JP4525501B2 - レーザートーチの検査システムおよび検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザー溶接装置のレーザートーチ内における光学系部材の検査を行うレーザートーチの検査システムおよび検査方法に関する。

ＹＡＧレーザー等のレーザー光により被加工材の溶接加工や切断加工を行うレーザー溶接装置においては、被加工材を加工するのに必要なエネルギー密度を得るために、レーザー光源から照射されるレーザー光をレンズ機構にて集束することが一般的に行われている。
このレンズ機構は、レーザー光の照射部となるレーザートーチ内に収納されており、レーザートーチのレーザー光出口側端部には、レンズ機構を構成するレンズが加工時に汚れることを防止するための、保護ガラスが設けられている。

前記保護ガラスには、加工時に被溶接物や被切断物から発生するヒュームやスパッタが付着して、時間とともに保護ガラスが汚濁する。
このように、保護ガラスが汚濁すると、被加工物に照射されるレーザー光の出力が低下して溶接品質や切断品質が低下するとともに、レーザー光が保護ガラスの汚濁した部分で反射して、レンズ機構を構成する対物レンズや接眼レンズにひびや割れが生じる恐れがある。

従って、溶接品質や切断品質を均一かつ高品質に保持するためには、レーザートーチ内における保護ガラスやレンズ機構等の光学系部材の汚濁状態等を管理することが重要である。
光学系部材の管理を行うためには、保護ガラスやレンズ機構の汚濁状態や割れの有無等を把握する必要があるが、汚濁状態や割れの有無等を人が目視にて確認するのでは、レーザートーチを装置から取り外す必要があり確認作業が煩雑になるとともに、汚濁状態や割れの有無等の判断結果が観察者の主観に左右される恐れがある。

そこで、光学系部材の状態を均一に判断するために、レーザー光経路の外側に配置された照射検出機構が、保護ガラスのレーザー光が透過する面を観察し、保護ガラスに付着した粒子上でレーザー光が散乱することによって生じる、保護ガラスからの散乱照射の強度を測定して散乱照射測定値を生成し、この散乱照射測定値と基準散乱照射測定値とを比較して、散乱照射測定値が基準散乱照射測定値を超えていた場合に異常があると判断している。例えば、特許文献１に記載のごとくである。
特開２００２−３６１４５２号公報

しかし、前述の特許文献１に記載の技術では、保護ガラスにて散乱したレーザー光を測定して、その測定値の大きさ（散乱光の光量）に基づいて、異常の有無の判断を行っていたので、生じた異常が保護ガラスに関するものであるのか、またはレンズ機構に関するものであるのかが不明であるとともに、生じた異常のモードも、ガラス表面の汚濁であるのか、またはレンズの割れであるのか等が不明であった。
このように、どの部材に異常が生じているのかといったことや、どのような異常（ひびや割れ等）が発生しているのかといったような、異常のモードが不明であると、光学系部材に異常が生じていると判断された場合に、異常箇所を特定して部材の交換を行うためには、保護ガラスおよびレンズ機構の全てを調べる必要があり、異常個所の特定作業および部材交換作業が煩雑となって、多くの時間を要するものとなっていた。
そこで、本発明においては、光学系部材に異常が生じた際に、異常個所をある程度特定して、部材の交換作業を簡単かつ短時間に行うことができるレーザートーチの検査システムおよび検査方法を提供するものである。

上記課題を解決するレーザートーチの検査システムおよび検査方法は、以下の特徴を有する。
即ち、請求項１記載のごとく、レーザー溶接装置のレーザートーチ内における光学系部材の検査を行うレーザートーチの検査システムであって、前記レーザートーチ内におけるレーザー光源と光学系部材との間に設置される検査光源と、前記検査光源から照射され、レーザートーチ内の光学系部材を通過した検査光により形成される画像を、レーザートーチ外部から撮像する撮像手段と、撮像手段による撮像画像を、予め記憶手段に記憶されている基準画像と比較して、その比較結果に基づいて光学系部材の異常の有無を検出する異常検出手段とを備え、前記異常検出手段は、検出した光学系部材の異常を、撮像画像と基準画像との比較結果に応じて複数の異常モードに分類する。
これにより、レーザートーチを装置から取り外すことなく、客観的に異常の有無の判断を行うことができるようになるため、異常の検出作業が簡便となり、異常の有無の判断結果の信頼性を向上することができる。
また、検出した異常を複数の異常モードに分類するので、光学系部材に異常が生じていると判断された場合に、特定された光学系部材や異常モードについてのみ調べれば、部材の交換作業等の保全作業を行うことができ、作業を簡単かつ短時間に行うことが可能となる。
さらに、保護ガラス上の汚濁を早期に発見することができ、レンズ機構を構成する接眼レンズや対物レンズに割れが発生することを事前に防止することができる。

また、請求項２記載のごとく、前記レーザートーチの検査システムは、光学系部材の異常を検出した際には、光学系部材に異常が生じている旨の情報を出力する出力手段を、さらに備える。
これにより、作業者が、検出結果を迅速かつ的確に把握することが可能となる。

また、請求項３記載のごとく、レーザー溶接装置のレーザートーチ内における光学系部材の検査を行うレーザートーチの検査方法であって、前記レーザートーチ内におけるレーザー光源と光学系部材との間に設置される検査光源から照射され、レーザートーチ内の光学系部材を通過した検査光により画像を形成し、検査光により形成された画像を、撮像手段によりレーザートーチ外部から撮像し、撮像手段による撮像画像を、予め記憶手段に記憶されている基準画像と比較して、その比較結果に基づいて光学系部材の異常の有無を検出し、検出した光学系部材の異常を、撮像画像と基準画像との比較結果に応じて複数の異常モードに分類する。
これにより、レーザートーチを装置から取り外すことなく、客観的に異常の有無の判断を行うことができるようになるため、異常の検出作業が簡便となり、異常の有無の判断結果の信頼性を向上することができる。
また、検出した異常を複数の異常モードに分類するので、光学系部材に異常が生じていると判断された場合に、特定された光学系部材や異常モードについてのみ調べれば、部材の交換作業等の保全作業を行うことができ、作業を簡単かつ短時間に行うことが可能となる。
さらに、保護ガラス上の汚濁を早期に発見することができ、レンズ機構を構成する接眼レンズや対物レンズに割れが発生することを事前に防止することができる。

また、請求項４記載のごとく、前記レーザートーチの検査方法においては、光学系部材の異常を検出した際に、光学系部材に異常が生じている旨の情報を出力する。
これにより、作業者が、検出結果を迅速かつ的確に把握することが可能となる。

本発明によれば、レーザートーチを装置から取り外すことなく、客観的に異常の有無の判断を行うことができるようになるため、異常の検出作業が簡便となり、異常の有無の判断結果の信頼性を向上することができる。
また、異常発生時の保全作業を簡単かつ短時間に行うことが可能となる。
さらに、保護ガラス上の汚濁を早期に発見することができ、レンズ機構を構成する接眼レンズや対物レンズに割れが発生することを事前に防止することができる。

本発明を実施するための形態を、添付の図面を用いて説明する。

図１には、本発明にかかるレーザートーチの検査システムにて検査が行われる、レーザー溶接装置のレーザートーチ１を示している。
レーザートーチ１は、本体ハウジング１１と、該本体ハウジング１１に一端側に装着されるファイバージョイント１２と、該ファイバージョイント１２に挿入され、前記本体ハウジング１１内に収納される接眼レンズ１３、対物レンズ１４、および保護ガラス１５と、前記ファイバージョイント１２内に収納される検査光源１６とを備えており、前記ファイバージョイント１２には、レーザー光源から照射されるレーザー光をレーザートーチ１内へ案内するレーザーファイバー１７が挿入されている。

本体ハウジング１１内においては、ファイバージョイント１２接続側から順に、接眼レンズ１３、対物レンズ１４、および保護ガラス１５が配置されており、接眼レンズ１３と対物レンズ１４とでレンズ機構を構成している。

前記レーザートーチ１においては、レーザーファイバー１７から該レーザートーチ１内にレーザー光Ｌａが照射され、接眼レンズ１３および対物レンズ１４により集束した後に、レーザートーチ１の他端部（図１における下端部）から被加工材７に向って照射される。
また、レーザートーチ１から被加工材７へレーザー光を照射して、溶接加工や切断加工を行う際には、被加工材７からヒュームやスパッタが発生するため、対物レンズ１４の被加工材７側に保護ガラス１５を配置して、該保護ガラス１５によりこれらのヒュームやスパッタが対物レンズ１４等へ付着することを防止している。

次に、前述のように構成されるレーザートーチ１における、接眼レンズ１３、対物レンズ１４、および保護ガラス１５といった光学系部材の異常を検出するシステムについて説明する。

図２に示すように、レーザートーチ１における光学系部材の異常を検出する検査システムは、レーザー光源からのレーザー光をレーザートーチ１内に案内するレーザーファイバー１７と接眼レンズ１３との間に設置される検査光源１６と、前記検査光源１６から照射され、レーザートーチ１内の光学系部材（接眼レンズ１３、対物レンズ１４、および保護ガラス１５）を通過した検査光Ｃにより形成される画像を、レーザートーチ１の外部から撮像するカメラ等の撮像手段２と、撮像手段２による撮像画像を基準画像と比較して、その比較結果に基づいて光学系部材の異常の有無を検出する異常検出手段であるコンピュータ装置３と、異常の有無の検出結果を出力するモニタ等の出力手段４とを備えている。

前記基準画像は、コンピュータ装置３に備えられる記憶装置３ａに予め記憶されている。また、前記検査光源１６は、例えば複数のＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）ランプを環状に配列して構成されるＬＥＤアレイにて構成されている。

次に、本検査システムにより、レーザートーチ１における光学系部材の異常を検出する手順について、図３を用いて説明する。
まず、検査光源１６からレーザー光の照射方向へ向けて検査光を照射し（Ｓ０１）、撮像手段によりレーザートーチ１の外部から、検査光により形成される保護ガラス１５の画像を撮像する（Ｓ０２）。撮像された保護ガラス１５の画像は、例えば出力手段４に映し出される。

また、撮像された保護ガラス１５の画像データは、前記コンピュータ装置３に入力され、該コンピュータ装置３にて記憶手段３ａに予め記憶されている基準画像と比較される（Ｓ０３）。
基準画像との比較としては、まず撮像画像に基準画像にはない線状物が存在するか否かの比較がなされる（Ｓ０４）。
比較の結果、図４に示すように、撮像画像に基準画像にはない線状物３１が存在していた場合には、その線状物３１は接眼レンズ１３もしくは対物レンズ１４に生じているひびや割れが保護ガラス１５に映ったもの、または保護ガラス１５に生じているひびや割れであると判断される（Ｓ１１）。

一方、ステップＳ０４での比較の結果、撮像画像に線状物３１が存在していなかったときには、次に、基準画像にない暗部が撮像画像に存在するか否かの比較が行われる（Ｓ０５）。
比較の結果、図５に示すように、撮像画像に基準画像にはない暗部３２が存在していた場合には、被加工材７からのヒュームやスパッタが付着して生じた汚濁が、保護ガラス１５上に存在すると判断される（Ｓ１２）。
ここで、暗部３２とは、撮像画像において、ある一定の範囲で他の部分よりも明度が低くなっている部分であり、他の部分よりも明度が低いか否かの判断は、予め記憶手段３ａに設定されている明度の閾値に基づいて行われる。

前述のように、接眼レンズ１３、対物レンズ１４、または保護ガラス１５にひびや割れが生じていると判断された場合（Ｓ１１）、および保護ガラス１５上に汚濁が存在していると判断された場合には、レーザートーチ１における光学系に異常がある旨の信号がコンピュータ装置３から出力手段４へ出力される（Ｓ２１）。
なお、ステップＳ０５での比較の結果、撮像画像に暗部３２が存在していなかった場合には、レーザートーチ１の光学系に異常はなかったとの判断がなされる。

コンピュータ装置３からの異常信号が入力された出力手段４では、レーザートーチ１の光学系に異常がある旨の情報に加えて、その異常が汚濁であるのかレンズ割れであるのか、または異常がどの光学系部材に生じているのか（接眼レンズ１３、対物レンズ１４、または保護ガラス１５の何れに異常が生じているのか）等の、異常モードに関する情報も併せて表示される。
また、これらの情報に加えて、撮像手段２による撮像画像も併せて表示することができ、さらには基準画像をも表示することも可能である。

このように、レーザートーチ１内に設置した検査光源１６から検査光を照射して、保護ガラス１５の画像を撮像手段により撮像し、撮像画像を基準画像との比較により解析して、レーザートーチ１の光学系の異常の有無を検出することで、レーザートーチを装置から取り外すことなく、コンピュータ装置３により客観的に異常の有無の判断を行うことができるようになるため、異常の検出作業が簡便となり、異常の有無の判断結果の信頼性を向上することができる。

また、本例のシステムにおける検出方法では、どの部材に異常が生じているのかといったことや、その異常が汚濁であるのかレンズ割れであるのかといったような、異常のモードをある程度特定して、複数の異常モードに分類することができるので、コンピュータ装置３により光学系部材に異常が生じていると判断された場合に、特定された光学系部材や異常モードについてのみ調べれば、部材の交換作業等の保全作業を行うことができるので、作業を簡単かつ短時間に行うことが可能となる。
さらに、保護ガラス１５上の汚濁を早期に発見することができ、接眼レンズ１３や対物レンズ１４に割れが発生することを事前に防止することができる。

また、コンピュータ装置３により検出されたレーザートーチ１の光学系の異常に関する情報は、モニタ等のヒューマンインターフェイスである出力手段４に出力されるので、作業者が検出結果を迅速かつ的確に把握することが可能となっている。

本発明にかかるレーザートーチの検査システムにて検査が行われる、レーザー溶接装置のレーザートーチを示す側面断面図である。 レーザートーチの検査システムを示す概略図である。 レーザートーチの検査システムにより、レーザートーチにおける光学系部材の異常を検出するフローを示す図である。 保護ガラスの撮像画像に線状物が存在している様子を示す図である。 保護ガラスの撮像画像に暗部が存在している様子を示す図である。

符号の説明

Ｌａ レーザー光
Ｃ 検査光
１ レーザートーチ
２ 撮像手段
３ コンピュータ装置
４ 出力手段
１３ 接眼レンズ
１４ 対物レンズ
１５ 保護ガラス
１６ 検査光源
１７ レーザーファイバー

Claims (4)

1. レーザー溶接装置のレーザートーチ内における光学系部材の検査を行うレーザートーチの検査システムであって、
   前記レーザートーチ内におけるレーザー光源と光学系部材との間に設置される検査光源と、
   前記検査光源から照射され、レーザートーチ内の光学系部材を通過した検査光により形成される画像を、レーザートーチ外部から撮像する撮像手段と、
   撮像手段による撮像画像を、予め記憶手段に記憶されている基準画像と比較して、その比較結果に基づいて光学系部材の異常の有無を検出する異常検出手段とを備え、
   前記異常検出手段は、検出した光学系部材の異常を、撮像画像と基準画像との比較結果に応じて複数の異常モードに分類する、
   ことを特徴とするレーザートーチの検査システム。
2. 前記レーザートーチの検査システムは、光学系部材の異常を検出した際には、光学系部材に異常が生じている旨の情報を出力する出力手段を、さらに備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザートーチの検査システム。
3. レーザー溶接装置のレーザートーチ内における光学系部材の検査を行うレーザートーチの検査方法であって、
   前記レーザートーチ内におけるレーザー光源と光学系部材との間に設置される検査光源から照射され、レーザートーチ内の光学系部材を通過した検査光により画像を形成し、
   検査光により形成された画像を、撮像手段によりレーザートーチ外部から撮像し、
   撮像手段による撮像画像を、予め記憶手段に記憶されている基準画像と比較して、その比較結果に基づいて光学系部材の異常の有無を検出し、
   検出した光学系部材の異常を、撮像画像と基準画像との比較結果に応じて複数の異常モードに分類する、
   ことを特徴とするレーザートーチの検査方法。
4. 前記レーザートーチの検査方法においては、光学系部材の異常を検出した際に、光学系部材に異常が生じている旨の情報を出力することを特徴とする請求項３に記載のレーザートーチの検査方法。
   

Images