JP2022079103A - 溶接支援装置、および、溶接支援方法 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、特許文献1には、MAG(Metal Active Gas Welding)溶接やMIG(Metal Inert Gas Welding)溶接などの半自動溶接における溶接施工の良否の判定を行う方法が記載されている。
そこで、特許文献2には、TIG溶接において、溶接トーチにカメラを取り付け、画像処理によって溶接トーチの動きや溶接棒の送給量を評価する装置が記載されている。
例えば、特許文献2の方式のように、溶接棒に物理的な凹みをつけることで、凹みのある個所と、凹みのない箇所とで溶接棒の送給量がばらついてしまい、ビードに意図しない凹凸が形成されてしまう。また、溶接棒にペンでメモリの線を引くようにしても、インクが不純物となってビードに混入してしまう。
本発明は、溶接トーチと溶接棒とを用いる手動溶接作業が行われる映像を取得する第1映像取得部と、
前記溶接トーチの電極先端の第1座標と、前記溶接棒のアークに挿入する側とは反対側に位置する先端の第2座標とを求める座標計算部と、
前記第1座標と前記第2座標との第1距離を前記溶接棒の長さとして求める第1距離計算部と、
前記第1距離計算部が求めた前記溶接棒の長さの変化を表示装置に出力する出力制御部と、を有することを特徴とする。
その他の手段は、後記する。
溶接面を装着した溶接作業者は、左手に溶接材料の溶接棒13を持ちつつ右手に溶接トーチ12を持ち、作業台17上の被溶接材16に対してTIG溶接を行う。溶接トーチ12の先端にはタングステン棒の電極が装着されており、その電極から発するアークが溶接棒13のアーク側先端部を溶かすことにより、被溶接材16上に溶接プール15が形成される。デジタル溶接機11は、溶接トーチ12の電極に電力を供給する。
・デジタル溶接機11は、溶接中の電流や電圧の変化を処理用コンピュータ1に通知して、記録および監視させる。
・全体情報取得装置(第1映像取得装置)21は、溶接トーチ12の動きや溶接棒13の長さの変化を捉えるため、溶接作業者の正面に設置した。全体情報取得装置21はLAN(Local Area Network)ケーブルとLANポートを介して処理用コンピュータ1と接続されている。
・手元映像取得装置24は、溶接トーチ12や溶接プール15を含む手元の映像を取得する溶接可視化カメラであり、例えば、USB(Universal Serial Bus)を介して処理用コンピュータ1と接続されている。手元映像取得装置24の設置位置は任意だが、例えば、図1のように溶接作業者が装着する溶接面に取り付けることで、溶接作業者の両手の作業を邪魔せずに済む。
また、溶接情報は処理用コンピュータ1内のストレージに保存され、溶接後にストレージから読み込んで表示することで、溶接作業者はデータを振り返ることも可能である。
そして、処理用コンピュータ1は、入力されたビデオカメラの撮影画像から、エッジ抽出処理により、溶接トーチ12の電極から離れた場所の各特徴点(後記するマーカM1~M3の点)の座標を求める。
溶接トーチ12には2個以上のマーカM1,M2が取り付けられており、溶接棒13のアーク側とは反対側の先端部(反対側先端部)にはマーカM3が取り付けられている。球状のマーカM1~M3は重さが2g程度で、耐熱テープで固定されている。
処理用コンピュータ1は、マーカM1~M3をトラッキングすることで、各特徴点の座標を求める。以下、モーションキャプチャを用いた実施形態を説明する。なお、全体情報取得装置21で得られたデータは、処理用コンピュータ1内部のアルゴリズムによって自動的に処理され、各マーカM1~M3の3次元座標データとして記録されている。
以下に定義する各パラメータは、後記する処理用コンピュータ1の各処理に用いられる。
・溶接トーチ12の電極先端の座標(第1座標)をT(Tx,Ty,Tz)とする。
・溶接棒13の反対側先端部の座標(第2座標であり、マーカM3の座標)をB(Bx,By,Bz)とする。
・溶接棒13のアーク側先端部の座標(第3座標)をR(Rx,Ry,Rz)とする。なお、溶接トーチ12の電極先端の座標Tや、溶接棒13のアーク側先端部の座標Rにはマーカを取り付けないため、溶接作業者の作業には影響を与えない。
・座標Tと座標Bとの間の距離を、距離Dd(第1距離)とする。
・座標Tと座標Rとの間の距離を、距離d(第2距離)とする。
・座標Rと座標Bとの間の距離を、距離Dとする。
処理用コンピュータ1は、CPU901と、RAM902と、ROM903と、HDD904と、通信I/F905と、入出力I/F906と、メディアI/F907とを有するコンピュータ900として構成される。
通信I/F905は、外部の通信装置915と接続される。入出力I/F906は、入出力装置916と接続される。メディアI/F907は、記録媒体917からデータを読み書きする。さらに、CPU901は、RAM902に読み込んだプログラム(アプリケーションや、その略のアプリとも呼ばれる)を実行することにより、各処理部を制御する。そして、このプログラムは、通信回線を介して配布したり、CD-ROM等の記録媒体917に記録して配布したりすることも可能である。
処理用コンピュータ1は、処理部として、全体映像取得部(第1映像取得部)22と、座標計算部23と、手元映像取得部(第2映像取得部)25と、特徴量計算部(第2距離計算部)26と、距離計算部(第1距離計算部)27と、表示制御部(出力制御部)33とを有する。
処理用コンピュータ1の処理部から出力されたデータを保存する記憶部として、手元映像保存部31と、溶接棒長さ保存部32とが存在する。
座標計算部23は、全体映像取得部22の映像から、溶接トーチ12の電極先端の座標T(第1座標)、および、溶接棒13の反対側先端部の座標B(第2座標)を計算する。そして、座標計算部23は、座標Tと座標Bとの間の距離Dd(第1距離)の時系列データを計算し、その計算結果を距離計算部27へ出力する。
(A)溶接作業者手元のアーク光が強く溶接棒13の長さを正確に計算できない場合は、特徴量計算部26が計算した距離dで距離Ddを補正し、その補正した結果の距離D(=Dd-d)を溶接棒13の長さとする。
(B)必要とされる測定精度が高くない場合、溶接棒13の長さの補正を省き、距離Ddを補正せずにそのまま溶接棒長さ保存部32へ出力する。この場合、処理用コンピュータ1から手元映像取得装置24、手元映像取得部25、特徴量計算部26、および、手元映像保存部31を省略できる。
表示装置34は、逐一溶接情報を溶接作業者にフィードバックするために、溶接面の中の小型ディスプレイとして構成してもよい。または、表示装置34は、溶接作業者以外の人間に対して溶接時のデータを表示するように、溶接現場とは別室に備えてもよい。
S11では、溶接作業者は、図1の各装置のセットアップ作業を行う。セットアップ作業とは、例えば以下の作業である。
・デジタル溶接機11の立ち上げや電流と電圧の調整。
・手元映像取得装置24の位置調整やピント合わせ。
・全体情報取得装置21(モーションキャプチャ)の位置調整、および、座標演算のためのキャリブレーション。
・溶接トーチ12へのマーカM1,M2の取り付け。
このように、一時保存された溶接情報の一部をストレージへ移動することで、保存するデータ量が膨大になることを防げる。一方、データの改ざん防止の観点から、S16の選択肢を示すことなしに、一時保存された溶接情報の全部を自動的にストレージへ保存してもよい。
S18では、処理用コンピュータ1は、メモリに一時保存されたデータを消去することで、メモリの負荷を下げる。
S151では、処理用コンピュータ1(全体映像取得部22、手元映像取得部25)は、溶接作業開始に伴い、溶接情報の取得を開始する。この取得処理は、溶接作業の少し前から行ってもよいし、アーク点火時の信号を合図として自動的に計測を開始する構成としてもよい。
・溶接プール15の形状P、および、その形状Pを楕円近似したときの楕円の中心(P1)の座標
・溶接棒13のアーク側先端部の座標R
・溶接トーチ12の電極先端の座標T(第1座標)
これらの特徴量への変換処理は、例えば、事前に教師データを学習させた判別器を用いて、行われる。教師データは、映像データに対して手作業で各特徴量を教示したものである。この学習処理は、処理用コンピュータ1が実行してもよいし、他のコンピュータを用いて実行してもよい。
また、座標計算部23は、マーカM1,M2の座標から溶接トーチ12の電極先端の座標Tを計算する。なお、溶接時にアークが発生する座標Tにはマーカが付されていない。しかし、溶接前に座標Tにマーカを付しておき、マーカM1,M2との相対的な位置関係を学習しておくことにより、溶接時のマーカM1,M2の座標から溶接時の座標Tを計算できる。
よって、例えば、同じ座標T(第1座標)でも、S152で特徴量計算部26が求める座標Tと、S153で座標計算部23が求める座標Tとは別々に計算される。特徴量計算部26が求める座標Tは手元映像内の画像位置である一方、座標計算部23がマーカM1,M2の座標から計算する座標Tは全体映像(実空間)内の実位置であるためである。
(手順1)距離計算部27は、S153で求めた溶接トーチ12の電極先端の座標Tと、S153で求めた溶接棒13の反対側先端部の座標Bとの間の距離Ddを求める(図2参照)。
また、必要とされる測定精度が高くない場合、あるいは距離dの変動が小さい場合は、距離dの影響が小さいので、補正前の距離Ddを用いても計算精度の低下は少ない。
また、処理用コンピュータ1は、表示される各種情報をS12で与えられた溶接条件の情報と関連付けて、手元映像保存部31や溶接棒長さ保存部32などのメモリ内の記憶領域に一時保存する。
なお、S156の終了判定は、例えば、溶接作業終了の少し後で行ってもよいし、アーク消失時の信号を合図として自動的に計測を終了してもよい。
表示画面100には、手元映像101と、溶接情報の文字表示欄102と、溶接情報の角度表示欄103と、電流値電圧値のグラフ104と、溶接棒の長さのグラフ105とが表示される。これらの表示画面100の表示内容は、TIG溶接の品質を左右する重要なものである。
溶接プール15の手元映像101には、図6の処理結果として、座標T、座標R、距離dなどを重ねて表示してもよい。
・溶接後に得られる溶接電流の平均値(平均電流)
・溶接後に得られる溶接電圧の平均値(平均電圧)
・溶接開始から終了までの溶接棒消費量
・マーカ座標M1~M3
・溶接プール15の形状Pを楕円近似したときの楕円の中心座標P1
・座標P1と座標Rとの距離。なお、座標P1と座標Rとの距離は、溶接棒13のアーク側先端部を溶接プール15に投入する位置を示し、溶接プール15のビード形状やビード外観を決定づける情報である。一般的に、投入する位置は、溶接プール15の端であることが好ましい。
そのため、座標計算部23は、溶接トーチ12の電極と平行になるように固定した2つ以上のマーカ(図示省略)を測定することで角度Tθを求める。同様に、座標計算部23は、溶接棒13に固定した2つ以上のマーカを測定することで角度Rθを求める。
溶接棒13の長さの変化を示すグラフ105には、各時刻における溶接棒13の長さと、各期間における送給速度C(グラフの傾き)とが示される。ここでは、期間t2-t3だけ他の期間よりも送給速度Cが大きくなっている。よって、例えば、期間t2-t3に行われた溶接個所だけビードが膨らんで低品質になっていたとする。溶接作業者はグラフ105を確認することで、低品質の原因を溶接棒13の過剰供給として把握できる。
さらに、表示制御部33は、距離計算部27が求めた溶接棒13の長さの変化が正常範囲から逸脱したときは、アラームを画面出力または音声出力してもよい。
また、処理用コンピュータ1を技能訓練システムに搭載することで、今までマンツーマン指導が中心であった技能伝承を、e-learningとして支援できる。
(1)画像解析を行うための特徴点として、溶接棒13のアーク側先端部に物理的な加工(凹み等の印)を目盛りとして多くつける必要が無くなり、準備作業の手間を削減できる。
(2)溶接棒13のアーク側先端部に物理的な加工が不要なため、溶接棒の供給量が安定し、溶接部を品質劣化させずに済む。
(3)溶接トーチそのものにカメラを取り付ける必要が無くなり、溶接作業者のトーチ動作を邪魔せずに円滑な溶接作業を行える。
また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。
また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段などは、それらの一部または全部を、例えば集積回路で設計するなどによりハードウェアで実現してもよい。
また、前記の各構成、機能などは、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。
また、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、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際にはほとんど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
さらに、各装置を繋ぐ通信手段は、無線LANに限定せず、有線LANやその他の通信手段に変更してもよい。
11 デジタル溶接機
12 溶接トーチ
13 溶接棒
15 溶接プール
16 被溶接材
17 作業台
21 全体情報取得装置(第1映像取得装置)
22 全体映像取得部(第1映像取得部)
23 座標計算部
24 手元映像取得装置
25 手元映像取得部(第2映像取得部)
26 特徴量計算部(第2距離計算部)
27 距離計算部(第1距離計算部)
31 手元映像保存部
32 溶接棒長さ保存部
33 表示制御部(出力制御部)
34 表示装置
T 座標(第1座標)
B 座標(第2座標)
R 座標(第3座標)
Dd 距離(第1距離)
d 距離(第2距離)
Claims (7)
- 溶接トーチと溶接棒とを用いる手動溶接作業が行われる映像を取得する第1映像取得部と、
前記溶接トーチの電極先端の第1座標と、前記溶接棒のアークに挿入する側とは反対側に位置する先端の第2座標とを求める座標計算部と、
前記第1座標と前記第2座標との第1距離を前記溶接棒の長さとして求める第1距離計算部と、
前記第1距離計算部が求めた前記溶接棒の長さの変化を表示装置に出力する出力制御部と、を有することを特徴とする
溶接支援装置。 - 前記溶接支援装置は、さらに、第2映像取得部と、第2距離計算部とを有しており、
前記第2映像取得部は、前記溶接トーチおよび前記溶接棒を把持する溶接作業者の手元映像を取得し、
前記第2距離計算部は、前記手元映像に撮影されている前記溶接トーチの電極先端の前記第1座標、および、前記溶接棒のアークが発生する側のアーク側先端部の第3座標を求め、さらに、前記求めた第1座標と前記求めた第3座標との第2距離を計算し、
前記第1距離計算部は、前記第1距離を前記第2距離で補正することで前記溶接棒の長さを求めることを特徴とする
請求項1に記載の溶接支援装置。 - 前記出力制御部は、前記第1距離計算部が求めた前記溶接棒の長さの変化が正常範囲から逸脱したときは、アラームを出力することを特徴とする
請求項1に記載の溶接支援装置。 - 請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の溶接支援装置と、前記第1映像取得部に映像を提供する第1映像取得装置とを有する溶接支援システムであって、
前記第1映像取得装置は、複数のカメラにより映像を立体的に取得可能なステレオカメラとして構成され、
前記座標計算部は、前記第1映像取得装置からの映像に対して、エッジ抽出処理により前記第1座標と前記第2座標とを求めることを特徴とする
溶接支援システム。 - 請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の溶接支援装置と、前記第1映像取得部に映像を提供する第1映像取得装置とを有する溶接支援システムであって、
前記第1映像取得装置は、前記溶接トーチおよび前記溶接棒に固定されたマーカをトラックするモーションキャプチャとして構成され、
前記座標計算部は、前記第1映像取得装置からの映像に対して、マーカをトラックする処理により前記第1座標と前記第2座標とを求めることを特徴とする
溶接支援システム。 - 前記溶接トーチの電極と平行になるように複数のマーカが固定されるとともに、前記溶接棒にも複数のマーカが固定され、
前記座標計算部は、前記溶接トーチの複数のマーカから電極の角度を求めるとともに、前記溶接棒の複数のマーカから前記溶接棒の角度を求め、
前記出力制御部は、前記第1距離計算部が求めた電極の角度および前記溶接棒の角度を前記表示装置に出力することを特徴とする
請求項4に記載の溶接支援システム。 - 溶接支援装置は、第1映像取得部と、座標計算部と、第1距離計算部と、出力制御部と、を有しており、
前記第1映像取得部は、溶接トーチと溶接棒とを用いる手動溶接作業が行われる映像を取得し、
前記座標計算部は、前記溶接トーチの電極先端の第1座標と、前記溶接棒のアークに挿入する側とは反対側に位置する先端の第2座標とを求め、
前記第1距離計算部は、前記第1座標と前記第2座標との第1距離を前記溶接棒の長さとして求め、
前記出力制御部は、前記第1距離計算部が求めた前記溶接棒の長さの変化を表示装置に出力することを特徴とする
溶接支援方法。
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