JP2004195502A - 溶接用レーザセンサ - Google Patents
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Abstract
【課題】開先の深さ方向の解像力を低下させずにセンサヘッドを小型化するとともに、スパッタやヒュームによる外乱の影響を受けずに開先形状の特徴量を測定する。
【解決手段】レーザ投光装置１０から出射したスリット光を平面反射鏡１２で一定角度偏向して母材７の開先を含む表面に対して一定の入射角で照射し、、母材に照射したスリット光の反射光を撮影装置１１に入射するようにして、レーザ投光装置１０と撮影装置１１とをハウジング１３内に平行に設けてセンサヘッド５を小型化し、小型化したセンサヘッド５を溶接トーチ４の近傍に配置して、溶接トーチ４を開先に倣って高精度に制御する。
【選択図】 図２
【解決手段】レーザ投光装置１０から出射したスリット光を平面反射鏡１２で一定角度偏向して母材７の開先を含む表面に対して一定の入射角で照射し、、母材に照射したスリット光の反射光を撮影装置１１に入射するようにして、レーザ投光装置１０と撮影装置１１とをハウジング１３内に平行に設けてセンサヘッド５を小型化し、小型化したセンサヘッド５を溶接トーチ４の近傍に配置して、溶接トーチ４を開先に倣って高精度に制御する。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、アーク溶接を行うときの開先形状を自動的に検出する溶接用レーザセンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開平７−２９９５６５号公報
【特許文献２】特開平９−３８７７４号公報
【特許文献３】特開平１０−３０８８８８号公報
アーク溶接を行うとき、開先形状をオフラインあるいはオンラインで自動的に検出する溶接用レーザセンサは、図１０に示すように、センサヘッド３０と画像処理装置６を有する。センサヘッド３０は、レーザ投光装置１０と、光軸をレーザ投光装置１０の光軸に対して角度αだけ傾けて配置した撮影装置１１とを有する。そしてレーザ投光装置１０から母材７の表面に対してスリット光を照射し、その反射光を撮影装置１１で受光して開先８の光切断像を検出する。この撮影装置１１で検出した光切断像の画像信号を画像処理装置６で画像処理して開先形状の特徴量、例えばルートギャップや開先幅やビード幅等を求める。この開先形状の特徴量に応じて溶接制御装置３で溶接トーチ４の倣い制御やウィービング幅や移動速度及びワイヤ９の送り量を制御している。
【０００３】
この溶接トーチ４の制御を高精度に行うためにはセンサヘッド３０を溶接トーチ４の近傍に配置する必要がある。このセンサヘッド３０を溶接トーチ４の近傍に配置した場合、溶接による外乱、例えばスパッタやヒュームに対する対策が必要である。この対策として例えば特許文献１に示すように、撮影装置入射部の保護ガラスの前に直径２ｍｍ以下のピンホールを設け、ピンホールの内側からエアー又はガスを噴出してスパッタやヒュームが進入することを防止している。また、特許文献２に示すように、撮影装置の入射部のレンズの前面に配置し、撮影用の孔であるピンホールを有する保護板のピンホールの周囲に多数のガス噴出口を設け、ガス噴出口からシールドガスを噴出してスパッタやヒュームが進入することを防止している。また、特許文献３に示すように、レンズの前面に設けた保護ガラスの前に、撮影用小径ホールと位置検出用スリット及びガラス面清掃ブラシを有する円形銅板を配置し、円形銅板を直流モータで回転させ、撮影用小径ホールとピンホールが重なったときだけ映像を取り込み、保護ガラス面のヒュームによる汚れをガラス面清掃ブラシで取り除くようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
溶接用レーザセンサのセンサヘッドを溶接トーチの近傍に配置するためには、センサヘッドを小型化することが望まれている。一方、センサヘッドのレーザ投光装置の光軸と撮影装置の光軸との角度αは、大きくなるほど開先の深さ方向の解像力が大きくなるため、角度αをできるだけ大きくする必要がある。このため、図１０に示すように、レーザ投光装置１０から出射するレーザビームを母材７に直接照射し、母材からの反射光を撮影装置１１で直接受光するセンサヘッド３０を小型化すると、レーザ投光装置１０の光軸と撮影装置１１の光軸との角度αが小さくなり、開先の深さ方向の解像力が低下するという短所がある。
【０００５】
また、特許文献１や特許文献２に示す場合、噴出するガスによりヒュームが保護ガラスやレンズの前に設けたピンホールから入り込むことは防止できるが、スパッタがピンホールから入り込むことを防止するためには、噴出するガスの圧力と流量を非常に大きくする必要がある。また、スパッタがピンホールから入り込んで保護ガラスやレンズに傷を付ける危険性も有る。また、特許文献３に示すように、保護ガラスの前に回転する円形銅板を設けると、円形銅板を回転する直流モータや回転伝達機構をセンサヘッドの先端部に設ける必要があり、センサヘッドが大型化してしまうという短所がある。
【０００６】
この発明はかかる短所を改善し、開先の深さ方向の解像力を低下させずにセンサヘッドを小型化するとともに、スパッタやヒュームによる外乱の影響を受けずに開先形状の特徴量を測定することができる溶接用レーザセンサを提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明の溶接用レーザセンサは、センサヘッドと画像処理装置を有し、センサヘッドはレーザ投光装置と撮影装置及び平面反射鏡を有し、レーザ投光装置と撮影装置とはハウジング内に平行に設けられ、平面反射鏡はレーザ投光装置の光軸に対して一定角度傾けて設けられ、レーザ投光装置からスリット光を出射し、出射したスリット光を平面反射鏡で一定角度偏向して母材の開先を含む表面に対して一定の入射角で照射し、母材に照射したスリット光の反射光を撮影装置で受光して開先の光切断像を検出し、撮影装置で検出した光切断像の画像信号を画像処理装置で画像処理して開先形状の特徴量を検出することを特徴とする。
【０００８】
この発明の第２の溶接用レーザセンサは、センサヘッドと画像処理装置を有し、センサヘッドはレーザ投光装置と撮影装置及び平面反射鏡を有し、レーザ投光装置と撮影装置とはハウジング内に平行に設けられ、平面反射鏡は撮影装置の光軸に対して一定角度傾けて設けられ、レーザ投光装置から母材の開先を含む表面に対して垂直方向からスリット光を照射し、母材に照射したスリット光の反射光を平面反射鏡で一定角度偏向して撮影装置に入射し、撮影装置は入射した反射光により開先の光切断像を検出し、撮影装置で検出した光切断像の画像信号を画像処理装置で画像処理して開先形状の特徴量を検出することを特徴とする。
【０００９】
この発明の第３の溶接用レーザセンサは、センサヘッドと画像処理装置を有し、センサヘッドはレーザ投光装置と撮影装置及び２枚の平面反射鏡を有し、レーザ投光装置と撮影装置とはハウジング内に平行に設けられ、一方の平面反射鏡はレーザ投光装置の光軸に対して一定角度傾けて設けられ、他方の平面反射鏡は撮影装置の光軸に対して一定角度傾けて設けられ、レーザ投光装置からスリット光を出射し、出射したスリット光を一方の平面反射鏡で一定角度偏向して母材の開先を含む表面に対して一定の入射角で照射し、母材に照射したスリット光の反射光を他方の平面反射鏡で一定角度偏向して撮影装置に入射し、撮影装置は入射した反射光により開先の光切断像を検出し、撮影装置で検出した光切断像の画像信号を画像処理装置で画像処理して開先形状の特徴量を検出することを特徴とする。
【００１０】
前記平面反射鏡を複数設けることが望ましい。
【００１１】
また、ハウジングのレーザ投光装置からのスリット光を出射する投光窓と母材からの反射光を入射する撮影窓の前面に、スパッタが付着しない材料で形成された保護プレートと、保護プレートを覆う保護カバーを有し、保護カバーには、レーザ投光装置から出射したスリット光を通す出射スリットと母材からの反射光を通す入射孔が設けられ、保護プレート側の保護カバーの中央内部には、出射スリットと入射孔の中心を結んだ中心線に沿った逆Ｖ溝が貫通して設けられ、逆Ｖ溝の出射スリットと入射孔側には逆Ｖ溝と直交して逆Ｖ溝と連通するスリットが設けられ、保護カバーの保護プレート側の投光窓と撮影窓の付近に複数のガス排出溝がハウジングの内部と逆Ｖ溝を連通して設けられ、ハウジングに供給した冷却ガスをガス排出溝から逆Ｖ溝を通して出射スリットと入射孔から噴出させると良い。
【００１２】
また、ハウジング内に冷却ガス導入口から供給した冷却ガスの流量を周期的に変化させて、冷却ガスにより保護プレート表面を清掃する。
【００１３】
さらに、保護カバーの撮影装置側の先端部には溶接部からのスパッタを防止する遮蔽板を有することが望ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の溶接装置の構成図である。図に示すように、溶接装置１はレーザセンサ２と溶接制御装置３及び溶接トーチ４を有する。レーザセンサ２はセンサヘッド５と画像処理装置６を有し、母材７の溶接線の位置とその変動や開先８の形状等を検出し、検出した情報に基づき溶接制御装置３で溶接トーチ４の倣い制御やウィービング幅や移動速度及びワイヤ９の送り量すなわち溶着量を制御する。センサヘッド５は、図２の構成図に示すように、レーザ発信装置１０１と投光レンズ１０２を有するレーザ投光装置１０と、ＣＣＤカメラ１１１と受光レンズ１１２と光学フィルタ１１３を有する撮影装置１１及び平面反射鏡１２を有する。レーザ投光装置１０と撮影装置１１とはハウジング１３内に並行に設けられ、平面反射鏡１２はレーザ投光装置１０の光軸に対して一定角度傾けて設けられている。
【００１５】
ハウジング１３の光の入出射部には保護ガラス１４をそれぞれ有する投光窓１５と撮影窓１６を有し、入出射部の反対側にはガス導入口１７とケーブルコネクタ１８を有する。投光窓１５と撮影窓１６の前面には、投光窓１５と撮影窓１６を保護する保護プレート１９と、保護プレート１９を覆う保護カバー２０が設けられている。保護プレート１９は透明かつスパッタ等は付着しない合成樹脂板で形成され、保護カバー２０は耐熱性を有し熱伝導率が小さくかつスパッタが付着しにくい材料、例えばガラス繊維入りのエポキシ樹脂等で形成されている。この保護カバー２０には、図３の底面図に示すように、レーザ投光装置１０から出射したスリット光を通す出射スリット２１と撮影装置１１に入射する光を通す入射孔２２が設けられ、保護プレート１９側の保護カバー２０の中央内部には、図４の側面断面図に示すように、出射スリット２１と入射孔２２の中心を結んだ中心線に沿った逆Ｖ溝２３が貫通して設けられ、逆Ｖ溝２３の出射スリット２１と入射孔２２側には、逆Ｖ溝２３と直交して逆Ｖ溝２３と連通するスリット２４が設けられている。また、保護カバー２０の保護プレート１９側には、投光窓１５と撮影窓１６の付近に例えば幅が1.5ｍｍで深さが１ｍｍ程度の複数のガス排出溝２５がハウジング１３の内部と逆Ｖ溝２３を連通して設けられている。この保護カバー２０の撮影装置１１側の先端部には溶接部からのスパッタを防止する遮蔽板２６を有する。
【００１６】
この溶接装置１で母材７を溶接するとき、保護カバー２０の遮蔽板２６を溶接トーチ４側にして溶接トーチ４より溶接方向の前方に近接させてセンサヘッド５を配置する。そしてレーザ投光装置１０からスリット光を出射し、出射したスリット光を平面反射鏡１２で一定角度偏向して母材７の開先８を含む表面に対して一定の入射角で照射する。この母材７に照射したスリット光の反射光を撮影装置１１で受光して開先８の光切断像を検出する。この母材７からの反射光を受光する撮影装置１１の受光レンズ１１２をできるだけ撮影窓１６の近くに配置し、撮影窓１６の寸法を最小に抑えて、撮影窓１６の保護ガラス１４が汚れることを防ぎ、センサヘッド５の耐久性を高める。また、撮影装置１１で母材７からの反射光を受光したとき、溶接のアーク光などからの外乱の影響を除くため、光学フィルタ１１３を利用してレーザ投光装置１０から出射する光の波長と等しい波長の光だけを検出する。さらに、レーザ透光装置１０のレーザ発信装置１０１のレーザ光の発信タイミングと撮影装置１１のＣＣＤカメラ１１１の露光タイミングを同期して、レーザ光が溶接作業者に与える影響を低減する。
【００１７】
この撮影装置１１で検出した光切断像の画像信号を画像処理装置６で画像処理してルートギャップや開先幅やビード幅等の開先形状の特徴量を検出し、検出した開先形状の特徴量に応じて溶接制御装置３で溶接トーチ４の倣い制御やウィービング幅や溶着量すなわちトーチ４の移動速度あるいはワイヤ９の送り量を制御する。
【００１８】
このように母材７の表面にスリット光を照射するレーザ投光装置１０と母材７からの反射光を検出する撮影装置１１をセンサヘッド５のハウジング１３内に平行に設けたから、センサヘッド５を小型化して、センサヘッド５を溶接ヘッド４の近傍に設けることができ、溶接トーチ４を開先８に倣って高精度に制御することができる。また、レーザ投光装置１０から出射したスリット光を、図５の光路図に示すように、平面反射鏡１２で一定角度偏向させてスリット光を母材７の表面に対して一定の入射角で照射するから、センサヘッド５を小型化しても母材７に入射するスリット光の光軸と撮影装置１１に入射する反射光の光軸との角度θを変える必要がないので、開先８の深さ方向の解像力を保つことができる。
【００１９】
また、センサヘッド５を溶接トーチ４に近接して配置すると、センサヘッド５がスパッタやヒュームの影響を受けるが、ハウジング１３の入出射面に設けた保護カバー２０の溶接部に近い部分に遮蔽板２６を設け、この遮蔽板２６で溶接中に飛び散るスパッタを遮蔽することにより、保護カバー２０の出射スリット２１と入射孔２２に飛翔するスパッタを大幅に低減することができる。さらに、保護カバー２０の出射スリット２１と入射孔２２に飛翔したスパッタやヒュームが出射スリット２１と入射孔２２から保護カバー２０内に入り込んでも、ハウジング１３の投光窓１５と撮影窓１６を覆う保護ガラス１４の表面に設けた保護プレート１９によりスパッタやヒュームが保護ガラス１４の表面に付着することを防止することができる。
【００２０】
また、センサヘッド５内部の温度上昇を抑えるために、ガス導入口１７から冷却ガスを導入してハウジング１３内を循環させ、この冷却ガスをハウジング１３の内部に連通した保護カバー２０のガス排出溝２５から逆Ｖ溝２３に排出する。この逆Ｖ溝２３に排出した冷却ガスが、図４に示すように、出射スリット２１と入射孔２２から噴出することにより、飛翔したスパッタやヒュームが出射スリット２１と入射孔２２から保護カバー２０内に入り込むことを低減することができる。さらに、出射スリット２１と入射孔２２から保護カバー２０内に入り込んだスパッタ等を逆Ｖ溝２３と、逆Ｖ溝２３と直交して設けたスリット２４に沿って排出される冷却ガスにより保護カバー２０の外に排出することにより、保護プレート１９に沿ってスパッタ等が滞留することを防ぐことができる。この保護カバー２０のガス排出溝２５から逆Ｖ溝２３に排出する冷却ガス量は、ガス導入口１７から導入する冷却ガスの量を周期的に変化させることにより適宜制御することができる。
【００２１】
また、ガス導入口１７から導入する冷却ガスの量を周期的に変化させるとき、例えばベースガス流量を３×１０−３〜１５×１０−３ｍ３／分とし、ピークガス流量を１５×１０−３〜２５×１０−３ｍ３／分にし、周期的変化の周波数を１Ｈｚとし、ピーク期間占有率を１０〜８０％にすることにより、トータルガス流量を買えずに冷却ガスによる保護プレート１９の表面の清掃作用を強化することができる。
【００２２】
また、縦向き溶接や横向き溶接のときは、出射スリット２１と入射孔２２から保護カバー２０内に入り込んだスパッタ等を逆Ｖ溝２３やスリット２４から重力や振動により落下することもでき、保護カバー２０内に入り込んだスパッタ等を効率良く外部に排出することができる。
【００２３】
このようにしてセンサヘッド５の入出射部にスパッタ等が滞留することを防止して、保護プレート１９の表面を常に綺麗にすることにより、保護プレート１９の透明度を安定して保持することができ、開先形状等を安定して検出することができる。
【００２４】
前記説明ではセンサヘッド５に１枚の平面反射鏡１２を設け、レーザ投光装置１０から出射したスリット光を偏向して、母材７の表面に一定の入射角で照射したが、図６の光路図に示すように、２枚の平面反射鏡１２ａ，１２ｂを使用することにより、母材７の表面に入射するスリット光の入射角を大きくすることができ、母材７に入射するスリット光の光軸と撮影装置１１に入射する反射光の光軸との角度θを大きくすることができ、開先８の深さ方向の解像力をより向上することができる。このように２枚の平面反射鏡１２ａ，１２ｂを使用した場合、投光窓１５に近い平面反射鏡１２ｂの設置角度を定めれば、他の平面反射鏡１２ａの設置角度はレーザ投光装置１０の光軸と平面反射鏡１２ｂの設置角度により定めることができる。また、平面反射鏡１２ｂの設置角度をハウジング１３の側面に対して平行に近い角度にすることにより、母材７に入射するスリット光の入射角を大きくして、母材７に入射するスリット光の光軸と撮影装置１１に入射する反射光の光軸との角度θをより大きくすることができるので、センサヘッド５の寸法を変えずに、開先８の深さ方向の解像力を向上することができる。
【００２５】
また、レーザ投光装置１０から出射するスリット光を偏向させるため２枚以上の平面反射鏡１２を設けたり、平面反射鏡１２の代わりにプリズムを設けてレーザ投光装置１０から出射するスリット光を偏向させるようにしても良い。
【００２６】
また、図７の光路図に示すように、撮影装置１１側に、撮影装置１１の光軸に対して一定角度傾けた平面反射鏡１２を設け、レーザ投光装置１０から母材７に対して垂直にスリット光を照射し、母材７からの反射光を斜めに平面反射鏡１２に入射して平面反射鏡１２から反射した光を撮影装置１１に入射するようにしても良い。このようにレーザ投光装置１０から母材７に対して垂直にスリット光を照射することにより、開先８の形状をより精度良く検出することができる。この場合も、図８の光路図に示すように、撮影装置１１側に２枚の平面反射鏡１２ａ，１２ｂを設けることにより、母材７に入射するスリット光の光軸と撮影装置１１に入射する反射光の光軸との角度θをより大きくすることができる。
【００２７】
さらに、図９の光路図に示すように、レーザ投光装置１０側に２枚の平面反射鏡１２ａ，１２ｂを設け、撮影装置１１側にも２枚の平面反射鏡１２ｃ，１２ｄを設けることにより、同じ大きさのセンサヘッド５を使用して母材７に入射するスリット光の光軸と撮影装置１１に入射する反射光の光軸との角度θをさらに大きくすることができ、開先８の深さ方向の解像力をより向上することができる。
【００２８】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように、レーザ投光装置から出射したスリット光を平面反射鏡で一定角度偏向して母材の開先を含む表面に対して一定の入射角で照射したり、母材に照射したスリット光の反射光を平面反射鏡で一定角度偏向して撮影装置に入射するようにしてレーザ投光装置と撮影装置とをハウジング内に平行に設けるようにしたから、センサヘッドを小型化することができ、センサヘッドを溶接ヘッドの近傍に配置して溶接トーチを開先に倣って高精度に制御することができる。
【００２９】
また、レーザ投光装置から出射したスリット光を平面反射鏡で一定角度偏向して母材の開先を含む表面に対して一定の入射角で照射したり、母材に照射したスリット光の反射光を平面反射鏡で一定角度偏向して撮影装置に入射することにより、センサヘッドを小型化しても母材に入射するスリット光の光軸と母材から反射する反射光の光軸との角度を大きくすることができ、開先の深さ方向の解像力を向上することができる。
【００３０】
さらに、平面反射鏡を複数設けることにより、母材に入射するスリット光の光軸と母材から反射する反射光の光軸との角度をより大きくして、開先の深さ方向の解像力をより向上することができる。
【００３１】
また、ハウジングのレーザ投光装置からのスリット光を出射する投光窓と母材からの反射光を入射する撮影窓の前面に、スパッタが付着しない材料で形成された保護プレートと、保護プレートを覆う保護カバーを有し、保護カバーには、レーザ投光装置から出射したスリット光を通す出射スリットと母材からの反射光を通す入射孔が設けられ、保護プレート側の保護カバーの中央内部には、出射スリットと入射孔の中心を結んだ中心線に沿った逆Ｖ溝が貫通して設けられ、逆Ｖ溝の出射スリットと入射孔側には逆Ｖ溝と直交して逆Ｖ溝と連通するスリットが設けられ、保護カバーの保護プレート側の投光窓と撮影窓の付近に複数のガス排出溝がハウジングの内部と逆Ｖ溝を連通して設けられ、ハウジングに供給した冷却ガスをガス排出溝から逆Ｖ溝を通して出射スリットと入射孔から噴出させることにより、センサヘッドの入出射部にスパッタ等が滞留することを防止して、保護プレートの表面を常に綺麗にすることができ、保護プレートの透明度を安定して保持して開先形状等を安定して検出することができる。
【００３２】
また、ハウジング内に冷却ガス導入口から供給した冷却ガスの流量を周期的に変化させて、冷却ガスにより保護プレート表面に対する清掃作用を強化することができる。
【００３３】
さらに、保護カバーの撮影装置側の先端部には溶接部からのスパッタを防止する遮蔽板を設けることにより、保護カバーの出射スリットと入射孔に飛翔するスパッタを大幅に低減することができ、センサヘッドを溶接部に近接して配置することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の溶接装置の構成図である。
【図２】センサヘッドの構成を示す正面断面図である。
【図３】センサヘッドの底面図である。
【図４】センサヘッドの側面断面図である。
【図５】センサヘッドの入出射光の光路図である。
【図６】第２のセンサヘッドの入出射光の光路図である。
【図７】第３のセンサヘッドの入出射光の光路図である。
【図８】第４のセンサヘッドの入出射光の光路図である。
【図９】第５のセンサヘッドの入出射光の光路図である。
【図１０】従来例の構成図である。
【符号の説明】
１；溶接装置、２；レーザセンサ、３；溶接制御装置、４；溶接トーチ、
５；センサヘッド、６；画像処理装置、７；母材、８；開先、９；ワイヤ、
１０；レーザ投光装置、１１；撮影装置、１２；平面反射鏡、
１３；ハウジング、１４；保護ガラス、１５；投光窓、１６；撮影窓、
１７；ガス導入口、１８；ケーブルコネクタ、１９；保護プレート、
２０；保護カバー、２１；出射スリット、２２；入射孔、２３；逆Ｖ溝、
２４；スリット、２５；ガス排出溝、２６；遮蔽板。
【発明の属する技術分野】
この発明は、アーク溶接を行うときの開先形状を自動的に検出する溶接用レーザセンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開平７−２９９５６５号公報
【特許文献２】特開平９−３８７７４号公報
【特許文献３】特開平１０−３０８８８８号公報
アーク溶接を行うとき、開先形状をオフラインあるいはオンラインで自動的に検出する溶接用レーザセンサは、図１０に示すように、センサヘッド３０と画像処理装置６を有する。センサヘッド３０は、レーザ投光装置１０と、光軸をレーザ投光装置１０の光軸に対して角度αだけ傾けて配置した撮影装置１１とを有する。そしてレーザ投光装置１０から母材７の表面に対してスリット光を照射し、その反射光を撮影装置１１で受光して開先８の光切断像を検出する。この撮影装置１１で検出した光切断像の画像信号を画像処理装置６で画像処理して開先形状の特徴量、例えばルートギャップや開先幅やビード幅等を求める。この開先形状の特徴量に応じて溶接制御装置３で溶接トーチ４の倣い制御やウィービング幅や移動速度及びワイヤ９の送り量を制御している。
【０００３】
この溶接トーチ４の制御を高精度に行うためにはセンサヘッド３０を溶接トーチ４の近傍に配置する必要がある。このセンサヘッド３０を溶接トーチ４の近傍に配置した場合、溶接による外乱、例えばスパッタやヒュームに対する対策が必要である。この対策として例えば特許文献１に示すように、撮影装置入射部の保護ガラスの前に直径２ｍｍ以下のピンホールを設け、ピンホールの内側からエアー又はガスを噴出してスパッタやヒュームが進入することを防止している。また、特許文献２に示すように、撮影装置の入射部のレンズの前面に配置し、撮影用の孔であるピンホールを有する保護板のピンホールの周囲に多数のガス噴出口を設け、ガス噴出口からシールドガスを噴出してスパッタやヒュームが進入することを防止している。また、特許文献３に示すように、レンズの前面に設けた保護ガラスの前に、撮影用小径ホールと位置検出用スリット及びガラス面清掃ブラシを有する円形銅板を配置し、円形銅板を直流モータで回転させ、撮影用小径ホールとピンホールが重なったときだけ映像を取り込み、保護ガラス面のヒュームによる汚れをガラス面清掃ブラシで取り除くようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
溶接用レーザセンサのセンサヘッドを溶接トーチの近傍に配置するためには、センサヘッドを小型化することが望まれている。一方、センサヘッドのレーザ投光装置の光軸と撮影装置の光軸との角度αは、大きくなるほど開先の深さ方向の解像力が大きくなるため、角度αをできるだけ大きくする必要がある。このため、図１０に示すように、レーザ投光装置１０から出射するレーザビームを母材７に直接照射し、母材からの反射光を撮影装置１１で直接受光するセンサヘッド３０を小型化すると、レーザ投光装置１０の光軸と撮影装置１１の光軸との角度αが小さくなり、開先の深さ方向の解像力が低下するという短所がある。
【０００５】
また、特許文献１や特許文献２に示す場合、噴出するガスによりヒュームが保護ガラスやレンズの前に設けたピンホールから入り込むことは防止できるが、スパッタがピンホールから入り込むことを防止するためには、噴出するガスの圧力と流量を非常に大きくする必要がある。また、スパッタがピンホールから入り込んで保護ガラスやレンズに傷を付ける危険性も有る。また、特許文献３に示すように、保護ガラスの前に回転する円形銅板を設けると、円形銅板を回転する直流モータや回転伝達機構をセンサヘッドの先端部に設ける必要があり、センサヘッドが大型化してしまうという短所がある。
【０００６】
この発明はかかる短所を改善し、開先の深さ方向の解像力を低下させずにセンサヘッドを小型化するとともに、スパッタやヒュームによる外乱の影響を受けずに開先形状の特徴量を測定することができる溶接用レーザセンサを提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明の溶接用レーザセンサは、センサヘッドと画像処理装置を有し、センサヘッドはレーザ投光装置と撮影装置及び平面反射鏡を有し、レーザ投光装置と撮影装置とはハウジング内に平行に設けられ、平面反射鏡はレーザ投光装置の光軸に対して一定角度傾けて設けられ、レーザ投光装置からスリット光を出射し、出射したスリット光を平面反射鏡で一定角度偏向して母材の開先を含む表面に対して一定の入射角で照射し、母材に照射したスリット光の反射光を撮影装置で受光して開先の光切断像を検出し、撮影装置で検出した光切断像の画像信号を画像処理装置で画像処理して開先形状の特徴量を検出することを特徴とする。
【０００８】
この発明の第２の溶接用レーザセンサは、センサヘッドと画像処理装置を有し、センサヘッドはレーザ投光装置と撮影装置及び平面反射鏡を有し、レーザ投光装置と撮影装置とはハウジング内に平行に設けられ、平面反射鏡は撮影装置の光軸に対して一定角度傾けて設けられ、レーザ投光装置から母材の開先を含む表面に対して垂直方向からスリット光を照射し、母材に照射したスリット光の反射光を平面反射鏡で一定角度偏向して撮影装置に入射し、撮影装置は入射した反射光により開先の光切断像を検出し、撮影装置で検出した光切断像の画像信号を画像処理装置で画像処理して開先形状の特徴量を検出することを特徴とする。
【０００９】
この発明の第３の溶接用レーザセンサは、センサヘッドと画像処理装置を有し、センサヘッドはレーザ投光装置と撮影装置及び２枚の平面反射鏡を有し、レーザ投光装置と撮影装置とはハウジング内に平行に設けられ、一方の平面反射鏡はレーザ投光装置の光軸に対して一定角度傾けて設けられ、他方の平面反射鏡は撮影装置の光軸に対して一定角度傾けて設けられ、レーザ投光装置からスリット光を出射し、出射したスリット光を一方の平面反射鏡で一定角度偏向して母材の開先を含む表面に対して一定の入射角で照射し、母材に照射したスリット光の反射光を他方の平面反射鏡で一定角度偏向して撮影装置に入射し、撮影装置は入射した反射光により開先の光切断像を検出し、撮影装置で検出した光切断像の画像信号を画像処理装置で画像処理して開先形状の特徴量を検出することを特徴とする。
【００１０】
前記平面反射鏡を複数設けることが望ましい。
【００１１】
また、ハウジングのレーザ投光装置からのスリット光を出射する投光窓と母材からの反射光を入射する撮影窓の前面に、スパッタが付着しない材料で形成された保護プレートと、保護プレートを覆う保護カバーを有し、保護カバーには、レーザ投光装置から出射したスリット光を通す出射スリットと母材からの反射光を通す入射孔が設けられ、保護プレート側の保護カバーの中央内部には、出射スリットと入射孔の中心を結んだ中心線に沿った逆Ｖ溝が貫通して設けられ、逆Ｖ溝の出射スリットと入射孔側には逆Ｖ溝と直交して逆Ｖ溝と連通するスリットが設けられ、保護カバーの保護プレート側の投光窓と撮影窓の付近に複数のガス排出溝がハウジングの内部と逆Ｖ溝を連通して設けられ、ハウジングに供給した冷却ガスをガス排出溝から逆Ｖ溝を通して出射スリットと入射孔から噴出させると良い。
【００１２】
また、ハウジング内に冷却ガス導入口から供給した冷却ガスの流量を周期的に変化させて、冷却ガスにより保護プレート表面を清掃する。
【００１３】
さらに、保護カバーの撮影装置側の先端部には溶接部からのスパッタを防止する遮蔽板を有することが望ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の溶接装置の構成図である。図に示すように、溶接装置１はレーザセンサ２と溶接制御装置３及び溶接トーチ４を有する。レーザセンサ２はセンサヘッド５と画像処理装置６を有し、母材７の溶接線の位置とその変動や開先８の形状等を検出し、検出した情報に基づき溶接制御装置３で溶接トーチ４の倣い制御やウィービング幅や移動速度及びワイヤ９の送り量すなわち溶着量を制御する。センサヘッド５は、図２の構成図に示すように、レーザ発信装置１０１と投光レンズ１０２を有するレーザ投光装置１０と、ＣＣＤカメラ１１１と受光レンズ１１２と光学フィルタ１１３を有する撮影装置１１及び平面反射鏡１２を有する。レーザ投光装置１０と撮影装置１１とはハウジング１３内に並行に設けられ、平面反射鏡１２はレーザ投光装置１０の光軸に対して一定角度傾けて設けられている。
【００１５】
ハウジング１３の光の入出射部には保護ガラス１４をそれぞれ有する投光窓１５と撮影窓１６を有し、入出射部の反対側にはガス導入口１７とケーブルコネクタ１８を有する。投光窓１５と撮影窓１６の前面には、投光窓１５と撮影窓１６を保護する保護プレート１９と、保護プレート１９を覆う保護カバー２０が設けられている。保護プレート１９は透明かつスパッタ等は付着しない合成樹脂板で形成され、保護カバー２０は耐熱性を有し熱伝導率が小さくかつスパッタが付着しにくい材料、例えばガラス繊維入りのエポキシ樹脂等で形成されている。この保護カバー２０には、図３の底面図に示すように、レーザ投光装置１０から出射したスリット光を通す出射スリット２１と撮影装置１１に入射する光を通す入射孔２２が設けられ、保護プレート１９側の保護カバー２０の中央内部には、図４の側面断面図に示すように、出射スリット２１と入射孔２２の中心を結んだ中心線に沿った逆Ｖ溝２３が貫通して設けられ、逆Ｖ溝２３の出射スリット２１と入射孔２２側には、逆Ｖ溝２３と直交して逆Ｖ溝２３と連通するスリット２４が設けられている。また、保護カバー２０の保護プレート１９側には、投光窓１５と撮影窓１６の付近に例えば幅が1.5ｍｍで深さが１ｍｍ程度の複数のガス排出溝２５がハウジング１３の内部と逆Ｖ溝２３を連通して設けられている。この保護カバー２０の撮影装置１１側の先端部には溶接部からのスパッタを防止する遮蔽板２６を有する。
【００１６】
この溶接装置１で母材７を溶接するとき、保護カバー２０の遮蔽板２６を溶接トーチ４側にして溶接トーチ４より溶接方向の前方に近接させてセンサヘッド５を配置する。そしてレーザ投光装置１０からスリット光を出射し、出射したスリット光を平面反射鏡１２で一定角度偏向して母材７の開先８を含む表面に対して一定の入射角で照射する。この母材７に照射したスリット光の反射光を撮影装置１１で受光して開先８の光切断像を検出する。この母材７からの反射光を受光する撮影装置１１の受光レンズ１１２をできるだけ撮影窓１６の近くに配置し、撮影窓１６の寸法を最小に抑えて、撮影窓１６の保護ガラス１４が汚れることを防ぎ、センサヘッド５の耐久性を高める。また、撮影装置１１で母材７からの反射光を受光したとき、溶接のアーク光などからの外乱の影響を除くため、光学フィルタ１１３を利用してレーザ投光装置１０から出射する光の波長と等しい波長の光だけを検出する。さらに、レーザ透光装置１０のレーザ発信装置１０１のレーザ光の発信タイミングと撮影装置１１のＣＣＤカメラ１１１の露光タイミングを同期して、レーザ光が溶接作業者に与える影響を低減する。
【００１７】
この撮影装置１１で検出した光切断像の画像信号を画像処理装置６で画像処理してルートギャップや開先幅やビード幅等の開先形状の特徴量を検出し、検出した開先形状の特徴量に応じて溶接制御装置３で溶接トーチ４の倣い制御やウィービング幅や溶着量すなわちトーチ４の移動速度あるいはワイヤ９の送り量を制御する。
【００１８】
このように母材７の表面にスリット光を照射するレーザ投光装置１０と母材７からの反射光を検出する撮影装置１１をセンサヘッド５のハウジング１３内に平行に設けたから、センサヘッド５を小型化して、センサヘッド５を溶接ヘッド４の近傍に設けることができ、溶接トーチ４を開先８に倣って高精度に制御することができる。また、レーザ投光装置１０から出射したスリット光を、図５の光路図に示すように、平面反射鏡１２で一定角度偏向させてスリット光を母材７の表面に対して一定の入射角で照射するから、センサヘッド５を小型化しても母材７に入射するスリット光の光軸と撮影装置１１に入射する反射光の光軸との角度θを変える必要がないので、開先８の深さ方向の解像力を保つことができる。
【００１９】
また、センサヘッド５を溶接トーチ４に近接して配置すると、センサヘッド５がスパッタやヒュームの影響を受けるが、ハウジング１３の入出射面に設けた保護カバー２０の溶接部に近い部分に遮蔽板２６を設け、この遮蔽板２６で溶接中に飛び散るスパッタを遮蔽することにより、保護カバー２０の出射スリット２１と入射孔２２に飛翔するスパッタを大幅に低減することができる。さらに、保護カバー２０の出射スリット２１と入射孔２２に飛翔したスパッタやヒュームが出射スリット２１と入射孔２２から保護カバー２０内に入り込んでも、ハウジング１３の投光窓１５と撮影窓１６を覆う保護ガラス１４の表面に設けた保護プレート１９によりスパッタやヒュームが保護ガラス１４の表面に付着することを防止することができる。
【００２０】
また、センサヘッド５内部の温度上昇を抑えるために、ガス導入口１７から冷却ガスを導入してハウジング１３内を循環させ、この冷却ガスをハウジング１３の内部に連通した保護カバー２０のガス排出溝２５から逆Ｖ溝２３に排出する。この逆Ｖ溝２３に排出した冷却ガスが、図４に示すように、出射スリット２１と入射孔２２から噴出することにより、飛翔したスパッタやヒュームが出射スリット２１と入射孔２２から保護カバー２０内に入り込むことを低減することができる。さらに、出射スリット２１と入射孔２２から保護カバー２０内に入り込んだスパッタ等を逆Ｖ溝２３と、逆Ｖ溝２３と直交して設けたスリット２４に沿って排出される冷却ガスにより保護カバー２０の外に排出することにより、保護プレート１９に沿ってスパッタ等が滞留することを防ぐことができる。この保護カバー２０のガス排出溝２５から逆Ｖ溝２３に排出する冷却ガス量は、ガス導入口１７から導入する冷却ガスの量を周期的に変化させることにより適宜制御することができる。
【００２１】
また、ガス導入口１７から導入する冷却ガスの量を周期的に変化させるとき、例えばベースガス流量を３×１０−３〜１５×１０−３ｍ３／分とし、ピークガス流量を１５×１０−３〜２５×１０−３ｍ３／分にし、周期的変化の周波数を１Ｈｚとし、ピーク期間占有率を１０〜８０％にすることにより、トータルガス流量を買えずに冷却ガスによる保護プレート１９の表面の清掃作用を強化することができる。
【００２２】
また、縦向き溶接や横向き溶接のときは、出射スリット２１と入射孔２２から保護カバー２０内に入り込んだスパッタ等を逆Ｖ溝２３やスリット２４から重力や振動により落下することもでき、保護カバー２０内に入り込んだスパッタ等を効率良く外部に排出することができる。
【００２３】
このようにしてセンサヘッド５の入出射部にスパッタ等が滞留することを防止して、保護プレート１９の表面を常に綺麗にすることにより、保護プレート１９の透明度を安定して保持することができ、開先形状等を安定して検出することができる。
【００２４】
前記説明ではセンサヘッド５に１枚の平面反射鏡１２を設け、レーザ投光装置１０から出射したスリット光を偏向して、母材７の表面に一定の入射角で照射したが、図６の光路図に示すように、２枚の平面反射鏡１２ａ，１２ｂを使用することにより、母材７の表面に入射するスリット光の入射角を大きくすることができ、母材７に入射するスリット光の光軸と撮影装置１１に入射する反射光の光軸との角度θを大きくすることができ、開先８の深さ方向の解像力をより向上することができる。このように２枚の平面反射鏡１２ａ，１２ｂを使用した場合、投光窓１５に近い平面反射鏡１２ｂの設置角度を定めれば、他の平面反射鏡１２ａの設置角度はレーザ投光装置１０の光軸と平面反射鏡１２ｂの設置角度により定めることができる。また、平面反射鏡１２ｂの設置角度をハウジング１３の側面に対して平行に近い角度にすることにより、母材７に入射するスリット光の入射角を大きくして、母材７に入射するスリット光の光軸と撮影装置１１に入射する反射光の光軸との角度θをより大きくすることができるので、センサヘッド５の寸法を変えずに、開先８の深さ方向の解像力を向上することができる。
【００２５】
また、レーザ投光装置１０から出射するスリット光を偏向させるため２枚以上の平面反射鏡１２を設けたり、平面反射鏡１２の代わりにプリズムを設けてレーザ投光装置１０から出射するスリット光を偏向させるようにしても良い。
【００２６】
また、図７の光路図に示すように、撮影装置１１側に、撮影装置１１の光軸に対して一定角度傾けた平面反射鏡１２を設け、レーザ投光装置１０から母材７に対して垂直にスリット光を照射し、母材７からの反射光を斜めに平面反射鏡１２に入射して平面反射鏡１２から反射した光を撮影装置１１に入射するようにしても良い。このようにレーザ投光装置１０から母材７に対して垂直にスリット光を照射することにより、開先８の形状をより精度良く検出することができる。この場合も、図８の光路図に示すように、撮影装置１１側に２枚の平面反射鏡１２ａ，１２ｂを設けることにより、母材７に入射するスリット光の光軸と撮影装置１１に入射する反射光の光軸との角度θをより大きくすることができる。
【００２７】
さらに、図９の光路図に示すように、レーザ投光装置１０側に２枚の平面反射鏡１２ａ，１２ｂを設け、撮影装置１１側にも２枚の平面反射鏡１２ｃ，１２ｄを設けることにより、同じ大きさのセンサヘッド５を使用して母材７に入射するスリット光の光軸と撮影装置１１に入射する反射光の光軸との角度θをさらに大きくすることができ、開先８の深さ方向の解像力をより向上することができる。
【００２８】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように、レーザ投光装置から出射したスリット光を平面反射鏡で一定角度偏向して母材の開先を含む表面に対して一定の入射角で照射したり、母材に照射したスリット光の反射光を平面反射鏡で一定角度偏向して撮影装置に入射するようにしてレーザ投光装置と撮影装置とをハウジング内に平行に設けるようにしたから、センサヘッドを小型化することができ、センサヘッドを溶接ヘッドの近傍に配置して溶接トーチを開先に倣って高精度に制御することができる。
【００２９】
また、レーザ投光装置から出射したスリット光を平面反射鏡で一定角度偏向して母材の開先を含む表面に対して一定の入射角で照射したり、母材に照射したスリット光の反射光を平面反射鏡で一定角度偏向して撮影装置に入射することにより、センサヘッドを小型化しても母材に入射するスリット光の光軸と母材から反射する反射光の光軸との角度を大きくすることができ、開先の深さ方向の解像力を向上することができる。
【００３０】
さらに、平面反射鏡を複数設けることにより、母材に入射するスリット光の光軸と母材から反射する反射光の光軸との角度をより大きくして、開先の深さ方向の解像力をより向上することができる。
【００３１】
また、ハウジングのレーザ投光装置からのスリット光を出射する投光窓と母材からの反射光を入射する撮影窓の前面に、スパッタが付着しない材料で形成された保護プレートと、保護プレートを覆う保護カバーを有し、保護カバーには、レーザ投光装置から出射したスリット光を通す出射スリットと母材からの反射光を通す入射孔が設けられ、保護プレート側の保護カバーの中央内部には、出射スリットと入射孔の中心を結んだ中心線に沿った逆Ｖ溝が貫通して設けられ、逆Ｖ溝の出射スリットと入射孔側には逆Ｖ溝と直交して逆Ｖ溝と連通するスリットが設けられ、保護カバーの保護プレート側の投光窓と撮影窓の付近に複数のガス排出溝がハウジングの内部と逆Ｖ溝を連通して設けられ、ハウジングに供給した冷却ガスをガス排出溝から逆Ｖ溝を通して出射スリットと入射孔から噴出させることにより、センサヘッドの入出射部にスパッタ等が滞留することを防止して、保護プレートの表面を常に綺麗にすることができ、保護プレートの透明度を安定して保持して開先形状等を安定して検出することができる。
【００３２】
また、ハウジング内に冷却ガス導入口から供給した冷却ガスの流量を周期的に変化させて、冷却ガスにより保護プレート表面に対する清掃作用を強化することができる。
【００３３】
さらに、保護カバーの撮影装置側の先端部には溶接部からのスパッタを防止する遮蔽板を設けることにより、保護カバーの出射スリットと入射孔に飛翔するスパッタを大幅に低減することができ、センサヘッドを溶接部に近接して配置することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の溶接装置の構成図である。
【図２】センサヘッドの構成を示す正面断面図である。
【図３】センサヘッドの底面図である。
【図４】センサヘッドの側面断面図である。
【図５】センサヘッドの入出射光の光路図である。
【図６】第２のセンサヘッドの入出射光の光路図である。
【図７】第３のセンサヘッドの入出射光の光路図である。
【図８】第４のセンサヘッドの入出射光の光路図である。
【図９】第５のセンサヘッドの入出射光の光路図である。
【図１０】従来例の構成図である。
【符号の説明】
１；溶接装置、２；レーザセンサ、３；溶接制御装置、４；溶接トーチ、
５；センサヘッド、６；画像処理装置、７；母材、８；開先、９；ワイヤ、
１０；レーザ投光装置、１１；撮影装置、１２；平面反射鏡、
１３；ハウジング、１４；保護ガラス、１５；投光窓、１６；撮影窓、
１７；ガス導入口、１８；ケーブルコネクタ、１９；保護プレート、
２０；保護カバー、２１；出射スリット、２２；入射孔、２３；逆Ｖ溝、
２４；スリット、２５；ガス排出溝、２６；遮蔽板。
Claims (7)
- センサヘッドと画像処理装置を有し、
センサヘッドはレーザ投光装置と撮影装置及び平面反射鏡を有し、レーザ投光装置と撮影装置とはハウジング内に平行に設けられ、平面反射鏡はレーザ投光装置の光軸に対して一定角度傾けて設けられ、
レーザ投光装置からスリット光を出射し、出射したスリット光を平面反射鏡で一定角度偏向して母材の開先を含む表面に対して一定の入射角で照射し、母材に照射したスリット光の反射光を撮影装置で受光して開先の光切断像を検出し、撮影装置で検出した光切断像の画像信号を画像処理装置で画像処理して開先形状の特徴量を検出することを特徴とする溶接用レーザセンサ。 - センサヘッドと画像処理装置を有し、
センサヘッドはレーザ投光装置と撮影装置及び平面反射鏡を有し、レーザ投光装置と撮影装置とはハウジング内に平行に設けられ、平面反射鏡は撮影装置の光軸に対して一定角度傾けて設けられ、
レーザ投光装置から母材の開先を含む表面に対して垂直方向からスリット光を照射し、母材に照射したスリット光の反射光を平面反射鏡で一定角度偏向して撮影装置に入射し、撮影装置は入射した反射光により開先の光切断像を検出し、撮影装置で検出した光切断像の画像信号を画像処理装置で画像処理して開先形状の特徴量を検出することを特徴とする溶接用レーザセンサ。 - センサヘッドと画像処理装置を有し、
センサヘッドはレーザ投光装置と撮影装置及び２枚の平面反射鏡を有し、レーザ投光装置と撮影装置とはハウジング内に平行に設けられ、一方の平面反射鏡はレーザ投光装置の光軸に対して一定角度傾けて設けられ、他方の平面反射鏡は撮影装置の光軸に対して一定角度傾けて設けられ、
レーザ投光装置からスリット光を出射し、出射したスリット光を一方の平面反射鏡で一定角度偏向して母材の開先を含む表面に対して一定の入射角で照射し、母材に照射したスリット光の反射光を他方の平面反射鏡で一定角度偏向して撮影装置に入射し、撮影装置は入射した反射光により開先の光切断像を検出し、撮影装置で検出した光切断像の画像信号を画像処理装置で画像処理して開先形状の特徴量を検出することを特徴とする溶接用レーザセンサ。 - 前記平面反射鏡を複数設けた請求項１乃至３のいずれかに記載の溶接用レーザセンサ。
- 前記ハウジングのレーザ投光装置からのスリット光を出射する投光窓と母材からの反射光を入射する撮影窓の前面に、スパッタが付着しない材料で形成された保護プレートと、保護プレートを覆う保護カバーを有し、保護カバーには、レーザ投光装置から出射したスリット光を通す出射スリットと母材からの反射光を通す入射孔が設けられ、保護プレート側の保護カバーの中央内部には、出射スリットと入射孔の中心を結んだ中心線に沿った逆Ｖ溝が貫通して設けられ、逆Ｖ溝の出射スリットと入射孔側には、逆Ｖ溝と直交して逆Ｖ溝と連通するスリットが設けられ、保護カバーの保護プレート側の投光窓と撮影窓の付近に複数のガス排出溝がハウジングの内部と逆Ｖ溝を連通して設けられ、ハウジングに供給した冷却ガスをガス排出溝から逆Ｖ溝を通して出射スリットと入射孔から噴出させる請求項１乃至４のいずれかに記載の溶接用レーザセンサ。
- 前記ハウジング内に冷却ガス導入口から供給した冷却ガスの流量を周期的に変化させて、冷却ガスにより保護プレート表面を清掃する請求項１乃至５のいずれかに記載の溶接用レーザセンサ。
- 前記保護カバーの撮影装置側の先端部には溶接部からのスパッタを防止する遮蔽板を有する請求項５又は６記載の溶接用レーザセンサ。
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