JP2014524840A - 溶接中の手動シーム追跡システム及び方法並びに溶接支援システム - Google Patents

Abstract

改善された手溶接のためのシステムが提供される。システムは、電極と加工片との固定の距離を維持するための新規なノズルと、溶接品質のフィードバックを提供するための光学センサ、温度センサ、超音波センサなどのようなセンサと、所望の溶接特徴に対する実際の溶接特徴（例えば速度、サイズ、位置など）を示すビデオ画面のようなインジケータとを含む。さらに、装置におけるアクチュエータは、溶接シームに垂直な、溶接シームに平行な、又はこの両方のいずれかの移動の制御を可能にする。例えば偏心軸が溶接ウィービング運動の自動化を可能にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶接している間に溶接者にフィードバックを提供するセンサに基づく溶接支援システムを含む溶接中のシーム追跡に関する。

アーク溶接は、電極と母材との間で電気アークを用いて溶接点で金属を溶融し又は他の方法で溶かして金属を接合する方法である。プロセスは、直流又は交流のいずれか、及び消耗可能電極又は非消耗可能電極を使用する。溶接領域は、一般に、あるタイプのシールドガス、蒸気、及び／又はスラグによって保護される。

溶接は多くの場合は手作業なので、多くの技能者がする際に或る程度の手先の器用さを必要とする関係するプロセスを巡る理論体系及び経験が増加した。溶接は、しばしば初心者にはやや難しいと考えられ、基礎的溶接スキルを習得するのに数十又は数百時間の経験が必要とされる。建設工事及び他の本職の溶接作業は、しばしば溶接免許を必要とし、これは溶接の学科、試験、同業組合会員（ｇｕｉｌｄ ｍｅｍｂｅｒｓｈｉｐ）、定期的な再試験などの証明を必要とする場合がある。

溶接は、関係する母材金属（単数又は複数）と同じくらい強いことがある（上手く行われたとき）又は構造的一体性を全く欠いていることがある（上手く行われなかったとき）ので、及び、さらに大きい建築要素及び重要な構造的役割が溶接に依拠する場合があるので、溶接品質は構造の一体性にとって重要である可能性がある。

関係する材料及び用いられる溶接プロセスの入熱に大きく依存して、溶接が溶接部の周囲の材料に対して悪影響を及ぼすことがある。所謂、熱影響域（ｈｅａｔ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｚｏｎｅ：ＨＡＺ）は、様々なサイズ及び強度である可能性があり、そのサイズ及び性質は、溶接速度、溶接電流、及び母材の熱拡散係数のような因子に依存する。溶接プロセスによる入熱量は、同様に重要な役割を果たし、アーク溶接は、２つの対極をなすレーザ溶接と酸素アセチレン溶接との間に入り、個々のプロセスは入熱において若干異なる。

溶接品質及びＨＡＺに影響する因子は、電流設定、アークの長さ、電極の角度、電極の操作、移動速度、及び適正なロッド又は溶加材の選択を含む。

これらの因子のそれぞれは、状況に応じて変わることがある。例えば、ガスシールドされる（別名、棒）溶接の場合、アーク長は電極の金属部分（コア）の直径を超えないべきである。電極の保持が近すぎると溶接電圧が低下する。これは、自己消火する又はロッドをフリーズさせる可能性がある異常なアークを発生させる、並びに高いクラウンをもつ溶接ビードを生じる可能性がある。過度に長いアーク（一般に電圧が高すぎることに起因する）は、スパッタ、低い溶着速度、アンダーカット、及び可能性のあるポロシティを生じる。

多くの初心者は、長すぎるアークで溶接し、（前述のように）過度のスパッタと共に粗いビードを生じ、これは溶解した金属の塊を含み、溶接中に飛び、母材上で冷えて粗いでこぼこの表面を形成する。熟練した溶接者は、ビードの外観を改善し、より細いビードを生じ、且つスパッタを最小にする、厳密に制御されたアーク長を含む非常に特殊な技術を用いる。この技量を得るには年数がかかることがあり、ビードは一般に見るのが難しい白色高温域であるので、及び冷えたビードがスラグ層で隠れるときには、プロセスの学習が、溶接者の技術品質のあらゆる即座のフィードバックの欠如によって妨げられる。ビードが冷えてスラグが剥がれ落ちた後にだけ、溶接者が該溶接者の技術の実際の結果を見ることくらいはできる。短かすぎるアークは、ロッドを棒にすることがある。溶融金属の長すぎる及び大きすぎる滴は、ロッドから滴り落ちることがあり、「ブロー」、及びスパッタする傾向がある。長いアークはまた、溶込みの乏しい不均等なビードを生じる。

低すぎるアンペア数は、打当てるのが困難な弱いアークを生じさせる。高すぎるアンペア数は、大きいクレータ、又は過度のスパッタを伴う平坦なビードを生じさせる。

ロッド角度は溶込みに影響する。１つの普通の溶接技術は、溶込みを増加させるためにロッドを接合部とほぼ垂直に保持することに関係するが、これはスラグを溶接部に捕捉させることがある。ロッドを平らに又は低く下げすぎることは、溶込みを少なくし、リップルを生じさせる。

速度は、溶着されるロッドの量及びビードの一様性に影響する。過度に高速の進行は溶込みの小さい薄いビードを生じ、一方、過度に低速の進行はビードを母材金属と重なる縁に蓄積させ、薄い金属では母材に穴が開く可能性がある。適正な進行速度は、所望の輪郭（又は「クラウン」）、幅、及び外観をもつ溶接ビードをもたらす。正しい輪郭を達成するために、溶接者は、アークが溶接池の上方１／３内にとどまるように進行速度を調節する。遅い進行速度は、溶込みの浅い、広い凸形のビードをもたらし、一方、過度に高い進行速度はまた、溶込みを減少させ、より細い及び／又は高いクラウンをもつビード、及びもしかするとアンダーカットを生じる。

事を複雑にする方へ、異なる状況毎に種々の技術が確立されてきた。例えば、水平位置及び頭上位置での溶接は、一般に「ドラッグ」又は「後進」技術を使用し、この場合、溶接者はツールを接合部に垂直に保持し、ツールを進行方向におよそ５〜１５度傾ける。垂直方向上向きの溶接では、溶接者は、「プッシュ」又は「前進」技術を使用して、ツールの頂部を進行方向から１５度傾ける。

より厚い材料上により広いビードを作製するために、溶接者は、電極を横方向に操作して、連続した一連の部分的に重なる円又は「Ｚ」形状、半円形、又はスタッターステップ（ｓｔｕｔｔｅｒ−ｓｔｅｐ）パターンを生じる。横方向の動きは、一般に電極コアの直径の２倍〜１／２に制限される。より広い面積をカバーするために、溶接者は複数のパス又は「ストリンガビード」を作製する。

垂直方向上方に溶接するときには、プッシュ技術が用いられる。溶接者は、ビードの遠い方の側を冷却させて、溶接たまりを現在位置に追い上げさせ、且つ側壁への確実な「留め付け（ｔｉｅ−ｉｎ）」を保障するために、各側で僅かに一時停止しなければならない。

当業者には明らかであるように、溶接者は溶接たまりの良好なビューを必ず必要とする。他の方法では、接合部における溶接、アークをたまりの前縁に保つこと、及び適正な熱量の使用を保証するのは難しくなる又は不可能となる。溶接プロセスによる煙の発生はまた、それを通した可視性の低下に起因して事を複雑にすることがある。

特別なアクティブヘルメットを入手していない初心者の溶接者がしばしば直面する１つの問題は、溶接が開始されるまで溶接者が作業を見ることができないほど溶接ヘルメットが高い遮光要因を有することである。したがって、溶接者は、一般にツールを加工片の近く、ヘルメットの近くに保持し、見えていない状態で溶接を開始し、溶接が開始されるまで指針として溶接者の固有受容感覚だけを頼りにしなければならない。

平面上の溶接では、ロッドは垂直から１０〜２０度の角度をなす及び矢印の方向に引かれるべきである。ロッドの角度は、スラグの上の溶接が溶接部における巻込みを引き起こすので望ましくない、スラグによるロッドの追い越しを防ぐ。

棒溶接の場合、ロッドは溶接が進むに伴いより短くなり、ロッドがより短くなるのに伴いアークの長さを減少させるための意識的な努力が必要である。過度のアーク長は不安定なアークにつながることがある。過度の熱及びアンダーカットは、よくある初心者の誤りである。

理解されるように、溶接者が彼の保持を継続的に適応させなければ、棒溶接に関するロッド長の変化もまたロッド角度に影響することになる。ロッドの角度はまた、溶接の長さにわたって維持されるべきである。これは結果的にスラグ巻込みを生じる又はアークを消すことがあるため、溶接が進むのに伴うリード角の減少を避けるには練習を要する。

当業者には明らかであるように、視覚フィードバックは、手の運行中にシームに追従することが重要である。溶接シームへの見通し線が必要であるため、ＭＩＧ／ＴＩＧのような種々の溶接技術と共に必要な場合があるアシストガスを送達するのに必要な器具を提供することは、この器具が溶接者の見通し線を遮ることがあるので難しい時がある。

プロセスに関係する高いレベルの手先の器用さに起因して、一般に、各溶接者は、多かれ少なかれ独自のスタイルで電極を操作する又はウィービングする。この技量を得るには年数がかかることがあり、プロセスの学習は、溶接者の技術品質のあらゆる即座のフィードバックの欠如によって妨げられる。

前述のように、多くの因子が重なり合って溶接分野の学習を特に難しくする。幾つかの条件において作業を見ることができないこと、速度、角度、及び他の因子に依存するビード特徴の厳密な制御が必要であること、及び異なる状況毎に様々な技術があることのすべてが溶接プロセスを複雑にする。

したがって、改善された溶接方法が依然として長年必要とされている。

本発明は、シームに沿って一貫した溶接を行う際に溶接者を支援する装置に関する。

本発明のこれらの付加的な及び／又は他の態様及び／又は利点は、以下の詳細な説明に記載され、詳細な説明から推察できる及び／又は本発明の実施によって学習できる可能性がある。

溶接装置であって、
溶接ビードのパラメータを感知するように適合された複数のセンサと、
前記センサの測定値をユーザに示すように適合された指示手段と、
を備え、

これにより、前記溶接ビードのパラメータに関するリアルタイムフィードバックが溶接者に提供される、
溶接装置を提供することは本発明の措置の範囲内である。

前記センサがアーク長を感知するように適合された距離センサを含むことはさらに本発明の措置の範囲内である。

前記センサが所定の所望の溶接ビード位置に対する溶接ビード位置を感知するように適合された位置センサを含み、前記位置センサが、前記溶接ビードに平行な方向の所望の溶接ビードからの距離、前記溶接ビードに垂直な方向の前記所望の溶接ビードからの距離からなる群から選択されたパラメータを感知することはさらに本発明の措置の範囲内である。

前記センサが前記溶接ビードの生成速度を測定するように適合された速度センサを含むことはさらに本発明の措置の範囲内である。

前記センサが、スプール消耗速度を測定するように適合されたスプール速度センサを含むことはさらに本発明の措置の範囲内である。

前記溶接ガンの電極を前記溶接ビードの方向に垂直な往復運動で動かすように適合された電極位置決め手段をさらに備える、請求項１に記載の溶接装置。

前記位置決め手段のパラメータをユーザが設定することを可能にするように適合されたプログラミング手段をさらに備えることはさらに本発明の措置の範囲内である。

前記パラメータがウィービング周波数を含むことはさらに本発明の措置の範囲内である。

前記測定値が、所望の溶接ビード位置からの前記溶接ビード位置の偏差の測定値を含むことはさらに本発明の措置の範囲内である。

前記ノズルが、異なる溶接作業用に適合された一組のノズルと交換可能であることはさらに本発明の措置の範囲内である。

前記ガンが能動冷却手段を含むことはさらに本発明の措置の範囲内である。

前記指示手段が装着可能であることはさらに本発明の措置の範囲内である。

前記センサが慣性計測手段を含むことはさらに本発明の措置の範囲内である。

前記ビードのパスを計算し及びプロットする手段をさらに備えることはさらに本発明の措置の範囲内である。

複数の試行からの溶接パラメータを測定し及び格納する手段をさらに備えることはさらに本発明の措置の範囲内である。

前記格納した溶接パラメータが所望の溶接パラメータを示すのに用いられることはさらに本発明の措置の範囲内である。

前記指示手段が所望のツールパスを示すように適合されることはさらに本発明の措置の範囲内である。

前記指示手段がビデオディスプレイ手段を含むことはさらに本発明の措置の範囲内である。

本発明のこれらの付加的な及び／又は他の態様及び／又は利点は、以下の詳細な説明に記載され、詳細な説明から推察できる及び／又は本発明の実施によって学習できる可能性がある。

本発明を理解する及びこれが実際にどのように実装され得るかを見るために、添付の図面を参照しながら、限定ではない単なる例として、複数の実施形態がここで説明されることになる。

本発明の主要な構成要素を示す例示的なシステムの図である。 システムフローチャートを示す図である。 本発明の例示的なシステムを示す図である。 本発明の例示的なシステムを示す図である。 システムの１つの例示的な溶接ガンの断面を示す図である。 本発明のディスプレイシステムのいくつかの例を示す図である。 システムの多数のノズルを描いている図である。 調節可能なノズル高さをもつノズルの例を示す図である。 システムのノズルの実施形態を示す図である。 システムのノズルの別の実施形態を示す図である。 システムのノズルの別の実施形態を示す図である。 システムのノズルを示す図である。 本発明のペースメータを表す図である。 本発明の或る実施形態と一致する溶接ガン、画面、及びペースメータを描いている図である。 例示的なシステムのブロック図である。

以下の説明は、あらゆる当業者が前記発明を利用できるようにする、及び本発明を実施する発明者によって想定されるベストモードを記載するために、本発明のすべての章と並行して提供される。しかしながら、溶接システム及び方法を提供するための手段及び方法を提供するのに本発明の一般的原理が具体的に定義されているので、種々の修正が当業者には依然として明らかであろう。

以下の詳細な説明では、本発明の実施形態の十分な理解を提供するために多くの具体的詳細が記載される。しかしながら、こうした実施形態がこれらの具体的詳細なしに実施され得ることを当業者は理解するであろう。各特徴はただ単に全体を想起させ、そのためこれは残りをもたらし得る。そして最終的に、特徴が明白な時に、そのため完全に新しい特徴が想起される。本明細書の全体を通して、「一実施形態（「ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ」」又は「ａｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ」）への言及は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、又は特長が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。

「複数」という用語は、以下、あらゆる正の整数（例えば、１、５、又は１０）を指す。

「溶接」という用語は、以下、電気アークによって、溶加材を付加しながら溶解材料池を形成し、溶接のために冷却させて金属を接合するプロセスを指す。

本発明は、その幾つかの実施形態では、溶接者を溶接支援するための装置及び溶接中に溶接者を支援するための半自動溶接装置に関する。

装置は、溶接ノズル、溶接シームセンサ（単数又は複数）、溶接ガン、ユーザのためのフィードバックユニット、制御ユニット、チップ移動ユニット、及び付属品を含む。

溶接ノズルは、交換可能であってもよく（例えば迅速接続システムによって）、溶接要件に適する形状であってもよい。したがって、突合わせ溶接、重ね溶接、重ね合わせ（ｏｖｅｒｌａｐ）溶接、直角溶接、管溶接などのために異なる形状に設定されたノズルが提供されてもよい。ノズルは、平面溶接、直角溶接、及び垂直溶接のような異なる溶接シナリオに適応させるために調節可能なチップを有していてもよい。

ノズルが使い捨てとなること、幾つかの実施形態では、ノズルが溶接部の幾何学的形状に従うように可撓性であってもよいことは本発明の措置の範囲内である。

複数のセンサを含むことは本発明の措置の範囲内である。

電極とシームとの固定の又は制御可能な距離を維持するために１つ又は複数のガイダンスホイールを含むことは本発明の措置の範囲内である。

ノズルが、穿孔されていてもよく、又はネットシェイプ成形されたフレームを有していてもよいことは本発明の措置の範囲内である。

ノズルが、高さのコンプライアンスのためにばね機構を含んでいてもよいことは本発明の措置の範囲内である。

ノズルが、異なるチップ高さを可能にするためにスペーサを有していてもよいことは本発明の措置の範囲内である。

ノズルがブラシタイプであってもよいことは本発明の措置の範囲内である。

ノズルは、真鍮、鉄、セラミック、シリコンなどのような材料から構成されてもよい。

ノズルは、溶接プロセスのための温度制御された環境を提供する冷却機構を含んでいてもよい。この冷却機構は、冷媒としてシールドガスを用いてもよく、及び／又は付加的な冷媒を用いることができる。ノズルは、所望の領域への効果的な冷却を可能にするために冷却流体のための種々のチャネルを備えていてもよい。システムにおける種々の部品を冷却するために能動冷却を随意的に用いることができる。

本発明のいくつかの実施形態では、シームの場所を示すことができるフィードバックを提供するのに溶接センサが用いられる。センサは、電圧、電流、ツールと溶接部との距離、溶接シームの特徴、温度などに関するフィードバックを提供する及び／又は制御するのに用いられる。センサ（単数又は複数）は、以下の技術、すなわち、

電流センサ、電圧センサ、超音波センサ、光学センサ、レーザセンサ、誘導型センサ、圧力センサ、近接性検出器、触覚センサ、磁気センサ、電磁センサ、及び他のもののうちの１つ又は複数を含んでいてもよい。

ノズルは、マーキング手段、例えば既存の又はシステムによって付加されてもよいステッカ又は他のマーキングのような外部特徴を用いる空気式ノズルであってもよい。

溶接ガンが、電極ワイヤを送る措置を含んでいてもよいこと、ガス供給、冷却要素を含んでいてもよいこと、装置に取り付けられる標準の市販のユニット、プロセスヒュームを除去する真空及び／又はブロワ、及び後述のフィードバックユニットであってもよいことは本発明の措置の範囲内である。

本発明のいくつかの実施形態では、フィードバックユニットは、ユーザにシームの場所のキューを提供する。フィードバックユニットは、いくつかの実施形態では、彼の溶接の動きをどのように補正するかをユーザに示してもよい。本発明のいくつかの実施形態では、フィードバックユニットは、シームに垂直な方向だけを補正する。本発明のいくつかの実施形態では、フィードバックユニットは、シームに沿った溶接ガンの速度のフィードバックを提供する。

システムのフィードバック手段は、ＬＣＤ画面、ＬＥＤ表示、可聴フィードバック、触覚フィードバック、及びユーザが正しい方向に押すことのような触覚フィードバック／制御のうちの１つ又は複数を含んでいてもよい。

本発明のいくつかの実施形態では、制御ユニットは、溶接プロセスの種々の態様を制御する、測定する、及びユーザに指示手段を提供する。

種々のタスクは、随意的にコントローラによって行われ、電流、電圧、周波数、ノズルと加工片との距離、アークの長さ、電極の角度、電極の操作、進行速度、適正なロッド又は溶加材の選択などのような溶接パラメータの制御を含んでいてもよい。

コントローラが例えば現在の又は過去の溶接中のユーザの成功に基づくフィードバックで適応可能となることは本発明の措置の範囲内である。

溶接場所の自動補正を用いることは本発明の措置の範囲内であり、例えば、一実施形態では、コントローラは、シームオフセットを読み出し、所与の限度内で補正又はフィードバックを自動的に提供してもよい。したがって、システムは、物理的にシームオフセットを変化させるためにノズルを動かしてもよく、及び／又はユーザにどのように調節するかを示してもよく（ユニットが例えばサーボモータ又は他の手段の使用によって自動的に補正する間）、及び／又は所与の調節が必要であることだけをユーザに示してもよい。

同じ方法で、ユニットは、溶接速度、角度、ウィービングパターン、電流、溶加材のタイプ、ツールとシームとの相対位置などに関する自動補正及び／又はフィードバックを提供してもよい。

使用する及び／又はユーザに表示するために、例えば種々の状況及び所望の結果のための速度、距離、ウィービングパラメータ、溶加材のタイプなどを含む溶接パラメータのライブラリ（例えばデータベースの形態の）を用いることはさらに本発明の措置の範囲内である。前述のように、種々の状況は異なるシームタイプ、金属タイプ、作業位置などを含む。所望の結果は、スラグ巻込み度、溶込み深さ、熱プロフィール（時間及び位置の関数としての溶接の温度）、溶接形状、材料プロフィール、溶接強度、材料の使用などのような因子を含んでいてもよい。

本発明の或る実施形態では、チップは、（例えば）シームに垂直な方向の動きを提供するチップ移動ユニットによって制御されてもよい。この移動ユニットは、５〜２０ｍｍの総移動距離を有していてもよく、幾つかの実施形態では、移動距離、ウィービングパターン、速度などの制御を可能にする。随意的に、固定の移動運動限界及び周波数をもつ特異的ユニットが用いられてもよい。移動するチップユニットは、横方向の動き及び／又は前方／後方の動きを制御するための措置を含んでいてもよい。

本発明のいくつかの実施形態では、チップユニットはサーボ駆動に基づいている。移動するチップユニットの設計は、左右の動き（シーム方向に垂直）を提供する偏心軸機構（例えば）、この動きの度合い又は振幅を変化させるための振幅設定可能又はプログラム可能機構、及び小型サーボモータ、超音波モータ、圧電モータ、ソレノイド、ｄｃモータ、空気式アクチュエータ、リニアモータなどのような作動手段を含んでいてもよい。

本発明のいくつかの実施形態では、溶接システムは、ユーザにフィードバックを提供する光学系又は視覚システムを含む。この視覚システムは、温度、ツールとシームとの距離、電極角度、速度などのような種々のフィードバック表示と共にシームのイメージを示すのに用いられてもよい。異なる照明条件に対処するために視覚ユニットに組み込まれる種々のフィルタを用いることは本発明の措置の範囲内である。所々に光学情報を伝達するための光ファイバシステムを用いることはさらに本発明の措置の範囲内である。例えば、ノズル内からの視覚情報は、光ファイバ視覚システムによって得られてもよい。

本発明のいくつかの実施形態では、視覚システムは、溶接プロセスを監視する手段として１つ又は複数のＩＲセンサを用いる。

ユーザに情報を提示するための画面が採用されることは本発明の措置の範囲内である。これは、所望のツール位置などを示すオーバーレイを含んでいてもよい。視覚システムは、光学要素、ＩＲ要素、及びＣＣＤのような赤外線に敏感な要素、並びにＬＣＤ画面、ＯＬＥＤ画面などのような光学提示要素を含んでいてもよい。随意的に、これは、所望の溶接結果（上述の）のような種々のパラメータを設定するためのタッチスクリーンであってもよい。

本発明のいくつかの実施形態では、視覚システムの検出要素に届く照明レベルを変化させるのに電子不透明度制御が用いられる。本発明のいくつかの実施形態では、スパーク、スパッタなどから視覚光学要素（単数又は複数）を保護するのにシールドガスが用いられる。

溶接プロセスが本発明の視覚システムの使用で始まることは本発明の措置の範囲内である。例えば、ユーザは、加工片のイメージを見るのに溶接ツールトリガを半押ししてもよく、一方、溶接ツールトリガの全押しが視覚要素を隠し、溶接プロセスを開始する。

本発明のいくつかの実施形態では、原則として溶接マスクのかなり暗い要素があまり暗くなくなるように溶接シーンのビデオ表現がユーザに示される。このような場合、本発明の溶接ガンは、作業からの放射及びスパッタがユーザに到達するのを防ぐために、ユーザと加工片との間の見通し線を妨げるシールド要素を有していてもよい。ユーザは、ことによると所望の位置、速度、電流、電圧などからの偏差のようなパラメータを示す種々のオーバーレイと共に、本発明のビデオ画面で作業の進行を観察することができる。

システムは、異なる付属品及びツール、例えば、データ収集手段、グループ溶接措置、ＱＡ監視、トレーニング＆検定モジュール、及び自動モードの使用によってさらなるシナリオに適合されてもよい。

このモードは、シームに対するチップの場所をリアルタイムで判定する機構及びアルゴリズムを含む。随意的に、動き補正を提供するのに移動チップユニットが用いられる。代替的に、補正は、ウィービング方向（すなわちシームに垂直）及び／又は溶接シームの方向及び／又は溶接シームに垂直な方向になされてもよい。

本発明のいくつかの実施形態では、溶接支援ユニットはロボット溶接システムのような半自動又は全自動溶接システムに組み込まれる。

幾つかの実施形態では、システムは、溶接中又は溶接後に溶接のＱＡ検査のために用いることができる。

本発明のいくつかの実施形態では、溶接支援ユニットは、チップ移動速度を測定する及び／又は制御するペース測定及び／又は制御装置を備える。随意的に、ペースユニットは、彼の動きが速すぎる又は遅すぎるかどうかをユーザに示す。ユーザへの指示は、スケール又はグラフ、表示、聴覚信号、触覚信号などの形態であってもよい。

本発明のいくつかの実施形態では、ペースユニットは加速度計及び／又はジャイロシステムを備えていてもよい。随意的に、速度及びパスを計算するのに慣性計測システム、磁力計、傾斜計、光学センサなどを含む種々の他のセンサが用いられてもよい。例えば、システムは、ＲＦ三角測量、音波三角測量、推測航法、又は当業者には明らかであろうあらゆる他の慣性計測装置に基づいていてもよい。

本発明のいくつかの実施形態では、ペースユニットは、使用中のパス、速度、及び加速度を計算するのに用いられてもよい。この情報は、ユーザをガイドする及び／又は例えば溶接品質評価の形態のフィードバックを提供するのに用いられてもよい。このような評価では、実際のパスのプロットは、溶接に関連する平均偏差の値及び他のパラメータ及び統計量が提示されてもよい。随意的に、プロットは、ソリッドモデル及び／又は加工片のピクチャ上にオーバーレイされてもよい。随意的に、溶接ガン又は手の場所及び所望のシーム／ビードの場所の正確なデータを提供するために、溶接されている部品の既知の幾何学的形状がペースユニットと組み合わせて用いられてもよい。

偏差の測定の例として、溶接パスは、多数の点Ｐｉによって説明される可能性がある。これらは、原則として三重点（ｔｒｉｐｌｅｓ）Ｐｉ＝（Ｘｉ，Ｙｉ，ｔｉ）又は四重点（ｑｕａｄｒｕｐｌｅｓ）Ｐｉ＝（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ，ｔｉ）のような時間を含む点であってもよい。実際のパスは、点Ａｉによって同様に説明される可能性がある。偏差は、次いで、以下の偏差のような手段によって計算されてもよい。

代替的に、偏差は、時間を参照せずに、スペースにおける所望のパスと実際のパスとの間の差異だけを考慮に入れて計算されてもよい。

本発明のいくつかの実施形態では、ペースユニットは、ペースガイダンス及び／又はＱＡ報告を提供するために標準溶接トーチのような既存の装置への後付け装置として取り付けることができる独立型ユニットである。

本発明のいくつかの実施形態では、ペースユニットは、さらなる参照及び／又はガイダンスのために熟練した溶接者のパスを学習するツールとして用いることができる。本発明のいくつかの実施形態では、ユニットは、所望の溶接カーブ（直線、円、管交差点の幾何学的形状、直角などのような種々の形態をとる可能性がある）からの偏差を計算してもよい。

本発明のいくつかの実施形態では、ペースユニットは、溶接の動きの速度を計算し、溶接速度及び所望の材料溶着深さに従ってワイヤ送り速度を調節するのに用いられる。

本発明のいくつかの実施形態では、部品のデータを提供するためにバーコード、ＲＦＩＤ、ＱＲコード（登録商標）、又は他のリーダがシステムに組み込まれてもよい。例えば、データは、部品の期待される幾何学的形状、溶接パラメータ、部品の材料、並びに所望の速度及びペースを含んでいてもよい。読み取られるタグ（単数又は複数）又は他の要素が、オペレータのステーション又は他の場所で加工片上に位置していてもよい。

本発明のいくつかの実施形態では、これを現在測定されているものとしての実際のパスと比較するために部品の幾何学的形状が用いられてもよい。この知識はさらに、随意的にガイダンス及び／又はフィードバック及び／又はＱＡ報告を提供するのに用いられてもよい。

本発明のいくつかの実施形態では、ユーザは、行われることになる溶接のタイプ（例えば、直線、円、管区域などを含むカーブ及び／又は突合わせ溶接、重ね溶接などのようなタイプ）をシステムに示してもよい。システムが、溶接実行中に期待される幾何学的形状からの実際の偏差を計算する、例えば平均二乗偏差などのような統計量を計算することは本発明の措置の範囲内である。

本発明のいくつかの実施形態では、溶接支援ユニットは、トーチハンドルの配向（例えば、垂直配向、水平配向、伏せた（ｕｐｓｉｄｅ ｄｏｗｎ）配向、又は一組の角度の形態の配向）の指示を与えるセンサを備える。ユニット配向に基づいて、良好な溶接を行うためにユーザをガイドするのに異なる組の溶接パラメータが用いられてもよい。

本発明のいくつかの実施形態では、溶接支援ユニットは、溶接パラメータ（例えば、溶接プロセスの品質を検証するのに用いることができる所望のパスからの偏差、熱影響域及び特徴、溶接強度概算など）に関する「品質保証」又はＱＡ報告を提供する。

ＱＡ報告は、システム又はペースユニットの随意的な部分又は不可欠な部分である場合があるサブシステムの形態で提供されてもよい。ＱＡ情報を提供するのに種々のパラメータ、例えば、溶接電流、溶接電圧、溶接周波数、溶接速度、溶接パス、所望のパスからの溶接偏差、溶接ワイヤ送り速度、溶接部の幾何学的形状、溶融池特徴、ＨＡＺ特徴などが用いられてもよい。

ＱＡ情報は、ユーザに提示されてもよく、又はデータベースに格納されてもよい。情報は、パラメータ間の関係性の提示を含むグラフ及び／又はチャートとして提示されてもよい。例えば、溶接技術の強い領域又は弱い領域をユーザが評価することを可能にするために、電流対トーチの速度、ワイヤ送り速度対トーチの速度、所望のパスからの偏差対トーチの速度、ＨＡＺ対電流などのすべてが提示されてもよい。

視覚システム及び／又は光学系がまたＱＡ報告のために用いられてもよい。溶接部又は溶融池のイメージ及びビデオを提示することができ、又は付加的なオーバーレイされる情報と共に用いることができる。

図１は、本発明の溶接システム１００の例示的な略図を示す。この例でのシステムは、ワイヤ電極を溶接の場所に送達する手段を提供する溶接チップ１０５を含む。溶接ノズル１１０が、ユニットの前端に取り付けられ、シールドガスを環境から保護し、ユーザ及びシステムの残りの部分を溶接プロセスの強い光から保護する。チップ移動ユニット１２０が横方向（シームに垂直）の必要な移動を提供する。随意的に、チップ移動機構はシーム方向に沿った移動を提供する。

本発明のいくつかの実施形態では、チップ移動機構は、溶接の入／出方向に沿った（すなわち、加工片の中へ／外への、加工片と溶接チップとの距離を変化させる）駆動機構を含む。

本発明のいくつかの実施形態では、システムにフィードバックを提供するために移動機構及び／又はノズルにセンサが組み込まれる。例では、チップを通る電流を測定し、したがって、システムに溶接状態のフィードバックを提供するために、コイル１２５が用いられる。随意的に、電流トランスデューサのようなユニットをフィードバックのために用いることができる。

図１の例では、横方向の「ウィービング」移動を提供するのに偏心シャフト及び機構１２８が用いられ、オペレータがより簡単な直線的な動きを用いることが可能となる。随意的に、ユーザにフィードバックを提供するためにユニット上にディスプレイ１３０が取り付けられる。本発明のいくつかの実施形態では、チップ移動ユニットを駆動する手段を提供するためにユニットにモータ１４０が組み込まれる。ハンドル１５０及び作動ボタンが、典型的に銃と共に用いられる。本発明のいくつかの実施形態では、マイクロプロセッサのような組み込み制御手段が、ツールのオンライン管理を提供し、随意的に、ディスプレイ１３０を駆動すること、データを収集すること、データベースと通信することなどのような付加的な目的で用いることができる。溶接プロセスを改善するために付加的な付属品を用いることができる。

本発明のいくつかの実施形態では、有用であることが見出される可能性があり、且つ自動的に及び／又はユーザの選択によって提示されてもよい種々の情報を含むフィードバックをユーザに提供するのに外部ＰＣ又は他のコンピューティング手段が用いられる。最適なパラメータを提供するため、及びさらなる使用に向けてプロセスの種々の態様を格納するために、外部データベースをシステムにリンクすることができる。随意的に、データベースは、溶接パラメータ並びにユーザ及びシステムへのフィードバック情報が最適である可能性がある、特異的なユーザに関する特異的な情報を含む。データベースは、ネットワーク及び／又はウェブにアクセス可能であってもよく、例えば複数のユーザがデータ（例えばどんな金属に対してどんな設定が最良であるかなど）を共有することが可能となる。報告、検査、及びＱＡの目的で、さらなるデータベースが供給されてもよい。

ここで、本発明のいくつかの実施形態と一致するシステムフローチャートを示す図２が参照される。ユーザは、最初に溶接パラメータ、例えば、溶接速度、電極の送り速度などを設定する（２１０）。ユーザは、次いで、第１の溶接点に接近する２２０。本発明のいくつかの実施形態では、組み込み小型カメラが、チップが正しい開始位置を指していることのユーザによる確認を助けることができる。チップが正しく位置決めされると、電気接触が得られ２３０、溶接プロセス２４０を始めることができる。本発明のいくつかの実施形態では、ユニットが横方向のウィービング運動２５０を提供し、一方、ユーザがシームに沿って動かす２６０。本発明のいくつかの実施形態では、ユーザがトーチの横方向位置を補正し、随意的に、ユニットが横方向位置を例えば所与の範囲内に自動的に補正する２７０。このプロセスは、ユーザが溶接終点２８０に到達するまで溶接セッション単位の間繰り返す。

ここで、本発明の別の可能な実施形態の図３ａ、図３ｂが参照される。電極３１０が溶加材を提供し、ノズル３２０が溶接領域を保護する。ディスプレイ３３０がユーザにフィードバックを提供する。作動ボタン３４０が、システムを始動する手段を提供する。溶接システムを保持するためにハンドル３５０が用いられる。電極送り、電力、シールドガス、制御情報などのような種々の供給をユニットに送達するのに供給コード３６０が用いられる。

ここで、システムの別の可能な実装を示す図４が参照される。電極電流を測定するのにフィードバックコイル（４１０）が用いられる。横方向のウィービング運動を提供するのに偏心（ｏｆｆ−ｃｅｎｔｅｒ）（離心（ｅｃｃｅｎｔｒｉｃ））機構４２０が用いられる。モータ４４０からの回転運動を送達するのにシャフト４３０が用いられる。

ここで、例示的なディスプレイシステムが示される図５が参照される。種々の状況のビデオディスプレイ（図３ａ、図３ｂの３３０）が示される。ユーザが正しい速度で且つシームのセンターラインで動かしているときに、彼に表示５１０が提示される。ユーザが不適切な速度（高速５２０又は低速５３０）で動かす場合に、ディスプレイは偏差を表示する。同様に、システムは、所望のビードの場所からの偏差を示す（５４０は所望の場所の左に速いビード（ｂｅａｔ）を示し、５５０は所望の場所の右に遅いビードを示す）。

ここで、発明的な装置を用いる一連の状況が示される図６が参照される。直角溶接が６１０及び６２０に示され、一方、平面突合わせ溶接が６３０及び６４０に示される。管溶接構成が６５０及び６６０に示される。これらの場合のそれぞれに関して特異的なノズル形状が用いられてもよい。前述の種々のノズルは、交換可能、再使用可能、又は使い捨てであってもよい。

加工片に対するユニットの高さを変化させるのにスペーサ６７５（図７）を用いることができる。ノズル６７８を加工片上に静止させることでシームとノズルとの間の正確な距離が固定され、オペレータ側に何の専門的技術がなくても正確なアーク長が維持されることが可能となる。随意的に、スペーサは、例えばねじ調節によって特異的な高さに手動で又は自動的に調節されてもよい。ノズル６７８はブラシ状の材料で作製されてもよい。

異なる幾何学的形状体の溶接を可能にするために、角度調節可能ノズル（図８の要素６８０、図９の要素６８５）がトーチに取り付けられてもよい。

図１１で見られるように、本発明のいくつかの実施形態では、ノズルは、視覚システムがシーム溶接部への接近を見ることを可能にするために、光ファイバ６９８（又は複数のファイバ）を備える。

ここで、例示的なペースユニットが示される図１２が参照される。ユニットは、例えば所望の溶接速度に対する現在の溶接速度を示す視覚フィードバックをユーザに提供する、グラフィックインジケータ７１０を有していてもよい。随意的に、ユーザに音声フィードバックを提供するのにスピーカ７３０が用いられてもよい。設定ボタン７２０は随意的なものであり、データを記録する、表示を変化させる、及びパラメータを設定するのに用いられてもよい。ペースユニットは、例えば手首（７００）に装着可能な独立型のユニットであってもよい。随意的に、ペースユニットは、７５０に示されるように溶接ユニットに組み込まれていてもよい。

随意的に、ペースユニットは、既存の器具、例えば市販の溶接ヘッド、塗料吹き付けガンなどに取り付けられてもよい。本明細書で提案されるように、ペースユニットは、手先の器用さを必要とする可能性がある又は理由のいかんを問わず速度制御されたコンベヤベルトなどの上で実施されない溶接、塗装、熱処理、プラズマスプレー、乾燥、湿潤、及びあらゆる数の他の工業プロセスのような、所与の速度で及び／又は或る軌道上で動かすのにツールを必要とするあらゆるプロセスに有用である。

図１３では、ペースシステムの実施形態が示される。ペースシステムは、ペースシステムが取り付けられる又は組み込まれる溶接ツール８２０を含んでいてもよい。実際の及び／又は所望の移動速度及び／又は他のパラメータを示すのにインジケータ８３０が用いられる。

図１４は、本発明の或る実装のブロック図である。ＣＰＵ、ＭＣＵなどのような組み込み制御部８４０が、リアルタイム計算、並びにパーソナルコンピュータ、セルラ電話、又はタブレット８５０のような外部装置へのリンクを提供する。データを検索し及び格納するために、外部データベース８６０がまたシステムにリンクしていてもよい。付加的な付属品８７０がまたシステムと共に提供されてもよい。

本発明の選択された実施形態が図示され及び説明されているが、本発明は説明された実施形態に限定されないことが理解されるであろう。代わりに、その範囲が請求項及びその均等物によって定められる本発明の原理及び精神から逸脱することなく、これらの実施形態に変化が加えられてもよいことが分かるであろう。

Claims (44)

1. アーク溶接支援装置であって、
   溶接ビードのパラメータを感知するように適合された少なくとも１つのセンサと、
   前記センサの測定値をユーザに示すように適合された指示手段１３０と、
   を備え、これにより、前記溶接ビードのパラメータに関するリアルタイムフィードバックが溶接者に提供される、装置。
2. 前記センサがアーク長を感知するように適合された距離センサを含む、請求項１に記載の溶接装置。
3. 前記センサが、所定の所望の溶接ビード位置に対する溶接ビード位置を感知するように適合された位置センサを含み、前記位置センサが、前記溶接ビードに平行な方向の所望の溶接ビードからの距離、前記溶接ビードに垂直な方向の前記所望の溶接ビードからの距離、溶接ガンの配向、溶接ガンの位置、前記溶接ガンの配向の時間微分、前記溶接ガンの位置の時間微分からなる群から選択されたパラメータを感知するように適合される、請求項１に記載の溶接装置。
4. 前記センサが、前記溶接ビードの生成速度を測定するように適合された速度センサを含む、請求項１に記載の溶接装置。
5. 前記センサが、スプール消耗速度を測定するように適合されたスプール速度センサを含む、請求項１に記載の溶接装置。
6. 前記センサが、ＧＰＳセンサ、慣性計測装置、傾斜計、磁力計、ビデオセンサ、音声センサ、赤外線センサ、紫外線センサ、放射線センサ、温度センサ、Ｘ線センサ、超音波センサ、電流センサ、電圧センサからなる群から選択される、請求項１に記載の溶接装置。
7. 溶接ガンと、前記溶接ガンの電極を前記溶接ビードの方向に垂直な往復運動で動かすように適合された電極位置決め手段をさらに備える、請求項１に記載の溶接装置。
8. 前記ガンが能動冷却手段を含む、請求項１に記載の溶接装置。
9. 前記位置決め手段のパラメータをユーザが設定することを可能にするように適合されたプログラミング手段をさらに備える、請求項６に記載の溶接装置。
10. 前記パラメータがウィービング周波数を含む、請求項８に記載の溶接装置。
11. 前記測定値が、所望の溶接ビード位置からの前記溶接ビード位置の偏差の測定値を含む、請求項１に記載の溶接装置。
12. 異なる溶接作業用に適合された一組の交換可能なノズルをさらに備える、請求項１に記載の溶接装置。
13. 前記指示手段が装着可能である、請求項１に記載の溶接装置。
14. 前記センサが慣性計測手段を含む、請求項１に記載の溶接装置。
15. 前記指示手段を用いて前記ビードのパスを計算し及びプロットする手段をさらに備える、請求項１に記載の溶接装置。
16. 複数の試行からの溶接パラメータを測定し及び格納する手段をさらに備える、請求項１に記載の溶接装置。
17. 前記格納した溶接パラメータが所望の溶接パラメータを示すのに用いられる、請求項１５に記載の溶接装置。
18. 前記指示手段が所望のツールパスを示すように適合される、請求項１に記載の溶接装置。
19. 前記指示手段が溶接品質を示すように適合される、請求項１に記載の溶接装置。
20. 前記指示手段が、溶接品質を示し、データベースによって前記溶接品質情報を格納し及び分析し、溶接品質レポートを生成するように適合される、請求項１に記載の溶接装置。
21. 前記指示手段がビデオディスプレイ手段を含む、請求項１に記載の溶接装置。
22. 前記フィードバックが、視覚フィードバック、触覚フィードバック、聴覚フィードバックからなる群から選択される、請求項１に記載の溶接装置。
23. 溶接支援方法であって、
    溶接ビードのパラメータを感知するように適合された少なくとも１つのセンサを提供するステップと、
    ビードを溶接するステップと、
    前記センサの測定値によって示される必要なあらゆる補正をユーザに示すように適合された指示手段１３０から得られるフィードバックによって溶接プロセスを修正するステップと、
    を含み、これにより、前記溶接ビードのパラメータに関するリアルタイムフィードバックが溶接者に提供される、
    方法。
24. 前記センサがアーク長を感知するように適合された距離センサを含む、請求項２３に記載の方法。
25. 前記センサが所定の所望の溶接ビード位置に対する溶接ビード位置を感知するように適合された位置センサを含み、前記位置センサが、前記溶接ビードに平行な方向の所望の溶接ビードからの距離、前記溶接ビードに垂直な方向の前記所望の溶接ビードからの距離、溶接ガンの配向、溶接ガンの位置、前記溶接ガンの配向の時間微分、前記溶接ガンの位置の時間微分からなる群から選択されたパラメータを感知する、請求項２３に記載の方法。
26. 前記センサが前記溶接ビードの生成速度を測定するように適合された速度センサを含む、請求項２３に記載の方法。
27. 前記センサが、スプール消耗速度を測定するように適合されたスプール速度センサを含む、請求項２３に記載の方法。
28. 前記センサが、ＧＰＳセンサ、慣性計測装置、傾斜計、磁力計、ビデオセンサ、音声センサ、赤外線センサ、紫外線センサ、放射線センサ、温度センサ、Ｘ線センサ、超音波センサ、電流センサ、電圧センサからなる群から選択される、請求項２３に記載の方法。
29. 溶接ガンと、前記溶接ガンの電極を前記溶接ビードの方向に垂直な往復運動で動かすように適合された電極位置決め手段をさらに提供する、請求項２３に記載の方法。
30. 前記位置決め手段のパラメータをユーザが設定することを可能にするように適合されたプログラミング手段をさらに備える、請求項２９に記載の方法。
31. 前記パラメータがウィービング周波数を含む、請求項３０に記載の方法。
32. 前記ガンが能動冷却手段を含む、請求項２３〜請求項３１に記載の方法。
33. 前記測定値が、所望の溶接ビード位置からの前記溶接ビード位置の偏差の測定値を含む、請求項２３に記載の方法。
34. 異なる溶接作業用に適合された一組の交換可能なノズルをさらに提供する、請求項２３に記載の方法。
35. 前記指示手段が装着可能である、請求項２３に記載の方法。
36. 前記センサが慣性計測手段を含む、請求項２３に記載の方法。
37. 前記ビードのパスを計算し及びプロットする手段をさらに備える、請求項２３に記載の方法装置。
38. 複数の試行からの溶接パラメータを測定し及び格納するように適合された手段をさらに備える、請求項２３に記載の方法。
39. 前記格納した溶接パラメータが所望の溶接パラメータを示すのに用いられる、請求項３８に記載の方法。
40. 前記指示手段が所望のツールパスを示すように適合される、請求項２３に記載の方法。
41. 前記指示手段がビデオディスプレイ手段を含む、請求項２３に記載の方法。
42. 溶接ガン１２０と、
    ノズル１１０と、
    をさらに備える、請求項２３から請求項４１までに記載の溶接装置。
43. 溶接ガン１２０を提供すること、
    ノズル１１０を提供すること、
    をさらに含む、請求項２３から請求項４１までに記載の溶接支援方法。
44. 前記フィードバックが、視覚フィードバック、触覚フィードバック、聴覚フィードバックからなる群から選択される、請求項２３に記載の方法。

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