(57)【要約】  光を照射する光照射部と、照射された前記光を反射する、ワークまたはトーチに取り付けられたマーカから反射した光を計測し、ワーク及びトーチの三次元座標データを算出する三次元座標計測部と、入力されたワークの三次元図形データと三次元座標データに基づいてワークの形状を座標化し、ワークの形状の座標データを生成する演算部と、を有する構成とする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を照射する光照射部と、
照射された前記光を反射する、ワークまたはトーチに取り付けられたマーカから反射した光を計測し、前記ワーク及びトーチの三次元座標データを算出する三次元座標計測部と、
入力されたワークの三次元図形データと前記三次元座標データに基づいて前記ワークの形状を座標化し、前記ワークの形状の座標データを生成する演算部と、
を有する溶接作業計測システム。
【請求項２】
請求項１記載の溶接作業システムであって、
前記光照射部は、所定の波長域を有する光を照射し、
前記三次元座標計測部は、特定の波長の光を抽出するフィルタを備え、前記マーカから反射した光のうち前記特定の波長の光を計測することを特徴とする溶接作業計測システム。
【請求項３】
請求項１記載の溶接作業システムであって、
前記光照射部は、所定の波長を有する光を照射することを特徴とする溶接作業計測システム。
【請求項４】
ワークまたはトーチに取り付けられた発光するマーカから照射された光を計測し、前記ワーク及びトーチの三次元座標データを算出する三次元座標計測部と、
入力されたワークの三次元図形データと前記三次元座標データに基づいて前記ワークの形状を座標化し、前記ワークの形状の座標データを生成する演算部と、
を有する溶接作業計測システム。
【請求項５】
請求項１記載の溶接作業システムであって、
前記演算部は、入力された前記ワークの三次元図形データと前記三次元座標データとをマッチングし、ズレ量を算出するズレ量算出部と、算出された前記ズレ量に基づいて、前記ワークの形状の座標データを補正する補正部と、を有する溶接作業計測システム。
【請求項６】
請求項１記載の溶接作業計測システムであって、
前記三次元座標計測部は、前記ワーク、前記トーチ、溶加材、及び作業者に取り付けられたマーカから反射した光を計測し、前記ワーク、前記トーチ、前記溶加材、及び前記作業者の三次元座標データを算出する、溶接作業計測システム。
【請求項７】
請求項５記載の溶接作業計測システムであって、
前記補正部は、前記ズレ量に基づいて変形量を予測し、前記変形量に基づいて
前記演算部で演算された前記ワークの形状の前記座標データに基づいて、前記ワークの形状の座標データを補正する、溶接作業計測システム。
【請求項８】
請求項５記載の溶接作業計測システムであって、
前記補正部で補正された前記ワークの形状の座標データを表示する表示部を有する溶接作業計測システム。
【請求項９】
請求項１記載の溶接作業計測システムであって、
前記トーチは、前記光照射部から照射された前記光の前記所定の波長を吸収する物質が付与された、溶接作業計測システム。
【請求項１０】
請求項１記載の溶接作業計測システムであって、
前記光照射部から照射された光の波長は３５０ｎｍから１１μｍである溶接作業計測システム。
【請求項１１】
請求項１記載の溶接作業計測システムであって、
計測又は算出された前記ワーク及びトーチの三次元座標データを記憶する記憶部を有する溶接作業計測システム。
【請求項１２】
請求項１記載の溶接作業計測システムであって、
溶接時間又は溶接位置における作業データを計測する計測部と、
予め記憶された作業データと、前記計測部で計測された前記作業データと、に基づいて溶接部の品質を判定する品質判定部を有する溶接作業計測システム。
【請求項１３】
請求項１２記載の溶接作業計測システムであって、
前記作業データとは、トーチの平均移動速度、トーチ高さ、ウィービング条件、トーチ角度、溶加材の供給量、トーチを持つひじの角度、頭の位置、の少なくとも１つのデータであり、
予め記憶された前記作業データとは過去に熟練者が溶接した際の作業データである、
溶接作業計測システム。
【請求項１４】
模擬トーチと、
作業データを計測する作業データ計測部と、
溶接対象物と前記模擬トーチを撮像し、位置情報を取得する撮像部と、
前記撮像部で撮像した画像を表示する表示部と、
前記作業データ及び前記位置情報に基づいて前記溶接対象物及び前記トーチの三次元座標データを算出する三次元座標計測部と、
入力された溶接対象物の三次元図形データと前記三次元座標データに基づいて前記溶接対象物の形状を座標化し、前記溶接対象物の形状の座標データを生成する演算部と、を有し、
前記表示部は、生成された前記溶接対象物の形状の座標データと、予め記憶された作業データと、から生成された溶接作業の映像を表示する、溶接作業計測システム。
【請求項１５】
請求項１４記載の溶接作業計測システムであって、
前記作業データとは、トーチの平均移動速度、トーチ高さ、ウィービング条件、トーチ角度、溶加材の供給量、トーチを持つひじの角度、頭の位置、の少なくとも１つのデータであり、
予め記憶された前記作業データとは過去に熟練者が溶接した際の作業データである、
溶接作業計測システム。
【請求項１６】
請求項１４記載の溶接作業計測システムであって、
前記表示部に表示する前記溶接作業の映像とは、前記模擬トーチの動作に応じたアーク及び溶融池を再現する映像である、溶接作業計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は溶接動作を計測する溶接動作計測システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今の社会情勢に伴い、モノづくりの環境は大きく変化している。例えば海外生産の増加や海外からの調達品の増加、熟練技術者の減少などにより、モノづくりの技能を維持しにくくなっており、品質管理はより厳しい状況にさらされている。これまでの技能伝承方法としては、熟練技能者から直接的な指導によって、引き継がれてきた。しかしながら、技能を伝える手段が十分でなく、感覚的な指導になることが多いため、指導に時間が要したり、不正確に伝わったりするため、完全には伝承されず、失われてしまうことも危惧される。【０００３】
一方で近年の計測技術の発展により、熟練の技能を計測して、評価する取り組みが見られるようになってきた。従来の技能伝承における課題を解決する方法として、種々の計測機器を用いて、対象者の作業を計測し、評価する取り組みが行われている。計測されたデータは過去に計測したデータと比較することにより、良否が評価され、品質管理や溶接作業の訓練に用いる方法が提案されている。【０００４】
特許文献１には手溶接施工が行われる際にその溶接対象を含む溶接環境およびその溶接施工作業中の溶接士の挙動に関するデータを計測し、計測データから溶接施工中の溶接状態の特徴量を抽出して手溶接状態の良否を判定し、その結果を溶接士に伝えることによって溶接品質を管理する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１７１１４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１の手法では溶接士の動作を３次元座標で取得することにより、動きを管理することを述べているが、計測原理などの詳細な方法は記載されていない。【０００７】
また、溶接対象物の形状が複雑化したときには溶接対象物と溶接士との位置関係を正確に計測することができず、相対的な情報を取得することが困難である。【０００８】
以上に鑑みて、本発明は、溶接対象物と溶接士との位置関係を正確に計測でき、正確なワークの形状の３次元座標データを取得する溶接動作計測システム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】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の溶接動作計測システムは、光を照射する光照射部と、照射された前記光を反射する、ワークまたはトーチに取り付けられたマーカから反射した光を計測し、ワーク及びトーチの三次元座標データを算出する三次元座標計測部と、入力されたワークの三次元図形データと三次元座標データに基づいてワークの形状を座標化し、ワークの形状の座標データを生成する演算部と、を有する構成とする。【００１０】
光照射部は、所定の波長を有する光を照射するものと、所定の波長域を有する光を照射もののいずれを使用してもよい。また、光照射部の代わりに、ワークまたはトーチに取り付けられた自発光するマーカを使用してもよい。【００１１】
また、光照射部として所定の波長域を有する光を照射するものを用いる場合には、特定の波長の光を抽出するフィルタを設け、三次元座標計測部はマーカから反射した光のうちその特定の波長の光を計測するものを使用することが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
溶接対象物と溶接士との位置関係を正確に計測でき、正確なワークの形状の３次元座標データを取得する溶接動作計測システムを提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施例に係る溶接作業計測システムの一実施例を示す全体図である。
【図２Ａ】本発明の実施例に係るトーチ周辺の拡大図である。
【図２Ｂ】本発明の実施例に係るトーチの拡大図である。
【図３】本発明の実施例に係る溶接対象物の座標データの取得方法の一例を示す模式図である。
【図４】本発明の実施例に係る溶接対象物のマーカ座標データの一例を示す図である。
【図５】溶接時間や溶接位置における溶接作業データの計測結果を示す図である。
【図６】本発明の実施例に係る溶接作業計測システムの他の実施例（品質管理システム）を示す図である。
【図７Ａ】トーチの平均移動速度に対する品質の関係を示す図である。
【図７Ｂ】トーチの角速度に対する品質の関係を示す図である。
【図８Ａ】溶接時間におけるトーチの平均移動速度の計測結果を示す図である。
【図８Ｂ】溶接時間におけるトーチの角速度の計測結果を示す図である。
【図９】本発明の実施例に係る溶接作業計測システムの他の実施例（教育システム）を示す図である。
【図１０Ａ】溶接時間におけるトーチの平均移動速度の訓練結果を示す図である。
【図１０Ｂ】溶接時間におけるトーチの角速度の訓練結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、各実施例を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１は実施例１における溶接作業計測システムの全体図を示す。【００１６】
１は制御部（制御装置）、２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅはマーカ計測用カメラ、３はマーカ、４は溶接士、５は遮光面、６はトーチ、７は溶接対象物、８は半自動溶接電源、９は電流・電圧計測装置、１０は温度・湿度・風力計測装置、１１は吸収フィルムを示す。制御部（制御装置）１は、例えば、演算処理装置（例えば、ＣＰＵ）、当該演算処理装置が実行するプログラムやデータが記憶される記憶装置（例えば、ＲＯＭ，ＲＡＭ等の半導体メモリやＨＤＤ等の磁気記憶装置であり、後述の「記憶部」が該当）、演算処理装置の演算結果を表示する表示装置（例えば、モニタ、タッチパネル）を有するコンピュータである。【００１７】
溶接対象物７を半自動溶接にて作業者である溶接士４が溶接する作業を計測する。光照射部であるマーカ計測用カメラ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅは溶接士４および溶接対象物７の周囲に配置されている。マーカ計測用カメラ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅはアーク溶接時の光の波長を避けるように、３５０ｎｍ〜１１μｍの光の波長を設定し、照射することが出来る。本実施例では８５０ｎｍの光を照射するものとする。マーカ３は溶接対象物７（ワーク１８）、トーチ６、溶接士４、遮光面５、溶加材１９などに貼り付けられており、光を反射するものや自発光するものでも良い。本実施例では光を反射する塗料が塗布されたマーカを用いる。なお、本発明では、少なくとも、トーチ６と溶接対象物７にマーカが設けられれば良く、さらに溶接士４、遮光面５、溶加材１９などにも設けることで、より詳細な座標データを得ることが可能となる。マーカ計測用カメラ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ、電流・電圧計測装置９、温度・湿度・風力計測装置１０は制御部１に接続されており、各計測装置は制御部１によって動作を制御され、計測されたトーチの平均移動速度、トーチ高さ、ウィービング条件、トーチ角度、溶加材の供給量、トーチを持つひじの角度、頭の位置などの作業データや電流値、電圧値、温度、湿度、風力などの環境データは制御部１に送られ、制御部１内の記憶部に蓄積データとして記憶される。また制御部１は計測したデータを表示する機能を有する。【００１８】
図２Ａはトーチ６周辺の拡大図、図２Ｂはトーチ６の拡大図を示している。トーチ６には所定の波長である８５０ｎｍの光を吸収する物質、ここでは吸収フィルム１１が全面に取り付けられている。吸収フィルム１１上にマーカ３が複数個、取り付けられており、マーカ計測用カメラ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅからの光がマーカ３にて反射され、マーカ３の正確な位置を計測することができる。アーク溶接時の発光には８５０ｎｍの光も含まれており、その光がマーカ３以外の場所から反射して計測されてしまう。そのために、吸収フィルム１１をトーチに取り付けることにより、マーカ３以外の場所からの光の反射を抑制し、ノイズを抑制することができ、高精度な計測結果が得られる。溶接士４が溶接を開始するとともに、制御部１から計測開始信号が各計測装置（光照射装置であるマーカ計測用カメラ、電流・電圧計測装置９、温度・湿度・風力計測装置１０）に送られ、計測が開始される。計測された蓄積データは上述した通り、逐次、制御部１に送られ、記憶部に記録される。【００１９】
なお、この記憶部には、後述する、入力された三次元ＣＡＤデータである三次元図形データや、算出された三次元座標データも蓄積される。また記憶部は制御部１内に設けられると記載したが、制御部１外に設けても良い。【００２０】
図３に三次元図面データと溶接対象物７に貼り付けたマーカ３の座標データから溶接対象物７の座標データを取得方法の模式図を示す。【００２１】
制御部１は、光照射装置であるマーカ計測用カメラ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅで照射された光を反射する、溶接対象物７（ワーク１８）及びトーチ６に取り付けられたマーカ３から反射した光を計測し、ワーク１８及びトーチ６の三次元座標データを算出する三次元座標計測部２１と、その三次元図形データと三次元座標データに基づいてワーク１８の形状を座標化し、ワーク１８の形状の座標データを生成する演算部２２とを備える。演算部２２は、入力されたワーク１８の三次元図形データと三次元座標データとをマッチングし、ズレ量を算出するズレ量算出部２３と、算出されたズレ量に基づいて、ワーク１８の形状の座標データを補正する補正部２４とを備える構成とする。上記の三次元座標計測部２１、ズレ量算出部２３及び補正部２４は、コンピュータである制御部１の演算処理装置によって実行されるプログラムの機能を示している。詳細は以下説明する。【００２２】
溶接対象物７の三次元図面データ１２は、予め記憶された、又は入力された三次元ＣＡＤデータであり、溶接対象物７のマーカ座標データ１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆ，１３ｇである三次元座標データはマーカ計測用カメラ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅにて計測された図４に示されたそれぞれのマーカ３の位置座標データであり、所定の位置を基準としたＸＹＺの座標データを持っている。制御部１は溶接対象物３の三次元図面データ１２が予め記憶された記憶部であるデータベースを有しており、三次元図面データ１２と溶接対象物３に貼り付けたマーカ３の位置が示されたマーカ座標データ１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆ，１３ｇを制御部１のズレ量算出部２３でマッチングさせることにより、各マーカ座標データ１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆ，１３ｇから溶接対象物３の形状を座標化することができる。また製造時の変形などにより、溶接対象物７と三次元図面データ１２は完全に一致しない、つまり溶接対象物７の三次元座標データと入力された三次元図面データが一致しない場合がある。この場合はマッチングしたデータ、つまり三次元図面データ１２とマーカ座標データ１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆ，１３ｇとのズレ量（差分）のデータを用いて、補正部２４にて、変形量を予測して、予め定めた理想のトーチ動作によるトーチ位置をオフセット補正し、溶接作業者へ提示することができる。【００２３】
溶接対象物７の座標データとトーチ６、溶接士４のマーカ３の座標データから図５に示すような溶接時間や溶接位置における溶接作業データの計測結果（位置関係）を算出することができる。溶接対象物７の座標データを算出することで、溶接時間や溶接位置に対するトーチの高さや右ひじの角度を算出することが可能である。制御部１は各マーカから取得できる座標データから位置や速度、角度、軌跡、加速度、角速度などを算出することがでる。つまり熟練者の溶接動作や初心者の溶接動作をデータとして取得することができ、溶接動作を定量的に評価することができる。【００２４】
具合的には、トーチ６、ワーク、溶加材、作業者に貼り付けたマーカ３を計測した座標データから溶加材送給量、トーチ６の溶接進行方向の動き、ワークの変形量、右ひじの角度を算出した。算出された溶加材送給量、トーチ６の溶接進行方向の動きから溶加材とトーチは静止と移動を繰り返す周期的な動作パターンとなっていることが確認された。【００２５】
また右ひじの角度もトーチ動作に連動して、角度が大きくなっていることが確認された。またワークに貼り付けたマーカ３の座標からワークの変形量を算出した結果、溶接時間とともに増加していることが確認された。変形量を定量的にその場で評価することにより、次の溶接パスの計測時のトーチ座標に変形量分をオフセットすることができ、ワークに対するトーチ６の相対位置を高精度に計測できる。このようにトーチ６、ワーク、溶加材、作業者にマーカ３を貼り付けて、相対位置関係を計測することにより、連動する動作に対しても高精度に評価することが可能である。【００２６】
以上から本実施例の溶接作業計測システムでは、溶接対象物であるワークと溶接士が持つマーカが付与されたトーチとの位置関係、つまり溶接対象物と溶接士との位置関係を正確に計測でき、正確なワークの形状の３次元座標データを取得する溶接動作計測システムを提供することが出来るものである。【００２７】
本実施例では半自動溶接について説明したが、ＴＩＧ溶接などでも同様に計測することが可能であり、溶加材を使用する場合でも溶加材にマーカを取り付けることで同様に計測できる。【００２８】
また、本実施例では、光照射部より所定の波長（８５０ｎｍ）を有する光を照射することでマーカを認識したが、広範囲の波長域（所定の波長域）を有する光源を光照射部として使用してもよい。その場合、三次元座標計測部は、反射光のうち特定の波長の光を抽出するフィルタを備え、ワークまたはトーチに取り付けられたマーカから反射した光のうち特定の波長の光を計測することが好ましい。【００２９】
また、光を反射するマーカではなく、自発光するマーカを用いる場合は、所定の波長の光を発光するマーカと、広範囲の波長域（所定の波長域）を有する光を発光するマーカのいずれを選択することもできる。後者の波長域が広いマーカを選択した場合には、反射式のマーカと同様に特定波長の光を抽出するフィルタを用いることが好ましい。さらに、マーカについて、特定波長の光を反射するフィルタ機能を備えるものとすることも可能である。
【実施例２】
【００３０】
図６は実施例１の溶接作業計測システムを品質管理システムに活用した場合の全体図を示す。【００３１】
トーチ６上に加速度角速度計測装置である慣性センサ１４を設けて、３軸加速度および３軸角速度を計測することが可能である。溶接方法や溶接対象物７は実施例１と同様である。【００３２】
過去に取得された溶接作業動作データ、溶接状態データ、溶接環境データ、溶接部の品質データのような作業データを予め記憶しておき、新たに計測部で計測された、溶接作業動作データ、溶接状態データ、溶接環境データのような作業データと比較することにより、品質判定部にて溶接部の品質を判定する。この品質判定部では、溶接士の作業レベルを評価することも出来る。【００３３】
なお、溶接作業動作データは、上述した慣性センサ１４などの加速度・角速度・地磁気計測装置以外に、全地球測位システム、屋内全地球測位システム、ステレオカメラなどで計測しても良い。【００３４】
具体的には、溶接対象物７を溶接する際に、実施例１の構成で、記憶部に蓄積された、計測されたマーカ座標データや、図５に示すようなトーチ高さと溶接時間や溶接位置のデータや、トーチを持つひじの角度（図５では右ひじの角度）と溶接時間や溶接位置のデータのような蓄積データを用いて、計測したトーチ高さと溶接時間や溶接位置のデータや、右ひじの角度と溶接時間や溶接位置のデータと比較し、その結果を用いて品質管理を行うものである。以下説明する。【００３５】
実施例１の蓄積データから品質との相関分析の結果、トーチの平均移動速度およびトーチ角速度が品質との相関が強い特徴量として抽出された。図７Ａにトーチの平均移動速度に対する品質の関係を示し、図７Ｂにトーチの角速度に対する品質の関係を示す。トーチの平均移動速度（溶接速度）は２０−３０ｃｍ／ｍｉｎ程度であると良好であり、トーチ角速度は５００ｄｅｇｒｅｅ／ｓ以上を１秒以上続けるとビード外観不良になる。溶接時の計測の結果を図８Ａ及び図８Ｂに示す。制御部１でデータ解析を実施した結果、平均移動速度は図８Ａに示すように良好の範囲であり、２６．７ｃｍ／ｍｉｎであった。一方、トーチの角速度は図８Ｂに示すように５００ｄｅｇｒｅｅ／ｓを１．７ｓ以上連続して超える領域が存在していた。目視で外観を観察した結果、当該部分のビード外観が乱れており、外観不良として判断された。溶接直後に欠陥の種類と発生位置を推定することが可能である。このように実施例１の構成で品質との相関が強い特徴量を抽出し、慣性センサのようなより簡易的なセンサを用いて、品質を管理できることが確認された。本実施例では特徴量として、トーチの平均移動速度と角速度を選定したが、これに限らず、例えば、トーチ高さ、ウィービング条件、トーチ角度、溶加材の供給量、トーチを持つひじの角度、頭の位置などでも良い。またトーチ動作を計測するセンサとして慣性センサを用いたが、これに限らない。
【実施例３】
【００３６】
図９は実施例１の溶接作業計測システムを教育システムに活用した場合の全体図を示す。１５は溶接対象物模擬部品、１６は表示部（表示装置）であるヘッドマウントディスプレイ、１７は模擬トーチを示す。【００３７】
溶接対象物模擬部品１５は実施例１，２と同様である。上述してきた溶接作業計測システムを用いることで、実施例１で品質との相関が強いと分析された特徴量に関して、実際に溶接をせずに訓練することができ、教育システムとして用いることができる。【００３８】
特徴量としては、実施例２と同様にトーチの平均移動速度と角速度を選定した。従って、これらの特徴量を計測・算出できる作業データ計測部である慣性センサ１４を実施例２（図６）同様、トーチに取り付けた。溶接対象物である溶接対象物模擬部品１５と模擬トーチ１７にはカメラ認識用の模様が施され、カメラなどの撮像部（撮影装置）にて、その模様を撮像した撮像画像を取得し、更に、溶接対象物模擬部品１５と模擬トーチ１７の位置情報を取得する。このカメラなどの撮像部は、ヘッドマウントディスプレイ１６に設置されたカメラを用いても良い。ヘッドマウントディスプレイ１６のカメラで模様を認識することで、ヘッドマウントディスプレイの画面上に溶接対象物模擬部品１５と模擬トーチ１７を含む溶接作業の映像を表示することが出来る。【００３９】
また撮像部は、ステレオ式のカメラでも良い。ステレオ式カメラを用いることで溶接対象物模擬部品１５と模擬トーチ１７の位置関係を計測、つまり三次元の距離情報、位置情報を取得することができる。なお、これまでトーチ上に設けたマーカをカメラで計測して、マーカの正確な位置情報を取得していたが、実際に溶接しない場合、ステレオ式のカメラを用いれば、マーカを用いなくても、取得した三次元距離データから溶接対象物模擬部品１５と模擬トーチ１７の位置関係を計測することが可能である。【００４０】
撮像部で取得した位置情報と上述した様々な作業データに基づいて、三次元座標計測部２１にて溶接対象物である溶接対象物模擬部品１５と模擬トーチ１７の三次元座標データを算出し、実施例１でも記載の通り、演算部２２で、入力された溶接対象物模擬部品１５の三次元図形データと三次元座標データに基づいて溶接対象物模擬部品１５の形状を座標化し、溶接対象物模擬部品１５の形状の座標データを生成する。【００４１】
模擬トーチ１７には溶接開始のスイッチがあり、スイッチが押されている状態であれば、通電状態と認識される。通電状態であり、トーチ先端が溶接対象物模擬部品１５と所定の距離以内にいる場合には、アークが表示部であるヘッドマウントディスプレイ上に表示され、それに伴い、溶融池が表示される。溶接士４が模擬トーチ１７を動かすとアークや溶融池もそれに伴い移動する。過去に蓄積されたデータを制御部１で参照し、トーチの動作に応じたアークや溶融池、溶接音、溶接電流・電圧を再現することができる。つまり、表示部であるヘッドマウントディスプレイ上に、生成された溶接対象物模擬部品１５の形状の座標データと、予め記憶された作業データと、に基づいて、トーチの動作に応じたアークや溶融池、溶接音、溶接電流・電圧を再現した溶接作業の映像を表示することが出来る。【００４２】
図１０Ａに溶接時間におけるトーチの平均移動速度の訓練結果を示し、図１０Ｂに溶接時間におけるトーチの角速度の訓練結果を示す。【００４３】
図１０Ａ及び図１０Ｂを見ても分かる通り、トーチの平均移動速度とトーチの角速度は、予め記憶した理想な所定の範囲（熟練者の動作範囲）を満足しており、良好な溶接が得られるトーチ動作であった。このように溶接士は訓練すべきトーチ動作について、安全かつ溶接対象物を消費することなく、溶接の訓練が可能となる。【００４４】
本システムでは計測されたマーカ座標データや、トーチ高さと溶接時間や溶接位置のデータや、右ひじの角度と溶接時間や溶接位置のデータのような正確な作業データを蓄積することが可能であることから、訓練履歴の参照や作業の技能レベルの管理することができる。【００４５】
本実施例では、バーチャルシステムを用いて教育システムを構築したが、実際の溶接対象物とトーチを使って、実際に溶接しながら訓練することも可能である。【００４６】
以上のように、本発明では、溶接作業動作を正確に数値化することができ、その数値データを教育システムや品質管理に活用することで、技能伝承を効率的に実施でき、モノづくり品質を向上させ、不良率の低減に寄与すること可能な溶接動作計測システムを提供することが可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１  制御部
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ  マーカ計測用カメラ
３  マーカ
４  溶接士
５  遮光面
６  トーチ
７  溶接対象物
８  溶接電源
９  溶接電流・電圧計測装置
１０  温度・湿度・風力計測装置
１１  吸収フィルム
【図１】
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【図２Ａ】
2019163977.tif 000004
【図２Ｂ】
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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７Ａ】
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【図７Ｂ】
2019163977.tif 000011
【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年7月7日(2020.7.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を照射する光照射部と、
照射された前記光を反射する、ワーク及びトーチに取り付けられたマーカから反射した光を計測し、前記ワーク及びトーチの三次元座標データを算出する三次元座標計測部と、
入力されたワークの三次元図形データと前記三次元座標データに基づいて前記ワークの形状を座標化し、前記ワークの形状の座標データを生成する演算部と、
を有する溶接作業計測システム。
【請求項２】
請求項１記載の溶接作業計測システムであって、
前記光照射部は、所定の波長域を有する光を照射し、
前記三次元座標計測部は、特定の波長の光を抽出するフィルタを備え、前記マーカから反射した光のうち前記特定の波長の光を計測することを特徴とする溶接作業計測システム。
【請求項３】
請求項１記載の溶接作業計測システムであって、
前記光照射部は、所定の波長を有する光を照射することを特徴とする溶接作業計測システム。
【請求項４】
ワーク及びトーチに取り付けられた発光するマーカから照射された光を計測し、前記ワーク及びトーチの三次元座標データを算出する三次元座標計測部と、
入力されたワークの三次元図形データと前記三次元座標データに基づいて前記ワークの形状を座標化し、前記ワークの形状の座標データを生成する演算部と、
を有する溶接作業計測システム。
【請求項５】
請求項１記載の溶接作業計測システムであって、
前記演算部は、入力された前記ワークの三次元図形データと前記三次元座標データとをマッチングし、ズレ量を算出するズレ量算出部と、算出された前記ズレ量に基づいて、前記ワークの形状の座標データを補正する補正部と、を有する溶接作業計測システム。
【請求項６】
請求項１記載の溶接作業計測システムであって、
前記三次元座標計測部は、前記ワーク、前記トーチ、溶加材、及び作業者に取り付けられたマーカから反射した光を計測し、前記ワーク、前記トーチ、前記溶加材、及び前記作業者の三次元座標データを算出する、溶接作業計測システム。
【請求項７】
請求項５記載の溶接作業計測システムであって、
前記補正部は、前記ズレ量に基づいて変形量を予測し、前記変形量に基づいて、予め定めた理想のトーチ動作によるトーチ位置をオフセット補正する、溶接作業計測システム。
【請求項８】
請求項５記載の溶接作業計測システムであって、
前記補正部で補正された前記ワークの形状の座標データを表示する表示部を有する溶接作業計測システム。
【請求項９】
請求項３記載の溶接作業計測システムであって、
前記トーチは、前記光照射部から照射された前記光の前記所定の波長を吸収する物質が付与された、溶接作業計測システム。
【請求項１０】
請求項１記載の溶接作業計測システムであって、
前記光照射部から照射された光の波長は３５０ｎｍから１１μｍである溶接作業計測システム。
【請求項１１】
請求項１記載の溶接作業計測システムであって、
算出された前記ワーク及びトーチの三次元座標データを記憶する記憶部を有する溶接作業計測システム。
【請求項１２】
請求項１記載の溶接作業計測システムであって、
溶接時間又は溶接位置における作業データを計測する計測部と、
予め記憶された作業データと、前記計測部で計測された前記作業データと、に基づいて溶接部の品質を判定する品質判定部を有する溶接作業計測システム。
【請求項１３】
請求項１２記載の溶接作業計測システムであって、
前記作業データとは、トーチの平均移動速度、トーチ高さ、ウィービング条件、トーチ角度、溶加材の供給量、トーチを持つひじの角度、頭の位置、の少なくとも１つのデータであり、
予め記憶された前記作業データとは過去に熟練者が溶接した際の作業データである、
溶接作業計測システム。
【請求項１４】
模擬トーチと、
作業データを計測する作業データ計測部と、
溶接対象物と前記模擬トーチを撮像し、位置情報を取得する撮像部と、
前記撮像部で撮像した画像を表示する表示部と、
前記作業データ及び前記位置情報に基づいて前記溶接対象物及び前記模擬トーチの三次元座標データを算出する三次元座標計測部と、
入力された溶接対象物の三次元図形データと前記三次元座標データに基づいて前記溶接対象物の形状を座標化し、前記溶接対象物の形状の座標データを生成する演算部と、を有し、
前記表示部は、生成された前記溶接対象物の形状の座標データと、予め記憶された作業データと、から生成された溶接作業の映像を表示する、溶接作業計測システム。
【請求項１５】
請求項１４記載の溶接作業計測システムであって、
前記作業データとは、トーチの平均移動速度、トーチ高さ、ウィービング条件、トーチ角度、溶加材の供給量、トーチを持つひじの角度、頭の位置、の少なくとも１つのデータであり、
予め記憶された前記作業データとは過去に熟練者が溶接した際の作業データである、
溶接作業計測システム。
【請求項１６】
請求項１４記載の溶接作業計測システムであって、
前記表示部に表示する前記溶接作業の映像とは、前記模擬トーチの動作に応じたアーク及び溶融池を再現する映像である、溶接作業計測システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の溶接動作計測システムは、光を照射する光照射部と、照射された前記光を反射する、ワーク及びトーチに取り付けられたマーカから反射した光を計測し、ワーク及びトーチの三次元座標データを算出する三次元座標計測部と、入力されたワークの三次元図形データと三次元座標データに基づいてワークの形状を座標化し、ワークの形状の座標データを生成する演算部と、を有する構成とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
光照射部は、所定の波長を有する光を照射するものと、所定の波長域を有する光を照射もののいずれを使用してもよい。また、光照射部の代わりに、ワーク及びトーチに取り付けられた自発光するマーカを使用してもよい。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
溶接対象物７の三次元図面データ１２は、予め記憶された、又は入力された三次元ＣＡＤデータであり、溶接対象物７のマーカ座標データ１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆ，１３ｇ，１３ｈである三次元座標データはマーカ計測用カメラ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅにて計測された図４に示されたそれぞれのマーカ３の位置座標データであり、所定の位置を基準としたＸＹＺの座標データを持っている。制御部１は溶接対象物７の三次元図面データ１２が予め記憶された記憶部であるデータベースを有しており、三次元図面データ１２と溶接対象物７に貼り付けたマーカ３の位置が示されたマーカ座標データ１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆ，１３ｇ，１３ｈを制御部１のズレ量算出部２３でマッチングさせることにより、各マーカ座標データ１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆ，１３ｇ，１３ｈから溶接対象物７の形状を座標化することができる。また製造時の変形などにより、溶接対象物７と三次元図面データ１２は完全に一致しない、つまり溶接対象物７の三次元座標データと入力された三次元図面データが一致しない場合がある。この場合はマッチングしたデータ、つまり三次元図面データ１２とマーカ座標データ１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆ，１３ｇ，１３ｈとのズレ量（差分）のデータを用いて、補正部２４にて、変形量を予測して、予め定めた理想のトーチ動作によるトーチ位置をオフセット補正し、溶接作業者へ提示することができる。
【国際調査報告】
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