JP4869219B2 - 陰影測定による制御の方法と装置 - Google Patents

Description

本発明の技術分野は計測におけるモニタリングに関するものであり、本発明の主題は、部品の接続、例えば端と端とを繋げるチューブの接続に適用可能な陰影測定法（ｓｈａｄｏｗｓｃｏｐｙ ｍｅｔｈｏｄ）及び装置である。他の適用形態も勿論可能である。
モニタリングは、観察対象の部品の位置確認を目的として機械加工に先行して実行することができるか、又は、例えば溶接ビードの形状の観点から、治具の正しい位置及び動作の精度を確認するために、加工中に実行することができる。

表面に物理的に触れることなく表面を計測モニタリングする公知の方法では、レーザビームを表面に照射し、カメラの画像に収集されたものから交差線の位置を読み取る。しかしながら、非常に広く使用されるこの方法には幾つかの制限があり、特に、大量の光が溶融バスにより生成されるためにレーザ光が不明瞭になる場合がある溶接方法を使用せざるを得ない。更に、壁同士の間で起こる反射、及び反射光の密度の変化によって、凹んだ表面を読み取ることが難しい。
別の技術では、モニタリング対象のシーンの個別照明を採用せず、溶融バスによって生成される光を使用してシーンの画像を認識する。この技術は明らかに溶接法に制限される。結果の精度は、部品の性質及び方法のパラメータの性質によって変化し、また比較的安定した状態に維持されなければならない。観察条件の選択には細心の注意を必要とすることが多く、場合によっては良好な結果を得ることが不可能である。これらの公知の技術のいずれにおいても、欠点は、溶融バス、特に本方法によって生じるプラズマ（又は炎）、或いは熱源によって高温になる治具によって生成される、非常に大きな強度の光である。熱源の例としては、ＴＩＧ（タングステン不活性ガス）溶接法に用いられる電極の先端、ＭＩＧ（金属不活性ガス）溶接法、ＭＡＧ（金属活性ガス）溶接法に用いられる溶融ワイヤ又はロッドの端部、或いは被覆電極、並びに保護ガスを送入する赤く焼けたセラミックノズルの端部を挙げることができる。

本発明は別の技術、いわゆる陰影測定（ｓｈａｄｏｗｓｃｏｐｙ）に属し、この陰影測定では、モニタリング対象のシーンに対する単独照明を行ない、観察シーンの起伏を、カメラが記録する画像上に単独照明により生成される陰影によって推測する。従って、光は、モニタリング対象の表面に対する接線の方向に投影する。この技術は、検出器によって観測されず、且つ直接観察が不可能なアークプラズマの場合と同様に、非常に輝度の高い光源によって取り囲まれた不透明な被写体の観察に使用することができる。溶接法、即ち溶接ジョイント部の溶加材を再充填して切断する方法の場合、当該方法では、特に、接合部における部品の形状及び位置、治具の位置、溶接ビードの形状及び特に溶着材料の量、濡れ性、溶着した材料の規則性及びパターン（溶滴の側方位置、貫通角度、形状及び振動など）を認識することができる。欠陥が検出された場合、この方法に直ちに補正を行なうことができる。
陰影測定の基本原理は、１９８５年１月「Welding Journal」に掲載された「A method of filming metal transfer in welding arcs」と題するドイツ国論文に記載されている。

本発明の一態様では、レーザ又は発光ダイオードのような別の光源を用いる陰影測定デバイスを作製し、このデバイスは特定の組み立て条件の下で使用することができ、例えば面取りエッジにおいて、特に顕著な窪みをもつ起伏パターンを溶接条件の下で撮像するために使用できる。
モニタリング装置の一般的な構造は、支持体、光源、及び光源の光を受ける受光器を備えており、一方の端部に光源が、他方の端部に受光器が装着されたアームと、アームを支持体に取り付ける調整可能なダブルジョイントとを更に備え、このダブルジョイントが、互いに、及び光源と受光器との間の主光路にほぼ直交する２つの回転軸を含むことを特徴とする。この構造は、起伏表面のモニタリング動作を容易にする機能を有することが分かる。

この装置によってモニタリングされる動作を実行する治具支持部材は、支持体に取り付けることができる。従って、治具にはモニタリング装置が装備され、これは多くの方法において適切である。
アームは、観察対象のシーンのために空間を形成できるように、両端部の間で屈曲させることができ、光源及び受光器には、光を直角に反射し、更には互いに平行に、且つ主光路に直交するように配置される直角反射体を設けることができ、これによって装置を小型化できる。装置に対して行なうことができる別の種類の改良では、単色光を使用する場合、受光器が、当該光を透過するが他の光波長は透過しないフィルタと、集光レンズと、当該レンズによって形成される光焦点に配置されるピンホールとを含む。また、帯域通過フィルタ及び特殊フィルタの両方が設けられる。これによる共通の利点は、例えば溶融バスによって生成される周囲光の影響を無くすことができることである。

本発明の別の態様は、前述の装置によって実行されるシーンモニタリング方法であり、この方法では、主光路がモニタリング対象のシーンの接線と一致するように当該装置を配置し、ダブルジョイントを調節することによってアームの向きを調節する。捕捉される起伏パターンは実際、陰影測定デバイスの向きが悪いと歪む。本発明は、簡単な判定基準に基づいてこの向きを容易に修正できる。この実施例については後述する。
重要な用途は、位置合わせしたチューブの、特に起伏を有する円形接合部に関し、これらのチューブは第１回転軸に平行である。多くの場合、これらのチューブは装置の前方で回転することができ、アームは、少なくとも第１回転軸を中心とした双方向の回転を行なって、起伏の底部を正確に追跡する。しかしながら、装置は固定チューブを中心に回転することもできる。

本発明について添付図面を参照しながら記載する。
図１に示す装置は、端と端を接合させた２つのチューブ２及び３が形成する円形接続部１をモニタリングすることを目的としている。接続部１は、いずれかの溶接法を用いる治具４により溶接される。本明細書に関連するモニタリング装置は、発光器５、及びこの光を受ける受光器６を備えており、これら発光器と受光器は、チューブ２及び３の上を通過する屈曲アーム８の両端に支持されて、チューブ２及び３の接線とほぼ一致し、接続部１の領域を照明する主光路７上に位置合わせされており、この接続部１の領域に対して治具４が動作する。アーム８は、詳細には示されない溶接設備１０に取り付けられた支持部材９によって支持されており、その軸１１を中心に回転可能にチューブ２及び３を互いに接した状態に保持する手段も含む。この手段についてはこれ以上説明しない。治具４は、剛性接続支持体１２によって支持部材９に接続されており、アーム８は、チューブ２及び３の軸１１に平行なｙ軸を有する第１ジョイント１３と、接続部１の方に向かうｚ軸を有する第２ジョイント１４とからなるダブルジョイントを介して支持部材９に接続されている。これらジョイントの軸は共に、主光路７のｘ方向に直交するか、又はほぼ直交する。従って、第１ジョイント１３を回転させることにより、接続部１上の主光路７の傾きが変化し、第２ジョイント１４を回転させることにより、接続部１の平面に対する主光路７の角度が変化する。ジョイント１３及び１４の運動は、これらのジョイントに含まれるモータ１５及び１６によって制御される。これらのモータを使用してこれらのジョイントを所望の位置に固定することもできる。制御は観察者が行なうことができるか、又は例えばスキャンを使用する場合は自動的に行なうことができる。

次に図２には、発光及び受光システムを更に詳細に示す。光はレーザ１７によって生成され、ファイバカプラー１８を通って光ファイバ１９に伝送される。ファイバ１９の、レーザ１７と反対側の端部はアーム８の端部に固定され、ファイバ１９の他方の端部はレーザ１７に取り付けられる。光は、光ファイバ１９からわずかに広がったビームとして放出され、連続する直角ミラーペア２０及び２１、及びビームを広げて平行にする拡大レンズ２２、更には保護ガラス２３を通過した後で、主光路７に戻る。光は、接続部１の一部、及び治具４の端部を照明し、次いで第２保護ガラス２４、集光レンズ２５、第２直角ミラーペア２６及び２７、レンズ２５によって集光されるビームの焦点に配置されるピンホール２８に順に到達し、次いで集束したビームを再度平行にする別のレンズ２９を通った後、干渉フィルタ又は帯域通過フィルタ３０、及び観察カメラのような検出器３１に到達する。後半に挙げた第２保護ガラス２４から始まる手段は受光器６に含まれ、前半に挙げた手段は発光器５に含まれる。発光器５に見られるように、受光手段６の一部は、光ファイバ結線を使用することにより固定することができる。直角ミラー２０、２１、及び２６、２７は必須ではないが、これらの直角ミラーによって、発光器５及び受光器６の位置合わせが不要となり、よってアーム８の長さに沿って非常に大型化する構成を避けることができる。これは、発光器５及び受光器６を、図２に示すように軸１１に平行に、又は図３に示すように垂直に、チューブ２及び３の位置合わせ箇所から屈折した位置に配置することを可能にする。

この光学系の特性の一つは、レーザ１７から放出される光ビームを拡大して主光路７において大きな断面を有するようにすることにより、光ビームがモニター対象のシーンの全てを照明できるようにし、更に光ビームをピンホール２８の焦点の大きさに縮小することである。ピンホールの機能は、周囲光の大部分を遮断する空間フィルタの機能であり、この機能によって周囲光が目立たなくなり、レーザ光により形成される陰影を認識する機能が妨害されることがない。干渉フィルタ又は帯域通過フィルタ３０により、観察時に、レーザ１７が放出する波長の光線のみを保持し、且つ周囲光の一部を再度抑制することが可能になる。従って、溶融バスにより生成されるか、又は溶接に使用される熱源によって高温になるプラズマ又は治具により生成される強い周囲光の存在下においても、これらのフィルタによってモニタリング対象のシーンの適切なビューが得られる。

次に、モニタリング方法について説明する。
図４は、本明細書に記載の用途において見られる接続部の構造を示しており、この構造は、チューブ２及び３の水平母線３２及び３３、接続部１の水平母線３４、及びテーパ状面取りエッジの傾斜母線３５及び３６により構成されている。測定しようとするパラメータは、接続部１の高さによる、水平母線３２、３３、及び３４の間の垂直距離、又は母線３５と３６との間の水平距離、つまり接続部１の深さ、又は幅である。接続部構造の認識は、モニタリング装置の向き、特に光学系の向きに大きく依存する。このように、チューブの軸に平行な平面とテーパ状面取りエッジとの交差部分は双曲線３９となる。図４に示すように、これらの面取りエッジ間の距離は、観察光線の向きによって異なる幅Ｌとして認識され、この最大距離Ｌ_Ｏ（測定対象となる軸方向の距離に相当する）は、観察方向が円錐体の軸に直交する場合に観察される。このため、第２ジョイント１４の周りでシステムの往復運動を少なくとも周期的に生じさせることにより、照準方向の調整及び再調整を行う。

また、接続部１の深さの推定値は、照準方向の傾きによって変わる。特に、接続部１のような円形ラインに対して動作を実行する場合、第１ジョイント１３の周りで規則的に光学系を往復させればよいことが分かる。これは、図５に示すように、特に溶接ビードが接続部１の元の表面から後退している場合に必要となる。図５では、溶接ビードの上表面を参照番号３７で示す。主光路７を一定の傾斜角に維持することによって初めて、溶融バスの上方に突出する接続部１のエッジ３８を測定することが可能になる。しかしながら、傾斜を周期的に変えて新規の主光路７’を形成することにより、元の接続部１ではなく溶接ビード３７自体を観察することができ、よって溶接されるアセンブリの状態に関する更に有用な情報を提供することが可能になる。

レーザは別の光源（特にＬＥＤタイプ、発光ダイオード）に置き換えることができる。レーザの利点は、レーザの光エネルギーが狭いスペクトル範囲に集中することにより、狭帯域通過フィルタを使用することができ、このフィルタがレーザ光を透過し、且つそれよりもスペクトルが狭い寄生放射を減衰させことである。従って、約数ｍＷの電力しか必要としない。更に、発光波長はプラズマが発光波長を透過するように選択される。広い発光スペクトルを特徴とする光源を用いる場合、同じコントラストレベルを得るためにずっと大きな光電力が必要となる。電力を小さくすることにより、観察者にとっての不快感又は眼を傷める危険を低減することができる。

本装置の概略図である。 本光学系の詳細図である。 別の実施形態である。 装置によって行われる測定の一用途を示す。 装置によって行われる測定の別の用途を示す。

Claims (8)

1. 支持部材（９）に取り付けられた溶接治具（４）によって溶接が行われる溶接部位に光を照射し、該溶接部位を通過した光を受光することによって該溶接部位の陰影測定によるモニタリングを行うモニタリング装置であって、
   前記溶接部位に光を照射する発光器（５）と、
   当該発光器（５）からの光を受ける受光器（６）と、
   一方の端部に発光器（５）を、他方の端部に受光器（６）を有するアーム（８）と、
   当該アーム（８）を支持部材（９）に取り付ける調整可能なダブルジョイント（１３、１４）であって、発光器（５）と受光器（６）との間の主光路（ｘ）に直交する２つの回転軸（ｙ、ｚ）を有するダブルジョイント（１３、１４）と、を有することを特徴とするモニタリング装置。
2. アーム（８）がその両端部の間で屈曲していることを特徴とする、請求項１に記載のモニタリング装置。
3. 発光器（５）及び受光器（６）が、
   光を直角反射する直角反射体（２０、２１、２６、２７）を有していており、
   発光器（５）の光源から発光される光の光路と受光器（６）の検出器（３１）が受光する光の光路とが、互いに平行である、ことを特徴とする、請求項１または２に記載のモニタリング装置。
4. 発光器（５）から発光される光が単色光であり、
   受光器（６）が、
   前記光を透過し、他の光波長を透過しないフィルタ（３０）と、
   集光レンズ（２５）と、
   集光レンズ（２５）によって形成される光焦点に配置されるピンホール（２８）とを備えることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか一項に記載のモニタリング装置。
5. 発光器（５）が発光ダイオードであることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか一項に記載のモニタリング装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか一項に記載の装置によって実行されるシーンモニタリング方法であって、
   主光路（ｘ）がモニタリング対象のシーンの接線に一致するように前記装置を配置し、前記ダブルジョイントを調整してアームの向きを調整することを特徴とする、モニタリング方法。
7. 第１回転軸（ｙ）に平行に配置され、且つ位置合わせされたチューブ（２、３）の、特に起伏を有する円形接合部（１）に適用されることを特徴とする、請求項６記載のモニタリング方法。
8. チューブ（２、３）が回転可能であり、少なくとも第１回転軸（ｙ）を中心として、アームを周期的に双方向に回転させることを特徴とする、請求項７記載のモニタリング方法。

Images