JP2018183785A - レーザ溶接システム及びレーザゴーグル - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、以上のような点に着目したもので、作業性や安全性の向上を図るとともに、長時間の作業も可能とすることを、その目的とする。【解決手段】 レーザゴーグル１３０に設けた手元観察カメラ１３４で手元映像を得るとともに、レーザハンディトーチ１１０に設けた拡大観察カメラ１１６で拡大映像を得て手元映像に合成し、合成映像をレーザゴーグル１３０のディスプレイ１３２Ｒ，１３０Ｌに表示することとしたので、レーザ加工部位の全体映像と拡大映像を同時に観察して加工点ＰＱの位置決めを的確に行うとともに、溶接の様子を良好に把握することができるなど作業性が向上し、作業者の目にレーザ反射光やプラズマ光が入ることがないため安全性が向上して長時間の作業も可能となり、移動や作業場所の確保が困難な大型金型や大型機械部品への溶接作業に好適である。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ溶接（レーザビーム溶接）に好適なレーザ溶接システム及びそれに使用するレーザゴーグルに関する。

レーザ溶接（肉盛りも含む。）は、集光された高エネルギー密度熱源であるレーザ光（パルスレーザ）を加工対象物のワークに当て、レーザ光のエネルギーにより溶接部位を加熱して行う溶接方法である。アーク溶接などと比較して、操作が簡便である，低熱入力である，微細な溶接が可能であるといった利点がある。

ところで、金型や入れ子の補修が必要となった場合は、それらをレーザ肉盛・溶接装置付近まで搬送しての作業が一般的であるが、巨大な金型や製紙用ロールなどは、いずれもワークが大きく、その搬送が困難なケースがある。また、金型などの形状や設置状況によっては、レーザヘッド（照射装置部）を加工部位付近に設置できず、結果的にレーザ加工を施すことができない。更に、原子力などの分野では、補修が必要となってもワークを管理区域外に運び出すことが不可能なケースがあり、同様にレーザ加工を施すことができないケースが生ずる。このような観点から、設置場所の自由度が高く、使い勝手のよい、ハンディタイプのレーザトーチが注目されている。

しかしながら、従来のレーザハンディトーチには、
１，プラズマ光の影響により加工点が目視できないので、加工点の位置決めが困難である。このため、現状では、倣い冶具を使用するか、もしくは単純な製品形状に倣う突合せもしくは重ね溶接にしか適用できていない。
２，仮にプラズマ光が除去できたとしても、加工点のレーザスポット径が小さく、狙った加工点に対してトーチのヘッド位置を合わせるのは困難が伴う。
３，肉盛溶接の場合は、フィラー（溶接材料）の溶け具合も確認しながらの作業が必要となる。このため、現状では、ＳＵＳ薄板の突合せ溶接や重ね溶接等の限定的な使用しかできず、肉盛り補修に必要なフィラー供給をしながらの肉盛り溶接作業は困難である。
４，レーザゴーグルを使用しても、作業者の目にレーザ反射光やプラズマ光が入るために目が疲れやすく、長時間の作業は作業者に負担を与えるだけでなく、安全性も低い。

例えば、下記特許文献１には、ワーク表面から反射したレーザビームによって破損しても、安全性を害することがないように、可視窓部の損傷を検出する連続ワイヤによるセンサを設け、その断線を検出したときにレーザの出射を停止するようにした「ＹＡＧレーザ加工用の安全可視窓構造」が開示されている。しかし、作業者の目にレーザ反射光やプラズマ光が入ってしまう点が改良されているわけではない。

特開２００１−１１３３８６号公報

以上のように、従来技術によれば、加工点ないしレーザスポットの位置決めが困難，肉盛り溶接の適用対象が制限されるなど、作業性が悪く、作業者に対する安全性も低く、長時間の作業を行うことができない。

本発明は、以上のような点に着目したもので、作業性や安全性の向上を図るとともに、長時間の作業も可能とすることを、その目的とする。

本発明のレーザ溶接システムは、レーザハンディトーチを使用してレーザ光を照射しつつ、作業者がワークに対する溶接作業を行うためのレーザ溶接システムであって、前記作業者が頭部に装着するとともに、外部からの光を遮蔽するとともに、作業者の視野にディスプレイを備えているレーザゴーグルと、前記レーザハンディトーチに設けられており、レーザ光が照射されて溶接が行われる加工点付近を拡大して撮像する拡大撮像手段と、前記レーザゴーグルに設けられており、作業者の手元の様子を撮像する手元撮像手段と、前記拡大撮像手段から出力された拡大ビデオ信号と、前記手元撮像手段から出力された手元ビデオ信号を合成する映像合成手段とを備えており、前記映像合成手段によって合成されたビデオ信号に基づいて、前記レーザゴーグルのディスプレイに、拡大映像と手元映像の合成映像を表示することを特徴とする。

本発明のレーザゴーグルは、前記レーザ溶接システムで使用するレーザゴーグルであって、外部からの光を遮蔽するとともに、作業者の視野に映像を表示するディスプレイと、作業者の手元の様子を撮像する手元撮像手段と、を備えたことを特徴とする。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。

本発明によれば、レーザゴーグルに設けた手元撮像手段で手元映像を得るとともに、レーザハンディトーチに設けた拡大撮像手段で拡大映像を得て手元映像に合成し、合成映像をレーザゴーグルのディスプレイに表示することとしたので、レーザ加工部位の全体映像と拡大映像を同時に観察して加工点の位置決めを的確に行うとともに、溶接の様子を良好に把握することができるなど作業性が向上し、作業者の目にレーザ反射光やプラズマ光が入ることがないため安全性が向上して長時間の作業も可能となる。

本発明の一実施例の全体構成を示すブロック図である。 前記実施例の溶接作業時の様子を示す説明図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。

図１及び図２には、本発明の一実施例が示されている。図１は全体構成を示すブロック図であり、図２は溶接作業時の様子を示す説明図である。図１に示すように、本実施例の
レーザ溶接システム１００のレーザハンディトーチ１１０には、ファイバレーザ溶接機１１２がカップリングユニット１１４を介してレーザ光，シールドガス，エアなどが必要に応じて供給されている。これらの点は、公知の技術である。

加えて、本実施例のレーザハンディトーチ１１０には、拡大観察カメラ１１６が設けられている。拡大観察カメラ１１６からは、ビデオ信号（以下「拡大ビデオ信号」という）が出力されている。すなわち、拡大観察カメラ１１６によって、レーザハンディトーチ１１０から出力されたレーザ光のワーク上における加工点（ビームスポット点）付近が拡大して観察されるようになっている。拡大観察カメラ１１６から出力される拡大ビデオ信号は、ビデオキャプチャ１１８によってＰＣ（パーソナルコンピュータ）１２０に取り込まれ、更にはＬＡＮなどの無線通信端末１２２によって、後述するレーザゴーグル１３０側に送信されるようになっている。なお、ビデオキャプチャ１１８及び無線通信端末１２２をＰＣ１２０と一体の構成としてもよい。

一方、作業者が着用するレーザゴーグル１３０は、外部からの光を遮蔽するとともに、作業者の視野には、液晶などによるディスプレイ１３２Ｌ，１３２Ｒが設けられており、いわゆるバーチャルリアリティの分野で使用されるヘッドマウントディスプレイの構造となっている。本実施例では、作業者の前方、すなわち溶接作業時は手元を観察することができる手元観察カメラ１３４が設けられている。これにより、作業者は、直接前方の様子を見ることはないが、手元観察カメラ１３４を通じてディスプレイ１３２Ｌ，１３２Ｒに前方の様子が映し出されるため、安全に作業や移動を行うことができる（光学透過ないし光学シースルー）。レーザゴーグル１３０には、ヘッドセットコントローラ１３６が付属しており、これからディスプレイ１３２Ｌ，１３２Ｒに対する映像信号の出力や、ディスプレイ１３２Ｌ，１３２Ｒ及び手元観察カメラ１３４に対する駆動電力の供給が行われるようになっている。なお、ヘッドセットコントローラ１３６をレーザゴーグル１３０の本体と一体の構造としてもよい。

上述した手元観察カメラ１３４から出力されるビデオ信号（以下「手元ビデオ信号」という）は、ヘッドセットコントローラ１３６の映像合成部１３８に入力されている。映像合成部１３８では、無線通信端末１２２から受信した拡大ビデオ信号と、手元観察カメラ１３４から入力された手元ビデオ信号が合成されるようになっており、例えば、後述するように、手元映像画面の左上に拡大映像画面が表示されるように、映像の合成が行われるようになっている。なお、合成映像は、
ａ，左右それぞれのディスプレイ１３２Ｌ，１３２Ｒに対応する左目用・右目用の映像として合成することで、立体視できるようにする。
ｂ，手元映像は左右それぞれのディスプレイ１３２Ｌ，１３２Ｒに対応する映像とするものの、拡大映像については左右共通とすることで、手元映像は立体視できるようにする。
ｃ，ディスプレイ１３２Ｌ，１３２Ｒを、左右共通の大きな一つのディスプレイとして構成する。
など、各種の態様としてよい。

次に、図２も参照しながら、本実施例の全体の動作を説明する。レーザハンディトーチ１１０の拡大観察カメラ１１６で撮影された映像の拡大ビデオ信号は、ビデオキャプチャ１１８によってＰＣ１２０に取り込まれ、更に無線通信端末１２２を介してレーザゴーグル１３０のヘッドセットコントローラ１３６の映像合成部１３８に入力される。一方、レーザゴーグル１３０の手元観察カメラ１３４で撮影された映像の手元ビデオ信号も、ヘッドセットコントローラ１３６の映像合成部１３８に入力される。映像合成部１３８では、手元ビデオ信号に拡大ビデオ信号が合成され、合成ビデオ信号がディスプレイ１３２Ｌ，１３２Ｒにそれぞれ出力される。これにより、ディスプレイ１３２Ｌ，１３２Ｒには、手元映像に拡大映像が合成された合成映像が表示されるようになる。

ワークＷに対して溶接作業を行うときは、作業者は、メガネをかけるように、レーザゴーグル１３０を頭部に装着する。レーザゴーグル１３０では、上述したように、手元映像に拡大映像が合成された合成映像が表示されている。作業者は、この合成映像を見ながら、レーザハンディトーチ１１０を手に持ち、図２に示すようにワークＷに対して溶接作業を行う。同図に合成映像の一例を示すように、手元映像ＧＡにおいては、レーザハンディトーチ１１０の先端部分，ワークＷ，加工点ＰＱの全体が表示されている。一方、拡大映像ＧＢには、加工点ＰＱを中心とした部分が拡大して示されている。

このように、本実施例によれば、
ａ，レーザ加工部位の全体映像と拡大映像を同時に観察することができ、加工点ＰＱの位置決めを的確に行うとともに、溶接の様子を良好に把握することができる。
ｂ，フィラーＦＬの溶け具合を良好に確認しながら作業を進めることができる。
ｃ，作業者の目にレーザ反射光やプラズマ光が入ることがなく、安全性が向上するとともに、作業者の負担を軽減することができ、長時間の作業も可能となる。
ｄ，ハンディタイプなので、移動や作業場所の確保も容易であり、大型金型や大型機械部品へのレーザ肉盛溶接も可能となる。
ｅ，バーチャルリアリティのゴーグル技術を応用しており、比較的簡便で安価な構成でありながら、良好な溶接作業を行うことができる。

なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えることができる。例えば、以下のものも含まれる。
(1)本発明は、肉盛溶接に限らず、各種の溶接作業に適用可能である。使用するレーザ光源，シールドガス，フィラー，ワークなどの種類についても、同様に各種の公知のものが適用可能である。
(2)前記実施例では、レーザゴーグル１３０のヘッドセットコントローラ１３６に映像合成部１３８を設けたが、図１に点線で示すように、ＰＣ１２０側に設けてもよい。この場合、手元観察カメラ１３４から出力された手元ビデオ信号は、ヘッドセットコントローラ１３６，無線通信端末１２２を介してＰＣ１２０に送信され、ＰＣ１２０の映像合成部１３８で、レーザハンディトーチ１１０の拡大観察カメラ１１６から出力された拡大ビデオ信号と合成される。そして、合成ビデオ信号が無線通信端末１２２からヘッドセットコントローラ１３６に送信され、ディスプレイ１３２Ｌ，１３２Ｒに合成映像が表示される。
(3)前記実施例で示したカメラ１１６，１３４やレーザゴーグル１３０も、各種のタイプのものが公知であり、いずれのタイプでもよい。

本発明によれば、レーザゴーグルに設けた手元撮像手段で手元映像を得るとともに、レーザハンディトーチに設けた拡大撮像手段で拡大映像を得て手元映像に合成し、合成映像をレーザゴーグルのディスプレイに表示することとしたので、レーザ加工部位の全体映像と拡大映像を同時に観察して加工点の位置決めを的確に行うとともに、溶接の様子を良好に把握することができるなど作業性が向上し、作業者の目にレーザ反射光やプラズマ光が入ることがないため安全性が向上して長時間の作業も可能となり、移動や作業場所の確保が困難な大型金型や大型機械部品への溶接作業に好適である。

１００：レーザ溶接システム
１１０：レーザハンディトーチ
１１２：ファイバレーザ溶接機
１１４：カップリングユニット
１１６：拡大観察カメラ
１１８：ビデオキャプチャ
１２２：無線通信端末
１３０：レーザゴーグル
１３２Ｌ，１３２Ｒ：ディスプレイ
１３４：手元観察カメラ
１３６：ヘッドセットコントローラ
１３８：映像合成部
ＦＬ：フィラー
ＧＡ：手元映像
ＧＢ：拡大映像
ＰＱ：加工点
Ｗ：ワーク

Claims (2)

1. レーザハンディトーチを使用してレーザ光を照射しつつ、作業者がワークに対する溶接作業を行うためのレーザ溶接システムであって、
   前記作業者が頭部に装着するとともに、外部からの光を遮蔽するとともに、作業者の視野にディスプレイを備えているレーザゴーグルと、
   前記レーザハンディトーチに設けられており、レーザ光が照射されて溶接が行われる加工点付近を拡大して撮像する拡大撮像手段と、
   前記レーザゴーグルに設けられており、作業者の手元の様子を撮像する手元撮像手段と、
   前記拡大撮像手段から出力された拡大ビデオ信号と、前記手元撮像手段から出力された手元ビデオ信号を合成する映像合成手段とを備えており、
   前記映像合成手段によって合成されたビデオ信号に基づいて、前記レーザゴーグルのディスプレイに、拡大映像と手元映像の合成映像を表示することを特徴とするレーザ溶接システム。
2. 請求項１記載のレーザ溶接システムで使用するレーザゴーグルであって、
   外部からの光を遮蔽するとともに、作業者の視野に映像を表示するディスプレイと、
   作業者の手元の様子を撮像する手元撮像手段と、
   を備えたことを特徴とするレーザゴーグル。

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