JP6583962B2

JP6583962B2 - 溶接装置

Info

Publication number: JP6583962B2
Application number: JP2016008185A
Authority: JP
Inventors: 将一石和久; 利昭中俣; 一郎梅澤
Original assignee: Daihen Corp
Current assignee: Daihen Corp
Priority date: 2016-01-19
Filing date: 2016-01-19
Publication date: 2019-10-02
Anticipated expiration: 2036-01-19
Also published as: JP2017127888A

Description

本発明は、溶接ワイヤを送給し、短絡期間とアーク期間とを繰り返してアーク溶接する溶接装置に関するものである。

消耗電極式アーク溶接では、消耗電極である溶接ワイヤを送給し、溶接ワイヤと母材との間にアークを発生させて溶接が行われる。消耗電極式アーク溶接は、自動化が容易であり、かつ、高効率に溶接することができるために、広く使用されている。消耗電極式アーク溶接では、溶接ワイヤと母材との間が短絡期間とアーク期間とを繰り返す溶接状態となることが多い。短絡期間中は、短絡状態を早期に解除するために、溶接電流は急峻に増加し、ピーク値は６００Ａにも達する。アーク期間中は、溶接ビードを高品質に形成するために、溶接電流は緩やかに変化し、電流値も１００〜３００Ａ程度となる。

溶接作業者は、片手で溶接トーチを操作し、もう一方の手で保護面を把持して溶接を行う。溶接作業者が溶接電流、溶接電圧等の溶接条件を調整するときには、一旦溶接を中断し、手元にある条件設定器のツマミを調整して行うことが一般的である。しかし、これでは、最適な溶接条件に調整するまでには、何度も溶接を中断しなければならず、長い時間が必要となる。このために、溶接を行いながら溶接条件の調整が可能な溶接トーチ(例えば、特許文献１参照)が販売されている。この溶接トーチには、溶接条件を調整するツマミが設けられている。溶接作業者は、溶接を行いながら、このツマミを調整して、溶接条件を調整する。しかしながら、複雑で、かつ、微妙なトーチ操作を行いながら、ツマミを調整するには、熟練した技量が必要である。未熟練作業者がこの溶接トーチを使いこなすことは困難であった。

また、特許文献２の発明では、口唇の動きを光学的手段で読み取り、対象物に対して指令を与える装置が開示されている。このような装置を、上述したアーク溶接に適用すれば、溶接作業者は口唇の動きによって溶接条件を調整することが可能となる。この方法では、両手には追加の操作が不要であるので、未熟練作業者であっても簡単に使いこなすことができる。

特開２０１５−２０２４９８号公報特開２００４−２４８６３号公報

上述したように、消耗電極式アーク溶接では、短絡期間中に急峻に変化し、かつ、大電流値の溶接電流が通電する。このために、非常に強い磁界がアーク発生部の周囲空間に形成される。特許文献２の発明のように、口唇の動きをＣＣＤカメラ等の撮像手段によって撮像するときに、強い磁界から影響を受けて、画像データに大きなノイズが重畳する問題があった。この結果、口唇の動きを正しく認識することができないために、溶接電源に対して溶接条件の調整を行うことができなかった。

そこで、本発明では、消耗電極式アーク溶接において、溶接中に溶接作業者の口唇の動きを撮像し、撮像された画像データに基づいて溶接電源に対する溶接条件の調整を行うことができる溶接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に、請求項１の発明は、
溶接ワイヤを送給し、短絡期間とアーク期間とを繰り返してアーク溶接する溶接装置であって、
溶接状態が前記短絡期間であるか前記アーク期間であるかを判別して溶接状態判別信号を出力する溶接状態判別部と、
前記溶接状態判別信号に同期して溶接作業者の口唇の動きを撮像し、画像データを出力する画像撮像手段と、
前記画像データから前記口唇の動きを認識する口唇認識部と、
前記認識された口唇の動きに基づいて溶接条件設定信号を出力する溶接条件設定部と、
前記溶接条件設定信号を入力として溶接負荷に供給される出力を制御する溶接電源と、を備えた
ことを特徴とする溶接装置である。

請求項２の発明は、前記画像撮像手段は、前記溶接作業者の前記口唇の動きを周期的に撮像して前記画像データを出力し、前記撮像するときに前記溶接状態判別信号が前記短絡期間であるときは前記アーク期間になるまで前記撮像を遅延する、
ことを特徴とする請求項１に記載の溶接装置である。

請求項３の発明は、前記溶接状態判別信号に同期して前記溶接条件設定信号を前記溶接電源に通信する通信部をさらに備えた、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の溶接装置である。

請求項４の発明は、前記口唇認識部は、前記溶接状態判別信号に同期して前記画像データから前記口唇の動きを認識する、
ことを特徴とする請求項３に記載の溶接装置である。

本発明によれば、溶接状態がアーク期間であるときに同期して溶接作業者の口唇の動きを画像撮像手段によって撮像し、画像データから口唇の動きを認識し、認識した結果に基づいて溶接条件を調整することができる。撮像は、溶接電流の変化が緩やかであり、かつ、小電流値であるアーク期間に同期して行われるために、画像データにノイズが重畳することを抑制することができる。このために、溶接作業者の口唇の動きを正しく認識することができる。

本発明の実施の形態１に係る溶接装置のブロック図である。カメラＣＭの撮像タイミングを示す図である。本発明の実施の形態２に係る溶接装置のブロック図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

［実施の形態１］
実施の形態１の発明では、口唇認識部ＭＤ、溶接条件設定部ＷＣが溶接電源ＰＳの近傍又は電源内に設けられている場合である。カメラＣＭは、保護面の内側に設けられている。したがって、カメラＣＭは、アーク発生部の近くに位置することになる。この結果、カメラＣＭは、溶接電流Ｉｗの通電による磁界からのノイズを受けやすいことになる。

図１は、本発明の実施の形態１に係る溶接装置のブロック図である。以下、同図を参照して各ブロックについて説明する。

ワイヤ送給機ＦＤは、溶接電源ＰＳのプラス出力端子と接続され、溶接ワイヤ１を送給するための送給モータ(図示は省略)を内蔵している。溶接トーチＷＴは、ワイヤ送給機ＦＤに接続されて、電力、溶接ワイヤ１及びシールドガスをアーク発生部に供給する。溶接トーチＷＴは、溶接作業者によって把持される。溶接トーチＷＴから送給された溶接ワイヤ１と母材２との間にアーク３が発生する。母材２は、溶接電源ＰＳのマイナス出力端子と接続される。溶接ワイヤ１と母材２との間には溶接電圧Ｖｗが印加し、溶接電流Ｉｗが通電する。

溶接状態判別部ＳＴＢは、溶接電圧Ｖｗを検出し、検出された値がしきい値未満のときは短絡期間であると判別してＬｏｗレベルとなり、しきい値以上のときはアーク期間であると判別してＨｉｇｈレベルとなる溶接状態判別信号Ｓtbを出力する。しきい値は、例えば１０Ｖに設定される。

カメラＣＭは、上記の溶接状態判別信号Ｓtbを入力として、溶接作業者の口唇の動きを周期的に撮像し、画像データＣｍを出力する。カメラＣＭは、各撮像時に溶接状態判別信号ＳtbがＨｉｇｈレベル(アーク期間)であるときはその時点で撮像し、各撮像時に溶接状態判別信号ＳtbがＬｏｗレベル(短絡期間)であるときはＨｉｇｈレベル(アーク期間)になるまで遅延させて撮像する。カメラＣＭは、周期撮像信号Ｓ１及び最終撮像信号Ｓ２(共に図示は省略)を内部で生成している。周期撮像信号Ｓ１は、予め定めた周期ごとに短時間Ｈｉｇｈレベルとなる信号である。この周期撮像信号Ｓ１が短時間Ｈｉｇｈレベルである時点がアーク期間であるときはそのままの最終撮像信号Ｓ２を出力する。他方、周期撮像信号Ｓ１が短時間Ｈｉｇｈレベルである時点が短絡期間であるときはアーク期間になるまで遅延させた最終撮像信号Ｓ２を出力する。実際の撮像タイミングは、最終撮像信号Ｓ２が短時間Ｈｉｇｈレベルのときに同期して行われる。カメラＣＭは、例えばＣＣＤカメラである。カメラＣＭは、溶接作業者の口唇の動きを撮像できるように、保護面(図示は省略)の内側に設けられている。カメラＣＭが、画像撮像手段に相当する。

口唇認識部ＭＤは、上記の画像データＣｍを入力として、画像データＣｍから口唇の動きを認識して、口唇認識信号Ｍｄを出力する。

溶接条件設定部ＷＣは、上記の口唇認識信号Ｍｄを入力として、以下の１）〜４）の処理を行い、溶接条件設定信号Ｗｃを出力する。溶接条件設定信号Ｗｃは、例えば溶接電流設定信号Ｉｒ、溶接電圧設定信号Ｖｒ等である。
１）口唇認識信号Ｍｄが「あ」に対応した信号であり、この状態が所定時間継続するごとに、溶接電流設定信号Ｉｒの値を所定値だけ増加させる。
２）口唇認識信号Ｍｄが「い」に対応した信号であり、この状態が所定時間継続するごとに、溶接電流設定信号Ｉｒの値を所定値だけ減少させる。
３）口唇認識信号Ｍｄが「う」に対応した信号であり、この状態が所定時間継続するごとに、溶接電圧設定信号Ｖｒの値を所定値だけ増加させる。
４）口唇認識信号Ｍｄが「え」に対応した信号であり、この状態が所定時間継続するごとに、溶接電圧設定信号Ｖｒの値を所定値だけ減少させる。

溶接電源ＰＳは、上記の溶接条件設定信号Ｗｃを入力として、溶接負荷に供給される出力を制御する。溶接条件設定信号Ｗｃに含まれる溶接電流設定信号Ｉｒに基づいて溶接ワイヤ１の送給速度(溶接電流Ｉｗ)が設定される。溶接条件設定信号Ｗｃに含まれる溶接電圧設定信号Ｖｒに基づいて溶接電圧Ｖｗが設定される。

図２は、カメラＣＭの撮像タイミングを示す図である。同図(Ａ)は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図(Ｂ)は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図(Ｃ)は溶接状態判別信号Ｓtbの時間変化を示し、同図(Ｄ)は周期的に発生する周期撮像信号Ｓ１の時間変化を示し、同図(Ｅ)は修正後の最終撮像信号Ｓ２の時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。

同図において、時刻ｔ１〜ｔ２の期間は短絡期間となり、時刻ｔ２〜ｔ３の期間はアーク期間となり、時刻ｔ３〜ｔ４の期間は短絡期間となり、時刻ｔ４〜ｔ５の期間はアーク期間となり、時刻ｔ５〜ｔ６の期間は短絡期間となり、時刻ｔ６〜ｔ７の期間はアーク期間となる。

各短絡期間中は、同図(Ａ)に示すように、溶接電流Ｉｗは急峻に増加し、同図(Ｂ)に示すように、溶接電圧Ｖｗは数Ｖの短絡電圧値になる。各アーク期間中は、同図(Ａ)に示すように、溶接電流Ｉｗは緩やかに減少し、同図(Ｂ)に示すように、溶接電圧Ｖｗは数十Ｖのアーク電圧値となる。

同図(Ｃ)に示すように、溶接状態判別信号Ｓtbは、各短絡期間中はＬｏｗレベルとなり、各アーク期間中はＨｉｇｈレベルとなる。

同図(Ｄ)に示すように、カメラＣＭ内の周期撮像信号Ｓ１は、一定周期ごとに短時間Ｈｉｇｈレベルとなるトリガ信号である。周期撮像信号Ｓ１は、時刻ｔ２〜ｔ３のアーク期間中の時刻ｔ２１と、時刻ｔ３〜ｔ４の短絡期間中の時刻ｔ３１と、時刻ｔ６〜ｔ７のアーク期間中の時刻ｔ６１とにおいて、短時間Ｈｉｇｈレベルとなる。時刻ｔ２１、時刻ｔ３１及び時刻ｔ６１の時間間隔は一定である。

時刻ｔ２１において周期撮像信号Ｓ１が短時間Ｈｉｇｈレベルとなったときに、溶接状態判別信号ＳtbはＨｉｇｈレベル(アーク期間)である。このために、同図(Ｅ)に示すように、最終撮像信号Ｓ２は、時刻ｔ２１において短時間Ｈｉｇｈレベルとなり、カメラＣＭはこのタイミングで撮像する。

時刻ｔ３１において周期撮像信号Ｓ１が短時間Ｈｉｇｈレベルとなったときに、溶接状態判別信号ＳtbはＬｏｗレベル(短絡期間)である。このために、同図(Ｅ)に示すように、最終撮像信号Ｓ２は、時刻ｔ３１からアーク期間に入るまで遅延されて時刻ｔ４１において短時間Ｈｉｇｈレベルとなり、カメラＣＭはこのタイミングで撮像する。時刻ｔ４１は、アーク期間中である。

時刻ｔ６１において周期撮像信号Ｓ１が短時間Ｈｉｇｈレベルとなったときに、溶接状態判別信号ＳtbはＨｉｇｈレベル(アーク期間)である。このために、同図(Ｅ)に示すように、最終撮像信号Ｓ２は、時刻ｔ６１において短時間Ｈｉｇｈレベルとなり、カメラＣＭはこのタイミングで撮像する。

このように、カメラＣＭの撮像タイミングを、アーク期間とすることによって、磁界の強度の変化が緩やかなときに撮像することができるので、画像データＣｍへのノイズの重畳を抑制することができる。

同図において、短絡が発生する周期は一定ではないが、１０〜１００ms程度である。また、周期撮像信号Ｓ１の周期は、４０〜１００ms程度に設定される。短絡期間の時間長さは、アーク期間の時間長さの３〜３０％程度と短い。このために、撮像タイミングをアーク期間になるように遅延しても、ほぼ周期的な撮像が可能である。

以下、実施の形態１の発明の作用効果について説明する。溶接作業者が溶接トーチＷＴを操作しながら溶接しているときに、溶接電流Ｉｗを増加させたいと思った場合には、「あ」と発音する形に口唇を動かす。保護面の内側に設けられているカメラＣＭが、アーク期間に同期して口唇の動きを連続的に撮像している。口唇認識部ＭＤは、画像データＣｍから口唇の動きが「あ」であることを認識して、「あ」に対応した口唇認識信号Ｍｄを出力する。溶接条件設定部ＷＣは、口唇認識信号Ｍｄを入力として、溶接電流設定信号Ｉｒを増加させる。溶接電源ＰＳは、溶接電流設定信号Ｉｒが増加されると、溶接ワイヤ１の送給速度を加速させて、溶接電流Ｉｗを増加させる。同様に、溶接作業者が、「い」と所定時間発音すれば、溶接電流Ｉｗは所定値だけ減少する。「う」と発音すると、溶接電圧Ｖｗが増加し、「え」と発音すれば溶接電圧Ｖｗが減少する。

上述した実施の形態１によれば、短絡期間とアーク期間とを繰り返す消耗電極式アーク溶接のアーク期間に同期して溶接作業者の口唇の動きを画像撮像手段によって撮像し、画像データから口唇の動きを認識し、認識した結果に基づいて溶接条件を調整することができる。撮像は、溶接電流の変化が緩やかであるアーク期間に同期して行われるために、画像データにノイズが重畳することを抑制することができる。このために、口唇の動きを正しく認識することができる。

「実施の形態２」
実施の形態２の発明では、溶接条件設定部ＷＣが溶接電源ＰＳの近傍又は電源内に設けられている場合である。この結果、口唇認識部ＭＤと溶接条件設定部ＷＣとの間が５〜５０ｍ程度離れている。このために、口唇認識信号Ｍｄを溶接条件設定部ＷＣまで通信するための通信部ＣＳが追加されている。

図３は、本発明の実施の形態２に係る溶接装置のブロック図である。同図は、図１と対応しており、同一ブロックには同一符号を付して、それらの説明は繰り返さない。同図は、図１の口唇認識部ＭＤを第２口唇認識部ＭＤ２に置換し、図１に通信部ＣＳを追加したものである。以下、同図を参照してこれらのブロックについて説明する。

第２口唇認識部ＭＤ２は、上記の画像データＣｍ及び上記の溶接状態判別信号Ｓtbを入力として、溶接状態判別信号ＳtbがＨｉｇｈレベルであるときに同期して、画像データＣｍから口唇の動きを認識して、口唇認識信号Ｍｄを出力する。

通信部ＣＳは、上記の溶接状態判別信号Ｓtb及び上記の口唇認識信号Ｍｄを入力として、溶接状態判別信号ＳtbがＨｉｇｈレベルであるときに同期して、上記の口唇認識信号Ｍｄを溶接条件設定部ＷＣに通信する。通信は、無線通信でも良いし、有線通信でも良い。

上述した実施の形態２によれば、口唇認識信号Ｍｄを通信によって溶接条件設定部ＷＣに入力するようにしている。実施の形態２では、溶接状態判別部ＳＴＢ、カメラＣＭ、第２口唇認識部ＭＤ２及び通信部ＣＳがアーク発生部の近傍に設けられており、溶接条件設定部ＷＣが溶接電源ＰＳの近郷又は電源内に設けられている場合である。このような形態の場合には、第２口唇認識部ＭＤ２及び／又は通信部ＣＳが磁界の影響を受けて誤動作するおそれがある。このために、実施の形態２では、第２口唇認識部ＭＤ２及び／又は通信部ＣＳは、磁界の影響が小さいアーク期間に同期して動作するようにしている。この結果、誤動作を抑制することができる。

上述した実施の形態においては、溶接条件として溶接電流及び溶接電圧の場合について説明したが、これら以外にも以下のパラメータを含めても良い。溶接の起動／停止等である。

１溶接ワイヤ
２母材
３アーク
ＣＭカメラ
Ｃｍ画像データ
ＣＳ通信部
ＦＤワイヤ送給機
Ｉｒ溶接電流設定信号
Ｉｗ溶接電流
ＭＤ口唇認識部
Ｍｄ口唇認識信号
ＭＤ２第２口唇認識部
ＰＳ溶接電源
Ｓ１周期撮像信号
Ｓ２最終撮像信号
ＳＴＢ溶接状態判別部
Ｓtb 溶接状態判別信号
Ｖｒ溶接電圧設定信号
Ｖｗ溶接電圧
ＷＣ溶接条件設定部
Ｗｃ溶接条件設定信号
ＷＴ溶接トーチ

Claims

溶接ワイヤを送給し、短絡期間とアーク期間とを繰り返してアーク溶接する溶接装置であって、
溶接状態が前記短絡期間であるか前記アーク期間であるかを判別して溶接状態判別信号を出力する溶接状態判別部と、
前記溶接状態判別信号に同期して溶接作業者の口唇の動きを撮像し、画像データを出力する画像撮像手段と、
前記画像データから前記口唇の動きを認識する口唇認識部と、
前記認識された口唇の動きに基づいて溶接条件設定信号を出力する溶接条件設定部と、
前記溶接条件設定信号を入力として溶接負荷に供給される出力を制御する溶接電源と、を備えた
ことを特徴とする溶接装置。
前記画像撮像手段は、前記溶接作業者の前記口唇の動きを周期的に撮像して前記画像データを出力し、前記撮像するときに前記溶接状態判別信号が前記短絡期間であるときは前記アーク期間になるまで前記撮像を遅延する、
ことを特徴とする請求項１に記載の溶接装置。
前記溶接状態判別信号に同期して前記溶接条件設定信号を前記溶接電源に通信する通信部をさらに備えた、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の溶接装置。
前記口唇認識部は、前記溶接状態判別信号に同期して前記画像データから前記口唇の動きを認識する、
ことを特徴とする請求項３に記載の溶接装置。