DE102021002682A1 - Procedure for quality control during welding - Google Patents

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DE102021002682A1 DE102021002682.9A DE102021002682A DE102021002682A1 DE 102021002682 A1 DE102021002682 A1 DE 102021002682A1 DE 102021002682 A DE102021002682 A DE 102021002682A DE 102021002682 A1 DE102021002682 A1 DE 102021002682A1
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Michael Luttmer
Christian Lörler
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Qualitätsüberwachung beim Schweißen.Erfindungsgemäß werden- fehlerhafte Schweißprozesse reproduziert und dabei Prozessdaten von Prozessgrößen aufgezeichnet,- die aufgezeichneten Prozessdaten zum Trainieren von Modellen (MD) aus dem Bereich künstlicher Intelligenz zur Erkennung einer mangelnden Schweißnahtqualität verwendet, und- die trainierten Modelle (MD) innerhalb einer graphischen Benutzeroberfläche während einer Durchführung von Schweißprozessen zur Erkennung der mangelnden Schweißnahtqualität verwendet.The invention relates to a method for quality monitoring during welding. According to the invention, faulty welding processes are reproduced and process data of process variables are recorded, - the recorded process data are used to train models (MD) from the field of artificial intelligence to detect poor weld quality, and - the trained Models (MD) are used within a graphical user interface while welding processes are being carried out to identify the poor quality of the weld seam.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Qualitätsüberwachung beim Schweißen nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The invention relates to a method for quality monitoring during welding according to the features of the preamble of claim 1.

Aus dem Stand der Technik sind, wie in der DE 103 51 579 A1 beschrieben, ein Verfahren zur Überprüfung von Schweißnähten während eines Schweißprozesses sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens bekannt. Ein Teil der Strahlungsintensität, die vom Lichtbogen erzeugt wird, wird nach dem Durchdringen eines Intensitätsminderers von einem fotoempfindlichen Detektor erfasst. Das Signal des Detektors wird von einer digitalen Rechnereinheit mathematisch aufbereitet und daraus ein digitales Muster erzeugt, welches mit einem im Speicher abgelegten Referenzmuster verglichen und eine Abweichung über einen Signalgeber gemeldet wird.From the prior art, as in DE 103 51 579 A1 described, a method for checking weld seams during a welding process and a device for performing this method are known. Part of the radiation intensity that is generated by the arc is detected by a photosensitive detector after it has passed through an intensity reducer. The signal from the detector is mathematically processed by a digital computer unit and a digital pattern is generated therefrom, which is compared with a reference pattern stored in the memory and a deviation is reported via a signal transmitter.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Qualitätsüberwachung beim Schweißen anzugeben.The invention is based on the object of specifying a method for quality monitoring during welding which is improved over the prior art.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Qualitätsüberwachung beim Schweißen mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The object is achieved according to the invention by a method for quality monitoring during welding with the features of claim 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous refinements of the invention are the subject matter of the subclaims.

In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Qualitätsüberwachung beim Schweißen, insbesondere beim Metall-Schutzgasschweißen (MSG-Schweißen) werden

  • - fehlerhafte Schweißprozesse reproduziert und dabei Prozessdaten von Prozessgrößen, insbesondere Schweißstrom, Schweißspannung und während des Schweißprozesses emittierter Schall, aufgezeichnet,
  • - die aufgezeichneten Prozessdaten zum Trainieren von Modellen aus dem Bereich künstlicher Intelligenz zur Erkennung einer mangelnden Schweißnahtqualität verwendet, und
  • - die trainierten Modelle innerhalb einer graphischen Benutzeroberfläche während einer Durchführung von Schweißprozessen zur Erkennung der mangelnden Schweißnahtqualität verwendet.
In a method according to the invention for quality monitoring during welding, in particular during gas-shielded metal arc welding (MIG / MAG welding)
  • - Faulty welding processes are reproduced and process data of process variables, in particular welding current, welding voltage and sound emitted during the welding process, are recorded,
  • - the recorded process data are used to train models from the field of artificial intelligence to identify poor weld seam quality, and
  • the trained models are used within a graphical user interface while welding processes are being carried out to identify the poor quality of the weld seam.

Insbesondere werden die erfassten Prozessgrößen, d. h. die Prozessdaten, vorverarbeitet und aus den vorverarbeiteten Signalen der Prozessgrößen werden, insbesondere statistische, Kenngrößen abgeleitet, welche zum Trainieren der Modelle für ein maschinelles Lernen, bestehend aus einer Datenvorbereitung und einer Modellerstellung, verwendet werden. Der Schritt der Vorverarbeitung beinhaltet insbesondere eine Transformation der erfassten Prozessgröße in einen Frequenz- und/oder Quefrenzbereich. Vorteilhafterweise werden verschiedene Charakteristiken aus den Transformierten berechnet, die beispielsweise Aussagen zum Verlauf, der Struktur oder der Verteilung geben. Aus diesen Charakteristiken werden insbesondere statistische Kenngrößen abgeleitet, die als Eingangsgröße für das Training der Machine Learning-Modelle verwendet werden. Das jeweilige resultierende Modell ist in der Lage, Schweißungen anhand der oben bereits erwähnten Prozessgrößen Schweißstrom, Schweißspannung und Schall in Gutschweißungen (iO = Schweißung ist in Odnung) und Schlechtschweißungen (niO = Schweißung ist nicht in Ordnung) einzuteilen, d. h. die trainierten Modelle werden während der Durchführung der Schweißprozesse zur Bewertung der jeweiligen Schweißung als Gutschweißung oder Schlechtschweißung verwendet.In particular, the recorded process variables, d. H. the process data, preprocessed and derived from the preprocessed signals of the process variables, in particular statistical parameters, which are used to train the models for machine learning, consisting of data preparation and model creation. The preprocessing step includes, in particular, a transformation of the recorded process variable into a frequency and / or frequency range. Advantageously, various characteristics are calculated from the transformed, which for example provide information on the course, the structure or the distribution. In particular, statistical parameters are derived from these characteristics, which are used as input variables for training the machine learning models. The respective resulting model is able to divide welds into good welds (OK = weld is OK) and bad welds (not OK = weld is not OK) based on the process variables already mentioned above, welding current, welding voltage and sound. H. the trained models are used while the welding processes are being carried out to evaluate the respective weld as a good weld or a bad weld.

Bisher erfolgt die Evaluierung der Schweißnahtqualität beim Metall-Schutzgasschweißen bei größeren Stückzahlen zumeist durch automatisierte Prüfsysteme. Diese arbeiten auf Basis optischer Prüfverfahren und sind deshalb anfällig für Fehler. Des Weiteren ist deren Einsatz mit hohen Kosten verbunden, da Platz für Prüfstationen vorgehalten werden muss und die Prüfung erst nachgelagert erfolgen kann. Prozessbedingte Unregelmäßigkeiten können somit erst zu einem späteren Zeitpunkt erkannt und behoben werden und führen bis dahin zu möglichem Ausschuss. Dieses Problem wird durch die Erfindung gelöst, indem, wie beschrieben, fehlerhafte Schweißprozesse und dadurch die Schweißfehler reproduziert werden, insbesondere unter Realbedingungen im Labor nachgestellt werden und die Prozessdaten aufgezeichnet werden, die Modelle aus dem Bereich der Künstlichen Intelligenz zur Erkennung mangelnder Schweißnahtqualität trainiert werden und die trainierten Modelle innerhalb einer graphischen Benutzeroberfläche (GUI) im produktiven Umfeld (Inline/Inprocess), d. h. während der Durchführung von Schweißprozessen, verwendet werden, insbesondere zur Erkennung der mangelnden Schweißnahtqualität verwendet werden.So far, the evaluation of the weld seam quality in gas-shielded metal arc welding has mostly been done by automated test systems for larger quantities. These work on the basis of optical test procedures and are therefore prone to errors. Furthermore, their use is associated with high costs, since space has to be reserved for test stations and the test can only be carried out afterwards. Process-related irregularities can therefore only be recognized and remedied at a later point in time and lead to possible rejects until then. This problem is solved by the invention in that, as described, faulty welding processes and thus the welding defects are reproduced, in particular reproduced under real conditions in the laboratory and the process data are recorded, the models from the field of artificial intelligence are trained to detect poor weld seam quality and the trained models within a graphical user interface (GUI) in the productive environment (inline / inprocess), d. H. during the implementation of welding processes, in particular used to detect the poor quality of the weld seam.

Dadurch entfallen eine manuelle Inspektion und bisher bereits verwendete automatisierte Prüfsysteme. Es wird eine Inline/Inprocess-Prüfung ermöglicht. Insbesondere wird eine frühzeitige Erkennung einer abdriftenden Qualität der Schweißnaht ermöglicht, wodurch entsprechende korrektive Maßnahmen ermöglicht werden. Zudem wird ein Entfall einer Parametrierung ermöglicht.This eliminates the need for manual inspection and automated test systems that have already been used. An inline / in-process test is made possible. In particular, an early detection of a drifting quality of the weld seam is made possible, whereby appropriate corrective measures are made possible. In addition, parameterization can be omitted.

Die beschriebene Lösung ist insbesondere auch für moderne Prozessregelvarianten, insbesondere nach DVS 0973, geeignet, welche sich aufgrund hoher Dynamiken im Prozess bisher nicht überwachen lassen.The solution described is particularly also suitable for modern process control variants, in particular according to DVS 0973, which are based on high dynamics in the process have not yet been monitored.

Das Verfahren wird beispielsweise bei der Herstellung eines Batteriegehäuses für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, verwendet.The method is used, for example, in the production of a battery housing for a vehicle, in particular for a motor vehicle.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.

Dabei zeigen:

  • 1 schematisch Schweißstrom, Schweißspannung und Schall über die Zeit,
  • 2 schematisch einen Modellerstellungsteil eines Verfahrens zur Qualitätsüberwachung beim Schweißen,
  • 3 schematisch ein Originalsignal,
  • 4 schematisch Nulldurchgänge,
  • 5 schematisch einen Spektralschwerpunkt,
  • 6 schematisch einen spektralen Roll-Off,
  • 7 schematisch eine spektrale Bandbreite,
  • 8 schematisch eine Datenerfassung mittels einer Vorrichtung, und
  • 9 schematisch eine Bewertung eines Schweißprozesses.
Show:
  • 1 schematically welding current, welding voltage and sound over time,
  • 2 schematically a model creation part of a method for quality monitoring during welding,
  • 3 schematically an original signal,
  • 4th schematic zero crossings,
  • 5 schematically a spectral center of gravity,
  • 6th schematically a spectral roll-off,
  • 7th schematically a spectral bandwidth,
  • 8th schematically a data acquisition by means of a device, and
  • 9 schematically an evaluation of a welding process.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided with the same reference symbols in all figures.

Anhand der 1 bis 9 wird im Folgenden ein Verfahren zur Qualitätsüberwachung beim Schweißen, insbesondere beim Metall-Schutzgasschweißen (MSG-Schweißen) beschrieben. Zusammengefasst werden in diesem Verfahren fehlerhafte Schweißprozesse reproduziert und dabei Prozessdaten von Prozessgrößen, insbesondere Schweißstrom I, Schweißspannung U und während des Schweißprozesses emittierter Schall S, aufgezeichnet, die aufgezeichneten Prozessdaten zum Trainieren von Modellen MD aus dem Bereich künstlicher Intelligenz zur Erkennung einer mangelnden Schweißnahtqualität verwendet, und die trainierten Modelle MD innerhalb einer graphischen Benutzeroberfläche während einer Durchführung von Schweißprozessen zur Erkennung der mangelnden Schweißnahtqualität verwendet. Insbesondere werden Eingangssignale der Prozessgrößen, d. h. die Prozessdaten, vorverarbeitet und aus den vorverarbeiteten Signalen werden statistische Kenngrößen abgeleitet, welche zum Trainieren der Modelle MD für ein maschinelles Lernen, bestehend aus einer Datenvorbereitung und einer Modellerstellung, verwendet werden. Das jeweilige resultierende Modell MD ist in der Lage, Schweißungen anhand der oben bereits erwähnten Prozessgrößen Schweißstrom I, Schweißspannung U und Schall S in Gutschweißungen (iO = Schweißung ist in Ordnung) und Schlechtschweißungen (niO = Schweißung ist nicht in Ordnung) einzuteilen, d. h. die trainierten Modelle MD werden während der Durchführung der Schweißprozesse zur Bewertung der jeweiligen Schweißung als Gutschweißung oder Schlechtschweißung verwendet.Based on 1 until 9 The following describes a method for quality monitoring during welding, in particular for gas-shielded metal arc welding (MIG / MAG welding). In summary, faulty welding processes are reproduced in this method and process data of process variables, in particular welding current, are reproduced in the process I. , Welding voltage U and sound emitted during the welding process S. , recorded, the recorded process data for training models MD from the field of artificial intelligence used to detect poor weld seam quality, and the trained models MD used within a graphical user interface while welding processes are being carried out to identify the poor quality of the weld seam. In particular, input signals of the process variables, ie the process data, are preprocessed, and statistical parameters are derived from the preprocessed signals, which are used to train the models MD can be used for machine learning, consisting of data preparation and model creation. The respective resulting model MD is able to perform welds using the process variables already mentioned above, welding current I. , Welding voltage U and sound S. to be divided into good welds (OK = weld is OK) and bad welds (NOK = weld is not OK), ie the trained models MD are used during the welding process to evaluate the respective weld as a good weld or a bad weld.

Im Folgenden werden der Hintergrund und der Verfahrensablauf dieses Verfahrens detailliert beschrieben.The background and the process sequence of this procedure are described in detail below.

Beim Metall-Schutzgasschweißen werden vorteilhafterweise digital geregelte Schweißstromquellen verwendet, mit denen sich innovative Prozessvarianten realisieren lassen. Treten während des Schweißens Unregelmäßigkeiten auf, bilden sich diese in den Prozessgrößen ab. Bisher betrachtete Prozessgrößen sind hierbei die Schweißspannung U und der Schweißstrom I. Ein weiteres Signal, d. h. eine weitere Prozessgröße, in dem bzw. in der sich Unregelmäßigkeiten bemerkbar machen, ist der während des Schweißprozesses emittierte Schall S. Es ist bekannt, dass ein erfahrener Schweißer aufgrund einer Akustik Aussagen zur Qualität der Schweißung treffen kann. Zusammengefasst werden somit die drei Signale, d. h. Prozessgrößen, Schweißstrom I, Schweißspannung U und Schall S durch Unregelmäßigkeiten im Schweißprozess tangiert. 1 zeigt dies exemplarisch für einen CMT Pulse Schweißprozess anhand der drei Prozessgrößen Schweißstrom I, Schweißspannung U und Schall S über die Zeit t, wobei die eingezeichneten Pfeile auf Bereiche deuten, in denen Unregelmäßigkeiten im Schweißprozess erkennbar sind.In gas-shielded metal arc welding, digitally controlled welding power sources are advantageously used, with which innovative process variants can be implemented. If irregularities occur during welding, these are reflected in the process variables. Process variables considered so far are the welding voltage U and the welding current I. . Another signal, ie another process variable in which or in which irregularities become noticeable, is the sound emitted during the welding process S. . It is known that an experienced welder can make statements about the quality of the weld based on acoustics. The three signals, ie process variables, welding current, are thus combined I. , Welding voltage U and sound S. affected by irregularities in the welding process. 1 shows this as an example for a CMT pulse welding process based on the three process variables welding current I. , Welding voltage U and sound S. over time t, whereby the arrows shown indicate areas in which irregularities in the welding process can be recognized.

Der grundlegende Ansatz des hier beschriebenen Verfahrens ist, mit Hilfe der drei genannten Signale, d. h. der Prozessgrößen Schweißstrom I, Schweißspannung U und Schall S, und unter Verwendung von Machine Learning ML, d. h. maschinellem Lernen, Rückschlüsse auf die Qualität der Schweißung zu ziehen. Wie in 2 gezeigt, durchlaufen hierzu in einem Modellerstellungsteil des Verfahrens Eingangssignale, d. h. aufgezeichnete Prozessdaten, der Prozessgrößen Schweißstrom I, Schweißspannung U und Schall S zunächst in einem ersten Schritt MS1 eine Signalvorverarbeitung. Aus diesen vorverarbeiteten Signalen werden anschließend in einem zweiten Schritt MS2 statistische Kenngrößen, d. h. Kennzahlen, abgeleitet, d. h. extrahiert. Diese werden für das Machine Learning ML verwendet, welches aus einer Data Preparation, d. h. einer Datenvorbereitung, in einem dritten Schritt MS3, und der Modellerstellung in einem vierten Schritt MS4 besteht. Das resultierende Modell MD ist, wie bereits erwähnt, in der Lage, Schweißungen anhand der Größen Schweißstrom I, Schweißspannung U und Schall S in Gutschweißungen (iO) und Schlechtschweißungen (niO) einzuteilen.The basic approach of the method described here is with the help of the three signals mentioned, ie the process variables welding current I. , Welding voltage U and sound S. , and using machine learning ML , ie machine learning, to draw conclusions about the quality of the weld. As in 2 shown, input signals, ie recorded process data, of the process variables welding current run through for this purpose in a modeling part of the method I. , Welding voltage U and sound S. initially signal preprocessing in a first step MS1. From these preprocessed signals, statistical parameters, that is to say parameters, are then derived, that is to say extracted, in a second step MS2. These are used for machine learning ML used, which consists of a data preparation, ie a data preparation, in a third step MS3 , and the model creation in a fourth step MS4. The resulting model MD is, as already mentioned, able to perform welds on the basis of the values of the welding current I. , Welding voltage U and sound S. to be divided into good welds (OK) and bad welds (not ok).

Die Neuartigkeit der beschriebenen Lösung liegt dabei in der Kombination der betrachteten Signale Schweißstrom I, Schweißspannung U und Schall S sowie in der Signalvorverarbeitung. Andere Ansätze betrachten die Signale im Wesentlichen lediglich in ihrer ursprünglichen Form. In digitalisierter Form entspricht dies einer Zeitreihe aus Datenpunkten. Aus diesen Zeitreihen werden statistische Kennzahlen abgeleitet, die als Input für das Machine Learning ML verwendet werden.The novelty of the solution described lies in the combination of the observed welding current signals I. , Welding voltage U and sound S. as well as in signal preprocessing. Other approaches consider the signals essentially only in their original form. In digitized form, this corresponds to a time series of data points. Statistical key figures are derived from these time series, which are used as input for machine learning ML be used.

Die hier beschriebene Signalvorverarbeitung ist ein Zwischenschritt und transformiert die Eingangssignale, d. h. die aufgezeichneten Prozessdaten der Prozessgrößen Schweißstrom I, Schweißspannung U und Schall S, in unterschiedliche Dimensionen. Hierfür werden verschiedene Transformationen verwendet. Diese haben ihren Ursprung in der Audio-Analyse. Da jedoch auch Strom- und Spannungssignal wie der Schall S durch eine Zeitreihe abgebildet werden, können sie ebenfalls transformiert werden. Die Zieldimensionen der Transformationen sind Zeitbereich, Frequenzbereich und Quefrenzbereich.The signal preprocessing described here is an intermediate step and transforms the input signals, ie the recorded process data of the process variables welding current I. , Welding voltage U and sound S. , in different dimensions. Various transformations are used for this. These have their origin in audio analysis. However, there are also current and voltage signals like sound S. are mapped by a time series, they can also be transformed. The target dimensions of the transformations are time domain, frequency domain and cross-reference domain.

Die 3 bis 7 geben einen Überblick über die zugehörigen Transformationen. Wie beschrieben, sind die Zieldimensionen in der Signalvorverarbeitung der Zeitbereich, Frequenzbereich und „Quefrenzbereich“. Der Zeitbereich umfasst das Originalsignal, wie in 3 gezeigt, und Nulldurchgänge, wie in 4 gezeigt. Der Frequenzbereich umfasst einen Spektralschwerpunkt, wie in 5 gezeigt, einen spektralen Roll-Off, wie in 6 gezeigt, und eine spektrale Bandbreite, wie in 7 gezeigt. Der Quefrenzbereich umfasst einen Mel-Frequenz-Cepstrum-Koeffizient (MFC), welcher in einer schematischen Schwarz-Weiß-Darstellung nicht darstellbar ist.the 3 until 7th provide an overview of the associated transformations. As described, the target dimensions in signal preprocessing are the time domain, frequency domain and "cross-border domain". The time domain includes the original signal, as in 3 shown, and zero crossings as in 4th shown. The frequency range includes a spectral centroid, as in 5 shown a spectral roll-off, as in 6th shown, and a spectral bandwidth as in 7th shown. The limit range comprises a Mel-Frequency-Cepstrum-Coefficient (MFC), which cannot be represented in a schematic black-and-white representation.

Das Originalsignal sind die originalen Eingangsdaten in ihrem Rohzustand.The original signal is the original input data in its raw state.

Der Spektralschwerpunkt drückt die Frequenz aus, bei der die Energie eines Spektrums zentriert ist. Er zeigt also den „Schwerpunkt“ eines Frequenzspektrums an. Er wird wie folgt berechnet: C r = k = 1 N 2 f [ k ] | X r [ k ] | k = 1 N 2 | X r [ k ] |

Figure DE102021002682A1_0001
The spectral center of gravity expresses the frequency at which the energy of a spectrum is centered. So it shows the “center of gravity” of a frequency spectrum. It is calculated as follows: C. r = k = 1 N 2 f [ k ] | X r [ k ] | k = 1 N 2 | X r [ k ] |
Figure DE102021002682A1_0001

Dabei ist:

  • Cr der Spektralschwerpunkt,
  • f[k] die Frequenz des k-ten bin,
  • r die aktuelle Frame-Nummer,
  • [k] die Kurzzeit-Fouriertransformation des Frame,
  • N der limitierende Wert von k,
  • k der bin,
  • Xr[k] der Spektralwert des k-ten bin.
Where:
  • C r is the spectral center of gravity,
  • f [k] the frequency of the k-th bin,
  • r the current frame number,
  • [k] the short-term Fourier transform of the frame,
  • N is the limiting value of k,
  • k who am
  • X r [k] the spectral value of the k-th bin.

Der spektrale Roll-Off ähnelt der Form des Signals, indem angezeigt wird, an welchem Punkt hohe Frequenzen gegen Null gehen. Hierzu gibt er die Frequenz an, die in der Größenverteilung des Frequenzspektrums die Obergrenze der 85%-Konzentration bildet. Er wird wie folgt berechnet: k = 1 F | X r [ k ] | = 0,85 k = 1 N 2 | X r [ k ] |

Figure DE102021002682A1_0002
The spectral roll-off resembles the shape of the signal in that it shows at what point high frequencies approach zero. For this purpose, he specifies the frequency that forms the upper limit of the 85% concentration in the size distribution of the frequency spectrum. It is calculated as follows: k = 1 F. | X r [ k ] | = 0.85 k = 1 N 2 | X r [ k ] |
Figure DE102021002682A1_0002

Dabei ist:

  • r die aktuelle Frame-Nummer,
  • [k] die Kurzzeit-Fouriertransformation des Frame,
  • F der limitierende Wert von k,
  • N der limitierende Wert von k,
  • k der bin,
  • Xr[k] der Spektralwert des k-ten bin.
Where:
  • r the current frame number,
  • [k] the short-term Fourier transform of the frame,
  • F is the limiting value of k,
  • N is the limiting value of k,
  • k who am
  • X r [k] the spectral value of the k-th bin.

Die spektrale Bandbreite ist das Frequenzintervall, in dem die spektrale Konzentration mindestens die Hälfte des Maximalwerts beträgt. Somit ist es „die Leistungsübertragungsfunktion um die Mittenfrequenz“. Für die hier beschriebene Lösung erwies sich die zweite, dritte und vierte Ordnung als am relevantesten. Die spektrale Bandbreite wird wie folgt berechnet: B p = ( k = 1 F ( X r [ k ] f [ k ] C r ) p ) 1 p

Figure DE102021002682A1_0003
The spectral bandwidth is the frequency interval in which the spectral concentration is at least half of the maximum value. Thus it is "the power transfer function around the center frequency". For the solution described here, the second, third, and fourth orders turned out to be the most relevant. The spectral bandwidth is calculated as follows: B. p = ( k = 1 F. ( X r [ k ] f [ k ] - C. r ) p ) 1 p
Figure DE102021002682A1_0003

Dabei ist:

  • Bp die spektrale Bandbreite,
  • r die aktuelle Frame-Nummer,
  • [k] die Kurzzeit-Fouriertransformation des Frame,
  • F der limitierende Wert von k,
  • k der bin,
  • p die Ordnung,
  • f[k] die Frequenz des k-ten bin,
  • Cr der Spektralschwerpunkt,
  • Xr[k] der Spektralwert des k-ten bin.
Where:
  • B p is the spectral bandwidth,
  • r the current frame number,
  • [k] the short-term Fourier transform of the frame,
  • F is the limiting value of k,
  • k who am
  • p the order,
  • f [k] the frequency of the k-th bin,
  • C r is the spectral center of gravity,
  • X r [k] the spectral value of the k-th bin.

Die Nulldurchgänge (Nulldurchgangsrate) definieren, wie oft und/oder an welcher Stelle x und/oder zu welchem Zeitpunkt t das Signal einen Vorzeichenwechsel durchführt. Dies ist ein Maß für die Signalglätte und wird wie folgt berechnet: Z C R = n = 1 N 1 | s g n [ x ( n + 1 ) ] s g n [ x ( n ) ] | / 2 ( N 1 )

Figure DE102021002682A1_0004
The zero crossings (zero crossing rate) define how often and / or at what point x and / or at what time t the signal changes sign. This is a measure of the signal smoothness and is calculated as follows: Z C. R. = n = 1 N - 1 | s G n [ x ( n + 1 ) ] - s G n [ x ( n ) ] | / 2 ( N - 1 )
Figure DE102021002682A1_0004

Dabei ist:

  • ZCR die Nulldurchgangsrate,
  • N der limitierende Wert von k,
  • n der bin,
  • x(n) ein diskretes Audiosignal, wobei für sgn[x(n)] gilt:
    • 1 (x(n)≥0
    • -1 (x(n)≤0.
Where:
  • ZCR is the zero crossing rate,
  • N is the limiting value of k,
  • n who am
  • x (n) is a discrete audio signal, where for sgn [x (n)]:
    • 1 (x (n) ≥0
    • -1 (x (n) ≤0.

Der Mel-Frequenz-Cepstrum-Koeffizient (MFC) zeigt das logarithmische Energiespektrum für bestimmte Frequenzbänder. Die Bänder sind nicht linear und basieren auf der Mel-Skala. Diese Skala repliziert das menschliche Hörsystem. Für die hier beschriebene Lösung wurden fünfzehn Bänder in Zonen unterteilt, von denen die zwölf niedrigsten verwendet wurden. Der Mel-Frequenz-Cepstrum-Koeffizient (MFC) wird wie folgt berechnet: c ( n ) = m = 0 M 1 l o g 10 ( s ( m ) ) c o s ( π n ( m 0,5 ) M )

Figure DE102021002682A1_0005
The Mel Frequency Cepstrum Coefficient (MFC) shows the logarithmic energy spectrum for certain frequency bands. The bands are not linear and are based on the Mel scale. This scale replicates the human hearing system. For the solution described here, fifteen bands were zoned, the twelve lowest of which were used. The Mel Frequency Cepstrum Coefficient (MFC) is calculated as follows: c ( n ) = m = 0 M. - 1 l O G 10 ( s ( m ) ) c O s ( π n ( m - 0.5 ) M. )
Figure DE102021002682A1_0005

Dabei ist:

  • c(n) der Mel-Frequenz-Cepstrum-Koeffizient,
  • n die Bandnummer,
  • M die Gesamtzahl der dreieckigen Mel-Gewichtungsfilter,
  • s(m) das Mel-Spektrum,
  • m eine Laufvariable von 0 bis M-1.
Where:
  • c (n) is the mel frequency cepstrum coefficient,
  • n the volume number,
  • M is the total number of triangular Mel weighting filters,
  • s (m) the Mel spectrum,
  • m is a run variable from 0 to M-1.

Die so erstellten Signale werden anschließend für die Extraktion statistischer Kennzahlen genutzt. Die Methode der Signalvorverarbeitung ermöglicht es somit, die Anzahl der zur Verfügung stehenden Signale deutlich zu erhöhen. In Folge wird somit auch die Zahl der extrahierten Kennzahlen erhöht. Hierdurch stehen für das anschließende Machine Learning ML neue Features, d. h. neue Merkmale, bereit, die zusätzliche Information über die Aufteilung in iO und niO, d. h. in Gutschweißungen und Schlechtschweißungen, bereitstellen. Dies kann die resultierenden Modelle MD bezüglich ihrer Genauigkeit, aber auch bezüglich ihrer Generalisierbarkeit, verbessern.The signals generated in this way are then used to extract statistical key figures. The method of signal preprocessing thus makes it possible to significantly increase the number of signals available. As a result, the number of key figures extracted is also increased. This stands for the subsequent machine learning ML new features, ie new features, are ready that provide additional information about the division into OK and NOK, ie into good welds and bad welds. This can be the resulting models MD improve with regard to their accuracy, but also with regard to their generalizability.

8 zeigt schematisch eine Datenerfassung mittels einer entsprechenden Vorrichtung. Die Vorrichtung umfasst Prozesssensoren 1, ein Datenerfassungsmodul 2, einen Messdatenrechner 3, eine Datenbank 4 zur Aufzeichnung der Prozessgrößen Schweißstrom I, Schweißspannung U und Schall S, einen Roboter 5 zur Durchführung des Schweißprozesses an einem Bauteil 6 und eine Schweißeinheit 7. 8th shows schematically a data acquisition by means of a corresponding device. The device includes process sensors 1 , a data acquisition module 2 , a measurement data calculator 3 , a database 4th for recording the process variables welding current I. , Welding voltage U and sound S. , a robot 5 for carrying out the welding process on a component 6th and a welding unit 7th .

Im Verfahren werden vorteilhafterweise zunächst „in Ordnung“ (iO) Schweißungen, d. h. Gutschweißungen, sowie „nicht in Ordnung“ (niO) Schweißungen, d. h. Schlechtschweißungen, durchgeführt. Die Schlechtschweißungen weisen mangelhafte Qualität auf. Dies kann bewusst provoziert werden, beispielsweise durch Verschmutzung einer Fügestelle oder die Wahl ungeeigneter Schweißparameter. Die drei Signale, d. h. die Schweißgrößen Schweißspannung U, Schweißstrom I und Schall S, werden hierbei aufgezeichnet, um eine Datengrundlage zu erzeugen. Somit stehen pro Schweißung diese drei Signale zur Verfügung.In the process, “OK” (OK) welds, ie good welds, and “not OK” (not OK) welds, ie bad welds, are advantageously carried out first. The bad welds are of poor quality. This can be deliberately provoked, for example by contamination of a joint or the selection of unsuitable welding parameters. The three signals, ie the welding parameters welding voltage U , Welding current I. and sound S. , are recorded in order to generate a database. This means that these three signals are available for each weld.

Anschließend durchläuft jedes dieser Signale verschiedene Transformationen, wie oben beschrieben. Die Transformationen stammen, wie bereits erwähnt, aus dem Bereich der Audio-Analyse. Da es sich bei den Strom- und Spannungsdaten jedoch wie bei Schalldaten ebenfalls um Zeitreihen handelt, können die Transformationen auch hier angewandt werden. Somit wird die Zahl der pro Schweißung zur Verfügung stehenden Signale multipliziert.Each of these signals then goes through various transformations, as described above. As already mentioned, the transformations come from the field of audio analysis. However, since the current and voltage data, like sound data, are also time series, the transformations can also be used here. This multiplies the number of signals available per weld.

Bei allen so erhaltenen Signalen handelt es sich ebenfalls um eindimensionale Zeitreihen. Somit ist es möglich, statistische Kennzahlen daraus zu extrahieren. Die eingesetzten Kennzahlen werden nachfolgend aufgelistet:

  • - Arithmetisches Mittel:
a m = 1 n i = 1 n x i
Figure DE102021002682A1_0006
All signals obtained in this way are also one-dimensional time series. It is thus possible to extract statistical key figures from it. The key figures used are listed below:
  • - Arithmetic mean:
a m = 1 n i = 1 n x i
Figure DE102021002682A1_0006

Dabei ist:

  • am das arithmetische Mittel,
  • n die Anzahl an Datenpunkten,
  • i Laufvariable,
  • x der Wert eines Datenpunkts.
  • - Varianz:
σ 2 = i n ( x i x ¯ ) 2 n
Figure DE102021002682A1_0007
Where:
  • am the arithmetic mean,
  • n is the number of data points,
  • i run variable,
  • x is the value of a data point.
  • - variance:
σ 2 = i n ( x i - x ¯ ) 2 n
Figure DE102021002682A1_0007

Dabei ist:

  • σ2 die Varianz,
  • n die Anzahl an Datenpunkten ,
  • i Laufvariable,
  • x der Wert eines Datenpunkts.
  • - Median: Dies ist ein zentraler Wert einer sortierten Datenreihe.
  • - Summe:
s u m m e = i n x i
Figure DE102021002682A1_0008
Where:
  • σ 2 is the variance,
  • n is the number of data points,
  • i run variable,
  • x is the value of a data point.
  • - Median: This is a central value of a sorted data series.
  • - Total:
s u m m e = i n x i
Figure DE102021002682A1_0008

Dabei ist:

  • n die Anzahl an Datenpunkten,
  • i Laufvariable,
  • x der Wert eines Datenpunkts.
  • - Minimum: Dies ist der niedrigste Wert einer Datenreihe.
  • - Maximum: Dies ist der höchste Wert einer Datenreihe.
  • - Schiefe:
g 1 = m 3 m 1 3 / 2 ,   w o b e i   m k = i n ( x i x ¯ ) k
Figure DE102021002682A1_0009
Where:
  • n is the number of data points,
  • i run variable,
  • x is the value of a data point.
  • - Minimum: This is the lowest value in a data series.
  • - Maximum: This is the highest value in a data series.
  • - skewness:
G 1 = m 3 m 1 3 / 2 , w O b e i m k = i n ( x i - x ¯ ) k
Figure DE102021002682A1_0009

Dabei ist:

  • g1 die Schiefe,
  • m3 der Kumulant dritter Ordnung,
  • m2 der Kumulant zweiter Ordnung,
  • mk der Kumulant k-ter Ordnung,
  • n die Anzahl an Datenpunkten,
  • i Laufvariable,
  • x der Wert eines Datenpunkts.
  • - Kurtosis:
γ 2 = μ 4 σ 4 3,   w o b e i   μ 4 = i n ( x i x ¯ ) 4 n
Figure DE102021002682A1_0010
Where:
  • g 1 the skewness,
  • m 3 is the third order cumulant,
  • m 2 is the second order cumulant,
  • m k is the cumulant of the kth order,
  • n is the number of data points,
  • i run variable,
  • x is the value of a data point.
  • - Kurtosis:
γ 2 = μ 4th σ 4th - 3, w O b e i μ 4th = i n ( x i - x ¯ ) 4th n
Figure DE102021002682A1_0010

Dabei ist:

  • γ2 die Kurtosis,
  • µ4 das vierte zentrale Moment,
  • σ4 das Quadrat der Varianz,
  • n die Anzahl an Datenpunkten,
  • i Laufvariable,
  • x der Wert eines Datenpunkts.
  • - Root Mean Square:
r m s = i n x i 2 n
Figure DE102021002682A1_0011
Where:
  • γ 2 the kurtosis,
  • µ 4 the fourth central moment,
  • σ 4 is the square of the variance,
  • n is the number of data points,
  • i run variable,
  • x is the value of a data point.
  • - Root Mean Square:
r m s = i n x i 2 n
Figure DE102021002682A1_0011

Dabei ist:

  • rms = Root Mean Square,
  • n die Anzahl an Datenpunkten,
  • i Laufvariable,
  • x der Wert eines Datenpunkts.
  • - erstes Quantil:
q 1 = n + 1 4  in einer sortierten Datenreihe
Figure DE102021002682A1_0012
Where:
  • rms = Root Mean Square,
  • n is the number of data points,
  • i run variable,
  • x is the value of a data point.
  • - first quantile:
q 1 = n + 1 4th in a sorted data series
Figure DE102021002682A1_0012

Dabei ist:

  • q1 das erste Quantil,
  • n die Anzahl an Datenpunkten.
  • - drittes Quantil:
q 3 = n + 1 4 × 3  in einer sortierten Datenreihe
Figure DE102021002682A1_0013
Where:
  • q 1 is the first quantile,
  • n is the number of data points.
  • - third quantile:
q 3 = n + 1 4th × 3 in a sorted data series
Figure DE102021002682A1_0013

Dabei ist:

  • q3 das dritte Quantil,
  • n die Anzahl an Datenpunkten.
  • - Entropie:
e = i n ( | x i | × l o g | x i | )
Figure DE102021002682A1_0014
Where:
  • q 3 is the third quantile,
  • n is the number of data points.
  • - entropy:
e = - i n ( | x i | × l O G | x i | )
Figure DE102021002682A1_0014

Dabei ist:

  • e die Entropie,
  • n die Anzahl an Datenpunkten,
  • i Laufvariable,
  • x der Wert eines Datenpunkts.
Where:
  • e is the entropy,
  • n is the number of data points,
  • i run variable,
  • x is the value of a data point.

Die zuletzt erläuterte Methode der Datenverarbeitung ermöglicht es, aus drei Signalen eine Vielzahl an Kennzahlen zu extrahieren. Diese werden anschließend als Features, d. h. als Merkmale, für das nachgelagerte Machine Learning ML verwendet.The method of data processing explained last makes it possible to extract a large number of key figures from three signals. These are then used as features, ie as characteristics, for the downstream machine learning ML used.

Hierbei werden die Eingangsdaten erst vorbereitet, bevor sie in einen Algorithmus gespeist werden. Diese Vorbereitung umfasst drei Schritte. Der erste Schritt ist eine Skalierung der Daten mit einem Standard Scaler. Dieser verteilt die Werte der einzelnen Features auf eine einheitliche Skala, um zu vermeiden, dass einige Feature signifikant höhere Absolutwerte als andere ausweisen, da dies die Ergebnisse der Machine Learning Algorithmen verschlechtern kann. Die Formel lautet: z i = ( x i x ¯ ) σ

Figure DE102021002682A1_0015
The input data are first prepared before they are fed into an algorithm. There are three steps to this preparation. The first step is to scale the data with a standard scaler. This distributes the values of the individual features on a uniform scale in order to avoid that some features show significantly higher absolute values than others, as this can worsen the results of the machine learning algorithms. The formula is: z i = ( x i - x ¯ ) σ
Figure DE102021002682A1_0015

Dabei ist:

  • zi der standardisierte Wert
  • xi der zu standardisierende Wert
  • x der Mittelwert
  • σ die Standardabweichung.
Where:
  • z i is the standardized value
  • x i the value to be standardized
  • x the mean
  • σ is the standard deviation.

Um ein so genanntes Overfitting zu vermeiden, werden nicht alle, sondern nur die aussagekräftigsten Features in den Algorithmus gespeist. Diese werden über eine Korrelationsanalyse bestimmt. Die 50 Features, die am stärksten mit der Zielgröße (iO bzw. niO) korrelieren, bleiben bestehen. Um die Zahl der Features weiter zu reduzieren, wird im Anschluss eine Lineare Diskriminanten Analyse (LDA) durchgeführt. Diese komprimiert die Informationen von Features durch algorithmische Verrechnung in eine kleinere Anzahl an Features bei minimalem Informationsverlust.In order to avoid so-called overfitting, not all, but only the most meaningful features are fed into the algorithm. These are determined using a correlation analysis. the 50 Features that correlate most strongly with the target value (OK or not OK) remain. In order to further reduce the number of features, a linear discriminant analysis (LDA) is then carried out. This compresses the information of features through algorithmic processing into a smaller number of features with minimal loss of information.

Die so erhaltenen Features werden in einen Klassifikationsalgorithmus des Feature-basierten Machine Learnings ML gespeist. Dieser lernt Schweißungen anhand der Daten Schweißstrom I, Schweißspannung U und Schall S in iO, d. h. Gutschweißungen, und niO, d. h. Schlechtschweißungen, zu unterteilen. Als Algorithmen werden beispielsweise verwendet:

  • - Gradient Boosting Trees
  • - Random Forest
  • - Kernel Support Vector Machine
  • - Multilayer Perceptron
The features obtained in this way are used in a classification algorithm of feature-based machine learning ML fed. This learns welds based on the welding current data I. , Welding voltage U and sound S. to be divided into OK, ie good welds, and not ok, ie bad welds. The following algorithms are used, for example:
  • - Gradient boosting trees
  • - Random Forest
  • - Kernel Support Vector Machine
  • - Multilayer perceptron

9 zeigt einen Ablauf einer Bewertung eines Schweißprozesses. Die Prozessgrößen Schweißstrom I, Schweißspannung U und Schall S werden erfasst. In einem ersten Bewertungsschritt BS1 erfolgt die Signalvorverarbeitung dieser Signale, d. h. der erfassten Prozessdaten dieser Prozessgrößen, die Extraktion der statistischen Kennzahlen, d. h. Kenngrößen, aus diesen vorverarbeiteten Signalen und die Data Preparation, d. h. die Datenvorbereitung, dieser Kennzahlen. Die auf diese Weise vorbereiteten Kennzahlen werden anschließend in einem zweiten Bewertungsschritt BS2 dem trainierten Modell MD als Eingangsdaten zugeführt, welches in einem dritten Bewertungsschritt BS3 entscheidet, ob der Schweißprozess iO oder niO ist, d. h. in Ordnung, also eine Gutschweißung, oder nicht in Ordnung, also eine Schlechtschweißung, ist. Der vierte Bewertungsschritt BS4 ist die Ausgabe des entsprechenden Ergebnisses, d. h. iO oder niO, d. h. es liegt eine Gutschweißung oder eine Schlechtschweißung vor. 9 shows a flow of evaluation of a welding process. The process variables welding current I. , Welding voltage U and sound S. are recorded. In a first evaluation step BS1, the signal preprocessing of these signals, ie the recorded process data of these process variables, the extraction of the statistical key figures, that is, parameters, from these preprocessed signals and the data preparation, ie the data preparation, of these key figures. The key figures prepared in this way are then transferred to the trained model in a second evaluation step BS2 MD supplied as input data, which in a third evaluation step BS3 decides whether the welding process is OK or not OK, ie OK, ie a good weld, or not OK, ie a bad weld. The fourth evaluation step BS4 is the output of the corresponding result, ie OK or NOK, ie there is a good weld or a bad weld.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 10351579 A1 [0002]DE 10351579 A1 [0002]

Claims (8)

Verfahren zur Qualitätsüberwachung beim Schweißen, dadurch gekennzeichnet, dass - fehlerhafte Schweißprozesse reproduziert werden und dabei Prozessdaten von Prozessgrößen aufgezeichnet werden, - die aufgezeichneten Prozessdaten zum Trainieren von Modellen (MD) aus dem Bereich künstlicher Intelligenz zur Erkennung einer mangelnden Schweißnahtqualität verwendet werden, und - die trainierten Modelle (MD) innerhalb einer graphischen Benutzeroberfläche während einer Durchführung von Schweißprozessen zur Erkennung der mangelnden Schweißnahtqualität verwendet werden.Method for quality monitoring during welding, characterized in that - faulty welding processes are reproduced and process data of process variables are recorded, - the recorded process data are used to train models (MD) from the field of artificial intelligence to detect poor weld seam quality, and - the trained models (MD) can be used within a graphical user interface while welding processes are being carried out to identify the poor quality of the weld seam. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Qualitätsüberwachung beim Metall-Schutzgasschweißen durchgeführt wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the quality monitoring is carried out during metal arc welding. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Prozessdaten der Prozessgrößen Schweißstrom (I), Schweißspannung (U) und während des Schweißprozesses emittierter Schall (S) aufgezeichnet werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that process data of the process variables welding current (I), welding voltage (U) and sound (S) emitted during the welding process are recorded. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten Prozessgrößen zunächst vorverarbeitet werden und anschließend aus den vorverarbeiteten Signalen Kenngrößen abgeleitet werden, welche für ein maschinelles Lernen, bestehend aus einer Datenvorbereitung und einer Modellerstellung, verwendet werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the recorded process variables are first preprocessed and then parameters are derived from the preprocessed signals which are used for machine learning, consisting of data preparation and model creation. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Vorverarbeitung eine Transformation der erfassten Prozessgröße in einen Frequenz- und/oder Quefrenzbereich beinhaltet.Procedure according to Claim 4 , characterized in that the preprocessing step includes a transformation of the recorded process variable into a frequency and / or frequency range. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass verschiedene Charakteristiken aus den Transformierten berechnet werden, die beispielsweise Aussagen zum Verlauf, der Struktur oder der Verteilung geben.Procedure according to Claim 5 , characterized in that various characteristics are calculated from the transform, which for example provide information on the course, the structure or the distribution. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus diesen Charakteristiken statistische Kenngrößen abgeleitet werden, die als Eingangsgröße für das Training der Machine-Learning-Modelle verwendet werden.Procedure according to Claim 6 , characterized in that statistical parameters are derived from these characteristics, which are used as input variables for training the machine learning models. Verwendung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche bei der Herstellung eines Batteriegehäuses für ein Fahrzeug.Use of a method according to one of the preceding claims in the production of a battery housing for a vehicle.
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