ここまで来たセンサ技術― システム高機能化に向けたセンシング技術の現状と今後の展開 ―株式会社 東芝
京浜事業所 生産技術部
浅井 知

０．緒言
センシング／モニタリング技術の進歩は目覚しく、ＩＴ（情報技術）を原動力に製造業
全般でモノづくりの有り方、生産の形態そのものを変革しようとしている。溶接分野においても、プロセスの高効率化に向けたセンシング・モニタリング技術開発、適用事例など
様々な取組みが報告されている。溶接におけるセンシング技術は、アークセンサを初めとして主に単一プロセスの自動化もしくは省力化を目的に古くから適用が図られてきた。しかしながら、ここ数年のＩＴ技術の高度化と伴に、センシング・モニタリング技術も現在
ではその役割が大きく様変わりしてきている。即ち、これからの溶接センシング・モニタ
リング技術は、従来の溶接ロボット等個別プロセスの自動化、合理化の枠を超え、製造工程もしくは製造システム全体としての効率を飛躍的に高めることが求められている。
一方、製造システム全体の一構成要素としてセンシング・モニタリング技術を有効活用していくためには解決すべき課題も多い。例えば、ＩＴ化をすすめていくにはセンシング・
モニタリング情報のデジタル化や自動溶接システムのネットワーク化などが必須となる。
また、従来、技能者もしくは技術者の経験と勘に頼ってきたものづくりプロセスの形式値化もすすめる必要がある。さらに、歩留まり向上もしくはリードタイム短縮を図るためには、今以上にインプロセスで直接溶接品質を確認できるツールならびにシステムを開発、構築しなければならない。
本稿では、溶接システムの高機能化に向け、そのキーテクノロジーとなるセンサ技術の開発状況を中心に、センシング・モニタリング技術の活用方法と今後の展開について当社
事例を基に紹介する。

１．溶接センサの現状と課題
１． 溶接センサの現状と課題
溶接学会の溶接法研究委員会

センシング対象

計測項目

適用センサ

開先

開先寸法
表面欠陥

ＣＣＤカメラ

溶融池

溶融池形状
溶融池温度
溶け込み形状レーザセンサ

ビード形状
表面欠陥
色、質感

超音波

において「溶接プロセスの高効率化における現状と課題」に関してアンケート調査が行われ、その中でセンサの利用動向が報告されている １）。今後、充実させたいセンサとしては、アーク

ビード表面

センサと光学式センサがあげられているが、その利用目的としては、溶接条件の適応制御が最

母材

熱影響部温度

溶接金属

割れ、欠陥
冶金的性質

も高いことから、CCD カメラや

Ｘ線

レーザセンサを代表とする光学式センサへの期待が高いことがFig.1

Sensor kinds and measurement items.
items

うかがえる。

2

Fig.1 は、センシング対象に対して各計測項目と適用可能なセンサとの関係を示したものである 2）。 ここでは、単一機能である AVC、アークセンサは除いてある。レーザセンサ
は用途が形状把握に限られるものの、扱う情報量が少ないため処理が容易で高速化に対応できるため、主に溶接線倣いセンサとして実用化技術がほぼ確立している。
一方、CCD カメラは輝度、色情報より対象物の寸法、欠陥、温度など様々な品質情報を直接抽出できることが特徴である。現在では、フィルタリング、画像処理等の技術開発と実用化がすすみ、TIG、MIG/MAG 溶接ともに溶接状況（アーク、溶融池、電極など）を把握する目的としては、十分に鮮明な画像が得られるようになった。従って、センシング情報
としては、溶接線倣いの他、条件制御や品質確認まで適用が可能な段階にあるが、一般の製造現場ではモニタリングとしての利用（異常検知、オペレータ補助）に止まっているのが実情といえる。但し、近年は CCD カメラの小型化、低価格化に加え、画像処理システムも高速化かつ低価格化しており、今後、自動機での溶接条件制御やインプロセスでの品質確認等、順次適用が図られていくものと思われる。
溶接プロセスの高効率化にはインプロセスでの溶接品質確認が必須であるが、その場合、必要な品質情報を

リアルタイムに直接センシングできることが望ましい。即ち、溶接電圧・電流などの間接情報から推測するのではなく、溶融池もしくは溶込み形状を直接把握することで品質確認精度は向上し、その結果高効率化、高機能化を図ることが可能となる。しかしながら、現状、リアルタイムに品質確認できる対象範囲は、CCD カメラ等
による溶接部の外部観察情報に限られている。よって、今後インプロセスで溶接品質を確認する場合には、溶接現象の内部情報（溶込み具合、欠陥の発生等）を、如何にリアルタ
イムにかつ直接検知できるかが最大の課題といえる。
さらに今後、ＩＴを用いてセンシング情報を製造工程全体で活用していこうとした場合、従来の２次元情報から３次元情報に主体は移行し、またその情報の獲得が重要となってくる。このため、これまで主に非破壊検査分野で用いられてきた超音波や X 線は、溶融池及び溶接金属内部情報を３次元で検知できるため、インプロセス品質確認センサとして有望な線源である。特に高周波パルスレーザをワークに照射することで誘起する超音波を用いる「レーザ超音波法 ３」」や「反射式（コンプトン散乱）Ｘ線 ４」」は非接触で分解能の高い
センシングが可能であり、現状基礎的な技術開発の段階であるが、今後の展開が注目されているプロセスである。
以下に、これらの活用方法について事例をまじえて紹介する。

３．センシングと制御
３．１

溶融池センシング

TIG、MIG/MAG ともに、CCD カメラを用いた溶融池及び電極の形状・位置計測の開発事例は多く、センシング技術としてはほぼ完成したといえる。Fig.2
Fig.2 は、CCD カメラを用いた
配管狭開先ホットワイヤ TIG 溶接システムの一例である。この例では、CCD カメラ映像から、溶融池形状（幅、長さ、開先壁面との濡れ角）、電極・ワイヤ位置情報を画像処理にて3

直接検出し、①電極位置制御、②ワイヤ挿入位置制御（x,y２軸）、③入熱パラメータ制御、④溶融池異常検出、を行っている 5）。とくに、高電流域においても一つの映像で同時に開先、溶融池形状、電極形状の計測を可能にした特殊なフィルタリング方法が採用されている。このようにアーク溶接部では低輝度から高輝度まで同時に撮影する必要があるため、ワイドダイナミックレンジの視覚センサ ６） や２台の CCD カメラの映像を合成する手法 ７）が開発され、モニタリング装置として活用されている。

Molten pool sensor (CCD
camera)ＮＤフィルタ（透過率分布を部分的に変化）

Laser sensor

ＩＲ-ＣＣＤカメラ
狭帯域フィルタ

電極

フィラーワイヤ

フィルタリング方法
Hot-wire filler

装置外観

MY

MZ

DP

LL LR

α

溶融池画像と計測項目
Fig.2

Sensing system of hot wire TIG orbital welding for narrow grooves in pipe.

また、ＣＣＤカメラの溶融池情報をすみ肉ＭＡＧ溶接の溶接線倣いに活用することが可能である。 Fig.3 は、溶融池の傾きとトーチのねらい位置ずれとの相関を示したものであり ８）、ＣＣＤカメラから得られた溶融池画像を用いることで溶接線倣いが実現できることを示している。
一方、CCD カメラは光学センサであり、プリズムやミラーを活用することで直視困難な部
位の画像を検出することが可能である。 Fig.4 は、TIG 裏波溶接制御システムの例である。
開先の裏側より溶接状況をセンシングする方法は、アーク光の影響が排除できるために安定したシステムが実現できる。しかしながら、通常、熱源の移動とともにセンサを移動させる必要があり、装置が大掛かりになってしまうという欠点がある。このように、円錐ミラーを使うことで、配管溶接ならびに直線の溶接ともに CCD カメラを固定させ裏波をセンシングすることが可能である。これらの場合、開先裏側の溶融状態を CCD カメラにて画像（輝度）として把握し、裏波溶融池のサイズが適切になるよう溶接電流を適応制御（ファジイ制御）することができる ９）。

4さらに、昨今のカメラ付き携帯電話に見られるように、カメラ自体もより小型化がすすんでいる。また、素子自体も CMOS を利用してより木目細かく直接各画素の情報を抽出、処理できるセンサなどが開発されており、光学カメラはさらに活用が期待できる分野である。

Last edge position

Pool length

溶融池画像
ａ

断面マクロ

Width
ｂ

Arc
center
Inclination

0mm 0.5mm 1.0mm 1.5mm 2.0mm 2.5mm 2.0mm 3.5mm 4.0mm(deviation)

Area

Measurement items

10

Weld pool inclination(deg)8

Verticaldeviation

6

root

4
Fillet weld, Root pass
Welding voltage：27V
Welding speed：220mm/min
Wire feeding speed：8000mm/min

2
0
-2
-4

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

Deviation of torch position from root point(mm)

Fig.3

4

Correlation between vertical ddeviation
eviation of torch position
and weld pool inclination.

PipingTIG TorchIR‑
IR‑CCD Camera

CameraController

Selective wave
length filter
Back bead

Video
Image
Conical Mirror

CCD camera
Image Processor（ａ） 配管溶接
Fig.4

Conical mirror（ｂ） 直線溶接
Directpenetration bead sensing system.

5

２．２

ビード表面形状センシング

インプロセスで溶接品質を確認する場合、最終層だけでなく層間も含めたビードの外観確認が極めて重要である。この分野においてはレーザセンサがビード形状計測に広く実用に供されている。レーザセンサでは、開先形状およびビード形状情報から、トーチねらい
位置制御や次層の溶着量を適正化するための溶接条件設定を行うことができる。さらに、Fig.5 に示すように開先組立て状態の良否やビード表面形状の品質確認にも活用できる。
このシステムでは、配管溶接フィットアップ時のルートギャップや目違い量をレーザセン
サにて計測し、許容値を逸脱する場合は、アラームを出し溶接を開始させない。また、ビード表面形状を計測し、適正でない場合には、溶接を中断し、次層パスによる融合不良を事前に防止することができる。
Detection area

Root opening
Distance of
misalignment

Mask area(Detection area)

ルートギャップ画像

高輝度不連続部分長さ

ルートギャップ寸法判定

目違い画像

左右近似直線間距離

目違い量定

Bead wetting angle

Top of bead
Bottom of bead

Convex heightof bead

ビード形状不良判定
異常判定画面

Fig.5

Check of bead shape with laser sensor

一方、CCD カメラはビードの外観評価には最適なセンサである。ポロシティ、割れ、ア
ンダカット、オーバーラップ等のビード表面欠陥を検出できるだけでなく、性状（色、質感）までも定量評価が可能なためである。特に、CCD カメラで二つの視点からビード画像を捕らえることで三角測量の原理で三次元形状を測定することができ、得られた寸法情報をもとに表面欠陥を特定できる。センサを小型化するため CCD カメラを一つにした場合、異なる視点を得る方法としては次の二つの手法があり、いずれの方式も実用化されている。
①複視差ＣＣＤカメラ法：カメラ本体内にプリズムとミラーを内蔵させ二つの視線をシャッターで切り替える②ＣＣＤカメラ移動法：ロボットを利用し、二つの視点にカメラを移動させる。
Fig.6 に、これらの手法の例を示す。とくに、ＣＣＤカメラ移動法では、溶融池を観察する通常のＣＣＤカメラを用いることが可能であり、形状計測あるいは寸法検査に適用できる ９）。

6

Liquid
crystaldriverCCD
Shutter(Left)

Shutter(Right)

Mirror(Left)

Mirror(Right)

Lighting
sourceCCU

Liquid crystal shutter

CCD
Prism

Concept

LensesMirrorPrism

ＣＣＤ camera

Acquisition 2 image at same pointby moving robot arm

Computerfor
画像処理用
ｺﾝﾋﾟｭｰﾀ

ｺﾝﾋﾟｭｰﾀ
image
processing

Monitor

Lenses

Structure（ａ）複視差ＣＣＤカメラ法

Fig.6（ｂ）ＣＣＤカメラ移動法

detection
on technique by 3D measurement of bead shape.
Examples of detecti

Fig.7 は、複視差ＣＣＤカメラを用いて、ビード表面に生じたポロシティとすみ肉溶接のアンダカットを計測し、三次元表示した結果を示したものである 10）。このようにＣＣＤ
カメラによる三次元計測はビード表面性状の品質確認、自動認識に有効である。但し、今後さらに溶接のインプロセス領域で適用拡大を図っていくためには、処理速度の向上が必要である。

Texture mapping

Wire frame（ａ）ポロシティ

Fig.7

２．３

Texture mapping

Wire frame（ｂ）アンダカット

3D measurement of bead shape with CCD camera.

ＨＡＺ温度計測

溶接部の健全性としては、主に溶接金属中の内部欠陥や表面欠陥のような形状的健全性が非破壊検査により評価されているのが一般的である。一方、溶接部の冶金的健全性については、別体の試験片による評価や入熱量の管理など間接的な評価が主体であり、実構造
物における保証は厳密にはなされているとは言いがたい。このため、溶接施工中に冶金的健全性を評価、保証する自動溶接システムの構築は、溶接部の信頼性を確保する上で極めて有効である。

7

溶接部の冶金的問題としては、低合金鋼においては、急冷による低温割れや過度の除冷による靭性劣化、オーステナイト系ステンレス鋼では、鋭敏化などがあげられ、溶接部の加熱・冷却特性に起因している。これらの冶金的健全性を保証する方法としては、溶接中に、溶接部の加熱・冷却特性を監視し、適正範囲に管理するシステムが考えられる。すな
わち、低合金鋼では、８００℃〜５００℃の冷却時間が長いと HAZ の靭性の低下、短いと硬化するので、その冷却時間を管理することで、冶金的品質を保証することができる。一方、ステンレス鋼では、最も鋭敏化しやすい６００℃〜９００℃の加熱冷却時間を管理す
れば、耐 SCC 性の品質を保証することが可能である。
Fig.8 は、これらの目的のために開発されたＨＡＺ実時間冷却温度計測システムの例を示したものである １1）。センサ部は、温度計測を目的とした近赤外線カメラと、溶接ヘッドの移動量計測を目的とした CCD カメラで構成される。このシステムでは、溶接母材上に絶対座標に計測点を配置し、計測点を指定することで温度変化をグラフ表示できる。さらに、任意の温度範囲を設定し、自動で冷却速度を求めることも可能である。

CCD camera

MirrorInfrared camera

Torch
Welding head

Fig.8
２．４

HAZ cooling time measurement system.

溶込み及び内部欠陥のダイレクトセンシング

先に述べたように、今後、溶接中の内部品質確認として適用拡大ならびにシステム化が期待されるセンサの一つにレーザ超音波法が挙げられる。レーザ超音波法は、高周波パル
スＹＡＧレーザを材料表面に照射することで材料内部に超音波を発生させ、材料内部を伝播した超音波を表面の微小変位として連続的に照射した別のＹＡＧレーザにて受信するもので、分解能が高く、非接触で超音波を送受信できるため、溶接中の溶融状況の計測への活用が可能である。Fig.9
Fig.9 に、センシングの原理と TIG 静止アークの溶融池形状を計測した結果の一例を示す。溶融池形状の計測は、平板の TIG 溶接において、裏側よりレーザ超音波を溶融池に向けスキャンし、反射波の伝播時間から温度分布を推定することで、固・液相界面を求め、溶け込み形状をリアルタイムに計測するものである。正確な形状計測には、高温での金属中の音速の把握など実用化に向けた課題はあるものの、装置の小型化、処理系の高速化で自動機への搭載が可能となることで、リアルタイムに溶け込みを確認し

8

ながらの溶接施工の実現が期待できる。
パルスレーザー

送信特徴

レーザー計測器

・熱歪み・アブレーション

受信○遠隔・非接触○広帯域（高周波数）○「点」送信、「点」受信○同時多モード励起

・光路長変化・ドップラー効果

動作原理
伝播時間計測Weld zone

2mm

融点検出

Base metal

0
1
2
3-6 -4 -2 0

2

送信

受信
溶接施工前

溶接施工中

4 6

Distance （mm）

Fig.9

温度分布モデルSignal Amplitude(0.1V/div)

Penetration （mm）

超音波

レーザー超音波用ヘッド（φ20mm×25mmL）

10

11

12

13

Time (µs)

Sensing principle and measurement examples of laser ultrasonic technique.

一方、反射式X線法は、X線ビームが入射した特定部分からの反射信号をコリメータで選別して検出する手法である。光源、検出器を同じ側に設置できるため装置化が容易という利点がある。深さ方向のスキャンで溶接内部に発生するポロシティなどの欠陥状況を三次元的に把握することができる。Fig.10
Fig.10は、溶接インプロセス検査向けに構築しているシス
Fig.10
テムのセンサヘッドの概要を示したものである。
（センサヘッドの構成）
シンチレータ

小型X線管

光コレクター

溶接機
コリメータ
TOSHIBA

検査
センサヘッド大型容器
開先全周溶接光ファイバー
to 光検出器、
信号処理系＊ヘッドサイズ ：～50mmφ
φ×～100mm：～×～＊X線エネルギー：
線エネルギー： ＜150keV＜～5mmt＊遮蔽鉛厚さ： ～Fig.10

InIn-process inspection systemsystem by reflection XX-ray technique.

9このように、今後のインプロセス溶接品質確認では、溶融池の内部、特に溶込み形状や欠陥を直接検出することが重要となってくる。その意味で、レーザ超音波やＸ線は、液体または固体金属内部の不連続性をリアルタイムにセンシングできる線源としてさらなる応用が期待される。そして、これらセンサの実用化の最終像は、まさにがら溶接できる

溶ける様子を見なシステムを実現することにある。

３．モニタリングとネットワーク化
自動機やロボットに具備されるセンサによるモニタリング情報はＩＴ活用でさらにその有効性が高まっている。溶接ロボットや自動溶接システムをネットワークで繋げ、さらに設計から製造ラインまで製造に関わる情報を一貫してデジタル化して

設計

３Ｄモデル
数値
ＣＡＤ図

生産技術・管理

電子情報

製造

電子情報

流すことでプロセ
ス全体の効率（歩留生産管理情報まり、リードタイム

１．プラント情報
２．工程情報３．納期（生産期日）
４．設備稼動状況…

等）を飛躍的に高めることができる。
Fig.11 に 溶 接 作業における代表的な情報の流れを示

今どこでどのプラントがおこなわれているかす。
一般的に溶接施Fig.11品質情報
１．溶接指示書（ＷＰＳ，ＰＱＲ）
２．ロボットプログラム
３．溶接記録４．溶接条件（異常有無）
５．品質モニタ…

・ロボット溶接・自動溶接（専用機）
・半自動、手溶接

ネットワーク化
異常なく溶接が行われているか

Flow of information welding work.

工は、設計情報（図面、CAD図）に基づ
き生産技術部門（生産技術、生産管理）において生産に関する管理情報と品質（技術）情報に変換され、製造部門へ情報が流され実施工が行われる。この場合の生産管理情報としては、プラント情報、工程情報、納期（生産期日）などがあり、品質（技術）情報として
は、溶接指示書、WPS、ロボットプログラム、溶接データなどがあげられる。これらの溶接
情報は、一部電子データ化されているものの共有化ができず、A/D、D/A変換ロスや手作業など間接作業の負荷が高くなっており、これらが製造のリードタイムを増加させる要因の一つになっている。一方、溶接状況の確認は、完全に人間系に依存しており、施工中の異常値管理・トレンド管理は困難であり、デジタル値による自動監視が必要であり、生産技
術者、製造、設計部門の管理者などからは、リアルタイムに情報を得ることが望まれている。これらを解決するためには、生産技術、設計、製造部門が各職務場所から製造現場へ
作業情報の指示与えるとともにその情報が全ての部署で共有化でき、さらに現場での作業状況がリアルタイムに確認できるシステムの構築が必要である。

10

現場

事務所
・ＬＡＮ接続された現場ｼｽﾃﾑのﾃﾞｰﾀを事務所で一括管理可能・現在の稼動状況を確認可能

溶接条件計測データ

溶接条件計測データ

工場内ＬＡＮ

溶接条件計測データ管理

溶接ﾓﾆﾀﾘﾝｸﾞ・条件管理ｼｽﾃﾑ

溶接条件指示データ

溶接
制御装置（ＴＡＣＳ）
溶接条件
データ

システム全体データ

溶接条件指示データ管理
溶接条件指示データ

事務所パソコンシステム全体データ管理
ポジショナーシステム

システム全体データ

ワーク情報入力
・プラント

施工状況入力停止状況入力・開先No・停止理由・作業者、トーチ種類

施工指示入力・プラント・材質
・開先径、形状・基本条件

ワークセットFig.12ロボットシステム
ターンテーブルシステム

施工条件
設定

溶接施工・条件計測

施工状況
出力

Example of remote control system in automatic welding.

12）。この自動溶接
Fig.12は、この流れに沿って構築した自動溶接ショップの一例である
Fig.12

ショップは、比較的形状は多種であるものの量産部品を直交３軸マニピュレータとターン
テーブルおよびポジショナ、ロボット等の組み合わせで溶接施工するもので、100mmをこえる板厚の多層盛溶接で高品質が要求される。このシステムでは、製造現場を工場内LANで繋ぐことで溶接情報のリアルタイムな獲得と情報の共有化を図っている。

稼動状況表示（装置毎）
カメラ画像表示

Fig.13

Example of screen on PC connected to factory LAN.

11

施工記録表示（EXCEL グラフ）
ワーク別検索画面

Fig.14

Display example of welding record
record search.

即ち、施工指示入力として、プラント情報、溶接開先、板厚等の形状情報、それにリンクした溶接条件が事務所側の生産技術者より製造現場に与えられる。そして、溶接施工
中は現在どこのプラントのどの継手が溶接されているのか、その溶接施工条件が適正かど
うかが全体状況を把握するためのカメラ映像とともにリアルタイムに出力され、設計、生産技術部門が常時事務所にて確認できる.
. さらに、F
Fig.13に示すように、自動収集した計
ig.13
測データから施工記録データベースを構築することで、製造現場以外でもパソコン等でデータの検索、表示、解析が可能となる。Fig.14
Fig.14にその画面表示例を示す。これらの機能に
Fig.14
より、記録出力データとして、どのワークがどのような溶接条件で行われたか、どの程度
条件のばらつきがあるのかを確認できる統計的数値（平均値、最大、最小値、標準偏差値）
やアークタイム率などの管理情報が出力可能であり、異常管理や生産効率向上に対してデータドリブンな改善を行うことができる。このようにデジタル化、電子化されたデータをもとにネットワーク上でのバーチャルな品質管理を行うことをデジタルQCと呼んでいる。
遠隔で行うことができる。Fig.15
Fig.15に、デジタルQCの概念を示す。
Fig.15
計測データ

リアルタイム
条件管理

LSL

USL

統計処理
-1

0

1

2

3

・多変量解析
・工程能力ｅｔｃ．

タグチメソッド
SN比の要因効果図v1

0 .5 5-5-1 .6 3-5.5
1.50 7 5
v2-1.07 7 5

-7
-7.5

1 .9 8 5-8v3

ＳＮ比［ｄｂ］

-6
-6.5

-8.5

-0 .8 0 5

-9
-9.5

-1

-10

.2 5

25

1 .2

62

v4

5
0 .5

77

5
2 .1

v5

12

5
-0

.9

0

1 .0

6

v6

A 1 A 2 B 1 B 2 B 3 C1 C2 C3 D1 D2 D3 E1 E2 E3 F1 F 2 F 3 G1 G2 G3 H1 H2 H3

Fig.15

Concept of digital QC.

12

事 務 所現 場

監 視 ・管 理 用 デ ー タ サ ー バ

溶 接 条 件 監 視 シ ス テ ム （工 業 用 Ｐ Ｃ ）溶 接 電 源工 場 内
ＬＡＮ・ＬＡ Ｎ 接 続 さ れ た 現 場 シ ス テ ム の
デ ー タを 一 括 管 理
・現 在 の 自 動 機 稼 動 状 況 保 持
・標 準 溶 接 条 件 、テ ィー チ ン グ
デ ー タの 一 括 管 理

検 出 器
溶 接 条 件 計 測・溶 接 電 流・溶 接 電 圧・ワ イ ヤ 速 度

ク ラ イ ア ン トＰＣ
溶 接 条 件 管 理・標 準 溶 接 条 件 検 索・実 機 溶 接 条 件 登 録

・各 デ ー タ の 登 録 ・検 索 ・編 集

セ ン シ ン グ シ ス テ ム （工 業 用 Ｐ Ｃ ）溶 接 条 件 計 測 デ ー タ管 理

溶 接 条 件 デ ー タベ ー ス 管 理
レ ー ザ ス リットセ ン サ
・狙 い 位 置 制 御・溶 着 量 制 御セ ン サ

画 像 セ ン サ・狙 い 位 置 制 御テ ィー チ ン グ デ ー タ管 理
機 器 監 視 シ ス テ ム （工 業 用 Ｐ Ｃ ）ｺﾝﾄﾛｰﾗオ フ ラ イ ン テ ィー チ ン グ 用 Ｐ Ｃ・実 機 テ ィ ー チ ン グ デ ー タ
シ ミュ レ ー シ ョン

ロ ボ ット／ 自 動 機・ロ ボ ッ ト動 作 監 視・テ ィ ー チ ン グ デ ー タ の 作 成 ・登 録

Fig.16

Concept of remote welding system.

また、将来的な溶接自動化システムのIT化の形態をFig.16
Fig.16に示す。このシステムでは、
Fig.16
溶接ロボットと溶接データサーバ等がネットワークを介して接続され、①溶接条件監視、②機器動作監視、③センシングシステムによる品質診断、④データ管理がさて、このように、遠隔監視のIT化をさらにすすめたひとつの形として、インターネットを利用した遠隔診断システムが挙げられる。 Fig.17に、Webを活用した遠隔検査システムの例を示す １２）。
Fig.17
現在、溶接施工検査は、工場もしくは現地において、スキルを有する認定検査員が目視確認するなど個人の技量レベルに大きく依存しているのが実情である。これを解決する手段
として、例えばPT検査などの場合、デジタルカメラの画像データを遠隔地に送ることで検査、診断の効率改善を大いに上げることができる。ここでは各ユーザはWebサイトにログインした後、デジタルカメラの画像を加工処理したうえでデータをアップロードする。画像
データを受信したホスト計算機（通信サーバを兼ねる）は欠陥の有無などの検査を自動的に処理し、検査結果をメール等により各ユーザに返送する。これにより、従来個別の施設、作業員で実施されている検査をサービス業務として遠隔で常時提供可能となる。インター13

ネット利用に当っては、ネットワークに流すデータの秘匿性、同一性、軽量化などがキーポイントとなる。
検査画像

ユーザ（現場）

社内ＬＡＮ

現場ａ

通信サーバ

①プログラムダウンロード現場ｂ

画像処理ホストA
ジョブ
割当

デジカメ映像等
検査画像②前処理検査データ送付（セキュリティ
処理済み）

現場ｄ

ユーザ（事務所）

インターネット

現場ｃ

・登録者管理・画像処理ホスト管理・作業（ジョブ）管理・報告書作成管理

処理
結果
通知

画像処理ホストB

③終了通知
報告書送付
画像処理ホストC

受取人：
監督者等

Fig.17

Remote inspection system using Web.

４．溶接士支援システム
一方、上記は自動溶接の例であったが、かなりの比率で残る手溶接（半自動溶接含む）の管理をどうするかが課題である。手溶接では、溶接条件の入力及び選定、異常値管理、溶接記録の自動作成などが管理対象であり、技能も含めたトレンド管理も必要となる。
Fig18 は、手溶接情報のネットワーク管理の可能性を検討するために、モニタリング機
能を内蔵した市販のＭＡＧフルデジタル電源を用いて通信Ｉ／Ｆを介して工場内ＬＡＮに接続し、溶接条件のモニタ出力ならびにモニタデータの自動収集の試験を行った結果を示したものである。この場合、計測センサをあらためてとりつけることなく、溶接条件のリ
アルタイム表示はもとより、溶接電流，電圧、チップ状態やワイヤ送給状態のアラーム設定が可能であり、また、モニタデータの収集、蓄積が容易であった。これらの溶接出力データを処理することで溶接記録の自動作成や異常管理が十分可能であることが明らかである。また、溶接士の作業管理や技能管理に有効であることから、工場内だけでなく現地作業や外注業者等の管理への展開も期待できる。今後、この種の溶接電源が増えてくれば、
手溶接の場合についても自動溶接と同様なネットワーク管理システムの構築が可能であると考えられる。
また、溶接技能については、技能のデジタル化とともに溶接士支援のシステム構築をすすめている 13）。Fig.19
Fig.19 は、溶接士支援システムのコンセプトを示したものである。溶接士支援システムは、脱技能化をねらい、遠隔にて、実施工の監視・支援を目的に手溶接の優れ

14

事務所 リアルタイム表示
・溶接電流、電圧、短絡回数
・溶接時間、ワイヤ送給量
・アラーム

現場

［モニタデータ］
・溶接電流、電圧・短絡回数
・送給モータ電流
・送給モータ回転数
・溶接回数、時間
・ワイヤ送給量

モニタデータ：：モニタデータ収集・確認

工場内ＬＡＮ

アラーム設定通信
Ｉ/Ｆ

フルデジタル
溶接機

溶接電流、短絡回数

300（0.2sec毎のデータ）
毎のデータ）

・溶接状態（電流、電圧）
・チップ状態（使用時間）
・ワイヤ送給状態（モータ電流）

250

電流(A)
短絡回数(回/sec)

250
200

200

短絡回数

溶接電流

150
150
100
100

計測センサ不要
モニタデータ蓄積5050

0Fig.180

N e t wo r k c o n t r o l f o r s e m i -a u t o m a t i c we l d i n g .

聴覚情報①現場溶接施工

警告音や
リズム提示

視覚情報
実空間画像と仮想画像の重畳②リアルタイム
データ解析

溶接部拡大画像
溶融池 アーク位置

触覚情報
トーチ先端位置

電 圧

ビード

トーチ

・施工状態の把握・予測・適正挙動生成・提示

入熱量

冷却速度 温度分布

力覚伝達機構付
データグローブ③オンライン情報提示
Fig.19Concept of onon-line support system for welder.

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た側面（適応力等）を尊重しつつ、情報技術を活用して高い作業能率と安定した溶接品質の確保を目指すものである。このシステムは、ビジュアルセンサにより施工状態のモニタ
リングを行い、収録したデータから特徴量を分離抽出することにより溶接士のスキル並びに品質推定などの評価分析を行う。そして、その評価結果は、溶接士に防護マスク視野への視覚情報や力覚伝達機構グローブなどによる触覚情報、音などの聴覚情報などを通じて
オンラインで情報提示され、溶接士へ条件変更、管理等のフィードバックが行われる。
Fig.20は、これらのコンセプトをもとに製作したヘッドマウンテンディスプレイ（HMD）
Fig.20を用いた溶接士支援シテムの例を示したものである。配管溶接を対象として、たとえば初層インサートメタルを挿入した裏波溶接において、裏波監視カメラから裏波状態がリアル
タイムでマスク内に取り付けられたＨＭＤ上に情報提供される。この場合では、所定の裏波サイズが得られていない場合、赤色表示され、所定サイズになれば緑色に表示が変化する。溶接士は、マスク越しにこの情報を得ることで溶接速度、アーク位置を修正することができる。
製造現場において熟練溶接士が不足するなか、このように遠隔にて溶接士を支援するシステムは、ロボットや自動溶接システム導入一辺倒におちいることなく、技能を生かすかたちとして検討をすすめていく必要があると考える。

PipingTIG TorchInfrared Camera

CameraController

Video
Image
Conical Mirror

Image Processor

マスク装着ＨＭＤ表示画面
Fig.20

OnOn-line support system for welder using HMD equipped mask.

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５．あとがき
５． あとがき
溶接システムの高機能化、高効率化におけるセンシング・モニタリング技術の活用方法と今後の展開について、著者が実際に取組んでいる例をもとに紹介した。センサは溶接線
倣いを出発点として開発が始まったが、ここ数年、より高度な自動化やインプロセス品質確認などへの適用開発が活発に行われてきている。そして、今後は製造現場のIT化、即ちネットワーク化、分散化をすすめることにより総合的に溶接効率はますます高まっていく
ものと考えられる。また、システム化に向けて、Webの活用なども重要であり、応用範囲はさらに広がるものと思われる。このようにシステムが拡大するなかで、そのキーテクノロ
ジーであるセンシング・モニタリング技術の果す役割はますます重要になっていくものと考えられる。
参考文献
１）溶接研究委員会：溶接プロセスの高効率化における現状と課題，溶接学会誌，第７２巻，2003年，第２号，p7‑15２）多紀他：溶接高効率化にむけたセンシング/モニタリング技術の現状と今後の展開,溶接学会全国大会講演概要集,第70集,2002‑4３）落合他：溶接施工中における溶融深さ分布の計測,溶接学会論文集,17巻,第3号,1999
年8月４）加藤：最新の放射線透過試験技術,溶接学会誌,第70巻,2001年,第6号
５）小川他：視覚センサを用いた高能率・高品質TIG溶接システムの開発,溶接法ガイドブ
ック４,1999,（社）溶接学会
６）関他：ワイドダイナミックレンジ視覚センサによる溶接現象の観察、溶接学会誌、第70巻、2001年、第7号
７）金丸他：アーク溶接部モニタリング装置の実用化と将来展望、溶接学会誌、第70巻、2001年、第7号
８）S.Asai, K.Taki, K..Kubo, T.Kaneko, K.Nomura：
GMAW System with Visual Sensor

Development of Fully Automatic, IIW Doc.XII‑1546‑98 , 1998

９）浅井他：原子炉内構造物現地遠隔ロボット溶接システムの開発，圧力技術，第40巻，第2号（2002）
10）浅井他：アーク溶接におけるセンシング技術,溶接学会誌,第66巻,1997,第8号
11）相川他：近赤外線カメラによる冷却速度実時間計測システム，溶接法ガイドブック４，
1999,（社）溶接学会
12)浅井他：重電機器における溶接作業のＩＴ化，溶接技術，Vol.50，2002年，9月号
13）浅井他：溶接技能のデジタル化と手溶接支援システムへの展開，Vol.50，2002年，1月号

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