶接に関連するシステム、装置、および方法に関する。より具体的には、本発明の実施形態は、ばね付勢式チップアセンブリによる被覆金属アーク溶接（ＳＭＡＷ）作業の模擬的な再現を支援するシステム、装置、および方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
特定の溶接接合（例えば、ＳＭＡＷパイプ溶接）では、溶接プロセスにおいて、使用者は、使用する電極を介して加工物の溶接接合部に触れる必要がある。適切なアーク距離を見つけるために、溶接接合部に加えられる理想的な圧力がある。現在の専門溶接工は、適切なアーク長さおよび溶着速度を得るために、電極を第１の接点を越えて接合部に送る。溶接見習いを訓練するために、ＳＭＡＷパイプ溶接プロセスを模擬的に再現するのは困難なことがある。今日の模擬／仮想溶接訓練システムの場合、模擬ＳＭＡＷツールの一部として設けられた模擬電極チップは、剛性が高い傾向がある。これは、ＳＭＡＷ作業の模擬的な再現を非現実的なものにする。例えば、電極のスリップが、溶接クーポンで発生することがあり、その場合に、圧力を基本とした溶接技術が存在せず、適切に溶着されない。ＳＭＡＷパイプ溶接プロセスをより現実的に模擬再現する方法が求められている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の実施形態は、見習い溶接工を訓練するために、被覆金属アーク溶接（ＳＭＡＷ）作業の模擬的な再現を支援するばね付勢式チップアセンブリを含む。ばね付勢式チップアセンブリは、溶接クーポンでのスリップを軽減し、圧力を基本とした触感フィードバックを見習い溶接工にもたらす細長い模擬電極チップを含む。
【０００５】
一実施形態は、被覆金属アーク溶接（ＳＭＡＷ）作業の模擬的な再現を支援するチップアセンブリを含む。チップアセンブリは、基端と、先端と、基端の近くのロックスリーブとを有する細長い模擬電極チップを含む。チップアセンブリはまた、第１の端部および第２の端部を有する圧縮ばねを含む。第１の端部は、電極チップの基端と接するように構成される。チップアセンブリは、圧縮ばね、および電極チップのロックスリーブを囲むように構成されたロックカップをさらに含む。チップアセンブリはまた、オリフィスを有するハウジングを含む。ハウジングは、電極チップの先端をハウジングのオリフィスに通してロックスリーブまで受け入れることで、電極チップ、圧縮ばね、およびロックカップをハウジング内に入れ込むように構成される。結果として、圧縮ばね、ロックカップ、およびロックスリーブはハウジングの内部に存在し、電極チップの大部分は、ハウジングから外に突出する。ロックスリーブおよびロックカップは、互いに対して回転して、ロック位置とロック解除位置との間で切り換わるのを可能にするように構成される。一実施形態では、プレート溶接クーポンの模擬被覆金属アーク溶接で使用するために、ロック位置により、圧縮ばねが、ロックカップ内で最大限に圧縮した状態で保持され、その一方で、電極チップは、ロックカップおよびハウジングに対して不動の状態で保持される。ロック解除位置により、圧縮ばねは自由状態に置かれる。自由状態により、電極チップの先端がハウジングに向かって押し込まれたときに、圧縮ばねが縮むことが可能になる。また、自由状態により、圧縮ばねが伸長して、電極チップの先端をハウジングから遠ざかる方向に押しやることが可能になる。その結果、模擬被覆金属アーク溶接作業中に、電極チップが、パイプ溶接クーポンに係合したときに、パイプに対して実際の被覆金属アーク溶接作業を行った感覚を模擬的に再現するように、触感フィードバックが見習い溶接工にもたらされる。一実施形態では、ハウジングは、ＳＭＡＷ作業で使用するために、模擬溶接ツールに取り外し可能に取付くように構成される。一実施形態では、電極チップの先端は、模擬ＳＭＡＷ作業中での電極チップと溶接クーポンとの間のスリップを軽減するように構成された材料からなる。例えば、電極チップの少なくとも一部分は、ポリオキシメチレンからなることができる。一実施形態では、圧縮ばねの少なくとも一部分は、ポリエーテルイミドからなる。
【０００６】
一実施形態は、被覆金属アーク溶接作業の模擬的な再現を支援するチップアセンブリを含む。チップアセンブリは、基端と、先端と、基端の近くのスリーブとを有する細長い模擬電極チップを含む。チップアセンブリはまた、第１の端部および第２の端部を有する圧縮ばねを含む。第１の端部は、電極チップの基端と接するように構成される。チップアセンブリは、圧縮ばねの圧縮量を検出し、圧縮ばねの圧縮量を示す信号を生成するために、圧縮ばねの第２の端部と接するように構成された圧力センサトランスデューサをさらに含む。チップアセンブリはまた、圧力センサトランスデューサ、圧縮ばね、および電極チップのスリーブを囲むように構成されたカップを含む。チップアセンブリは、オリフィスを有するハウジングをさらに含む。ハウジングは、電極チップの先端をハウジングのオリフィスに通してスリーブまで受け入れることで、電極チップ、圧縮ばね、圧力センサトランスデューサ、およびカップをハウジング内に入れ込むように構成される。結果として、圧力センサトランスデューサ、圧縮ばね、カップ、およびスリーブはハウジングの内部に存在し、電極チップの大部分はハウジングから外に突出する。一実施形態では、圧縮ばねの圧縮量を示す信号は、少なくとも１つの模擬アーク特性を示す。模擬アーク特性には、例えば、アーク電圧、アーク電流、アーク長さ、または消弧があり得る。一実施形態では、スリーブおよびカップは、互いに対して回転して、ロック位置とロック解除位置との間で切り換わるのを可能にするように構成される。一実施形態では、プレート溶接クーポンの模擬被覆金属アーク溶接で使用するために、ロック位置により、圧縮ばねが、ロックカップ内で最大限に圧縮した状態で保持され、その一方で、電極チップは、ロックカップおよびハウジングに対して不動の状態で保持される。ロック解除位置により、圧縮ばねは、自由状態に置かれる。自由状態により、電極チップの先端がハウジングに向かって押し込まれたときに、圧縮ばねが縮むことが可能になる。また、自由状態により、圧縮ばねが伸長して、電極チップの先端をハウジングから遠ざかる方向に押しやることが可能になる。その結果、模擬被覆金属アーク溶接作業中に、電極チップがパイプ溶接クーポンに係合したときに、パイプに対して実際の被覆金属アーク溶接作業を行った感覚を模擬的に再現するように、触感フィードバックが見習い溶接工にもたらされる。
【０００７】
一実施形態は、ＳＭＡＷ作業の模擬的な再現を支援する模擬溶接ツールを含む。模擬溶接ツールは、見習い溶接工によって保持されるように構成されたハンドルと、ハンドルに動作可能に連結され、動的溶接状態を溶接シミュレータに知らせるように構成されたトリガとを含む。模擬溶接ツールはまた、チップアセンブリを有する模擬棒電極を含む。チップアセンブリは、基端と、先端と、基端の近くのロックスリーブとを有する細長い模擬電極チップを含む。チップアセンブリはまた、第１の端部および第２の端部を有する圧縮ばねを含む。第１の端部は、電極チップの基端と接するように構成される。チップアセンブリは、圧縮ばね、および電極チップのロックスリーブを囲むように構成されたロックカップをさらに含む。チップアセンブリはまた、オリフィスを有するハウジングを含む。ハウジングは、電極チップの先端をハウジングのオリフィスに通してロックスリーブまで受け入れることで、電極チップ、圧縮ばね、およびロックカップをハウジング内に入れ込むように構成される。結果として、圧縮ばね、ロックカップ、およびロックスリーブは、ハウジングの内部に存在し、電極チップの大部分はハウジングから外に突出する。ロックスリーブおよびロックカップは、互いに対して回転して、ロック位置とロック解除位置との間で切り換わるのを可能にするように構成される。一実施形態では、プレート溶接クーポンの模擬被覆金属アーク溶接で使用するために、ロック位置により、圧縮ばねが、ロックカップ内で最大限に圧縮した状態で保持され、その一方で、電極チップは、ロックカップおよびハウジングに対して不動の状態で保持される。ロック解除位置により、圧縮ばねは自由状態に置かれる。自由状態により、電極チップの先端が、ハウジングに向かって押し込まれたときに、圧縮ばねが縮むことが可能になる。また、自由状態により、圧縮ばねが伸長して、電極チップの先端をハウジングから遠ざかる方向に押しやることが可能になる。その結果、模擬被覆金属アーク溶接作業中に、電極チップが、パイプ溶接クーポンに係合したときに、パイプに対して実際の被覆金属アーク溶接作業を行った感覚を模擬的に再現するように、触感フィードバックが見習い溶接工にもたらされる。一実施形態では、模擬溶接ツールは、３次元空間の少なくとも位置および向きに関して模擬溶接ツールを追跡する際に、溶接シミュレータを手助けする少なくとも１つのセンサを含む。一実施形態では、模擬溶接ツールは、実際の棒電極の消耗を模擬的に再現するために、見習い溶接工がトリガを動かしたのを受けて、模擬棒電極を見習い溶接工に向かって後退させるように構成されたアクチュエータアセンブリを含む。一実施形態では、模擬溶接ツールは、溶接シミュレータと通信するように構成された通信モジュールを含む。通信は、無線とするか、または模擬溶接ツールと溶接シミュレータとの間で接続されたケーブルを介することができる。
【０００８】
包括的発明概念の様々な態様が、例示的な実施形態の以下の詳細な説明、特許請求の範囲、および添付図面から容易に明らかになるであろう。
【０００９】
本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付図面は、本開示の様々な実施形態を示している。図示した要素境界（例えば、四角形、四角形群、または他の形状）は、境界の一実施形態を表すことが理解されよう。一部の実施形態では、１つの要素は、複数の要素として設計することができるし、または複数の要素は、１つの要素として設計することができる。一部の実施形態では、別の要素の内部構成要素として示した要素は、外部構成要素として使用することができ、逆も同様である。さらに、要素は、一定の縮尺で作図されないことがある。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】模擬ＳＭＡＷ作業を支援するばね付勢式チップアセンブリの第１の実施形態の分解図を示している。
【図２】図１の実施形態の第１の組立図を示している。
【図３】図１の実施形態の第２の組立図を示している。
【図４】図１〜図３のばね付勢式チップアセンブリの組立実施形態の一部分のロック形態を示している。
【図５】図１〜図３のばね付勢式チップアセンブリの組立実施形態の一部分のロック解除形態を示している。
【図６】図１〜図３のばね付勢式チップアセンブリの組立実施形態の断面図を示している。
【図７】模擬ＳＭＡＷ作業を支援するばね付勢式チップアセンブリの第２の実施形態の分解図を示している。
【図８】図１〜図３のばね付勢式チップアセンブリを有する模擬溶接ツールの実施形態の第１の図を示している。
【図９】図８の模擬溶接ツールの第２の図を示している。
【図１０】模擬ＳＭＡＷ作業を支援するのに使用されるパイプ溶接クーポンの実施形態を示している。
【図１１】図８および図９の模擬溶接ツールと図１０のパイプ溶接クーポンとを対応させた一実施形態を示している。
【図１２】溶接シミュレータによって支援される模擬ＳＭＡＷ作業中に、見習い溶接工が、図１０のパイプ溶接クーポンに対して図８および図９の模擬溶接ツールを使用する例を示している。
【図１３】図１２の溶接シミュレータを有する訓練用溶接システムの実施形態のブロック図を示している。
【図１４】ばね付勢式チップアセンブリを組み立てる方法の第１の実施形態の流れ図を示している。
【図１５】ばね付勢式チップアセンブリを組み立てる方法の第２の実施形態の流れ図を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
ばね付勢式チップアセンブリによる被覆金属アーク溶接（ＳＭＡＷ）作業の模擬的な再現を支援するシステム、装置、および方法の実施形態が開示される。一実施形態では、チップアセンブリを有する模擬溶接ツールを含む溶接シミュレータが用意される。チップアセンブリは、基端と、先端と、基端の近くのロックスリーブとを有する細長い模擬電極チップを含む。圧縮ばねは、電極チップの基端と接するように構成される。ロックカップは、圧縮ばねおよびロックスリーブを囲むように構成される。オリフィスを有するハウジングは、電極チップの先端をオリフィスに通してロックスリーブまで受け入れることで、電極チップ、圧縮ばね、およびロックカップをハウジングの内部に入れ込むように構成される。ロックスリーブおよびロックカップは、互いに対して回転して、ロック位置とロック解除位置との間で切り換わるのを可能にするように構成される。
【００１２】
本明細書における例および図は単なる例示であり、本発明を限定することを意図するものではなく、本発明は、特許請求の範囲および趣旨によって判断される。ここで各図を参照して、表示したものは、本発明の例示的な実施形態を示すことのみを目的とし、本発明を限定することを目的としたものではなく、図１は、模擬ＳＭＡＷ作業を支援するばね付勢式チップアセンブリ１００の第１の実施形態の分解図を示している。
【００１３】
図１を参照すると、チップアセンブリ１００は、細長い模擬電極チップ１１０を含む。電極チップ１１０は、基端１１２と、先端１１４と、基端１１２の近くのロックスリーブ１１６とを有する。チップアセンブリ１００はまた、第１の端部１２２および第２の端部１２１を有する圧縮ばね１２０を含む。第１の端部１２２は、電極チップ１１０の基端１１２と接するように構成されている。例えば、図１に示すように、雄／雌タイプの連結が形成される。チップアセンブリ１００は、圧縮ばね１２０と電極チップ１１０のロックスリーブ１１６とを囲むように構成されたロックカップ１３０を含む。
【００１４】
チップアセンブリ１００は、オリフィス１４２を有するハウジング１４０を含む。ハウジング１４０は、電極チップ１１０の先端１１４をオリフィス１４２に通して、ロックスリーブ１１６まで受け入れることで、電極チップ１１０、圧縮ばね１２０、およびロックカップ１３０をハウジング１４０の内部に入れ込むように構成されている。図２および図３に示すように、電極チップ１１０、圧縮ばね１２０、およびロックカップ１３０をハウジング１４０の内部に組み込んだ状態で、電極チップ１１０の大部分は、オリフィス１４２を抜けてハウジング１４０から突出している。図２は、図１の実施形態の第１の組立図を示し、図３は、図１の実施形態の第２の組立図を示している。
【００１５】
一実施形態によれば、ロックスリーブ１１６およびロックカップ１３０は、互いに対して回転して、ロック位置とロック解除位置との間で切り換わるのを可能にするように構成されている。図４は、図１〜図３のばね付勢式チップアセンブリ１００の組立実施形態の一部分のロック形態４００を示し、電極チップ１１０およびロックカップ１３０をロック位置で示している。図５は、図１〜図３のばね付勢式チップアセンブリ１００の組立実施形態の一部分のロック解除形態５００を示し、電極チップ１１０およびロックカップ１３０をロック解除位置で示している。
【００１６】
図４では、圧縮ばね１２０はロック位置にあり、ロックカップ１３０およびロックスリーブ１１６によって圧縮され、全体的に囲まれているため、図４では見えない。一実施形態では、圧縮ばね１２０は、ロック位置で最大限に圧縮された状態にあり、電極チップ１１０は、ロックカップ１３０およびハウジング１４０に対して不動の状態にある（ロックされている）。ロック位置にするために、一実施形態において、使用者は、電極チップ１１０が進む限り、電極チップ１１０をハウジング１４０に押し込み、次いで、電極チップ１１０をロックカップ１３０に対して回転させる。図４に示すように、ロックスリーブ１１６の一部分は、ロックカップ１３０のスロットと係合して、チップアセンブリ１００をロック位置に置く。他の実施形態によれば、他の同等のロック形態も同様に可能である。このように、ロック位置が、模擬ＳＭＡＷプレート溶接作業を支援するためにもたらされる。
【００１７】
図５では、圧縮ばね１２０は、圧縮ばね１２０を自由状態に置くロック解除位置にある。図５に示すように、ロックスリーブ１１６は、もはやロックカップ１３０のスロットと係合していない。自由状態により、電極チップ１１０の先端１１４がハウジング１４０に向かって押し込まれたときに（例えば、見習い溶接工が、チップアセンブリ１００が取付けられた模擬溶接ルールによる模擬ＳＭＡＷパイプ溶接作業中に、電極チップ１１０の先端１１４をパイプ溶接クーポンの接合部に押し込むときに）、圧縮ばね１２０が縮むことが可能になる。また、自由状態により、（例えば、見習い溶接工が、模擬ＳＭＡＷパイプ溶接作業中に、チップアセンブリ１００が取付けられた模擬溶接ツールをパイプ溶接クーポンの接合部から遠ざかる方向に引き寄せたときに）圧縮ばね１２０が伸長して、電極チップ１１０の先端１１４をハウジング１４０から遠ざかる方向に押しやることが可能になる。このように、模擬ＳＭＡＷ作業中に、電極チップ１１０がパイプ溶接クーポンに係合したときに、パイプに対して実際のＳＭＡＷ作業を行った感覚を模擬的に再現するように、触感フィードバックが見習い溶接工にもたらされる。
【００１８】
図６は、図１〜図３のばね付勢式チップアセンブリ１００の組立実施形態の断面図を示している。図６に示すように、ハウジング１４０は、本明細書において後で説明するように、チップアセンブリ１００が、模擬溶接ツールに着脱されるのを可能にする取付け可能部分６００を含む。図６の取付け可能部分６００は、クリップ式またはスナップ式構造の形態をとる。他の実施形態によれば、他の同等の取付け可能部分の構造も同様に可能である。
【００１９】
電極チップ１１０は、模擬ＳＭＡＷ作業中に、電極チップ１１０と溶接クーポンとの間のスリップを軽減するように構成された材料からなる。例えば、一実施形態では、電極チップ１１０の少なくとも先端１１４は、ポリオキシメチレン材料からなる。ポリオキシメチレン材料は、所望通りにスリップを軽減する。一実施形態によれば、圧縮ばね１２０の少なくとも一部分は、ポリエーテルイミド材料からなる。ポリエーテルイミド材料は、模擬ＳＭＡＷ作業に適用するための望ましい圧縮ばね特性をもたらす。他の実施形態によれば、他の同等の材料も同様に可能である。
【００２０】
図７は、模擬ＳＭＡＷ作業を支援するばね付勢式チップアセンブリ７００の第２の実施形態の分解図を示している。図７のチップアセンブリ７００は、圧力センサトランスデューサ７１０をさらに含むことを除いて、前の図のチップアセンブリ１００と同様である。圧力センサトランスデューサ７１０は、圧縮ばね１２０の圧縮量を検出し、圧縮ばね１２０の圧縮量を示す信号を生成するために、圧縮ばね１２０の第２の端部１２１と接するように構成されている。一実施形態によれば、圧力センサトランスデューサ７１０は、圧電技術を使用する。他の実施形態によれば、圧力センサトランスデューサ７１０は、他のタイプのセンサおよびトランスデューサ技術を使用することができる。カップ１３０は、圧力センサトランスデューサ７１０、圧縮ばね１２０、および電極チップ１１０のスリーブ１１６を囲むように構成されている。ハウジング１４０は、図１〜図３のものと同様の態様で、電極チップ１１０、圧縮ばね１２０、圧力センサトランスデューサ７１０、およびカップ１３０をハウジングの内部に入れ込むように構成されている。
【００２１】
一実施形態では、チップアセンブリ７００のカップ１３０およびスリーブ１１６は、図１〜図３のものと同様のロックカップおよびロックスリーブである。しかし、代替実施形態では、チップアセンブリ７００のカップ１３０およびスリーブ１１６は、本明細書で前述した、ロック位置とロック解除位置との間で切り換わる能力が備わっていない。その代わりに、電極チップ１１０は、模擬ＳＭＡＷパイプ溶接作業を支援するために、常にロック解除され、（本明細書で前述した）自由状態にある。
【００２２】
一実施形態によれば、圧縮ばね１２０の圧縮量を示す、圧力センサトランスデューサ７１０によって生成される信号は、少なくとも１つの模擬アーク特性を示す。模擬アーク特性は、アーク電圧、アーク電流、アーク長さ（アーク距離）、または消弧とすることができる。信号は、（有線または無線で）溶接シミュレータに供給することができ、本明細書において後で説明するように、溶接シミュレータは、信号を少なくとも１つのアーク特性に相関させ、その相関関係に基づいて応答を生成する。様々な実施形態によれば、信号は、アナログ信号および／またはデジタル信号とすることができる。
【００２３】
図８は、図１のばね付勢式チップアセンブリ１００または図７のばね付勢式チップアセンブリ７００を有する模擬溶接ツール８００の実施形態の第１の図を示している。図９は、図８の模擬溶接ツール８００の一部分の第２の図を示している。模擬溶接ツール８００は、見習い溶接工によって保持されるように構成されたハンドル８１０を含む。模擬溶接ツール８００はまた、ハンドル８１０に動作可能に連結され、動的溶接状態を溶接シミュレータに知らせるように構成されたトリガ８２０を含む。例えば、一実施形態では、見習い溶接工がトリガ８２０を押下すると、電気信号が、有線または無線のいずれかで、模擬溶接ツール８００から溶接シミュレータに送られて、模擬（例えば、仮想現実）溶接作業を作動させる。溶接シミュレータは、本明細書において後でさらに詳細に説明される。ハンドル８１０およびトリガ８２０は、一実施形態では右利きの見習い溶接工用に、別の実施形態では左利きの見習い溶接工用に構成することができる。
【００２４】
模擬溶接ツール８００はまた、ばね付勢式チップアセンブリ１００またはばね付勢式チップアセンブリ７００が一部分に取付けられた模擬棒電極８３０を含む。様々な実施形態によれば、チップアセンブリ１００またはチップアセンブリ７００は、本明細書で前述した通りであり、チップアセンブリ１００またはチップアセンブリ７００の取付け可能部分６００（例えば、図６および図７も参照のこと）により取付く（および取り外し可能）。一実施形態によれば、取付け可能部分６００は、模擬溶接ツール８００にクリップ式に、またはスナップ式に留まるように構成されている。他の実施形態では、取付け可能部分は、模擬溶接ツールにねじ込む、または模擬溶接ツールにスライドロックするように構成することができる。他の取付け可能な実施形態も同様に可能である。さらに、一実施形態では、チップアセンブリ１００またはチップアセンブリ７００は、模擬溶接ツール８００に結合するアダプタとして構成される。模擬溶接ツール８００はまた、例えば、他のタイプの溶接または切断を模擬的に再現するための他のアダプタツール形態の取付けを支援することもできる。
【００２５】
模擬溶接ツール８００は、見習い溶接工が、トリガ８２０を動かした（例えば、押下した、または引き寄せた）のを受けて、模擬棒電極８３０を見習い溶接工に向かって後退させる、または引っ込めるように構成されたアクチュエータアセンブリ８４０を含む。模擬棒電極８３０を後退させる、または引っ込めることで、ＳＭＡＷ作業中の実際の棒電極の消耗が模擬的に再現される。一実施形態によれば、アクチュエータアセンブリ８４０は電気モータを含む。
【００２６】
一実施形態では、模擬溶接ツール８００は、３次元空間の少なくとも位置および向きに関して模擬溶接ツール８００を追跡する際に、溶接シミュレータを手助けする少なくとも１つのセンサ８５０を含む。特定の実施形態によれば、センサおよび追跡技術は、例えば、加速度計、ジャイロ、マグネット、導電性コイル、レーザ、超音波、高周波装置、および走査システムの１つまたは複数を含むことができる。空間追跡能力を有する溶接シミュレータの例は、参照により、その全体を本明細書に援用される米国特許第８，９１５，７４０号明細書で説明されている。
【００２７】
一実施形態では、模擬溶接ツール８００は、溶接シミュレータと通信するように構成された通信モジュール８６０を含む。様々な実施形態によれば、模擬溶接ツール８００と溶接シミュレータとの間の通信は、無線か（例えば、高周波または赤外線による）、または有線手段か（例えば、電気ケーブルによる）のいずれかで行うことができる。通信モジュール８６０は、トリガ８２０が動かされたときに生成される電気信号の模擬溶接ツール８００から溶接シミュレータへの通信を容易にすることができる。通信モジュール８６０はまた、センサ８５０によって生成されるセンサ信号（模擬溶接ツール８００の位置および向きを示す）の模擬溶接ツール８００から溶接シミュレータへの通信を容易にすることもできる。一実施形態では、通信モジュール８６０は、警告および警報信号の溶接シミュレータから模擬溶接ツール８００への通信を容易にすることができる。例えば、模擬溶接ツール８００は、警告および警報信号を受けて、見習い溶接工に警告し、警報を出す発光ダイオード（ＬＥＤ）および／または音生成トランスデューサを含むことができる。
【００２８】
図１０は、模擬ＳＭＡＷパイプ溶接作業を支援するのに使用されるパイプ溶接クーポン１０００の実施形態を示している。パイプ溶接クーポン１０００は、クーポン１０００の周囲を囲む接合部１０１０を含む。図１１は、図８および図９の模擬溶接ツール８００と図１０のパイプ溶接クーポン１０００とを対応させた、模擬ＳＭＡＷパイプ溶接作業の一部としての接合部１０１０の溶接を模擬的に再現する一実施形態を示している。模擬溶接ツール８００のばね付勢式チップアセンブリは、溶接クーポンでのスリップを軽減し、圧力を基本とした触感フィードバックを見習い溶接工にもたらす。
【００２９】
図１２は、溶接シミュレータ１２００によって支援される模擬ＳＭＡＷ作業中に、見習い溶接工１１００が、図１０のパイプ溶接クーポン１０００に対して図８および図９の模擬溶接ツール８００を使用する例を示している。図１２に示すように、パイプ溶接クーポン１０００は、パイプ溶接クーポンを見習い溶接工１１００にとっての所望の位置に保持する溶接スタンド１１１０によって支持されている。図１２では、見習い溶接工１１００は、表示装置が取付けられた仮想現実溶接ヘルメットまたはフェイス（ＦＭＤＤ）１１２０を着用しており、ＦＭＤＤ１１２０は、模擬溶接ツール８００と共に、溶接シミュレータ１２００に通信可能に接続している。特定の実施形態では、溶接シミュレータ１２００は、見習い溶接工１１００が、模擬溶接ツール８００を使用して、パイプ溶接クーポン１０００に対して模擬ＳＭＡＷパイプ溶接を実施するときに、ＦＭＤＤ１１２０内の表示装置で見習い溶接工１１００が見ることができる拡張現実および／または仮想現実環境を見習い溶接工にもたらす。再度、模擬溶接ツール８００のばね付勢式チップアセンブリは、模擬被覆金属アーク溶接作業中に、電極チップがパイプ溶接クーポン１０００に係合したときに、パイプに対して実際の被覆金属アーク溶接作業を行った感覚を模擬的に再現するように、圧力を基本とした触感フィードバックを見習い溶接工１１００にもたらす。
【００３０】
図１３は、図１２の溶接シミュレータ１２００、溶接クーポン１０００、溶接テーブル／スタンド１１１０、ＦＭＤＤ１１２０、および模擬溶接ツール８００を含む訓練用溶接システム１３００の実施形態のブロック図を示している。溶接シミュレータ１２００は、プログラム可能なプロセッサを基本としたサブシステム（ＰＰＳ）１２１０、空間追跡装置（ＳＴ）１２２０、溶接ユーザインターフェイス（ＷＵＩ）１２３０、および観測表示装置（ＯＤＤ）１２４０を含む。ＰＰＳ１２１０、ＳＴ１２２０、ＷＵＩ１２３０、ＯＤＤ１２４０（さらには、ＦＭＤＤ１１２０、溶接クーポン１０００、および溶接テーブル／スタンド１１１０）の実施形態の詳細な説明は、参照により、その全体を本明細書に援用される米国特許第８，９１５，７４０号明細書に見ることができる。なお、対応する構成要素に対して、本明細書で使用したものとは異なる参照数字が、米国特許第８，９１５，７４０号明細書で使用されていることがある。
【００３１】
本明細書において前述したように、一実施形態によれば、圧縮ばね１２０の圧縮量を示す、圧力センサトランスデューサ７１０によって生成される信号は、少なくとも１つの模擬アーク特性を示す。模擬アーク特性は、例えば、アーク電圧、アーク電流、アーク長さ（アーク距離）、または消弧とすることができる。信号は、（有線または無線で）溶接シミュレータ１２００に供給することができ、溶接シミュレータ１２００は、信号を少なくとも１つのアーク特性に相関させ、その相関関係に基づいて応答を生成する。様々な実施形態によれば、信号は、アナログ信号および／またはデジタル信号とすることができる。
【００３２】
例えば、信号は、電極チップ１１０が、パイプ溶接クーポン１０００の接合部１０１０に極端に押し込められたことと、現実世界において、アークが結果として消失したこととを意味する「消弧」特性に相関することができる。別の例として、信号は、アーク距離が短すぎる、または遠すぎることと、見習い溶接工が、適切なアーク距離を出すために、接合部１０１０に対する模擬溶接ツール８００の位置を調整しなければならないこととを意味する「アーク距離」特性に相関することができる。一実施形態によれば、溶接シミュレータ１２００は、そのようなアーク特性に基づいて、様々な警報および警告を見習い溶接工に出すことができる。また、溶接シミュレータ１２００は、見習い溶接工が、様々なアーク特性に対して「定められた限界から外れた」場合に、見習い溶接工の成績にペナルティを適用することができる。
【００３３】
図１４は、ばね付勢式チップアセンブリ１００を組み立てる方法１４００の第１の実施形態の流れ図を示している。図１４のブロック１４１０で、基端の近くにロックスリーブを有する、細長い模擬電極チップの基端に圧縮ばねの第１の端部を接触させる。ブロック１４２０で、圧縮ばねと模擬電極チップの少なくともロックスリーブとをロックカップで取り囲む。ブロック１４３０で、圧縮ばね、ロックカップ、およびロックスリーブがハウジングの内部に存在して、模擬電極チップの大部分が、オリフィスを通ってハウジングから外に突出するように、電極チップ、圧縮ばね、およびロックカップを（連結され、取り囲まれるように）オリフィスを有するハウジングに挿入する。ブロック１４１０〜１４３０は、ばね付勢式チップアセンブリ１００の最終的な同じ組立形態が得られる所与の順序で、または別の順序で実施することができる。
【００３４】
図１５は、ばね付勢式チップアセンブリ７００を組み立てる方法１５００の第２の実施形態の流れ図を示している。ブロック１５１０で、基端の近くにロックスリーブを有する、細長い模擬電極チップの基端に圧縮ばねの第１の端部を接触させる。ブロック１５２０で、圧力センサトランスデューサを圧縮ばねの第２の端部に接触させる。ブロック１５３０で、圧力センサトランスデューサと、圧縮ばねと、模擬電極チップの少なくともロックスリーブとをロックカップで取り囲む。ブロック１５４０で、圧縮ばね、圧力センサトランスデューサ、ロックカップ、およびロックスリーブがハウジングの内部に存在して、電極チップの大部分が、オリフィスを通ってハウジングから外に突出するように、電極チップ、圧縮ばね、圧力センサトランスデューサ、およびロックカップを（連結され、取り囲まれるように）オリフィスを有するハウジングに挿入する。ブロック１５１０〜１５４０は、ばね付勢式チップアセンブリ７００の最終的な同じ組立形態が得られる所与の順序で、または別の順序で実施することができる。
【００３５】
開示した実施形態が、かなり細部にわたって図示および説明されたが、これは、特許請求の範囲をそのような細部に制限する、または何らかの形で限定することを意図するものではない。当然のことながら、主題の様々な態様を説明するために、構成要素または方法の想定可能なあらゆる組み合わせを説明することは不可能である。したがって、本開示は、図示および説明された特定の細部または用例に限定されない。すなわち、本開示は、特許請求の範囲内に入り、米国特許法第１０１条の法定主題要件を満たす変更、修正、および変形を包含することを意図されている。特定の実施形態の上記の説明は、例として提示された。当業者は、提示された開示から、包括的発明概念および付随する利点を理解するだけでなく、さらに、開示した構造および方法に対する種々の明白な変更および修正を発見するであろう。したがって、添付の特許請求の範囲およびその等価物によって規定される包括的発明概念の趣旨および範囲内に入るそのような変更および修正のすべてを包含することが図られている。
【符号の説明】
【００３６】
１００  チップアセンブリ
１１０  電極チップ
１１２  基端
１１４  先端
１１６  ロックスリーブ
１２０  圧縮ばね
１２１  第２の端部
１２２  第１の端部
１３０  ロックカップ
１４０  ハウジング
１４２  オリフィス
４００  ロック形態
５００  ロック解除形態
６００  取付け可能部分
７００  チップアセンブリ
７１０  圧力センサトランスデューサ
８００  模擬溶接ツール
８１０  ハンドル
８２０  トリガ
８３０  模擬棒電極
８４０  アクチュエータアセンブリ
８５０  センサ
８６０  通信モジュール
１０００  パイプ溶接クーポン
１０１０  接合部
１１００  見習い溶接工
１１１０  溶接スタンド
１１２０  ＦＭＤＤ  
１２００  溶接シミュレータ
１２１０  ＰＰＳ
１２２０  ＳＴ
１２３０  ＷＵＩ
１２４０  ＯＤＤ
１４００  方法
１４１０  ブロック
１４２０  ブロック
１４３０  ブロック
１５００  方法
１５１０  ブロック
１５２０  ブロック
１５３０  ブロック
１５４０  ブロック
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2018205740.tif 000015
【図１４】
2018205740.tif 000016
【図１５】
2018205740.tif 000017
【外国語明細書】
2018205740000001.pdf