JP2008110388A - Method and apparatus for measuring welding operation information - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to a welding work information measuring method and apparatus for simultaneously acquiring a plurality of pieces of information related to welding work in a semi-automatic gas shield metal arc welding work or the like.
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。
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。 The above-mentioned manual welding support and training device is used to determine the welding operation status based on only the arc length or torch height as information related to the welding operation. In semi-automatic welding, the torch height is constant. Even if there is a difference in welding quality and skill level due to changes in features related to welding, such as torch aiming position, weaving cycle and amplitude, welding speed, and molten pool shape, there is no difference in measurement results There is. In other words, the torch height alone is insufficient to determine the welding quality and skill level in semi-automatic welding, and multiple feature quantities such as the torch target position, weaving cycle and amplitude, welding speed, and molten pool shape are measured simultaneously. It is necessary to.
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。 Accordingly, the present invention provides a welding work information measurement method capable of simultaneously acquiring a plurality of information on the welder's behavior, molten pool shape, wire protrusion length, etc. during semi-automatic welding and promptly judging the quality of the welding operation. And an object to provide an apparatus.
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。 In order to achieve the above object, a welding operation information measuring apparatus according to the present invention includes a plurality of visual sensors each having a neutral density filter and a band pass filter, and each of the visual fields is imaged by the visual sensor, thereby protruding a welding wire. It is set as the structure which acquired several information regarding length, a molten pool shape, and a welder's behavior simultaneously.
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。 Also, the welding work information measuring method of the present invention uses a plurality of visual sensors having a neutral density filter and a band pass filter, and images each field of view by the visual sensor, thereby allowing the welding wire protrusion length, molten pool shape, and A method is adopted in which a plurality of information on the welder's behavior is acquired simultaneously.
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。 According to the present invention, during semi-automatic welding, it is possible to simultaneously acquire a plurality of information related to the welder's behavior, molten pool shape, wire protrusion length, etc., and to perform welding work information measurement that can quickly determine the quality of welding work. Methods and apparatus can be provided.
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。
Hereinafter, three embodiments of a welding work information measuring method and apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a view showing an embodiment of the present invention when gap welding is performed in a flat plate downward posture. In this embodiment, a
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。
When the
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。
FIG. 2A is a schematic diagram of an image that can be captured using the visual sensor 7. The visual sensor 7 is fixed on the welding progress direction side on the extension line of the welding line, and images the shape of the
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。
FIG. 2B is a schematic diagram of an image that can be captured using the
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。
Further, the
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。
FIG. 2C is a schematic diagram of an image that can be captured using the
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。
FIG. 2D is a schematic diagram of an image that can be captured using the
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。
The image analysis device 11 processes the current / voltage, the wire feed speed, and the feature amounts and information obtained by the individual visual sensors during the welding process acquired as described above. As shown in FIG. 4, the image analysis apparatus 11 includes a measurement
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。
FIG. 5A shows the measurement result of the target position of the torch at the time of the first layer welding when performing the downward MAG welding (with backing) of the intermediate plate test piece defined in JIS Z3841. FIG. 5 (a) compares the results of RT (radiation inspection) and cross-sectional inspection after welding, in which poor fusion was found and those in which no defect was found. From FIG. 5 (a), it can be seen that the torch aiming position for sound welding is kept near the center of the groove, whereas the weld where the fusion failure occurs is aimed at a position away from the center of the groove. . In addition, in the third layer (excess) welding, the front layer (second layer) bead appearance of the test piece in which fusion failure occurred during the front layer bead was irradiated from the vertically upper side by the
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。
FIG.5 (b) is a measurement result of the molten pool preceding distance (
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。
As described above, the welding
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。
As described above, according to the welding work information measuring apparatus of the present embodiment, the behavior of the
(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。
(Second Embodiment)
FIG. 6 is a diagram showing an embodiment of the present invention when gap welding is performed in a flat plate standing posture (upward). In this embodiment, a
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。
The
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。
According to the present embodiment, the feature amount collected by the plurality of
(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。
(Third embodiment)
FIG. 7 is a view showing an embodiment of the present invention when horizontal fillet welding is performed. In this embodiment, a
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。
The
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。
According to the present embodiment, the horizontal corner is obtained by linking the feature values collected by the plurality of
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。 In addition, the visual sensors 7 to 10 and 28 to 35 used in the first to third embodiments described above have different welding currents, voltages, etc. by changing the quantity and type of the neutral density filter and the band pass filter. It can be applied to welding objects with different melting conditions such as stainless steel and aluminum. Further, the positions to be arranged are not limited to the positions described in the first to third embodiments, and can be installed at various positions to correspond to various shapes of welding objects and welding postures. Can do.
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。
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