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.

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 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.

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.

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.

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.

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.

Die gestellte Aufgabe wird auf der Basis von Komponenten der Bildverarbeitung mit punktförmigen Lichtquellen und Kameratechnik verfahrensgemäß dadurch gelöst,

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

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.

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.

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.

Es zeigt:

Fig. 1 : Räumliche Anordnung der wesentlichen Komponenten zur Erfassung der Handschweißbrennerbewegungen

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.

Mit dieser Einrichtung wird folgende Funktion erreicht:

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.

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

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.

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.

Vorteile im beschriebenen Anwendungsfall sind:

Der Handschweißer erlernt die grundlegenden motorischen Abläufe mit einem realen Lichtbogen,

beim Schweißen werden die Hauptparameter des Bewegungsablaufes wie Schweißnahtverlauf , Schweißgeschwindigkeit, Lichtbogenlänge und Brennerwinkel kontinuierlich und mit hoher Präzision erfasst,

die vom Handschweißer verursachten Abweichungen werden diesem zeitnah signalisiert,

für die Aufnahme der Bewegungen sind nur kleine Anbauten am Handschweißbrenner erforderlich, die die Handhabung nicht einschränken,

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

Kamerahalter

Arbeitstisch

Übungswerkstück

Handschweißbrenner

Lichtquellenhalter

Lichtemitterdiode

Niederstromlichtbogen