ABI Research によると、2022年に出荷されるロボットは452,000台に達し、2021年比で65%という大幅な増加が見込まれています。Universal Robots のシニアマネージャーである Joe Campbell 氏は、「2022年は使いやすいコボット（協働ロボット）のパラダイムが、マシンテンディングを超えて、溶接などの複雑なプロセスアプリケーションへと拡大する」と予測しています。その通りで、溶接業界は今日、ロボット工学の分野においても最も革新的な成長を遂げています。
ロボット溶接は、最も高度で複雑かつ重作業なアプリケーションの一つです。より多くのメーカーが自動化ソリューションに3D マシンビジョンを追加し、性能向上を図っています。視覚機能を備えることで、ロボットは人間の溶接工よりも高い精度とスピードで溶接シームを追従することが可能になります。
ロボットは本当に人間よりも上手に溶接できるのでしょうか？この問いに答えるために、ロボット溶接とは何か、3D ビジョンを用いたロボット溶接のメリット、そしてビジョンガイド溶接ソリューションを実現するためのヒントについて解説します。最後に、いくつかの実際の事例もご紹介します。
目次
溶接とは、2つ以上の部品を熱や圧力、あるいはその両方によって融合させ、部品が冷却される際に接合部を形成する製造プロセスです。溶接は主に金属や熱可塑性プラスチックに用いられますが、木材にも使用できます。完成した溶接接合部は「溶接物（ウェルドメント）」と呼ばれることもあります。つまり溶接は、接着剤を使わずに2つの材料を接合する方法です。
溶接にはさまざまな方法があり、大きく2種類に分類されます。
溶融溶接（無加圧溶接）では、接合部の材料を溶融状態に加熱し、凝固させます。これは液相溶接プロセスとも呼ばれ、ガス溶接、アーク溶接、テルミット溶接などが含まれます。
固相溶接では、熱を加えることなく、圧力を加えることで接合部を生成します。この圧力により、接合部品の分子間での拡散または界面融合が起こります。非鉄薄板金属、特にアルミニウムおよびその合金の溶接に主に用いられ、超音波溶接、摩擦溶接、爆発溶接などが含まれます。
あらゆる産業において、技術系の手作業の欠員を埋めることはますます難しくなっています。低スキルや準熟練の職種でさえ人材確保が困難ですが、熟練労働者が必要な場合はさらに深刻な状況です。熟練した見習い期間は通常3〜4年かかり、数ヶ月で習得できるものではありません。自動化とロボットは、経済を維持するために不可欠な存在になりつつあります。
知能的で高性能なロボットの必要性が最も切実に示されているのが溶接市場です。他の分野と同様、経験豊富な人材の深刻な不足が続いています。数十年前であれば、どの職場にも少なくとも1人は溶接工がいたものですが、今では特に北米やヨーロッパで非常に希少な存在となっています。
米国の溶接工はおよそ450,000人いますが、現在140,000人もの不足が生じています。米国における溶接工の平均年齢は55歳であり、さまざまな理由から次世代の溶接工が育っていない深刻な状況があります。
なぜこの人材不足が起きているのでしょうか。現代の若者にとって魅力的な職業として映っていないことが一因です。溶接工の給与中央値は年間約45,000ドルで、米国全体の中央値より約5,000ドル低い水準です。また溶接は過酷な仕事であり、2,800°Cという高温環境でのスパーク、火傷、動きにくく必須の防護服や安全装備の着用が必要で、不快で過酷な作業です。人間にとっては危険な職業であり、最良の条件下でも溶接工の「アーク稼働率」は50%に過ぎません。ロボット溶接工にはそのような制限はありません。
溶接は多くの高付加価値産業にとって重要な工程であり、先進諸国においてこのプロセスが滞りなく実施できることは不可欠です。協働ロボット（コボット）はかねてより人間の溶接工と連携し、より基本的な作業を支援することで効率向上に大きく貢献してきました。実際、多くの大手ロボットメーカーが溶接コボット市場に参入しています。デンマークの大手 Universal Robots は、溶接向けの UR+ 製品群のマーケティングを積極化してきました。しかし、今やロボットは単なる補助役にとどまらず、溶接工そのものになることが求められています。
ロボット溶接（自動溶接）とは、熱・混合・冷却によって金属材料を融合させる、機械式のプログラマブルなツールを使った接合プロセスです。一部の企業は依然として人手に頼っていますが、ロボット溶接へのシフトは加速しています。
以下に、ロボット溶接のメリットとデメリットをまとめます。
| メリット | デメリット |
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溶接品質 |
初期コスト |
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廃棄物の削減 |
技術的な問題 |
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生産コストの低減 |
柔軟性の欠如 |
| 高い生産量 ロボット溶接は人間のスタミナに依存しないため、手動溶接よりも長時間・高速で作業でき、生産量を増加させます。 |
自動システムは全体的に溶接においてより有利であり、業界の維持には欠かせない存在です。ロボットにタスクを任せることは大きな第一歩ですが、さらに3D マシンビジョンを組み合わせることで、自動化をより高いレベルへ引き上げることができます。
私たちが住む世界は3次元の世界です。人間は両目からの視覚情報を処理し、脳内で周囲環境の3次元的な理解を生成しています。機械が人間の能力を持つためには、私たちと同様に3次元で見て認識できる能力が必要です。このため、ロボットや機械が3D で見る能力を持つことへの需要が、産業界で急速に高まっています。3D ビジョンシステムは、産業・自動車・コンシューマー分野のさまざまなアプリケーションへの導入が着実に進んでいます。ここでは、自動化・物流・製造業での活用事例を持つ3D マシンビジョン技術とシステムについて解説します。
ロボットや機械は製造業や産業での存在感を急速に高めています。機械は定型作業・危険作業・汚れ作業をこなし、人間の負担を軽減します。ビジョン対応ロボットが特に普及している分野として、ランダムビンピッキング、ピック＆プレース、検査、組立、計測などが挙げられます。マシンビジョンシステムは通常、以下の5つの要素で構成されます。
2D ビジョンシステムは数十年の実績があります。これらのシステムは機械がより適切な判断を下すための重要な情報を提供し、広く活用されてきました。しかし需要が高まるにつれ、多くの場面で2D だけでは不十分となり、3D への進化が明らかに必要とされています。その典型的な例が、物体の正確かつ信頼性の高い認識・選別・ピッキングです。これらはビンピッキングのほか、溶接や補修作業にも関連するカテゴリーに含まれます。溶接・補修作業では、製造対象部品をミリ単位の精度で細部まで確認する必要があります。
続きを読む: 3Dマシンビジョンと2Dマシンビジョンの比較
ロボットガイダンスアプリケーションにおけるマシンビジョンの研究は溶接分野にも応用され、大きな進歩を遂げています。柔軟性とスピードを高めるためのアダプティブ溶接に向けて、センサーが追加されています。
ウェビナー「溶接と3Dマシンビジョン」をご覧ください：
ロボット溶接は、ロボットが構造化された環境で優れたパフォーマンスを発揮するため、溶接パス軌跡の良好な再現性をもたらします。しかし人間の溶接工とは異なり、ロボットは自ら溶接パスを継続的に修正することができません。そのため、何かが変わるたびに人間が介入してロボットの軌跡を修正する必要があり、これは手間のかかる作業です。多くの中小企業がロボット導入を見送っているのは、設定・プログラミングに時間がかかり、高い専門知識を持つ作業者が必要とされるためです。
3D ビジョンセンサーを使用することで、ロボットのプログラミングを改善し、自律的な能力を付与することができます。溶接対象ワークピースの位置・姿勢の検出・推定にコンピュータービジョンを活用することで、オフラインでプログラムされたロボットによる溶接プロセスの効率が向上します。また、ロボット溶接システムの使用に必要な専門知識のレベルも潜在的に引き下げられ、より多くの企業がロボット溶接を活用できるようになります。
ワークピースのジオメトリ公差やワークピースの位置・姿勢の不確かさにより、目標とする溶接パスはワークピースごとに異なります。ロボット溶接システムがさまざまなワークピースの変化に柔軟に対応できるようにするためには、コンピュータービジョンなどの外部入力を導入する必要があります。溶接に使用できるビジョンセンサーにはさまざまな種類があり、ジオメトリ制御を提供するものや、熱情報を提供するものがあります。
特に3D ビジョンを使用することで、ロボットは目の前の部品がどのような形状で、どこに位置しているかを認識できるようになります。3D ビジョンソフトウェアによって駆動される溶接ロボットは、溶接対象コンポーネントの配置に小さな変化が生じた際に、溶接パスを適応・変更できます。3D ビジョンでは、3D 画像を溶接対象ワークピースの CAD モデルとアライメントすることで、実行前に溶接パスが補正されます。このようにして、溶接ロボットはより高い適応性と自律性を実現します。
溶接のアーク稼働率を過大評価することはよくある誤りです。半自動溶接作業における平均的なアーク稼働率は10〜12%に過ぎないという事実に、製造現場は驚くことがあります。アーク稼働率の改善策を検討しなければ、スループットと収益性の改善機会を見逃すことになります。アーク稼働率は1日に生産される部品数に直接影響します。
前述の通り、より高い柔軟性によってソリューションのミスが減少します。その結果、部品をより速く、より一貫した方法で製造できます。修正作業も不要になります。3D ビジョンにより、ロボット溶接技術は人間の溶接工では実現できない、一貫した品質と高いアーク稼働率を可能にします。つまり、マシンビジョンで溶接プロセスを完全自動化すれば、ソリューションの生産性は飛躍的に向上します。
マシンビジョンを溶接システムに追加することの多くのメリットが明らかになりました。溶接プロセスの自動化を望む誰もが活用できる扉が開かれ、ロボットに柔軟性と自律性が与えられ、アーク稼働率と生産性の両方が向上します。結果として、溶接の品質そのものが向上します。
ただし、ビジョンセンサーの選択を誤ると、マシンビジョンと溶接ロボットの組み合わせにいくつかの課題が生じる可能性があります。
3D 点群は、ビジョンセンサーによって生成される現実世界のデジタル表現です。システムが現実世界での変更をどのように実行するかを算出する際に、この点群を入力として使用します。しかし厳しい現実として、すべての3D マシンビジョンセンサーはデジタル点群表現にエラーや不確かさをもたらします。これらのエラーが大きくなると、ソリューションはミスを犯す可能性が高まります。正確な溶接のためには、できる限り高精度な3D 点群を提供する優れたセンサーが必要です。
解決策：
不確かさ、余分な調整を排除し、出力を信頼するための方法は、高い点精度と現実に忠実な形状表現を持つ産業用ロボットビジョンカメラを使用することです。
Zivid Two 産業用3D カラーカメラは、55 µm の点精度と、寸法真度誤差 < 0.2% という現実に忠実な形状・表現を実現しています。Zivid の産業用3D カメラは 2.3 メガピクセルの点群を提供し、対象物を明確に把握するためのデータ出力を実現しています。
Zividの3Dポイントクラウドの卓越した品質について詳しく知り、他のカメラメーカーと比較してください。
溶接が危険な作業であることは周知の通りであり、それが熟練溶接工の確保を困難にしている理由の一つです。溶接現場は極端な環境であり、振動・熱・粉塵・飛散粒子にさらされます。ロボット溶接に3D カメラを使用する場合、センサーが非常に過酷な環境で動作しなければならないことを念頭に置く必要があります。カメラをロボットに搭載し、摩擦が発生しているシームの近くに配置した場合、さらに危険にさらされます。対応が不十分な機器は、この過酷な環境によって故障してしまいます。
解決策：
溶接用途には産業グレードの3D カメラが必要です。高精度なアーク溶接プロセスに対応しながら、高温・粉塵・過酷な環境でもスムーズに動作できる3D カメラが求められます。環境変動に対応するフローティングキャリブレーションを備え、精度を維持できる設計であることが重要です。
Zivid の産業用3D カメラは IP65 等級を持ち、熱安定性と耐衝撃性について継続的なストレステストを実施しています。
溶接では、時にミリ単位の細かな箇所を近距離で確認する必要があります。多くのビジョンセンサーメーカーは、遠距離からのマウントに適した製品を提供しています。溶接において理想的な構成は、カメラをロボットにマウントすることです。これにより、ロボットが向かっている箇所を直接確認でき、ロボットのモビリティをマルチアングルキャプチャに活用できます。しかし、すべてのカメラがロボットへのマウントを想定して設計されているわけではありません。多くの場合、重量や体積が大きすぎてロボットの邪魔になります。
解決策：
溶接システムには、ロボットアームにマウントできるほど軽量かつコンパクトなカメラが必要です。3D カメラをロボットにマウントすることで、ロボットはリーチ範囲内のあらゆる箇所を最適な3D 画像品質で見ることができる自由を手に入れます。
Zivid Two 3D カメラはロボットアームへのマウントを前提として設計されています。
溶接は非常に複雑ですが、溶接プロセスが他の生産技術と組み合わせて使用されることは珍しくありません。
良い例が Wire Arc Additive Manufacturing（WAAM）です。WAAM は Direct Energy Deposition（DED）の一種であり、ガスメタルアーク溶接と積層造形という2つの生産プロセスを組み合わせています。金属鋳造や鍛造などの従来の製造プロセスと比較して、WAAM は比較的新しい技術であり、廃棄物削減・材料の多様性・設計の自由度など、複数の点で従来の製造プロセスや他の DED 技術を凌駕しています。
以下は、RAMLABによるWAAMプロセスの例です：
溶接に加えて複数の技術を使用する場合、独自のアプリケーションソフトウェアを持つ3D カメラを追加することで、運用がさらに複雑になる可能性があります。複雑な製品では不具合が発生することもあり、頭を抱えることになりかねません。すでに複雑なシステムにさらに1つの要素の使い方を習得する時間を確保する必要が生じます。
解決策：
ロボットシステムをその構成要素に分解すると、最終的には「センシング」「意思決定」「動作」「通信」という4つの相互関連機能で構成されています。1つのことだけに集中するセンサー、すなわち「センシング」に特化したセンサーが必要です。多くのマシンビジョン会社はアプリケーションソフトウェアを含むセンサーを設計していますが、溶接プロセスを運用している際に、それらのことまで考える必要はありません。シンプルで使いやすく、あらゆるシステムと互換性のある3D カメラが必要です。
Zividが物を見ることだけを目的に3Dカメラを設計・製造する純粋な企業である理由をご覧ください。
Zivid の3D カメラをビジョンセンサーとして採用したロボット溶接アプリケーションの事例を2件ご紹介します。
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自動溶接・積層造形システム |
金属部品の自動修復システム |
溶接は産業界で最も難しい手作業の一つです。人材不足の深刻化により、システムをロボットで自動化する時が来たと多くの企業が認識しています。ロボット溶接アプリケーションには多くの明確なメリットがありますが、ビジョンセンサーなしでは限界があります。3D カメラを追加することで、溶接アプリケーションの潜在能力を最大限に引き出すことができます。ただし、重要な検討事項を見落とすことはできません。3D カメラは産業グレードであり、ユーザーフレンドリーで、シンプルで、ロボットにマウントした場合でも高い3D 点群品質を実現できるものでなければなりません。
これらすべての理由から、Zivid Two M70 は溶接用途に最適です。溶接アプリケーションにおける Zivid 3D カメラの性能について詳しく知りたい方は、専門家にお問い合わせください。