JP2017021279A - 溶接状況のモニタリング装置及びこのモニタリング装置に用いられるプリズム - Google Patents

Abstract

【課題】 大がかりで高価な設備を用いることなく、低輝度から高輝度までの広い輝度範囲に亘る溶接対象の鮮明な撮像を可能とする。
【解決手段】本発明の溶接状況のモニタリング装置１は、溶接対象３を撮像する１つの撮像部５と、撮像部５と溶接対象３との間に配備されていて、溶接対象３が写り込むと共に溶接対象３に対して視差のある２つの光路を生成するプリズム６と、プリズム６で生成された一の光路Ｐ１上に配備される第１の光学フィルタ７Ａと、プリズム６で生成された他の光路Ｐ２上に配備され且つ第１の光学フィルタ７Ａとは異なる光学特性を備えた第２の光学フィルタ７Ｂとを有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、溶接状況のモニタリング装置、及びこのモニタリング装置に用いられるプリズムに関する。

従来、アーク溶接などを行う際に、溶接対象乃至は溶接状況を遠隔からモニタリングしつつ、適切な溶接が行われているかを確認することがあった。
溶接対象のモニタリングを行うに際しては、高輝度なアークや溶融池と、低輝度なシームやギャップとの両方を撮像する必要がある。このような撮像においては、高輝度の箇所と低輝度の箇所とが混在するため、撮像部（カメラ）に必要とされるダイナミックレンジが非常に大きなものとなり、様々な工夫が必要とされる。

例えば、特許文献１には、高輝度部と低輝度部に対し、光路を分岐して２台のカメラもしくは２つの別々のＣＣＤ素子で撮像する技術が開示されている。すなわち、特許文献１は、「画像を照度の高い部分と照度の低い部分との２画像に分離処理する画像２方向分離処理部と、この画像２方向分離処理部により分離処理された上記２画像を１つの画像に合成処理する画像合成処理部と、この画像合成処理部により合成された画像を再生する合成画像再生部とを具備してなる画像モニタリング装置」を開示する。

また、特許文献２には、低輝度部に強力な照明を当て、高輝度部と同等の輝度にするといった技術が開示されている。すなわち、特許文献２は、「溶接部を保護ガスにより包被しながら溶接を行うガスシールドアーク溶接におけるシールドガス流を観察する方法において、溶接アーク光の分光強度が比較的弱い波長帯域に属し、かつ該波長帯域における溶接アーク光の分光強度に比較して十分大なる強度を有する可視光レーザ光線をシールドガス流に照射し、前記シールドガス流と周囲空気層との屈折率の差により両者の境界面に生ずるレーザ光の回折像を前記レーザ光線の波長を含む狭波長帯域のみを透過させるフィルタを通して観察することを特徴とするアーク溶接シールドガス流観察方法」を開示する。このように、輝度の高いレーザ光線を低輝度部に照射すれば、低輝度部の輝度レベルが上がって高輝度部との輝度の差が小さくなり、明瞭な画像を得ることができる。

一方、上記した技術とは異なるものとして、ダイナミックレンジが大きなカメラ（ワイドダイナミックレンジカメラ）を使用して溶接現象を観察する手法が、非特許文献１に開示されている。
また、特許文献３、４には、低輝度部と高輝度部とのそれぞれに対してシャッタースピードや絞り値を変えることで、低輝度〜高輝度に亘る広い輝度範囲を有する被写体に対して鮮明な撮像を可能とするハイダイナミックレンジ合成（ＨＤＲ）の技術が開示されている。

実公平０４−１６５４１号公報 特公昭５９−４１８３６号公報 特開平０８−１５０４７５号公報 特許第３１６５５９９号公報

ワイドダイナミックレンジ視覚センサによる溶接現象の観察、関ら、溶接学会誌 70(7)、678-682、2001年10月5日、社団法人溶接学会

ところで、特許文献１の技術では、２方向に分離された光路をそれぞれカメラで撮像する必要があるため、カメラが複数台（２台）必要となり、設備コストの高騰を招く可能性がある。１台のカメラで２つの撮像素子を持つものもあるが、特殊仕様であり安価ではない。
また、特許文献２では、高価で大がかりな照明設備が必要となり、設備コストの高騰を招きやすい。特許文献２の技術は実験室レベルでは実現可能であっても、生産現場では実現が困難なものとなっている。

非特許文献１に開示されるようなワイドダイナミックレンジカメラは、特殊用途向けのカメラであり、装置自体のサイズが大きかったりして、本発明が意図する目的のために選択できるカメラとは言い難い。
さらに、特許文献３、４に開示されるＨＤＲ技術は、溶接対象の撮像が連続に行えなず間欠的な撮像となり、溶接対象の観察には不適であると思われる。加えて、画像の合成・表示に時間を要し、撮像した画像のリアルタイム処理、表示が出来ない。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、大がかりで高価な設備を用いることなく、低輝度から高輝度までの広い輝度範囲に亘る溶接対象の鮮明な撮像を可能とする溶接状況のモニタリング装置、及びこのモニタリング装置に用いられるプリズムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の溶接状況のモニタリング装置は、以下の技術的手段を講じている。
即ち、本発明の溶接状況のモニタリング装置は、溶接対象を撮像する１つの撮像部と、前記撮像部と前記溶接対象との間に配備されていて、前記溶接対象が写り込むと共に前記溶接対象に対して視差のある２つの光路を生成するプリズムと、前記プリズムで生成された一の光路上に配備される第１の光学フィルタと、前記プリズムで生成された他の光路上に配備され且つ前記第１の光学フィルタとは異なる光学特性を備えた第２の光学フィルタと、を有することを特徴とする。

なお、好ましくは、前記プリズムは山型プリズムとされ、前記山型プリズムを構成する一の傾斜面を前記一の光路が通過し、前記山型プリズムを構成する他の傾斜面を前記他の光路が通過するものとされているとよい。
なお、好ましくは、前記第１の光学フィルタとして、前記溶接対象である溶融池又はアークに対応した輝度又は波長を透過可能な光学フィルタが用いられ、前記第２の光学フィルタとして、前記溶融池の周囲に存在する部位に対応した輝度又は波長を透過可能な光学フィルタが用いられているとよい。

なお、好ましくは、前記第１の光学フィルタ及び第２の光学フィルタは、前記山型プリズムにおける撮像部側又は反撮像部側に配備されているとよい。
なお、好ましくは、前記一の光路が前記撮像部に内蔵された撮像素子の一方側に結像し、前記他の光路が前記撮像素子の他方側に結像しているとよい。
一方、本発明のプリズムは、溶接対象が写り込むと共に前記溶接対象に対して視差のある２つの光路を生成すると共に、前記２つの光路のうちの一の光路上に配備された第１の光学フィルタと、他の光路上に配備され且つ前記第１の光学フィルタとは異なる光学特性を備えた第２の光学フィルタとを有することを特徴とする。

本発明の溶接状況のモニタリング装置及びプリズムによれば、大がかりで高価な設備を用いることなく、低輝度から高輝度までの広い輝度範囲に亘る溶接対象の鮮明な撮像が可能となる。

溶接ロボットに本実施形態のモニタリング装置が設置された状況を示す模式図である。 溶接対象を拡大して示した図である。 本実施形態のモニタリング装置の内部構造を模式的に示した図である。 モニタリング装置で得られる２つの画像（低輝度部の画像、高輝度部の画像）を示した図である。 本実施形態のモニタリング装置の内部構造の変形例を模式的に示した図である。

以下、本発明のモニタリング装置１の実施形態を、図面に基づき詳しく説明する。
図１は、溶接ロボット２に本実施形態のモニタリング装置１が配備された状況を模式的に示したものであり、図３は、本実施形態のモニタリング装置１の内部構造を模式的に示したものである。
本実施形態のモニタリング装置１は、溶接中の溶接対象３を撮像してモニタなどの表示部４に表示するものであり、溶接対象３に対してオペレータなどが遠隔地からモニタリングすることを可能とするものである。

図３に示すように、モニタリング装置１は、溶接対象３を撮像する１つの撮像部５と、撮像部５と溶接対象３との間に配備されていて、溶接対象３が写り込むと共に溶接対象３に対して視差のある２つの光路Ｐ１，Ｐ２を生成するプリズム６（山型プリズム）と、プリズム６で生成された一の光路Ｐ１上に配備される第１の光学フィルタ７Ａと、プリズム６で生成された他の光路Ｐ２上に配備され且つ第１の光学フィルタ７Ａとは異なる光学特性を備えた第２の光学フィルタ７Ｂと、を有するものとなっている。

このモニタリング装置１は、溶接対象を撮像可能な場所に設置される。設置される場所は限定されないが、例えば、図１に示すように、溶接ロボット２のアームの先端部に設置されてもよい。
図１に示すように、溶接ロボット２のアームの先端には、溶接ツール８が取り付けられている。溶接ツール８は、溶接ロボット２のアーム先端に取り付けられた溶接トーチ９と、溶接トーチ９の中心部を貫通状に通って、溶接トーチ９の外部に先端側が突出した溶接ワイヤ１０を有している。

溶接ワイヤ１０にはアーク発生に必要な電流が通電可能となっていて、溶接トーチ９からはアーク放電を安定して発生可能なシールドガスなどが供給される。このような状況下で、図２に示すように、溶接ワークＷに対する溶接が行われる。
図２に示すように、溶接時は、溶接ワークＷ同士の継ぎ目（シームＳ）に沿って溶接が行われる。この際、シームＳの位置やシームＳの間隔（ギャップ）を正確に把握する必要がある。加えて、アークＡの発生状況や溶融池Ｍの大きさなどを把握する必要もある。溶接直後のビードＢの状態を把握する必要もある。

本実施形態のモニタリング装置１は、アークＡや溶融池Ｍのような高輝度部と、シームＳ、ビードＢのような低輝度部の両方を確実に撮影し、オペレータに対して鮮明な画像として提供するものである。
次に、本実施形態のモニタリング装置１の詳細、すなわち、モニタリング装置１を構成する撮像部５、プリズム６、第１の光学フィルタ７Ａ及び第２の光学フィルタ７Ｂ、表示部４について説明する。

撮像部５は、例えばＣＣＤカメラで構成され、撮像素子１１としてＣＣＤ素子を備えている。撮像素子１１は、溶接対象３を鮮明に映し出すことが可能な画素数を有するものとなっている。加えて、撮像部５は、撮像対象を撮像素子１１上に結像させるためのレンズ１２を有している。
この撮像部５においては、溶接状況（溶融池Ｍ、アークＡ、シームＳ、ギャップなど）がレンズ１２を介して撮像素子１１上に結像し、撮像素子１１に結像した画像は画像データとして取り込まれ、取り込まれた画像データが表示部４で表示される。

図３に示すように、プリズム６は、撮像部５のレンズ１２の前側、言い換えれば、撮像部５と溶接対象３との間に配備されていて、溶接対象３が写り込んだ光をこのプリズム６を透過させて撮像部５に入射させる構成となっている。また、プリズム６は、溶接対象３が写り込んだ光を撮像部５に入射させるに際して、２つの光路を生成可能となっている。これらの２つの光路は、溶接対象３に対して視差があり、例えば、一の光路Ｐ１は溶接対象３を向かって右側から見た場合の像を結び、他の光路Ｐ２は溶接対象３を向かって左側から見た場合の像を結ぶものとなっている。

図３に示すように、このプリズム６は、光透過性の部材（例えば、石英ガラスなど）で構成されており、平面視断面が山型形状（逆Ｖ字形状）となっている「山型プリズム」である。山型プリズム６の山稜線を構成する右側の面（右斜面１３Ｒ）と左側の面（左斜面１３Ｌ）とは、左右対象で配置されている。右斜面１３Ｒ及び左斜面１３Ｌに対面する面はプリズム６の底面１３Ｂとされ、底面１３Ｂは水平に形成されている。

プリズム６は、撮像部５の前側に配置されており、撮像部５のレンズ１２に対面するようにプリズム６の底面１３Ｂが配置される。プリズム６の右斜面１３Ｒ及び左斜面１３Ｌは溶接対象３を向いており、溶接対象３から発せられる光が、右斜面１３Ｒ及び左斜面１３Ｌに進入するようになっている。
このプリズム６の前面（右斜面１３Ｒ及び左斜面１３Ｌ）に入射した光は、それぞれの斜面でプリズム６の中央側を向くように屈折して、プリズム６の後面（底面１３Ｂ）から出射し、撮像部５のレンズ１２へと進むことになる。

図３のプリズム６の場合であれば、山型プリズム６を構成する２つの傾斜面１３Ｒ，１３Ｌのうち、左斜面１３Ｌに入射した光は、プリズム６を透過する際に右側に屈折し、撮像部５のレンズ１２を通って、撮像素子１１の右側に結像する。一方、２つの傾斜面１３Ｒ，１３Ｌのうち、右斜面１３Ｒに入射した光は、プリズム６を透過する際に左側に屈折し、撮像部５のレンズ１２を通って、撮像素子１１の左側に結像する。

このようにプリズム６で生成される２つの光路には視差が存在するが、使用する撮像部５の口径が小径であること、溶接対象３の箇所が限定的であることから視差はわずかである。また、この視差の影響が多少あったとしても、２つの光路Ｐ１，Ｐ２のいずれにも、溶融池Ｍの位置や形状、シームＳの位置、ギャップの幅などが写り込んでおり、溶接状況をモニタリングするにあたって、必要な情報を得る上では大きな問題とはならない。仮に視差の影響があっても、左右の画像それぞれに補正すればよく、各画像から取得したい情報、例えば、溶融池Ｍの位置や形状、溶接ワークＷのギャップ幅、シームＳの位置の検出を確実に取得することが可能である。

第１の光学フィルタ７Ａは、上述したプリズム６（山型プリズム）に設けられる２つの傾斜面のうち、一方の傾斜面（図３の右斜面１３Ｒ）に配備された光学フィルタであり、入射した光のうち高輝度の光のみを選択的に透過する構成となっている。
具体的には、この第１の光学フィルタ７Ａは、特定波長の光のみを通すようなバンドパスフィルタと、入射する光の量を減少させる減光フィルタ（ＮＤフィルタ）とを有している。

それゆえ、上述したプリズム６で生成された２つの光路のうち、一の光路Ｐ１を通る光が第１の光学フィルタ７Ａに入射されると、溶融池Ｍ、アークＡなどの高輝度の光のみが第１の光学フィルタ７Ａを透過し、周辺環境から発した低輝度の光は第１の光学フィルタ７Ａを透過しない。それゆえ、撮像部５の撮像素子１１の左側には高輝度の光のみが結像し、溶融池Ｍなどが映った画像を得ることができる。

一方、第２の光学フィルタ７Ｂは、上述したプリズム６に設けられる２つの傾斜面のうち、他方の傾斜面（図３の左斜面１３Ｌ）に配備された光学フィルタであり、入射した光のうち、高輝度から低輝度に亘る光を透過する構成となっている。
具体的には、第２の光学フィルタ７Ｂは、特定波長の光のみを通すようなバンドパスフィルタのみから構成されており、減光フィルタ（ＮＤフィルタ）は備えていない。

それゆえ、上述したプリズム６で生成された２つの光路Ｐ１，Ｐ２のうち、他方の光路Ｐ２の光が第２の光学フィルタ７Ｂに入射すると、高輝度の光も低輝度の光も双方とも撮像素子１１に達するが、高輝度の光は輝度が高いままであるためハレーションを起こした状態で結像する。しかし、シームＳ、ギャップなどの低輝度の光は、ハレーションを起こすことなく撮像素子１１上に結像する。その結果、表示部４には低輝度の箇所のみが鮮明な画像として表示されることになる。

上述した第１の光学フィルタ７Ａ、及び第２の光学フィルタ７Ｂでは、各フィルタにおける透過率を露光指標に基づいて設定し、それぞれの光路から明瞭な画像を撮像できるようにしている。露光指標は、透過率と露光時間の積で示される値で、この露光指標が所定の範囲内であれば、撮像部５により鮮明な画像として撮像されることになる。
例えば、一の光路Ｐ１に対して第１の光学フィルタ７Ａを用いて溶接対象３の撮像を行った場合に、透過率１０％の減光フィルタ（ＮＤフィルタ）を用いて露光時間３００μｓ、絞りｆ８で、高輝度の光の画像が明瞭に得られたとする。この場合の露光指標は、露光時間「３００」に透過率の「０．１」をかけて「３０」という値になる。つまり、高輝度の箇所を撮像するにあたっては、「露光指標＝３０」であれば、鮮明な画像を撮像することができる。

一方、他の光路Ｐ２に対して第２の光学フィルタ７Ｂを用いて溶接対象３の撮像を行った場合に、露光時間３０００μｓ、絞りｆ８で、低輝度の光の画像が明瞭に得られたとする。この場合の露光指標は、露光時間「３０００」に透過率の「１」をかけて「３０００」という値になる。つまり、低輝度の箇所を撮像するにあたっては、「露光指標＝３０００」であれば、鮮明な画像を撮像することができる。

ここで、第１の光学フィルタ７Ａを通った高輝度の光と、第２の光学フィルタ７Ｂを通った低輝度の光とを、１つの撮像部５で一度に撮像する場合（同じシャッター速度と絞りで撮像する場合）を考える。この場合、第１の光学フィルタ７Ａを通った高輝度の光も、第２の光学フィルタ７Ｂを通った低輝度の光も、同じ露光時間と絞りで撮像することになる。

その場合、第１の光学フィルタ７Ａを通る光路Ｐ１（高輝度な光路）に対する露光指標は上述のように「３０」であるから、光学フィルタの透過率は、露光指標３０÷露光時間３０００＝０．０１となり、第１の光学フィルタ７Ａとしては、透過率１％の減光フィルタを用いる必要があることがわかる。
また、第２の光学フィルタ７Ｂを通る光路Ｐ２（低輝度な光路）に対する露光指標は上述のように「３０００」であるから、光学フィルタの透過率は、露光指標３０００÷露光時間３０００＝１となり、第２の光学フィルタ７Ｂとしては、透過率１００％の減光フィルタを用いる、言い換えれば、減光フィルタ不要であることがわかる。

このように、露光指標をもとに、第１の光学フィルタ７Ａ及び第２の光学フィルタ７Ｂの特性（透過率など）を適切に決めることで、一つの撮像部５で２つの光路Ｐ１，Ｐ２を一度に撮像することが可能となる。
撮像された溶接対象の画像は、図４に示すような形で表示部４に表示される。
なお、表示部４では、左側の画面に一の光路Ｐ１による画像が表示され、右側の画面に他の光路Ｐ２による画像が表示される。すなわち、表示部４ではＬ画面に第１の光学フィルタ７Ａを通った高輝度部の画像が表示され、Ｒ画面に第２の光学フィルタ７Ｂを通った低輝度部の画像が表示される。

図４に示す如く、表示部４の画面の左側を見ると、溶接状況の中でも、高輝度の光を放つアークＡ及び溶融池Ｍのみが表示され、それ以外の部分は表示されていない。これは、低輝度の光は、透過率の低い第１の光学フィルタ７Ａを通過できないからである。一方、表示部４の画面の右側を見ると、低輝度の領域にあるシームＳやギャップが鮮明に映し出されており、アークＡ及び溶融池Ｍの部分はハレーションとして映し出される。

以上述べた溶接状況のモニタリング装置１であれば、既存の設備に備え付けられていたＣＣＤカメラなどの撮像部５の前に、第１及び第２の光学フィルタ７Ｂを貼り付けたプリズム６（本発明のプリズム６）を取り付けるだけで溶接対象３の明瞭な画像が得られるため、大がかりで高価な設備を用いることなく、低輝度から高輝度までの広い輝度範囲に亘って溶接対象３の鮮明な撮像を可能とすることができる。

なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。

例えば、実施形態の説明において、撮像部５をＣＣＤカメラとしているが、ＣＭＯＳカメラなどでも問題はない。
また、上述した実施形態の光学フィルタは、１個のプリズム６のみで形成されていたが、プリズム６を２個用いて、直交に配置することで一度に４つの溶接対象３の画像を撮像できるようにしてもよい。

また、上述した実施形態の光学フィルタ７Ａ，７Ｂは、溶接対象３とプリズム６との間（プリズム６の前側、言い換えれば、反撮像部側）に配備されていたが、図５に示すように、本発明の光学フィルタはプリズム６と撮像部５との間（プリズム６の後側、言い換えれば、撮像部側）に配備されていてもよい。
さらに、光学フィルタ７Ａ，７Ｂに用いたバンドパスフィルタの特性を適切に選択することで、１つの撮像部５で異なる波長の画像を得ることができ、溶接以外の技術分野に用いることも可能となる。

また、透過率が調整可能な減光フィルタを光学フィルタ７Ａ，７Ｂに組み込み、透過率を任意に調整することで、撮像対象に存在する様々な輝度に対応可能な構成としてもよい。このように、光学フィルタ７Ａ，７Ｂに、どのような特性のバンドパスフィルタ、ＮＤフィルタを用いるかは、使用者が適宜選定可能である。また、光学フィルタ７Ａ，７Ｂに、バンドパスフィルタやＮＤフィルタを採用しない場合もあり得る。

なお、本願発明のモニタリング装置１は、車載カメラで他の自動車をモニタリングする場合のように、ヘッドライト（ハイビームや逆光）と道路周辺とのような輝度差が多い対象物を撮像する際にも用いることができる。

１ モニタリング装置
２ 溶接ロボット
３ 溶接対象
４ 表示部
５ 撮像部
６ プリズム（山型プリズム）
７Ａ 第１の光学フィルタ
７Ｂ 第２の光学フィルタ
８ 溶接ツール
９ 溶接トーチ
１０ 溶接ワイヤ
１１ 撮像素子
１２ レンズ
１３Ｒ 右斜面
１３Ｌ 左斜面
１３Ｂ 底面
Ａ アーク
Ｂ ビード
Ｍ 溶融池
Ｐ１ 一の光路
Ｐ２ 他の光路
Ｓ シーム
Ｗ 溶接ワーク

Claims (6)

1. 溶接対象を撮像する１つの撮像部と、
   前記撮像部と前記溶接対象との間に配備されていて、前記溶接対象が写り込むと共に前記溶接対象に対して視差のある２つの光路を生成するプリズムと、
   前記プリズムで生成された一の光路上に配備される第１の光学フィルタと、
   前記プリズムで生成された他の光路上に配備され且つ前記第１の光学フィルタとは異なる光学特性を備えた第２の光学フィルタと、
   を有することを特徴とする溶接状況のモニタリング装置。
2. 前記プリズムは山型プリズムとされ、前記山型プリズムを構成する一の傾斜面を前記一の光路が通過し、前記山型プリズムを構成する他の傾斜面を前記他の光路が通過するものとされている
   ことを特徴とする請求項１に記載の溶接状況のモニタリング装置。
3. 前記第１の光学フィルタとして、前記溶接対象である溶融池又はアークに対応した輝度又は波長を透過可能な光学フィルタが用いられ、
   前記第２の光学フィルタとして、前記溶融池の周囲に存在する部位に対応した輝度又は波長を透過可能な光学フィルタが用いられている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の溶接状況のモニタリング装置。
4. 前記第１の光学フィルタ及び第２の光学フィルタは、前記山型プリズムにおける撮像部側又は反撮像部側に配備されていることを特徴とする請求項２または３に記載の溶接状況のモニタリング装置。
5. 前記一の光路が前記撮像部に内蔵された撮像素子の一方側に結像し、前記他の光路が前記撮像素子の他方側に結像していることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の溶接状況のモニタリング装置。
6. 溶接対象が写り込むと共に前記溶接対象に対して視差のある２つの光路を生成すると共に、前記２つの光路のうちの一の光路上に配備された第１の光学フィルタと、他の光路上に配備され且つ前記第１の光学フィルタとは異なる光学特性を備えた第２の光学フィルタとを有する
   ことを特徴とするプリズム。