WO2012016851A1 - Method and device for assisting the development of a manual welder using a single camera and additional light sources - Google Patents

Method and device for assisting the development of a manual welder using a single camera and additional light sources Download PDF

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WO2012016851A1
WO2012016851A1 PCT/EP2011/062600 EP2011062600W WO2012016851A1 WO 2012016851 A1 WO2012016851 A1 WO 2012016851A1 EP 2011062600 W EP2011062600 W EP 2011062600W WO 2012016851 A1 WO2012016851 A1 WO 2012016851A1
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WO
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welding torch
camera
light sources
arc
manual welding
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PCT/EP2011/062600
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Kornelius Iwig
Wilfried Faber
Jörg DEMUS
Christian Plotezki
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SCHWEIßTECHNISCHE LEHR- UND VERSUCHSANSTALT HALLE GMBH
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Definitions

  • the invention relates to a method and a device implementing the method for supporting the training of a hand welder by means of a detection and evaluation of manually performed movements of a manual welding torch, which is used with a low-voltage arc on training workpieces, the recording of the hand welding torch speed and manual torch orientation in the working space by a non-contact , Is carried out based on an image processing technology measurement technique, and recorded together with the arc optically recognizable features of the welding torch in the form of bright points of light from an electronic camera.
  • a manual welding welder analyzes the welding movement, i. the welding torch advance from the detection of a current distribution on the component by receiving the partial currents at the ends of the welding path.
  • the detection of the angle of attack more angle-giving sensors on the burner holder are required.
  • a major disadvantage of this solution is that the detection of a current distribution is comparatively insensitive and dependent on many disturbing factors such as contact properties. For the measurement of the angle of attack additional systems are required.
  • JP2004090041 there is described an apparatus and method for assisting hand welding and training in which the arc length is detected with "information-gathering optical means" and derived therefrom information provided via voice output to the welder to assist the welding movements given the advantage of non-contact information acquisition, details of the burner movement as attack angle in space, however, are disregarded in this solution.
  • a simulation training apparatus for welding under argon protective gas atmosphere is proposed. It describes a device with welding torch, a simulated welding wire and components and in particular two CCD cameras for detecting the positions of TIG welding torch and welding wire. It is emphasized that the invention can be inexpensively implemented with modern technology and the professional welder training can be optimized and thus the costs can be reduced.
  • the position detection on two camera images describes only the classic standard measurement method, the intended use of two cameras, the device does not meet the demand for a cost-effective solution.
  • the invention thus has the aim of overcoming the described disadvantages of the prior art and to provide a method and apparatus for assisting the formation of a hand welder by detecting and evaluating the manual movements of a manual torch in conjunction with a low current arc on reusable practice workpieces.
  • the stated object is achieved on the basis of components of the image processing with punctiform light sources and camera technology according to the method,
  • Transformations the coordinate of the arc is calculated as a position on the mathematically described surface of the troswerkssenes that from the positions of the light points of the additional light sources on the manual torch in the camera image in conjunction with the knowledge of the current position of the arc on the surface of the exercise part, the unique orientation of the manual torch is determined in the room, wherein from the representation of the light spot pattern in the camera image in conjunction with the knowledge of the fixed geometric arrangement of the light sources to each other a straight line in the three-dimensional space is formed, which intersects the mathematically described surface of the troswerkffyes at the determined position of the arc, that during the welding torch movement by evaluating the time sequence of the camera images under real time conditions the path of the welding torch movement including the current welding speed and the Changes in Handbrenneranstellwinkel followed and mapped in the coordinate system ofenteswerk Swisses and fed to a subsequent evaluation and evaluation unit.
  • the manual welding torch is equipped with a group of two or more spatially arranged point light sources with a large radiation angle, preferably ultra-bright light emitting diodes. that the manual welding torch is equipped in particular with only two point-shaped light sources, which together with the burning welding arc exactly on one lie common line, which cuts at the arc focal point the mathematically described surface of the exercise part.
  • Fig. 1 Spatial arrangement of the essential components for detecting the hand welding torch movements
  • a camera with lens 1 is connected via a rigid camera holder 2 with the work table 3.
  • the alignment takes place on the plate-shaped exercise part 4, wherein it is achieved by the choice of the geometric imaging determining components of camera with lens 1, that in addition to the actual exercise part 4 and the manual welding torch 5 is in the field of view of the camera.
  • the manual welding torch 5 has, in extension of its standard design, a light source holder 6 fixed rigidly to it.
  • the light source holder 6 contains two ultra-bright light emitting diodes 7 with a large spatial radiation angle. In conjunction with the light source holder 6, it is realized that both light emitting diodes 7 together with the end of the welding electrode 8 are aligned with each other so that they lie on a straight connecting line.
  • the starting point for carrying out the motion analysis is the exact knowledge of the position of the exercise part 4 in the coordinate system of the rigidly arranged camera 1.
  • the spatial calibration of the camera 1 to the position of the exercise part 4 and thus of the working space, i. the mathematical plane described by the exercise part 4 is determined in the coordinate system of the camera 1.
  • the camera 1 with each image, the three light points of the two light emitting diodes 7 and at the end of the
  • the hand welder learns the basic motor processes with a real arc
  • the main parameters of the sequence of movements such as the course of the weld, the welding speed, the arc length and the burner angle, are recorded continuously and with high precision.

Abstract

The invention relates to a method and a device for assisting the development of a manual welder (5) by recording and assessing the manually performed movements of a manual welding torch (5) in conjunction with a low current arc (8) on practice workpieces, wherein the recording of the speed of the manual welding torch and the orientation of the manual welding torch in the working area takes place by a contactless measuring technique based on an image processing technique, in which features of the manual welding torch (5) that can be optically detected together with the low current arc are recorded by an electronic camera (1) in the form of illuminating points of light (7). Essential features of the invention are, in particular, that just one camera (1) records the positions of the burning low current arc (8) and of additional light sources (7) on the manual welding torch (5) simultaneously from any desired arrangement in relation to the working area of the manual welder (5), that the geometry of the practice workpiece (4) is recorded in the system of coordinates of the camera (1) by means of a one-off calibration, that during the movement of the welding torch the coordinate of the low current arc (8) in the camera image is calculated from the position of said arc on the practice workpiece (4) and that the definite spatial orientation of the manual welding torch (5) is determined from the positions of the points of light of the light sources (7) in the camera image in conjunction with the knowledge of the current spatial position of the low current arc (8).

Description

VERFAHREN UND EINRICHTUNG ZUR UNTERSTÜTZUNG DER AUSBILDUNG EINES HANDSCHWEISSERS UNTER VERWENDUNG EINER EINZIGEN KAMERA UND ZUSÄTZLICHEN LICHTQUELLEN  METHOD AND DEVICE FOR SUPPORTING THE FORMATION OF A MANUAL WELDER USING A SINGLE CAMERA AND ADDITIONAL LIGHT SOURCES
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine das Verfahren realisierende Einrichtung zur Unterstützung der Ausbildung eines Handschweißers mittels einer Erfassung und Bewertung von manuell ausgeführten Bewegungen eines Handschweißbrenners, der mit einem Niederstromlichtbogen an Übungswerkstücken eingesetzt wird, wobei die Aufnahme der Handschweißbrennergeschwindigkeit und Handschweißbrennerorientierung im Arbeitsraum durch eine berührungslose, auf einer Bildverarbeitungstechnik basierende Messtechnik durchgeführt wird, und zusammen mit dem Lichtbogen optisch erkennbare Merkmale des Schweißbrenners in Form von leuchtenden Lichtpunkten von einer elektronischen Kamera aufgenommen werden. The invention relates to a method and a device implementing the method for supporting the training of a hand welder by means of a detection and evaluation of manually performed movements of a manual welding torch, which is used with a low-voltage arc on training workpieces, the recording of the hand welding torch speed and manual torch orientation in the working space by a non-contact , Is carried out based on an image processing technology measurement technique, and recorded together with the arc optically recognizable features of the welding torch in the form of bright points of light from an electronic camera.
Es ist hinlänglich bekannt, dass die Ausbildung und das Training der Fertigkeiten eines Handschweißers ein aufwendiger Prozess ist, der viel Übungszeit, eine umfangreiche Betreuung durch Fachpersonal, eine angemessene Gerätetechnik und diverses It is well-known that the training and the training of the skills of a hand welder is an elaborate process, which requires a lot of practice time, an extensive care by specialized personnel, an adequate equipment technology and diverse
Verbrauchsmaterial erfordert. Diese Erfahrung führte schon frühzeitig zur Entwicklung von Hilfseinrichtungen, die die Effektivität der Ausbildung verbessern sollte, beispielsweise ist in dem Patent US 23333192 bereits eine Lösung beschrieben, bei der nach dem Grundprinzip der Simulation einer abschmelzenden Elektrode eine modifizierte Elektrode unter Nutzung von Kontaktgaben mit einem Basisblech bei korrekter Elektrodenführung dem Auszubildenden über das Zuschalten einer Lampe einen brennenden Lichtbogen zeigt. Kernelemente vieler Lösungen sind einerseits Simulationseinrichtungen als Ersatz für den realen Schweiß- prozess und andererseits Anzeigen für die erzielten Ergebnisse wie korrekte Schweißbrennerhaltung oder -Vorschubgeschwindigkeit. In der DD 99245 wird beispielsweise ein Schweißtrainer beschrieben, bei dem ein Steuergerät mit elektrischen Stellantrieben über eine Relaissteuerung den Elektrodenabbrand simuliert. In DE 3101890 wird eine vergleichbare Lösung beschrieben, bei der eine Metallelektrode im Schweißbrenner zurückgezogen wird und eine Lampe das Brennen eines Lichtbogens imitiert. Eine Weiterentwicklung dieses Prinzips zeigt die CN 2071999. Bei diesem Imitator for Training Weider ersetzt ein Teleskopstab mit Mikromotorantrieb die abschmelzende Elektrode. Consumables required. This experience led early on to the development of auxiliary equipment, which should improve the effectiveness of education, for example, in the US Patent 23333192 already described a solution in which the basic principle of the simulation of a consumable electrode, a modified electrode using Kontaktgaben with a base sheet if the electrode guide is correct, the trainee is shown a burning arc by switching on a lamp. The core elements of many solutions are simulations as a replacement for the real welding process and displays for the results obtained, such as correct torch retention or advance speed. In DD 99245, for example, a welding trainer is described in which a control unit with electric actuators via a relay control simulates the electrode burn-off. In DE 3101890 a comparable solution is described in which a metal electrode in the welding torch is retracted and a lamp imitates the burning of an arc. A further development of this principle is shown by CN 2071999. In this imitator for Training Weider, a telescopic rod with a micro-motor drive replaces the melting electrode.
Alle diese Lösungen sind mit dem Nachteil behaftet, dass sich die Trainingsgeräte mit ihren mechanischen Hilfseinrichtungen deutlich anders als ein realer Lichtbogen verhalten, die Übertragbarkeit der Erfahrungen von diesen Kontakteinrichtungen auf einen„berührungslos" brennenden Lichtbogen ist daher nicht sicher gegeben.  All of these solutions have the disadvantage that the training devices behave with their mechanical aids significantly different than a real arc, the transferability of the experience of these contact devices on a "non-contact" burning arc is therefore not sure.
Deshalb wurden Lösungen entwickelt, die diesen Nachteil minimieren. In dem Device for Teaching and Evaluating a Persons Skill as a Weider nach US 4124944 werden die simu- Herten Bewegungen mit Magnet-Sensoren aufgenommen. Ähnlich wird in dem Gerät für Training und Bewertung von Schweißfertigkeiten nach CA 1109253 mit einem Magneten als Lichtbogenersatz und Empfängern, die dessen magnetisches Feld analysieren, die Brennerstellung ermittelt. In CN 1249974 simuliert ein Hochfrequenzimpuls den Schweißlichtbogen.Therefore, solutions have been developed that minimize this disadvantage. In the Device for Teaching and Evaluating a Persons Skill as a Weider according to US 4124944, the simul- Herten movements recorded with magnetic sensors. Similarly, in the apparatus for training and evaluation of welding skills according to CA 1109253 with a magnet as an arc substitute and receivers analyzing its magnetic field, the torch position is determined. In CN 1249974 a high frequency pulse simulates the welding arc.
Trotz der angestrebten Berührungslosigkeit der Stabelektroden oder Schweißbrenner sind diese Trainingsgeräte in ihrer Handhabung nicht mit den Erfahrungen, die ein brennender Lichtbogen vermitteln würde, vergleichbar. Auch Lösungen, die auf der Basis moderner Elektronik / Rechentechnik basieren, wie z.B. das Device for training weiders nach US 4931018, bei dem die Funktion eines Kathodenstrahl-Monitors zur Unterstützung einer simulierten Bewegung genutzt wird, der Virtual Trainer der Firma DIGINEXT (Prospekt) , wo eine Schweißbrennerbewegung auf einem Rechnerbildschirm simuliert wird oder das EWI-Virtual Reality Weider Training System (Prospekt), bei welchem die Hand des Schweißers und der Schweißbrenner mit 6-dimensional wirkenden Erfassungssystemen bestückt sind und die Ergebnisse einer simulierten Schweißung dem Bediener in einer virtuellen Umgebung auf Bildschirmen in einer Brille gezeigt werden, ersetzen nicht die Randbedingungen, Gefühle und Erfahrungen beim Umgang mit einem brennenden Schweißlichtbogen. Despite the intended contactlessness of the stick electrodes or welding torches, these training devices are not comparable in their handling with the experiences that a burning arc would impart. Also, solutions based on modern electronics / computing technology, e.g. The device for training weiders according to US 4931018, in which the function of a cathode ray monitor is used to support a simulated movement, the Virtual Trainer DIGINEXT (Prospectus), where a welding torch movement is simulated on a computer screen or the EWI Virtual Reality Weider Training System (prospectus), in which the hand of the welder and the welding torch are equipped with 6-dimensional detection systems and the results of a simulated welding the operator in a virtual environment are shown on screens in a pair of glasses, do not replace the boundary conditions, feelings and Experience in dealing with a burning welding arc.
Genau aus diesem Grund wurden auch Lösungen für die Unterstützung der schweißtechnischen Ausbildung entwickelt, die mit einem brennenden Lichtbogen arbeiten und dem Auszubildenden die Ergebnisse seiner Handfertigkeiten mehr oder weniger verständlich darstellen. In DD 212344 wird beispielsweise beschrieben, dass aus dem Schallgeräusch des Schweißlichtbogens ein akustisches Signal über die Qualität des Schweißprozesses generiert wird, das dem Schweißer über Kopfhörer zugeführt wird. Dieses Schallgeräusch hängt hier mit dem energetischen Prozess des Lichtbogens zusammen, wobei sich wichtige und für die schweißtechnische Ausbildung wesentliche Details der Schweißbrennerbewegung wie Anstellwinkel und Vorschub aber nicht aus dem Geräusch ableiten lassen.  It is precisely for this reason that solutions for assisting welding training have been developed, which use a burning arc and more or less explain the results of his manual skills to the trainee. In DD 212344 it is described, for example, that from the sound noise of the welding arc, an acoustic signal about the quality of the welding process is generated, which is supplied to the welder via headphones. This sound noise is related to the energetic process of the arc, although important details of the welding torch movement, such as the angle of attack and feed, that are essential for welding training can not be deduced from the noise.
Ein Schweißtrainer für das Handschweißen nach RU 2373040 analysiert die Schweißbewegung, d.h. den Schweißbrennervorschub aus der Erfassung einer Stromaufteilung am Bauteil durch Aufnahme der Teilströme an den Enden der Schweißbahn. Für die Erfassung der Anstellwinkel sind weitere winkelgebende Sensoren am Brennerhalter erforderlich. Ein wesentlicher Nachteil dieser Lösung ist, dass die Erfassung einer Stromaufteilung vergleichsweise unsensibel und von vielen Störfaktoren wie Kontakteigenschaften abhängig ist. Für die Messung der Anstellwinkel sind zusätzliche Systeme erforderlich.  A manual welding welder according to RU 2373040 analyzes the welding movement, i. the welding torch advance from the detection of a current distribution on the component by receiving the partial currents at the ends of the welding path. For the detection of the angle of attack more angle-giving sensors on the burner holder are required. A major disadvantage of this solution is that the detection of a current distribution is comparatively insensitive and dependent on many disturbing factors such as contact properties. For the measurement of the angle of attack additional systems are required.
Eine Weiterentwicklung dieser Lösung ist das Computer Based Welding Training System der Sakol Teeravarunyou and Bovornchok Poopatb-Schule, Bangkok (International Journal of Industrial Engineering, 16(2), 116-125, 2009). Das Trainingssystem misst die Lichtbogenlänge aus den elektrischen Parametern und alle Elektrodenbewegungen (Vorschub, 2 Winkel) über ein mechanisches Gestänge am Elektrodenhalter mit einem Memsic-Umsetzer und einem analogen Abstandssensor. Die Ergebnisse der Bewegungsanalyse werden dem Auszubildenden über eine Sprachausgabe zugeführt. Nachteilig bei dieser an sich komfortablen Lösung ist, dass der Schweißbrenner / Elektrodenhalter wieder mit mechanischen Hilfsgestängen gekoppelt ist, die die übliche Handhabung eines Schweißbrenners einschränken.A further development of this solution is the Computer Based Welding Training System of the Sakol Teeravarunyou and Bovornchok Poopatb School, Bangkok (International Journal of Industrial Engineering, 16 (2), 116-125, 2009). The training system measures the arc length from the electrical parameters and all electrode movements (feed, 2 angles) via a mechanical linkage on the electrode holder with a Memsic converter and an analog distance sensor. The results of the motion analysis are fed to the trainee via a voice output. A disadvantage of this solution, which is in itself comfortable, is that the welding torch / electrode holder is again coupled with mechanical auxiliary rods which limit the usual handling of a welding torch.
In der JP2004090041 werden ein Gerät und Methode zur Unterstützung des Handschweißens und der Ausbildung beschrieben, in welchem die Lichtbogenlänge mit„informationsgewinnenden optischen Mitteln" erfasst wird und daraus Informationen abgeleitet werden, die über eine Sprachausgabe dem Schweißer zur Unterstützung der Schweißbewegungen bereitgestellt werden. Hier ist der Vorteil der berührungslosen Informationsgewinnung gegeben, Details der Brennerbewegung wie Anstellwinkel im Raum bleiben jedoch bei dieser Lösung unberücksichtigt. In JP2004090041 there is described an apparatus and method for assisting hand welding and training in which the arc length is detected with "information-gathering optical means" and derived therefrom information provided via voice output to the welder to assist the welding movements given the advantage of non-contact information acquisition, details of the burner movement as attack angle in space, however, are disregarded in this solution.
In US 20090298024 wird ein Welding Training System mit vielen dem Stand der Technik entsprechenden Komponenten beschrieben, wobei die Positionserfassung des Schweißbrenners über eine Kombination aus einem Beschleunigungssensor und einem Kreiselmessprinzip erfolgen soll. Wesentliche Komponenten der Erfindung betreffen die Übermittlung der Resultate an den Schweißer, was insbesondere durch visuelle Systeme oder auch eine taktile Lösung (Vibrator) erfolgen soll. Hinsichtlich der Positionserfassung des Handschweißbrenners über Kreisel- und Beschleunigungssensoren ist zu bedenken, dass diese jeweils nach der Zeit differenzierte Signale der Positionsgrößen ausgeben. Für die Rück- rechnung auf absolute Positionen sind Integrationsverfahren erforderlich, die bekanntlich vergleichsweise aufwendig und ungenau sind. Den Anforderungen an eine objektive Bewertung einer zeitlich auch längeren Schweißbewegung werden diese Lösungen nicht gerecht.  In US 20090298024 a welding training system is described with many of the prior art components, the position detection of the welding torch is to take place via a combination of an acceleration sensor and a Kreiselmessprinzip. Essential components of the invention relate to the transmission of the results to the welder, which should be done in particular by visual systems or a tactile solution (vibrator). With regard to the position detection of the manual welding torch via gyroscope and acceleration sensors, it should be remembered that these output differentiated signals of the position variables each time. Integration back to absolute positions requires integration procedures that are known to be relatively expensive and inaccurate. The requirements for an objective evaluation of a temporally longer welding movement, these solutions do not do justice.
Nach CN 1 909 020 B wird ein Simulationstrainingsgerät für das Schweißen unter Argonschutzgasatmosphäre vorgeschlagen. Es beschreibt eine Einrichtung mit Schweißbrenner, einem simulierten Schweißdraht und Bauteilen und insbesondere von zwei CCD-Kameras zur Detektion der Positionen von WIG-Schweißbrenner und Schweißdraht. Hervorgehoben wird, dass die Erfindung mit moderner Technik kostengünstig realisiert und die fachliche Schweißerausbildung optimiert werden kann und damit die Kosten gesenkt werden können. Die Positionserkennung über zwei Kamerabilder beschreibt dabei lediglich das klassische Standard-Messverfahren, durch den vorgesehenen Einsatz von zwei Kameras wird die Einrichtung dem Anspruch einer kostengünstigen Lösung nicht gerecht. According to CN 1 909 020 B, a simulation training apparatus for welding under argon protective gas atmosphere is proposed. It describes a device with welding torch, a simulated welding wire and components and in particular two CCD cameras for detecting the positions of TIG welding torch and welding wire. It is emphasized that the invention can be inexpensively implemented with modern technology and the professional welder training can be optimized and thus the costs can be reduced. The position detection on two camera images describes only the classic standard measurement method, the intended use of two cameras, the device does not meet the demand for a cost-effective solution.
Den Ausführungen zum Stand der Technik ist zu entnehmen, dass trotz der Vielfalt der Lösungsansätze zur Unterstützung und objektiven Bewertung der Handfertigkeiten eines Schweißers- insbesondere zur Unterstützung der schweißtechnischen Ausbildung- keine Entwicklung vorhanden ist, mit der in einem definierten Arbeitsraum berührungslos beim Ein- satz eines realen Lichtbogens die Orientierung und die Bewegungen des Handschweißbrenners / Elektrodenhalters sicher erfasst und bewertet werden können. It can be deduced from the statements on the state of the art that, despite the variety of approaches for supporting and objectively evaluating the manual skills of a welder, in particular to support welding training, there is no development with which contact can be made without contact in a defined working space. a real arc, the orientation and movements of the manual torch / electrode holder can be safely recorded and evaluated.
Die Erfindung verfolgt somit das Ziel, die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Unterstützung der Ausbildung eines Handschweißers durch Erfassung und Bewertung der manuell ausgeführten Bewegungen eines Handschweißbrenners in Verbindung mit einem Niederstromlichtbogen an wieder verwendbaren Übungswerkstücken zu liefern. The invention thus has the aim of overcoming the described disadvantages of the prior art and to provide a method and apparatus for assisting the formation of a hand welder by detecting and evaluating the manual movements of a manual torch in conjunction with a low current arc on reusable practice workpieces.
Damit ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Einrichtung zur berührungslosen Vermessung der Anstellwinkel eines Handschweißbrenners und der wirksamen Schweißbrennervorschubbewegung einschließlich der realisierten Bewegungsbahn zu entwickeln, welche unter den Bedingungen eines realen Lichtbogens und ohne zusätzliche Komponenten am Handschweißbrenner, die die Handhabung beeinträchtigen können, sichere, eindeutige und über eine angeschlossene Rechentechnik mathematisch bewertbare Bewegungsdaten liefert, wobei die Aufnahme der Handschweißbrennerbewegung und der Handschweißbrennerorientierung in einem definierten Arbeitsraum mittels einer berührungslosen Messtechnik erfolgen soll. It is therefore an object of the invention to develop a method and a device for contactless measurement of the angle of incidence of a manual welding torch and the effective welding torch advance movement including the realized trajectory, which under the conditions of a real arc and without additional components on the manual welding torch, which can affect the handling, provides safe, unique motion data that can be mathematically evaluated via a connected computing technique, wherein the recording of the handwelding burner movement and the manual welding torch orientation should take place in a defined workspace by means of a non-contact measurement technique.
Die gestellte Aufgabe wird auf der Basis von Komponenten der Bildverarbeitung mit punktförmigen Lichtquellen und Kameratechnik verfahrensgemäß dadurch gelöst, The stated object is achieved on the basis of components of the image processing with punctiform light sources and camera technology according to the method,
dass nur eine Kamera in einer Ausrichtung zum Arbeitsgebiet des Handschweißers gleichzeitig die Positionen des brennenden Niederstromlichtbogens und von zusätzlichen Lichtquellen, die mit dem Handschweißbrenner in Wirkverbindung stehen, erfasst, indem unter Nutzung von Filter- und Rechentechnik ausschließlich der brennende Niederstromlichtbogen (8) und die zusätzlichen Lichtquellen, die mit dem Handschweißbrenner (5) in Wirkverbindung stehen ohne weitere Bildmerkmale selektiv aufgenommen und deren Positionen im Koordinatensystem der Kamera bestimmt werden, dass einmalig über eine Kalibrierung der Kamera die Positionierung des Übungswerkstückes im Koordinatensystem der Kamera erfasst wird, wobei hierfür ein Kalibrierkörper eingesetzt wird, der im Kalibrierverfahren mit Hilfe der Aufnahme des Ü- bungswerkstückes positioniert wird und er selbst eine dreidimensionale, geometrisch und mathematisch beschreibbare Anordnung von mehreren Lichtquellen besitzt, und wobei aus der verzerrten Abbildung der Lichtquellen des Kalibrierkörpers im Kamera- bild eindeutig und präzise die Positionierung der Kamera relativ zur Position des Ü- bungswerkstückes berechnet wird, dass die Oberfläche des Übungswerkstückes mit Bezug auf dessen Positionierung mathematisch beschrieben wird, dass während der Schweißbrennerbewegung aus der Position des Lichtbogens im Kamerabild als tiefster Lichtpunkt im Kamerabild über mathematische that only one camera in alignment with the working area of the welder simultaneously detects the positions of the burning low-voltage arc and of additional light sources which are in operative connection with the manual torch, using only the burning low-voltage arc (8) and the additional ones using filter and computing techniques Light sources, which are in operative connection with the manual welding torch (5) without further image features and whose positions are determined in the coordinate system of the camera that once a calibration of the camera, the positioning of the Übungswerkstückes is detected in the coordinate system of the camera, using a calibration body for this purpose which is positioned in the calibration process by means of the recording of the Übungswerkstückes and he himself has a three-dimensional, geometrically and mathematically writable arrangement of multiple light sources, and from the galvanized Errten Image of the light sources of the calibration body in the camera bild unique and precise positioning of the camera is calculated relative to the position of the Übungswerkstückes that the surface of the Übungswerkstückes with respect to its positioning is described mathematically that during the welding torch movement from the position of the arc in the camera image as the lowest light spot in the camera image via mathematical
Transformationen die Koordinate des Lichtbogens als Position auf der mathematisch beschriebenen Oberfläche des Übungswerkstückes berechnet wird, dass aus den Positionen der Lichtpunkte der zusätzlichen Lichtquellen am Handschweißbrenner im Kamerabild in Verbindung mit der Kenntnis der aktuellen Position des Lichtbogens auf der Oberfläche des Übungsteiles die eindeutige Orientierung des Handschweißbrenners im Raum ermittelt wird, wobei aus der Darstellung des Lichtpunktemusters im Kamerabild in Verbindung mit der Kenntnis der festen geometrischen Anordnung der Lichtquellen zueinander eine Gerade im dreidimensionalen Raum gebildet wird, die an der ermittelten Position des Lichtbogens die mathematisch beschriebene Oberfläche des Übungswerkstückes kreuzt, dass während der Schweißbrennerbewegung durch die Auswertung der zeitlichen Folge der Kamerabilder unter Echtzeitbedingungen die Bahn der Schweißbrennerbewegung einschließlich der momentanen Schweißgeschwindigkeit und der Veränderungen der Handbrenneranstellwinkel nachvollzogen und im Koordinatensystem des Übungswerkstückes abgebildet und einer nachfolgenden Auswerte- und Bewertungseinheit zugeführt wird.  Transformations the coordinate of the arc is calculated as a position on the mathematically described surface of the Übungswerkstückes that from the positions of the light points of the additional light sources on the manual torch in the camera image in conjunction with the knowledge of the current position of the arc on the surface of the exercise part, the unique orientation of the manual torch is determined in the room, wherein from the representation of the light spot pattern in the camera image in conjunction with the knowledge of the fixed geometric arrangement of the light sources to each other a straight line in the three-dimensional space is formed, which intersects the mathematically described surface of the Übungswerkstückes at the determined position of the arc, that during the welding torch movement by evaluating the time sequence of the camera images under real time conditions the path of the welding torch movement including the current welding speed and the Changes in Handbrenneranstellwinkel followed and mapped in the coordinate system of Übungswerkstückes and fed to a subsequent evaluation and evaluation unit.
Generell kann für die Konzeption der am Handschweißbrenner angebrachten Lichtquellen festgehalten werden, dass der Handschweißbrenner mit einer Gruppe aus zwei oder mehreren definiert räumlich angeordneten punktförmigen Lichtquellen mit großem Abstrahlungswinkel, vorzugsweise ultrahellen Lichtemitterdioden, bestückt ist. dass der Handschweißbrenner insbesondere mit nur zwei punktförmigen Lichtquellen bestückt ist, die zusammen mit dem brennenden Schweißlichtbogen exakt auf einer gemeinsamen Geraden liegen, die an der Lichtbogenbrennstelle die mathematisch beschriebene Oberfläche des Übungsteiles schneidet. In general, it can be stated for the design of the light sources mounted on the manual welding torch that the manual welding torch is equipped with a group of two or more spatially arranged point light sources with a large radiation angle, preferably ultra-bright light emitting diodes. that the manual welding torch is equipped in particular with only two point-shaped light sources, which together with the burning welding arc exactly on one lie common line, which cuts at the arc focal point the mathematically described surface of the exercise part.
Im folgenden wird die Erfindung anhand des Beispieles einer Einrichtung zur Bestimmung der Handschweißbrennerbewegungen an einem ebenen, plattenförmigen Übungswerkstück mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In the following the invention will be explained in more detail with reference to the example of a device for determining the hand welding burner movements on a flat, plate-shaped training work with reference to the accompanying drawings.
Es zeigt: It shows:
Fig. 1 : Räumliche Anordnung der wesentlichen Komponenten zur Erfassung der Handschweißbrennerbewegungen Fig. 1: Spatial arrangement of the essential components for detecting the hand welding torch movements
Eine Kamera mit Objektiv 1 ist über einen starren Kamerahalter 2 mit dem Arbeitstisch 3 verbunden. Die Ausrichtung erfolgt dabei auf das plattenförmige Übungsteil 4, wobei es durch die Wahl der die geometrische Abbildung bestimmenden Komponenten von Kamera mit Objektiv 1 erreicht wird, dass neben dem eigentlichen Übungsteil 4 auch der Handschweißbrenner 5 im Blickfeld der Kamera liegt. Der Handschweißbrenner 5 besitzt in Erweiterung seiner Standardausführung einen starr an diesen befestigten Lichtquellenhalter 6. Der Lichtquellenhalter 6 enthält zwei ultrahelle Lichtemitterdioden 7 mit einem großen räumlichen Abstrahlungswinkel. In Verbindung mit dem Lichtquellenhalter 6 wird realisiert, dass beide Lichtemitterdioden 7 zusammen mit dem Ende der Schweißelektrode 8 untereinander so ausgerichtet sind, dass sie auf einer geraden Verbindungslinie liegen. A camera with lens 1 is connected via a rigid camera holder 2 with the work table 3. The alignment takes place on the plate-shaped exercise part 4, wherein it is achieved by the choice of the geometric imaging determining components of camera with lens 1, that in addition to the actual exercise part 4 and the manual welding torch 5 is in the field of view of the camera. The manual welding torch 5 has, in extension of its standard design, a light source holder 6 fixed rigidly to it. The light source holder 6 contains two ultra-bright light emitting diodes 7 with a large spatial radiation angle. In conjunction with the light source holder 6, it is realized that both light emitting diodes 7 together with the end of the welding electrode 8 are aligned with each other so that they lie on a straight connecting line.
Mit dieser Einrichtung wird folgende Funktion erreicht: With this device, the following function is achieved:
Ausgangspunkt für die Durchführung der Bewegungsanalyse ist die genaue Kenntnis der Position des Übungsteiles 4 im Koordinatensystem der starr angeordneten Kamera 1. Hierzu erfolgt die räumliche Kalibrierung der Kamera 1 zur Lage des Übungsteiles 4 und damit des Arbeitsraumes, d.h. die durch das Übungsteil 4 beschriebene mathematische Ebene wird im Koordinatensystem der Kamera 1 bestimmt.  The starting point for carrying out the motion analysis is the exact knowledge of the position of the exercise part 4 in the coordinate system of the rigidly arranged camera 1. For this purpose, the spatial calibration of the camera 1 to the position of the exercise part 4 and thus of the working space, i. the mathematical plane described by the exercise part 4 is determined in the coordinate system of the camera 1.
Während der Analyse der Handschweißbrennerbewegungen werden von der Kamera 1 mit jedem Bild die drei Lichtpunkte der zwei Lichtemitterdioden 7 und des am Ende der  During the analysis of the handwelding burner movements, the camera 1 with each image, the three light points of the two light emitting diodes 7 and at the end of the
Schweißelektrode 8 brennenden Lichtbogens gleichzeitig aufgenommen. Durch die Kameraeinstellung und einer primären Bildauswertung wird erreicht, dass ausschließlich die drei Lichtpunkte erkannt und einzeln bezüglich ihrer Lage im zweidimensionalen Bild der Kamera vermessen werden. Aus den Positionsdaten der Lichtpunkte im Kamerabild und der Kenntnis der räumlichen Orientierung der Kamera 1 selbst wird die Lage der mathematischen Geraden über die drei Lichtquellen im dreidimensionalen Raum ermittelt. Aus dieser wird mit bekannten mathematischen Funktionen die Orientierung des Handschweißbrenners bestimmt. Aus dem Schnittpunkt der vorgenannten Geraden mit der mathematischen Ebene des Übungsteiles 4 erfolgt die Berechnung der Lichtbogenposition. Die Zusammensetzung der berechneten Daten aus Bilderserien beschreibt den Schweißnahtverlauf bzw. die Schweißkontur und aus den Orientierungen des Handschweißbrenners werden die Veränderungen der Brenneranstellwinkel abgeleitet. Mit bekannten technischen Mitteln werden die Ergebnisse eines Vergleichs dieser Positionswerte mit Solleinstellungen visualisiert, gespeichert und gegebenenfalls dem auszubildenden Handschweißer über akustische Signale verständlich mitgeteilt. Welding electrode 8 burning arc recorded simultaneously. Due to the camera setting and a primary image analysis, it is achieved that only the three points of light are detected and individually measured with regard to their position in the two-dimensional image of the camera. From the position data of the points of light in the camera image and the knowledge the spatial orientation of the camera 1 itself, the position of the mathematical line over the three light sources in three-dimensional space is determined. From this, the orientation of the manual welding torch is determined with known mathematical functions. From the intersection of the aforementioned straight line with the mathematical level of the exercise part 4, the calculation of the arc position takes place. The composition of the calculated data from series of pictures describes the course of the weld or the welding contour, and the changes in the burner setting angles are derived from the orientations of the manual welding torch. Using known technical means, the results of a comparison of these position values with setpoint settings are visualized, stored and, if appropriate, communicated to the trainee welder by means of audible signals.
Mit der erfindungsgemäßen Realisierung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur berührungslosen Vermessung der Anstellwinkel eines Handschweißbrenners und der wirksamen Schweißbrennerbewegung einschließlich der realisierten Bewegungsbahn ergeben sich Vorteile in der Form, dass mit minimalen zusätzlichen Komponenten am Handschweißbrenner, nämlich wenigen Lichtemitterdioden, die die Handhabung des Brenners in keiner Weise negativ beeinflussen, in Verbindung mit einer einzigen, ausreichend weit vom vorgesehenen Schweißgebiet entfernt platzierten Kamera sich berührungslos und einschränkungsfrei die räumlichen Bewegungen des Handschweißbrenners mit hoher Dynamik und Präzision komplett erfassen lassen. With the realization of a method and a device for contactless measurement of the angle of incidence of a manual welding torch and the effective welding torch movement including the realized trajectory according to the invention, advantages result in the form that with minimal additional components on the manual welding torch, namely a few light emitting diodes, the handling of the burner in any Negative influence, in conjunction with a single, far enough away from the intended welding area placed camera to contact completely and without restriction, the spatial movements of the manual welding torch with high dynamics and precision completely capture.
Vorteile im beschriebenen Anwendungsfall sind: Advantages in the described application are:
Der Handschweißer erlernt die grundlegenden motorischen Abläufe mit einem realen Lichtbogen,  The hand welder learns the basic motor processes with a real arc,
beim Schweißen werden die Hauptparameter des Bewegungsablaufes wie Schweißnahtverlauf , Schweißgeschwindigkeit, Lichtbogenlänge und Brennerwinkel kontinuierlich und mit hoher Präzision erfasst,  During welding, the main parameters of the sequence of movements, such as the course of the weld, the welding speed, the arc length and the burner angle, are recorded continuously and with high precision.
die vom Handschweißer verursachten Abweichungen werden diesem zeitnah signalisiert,  the deviations caused by the hand welder are signaled promptly,
für die Aufnahme der Bewegungen sind nur kleine Anbauten am Handschweißbrenner erforderlich, die die Handhabung nicht einschränken,  only small attachments on the manual welding torch are required to absorb the movements, which do not restrict handling
das Schweißen erfolgt mit einem Niederstromlichtbogen, so dass die verwendeten Übungswerkstücke für eine große Anzahl von Übungen verwendet werden können, über verschiedene Übungswerkstücke können unterschiedliche Trainingsaufgaben absolviert werden. Bezugszeichenliste Kamera the welding is done with a low current arc, so that the exercise workpieces used can be used for a large number of exercises, different exercise workpieces can be completed different training tasks. Reference List Camera
Kamerahalter camera Mounts
Arbeitstisch worktable
Übungswerkstück Exercise workpiece
Handschweißbrenner Manual welding torch
Lichtquellenhalter Light source holder
Lichtemitterdiode Light emitting diode
Niederstromlichtbogen Low current arc

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Unterstützung der Ausbildung eines Handschweißers mittels einer berührungslosen Vermessung der Anstellwinkel eines Handschweißbrenners (5) und einer wirksamen Schweißbrennerbewegung einschließlich einer realisierten A method of supporting the formation of a hand welder by means of a non-contact measurement of the angle of incidence of a manual welding torch (5) and an effective welding torch movement including a realized
Schweißbahn auf der Basis von Komponenten einer Bildverarbeitung mit punktförmigen Lichtquellen und Kameratechnik,  Welding track based on components of image processing with punctiform light sources and camera technology,
g e k e n n z e i c h n e t d a d u r c h ,  g e k e n c i n e d a d u r c h,
dass nur eine Kamera (1) in einer Ausrichtung zum Arbeitsgebiet des Handschweißers gleichzeitig die Positionen eines brennenden Niederstromlichtbogens (8) und von zusätzlichen Lichtquellen, die mit dem Handschweißbrenner (5) in Wirkverbindung stehen, erfasst, indem unter Nutzung von Filter- und Rechentechnik ausschließlich der brennende Niederstromlichtbogen (8) und die zusätzlichen Lichtquellen, die mit dem Handschweißbrenner (5) in Wirkverbindung stehen ohne weitere Bildmerkmale selektiv aufgenommen und deren Positionen im Koordinatensystem der Kamera (1) bestimmt werden,  that only one camera (1) in an orientation to the working area of the hand welder simultaneously detects the positions of a burning low-voltage arc (8) and of additional light sources, which are in operative connection with the manual welding torch (5), by using only filtering and computing technique the burning low-current arc (8) and the additional light sources, which are in operative connection with the manual welding torch (5) without further image features selectively recorded and their positions in the coordinate system of the camera (1) are determined
dass einmalig über eine Kalibrierung der Kamera (1) die Positionierung eines  that once a calibration of the camera (1) the positioning of a
Übungswerkstückes (4) im Koordinatensystem der Kamera (1) erfasst wird, wobei hierfür ein Kalibrierkörper eingesetzt wird, der im Kalibrierverfahren mit Hilfe der Aufnahme des Übungswerkstückes (4) positioniert wird und selbst eine dreidimensionale, geometrisch und mathematisch beschreibbare Anordnung von mehreren Lichtquellen besitzt, und wobei aus der verzerrten Abbildung der Lichtquellen des Kalibierkörpers im Kamerabild die Positionierung der Kamera (1) relativ zur Position des Übungswerkstückes (4) berechnet wird,  Übungswerkstückes (4) in the coordinate system of the camera (1) is detected, for this purpose a calibration is used, which is positioned in the calibration process using the recording of Übungswerkstückes (4) and even has a three-dimensional, geometrically and mathematically writable arrangement of multiple light sources, and wherein from the distorted image of the light sources of the calibration body in the camera image, the positioning of the camera (1) is calculated relative to the position of the Übungswerkstückes (4),
dass die Oberfläche des Übungswerkstückes (4) mit Bezug auf dessen Positionierung mathematisch beschrieben wird,  that the surface of the exercise work piece (4) is mathematically described with respect to its positioning,
dass während der Schweißbrennerbewegung aus der Position des Niederstromlichtbogens (8) im Kamerabild als tiefster Lichtpunkt im Kamerabild über eine mathematische Transformation die Koordinate des Niederstromlichtbogens (8) als Position auf der mathematisch beschriebenen Oberfläche des Übungswerkstückes (4) berechnet wird,  during the welding torch movement, the coordinate of the low-current arc (8) is calculated as a position on the mathematically described surface of the training workpiece (4) from the position of the low-current arc (8) in the camera image as the lowest light point in the camera image via a mathematical transformation,
dass aus den Positionen der Lichtpunkte der zusätzlichen Lichtquellen am Handschweißbrenner (5) im Kamerabild in Verbindung mit der Kenntnis der aktuellen Position des Niederstromlichtbogens (8) auf der Oberfläche des Übungswerkstückes (4) die eindeutige Orientierung des Handschweißbrenners (5) im Raum ermittelt wird, wobei aus der Darstellung eines Lichtpunktemusters im Kamerabild in Verbindung mit der Kenntnis einer festen geometrischen Anordnung der Lichtquellen am Handschweißbrenner (5) und des brennenden Niederstromlichtbogens (8) zueinander eine Gerade im dreidimensionalen Raum gebildet wird, die an der ermittelten Position des Niederstromlichtbogens (8) die mathematisch beschriebene Oberfläche des Übungswerkstückes (4) kreuzt that from the positions of the light points of the additional light sources on the manual welding torch (5) in the camera image in conjunction with the knowledge of the current position of the low-voltage arc (8) on the surface of the Übungswerkstückes (4) the unique orientation of the manual welding torch (5) is determined in space wherein from the representation of a light spot pattern in the camera image in conjunction with the knowledge of a fixed geometric arrangement of the light sources on the manual welding torch (5) and the burning low-voltage arc (8) to each other a straight line in three-dimensional space is formed, which intersects the mathematically described surface of the Übungswerkstückes (4) at the determined position of the low-voltage arc (8)
und, dass während der Schweißbrennerbewegung durch die Auswertung der zeitlichen Folge der Kamerabilder unter Echtzeitbedingungen die Bahn der Schweißbrennerbewegung einschließlich einer momentanen Schweißgeschwindigkeit und der Veränderungen der Handbrenneranstellwinkel nachvollzogen und im Koordinatensystem des Übungswerkstückes (4) abgebildet und einer nachfolgenden Auswerte- und Bewertungseinheit zugeführt wird. and that, during the welding torch movement, by evaluating the temporal sequence of the camera images under real-time conditions, the trajectory of the torch movement including an instantaneous welding speed and changes in the hand torch angle is reconstructed and displayed in the coordinate system of the training workpiece (4) and fed to a subsequent evaluation and evaluation unit.
Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, Device for carrying out the method according to claim 1,
gekennzeichnet dadurch, characterized by
dass der Handschweißbrenner (5) mit einer Gruppe aus zwei oder mehreren definiert räumlich angeordneten punktförmigen Lichtquellen mit großem Abstrahlungswinkel, beispielsweise ultrahellen Lichtemitterdioden (7), bestückt ist. that the manual welding torch (5) is equipped with a group of two or more spatially arranged point light sources with a large radiation angle, for example ultra-bright light emitting diodes (7).
Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, Device for carrying out the method according to claim 2,
gekennzeichnet dadurch, characterized by
dass der Handschweißbrenner (5) mit nur zwei punktförmigen Lichtquellen bestückt ist, die zusammen mit dem brennenden Niederstromlichtbogens (8) exakt auf einer gemeinsamen Geraden liegen, die an einer Lichtbogenbrennstelle durch die mathematisch beschriebenen Oberfläche des Übungswerkstückes (4) führt. the manual welding torch (5) is equipped with only two punctiform light sources which, together with the burning low-current arc (8), lie exactly on a common straight line which leads at an arc focal point through the mathematically described surface of the training workpiece (4).
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