JP3243519B2

JP3243519B2 - レーザ加工状況遠隔監視装置

Info

Publication number: JP3243519B2
Application number: JP32954299A
Authority: JP
Inventors: 秀夫河原; 隆久飯塚; 秀明水野; 裕隆上原; 亮祐鈴木
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 1999-11-19
Filing date: 1999-11-19
Publication date: 2002-01-07
Anticipated expiration: 2019-11-19
Also published as: JP2001138049A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えば溶接状況
等のレーザ加工状況を画像表示して監視するためのレー
ザ光加工遠隔監視装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】溶接作業に際し、カメラを用いて溶接部
を撮影し、取得した画像をモニタ上に表示して溶接状況
の遠隔監視を行うことが、従来なされてきた。しかしな
がら溶接部には、レーザ加工を行っている中央部（高輝
度部）とそれ以外の周辺部（低輝度部）とのように、輝
度が著しく異なる部分が混在している。そのため中央部
の撮影に適した光学的条件で撮影すると、中央部以外の
周辺部は著しく光量不足となって溶接状況の監視が困難
となる一方、周辺部の撮影に適した光学的条件で撮影す
ると、中央部の輝度の影響で画像が全体に白くぼやけて
しまうという問題があった。

【０００３】そこで、２台のカメラによりそれぞれ溶接
部を撮影し、その撮影された２種類の画像情報から加工
状況を示す画像を処理・合成して、それをモニタに表示
する溶接状況遠隔監視装置が提案されている（例えば、
特開平１１−１４６３８７号公報）。この監視装置は、
各カメラにそれぞれ透過率の異なるフィルタが取付けら
れ、各フィルタによって、一方のカメラが中央の高輝度
部の撮影に適した光学的条件で撮影し、他方のカメラが
周辺の低輝度部の撮影に適した光学的条件で撮影するよ
う設けられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記２
台のカメラを利用した監視装置にあってはフィルタの設
定によりその撮影の光学的条件が決定されるので、光学
的条件の変更・制御が困難であるという問題を有してい
た。特に、中央の高輝度部は高速で運動する傾向がある
が、このように高速挙動を示す部分への配慮がなされて
いないため、その現象を把握するのは困難な状況であっ
た。また周辺の低輝度部を含めて速いシャッタースピー
ドで撮影すると、中央の高輝度部の影響でスミアノイズ
が発生してしまうという問題もある。

【０００５】また、中央の高輝度部は透過率を減衰する
フィルタを介して撮影され、その画像情報に基づいて画
像の表示がなされるので、本来高輝度である部分と低輝
度部との輝度の表示上の差がなくなり、両者の境界の判
別が困難になるという問題をも有していた。

【０００６】この発明は上記従来の欠点を解決するため
になされたものであって、本発明の第１の目的は、レー
ザ加工部の状況に応じてカメラの光学的条件を容易に変
更・制御可能なレーザ加工状況遠隔監視装置を提供する
ことにある。また、本発明の第２の目的は、高輝度部と
低輝度部とが区別しやすく、キーホール等の判別が容易
に行いうるレーザ加工状況遠隔監視装置を提供すること
にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】そこで請求項１のレーザ
加工状況遠隔監視装置は、レーザ加工部の撮影を行う第
１カメラと第２カメラとを有し、第１カメラのシャッタ
ースピードを第２カメラのシャッタースピードよりも速
く設定しておき、さらに第１カメラの撮影画像の２値化
画像と第２カメラの撮影画像との排他的論理和を求め、
これによって得られる画像と、上記第１カメラの撮影画
像とを合成して加工状況を得る画像処理部と、合成した
画像を表示するための画像表示部とを備えて成り、上記
画像表示部には、高輝度部又は低輝度部の何れか一方に
対応する表示が、他方の表示と色相を異ならしめて表示
されるよう設けられていることを特徴としている。

【０００８】上記請求項１のレーザ加工状況遠隔監視装
置では、溶接部の高輝度部及び低輝度部それぞれを的確
に撮影することができ、各画像情報を処理・合成して表
示することができる。特に、高輝度部及び低輝度部の光
学的条件をシャッタースピードにより異ならせているた
め、仮に加工物の変更等が生じても、容易にその光学的
条件を変更・制御することができる。さらに詳しくいえ
ば、高輝度部は高速運動を、また低輝度部はそれよりも
低速運動をする傾向が強いため、高輝度かつ高速運動部
を通常のシャッタースピードよりも速いシャッタースピ
ード、例えば、１／２０００秒以下のシャッタースピー
ドで撮影する一方、低輝度かつ低速運動部を通常のシャ
ッタースピードよりも遅いシャッタースピード、例え
ば、１／５００秒以上のシャッタースピードで撮影すれ
ば、溶接部の高輝度部及び低輝度部それぞれの現象を一
段と的確に撮影することができることになる。また、高
輝度部の撮影画像の２値化画像と低輝度部の撮影画像と
の排他的論理和を求めることにより、低輝度部の画像の
うち高輝度部が黒くマスクされ、それ以外の部分には変
化のない画像が得られる。そしてこの画像と高輝度部の
画像とを合成すると、高輝度部の画像が挿入される形と
なり、高輝度部の映像と、周辺部の低輝度の映像との双
方が鮮明に映し出されたものとなる。このように請求項
１のレーザ加工状況遠隔監視装置によれば、キーホール
等の高輝度部の画像と、溶融池等の低輝度部の画像との
両者を同時に、鮮明に提供できることになる。さらに、
画像表示部６に高輝度部又は低輝度部の双方の表示が異
なる色相でなされるため、例えばキーホールとその他の
部分との判別が確実かつ容易に行いうる。

【０００９】また、請求項２のレーザ加工状況遠隔監視
装置は、上記カメラ１、２が、レーザ加工装置のレーザ
光集光レンズ１６を介してレーザ加工部の撮影を行うよ
うに設けられていることを特徴としている。

【００１０】ここで、上記カメラ１、２とレーザ光集光
レンズ１６との間に、請求項３のようにレーザ加工を行
うレーザ光又は可視光のいずれか一方を反射し、他方は
透過するレンズ１７を介在することもできる。

【００１１】上記請求項２及び請求項３のレーザ加工状
況遠隔監視装置では、カメラ１、２により加工部をレー
ザ加工を行っている方向と同一方向から撮影することが
できる。また、レーザ光集光レンズ１６を共用化するこ
とにより、レーザ加工装置全体の小型化が図られる。

【００１２】

【発明の実施の形態】次に、この発明のレーザ加工状況
遠隔監視装置の具体的な実施形態として、レーザ溶接に
際して溶接部を監視するための溶接状況遠隔監視装置を
図面を参照して詳細に説明する。

【００１３】本実施形態の溶接状況遠隔監視装置は、溶
接対象の加工物を搬送する搬送装置（図示省略）と、こ
の搬送装置により送られる加工物にレーザ光を照射して
溶接するレーザ照射装置１３とにより、レーザ加工装置
を構成するものである。この搬送装置及びレーザ照射装
置１３は、制御部（図示省略）によって、その搬送速
度、搬送方向、相対距離、レーザ光の出力等が自動制御
されている。

【００１４】図１は、溶接状況遠隔監視装置の概略構成
を説明するための図である。カメラホルダ３には、２台
のカメラ１、２が取り付けられている。これら両カメラ
１、２は、同一の構成によるＣＣＤカメラ（カラーカメ
ラ）であり、その出力側が２台のカメラコントロールユ
ニット（ＣＣＵ）４に接続されている。このＣＣＵ４
は、カメラ１、２のＣＣＤ素子にチャージされた電位を
映像信号に変換する機能を有するものである。ＣＣＵ４
で形成された映像信号は、次に画像処理部５に転送され
る。そしてこの画像処理部５で合成された画像は、さら
にカラーモニタ６（画像表示部）に転送されてＣＲＴ上
に表示されるようになっている。

【００１５】上記カメラホルダ３は、図２に示すよう
に、レーザ照射装置１３に一体的に取付けられている。
ここでカメラホルダ３内には、図２及び図３に示すよう
に、このカメラホルダ３内において２台のカメラ１、２
が並設されている。この２台のカメラ１、２にはその下
面に他方のカメラによる画像と色相を異ならしめて画像
を取り込むためのフィルタ７が取り付けられている。つ
まり、第１のカメラ１は、取り込み時に赤っぽく色相を
変更せしめるべく、赤色のフィルタ７が取り付けられ、
第２のカメラ２は、取り込み時に緑っぽく色相を変更せ
しめるべく、緑色のフィルタ７が取り付けられている。
なお、このフィルタ７による減衰率は、各カメラ１、２
により異ならしめても良い。

【００１６】また、カメラホルダ３にはその下面側に保
護用フィルタ８が取付けられている。この保護用フィル
タ８は、可視光を透過するものの加工用のレーザ光を遮
断するものを用いており、レーザ照射装置１３からのレ
ーザ光がカメラに透過されないように構成されている。

【００１７】さらに、カメラホルダ３内には、保護フィ
ルタ８を透過した光を２台のカメラ１、２に分光する分
光手段１０が設けられている。この分光手段１０は、上
記保護用フィルタ８を透過した光を上方及び側方に分光
するハーフミラー１１ａを有するビームスプリッタ１１
と、上記ハーフミラー１１ａにより分光された光を一方
のカメラ２に向けて反射する全反射ミラー１２ａを有す
る全反射プリズム１２とから成る。

【００１８】上記２台のカメラ１、２は、それぞれシャ
ッタースピードが可変に設けられており、所定の時間ご
とに設定されたシャッタースピードで撮影を行うように
制御されている。このシャッタースピードは、第１のカ
メラ１が溶接部の高輝度部の撮影に適するように、第２
のカメラ２が溶接部の低輝度部の撮影に適するように、
それぞれ選定されている。例えば、第１のカメラ１が１
／３０秒ごとにシャッタースピードが１／２０００秒で
撮影するように設定され、第２のカメラ２が１／３０秒
ごとにシャッタースピードが１／５０秒で撮影するよう
に設定されている。

【００１９】上記レーザ照射装置１３は、図２に示すよ
うに、レーザ光源１５と、レーザ光を照射する対象物
（溶接部）に対向して配された集光レンズ１６とを備え
ている。また、レーザ照射装置１３のケース１４内に
は、レーザ光源１５から照射されたレーザ光を集光レン
ズ１６へと導くためのミラー１７（図示例では２つのミ
ラー）が設けられている。

【００２０】また、レーザ照射装置１３のケース１４に
は、ミラー１７が無い状態での光路上に開口１４ａが形
成されている。そして、上記ミラー１７（図示例では左
側のミラー）は開口１４ａと集光レンズ１６との間（光
路上）に配されている。このミラー１７は、加工用のレ
ーザ光を反射するものの可視光を透過できるものを用い
ている。このため、溶接部の画像は、集光レンズ１６に
より結像されて、ミラー１７を透過して、ケース１４の
開口１４ａからカメラホルダ３へと通過するよう設けら
れている。なお、レーザ照射装置１３に近接して、溶接
部に単波長の光を照射する照明装置（図示省略）が設け
られている。

【００２１】図４は、上記画像処理部で行われる画像処
理・合成の手順を示すフローチャートである。まず、ス
テップ１では、シャッタースピードが速い（１／２００
０秒）第１のカメラ１で溶接部の撮影を行い、この高輝
度部の撮影に適した第１のカメラ１からＣＣＵ４を介し
て画像を入力する。この際、赤色のフィルタ７を介して
画像が取り込まれるので、第１のカメラ１による画像
は、赤っぽく色相が変更せしめられている。一方、ステ
ップ２では、シャッタースピードが遅い（１／５０秒）
第２のカメラ２で溶接部の撮影を行い、この低輝度部の
撮影に適した第２のカメラ２からＣＣＵ４を介して画像
を入力する。この際、緑色のフィルタ７を介して画像が
取り込まれるので、第２のカメラ２による画像は、緑っ
ぽく色相が変更せしめられている。なお、このステップ
１及びＳ２は同期して行われている。

【００２２】次にステップＳ３では、ステップ１で取り
込んだ画像を所定のスレッショルドレベルを用いて２値
化する。すると所定値以上の輝度を有するキーホール等
の中央部が高い輝度で、それ以外の周辺部が低い輝度の
画像が形成される。そしてこの高い輝度の部分が、ステ
ップ２で取り込んだ画像に対するマスク領域となる。つ
まりステップ２で取り込んだ画像とステップ３で形成し
た２値化画像との排他的論理和（ＥＸＯＲ）をとること
により、ステップ２で取り込んだ画像のうち高輝度部が
黒くマスクされ、それ以外の部分には変化の無い画像が
ステップ４で得られるということである。そして、続く
ステップ５では、ステップ４で得た画像とステップ１で
取り込んだ画像とを合成する。するとステップ１の高輝
度部が挿入される形となり、第１のカメラ１で撮影した
赤っぽい高輝度部の映像と、第２のカメラ２で撮影した
緑っぽい周辺部の映像の双方が鮮明に映し出されたもの
となる。

【００２３】上記モニタ６は、上記画像処理部６によっ
て処理された、第１のカメラ１で撮影した高輝度部の画
像と第２のカメラ２で撮影した低輝度部の画像とを処理
・合成した合成画像を表示するよう設けられている。

【００２４】上記遠隔監視装置によれば、高輝度部の撮
影と低輝度部の撮影との光学的条件をシャッタースピー
ドを異ならしめることにより行っているため、従来のよ
うにフィルタの変更をせずとも、容易にその光学的条件
を変更・制御することができる。

【００２５】しかも、レーザ光集光レンズ１６を透過し
た可視光をカメラ１、２により撮影するように設けたた
め、溶接状況を真上から観察することができ、このため
溶接部を二次元的に観察でき、定量的な判断が容易に行
い得る。また、レーザ照射装置１３とカメラ１、２とを
一体的に設けたので、レーザ照射装置１３と別にカメラ
１、２を設ける場合に比して、レーザ加工装置全体の小
型化が図られる。

【００２６】また、キーホール等の高輝度部の画像と溶
融池等の低輝度部の画像とは、２台のカメラ１、２で略
同時かつ連続して撮影したものとすることができる。従
って、キーホールと溶融池等とを、単一のカラーモニタ
６上でリアルタイムに見ることができる。

【００２７】特に、高輝度部と低輝度部とは異なる色相
で表示されるので、その判別が極めて容易に行いうる。

【００２８】このため、上記監視装置による合成画像を
用いて、溶接位置制御等のような種々の溶接制御を行う
ことができる。

【００２９】具体的には、例えば、図５に示すように、
キーホール２０の貫通状況（貫通状況の発生や発生頻
度）による溶接状況の適否を判断し、溶接作業の加工物
の送り速度の変更や、レーザ光源１５のレーザ光の出力
の変更等の加工作業の制御を行い、良好な加工状況（溶
接状況）を得ることができる。例えば、キーホール２０
が未貫通の場合には、裏ビードの形成が不十分であり、
溶接継手として不良である一方、キーホール２０の断続
的な貫通状態が得られている場合には、良好な裏波ビー
ドが形成されているので、このように本装置による連続
映像を観察することによって、溶接状態の良否の判断が
可能となるのである。また１回の貫通状態の継続時間
や、一定時間中での貫通時間の比率や回数の情報を利用
して加工条件（レーザ出力や加工速度）を制御すること
によって自動的に良好な溶接状態を得ることが可能とな
る。

【００３０】また、図６に示すように、合成画像におけ
る溶融池２１の状況によって、最終製品のビード幅Ｌ等
のビード外観の適否を判断し、加工物の送り速度の変更
や、レーザ光の出力の制御を行い、仕上がりビード外観
を良好なものとすることができる。

【００３１】さらに、図７に示すように、合成画像にお
ける溶接線２２とビーム中心位置２３とを比較して、ビ
ーム中心位置２３のずれを検出し、溶接線２２に基づい
てビーム中心位置２３を決定することもできる。

【００３２】また、図８に示すように、溶接線２２のキ
ーホール２０に近接する前側の端部に光２４が発生して
いる場合、キーホール２０の形成が不安定で溶接線２２
方向に開口している状態が発生している場合があるの
で、上記のように溶接線２２のキーホール２０に近接す
る側の端部から発生する光２４を検知して、キーホール
２０の形成状況の良否を判断することができ、加工物の
送り速度の変更や、レーザ光の出力の制御を行い、上記
現象の防止・解消を図ることができる。

【００３３】さらに、図９に示すように、レーザ光のビ
ーム径２５を測定して、レーザ光の焦点位置でのレーザ
光の集光状態を判断することができ、これにより集光レ
ンズ等の温度上昇に伴う集光不良等を的確に判断するこ
とができる。

【００３４】上記のような溶接制御は上述の制御部によ
り行われ、この制御部は、自動制御を行うべくマイクロ
コンピュータ等から成る。この制御部は、予め合成され
た画像に基づいて制御を行えば良い。また上記溶接制御
は、カラーモニタ６の画像を見ながら作業者がハンドル
等を操作して溶接位置を調整するような手動制御で行う
ことができる。この場合には、上記ハンドルやハンドル
操作に従って溶接位置を移動する機構が制御部に相当す
ることとなる。また、上記のような溶接制御を、すべて
同時に行うこともでき、また何れか一つ若しくは複数の
制御を行うことも可能である。

【００３５】以上にこの発明の具体的な実施の形態につ
いて説明したが、この発明は上記形態に限定されるもの
ではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施するこ
とができる。例えば、溶接作業を監視する場合のみなら
ず、切断等その他のレーザ加工を行う場合にも適用する
ことができる。

【００３６】また、例えば１台のカメラにより高輝度部
に対応した撮影と低輝度部に対応した撮影とを交互に行
わしめて、その画像データを画像処理部により処理させ
ることも可能である。

【００３７】また、色相の変更を行う場合にあっては、
一方（例えば高輝度部）の画像のみ色相を変更し、高輝
度部と低輝度部との色相による差が明らかとなるように
設けることもできる。さらに、この色相の変更は画像取
り込み時に行うものに限らず、例えば画像処理部におけ
る画像処理時に行うこともできる。

【００３８】

【発明の効果】上記請求項１のレーザ加工状況遠隔監視
装置では、輝度の異なる部分が混在するレーザ加工部を
単一の画像に表示でき、特に高輝度部のための撮影が低
輝度部のための撮影よりも速いシャッタースピードで行
われるので、高輝度部及び低輝度部の各画像を的確に表
示することができる。特に、仮に加工物の変更等が生じ
ても、従来のようにフィルタの変更を要せず、シャッタ
ースピードを変更することによって容易にその光学的条
件を変更・制御することができる。また、このレーザ加
工状況遠隔監視装置によれば、キーホール等の高輝度部
の画像と、溶融池等の低輝度部の画像との両者を同時
に、鮮明に提供できることになる。さらに、画像表示部
に高輝度部又は低輝度部の双方の表示が異なる色相でな
されるため、例えばキーホールとその他の部分との判別
が確実かつ容易に行いうる。

【００３９】上記請求項２及び請求項３のレーザ加工状
況遠隔監視装置では、カメラにより加工部をレーザ加工
を行っている方向と同一方向から撮影でき、加工部の二
次元的な判断が可能であるとともに、レーザ光集光レン
ズを共用化することによりレーザ加工装置全体の小型化
が図られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係るレーザ加工状況遠
隔監視装置の概略的説明図である。

【図２】同実施形態のレーザ照射装置及びカメラホルダ
の一部切り欠きを含む正面図である。

【図３】同実施形態のカメラホルダの一部切り欠きを含
む正面図である。

【図４】同実施形態の合成処理部により合成画像を形成
する手順を示すフローチャートである。

【図５】同実施形態により得られた合成画像を示す説明
図である。

【図６】同実施形態により得られた合成画像を示す説明
図である。

【図７】同実施形態により得られた合成画像を示す説明
図である。

【図８】同実施形態により得られた合成画像を示す説明
図である。

【図９】同実施形態により得られた合成画像を示す説明
図である。

【符号の説明】

１、２カメラ３カメラホルダ５処理部６モニタ７フィルタ１０分光手段１３レーザ照射装置２０キーホール２１溶融池２２溶接線２３ビーム中心２４溶接線上に発生する光２５ビーム径

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者上原裕隆千葉県野田市二ツ塚118番地川崎重工業株式会社野田工場内 (72)発明者鈴木亮祐千葉県野田市二ツ塚118番地川崎重工業株式会社野田工場内 (56)参考文献特開平10−328865（ＪＰ，Ａ) 特開平11−146387（ＪＰ，Ａ) 特開平８−150475（ＪＰ，Ａ) 特開平９−308969（ＪＰ，Ａ) 特開平７−214322（ＪＰ，Ａ) 特開平５−115991（ＪＰ，Ａ) 実公平４−16541（ＪＰ，Ｙ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 9/095 B23K 9/127

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ加工部の撮影を行う第１カメラと
第２カメラとを有し、第１カメラのシャッタースピード
を第２カメラのシャッタースピードよりも速く設定して
おき、さらに第１カメラの撮影画像の２値化画像と第２
カメラの撮影画像との排他的論理和を求め、これによっ
て得られる画像と、上記第１カメラの撮影画像とを合成
して加工状況を得る画像処理部と、合成した画像を表示
するための画像表示部とを備えて成り、上記画像表示部
には、高輝度部又は低輝度部の何れか一方に対応する表
示が、他方の表示と色相を異ならしめて表示されるよう
設けられていることを特徴とするレーザ加工状況遠隔監
視装置。
【請求項２】上記カメラは、レーザ加工装置のレーザ
光集光レンズを介してレーザ加工部の撮影を行うように
設けられていることを特徴とする請求項１のレーザ加工
状況遠隔監視装置。
【請求項３】上記カメラとレーザ光集光レンズとの間
には、レーザ加工を行うレーザ光又は可視光のいずれか
一方を反射し、他方は透過するレンズが介在されている
ことを特徴とする請求項２のレーザ加工状況遠隔監視装
置。