(57)【要約】【課題】半自動溶接中に溶接士の挙動、溶融プール形状ならびにワイヤ突出し長さ等に関する複数の情報を同時に取得し、溶接施工の良否の判定をすみやかに行うことのできる溶接作業情報計測方法および装置を提供すること。【解決手段】減光フィルタと帯域通過フィルタを有する複数の視覚センサ７，８，９，１０を備え、前記視覚センサによってそれぞれの視野を撮像することによって溶接ワイヤの突出し長さ、溶融プール形状及び溶接士の挙動に関する複数の情報を同時に取得するようにした構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
減光フィルタと帯域通過フィルタを有する複数の視覚センサを備え、前記視覚センサによってそれぞれの視野を撮像することによって溶接ワイヤの突出し長さ、溶融プール形状及び溶接士の挙動に関する複数の情報を同時に取得するようにしたことを特徴とする溶接作業情報計測装置。
【請求項２】
前記視覚センサの少なくとも１つは溶接線の延長線上の溶接進行方向側に設けられ、溶接トーチのノズル先端、チップ先端及びアーク長を一つの視野で撮像することによって、ワイヤ突出し長さを計測することを特徴とする請求項１に記載の溶接作業情報計測装置。
【請求項３】
前記視覚センサの少なくとも１つは溶接トーチに取り付けられ、溶融プールと溶融プール近傍を一つの視野で撮像することによって溶融プール形状を計測することを特徴とする請求項１に記載の溶接作業情報計測装置。
【請求項４】
前記視覚センサの前面にミラーを配置したことを特徴とする請求項３に記載の溶接作業情報計測装置。
【請求項５】
前記視覚センサの光軸を前記溶接トーチの電極と同軸にしたことを特徴とする請求項３に記載の溶接作業情報計測装置。
【請求項６】
前記視覚センサの少なくとも１つは溶接進行方向前方に設けられ、溶融プールと開先形状を一つの視野で撮像することによってトーチ狙い位置、ウィービング周期及びウィービング振幅を計測することを特徴とする請求項１に記載の溶接作業情報計測装置。
【請求項７】
前記視覚センサの少なくとも１つは溶接士の姿勢と溶接線が確認できる位置に設けられ、溶接士の挙動を撮像することによってトーチ角度を計測することを特徴とする請求項１に記載の溶接作業情報計測装置。
【請求項８】
前記視覚センサは、減光フィルタを通してアークを撮像することによって溶接速度を計測することを特徴とする請求項７に記載の溶接作業情報計測装置。
【請求項９】
電流・電圧計測器およびワイヤ送給速度計測器を備え、前記視覚センサでそれぞれの視野を撮像すると同時に、溶接電流、電圧及びワイヤ送給速度を計測するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の溶接作業情報計測装置。
【請求項１０】
前記視覚センサの固定位置を変えることで、下向き、立向き、上向きにおける溶接姿勢に対応できるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の溶接作業情報計測装置。
【請求項１１】
レーザセンサを備え、前記レーザセンサによって溶接前の開先形状と各層毎のビード形状に関する情報を取得するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の溶接作業情報計測装置。
【請求項１２】
減光フィルタと帯域通過フィルタを有する複数の視覚センサを用い、前記視覚センサによってそれぞれの視野を撮像することによって溶接ワイヤの突出し長さ、溶融プール形状及び溶接士の挙動に関する複数の情報を同時に取得するようにしたことを特徴とする溶接作業情報計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半自動のガスシールドメタルアーク溶接作業等において、溶接施工に関する複数の情報を同時に取得する溶接作業情報計測方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、溶接施工の分野では、溶接施工に関する情報を取得することで、溶接士の支援、訓練を行うための装置が知られている。例えば下記特許文献１には、アーク長さが光学情報とよく相関することから、アーク光からの光学情報をアーク情報取得手段で取得し、これを基準アーク長さと比較し、現実のアーク長さが基準アーク長さから外れているか否かをレシーバなどの音声発生手段で発生することで、溶接士に音声として伝達する手溶接の支援、訓練装置が開示されている。ＴＩＧ溶接にあってはアーク長さとアークの照度に、ＭＩＧ溶接にあってはトーチ高さとアークの照度に良好な相関関係があることから、前記手溶接の支援、訓練装置では、溶接母材の板厚、材質、溶接の種類、トーチ径などの溶接条件による基準アーク長さ及び基準トーチ長さを一義的に定めている。これにより、未熟練者溶接士の訓練を実施し、未熟練者溶接士でも熟練者並みの溶接品質を得ることを可能としている。
【特許文献１】特開２００４−９００４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述した手溶接の支援、訓練装置は、溶接施工に関する情報として、アーク長さもしくはトーチ高さのみの情報で溶接施工状況を判断するものであるが、半自動溶接においては、トーチ高さが一定であっても、トーチ狙い位置、ウィービング周期および振幅、溶接速度、溶融プール形状といった溶接施工に関する特徴量が変化することによって、溶接品質や技量レベルに差があっても計測結果に差がでないという問題がある。すなわち、半自動溶接において溶接品質や技量レベルを判定するには、トーチ高さだけでは不十分であり、トーチ狙い位置、ウィービング周期および振幅、溶接速度、溶融プール形状等の複数の特徴量を同時に計測することが必要である。
【０００４】
そこで本発明は、半自動溶接中に溶接士の挙動、溶融プール形状ならびにワイヤ突出し長さ等に関する複数の情報を同時に取得し、溶接施工の良否の判定をすみやかに行うことのできる溶接作業情報計測方法および装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明の溶接作業情報計測装置は、減光フィルタと帯域通過フィルタを有する複数の視覚センサを備え、前記視覚センサによってそれぞれの視野を撮像することによって溶接ワイヤの突出し長さ、溶融プール形状及び溶接士の挙動に関する複数の情報を同時に取得するようにした構成とする。
【０００６】
また本発明の溶接作業情報計測方法は、減光フィルタと帯域通過フィルタを有する複数の視覚センサを用い、前記視覚センサによってそれぞれの視野を撮像することによって溶接ワイヤの突出し長さ、溶融プール形状及び溶接士の挙動に関する複数の情報を同時に取得するようにした方法とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、半自動溶接中に溶接士の挙動、溶融プール形状ならびにワイヤ突出し長さ等に関する複数の情報を同時に取得し、溶接施工の良否の判定をすみやかに行うことのできる溶接作業情報計測方法および装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明に係る溶接作業情報計測方法および装置の３つの実施の形態を図面を参照して説明する。  
（第１の実施の形態）
図1は平板下向き姿勢でのギャップ溶接を行う場合における本発明の実施の形態を示す図である。本実施の形態では、溶接機器としてワイヤ送給装置１、溶接トーチ２及び溶接電源３を備え、計測装置としてワイヤ送給速度計測器４、電流・電圧計測器５、ビード形状計測器６および減光フィルタと帯域通過フィルタを有する視覚センサ７，８，９，１０を備えている。これらの機器は全て画像解析装置１１に接続されている。視覚センサ７，８，９，１０が有するフィルタは、透過率、透過波長の組合せを変えることにより、異なる特徴量の抽出を行うための最適な映像を獲得することができる。視覚センサ７，８，９，１０はＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラ等を使用する。
【０００９】
溶接電源３がデジタル式の場合、ワイヤ送給速度と溶接電流・電圧は溶接電源３から出力される。一方、溶接電源３がアナログ式の場合、ワイヤ送給速度計測器４は、ワイヤ送給装置１の送給モータの出力軸とロータリーエンコーダの回転軸をカップリングにて接続し、送給モータの出力軸の回転数をエンコーダにて電気信号へ変換することでワイヤ送給速度を計測する。溶接電流・電圧は、クランプメータやテスタ等を用いて計測する。ビード形状計測器６は、レーザセンサ１２により溶接前の開先部及び溶接後のビード表面に溶接線の鉛直上方からレーザを照射し、視覚センサで照射部を撮像することで、開先部及びビード表面の形状を計測する。
【００１０】
図２（ａ）は、視覚センサ７を用いて撮像できる画像の模式図である。視覚センサ７は、溶接線の延長線上の溶接進行方向側に固定されており、溶接トーチ２のノズル先端１３、アーク長１４及び開先１５の形状を一つの視野で撮像することによって、ワイヤ突出し長さ１６を計測することができる。
【００１１】
図２（ｂ）は、視覚センサ８を用いて撮像できる画像の模式図である。視覚センサ８は、溶接トーチ２に取り付けられており、溶融プール４３及び溶融プール近傍を一つの視野で撮像することによって、溶融プール幅１７及び溶融プール先行距離１８を計測することができる。また視覚センサ８は図３（ａ）に示すように視覚センサ８の前面にミラー２３を配置することによって、ＴＩＧ溶接に比べ、スパッタ、ヒュームが多く、アークの熱的影響の大きい半自動溶接においても、溶融プール４３の形状を鮮明に撮像することができる。
【００１２】
また、視覚センサ８は、図３（ｂ）に示すように視覚センサ８の光軸８ａを溶接トーチ２の電極２４と同軸上になるように配置することによって、溶接士が視覚センサ８を意識せず、違和感なく溶接作業を行うことができる。
【００１３】
図２（ｃ）は、視覚センサ９を用いて撮像できる画像の模式図である。視覚センサ９は、溶接進行方向前方に固定されており、溶融プール４３及び開先１５の形状を一つの視野で撮像することによって、ウィービング周期および振幅1９、及びトーチ狙い位置２０を計測することができる。
【００１４】
図２（ｄ）は、視覚センサ１０を用いて撮像できる画像の模式図である。視覚センサ９は、溶接士４０の正面に固定されており、溶接対象４１を含む溶接士全体の様子を撮像することによって、トーチ角度２１などの溶接士４０の挙動を計測することができる。また、視覚センサ１０に減光フィルタを装備してアーク２２の挙動を撮像し、単位時間当たりのアーク２２の移動距離を計測することによって溶接速度を計測することができる。
【００１５】
以上のようにして取得した溶接施工中の電流・電圧、ワイヤ送給速度及び個々の視覚センサでの特徴量や情報は画像解析装置１１にて処理される。図４に示すように、画像解析装置１１は計測結果表示部２５と計測結果記録部２６と溶接状態判定部２７を備えており、計測結果表示部２５と計測結果記録部２６にて計測結果を時系列データとして表示・記録することができ、過去に記録した特徴量や情報とともにレーダチャートに表示することによって、現在の特徴量や情報との比較が可能となる。この機能により、熟練者の挙動と非熟練者の挙動を比較することで、溶接技量の明示化が可能となる。
【００１６】
図５（ａ）は、ＪＩＳ  Ｚ３８４１に規定されている中板試験片下向きＭＡＧ溶接（裏当て有り）を行った際の初層溶接時におけるトーチ狙い位置の計測結果である。図５（ａ）には、溶接後のＲＴ（放射線探傷検査）及び断面調査の結果、融合不良が見られたものと欠陥が見られなかったものを比較している。図５（ａ）から、健全溶接となるトーチ狙い位置は開先の中央付近を保ち続けているのに対し、融合不良が発生した溶接は開先中央から離れた位置を狙っていることが分かる。また、３層目（余盛り）溶接において、前層ビード際に融合不良が発生した試験片の前層（２層目）ビード外観を、レーザセンサ１２で鉛直上方から照射し、試験片斜め上方から視覚センサで撮影したところ、融合不良発生領域ではレーザセンサからのスリット光により前層ビードが凸になっている傾向にあることが分かった。
【００１７】
図５（ｂ）は、３層目（余盛り）溶接時における溶融プール先行距離（図２（ｂ）の符合１８）の計測結果である。図５（ｂ）から、融合不良が発生する溶接時にはウィービングの端部停止時に溶融プールの先行距離が健全時に比べて長い傾向にあることが分かる。
【００１８】
画像解析装置１１の溶接状態判定部２７は、上記のように複数の視覚センサ７，８，９，１０により取得した特徴量と、ビード形状計測器６により取得した開先形状及び各層毎のビード形状をリンクさせることによって、平板下向き姿勢でのギャップ溶接の施工結果の良否の判定、また、多層盛溶接においては、予め設定された品質判断基準に基づき次の層の溶接が連続して施工可能か否かの判定を行う。
【００１９】
以上に説明したように、本実施の形態の溶接作業情報計測装置によれば、視覚センサ７，８，９，１０を用いて取得した溶接施工中の鮮明な動画映像から、溶接士４０の挙動、溶融プール４３の形状ならびにワイヤ突出し長さ１６に関する特徴量とこれらにリンクした電流・電圧、ワイヤ送給速度を同時に計測し、デジタル映像として取得することができる。また、これらの計測結果と開先形状及び各層毎のビード形状をリンクさせることで、すみやかに溶接状態の良否の判定を行うことが可能となる。
【００２０】
（第２の実施の形態）
図６は平板立向き姿勢（上進）でのギャップ溶接を行う場合における本発明の実施の形態を示す図である。本実施の形態では、溶接機器としてワイヤ送給装置１、溶接トーチ２及び溶接電源３を備え、計測装置としてワイヤ送給速度計測器４、電流・電圧計測器５、ビード形状計測器６および視覚センサ２８，２９，３０，３１を備えている。これらの機器は全て画像解析装置１１に接続されている。画像解析装置１１の構成は図４に示した第１の実施の形態におけると同じである。
【００２１】
視覚センサ２８は、溶接線の延長線上の溶接進行方向側に固定されており、図２（ａ）に示したように、溶接トーチ２のノズル先端１３、アーク長１４及び開先１５の形状を一つの視野で撮像することによって、ワイヤ突出し長さ１６を計測することができる。視覚センサ２９は、溶接トーチ２に取り付けられており、図２（ｂ）に示したように溶融プール４３及び溶融プール４３近傍を一つの視野で撮像することによって、溶融プール幅１７及び溶融プール先行距離１８を計測することができる。視覚センサ３０は、溶接進行方向前方に固定されており、図２（ｃ）に示したように溶融プール及び開先形状を一つの視野で撮像することによって、ウィービング周期・振幅1９及びトーチ狙い位置２０を計測することができる。視覚センサ３１は、溶接士４０の右後方に固定されており、図２（ｄ）に示したように溶接対象４１を含む溶接士４０全体の様子を撮像することで、溶接トーチ角度２１などの溶接士４０の挙動を計測することができる。また、視覚センサ３１は、減光フィルタを取り付けてアーク２２の挙動を撮像し、単位時間当たりのアーク２２の移動距離を計測することによって溶接速度を計測することができる。
【００２２】
本実施の形態によれば、複数の視覚センサ２８，２９，３０，３１により採取した特徴量と、ビード形状計測器６により採取した開先形状及び各層毎のビード形状をリンクさせることによって、平板立向き姿勢（上進）でのギャップ溶接の施工結果の良否の判定、また、多層盛溶接においては、予め設定された品質判断基準に基づき次の層の溶接が連続して施工可能か否かの判定をすみやかに行うことができる。
【００２３】
（第３の実施の形態）
図７は水平すみ肉溶接を行う場合における本発明の実施の形態を示す図である。本実施の形態では、溶接機器としてワイヤ送給装置１、溶接トーチ２及び溶接電源３を備え、計測装置としてワイヤ送給速度計測器４、電流・電圧計測器５、ビード形状計測器６および視覚センサ３２，３３，３４，３５を備えている。これらの機器は全て画像解析装置１１に接続されている。画像解析装置１１の構成は図４に示した第１の実施の形態におけると同じである。
【００２４】
視覚センサ３２は、溶接トーチ２に取り付けられており、図２（ｂ）に示したように溶融プール４３及び溶融プール４３近傍を一つの視野で撮像することによって、溶融プール幅１７、溶融プール先行距離１８及びウィービング周期・振幅を計測することができる。視覚センサ３３は、溶接線の延長線上の溶接進行方向側に固定されており、図２（ａ）に示したのとほぼ同様にして溶接トーチ２のノズル先端１３、アーク長１４及び溶融プール４３を一つの視野で撮像することによって、ワイヤ突出し長さ１６とトーチ狙い位置を計測することができる。視覚センサ３４は溶接対象４１の上方に固定されており、アーク２２の挙動を撮像し、単位時間当たりのアーク２２の移動距離を計測することによって溶接速度を計測することができる。視覚センサ３５は、溶接士４０の右後方に固定されており、溶接対象４１を含む溶接士４０の作業姿勢全体の様子を確認することができる。
【００２５】
本実施の形態によれば、複数の視覚センサ３２，３３，３４，３５により採取した特徴量とビード形状計測器６により採取した開先形状及び各層毎のビード形状をリンクさせることによって、水平すみ肉溶接の施工結果の良否の判定、また、多層盛溶接においては、予め設定された品質判断基準に基づき次の層の溶接が連続して施工可能か否かの判定をすみやかに行うことができる。
【００２６】
なお、上記第１ないし第３の実施の形態で用いられる視覚センサ７〜１０、２８〜３５は、減光フィルタと帯域通過フィルタの数量及び種類を変更することで、電流、電圧等の異なる溶接条件やステンレスやアルミニウム等の溶融状態の異なる溶接対象へ適用することができる。また、配置される位置は上記第１ないし第３の実施の形態で説明した位置に限定されるものではなく、種々の位置に設置することで様々な形状の溶接対象と溶接姿勢に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１の実施の形態の溶接作業情報計測装置の構成を示すブロック図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の溶接作業情報計測装置の動作を説明する図。
【図３】本発明の第１の実施の形態の溶接作業情報計測装置に備えられる視覚センサの溶接トーチへの取付状態を示す図。
【図４】本発明の第１の実施の形態の溶接作業情報計測装置に備えられる画像解析装置の構成を示すブロック図。
【図５】本発明の第１の実施の形態の溶接作業情報計測装置の作用を説明するグラフ。
【図６】本発明の第２の実施の形態の溶接作業情報計測装置の構成を示すブロック図。
【図７】本発明の第３の実施の形態の溶接作業情報計測装置の構成を示すブロック図。
【符号の説明】
【００２８】
１…ワイヤ送給装置、２…溶接トーチ、３…溶接電源、４…ワイヤ送給速度計測器、５…電流・電圧計測器、６…ビード形状計測器、７，８，９，１０…視覚センサ、８ａ…光軸、１１…画像解析装置、１２…レーザセンサ、１３…ノズル先端、１４…アーク長、１５…開先、１６…ワイヤ突出し長さ、１７…溶融プール幅、１８…溶融プール先行距離、１９…ウィービング周期および振幅、２０…トーチ狙い位置、２１…トーチ角度、２２…アーク、２３…ミラー、２４…トーチの電極、２５…計測結果表示部、２６…計測結果記録部、２７…溶接状態判定部、２８，２９，３０，３１，３２，３３，３４，３５…視覚センサ、４０…溶接士、４１…溶接対象、４２…溶接ワイヤ、４３…溶融プール、４４…溶接ビード。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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