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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese Patentanmeldung ist eine Teilfortsetzung der US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 12/499,687, die am 08. Juli 2009 eingereicht wurde, mit dem Titel ”Method and System for Monitoring and Characterizing the Creation of a Manual Weld”, und der US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 12/966,570, die am 13. Dezember 2010 eingereicht wurde, mit dem Titel ”Welding Training System”, deren Offenbarungen hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hierin aufgenommen werden, als ob sie hierin vollständig dargelegt wären.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Die beschriebene Erfindung betrifft allgemein ein System zur Charakterisierung manueller Schweißvorgänge und spezieller ein System zum Bereitstellen nützlicher Informationen für einen auszubildenden Schweißer, indem Daten, die von dem auszubildenden Schweißer bei der manuellen Ausführung einer realen Schweißung erzeugt werden, in Echtzeit erfasst, verarbeitet und in einem anzeigbaren Format dargestellt werden.
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Das Verlangen der Fertigungsindustrie nach einer effizienten und wirtschaftlichen Schweißerausbildung war während des letzten Jahrzehnts ein häufig erörtertes Thema, da gegenwärtig in den Fabriken und Werften und auf den Baustellen die Entstehung eines gravierenden Mangels an qualifizierten Schweißern besorgniserregend deutlich wird. Eine rasch zunehmende Anzahl von in den Ruhestand gehenden Arbeitskräften, in Kombination mit dem langsamen Tempo der herkömmlichen Schweißerausbildung durch Lehrkräfte, gab den Anstoß für die Entwicklung von effizienteren Ausbildungstechnologien. Innovationen, welche das beschleunigte Training der manuellen Fertigkeiten ermöglichen, die für das Schweißen spezifisch sind, einhergehend mit der zügigen Vermittlung von Grundlagen des Lichtbogenschweißens, werden zu einer Notwendigkeit. Das hier offenbarte Charakterisierungs- und Trainingssystem trägt diesem dringenden Bedarf an einer verbesserten Schweißerausbildung Rechnung und ermöglicht die Überwachung manueller Schweißprozesse, um sicherzustellen, dass die Prozesse innerhalb zulässiger Grenzwerte ablaufen, die eingehalten werden müssen, um branchenweite Qualitätsanforderungen zu erfüllen. Bis heute werden die meisten Schweißprozesse manuell ausgeführt; es fehlt jedoch auf diesem Gebiet an praktischen, handelsüblichen Werkzeugen, um die Ausführung dieser manuellen Prozesse zu verfolgen. Daher besteht ein fortgesetzter Bedarf an einem effizienten System zur Schulung von Schweißern, um verschiedene Typen von Schweißungen unter unterschiedlichen Bedingungen ordnungsgemäß auszuführen.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Im Folgenden wird eine Kurzdarstellung gewisser beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gegeben. Diese Kurzdarstellung ist keine umfassende Übersicht und ist nicht dazu bestimmt, entscheidende oder kritische Aspekte oder Elemente der vorliegenden Erfindung zu identifizieren oder ihren Schutzbereich abzugrenzen.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein System zur Charakterisierung manueller und/oder halbautomatischer Schweißvorgänge und Schweißübungen bereitgestellt. Dieses System enthält eine Datenerzeugungskomponente; eine Datenerfassungskomponente; und eine Datenverarbeitungskomponente. Die Datenerzeugungskomponente umfasst ferner eine Aufspannvorrichtung, wobei die geometrischen Kenngrößen der Aufspannvorrichtung vorgegeben sind; ein Werkstück, das dazu vorgesehen ist, auf der Aufspannvorrichtung angebracht zu werden, wobei das Werkstück mindestens eine zu schweißende Verbindungsstelle aufweist und wobei der Vektor, der sich entlang der zu schweißenden Verbindungsstelle erstreckt, einen Arbeitsweg definiert; mindestens eine Kalibriervorrichtung, wobei jede Kalibriervorrichtung ferner mindestens zwei Punktmarker, die mit ihr einstückig ausgebildet sind, aufweist, und wobei die geometrische Beziehung zwischen den Punktmarkern und dem Arbeitsweg vorgegeben ist; und ein Schweißwerkzeug, wobei das Schweißwerkzeug dafür ausgelegt ist, eine Schweißnaht an der zu schweißenden Verbindungsstelle herzustellen, wobei das Schweißwerkzeug einen Werkzeugpunkt und einen Werkzeugvektor definiert, und wobei das Schweißwerkzeug ferner ein an dem Schweißwerkzeug befestigtes Zielobjekt aufweist, wobei das Zielobjekt ferner mehrere in einem vorgegebenen Muster auf ihm angebrachte Punktmarker aufweist, und wobei das vorgegebene Muster von Punktmarkern dafür ausgelegt ist, einen starren Körper zu definieren. Die Datenerfassungskomponente weist ferner ein Bildgebungssystem zum Erfassen von Bildern der Punktmarker auf. Die Datenverarbeitungskomponente ist dafür ausgelegt, Informationen von der Datenerfassungskomponente zu empfangen und danach die Position und Ausrichtung des Arbeitsweges in Bezug auf den durch das Bildgebungssystem darstellbaren dreidimensionalen Raum; die Position des Werkzeugpunktes und die Ausrichtung des Werkzeugvektors in Bezug auf den starren Körper; und die Position des Werkzeugpunktes und die Ausrichtung des Werkzeugvektors in Bezug auf den Arbeitsweg zu berechnen.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ebenfalls ein System zur Charakterisierung manueller und/oder halbautomatischer Schweißvorgänge und Schweißübungen bereitgestellt. Dieses System enthält eine Datenerzeugungskomponente; eine Datenerfassungskomponente; und eine Datenverarbeitungskomponente. Die Datenerzeugungskomponente umfasst ferner eine Aufspannvorrichtung, wobei die geometrischen Kenngrößen der Aufspannvorrichtung vorgegeben sind; ein Werkstück, das dazu vorgesehen ist, auf der Aufspannvorrichtung angebracht zu werden, wobei das Werkstück mindestens eine zu schweißende Verbindungsstelle aufweist und wobei der Vektor, der sich entlang der zu schweißenden Verbindungsstelle erstreckt, einen Arbeitsweg definiert; mindestens eine Kalibriervorrichtung, wobei jede Kalibriervorrichtung ferner mindestens zwei Punktmarker, die mit ihr einstückig ausgebildet sind, aufweist, und wobei die geometrische Beziehung zwischen den Punktmarkern und dem Arbeitsweg vorgegeben ist; und ein Schweißwerkzeug, wobei das Schweißwerkzeug dafür ausgelegt ist, eine Schweißnaht an der zu schweißenden Verbindungsstelle herzustellen, wobei das Schweißwerkzeug einen Werkzeugpunkt und einen Werkzeugvektor definiert, und wobei das Schweißwerkzeug ferner ein an dem Schweißwerkzeug befestigtes Zielobjekt aufweist, wobei das Zielobjekt ferner mehrere in einem vorgegebenen Muster auf ihm angebrachte Punktmarker aufweist, und wobei das vorgegebene Muster von Punktmarkern dafür ausgelegt ist, einen starren Körper zu definieren. Die Datenerfassungskomponente weist ferner ein Bildgebungssystem zum Erfassen von Bildern der Punktmarker auf, und das Bildgebungssystem weist ferner mehrere Digitalkameras auf. Für jede der mehreren Digitalkameras ist mindestens ein Bandpassfilter in die optische Anordnung integriert, um nur Licht mit den Wellenlängen durchzulassen, welche von den Punktmarkern reflektiert oder ausgesendet werden, um das Signal-Rausch-Verhältnis des Bildes zu verbessern. Die Datenverarbeitungskomponente ist dafür ausgelegt, Informationen von der Datenerfassungskomponente zu empfangen und danach die Position und Ausrichtung des Arbeitsweges in Bezug auf den durch das Bildgebungssystem darstellbaren dreidimensionalen Raum; die Position des Werkzeugpunktes und die Ausrichtung des Werkzeugvektors in Bezug auf den starren Körper; und die Position des Werkzeugpunktes und die Ausrichtung des Werkzeugvektors in Bezug auf den Arbeitsweg zu berechnen.
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Weitere Merkmale und Aspekte der vorliegenden Erfindung werden für den Durchschnittsfachmann aus der Lektüre und dem Studium der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen ersichtlich. Wie für den Fachmann klar ist, sind weitere Ausführungsformen der Erfindung möglich, ohne vom Schutzbereich und von der Grundidee der Erfindung abzuweichen. Dementsprechend sind die Zeichnungen und zugehörigen Beschreibungen als der Veranschaulichung dienend und nicht einschränkend anzusehen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die beigefügten Zeichnungen, welche in die Patentbeschreibung integriert sind und einen Teil derselben darstellen, zeigen schematisch eine oder mehrere beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung und dienen, zusammen mit der oben gegebenen allgemeinen Beschreibung und der unten gegebenen ausführlichen Beschreibung, zur Erläuterung der Prinzipien der Erfindung, wobei:
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1 ein Flussdiagramm ist, welches den Informationsfluss durch die Datenverarbeitungs- und Visualisierungskomponente einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 eine isometrische Darstellung eines transportablen oder semitransportablen Systems zur Charakterisierung manueller Schweißvorgänge gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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3 eine isometrische Darstellung der flachen Anordnung des Systems von 2 zeigt;
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4 eine isometrische Darstellung der horizontalen Anordnung des Systems von 2 zeigt;
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5 eine isometrische Darstellung der vertikalen Anordnung des Systems von 2 zeigt;
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6 die Platzierung von zwei Punktmarkern auf der flachen Anordnung von 2 veranschaulicht;
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7 einen beispielhaften Arbeitsweg eines Werkstücks veranschaulicht;
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8 die Platzierung von zwei aktiven oder passiven Punktmarkern auf einem beispielhaften Werkstück zur Bestimmung eines Arbeitsweges eines Werkstücks veranschaulicht;
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9 ein Flussdiagramm ist, in dem die bei einer beispielhaften Ausführungsform einer ersten Kalibrierungskomponente der vorliegenden Erfindung erforderlichen Prozessschritte ausführlich dargestellt sind;
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10 das Schweißwerkzeug einer beispielhaften Ausführungsform dieser Erfindung veranschaulicht, wobei die Platzierung der Punktmarker dargestellt ist, die verwendet werden, um den starren Körper zu definieren;
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11 das Schweißwerkzeug einer beispielhaften Ausführungsform dieser Erfindung veranschaulicht, wobei die Platzierung der Punktmarker dargestellt ist, die verwendet werden, um den Werkzeugvektor und den starren Körper zu definieren;
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12 ein Flussdiagramm ist, in dem die bei einer beispielhaften Ausführungsform einer zweiten Kalibrierungskomponente der vorliegenden Erfindung erforderlichen Prozessschritte ausführlich dargestellt sind.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Figuren beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. In der ausführlichen Beschreibung werden durchgehend Bezugszeichen verwendet, um die verschiedenen Elemente und Strukturen zu bezeichnen. In anderen Fällen werden wohlbekannte Strukturen und Vorrichtungen zum Zwecke der Vereinfachung der Beschreibung in einem Blockschaltbild dargestellt. Obwohl die folgende ausführliche Beschreibung zum Zwecke der Veranschaulichung viele spezifische Einzelheiten enthält, ist für einen Durchschnittsfachmann klar, dass zahlreiche Varianten und Änderungen der folgenden Einzelheiten innerhalb des Schutzbereiches der Erfindung liegen. Dementsprechend werden die folgenden Ausführungsformen der Erfindung ohne Beschränkung der Allgemeinheit der beanspruchten Erfindung, und ohne ihr Einschränkungen aufzuerlegen, dargelegt.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein hochentwickeltes System zur Beobachtung und Charakterisierung manueller Schweißübungen und –vorgänge. Dieses System ist insbesondere für den Fachunterricht in Schweißtechnik und die praktische Ausbildung bzw. Schulung von Schweißern von Nutzen, indem es ein kostengünstiges Werkzeug zum Messen von Fertigkeiten beim manuellen Schweißen und Vergleichen dieser Fertigkeiten mit festgelegten Verfahrensweisen zur Verfügung stellt. Die Trainingsanwendungen dieser Erfindung umfassen: (i) Überprüfen des Fertigkeitsniveaus von Bewerbern; (ii) Beurteilen des Fortschritts von Auszubildenden im Zeitverlauf; (iii) Gewährleisten von Echtzeittraining, um Ausbildungszeit und -kosten zu reduzieren; und (iv) periodisches erneutes Prüfen des Fertigkeitsniveaus von Schweißern mit quantifizierbaren Ergebnissen. Anwendungen zur Überwachung der Bearbeitung und zur Qualitätskontrolle umfassen: (i) Identifizierung von Abweichungen von bevorzugten Bedingungen in Echtzeit; (ii) Dokumentieren und Verfolgen der Einhaltung von Verfahrensweisen im Zeitverlauf; (iii) Erfassen von Prozessdaten für statistische Zwecke der Prozesssteuerung (z. B. Messungen des Wärmeeintrags); (und (iv) Identifizieren von Schweißern, die ein zusätzliches Training benötigen. Das System der vorliegenden Erfindung bietet den einzigartigen Vorteil, dass es die Bestimmung der ordnungsgemäßen Ausführung verschiedener anerkannter Schweißverfahren ermöglicht.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird bei verschiedenen Ausführungsformen die Bewegung des Schweißbrenners gemessen, und es werden während der Durchführung von Schweißübungen unter Verwendung eines Überwachungssystems mit einer oder mehreren Kameras auf der Basis einer Bildanalyse von Punktwolken Prozessdaten gesammelt. Diese Erfindung ist für ein breites Spektrum von Verfahren anwendbar, darunter unter anderem MSG (Metallschutzgasschweißen), Lichtbogenschweißen unter Pulver (Flux-Cored Arc Welding, FCAW), Metall-Schutzgasschweißen (Shielded Metal Arc Welding, SMAW), WIG (Wolfram-Inertgasschweißen) und Schneiden. Die Erfindung ist auf eine Reihe von Werkstückkonfigurationen übertragbar, darunter große Größen, verschiedene Nahttypen, Rohre, Platten und komplexe Formen. Zu den gemessenen Parametern gehören Arbeitswinkel, Verfahrwinkel (Travel Angle), Werkzeugabstand, Schweißgeschwindigkeit, Platzierung der Schweißraupe, Pendeln, Spannung, Stromstärke, Drahtzuführungsgeschwindigkeit und Lichtbogenlänge. Die Trainingskomponente der vorliegenden Erfindung kann im Voraus mit spezifischen Schweißverfahren ausgestattet werden, oder sie kann von einem Ausbilder individuell angepasst werden. Daten werden automatische gesichert und aufgezeichnet, bei einer Auswertung nach dem Schweißen wird die Leistung bewertet, und der Fortschritt im Zeitverlauf wird verfolgt. Dieses System kann während eines gesamten Programms der Schweißausbildung durchgehend verwendet werden und kann Rückinformationen sowohl direkt am Arbeitsplatz als auch am Bildschirm liefern. Unter Bezugnahme auf die Figuren werden nun eine oder mehrere spezielle Ausführungsformen dieser Erfindung ausführlicher beschrieben.
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Wie in 1 dargestellt, verläuft bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der grundlegende Informationsfluss durch die Datenerzeugungskomponente 100, die Datenerfassungskomponente 200 und die Datenverarbeitungs-(und Visualisierungs-)Komponente 300 des Schweißvorgangs-Charakterisierungssystems 10 in sechs grundlegenden Schritten: (1) Bilderfassung 110; (2) Bildverarbeitung 112; (3) Eingabe von Daten des Lichtbogenschweißens 210, wie etwa von bekannten oder bevorzugten Schweißparametern; (4) Datenverarbeitung 212; (5) Datenspeicherung 214; und (6) Datenanzeige 310. Der Bilderfassungsschritt 110 beinhaltet das Erfassen von Bildern eines Zielobjekts (Targets) 98 (welches typischerweise mindestens zwei Punktmarker aufweist, die in einer festen geometrischen Beziehung zueinander angeordnet sind) mit einer oder mehreren standardmäßigen Highspeed-Kameras, wobei der Ausgangsaspekt typischerweise das Erzeugen einer Bilddatei mit mehr als 100 Frames pro Sekunde beinhaltet. Der Eingangsaspekt des Bildverarbeitungsschrittes 112 beinhaltet eine frameweise Punktwolkenanalyse eines starren Körpers, welcher drei oder mehr Punktmarker aufweist (d. h. des kalibrierten Zielobjekts). Bei Erkennung eines bekannten starren Körpers werden Position und Ausrichtung in Bezug auf den Kameraursprung und die ”gelernte” Ausrichtung des starren Körpers berechnet. Das Erfassen und Vergleichen der Bilder von zwei oder mehr Kameras ermöglicht eine im Wesentlichen genaue Bestimmung der Position und Ausrichtung des starren Körpers im dreidimensionalen Raum. Bilder werden typischerweise mit einer Rate von mehr als 10 Bildern pro Sekunde verarbeitet. Der Ausgangsaspekt des Bildverarbeitungsschrittes 112 beinhaltet die Erzeugung eines Datenarrays, welches Positionsdaten für x-Achse, y-Achse und z-Achse und Orientierungsdaten für Rollen, Nicken und Gieren (Roll, Pitch und Yaw) sowie Zeitstempel und Software-Merker enthält. Die Textdatei kann gestreamt oder mit einer gewünschten Frequenz gesendet werden. Der Eingangsaspekt des Datenverarbeitungsschrittes 212 beinhaltet rohe Positions- und Orientierungsdaten, die typischerweise mit einer vorgegebenen Frequenz angefordert werden, während der Ausgangsaspekt die Umwandlung dieser rohen Daten in nützliche Schweißparameter mit Algorithmen, die für einen ausgewählten Prozess- und Nahttyp spezifisch sind, beinhaltet. Der Eingangsaspekt des Datenspeicherungsschrittes 214 beinhaltet das Speichern von Schweißversuchsdaten als Datei *.dat, während der Ausgangsaspekt das Sichern der Daten zur Überprüfung und Verfolgung, das Sichern der Daten zur nochmaligen Anzeige auf einem Monitor zu einem späteren Zeitpunkt und/oder zur Beurteilung des Fortschritts des Lernenden zu einem späteren Zeitpunkt beinhaltet. Der Fortschritt des Lernenden kann die Gesamtdauer der Übungszeit, die Gesamtschweißzeit, die Gesamtzahl der Schweißvorgänge und die individuelle, parameterspezifische Leistung im Zeitverlauf beinhalten. Der Eingangsaspekt des Datenanzeigeschrittes 310 beinhaltet Schweißversuchsdaten, zu den weiterhin Arbeitswinkel, Verfahrwinkel (Travel Angle), Werkzeugabstand, Schweißgeschwindigkeit, Platzierung der Schweißraupe, Pendeln, Spannung, Stromstärke und Drahtzuführungsgeschwindigkeit gehören, während der Ausgangsaspekt Daten umfasst, die auf einem Monitor, einem Helmdisplay, einer Überkopfanzeige oder Kombinationen davon angezeigt werden können, wobei Parameter entlang einer Zeitachse grafisch dargestellt und mit oberen und unteren Schwellenwerten verglichen werden, oder mit bevorzugten Varianten, wie etwa denjenigen, die durch Aufzeichnung der Bewegungen eines erfahrenen Schweißers gelernt wurden. Stromstärke und Spannung können in Verbindung mit der Schweißgeschwindigkeit gemessen werden, um den Wärmeeintrag zu bestimmen, und die Schweißprozessparameter können verwendet werden, um die Lichtbogenlänge zu schätzen. Positionsdaten können in Schweißanfangsposition, Schweißendposition, Schweißlänge, Schweißfolge, Schweißrichtung oder Kombinationen davon umgewandelt werden, und Stromstärke und Spannung können in Verbindung mit der Schweißgeschwindigkeit gemessen werden, um den Wärmeeintrag zu bestimmen.
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2–5 zeigen der Veranschaulichung dienende Ansichten des Schweißvorgangs-Charakterisierungssystems 10 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 2 dargestellt, weist ein transportabler Trainingsstand 20 einen im Wesentlichen flachen Fuß 22 für den Kontakt mit einem Fußboden oder einem anderen horizontalen Untergrund, eine starre vertikale Tragsäule 24, einen Kamera- oder Bildgebungsvorrichtungs-Träger 26 und eine Zahnstangen-Ritzel-Anordnung 31 zum Verstellen der Höhe des Bildgebungsvorrichtungs-Trägers 26 auf. Bei den meisten Ausführungsformen ist beabsichtigt, dass das Schweißvorgangs-Charakterisierungssystem 10 transportabel ist oder wenigstens von einem Ort zu einem anderen umgesetzt werden kann; daher ist die gesamte Standfläche des Fußes 22 relativ klein, um maximale Flexibilität hinsichtlich Aufstellung und Verwendung zu ermöglichen. Wie in 2–6 dargestellt, kann das Schweißvorgangs-Charakterisierungssystems 10 für Trainingsübungen verwendet werden, welche an flachen, horizontal oder vertikal ausgerichteten Werkstücken durchgeführt werden. Bei den beispielhaften Ausführungsformen, die in den Figuren dargestellt sind, ist der Trainingsstand 20 als eine eine Einheit darstellende oder integrierte Struktur abgebildet, welche in der Lage ist, die anderen Komponenten des Systems zu tragen. Bei anderen Ausführungsformen ist der Stand 20 nicht vorhanden, und die verschiedenen Komponenten des Systems werden von wie auch immer gearteten geeigneten strukturellen oder der Abstützung dienenden Mitteln getragen, welche verfügbar sind. Daher ist der ”Stand” 20 im Kontext dieser Erfindung als eine beliebige einzelne Struktur oder stattdessen auch als mehrere Strukturen definiert, welche in der Lage sind, die Komponenten des Schweißvorgangs-Charakterisierungssystem 10 zu tragen.
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Bei den 2–3 wird für gewisse Schweißübungen eine flache Anordnung 30 verwendet, welche an der vertikalen Tragsäule 24 mittels einer Hülse 34 gleitend befestigt ist, welche auf der Tragsäule 24 auf- und abwärts gleitet. Die Hülse 34 wird an der Säule 24 ferner durch eine Zahnstangen-Ritzel-Anordnung 31 gehalten, welche eine Welle 32 aufweist, um die Zahnstangen-Ritzel-Anordnung 31 auf der Tragsäule 24 auf- und abwärts zu bewegen. Die flache Anordnung 30 weist eine Trainingsplattform 38 auf, die von einem oder mehreren Haltern (nicht sichtbar) getragen wird. Bei einigen Ausführungsformen ist eine Abschirmung 42 an der Trainingsplattform 38 befestigt, um die Oberfläche der Tragsäule 24 vor Schäden durch Wärmeeinwirkung zu schützen. Die Trainingsplattform 38 weist ferner mindestens eine Klemmhalterung 44 auf, um die für die Schweißposition spezifische Aufspannvorrichtung 46 an der Oberfläche der Trainingsplattform zu befestigen. Die konstruktive Ausbildung oder die allgemeinen Kenngrößen der für die Schweißposition spezifischen Aufspannvorrichtung 46 sind variabel, in Abhängigkeit vom Typ des Schweißprozesses, welcher Gegenstand einer bestimmten Schweißübung ist, und in den 2–3 ist die Aufspannvorrichtung 46 für eine Kehlnaht-Schweißübung ausgebildet. Bei der in den 2–3 dargestellten beispielhaften Ausführungsform sind der erste 48 und zweite 50 Strukturbestandteil der für die Schweißposition spezifischen Aufspannvorrichtung 46 unter rechten Winkeln zueinander angeordnet. Die positionsspezifische Aufspannvorrichtung 46 kann einen oder mehrere Stifte 47 zur Erleichterung der richtigen Anordnung eines Schweißstücks auf der Aufspannvorrichtung aufweisen. Die Kenngrößen eines Schweißstücks (Werkstücks) 54, das mit dem System 10 verwendet wird, sind variabel, in Abhängigkeit vom Typ des manuellen Schweißprozesses, welcher Gegenstand einer bestimmten Trainingsübung ist, und bei der in den 7–8 dargestellten beispielhaften Ausführungsform sind ein erster 56 und ein zweiter 58 Abschnitt des Schweißstücks 54 ebenfalls unter rechten Winkeln zueinander angeordnet. Es wird auf 4–5 Bezug genommen; für gewisse andere Schweißübungen wird eine horizontale Anordnung 30 (siehe 4) oder eine vertikale Anordnung 30 (siehe 5) verwendet. In 4 trägt die horizontale Anordnung 30 eine Stumpfschweiß-Aufspannvorrichtung 46, welche das Werkstück 54 in der richtigen Position für eine Stumpfschweiß-Übung hält. In 5 trägt die vertikale Anordnung 30 eine vertikale Aufspannvorrichtung 46, welche das Werkstück 54 in der richtigen Position für eine Überlappschweiß-Übung hält.
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Die Datenverarbeitungskomponente 300 der vorliegenden Erfindung enthält typischerweise mindestens einen Computer zum Entfernen und Auswerten von Informationen, die von der Datenerfassungskomponente 200 gesammelt wurden, welche ihrerseits mindestens eine Digitalkamera aufweist, die in einem Schutzgehäuse enthalten ist. Während des Betriebs des Schweißvorgangs-Charakterisierungssystems 10 wird auf diesem Computer typischerweise Software ausgeführt, welche ein Trainingsprogrammmodul, ein Modul zur Bildverarbeitung und Analyse des starren Körpers und ein Datenverarbeitungsmodul beinhaltet. Das Trainingsprogrammmodul umfasst vielfältige Schweißtypen und eine Reihe von zulässigen Schweißprozessparametern, die der Erzeugung des jeweiligen Schweißtyps zugeordnet sind. Eine beliebige Anzahl von bekannten oder den AWS-Normen entsprechenden Schweißnahttypen und die diesen Schweißnahttypen zugeordneten zulässigen Parameter können in dem Trainingsprogrammmodul enthalten sein, auf das ein Lehrgangsleiter vor dem Beginn einer Trainingsübung zugreift und das von diesem konfiguriert wird. Das Schweißverfahren und/oder der Schweißtyp, die von dem Ausbilder gewählt werden, bestimmen, welche für das Schweißverfahren spezifische Aufspannvorrichtung und Kalibriervorrichtung und welches zu schweißende Werkstück für eine gegebene Trainingsübung verwendet werden. Das Objekterkennungsmodul dient dazu, das System zu trainieren, um einen bekannten, das Zielobjekt 98 darstellenden starren Körper (welcher zwei oder mehr Punktmarker aufweist) zu erkennen, und um danach das Zielobjekt 98 zu verwenden, um Positions- und Orientierungsdaten für eine Schweißpistole zu berechnen, während von einem Auszubildenden eine reale manuelle Schweißung ausgeführt wird. Das Datenverarbeitungsmodul vergleicht die Informationen in dem Trainingsprogrammmodul mit den Informationen, die von dem Objekterkennungsmodul verarbeitet werden, und gibt die Vergleichsdaten an eine Anzeigevorrichtung wie etwa einen Monitor oder eine Überkopfanzeige aus. Der Monitor ermöglicht dem Auszubildenden, die Prozessdaten in Echtzeit anzeigen zu lassen, und die angezeigten Daten liefern dem Auszubildenden nützliche Rückinformationen hinsichtlich der Kenngrößen und der Qualität der Schweißung. Die visuelle Schnittstelle des Schweißvorgangs-Charakterisierungssystems 10 kann vielfältige Merkmale aufweisen, welche die Eingabe von Informationen, die Anmeldung, Einrichtung, Kalibrierung, praktische Ausführung, Auswertung und Verfolgung des Fortschritts betreffen. Der Auswertungsbildschirm zeigt typischerweise die in dem Trainingsprogrammmodul gefundenen Schweißparameter an, darunter (jedoch nicht ausschließlich) Arbeitswinkel, Arbeitswinkel, Verfahrwinkel, Werkzeugabstand, Schweißgeschwindigkeit, Platzierung der Schweißraupe, Pendeln, Spannung, Stromstärke, Drahtzuführungsgeschwindigkeit und Lichtbogenlänge. Zahlreiche Anzeigevarianten sind bei der vorliegenden Erfindung möglich.
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In den meisten, wenn nicht in allen Fällen wird das Schweißvorgangs-Charakterisierungssystem 10 einer Reihe von Kalibrierungsschritten/-prozessen unterzogen, bevor es verwendet wird. Einige der Aspekte der Systemkalibrierung werden typischerweise vom Hersteller des Systems 10 ausgeführt, bevor es an einen Kunden ausgeliefert wird, und andere Aspekte der Systemkalibrierung werden typischerweise vom Benutzer des Schweißvorgangs-Charakterisierungssystems 10 vor irgendwelchen Schweißtrainingsübungen ausgeführt. Die Systemkalibrierung erfordert typischerweise zwei miteinander zusammenhängende und ganzheitliche Kalibrierungsvorgänge: (i) Bestimmen der dreidimensionalen Position und Ausrichtung des an einem Werkstück zu erzeugenden Arbeitsweges für jede Kombination Schweißnaht/Position, die in den verschiedenen Schweißtrainingsübungen verwendet werden soll; und (ii) Bestimmen der dreidimensionalen Position und Ausrichtung des Schweißwerkzeugs durch Berechnen der Beziehung zwischen mehreren reflektieren (passiven) oder Licht aussendenden (aktiven) Punktmarkern, die an dem Zielobjekt 98 angeordnet sind, und mindestens zwei durch Punktmarker repräsentierten wesentlichen Punkten, die am Schweißwerkzeug 90 angeordnet sind.
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Der erste Kalibrierungsaspekt dieser Erfindung beinhaltet typischerweise die Kalibrierung des Schweißvorgangs in Bezug auf das globale Koordinatensystem, d. h. in Bezug auf die anderen Strukturbestandteile des Schweißvorgangs-Charakterisierungssystems 10 und den dreidimensionalen Raum, der von diesen eingenommen wird. Vor dem Verfolgen/Charakterisieren einer manuellen Schweißübung werden die globalen Koordinaten jedes gewünschten Arbeitsweges (d. h. Vektors) an irgendeinem gegebenen Werkstück bestimmt. Bei den meisten Ausführungsformen ist dies ein im Werk durchgeführter Kalibrierungsvorgang, der dann darin besteht, dass entsprechende Konfigurationsdateien in der Datenverarbeitungskomponente 200 gespeichert werden. Um die gewünschten Vektoren zu erhalten, kann eine Kalibriervorrichtung, die aktive oder passive Marker enthält, an wenigstens zwei Fixierungs-Markern in jeder der drei möglichen Plattformpositionen (d. h. flach, horizontal und vertikal) eingesetzt werden. 6–8 veranschaulichen diesen Kalibrierungsschritt in einer möglichen Plattformposition. Die schweißnahtspezifische Aufspannvorrichtung 46 weist einen ersten und einen zweiten Strukturbestandteil 48 (horizontal) bzw. 50 (vertikal) auf. Das Schweißstück oder Werkstück 54 weist einen ersten und einen zweiten Abschnitt 56 (horizontal) bzw. 58 (vertikal) auf. Der Arbeitsweg 59 am Werkstück erstreckt sich vom Punkt X zum Punkt Y und ist in 7 als gestrichelte Linie dargestellt. Fixierungs-Punktmarker 530 und 532 werden wie in 6 (und 8) dargestellt angeordnet, und der Ort jedes Markers wird unter Verwendung der Datenerfassungskomponente 100 erhalten, welche bei dieser Ausführungsform Optitrack Verfolgungs-Tools (NaturalPoint, Inc.) oder ein ähnliches handelsübliches oder unternehmenseigenes Hardware-/Softwaresystem verwendet, welches dreidimensionale Marker und die Verfolgung einer Objektbewegung mit sechs Freiheitsgraden in Echtzeit gewährleistet. Solche Technologien benutzen typischerweise reflektierende und/oder Licht aussendende Punktmarker, die in vorgegebenen Mustern angeordnet sind, um Punktwolken zu erzeugen, welche durch Bildgebungshardware des Systems und Systemsoftware als ”starre Körper” interpretiert werden, obwohl auch andere geeignete Vorgehensweisen mit dieser Erfindung vereinbar sind.
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Bei dem Kalibrierungsvorgang, der durch das Flussdiagramm von 9 dargestellt ist, wird in Schritt 280 der Tisch 38 in der Position i (0, 1, 2) fixiert; eine Kalibriervorrichtung wird in Schritt 282 auf Fixierstiften angebracht; alle Markerpositionen werden in Schritt 284 erfasst; Koordinaten für die Positionen von Positionierhilfen werden in Schritt 286 berechnet; Koordinaten für den Kehlnaht-Arbeitsweg werden in Schritt 288 berechnet und in 290 gespeichert; Koordinaten für den Überlappungs-Arbeitsweg werden in Schritt 292 berechnet und in 294 gespeichert; und Koordinaten für den Fugennaht-Arbeitsweg werden in Schritt 296 berechnet und in 298 gespeichert. Alle Koordinaten werden in Bezug auf den dreidimensionalen Raum berechnet, der für die Datenerfassungskomponente 200 sichtbar ist.
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Bei einer Ausführungsform dieser Erfindung werden die Position und Ausrichtung des Werkstücks durch die Anbringung von zwei oder mehr passiven oder aktiven Punktmarkern an einer Kalibriervorrichtung kalibriert, welche mit einem bekannten translatorischen und rotatorischen Versatz zu einer Aufspannvorrichtung angeordnet wird, welche das Werkstück mit einem bekannten translatorischen und rotatorischen Versatz hält. Bei einer anderen Ausführungsform dieser Erfindung werden die Position und Ausrichtung des Werkstücks durch die Anbringung von zwei oder mehr passiven oder aktiven Punktmarkern an einer Aufspannvorrichtung kalibriert, welche das Werkstück mit einem bekannten translatorischen und rotatorischen Versatz hält. Bei noch anderen Ausführungsformen ist das Werkstück nicht geradlinig, und die Position und Ausrichtung desselben können unter Verwendung eines Kalibrierungs-Tools zwei oder mehr passiven oder aktiven Punktmarkern abgebildet und für eine spätere Verwendung gespeichert werden. Die Position und Ausrichtung des Werkstück-Arbeitsweges können in Abhängigkeit von den Prozessschritten in dem Gesamtarbeitsablauf einen vorgegebenen translatorischen und rotatorischen Versatz gegenüber ihrer ursprünglichen Kalibrierungsebene erfahren.
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Wichtige Parameter der Werkzeughandhabung, wie Position, Ausrichtung, Geschwindigkeit, Beschleunigung und räumliche Beziehung zum Werkstück-Arbeitsweg, können aus der Analyse aufeinander folgender Positionen und Ausrichtungen des Werkzeugs im Zeitverlauf und der oben beschriebenen verschiedenen Werkstück-Arbeitswege bestimmt werden. Parameter der Werkzeughandhabung können mit vorgegebenen bevorzugten Werten verglichen werden, um Abweichungen von bekannten und bevorzugten Verfahrensweisen zu bestimmen. Parameter der Werkzeughandhabung können auch mit anderen Parametern des Fertigungsprozesses kombiniert werden, um Abweichungen von bevorzugten Verfahrensweisen zu bestimmen, und diese Abweichungen können zum Beurteilen des Fertigkeitsniveaus, Liefern von Rückinformationen für das Training, Beurteilen des Fortschritts in Richtung eines Fertigkeitsziels oder für Zwecke der Qualitätskontrolle verwendet werden. Aufgezeichnete Bewegungsparameter in Bezug auf den Werkstück-Bewegungsweg können aus mehreren Arbeitsvorgängen für statistische Zwecke der Prozesssteuerung aggregiert werden. Abweichungen von bevorzugten Verfahrensweisen können aus mehreren Arbeitsvorgängen für statistische Zwecke der Prozesssteuerung aggregiert werden. Wichtige Parameter der Werkzeughandhabung sowie Positionen und Ausrichtungen des Werkzeugs in Bezug auf den Werkstück-Arbeitsweg können auch aufgezeichnet werden, um eine Signatur der Bewegungen eines erfahrenen Schweißers zu erstellen, die als Ausgangsbasis für die Beurteilung der Einhaltung bevorzugter Verfahrensweisen verwendet werden soll.
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Der zweite Kalibrierungsaspekt beinhaltet typischerweise die Kalibrierung des Schweißwerkzeugs 90 in Bezug auf das Zielobjekt 98. Das ”Schweißwerkzeug” 90 ist typischerweise ein Schweißbrenner oder eine Schweißpistole oder ein Elektrodenhalter für das Metall-Schutzgasschweißen (SMAW); es kann sich jedoch auch um eine Reihe von anderen Arbeitsgeräten handeln, darunter einen Lötkolben, einen Schneidbrenner, ein Formwerkzeug, ein Materialabtragswerkzeug, eine Farbspritzpistole oder einen Mutternschlüssel. Es wird auf 10–11 Bezug genommen; die Schweißpistole/das Schweißwerkzeug 90 weist einen Werkzeugpunkt 91, eine Düse 92, einen Körper 94, einen Auslöser 96 und ein Zielobjekt 98 auf. Eine Werkzeugkalibriervorrichtung 93, welche zwei integrierte aktive oder passive Punktmarker in den Positionen A und B (siehe 11) aufweist, ist an der Düse 92 befestigt oder in diese eingesetzt. Eine einem starren Körper entsprechende Punktwolke (d. h. ein ”starrer Körper”) wird konstruiert, indem aktive oder passive Punktmarker 502, 504 und 506 (und zusätzliche Punktmarker) an der Oberseite des Zielobjekts 98 befestigt werden (andere Anordnungen sind möglich). Das Zielobjekt 98 kann einen Leistungseingang aufweisen, falls die verwendeten Punktmarker aktiv sind und eine Stromquelle erfordern. Die Datenerfassungskomponente 200 verwendet Optitrack Verfolgungs-Tools (NaturalPoint, Inc.) oder ähnliche Hardware/Software, um den starren Körper und die Punktmarker 522 (A) und 520 (B), welche den Ort des Werkzeugvektors 524 repräsentieren, zu lokalisieren. Diese Positionen können aus der Software des Systems 10 extrahiert werden, und die Beziehung zwischen den Punktmarkern A und B und dem starren Körper kann berechnet werden.
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Bei dem Kalibrierungsvorgang, der durch das Flussdiagramm von 12 dargestellt ist, werden die Schweißdüse 92 und das Kontaktrohr in Schritt 250 entfernt; Die Kalibriervorrichtung wird in Schritt 252 in den Körper 94 eingesetzt; das Schweißwerkzeug 90 wird im Arbeitsbereich angeordnet, und der starre Körper 500 (in 11 mit ”S” bezeichnet) und die Punktmarker A und B werden von der Datenerfassungskomponente 100 erfasst; die Beziehungen zwischen A und S und B und S werden in Schritt 256 berechnet; die Beziehungsdaten für AS werden in 258 gespeichert; und die Beziehungsdaten für BS werden in 260 gespeichert.
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Bei einer Ausführungsform dieser Erfindung wird die Kalibrierung des Werkzeugpunktes und des Werkzeugvektors durch die Anbringung von zwei oder mehr passiven oder aktiven Punktmarkern an der Kalibriervorrichtung an Orten entlang des Werkzeugvektors mit einem bekannten Versatz zum Werkzeugpunkt durchgeführt. Bei einer anderen Ausführungsform wird die Kalibrierung des Werkzeugpunktes und des Werkzeugvektors durch Einsetzen des Werkzeugs in einen Kalibrierblock mit bekannter Position und Ausrichtung bezüglich des Werkstücks durchgeführt. Was den starren Körper anbetrifft, der durch die Punktmarker (z. B. 502, 504, 506) definiert ist, sind bei einer Ausführungsform die passiven oder aktiven Punktmarker an dem Werkzeug auf eine Weise angebracht, bei der sie mehrere Facetten aufweisen, so dass einem weiten Bereich von Änderungen der Drehung und Ausrichtung innerhalb des Sichtfeldes des Bildgebungssystems Rechnung getragen werden kann. Bei einer anderen Ausführungsform sind die passiven oder aktiven Punktmarker an dem Werkzeug auf eine kugelförmige Weise angebracht, so dass einem weiten Bereich von Änderungen der Drehung und Ausrichtung innerhalb des Sichtfeldes des Bildgebungssystems Rechnung getragen werden kann. Bei noch einer anderen Ausführungsform sind die passiven oder aktiven Punktmarker an dem Werkzeug in einer Ringform angebracht, so dass einem weiten Bereich von Änderungen der Drehung und Ausrichtung innerhalb des Sichtfeldes des Bildgebungssystems Rechnung getragen werden kann.
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Zahlreiche zusätzliche nützliche Merkmale können in die vorliegende Erfindung integriert werden. Zum Beispiel können zum Zwecke der Bildfilterung Bandpass- oder Hochpassfilter für jede der mehreren Digitalkameras in der Datenerfassungskomponente 200 in die optische Anordnung integriert werden, um nur Licht mit den Wellenlängen durchzulassen, welche von den Punktmarkern reflektiert oder ausgesendet werden, um das Signal-Rausch-Verhältnis des Bildes zu verbessern. Zweifelhafte Daten können zurückgewiesen werden, indem nur Bildinformationen ausgewertet werden, die von innerhalb eines dynamischen interessierenden Bereiches gewonnen werden, der einen begrenzten Versatz in Bezug auf einen zuvor bekannten Ort eines starren Körpers aufweist. Dieser dynamische interessierende Bereich kann in das Sichtfeld jeder Digitalkamera integriert oder auf andere Weise innerhalb desselben vordefiniert werden (d. h. als ein Kasten oder Bereich mit einer Breite x und einer Höhe y vorprogrammiert und um bekannte Positionen des Zielobjekts 98 zentriert werden), so dass Bildinformationen nur aus diesem vordefinierten Bereich verarbeitet werden. Der interessierende Bereich verändert sich, wenn sich der starre Körper bewegt, und basiert daher auf zuvor bekannten Positionen des starren Körpers. Diese Vorgehensweise ermöglicht, dass das Bildgebungssystem nur Pixel innerhalb des dynamischen interessierenden Bereichs betrachtet, wenn es nach Punktmarkern sucht, während es Pixel in dem größeren Bildbereich, welche nicht in dem dynamischen interessierenden Bereich enthalten sind, außer Betracht lässt oder blockiert. Ein Vorteil dieses Aspekts der Erfindung ist eine verkürzte Verarbeitungszeit.
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Während die vorliegende Erfindung durch die Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen derselben veranschaulicht wurde, und während diese Ausführungsformen hinreichend detailgenau beschrieben wurden, beabsichtigt der Anmelder nicht, den Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche auf diese Details einzuschränken oder in irgendeiner Weise zu begrenzen. Zusätzliche Vorteile und Modifikationen sind für den Fachmann ohne Weiteres ersichtlich. Daher ist die Erfindung in ihren weiteren Aspekten nicht auf irgendwelche von den spezifischen Details, repräsentativen Vorrichtungen und Verfahren und/oder der Veranschaulichung dienenden Beispielen beschränkt, die dargestellt und beschrieben wurden. Dementsprechend können Abweichungen von solchen Details erfolgen, ohne vom Wesen oder Schutzbereich des allgemeinen erfinderischen Konzepts des Anmelders abzuweichen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Schweißvorgangs-Charakterisierungssystem
- 20
- Trainingsstand
- 22
- Fuß
- 24
- Tragsäule
- 26
- Bildgebungsvorrichtungs-Träger
- 30
- Anordnung
- 31
- Zahnstangen-Ritzel-Anordnung
- 32
- Welle
- 34
- Hülse
- 38
- Trainingsplattform
- 44
- Klemmhalterung
- 46
- Aufspannvorrichtung
- 47
- Stifte
- 48
- erster Strukturbestandteil
- 50
- zweiter Strukturbestandteil
- 54
- Schweißstück
- 56
- erster Abschnitt
- 58
- zweiter Abschnitt
- 59
- Arebitsweg
- 90
- Schweißobjekt
- 91
- Wergzeugpunkt
- 92
- Düse
- 93
- Werkzeugkalibrierungsvorrichtung
- 98
- Zielobjekt
- 100
- Datenkomponente
- 110
- Bilderfassung
- 112
- Bildverarbeitung
- 200
- Datenerfassungskomponente
- 210
- Lichtbogenschweißen
- 212
- Datenverarbeitung
- 214
- Datenspeicherung
- 300
- Datenverarbeitungs-(und Visualisierungs-)Komponente
- 310
- Datenanzeige
- 502
- aktiver oder passiver Punktmarker
- 504
- aktiver oder passiver Punktmarker
- 506
- aktiver oder passiver Punktmarker
- 520
- Punktmarker
- 522
- Punktmarker
- 530
- Fixierungs-Punktmarker
- 532
- Fixierungs-Punktmarker
