JP2001160919A

JP2001160919A - 監視装置

Info

Publication number: JP2001160919A
Application number: JP2000056593A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Shibata; 信雄柴田; Mitsuaki Haneda; 光明羽田; Takeshi Wada; 武和田; Yasukata Tamai; 康方玉井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-09-20
Filing date: 2000-03-02
Publication date: 2001-06-12
Anticipated expiration: 2020-03-02
Also published as: JP3658680B2

Abstract

(57)【要約】【課題】観測対象物の輝度の変化の幅が大きく、且
つ、時間や環境により輝度が変動しても、常に鮮明な画
像が得られる監視装置を提供する。【解決手段】結像レンズ７が前面に配置されたＣＣＤ
カメラ１と、特定の波長範囲の光を透過させる帯域フィ
ルター９と、該フィルター９を結像レンズ７の光軸に挿
入・離脱させて光軸に沿って進む光の量を２段階に変化
させるアクチュエータと、該光軸上に配置され、特定の
偏波方向の直線偏光波を透過させる２つの偏光板８、１
０と、偏光板１０の偏光透過軸を偏光板８の偏光透過軸
に対し回転させ光軸に沿って進む光の量を調節するアク
チュエータとを備えたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、作業状況を監視す
る監視装置、特に、スパッタやヒューム等の物質や輻射
熱が発生する溶接工程等の悪環境下で使用できる遠隔監
視装置に関わる。

【０００２】

【従来の技術】特開平８―１５０４７５号公報には、溶
融池、アーク、及び溶接中の開先の状態を撮像する溶接
状況遠隔監視装置が記載されている。この装置では、中
心波長が６００〜８００nm、波長幅が１００nm以下の光
を透過する干渉フィルターをＣＣＤカメラの前面に配置
するとともに、シャッタースピードを選択して切り替え
る制御装置により、上述の各対象に適したシャッタース
ピードによって撮像し、各対象物の画像を画像処理装置
により合成・表示することにより、開先線倣いを含む溶
接条件制御を可能にしている。

【０００３】また、特開平８―２５０４０号公報は、溶
接部を照射する赤外光発生手段、赤外光のみを透過する
赤外光透過フィルターを備えた溶接部撮影用監視カメ
ラ、及び該監視カメラから出力される映像信号を出力す
るモニタを備え、溶接状態を監視するシステムが示され
ている。

【０００４】また、特開平２−３０３６７９号公報に
は、溶接時と非溶接時の大きな輝度差に対応するため、
カメラの前面に減光ガラスを出没自在に配置することを
記載している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】鮮明な画像を得るため
には、観測対象の輝度に応じて、ＣＣＤ等に入射する光
の量を調節する必要がある。上記の従来の装置では、こ
のため、輝度の高い対象を撮像する場合は、特定の範囲
の波長の光を透過するフィルターや減光ガラスをカメラ
の光軸に挿入することによりＣＣＤに入射する光の量を
減少させている。

【０００６】しかしながら、アーク光や溶融池のような
高輝度の観測対象の輝度は一定ではなく、時間的に変化
あるいは溶接条件により変動する。上記の従来技術の装
置では、このような輝度の変動に対応してＣＣＤに常に
最適な光量を入射させることはできず、十分に鮮明な画
像を得ることができない。

【０００７】本発明の課題は、観測対象物の輝度の変化
の幅が大きく、且つ、時間や環境により輝度が変動して
も、常に鮮明な画像を得ることである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題は、結像レンズ
を有するカメラ本体と、特定の波長範囲の光を透過させ
るフィルターと、該フィルターを前記結像レンズの光軸
に挿入・離脱させて前記光軸に沿って進む光の量を２段
階に変化させる第１のアクチュエータと、該光軸上に配
置され、特定の偏波方向の直線偏光波を透過させる２つ
の偏光板と、一方の偏光板の偏光透過軸を他方の偏光板
の偏光透過軸に対し回転させ前記光軸に沿って進む光の
量を調節する第２のアクチュエータとを備えたことを特
徴とする監視装置によって解決される。

【０００９】この監視装置によれば、フィルターを光軸
に挿入・離脱させることにより、結像レンズに入射する
光量を２段階に調節し、更に２枚のフィルターの偏光軸
のなす角度を変化させることにより、結像レンズに入射
する光量を連続的に微調整することができる。従って、
この監視装置を用いれば、観測対象物の輝度が大きく変
化しても、瞬時にこれに対応して適切な光量を結像レン
ズに入射させることができ、且つ、観測対象物の輝度が
変動してもこれに追従することができる。

【００１０】結像レンズを光軸に沿って移動させる第３
のアクチュエータを備えれば、焦点が正確に合った鮮明
な画像を得ることができる。また、監視装置の筐体内部
に、シール用気体及び冷却用流体を供給する手段を備え
れば、溶接工程のような過酷な環境で使用することがで
きる。

【００１１】上記の監視装置と、該監視装置により得ら
れる画像内の特定の監視対象物の位置が該画像内の予め
定められた位置に一致するように該監視装置の位置を制
御する手段とを備えた遠隔監視装置は、カメラの位置を
自動的に観測対象物を最も良く観測できる位置に置くこ
とが可能であり、例えば、溶接工程の遠隔監視に使用す
ることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施形態を、図１
から図９を用いて説明する。図１は、本発明の監視装置
の一実施形態の概略構成図である。該監視装置は、ＣＣ
Ｄカメラ１、ＣＣＤカメラ１を取り付けるベース２、円
筒形状の筐体３、水冷式の冷却部材４、中央部に開孔
（図示せず）を有するカバー５を含んで構成される。耐
熱性ガラス等の透明な光学窓６が、カバー５に一体的に
取り付けられている。筐体３は、熱伝導性のパッキン１
１を介してベース２に取り付けられる。また、カバー５
は、同様のパッキン１２を介して筐体３に取り付けられ
る。ベース２には、筐体内部を外部からシールするため
に、空気、ＣＯ２、Ａｒ等のガスを注入するための注入
孔１３が設けられている。ＣＣＤカメラは、前方に配置
された結像レンズ７、該結像レンズ７と一体的に取り付
けた第１の偏光板８、特定の波長域の光のみを透過する
バンドパスフィルター９、第２の偏光板１０を備える。

【００１３】図２は、図１の矢印Ｍ方向から見た冷却部
材４の平面図である。冷却部材４の後面には、冷却水注
入口１４、冷却水排水口１５が設けられている。冷却部
材内部には、水路１３A、１３B、及び１３Cが設けられ
ている。水路１３Bの端部は蓋１６により閉鎖されてい
る。ＣＣＤカメラは制御信号ケーブル１ａを介して外部
から送られる信号により制御される。ベース２側のガス
注入孔１３は冷却部材側のガス注入孔１７に連通する。
冷却部材４にはベース２を固定するための貫通孔１８、
１９が設けられている。この二つの貫通孔に対向するベ
ース２側には、各々ネジ溝が設けられている（図示せ
ず）。冷却部材４に冷却水を流すことにより、冷却部材
４が冷却され、さらに冷却部材４とベース２の接触面か
らの伝熱によりベース２やＣＣＤカメラ１が冷却され
る。

【００１４】図３は、図１に示した円筒状筐体３の中心
軸（Ｚ）線上の任意の位置での直交断面を示す図であ
る。この図において、図１と同一の要素には同一の符号
を付している。光軸の周りに第１のＤＣモータ２１、第
２のＤＣモータ２２、第３のＤＣモータ２３が配置され
ている。

【００１５】この実施形態の遠隔監視装置の結像レンズ
７は、アクチュエータによってＣＣＤカメラの光軸方向
に移動可能である。以下、この機構及びその動作につい
て図４を用いて説明する。図４は、図３のＢＢ’に示す
方向での円筒状筐体３の断面図であり、後述するバンド
パスフィルター回転機構と偏光板回転機構を省略して示
したものである。図４において、第１のＤＣモータ２１
は、結像レンズ７と非接触でベース２に固定されている
（図示せず）。リニアアクチュエータ２４は、ボールネ
ジとローラガイドから構成されており、回転軸２４aの
回転によりスライドテーブル２４bが直進運動を行う。
リニアアクチュエータ２４の支持体２５、２６はベース
２に固定されている。Ｖプーリ２７は回転軸２４aに一
体に取り付けられている。結像レンズ７の先端には第１
の偏光板がリング２８を介して一体的に取り付けられ、
さらにこれらがアングル２９に取り付けられている。ア
ングル２９はスライドテーブル２４bに固定されてい
る。一方、第１のＤＣモータ２１の回転軸にはＶプーリ
３１が一体的に取り付けられている。Ｖプーリ３１の回
転運動は、ベルト３２によってＶプーリ２７の回転運動
に伝達される。すなわち、第１のＤＣモータ２１の正
転、逆転の回転運動によって、結像レンズ７がＣＣＤカ
メラ観測光軸上を直線移動することが可能となる。

【００１６】結像レンズ７の直線方向移動によって観測
像の焦点位置が変化するので、何らかの原因で対象物体
とＣＣＤカメラの相対的な距離変化が生じた場合でもＣ
ＣＤカメラの取り付け位置を再調整すること無しに、遠
隔でＣＣＤカメラの映像を表示するモニタＴＶ等を見な
がら容易にピント位置を調整できる。

【００１７】図５は、図３のＣＣ’に示す方向での円筒
状筐体３の断面図であり、前述の結像レンズ７の直線運
動機構と後述する偏光板回転機構を省略して示したもの
である。図５において、第２のＤＣモータ２２の回転軸
にはバンドパスフィルター９を配設したホルダー３３が
一体的に取り付けられている。第２のＤＣモータ２２の
支持体３４、３５はベース２に固定されている。

【００１８】図６はホルダー３３の構造を示したもので
ある。図６において、扇形状のホルダー３３は、中心M
を対象に２個所の開孔が設けられている。一方の開孔側
のみにバンドパスフィルター９を実装する。第２のＤＣ
モータ２２の回転により、図で左側に回転するとバンド
パスフィルター９がＣＣＤカメラの観測軸（同図のセン
タ）から外れ、さらに回転して扇形状の中心部が記号N
で示した位置で回転を停止すると開孔部３３aがＣＣＤ
カメラの観測軸と一致する。ホルダー３３の回転後の停
止の位置決めは、例えばリミットスイッチのようなもの
で行う（図示せず）。以上の機構によって、第２のＤＣ
モータ２２の回転と位置決めによって、ＣＣＤカメラの
観測光軸前面にバンドパスフィルター９をセットした
り、あるいは外したりすることが可能となる。

【００１９】ＣＣＤカメラを用いて遠隔により溶接作業
を行う場合、溶接開始前に溶接すべき開先位置に溶接ト
ーチ先端部を正確に合わせて行う必要がある。また、溶
接中においては、溶接トーチ先端部が開先位置に正しく
位置決めされて溶接が行われているか否かの監視を行
い、不具合が生じたときに溶接トーチが取り付けられた
機構系を操作して溶接トーチ先端の狙い位置修正を行
う。さらに、溶接後のビードに欠陥が発生しているかど
うかの確認作業を行って溶接品質を確保する。このよう
な観測においては、溶接開始前、溶接中、及び溶接終了
後において、バンドパスフィルターの取り外し、取り付
け作業を繰り返す必要があるが、本発明の構成によっ
て、この作業を遠隔操作により容易に行うことができ
る。

【００２０】図７は、図３のＡＡ’に示す方向での円筒
状筐体３の断面図であり、前述の結像レンズ７の直線運
動機構とバンドパスフィルター回転機構を省略して示し
たものである。図７において、第３のＤＣモータ２３の
回転軸には歯車３６が一体的に取り付けられている。第
３のＤＣモータ２３の支持体３７、３８はベース２に固
定されている。歯車３６には、プレート３９の中心軸中
心に回転可動に取り付けた歯車４０が噛み合っている。
第２の偏光板１０は、歯車４０の内側に一体的に取り付
けられている。第３のＤＣモータ２３の回転により、偏
光板１０がＣＣＤカメラの観測光軸中心に回転する。

【００２１】偏光板は、互いに直交する偏光面を持つ２
つの直線偏光の一方をほぼ透過させ、他方をほとんど透
過させない材料でできている。従って、第１の偏光板と
第２の偏光板を透過する光の光量は、２つの偏光板の偏
光透過軸が互いに９０°の角度をなすときに最も少なく
なる。この透過光量が最も少ない状態から、第１の偏光
板を固定し、第２の偏光板を回転させると徐々に透過光
量が多くなり、０°（又は１８０°）で最大透過光量と
なる。すなわち、第２の偏光板を回転させることによっ
て、ＣＣＤカメラで観測する画像の明るさを連続的に変
化させることが可能となる。これによって、溶接作業等
で溶接中に溶接電流等の溶接条件の変化により観測対象
の明るさが変化しても、例えばＣＣＤカメラで得られる
映像の明るさを一定となるように調整することが可能と
なる。

【００２２】図8は、本発明の監視装置を用いた溶接シ
ステムの概略構成図である。このシステムは、タングス
テン電極等の被消耗溶接電極（以下、電極と略す）４１
の位置を制御するとともに、電極４１、被溶接部材４
４、４５、溶接開先（以下、溶接ビードも含む開先につ
いて開先と称す）４３、電極先端部のアーク発生部４６
を、本発明の監視装置５０で撮像する際、該監視装置５
０の位置を制御し、鮮明な画像を得るものである。

【００２３】監視装置５０は、溶接進行方向側に配置さ
れ、開先の斜め前方から溶融池及び非消耗電極を観測
（撮像）する。監視装置には、ＣＣＤカメラを制御し、
外部にアナログ映像（画像）信号を出力する制御回路５
１、第１のＤＣモータ２１を使用したＣＣＤカメラ結像
位置制御回路４７、第２のＤＣモータ２２を使用したフ
ィルター切り替え制御回路４８、第３のＤＣモータ２３
を使用した第２偏光板回転制御回路４９が含まれる。

【００２４】該システムは電極位置制御機構５４を含
む。電極位置制御機構５４は、Ｘ走行軸５５と該Ｘ走行
軸上を走行するＸ走行台車５６と、Ｘ走行台車５６上に
一体的に配設されたＺ走行軸５７と、該Ｚ走行軸上を走
行するＺ走行台車５８と、Ｚ走行台車５８上に一体的に
配設されたＹ走行軸５９及び該Ｙ走行軸上を走行するＹ
走行台車６０とで構成されている。

【００２５】電極４１はＹ走行台車６０と一体に配置さ
れ（図示せず）、かつ電極位置制御機構５４を駆動する
ことにより開先４５の上方において溶接線方向：Ｘ、溶
接線直交方向：Ｙ、及び上下方向：Ｚに移動自在であ
る。また、監視装置も電極４１と同様に、Ｘ走行台車５
６に搭載され、電極４１の可動軸と別にＸ方向、Ｙ方向
に自在に移動できる可動軸を備えている（図示せず）。

【００２６】該システムは更に、画像処理装置５２を含
み、該画像処理装置は、カメラ制御回路５１から出力さ
れるアナログ画像信号をデジタル量にＡ／Ｄ変換して多
値画像データを入力する画像入力部、多値画像データを
記憶する多値画像記憶部、多値画像記憶部に記憶された
多値画像データから溶接電極先端位置及び溶融池の中心
位置を抽出する画像特徴量抽出処理部、予め決めておい
た画面基準位置から溶接電極先端位置及び溶融池の中心
位置の位置ずれを検出する演算部処理部、及びこれらを
統括的に制御する主制御部等で構成される。ＴＶモニタ
ー５３は、カメラ制御回路５１からの出力映像信号の表
示や画像処理装置からの処理結果を出力表示する。

【００２７】該システムは更に、電極位置制御機構５４
を駆動制御する電極位置制御装置６１、溶接電源６２、
監視装置５０をＸ方向、Ｙ方向に移動制御する監視装置
位置制御装置６３を含む。

【００２８】上記した画像処理装置５２、電極位置制御
装置６１、監視装置位置制御装置６３、及び溶接電源６
２は、パーソナルコンピュータ等で構成される全体制御
装置６４で統括的に制御される。全体制御装置６４は、
多層盛溶接を行うための被溶接部材に対する各溶接パス
での電極の倣い目標位置を予め記憶しておく機能、及び
電極位置と画像処理装置５２から得られる電極ねらい位
置ずれ情報から電極の移動量を電極位置制御装置６１へ
出力する溶接線倣い制御機能、画像処理装置５２から得
られる電極先端の画面位置ずれ情報から監視装置の移動
量を監視ヘッド位置制御装置６３へ出力する溶接線倣い
制御機能を有する。さらに、開先深さ、開先角度、段違
い等の開先基準形状の記憶、溶接パス数や各パス毎の基
準溶接電流、電圧、溶接速度、ワイヤ送給速度等の溶接
計画データ等の記憶ができると共に、溶接開始前あるい
は各溶接パスでの溶接開始前にこれらのデータの修正が
可能である。

【００２９】図９は、図８に示す狭い開先で溶接する場
合のＣＣＤカメラで撮像して得られた溶融池及び電極画
像の模式図であり、実際の画像とは白黒を反転、すなわ
ち明るい（輝度が高い）部分を黒、暗い（輝度が低い）
部分を白として表現している。図９には、電極の画像６
５、溶融池の画像６６、アークの画像６７、開先壁部の
画像４４、４５、開先壁部における開先底部と開先斜面
部の境界領域の画像４４a、４４b、開先壁部における開
先斜面部と開先表面の境界領域の画像４５a、４５ｂが
示されている。

【００３０】開先壁部４４、４５も、溶接中のアーク光
に照らされるの輝度が高くなっている。図９は、電極像
６５の先端部６５aが画面中心点Oから左上側にずれて観
測される場合、即ち、ＣＣＤカメラの観測光軸中心と開
先中心との間に相対的な位置ずれがある場合を示すもの
である。

【００３１】図８に示した被溶接部材の開先斜面部の傾
斜角度は同一であるが、上記の位置ずれのため、画像中
の開先壁部４５の幅が狭く、開先壁部４４の幅が広くな
っている。このずれがさらに大きくなれば、開先壁部４
５が画面から消失すると共に溶融プール画像６６の右側
が欠けてしまう。このようになると、溶接電極を開先底
部中心に正しく倣わせることが困難となり、溶接品質の
低下につながる。

【００３２】図９の画像において、通常、アーク画像６
７が最も明るく、以下、溶融池画像６６、電極画像６５
の順に明るい画像として撮像される。各画像の明るさの
差に基づき、まず電極画像を抽出し、次に電極先端部の
座標（i1,j1）を求める。そして、画面上の観測基準点
（i0,j0）との差を計算し、この差をＣＣＤカメラの位
置ずれとする。この位置ずれ情報を利用し、監視装置位
置制御装置６３を用いてカメラ位置を逐次に修正・制御
することで安定した画像を取得できる。観測基準点（i
0,j0）は、画面中心Ｏ（i=0,j=0）としても良いがこれ
に限定されるものではない。また、上記では、溶接電極
先端の位置ずれを基にカメラの倣い制御するようにして
いるが、溶融池の中心位置を使って倣い制御するように
することもできる。監視装置の倣い制御を、溶接線に対
する溶接電極の倣い制御から独立させることで常に良好
な溶接現象をモニターすることが可能となる。

【００３３】以上説明した監視装置は、ＣＣＤカメラ本
体と、ＣＣＤカメラ本体を取り付けるベースと、該ベー
スに取り付けられる光学窓とカバーを前面に備えた筐体
とを備え、ＣＣＤカメラ本体を外気と遮断する構造であ
る。また、筐体内部へのガス注入口から空気等のガスを
注入することで内圧を高め外部からシールすることが可
能である。この結果、溶接等のスパッタやヒューム等が
内部に侵入しないため、内蔵部品が汚れることが無い。
さらに、ＣＣＤカメラが取り付けられるベース、全体を
覆っている筐体を冷却水により冷却される冷却部材を一
体的に取り付けている構造を採用しているため、高温の
溶接部材からの輻射熱を受ける場合でも耐久性に優れて
いる。本発明の監視装置は、アーク溶接作業だけでなく
レーザ溶接や切断作業、プラズマ切断作業等の高温や汚
れ等が発生する悪環境下で使用可能である。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、観測対象物の輝度の変
化の幅が大きく、且つ、時間や環境により輝度が変動し
ても、常に鮮明な画像を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の監視装置の一実施形態の概略構成図で
ある。

【図２】図１の装置の冷却部材の平面図である。

【図３】図１の装置の中心軸線上の直交断面図である。

【図４】図１の装置の結像レンズ直線移動機構を示す図
である。

【図５】図１の装置のバンドパスフィルター回転機構を
示す図である。

【図６】図１の装置のホルダー構造を示す図である。

【図７】図１の装置の偏光板回転機構を示す図ある。

【図８】本発明の監視装置を用いた溶接システムの概略
構成図である。

【図９】ＣＣＤカメラで撮像した溶融池及び電極画像の
模式図である。

【符号の説明】

１ＣＣＤカメラ２取付けベース３筐体４冷却部材５カバー６光学窓７結像レンズ８第１の偏光板９バンドパスフィルター１０第２の偏光板１４冷却水注入口１５冷却水排水口１７ガス注入孔２１第１のＤＣモータ２２第２のＤＣモータ２３第３のＤＣモータ２４リニアアクチュエータ２７Ｖプーリ２９アングル３１Ｖプーリ３２ベルト３３ホルダー３６歯車４０歯車４１被消耗溶接電極４３溶接開先４４被溶接部材４５被溶接部材４６アーク発生部４７ＣＣＤカメラ結像位置制御回路４８フィルター切り替え制御回路４９偏光板回転制御回路５０監視ヘッド５１ＣＣＤカメラ制御回路５２画像処理装置５３ＴＶモニター５４電極位置制御機構５５Ｘ走行軸５６Ｘ走行台車５７Ｚ走行軸５８Ｚ走行台車５９Ｙ走行軸６０Ｙ走行台車６１電極位置制御装置６２溶接電源６３監視ヘッド位置制御装置６４全体制御装置６５電極画像６６溶融プール画像６７アーク画像６８開先壁部画像６９開先壁部画像

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者和田武茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所原子力事業部内 (72)発明者玉井康方茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所原子力事業部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】結像レンズを有するカメラ本体と、特定
の波長範囲の光を透過させるフィルターと、該フィルタ
ーを前記結像レンズの光軸に挿入・離脱させて前記光軸
に沿って進む光の量を２段階に変化させる第１のアクチ
ュエータと、該光軸上に配置され、特定の偏波方向の直
線偏光波を透過させる２つの偏光板と、一方の偏光板の
偏光透過軸を他方の偏光板の偏光透過軸に対し回転させ
前記光軸に沿って進む光の量を調節する第２のアクチュ
エータとを備えたことを特徴とする監視装置。
【請求項２】請求項１において、前記結像レンズを前
記光軸に沿って移動させる第３のアクチュエータを備え
たことを特徴とする監視装置。
【請求項３】請求項１または２において、監視装置の
筐体内部に、シール用気体を供給する手段及び冷却用流
体を供給する手段を備えたことを特徴とする監視装置。
【請求項４】請求項１から３のいずれかに記載の監視
装置と、該監視装置により得られた画像内の特定の監視
対象物の位置が該画像内の予め定められた位置に一致す
るように該監視装置の位置を制御する手段とを備えたこ
とを特徴とする遠隔監視装置。