(57)【要約】【課題】半自動ガスシールドアーク溶接の適切なトーチ動作を身に付けるための効率的な訓練を支援する。【解決手段】半自動ガスシールドアーク溶接作業時のトーチ動作を解析し、トーチ動作から抽出した動作パラメータが許容範囲を超えて変動したとき、振動によってリアルタイムで溶接士に通知し、修正を促す訓練システムおよびその方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半自動ガスシールドアーク溶接のトーチ動作が適正範囲を逸脱した際、リアルタイムで溶接士に通知する半自動ガスシールドアーク溶接訓練システムにおいて、トーチ動作を計測する動作計測装置と、動作計測装置によって取得したトーチ動作が適正範囲内にあるかどうかを監視する動作データ処理装置と、トーチ動作が適正範囲を逸脱した際に溶接士に通知する通知用デバイスとを備えたことを特徴とする半自動ガスシールドアーク溶接訓練システム。
【請求項２】
前記トーチ動作は、少なくともトーチ先端の三次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）のうち、高さ方向ｚまたはウィービング方向ｙの値を連続的に取得したデータを含むことを特徴とする請求項１に記載の半自動ガスシールドアーク溶接訓練システム。
【請求項３】
前記動作計測装置は、トーチに固定される発光体と、光学情報から発光体の位置および角度を取得する光学情報検出装置と、光学情報検出装置を用いて検出した発光体の位置および角度のデータをトーチ動作に変換する動作データ変換装置を備え、前記発光体は、少なくともトーチ先端から２００ｍｍ以上離れた位置において、トーチ先端部までを含む単一の剛体となるようトーチに固定されることで、トーチ先端の位置を連続的に計測する機能を備えたことを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載の半自動ガスシールドアーク溶接訓練システム。
【請求項４】
前記動作データ処理装置は、トーチ動作のデータから、溶接品質と相関を有する動作パラメータとしてトーチ高さを算出する機能と、トーチ高さの適正範囲を任意の数値に設定する機能と、トーチ高さの現在値と適正範囲とを比較し、トーチ高さが適正範囲を逸脱していた場合、通知用デバイスに信号を送信する機能とを備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半自動ガスシールドアーク溶接訓練システム。
【請求項５】
前記動作データ処理装置は、トーチ動作のデータから、溶接品質と相関を有する動作パラメータとして、トーチがウィービング止端部を通過する時間と全溶接時間の比を表す止端部滞留時間比率を算出する機能と、止端部滞留時間比率の適正範囲を任意の数値に設定する機能と、止端部滞留時間比率の現在値と適正範囲とを比較し、止端部滞留時間比率が適正範囲を逸脱していた場合、通知用デバイスに信号を送信する機能とを備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半自動ガスシールドアーク溶接訓練システム。
【請求項６】
前記通知用デバイスは、動作データ処理装置から信号を受信したとき振動を出力することで、トーチ高さあるいは止端部滞留時間比率が適正範囲を逸脱していることを溶接士に認識させるもので、溶接士の身体上３箇所以上に振動を与えられる状態で固定され、トーチ高さが基準値以上である場合、トーチ高さが基準値以下である場合、および止端部滞留時間比率が基準値以下である場合には、各ケースを区別して通知するために、いずれかの箇所を選択して振動を与えることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半自動ガスシールドアーク溶接訓練システム。
【請求項７】
前記トーチ高さの適正範囲は、トーチ高さの適正値との差の絶対値が４ｍｍ以下であることを特徴とする半自動ガスシールドアーク溶接訓練方法。
【請求項８】
前記止端部滞留時間比率の適正範囲が４０％以上であることを特徴とする半自動ガスシールドアーク溶接訓練方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接士に対し半自動ガスシールドアーク溶接の適切なトーチ動作を身に付けるための効率的な訓練方法を供与する半自動ガスシールドアーク溶接訓練システムおよびその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
製造現場においては様々な溶接法が使用されるが、その中でも設備投資が安価で作業能率が高い半自動ガスシールドアーク溶接は、鉄鋼の溶接加工を中心に広く普及している。
【０００３】
一方で、企業における溶接士の訓練のほとんどは、熟練溶接士が自身の経験を基に未熟練溶接士を指導するＯＪＴによって行われているのが現状であり、溶接士が不足する企業においては大きな負担となっている。このような実情の中で、溶接士の訓練装置及び訓練方法について、これまでにいくつかの提案がなされている。
【０００４】
特開２００１−７１１４０「手溶接支援装置、手溶接支援方法、手溶接訓練装置、および手溶接訓練方法」（特許文献１）では、トーチ１１４の位置、向き、動き等を含む溶接士ＰＳの動作を多数のセンサで計測し、良否判定結果を溶接士に伝達する技術が提案されている。
【０００５】
特開２００４−９００４１「手溶接支援装置、手溶接支援方法、手溶接訓練装置及び手溶接訓練方法」（特許文献２）では、アーク長さが基準アーク長さから外れた場合に、どの程度外れているかを音情報によって伝達する技術が提案されている。なお同公報においては、溶接中のアーク長さを直接計測するのではなく、アーク光の照度を計測し、相関関係を利用してアーク長さに変換している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−７１１４０「手溶接支援装置、手溶接支援方法、手溶接訓練装置、および手溶接訓練方法」
【特許文献２】特開２００４−９００４１「手溶接支援装置、手溶接支援方法、手溶接訓練装置及び手溶接訓練方法」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の［図６］のような模擬装置のようなアークが発生しない状態で行う訓練では、火傷や感電を防ぐための安全上の制約に合わない、誤った溶接姿勢を定着させる恐れがある。また同公報では、溶接状態の良否判定結果を視覚以外で提示する場合の具体的方法として、保護手袋１１１に与圧装置を組み込み、トーチを持つ手の動作の自由度に制約を課すことで動作変更を促す方法を提案している（同公報［００５０］）が、この方法では溶接士の動作を直接的に補助するため、自力で動作変更する能力を訓練する目的で使用するには不十分であった。
【０００８】
特許文献２においては、良否判定結果を音声によって通知している。しかしながら、工場内では騒音が大きく、良否判定結果の聴き取りが困難となる。加えて、アーク溶接では、「パチパチ・・・」あるいは「ジジジ・・・」などと表現される音（溶接アーク音）が発生する。この溶接アーク音はトーチ動作によって聞こえ方が変わるため、トーチ動作を調整する目安とする溶接士も多いが、特許文献２においては良否判定結果を通知する音声と重なることで、溶接アーク音が聞き取りづらくなるという問題点があった。
また同公報では、トーチ高さと照度が一次関数になったとしている（同公報［００４７］）が、同公報の実験では、トーチ高さで比較すると最大0.5ｍｍ以上の誤差が生じていた。また、トーチの径によってもトーチ高さと照度の相関関係が変わるため、径ごとに相関関係を求めなければならない問題があった。
【０００９】
さらに、特許文献１、２ともに、良否判定基準が溶接欠陥の発生量に基づくことを示していない。一方で、実際の溶接においては一般的に溶接欠陥の発生量によって継手品質の良否を判断するため、溶接訓練においても、溶接欠陥に基づく良否判定基準を確立する必要があった。
【００１０】
以上のとおり、従来技術は、いずれも溶接状態を計測し、その良否判定結果をリアルタイムで作業者に通知する技術であるが、計測、良否判定および通知方法において改善の余地があった。
本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決しようとするものであり、計測誤差が少なく正確な良否判定を下すことが可能であるとともに、溶接士の訓練において、より効果的な良否判定通知手段を備えた半自動ガスシールドアーク溶接訓練システムを提供することである。それによって、溶接欠陥が発生しない良好な溶接技術を溶接士に身に付けてもらうことができる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本願における請求項１の半自動ガスシールドアーク溶接訓練システムは、トーチ動作を計測する動作計測装置と、動作計測装置で取得したトーチ動作が適正範囲内にあるかどうかを監視する動作データ処理装置と、トーチ動作が適正範囲を逸脱した際に溶接士に通知する通知用デバイスとを備えたことを特徴とする。
【００１２】
請求項２のトーチ動作は、少なくともトーチ先端の三次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）のうち、高さ方向ｚまたはウィービング方向ｙの値を連続的に取得したデータを含むことを特徴とする。
このようなトーチ動作を取得するためには、例えば加速度センサ、変位計、または請求項３の構成などを備えた動作計測装置を使用すればよい。これによって後述のトーチ高さあるいは止端部滞留時間比率を算出することができる。
【００１３】
請求項３の動作計測装置は、作業性に影響を及ぼさない形状及び重量の発光体と、光学情報から発光体の位置および角度を取得する光学情報検出装置と、光学情報検出装置を用いて検出した発光体の位置および角度のデータをトーチ動作に変換する動作データ変換装置を備え、前記発光体は、少なくともトーチ先端部から２００ｍｍ以上離れた位置において、トーチ先端部までを含む単一の剛体となるようトーチに固定されることで、トーチ先端部の位置を連続的に計測する機能を備えたことを特徴とする。これにより、アーク光に起因する計測誤差を抑え、トーチ動作を算出することができる。
【００１４】
請求項４の動作データ処理装置は、トーチ動作のデータから、溶接品質と相関を有する動作パラメータとしてトーチ高さを算出する機能と、トーチ高さの適正範囲を任意の数値に設定する機能と、トーチ高さの現在値と適正範囲とを比較し、トーチ高さが適正範囲を逸脱していた場合、通知用デバイスに信号を送信する機能とを備えたことを特徴とする。
【００１５】
請求項５の動作データ処理装置は、トーチの動作データから、溶接品質と相関を有する動作パラメータとしてトーチがウィービング止端部を通過する時間と全溶接時間の比を表す止端部滞留時間比率を算出する機能と、止端部滞留時間比率の適正範囲を任意の数値に設定する機能と、止端部滞留時間比率の現在値と適正範囲とを比較し、止端部滞留時間比率が適正範囲を逸脱していた場合、通知用デバイスに信号を送信する機能とを備えたことを特徴とする。
【００１６】
請求項６の通知用デバイスは、動作データ処理装置から信号を受信したとき振動を出力することで、トーチ高さあるいは止端部滞留時間比率が適正範囲を逸脱していることを溶接士に認識させるもので、溶接士の身体上３箇所以上に振動を与えられる状態で固定され、トーチ高さが基準値以上である場合、トーチ高さが基準値以下である場合、および止端部滞留時間比率が基準値以下である場合に、いずれかの箇所を選択して振動を与えることを特徴とする。すなわち、溶接士への伝達手段として音声を使用しないため、騒音中でも使用できるほか、溶接士は通常の作業と何ら変わりなく溶接アーク音を聞き取ることができる。また、適正範囲をどのように逸脱しているのかを瞬時に判断することが可能である。
【００１７】
請求項７のトーチ高さの適正範囲は、トーチ高さの適正値との差の絶対値が４ｍｍ以下であることを特徴とする。これは実験から帰納的に得られた値である。
【００１８】
請求項８の止端部滞留時間比率の適正範囲が４０％以上であることを特徴とする。これは実験から帰納的に得られた値である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明を使用することで、半自動ガスシールドアーク溶接について、トーチ動作の良否を常に認識できるため、適正なトーチ動作を習得するための反復練習を効率的に行うことが可能になる。それにより、溶接欠陥が発生しない良好な溶接技術を溶接士に身に付けてもらうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】半自動ガスシールドアーク溶接訓練システムの構成の一例
【図２】発光体のトーチ先端部からの距離と最大計測誤差の関係
【図３】止端部滞留時間比率の計算方法
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明内容について詳細に説明する。図１は、本発明の構成の一例を示す説明図である。半自動ガスシールドアーク溶接訓練システム１０は、溶接士１１がトーチ１２を用いて溶接母材１３を溶接することで、適切なトーチ動作を身に付けるための効率的な訓練方法を供与する。
【００２２】
具体的には、半自動ガスシールドアーク溶接訓練システム１０はトーチ動作を計測する動作計測装置２０と、動作計測装置で取得したトーチの動作データを解析し、トーチ動作が適正範囲内にあるかどうかを監視する動作データ処理装置３０と、トーチ動作が適正範囲を逸脱した際に溶接士に通知する通知用デバイス４０とを備える。
【００２３】
動作計測装置２０は、座標または変位を検出するセンサ機能を持ち、トーチ動作として少なくともトーチ先端部の位置のうち、高さ方向の一次元成分または作業平面方向の二次元成分を連続的に計測する。
【００２４】
望ましい構成としては、動作計測装置２０は、トーチに固定される発光体２１と、発光体の位置および角度情報を検出する光学情報検出装置２２と、光学情報検出装置を用いて検出した発光体の位置および角度情報をトーチ動作に変換する動作データ変換装置２３を備える。これにより動作計測装置２０は、溶接訓練が行われている間トーチ動作を計測し、その動作データを動作データ処理装置３０に送る。
【００２５】
前記発光体は光学情報検出装置が求める光学的な特徴量を与える。なお、ここでいう発光体は、それ自体が発光能力を有する構造体のほか、外部光源をよく反射する構造体も含む。また、光学情報検出装置によって角度情報を検出できるよう、非対称な形状または構造となっている。例えば、別に置かれた光源の光を反射させるマーカ３個が同一直線上にならないよう配置されている。
また、前記光学情報検出装置は、例えば複数台のカメラを備え、各カメラの視差を利用して発光体の位置および角度情報を検出する。
【００２６】
前記動作計測装置において、発光体を用いて間接的にトーチ動作を計測する理由は、トーチ先端部とアーク光の発生点との距離が近すぎてトーチ先端部の光学情報を正確に検出できないためである。
したがって発光体を用いる構成であっても、アーク光に起因する計測誤差が半自動ガスシールドアーク溶接訓練システムの動作に悪影響を与えない範囲に収まるような発光体の固定位置を規定する必要がある。なお、一般的に0.5ｍｍより微細なトーチ動作変化を認知し、あるいは制御することは困難であることから、0.5ｍｍまでの計測誤差であれば、半自動ガスシールドアーク溶接訓練システムの動作に悪影響を与えるほどではないといえる。
そこで、計測誤差の大きさと、発光体とアーク光の発生点との距離との関係を調査するため、同じ条件の半自動ガスシールドアーク溶接において、長さの異なる固定治具を用いることで発光体の固定位置をトーチ先端部から５０ｍｍ〜３００ｍｍまで変化させながらトーチの三次元座標を計測し、計測値の最大誤差を求める実験を行った。このときのアーク発生条件は次のとおりである。
シールドガス：ＣＯ２  １００％
溶接母材：軟鋼ＳＳ４００（板厚９ｍｍ）
溶接姿勢：下向
継手形状：ビードオンプレート
設定電流：１８０Ａ
設定電圧：２０Ｖ
アーク発生時間：１０秒
また、光学情報検出装置については１３０万画素のカメラ８台を互いに等間隔に配置したものを使用した。なお、カメラの設置位置については、溶接により発生するスパッタが付着して故障することを防ぐため、光学情報検出装置は溶接母材との水平距離３ｍ、高さは溶接母材より１ｍ高い位置に設置した。
【００２７】
図２は上記実験より得られた、発光体のトーチ先端部からの距離と最大計測誤差の関係を示したグラフである。図２によると、発光体とアークとの距離が２００ｍｍ未満になると、計測誤差が0.5ｍｍを超えることが分かる。
すなわち、［００２３］に記述した構成の動作計測装置は、アークとの最近接部の距離が２００ｍｍ以上になるように発光体を固定することで、動作データ処理装置に適切な動作データを送ることができる。
なお、発光体とアークとの距離には上限はないが、トーチ先端部との位置関係が変化しない箇所に発光体を取り付ける必要がある。また、発光体およびその固定治具は溶接士の作業に対し視覚的または力学的な影響を及ぼさない形状および重さであることが求められる。
【００２８】
動作データ処理装置３０は、溶接訓練が行われている間、動作計測装置２０から送られた動作データから動作パラメータを計算し、溶接訓練中の各時刻における動作パラメータとあらかじめ入力しておいた動作パラメータの適正範囲をリアルタイムで比較する。これによって、各時刻において動作パラメータが適正範囲内にあるかどうかを監視し、トーチ動作が適正範囲を逸脱した場合は、リアルタイムで通知用デバイス４０に信号を送信する。
【００２９】
前記動作データ処理装置が溶接の良否を正しく判定するためには、溶接品質と相関のある動作パラメータを良否判定基準とする必要がある。そこで、半自動ガスシールドアーク溶接における動作パラメータと溶接品質との関係を調査した。
【実施例】
【００３０】
＜実施例１＞
まず、本発明における半自動ガスシールドアーク溶接訓練システムを適用せず、下記の溶接方法によってガスシールドアーク溶接を行ったときのトーチ動作を計測した。なお、発光体の固定位置はトーチ先端から２１５ｍｍとした。
層およびパス数：３層３パス
シールドガス：ＣＯ２
溶接母材：軟鋼ＳＳ４００（長さ２００ｍｍ×幅１２５ｍｍ×板厚９ｍｍ）
継手形状：Ｖ型開先、突合せ（裏当て金使用）
溶接姿勢：下向
設定電流：１パス、２パス：１８０Ａ  ３パス：１６０Ａ
設定電圧：１パス、２パス：２２Ｖ  ３パス：２０Ｖ
【００３１】
次に、計測したトーチ動作から動作パラメータとして、ウィービングの平均周期、トーチ高さの適正値との差の最大値（ただし、トーチ高さの変化範囲の中央をトーチ高さの適正値とする）、および止端部滞留時間比率を抽出した。
ここで、図３は作業平面上に投影したトーチ軌跡を用いて止端部滞留時間比率を表している。まず、連続する２頂点間の全振幅をａ１とする。この全振幅ａ１のうち、両端部0.15ａ１ずつを２頂点間における止端部、それ以外を除止端部とする。このように全ての連続２頂点間について、止端部と除止端部に区分けし、止端部、除止端部におけるトーチの通過時間の総和をそれぞれｔ１、ｔ２とするとき、ｔ１／(ｔ１＋ｔ２)で表される値を止端部滞留時間比率とした。
【００３２】
次に、日本工業規格（JIS  Z  3841:1997、JIS  Z  3122:2013）に規定される曲げ試験によって前記溶接において作製した継手の溶接品質を評価した。ただし、評価基準に関しては前記日本工業規格を参考に、表曲げ試験の、裏曲げ試験のいずれにおいても割れ合計長さが７ｍｍ以下であれば良好であるとみなし、溶接品質の合否を判定した。
表１に、動作パラメータの値と曲げ試験の結果を示す。なお、割れの合計長さは表曲げ試験または裏曲げ試験のうち、割れの合計長さが長かったほうの結果を示している。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
表１においては、割れ発生量が少なく、品質良好と認められる溶接を実施例１−１〜１−６、割れ発生量が多く品質が不良であった溶接を比較例１−１〜１−６としている。
比較例１−４〜１−６は全ての実施例よりもトーチ高さの変化量が大きい。また、比較例１−１〜１−３、および比較例１−６は全ての実施例よりも止端部滞留時間比率が低い。ウィービングの平均周期に関しては実施例と比較例との間に傾向差は見られない。これを具体的な数値で示すと、トーチ高さの適正値との差の最大値が４ｍｍ以下かつ、止端部滞留時間比率が４０％以上であるとき、良好な溶接品質が得られている。
したがって、トーチ高さの変化量および止端部滞留時間を良否判定用の動作パラメータとして用いることが可能であり、トーチ高さの適正値との差の絶対値が４ｍｍ以下かつ止端部滞留時間比率が４０％以上であればトーチ動作は良好であるといえる。
一般的に、トーチ高さの変化量は溶接電流の変化量と相関関係があり、設定値が一定である場合には溶接電流は大きく変化しないことが望ましいとされる。また、止端部滞留時間比率が小さい場合には、母材開先部への入熱バランスが小さくなるため、ボンド部に欠陥が残りやすいと考えられる。
【００３５】
動作データ処理装置３０は、動作パラメータが適正範囲から逸脱したとき、振動発生装置として小型の振動モータ等を備えた通知用デバイス４０に信号を送る。ここで、複数の動作パラメータによって良否判定を行う場合には、どの動作パラメータが適正範囲から逸脱したのかを判別することができない。
また、適正範囲が上限および下限の両方を持つ場合には、適正範囲から逸脱したという情報だけでは、動作パラメータが上限を超えたのか、あるいは下限を超えたのかが判別できない。そのため、上限および下限を有するトーチ高さの適正範囲と下限のみを有する止端部滞留時間比率を同時に判定する場合には、少なくとも３種類の情報が必要である。
そこで例えば、小型振動モータを３個備えた通知用デバイスを使用し、振動モータを溶接士の身体上３箇所に固定する。この状態でトーチ高さが基準範囲より高い場合、トーチ高さが基準範囲より低い場合、止端部滞留時間比率が基準範囲から逸脱した場合でそれぞれ異なる振動モータを振動させる。これにより溶接士は、トーチ高さを上げれば良いか、または下げれば良いか、もしくは止端部滞留時間比率を高めれば良いのかを瞬時に判断し、修正することができる。
【００３６】
本発明の半自動ガスシールドアーク溶接訓練システムの訓練効果を検証するため、本発明を使用した場合と使用していない場合において、熟練度の低い溶接士２人（それぞれＡ、Ｂとする）が溶接継手を作製する間に動作パラメータが適正範囲を逸脱した時間を比較する実験を行った。
【００３７】
＜実施例２＞
通知用デバイスは、小型振動モータを溶接士の首元、上腕部、腰部の３箇所に取り付け、トーチ高さが基準範囲より高い場合には首元に、トーチ高さが基準範囲より低い場合には腰部に、止端部滞留時間比率が基準範囲から逸脱した場合には上腕部にそれぞれ振動を与えた。ただし、トーチ高さについては適正範囲から逸脱した状態が0.1秒以上継続した場合のみ、止端部滞留時間比率については過去３秒間の平均が適正範囲から逸脱している間のみ振動を与えた。実施例においては振動を与えた時間の累計値を、比較例においてはそれと同等の条件を満たした時間の累計値を、動作パラメータが適正範囲を逸脱した時間とした。また、溶接方法は実施例１と同じであるが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。表２に実施例２の結果をまとめて示す。
【００３８】
【表２】
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【００３９】
実施例２−１〜２−４は本発明を使用した場合、比較例２−１〜２−４は本発明を使用しなかった場合の結果を示している。トーチ高さおよび止端部滞留時間比率について、比較例４回の平均ではそれぞれ34.3秒、12.5秒適正範囲から逸脱していたが、実施例ではトーチ動作が適正範囲を逸脱した場合、即時に修正できることで、それぞれ14.1秒（比較例より−10.2秒）および9.5秒（比較例より−3.0秒）と改善効果が表れた。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は以上のように実施することができ、未熟練溶接士の半自動ガスシールドアーク溶接訓練を効率化できる。従来は、熟練溶接士の経験による指導に依存した溶接訓練を行っている企業がほとんどであったため、溶接関連産業分野において、より品質の高い溶接技術を目指すには極めて有用な発明である。
【符号の説明】
【００４１】
１０  半自動ガスシールドアーク溶接訓練システム
１１  溶接士
１２  トーチ
１３  溶接母材
２０  動作計測装置
２１  発光体
２２  光学情報検出装置
２３  動作データ変換装置
３０  動作データ処理装置
４０  通知用デバイス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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