CN104169996B - 焊接技能教育支援装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种焊接技能教育支援系统，能够容易地模拟焊接环境，即使是学生一人的自学也能够教育、矫正或指导焊接作业。具有：模拟焊炬的操作单元(2)；模拟母材的显示器(3)；输出模拟了焊接作业的焊接音的扬声器(4)；将在使操作单元(2)在显示器(3)上移动时的与操作单元(2)的动作对应的焊道的图像显示于显示器(3)并从扬声器(4)输出与操作单元(2)的动作对应的焊接音的控制装置(5)；保持操作单元(2)并能够输入输出操作单元(2)的前端部(T)的位置信息(D)的三维输入输出装置(6)；及存储位置信息(D)的存储装置(7)，控制装置(5)基于对操作单元(2)进行操作而由三维输入输出装置(6)输出的位置信息(D)来选择并输出焊道的图像和焊接音的种类。

Description

焊接技能教育支援装置

技术领域

本发明涉及一种焊接技能教育支援装置，特别是涉及用于使用力觉设备来模拟焊接环境并活用视觉、听觉、力觉等来对学生教育、矫正或指导焊接技能的焊接技能教育支援装置。

背景技术

以往，焊接技能是，一位老师主管多名学生，使用实物焊炬对练习用的试验体进行焊接，从而在以目视确认焊接姿势、焊炬角度、焊接速度、焊线突出量等基本技能的同时，通过口头、实际演习、操作辅助等进行教育、矫正或指导。这样的技能训练中，虽然能够体会实际的焊接作业，但是由于同时教育众多学生，所以难以对全体学生的焊接作业每次进行检查、指导，是没有效率的。另外，由于实际进行焊接作业，所以也存在以下问题：需要焊炬、焊线进给装置、焊接作业场等设施、设备，能够训练的场所被限定，并且在训练后产生废弃物(焊接后的试验体)。因此，已经提出了模拟焊接环境、焊接过程来进行教育的方法(例如参照专利文献1和专利文献2)。

例如，专利文献1中公开了用于模拟焊接过程的装置。该装置由具有输入装置和输出装置的计算机、焊炬、具有至少一个发送机和多个传感器的磁位置监视装置、被模拟的被加工物用的保持装置、用于在输出装置上生成二维或三维图像的视觉化装置构成。焊炬和被加工物不是实物，而是模拟了形状等的假想设备，从这些设备将位置信息等输入计算机，从而生成模拟了实际上可产生的焊接状态(例如焊道、光弧等)的图像、影像，并显示给用户。

另外，在专利文献2中记载有手操作焊接训练方法，这是一种训练从事手操作焊接施工的焊接工的方法，在进行手操作焊接施工的模拟焊接训练时计测与焊接工的动作和焊接训练环境的状态有关的数据，基于该计测数据来提取焊接工的头部位置、头部移动、手的位置、手的移动、脸的朝向、向焊接部施加的热输入量、热输入方向和模拟焊接部的熔化状态、熔敷状态等特征量，参照以往进行的焊接施工时得到的正常时和不良情况发生时的数据与该提取出的特征量来判定模拟焊接状态是否良好，另一方面基于特征量来生成焊接部的图像，将包含该生成的图像和判定结果的与模拟焊接状态的推移有关的信息以能够认知的方式提示给焊接训练中的焊接工。该训练方法中，焊炬和被加工物(试验体)也不使用实物，而使用模拟了形状等的假想设备。

专利文献1：日本特表2011－526208号公报

专利文献2：日本专利第4129342号公报

发明内容

发明要解决的课题

在上述专利文献1、专利文献2所记载的装置中，为了模拟焊接环境，需要模拟焊炬、试验体(被加工物)的假想设备，必须准备与实际进行的焊接的种类对应的假想设备(特别是试验体)。另外，为了取得假想焊炬、学生姿势等位置信息等，需要多个传感器、相机，所以还存在装置复杂化、大型化的问题。

本发明是鉴于上述问题而研发的，其目的在于提供一种焊接技能教育支援装置，能够容易地模拟焊接环境，即使是学生一人的自学也能够教育、矫正或指导焊接作业。

用于解决课题的手段

根据本发明，提供一种焊接技能教育支援装置，对以下的焊接作业的教育进行支援：使焊炬接近母材的表面，在将焊线送出并使之熔化而焊接所述母材，所述焊接技能教育支援装置的特征在于，具有：操作单元，模拟所述焊炬；显示器，模拟所述母材；扬声器，输出模拟了所述焊接作业的焊接音；控制装置，将在使所述操作单元在所述显示器上移动时的与所述操作单元的动作对应的焊道的图像显示于所述显示器，并且使与所述操作单元的动作对应的焊接音从所述扬声器输出；三维输入输出装置，保持所述操作单元并且能够输入输出所述操作单元的前端部的位置信息；及存储装置，存储所述位置信息，所述控制装置基于对所述操作单元进行操作而由所述三维输入输出装置输出的所述位置信息来选择并输出所述焊道的图像和所述焊接音的种类。

也可以是，所述存储装置存储模拟了适当的焊接作业的所述操作单元的前端部的位置信息即基准数据，所述控制装置将对所述操作单元进行了操作时的所述位置信息与所述基准数据进行比较，在差超过容许值的情况下，使显示于所述显示器上的所述焊道的宽度或熔池的颜色及从所述扬声器输出的所述焊接音的长度或音程变化。

另外，也可以是，所述控制装置将对所述操作单元进行了操作时的所述位置信息与所述基准数据进行比较，在差超过容许值的情况下，对所述三维输入输出装置输出信号以使所述操作单元的前端部与所述基准数据一致。

另外，也可以是，所述控制装置将对所述操作单元进行了操作时的所述位置信息与所述基准数据进行比较，计测差超过容许值的次数并进行计分。

另外，也可以是，所述位置信息包含所述操作单元的前端坐标，所述控制单元根据所述前端坐标而算出所述显示器与所述操作单元的分隔距离，该分隔距离当作对焊线突出量进行模拟而选择并输出所述焊道的图像和所述焊接音的种类。另外，也可以是，所述控制装置将在所述显示器上投影所述前端坐标所得的目标点显示于所述显示器上。

另外，也可以是，所述控制装置可选择地具有：记录模式，使对所述操作单元进行了操作时的位置信息存储于所述存储装置中；计分模式，与存储于所述存储装置中的模拟了适当的焊接作业的位置信息进行比较而进行评价；自学模式，与存储于所述存储装置中的模拟了适当的焊接作业的位置信息进行比较而对所述三维输入输出装置输入适当的位置信息并施加反力；模拟模式，将存储于所述存储装置中的模拟了适当的焊接作业的位置信息向所述三维输入输出装置输入而再现所述操作单元的适当的动作；及再生模式，基于存储于所述存储装置中的所述位置信息来选择并输出所述焊道的图像和所述焊接音的种类。

另外，也可以是，所述控制装置根据时间的经过而使所述焊道的颜色变化。

另外，也可以是，至少具有具备所述操作单元、所述显示器和所述三维输入输出装置的作业台及支撑该作业台的支撑台，所述作业台以能够变更所述显示器的角度的方式配置于所述支撑台。

发明效果

根据上述的本发明的焊接技能教育支援装置，通过三维输入输出装置取得并记录模拟焊炬的操作单元的位置信息，并且输出与位置信息对应的图像、声音，从而能够容易地模拟焊接环境。另外，通过显示于显示器上的图像、从扬声器输出的声音，即使是学生一人的自学也能够利用视觉和听觉来进行焊接作业的教育。另外，通过记录位置信息，能够在事后在任意时间再现学生进行的模拟焊接作业，能够容易地再生图像、声音，即使在实际的模拟作业时老师不跟随，也能够在事后对各学生单独进行指导。

另外，通过与基准数据进行比较，能够通过图像、声音提醒注意，或者能够通过计分而进行评价，或者通过对三维输入输出装置施加反力，而能够在视觉和听觉的基础上利用力觉来矫正焊接作业。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式的焊接技能教育支援装置的整体结构图，(a)表示俯视图，(b)表示主视图，(c)表示变形后的主视图。

图2是表示图1所示的三维输入输出装置的图，(a)表示整体结构图，(b)表示操作单元的前端部放大图。

图3是表示在显示器上显示的焊道的图，(a)表示基于适当值的焊道的一例，(b)表示基于过小值的焊道的一例，(c)表示基于过大值的焊道的一例，(d)表示模拟一连串焊接作业所得的焊道的一例。

图4是记录模式的流程图。

图5是计分模式的流程图。

图6是自学模式的流程图。

图7是模拟模式的流程图。

具体实施方式

以下，使用图1～图7说明本发明的实施方式。在此，图1是表示本发明的实施方式的焊接技能教育支援装置的整体结构图，(a)表示俯视图，(b)表示主视图，(c)表示变形后的主视图。图2是表示图1所示的三维输入输出装置的图，(a)表示整体结构图，(b)表示操作单元的前端部放大图。图3是表示在显示器上显示的焊道的图，(a)表示基于适当值的焊道的一例，(b)表示基于过小值的焊道的一例，(c)表示基于过大值的焊道的一例，(d)表示模拟一连串焊接作业所得的焊道的一例。

如图1～图3所示，本发明的实施方式的焊接技能教育支援装置1是支援焊接作业的教育的焊接技能教育支援装置，在所述焊接作业中，使焊炬接近母材的表面，在将焊线送出的同时使之熔化而焊接所述母材，所述焊接技能教育支援装置具备：模拟焊炬的操作单元2；模拟母材的显示器3；输出模拟了焊接作业的焊接音的扬声器4；控制装置5，将在使操作单元2在显示器3上移动时的与操作单元2的动作对应的焊道图像显示于显示器3上并从扬声器4输出与操作单元2的动作对应的焊接音；三维输入输出装置6，保持操作单元2并能够输入输出操作单元2的前端部T的位置信息D；及存储位置信息D的存储装置7，控制装置5基于对操作单元2进行操作而由三维输入输出装置6输出的位置信息D来选择并输出焊道的图像和焊接音的种类。

如图1(a)～(c)所示，焊接技能教育支援装置1至少具备包括操作单元2、显示器3及三维输入输出装置6的作业台11和支撑作业台11的支撑台12，作业台11以能够变更显示器3的角度的方式配置于支撑台12上。显示器3例如能够使用液晶显示器、阴极射线管、有机EL显示器等各种显示器。另外，扬声器4能够适当使用市售的扬声器，且不限于图中的配置位置，也可以与显示器3一体化，还可以配置于支撑台12的内部。

如图1(a)所示，作业台11是配置于支撑台12的上部的大致平板状的部件，以显示器3的画面在表面露出的方式嵌入。在显示器3的附近配置有扬声器4和把手13。另外，在作业台11上，在显示器3的上部配置有三维输入输出装置6。通过这样的配置，能够使操作单元2在显示器3的左右方向上移动。

作业台11例如通过未图示的铰链而与支撑台12连接，如图1(b)所示，可以保持成水平状态，如图1(c)所示，也可以以使显示器3的左右方向构成大致铅垂方向的方式立起。另外，虽未图示，但作业台11也可以以显示器3的上下方向构成大致铅垂方向的方式可转动地与支撑台12连接。在图1(b)所示的水平状态下，能够模拟朝下的焊接作业，在图1(c)所示的铅垂状态下，能够模拟立向或横向的焊接作业。

如图1(b)所示，支撑台12是大致箱型的部件，能够在内部配置控制装置5和存储装置7。另外，在支撑台12的下表面配置有车轮14，能够在地面上移动地构成。另外，可以将控制装置5和存储装置7配置于离开支撑台12的其他场所，利用有线或无线的通信设备，能够对显示器3和三维输入输出装置6的信号进行收发。

如图2(a)所示，操作单元2与三维输入输出装置6的前端连接，具有作为所谓触针或附件的功能。操作单元2例如具有模拟了焊炬的形状，具有手柄部21和焊炬头22。焊炬头22相对于手柄部21可相对旋转地构成，在焊炬头22与三维输入输出装置6连接的状态下，能够使手柄部21相对移动。

三维输入输出装置6例如是触感设备或力觉设备，是将人类触碰物体时的触觉或力觉等触感信息转换成数据并能够进行人工表现的工具。例如如图2(a)所示，三维输入输出装置6具有能够由X轴、Y轴、Z轴、绕X轴的旋转角θx、绕Y轴的旋转角θy、绕Z轴的旋转角θz的参数表现的六个自由度。

如图所示，三维输入输出装置6例如具有构成台座的基座61、可旋转地连接在基座61上的球体62、相对于球体62能够在上下方向上转动地连接的第一臂部63、相对于第一臂部63能够相对转动地连接的第二臂部64、相对于第二臂部64能够在周向上旋转地连接的前端臂部65。操作单元2的焊炬头22可转动地连接于前端臂部65上。在这样的三维输入输出装置6中，通过基座61与球体62的关节J1、球体62与第一臂部63的关节J2、第一臂部63与第二臂部64的关节J3、第二臂部64与前端臂部65的关节J4、前端臂部65与焊炬头22的关节J5、焊炬头22与手柄部21的关节J6来确保六个自由度。

焊炬头22的前端部T构成操作单元2的前端部，前端部T的坐标(X、Y、Z、θx、θy、θz)构成位置信息D。能够以球体62的中心点为原点O，依次算出关节J3的中心点P1相对于原点O的坐标和矢量V1、关节J4的中心点P2相对于中心点P1的坐标和矢量V2、关节J5的中心点P3相对于中心点P2的坐标和矢量V3、前端部T相对于中心点P3的坐标和矢量V4，从而求出前端部T的坐标。另外，通过算出前端部T的矢量V4，也能够算出焊炬头22的角度(焊炬角度)。该矢量V4的数据也构成位置信息D。

三维输入输出装置6不仅能够将前端部T的坐标和矢量V4(位置信息D)的数据输出给控制装置5，相反当从控制装置5输入前端部T的坐标或焊炬角度的数据时，能够使前端部T强制性地移动到适合该位置信息D的位置上。另外，根据三维输入输出装置6的种类，有时无法输入焊炬角度的数据，但是在本实施方式中，至少能从外部输入前端部T的坐标即可。

焊炬在将焊线送出的同时使之熔化而焊接母材，所以焊线突出量在焊接作业中是重要的参数。因此，如图2(b)所示，在本实施方式中，焊炬头22的前端部T与显示器3的分隔距离g当作对焊线突出量进行模拟而处理。即，位置信息D包含操作单元2的前端部T的坐标(前端坐标)，控制装置5根据前端坐标算出显示器3与操作单元2的分隔距离g，分隔距离g当作对焊线突出量进行模拟而进行预定的处理(焊道图像和焊接音的输出)。

例如如图2(b)所示，若将分隔距离g满足15mm≤g＜20mm的条件的情况作为适当范围，则能够将10mm≤g＜15mm的范围识别为过小范围，将0mm≤g＜10mm的范围识别为接触范围，将20mm≤g＜25mm的范围识别为过大范围，将25mm≤g的范围识别为错误范围。另外，分隔距离g的数值根据焊接方式(角焊、对焊等)、母材、焊线的原材料的种类等的条件而适当设定。

在分隔距离g处于适当范围的情况下，控制装置5例如使图3(a)所示的焊道图像B显示于显示器3。焊道宽度Br被设定为模拟进行了适当焊接的情况所得的数值(例如7mm左右)，熔池C以适当颜色(色彩或色调)例如白色进行显示。在熔池C的大致中央部显示投影了前端部T所得的目标点A。即，控制装置5使将前端坐标投影到显示器3上所得的目标点A显示于显示器3上。通过在显示器3上显示该目标点A，即使焊线实际上不从操作单元2突出，也能够容易地掌握焊线的前端位于哪个边上，能够模拟接近实际的焊接的状态。

在分隔距离g处于过小范围的情况下，控制装置5例如使图3(b)所示的焊道图像B显示于显示器3。焊道宽度Bn显示得比适当的焊道宽度Br窄，可以随着分隔距离g的数值变小而将焊道宽度Bn显示得越窄。另外，由于示出分隔距离g不处于适当范围内，所以熔池C由红色等醒目色显示。

在分隔距离g处于过大范围的情况下，控制装置5例如使图3(c)所示的焊道图像B显示于显示器3。焊道宽度Bw显示得比适当的焊道宽度Br宽，可以随着分隔距离g的数值变大而将焊道宽度Bw显示得越宽。另外，由于示出分隔距离g不处于适当范围内，所以熔池C由红色等醒目色显示。

例如在操作单元2的操作中分隔距离g以适当范围→过小范围→过大范围发生了变化的情况下，如图3(d)所示，焊道图像B以在适当范围具有适当的焊道宽度Br、在过小范围具有比适当的焊道宽度Br窄的焊道宽度Bn、在过大范围具有比适当的焊道宽度Br宽的焊道宽度Bw的方式在显示器3上连续地显示。另外，控制装置5可以根据时间的经过而使焊道图像B的颜色变化。例如，以随着焊道从熔池C远离而从淡灰色向浓灰色变化的方式设定。通过这样的处理，能够模拟接近实际的焊接的状态。

控制装置5例如是具有CPU(中央运算处理装置)、RAM、ROM等存储器、硬盘等的计算机(个人计算机)。存储装置7可以是内设于控制装置5的HDD(硬盘驱动器)，也可以是外置的HDD。

控制装置5具有能够选择如下模式的程序：记录模式，使对操作单元2进行了操作的位置信息D存储于存储装置7中；计分模式，与存储于存储装置7中的模拟了适当的焊接作业的位置信息Db进行比较而进行评价；自学模式，与存储于存储装置7中的模拟了适当的焊接作业的位置信息Db进行比较而对三维输入输出装置6输入适当的位置信息Db并施加反力；模拟模式，将存储于存储装置7中的模拟了适当的焊接作业的位置信息Db输入到三维输入输出装置6而再现操作单元2的适当的动作；及再生模式，基于存储于存储装置7中的位置信息D来选择并输出焊道图像B和焊接音的种类。

在此，图4是记录模式的流程图，图5是计分模式的流程图，图6是自学模式的流程图，图7是模拟模式的流程图。以下，说明各流程图。

图4所示的记录模式具有：选择记录模式的模式选择工序(步骤1)、开始操作单元2的前端部T的位置信息D的存储的记录开始工序(步骤2)、算出构成所记录的位置信息D的记录数据(前端坐标、焊炬坐标、焊线突出量)的数据计算工序(步骤3)、判定焊线突出量为哪种程度的焊线突出量判定工序(步骤4)、基于焊线突出量来模拟描绘焊接状态的描绘工序(步骤5)、根据时间经过使焊道图像B的颜色变化的经时描绘工序(步骤6)、判定是否经过了所设定的记录时间的时间判定工序(步骤7)、在满足预定的条件的情况下进行错误显示或停止焊道图像B的描绘的错误显示工序(步骤8)、结束记录数据的计算的计算结束工序(步骤9)、将记录数据保存于存储装置7中的记录工序(步骤10)、结束记录模式的模式结束工序(步骤11)。

模式选择工序(步骤1)是从显示于显示器3的画面上的程序操作画面选择记录模式的工序。模式的选择可以是由手指等直接接触画面的触屏传感器式，也可以是利用鼠标、指示器等输入单元的输入方式。另外，也可以在模式选择之前，当模拟朝下的焊接的情况下，将作业台11保持成水平状态，当模拟立向或横向的焊接的情况下，将作业台11变更为铅垂状态。

记录开始工序(步骤2)是信号指示记录数据的计算开始的工序。可以在记录开始时由自己按压开始按钮，也可以在从模式选择经过了一定的时间后自动开始记录。在记录开始工序(步骤2)中，学生手持三维输入输出装置6的操作单元2，将焊炬头22携至焊接的模拟开始位置。

数据计算工序(步骤3)中，算出前端部T的坐标(前端坐标)、焊炬头22的角度(焊炬角度)、分隔距离g(焊线突出量)作为操作单元2的位置信息D。如上所述，前端坐标和焊炬角度能够根据三维输入输出装置6的动作求出，焊线突出量能够根据分隔距离g求出。

焊线突出量判定工序(步骤4)具有判定焊线突出量(分隔距离g)是在适当范围内(步骤41)、还是在过大范围内(步骤42)、还是在过小范围内(步骤43)、还是在接触范围内(步骤44)的工序。并且，当焊线突出量处于适当范围内的情况下转移到焊道的正常描绘(步骤51)，当焊线突出量处于过大范围内的情况下转移到焊道的过大描绘(步骤52)，当焊线突出量处于过小范围内的情况下转移到焊道的过小描绘(步骤53)，当焊线突出量处于接触范围内的情况下转移到焊道的接触描绘(步骤54)。在焊线突出量不属于任一范围的情况下转移到错误显示工序(步骤8)。

描绘工序(步骤5)是包含上述的焊道的正常描绘(步骤51)、焊道的过大描绘(步骤52)、焊道的过小描绘(步骤53)和焊道的接触描绘(步骤54)的工序。在正常描绘(步骤51)中例如焊道宽度显示为适当值(焊道宽度Br)，熔池C显示为白色，焊接音输出正常音。在过大描绘(步骤52)中，例如焊道宽度显示为过大值(焊道宽度Bw)，熔池C显示为红色，焊接音输出异常音(比正常音长的音、比正常音高的音等)。在过小描绘(步骤53)中，例如焊道宽度显示为过小值(焊道宽度Bn)，熔池C显示为红色，焊接音输出异常音(比正常音短的音、比正常音低的音等)。在接触描绘(步骤54)中，例如焊道宽度显示为最小值(焊道宽度Bn的最小值)，熔池显示为黄色，焊接音输出异常音(接触音)。另外，关于正常音、异常音和接触音，可以使用实际的焊接音的录音，也可以使用模拟了实际焊接音的声音。

经时描绘工序(步骤6)是与实际的焊接同样地根据时间经过而使焊道颜色变化的工序。例如，焊道图像B以随着时间的经过从熔池C的颜色(白色、红色或黄色)变化为淡灰色、且逐渐变化为浓灰色的方式进行显示。从淡灰色到浓灰色的变化可以以渐变显示的方式连续地变化，也可以固定为几个阶段的变化。

时间判定工序(步骤7)是判定是否到达预先设定的记录时间的工序。记录时间可以是一律相同的时间(例如2～3分钟左右)，也可以从预先设定的记录时间(例如1分钟、2分钟、3分钟、5分钟等)选择，也能够由自己输入任意时间。

错误显示工序(步骤8)是表示当在焊线突出量判定工序(步骤4)中不属于任一分区的情况即模拟焊接作业的准备尚未完备的情况或设备发生故障的情况的工序。当相当于错误显示工序(步骤8)的情况下，为了结束记录模式，例如转移到计算结束工序(步骤9)。

计算结束工序(步骤9)是在经过了预定的记录时间后结束记录数据的计算处理的工序。通过该工序，操作单元2的前端坐标的输出结束，所以之后即使操作单元2返回到收纳位置，伴随该操作的前端坐标也不会输入到控制装置5。在未经过预定的记录时间的情况下，返回到数据计算工序(步骤3)，反复进行步骤3～6的处理。

记录工序(步骤10)是将通过数据计算工序(步骤3)算出的记录数据(前端坐标、焊炬角度、焊线突出量)保存于存储装置7中的工序。数据的记录例如每隔0.05秒进行。因此，在数据计算工序(步骤3)中至少每隔0.05秒算出记录数据(前端坐标、焊炬角度、焊线突出量)。

模式结束工序(步骤11)是在记录数据的保存结束后返回到初始状态的工序。在上述的记录模式中，存储装置7存储模拟了适当的焊接作业的操作单元2的前端部T的位置信息Db即基准数据(例如焊线突出量(分隔距离g)的适当范围等)，控制装置5将对操作单元2进行了操作时的位置信息D与基准数据进行比较，在差超过容许值的情况下(例如焊线突出量(分隔距离g)的过大范围、过小范围、接触范围等)，使显示于显示器3上的焊道图像B的宽度或熔池C的颜色及从扬声器4输出的焊接音的长度或音程变化。

基准数据的登录可以对控制装置5的数据库直接输入数值，也可以利用记录模式从熟练作业者或老师的模拟焊接作业取得基准数据。另外，在上述的说明中，仅使用了焊线突出量(分隔距离g)作为基准数据，但是关于焊炬角度，也可以输入基准数据，并与模拟后的操作单元2的位置信息D进行比较，在差超过容许值的情况下，发出警告音，或变更焊道图像B的颜色(例如蓝色、绿色等)。

根据上述的本实施方式的焊接技能教育支援装置1，通过三维输入输出装置6取得并记录模拟焊炬的操作单元2的位置信息D，并且输出与位置信息D对应的图像和声音，从而能够容易地模拟焊接环境。另外，根据显示于显示器3上的图像、从扬声器4输出的声音，即使是学生一人的自学也能够活用视觉和听觉来进行焊接作业的教育。

另外，通过记录位置信息D，能够在事后在任意时间再现学生进行的模拟焊接作业，能够容易地再生图像和声音，即使在实际的模拟作业时老师不跟随，也能够在事后对各学生单独进行指导。另外，通过与基准数据进行比较，能够通过图像、声音对学生提醒注意或由自己确认自己的焊接作业。

另外，根据本实施方式的焊接技能教育支援装置1，不仅初学者，中坚分子或熟练作业者也通过利用本装置而能够容易地掌握自身的缺陷，能够矫正该缺陷。

图5所示的计分模式具有：选择计分模式的模式选择工序(步骤1)、进行焊接条件的设定的条件设定工序(步骤12)、开始操作单元2的前端部T的位置信息D的存储的记录开始工序(步骤2)、算出构成所记录的位置信息D的记录数据(前端坐标、焊炬角度、焊线突出量、焊接速度)的数据计算工序(步骤3)、判定焊接轨道是否适当的轨道判定工序(步骤13)、判定焊炬角度是否适当的角度判定工序(步骤14)、判定焊线突出量为哪种程度的焊线突出量判定工序(步骤4)、基于焊线突出量来模拟描绘焊接状态的描绘工序(步骤5)、根据时间经过使焊道图像B的颜色变化的经时描绘工序(步骤6)、判定焊接速度是否适当的速度判定工序(步骤15)、判定是否经过了所设定的记录时间的时间判定工序(步骤7)、在满足预定的条件的情况下进行错误显示或停止焊道图像B的描绘的错误显示工序(步骤8)、结束记录数据的计算的计算结束工序(步骤9)、将记录数据保存于存储装置7中的记录工序(步骤10)和结束记录模式的模式结束工序(步骤11)。在此，关于步骤1～步骤11的工序，由于与上述记录模式实质上是相同的工序，所以省略详细说明。

条件设定工序(步骤12)是设定焊接姿势、焊接方式、行进方向等焊接条件并存储于存储装置7中的工序。焊接姿势例如被设定为朝下、立向、横向等中的任一个。焊接方式例如可以被设定为角焊、对焊等中的任一个，另外能够选择直线运条法或横摆运条法。行进方向被设定为前进(使焊炬向右倾斜时向左方进行焊接的情况)、后退(使焊炬向右倾斜时向右方进行焊接的情况)、上行(使焊炬向下倾斜时向上方进行焊接的情况)、下行(使焊炬向下倾斜时向下方进行焊接的情况)等中的任一个。

轨道判定工序(步骤13)是根据操作单元2的前端部T的坐标(前端坐标)判定焊接轨道是否笔直的工序。例如计算某个前端坐标从最初的前端坐标或前一个前端坐标相对于行进方向偏离几％，例如在偏离10％以上的情况下视作未适当地进行焊接作业，计入减分对象。这时，可以根据偏移量(％)或偏移的时间长度等变更减分的分配。

角度判定工序(步骤14)是根据操作单元2的前端部T的矢量V4判定焊炬角度是否适当的工序。焊炬角度中，除了例如前进角、后退角、上行角、下行角等之外，也能够利用向近前侧或内侧倾斜的倾斜角作为判定材料。在焊炬角度相对于适当的焊炬角度例如偏离10％以上的情况下，视作未适当地进行焊接作业，计入减分对象。这时，可以根据偏移量(％)或偏移的时间长度等变更减分的分配。

速度判定工序(步骤15)是根据操作单元2的前端部T的坐标(前端坐标)判定焊接速度是否适当的工序。操作单元2的前端坐标例如以0.05秒间隔取得，所以若计算前端坐标的移动量，则能够容易地算出焊接速度。焊接速度例如在从适当值偏离10％以上的情况下视作未适当地进行焊接作业，计入减分对象。这时，可以根据偏移量(％)或偏移的时间长度等变更减分的分配。

在上述计分模式中，控制装置5将对操作单元2进行了操作时的位置信息D与基准数据进行比较，计测差超过容许值的次数并进行计分。在基准数据的登录中可以在控制装置5的数据库中进行数值输入，也可以在基准数据未登录的状态下由熟练的作业者或老师以预定的记录模式进行模拟，从而取得基准数据。另外，在模式结束工序(步骤11)中，可以将上述的减分进行加算，将最终的评价分数显示于显示器3上。

因此，根据具有上述计分模式的焊接技能教育支援装置1，与基准数据进行比较，从而能够容易地对学生的模拟焊接作业进行计分，能够通过计分而客观地进行评价，也能够促进学生设定目标或鼓励士气。

图6所示的自学模式是上述的轨道判定工序(步骤13)、角度判定工序(步骤14)和速度判定工序(步骤15)中的处理不同的模式，将自学模式中的这些工序显示为轨道判定工序(步骤13′)、角度判定工序(步骤14′)和速度判定工序(步骤15′)。

轨道判定工序(步骤13′)是根据操作单元2的前端部T的坐标(前端坐标)判定焊接轨道是否笔直的工序。例如计算某个前端坐标从最初的前端坐标或前一个前端坐标相对于行进方向偏离几％，例如在偏离10％以上的情况下视作未适当地进行焊接作业，进行轨道校正。具体而言，控制装置5计算符合适当的焊接轨道的前端坐标，将其数值输入到三维输入输出装置6，从而使操作单元2的前端部T的位置强制性地移动。因此，对于进行模拟焊接作业的学生，经由三维输入输出装置6施加反力，直接地矫正焊接作业。

角度判定工序(步骤14′)是根据操作单元2的前端部T的矢量V4判定焊炬角度是否适当的工序。在焊炬角度相对于适当的焊炬角度例如偏离10％以上的情况下，视作未适当地进行焊接作业，进行角度校正。具体而言，控制装置5计算符合适当的焊炬角度的焊炬角度，将其数值输入到三维输入输出装置6，从而使操作单元2的前端部T的角度强制性地变更。因此，对于进行模拟焊接作业的学生，经由三维输入输出装置6施加反力，直接地矫正焊接作业。

另外，在对于该焊炬角度无法从控制装置5输入数值的情况下，可以从角度校正变更为注意劝告。关于焊炬角度的注意劝告，例如可以在显示器3上以颜色或文字显示焊炬角度不是适当值这一情况，也可以从扬声器4输出报告焊炬角度不是适当值这一情况的声音，也可以通过对其他关节等输入数值而对三维输入输出装置6施加较大的反力、振动。

速度判定工序(步骤15′)是根据操作单元2的前端部T的坐标(前端坐标)判定焊接速度是否适当的工序。焊接速度例如在从适当值偏离10％以上的情况下视作未适当地进行焊接作业，进行速度校正。具体而言，控制装置5计算符合适当的焊接速度的前端坐标，将其数值输入到三维输入输出装置6，从而使操作单元2的前端部T的位置强制性地移动。因此，对于进行模拟焊接作业的学生，经由三维输入输出装置6施加反力，直接地矫正焊接作业。

在上述自学模式中，控制装置5将对操作单元2进行了操作时的位置信息D与基准数据进行比较，在差超过容许值的情况下对三维输入输出装置6输出信号以使操作单元2的前端部T与基准数据一致。

因此，根据具有上述的自学模式的焊接技能教育支援装置1，通过与基准数据进行比较，能够容易地掌握相对于适当值的偏移，通过对三维输入输出装置6施加反力，能够利用力觉来矫正焊接作业。即，若事先准备适当的基准数据，则即使没有老师在场也能够由学生一个人自学，能够在任意时间接受焊接作业的教育，便利性和效率性优良。

图7所示的模拟模式具有：选择模拟模式的模式选择工序(步骤1)、进行焊接条件的设定的条件设定工序(步骤12)、开始焊接作业的模拟(示范)的模拟开始工序(步骤16)、再生记录数据(前端坐标、焊炬角度、焊线突出量、焊接速度)的数据再生工序(步骤17)、判定焊炬角度是否适当的角度判定工序(步骤14′)、根据时间经过而使焊道图像B的颜色变化的经时描绘工序(步骤6)、判定是否经过了设定的模拟时间的时间判定工序(步骤7′)及结束模拟模式的模式结束工序(步骤11)。

模拟开始工序(步骤16)是信号指示记录数据的再生开始的工序。当模拟再生开始时，可以由自己按压开始按钮，也可以从模式选择经过了一定的时间后自动开始模拟再生。在模拟开始工序(步骤16)中，三维输入输出装置6的操作单元2通过来自控制装置5的数据输入自动地移动到预定的位置。另外，操作单元向模拟开始位置的移动可以由学生进行。

数据再生工序(步骤17)是基于预先存储于存储装置7中的基准数据来自动再生操作单元2的工序。基准数据的登录可以将数值直接输入到控制装置5的数据库，也可以利用记录模式从熟练作业者或老师的模拟焊接作业取得基准数据。

在此，在三维输入输出装置6能够再生焊炬角度的情况下，也可以省略角度判定工序(步骤14′)。在三维输入输出装置6无法再生焊炬角度的情况下，插入仅计算焊炬角度的数据计算工序，与自学模式同样地，可以根据该计算结果，与基准数据进行比较，进行角度校正或注意劝告。

根据上述模拟模式，只要预先准备模拟了适当的焊接作业的基准数据，则能够通过三维输入输出装置6容易地再现焊接轨道、焊炬角度、焊接速度等，学生仅通过把持操作单元2就能够体验适当的焊接作业。

另外，由于根据三维输入输出装置6而存在个体差异，所以需要在实施上述各模式之前或在导入焊接技能教育支援装置1时事先进行原点调整。例如在显示器3上显示预定的原点调整用点，使该原点调整用点与操作单元2的前端部T对齐或抵接，从而进行原点调整。另外，也可以利用多个原点调整用点进行原点调整。

本发明不限于上述实施方式，三维输入输出装置6不限于图示的结构，不限于平面焊接而也可以模拟配管焊接等，在不脱离本发明的主旨的范围内能够进行各种变更，这是不言而喻的。

附图标记说明

1 焊接技能教育支援装置

2 操作单元

3 显示器

4 扬声器

5 控制装置

6 三维输入输出装置

7 存储装置

Claims (7)

1.一种焊接技能教育支援装置，对以下的焊接作业的教育进行支援：使焊炬接近母材的表面，将焊线送出并使之熔化而焊接所述母材，所述焊接技能教育支援装置的特征在于，具有：

操作单元，模拟所述焊炬；

显示器，模拟所述母材；

扬声器，输出模拟了所述焊接作业的焊接音；

控制装置，将在使所述操作单元在所述显示器上移动时的与所述操作单元的动作对应的焊道的图像显示于所述显示器，并且使与所述操作单元的动作对应的焊接音从所述扬声器输出；

三维输入输出装置，保持所述操作单元并且能够输入输出所述操作单元的前端部的位置信息；及

存储装置，存储所述位置信息，

所述控制装置基于对所述操作单元进行操作而由所述三维输入输出装置输出的所述位置信息来选择并输出所述焊道的图像和所述焊接音的种类，

所述存储装置存储模拟了适当的焊接作业的所述操作单元的前端部的位置信息即基准数据，所述控制装置将对所述操作单元进行了操作时的所述位置信息与所述基准数据进行比较，在差超过容许值的情况下，使显示于所述显示器的所述焊道的宽度或熔池的颜色及从所述扬声器输出的所述焊接音的长度或音程变，

所述控制装置将对所述操作单元进行了操作时的所述位置信息与所述基准数据进行比较，在差超过容许值的情况下，对所述三维输入输出装置输出信号以使所述操作单元的前端部与所述基准数据一致。

2.根据权利要求1所述的焊接技能教育支援装置，其特征在于，

所述控制装置将对所述操作单元进行了操作时的所述位置信息与所述基准数据进行比较，计测差超过容许值的次数并进行计分。

3.根据权利要求1所述的焊接技能教育支援装置，其特征在于，

所述位置信息包含所述操作单元的前端坐标，所述控制装置根据所述前端坐标而算出所述显示器与所述操作单元的分隔距离，该分隔距离当作对焊线突出量进行模拟而选择并输出所述焊道的图像和所述焊接音的种类。

4.根据权利要求3所述的焊接技能教育支援装置，其特征在于，

所述控制装置将在所述显示器上投影所述前端坐标所得的目标点显示于所述显示器上。

5.根据权利要求1所述的焊接技能教育支援装置，其特征在于，

所述控制装置可选择地具有：记录模式，使对所述操作单元进行了操作的位置信息存储于所述存储装置中；计分模式，与存储于所述存储装置中的模拟了适当的焊接作业的位置信息进行比较而进行评价；自学模式，与存储于所述存储装置中的模拟了适当的焊接作业的位置信息进行比较而对所述三维输入输出装置输入适当的位置信息并施加反力；模拟模式，将存储于所述存储装置中的模拟了适当的焊接作业的位置信息向所述三维输入输出装置输入而再现所述操作单元的适当的动作；及再生模式，基于存储于所述存储装置中的所述位置信息来选择并输出所述焊道的图像和所述焊接音的种类。

6.根据权利要求1所述的焊接技能教育支援装置，其特征在于，

所述控制装置根据时间的经过而使所述焊道的颜色变化。

7.根据权利要求1所述的焊接技能教育支援装置，其特征在于，

至少具有具备所述操作单元、所述显示器和所述三维输入输出装置的作业台及支撑该作业台的支撑台，所述作业台以能够变更所述显示器的角度的方式配置于所述支撑台。