JP4293946B2

JP4293946B2 - 溶接用視覚センサ

Info

Publication number: JP4293946B2
Application number: JP2004190816A
Authority: JP
Inventors: 文傑毛; 誠勝木
Original assignee: Ｊｆｅ工建株式会社
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2004-06-29
Publication date: 2009-07-08
Anticipated expiration: 2024-06-29
Also published as: JP2006007303A

Description

この発明は、アーク溶接を行うとき、溶接位置や溶接ワイヤ位置及び溶融池の大きさなどを求めて開先倣いや溶接条件の適応制御を行うために溶接部とその近傍の画像を撮像する溶接用視覚センサ、特に溶接中のスパッタやヒュームなどによる光学系の損傷防止に関するものである。

アーク溶接を行うとき、溶接トーチの溶接線倣いや溶融池の大きさなどを適正に保つように溶接条件を適応制御するため、ＣＣＤカメラなどを有する視覚センサを使用して溶接部とその近傍の画像を撮像するようにしている。この視覚センサで撮像した画像を処理して溶接線倣いや溶融池の大きさなどを高精度に制御するためには、視覚センサを溶接トーチ、すなわちアークの近傍に配置する必要がある。このように視覚センサを溶接トーチ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、視覚センサの入射部に設けた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侵入することを防止して、入射部のレンズや干渉フィルタに傷が付くことを防いだり、特許文献２に示すように視覚センサの入射部のレンズの前面に配置する保護板に、撮影用の孔であるピンホールと、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侵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、ピンホール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。
特開平７−２９９５６５号公報特開平９−３８７７４号公報特開平１０−３０８８８８号公報

前記特許文献１〜３では、視覚センサの撮影窓ガラスやレンズを保護するため、ピンホールを利用して撮影窓の面積を小さくして溶接スパッタやヒュームなどが撮影窓ガラスやレンズに接触する機会を減らしている。このように撮影窓の面積を小さくして良好な画像を得るためには、通常のレンズは使用できず、特殊なレンズを使用する必要があり、視覚センサが高価になってしまう。

また、特許文献１や特許文献２に示す視覚センサは、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。このように噴出するガスの圧力と流量を非常に大きくすると、アークと溶融池を保護する不活性ガスに対する外乱となり、不活性ガスの保護効果を損なってしまう。

また、特許文献３に示す視覚センサのように、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視覚センサの先端部に設ける必要があり、視覚センサが大型化してしまうという短所がある。

この発明はかかる短所を改善し、簡単な構成で溶接中のスパッタやヒュームなどによる光学系の損傷を防止し長期間安定して撮像することができるとともに小型で製作コストが安価な溶接用視覚センサを提供することを目的とするものである。

この発明の溶接用視覚センサは、撮影手段とハウジングとシャッター機構部及び保護キャップを有し、前記撮影手段は、前記ハウジング内に収納され、ＣＣＤカメラと光学系及び前記ハウジングの前面で、溶接部近傍からの光を入射する開口を有する撮影窓に設けられた透明保護板を有し、前記ハウジングは、前面の撮影窓と反対側の面には冷却ガス供給口を有し、前記撮影窓に設けられた透明保護板の外周部には、前記透明保護板の表面に沿って冷却ガスを排出する複数の冷却ガス排出口を有し、前記シャッター機構部は、前記撮影手段を収納したハウジングの一方の側面に設けられ、直動形ソレノイドと１対のリンク機構と１対のシャッターブレードとからなるシャッター及び前記シャッターの直動形ソレノイドと１対のリンク機構を覆うハウジングを有し、前記ソレノイドは、プランジャが前記撮影手段の撮影方向に沿って直進運動するように、前記シャッター機構部のハウジングに固定され、前記１対のリンク機構は、一方の端部が前記ソレノイドのプランジャに回転自在に連結されたリンクと、中間部が前記シャッター機構部のハウジングに回転自在に保持され、一方の端部が前記リンクの他方の端部に回転自在に連結され、他方の端部に前記シャッターブレードが固定された揺動アームとを有し、前記１対のシャッターブレードは、端部が前記撮影手段の撮影窓に設けられた透明保護板の前面で互いに重なり合うように配置され、前記プランジャのストロークにより前記１対のリンク機構を介して前記撮影窓を開閉するように揺動し、前記保護キャップは、前記撮影手段を収納したハウジングの撮影窓に設けられた透明保護板と前記シャッターの前面に設けられ、前記撮影窓より大きな開口面積の開口を有し、側面には、前記撮影手段を収納したハウジングの冷却ガス排出口から排出された冷却ガス及び前記保護キャップ内に侵入してきたスパッタ粒子や粉末などを外部に排出するスリットを有することを特徴とする。

この発明は、撮影手段の撮影窓に設けられた透明保護板の前面に、１対のシャッターブレードからなるシャッターを配置し、ソレノイドを駆動したときのプランジャのストロークによりリンク機構を介して１対のシャッターブレードを左右に揺動してシャッターを開閉するから、撮影手段に入射する光をピンホールで絞る必要がなく、撮影手段の光学系のレンズに特殊なレンズを使用せずに、撮影手段の製作費を低減することができる。

また、撮影手段の内部を冷却した冷却ガスを、撮影窓に設けられた透明保護板の外周部に有する複数の冷却ガス排出口から透明保護板に沿って排出するから、透明保護板の表面に付着したスパッタを除去して清掃することができ、透明保護板が汚れることを防いで視覚センサの耐久性を高めることができる。

さらに、透明保護板の表面から除去されたスパッタを、撮影窓に設けられた透明保護板とシャッターの前面に設けた保護キャップの側面に設けたスリットから冷却ガスとともに外部に排出するから、保護キャップ内にスパッタが滞留することを防ぐことができる。

図１はこの発明の視覚センサの構成図である。図に示すように、視覚センサ１は、撮影手段２とシャッター機構部３を有する。撮影手段２は、ハウジング４に収納されたＣＣＤカメラ５と、レンズ６と光波長帯域フィルター７と減光フィルタ８を有する光学系９及びハウジング４の前面で、撮影に必要な十分な開口面積の開口を有する撮影窓に設けられた透明保護板１０を有する。ハウジング４の撮影窓と反対側の面には冷却ガス供給口１１を有し、透明保護板１０の外周部には、透明保護板１０の表面に沿って冷却ガスを排出する複数の冷却ガス排出口１２を有する。

シャッター機構部３は、図２の側面図に示すように、直動形ソレノイド１３と１対のリンク機構１４ａ，１４ｂと１対のシャッターブレード１５ａ，１５ｂを有するシャッター１６で構成している。ソレノイド１３はプランジャ１７が撮影手段２の撮影方向に沿って直進運動するように、シャッター機構部３のハウジング１８に固定され、プランジャ１７の先端部が引張ばね１９により撮影手段２の撮影方向に付勢されている。１対のリンク機構１４ａ，１４ｂは一方の端部がソレノイド１３のプランジャ１７の先端に回転自在に連結されたリンク２０と、中間部がシャッター機構部３のハウジング１８に回転自在に保持され、一方の端部がリンク２０の他方の端部に回転自在に連結され、他方の端部にシャッターブレード１５が固定された揺動アーム２１とを有する。シャッターブレード１５ａ，１５ｂは耐熱性を有するアリル樹脂やポリイミド樹脂やＦＲＰ等の硬質樹脂で形成されている。このシャッター機構部３のハウジング１８は撮影手段２のハウジング４の側面に固定され、シャッターブレード１５ａ，１５ｂは端部が撮影手段２の撮影窓に設けられた透明保護板１０の前面で互いに重なり合うように、１対のリンク機構１４ａ，１４ｂの各揺動アーム２１に固定されている。シャッター機構部３のハウジング１８にはシャッター１６の閉位置と開位置を規制するため、各揺動アーム２１の揺動端を位置決めする閉位置規制部材２２と開位置規制部材２３を有する。シャッター１６の前面には高耐熱性と断熱性を有する材料、例えばガラス繊維入りのエポキシ樹脂等で形成され、前面に撮影用の開口２４を有する保護キャップ２５で覆われている。保護キャップ２５の側面には、撮影手段２の冷却ガス排出口１２から排出された冷却ガス及び保護キャップ内に侵入してきたスパッタ粒子や粉末などを外部に排出するスリット２６を有する。

この視覚センサ１を使用して、アーク溶接中の溶接部近傍の画像を撮影して溶接トーチの溶接線倣いや溶融池の大きさなどを適正に保つように溶接条件を適応制御するとき、図３の配置図に示すように、視覚センサ１を、母材３０を溶接する溶接トーチ３１の近傍に一定角度傾けて配置して溶接部とその近傍の画像を撮影する。この視覚センサ１で撮影した画像を画像処理装置３２で画像処理して開先形状や溶融池状態の特徴量を求める。この開先形状や溶融池の状態に応じて溶接制御装置３３で溶接トーチ３１の倣いやウィービング幅や移動速度及びワイヤ３４の送り量を制御する。

視覚センサ１の撮影手段２で溶接部とその近傍を撮影しないときは、シャッター機構部３に有するソレノイド１３のコイルには電流を流さないでプランジャ１７を吸引せずにおく。このときプランジャ１７は引張ばね１９により撮影手段２の撮影方向に引っ張られ前面側に移動しているため、揺動アーム２１のシャッターブレード１５ａ，１５ｂを固定した先端部はリンク２０を介してそれぞれ中心側に揺動し、シャッターブレード１５ａ，１５ｂの端部を重ね合わせて閉位置規制部材２２により位置決めされ、シャッター１６を閉じた状態にしている。撮影手段２で溶接部とその近傍の画像を撮影するときは、ソレノイド１３のコイルに電流を流してプランジャ１７を吸引すると、プランジャ１７のストロークによりリンク機構１４ａ，１４ｂのリンク２０を介して揺動アーム２１を左右に揺動し、この揺動アーム２１を開位置規制部材２３で位置決めしてシャッター１６を開にする。このシャッター１６が開の状態でソレノイド１３のコイルに流している電流を遮断すると、プランジャ１７は前面側に移動し、このプランジャ１７のストロークによりリンク２０を介して揺動アーム２１を中心側に移動してシャッター１６を閉にする。このようにしてソレノイド１３を駆動することによりシャッター１６を開閉することができ、撮影手段２に入射する光をピンホールで絞る必要がないから、撮影手段２のレンズ６に特殊なレンズを使用する必要がなく、撮影手段２の製作費を低減することができる。

このソレノイド１３を駆動してシャッター１６を開閉するとき、ソレノイド１３の特性と、リンク機構１４ａ，１４ｂとシャッターブレード１５ａ，１５ｂの慣性により、ソレノイド１３のコイルに通電を開始してからシャッター１６が完全に開の状態になるまでと、ソレノイド１３のコイルに対する通電を遮断してからシャッター１６が完全に閉の状態になるまでに遅延時間が生じる。溶接部とその近傍の画像を撮影するとき、撮影手段２の透明保護板１０に対するスパッタやヒュームの影響を少なくするためには、この遅延時間をできるだけ短くする必要がある。ソレノイド１３の特性は、適正な特性のソレノイド１３を選択することにより、その影響を低減できる。また、リンク機構１４ａ，１４ｂとシャッターブレード１５ａ，１５ｂの慣性は、慣性モーメントが大きいシャッターブレード１５ａ，１５ｂを軽量化することにより小さくすることができる。そこでシャッターブレード１５ａ，１５ｂとして耐熱性を有するアリル樹脂やポリイミド樹脂やＦＲＰ等の硬質樹脂を使用して軽量化を図り、慣性モーメントを小さくして、遅延時間をできるだけ短くしている。また、シャッターブレード１５ａ，１５ｂとしてＦＲＰ等の硬質樹脂を使用することにより、シャッターブレード１５ａ，１５ｂの表面にスパッタが付着しにくくすることができる。

このシャッター１６を開閉するときに生じる遅延時間内では撮影手段２のＣＣＤカメラ５で撮影を開始しないため、画像処理装置３２は、図４のブロック図に示すように、中央処理装置３５とデジタル信号入出力部（ＤＩＯ入出力部）３６とシャッター制御部３７と画像入力制御部３８のほかに遅延回路３９を有する。中央処理装置３５は撮影した画像を処理するとともに装置全体の動作を制御し、溶接制御装置３３から撮影を開始するための割込み信号を入力すると、入出力部３６に撮影許可信号を出力する。入出力部３６は中央処理装置３５から出力される撮影許可信号をシャッター制御部３７と遅延回路３９に送る。シャッター制御部３７は、図５のタイムチャートに示すように、撮影許可信号が送られるとソレノイド１３のコイルに電流を流してシャッター１６を開にする。遅延回路３９は撮影許可信号が送られたとき、中央処理装置３５に設定された遅延時間だけ遅らせた撮影トリガー信号を画像入力制御部３８に送る。画像入力制御部３８は送られた撮影トリガー信号によりＣＣＤカメラ５の撮影を開始させ、撮影した画像信号を中央処理装置３５に送る。シャッター制御部３７は撮影トリガー信号によるＣＣＤカメラ５の撮影が終了すると、ソレノイド１３のコイルに流している電流を遮断してシャッター１６を閉にする。

このように撮影手段２で溶接部の近傍を撮影するときだけシャッター１６を開にするから、撮影手段２の透明保護板１０に飛翔するスパッタを大幅に低減することができる。スパッタやヒュームで汚れることを防ぎ、撮影手段２の耐久性を高めることができる。

また、視覚センサ１を溶接トーチ３１に近接して配置すると、撮影手段２内部の温度が上昇する。この温度上昇を抑えるために、ハウジング４の冷却ガス供給口１１から冷却ガスを導入してハウジング４内を循環させ、この冷却ガスを透明保護板１０の外周部の設けた複数の冷却ガス排出口１２から透明保護板１０に沿って排出する。この排出した冷却ガスを透明保護板１０に沿って排出することにより、透明保護板１０の表面に付着したスパッタや粉末などを除去して清掃するから、透明保護板１０が汚れることを防ぎ、視覚センサ１の耐久性を高めることができる。さらに、除去されたスパッタや粉末などは保護キャップ２５の側面に設けたスリット２６から冷却ガスとともに外部に排出されるから、保護キャップ２５内にスパッタや粉末などが滞留することを防ぐことができる。

また、縦向き溶接や横向き溶接のときは、保護キャップ２５内に入り込んだスパッタ等をスリット２６から重力や振動により落下することもでき、保護キャップ２５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。

この発明の視覚センサの構成図である。シャッター機構部の構成を示す側面図である。視覚センサで溶接部とその近傍を撮影するときの視覚センサの配置図である。画像処理装置の構成を示すブロック図である。視覚センサで溶接部とその近傍を撮影するときの動作を示すタイムチャートである。

符号の説明

１；視覚センサ、２；撮影手段、３；シャッター機構部、４；撮影手段のハウジング、
５；ＣＣＤカメラ、６；レンズ、７；光波長帯域フィルター、８；減光フィルタ、
９；光学系、１０；透明保護板、１１；冷却ガス供給口、１２；冷却ガス排出口、
１３；ソレノイド、１４；リンク機構、１５；シャッターブレード、
１６；シャッター、１７；プランジャ、１８；シャッタ機構のハウジング、
１９；引張ばね、２０；リンク、２１；揺動アーム、２２；閉位置規制部材、
２３；開位置規制部材、２４；撮影用の開口、２５；保護キャップ、
２６；スリット、３０；母材、３１；溶接トーチ、３２；画像処理装置、
３３；溶接制御装置、３４；ワイヤ、３５；中央処理装置、36；ＤＩＯ入出力部、
３８；画像入力制御部、３６；遅延回路。

Claims

撮影手段とハウジングとシャッター機構部及び保護キャップを有し、
前記撮影手段は、前記ハウジング内に収納され、ＣＣＤカメラと光学系及び前記ハウジングの前面で、溶接部近傍からの光を入射する開口を有する撮影窓に設けられた透明保護板を有し、
前記ハウジングは、前面の撮影窓と反対側の面には冷却ガス供給口を有し、前記撮影窓に設けられた透明保護板の外周部には、前記透明保護板の表面に沿って冷却ガスを排出する複数の冷却ガス排出口を有し、
前記シャッター機構部は、前記撮影手段を収納したハウジングの一方の側面に設けられ、直動形ソレノイドと１対のリンク機構と１対のシャッターブレードとからなるシャッター及び前記シャッターの直動形ソレノイドと１対のリンク機構を覆うハウジングを有し、前記ソレノイドは、プランジャが前記撮影手段の撮影方向に沿って直進運動するように、前記シャッター機構部のハウジングに固定され、前記１対のリンク機構は、一方の端部が前記ソレノイドのプランジャに回転自在に連結されたリンクと、中間部が前記シャッター機構部のハウジングに回転自在に保持され、一方の端部が前記リンクの他方の端部に回転自在に連結され、他方の端部に前記シャッターブレードが固定された揺動アームとを有し、前記１対のシャッターブレードは、端部が前記撮影手段の撮影窓に設けられた透明保護板の前面で互いに重なり合うように配置され、前記プランジャのストロークにより前記１対のリンク機構を介して前記撮影窓を開閉するように揺動し、
前記保護キャップは、前記撮影手段を収納したハウジングの撮影窓に設けられた透明保護板と前記シャッターの前面に設けられ、前記撮影窓より大きな開口面積の開口を有し、側面には、前記撮影手段を収納したハウジングの冷却ガス排出口から排出された冷却ガス及び前記保護キャップ内に侵入してきたスパッタ粒子や粉末などを外部に排出するスリットを有することを特徴とする溶接用視覚センサ。