JP2018149567A - 溶接状態判定システム及び溶接状態判定方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】溶接条件が変更されても、設定値を変更せずに高精度に溶接状態を判定し得る溶接状態判定システム及び溶接状態判定方法を提供する。【解決手段】溶接状態判定システムは、ウィービング動作の周期に応じて変動する物理量に関する特徴量をウィービング周期毎に取得し、一の周期において取得された特徴量である観測値、並びに一の周期より前に取得された特徴量である複数の過去値についての平均及び標準偏差に基づいて異常度を算出し、算出された異常度に基づいて、溶接状態を判定する。【選択図】図５

Description

本発明は、アーク溶接における溶接状態を判定する溶接状態判定システム及び溶接状態判定方法に関する。
アーク溶接における溶接状態を判定する方法として、特許文献１に開示されているものがある。特許文献１に開示されている方法では、溶接電圧、溶接電流、溶接速度、ワイヤ送給速度、トーチ高さ、及び不活性ガス流量のそれぞれの検出値を溶接信号とし、溶接信号の１つが単独で変化した場合に溶接層の品質が良好に保たれ得る第１段階しきい値を溶接信号毎に定め、２つの溶接信号が同時に変化した場合に溶接層の品質が良好に保たれ得る検出値の範囲を、溶接信号の全ての組み合わせについて定める。溶接層の品質を判定する際には、１つ又は複数の溶接信号を選択し、選択された溶接信号を第１段階しきい値又は検出値の範囲と比較し、この比較結果によって溶接層に欠陥が生じているか否かを判定する。
特許第３９０６５６１号公報
しかしながら、特許文献１に開示された方法では、溶接対象、ガス、設定電流等の溶接条件が変更される場合、それに応じて第１段階しきい値及び検出値の範囲を変更する必要がある。特に検出値の範囲は、溶接信号の組み合わせの数だけあり、その全てを変更しなければならない。
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、溶接条件が変更されても、設定値を変更せずに高精度に溶接状態を判定し得る溶接状態判定システム及び溶接状態判定方法を提供することにある。
上述した課題を解決するために、本発明の一の態様の溶接状態判定システムは、溶接トーチを周期的に揺動させるウィービング動作によるアーク溶接における溶接状態を判定する溶接状態判定システムであって、前記ウィービング動作の周期に応じて変動する物理量に関する特徴量を前記周期毎に取得する取得部と、前記取得部によって一の前記周期において取得された前記特徴量である観測値、並びに前記取得部によって前記一の周期より前に取得された前記特徴量である複数の過去値についての平均及び標準偏差に基づいて異常度を算出する算出手段と、前記算出手段によって算出された前記異常度に基づいて、前記溶接状態を判定する判定手段とを備える。
この態様において、前記算出手段は、前記周期毎に前記異常度を算出するように構成されており、前記溶接状態判定システムは、前記一の周期よりも前の周期において算出された前記異常度が所定の基準値よりも高い場合、前記前の周期における前記異常度の算出において前記観測値として用いられた前記特徴量を前記複数の過去値から除外する除外手段をさらに備えてもよい。
また、上記態様において、前記溶接状態判定システムは、前記特徴量の時間変動を近似する近似手段をさらに備え、前記算出手段は、前記観測値と前記近似手段により得られた前記観測値の近似値との差、並びに前記過去値と前記近似手段による前記過去値の近似値との差の平均及び標準偏差に基づいて、前記異常度を算出するように構成されていてもよい。
また、上記態様において、前記近似手段は、線形近似により前記特徴量の時間変動を近似するように構成されていてもよい。
また、上記態様において、前記近似手段は、２次近似又は指数近似により前記特徴量の時間変動を近似するように構成されていてもよい。
また、上記態様において、前記特徴量は、前記物理量の前記周期内における平均値、前記ウィービング動作における前記溶接トーチの揺動端での前記物理量、前記ウィービング動作における前記溶接トーチの揺動中央での前記物理量、揺動端を含む区間での前記物理量の積分値、又は前記物理量の周期的な時間変動と近似する波形の振幅であってもよい。
また、上記態様において、前記取得部は、前記物理量の前記周期内における平均値、前記ウィービング動作における前記溶接トーチの揺動端での前記物理量、前記ウィービング動作における前記溶接トーチの揺動中央での前記物理量、揺動端を含む区間での前記物理量の積分値、又は前記物理量の周期的な時間変動と近似する波形の振幅のうちの少なくとも２以上を前記特徴量として取得するように構成されており、前記算出手段は、それぞれの前記特徴量について各別に前記異常度を算出するように構成されており、前記判定手段は、前記算出手段によって算出された前記異常度のそれぞれに基づいて、前記溶接状態を判定するように構成されていてもよい。
また、上記態様において、前記溶接状態判定システムは、前記判定手段による前記溶接状態の判定結果に基づいて、前記アーク溶接の動作を制御する制御手段をさらに備えてもよい。
また、上記態様において、前記溶接状態判定システムは、前記判定手段によって前記溶接状態が異常であると判定された場合に、前記異常を通知する通知手段をさらに備えてもよい。
また、上記態様において、前記物理量は、溶接電流又は溶接電圧であってもよい。
また、本発明の他の態様の溶接状態判定方法は、溶接トーチを周期的に揺動させるウィービング動作によるアーク溶接における溶接状態を判定する溶接状態判定方法であって、前記ウィービング動作の周期に応じて変動する物理量に関する特徴量を前記周期毎に取得するステップと、一の前記周期において取得された前記特徴量である観測値、並びに前記一の周期より前に取得された前記特徴量である複数の過去値についての平均及び標準偏差に基づいて異常度を算出するステップと、算出された前記異常度に基づいて、前記溶接状態を判定するステップとを有する。
本発明に係る溶接状態判定システム及び溶接状態判定方法によれば、溶接条件が変更されても、設定値を変更することなく高精度に溶接状態を判定できる。
実施の形態１に係る溶接システムの構成を示す模式図。 ロボット制御装置の構成を示すブロック図。 実施の形態１に係る溶接状態判定システムの構成を示すブロック図。 ロボット制御装置及び電源装置の動作手順を示すフローチャート。 実施の形態１に係る溶接状態判定システムの動作手順を示すフローチャート。 ウィービング動作におけるワイヤ長の変動を説明するための図。 ウィービング動作におけるワイヤ長の変動を説明するための図。 評価試験１で使用したワークを示す斜視図。 評価試験１で測定された平均電流を示すグラフ。 評価試験１で算出された異常度を示すグラフ。 評価試験２で使用したワークを示す斜視図。 評価試験２で測定された平均電流を示すグラフ。 評価試験２で算出された異常度を示すグラフ。 評価試験３で測定された平均電流を示すグラフ。 評価試験３で算出された異常度を示すグラフ。 実施の形態２に係る溶接状態判定システムの動作手順を示すフローチャート。 評価試験４で算出された異常度を示すグラフ。 実施の形態３に係る溶接状態判定システムの動作手順を示すフローチャート。 評価試験５で測定された左端電流を示すグラフ。 評価試験５で算出された左端電流についての異常度を示すグラフ。 評価試験５で測定された右端電流を示すグラフ。 評価試験５で算出された右端電流についての異常度を示すグラフ。 実施の形態４に係る溶接状態判定システムの動作手順を示すフローチャート。 評価試験６で算出された振幅を示すグラフ。 評価試験６で算出された振幅についての異常度を示すグラフ。 評価試験７で算出された振幅を示すグラフ。 評価試験７で算出された振幅についての異常度を示すグラフ。 実施の形態５に係る溶接状態判定システムの動作手順を示すフローチャート。 評価試験２における平均電流のヒストグラム。 実施の形態６に係る溶接状態判定システムの動作手順を示すフローチャート。 評価試験８における線形近似の結果を示すグラフ。 評価試験８における平均電流と近似値との差のヒストグラム。 評価試験８で算出された異常度を示すグラフ。 実施の形態７に係る溶接状態判定システムの動作手順を示すフローチャート。 評価試験９で算出された異常度を示すグラフ。 実施の形態８に係る溶接状態判定システムの動作手順を示すフローチャート。 アークスタート直後の平均電流の時間変動を示すグラフ。 評価試験１０における２次近似の結果を示すグラフ。 評価試験１０で算出された異常度を示すグラフ。 仮付けが施されたワークに対する倣い制御での溶接を説明するための図。 揺動端を含む一定区間での溶接電流の積分値の一例を説明するためのグラフ。 揺動端を含む一定区間での溶接電流の積分値の他の例を説明するためのグラフ。
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下に示す各実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための方法及び装置を例示するものであって、本発明の技術的思想は下記のものに限定されるわけではない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において種々の変更を加えることができる。また、以下に示す各実施の形態ではマニピュレータの溶接ロボットを例に挙げて説明するが、本発明の適用対象はこれらに限定されるわけではなく、マニピュレータ以外の自動溶接装置を適用対象とすることも可能である。
（実施の形態１）
本実施の形態では、溶接状態判定システムが、ウィービングの各周期で溶接電流値の平均値を特徴量としてウィービング周期毎に取得し、この特徴量について異常度を算出し、異常度に基づいて溶接状態を判定する。
＜溶接システムの構成＞
図１は、本実施の形態に係る溶接システムの構成を示す模式図である。溶接システム１０は、溶接ロボット２０と、ロボット制御装置３０と、電源装置４０と、溶接状態判定システム１００とを備えている。溶接状態判定システム１００は、溶接ロボット２０による溶接状態を判定する。
溶接ロボット２０は、垂直多関節型のマニピュレータから構成され、その先端に溶接トーチ２１を有している。本実施の形態に係る溶接ロボット２０は、ＭＩＧ（Metal Inert Gas）溶接又はＭＡＧ（Metal Active Gas）溶接等の溶極式のアーク溶接を行う。かかる溶接ロボット２０は、ロボット制御装置３０及び電源装置４０のそれぞれに接続されている。
溶接トーチ２１にはワイヤ送給装置２３から溶接ワイヤ２４が送り込まれ、溶接トーチ２１の先端からこれが送り出される。電源装置４０は定電圧電源４１と溶接電流検出部４２とスイッチ４３とを有する。スイッチ４３がオンにされると溶接ワイヤ２４に定電圧電源４１から電力が供給される。これにより、溶接ワイヤ２４とワーク（被溶接材）５０との間に溶接電圧が印加され、アークが発生する。スイッチ４３がオフにされると、溶接ワイヤ２４への電力供給が停止され、アークの発生が停止する。また、溶接電流検出部４２は、溶接中に生じる溶接電流を検出する。
電源装置４０は、ＣＰＵ４４とメモリ４５と通信部４６とをさらに有する。電源制御用のコンピュータプログラムである電源制御プログラム４７がメモリ４５に格納されており、この電源制御プログラム４７をＣＰＵ４４が実行することで、スイッチ４３のオン／オフ等の溶接電力の制御が行われる。また、電源装置４０はワイヤ送給装置２３に接続されており、ＣＰＵ４４は電源制御プログラム４７によってワイヤの送給速度を制御する。通信部４６は、有線又は無線通信用の通信モジュールである。かかる通信部４６は、所定の通信プロトコルを使用してロボット制御装置３０及び溶接状態判定システム１００との間でデータ通信を行う。
次に、ロボット制御装置３０の構成について説明する。ロボット制御装置３０は、溶接ロボット２０の動作を制御する。図２は、ロボット制御装置３０の構成を示すブロック図である。ロボット制御装置３０は、ＣＰＵ３０１と、メモリ３０２と、複数のスイッチを含む操作パネル３０３と、教示ペンダント３０４と、入出力部３０５と、通信部３０６とを備えている。
溶接ロボット２０の制御用のコンピュータプログラムである制御プログラム３３０がメモリ３０２に格納されており、この制御プログラム３３０をＣＰＵ３０１が実行することで、溶接ロボット２０による溶接動作の制御が行われる。
ロボット制御装置３０に対する指示の入力には、操作パネル３０３及び教示ペンダント３０４が用いられる。オペレータは、教示ペンダント３０４に教示プログラムを入力することができる。ロボット制御装置３０は、教示ペンダント３０４から入力された教示プログラムにしたがって、溶接ロボット２０を制御する。また、この教示プログラムは、図示しないコンピュータによって作成することも可能である。この場合、可搬型記録媒体によって受け渡ししたり、データ通信によって伝送したりして、教示プログラムをロボット制御装置３０に与えることができる。
また、入出力部３０５には、溶接電流検出部４２と、溶接ロボット２０のアクチュエータの駆動回路（図示せず）とが接続されている。溶接電流検出部４２によって検出された溶接電流の値が入出力部３０５を介してＣＰＵ３０１に与えられる。ＣＰＵ３０１は、制御プログラム３３０により、後述するような溶接ロボット２０の制御を行い、制御信号を溶接ロボット２０の駆動回路に出力する。
通信部３０６は、有線又は無線通信用の通信モジュールである。かかる通信部３０６は、所定の通信プロトコルを使用して電源装置４０及び溶接状態判定システム１００との間でデータ通信を行う。
以上のような構成のロボット制御装置３０は、溶接ロボット２０の各軸を制御して、溶接トーチ２１の位置及び溶接トーチ２１からの溶接ワイヤ２４の突き出し長さ（以下、「ワイヤ長」という）を制御する。溶接動作では、溶接トーチ２１とワーク５０との間の距離に応じてワイヤ長が調節される。つまり、溶接トーチ２１がワーク５０に近接すると、ワイヤ長を小さくし、溶接トーチ２１がワーク５０から離反すると、ワイヤ長を大きくする。ワイヤ長の長短に応じて溶接ワイヤ２４における抵抗変化が生じ、これが溶接電流値の変化を引き起こす。このため、ロボット制御装置３０は、溶接電流値を用いたフィードバック制御により、溶接電流値が適正となるように溶接トーチ２１の位置及びワイヤ長を調節する。
また、ロボット制御装置３０は、溶接ロボット２０にウィービング動作を実行させる。ウィービング動作は、溶接方向に対して交差する方向（以下、溶接方向を「前方」、この前方を見たときの右方を「右方」、前方を見たときの左方を「左方」という。）に溶接トーチ２１を交互に揺動させる動作である。ロボット制御装置３０は、設定されたウィービング周期、振幅、溶接速度によってウィービング動作を行うように溶接ロボット２０を制御する。
さらに、ロボット制御装置３０は、上記のウィービング動作と共に、溶接線倣い制御を実行する。溶接線倣い制御は、溶接線に沿ってビードが形成されるよう、溶接トーチ２１の左右位置を制御する動作である。
次に、溶接状態判定システム１００の構成について説明する。図３は、本実施の形態に係る溶接状態判定システム１００の構成を示すブロック図である。溶接状態判定システム１００は、コンピュータ１０１によって実現される。コンピュータ１０１は、本体１１０と、入力部１２０と、表示部１３０とを備えている。本体１１０は、ＣＰＵ１１１と、ＲＯＭ１１２と、ＲＡＭ１１３と、ハードディスク１１４と、入出力インタフェース１１５と、通信インタフェース１１６と、画像出力インタフェース１１７とを備えている。ＣＰＵ１１１、ＲＯＭ１１２、ＲＡＭ１１３、ハードディスク１１４、入出力インタフェース１１５、通信インタフェース１１６、及び画像出力インタフェース１１７は、バスによって相互に接続されている。
アーク溶接の状態を判定するためのコンピュータプログラムである溶接状態判定プログラム１５０をＣＰＵ１１１が実行することにより、コンピュータ１０１が溶接状態判定システム１００として機能する。
ＲＯＭ１１２には、ＣＰＵ１１１に実行されるコンピュータプログラム及びこれに用いるデータ等が記録されている。ＲＡＭ１１３は、ハードディスク１１４に記録されている溶接状態判定プログラム１５０の読み出しに用いられる。また、ＲＡＭ１１３は、ＣＰＵ１１１がコンピュータプログラムを実行するときに、ＣＰＵ１１１の作業領域として利用される。
ハードディスク１１４は、オペレーティングシステム及びアプリケーションプログラム等、ＣＰＵ１１１に実行させるための種々のコンピュータプログラム及び当該コンピュータプログラムの実行に用いられるデータがインストールされている。溶接状態判定プログラム１５０も、このハードディスク１１４にインストールされている。
入出力インタフェース１１５には、キーボード及びマウスからなる入力部１２０が接続されている。また、入出力インタフェース１１５には、溶接電流検出部４２が接続されている。溶接電流検出部４２によって検出された溶接電流の値が入出力インタフェース１１５を介してＣＰＵ１１１に与えられる。ＣＰＵ１１１は、溶接状態判定プログラム１５０により、溶接電流値を用いてアーク溶接の状態を判定する。
通信インタフェース１１６は、有線又は無線通信用の通信モジュールである。かかる通信インタフェース１１６は、所定の通信プロトコルを使用して電源装置４０及びロボット制御装置３０との間でデータ通信を行う。画像出力インタフェース１１７は、ＬＣＤまたはＣＲＴ等で構成された表示部１３０に接続されており、ＣＰＵ１１１から与えられた画像データに応じた映像信号を表示部１３０に出力するようになっている。表示部１３０は、入力された映像信号にしたがって、画像（画面）を表示する。
＜溶接システムの動作＞
次に、溶接システム１０の動作について説明する。アーク溶接を行う場合、オペレータは、ロボット制御装置３０、電源装置４０、及び溶接状態判定システム１００のそれぞれを起動する。ロボット制御装置３０が溶接ロボット２０の動作を制御し、電源装置４０が溶接ロボット２０へ溶接電力を供給する。また、溶接状態判定システム１００は、溶接ロボット２０によるアーク溶接の状態をリアルタイムで判定する。
ロボット制御装置３０及び電源装置４０の動作について説明する。図４は、ロボット制御装置３０及び電源装置４０の動作手順を示すフローチャートである。オペレータは、アーク溶接を開始する場合、教示ペンダント３０４を操作して、ロボット制御装置３０に教示プログラム、各種設定値を入力し、溶接開始を指示する。ロボット制御装置３０のＣＰＵ３０１は、この教示プログラム、各種設定値、及び溶接開始指示を受け付ける（ステップＳ１０１）。
ＣＰＵ３０１は、電源装置４０に対して、溶接電力の供給開始を指令する（ステップＳ１０２）。電源装置４０は、この指令を受信し（ステップＳ１０３）、ＣＰＵ４４がスイッチ４３をオンにする（ステップＳ１０４）。これにより、溶接ワイヤ２４とワーク５０との間に溶接電圧が印加され、アークが発生する。
次にＣＰＵ３０１は、溶接ロボット２０に制御信号を送信し、溶接制御を実行する（ステップＳ１０５）。溶接制御には、ウィービング動作の制御（ステップＳ１０５１）及び溶接線倣い制御（ステップＳ１０５２）が含まれる。また、溶接制御では、溶接電流値を用いた溶接トーチ２１の位置及びワイヤ長のフィードバック制御も行われる。
ＣＰＵ３０１は、溶接動作の停止が必要か否かを判定する（ステップＳ１０６）。溶接動作の停止が不要な場合（ステップＳ１０６においてＮＯ）、ＣＰＵ３０１は、ステップＳ１０５へ処理を戻し、逐次的に溶接制御を実行する。
例えば、オペレータからの溶接停止の指示の受け付け、溶接ロボット２０に設けられたセンサによる溶接終了位置の検出、溶接異常の検出、及び溶接状態判定システム１００からの溶接停止要求の受け付けの何れかがあった場合、ＣＰＵ３０１は、溶接動作の停止が必要と判断し（ステップＳ１０６においてＹＥＳ）、溶接制御を停止し（ステップＳ１０７）、電源装置４０に対して溶接電力の供給停止を指令する（ステップＳ１０８）。電源装置４０は、この指令を受信し（ステップＳ１０９）、ＣＰＵ４４がスイッチ４３をオフにして（ステップＳ１１０）、溶接ロボット２０に対する溶接電力の供給を停止する。これにより、ロボット制御装置３０及び電源装置４０の動作が終了する。
次に、溶接状態判定システム１００の動作について説明する。図５は、溶接状態判定システム１００の動作手順を示すフローチャートである。まず、溶接状態判定システム１００のＣＰＵ１１１は、ウィービング動作の周期（回数）を示す変数ｉに初期値の０をセットする（ステップＳ１１１）。
電源装置４０では、溶接電流検出部４２が継続的に溶接電流値を検出し、検出値として出力する。ＣＰＵ１１１は、溶接電流値の時系列データを、溶接電流検出部４２から受信する（ステップＳ１１２）。
ここで、溶接電流値について説明する。ウィービング動作では、溶接方向に対して左右に溶接ワイヤ２４の位置が変動する。このようなウィービング動作においては、溶接ワイヤ２４の左右方向の位置変化に応じて、溶接トーチ２１の先端とワーク５０の溶接位置との距離が変化し、これに応じてワイヤ長が変化する。このとき、溶接ワイヤ２４の先端とワーク５０の溶接位置との距離、即ちアーク長はほぼ一定となるように、ワイヤ長が制御される。図６Ａ及び図６Ｂは、ウィービング動作におけるワイヤ長の変動を説明するための図である。ワーク５０が突合わせ継手の場合、図６Ａに示すように、突き合わされた両ワーク５０の間にグルーブ５１が設けられる。このため、溶接ワイヤ２４がグルーブ５１に対向するときと、突き合わされたワーク５０に対向するときとでは、溶接トーチ２１とワーク５０との距離が変わるため、これに応じてワイヤ長が変化する。また、ワーク５０がＴ継手、十字継手、角継手等の場合、図６Ｂに示すように、両ワーク５０が互いに交差するように配置される。この交差部が溶接線となる。溶接ワイヤ２４が交差部（両ワーク５０の接続部）に対向するときにはワイヤ長が最も長くなり、溶接ワイヤ２４がこの交差部から溶接方向に交差する方向（図中矢印方向）に移動するにしたがってワイヤ長は短くなる。このため、溶接電流値は、ウィービング動作の周期に応じて変動する。
再び図５を参照する。ＣＰＵ１１１は、ｉ周期における溶接電流値の平均値（以下、「平均電流」という）を特徴量として算出する（ステップＳ１１３）。ＣＰＵ１１１は、算出された特徴量のデータ数ｉが所定の数Ｎに達したか否かを判定し（ステップＳ１１４）、データ数ｉがＮ未満である場合には（ステップＳ１１４においてＮＯ）、ｉをインクリメントして（ステップＳ１１５）、処理をステップＳ１１２へ戻す。これにより、連続した複数周期のそれぞれで特徴量が得られる。
他方、データ数ｉがＮ以上である場合には（ステップＳ１１４においてＹＥＳ）、ＣＰＵ１１１は、異常度を算出する（ステップＳ１１６）。異常度は、下式によって定義される。
ここで、観測値とは、注目周期（この場合はｉ、つまり最新の周期）における特徴量をいう。また、平均値は、注目周期より前に取得された複数の特徴量（以下、「過去値」という）の平均値であり、標準偏差は、過去値の標準偏差である。
本実施の形態における異常度をさらに詳しく説明する。ウィービング動作のｉ周期目における平均電流Ｉａｖｅ（ｉ）について、過去値の平均値は次の式（１）で、標準偏差は式（２）で、異常度は式（３）で与えられる。
つまり、平均値は、周期ｉの直前のデータ数Ｎの過去値の平均であり、標準偏差は、データ数Ｎの過去値の標準偏差である。このような異常度は、Ｎ個の過去値に対して観測値の振る舞いが異なる程度を示す統計的数値である。ここで、溶接電流値は周期毎の変動が大きいため、Ｎが小さすぎると平均及び標準偏差の値が不安定となり、正確に溶接状態を反映した異常度を算出することができなくなる。このため、Ｎは大きい方が好ましい。他方、Ｎが大きすぎるとデータを取得するための期間が長くなるため、実用上はＮが小さいことが好ましい。これらから、具体的にはＮは３０以上１００以下であることが好ましい。特に、Ａｒ−ＣＯ２混合ガスのようなノイズが少ないシールドガスを使用する場合には、Ｎを３０以上５０以下に設定することが好ましい。但し、精度の問題があればＮを５０以上とすることが考えられる。
次に、ＣＰＵ１１１は、算出された異常度に基づいて、溶接状態を判定する（ステップＳ１１７）。この処理では、ＣＰＵ１１１は、異常度により、溶接動作の停止が必要かどうかを判定する。異常度が所定の基準値を超えれば、溶接状態は異常であり、溶接動作の停止が必要であると判定する。異常度が基準値以下であれば、溶接状態は正常であり、溶接動作の停止は必要ないと判定する。この基準値は、オペレータが与えてもよいし、ＣＰＵ１１１が自動設定してもよい。自動設定では、カイ二乗分布における所定値を基準値とすることができる。この所定値は、溶接における異常の発生率を考慮して決定できる。例えば、溶接における異常の発生確率が０．５％であれば、カイ二乗分布における０．５％を基準値として設定することができる。
ＣＰＵ１１１は、溶接状態が正常であると判定した場合（ステップＳ１１７において「正常」）、ステップＳ１１５へ処理を移す。他方、ＣＰＵ１１１は、溶接状態が異常であると判定した場合（ステップＳ１１７において「異常」）、表示部１３０に異常発生を通知する画面を表示させ（ステップＳ１１８）、ロボット制御装置３０へ溶接停止要求を送信する（ステップＳ１１９）。ロボット制御装置３０が溶接定要求を受信することにより、溶接制御が停止し、溶接ロボット２０に対する溶接電力の供給が停止する。以上で、溶接状態判定システムの動作が終了する。
以上のように構成したことにより、溶接状態判定システム１００は、溶接状態の異常度を、Ｎ個の過去値に対する観測値の統計的数値として算出する。このような異常度は、過去値と観測値とだけで定まるものであるため、溶接対象、シールドガス、設定電流等の溶接条件には影響を受けない。したがって、溶接状態判定システム１００は、溶接条件が変更されたとしても、設定値等を変更することなく、その時点での溶接条件に応じた異常度を算出でき、高精度に溶接状態を判定できる。
＜評価試験１＞
発明者らは、以下のようにして本実施の形態に係る溶接状態判定方法の評価試験を行い、その性能を検証した。図７は、本評価試験で使用したワーク５０を示す斜視図である。本評価試験では、ワーク５０として、立板５２と下板５３とから構成されたＴ継手を使用した。溶接は、立板５２と下板５３との交差部を溶接する隅肉溶接とした。立板５２は、下板５３よりも溶接方向（長手方向）の長さが短く、下板５３の溶接方向の途中で欠落している。本評価試験では、立板５２が存在する部分からなくなる部分にかけて溶接を行い、立板５２の終端を溶接状態の変化として検出できるかどうかを検証した。なお、本評価試験では、ウィービング周波数を２Ｈｚ、データ数Ｎを４０とした。
ウィービング動作の各周期における平均電流Ｉａｖｅを算出し、上記の式（１）〜（３）を用いて平均電流の異常度を算出した。図８Ａは、本評価試験で測定された平均電流Ｉａｖｅを示すグラフである。図８Ａでは、横軸がウィービング動作の回数（１周期を１回とする）を示し、縦軸が平均電流Ｉａｖｅを示している。図８Ａに示すように、ウィービング回数が１〜５７では、平均電流が約２７０〜２７５Ａであるのに対して、ウィービング回数５９回目以降では、平均電流が２６７Ａ以下に減少している。この５９回目は、立板５２の終端に対応しており、図８Ａの結果は、５９回目以降において立板５２がなくなることによって、平均電流が減少したことを示している。
図８Ｂは、本評価試験で算出された異常度を示すグラフである。図８Ｂでは、横軸がウィービング動作の回数を示し、縦軸が異常度を示している。図８Ｂに示すように、１〜５７回目では、異常度が概ね０であるのに対して、５９〜６３回目では、異常度が基準値を超えている。本評価試験では、基準値をカイ二乗分布における０．５％の値７．８７９４３９とした。この異常度が基準値を超えたウィービング回数が、立板５２の終点に対応する５９回目であることから、立板５２の終端を溶接状態の変化として正確に検出できていることが分かる。また、６４回目以降では、再び異常度が基準値を下回っている。これは、立板５２がない部分を溶接した異常度の高いデータが過去値に含まれているためと考えられる。
＜評価試験２＞
次に、発明者らは、仮付けを施したＴ継手をワークとして、評価試験を実施した。図９は、本評価試験で使用したワーク５０を示す斜視図である。本評価試験では、ワーク５０として、立板５２と下板５３とから構成されたＴ継手の交差部に、数カ所の仮付け５４を施したものを使用した。溶接は、立板５２と下板５３との交差部を溶接する隅肉溶接とした。本評価試験では、交差部に沿って仮付け５４がない部分から仮付け５４が存在する部分にかけて溶接を行い、仮付け５４を溶接状態の変化として検出できるかどうかを検証した。なお、本評価試験では、ウィービング周波数を評価試験１と同じく２Ｈｚ、データ数Ｎを５０とした。その他、評価試験１と同様の手法により試験を行った。
図１０Ａは、本評価試験で測定された平均電流Ｉａｖｅを示すグラフである。図１０Ａでは、横軸がウィービング動作の回数を示し、縦軸が平均電流Ｉａｖｅを示している。図１０Ａに示すように、ウィービング回数が１〜７２では、平均電流が約２７０〜２７５Ａであるのに対して、ウィービング回数７３回目以降では、平均電流が急峻に増大している。この７３回目は、仮付け５４の位置に対応しており、図１０Ａの結果は、７３回目以降において仮付け５４が存在することによって、平均電流が増大したことを示している。つまり、このデータでは、７３回目以降に仮付け５４の影響を受けて大きく平均電流が変化している。
図１０Ｂは、本評価試験で算出された異常度を示すグラフである。図１０Ｂでは、横軸がウィービング動作の回数を示し、縦軸が異常度を示している。図１０Ｂに示すように、１〜７２回目では、異常度が基準値以下であるのに対して、７３〜７７回目では、異常度が基準値を超えている。この異常度が基準値を超えたウィービング回数が、仮付け５４の位置に対応する７３回目であることから、仮付け５４を溶接状態の変化として正確に検出できていることが分かる。
＜評価試験３＞
次に、発明者らは、目標電流値を高く設定することによってワークに溶け落ちを生じさせ、この溶け落ちを溶接状態の変化として検出できるかどうかを検証した。なお、本評価試験では、ウィービング周波数を評価試験１と同じく２Ｈｚ、データ数Ｎを１０とした。その他、評価試験１と同様の手法により試験を行った。
図１１Ａは、本評価試験で測定された平均電流Ｉａｖｅを示すグラフである。図１１Ａでは、横軸がウィービング動作の回数を示し、縦軸が平均電流Ｉａｖｅを示している。図１１Ａに示すように、ウィービング回数が１〜１８では、平均電流が約３５０〜３２０Ａで推移している。本評価試験では、ウィービング回数１８〜１９回目において溶け落ちが生じた。この溶け落ちの影響を受けて、１９回目では平均電流が減少しているものの、その減少量は大きいとはいえず、平均電流では溶け落ちを検出するのは困難である。
図１１Ｂは、本評価試験で算出された異常度を示すグラフである。図１１Ｂでは、横軸がウィービング動作の回数を示し、縦軸が異常度を示している。図１１Ｂに示すように、１〜１７回目では、異常度が基準値以下であるのに対して、１８〜１９回目では、異常度が基準値を超えている。この異常度が基準値を超えたウィービング回数が、溶け落ちが生じた１８及び１９回目であることから、溶け落ちを溶接状態の変化として正確に検出できていることが分かる。
（実施の形態２）
実施の形態１に係る溶接状態判定方法では、溶接状態が急激に変化すると異常度が一旦高くなるが、その異常な溶接状態が継続した場合には、異常度の高いデータが過去値に含まれてしまい、この過去値を使用して算出される異常度が低下することがある（図８Ｂ、図１０Ｂ、図１１Ｂ参照）。本実施の形態では、溶接状態判定システムが、過去に異常度が所定の基準値を超えた特徴量を過去値から除外して平均及び標準偏差を算出し、この平均及び標準偏差を用いて異常度を算出する。これにより、異常な溶接状態が継続する場合に、連続して異常を検出することができる。
＜溶接システムの構成＞
本実施の形態に係る溶接システムの構成は、実施の形態１に係る溶接システム１０の構成と同様であるので、同一構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。
＜溶接システムの動作＞
次に、本実施の形態に係る溶接システムの動作について説明する。ロボット制御装置３０及び電源装置４０の動作については、実施の形態１で説明したものと同様であるので、その説明を省略する。
溶接状態判定システム１００の動作について説明する。図１２は、本実施の形態に係る溶接状態判定システム１００の動作手順を示すフローチャートである。ステップＳ１１１〜１１５の処理は、実施の形態１において説明したものと同様であるので、その説明を省略する。
ＣＰＵ１１１は、Ｎ個の過去値のうち、以前に算出された異常度が基準値を超えたときの平均電流が含まれていれば、それを除外する（ステップＳ２１６１）。異常度が基準値を超えている場合は、溶接状態が異常であると推定できる。したがって、このような異常度が高いデータを取り除くことで、過去値には、溶接状態が正常な時点での平均電流のみが含まれることとなる。
次に、ＣＰＵ１１１は、異常度が高いデータを取り除いた過去値の平均値及び標準偏差を算出し、これらに基づいて異常度を算出する（ステップＳ２１６２）。ｉ−Ｎからｉ−１回目までの平均電流Ｉａｖｅの中に異常度が基準値を超えるものがＭ個存在するとする。このＭ個の平均電流のデータのそれぞれをＩ’ａｖｅ（ｉ，１），Ｉ’ａｖｅ（ｉ，２），Ｉ’ａｖｅ（ｉ，３），…，Ｉ’ａｖｅ（ｉ，Ｍ）とし、これらをまとめたものをＩ’ａｖｅ（ｉ）とする。ウィービング動作のｉ周期目における平均電流Ｉ’ａｖｅ（ｉ）について、異常度が高いデータを除外した過去値の平均値は次の式（４）で、標準偏差は式（５）で、異常度は式（６）で与えられる。
ＣＰＵ１１１は、算出された異常度に基づいて、溶接状態を判定する（ステップＳ１１７）。この処理は、実施の形態１で説明したものと同様である。ＣＰＵ１１１は、溶接状態が正常であると判定した場合（ステップＳ１１７において「正常」）、ステップＳ１１５へ処理を移す。他方、ＣＰＵ１１１は、溶接状態が異常であると判定した場合（ステップＳ１１７において「異常」）、表示部１３０に異常発生を通知する画面を表示させる（ステップＳ１１８）。本実施の形態では、異常発生の通知の後、ＣＰＵ１１１が溶接停止要求を送信することなく、ステップＳ１１５へ処理を移す。これにより、溶接状態が異常であると判定された場合でも、継続して異常度の算出及び溶接状態の判定が行われる。
以上のように構成したことにより、溶接状態が異常であるときの特徴量を過去値から除外するため、過去の異常な特徴量に影響を受けることなく、溶接状態を正確に反映した異常度を算出することができ、異常な溶接状態が継続する場合に、この異常を連続して検出することができる。
＜評価試験４＞
発明者らは、以下のようにして本実施の形態に係る溶接状態判定方法の評価試験を行い、その性能を検証した。ワーク、ウィービング周波数、及びデータ数Ｎは評価試験１と同様である。
異常度が基準値を超えたときの平均電流を過去値から除外し、平均値及び標準偏差を算出し、これらから異常度を算出した。異常度の算出に使用した平均電流のデータは、評価試験１と同じものである。図１３は、本評価試験で算出された異常度を示すグラフである。図１３では、横軸がウィービング動作の回数を示し、縦軸が異常度を示している。図１３に示すように、ウィービング回数が５９回目以降では、異常度が基準値を超えている。評価試験１では異常度が基準値を超えなかった６４回目以降についても、異常度が基準値を超えている。５９回目以降では立板５２がなくなっており、この溶接状態の変化を異常度が正確に反映している。このように、異常度が高いデータの影響を受けることなく、正確に溶接状態の変化を検出できていることが分かる。
（実施の形態３）
本実施の形態では、溶接状態判定システムが、ウィービング動作の揺動端における溶接電流値を特徴量としてウィービング周期毎に取得し、この特徴量について異常度を算出し、異常度に基づいて溶接状態を判定する。
＜溶接システムの構成＞
本実施の形態に係る溶接システムの構成は、実施の形態１に係る溶接システム１０の構成と同様であるので、同一構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。
＜溶接システムの動作＞
次に、本実施の形態に係る溶接システムの動作について説明する。ロボット制御装置３０及び電源装置４０の動作については、実施の形態１で説明したものと同様であるので、その説明を省略する。
溶接状態判定システム１００の動作について説明する。図１４は、本実施の形態に係る溶接状態判定システム１００の動作手順を示すフローチャートである。ステップＳ１１１〜１１２の処理は、実施の形態１において説明したものと同様であるので、その説明を省略する。
ＣＰＵ１１１は、ウィービング動作のｉ周期における揺動の左端及び右端における溶接電流値（以下、左端における溶接電流値を「左端電流」、右端における溶接電流値を「右端電流」という）を、溶接電流の計測値から特徴量として抽出する（ステップＳ３１３）。ステップＳ１１４〜Ｓ１１５の処理は、実施の形態１において説明したものと同様であるので、その説明を省略する。
ＣＰＵ１１１は、左端電流及び右端電流のそれぞれについて異常度を算出する（ステップＳ３１６）。ウィービング動作のｉ周期目における左端電流ＩＬ（ｉ）及び右端電流ＩＲ（ｉ）のそれぞれについて、過去値の平均値は次の式（７）及び（８）で、標準偏差は式（９）及び（１０）で、異常度は式（１１）及び（１２）で与えられる。
次に、ＣＰＵ１１１は、算出された左端電流及び右端電流それぞれについての異常度に基づいて、ウィービング動作の左端及び右端のそれぞれにおける溶接状態を判定する（ステップＳ３１７）。この処理では、ＣＰＵ１１１は、左端電流についての異常度及び右端電流についての異常度の各別に基準値と比較し、何れかの異常度が基準値を超えれば、溶接状態は異常であり、溶接動作の停止が必要であると判定する。両方の異常度が基準値以下であれば、溶接状態は正常であり、溶接動作の停止は必要ないと判定する。
ステップＳ１１８〜Ｓ１１９の処理は、実施の形態１において説明したものと同様であるので、その説明を省略する。
ウィービング動作の揺動における左端と右端とでは、溶接状態が異なる場合がある。例えば、ワークの一部分にのみ欠陥が存在し、それがウィービング動作の揺動における左端はその欠陥を通過するが、右端は通過しない場合、左端における溶接状態だけが異常となる。そこで、上記のように左端電流及び右端電流のそれぞれについての異常度を算出することで、ウィービング動作の左端における溶接状態の変化を正確に検出することができる。
＜評価試験５＞
発明者らは、以下のようにして本実施の形態に係る溶接状態判定方法の評価試験を行い、その性能を検証した。ワーク、ウィービング周波数、及びデータ数Ｎは評価試験１と同様である。
ウィービング動作の各周期における左端電流ＩＬ及び右端電流ＩＲを測定し、上記の式（４）〜（９）を用いて左端電流及び右端電流のそれぞれについての異常度を算出した。図１５Ａは、本評価試験で測定された左端電流ＩＬを示すグラフであり、図１６Ａは、右端電流ＩＲを示すグラフである。図１５Ａ及び図１６Ａでは、横軸がウィービング動作の回数を示し、縦軸が溶接電流値を示している。図１５Ａに示すように、ウィービング回数が１〜５７では、左端電流が約２７０〜２８０Ａであるのに対して、ウィービング回数５８回目以降では、左端電流が２６３Ａ以下に減少している。立板５２は、溶接方向に対して左側に位置しており、ウィービング動作の左端における溶接箇所は立板５２上となる。ウィービング回数５８回目は、立板５２の終端に対応しており、図１５Ａの結果は、５８回目以降において立板５２がなくなることによって、左端電流が減少したことを示している。
その一方、右端電流については、図１６Ａに示すように、全ウィービング回数にわたって２８１〜２９１Ａと高い電流値が維持されている。これは、ウィービング動作の右端における溶接箇所は下板５３上であり、立板５２がなくなっても下板５３における溶接状態には影響していないことを示している。
図１５Ｂは、本評価試験で算出された左端電流についての異常度を示すグラフであり、図１６Ｂは、右端電流についての異常度を示すグラフである。図１５Ｂ及び図１６Ｂでは、横軸がウィービング動作の回数を示し、縦軸が異常度を示している。図１５Ｂに示すように、１〜５７回目では、異常度が基準値以下であるのに対して、５８〜６３回目では、異常度が基準値を超えている。左端電流についての異常度が基準値を超えたウィービング回数が、立板５２の終点に対応する５８回目であることから、立板５２の終端を溶接状態の変化として正確に検出できていることが分かる。他方、右端電流についての異常度は、図１６Ｂに示すように、全ウィービング回数にわたって基準値以下である。このことは、ウィービング動作の右端については溶接状態が安定して推移することを正確に反映している。なお、左端電流についての異常度において、６４回目以降では、再び異常度が基準値を下回っているのは、立板５２がない部分を溶接した異常度の高いデータが過去値に含まれているためと考えられる。
（実施の形態４）
本実施の形態では、溶接状態判定システムが、溶接電流値の周期的な時間変動に近似した波形の振幅を特徴量としてウィービング周期毎に取得し、この特徴量について異常度を算出し、異常度に基づいて溶接状態を判定する。
＜溶接システムの構成＞
本実施の形態に係る溶接システムの構成は、実施の形態１に係る溶接システム１０の構成と同様であるので、同一構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。
＜溶接システムの動作＞
次に、本実施の形態に係る溶接システムの動作について説明する。ロボット制御装置３０及び電源装置４０の動作については、実施の形態１で説明したものと同様であるので、その説明を省略する。
溶接状態判定システム１００の動作について説明する。図１７は、本実施の形態に係る溶接状態判定システム１００の動作手順を示すフローチャートである。ステップＳ１１１〜１１２の処理は、実施の形態１において説明したものと同様であるので、その説明を省略する。
ＣＰＵ１１１は、ウィービング動作のｉ周期における溶接電流値の時系列データに基づいて、ウィービング周期と同一周期で周期的に繰り返す関数を、溶接電流値の波形にフィッティングさせ、得られた関数の振幅を特徴量として算出する（ステップＳ４１３）。この処理について詳しく説明する。周期的に変動する溶接電流値は、振幅をｐ１、位相をφとすると、次式（１３）の関数ｙ（ｔ）で近似することができる。ここで、ｔは時間である。
ｉ周期分のウィービング動作について上記の式（１３）を適用し、係数ｐ１及びｐ２を含むｎ個の式を次のように得る。ここで、ｔｉは、周期ｉにおける時間である。
上記の式（１４）をＢ＝Ａ×Ｐとすると、次式（１５）によってｐ１，ｐ２を算出する。
このようにして得られる振幅ｐ１は、ウィービング動作１周期分の溶接電流の最大値を反映している。なお、本実施の形態では、式（１３）において溶接電流値との位相のずれをφとした正弦波の関数を用いたが、次式（１６）に示される正弦波と余弦波とを重畳した関数を用いてもよい。
式（１６）における正弦波の振幅ｑｓ及び余弦波の振幅ｑｃのそれぞれは、最小二乗法により求められる。その後、三角関数の合成を用いて、次式（１７）により、合成振幅ｐ１が求められる。
ステップＳ１１４〜Ｓ１１５の処理は、実施の形態１において説明したものと同様であるので、その説明を省略する。
ＣＰＵ１１１は、振幅ｐ１について異常度を算出する（ステップＳ４１６）。ウィービング動作のｉ周期目における振幅ｐ１について、過去値の平均値は次の式（１８）で、標準偏差は式（１９）で、異常度は式（２０）で与えられる。
次に、ＣＰＵ１１１は、算出された振幅ｐ１についての異常度に基づいて、溶接状態を判定する（ステップＳ４１７）。この処理では、振幅ｐ１についての異常度を基準値と比較し、異常度が基準値を超えれば、溶接状態は異常であり、溶接動作の停止が必要であると判定する。異常度が基準値以下であれば、溶接状態は正常であり、溶接動作の停止は必要ないと判定する。
ステップＳ１１８〜Ｓ１１９の処理は、実施の形態１において説明したものと同様であるので、その説明を省略する。
＜評価試験６＞
発明者らは、以下のようにして本実施の形態に係る溶接状態判定方法の評価試験を行い、その性能を検証した。ワーク、ウィービング周波数、及びデータ数Ｎは評価試験１と同様である。
ウィービング動作の各周期における振幅ｐ１を上記の式（１４）及び（１５）を用いて算出し、式（１８）〜（２０）を用いて振幅ｐ１についての異常度を算出した。図１８Ａは、本評価試験で算出された振幅ｐ１を示すグラフである。図１８Ａでは、横軸がウィービング動作の回数を示し、縦軸が振幅ｐ１を示している。図１８Ａに示すように、ウィービング回数が１〜５７では、振幅ｐ１が約２〜７であるのに対して、ウィービング回数５８回目以降では、振幅ｐ１が８以上に増加している。このように、ウィービング回数５８回目以降において、振幅ｐ１の値に立板５２がないことによる影響が見られる。
図１８Ｂは、本評価試験で算出された振幅ｐ１についての異常度を示すグラフである。図１８Ｂでは、横軸がウィービング動作の回数を示し、縦軸が異常度を示している。図１８Ｂに示すように、１〜５７回目では、異常度が基準値以下であるのに対して、５８〜６４回目では、異常度が基準値を超えている。５８回目以降では立板５２がなくなっており、この溶接状態の変化を異常度が正確に反映している。
＜評価試験７＞
発明者らは、本実施の形態に係る溶接状態判定方法によって、溶け落ちを検出できるかどうかを検証した。ワーク、ウィービング周波数、及びデータ数Ｎは評価試験３と同様である。
図１９Ａは、本評価試験で算出された振幅ｐ１を示すグラフである。図１９Ａでは、横軸がウィービング動作の回数を示し、縦軸が振幅ｐ１を示している。図１９Ａに示すように、ウィービング回数が１〜１８では、振幅ｐ１が約２〜６であるのに対して、ウィービング回数１９回目以降では、溶け落ちの影響を受けて振幅ｐ１が急増している。
図１９Ｂは、本評価試験で算出された異常度を示すグラフである。図１９Ｂでは、横軸がウィービング動作の回数を示し、縦軸が異常度を示している。図１９Ｂに示すように、１〜１７回目では、異常度が基準値以下であるのに対して、１８〜１９回目では、異常度が基準値を超えている。このように、本実施の形態に係る溶接状態判定方法によって、溶け落ちを溶接状態の変化として検出できていることが分かる。
（実施の形態５）
本実施の形態では、溶接状態判定システムが、ウィービングの各周期で溶接電流値の平均値、ウィービングの揺動端での溶接電流値、及びウィービング周期と同一の周期で変動する溶接電流値の振幅の３つの特徴量をウィービング周期毎に取得し、これらの特徴量それぞれについて異常度を算出し、３つの異常度に基づいて溶接状態を判定する。
＜溶接システムの構成＞
本実施の形態に係る溶接システムの構成は、実施の形態１に係る溶接システム１０の構成と同様であるので、同一構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。
＜溶接システムの動作＞
次に、本実施の形態に係る溶接システムの動作について説明する。ロボット制御装置３０及び電源装置４０の動作については、実施の形態１で説明したものと同様であるので、その説明を省略する。
溶接状態判定システム１００の動作について説明する。図２０は、本実施の形態に係る溶接状態判定システム１００の動作手順を示すフローチャートである。ステップＳ１１１〜１１２の処理は、実施の形態１において説明したものと同様であるので、その説明を省略する。
ＣＰＵ１１１は、ｉ周期における平均電流を第１特徴量として算出し（ステップＳ５１３１）、左端電流及び右端電流を計測値から第２特徴量として抽出し（ステップＳ５１３２）、ウィービング周期と同一周期で周期的に繰り返す関数を、溶接電流値の波形にフィッティングさせ、得られた関数の振幅ｐ１を第３特徴量として算出する（ステップＳ５１３３）。平均電流の算出、左端電流及び右端電流の抽出、及び振幅ｐ１の算出のそれぞれは、実施の形態１乃至３で説明したものと同様である。また、ステップＳ１１４〜Ｓ１１５の処理は、実施の形態１において説明したものと同様であるので、その説明を省略する。
ＣＰＵ１１１は、第１特徴量についての異常度を第１異常度として算出し（ステップＳ５１６１）、第２特徴量についての異常度を第２異常度として算出し（ステップＳ５１６２）、第３特徴量についての異常度を第３異常度として算出する（ステップＳ５１６３）。第１乃至第３異常度の算出は、実施の形態１乃至３で説明したものと同様である。
次に、ＣＰＵ１１１は、第１乃至第３異常度のそれぞれに基づいて溶接状態を判定する（ステップＳ５１７）。この処理では、ＣＰＵ１１１は、第１乃至第３異常度のそれぞれを基準値と比較し、２つ以上の異常度が基準値を超えていれば、溶接状態は異常であり、溶接動作の停止が必要であると判定する。第１乃至第３異常度の全てが基準値以下であれば、溶接状態は正常であり、溶接動作の停止は必要ないと判定する。
ステップＳ１１８〜Ｓ１１９の処理は、実施の形態１において説明したものと同様であるので、その説明を省略する。
以上のように構成したことにより、溶接状態判定システム１００は、第１乃至第３異常度のうちの２以上が基準値を超えた場合に溶接状態を異常と判定することで、信頼性の高い異常判定を行うことができる。
（実施の形態６）
上記の実施の形態１乃至５に係る溶接状態判定方法では、標準偏差を利用した異常度を算出する。かかる異常度は、特徴量が正規分布を示すことを前提としており、正規分布を示さない特徴量では正確な異常度を算出することができない。例えば、評価試験２における平均電流Ｉａｖｅは、図１０Ａに示すように、ウィービング回数１〜７２において緩やかな増加傾向を示している。評価試験２におけるウィービング回数１〜７０回目についての平均電流のヒストグラムを図２１に示す。図２１において、縦軸はデータ数（出現頻度）を示し、横軸は平均電流を示している。この例では２７２Ａと２７３．５Ａとにおいてデータ数に２つのピークが存在しており、正規分布を示していない。なお、この例における標準偏差は０．９５７９である。これは、平均電流に時間的な増加傾向があるためである。
そこで、本実施の形態では、溶接状態判定システムが、特徴量の時間変動を線形近似し、観測値と近似値との差、過去値と近似値との差の平均及び標準偏差を算出し、これらを用いて異常度を算出する。これにより、特徴量と近似値との差が正規分布に近くなり、正確に溶接状態を反映した異常度を得ることができる。
＜溶接システムの構成＞
本実施の形態に係る溶接システムの構成は、実施の形態１に係る溶接システム１０の構成と同様であるので、同一構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。
＜溶接システムの動作＞
次に、本実施の形態に係る溶接システムの動作について説明する。ロボット制御装置３０及び電源装置４０の動作については、実施の形態１で説明したものと同様であるので、その説明を省略する。
溶接状態判定システム１００の動作について説明する。図２２は、本実施の形態に係る溶接状態判定システム１００の動作手順を示すフローチャートである。ステップＳ１１１〜１１５の処理は、実施の形態１において説明したものと同様であるので、その説明を省略する。
溶接動作では、ロボット制御装置３０によるフィードバック制御により、目標状態へと近づくよう緩やかに観測値が変化することがある。このような緩やかな変化に対応するため、本実施の形態では特徴量（平均電流）の時間変動の線形近似を行う。
ＣＰＵ１１１は、ウィービング動作の周期毎の平均電流の時間変動を線形近似し（ステップＳ６１６１）、近似値に基づいて異常度を算出する（ステップＳ６１６２）。この処理では、観測値と近似値との差、過去値と近似値との差の平均及び標準偏差によって、異常度が算出される。以下、詳述する。
平均電流Ｉａｖｅ（ｉ）に対して近似式Ｙ＝ａｔ＋ｂを適用し、平均電流Ｉａｖｅ（ｉ）の時間変動を線形近似する。ここで、Ｙは近似する平均電流、ｔは時間、ａ及びｂはパラメータである。観測値と平均電流の近似値との差は、式（２１）で与えられる。
過去値と平均電流の近似値との差の平均は式（２２）で、その標準偏差は式（２３）で与えられる。
これらを用いた異常度は式（２４）で与えられる。
このようにすることで、フィードバック制御による特徴量の緩やかな時間変動の影響を排除した異常度を得ることができる。
ステップＳ１１７〜Ｓ１１９の処理は、実施の形態１において説明したものと同様であるので、その説明を省略する。
以上のように構成したことにより、フィードバック制御による特徴量の緩やかな時間変動の影響を受けることなく、溶接状態を正確に反映した異常度を算出することができ、高精度に溶接状態を判定できる。
＜評価試験８＞
発明者らは、以下のようにして本実施の形態に係る溶接状態判定方法の評価試験を行い、その性能を検証した。本評価試験では、評価試験２と同じ平均電流のデータを使用して、異常度を算出した。
平均電流の時間変動を線形近似した。図２３は、線形近似の結果を示すグラフである。図２３において、横軸はウィービング動作の回数を示し、縦軸は平均電流を示している。図２３に示すように、ウィービング回数１〜７０において、平均電流は時間的に増加傾向を示しており、この時間変動を線形近似できる。
このような線形近似の近似値と、過去値との差の平均及び標準偏差を算出し、これらから異常度を算出した。図２４Ａは、平均電流と近似値との差のヒストグラムである。図２４Ａにおいて、縦軸はデータ数（出現頻度）を示し、横軸は平均電流と近似値との差を示している。図２４Ａに示すヒストグラムでは、図２１に示すヒストグラムよりも正規分布に近づいている。標準偏差は０．９５７９から０．７４３３に減少しており、ばらつきが低減できていることが分かる。
図２４Ｂは、本評価試験で算出された異常度を示すグラフである。図２４Ｂでは、横軸がウィービング動作の回数を示し、縦軸が異常度を示している。線形近似をしていない評価試験２の異常度（図１０Ｂ参照）に比べて、図２４Ｂに示す結果では、ウィービング回数１〜７２における異常度が減少している。特に、５４及び６４回目の異常度が低くなっており、より正確に溶接状態を反映している。また、７３〜７６回目において異常度が基準値を超えており、正確に溶接状態の変化を検出できていることが分かる。なお、７７回目以降では、再び異常度が基準値を下回っている。これは、仮付け５４の部分を溶接した異常度の高いデータが過去値に含まれているためと考えられる。
（実施の形態７）
本実施の形態に係る溶接状態判定システム１００は、実施の形態６と同様に、特徴量である平均電流の時間変動を線形近似すると共に、実施の形態２と同様に、過去に異常度が所定の基準値を超えた特徴量を過去値から除外して平均及び標準偏差を算出し、この平均及び標準偏差を用いて異常度を算出する。
＜溶接システムの構成＞
本実施の形態に係る溶接システムの構成は、実施の形態１に係る溶接システム１０の構成と同様であるので、同一構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。
＜溶接システムの動作＞
次に、本実施の形態に係る溶接システムの動作について説明する。ロボット制御装置３０及び電源装置４０の動作については、実施の形態１で説明したものと同様であるので、その説明を省略する。
溶接状態判定システム１００の動作について説明する。図２５は、本実施の形態に係る溶接状態判定システム１００の動作手順を示すフローチャートである。ステップＳ１１１〜１１５の処理は、実施の形態１において説明したものと同様であるので、その説明を省略する。
ＣＰＵ１１１は、Ｎ個の過去値のうち、以前に算出された異常度が基準値を超えたときの平均電流が含まれていれば、それを除外する（ステップＳ７１６１）。異常度が基準値を超えている場合は、溶接状態が異常であると推定できる。したがって、このような異常度が高いデータを取り除くことで、過去値には、溶接状態が正常な時点での平均電流のみが含まれることとなる。
次にＣＰＵ１１１は、異常度が高いデータが取り除かれた平均電流の時間変動を線形近似し（ステップＳ７１６２）、近似値に基づいて異常度を算出する（ステップＳ７１６３）。この処理では、観測値と近似値との差、過去値と近似値との差の平均及び標準偏差によって、異常度が算出される。以下、詳述する。
ｉ−Ｎからｉ−１回目までの平均電流Ｉａｖｅの中に異常度が基準値を超えるものがＭ個存在するとする。このＭ個の平均電流のデータのそれぞれをＩ’ａｖｅ（ｉ，１），Ｉ’ａｖｅ（ｉ，２），Ｉ’ａｖｅ（ｉ，３），…，Ｉ’ａｖｅ（ｉ，Ｍ）とし、これらをまとめたものをＩ’ａｖｅ（ｉ）とする。このＩ’ａｖｅ（ｉ）を線形近似する。観測値と平均電流の近似値との差は、式（２５）で与えられる。
過去値と平均電流の近似値との差の平均は式（２６）で、その標準偏差は式（２７）で与えられる。
これらを用いた異常度は式（２８）で与えられる。
このようにすることで、フィードバック制御による特徴量の緩やかな時間変動の影響を排除した異常度を得ることができる。
ステップＳ１１７〜Ｓ１１８の処理については、実施の形態１で説明したものと同様である。また、本実施の形態では、実施の形態２と同様に、異常発生の通知の後、ＣＰＵ１１１が溶接停止要求を送信することなく、ステップＳ１１５へ処理を移す。これにより、溶接状態が異常であると判定された場合でも、継続して異常度の算出及び溶接状態の判定が行われる。
以上のように構成したことにより、溶接状態が異常であるときの特徴量を過去値から除外するため、過去の異常な特徴量に影響を受けることなく、溶接状態を正確に反映した異常度を算出することができる。また、異常なデータを除外した特徴量を線形近似することで、特徴量と近似値との差が正規分布に近くなり、正確に溶接状態を反映した異常度を得ることができる。
＜評価試験９＞
発明者らは、以下のようにして本実施の形態に係る溶接状態判定方法の評価試験を行い、その性能を検証した。本評価試験では、評価試験２と同じ平均電流のデータを使用して、異常度を算出した。
異常度が基準値を超えたときの平均電流を過去値から除外し、異常なデータが除外された特徴量の時間変動を線形近似した。こうして得られた近似値と、過去値との差の平均及び標準偏差を算出し、これらから異常度を算出した。図２６は、本評価試験で算出された異常度を示すグラフである。図２６では、横軸がウィービング動作の回数を示し、縦軸が異常度を示している。図２６に示すように、ウィービング回数が７３回目以降では異常度が基準値を超えており、仮付け５４による溶接状態の変化を異常度が正確に反映している。また、評価試験７では異常度が基準値を超えなかった７７回目以降についても、殆どで異常度が基準値を超えている。このように、異常度が高いデータの影響を受けることなく、正確に溶接状態の変化を検出できていることが分かる。
（実施の形態８）
上記の実施の形態６では、特徴量の時間変動を線形近似する構成について述べた。しかし、ロボット制御装置３０によるフィードバック制御において、アークスタート直後のように目標値と現在の観測値との差が大きい場合は急激に観測値が変化する。このときの時間変動は直線的ではなく、線形近似では精度よく近似することができない。
そこで、本実施の形態では、溶接状態判定システムが、特徴量が直線的に変化しない場合に、その時間変動を２次近似し、観測値と近似値との差、過去値と近似値との差の平均及び標準偏差を算出し、これらを用いて異常度を算出する。
＜溶接システムの構成＞
本実施の形態に係る溶接システムの構成は、実施の形態１に係る溶接システム１０の構成と同様であるので、同一構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。
＜溶接システムの動作＞
次に、本実施の形態に係る溶接システムの動作について説明する。ロボット制御装置３０及び電源装置４０の動作については、実施の形態１で説明したものと同様であるので、その説明を省略する。
溶接状態判定システム１００の動作について説明する。図２７は、本実施の形態に係る溶接状態判定システム１００の動作手順を示すフローチャートである。ステップＳ１１１〜１１５の処理は、実施の形態１において説明したものと同様であるので、その説明を省略する。
ＣＰＵ１１１は、ウィービング動作の周期毎の平均電流の時間変動を２次近似し（ステップＳ８１６１）、近似値に基づいて異常度を算出する（ステップＳ８１６２）。この処理では、観測値と近似値との差、過去値と近似値との差の平均及び標準偏差によって、異常度が算出される。以下、詳述する。
平均電流Ｉａｖｅ（ｉ）に対して近似式Ｙ＝ａ（ｔ０−ｔ）２＋ｂを適用し、平均電流Ｉａｖｅ（ｉ）の時間変動を２次近似する。ここで、Ｙは近似する平均電流、ｔ０は判定する時点、ｔは時間、ａ及びｂはパラメータである。観測値と平均電流の近似値との差は、式（２９）で与えられる。
過去値と平均電流の近似値との差の平均は式（３０）で、その標準偏差は式（３１）で与えられる。
これらを用いた異常度は式（３２）で与えられる。
このようにすることで、フィードバック制御による特徴量の２次関数的な時間変動の影響を排除した異常度を得ることができる。
ステップＳ１１７〜Ｓ１１９の処理は、実施の形態１において説明したものと同様であるので、その説明を省略する。
以上のように構成したことにより、フィードバック制御による特徴量の非線形的な時間変動の影響を受けることなく、溶接状態を正確に反映した異常度を算出することができ、高精度に溶接状態を判定できる。
＜評価試験１０＞
発明者らは、以下のようにして本実施の形態に係る溶接状態判定方法の評価試験を行い、その性能を検証した。本評価試験では、アークスタート地点に近接した位置に仮付けを施したワークに対して溶接を行い、仮付けを溶接状態の変化として検出できるかどうかを検証した。なお、本評価試験では、ウィービング周波数及びデータ数Ｎのそれぞれを評価試験２と同じく２Ｈｚ及び５０とした。その他、評価試験１と同様の手法により試験を行った。
図２８に、アークスタート直後の平均電流の時間変動のグラフを示す。図２８において、縦軸は平均電流を示し、横軸はウィービング回数を示している。この例ではウィービング回数が１〜３０回目において急激に平均電流が減少しており、この時間変動は非線形的である。また、３６回目付近に仮付けが位置しており、この部分における平均電流の上昇は、仮付けの影響を表している。
本評価試験では、平均電流の時間変動を２次近似した。図２９Ａは、２次近似の結果を示すグラフである。図２９Ａにおいて、横軸はウィービング動作の回数を示し、縦軸は平均電流を示している。また、２次近似した平均電流の時間変動を実線で示している。
このような２次近似の近似値と、過去値との差の平均及び標準偏差を算出し、これらから異常度を算出した。図２９Ｂは、本評価試験で算出された異常度を示すグラフである。図２９Ｂでは、横軸がウィービング動作の回数を示し、縦軸が異常度を示している。図２９Ｂに示す結果では、３６回目において異常度が基準を超えている。このように、本方法によって、アークスタートからアークが安定状態に移行する間において、仮付けを溶接状態の変化として検出することができた。
（その他の実施の形態）
上述した実施の形態１乃至８においては、溶接状態が異常であると判定した場合に、溶接動作を停止する構成について述べたが、これに限定されるものではない。溶接状態が異常と判定した場合に、溶接制御を変更する構成とすることができる。図３０は、仮付けが施されたワークに対する倣い制御での溶接を説明するための図である。図３０に示すような場合、倣い制御により、溶接線である２つの部材の交差部の直線に沿って溶接が進行する。この交差部の途中に設けられた仮付け５４にアークが到達すると、倣い制御では仮付け５４の境界を溶接線と誤検知して、図中矢印で示すように、この境界に沿って溶接が進められてしまう。このような溶接不良を解消するために、仮付けを溶接状態の異常として検出した場合に、フィードバック制御及びウィービング動作の制御を継続しつつ、倣い制御を停止することも可能である。
また、上述した実施の形態８においては、同時間変動を２次近似する構成について述べたが、これに限定されるものではない。特徴量の時間変動を２次近似するのではなく、指数近似する構成とすることもできる。
上述した実施の形態６においては、特徴量の時間変動を線形近似し、実施の形態８においては、同時間変動を２次近似する構成について述べた。このような線形近似及び２次近似の両方を実行する構成とすることもできる。この場合、アークスタート直後のアーク溶接が不安定な状態から安定状態に移行するまでは、特徴量が急激に時間変動するため２次近似を実行し、時間変動が緩やかな安定状態においては線形近似を実行すればよい。
また、上述した実施の形態１乃至８においては、物理量として溶接電流値を用いる構成について述べたが、これに限定されるものではない。ウィービング動作の周期に応じて変動する物理量であれば溶接電流値でなくてもよい。ＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接のような定電流電源を使用する溶接方法では、ウィービング動作の周期に応じて溶接電圧値が変化する。このため、物理量として溶接電圧値を使用することができる。また、平均電流、左端電流及び右端電流、並びに溶接電流値の振幅を特徴量とする構成について述べたが、これらに限定されるものではない。溶接電流値のウィービング周期内における平均値、ウィービング動作における溶接トーチの揺動端での溶接電流値、ウィービング周期と同一の周期で変動する溶接電流値の振幅を特徴量とすることができる。また、ウィービング動作における溶接トーチの揺動中央での物理量、又は揺動端を含む一定区間での物理量の積分値を特徴量とすることもできる。この積分値について説明する。図３１Ａ及び図３１Ｂは、揺動端を含む一定区間での溶接電流の積分値を説明するためのグラフである。図３１Ａ及び図３１Ｂにおいて、横軸は時間を示し、縦軸は溶接電流値を示している。また、図中、「Ｒ」と表記されたピークは右端に対応し、「Ｌ」と表記されたピークは左端に対応する。図３１Ａにおいて、波形の谷の部分はウィービング動作における揺動中央に対応する。よって、「Ｒ」のピークを含む隣り合う２つの谷の間の区間は、ウィービング動作の揺動中央から右端を経て再度揺動中央に戻るまでの区間（以下、「右側区間」という）であり、「Ｌ」のピークを含む隣り合う２つの谷の間の区間は、揺動中央から左端を経て再度揺動中央に戻るまでの区間（以下、「左側区間」という）である。右側区間又は左側区間における溶接電流の積分値ＳＲ，ＳＬ（斜線部分）は、ウィービング周期に応じて変動するため、溶接状態を反映した値であり、特徴量として使用できる。また、区間の始点及び終点を揺動中央としなくてもよい。例えば、図３１Ｂに示すように、溶接電流値の基準値を定め、溶接電流値が基準値以上となる区間の積分値を特徴量とすることもできる。
また、上述した実施の形態５においては、ウィービングの各周期で溶接電流値の平均値、ウィービングの揺動端での溶接電流値、及びウィービング周期と同一の周期で変動する溶接電流値の振幅の３つの特徴量をウィービング周期毎に取得し、これらの特徴量それぞれについて異常度を算出し、３つの異常度に基づいて溶接状態を判定する構成について述べたが、これに限定されるものではない。物理量のウィービング周期内における平均値、ウィービング動作における溶接トーチの揺動端での物理量、ウィービング動作における溶接トーチの揺動中央での物理量、揺動端を含む区間での物理量の積分値、又はウィービング周期と同一の周期で変動する物理量の振幅のうちの少なくとも２以上を特徴量として取得し、これらの特徴量それぞれについて異常度を算出し、複数の異常度に基づいて溶接状態を判定する構成とすることが可能である。
また、上述した実施の形態１乃至８では、単一のコンピュータ１０１によって溶接状態判定プログラム１５０のすべての処理が実行される構成について述べたが、本発明はこれに限定されるものではなく、溶接状態判定プログラム１５０と同様の処理を、複数の装置（コンピュータ）により分散して実行する分散システムとすることも可能である。また、実施の形態１乃至８では、溶接状態判定システム１００と、ロボット制御装置３０とを個別に設ける構成について述べたが、これに限定されるものではない。溶接状態判定システム１００に、ロボット制御装置３０としての機能、つまり、ウィービング動作の制御、倣い制御、及び溶接動作のフィードバック制御を実行する機能、並びに電源装置４０を制御する機能を設けてもよい。
本発明の溶接状態判定システム及び溶接状態判定方法は、アーク溶接における溶接状態を判定する溶接状態判定システム及び溶接状態判定方法等として有用である。
１０ 溶接システム
２０ 溶接ロボット
２１ 溶接トーチ
２３ ワイヤ送給装置
２４ 溶接ワイヤ
３０ ロボット制御装置
３０１ ＣＰＵ
３３０ 制御プログラム
４０ 電源装置
４１ 定電圧電源
４２ 溶接電流検出部
４３ スイッチ
５０ ワーク
１００ 溶接状態判定システム
１１１ ＣＰＵ
１１４ ハードディスク
１３０ 表示部
１５０ 溶接状態判定プログラム

Claims (11)

  1. 溶接トーチを周期的に揺動させるウィービング動作によるアーク溶接における溶接状態を判定する溶接状態判定システムであって、
    前記ウィービング動作の周期に応じて変動する物理量に関する特徴量を前記周期毎に取得する取得部と、
    前記取得部によって一の前記周期において取得された前記特徴量である観測値、並びに前記取得部によって前記一の周期より前に取得された前記特徴量である複数の過去値についての平均及び標準偏差に基づいて異常度を算出する算出手段と、
    前記算出手段によって算出された前記異常度に基づいて、前記溶接状態を判定する判定手段と
    を備える、
    溶接状態判定システム。
  2. 前記算出手段は、前記周期毎に前記異常度を算出するように構成されており、
    前記一の周期よりも前の周期において算出された前記異常度が所定の基準値よりも高い場合、前記前の周期における前記異常度の算出において前記観測値として用いられた前記特徴量を前記複数の過去値から除外する除外手段をさらに備える、
    請求項１に記載の溶接状態判定システム。
  3. 前記特徴量の時間変動を近似する近似手段をさらに備え、
    前記算出手段は、前記観測値と前記近似手段により得られた前記観測値の近似値との差、並びに前記過去値と前記近似手段による前記過去値の近似値との差の平均及び標準偏差に基づいて、前記異常度を算出するように構成されている、
    請求項１又は２に記載の溶接状態判定システム。
  4. 前記近似手段は、線形近似により前記特徴量の時間変動を近似するように構成されている、
    請求項３に記載の溶接状態判定システム。
  5. 前記近似手段は、２次近似又は指数近似により前記特徴量の時間変動を近似するように構成されている、
    請求項３に記載の溶接状態判定システム。
  6. 前記特徴量は、前記物理量の前記周期内における平均値、前記ウィービング動作における前記溶接トーチの揺動端での前記物理量、前記ウィービング動作における前記溶接トーチの揺動中央での前記物理量、揺動端を含む区間での前記物理量の積分値、又は前記物理量の周期的な時間変動と近似する波形の振幅である、
    請求項１乃至５の何れかに記載の溶接状態判定システム。
  7. 前記取得部は、前記物理量の前記周期内における平均値、前記ウィービング動作における前記溶接トーチの揺動端での前記物理量、前記ウィービング動作における前記溶接トーチの揺動中央での前記物理量、揺動端を含む区間での前記物理量の積分値、又は前記物理量の周期的な時間変動と近似する波形の振幅のうちの少なくとも２以上を前記特徴量として取得するように構成されており、
    前記算出手段は、それぞれの前記特徴量について各別に前記異常度を算出するように構成されており、
    前記判定手段は、前記算出手段によって算出された前記異常度のそれぞれに基づいて、前記溶接状態を判定するように構成されている、
    請求項１乃至５の何れかに記載の溶接状態判定システム。
  8. 前記判定手段による前記溶接状態の判定結果に基づいて、前記アーク溶接の動作を制御する制御手段をさらに備える、
    請求項１乃至７の何れかに記載の溶接状態判定システム。
  9. 前記判定手段によって前記溶接状態が異常であると判定された場合に、前記異常を通知する通知手段をさらに備える、
    請求項１乃至８の何れかに記載の溶接状態判定システム。
  10. 前記物理量は、溶接電流又は溶接電圧である、
    請求項１乃至９の何れかに記載の溶接状態判定システム。
  11. 溶接トーチを周期的に揺動させるウィービング動作によるアーク溶接における溶接状態を判定する溶接状態判定方法であって、
    前記ウィービング動作の周期に応じて変動する物理量に関する特徴量を前記周期毎に取得するステップと、
    一の前記周期において取得された前記特徴量である観測値、並びに前記一の周期より前に取得された前記特徴量である複数の過去値についての平均及び標準偏差に基づいて異常度を算出するステップと、
    算出された前記異常度に基づいて、前記溶接状態を判定するステップと
    を有する、
    溶接状態判定方法。
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