JP6781699B2 - 速度センサを有する溶接マスクを含む溶接支援装置 - Google Patents

Description

本開示の主題は、溶接マスク、およびアーク溶接キット、すなわち、手動でアーク溶接作業を実行するために使用される一組の用具に関する。

公知のアーク溶接キットは、溶接マスクおよび溶接用具を含む。溶接用具は電極を含む。溶接作業中、電気アークは電極と溶接箇所との間を延びる。

第１のタイプのアーク溶接、ＳＭＡＷ（Ｓｈｉｅｌｄｅｄ Ｍｅｔａｌ Ａｒｃ Ｗｅｌｄｉｎｇ：被覆アーク溶接）では、電極自体が、電気アークによって生じた熱によって溶け、したがって、溶接における溶加材となる。第２のタイプのアーク溶接、ＴＩＧ（Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ：タングステン不活性ガス）では、電極は溶けず、溶加材は別に与えられる。

より詳細には、キットは、溶接工程の主な操作パラメータ、すなわち、電圧（Ｖ）、電流（Ａ）、溶接速度（Ｗ）およびそれらの組合せを検出して熱入力を計算することができる一組のセンサを含む。これらのパラメータを溶接作業者に示し、それによって、溶接作業者がリアルタイムに溶接を修正することができるように表示装置を溶接マスクに設けることができる。この溶接マスクの一例としては、米国特許第６２４２７１１ Ｂ１号に示されたものがある。

公知の溶接キットの欠点は、溶接作業者に単に溶接パラメータを与えるにすぎないことである。しかしながら、これは、溶接作業者が適切に行われていない溶接に対応して修正することができることを保証しない。言い換えれば、溶接作業自体は、作業者の技量に大きく依存したままである。このことは、溶接電圧は溶接箇所からの電極の距離によって主に決められるので、溶接電圧に関しては特に当てはまる。

米国特許第６２４２７１１号明細書

したがって、本発明の第１の実施形態は溶接支援装置に関する。このような装置は、溶接マスクと、溶接マスクに取り付けられた溶接速度センサとを含む。溶接速度センサは、溶接速度を検出するように構成される。可視化装置は、溶接マスクに取り付けられ、溶接速度および生じる熱入力の表示を溶接作業者に示すように配置される。

都合の良いことに、このようにして、溶接作業者はまた溶接速度のフィードバックを有し、それは、一定の電流および安定した電圧とともに、目標の熱入力を可能して全体的な溶接の品質を大いに改善する。

任意に、溶接支援装置はまた、溶接速度と溶接速度に対する目標速度の値との速度差を計算するように構成された処理モジュールを有する制御装置を含む。処理モジュールはまた、速度差の結果を示す速度差信号を送るように構成することができる。次いで、可視化装置は、速度差信号を取得し、速度差の表示を溶接作業者に示すように構成される。

本発明の第２の実施形態は、上記の溶接支援装置を含むアーク溶接キットに関する。キットはまた、溶接作業者がつかむように構成された溶接用具を含む。溶接用具は電極を含む。溶接用具はまた、電圧センサを含み、電圧センサは、電極と溶接箇所との間の溶接電圧を検出して、前記溶接電圧の値を示す電圧信号を送るように構成される。

任意に、処理モジュールは、溶接電圧と目標電圧との間の電圧差を計算するように構成される。処理モジュールはまた、このような電圧差の結果を示す電圧差信号を送るように構成される。溶接マスクの可視化装置はまた、電圧差信号を取得し、電圧差の表示を溶接作業者に示すように構成することができる。

任意に、電極は、ＳＭＡＷ溶接を実行するための消耗品である。

これに代えて、電極は非消耗品であり、これによって、溶接作業者はＴＩＧ溶接を行うことができる。言い換えれば、この場合、溶接用具はＴＩＧ溶接トーチである。

さらなる詳細および特定の実施形態は、添付の図面を参照する。

本発明の実施形態によるアーク溶接キットの概略図である。 図１のキットの構成部品の側面断面図である。 図２の構成部品の正面断面図である。 異なる実施形態による、図１のキットの構成部品の側面断面図である。 図１のキットの第２の構成部品の側面断面図である。 図５の構成部品の上面断面図である。 図６の詳細の拡大図である。 図５および６の構成部品の正面断面図である。 本発明の実施形態による溶接支援装置の正面図である。 図１のキットの機能の概略図である。

例示的な実施形態を添付の図面を参照して以下で説明する。異なる図面における同じ参照符号は、同じまたは同様の要素とみなす。以下の発明を実施するための形態は本発明を限定するものではない。その代わり、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって規定される。

本明細書を通して「一実施形態」または「実施形態」として言及することは、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が、開示する主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書を通して様々な箇所で「一実施形態では」または「実施形態では」という表現が現れるが、これらは、必ずしも同じ実施形態について言及している訳ではない。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、１つまたは複数の実施形態において任意の適切な様態で組み合わせることができる。

添付の図面を参照すると、本発明の実施形態によるアーク溶接キットは、数字の１で示されている。

溶接キット１は、溶接作業者がつかむように構成された溶接用具２を含む。

溶接用具２は電極３を含む。図２および３に示すＳＭＡＷ（被覆アーク溶接）を実行するために使用される第１の実施形態では、電極３は消耗品である。言い換えれば、この実施形態では、電極３は溶接の溶加材となる。図４に示す第２の実施形態では、電極３は非消耗品であり、したがって、ＴＩＧ（タングステン不活性ガス）溶接を実行するために使用される。

さらに詳細には、溶接用具２は、電極３を支持するように構成された本体２０を含む。本体２０は軸対称が好ましく、主に長手方向軸「Ａ」に沿って延びる。溶接作業者用の把手２１は本体２０を支持する。

本体２０は、中に電極３を装着する座２０ａを有する。図２および４に示すように、溶接用具２には軸受２２が設けられ、軸受２２は本体に取り付けられ、電極３を支持することができ、かつ電極が前後に動くことができるように、座２０ａに近接して配置される。言い換えれば、電極３は、軸受２２上を滑ることによって、座２０ａの内部を前後に動くことができる。

また、溶接用具２は、電極を本体２０に対して前後に動かすために電極３と結び付いた調節装置４を含む。調節装置４は、本体２０の軸に平行な電極３の長手方向軸「Ａ」に対して横断方向に位置し、好ましくは垂直に位置する中心軸「Ｃ」を有するホイール２３を含む。実際、本体２０には、ホイール２３が差し込まれる口２５が設けられる。

作業時、ホイール２３が中心軸「Ｃ」に沿って回転することによって、電極３を長手方向軸「Ａ」に沿って動かすことができるように、ホイール２３の縁は電極３と接触している。調節装置４はまた、モータ２４を含む。このようなモータ２４は電気モータが好ましく、電磁モータがより好ましく、ホイール２３、およびそれを通じて電極３を作動させるために、ホイール２３に取り付けられる。

図２のＳＭＡＷ溶接用具２を特に参照すると、電極３は溶接中に消耗するので、ホイール２３は、使用時にはその間中、前進することに留意されたい。したがって、モータ２４の回転速度によって、電極を全体的に前方に動かすことができ、本開示の以下の部分で説明するように、電極３の先端の距離を調節するためにモータ２４は回転速度を変える。

一方、図４のＴＩＧ溶接用具２では、電極３は溶接中、消耗しない。したがって、ホイール２３は、電極３の距離を調節するためにだけ動かされる。

また、図４の実施形態では、電極３の先端および溶接箇所を大気中の酸素から遮蔽するために不活性ガスの供給源（図には示さず）が存在する。この不活性ガスの供給源は当業者にはそれ自体知られており、したがって、詳細には説明しない。

キット１は、電極３と溶接箇所との間の溶接電圧「Ｖｗ」を検出するように構成された電圧センサ５を含む。溶接電圧「Ｖｗ」は、被加工物を向く電極の端部と被加工物の溶接箇所との間の距離の関数である。電圧センサ５はまた、溶接電圧「Ｖｗ」の値を示す電圧信号「Ｖｓ」を送るように構成される。このような電圧センサ５は、当業者に知られている任意のタイプのものとすることができ、したがって、詳細には説明しない。

キット１はまた、制御装置６を含む。本開示の以下の部分では、制御装置６を複数のモジュールに細分して説明する。このように細分することは、説明を容易にするためだけであり、制御装置６自体の物理的構造を反映したものとして決して考えるべきではない。むしろ、各モジュールは、ソフトウェアルーチン、サブルーチン、またはライブラリとして、またはそれらの両方として、適切なハードウェアに支えられた電子回路として実装することができる。各モジュールは、ローカルユニット上に置くことができる、またはネットワークに分散させることができる。また、モジュールは、適切な有線または無線プロトコルを介して互いに通信することができる。

制御装置６は、上記の電圧信号「Ｖｓ」を取得するように構成されたデータ取得モジュール７を含む。

制御装置６はまた、目標電圧値「Ｖｔ」を保存するように構成された記憶モジュール１６を含む。

制御装置６はまた、前記目標電圧値「Ｖｔ」を前記記憶モジュール１６内に設定するように構成された入力モジュール１７を含む。本発明の特定の実施形態では、入力モジュール１７はＱＲコード（登録商標）リーダとすることができる。このようにして、電圧「Ｖｔ」および溶接工程に関する任意の他のパラメータは、入力モジュール１７によって、適切にコード化されたＱＲコード（登録商標）で読むことができる。

制御装置６はまた、少なくとも電圧信号「Ｖｓ」の関数である作動信号「Ｓａ」を出力するように構成された処理モジュール８を含む。また、処理モジュール８は、目標電圧値「Ｖｔ」を引き出して、溶接電圧値「Ｖｗ」と比較するように構成される。したがって、作動信号「Ｓａ」は、このような比較の結果に少なくとも部分的に正比例する。さらに詳細には、処理モジュール８は、ＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ：比例、Ｉｎｔｅｇｒａｌ：積分、およびＤｅｒｉｖａｔｉｖｅ：微分）論理でプログラムすることができる。したがって、作動信号「Ｓａ」は、「Ｖｗ」と「Ｖｔ」との間の差に正比例する部分と、このような差の微分に比例する部分と、このような差の積分に比例する部分との和とすることができる。選ばれた制御手法に応じて、任意の可能な組合せを使用することができる。処理モジュール８はまた、「Ｖｗ」と「Ｖｔ」との間の差の結果を示す電圧差信号「Ｄｖ」を与えるように構成することができる。

制御装置６はまた、調節装置４に接続された作動モジュール１４を含む。作動モジュール１４は、作動信号「Ｓａ」が指令するように調節装置４を動作させるように構成される。具体的には、作動モジュール１４は、ホイール２３を回転させるモータ２４を動作させる。任意に、溶接キットはまた、溶接マスク９を含む。このような溶接マスク９は、標準の安全マスクとして溶接作業者が溶接工程中につけるように構成される。詳細には、溶接マスク９は、溶接作業者が強い光によって目が見えなくなることなしに溶接工程を見ることができる遮光窓１０を含む。

さらに、溶接マスク９には、溶接速度センサ１１が設けられる。溶接速度センサ１１は、溶接速度「Ｗａ」を検出して、溶接速度「Ｗａ」の値を示す溶接速度信号「Ｗｓ」を送るように構成される。

本発明の好ましい実施形態によれば、溶接速度センサ１１は、第１の光学センサ１２ａを含む。第１の光学センサ１２ａは、溶接作業中、溶接箇所を向くように特に配置されている。図８に示すように、第１の光学センサは、溶接マスク９の外面に配置されるのが好ましく、遮光窓１０の上方が好ましい。溶接速度センサ１１はまた、基準フレームセンサ１２ｂを含むことが好ましい。この基準フレームセンサ１２ｂはまた、基準の固定フレーム内の動きを検出することができる任意の種類のセンサとすることができる。例えば、基準フレームセンサ１２ｂは、溶接マスク９の任意の点に配置された慣性センサとすることができる。

より詳細には、図８に示す実施形態では、基準フレームセンサ１２ｂは第２の光学センサである。したがって、基準フレームセンサ１２ｂは、周囲の固定した基準の光景、例えば、溶接箇所の被加工物の部分を向くように配置されるのが好ましく、また、第１の光学センサ１２ａのそばに配置されるのが好ましい。本発明の好ましい実施形態では、センサ１２ａ、１２ｂは撮像カメラである。

さらに詳細には、第１の光学センサ１２ａは、センサ自体に対する溶接池の速度を検出するように構成される。また、基準フレームセンサ１２ｂは、上記の固定した基準の光景の速度を検出するように構成される。第１の実施形態によれば、溶接速度センサ１１はまた、第２のセンサ１２ｂと第１の光学センサ１２ａとによって検出された速度の差として溶接速度「Ｗａ」を計算するように構成された速度計算モジュール１３を含む。これに代えて、第１の光学センサ１２ａおよび基準フレームセンサ１２ｂは両方とも、それぞれの速度を制御装置６、具体的には、データ取得モジュール７に送信する。

処理モジュール８はまた、溶接速度「Ｗａ」と目標速度「Ｗｔ」の値との速度差を計算するように構成される。前記処理装置は、前記速度差の結果を示す速度差信号「Ｄｗ」を送るように構成される。

任意に、溶接マスク９は可視化装置１５を含む。このような可視化装置１５は、溶接工程中に溶接作業者が容易に見ることができるように配置される。図１および８に示すように、可視化装置１５は、溶接マスク９の内側に配置するのが好ましく、遮光窓１０の一方の側に配置するのが好ましい。

より詳細には、可視化装置１５は、上記の速度差信号「Ｄｗ」を取得するように構成され、したがって、溶接作業者に速度差の表示を示す。同様に、可視化装置１５は、上記の電圧差信号「Ｄｖ」を取得し、溶接作業者に電圧差の表示を示すように構成することができる。図８に概略的に示すように、可視化装置は複数のＬＥＤ２６を含む。これらのＬＥＤは十字に配置されるのが好ましく、溶接作業者がより速くするべきか、遅くするべきか、あるいは、溶接箇所からより近くに行くべきか、遠くに行くべきかを示すような方法で光るように構成される。

図５および６を詳細に参照すると、キット１はまた、溶加棒「Ｒ」用のハンドリング装置１８を含むことができる。ハンドリング装置１８は、溶接中に溶加棒「Ｒ」を進めるように構成された送り装置１９を含む。

さらに詳細には、ハンドリング装置１８は、溶加棒「Ｒ」を支持するように構成された本体２７を含む。本体２７は軸対称が好ましく、主に長手方向軸「Ｂ」に沿って延びる。溶接作業者用の把手２８は本体２７に取り付けられる。把手２８は、ハンドリング装置１８の本体２７を取り囲むのが好ましい。

本体２７は、中に溶加棒「Ｒ」が配置される中央座２７ａを有する。図５に示すように、ハンドリング装置１８には軸受２９が設けられ、軸受２９は本体２７に取り付けられ、溶加棒「Ｒ」を支持し、溶加棒「Ｒ」が前後に動くことができるように中央座２７ａに近接して配置される。言い換えれば、溶加棒「Ｒ」は、軸受２９上を滑ることによって、座２７ａの内部で前後に動くことができる。

送り装置１９は、本体２７の長手方向軸「Ｂ」に対して横断方向に位置し、好ましくは垂直に位置する中心軸「Ｄ」を有するホイール３０を含む。

作業時、ホイール３０の縁は、ホイール３０を中心軸「Ｄ」に沿って回転させることによって、溶加棒「Ｒ」を長手方向軸「Ｂ」に沿って動かすことができるように溶加棒「Ｒ」と接触している。送り装置１９はまた、モータ３１を含む。このようなモータ３１は電気モータが好ましく、電磁モータがより好ましく、溶加棒「Ｒ」を作動させるために、ホイール３０に取り付けられる。

代替の実施形態では、図には示していないが、送り装置１９は、ホイール３０およびモータ３１の代わりに、溶加棒「Ｒ」用に電磁作動装置を含む。

ハンドリング装置１８を使用する場合、処理モジュール８は、送り速度信号「Ｓｖ」を作動モジュール１４に送るように構成することができる。送り速度信号「Ｓｖ」は、送り速度値「Ｆｖ」に比例するのが好ましい。したがって、作動モジュール１４はまた、送り速度信号「Ｓｖ」によって指令されたようにハンドリング装置１８の送り装置１９を動作させるように構成される。

また、図６ａに示すように、ハンドリング装置１８は、処理モジュール８と結び付いた制御インターフェース３２を含む。制御インターフェース３２は、溶接作業者が送り速度信号「Ｓｖ」を増減できるように、指令信号「Ｃｖ」を処理モジュール８に送るように構成される。

さらに詳細には、制御インターフェース３２は、把手２８に配置されたボタン３３を含む。詳細には、ボタン３３によって、溶接作業者は送り速度を連続的に調節することができる。しかしながら、ボタン３３は、溶接作業者が、送り速度を手動で増減する量を特定の精度で気付くことができるように、所定の間隔の「クリック」の形態の触感フィードバックを与えるように設計される。

１ アーク溶接キット
２ 溶接用具
３ 電極
４ 調節装置
５ 電圧センサ
６ 制御装置
７ データ取得モジュール
８ 処理モジュール
９ 溶接マスク
１０ 遮光窓
１１ 溶接速度センサ
１２ａ 第１の光学センサ
１２ｂ 基準フレームセンサ
１３ 速度計算モジュール
１４ 作動モジュール
１５ 可視化装置
１６ 記憶モジュール
１７ 入力モジュール
１８ ハンドリング装置
１９ 送り装置
２０ 本体
２０ａ 座
２１ 把手
２２ 軸受
２３ ホイール
２４ モータ
２５ 口
２６ ＬＥＤ
２７ 本体
２７ａ 中央座
２８ 把手
２９ 軸受
３０ ホイール
３１ モータ
３２ 制御インターフェース
３３ ボタン
Ａ 長手方向軸、電流
Ｂ 長手方向軸
Ｃ 中心軸
Ｃｖ 指令信号
Ｄ 中心軸
Ｄｖ 電圧差信号
Ｄｗ 速度差信号
Ｆｖ 送り速度値
Ｒ 溶加棒
Ｓａ 作動信号
Ｓｖ 送り速度信号
Ｖ 電圧
Ｖｓ 電圧信号
Ｖｔ 目標電圧値
Ｖｗ 溶接電圧
Ｗ 溶接速度
Ｗａ 溶接速度
Ｗｓ 溶接速度信号
Ｗｔ 目標速度

Claims (9)

1. 溶接作業者によって溶接箇所の溶接作業が行われる際に用いられる溶接マスク（９）と、
   前記溶接マスク（９）に取り付けられ、前記溶接作業における溶接速度（Ｗａ）を検出するように構成された溶接速度センサ（１１）と、
   前記溶接マスク（９）に取り付けられ、前記溶接速度（Ｗａ）及び前記溶接作業において生じる熱入力に関する表示を前記溶接作業者に示すように配置された可視化装置（１５）と
   を含む溶接支援装置であって、
   前記溶接速度センサ（１１）が、
   前記溶接箇所を向くように前記溶接マスク（９）に配置され、自身に対する前記溶接作業における溶接池の速度を検出するように構成された第１の光学センサ（１２ａ）と、
   前記第１の光学センサ（１２ａ）とは別に、前記溶接マスク（９）に配置され、固定した基準に対する自身の速度を検出するべく前記固定した基準を向くように配置された、第２の光学センサである基準フレームセンサ（１２ｂ）と、
   前記第１の光学センサ（１２ａ）によって検出された速度と前記基準フレームセンサ（１２ｂ）によって検出された速度との差として前記溶接速度（Ｗａ）を計算するように構成された速度計算モジュール（１３）と
   を含んでいて、前記溶接速度（Ｗａ）の値を示す溶接速度信号（Ｗｓ）を送出するように構成されており、さらに
   当該溶接支援装置は、前記溶接速度信号（Ｗｓ）を取得するように構成されたデータ取得モジュール（７）を含む制御装置（６）と、
   前記溶接速度（Ｗａ）と前記溶接速度に対する目標速度（Ｗｔ）との速度差（Ｗａ−Ｗｔ）を計算するように構成された処理モジュール（８）と
   を含んでおり、ここに、
   前記処理モジュール（８）は、前記計算の結果の速度差を示す速度差信号（Ｄｗ）を送出するように構成されており、かつ、
   前記可視化装置（１５）は、前記送出された速度差信号（Ｄｗ）を取得し、前記速度差（Ｗａ−Ｗｔ）の表示を前記溶接作業者に示すように構成されている
   溶接支援装置。
2. 前記溶接マスク（９）が、前記溶接作業者用の遮光窓（１０）を含み、
   前記可視化装置（１５）が、前記溶接マスク（９）の内側に配置され、好ましくは、前記遮光窓（１０）の一方の側に配置された
   請求項１記載の溶接支援装置。
3. 前記可視化装置（１５）が、前記溶接マスク（９）の内側であってかつ前記遮光窓（１０）の一方の側に配置された
   請求項２記載の溶接支援装置。
4. 前記可視化装置が、複数のＬＥＤ（２６）を含む
   請求項１から３のいずれか１項に記載の溶接支援装置。
5. 前記ＬＥＤが、十字状に配置され、前記溶接作業の実行に関する指示を前記溶接作業者に与えるべく光るように構成された
   請求項４記載の溶接支援装置。
6. 前記処理モジュール（８）が、溶接電圧（Ｖｗ）と目標電圧（Ｖｔ）との間の電圧差を計算し、当該計算された電圧差の結果を示す電圧差信号（Ｄｖ）を送るように構成され、
   前記可視化装置（１５）が、前記電圧差信号（Ｄｖ）を取得し、前記電圧差の表示を溶接作業者に示すように構成されている
   請求項１から５のいずれかに記載の溶接支援装置。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の溶接支援装置と、溶接作業者が掴むように構成された溶接用具（２）とを含むアーク溶接キット（１）であって、
   前記溶接用具（２）が電極（３）を含み、前記溶接用具（２）が電圧センサ（５）を含み、前記電圧センサ（５）が、前記電極（３）と前記溶接箇所との間の溶接電圧（Ｖｗ）を検出して、前記溶接電圧（Ｖｗ）の値を示す電圧信号（Ｖｓ）を送るように構成された、
   アーク溶接キット（１）。
8. 前記電極（３）が、ＳＭＡＷ溶接を実行するための消耗品である、
   請求項７記載のアーク溶接キット（１）。
9. 前記電極（３）が、ＴＩＧ溶接を実行するための非消耗品である、
   請求項７記載のアーク溶接キット（１）。