JP2011167756A - 手溶接訓練システム及び手溶接訓練方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接作業者の技能レベルに応じた手溶接訓練を行うことが可能な手溶接訓練システム及び手溶接訓練方法を提供する。
【解決手段】手溶接訓練システムは、溶接操作パラメータが予め設定された目標値となるように制御するトレース訓練部２１と、溶接訓練者による溶接トーチ１１での溶接操作中に、溶接操作パラメータの制御を行わない状態で、溶接操作パラメータを測定する自力訓練部２２と、測定結果に基づいて溶接訓練者の技能レベルを評価する評価部３１と、溶接訓練者による溶接トーチ１１での溶接操作中に、評価結果に応じて溶接操作パラメータの全部又は一部を目標値となるように制御する手溶接支援部２３とを備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、手溶接の訓練を行うための手溶接訓練システム及び手溶接訓練方法に関する。

近年におけるＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接等の溶接技術は、自動化が進む一方で（例えば特許文献１参照）、細かい部分や複雑な形状の溶接等、自動化が困難な溶接に関しては、依然として熟練溶接士の手溶接に依存している。海外等の遠隔地において熟練溶接士が不在等で熟練度の低い溶接作業員を指導できない場合に、手溶接の品質管理や熟練度の低い溶接作業員の訓練が課題になっている。

特許文献２には、熟練溶接士の溶接技能を経験の浅い溶接士に承継させるために、熟練溶接士の施工挙動を監視カメラで撮影し、撮影した映像から溶加棒の送給速度や送給量の時間的推移、溶加棒の送給挙動やトーチ運棒の挙動に伴って変化する溶融池の形状等の変化を分析し、撮影した映像や分析結果を表示する手溶接作業分析装置が記載されている。

また、特許文献３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及びその溶接施工作業中の溶接作業員の挙動に関するデータをＣＣＤカメラ、位置・方位センサ等で計測し、これらの計測されたデータから溶接施工中の溶接状態の特徴量を抽出し、当該抽出された特徴量に基づいて手溶接の良否を判定し、当該判定結果及び溶接状態の推移に関する情報を表示する手溶接支援装置が記載されている。

特開平８−２６７２４２号公報 特開２００６−２８１２７０号公報 特開２００１−７１１４０号公報

しかしながら、特許文献２及び３のように、熟練溶接士や溶接作業員の溶接作業時の挙動を分析して映像や分析結果を表示しただけでは、熟練度の低い溶接作業員の溶接技能の向上は困難である。熟練溶接士が不在の海外等の遠隔地においても、溶接作業員の技能レベルに合わせて手溶接訓練を行い、溶接の品質を保つことが望まれる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、溶接作業者の技能レベルに応じた手溶接訓練を行うことが可能な手溶接訓練システム及び手溶接訓練方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る手溶接訓練装置は、溶接トーチと該溶接トーチを載置した走行台車とを備え、前記溶接トーチの姿勢と移動速度とを含む溶接操作パラメータを制御可能な手溶接訓練システムであって、前記溶接操作パラメータが予め設定された目標値となるように制御するトレース訓練手段と、溶接訓練者による前記溶接トーチでの溶接操作中に、前記溶接操作パラメータの制御を行わない状態で、前記溶接操作パラメータを測定する自力訓練手段と、前記自力訓練手段による測定結果に基づいて前記溶接訓練者の技能レベルを評価する評価手段と、前記溶接訓練者による前記溶接トーチでの溶接操作中に、前記評価手段による評価結果に応じて前記溶接操作パラメータの全部又は一部を目標値となるように制御する手溶接支援手段とを備えたことを特徴とする。

上記構成によれば、手溶接訓練装置は、溶接訓練者に自動運転による手溶接訓練を行わせた後に自力で訓練を行わせ、自力で訓練している時の測定結果に基づいて溶接訓練者の技能レベルを評価し、評価された技能レベルに応じて溶接操作パラメータの全部又は一部を目標値となるように制御するため、溶接訓練者の技能レベルに応じた手溶接訓練を行うことができる。

また、上記構成において、前記目標値は、溶接指導者による前記溶接トーチでの溶接操作時の測定結果であることを特徴とする。
このような構成とすれば、目標値を容易に取得し手溶接訓練装置に設定することができる。

また、上記構成において、前記自力訓練手段は、さらに溶融池周辺の映像を撮影することを特徴とする。
この構成によれば、撮影した映像を分析することで、溶接訓練者の技能レベルを評価することができる。

また、上記構成において、前記評価手段は、前記自力訓練手段により取得された測定結果に加え、前記撮影された映像に基づいて、前記溶接訓練者の技能レベルを評価することを特徴とする。
上記構成によれば、溶接操作パラメータの測定結果と溶融池周辺の映像とに基づいて、総合的に溶接訓練者の技能レベルを評価することができる。

また、手溶接訓練装置は、トレース訓練手段のみを備えていてもよいし、トレース訓練手段と自力訓練手段のみを備えていてもよいし、トレース訓練手段と自力訓練手段と評価手段のみを備えていてもよい。

また、本発明に係る手溶接訓練方法は、溶接トーチと該溶接トーチを載置した走行台車とを備え、前記溶接トーチの姿勢と移動速度とを含む溶接操作パラメータを制御可能な手溶接訓練装置を利用して、溶接訓練者の溶接訓練を行う溶接訓練方法であって、前記溶接操作パラメータが予め設定された目標値となるように制御するトレース訓練ステップと、溶接訓練者による前記溶接トーチでの溶接操作中に、前記溶接操作パラメータの制御を行わない状態で、前記溶接操作パラメータを測定する自力訓練ステップと、前記自力訓練ステップにおける測定結果に基づいて前記溶接訓練者の技能レベルを評価する評価ステップと、前記溶接訓練者による前記溶接トーチでの溶接操作中に、前記評価ステップにおける評価結果に応じて前記溶接操作パラメータの全部又は一部を目標値となるように制御する手溶接支援ステップとを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、手溶接訓練装置は、溶接訓練者に自動運転による手溶接訓練を行わせた後に自力で訓練を行わせ、自力で訓練している時の測定結果に基づいて溶接訓練者の技能レベルを評価し、評価された技能レベルに応じて溶接操作パラメータの全部又は一部を目標値となるように制御するため、溶接訓練者の技能レベルに応じた手溶接訓練を行うことができる。

本発明の実施形態に係る手溶接訓練システムの全体構成を摸式的に示す図である。 同実施形態に係る手溶接訓練システムの全体構成を示すブロック図である。 同実施形態に係る手溶接訓練装置の側面図である。 同実施形態に係る手溶接訓練システムにおいて行われる手溶接訓練手順を示すシーケンス図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る手溶接訓練システム１の全体構成を摸式的に示す図であり、図２は手溶接訓練システム１の全体構成を示すブロック図である。これらの図に示すように、手溶接訓練システム１は、日本国外等の現地に設置されたる手溶接訓練装置１０と、検出・制御装置２０と、日本国内の管理部署に設置されたパーソナルコンピュータ（以下「ＰＣ」という）３０と、を備えている。検出・制御装置２０とＰＣ３０とは、インターネット等の通信網４０を介して通信可能に接続されている。手溶接訓練装置１０は、検出・制御装置２０とケーブル１９で接続されている。

図３は手溶接訓練装置１０の側面図である。手溶接訓練装置１０は、図１及び図３に示すように、溶接トーチ１１と、溶接対象物１２と、溶接対象物１２の上に載置されたガイドレール１３と、ガイドレール１３上を走行する走行台車１４と、走行台車１４上に溶接トーチ１１を固定・支持する溶接トーチ支持部１５と、走行台車１４上に設置された監視カメラ１６と、溶接トーチにケーブル１７を介して電力を供給する溶接電源１８とを備えている。溶接トーチ支持部１５は、トーチ角度制御機構１０１及びトーチ高さ制御機構１０２を備えており、検出・制御装置２０からの溶接トーチ１１の姿勢（高さ、前進角、後退角）を制御及び検出する。走行台車１４には、図示せぬ速度検出センサ、車輪、及び、車輪を駆動する走行台車制御機構１０３としてのモータが設けられている。監視カメラ１６は、カメラ制御機構１０４及び図示せぬレンズを備えており、溶接時に生じるアークや溶接対象物１２上に生じる溶融池付近を撮影し、当該撮影した画像データを検出・制御装置２０に送信する。

検出・制御装置２０は、ハードウェア構成として、ＣＰＵと、プログラムやデータを記憶するメモリと、通信インターフェースとを備えている。ＣＰＵがメモリに記憶されているプログラムに従って処理を実行することにより、図４に示す機能構成が検出・制御装置２０に実現される。

トレース訓練部２１は、溶接トーチ１１の姿勢及び溶接速度が予め設定された目標値となるように制御する。以下、溶接トーチ１１の前進角、後退角、溶接速度等の、溶接トーチ１１を操作して溶接を行う際の溶接トーチ１１に関するパラメータを「溶接操作パラメータ」という。

自力訓練部２２は、溶接訓練者による溶接トーチ１１での溶接操作中に、溶接操作パラメータの制御を行わない状態で溶接操作パラメータを測定するとともに、溶融池周辺の映像を撮影する。具体的には、自力訓練部２２は、溶接訓練者が溶接トーチ１１で溶接操作を行っている時に、手溶接訓練装置１０のトーチ角度制御機構１０１、トーチ高さ制御機構１０２、走行台車制御機構１０３から送信されてくる溶接操作パラメータの測定値と、カメラ制御機構１０４から送信されてくる画像信号とを受信し、当該溶接操作パラメータと画像信号とをＰＣ３０に通信網４０を介して転送する。

手溶接支援部２３は、溶接操作パラメータの測定値をＰＣ３０に送信した後、ＰＣ３０から返信されてきた溶接訓練者の技能レベルの評価結果に応じて手溶接訓練装置１０に制御信号を送信する。これにより、溶接訓練者による溶接トーチ１１での溶接操作中に、溶接操作パラメータの全部又は一部が目標値となるように制御する。

モード切替部２４は、検出・制御装置２０に設けられた図示せぬスイッチを含んで構成され、当該スイッチが押下されることにより、トレース訓練部２１による制御と、自力訓練部２２による制御と、手溶接支援部２３による制御とを、相互に切り替える。

ＰＣ３０は、通信機能を備えたパーソナルコンピュータであり、ハードウェア構成として、ＣＰＵと、プログラムやデータが記憶されたメモリと、通信インターフェースとを備えている。ＣＰＵがメモリに記憶されたプログラムに従って処理を実行することにより、図２に示す評価部３１の機能がＰＣ３０に実現される。

評価部３１は、検出・制御装置２０から受信した溶接操作パラメータの測定値に基づいて、溶接訓練者の技能レベルを評価する。例えば、溶接速度、角度、高さの全ての溶接操作パラメータが目標値から予め設定された偏差値以上ずれていた場合には低技能者レベル１と評価し、溶接速度と高さのみが目標値から予め設定された偏差値以上ずれていた場合には低技能者レベル２と評価し、溶接速度のみが目標値から予め設定された偏差値以上ずれていた場合には中級者と評価する。評価部３１は、溶接操作パラメータの測定値に加えて、撮影された映像を分析することにより、溶接訓練者の技能レベルを総合的に評価することもできる。

なお、ＰＣ３０のディスプレイに映像と評価部３１により評価された溶接訓練者の技能レベルを表示し、管理者が表示された映像と技能レベルを参照して、評価部３１により評価された溶接訓練者の技能レベルを修正入力してもよい。或いは、ＰＣ３０のディスプレイに映像と溶接操作パラメータの測定値とを表示し、管理者がこれらを参照することにより溶接訓練者の技能レベルを評価し、評価結果をＰＣ３０に手入力してもよい。

また、ＰＣ３０には、管理者により溶接操作パラメータやその他の溶接条件の目標値が入力され、検出・制御装置２０に送信される。溶接操作パラメータの目標値は、模範となる溶接指導者が手溶接接訓練装置１０の溶接トーチ１１を操作している時の溶接操作パラメータを計測することにより、得ることができる。

次に、図４に示すシーケンス図を参照して、手溶接訓練システム１における手溶接訓練方法について説明する。
まず、モードがトレース訓練モードに設定されている場合について説明する。管理部署では、図示せぬ計測装置を用いて、模範となる溶接指導者が手溶接接訓練装置１０の溶接トーチ１１を操作している時の溶接操作パラメータを計測する。管理者は、計測した溶接操作パラメータをＰＣ３０に入力する。さらに、管理者は溶接電流及び溶接電圧の目標値を入力する。ＰＣ３０は、入力されたこれらのデータを溶接条件の目標値として、検出・制御装置２０に送信する（ステップＳ１）。

検出・制御装置２０のトレース訓練部２１は、溶接条件の目標値に応じた制御信号を手溶接訓練装置１０に送信する（ステップＳ２）。
溶接訓練者による溶接トーチ１１での溶接操作中に、手溶接訓練装置１０のトーチ角度制御機構１０１、トーチ高さ制御機構１０２、走行台車制御機構１０３、溶接電源１０５は、検出・制御装置２０から受信した制御信号に従い、自動運転する（ステップＳ３）。

次に、モードが自力訓練モードに設定され、溶接訓練者が自力で溶接操作を行う。この間、トーチ角度制御機構１０１、トーチ高さ制御機構１０２、走行台車制御機構１０３、カメラ制御機構１０４は、溶接トーチ１１が溶接訓練者によって操作されている時のトーチ姿勢、溶接速度、溶接電流・溶接電圧の計測を行い、映像を撮影する。手溶接訓練装置１０は、各制御機構１０１、１０２、１０３、１０４からの計測信号を検出・制御装置２０に送信する（ステップＳ４）。
検出・制御装置２０の自力訓練部２２は、手溶接訓練装置１０から受信した計測信号をＰＣ３０に転送する（ステップＳ５）。

ＰＣ３０の評価部３１は、計測信号で示される溶接操作パラメータの各計測値及び画像データに基づいて、溶接訓練者の技能レベルが低技能者レベル１、低技能者レベル２、中級者のうち何れに該当するかを評価し、評価結果をデータベースに記憶するとともに（ステップＳ６）、評価結果を検出・制御装置２０に送信する（ステップＳ７）。

検出・制御装置２０の手溶接支援部２３は、ＰＣ３０から受信した評価結果に応じた制御信号を手溶接訓練装置１０に送信する（ステップＳ８）。具体的には、手溶接支援部２３は、溶接訓練者が低技能者レベル１と評価された場合には、溶接速度、溶接トーチ１１の高さ及び角度が目標値となるように制御する制御信号を送信し、低技能者レベル２と評価された場合には溶接速度及び溶接トーチ１１の高さが目標値となるように制御する制御信号を送信し、中級者と評価された場合には溶接速度が目標値となるように制御する制御信号を送信する。

手溶接訓練装置１０は、モードが手溶接支援モードに設定されて溶接訓練者が溶接トーチ１１での溶接操作を開始すると、検出・制御装置２０から受信した制御信号に応じて、自動制御対象となる溶接操作パラメータが目標値となるように制御する（ステップＳ９）。具体的には、低技能者レベル１の場合には、走行台車制御機構１０３により溶接速度を制御し、トーチ角度制御機構１０１により溶接トーチ１１の角度を制御し、トーチ高さ制御機構１０２によりトーチ高さを制御する。低技能者レベル２の場合には、溶接速度及びトーチ高さを制御する。中級者の場合には、溶接速度のみを制御する。これにより、溶接訓練者は技能レベルに応じた支援を受けて溶接することができる。

以上説明したように、手溶接訓練装置１０は、溶接訓練者に溶接トーチ１１によるトレースの訓練を行わせた後に自力で訓練させ、自力で訓練している時の測定結果に基づいて溶接訓練者の技能レベルを評価し、評価された技能レベルに応じて溶接操作パラメータの全部又は一部を目標値となるように制御して溶接訓練者の手溶接支援を行うため、溶接作業者は技能レベルに応じて手溶接訓練を行うことができる。

なお、上述した実施形態における技能レベルや技能レベルに応じて自動制御する溶接操作パラメータは一例に過ぎず、溶接訓練者や用途に応じて適宜設定することができる。また、溶接対象物１２が配管等の円筒形のものであっても複雑な形状のものであっても手溶接システム１を適用できる。上述した実施形態における手溶接訓練システム１の装置構成は一例に過ぎず、例えば、手溶接訓練装置１０が、検出・制御装置２０の機能を備えていてもよいし、ＰＣ３０の評価部３１の機能を備えていてもよい。また、検出・制御装置２０が評価部３１の機能を備えていてもよいし、ＰＣ３０が検出・制御装置２０の機能を備えていてもよいし、検出・制御装置２０の機能が複数の装置に設けられていてもよい。
また、手溶接訓練システム１は、海外における手溶接訓練に限らず、国内の遠隔地における手溶接訓練にも利用することができる。

１………手溶接訓練システム、１０………手溶接訓練装置、１１………溶接トーチ、１２………溶接対象物、１３………ガイドレール、１４………走行台車、１５………溶接トーチ支持部、１６………監視カメラ、１７………ケーブル、１８………溶接電源、１９………ケーブル、１０１………トーチ角度制御機構、１０２………トーチ高さ制御機構、１０３………走行台車制御機構、１０４………カメラ制御機構、１０５………溶接電源、２０………検出・制御装置、２１………トレース訓練部、２２………自力訓練部、２３………手溶接支援部、２４………モード切替部、３０………パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、３１………評価部、４０………通信網。

Claims (9)

1. 溶接トーチと該溶接トーチを載置した走行台車とを備え、前記溶接トーチの姿勢と移動速度とを含む溶接操作パラメータを制御可能な手溶接訓練システムであって、
   前記溶接操作パラメータが予め設定された目標値となるように制御するトレース訓練手段と、
   溶接訓練者による前記溶接トーチでの溶接操作中に、前記溶接操作パラメータの制御を行わない状態で、前記溶接操作パラメータを測定する自力訓練手段と、
   前記自力訓練手段による測定結果に基づいて前記溶接訓練者の技能レベルを評価する評価手段と、
   前記溶接訓練者による前記溶接トーチでの溶接操作中に、前記評価手段による評価結果に応じて前記溶接操作パラメータの全部又は一部を目標値となるように制御する手溶接支援手段と
   を備えたことを特徴とする手溶接訓練システム。
2. 前記トレース訓練手段による制御と、前記自力訓練手段による制御と、前記手溶接支援手段による制御と、を相互に切り替えるモード切替手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の手溶接訓練システム。
3. 前記目標値は、溶接指導者による前記溶接トーチでの溶接操作時の測定結果であることを特徴とする請求項１又は２に記載の手溶接訓練システム。
4. 前記自力訓練手段は、さらに溶融池周辺の映像を撮影することを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の手溶接訓練システム。
5. 前記評価手段は、前記自力訓練手段により取得された測定結果に加え、前記撮影された映像に基づいて、前記溶接訓練者の技能レベルを評価することを特徴とする請求項４に記載の手溶接訓練システム。
6. 溶接トーチと該溶接トーチを載置した走行台車とを備え、前記溶接トーチの姿勢と移動速度とを含む溶接操作パラメータを制御可能な手溶接訓練システムであって、
   前記溶接操作パラメータが予め設定された目標値となるように制御するトレース訓練手段を備えたことを特徴とする手溶接訓練システム。
7. 溶接訓練者による前記溶接トーチでの溶接操作中に、前記溶接操作パラメータの制御を行わない状態で、前記溶接操作パラメータを測定する自力訓練手段をさらに備えたことを特徴とする請求項６に記載の手溶接訓練システム。
8. 前記自力訓練手段による測定結果に基づいて前記溶接訓練者の技能レベルを評価する評価手段とをさらに備えたことを特徴とする請求項７に記載の手溶接訓練システム。
9. 溶接トーチと該溶接トーチを載置した走行台車とを備え、前記溶接トーチの姿勢と移動速度とを含む溶接操作パラメータを制御可能な手溶接訓練装置を利用して、溶接訓練者の溶接訓練を行う溶接訓練方法であって、
   前記溶接操作パラメータが予め設定された目標値となるように制御するトレース訓練ステップと、
   溶接訓練者による前記溶接トーチでの溶接操作中に、前記溶接操作パラメータの制御を行わない状態で、前記溶接操作パラメータを測定する自力訓練ステップと、
   前記自力訓練ステップにおける測定結果に基づいて前記溶接訓練者の技能レベルを評価する評価ステップと、
   前記溶接訓練者による前記溶接トーチでの溶接操作中に、前記評価ステップにおける評価結果に応じて前記溶接操作パラメータの全部又は一部を目標値となるように制御する手溶接支援ステップと
   を備えたことを特徴とする手溶接訓練方法。