JP2015013313A - 自動溶接機の異常監視装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】アーク溶接の異常を判断する際の基準となる基準値を正常溶接状況下において逐次設定し、その基準値と溶接作業下において設定された現在値とを比較して、アーク溶接の異常を判断し、警告する自動溶接機の異常監視装置を提供する。【解決手段】本発明の自動溶接機１の異常監視装置２は、ウィービング機構を備えた自動溶接機１に備えられ、溶接時の電流又は電圧を検出する検出部３と、その電流又は電圧の波形から高周波ノイズ成分を除去するフィルタリング処理部４と、その波形を基にアーク溶接の異常を判定する異常判定部７とを有する異常監視装置であって、正常溶接状況下のウィービング動作の１周期分の波形を「基準波形」として記憶する基準波形記憶部５と、溶接作業下の波形を「作業時波形」として記憶する作業時波形記憶部６とを有し、異常判定部７は「基準波形」と「作業時波形」を比較してアーク溶接の異常を判定する。【選択図】図２
Description
本発明は、自動溶接機または溶接ロボットを用いてアーク溶接を行う際に、アーク溶接の異常を監視する自動溶接機の異常監視装置に関する。
アーク溶接は、アーク放電を利用して対象ワーク（母材）を加熱し融接する溶接方法であり、例えば、ＭＩＧ溶接、ＭＡＧ溶接、ＴＩＧ溶接などが挙げられる。これらアーク溶接は、船舶、建築物（橋梁）、自動車等を製造する際に広く用いられている。
ところが、実際に自動溶接機や溶接ロボットを用いてアーク溶接を行う際には、対象ワークの設置誤差、対象ワークの加工誤差、溶接中における対象ワークの変形等によって、対象ワークの溶接箇所に対するトーチの位置（狙い位置）のずれが発生し、融合不良による溶接強度不足やビード形状不良等の溶接欠陥となる場合がある。
ところが、実際に自動溶接機や溶接ロボットを用いてアーク溶接を行う際には、対象ワークの設置誤差、対象ワークの加工誤差、溶接中における対象ワークの変形等によって、対象ワークの溶接箇所に対するトーチの位置（狙い位置）のずれが発生し、融合不良による溶接強度不足やビード形状不良等の溶接欠陥となる場合がある。
このような溶接欠陥を防ぐために、トーチの狙い位置のずれを各種センサによって検出し、トーチの位置を修正する事によって溶接線を自動追従する「溶接線倣い(Seam Tracking)」が良く用いられている。
「溶接線倣い」はセンサにて溶接継ぎ手（対象ワーク）とトーチとの位置のずれを検出し、検出したずれ量を基にトーチ先端位置を補正し、トーチ先端位置を溶接線に対し自動追従させるものである。このようなセンサとしては、例えば、特許文献１に開示されている機械式センサであったり、特許文献２に開示されている光学・視覚センサであったり、また、特許文献３などに開示されているアーク溶接電流変化を用いたものが挙げられる。
「溶接線倣い」はセンサにて溶接継ぎ手（対象ワーク）とトーチとの位置のずれを検出し、検出したずれ量を基にトーチ先端位置を補正し、トーチ先端位置を溶接線に対し自動追従させるものである。このようなセンサとしては、例えば、特許文献１に開示されている機械式センサであったり、特許文献２に開示されている光学・視覚センサであったり、また、特許文献３などに開示されているアーク溶接電流変化を用いたものが挙げられる。
上述した機械式センサや光学・視覚センサによる「溶接線倣い」は、対象ワークが限定されており、一般的に機構が複雑、且つ高価であり、経済的コストが嵩んでしまう。
また、アーク溶接電流の変化を用いる方式である「アーク倣い」は、機械式センサや光学・視覚センサによる「溶接線倣い」に比べて安価であって最も普及しているが、適用先がＶ型開先、レ型開先や水平隅肉等の典型的な溶接継手形状に限定されており、形状が複雑で非対称な開先、多層溶接における２層目以降の倣い、電流変化が現れにくいアルミ溶接等に、「アーク倣い」を適用させることは原理上困難である。
また、アーク溶接電流の変化を用いる方式である「アーク倣い」は、機械式センサや光学・視覚センサによる「溶接線倣い」に比べて安価であって最も普及しているが、適用先がＶ型開先、レ型開先や水平隅肉等の典型的な溶接継手形状に限定されており、形状が複雑で非対称な開先、多層溶接における２層目以降の倣い、電流変化が現れにくいアルミ溶接等に、「アーク倣い」を適用させることは原理上困難である。
また、首記「アーク倣い」を実現するためには、溶接電流(電圧)波形をサンプリングし信号処理してずれ量を演算する機能や、トーチ位置を高精度に修正するフィードバック制御機能や、溶接施工条件に応じて倣い制御パラメータを調整する機能などが必要で、溶接ロボット等の高性能なデジタル演算処理能力を持つ自動溶接機でのみ倣いは実現可能である。
一方、造船、橋梁やエネルギー分野（例えば、ＬＮＧタンク）においては、移動台車やガイド・レールを用いた可搬形の専用溶接装置が多く用いられているが、これら専用溶接装置は一般に軽量かつ安価で、かつオペレータが狙い位置の補正を行うマニュアル操作型溶接機械として設計されており、首記「アーク倣い」による自動追従機能を備えていないものが多い。
これら専用溶接装置の典型的な使用方法を以下に述べる。装置は対象ワークに設置された後、まずアーク放電を行わない状況下においてオペレータが実際の対象ワーク上でトーチ狙い位置、溶接速度、ウィービング動作パターン(振幅、周波数、端停止時間等)を目視で調整する。
これら専用溶接装置の典型的な使用方法を以下に述べる。装置は対象ワークに設置された後、まずアーク放電を行わない状況下においてオペレータが実際の対象ワーク上でトーチ狙い位置、溶接速度、ウィービング動作パターン(振幅、周波数、端停止時間等)を目視で調整する。
次に溶接を開始するが、溶接開始後もオペレータは、目視でトーチの先端位置を引き続き監視し、専用溶接装置に備えられているボタンやボリューム等でトーチの狙い位置を微調整して、トーチの位置ズレを補正する。さらに、オペレータは、溶接品質を確保するために、アーク柱の広がりや、溶融池の様子等を観察しながら、溶接電流、溶接電圧、溶接速度やウィービングの振幅等の溶接条件も微修正する。
そのため、オペレータは、溶接開始から溶接終了までの長時間に渡り、溶接部を監視する必要がある。
このような専用機による溶接時のオペレータの負担軽減および自動化率を向上させるためには、オペレータに代わって自動的に溶接状態を監視する装置が有用である。
自動的に溶接状態を監視する装置としては、アークや溶接プールの画像を光学センサで撮像したり、集音マイクでアーク音を録音し分析するものがあるが、溶接電流と溶接電圧を用いて溶接状態を監視する方法がより一般的であり、例えば、特許文献４や特許文献５に開示されたものがある。
このような専用機による溶接時のオペレータの負担軽減および自動化率を向上させるためには、オペレータに代わって自動的に溶接状態を監視する装置が有用である。
自動的に溶接状態を監視する装置としては、アークや溶接プールの画像を光学センサで撮像したり、集音マイクでアーク音を録音し分析するものがあるが、溶接電流と溶接電圧を用いて溶接状態を監視する方法がより一般的であり、例えば、特許文献４や特許文献５に開示されたものがある。
特許文献４には、溶接電流又は電圧を所定サンプリング周波数でデジタル信号に変換し、これを移動平均演算し、所定監視用「閾値」と比較して溶接異常を判定する手段、およびその結果を表示出力する手段とを具備するアーク監視モニタ装置が開示されている。
また、特許文献５には、溶接中の各溶接状態(電流・電圧)をリアルタイムで記録し、この記録データ信号と適正条件範囲記録器の保存データ信号を比較して健全でない溶接部を比較演算器で求める自己診断機能付自動溶接装置が開示されている。
また、特許文献５には、溶接中の各溶接状態(電流・電圧)をリアルタイムで記録し、この記録データ信号と適正条件範囲記録器の保存データ信号を比較して健全でない溶接部を比較演算器で求める自己診断機能付自動溶接装置が開示されている。
これら特許文献４及び特許文献５の監視装置は、溶接電流と溶接電圧をサンプリングし、移動平均等で高周波成分を除去した後、その波形と予め定められた波形の「基準値」とを比較し、それら波形の差が「判断閾値」以上となった場合、溶接異常と判別しているものである。
しかしながら、特許文献４及び特許文献５の監視装置を用いて、自動的に溶接状態を監視しても、以下に述べるような難点が存在する。
すなわち、特許文献４は、アーク溶接の異常を判断する際の判断基準となる「基準値」が既知であることとなっているが、この「基準値」は、溶接電流、電圧、ガスの種類、ワイヤの種類、電源特性は元より、トーチと母材との間の距離(ワイヤ突出し長さ)やトーチの狙い角、母材（対象ワーク）の板厚及び材質、溶接電源ケーブルの長さや電源アース場所、溶接機の個体差の影響も受ける。
すなわち、特許文献４は、アーク溶接の異常を判断する際の判断基準となる「基準値」が既知であることとなっているが、この「基準値」は、溶接電流、電圧、ガスの種類、ワイヤの種類、電源特性は元より、トーチと母材との間の距離(ワイヤ突出し長さ)やトーチの狙い角、母材（対象ワーク）の板厚及び材質、溶接電源ケーブルの長さや電源アース場所、溶接機の個体差の影響も受ける。
それゆえ、造船や橋梁など様々な形状の構造物を、様々な異なる現場環境で溶接する場合、あらゆる溶接施工条件を考慮し、事前に「基準値」を求めておくことは極めて困難である。さらに、「閾値」（異常判断に用いられる上下限値）についても同様であり、事前に最適値を求める事は極めて困難である。
また、特許文献５は、アーク溶接の異常を判断する際の判断基準となる「基準値」と、実際の溶接状況を示す「計測値」との差分でアーク溶接の異常を判断するといった、シンプルかつ静的な方法であるが、中厚の板材の溶接で多用されるウィービング動作時においては、その動作パターンと開先形状に応じて溶接電流あるいは溶接電圧が周期的に変化するため、ウィービング動作の途中での局所的電流（電圧）変化をアーク溶接の異常と誤判定してしまう虞がある。
また、特許文献５は、アーク溶接の異常を判断する際の判断基準となる「基準値」と、実際の溶接状況を示す「計測値」との差分でアーク溶接の異常を判断するといった、シンプルかつ静的な方法であるが、中厚の板材の溶接で多用されるウィービング動作時においては、その動作パターンと開先形状に応じて溶接電流あるいは溶接電圧が周期的に変化するため、ウィービング動作の途中での局所的電流（電圧）変化をアーク溶接の異常と誤判定してしまう虞がある。
つまり、造船や橋梁など様々な形状の構造物を製造する実際の現場で、確実且つ省力的にアーク溶接の異常を判断する技術は、未だ開発されていないのが現状である。
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、アーク溶接の異常を判断する際の判断基準となる基準値を、正常に溶接が行われていると判断される状況下において逐次設定し、その基準値と現在行われている溶接作業下において設定された現在値とを比較して、アーク溶接の異常を判断し、その結果を警告として通達することができる自動溶接機の異常監視装置を提供することを目的とする。
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、アーク溶接の異常を判断する際の判断基準となる基準値を、正常に溶接が行われていると判断される状況下において逐次設定し、その基準値と現在行われている溶接作業下において設定された現在値とを比較して、アーク溶接の異常を判断し、その結果を警告として通達することができる自動溶接機の異常監視装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決するため、本発明では以下の技術的手段を講じている。
本発明の自動溶接機の異常監視装置は、トーチの先端を溶接方向に沿うように一定溶接速度にて動作させ、溶接方向に対してトーチを揺動させるウィービング機構を備えた自動溶接機に備えられていて、溶接時の電流又は電圧を検出する検出部と、前記検出部で検出した電流又は電圧の波形から高周波ノイズ成分を除去するフィルタリング処理部と、前記フィルタリング処理部から出力された電流又は電圧の波形を基にアーク溶接の異常を判定する異常判定部と、を有する自動溶接機の異常監視装置であって、正常に溶接が行われていると判断される状況下において、前記検出部で検出された電流又は電圧の波形におけるウィービング動作の１周期分の波形を「基準波形」として記憶する基準波形記憶部と、溶接作業下において、前記検出部で検出された電流又は電圧の波形を「作業時波形」として記憶する作業時波形記憶部と、を有しており、前記異常判定部は、前記基準波形記憶部で記憶された「基準波形」と、前記作業時波形記憶部で記憶された「作業時波形」とを比較することで、アーク溶接の異常を判定するように構成されていることを特徴とする。
本発明の自動溶接機の異常監視装置は、トーチの先端を溶接方向に沿うように一定溶接速度にて動作させ、溶接方向に対してトーチを揺動させるウィービング機構を備えた自動溶接機に備えられていて、溶接時の電流又は電圧を検出する検出部と、前記検出部で検出した電流又は電圧の波形から高周波ノイズ成分を除去するフィルタリング処理部と、前記フィルタリング処理部から出力された電流又は電圧の波形を基にアーク溶接の異常を判定する異常判定部と、を有する自動溶接機の異常監視装置であって、正常に溶接が行われていると判断される状況下において、前記検出部で検出された電流又は電圧の波形におけるウィービング動作の１周期分の波形を「基準波形」として記憶する基準波形記憶部と、溶接作業下において、前記検出部で検出された電流又は電圧の波形を「作業時波形」として記憶する作業時波形記憶部と、を有しており、前記異常判定部は、前記基準波形記憶部で記憶された「基準波形」と、前記作業時波形記憶部で記憶された「作業時波形」とを比較することで、アーク溶接の異常を判定するように構成されていることを特徴とする。
好ましくは、前記異常判定部は、前記「基準波形」と前記「作業時波形」との差を逐次算出し、当該算出された差が所定値以上となった際に、アーク溶接に異常が発生したと判定するように構成されているとよい。
好ましくは、前記異常判定部は、前記「基準波形」から算出される溶接時の入熱量と、前記「作業時波形」から算出される溶接時の入熱量との差を逐次算出し、前記算出された差が所定値以上となった際に、アーク溶接に異常が発生したと判定するように構成されているとよい。
好ましくは、前記異常判定部は、前記「基準波形」から算出される溶接時の入熱量と、前記「作業時波形」から算出される溶接時の入熱量との差を逐次算出し、前記算出された差が所定値以上となった際に、アーク溶接に異常が発生したと判定するように構成されているとよい。
好ましくは、前記異常判定部は、前記「基準波形」と前記「作業時波形」のウィービング動作の１周期分の波形とをそれぞれ複数の区間に分割し、当該分割された各区間での前記「基準波形」と前記ウィービング動作の１周期分の「作業時波形」との差、又は前記分割された「基準波形」から算出される溶接時の入熱量と前記分割されたウィービング動作の１周期分の「作業時波形」から算出される溶接時の入熱量との差、を逐次算出し、前記算出された差が所定値以上となった際に、アーク溶接に異常が発生したと判定するように構成されているとよい。
好ましくは、前記異常判定部は、前記逐次算出した「基準波形」と「作業時波形」との差、又は前記「基準波形」から算出される溶接時の入熱量と「作業時波形」から算出される溶接時の入熱量との差が、別に設定されている所定値以上となった際に、アーク溶接を自動的に停止させる自動停止機能が備えられているとよい。
好ましくは、前記基準波形記憶部における「基準波形」の記憶開始を指令するトリガ部を有するとよい。
好ましくは、前記基準波形記憶部における「基準波形」の記憶開始を指令するトリガ部を有するとよい。
好ましくは、前記トリガ部は、前記異常監視装置に備えられているスイッチの操作入力があった場合、溶接開始後の条件調整が完了したことを検知した場合、溶接中に溶接条件が変更され、その溶接条件の変更が完了した事を検知した場合、のいずれかの状況下になったときに、前記基準波形記憶部に「基準波形」の記憶開始を指令するとよい。
本発明の自動溶接機の異常監視装置によれば、アーク溶接の異常を判断する際の判断基準となる基準値を、正常に溶接が行われていると判断される状況下において逐次設定し、その基準値と現在行われている溶接作業下において設定された現在値とを比較して、アーク溶接の異常を判断し、その結果を警告として通達することができる。
以下、本発明の自動溶接機の異常監視装置について、図面に基づき詳しく説明する。
まず、本発明の自動溶接機の異常監視装置を説明する前に、その異常監視装置に備えられている自動溶接機の概要について、図１に基づき説明する。
図１に示すように、自動溶接機１は、造船や橋梁など様々な形状の構造物を溶接する際に用いられるものである。本実施形態では、直線移動型の簡易自動溶接機を例に挙げて説明する。
まず、本発明の自動溶接機の異常監視装置を説明する前に、その異常監視装置に備えられている自動溶接機の概要について、図１に基づき説明する。
図１に示すように、自動溶接機１は、造船や橋梁など様々な形状の構造物を溶接する際に用いられるものである。本実施形態では、直線移動型の簡易自動溶接機を例に挙げて説明する。
自動溶接機１は、ガスシールドアーク溶接法によりＭＩＧ溶接またはＭＡＧ溶接を行うものである。ガスシールドアーク溶接法は、シールドガス（不活性ガスまたは炭酸ガス等）の雰囲気中で、溶接ワイヤ３０（溶接電極）と対象ワーク３１（以降、母材と呼ぶ）との間にアークを発生させて、そのアーク熱により母材３１を溶融させる方法である。
この自動溶接機１には、トーチ１３の先端（ノズル）を溶接方向に沿うように一定溶接速度にて動作させ、溶接方向に対してトーチ１３をほぼ直角に揺動させるウィービング機構が備えられている。
この自動溶接機１には、トーチ１３の先端（ノズル）を溶接方向に沿うように一定溶接速度にて動作させ、溶接方向に対してトーチ１３をほぼ直角に揺動させるウィービング機構が備えられている。
消耗性の溶接ワイヤ３０は、溶融しながら、所定の速度でトーチ１３の先端から母材３１側へ送給されるようになっている。
以降の説明において、母材３１の開先方向（溶接方向）をＸ軸とし、母材３１の開先方向に対して垂直方向をＺ軸とする。また、Ｘ軸回りにトーチ１３を揺動させる軸をθ軸とする。
以降の説明において、母材３１の開先方向（溶接方向）をＸ軸とし、母材３１の開先方向に対して垂直方向をＺ軸とする。また、Ｘ軸回りにトーチ１３を揺動させる軸をθ軸とする。
なお、母材３１の開先３２の形状としては、様々なものが想定されるが、例えば、図１（ｂ）に例示するように、母材３１の開先３２の形状としては、Ｘ軸方向の＋側から見ると、左右非対称（開先３２の右端部の面は傾斜し、開先３２の左端部の面はほぼ垂直）が考えられる。その場合、ウィービング機構は、Ｘ軸方向の＋側から見ると、トーチ１３の揺動が左右非対称となっている。詳しくは、トーチ１３の先端が垂下した状態から開先３２の右端部までの右振り角θｒと、トーチ１３の先端が垂下した状態から開先３２の左端部までの左振り角θｌとが異なっている（θｒ＜θｌ）。
自動溶接機１は、トーチ１３が備えられている溶接ヘッド１２と、自動溶接機１に電源を供給する溶接電源装置と、溶接ヘッド１２のトーチ１３に溶接ワイヤ３０を送給するワイヤ送給装置１１と、溶接条件を設定したり、トーチ１３の位置（以降、トーチ１３の狙い位置と呼ぶ）などを調整する制御装置１６とを有している。加えて、自動溶接機１には、後述する異常監視装置２が備えられている。
溶接ヘッド１２は、備えられているトーチ１３の狙い位置を調整するトーチ調整装置（図示せず）と、トーチ１３を溶接方向（母材３１の開先方向）に走行させる走行レール１４と、トーチ１３をウィービング動作させるウィービング動作機構と、溶接ワイヤ３０の送り量を調整するインチング調整手段（図示せず）と、を有している。
走行レール１４には、トーチ１３を溶接方向に走行させる駆動モータ１５が備えられている。この駆動モータ１５により、トーチ１３は、母材３１の開先方向に延びるＸ軸と、走行レール１４（Ｘ軸）に対して垂直方向（上方向）に延びるＺ軸に沿って移動すると共に、Ｘ軸回りに角度θでウィービング動作する。
走行レール１４には、トーチ１３を溶接方向に走行させる駆動モータ１５が備えられている。この駆動モータ１５により、トーチ１３は、母材３１の開先方向に延びるＸ軸と、走行レール１４（Ｘ軸）に対して垂直方向（上方向）に延びるＺ軸に沿って移動すると共に、Ｘ軸回りに角度θでウィービング動作する。
溶接電源は、ＭＩＧ溶接やＭＡＧ溶接などに多く採用されている、一般的な定電圧特性のものを用いている。
制御装置１６は、溶接の開始と停止を指令する電源（ＯＮ／ＯＦＦ）スイッチと、溶接の速度を調整する溶接速度調整ダイアルと、トーチ１３の狙い位置を調整するインチング操作スイッチと、トーチ１３のウィービング動作を調整するウィービング調整ダイアルなどを有している。加えて、本実施形態の場合、後述する異常監視装置２に用いられる「基準波形」を取得する基準波形取得ボタン１８と、異常監視装置２からアーク溶接が異常であると判定されたときに、オペレータなどにアーク溶接の異常警告を通達する警告灯１７を有している。
制御装置１６は、溶接の開始と停止を指令する電源（ＯＮ／ＯＦＦ）スイッチと、溶接の速度を調整する溶接速度調整ダイアルと、トーチ１３の狙い位置を調整するインチング操作スイッチと、トーチ１３のウィービング動作を調整するウィービング調整ダイアルなどを有している。加えて、本実施形態の場合、後述する異常監視装置２に用いられる「基準波形」を取得する基準波形取得ボタン１８と、異常監視装置２からアーク溶接が異常であると判定されたときに、オペレータなどにアーク溶接の異常警告を通達する警告灯１７を有している。
インチング操作ボタンは、Ｘ軸方向（溶接の進行方向の＋側及びその反対方向の−側）のトーチ１３の狙い位置を調整するＸ軸方向調整スイッチと、Ｚ軸方向（上下方向）のトーチ１３の狙い位置を調整するＺ軸方向調整スイッチとを有している。
ウィービング調整ダイアルは、トーチ１３の右振り角、及び左振り角の角度θを調整するトーチ振り角調整ダイアルと、ウィービング動作の周波数を調整する周波数調整ダイアルと、ウィービング動作をしているトーチ１３の先端が、母材３１の端部（開先３２の端）にて一定時間停止させる端部停止時間設定ダイアルとを有している。
ウィービング調整ダイアルは、トーチ１３の右振り角、及び左振り角の角度θを調整するトーチ振り角調整ダイアルと、ウィービング動作の周波数を調整する周波数調整ダイアルと、ウィービング動作をしているトーチ１３の先端が、母材３１の端部（開先３２の端）にて一定時間停止させる端部停止時間設定ダイアルとを有している。
なお、制御装置１６は、オペレータなどによって上述したいずれかのスイッチ及びダイアルが操作されている場合に「調整中」の出力をＯＮにして、異常監視装置２に「調整中」であることを伝達するようになっている。この「調整中」の出力が伝達された異常監視装置２は、調整中の間、アーク溶接の異常を検出する処理を行わないようになっている。
このように、制御装置１６では、溶接条件に基づいてアーク溶接を制御しながら、トーチ１３の狙い位置やウィービング動作を調整する。そしてこのような状況下で、ワイヤ送給装置１１から溶接ワイヤ３０をトーチ１３に供給して、溶接ヘッド１２を走行レール１４上で母材３１の溶接方向に沿わせながら自動溶接を行う指令を出す。
このように、制御装置１６では、溶接条件に基づいてアーク溶接を制御しながら、トーチ１３の狙い位置やウィービング動作を調整する。そしてこのような状況下で、ワイヤ送給装置１１から溶接ワイヤ３０をトーチ１３に供給して、溶接ヘッド１２を走行レール１４上で母材３１の溶接方向に沿わせながら自動溶接を行う指令を出す。
本装置には「溶接線倣い機能」が無く、溶接ヘッド１２が走行してゆくにつれ、レール１４の設置誤差や母材３１の熱歪み等が原因で、溶接トーチ１３の狙い位置が不適切となり溶接欠陥となる可能性がある。
そこで、これらの異常を未然乃至は迅速に察知するために、オペレータは常にアーク溶接の監視を目視で行う必要があり、この長時間にわたる監視作業はオペレータへの大きな負荷であり、生産効率の低下の要因ともなっている。
そこで、これらの異常を未然乃至は迅速に察知するために、オペレータは常にアーク溶接の監視を目視で行う必要があり、この長時間にわたる監視作業はオペレータへの大きな負荷であり、生産効率の低下の要因ともなっている。
そこで、本願発明者らは、屋外の現場などで用いられる自動溶接機１において、アーク溶接の異常を自動的に判断し、オペレータに通達できる自動溶接機１の異常監視装置２を開発した。
異常監視装置２は、溶接電源装置の電流又は電圧を検出し、その検出された電流又は電圧の波形を基にアーク溶接の異常を判定して、その判定結果を制御装置１６に出力するものである。
異常監視装置２は、溶接電源装置の電流又は電圧を検出し、その検出された電流又は電圧の波形を基にアーク溶接の異常を判定して、その判定結果を制御装置１６に出力するものである。
図２に示すように、異常監視装置２は、溶接時の電流又は電圧を検出する検出部３と、検出部３で検出した電流又は電圧の波形から高周波ノイズ成分を除去するフィルタリング処理部４と、フィルタリング処理部４から出力された電流又は電圧の波形を基にアーク溶接の異常を判定する異常判定部７と、を有している。加えて、本発明の異常監視装置２は、アーク溶接の異常を判定する際に用いる「基準波形」を記憶する基準波形記憶部５と、現在の溶接状況下の波形を「作業時波形」として記憶する作業時波形記憶部６とを有している。また、本発明の異常監視装置２には、基準波形記憶部５における「基準波形」の記憶開始を指令するトリガ部８が備えられている。
検出部３は、溶接電流が流れ始めると「溶接開始」とみなして、溶接電流と溶接電圧の検出を開始する。この検出部３は、溶接開始以降、常に溶接電流と溶接電圧を検出する。そして、検出部３で電流又は電圧の波形（現在の時系列波形）は、フィルタリング処理部４に送られる。
図３に示すように、フィルタリング処理部４は、検出部３で検出した溶接電流と溶接電圧の時系列波形を平滑化（移動平均処理）して、時系列波形の高周波ノイズ成分を除去する。除去された時系列波形は、作業時波形記憶部６に送られる。
図３に示すように、フィルタリング処理部４は、検出部３で検出した溶接電流と溶接電圧の時系列波形を平滑化（移動平均処理）して、時系列波形の高周波ノイズ成分を除去する。除去された時系列波形は、作業時波形記憶部６に送られる。
作業時波形記憶部６は、溶接作業下におけるウィービング左右端信号を基に、検出部３で検出された現在の電流波形Ｉ（ｔ）及び 電圧波形Ｖ（ｔ）（ｔ＝０〜Ｔ：ＴＷはウィービング周期)を抽出し、ウィービング動作の１周期分の波形を「作業時波形」として記憶する。
例えば、ウィービング動作の１周期分の電流波形を「作業時電流波形」Ｉ（ｔ）とし、ウィービング動作の１周期分の電圧波形を「作業時電圧波形」Ｖ（ｔ）とする。作業時電流波形Ｉ（ｔ）と作業時電圧波形Ｖ（ｔ）は、異常判定部７でのアーク溶接の異常判定に用いられるために記憶される。このとき、作業時波形記憶部６では、正常に溶接が行われていると判断されたときのウィービング動作１周期分の波形が抽出されて、基準波形記憶部５に送られる。
例えば、ウィービング動作の１周期分の電流波形を「作業時電流波形」Ｉ（ｔ）とし、ウィービング動作の１周期分の電圧波形を「作業時電圧波形」Ｖ（ｔ）とする。作業時電流波形Ｉ（ｔ）と作業時電圧波形Ｖ（ｔ）は、異常判定部７でのアーク溶接の異常判定に用いられるために記憶される。このとき、作業時波形記憶部６では、正常に溶接が行われていると判断されたときのウィービング動作１周期分の波形が抽出されて、基準波形記憶部５に送られる。
基準波形記憶部５は、正常に溶接が行われていると判断される状況下において、検出部３で検出され、その後フィルタリング処理部４で平滑化された電流の波形又は電圧の波形におけるウィービング動作の１周期分の波形を「基準波形」として記憶する。
具体的には、基準波形記憶部５は制御装置１６を用いて自動溶接機１の溶接条件の設定やトーチ１３のウィービング動作の調整を終えた後、正常に溶接が行われていると判断された電流又は電圧の波形のウィービング動作の１周期分を抽出する。例えば、図３に示すように、基準波形記憶部５は、正常溶接時における調整直後のウィービング動作１周期分（トーチ１３の先端が母材３１の開先３２の一方側（左）端部と他方側（右）端部との間を往復する）の波形を抽出する。その後、基準波形記憶部５は、抽出した波形を「基準波形」として記憶する。ここで、抽出された正常溶接時の電流波形Ｉ（ｔ）を「基準電流波形」Ｉｂ（ｔ）とする。また、抽出された正常溶接時の電圧波形Ｖ（ｔ）を「基準電圧波形」Ｖｂ（ｔ）とする。
具体的には、基準波形記憶部５は制御装置１６を用いて自動溶接機１の溶接条件の設定やトーチ１３のウィービング動作の調整を終えた後、正常に溶接が行われていると判断された電流又は電圧の波形のウィービング動作の１周期分を抽出する。例えば、図３に示すように、基準波形記憶部５は、正常溶接時における調整直後のウィービング動作１周期分（トーチ１３の先端が母材３１の開先３２の一方側（左）端部と他方側（右）端部との間を往復する）の波形を抽出する。その後、基準波形記憶部５は、抽出した波形を「基準波形」として記憶する。ここで、抽出された正常溶接時の電流波形Ｉ（ｔ）を「基準電流波形」Ｉｂ（ｔ）とする。また、抽出された正常溶接時の電圧波形Ｖ（ｔ）を「基準電圧波形」Ｖｂ（ｔ）とする。
このとき、基準波形記憶部５が「基準電流波形」Ｉｂ（ｔ）及び「基準電圧波形」Ｖｂ（ｔ）を記憶するにあたっては、トリガ部８からの指令によって開始される。
トリガ部８は、制御装置１６又は異常監視装置２に備えられているスイッチ（ボタン）の操作入力があった場合、また溶接開始後の条件調整が完了したことを検知した場合、また溶接中に溶接条件が変更され、その溶接条件の変更が完了した事を検知した場合、のいずれかの状況下になったときに、基準波形記憶部５に「基準電流波形」Ｉｂ（ｔ）及び「基準電圧波形」Ｖｂ（ｔ）の記憶開始を指令する。
トリガ部８は、制御装置１６又は異常監視装置２に備えられているスイッチ（ボタン）の操作入力があった場合、また溶接開始後の条件調整が完了したことを検知した場合、また溶接中に溶接条件が変更され、その溶接条件の変更が完了した事を検知した場合、のいずれかの状況下になったときに、基準波形記憶部５に「基準電流波形」Ｉｂ（ｔ）及び「基準電圧波形」Ｖｂ（ｔ）の記憶開始を指令する。
このようにして記憶された「基準電流波形」Ｉｂ（ｔ）及び「基準電圧波形」Ｖｂ（ｔ）は、アーク溶接の異常を判定する異常判定部７に送られる。
異常判定部７は、基準波形記憶部５で記憶された「基準波形」（基準電流波形Ｉｂ（ｔ），基準電圧波形Ｖｂ（ｔ））と、現在のウィービング左端信号及びウィービング右端信号を基に作業時波形記憶部６で記憶された「作業時波形」（作業時電流波形Ｉ（ｔ），作業時電圧波形Ｖ（ｔ））と、を比較することでアーク溶接の異常を判定し、その判定結果をオペレータに警告として通達する。
異常判定部７は、基準波形記憶部５で記憶された「基準波形」（基準電流波形Ｉｂ（ｔ），基準電圧波形Ｖｂ（ｔ））と、現在のウィービング左端信号及びウィービング右端信号を基に作業時波形記憶部６で記憶された「作業時波形」（作業時電流波形Ｉ（ｔ），作業時電圧波形Ｖ（ｔ））と、を比較することでアーク溶接の異常を判定し、その判定結果をオペレータに警告として通達する。
本実施形態の異常判定部７では、ウィービング動作の１周期分の「基準波形」を分割し、分割した区間毎に比較方法や閾値を変更して、アーク溶接の異常を判定している。このようにすることで、開先３２の左端部又は右端部での溶込みや溶着量を意図的に増加させたり、左右非対称なウィービング動作時に有用である。
図４（ａ）に示すように、本実施形態のウィービング機構は、開先３２の形状が左右非対称であるため、Ｘ軸方向側面視で、トーチ１３の振れ角が左右非対称となっている。詳しくは、トーチ１３の先端が垂下した状態から開先３２の右端部までの右振り角θｒと、トーチ１３の先端が垂下した状態から開先３２の左端部までの左振り角θｌとが異なっている（θｒ＜θｌ）。それゆえ、ウィービング信号が左右端それぞれ設定されている。
図４（ａ）に示すように、本実施形態のウィービング機構は、開先３２の形状が左右非対称であるため、Ｘ軸方向側面視で、トーチ１３の振れ角が左右非対称となっている。詳しくは、トーチ１３の先端が垂下した状態から開先３２の右端部までの右振り角θｒと、トーチ１３の先端が垂下した状態から開先３２の左端部までの左振り角θｌとが異なっている（θｒ＜θｌ）。それゆえ、ウィービング信号が左右端それぞれ設定されている。
また、図４（ｂ）に示すように、開先３２の左端部においては、溶接ワイヤ３０の先端Ｐを母材３１の継手ＰＬに届かせようとしても、その前にトーチ１３の先端が母材３１に接触してしまい、溶接ワイヤ３０の先端Ｐが継手位置ＰＬに届かず、溶接ワイヤ３０の溶込み不足を生じさせてしまう。そのため、本実施形態のウィービング機構では、トーチ１３が開先３２の左端部に接触する直前で、そのトーチ１３をＴＳ秒間停止させて、開先３２の左端部への入熱量不足を補っている。
図５には、複数の区間（本実施形態では３区間）に分割されたウィービング動作の１周期分の「基準波形」が示されている。
図５において実線で示される波形は、ウィービング動作時の「基準電流波形」Ｉｂ（ｔ）である。この「基準電流波形」Ｉｂ（ｔ）において、０秒〜ＴＳ秒の間（区間１）、溶接電流が増加していることがわかる。この波形の０秒〜ＴＳ秒の間では、トーチ１３が開先３２の左端部で停止しており、溶接ワイヤ３０の溶込み不足を防止している。そして、溶接電流が増加した後のＴＳ秒〜ＴＲ秒の間（区間２）とＴＲ秒〜ＴＷ秒の間（区間３）は、溶接電流が徐々に減少していることがわかる。なお、区間２は、トーチ１３が開先３２の左端部で停止後から開先３２の右端部に到達するまでの時間であり、区間３は、トーチ１３が開先３２の右端部から開先３２の左端部に到達するまでの時間である。すなわち、トーチ１３が開先３２の左端部と右端部との間を往復する時間（ウィービング動作の１周期分）は、ＴＷ秒かかることとなる。
図５において実線で示される波形は、ウィービング動作時の「基準電流波形」Ｉｂ（ｔ）である。この「基準電流波形」Ｉｂ（ｔ）において、０秒〜ＴＳ秒の間（区間１）、溶接電流が増加していることがわかる。この波形の０秒〜ＴＳ秒の間では、トーチ１３が開先３２の左端部で停止しており、溶接ワイヤ３０の溶込み不足を防止している。そして、溶接電流が増加した後のＴＳ秒〜ＴＲ秒の間（区間２）とＴＲ秒〜ＴＷ秒の間（区間３）は、溶接電流が徐々に減少していることがわかる。なお、区間２は、トーチ１３が開先３２の左端部で停止後から開先３２の右端部に到達するまでの時間であり、区間３は、トーチ１３が開先３２の右端部から開先３２の左端部に到達するまでの時間である。すなわち、トーチ１３が開先３２の左端部と右端部との間を往復する時間（ウィービング動作の１周期分）は、ＴＷ秒かかることとなる。
つまり、「基準電流波形」Ｉｂ（ｔ）は、ＴＳ秒をピークに左右非対称の山なり形状の波形となっている。
一方、図５において破線で示される波形は、ウィービング動作時の「基準電圧波形」Ｖｂ（ｔ）である。なお、本実施形態の溶接電源は、定電圧特性のものを用いており、正常溶接時においての溶接電圧はほぼ一定となっている。
一方、図５において破線で示される波形は、ウィービング動作時の「基準電圧波形」Ｖｂ（ｔ）である。なお、本実施形態の溶接電源は、定電圧特性のものを用いており、正常溶接時においての溶接電圧はほぼ一定となっている。
アーク溶接の異常を異常判定部７で判定するにあたっては、図５に示したように、３区間に分割した「基準波形」を用いて行う。
まず、区間１（０秒〜ＴＳ秒の間）では、開先３２の左端部で溶込み不足が発生するため、溶接時の入熱量Ｗ（電流×電圧）を用いてアーク溶接の異常判定を行う。
異常判定部７は、「基準波形」から算出される溶接時の入熱量Ｗｂ（＝ΣＩｂ（ｔ）×Ｖｂ（ｔ））と、「作業時波形」から算出される現在の溶接時の入熱量Ｗ（＝ΣＩ（ｔ）×Ｖ（ｔ））との差ΔＷ（＝Ｗ−Ｗｂ）を逐次算出し、算出された差ΔＷが所定値（閾値）以上となった際に、アーク溶接に異常が発生したと判定する。本実施形態の所定値については、入熱量の差の上限値ΔＷＨｉｇｈ（＞０）と入熱量の差の下限値ΔＷＬｏｗ（＜０）が設定されている。
まず、区間１（０秒〜ＴＳ秒の間）では、開先３２の左端部で溶込み不足が発生するため、溶接時の入熱量Ｗ（電流×電圧）を用いてアーク溶接の異常判定を行う。
異常判定部７は、「基準波形」から算出される溶接時の入熱量Ｗｂ（＝ΣＩｂ（ｔ）×Ｖｂ（ｔ））と、「作業時波形」から算出される現在の溶接時の入熱量Ｗ（＝ΣＩ（ｔ）×Ｖ（ｔ））との差ΔＷ（＝Ｗ−Ｗｂ）を逐次算出し、算出された差ΔＷが所定値（閾値）以上となった際に、アーク溶接に異常が発生したと判定する。本実施形態の所定値については、入熱量の差の上限値ΔＷＨｉｇｈ（＞０）と入熱量の差の下限値ΔＷＬｏｗ（＜０）が設定されている。
異常判定部７は、算出された差ΔＷが、上限値ΔＷＨｉｇｈを上回ったり（入熱過多、ΔＷＨｉｇｈ＜ΔＷ）、下限値ΔＷＬｏｗを下回ったり（入熱不足、ΔＷＬｏｗ＞ΔＷ）した場合にアーク溶接に異常が発生したと判定する。
次に、区間２（ＴＳ秒〜ＴＲ秒の間）では、溶接ワイヤ３０の送り量の変化（溶接ワイヤ３０の狙いずれ）によって、トーチ１３の先端と母材３１との間の距離が変化する可能性があるため、トーチ１３の先端と母材３１との間の距離に相当する溶接電流に着目して、アーク溶接の異常判定を行う。
次に、区間２（ＴＳ秒〜ＴＲ秒の間）では、溶接ワイヤ３０の送り量の変化（溶接ワイヤ３０の狙いずれ）によって、トーチ１３の先端と母材３１との間の距離が変化する可能性があるため、トーチ１３の先端と母材３１との間の距離に相当する溶接電流に着目して、アーク溶接の異常判定を行う。
異常判定部７は、「基準電流波形」Ｉｂ（ｔ）を記憶された後に検出される「作業時電流波形」Ｉ（ｔ）のウィービング動作の１周期分と、先ほど記憶した「基準電流波形」Ｉｂ（ｔ）との差ΔＩ（ｔ）を逐次算出し、算出された差ΔＩ（ｔ）が所定値（閾値）以上となった際に、アーク溶接に異常が発生したと判定する。
さらに、区間３（ＴＲ秒〜ＴＷ秒の間）では、溶融池と溶接ワイヤ３０の先端とが接触して短絡してしまう可能性が高いため、溶接電圧に着目してアーク溶接の異常判定を行う。
さらに、区間３（ＴＲ秒〜ＴＷ秒の間）では、溶融池と溶接ワイヤ３０の先端とが接触して短絡してしまう可能性が高いため、溶接電圧に着目してアーク溶接の異常判定を行う。
異常判定部７は、「基準電圧波形」Ｖｂ（ｔ）を記憶した後に検出される「作業時電圧波形」Ｖ（ｔ）のウィービング動作の１周期分と、先ほど記憶した「基準電圧波形」Ｖｂ（ｔ）との差ΔＶ（ｔ）を逐次算出し、算出された差ΔＶ（ｔ）が所定値（閾値）以上となった際に、アーク溶接に異常が発生したと判定する。
このようにして、異常判定部７において現在行われているアーク溶接が異常であると判定されると、異常判定部７は、オペレータにトーチ１３の狙い位置の再調整を促す警告信号と、一定時間経過しても再調整が行われない場合に自動溶接機１を停止させる停止信号とを制御装置１６に出力する。
このようにして、異常判定部７において現在行われているアーク溶接が異常であると判定されると、異常判定部７は、オペレータにトーチ１３の狙い位置の再調整を促す警告信号と、一定時間経過しても再調整が行われない場合に自動溶接機１を停止させる停止信号とを制御装置１６に出力する。
そして、制御装置１６は、まず警告信号によりアーク溶接の異常をオペレータに警告（教示）する。例えば、制御装置１６に備えた警告灯１７を点灯・点滅させたり、制御装置１６に備えたスピーカーなどから警告音を発報させる。オペレータは、警告に従って自動溶接機１の再調整を行い、「基準波形」を再設定する。再設定された「基準波形」は、改めて記憶されて、次のアーク溶接の異常判定に用いる。
万が一、オペレータが何らかの事情でアーク溶接の異常の警告に気づかなかった（一定時間経過してもアーク溶接の再調整作業が行われない）場合、異常判定部７は、停止信号を基に、制御装置１６に備えられた自動停止機能を用いてアーク溶接を自動的に停止させる。
具体的には、異常判定部７は、アーク溶接が異常であると判定すると、アーク溶接の再調整作業を促す警告信号（警告閾値）とアーク溶接を自動的に停止する停止信号（停止閾値）を設定する。例えば、溶接時の入熱量の差ΔＷの閾値として、警告閾値（ΔＷLow〜ΔＷHigh）と停止閾値（ΔＷ’Low〜ΔＷ’High）を設定する（ただし、ΔＷ’Low＜ΔＷLow、ΔＷHigh＜ΔＷ’High）。
具体的には、異常判定部７は、アーク溶接が異常であると判定すると、アーク溶接の再調整作業を促す警告信号（警告閾値）とアーク溶接を自動的に停止する停止信号（停止閾値）を設定する。例えば、溶接時の入熱量の差ΔＷの閾値として、警告閾値（ΔＷLow〜ΔＷHigh）と停止閾値（ΔＷ’Low〜ΔＷ’High）を設定する（ただし、ΔＷ’Low＜ΔＷLow、ΔＷHigh＜ΔＷ’High）。
溶接時の入熱量の差ΔＷが警告閾値の範囲（ΔＷLow〜ΔＷHigh）を超えた場合、異常判定部７は、警告出力をＯＮにして、制御装置１６に警告信号を伝える。警告信号が伝えられると、制御装置１６はこの警告信号を基に、溶接動作中に制御装置１６の警告灯１７を点灯させて、オペレータに再度自動溶接機１の再調整を促す指令を出す。
次に、本発明の自動溶接機１の異常監視装置２を用いて、アーク溶接の異常を判定する方法について、説明する。
次に、本発明の自動溶接機１の異常監視装置２を用いて、アーク溶接の異常を判定する方法について、説明する。
まず、オペレータは、溶接開始前に異常監視装置２が備えられた自動溶接機１を設置する。
詳しくは、自動溶接機１の走行レール１４（Ｘ軸レール）を、母材３１に対して平行に設置する。そして、走行レール１４の駆動軸（Ｘ軸）と走行レール１４に対して垂直方向の駆動軸（Ｚ軸）とをインチング操作ボタンで動作させて、トーチ１３が溶接開始位置(開先３２の中心)になるように、トーチ１３の狙い位置を設定する。
詳しくは、自動溶接機１の走行レール１４（Ｘ軸レール）を、母材３１に対して平行に設置する。そして、走行レール１４の駆動軸（Ｘ軸）と走行レール１４に対して垂直方向の駆動軸（Ｚ軸）とをインチング操作ボタンで動作させて、トーチ１３が溶接開始位置(開先３２の中心)になるように、トーチ１３の狙い位置を設定する。
その後、アークをＯＦＦにした状態で、開先３２の両端部に対してトーチ１３が適切な位置（狙い位置）となるように、走行レール１４の回転軸θの左振り角θｌと回転軸θの右振り角θｒとをウィービング調整ダイアルで調整する。加えて、ウィービング動作の周波数とトーチ１３の端部停止時間も設定し、ウィービング動作の条件を設定する。トーチ１３の狙い位置の設定及びウィービング動作の条件を設定した後、溶接速度（＝Ｘ軸の動作速度）と溶接電流と溶接電圧とを設定する。
これら溶接の条件の設定を行った後、オペレータは制御装置１６に備えられている溶接開始スイッチをＯＮにし、溶接開始の指令を制御装置１６に出力する。そうすると、溶接ワイヤ３０と母材３１間に、アークが発生して溶接電流が流れるようになり、アーク溶接が開始される。
アーク溶接が開始される（図３の時刻Ｔ１までの間）と、異常監視装置２は、溶接電流が流れていることを確認して、検出部３にて溶接電流と溶接電圧の検出を開始する。検出された溶接電流と溶接電圧の波形は、フィルタリング処理部４にて、平滑化（移動平均処理）されて、その波形の高周波ノイズ成分が除去される。
アーク溶接が開始される（図３の時刻Ｔ１までの間）と、異常監視装置２は、溶接電流が流れていることを確認して、検出部３にて溶接電流と溶接電圧の検出を開始する。検出された溶接電流と溶接電圧の波形は、フィルタリング処理部４にて、平滑化（移動平均処理）されて、その波形の高周波ノイズ成分が除去される。
溶接開始直後において、オペレータは、良好な溶接となるように、溶接部の溶接ワイヤ３０の狙い位置、アーク柱や溶融池等を目視で監視しながら、制御装置１６に備えられているトーチ１３の調整ボタン（スイッチ）や調整ダイアル用いて、トーチ１３の狙い位置、ウィービング動作の振り角、溶接速度、端部停止時間の調整作業を行う。加えて、オペレータは、溶接電源装置に備えられている溶接電源ダイアルを用いて、溶接電流と溶接電圧の指令値を変更し、より良好な溶接となるように調整作業を行う。
なお、図３の時刻Ｔ１までの間、異常監視装置２には、制御装置１６から「調整中」の信号（溶接の条件などが設定されている際に出力される信号）が入力されており、「調整中」の信号が異常監視装置２に入力されている際には、アーク溶接の異常判定が行われないようになっている。
そして、制御装置１６から「調整中」の信号がＯＦＦのまま(ボタンやダイアルが操作されていない状態)で一定時間（図３の時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの間）経過したり、溶接電圧がほぼ一定になると、異常監視装置２のトリガ部８は、オペレータによる自動溶接機１の調整作業が完了したとみなし、基準波形記憶部５に「基準波形」を記憶するように開始の指令を出力する。なお、オペレータが、制御装置１６に設けられた基準波形取得ボタン１８を押すことで、トリガ部８を動作させ、基準波形記憶部５で「基準波形」を記憶するようにしてもよい。
そして、制御装置１６から「調整中」の信号がＯＦＦのまま(ボタンやダイアルが操作されていない状態)で一定時間（図３の時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの間）経過したり、溶接電圧がほぼ一定になると、異常監視装置２のトリガ部８は、オペレータによる自動溶接機１の調整作業が完了したとみなし、基準波形記憶部５に「基準波形」を記憶するように開始の指令を出力する。なお、オペレータが、制御装置１６に設けられた基準波形取得ボタン１８を押すことで、トリガ部８を動作させ、基準波形記憶部５で「基準波形」を記憶するようにしてもよい。
基準波形記憶部５では、正常に溶接が行われていると判断される状況下において、検出部３で検出された電流Ｉ（ｔ）又は電圧Ｖ（ｔ）の波形におけるウィービング動作の１周期分の波形を「基準電流波形」Ｉｂ（ｔ）又は「基準電圧波形」Ｖｂ（ｔ）として設定して記憶する。「基準波形」を記憶するにあたっては、図３に示すように、電流Ｉ（ｔ）又は電圧Ｖ（ｔ）の波形をウィービングの左端信号(Ｌ)とウィービングの右端信号(Ｒ)とに同期させて、ウィービング動作の１周期分（Ｌ→Ｒ→Ｌ）の「基準電流波形」Ｉｂ（ｔ）と「基準電圧波形」Ｖｂ（ｔ）を抽出し記憶する。
また、作業時波形記憶部６では、溶接作業下において、検出部３で検出された電流Ｉ（ｔ）又は電圧の波形Ｖ（ｔ）を「作業時波形」として記憶する。
このように記憶された「基準波形」と「作業時波形」とを用いて、異常判定部７にてアーク溶接の異常判定を行う（図３の時刻Ｔ３以降）。
異常判定部７では、基準波形記憶部５で記憶された「基準波形」と、作業時波形記憶部６で記憶された「作業時波形」との差を用いたり、「基準波形」における溶接時の入熱量と、「作業時波形」における溶接時の入熱量との差を用いて、「基準波形」と「作業時波形」とを比較することで、アーク溶接の異常を判定する。
このように記憶された「基準波形」と「作業時波形」とを用いて、異常判定部７にてアーク溶接の異常判定を行う（図３の時刻Ｔ３以降）。
異常判定部７では、基準波形記憶部５で記憶された「基準波形」と、作業時波形記憶部６で記憶された「作業時波形」との差を用いたり、「基準波形」における溶接時の入熱量と、「作業時波形」における溶接時の入熱量との差を用いて、「基準波形」と「作業時波形」とを比較することで、アーク溶接の異常を判定する。
そして、異常監視装置２は、異常判定部７での判定結果をオペレータに警告として通達したり、その判定結果に基づいて自動溶接機１を自動的に停止させる。
以上述べたように、本発明の自動溶接機１の異常監視装置２は、アーク溶接の異常を判断する際の判断基準となる基準値を、正常に溶接が行われていると判断される状況下において逐次設定し、その基準値と現在行われている溶接作業下において設定された現在値とを比較して、アーク溶接の異常を判断し、その結果を警告として通達することができる。
以上述べたように、本発明の自動溶接機１の異常監視装置２は、アーク溶接の異常を判断する際の判断基準となる基準値を、正常に溶接が行われていると判断される状況下において逐次設定し、その基準値と現在行われている溶接作業下において設定された現在値とを比較して、アーク溶接の異常を判断し、その結果を警告として通達することができる。
また、異常監視装置２は、複数からなるデータの集合体である波形を単位あたり分けて比較を行うため、検出時の波形のノイズやばらつきの影響が大幅に低減されるようになっている。また、トーチ１３の狙い位置が大きく変化しなければ、ウィービング動作毎のトーチ１３と母材３１との間の相対的な位置関係もほぼ一定となる。当然、ウィービング動作１周期あたりの溶接電流の波形と溶接電圧の波形は、大きく変化しない。
さらに、異常監視装置２は、トーチ１３の狙い位置が変化して、ウィービング動作の波形が変化しても、ウィービング動作の１周期あたりの溶接電流と溶接電圧の時系列データ群を「基準波形」とし、その「基準波形」と「作業時波形」と比較して、アーク溶接の異常判定を行っている。このようにすることで、より正確なアーク溶接の異常を判定することができる。
また、異常監視装置２は、溶接電流と溶接電圧の両方を波形として検出し記録していることから、ウィービング動作時の入熱量Ｗ(＝電流×電圧)を容易に計算することが可能である。特に、「入熱量Ｗ」の不足は、溶接での融合不良に直結するため、入熱量Ｗｂを判定閾値（警告、停止）が必要となる。この異常監視装置２は、溶接での融合不良を防止するための判定閾値（警告、停止）を設定することができる。
さらに、異常監視装置２は、溶接電流と溶接電圧の波形を複数の区間で分割し、各区間毎にアーク溶接の異常を判定する方法や所定値（閾値）を分けることも可能である。例えば、ウィービング動作の右端近傍、中央、左端近傍の３区間に分割し、右端近傍での融合不足が品質上大きな欠陥となる場合には開先３２の右端部の入熱量不足をより厳密に監視したり、ウィービング動作時における溶接の状況に応じて、アーク溶接の異常を判定する方法を柔軟に変更することができる。
また、異常監視装置２は、溶接開始時や溶接途中でも「基準波形」の記憶を行うことができる。特に、予め「基準波形」が与えられない新規の母材３１の溶接や、溶接開始後にオペレータがトーチ１３の狙い位置や溶接条件を調整することが多い可搬形の専用溶接装置においては、溶接条件の調整完了後の正常溶接時における溶接電流及び溶接電圧の波形を「基準波形」として記憶して、すぐにアーク溶接の異常判定を開始することができる。
また、異常監視装置２は、オペレータが溶接中に目視で常時、自動溶接機１の監視をする手間を省くことができ、自動溶接機１の監視によるオペレータの負担を軽減することができる。さらには、オペレータがひとりで、本発明の異常監視装置２を備えた自動溶接機１を複数台操作することができ、アーク溶接の生産性を向上することができる。
また、本発明の異常監視装置２は、アーク電流および電圧を溶接電源からサンプリングできる手段を備えることが可能であり、この手段を備えた異常監視装置２は市販されている自動溶接機に容易に追加する事が可能である。
また、本発明の異常監視装置２は、アーク電流および電圧を溶接電源からサンプリングできる手段を備えることが可能であり、この手段を備えた異常監視装置２は市販されている自動溶接機に容易に追加する事が可能である。
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。
例えば、本実施形態では、本発明の特徴である異常監視装置２を備えた自動溶接機１として直線移動型の簡易自動溶接機を例に挙げて説明したが、この簡易自動溶接機は一つの例であり、自動溶接が行えるウィービング動作が可能な溶接機であれば特に限定しない。例えば、トーチ１３をウィービング動作させる多関節の溶接ロボットであってもよい。
例えば、本実施形態では、本発明の特徴である異常監視装置２を備えた自動溶接機１として直線移動型の簡易自動溶接機を例に挙げて説明したが、この簡易自動溶接機は一つの例であり、自動溶接が行えるウィービング動作が可能な溶接機であれば特に限定しない。例えば、トーチ１３をウィービング動作させる多関節の溶接ロボットであってもよい。
また、本実施形態の異常監視装置２で説明した「基準波形」を複数の区間に分割する方法や、アーク溶接の異常を判定する方法の組合せは、一例を挙げただけに過ぎず、溶接の施工方法によって変更することは可能であり、アーク溶接の異常判定に用いる所定値（閾値）も、アーク溶接異常の重要度に従って複数も設けることが可能である。例えば、電圧波形の全区間で溶接電圧Ｖ（ｔ）の監視を行うことで、溶接ワイヤ３０の送給不良や、短絡によるアーク長の急激な変化を監視することも可能である。
また、本実施形態では、「基準波形」を取得する基準波形取得ボタン１８を制御装置１６に配備したが、異常監視装置２に配備してもよい。
特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。
特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。
１ 自動溶接機
２ 異常監視装置
３ 検出部
４ フィルタリング処理部
５ 基準波形記憶部
６ 作業時波形記憶部
７ 異常判定部
８ トリガ部
１０ 溶接電源装置
１１ ワイヤ送給装置
１２ 溶接ヘッド
１３ トーチ
１４ 走行レール
１５ 駆動モータ
１６ 制御装置
１７ 警告灯
１８ 基準波形取得ボタン
３０ 溶接ワイヤ（溶接電極）
３１ 対象ワーク（母材）
３２ 開先
２ 異常監視装置
３ 検出部
４ フィルタリング処理部
５ 基準波形記憶部
６ 作業時波形記憶部
７ 異常判定部
８ トリガ部
１０ 溶接電源装置
１１ ワイヤ送給装置
１２ 溶接ヘッド
１３ トーチ
１４ 走行レール
１５ 駆動モータ
１６ 制御装置
１７ 警告灯
１８ 基準波形取得ボタン
３０ 溶接ワイヤ（溶接電極）
３１ 対象ワーク（母材）
３２ 開先
Claims (7)
- トーチの先端を溶接方向に沿うように一定溶接速度にて動作させ、溶接方向に対してトーチを揺動させるウィービング機構を備えた自動溶接機に備えられていて、溶接時の電流又は電圧を検出する検出部と、前記検出部で検出した電流又は電圧の波形から高周波ノイズ成分を除去するフィルタリング処理部と、前記フィルタリング処理部から出力された電流又は電圧の波形を基にアーク溶接の異常を判定する異常判定部と、を有する自動溶接機の異常監視装置であって、
正常に溶接が行われていると判断される状況下において、前記検出部で検出された電流又は電圧の波形におけるウィービング動作の１周期分の波形を「基準波形」として記憶する基準波形記憶部と、
溶接作業下において、前記検出部で検出された電流又は電圧の波形を「作業時波形」として記憶する作業時波形記憶部と、を有しており、
前記異常判定部は、前記基準波形記憶部で記憶された「基準波形」と、前記作業時波形記憶部で記憶された「作業時波形」とを比較することで、アーク溶接の異常を判定するように構成されている
ことを特徴とする自動溶接機の異常監視装置。 - 前記異常判定部は、前記「基準波形」と前記「作業時波形」との差を逐次算出し、当該算出された差が所定値以上となった際に、アーク溶接に異常が発生したと判定するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の自動溶接機の異常監視装置。
- 前記異常判定部は、前記「基準波形」から算出される溶接時の入熱量と、前記「作業時波形」から算出される溶接時の入熱量との差を逐次算出し、前記算出された差が所定値以上となった際に、アーク溶接に異常が発生したと判定するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の自動溶接機の異常監視装置。
- 前記異常判定部は、前記「基準波形」と前記「作業時波形」のウィービング動作の１周期分の波形とをそれぞれ複数の区間に分割し、当該分割された各区間での前記「基準波形」と前記ウィービング動作の１周期分の「作業時波形」との差、又は前記分割された「基準波形」から算出される溶接時の入熱量と前記分割されたウィービング動作の１周期分の「作業時波形」から算出される溶接時の入熱量との差、を逐次算出し、
前記算出された差が所定値以上となった際に、アーク溶接に異常が発生したと判定する
ように構成されている
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の自動溶接機の異常監視装置。 - 前記異常判定部は、
前記逐次算出した「基準波形」と「作業時波形」との差、又は前記「基準波形」から算出される溶接時の入熱量と「作業時波形」から算出される溶接時の入熱量との差が、別に設定されている所定値以上となった際に、
アーク溶接を自動的に停止させる自動停止機能が備えられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の自動溶接機の異常監視装置。 - 前記基準波形記憶部における「基準波形」の記憶開始を指令するトリガ部を有することを特徴とする請求項１に記載の自動溶接機の異常監視装置。
- 前記トリガ部は、
前記異常監視装置に備えられているスイッチの操作入力があった場合、
溶接開始後の条件調整が完了したことを検知した場合、
溶接中に溶接条件が変更され、その溶接条件の変更が完了した事を検知した場合、
のいずれかの状況下になったときに、前記基準波形記憶部に「基準波形」の記憶開始を指令することを特徴とする請求項６に記載の自動溶接機の異常監視装置。
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- 2013-07-08 JP JP2013142711A patent/JP6052798B2/ja active Active
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