KR102215840B1

KR102215840B1 - 용접 상태 판정 장치, 용접 상태 판정 방법, 및 프로그램

Info

Publication number: KR102215840B1
Application number: KR1020190057300A
Authority: KR
Inventors: 츠토무 오네; 가즈키 히다카; 다츠야 후지이
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2018-05-28
Filing date: 2019-05-16
Publication date: 2021-02-16
Also published as: CN110539056A; JP2019206015A; EP3575026A1; US20190358726A1; CN110539056B; KR20190135408A; JP7026576B2

Abstract

[과제] 용접 상태를 판정하는 것이 용이한 용접 상태 판정 장치를 제공한다.
[해결 수단] 용접 상태 판정 장치는, 펄스 아크 용접의 전극에 공급되는 펄스 전류 또는 펄스 전압의 하강부, 상승부, 및 그 사이의 평탄부를 포함하는 펄스 파형을 취득하는 취득 수단과, 상기 평탄부가 소정 폭으로 되도록 상기 펄스 파형을 정형하는 전처리 수단과, 정형된 상기 펄스 파형과, 과거의 복수의 정형된 펄스 파형에 기초하여 작성된 정상 패턴과의 차에 기초하여, 펄스 아크 용접의 상태를 판정하는 판정 수단을 구비한다.

Description

용접 상태 판정 장치, 용접 상태 판정 방법, 및 프로그램{WELDING STATE DETERMINATION DEVICE, WELDING STATE DETERMINATION METHOD, AND PROGRAM}

본 발명은 용접 상태 판정 장치, 용접 상태 판정 방법, 및 프로그램에 관한 것이다.

특허문헌 1에는, 미리 용접의 정상 상태 및 이상 상태에서의 각각의 용접 전류, 용접 전압 및 용접 아크 음향 중 적어도 하나의 주파수 해석에 의한 파워 스펙트럼을 구하여 신경망에서 정상과 이상의 구별을 학습시키고, 해당 학습이 완료된 신경망을 이용하여, 용접 중의 용접 전류, 용접 전압 및 용접 아크 음향 중 적어도 하나의 파워 스펙트럼을 평가하여 정상인지 이상인지를 판정함과 함께, 이상 상태의 판별을 동시에 행하는 것이 개시되어 있다.

일본 특허 공개 평10-235490호 공보

그러나 상기 문헌에 개시된 방법에서는, 사전에, 이상 패턴을 재현하는 실험을 통하여 다양한 용접 조건에 있어서의 이상 패턴의 데이터를 대량으로 준비할 필요가 있어, 실현이 곤란하다.

본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 그 주된 목적은, 용접 상태를 판정하는 것이 용이한 용접 상태 판정 장치, 용접 상태 판정 방법, 및 프로그램을 제공하는 데 있다.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 양태의 용접 상태 판정 장치는, 펄스 아크 용접의 전극에 공급되는 펄스 전류 또는 펄스 전압의 하강부, 상승부, 및 그 사이의 평탄부를 포함하는 펄스 파형을 취득하는 취득 수단과, 상기 평탄부가 소정 폭으로 되도록 상기 펄스 파형을 정형하는 전처리 수단과, 정형된 상기 펄스 파형과, 과거의 복수의 정형된 펄스 파형에 기초하여 작성된 정상 패턴과의 차에 기초하여, 펄스 아크 용접의 상태를 판정하는 판정 수단을 구비한다.

또한 본 발명의 다른 양태의 용접 상태 판정 장치는, 펄스 아크 용접의 전극에 공급되는 펄스 전류 또는 펄스 전압의 확률 밀도를 취득하는 취득 수단과, 상기 확률 밀도와, 과거의 복수의 확률 밀도에 기초하여 작성된 정상 패턴과의 차에 기초하여, 펄스 아크 용접의 상태를 판정하는 판정 수단을 구비한다.

또한 본 발명의 다른 양태의 용접 상태 판정 장치는, 펄스 아크 용접의 전극에 공급되는 펄스 전류 또는 펄스 전압의 소정 개소의 값을 취득하는 취득 수단과, 상기 소정 개소의 값과, 과거의 복수의 소정 개소의 값에 기초하여 작성된 정상 패턴과의 차에 기초하여, 펄스 아크 용접의 상태를 판정하는 판정 수단을 구비한다.

또한 본 발명의 다른 양태의 용접 상태 판정 방법은, 펄스 아크 용접의 전극에 공급되는 펄스 전류 또는 펄스 전압의 하강부, 상승부, 및 그 사이의 평탄부를 포함하는 펄스 파형을 취득하고, 상기 평탄부가 소정 폭으로 되도록 상기 펄스 파형을 정형하고, 정형된 상기 펄스 파형과, 과거의 복수의 정형된 펄스 파형에 기초하여 작성된 정상 패턴과의 차에 기초하여, 펄스 아크 용접의 상태를 판정한다.

또한 본 발명의 다른 양태의 용접 상태 판정 방법은, 펄스 아크 용접의 전극에 공급되는 펄스 전류 또는 펄스 전압의 확률 밀도를 취득하고, 상기 확률 밀도와, 과거의 복수의 확률 밀도에 기초하여 작성된 정상 패턴과의 차에 기초하여, 펄스 아크 용접의 상태를 판정한다.

또한 본 발명의 다른 양태의 용접 상태 판정 방법은, 펄스 아크 용접의 전극에 공급되는 펄스 전류 또는 펄스 전압의 소정 개소의 값을 취득하고, 상기 소정 개소의 값과, 과거의 복수의 소정 개소의 값에 기초하여 작성된 정상 패턴과의 차에 기초하여, 펄스 아크 용접의 상태를 판정한다.

또한 본 발명의 다른 양태의 프로그램은, 펄스 아크 용접의 전극에 공급되는 펄스 전류 또는 펄스 전압의 하강부, 상승부, 및 그 사이의 평탄부를 포함하는 펄스 파형을 취득하는 취득 수단, 상기 평탄부가 소정 폭으로 되도록 상기 펄스 파형을 정형하는 전처리 수단, 및 정형된 상기 펄스 파형과, 과거의 복수의 정형된 펄스 파형에 기초하여 작성된 정상 패턴과의 차에 기초하여, 펄스 아크 용접의 상태를 판정하는 판정 수단으로서 컴퓨터를 기능시킨다.

또한 본 발명의 다른 양태의 프로그램은, 펄스 아크 용접의 전극에 공급되는 펄스 전류 또는 펄스 전압의 확률 밀도를 취득하는 취득 수단, 및 상기 확률 밀도와, 과거의 복수의 확률 밀도에 기초하여 작성된 정상 패턴과의 차에 기초하여, 펄스 아크 용접의 상태를 판정하는 판정 수단으로서 컴퓨터를 기능시킨다.

또한 본 발명의 다른 양태의 프로그램은, 펄스 아크 용접의 전극에 공급되는 펄스 전류 또는 펄스 전압의 소정 개소의 값을 취득하는 취득 수단, 및 상기 소정 개소의 값과, 과거의 복수의 소정 개소의 값에 기초하여 작성된 정상 패턴과의 차에 기초하여, 펄스 아크 용접의 상태를 판정하는 판정 수단으로서 컴퓨터를 기능시킨다.

본 발명에 의하면, 용접 상태를 판정하는 것이 용이해진다.

도 1은 실시 형태에 따른 용접 상태 판정 장치를 포함하는 시스템의 구성예를 도시하는 블록도이다.
도 2는 용접 상태 판정 장치의 기능 구성예를 도시하는 블록도이다.
도 3은 용접 상태 판정 장치가 실행하는 정상 패턴 작성 처리의 수순예를 도시하는 흐름도이다.
도 4는 용접 상태 판정 장치가 실행하는 용접 상태 판정 처리의 수순예를 도시하는 흐름도이다.
도 5a는 펄스 파형의 예를 나타내는 도면이다.
도 5b는 펄스 파형의 예를 나타내는 도면이다.
도 6a는 정형 전의 펄스 파형의 예를 나타내는 도면이다.
도 6b는 정형 전의 펄스 파형의 예를 나타내는 도면이다.
도 7a는 정형 후의 펄스 파형의 예를 나타내는 도면이다.
도 7b는 정형 후의 펄스 파형의 예를 나타내는 도면이다.
도 8은 주성분의 기여율의 예를 나타내는 도면이다.
도 9a는 이상도의 산출 결과의 예를 나타내는 도면이다.
도 9b는 이상도의 산출 결과의 예를 나타내는 도면이다.
도 10은 각 클러스터의 무게 중심 벡터의 산출 결과의 예를 나타내는 도면이다.
도 11a는 속하는 클러스터의 산출 결과의 예를 나타내는 도면이다.
도 11b는 속하는 클러스터의 산출 결과의 예를 나타내는 도면이다.
도 12는 펄스 파형의 예를 나타내는 도면이다.
도 13은 펄스 파형의 예를 나타내는 도면이다.
도 14a는 전류 확률 밀도의 추정 결과의 예를 나타내는 도면이다.
도 14b는 전류 확률 밀도의 추정 결과의 예를 나타내는 도면이다.
도 15는 주성분의 기여율의 예를 나타내는 도면이다.
도 16a는 이상도의 산출 결과의 예를 나타내는 도면이다.
도 16b는 이상도의 산출 결과의 예를 나타내는 도면이다.
도 17은 펄스 파형의 예를 나타내는 도면이다.
도 18은 소정 개소의 샘플점의 예를 나타내는 도면이다.
도 19a는 이상도의 산출 결과의 예를 나타내는 도면이다.
도 19b는 이상도의 산출 결과의 예를 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태를, 도면을 참조하면서 설명한다. 또한 이하에 나타내는 각 실시 형태는, 본 발명의 기술적 사상을 구체화하기 위한 방법 및 장치를 예시하는 것이며, 본 발명의 기술적 사상은 하기의 것에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 기술적 사상은, 특허 청구의 범위에 기재된 기술적 범위 내에 있어서 다양한 변경을 가할 수 있다.

도 1은, 실시 형태에 따른 용접 상태 판정 장치(1)를 포함하는 용접 시스템(100)의 구성예를 도시하는 블록도이다. 용접 시스템(100)은 펄스 아크 용접 장치(8), 전원 장치(9) 및 용접 상태 판정 장치(1)를 구비하고 있다.

펄스 아크 용접 장치(8)는, 로봇 암(81)에 지지된 용접 토치(83)를 구비하고 있다. 용접 토치(83)는, 아크를 발생시키기 위한 전극(85)을 갖고 있으며, 예를 들어 MIG(Metal Inert Gas) 용접 또는 MAG(Metal Active Gas) 용접 등의 아크 용접을 실현한다.

펄스 아크 용접 장치(8)는, 전원 장치(9)로부터 공급되는 펄스 전류 및 펄스 전압에 의하여 펄스 아크 용접을 실현한다. 전원 장치(9)는 전류계 또는 전압계를 갖고 있으며, 펄스 전류 또는 펄스 전압의 검출 신호를 용접 상태 판정 장치(1)에 출력한다.

용접 상태 판정 장치(1)는, CPU, RAM, ROM, 불휘발성 메모리 및 입출력 인터페이스 등을 포함하는 컴퓨터이다. CPU는, ROM 또는 불휘발성 메모리로부터 RAM에 로드된 프로그램에 따라 정보 처리를 실행한다. 프로그램은, 예를 들어 광 디스크 또는 메모리 카드 등의 정보 기억 매체를 통하여 공급되어도 되며, 예를 들어 인터넷 등의 통신 네트워크를 통하여 공급되어도 된다.

도 2는, 용접 상태 판정 장치(1)의 기능 구성예를 도시하는 블록도이다. 용접 상태 판정 장치(1)는 데이터 취득부(11), 전처리부(13), 용접 상태 판정부(15) 및 정상 패턴 작성부(17)를 구비하고 있다. 이들 기능부는, 용접 상태 판정 장치(1)의 CPU가 프로그램에 따라 정보 처리를 실행함으로써 실현된다. 데이터베이스(2)는 용접 상태 판정 장치(1)의 내부에 마련되어도, 외부에 마련되어도 된다.

데이터 취득부(11)는 취득 수단의 일례이고, 전처리부(13)는 전처리 수단의 일례이고, 용접 상태 판정부(15)는 판정 수단의 일례이고, 정상 패턴 작성부(17)는 작성 수단의 일례이다.

도 3은, 용접 상태 판정 장치(1)의 CPU가 실행하는 정상 패턴 작성 처리의 수순예를 도시하는 흐름도이다. 동 처리는, 후술하는 용접 상태 판정 처리에 이용되는 정상 패턴을 사전에 작성하기 위하여 실행되는 처리이다.

먼저, CPU는, 전원 장치(9)로부터 펄스 아크 용접 장치(8)에 공급되는 펄스 전류 또는 펄스 전압의 검출 신호로부터 펄스 파형을 취득한다(S11, 데이터 취득부(11)로서의 처리). 펄스 파형은, 하강부, 상승부, 및 그 사이의 평탄부를 포함하는 단위로 분단된다. 평탄부는 베이스부여도 되고 피크부여도 된다.

다음으로, CPU는, 평탄부가 소정 폭으로 되도록 펄스 파형을 정형하고(S12, 전처리부(13)로서의 처리), 정형된 펄스 파형을 데이터베이스(2)에 보존한다(S13). 펄스 파형의 평탄부의 폭은 용접 조건이나 전원 제어 등에 따라 변화되는 경우가 있기 때문에, 여기서는 펄스 파형끼리의 비교를 용이하게 하기 위하여 평탄부의 폭을 정렬시키고 있다.

다음으로, CPU는, 데이터베이스(2)에 보존되어 있는 복수의 정형된 펄스 파형에 기초하여 정상 패턴을 작성하여(S14, 정상 패턴 작성부(17)로서의 처리), 데이터베이스(2)에 보존한다(S15). 본 실시 형태에서는, 정상 패턴을 작성하기 위하여, 정상 펄스 파형보다도 수가 적은 이상 펄스 파형을 대량으로 준비할 필요가 없다.

도 4는, 용접 상태 판정 장치(1)의 CPU가 실행하는 용접 상태 판정 처리의 수순예를 도시하는 흐름도이다. 동 처리는, 펄스 아크 용접 장치(8)의 용접 중 등에 용접 상태를 판정하기 위하여 실행되는 처리이다.

먼저, CPU는, 전원 장치(9)로부터 펄스 아크 용접 장치(8)에 공급되는 펄스 전류 또는 펄스 전압의 검출 신호로부터 펄스 파형을 취득한다(S21, 데이터 취득부(11)로서의 처리). 여기서는, 상기 도 3에 도시한 정상 패턴 작성 처리의 S11과 마찬가지의 단위로 펄스 파형이 분단된다.

다음으로, CPU는, 평탄부가 소정 폭으로 되도록 펄스 파형을 정형한다(S22, 전처리부(13)로서의 처리). 여기서는, 상기 도 3에 도시한 정상 패턴 작성 처리의 S12와 마찬가지의 폭으로 평탄부가 되도록 펄스 파형이 정형된다.

다음으로, CPU는, 데이터베이스(2)에 보존되어 있는 정상 패턴을 판독하여, 직전의 S22에서 정형된 펄스 파형과 정상 패턴과의 차를 산출하고(S23), 산출된 차에 기초하여 용접 상태를 판정한다(S24, 용접 상태 판정부(15)로서의 처리). 본 실시 형태에서는, 정상 패턴을 이용하기 때문에 용접 상태를 판정하는 것이 용이하다.

이하, 정상 패턴 작성 처리 및 용접 상태 판정 처리의 보다 구체적인 예에 대하여 설명한다.

[펄스 파형 정형]

펄스 파형에 전처리를 실시하여, 기준화된 파형으로 정형하고 나서, 패턴 매칭을 행함으로써 이상을 검지하는 방법에 대하여 설명한다. 도 5a는, 정상 펄스 파형의 예를 나타내는 도면이다. 도 5b는, 이상 펄스 파형의 예를 나타내는 도면이다. 이 예에서는, 펄스 파형의 베이스부에 흐트러짐이 생겼다.

여기서, 펄스 파형을 펄스마다 분단하는 것을 생각한다. 도 6a는, 정상 펄스 파형에 대하여, 예를 들어 하강부의 400A 정도로부터 다음 상승부의 400A 정도까지의 범위를 분단하여 복수 펄스분을 중첩시킨 결과를 나타내는 도면이다. 한편, 도 6b는, 베이스부에 흐트러짐이 생긴 이상 펄스 파형에 대하여, 마찬가지의 범위를 분단하고 복수 펄스분을 중첩시킨 결과를 나타내는 도면이다. 펄스 파형의 분단은 상기 데이터 취득부(11), S11 및 S21에 대응한다.

어느 경우에 있어서도, 펄스 폭에 관한 전원 장치측의 제어의 영향으로 펄스 폭이 상이한 파형이 섞여 있으며, 이대로라면 펄스 파형의 흐트러짐의 추출이 곤란하다. 그래서 도 7a 및 도 7b에 나타낸 바와 같이, 펄스 파형의 폭을 맞추는 처리를 행한다. 즉, 펄스 파형의 기울기가 급준한 하강부와 상승부를 일치시켜, 기울기가 완만한 평탄부를 넓힘으로써, 펄스 파형의 대략적인 형상을 일치시킨다.

구체적으로는, 펄스 파형을 수 점에서 이동 평균을 취한 후에 전후의 샘플점의 차를 취함으로써 그 기울기를 계산하고, 기울기의 절댓값이 소정 이하인 부분의 폭을 넓히는 처리를 행한다. 넓힐 때는, 샘플점과 샘플점 사이는 선형으로 보간하는 등의 처리를 행한다. 그 후, 단순히 기울기가 완만한 평탄부를 넓히기만 해서는, 기울기가 급준한 하강부와 상승부를 포함시킨 경우에 엄밀히 횡폭의 샘플점 수가 맞지 않는 경우도 있어서, 기울기가 급준한 하강부와, 기울기가 완만한 평탄부(베이스부)를 넓힌 부분과, 기울기가 급준한 상승부를 합한 전체의 폭을 100점 정도로 맞추는 처리를 행한다.

도 7a는, 정상 펄스 파형에 대하여, 상기 보간 처리 후에 전체를 다시 수천 내지 수만 점으로 늘이는 보간을 행한 후에 100점 정도로 씨닝한 계산 결과를 나타낸 도면이다. 도 7b는, 베이스부에 흐트러짐이 생긴 이상 펄스 파형에 대하여 마찬가지의 처리를 실시한 계산 결과를 나타낸 도면이다. 이것에 의하면, 정상 펄스 파형과 이상 펄스 파형 간에 차이가 강조되어 있음을 알 수 있다. 이상과 같은 펄스 파형의 정형은 상기 전처리부(13), S12 및 S22에 대응한다.

다음으로, 정상 펄스 파형뿐인, 또는 대부분이 정상 펄스 파형인 다수의 펄스 파형을 이용하여 주성분 분석을 행하여 이상 데이터를 검출하는 예에 대하여 설명한다. 통상의 용접에 있어서는, 대부분이 정상 펄스 파형으로 되고 극히 일부가 이상 펄스 파형으로 되는 경우가 많을 것으로 생각된다. 이하의 계산은, 대부분이 정상 펄스 파형이라면 지장은 없다.

정형된 펄스 파형이 N개(x₁, x₂, …, x_N) 있는 경우에 하나의 펄스 x₁=[x₁₁, x₂₁, …, x_p1]^T는 p차원 벡터이며, 100차원 정도의 벡터이다. 즉, X=[x₁, x₂, …, x_N]을 행렬 형식으로 나타내면 하기 수학식 1처럼 된다.

[수학식 1]

여기서, 각 행마다의 평균 μ와 표준 편차 σ를 계산한다. 이들도 또한 p차원 벡터이다. 다음으로, N개의 펄스 파형 x₁, x₂, …, x_N의 각각에, 평균 0, 표준 편차 1로 되도록 평균 μ를 빼고 표준 편차 σ로 나누는 정규화를 행한다.

그 후에 주성분 분석을 행하고 재구성 오차를 계산함으로써 이상도가 얻어진다. 구체적으로는, 하기 수학식 2에 나타낸 바와 같이, 얻어진 주성분 벡터의 기여율의 상위 m개를 u₁, u₂, …, u_m이라 하고 I_p를 p행 p열의 단위 행렬이라 하여, 이상도를 산출하려는 각 정형 후의 펄스 파형 x'을, 평균 μ를 빼고 표준 편차 σ로 나눈 x^~(x에 파선 부호)를 이용하여, x'에 대한 이상도 α₁(x')은 하기 수학식 3으로 계산할 수 있다.

[수학식 2]

[수학식 3]

도 8은, 정형한 펄스 파형을 이용한 주성분의 기여율을 계산하고 상위로부터 적산하여, m=10일 때 기여율이 90%를 초과하는 상황을 나타낸 도면이다. 이와 같이 적산함으로써 m을 결정할 수 있다.

이상도를 계산한 결과를 나타낸다. 도 9a는, 정상 펄스 파형에 대하여 이상도를 계산한 결과를 나타낸 도면이다. 한편, 도 9b는, 베이스부에 흐트러짐이 생긴 이상 펄스 파형에 대하여 이상도를 계산한 결과를 나타낸 도면이다.

주성분 분석에 의한 주성분 벡터의 계산은 정상 패턴 작성의 일례이며, 상기 정상 패턴 작성부(17) 및 S14에 대응한다. 또한 재구성 오차의 계산, 즉, 이상도의 계산은 용접 상태 판정의 일례이며, 상기 용접 상태 판정부(15) 및 S24에 대응한다.

이상과 같이 이상도를 계산하고, 이상도가 높은 것을 추출함으로써, 용접의 이상을 검출하는 것이 가능해진다. 또한 상기 예에서는 정규화 처리를 행하였지만, 정규화 처리를 행하지 않더라도 계산이 가능하다.

펄스 파형은 정상이어도 설정 전류, 설정 전압이나 전원 제어에 따라 펄스의 폭이나 형상이 변화되는 경우가 있지만, 본 실시 형태와 같이 펄스 파형을 기준화하여 정형함으로써 이상 검출의 정밀도를 향상시키는 것이 가능해진다. 즉, 다양한 용접 조건에 있어서도 펄스 파형을 기준화하여 정형하고 있으므로 이상 검출을 행할 수 있다. 또한 용접 토치의 높이나 좌우 위치 등의 워크와의 상대 위치 등에 따라 변화되는 평균 전류나 평균 전압 등의 거시적인 변화의 영향이 있는 상황 하에 있어서도 펄스 파형을 기준화하여 정형하였으므로, 이상 검출을 행하는 것이 가능해진다.

또한 상기 예에서는 주성분 분석에 의하여 용접의 이상을 검출하였지만, 펄스 파형의 정형에 의하여 정상 패턴과의 차를 명확히 할 수 있기 때문에, 주성분 분석에 한하지 않고 다양한 방법에 의하여 이상을 검출할 수 있을 것으로 생각된다.

예를 들어 정상 펄스 파형뿐인, 또는 대부분이 정상 펄스 파형인 다수의 펄스 파형을 정형하고, 정형 후의 펄스 파형의 평균을 취하여 그 평균 펄스 파형을 정상 패턴으로 하고, 평균 펄스 파형과 용접 상태를 판정하려는 펄스 파형과의 거리를 산출하는 것에 의해서도 이상도를 산출하는 것이 가능하다. 평균을 취함으로써, 소수의 이상 펄스 파형이 포함되어 있더라도 그 영향을 억제할 수 있다. 또한 그 외에도, 정형 후의 다수의 펄스 파형과, 용접 상태를 판정하려는 펄스 파형의 마하라노비스 거리를 산출하는 것에 의해서도 이상도를 산출하는 것이 가능하다.

다음으로, 펄스 파형을 정형한 후에 k-means에 의한 클러스터링을 행하여 이상을 검지하는 방법을 설명한다. 도 10은, 정상 펄스 파형과 이상 펄스 파형이 뒤섞이지만 정상 펄스 파형 쪽이 많은 상황에 있어서, 클러스터링을 행하여 세 클러스터로 나누었을 때의 무게 중심 벡터를 계산한 결과를 나타낸 도면이다.

도 11a는, 정상 펄스 파형에 대하여 상기 무게 중심 벡터와의 거리를 계산하고 가장 가까운 클러스터를 계산하여, 어느 클러스터에 속하는지를 나타낸 도면이다. 한편, 도 11b는, 이상 펄스 파형에 대하여 상기 무게 중심 벡터와의 거리를 계산하고 가장 가까운 클러스터를 계산하여, 어느 클러스터에 속하는지를 나타낸 도면이다.

즉, 하위의 클러스터에 할당한 것을 이상으로 간주함으로써 용접의 이상을 검출하는 것이 가능해진다. 그 외에도 1클래스 서포트 벡터 머신도 이용 가능하며, 이상 데이터가 비교적 많은 경우에는 통상의 서포트 벡터 머신이나 결정 트리 등의 지도 학습도 적용할 수 있음은 물론이다.

또한, 이상에서 설명한 예에서는 펄스 파형의 하측 베이스부에 주목하고 있지만 이에 한정되지 않으며, 예를 들어 펄스 파형의 상승으로부터 다음 상승까지, 즉, 피크부와 베이스부의 양쪽을 포함한 펄스 파형 전체에 대하여 전처리를 행해도 된다. 도 12는, 정상 펄스 파형에 대하여 전처리를 행한 결과이다. 폭을 정렬시키는 전처리를 피크부와 베이스부의 양쪽에 실시하는 것에 추가하여, 피크부와 베이스부의 평균을 각각 취하여, 피크부의 높이가 0.5, 베이스부의 높이가 0.1로 되도록 기준화를 행하고 있다.

높이를 맞추는 기준화에 대해서는, 피크부의 평균을 μ_P, 피크부의 평균을 μ_B라 하고 각 시각의 전류값을 a라 하였을 때, 기준화된 값 a^(a에 해트 부호)는 하기 수학식 4로 구해진다.

[수학식 4]

또한 상기 예에서는 펄스 전류에 대하여 전처리를 행하였지만, 펄스 전류와 펄스 전압의 양쪽에 대하여 전처리를 행해도 된다. 도 13은, 펄스 전류와 펄스 전압의 양쪽에 대하여 전처리를 행한 결과를 나타내는 도면이다.

좌측 절반이 전처리를 행한 전류값 약 100차원 정도의 벡터이고, 우측 절반이 전처리를 행한 전압값 약 100차원 정도의 벡터이며, 이 양자를 단순히 좌우로 나열하기만 한 약 200차원 정도의 벡터로 된다. 전압값은 위빙 등의 영향에 의하여 오르내리고 있지만, 이상도 계산 시에는, 평균 0, 표준 편차 1로 되도록 평균 μ를 빼고 표준 편차 σ로 나누는 정규화를 행하기 때문에, 이 정도의 전압값의 변동은 문제로 되지는 않을 것으로 생각된다.

이와 같이, 베이스부에 한하지 않고 피크부에 대해서도 전처리는 적용 가능하고, 펄스 전류에 한하지 않고 펄스 전압에도 전처리는 적용 가능하다. 여기서, 펄스 전압을, 단순히 먼저 설명한 펄스 전류와 마찬가지의 정형을 행해도 되지만, 전압값은 상하 움직임이 크기 때문에, 펄스 전압의 평탄부의 폭을 맞추는 처리 시에 이용하는 샘플점은, 펄스 전류의 평탄부의 폭을 맞출 때 이용한 전류값의 기울기의 절댓값이 작은 샘플점 등의, 펄스 전류를 정형할 때 이용한 샘플점을 앞에서부터 몇 점째인지 기억해 두고, 그 샘플점을 이용하여 펄스 전압의 평탄부의 폭을 맞추는 처리를 행해도 된다.

[확률 밀도 추정]

다음으로, 확률 밀도 추정을 행함으로써 전류값의 출력 패턴을 추출하고, 패턴 매칭을 행함으로써 이상을 검지하는 방법에 대하여 설명한다. 확률 밀도 추정은, 예를 들어 하기 수학식 5로 나타난다. n은 표본 사이즈이고, K는 커널 평활화 함수이고, h는 대역 폭이다.

[수학식 5]

도 14a는, 정상 펄스 전류에 대하여 1위빙마다(즉, 요동하는 전극이 일 단부로부터 타 단부까지 이동하는 기간마다) 확률 밀도 추정을 행한 후, 복수 위빙 분을 중첩시킨 계산 결과를 나타낸 도면이다. 한편, 도 14b는, 흐트러짐이 생긴 이상 펄스 전류에 대하여 1위빙마다 확률 밀도 추정을 행한 후, 복수 위빙 분을 중첩시킨 계산 결과를 나타낸 도면이다. 확률 밀도 추정은 취득 수단에 의한 처리의 일례이다.

1위빙마다의 확률 밀도 추정을 행하는 전처리를 행함으로써 위빙에 있어서의 전류값의 변화의 영향을 평준화한 후에, 정상 펄스 전류와 이상 펄스 전류 간에 차이가 강조되어 있음을 알 수 있다.

다음으로, 확률 밀도 추정 결과를 이용하여 주성분 분석을 행하여 이상 데이터를 검출하는 예에 대하여 설명한다. 도 15는, 확률 밀도 추정 결과를 이용한 주성분의 기여율을 계산하고 상위로부터 적산하여, m=2일 때 기여율이 90%를 초과하는 상황을 나타낸 도면이다. 이와 같이 적산함으로써 m을 결정할 수 있다.

이상도를 계산한 결과를 나타낸다. 도 16a는, 정상 펄스 전류에 대하여 이상도를 계산한 결과를 나타낸 도면이다. 한편, 도 16b는, 흐트러짐이 생긴 이상 펄스 전류에 대하여 이상도를 계산한 결과를 나타낸 도면이다.

이상과 같이 이상도를 계산하여 이상도가 높은 것을 추출함으로써, 용접의 이상을 검출하는 것이 가능해진다. 주성분 분석에 의한 주성분 벡터의 산출은 작성 수단에 의한 처리의 일례이고, 재구성 오차의 계산, 즉, 이상도의 계산은 판정 수단에 의한 처리의 일례이다.

1위빙을 포함하는 주기로 확률 밀도를 계산하므로, 위빙에 의하여 용접 토치와 워크의 상대 위치가 변화되는 상황에 있어서도, 1위빙에 있어서의 전류나 전압의 변화가 세트로 얻어짐으로써 확률 밀도 패턴이 안정적으로 얻어질 것으로 생각된다. 즉, 위빙에 의하여 용접 토치와 워크의 상대 위치가 변화되는 상황에 있어서도 파형을 기준화하여 정형하고 있으므로, 용접의 이상을 검출하는 것이 가능해진다.

[샘플점 추출]

다음으로, 펄스 전류에 있어서 반복되는 1세트의 펄스 파형의, 펄스마다의 베이스부의 동일한 개소 1점을 샘플점으로 함으로써 전류값의 출력 패턴을 추출하고, 패턴 매칭을 행함으로써 이상을 검지하는 방법에 대하여 설명한다.

도 17은, 정상 펄스 파형에 대하여, 예를 들어 하강부의 400A 정도로부터 다음 상승부의 400A 정도까지의 범위를 분단하고 복수 펄스분을 중첩시킨 결과를 나타내는 도면이다.

여기서, 베이스부의 중앙 부근의 점을 샘플링하는 것을 생각한다. 도 18은, 상기 도 17에 있어서의, 예를 들어 선두로부터 15점째 정도를 펄스마다 뽑아내어 약 10000펄스분의 샘플점을 나열하여 나타낸 도면이다. 샘플점의 추출은 취득 수단에 의한 처리의 일례이다.

여기서, 샘플점을 x₁, x₂, …, x_N이라 하고 그 평균을 μ, 표준 편차를 σ라 하였을 때, 새로이 얻어진 샘플점 x'에 대한 이상도는 하기 수학식 6으로 나타난다.

[수학식 6]

이상도를 계산한 결과를 나타낸다. 도 19a는, 정상 펄스 파형의 추출점에 대하여 이상도를 계산한 결과를 나타낸 도면이다. 한편, 도 19b는, 흐트러짐이 생긴 이상 펄스 파형의 추출점에 대하여 이상도를 계산한 결과를 나타낸 도면이다.

이상과 같이 펄스마다의 1점을 사용함으로써, 처리 시간을 억제하면서 용접의 이상을 검출하는 것이 가능해진다. 샘플점의 추출은 작성 수단에 의한 처리의 일례이고, 이상도의 계산은 판정 수단에 의한 처리의 일례이다. 또한 1점뿐 아니라 복수 점이 추출되어도 되고, 펄스 전류에 한하지 않고 펄스 전압이 이용되어도 된다.

1: 용접 상태 판정 장치
11: 데이터 취득부
13: 전처리부
15: 용접 상태 판정부
17: 정상 패턴 작성부
2: 데이터베이스
8: 펄스 아크 용접 장치
81: 로봇 암
83: 용접 토치
85: 전극
9: 전원 장치
100: 용접 시스템

Claims

펄스 아크 용접의 전극에 공급되는 펄스 전류 또는 펄스 전압의 하강부, 상승부, 및 그 사이의 평탄부를 포함하는 펄스 파형을 취득하는 취득 수단과,
상기 평탄부가 소정 폭으로 되도록 상기 펄스 파형을 정형하는 전처리 수단과,
정형된 상기 펄스 파형과, 과거의 복수의 정형된 펄스 파형에 기초하여 작성된 정상 패턴과의 차에 기초하여, 펄스 아크 용접의 상태를 판정하는 판정 수단
을 구비하는, 용접 상태 판정 장치.
제1항에 있어서,
상기 전처리 수단은, 상기 펄스 파형에 포함되는 복수의 부분 중, 기울기가 소정 이하인 부분의 폭을 넓히는,
용접 상태 판정 장치.
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펄스 아크 용접의 전극에 공급되는 펄스 전류 또는 펄스 전압의 하강부, 상승부, 및 그 사이의 평탄부를 포함하는 펄스 파형을 취득하고,
상기 평탄부가 소정 폭으로 되도록 상기 펄스 파형을 정형하고,
정형된 상기 펄스 파형과, 과거의 복수의 정형된 펄스 파형에 기초하여 작성된 정상 패턴과의 차에 기초하여, 펄스 아크 용접의 상태를 판정하는,
용접 상태 판정 방법.
삭제
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펄스 아크 용접의 전극에 공급되는 펄스 전류 또는 펄스 전압의 하강부, 상승부, 및 그 사이의 평탄부를 포함하는 펄스 파형을 취득하는 취득 수단,
상기 평탄부가 소정 폭으로 되도록 상기 펄스 파형을 정형하는 전처리 수단, 및
정형된 상기 펄스 파형과, 과거의 복수의 정형된 펄스 파형에 기초하여 작성된 정상 패턴과의 차에 기초하여, 펄스 아크 용접의 상태를 판정하는 판정 수단
으로서 컴퓨터를 기능시키기 위한, 기록 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
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