JP2018001184A - 溶接監視システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】抵抗溶接において、溶接部の周囲に磁場計測器を備えることで、溶接部における局所的な電流を計測する磁場計測装置205と、溶接部における発光状態を撮影し、発光の輝度のムラから、溶接部における局所的な温度を計測するための画像を撮影する高速カメラ202と、磁場計測装置205から取得する磁場情報を基に算出される電流情報と、過去の電流情報とを比較するとともに、高速カメラ202の画像から取得する温度情報と、過去の温度情報とを比較することで、電流情報及び温度情報の少なくとも一方が異常値であるか否かを判定する比較判定部106と、を有することを特徴とする。
【選択図】図1
Description
これに対して、量産で製造された部品の抜き取り検査等で、品質を確認することが一般的に行われている。すなわち、このような抜き取り検査において、マーカ(継手情報)等を溶接材料に施し、溶接部の画像を取得して管理する技術が開示されている。
しかしながら、適切な溶接部材が使用され、適切な溶接条件で溶接が行われても、溶接部が均一になっていなかったり、溶接部において異物等が混入したりすること等が原因で適切な溶接が行われない場合がある。特許文献1に記載の技術では、このような事象が生じた際、適切な対処を行うことができない。
その他の解決手段については実施形態中で説明する。
図1は、本実施形態に係る溶接監視システムZ1の機能ブロック図である。
溶接監視システムZ1は、サーバ1、情報取得装置2及び個体識別装置3を有している。
さらに、溶接システムZ2は、溶接監視システムZ1、溶接機4、検査装置6、PLC7、検査情報入力装置8を有している。
具体的には、情報取得装置2は、トリガ取得装置201、高速カメラ(温度計測部)202、電流計203、分光カメラ204、磁場計測装置(電流計測部、磁場計測部)205、変位計(変位計測部)206、電圧計207、温度・湿度計208等を有している。
トリガ取得装置201は、溶接機4において被溶接部品5に電流を流す際のトリガ信号を取得する。
高速カメラ202は、抵抗溶接において溶接部に電流が流れる際における溶接部の発光状態を撮影する。高速カメラ202の詳細については後記する。
電流計203は、被溶接部品5に流れる電流を計測する。電流計203については後記する。
分光カメラ204は、抵抗溶接において溶接部に電流が流れる際における溶接部の発光のスペクトル分析を行うためのカメラであり、ストリークカメラ等が用いられる。分光カメラ204の詳細については後記する。
磁場計測装置205は、溶接部の周囲に設置され、溶接部からの磁場を計測するものである。磁場計測装置205については後記する。
変位計206は、溶接部材の長さを計測するものである。変位計206については後記する。
電圧計207は、被溶接部品5に電流を流す際における電極間の電圧を計測する。電圧計207については後記する。
温度・湿度計208は検査環境の温度と湿度とを計測するものであり、温度計と、湿度計とが分離されているものでも構わない。
その他、図示しない溶接部に加えられる圧力を測定する圧力計等が備わっていてもよい。
個体識別装置3は、溶接の個体(溶接個体)を識別するIDに関する情報をマーカから読み取り、溶接個体を識別するものである。マーカは、被溶接部品5に貼付されたバーコードや、被溶接部品5上の刻印や、RFID(Radiofrequency Identification)タグ等である。マーカがバーコードであれば、個体識別装置3はバーコード読取装置となる。マーカが刻印であれば、個体識別装置3には、刻印を撮影するカメラ、撮影された画像から刻印を抽出し、文字認識等を行う刻印認識装置等が含まれる。マーカがRFIDタグであれば、個体識別装置3はRFIDタグリーダとなる。
なお、マーカが刻印である場合、マーカを撮影するカメラとして、情報取得装置2の高速カメラ202が用いられてもよい。なお、マーカが刻印である場合における溶接個体の識別方法は、特許文献1に記載の手法を用いればよいので、ここでの説明を省略する。
サーバ1は、データ取得処理部101と、溶接データ記憶部102と、解析部103と、データ分類部104と、データ分類記憶部105と、比較判定部(判定部)106とを有している。
データ取得処理部101は、情報取得装置2における各装置から溶接データを取得し、個体識別装置3から個体識別用データを取得する。そして、データ取得処理部101は、取得した溶接データ及び個体識別用データを溶接データ記憶部102に格納する。
比較判定部106は、データ分類記憶部105に格納されている機械学習等の結果と、解析部103における演算結果とを比較し、溶接条件の正常・異常を判別する。比較判定部106は、溶接条件が異常であると判別すると、PLC(Programmable Logic Controller)7に詳細調査指示を出力される。
まず、本実施形態の利用シーンを図2〜図3で説明する。なお、溶接システムZ2については、図1において説明済みであるので、ここでの説明を省略する。
図2は、製造実行システム(MES11)と連携した製造システムZの機能ブロック図である。MES11は、溶接工程を有する工場において、製造ラインの各工程とリンクして、工場の製造設備の動作や作業員の作業の管理する役割を果たし、計画、現状、実績の管理情報を有する。
加工機13、溶接機4、検査装置6といった各製造設備は、シーケンサであるPLC7,21〜22を介して、MES11に格納されている管理情報に応じた指令をMES11から送受信し、動作する。
トレンドサーバ12は、情報取得装置31を介して加工機13から加工機13の状態に関する情報を取得する。同様に、トレンドサーバ12は、情報取得装置32を介して溶接機4から溶接機4の状態に関する情報を取得する。ここで、情報取得装置31,32は、各種センサ等である。
トレンドサーバ12は、取得した溶接機4や、加工機13の状態に関する情報を格納する。
MES11は、トレンドサーバ12が取得した溶接機4や、加工機13の状態に関する情報や、サーバ1から出力される被溶接部品詳細調査指示等を、監督者が所有する情報通知端末41へ送信する。情報通知端末41は、スマートフォン、タブレットや、HMD(Head Mount Display)等のウェアラブルデバイス情報端末である。
また、製造システムZは、サーバ1で異常と判定された被溶接部品5に対する検査指示や、検査項目を、PLC7を介して検査装置6に送信し、検査装置6による非破壊検査等を実施することができる。
また、前記したように、情報通知端末41として、スマートフォン、タブレットや、HMD(Head Mount Display)等のウェアラブルデバイス情報端末を使用することができる。さらに、情報通知端末41に、工場内の映像と異常を示す機器や部品の箇所を重ね合わせて表示させるAR(Augmented Reality)技術を用いると監督者によるさらなる迅速な対応が可能となる。
図3に示すように、本実施形態における製造プロセスでは、異常検知(S1)→原因分析(S2)→対策立案(S3)→実行(S4)の順に処理が進められる。以下、検査手順1、検査手順2の2つを示す。これらの検査手順のうち、検査手順2が本実施形態に係る溶接監視システムZ1を使用して行われるものである。
(異常検知;S1)
ステップS1の異常検知のステップでは、情報取得装置31,32から取得される情報のうち、MES11が一部又は全部の情報をトレンドサーバ12から取得する。そして、MES11は、情報取得装置32から取得した溶接条件の実績値を記憶する。
(原因分析;S2)
ステップS2の原因分析のステップでは、検査員が、MES11に記憶されている溶接条件の実績値に、溶接前の加工条件の実績値、溶接前の画像(解析結果)を加味して、溶接異常の原因分析を行う。
(対策立案;S3)
ステップS3の対策立案のステップでは、検査員が溶接条件の実績値、溶接機4の加工パラメータと、溶接結果の関係を統計解析して、溶接機4の加工パラメータを算出し、製造システムZの設定を更新する。
(実行;S4)
ステップS4の実行のステップでは、対策立案のステップで設定された加工パラメータで溶接が行われる。
検査手順2では、前記した検査手順1を踏まえて行われるものである。前記したように、本実施形態における溶接監視システムZ1は、この「検査手順2」において使用されるものである。
(異常検知;S1)
ステップS1の異常検知のステップにおいて、サーバ1で溶接異常と判定されると、監督者が所有する情報通知端末41や、図示しないパトランプに通知する。
また、溶接異常を検知したサーバ1が検査装置6に検査指示を出力する。なお、本実施形態では、サーバ1がPLC7を介して検査装置6に検査を指示しているが、前記したように、MES11から検査装置6に検査が指示されてもよい。
ステップS2の原因分析のステップにおいて、検査員は監督者の指示や、パトランプの通知に従って溶接異常の原因を分析する。つまり、監督者は、所有している情報通知端末41に表示されている情報に基づいた検査を検査員に指示する。あるいは、検査員は、パトランプの点滅を確認すると、ラインを停止し、現在、検査対象となっている被溶接部品5の詳細な検査を行う。このとき、検査員は、検査手順1の原因分析の結果で得られた知見を利用して分析を行う。
ステップS3の対策立案のステップでは、検査員が異常発生頻度に基づき、ラインの停止・保守の必要性を判定する。検査員は、原因分析結果に基づき、ライン停止予測時間を算出し、一定期間異常停止が必要と判断した場合、他のラインへ代替生産指示を出す。また、検査員は、検査手順1の対策立案で算出された加工パラメータを参考に、新たな加工パラメータを算出し、製造システムZの設定を更新する。
ステップS4の実行のステップでは、代替生産指示や、新たな加工パラメータに基づいて、製造システムZを実行する。
図4は、本実施形態に係るサーバ1のハードウェア構成図である。
サーバ1は、メモリ110、CPU(Central Processing Unit)120、HD(Hard Disk)等の記憶装置130を有する。さらに、サーバ1は、キーボードや、マウス等の入力装置140、ディスプレイ等の出力装置150、図1の情報取得装置2における各装置や、個体識別装置3や、PLC7との通信を行う通信装置160を有する。
なお、記憶装置130は、図1の溶接データ記憶部102及びデータ分類記憶部105に相当する。
図5〜図8は、抵抗溶接の工程を示す図である。
図5に示す被溶接部品5(図1参照)を構成する被溶接部材301と被溶接部材302は金属でできている。また、図8に示すように、被溶接部材301の下端面と、被溶接部材302の上端面とが突き合わせられる。そして、付き合わさった面に溶接(突き合わせ溶接)を施すことで、被溶接部材301と、被溶接部材302とが溶接される。ここで、図5に示す電極303と電極304とは、被溶接部材301,302に電流を供給する電極である。
このような抵抗溶接では、被溶接部材301と被溶接部材302との接触面が広くなることが多い。このように抵抗溶接がなされる接触面が広い場合、接触面が均一な状態で被溶接部材301,302に電流が流れないと、溶接部321が均一に接合されない。そのため、被溶接部材301,302には、開先加工等が行われる場合がある。
図9は、高速カメラ202及び分光カメラ204の設置の様子を示す図である。
図9において、被溶接部材301,302、電極303,304、電流源311、スイッチ312、電流計203及び電圧計207は図7と同様であるので、ここでの説明を省略する。
高速カメラ202は、溶接機4(図1参照)に設置されている。この高速カメラ202は、被溶接部材301,302の監視(溶接部321(図8参照)の監視)と、溶接の発光状態をモニタリングするものである。
また、図9に示すように、分光カメラ204も溶接機4(図1参照)に設置されている。この分光カメラ204は、溶接部321(図8参照)で発光する光のスペクトル解析を行うためのものである。
なお、図9では、高速カメラ202及び分光カメラ204が、各一台ずつ設置されているが、被溶接部材301,302を挟んで反対側に、もう一台ずつの高速カメラ202及び分光カメラ204が設置され、溶接部321の全周を撮影できるようにしてもよい。
また、分光カメラ204は、溶接部321で発光している光の成分が入力されればよい。従って、被溶接部材301,302の周方向に、図示しない鏡を設置し、この鏡で集光された光を撮影するようにしてもよい。これにより、1台の分光カメラ204で、溶接部321の全周を撮影することが可能である。高速カメラ202も同様に、被溶接部材301,302の周方向に、図示しない鏡を設置することで、1台の高速カメラ202で、溶接部321の全周を撮影することが可能である。
図10〜図13は、溶接実施時に高速カメラ202で取得される映像の例を示す図である。
図10は、溶接ワーク341を撮影した画像を示す図である。ここで、溶接ワーク341とは、図6における重ね合わせられた被溶接部材301,302に電極303,304がセットされたものである。高速カメラ202を使用すると、輝度が下がり画像が暗転するが、電流が通電したときには、図11に示すように、溶接部321(図8参照)で金属溶解に伴う発光を観察することができる(図11の白い部分)。
このとき、溶接部321において、電流が均一に印加されていれば、発光分布も均一となるが、溶接部321に異物が存在する場合や、接触性が悪い場合、電流が均一に流れない。
図12に示す画像では、ドットの部分と、白い部分が発光している箇所が存在している。そして、白い部分は、その他の発光部分(ドット部分)より発光輝度が高いことを示している。すなわち、白い部分は、その他の発光部分(ドット部分)より温度が高い。これは、被溶接部材301,302(図5参照)において、接触面が均一になっておらず、電流が偏っているために生じる。このような溶接が行われると、溶接の品質が低下する。
すなわり、図13に示す画像では火花が撮影されている。これは、被溶接部材301,302(図5参照)の接触面に異物が混入し、電流が印加された際に急激な電圧上昇で火花が飛んでいると考えられる。このよう場合、本来溶接面で消費されるべき熱エネルギが、火花によって奪われてしまうため、溶接の品質が低下すると考えられる。
このように、高速カメラ202による画像によって、溶接部321に異物が存在しているか否かや、均一に溶接されているか否かを判定することができる。
図14〜図16は、分光カメラ204で取得される分光データ(周波数分布)及び一次元スペクトルデータ(周波数分布)の例を示す図である。
分光カメラ204は、分光機能を搭載したストリークカメラ、同じく分光機能を搭載した高速カメラ、ハイパースペクトラムカメラ等を利用することができる。
図14は、分光カメラ204として、分光機能を搭載したストリークカメラによる分光データの説明図である。ストリークカメラは、分光器等の分光機能を介して各波長成分に分解した光を一定時間の間収録する装置である。
図14(a)と図14(b)は、ストリークカメラによる分光データの例として、レーザ光を受光した時の結果を示している。
図14(a)は、ストリークカメラの分光データB240を示しており、横軸が波長(nm)、縦軸が時間(μs)を示している。図14(a)において、黒は低い値(ゼロ)を示し、白は高い値を示している。また、図14(a)において、破線は黒の部分と、白の部分との中間値を示しており、ドットの間隔が狭いほど低い値を示している。
レーザ光は、ほぼ単一波長であることが知られている。図14(a)から、このレーザ光の波長がλ1(nm)であるとしたとき、図14(a)の波長λ1で最も高い値(白色)が全時間において存在している。
すなわち、図14(b)は、図14(a)での時間t1における波長特性の分布を示しており、横軸が波長、縦軸が信号強度を示している。ここでは、信号は波長λ1(nm)でピーク値E1をとっている。
このように、分光カメラ204によれば、測定している光のスペクトル特性の情報を得ることができる。
図15は、正常な溶接過程について、分光カメラ204として、ストリークカメラを用いて取得した信号画像の例を示す図である。
図15(a)は、ストリークカメラから取得した分光データB246であり、横軸が波長(nm)、縦軸が時間(μs)を示している。図14と同様、黒は低い値(ゼロ)で、白は、高い値を示しており、破線は中間値を示している。この中間値は破線間隔が狭ければ狭いほど、高い値を示している。
図15(b)は、分光データB246のうち、ある時刻t2におけるデータを抽出した一次元スペクトラムデータB248である。
図11で説明したように、正常な溶接では、溶接部231(図8参照)が均一に発光する傾向がある。図15(a)から、時間t2の周辺で発光している様子がわかる。図15(b)は、時間t2における複数の発光波長が示されている。図15(a)に示す分光データB246や、図15(b)における一次元スペクトラムデータB248のパターンを、正常溶接における発光特性パターンとすることができる。
図16は、溶接部321(図8参照)において均一に電流が流れていないケースとして、発光輝度の分布にばらつく火花が散る溶接過程(図13参照)について、分光カメラ204としてのストリークカメラで信号取得した一例である。
図16(a)は、ストリークカメラで取得された分光データB251を示し、縦軸が時間(μs)、横軸が波長(nm)、を示している。図14(a)、図15(a)と同様、黒は低い値(ゼロ)で、白は、高い値を示しており、ドット、破線は中間値を示している。ドットの間隔が狭いほど、値が低いことを示している。
図16(b)は、図16(a)における分光データB251のうち、ある時刻t3におけるデータのみを抽出した一次元スペクトラムデータB253を示している。
このように、分光カメラ204による分光データによって、発光部の温度や、異物が混入しているか否か、さらには異物の種類等がわかる。また、分光カメラ204による分光データによって、温度情報も得ることができる。
図17は、溶接時に通電される電圧波形B270と、電流波形B271との一例を示す図である。
すなわち、図17に示す波形は、電流計203と、電圧計207(図7参照)で計測される電流及び電圧の時間変化を示したものである。図17において、横軸は時間(s)を示し、縦軸は電流値及び電圧値を示す。
図17に示すように、被溶接部材301,302(図5参照)に対し、急激に電流を印加することで、被溶接部材301,302にジュール熱を発生させる。このジュール熱により、被溶接部材301,302の溶接部321(図8参照)が溶解する。そして、電流が遮断、もしくは、減少することにより、ジュール熱が小さくなる(冷える)。これにより、溶解された部位が冷却され、固化することで溶接が完了する。ちなみに、図17に示す波形は、溶接機4としてコンデンサ型抵抗溶接機を用いたときにおける電圧波形B270及び電流波形B271の一例を示している。コンデンサ型抵抗溶接機は、図示しないコンデンサに充電した電気エネルギを電流源311(図7参照)とするものである。
スイッチ312(図7参照)がONになると、電圧波形B270(破線)に示すように、急激に電圧が立ち上がる。そして、これに伴い、電流波形B271(実線)に示すように電流も急激に立ち上がる。これにより、予め設定された電流源311、すなわちコンデンサ型抵抗溶接機であればコンデンサにおける充電電圧に応じた電流が被溶接部材301,302に通電され、溶接が行われる。通電は、本例のように、電流の通電を1回実行する、すなわち電流ピークを1回とする方法と、電流の通電を2回以上の複数回実行する、すなわち、電流ピークを複数とする方法とがある。これらは通電条件の違いだけであり、本実施形態の技術を制約する事項ではない。
図18は、正常な溶接の場合における電流計203及び電圧計207(図7参照)の出力波形を示す図である。
図18(a)では、電流の印加から減衰までの電圧波形B270(破線)と電流波形B271(実線)を示している。また、図18(b)は、図18(a)におけるピーク値付近の領域B272を拡大した図である。
図19は、溶接の過程で火花が散る場合における電流計203及び電圧計207(図7参照)の出力波形を示す図である。図19(a)は、電圧波形B270a(破線)と電流波形B271a(実線)を示している。図19(b)は、図19(a)におけるピーク値付近の領域B275を拡大した図である。
このように電流計203及び電圧計207を用いた溶接時の電圧波形B270a、電流波形B271aの時間的変動を得ることにより、溶接条件を詳細に把握することができる。また、電流、電圧の振幅を観測することで、あらかじめ設定された溶接条件との差異を把握できることはいうまでもなく、可能である。つまり、電流計203、電圧計207から取得される電圧波形B270a、電流波形B271aと、予め取得されている正常時の電流波形、電圧波形とを比較して、溶接異常を判定することが可能である。
電流計203及び電圧計207による図17〜図19に示す分析は一般的に行われているものである。
溶接部321の不均一性による電流の偏り等を観測するためには、電流計203及び電圧計207による測定は不適である。
そこで、本実施形態では溶接部321における電流分布の局所的な情報を取得するため、前記した高速カメラ202や、分光カメラ204によるデータだけでなく、溶接部321周辺の磁場を計測する磁場計測装置205を導入する。
また、本実施形態では、電流計203及び電圧計207による図17〜図19に示す分析を、全体的な評価のために行っている。
図20〜図28を用いて、磁場計測装置205について説明する。
図20(a)は、本実施形態に係る磁気センサC101の設置例を示す図であり、図20(b)は、磁気センサC101の出力波形を示す図である。
また、図21は、磁気センサC101の配置の詳細を示す図である。図21(a)は、磁気センサC101の配置を示す斜視配置図であり、図21(b)は、図21(a)のA−A断面図であり、図21(c)は、図21(b)のB−B方向からみた図である。
まず、図20(a)及び図21を参照して、磁場計測装置205における磁気センサC101の配置について説明する。
なお、磁気センサC101は、コイル、ホールセンサ、磁気抵抗素子、光磁気センサ等を利用することができる。
なお、図21(c)における磁気センサC101a〜C101cについては後記する。
図20(b)において、横軸は時間(s)を示し、紙面左側の縦軸は電流値、電圧値を示し、紙面右側の縦軸は磁束密度(G)を示している。
そして、符号B270は電圧計207によって測定される電圧波形を示し、符号B271は、電流計203によって測定される電流波形を示している。また、符号B281は、磁気センサC101がホールセンサ、磁気抵抗素子、光磁気センサである場合に、磁気センサC101から取得されるコイル出力波形(磁束密度波形)である。さらに、符号B280は、磁気センサC101がコイルセンサである場合の磁場波形(磁束密度波形)である。
例えば、磁気センサC101がコイルセンサしか備えていなくても、得られたコイル出力波形を時間積分することで磁場波形B281を取得できる。逆に、磁気センサC101として、ホールセンサ、磁気抵抗素子、光磁気センサ等しか備えていなくても、得られた磁場波形B281を時間微分することで、コイル出力波形B280を取得することができる。
磁気センサC101による電流計測は、電流が生成する磁場を計測するものである。電流が存在する場所では、右ねじの法則に従い、電流経路C111と直交する方向に磁場C112が生成される。この磁場C112に対して磁気センサC101を設置し、間接的に電流を計測する。
図23において、被溶接部材301,302、電極303,304、溶接部321、電流源311、スイッチ312、電流計203及び電圧計207は図7と同様であるので、ここでの説明を省略する。
図23(a)に示すように、溶接ワーク341に流れる電流C121は、主に電極303,304間を流れるため、磁場C122は、溶接ワーク341周辺に生成される。しかしながら、溶接部321における局所的な電流に着目すると、溶接部321において、電流が均一に流れていない場合、すなわち、局所的に電流量や電流の経路が変わったりしている場合、溶接部321近辺の磁場の大きさや方向も変動する。本実施形態では、図20に示すように、溶接部321の周囲に磁気センサC101を配置することで、溶接部321における局所的な電流変化を計測するものである。
ここで、図24〜図28のいずれの図でも横軸は時間(s)を示している。
図24は、正常時、すなわち溶接部321(図8参照)において電流が均一に流れている場合の磁場波形である。
図24の最上段には、電流計203、電圧計207の波形(電圧波形B270(破線)、電流波形B271(実線)が示されている。そして、図24の下3段には、3つの磁気センサC101で測定された磁場波形B282a〜B282cが示されている。ここで、磁場波形B282a〜B282cは、図21(c)における磁気センサC101a〜C101cから取得されるものに相当する。
また、電圧波形B270、電流波形B271の形状は、磁場波形B282a〜B282cを総和したものとなっている。
ここで磁気センサC101はコイルを用いているが、磁場波形B282a〜B282cは、コイルからの出力波形を積分したものを用いている。
また、破線B2は、溶接が正常な場合における各波形の立ち上がり時刻を示している。つまり、破線B2は、電流源311(図9参照)から電流が流され始めた時刻を示している。また、破線B3は溶接が正常な場合における各波形のピーク時刻を示している。
以降の図25〜図27において、ピーク値B1は、図24と共通の値を示している。さらに、以降の図25〜図28において、立ち上がり時刻B2、ピーク時刻B3は、図24と共通の値を示している。
図25の最上段には、電流計203、電圧計207の波形(電圧波形B270(破線)、電流波形B271(実線)が示されている。そして、図25の下3段には、3つの磁気センサC101で測定された磁場波形B283a〜B283cが示されている。ここで、磁場波形B283a〜B283cは、図21における磁気センサC101a〜C101cから取得されるものに相当する。
ここで磁気センサC101はコイルを用いているが、磁場波形B283a〜B283cは、コイル出力波形を積分したものを用いている。
図25に示す例では、図24に示す電流が均一のピーク値B1と比較して、磁場波形B283a〜B283cの振幅(磁束密度のピーク値)が異なっている。前記したように、磁場波形B283a〜B283cの振幅は、電流の量に比例するため、図25に示すように、磁場波形B283a〜B283cの振幅の変化により、磁気センサC101近傍における電流の増減を評価することができる。すなわち、図25のような磁場波形B283a〜B283cは、溶接部231に流れる局所的な電流にムラがあることがわかる。電流量が少ない場合(磁場波形の振幅が小さい場合)は、溶接に必要な熱エネルギが不足し、溶接不良になる可能性がある。
ここで磁気センサC101はコイルを用いているが、磁場波形B284a〜B284cは、コイルの出力波形を積分したものを用いている。
特にピーク時刻に着目すると、磁場波形B284aではピーク時刻B11がピーク時刻B3より遅い時刻となっている。また、磁場波形B284bではピーク時刻がピーク時刻B3と同じ時刻となっている。そして、磁場波形B284cではピーク時刻B12がピーク時刻B3より早い時刻となっている。
このことから、ピークを迎える時刻は、磁場波形B284c→磁場波形B284b→磁場波形B284aの順となっていることわかる。
つまり、図26において、磁場波形B284cが、最初にピークに到達しており、この磁場波形B284cを取得している磁気センサC101の近傍より溶接が開始されていると考えられる。同様に磁場波形のピークは、磁場波形B284c→磁場波形B284b→磁場波形B284aと溶接が推移していることがわかる。このように、磁場波形B284a〜B284cのピークは、電流が溶接部に到達する時間であるため、溶接部321がどのような時間過程で溶解していったか評価することができる。
すなわち、図26に示す例から、溶接量のムラ等により溶接部321のそれぞれの箇所に溶接開始時間に差が生じてしまっていることが分かる。
図27の最上段には、電流計203、電圧計207の波形(電圧波形B270a(破線)、電流波形B271a(実線)が示されている。そして、図27の下3段には、3つの磁気センサC101で測定された磁場波形B285a〜B285cが示されている。ここで、磁場波形B285a〜B285cは、図21における磁気センサC101a〜C101cから取得されるものに相当する。
また、電圧波形B270、電流波形B271の形状は、磁場波形B285a〜B285cを総和したものとなっている。
ここで磁気センサC101はコイルを用いているが、磁場波形B285a〜B285cは、コイルの出力波形を積分したものを用いている。
図27の例では、磁場波形285bで高周波成分の振幅が大きくなっており、この波形を取得している磁気センサC101の近傍で火花が発生したと評価できる。
図28の最上段には、電流計203、電圧計207の波形(電圧波形B270a(破線)、電流波形B271a(実線)が示されている。そして、図28の下3段には、3つの磁気センサC101で測定されたコイル出力波形B286a〜B286cが示されている。ここで、コイル出力波形B286a〜B286cは、図21における磁気センサC101a〜C101cから取得されるものに相当する。
図28のコイル出力波形B286a〜B286cは、図27の磁場波形B285a〜B285cを時間微分したものに相当し、図27の磁場波形B285a〜B285cにおける高周波成分を強調したものとなっている(符号D112〜D114参照)。ちなみに、コイル出力波形B286a〜B286cのピーク値は、すべてV1となっている。
そのため、コイル出力波形B286a〜B286cは、火花が発生した時刻において、電圧波形B270aや、電流波形B271aや、図27に示すコイル出力波形B286a〜B286cと比較して、大きい振幅の高周波成分が得られる。このようにして火花の発生と、磁気センサC101間の振幅の大きさの比較による火花発生位置の評価が可能である。
図29を参照して、変位計206を用いた分析について説明する。なお、図29において、被溶接部材301,302、電極303,304、溶接部321、電流源311、スイッチ312、電流計203及び電圧計207は図7と同様であるので、ここでの説明を省略する。
図29は、変位計206の設置例と、出力結果を説明した図である。ここで、図29(a)は、変位計206の設置例を示し、図29(b)は変位計206による測定結果を示す図である。
変位計206として、レーザ変位計、ひずみゲージを用いることができる。他にも、ひずみ量から変位に換算する方法等を用いることができる。本実施形態では、変位計206としてレーザ変位計が用いられる場合について説明する。
図29(a)に示すように変位計206は、電極303,304にレーザ発信装置E101、レーザ受信装置E102がそれぞれ備えられている。
すなわち、レーザ発信装置E101、レーザ受信装置E102によって、電極303及び電極304間の距離、すなわち被溶接部材301,302(被溶接部品5(図1参照))の長さが測定されている。
溶接による被溶接部材301,302の溶け込みにより電極303,304間の距離が縮まると、その縮まり具合が、変位計206であるレーザ発信装置E101、レーザ受信装置E102によって測定される。
このようにすることで、溶接を実行するときの被溶接部材301,302の変位量をモニタすることができる。
図29(b)において、横軸は時間(s)を示し、紙面左側に示されている縦軸は電流値及び電圧値を示し、紙面右側に示されている縦軸は変位計206による変位量を示している。
また、符号B270(破線)は電圧波形を示し、符号B271(実線)は電流波形を示している。そして、符号E111は変位量の時間変化(変位波形)を示している。
タイミング的には、電圧波形B270及び電流波形B271がピーク値となるころ、変位波形E111が生じている。
ちなみに、変位量について正(+)の方向は、部材が縮む方向である。
ここでは、変位量の下限値としての閾値M1を設定して溶解不足を検知するようにしているが、変位量の上限値としての閾値を設定して、溶解過多を検知するようにしてもよい。そして、このような場合、図3の実行(ステップS4)で、検査員は溶接機4による電圧を低下するよう加工パラメータを設定する。
このように、変位計206の設置により、溶接毎に変位の値の管理ができ、溶接不良の有無を判定することができる。
図30は、本実施形態に係るサーバ1における処理手順を示すフローチャートである。適宜、図1を参照する。
まず、データ取得処理部101が情報取得装置2の各装置や、個体識別装置3から溶接データを取得する(S101)。また、データ取得処理部101は、溶接データとともに個体識別装置3から個体識別情報も取得する。
溶接データは、電流計203から取得された電流値データ、高速カメラ202及び分光カメラ204から得られる画像データ、分光データ、磁場計測装置205から取得される磁場データ、変位計206から得られる変位データ、電圧計207から取得された電圧値データ等である。
解析部103で行われる解析とは、例えば、以下のようなものである。
・変位計206で計測された被溶接部品5の変位の時間推移、もしくは変位スピード(長さの変化)。
・電流計203、電圧計207、磁場計測装置205から取得される各出力波形のスペクトル解析。
なお、ステップS103の解析処理は、必要に応じて省略可能である。
機械学習は、例えば、以下の(1)〜(5)のようなものが考えられる。
(1)データ分類部104が、高速カメラ204において、最も高い輝度が存在する時刻における輝度分布をパターン認識する。例えば、図11に示す輝度分布パターン、図12に示す輝度分布パターン、図13に示す輝度分布パターンでグループを作成しておく。データ分類部104は、取得された画像がどのグループに属するかを判定する。なお、グループは、前記した例に限らない。これにより、図11〜図13で説明したように、溶接が均一に行われているか、異物の混入等がないかがわかる。
例えば、磁気センサC101が3つ備えられている場合は、図24〜図28それぞれにおける3つの磁場波形の組み合わせがパターンとなる。グループ分けは、図24〜図28に示すような時間変化波形と、ステップS103の解析処理で行われたスペクトル解析の結果との両方に対して行われるとよい。スペクトル解析の結果を用いると、図27や、図28に示すような高周波成分を含む磁場信号(磁場波形、コイル出力波形)のパターン化が容易になるためである。
なお、グループは、前記した例に限らない。
これにより、電流源311(図9参照)から供給される電流及び電圧に異常がないか否かがわかる。
また、前記(2)のケースの場合、取得した分光データが図14のパターンのグループ(正常グループ)に分類されれば、比較判定部106は「正常」と判定する。取得した分光データが、図14のパターンのグループ以外のグループ(異常グループ)に分類された場合、比較判定部106は「異常」と判定する。
また、前記(5)のケースの場合、変位スピードが正常な溶接のグループに分類されれば、比較判定部106は「正常」と判定する。それ以外の場合、比較判定部106は「異常」と判定する。
なお、少なくとも1つが異常であるか否かではなく、所定数の条件が異常である場合、ステップS106で異常と判定されてもよい。
グループと、異常の種類に関する情報とのひもづけは、手入力によって予め行われている。
機械学習に用いられるグループに異常の種類に関する情報がひも付けられていない場合や、取得したデータで作成された新たなグループが作成される場合、比較判定部106は異常である旨の出力のみを行う。
ステップS107の結果、溶接機4において異常の可能性がある場合(S107→Yes)、PLC7が、溶接機4の調査(溶接機調査)を指示する(S108)。溶接機4の調査が指示されると、溶接機4が停止された後、溶接機4の調査が行われる。なお、ステップS108における指示には、異常の種類に関する情報が含まれていることが望ましい。このようにすることで、異常の原因の特定が容易となる。
ステップS109における指示には、異常を示した条件に関する情報が含まれていることが望ましい。このようにすることで、異常の原因の特定が容易となる。
調査を指示された検査装置6は、該当する被溶接部品5の詳細検査を実施する。詳細検査の結果は、検査情報入力装置8を介してデータ分類部104へフィードバックされる。すなわち、データ分類記憶部105におけるグループに、異常の種類(可能であれば原因)に関する情報が手入力によってひもづけられる。このようにすることで、機械学習の精度を向上させることができるため、ステップS106における異常判定の精度を向上させることができる。
ステップS109の後、処理部111(図4参照)はステップS101へ処理を戻し、次の検査対象について処理を行う。
さらに、本実施形態によれば、検査時間を大きく延ばすことなく全数検査を行うことが可能となる。
また、高速カメラ202で得られた画像の時系列スペクトル解析が可能であれば、分光カメラ204が備えられていなくてもよい。
また、比較判定部106は、溶接の異常を判定した際、異常と判定された溶接個体と同じグループの溶接個体に関する情報を、例えば、リストとして被溶接部品詳細調査指示に含めてもよい。ここで、グループとは、前記した機械学習によって分けられたグループである。また、溶接個体に関する情報は、溶接個体を識別する情報等である。溶接個体に関する情報として溶接個体の写真、溶接個体の溶接時における溶接条件、詳細調査の結果等が含まれてもよい。
また、各実施形態において、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしもすべての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には、ほとんどすべての構成が相互に接続されていると考えてよい。
2,31,32 情報取得装置
3 個体識別装置
4 溶接機
5 被溶接部品
6 検査装置
7,21,22 PLC
8 検査情報入力装置
11 MES
12 トレンドサーバ
13 加工機
101 データ取得処理部
102 溶接データ記憶部
103 解析部
104 データ分類部
105 データ分類記憶部
106 比較判定部(判定部)
111 処理部
201 トリガ取得装置
202 高速カメラ(温度計測部)
203 電流計
204 分光カメラ
205 磁場計測装置(電流計測部、磁場計測部)
206 変位計(変位計測部)
207 電圧計
208 温度・湿度計
301,302,331 被溶接部材
303,304 電極
311 電流源
312 スイッチ
321 溶接部
Z 製造システム
Z1 溶接監視システム
Z2 溶接システム
Claims (7)
- 抵抗溶接において、溶接部における局所的な電流を計測する電流計測部と、
前記溶接部における局所的な温度を計測する温度計測部と、
前記電流計測部から取得する電流情報と、過去の電流情報とを比較するとともに、前記温度計測部から取得する温度情報と、過去の温度情報とを比較することで、前記電流計測部から取得される電流情報及び前記温度計測部から取得される温度情報の少なくとも一方が異常であるか否かを判定する判定部と、
を有することを特徴とする溶接監視システム。 - 前記電流計測部は、前記溶接部の近傍に設けられている磁場計測部であり、
前記磁場計測部で計測された磁場の強度を基に、前記局所的な電流が計測される
ことを特徴とする請求項1に記載の溶接監視システム。 - 前記温度計測部は、カメラであり、
前記カメラから取得した前記溶接部の画像における輝度分布によって、前記局所的な温度が計測される
ことを特徴とする請求項1に記載の溶接監視システム。 - 分光カメラを有し、
前記判定部は、前記分光カメラから取得した前記溶接部の周波数分布と、過去の周波数分布とを比較し、
前記電流計測部から取得する電流情報、前記温度計測部から取得する温度情報及び前記分光カメラから取得した溶接部の周波数分布の少なくとも一つが異常であるか否かを判定する
ことを特徴とする請求項1に記載の溶接監視システム。 - 前記抵抗溶接の対象となる被溶接部品の長さの変化を計測する変位計測部を有し、
前記判定部は、前記長さの変化を基に、前記長さの変化が異常であるか否かを判定し、
前記電流計測部から取得する電流情報、前記温度計測部から取得する温度情報及び前記変位計測部から取得した前記被溶接部品の長さの変化の少なくとも一つが異常であるか否かを判定する
ことを特徴とする請求項1に記載の溶接監視システム。 - 前記判定部は、
機械学習の結果である正常グループと、異常グループとを前記過去の電流情報及び前記過去の温度情報として、前記電流計測部から取得する電流情報と、前記過去の電流情報とを比較するとともに、前記温度計測部から取得する温度情報と、前記過去の温度情報とを比較することで、前記電流計測部から取得する電流情報及び前記温度計測部から取得する温度情報の少なくとも一方が異常であるか否かを判定する
ことを特徴とする請求項1に記載の溶接監視システム。 - 前記判定部は、MES(Manufacturing Execution System)に接続されている
ことを特徴とする請求項1に記載の溶接監視システム。
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