JPH01210905A - 視覚センサー用光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、樹脂の塗布やアーク溶接などの自動化のため
に用いられる産業用ロボットなどに利用される視覚セン
サー用光学装置に関する。

従来の技術 切削加工と異なり、樹脂の塗布やアーク溶接は工程の最
後の方で行なわれるため、ワーク自体の誤差やワークの
設置の誤差などが存在する。従来、それらの誤差を視覚
センサーで補正して、加工品質を向上させる試みがなさ
れている。樹脂の塗布もアーク溶接も、視覚センサーの
役割は基本的には良く似ているので、以下においてはア
ーク溶接を例にとって説明する。

従来のアーク溶接における視覚センサー技術は、二つに
大きく分類できる。

その一つは、トーチ自体にセンサーを組み込むタイプで
ある。これは、トーチホルダーの内側、すなわち電極が
存在して、ガスが流れる部分を光学的通路として用いる
方法である。

もつ一つは、トーチと別にセンサーを作り、トーチの周
りに回転可能な軸を追加して、その軸にセンサーを取り
付ける方法である。

発明が解決しようとする課題 上記の第１の方法では、トーチを交換するときにセンサ
ーが一体となっているので、維持費が高くなるという問
題がある。

一方、第２の方法では、センサーを小さくしようとすれ
ば、分解能を維持するためアーク点の近くへ配置せざる
を得す、トーチがワークの溶接すべき点に近づくときに
邪魔になるという問題がある。アーク点から離すと、分
解能の都合上センサーは大きいものとなってしまう。こ
の点は、アーク溶接に限らず解決すべきである。

そこで本発明はこのような問題を解決することができる
視覚センサー用光学装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段 上記課題を解決するため本発明は、溶接チップなどの作
業部の外側の周囲に、ワークに向けて開口された二重筒
体を設け、この二重筒体の内部における開口部から距離
をおいた位置に、前記ワークを光学的に検出する光学装
置部を設けたものである。

また本発明は、溶接チップなどの作業部の外側の周囲に
、ワークに向けて開口された二重筒体を設け、この二重
筒体の二壁の間に一対の光ファイバーケーブルを設ける
とともに、各光ファイバーケーブルを構成するそれぞれ
複数の光ファイバーどうしを所定の順序に整列させて互
いに並設し、前記各光ファイバーの一端部を、前記二重
筒体の開口部に向くようにこの開口部から距離をおいた
二重筒体の内部に配置された環状のレンズに臨ませ、両
光ファイバーケーブルを構成する光ファイバーの他端側
を前記二重筒体から離れた位置に導くとともに、この位
置で、前記一方および他方の光ファ、イバーケーブ２し
を構成するそれぞれ複数の光ファイバーを前記所定の順
序に対応して整列させ、一方の光ファイバーケーブルの
光ファイバーの他端部に、これら整列された光ファイバ
ーにこの整列順序で順次光を注入して、この光を前記ワ
ークに照射させる光源を設け、他方の光ファイバーケー
ブルの光ファイバーの他端部に、これら光ファイバーの
うち、前記光を注入されている光ファイバーの両側方部
に対応して位置したものを通って戻ってくる前記ワーク
からの反射光を検出する手段を設けたものである。

また本発明は、ワークからの反射光を検出する手段によ
り、光を注入される光ファイバーの両側方部におけるそ
れぞれ複数ずつの反射光通過用光ファイバーからめ光を
検出し、前記両側方部の各々の側で、反射光の強度の最
大値を示す反射光通過用光ファイバーの位置を求めて、
この反射光通過用光ファイバーと前記光注入用光ファイ
バーとの距離を求め、前記光注入用光ファイバーに順次
光を注入したときの各光注入用光ファイバーの位置と前
記距離との関数を求め、この関数により１光を照射され
たワークの形状を検出するものである。

また本発明は、二重筒体の二壁の間に設けられた一対の
光ファイバーケーブルの各光ファイバーを前記二重筒体
の中心軸にほぼ平行に配置して、ワークへの照射光およ
びワークからの反射光が前記中心軸とほぼ平行になるよ
うにしたものである。

さらに本発明は、二重筒体の二壁の間に並設した一方お
よび他方の光ファイバーケーブルを、前記二重筒体の中
心軸に対し二重となる同心状に配置し、内側の光ファイ
バーケーブルの光ファイバーと外側の光ファイバーケー
ブルの光ファイバーとを、前記二重筒体の中心軸に対し
互いに反対方向に斜交するように並設したものである。

作用 このような構成によれば、トーチとは別体のセンサーヘ
ッドを有するものではないため、ワークへの接近性を何
ら損なわない利点がある。また、二重皺の奥に光学部品
が配置されていることにより、スパッター飛散角度やア
ーク光放射角度が光学部品への光路の方向とは異なった
ものとなり、このためこれらスパッターやアーク光は画
像上のノイズとはなっても機械的損傷を与えるものとは
ならない。

また本発明によれば、二重筒体の二環間に一対の光ファ
イバーケーブルを設け、各光ファイバーケーブルを構成
するそれぞれ複数の光ファイバーをワークへの光照射用
およびワークからの反射光の通過用として構成し、光照
射用光ファイバーの整列順序の両側方部に位置した反射
光通過用の光ファイバーからの光を検出する手段を設け
たため、反射光の強度分布が求められ、この強度分布に
もとづいて、ワークが検出される。

具体的には、反射光の強度が最大値となる反射光通過用
の光ファイバーの位置と光照射用光ファイバーの位置と
の距離を求め、この距離と光照射用光ファイバーの位置
との関数を求める。たとえばこの距離がゼロになったと
きには、ワークの角の部分が検出される。

二重筒体の二壁の間に設けられた一対の光ファイバーケ
ーブルの各光ファイバーを前記二重筒体の中心軸とほぼ
平行に配置して、ワークへの照射光およびワークからの
反射光を前記中心軸とほぼ平行にすることにより、前述
の反射光の強度分布にもとづく両光ファイバーの距離が
正確に求められる。

二重筒体の二壁の間に二重に配置された内側と外側の光
ファイバーを、前記二重筒体の中心軸に対し互いに反対
方向に斜交するように並設すると、ワークの表面高さが
求められる。

実施例 本発明による視覚センサー用光学装置を組み込んだ溶接
トーチを有するアームの全体を、第１図に示す。１はロ
ボットの腕で、トーチケーブル２と、ワイヤの送りモー
ター３とを有し、トーチ５を把持するトーチ固定治具４
が取り付けられている。ここまでは、従来のアーク溶接
ロボットとなんら変わるところがない構成となっている
。トーチ５には本発明による視覚センサー用光学装置（
詳細は後述）が設けられるとともに、光ファイバーケー
ブル６が接続されている。腕１には、トーチ５とは別置
きで、後述する光源と受光部を内蔵したセンサーの中継
ボックス７が設けられている。

図より明らかなように、固定治具４の辺りから光ファイ
バーケーブル６が出るだけで、トーチ５の外観はほとん
ど従来の姿と変わらず、ワークへの接近を邪魔しない。

第２図はトーチ５の外観を拡大して示す。８は、本発明
の視覚センサー用光学装置をアーク溶接トーチへ取り付
けた部分を示す。９は従来のホルダーに相当する部分で
、中空の二重筒構造を有し、取り付は部分８につながる
端部に円環状のレンズを有するものである。この部分９
は従来のホルダーに相当する部分であるから、交換容易
なように取り付は部分８とは分離可能としである。光フ
ァイバーケーブル６は、取り付は部分８の上部より外に
出て、次第に集められて一つの束となる。この部分にお
ける光ファイバーケーブル６は、スパッターおよび朦械
的損傷から保護するため樹脂で固められている。

第３図は、本発明に直接関連するところにおけるトーチ
５の断面図である。トーチ５の中心部には溶接ワイヤ稔
が配置され、この溶接ワイヤ犯はチップ詔により電力の
供給を受ける。１４は二重筒体で構成されたホルダーで
、内部に環状空間を有し、この環状空間の上部には光学
装置部迅が設けられている。この光学装置部迅は、前記
環状空間に対応して環状に形成されたレンズ１７と、こ
のレンズ１７へ導かれる前述の光ファイバーケーブル６
とで構成されている。ホルダー１４は、トーチ５の本体
部分から取り外せるように、図の上部においてネジ１６
でトーチ５の本体部分と結合されている。

第４図は、光学装置部巧の横断面を示すものである。ホ
ルダー１４は外１ｉｙ＜と内壁１９とを有し、内外壁比
、１９の間には光ファイバーケーブル６を構成する光フ
ァイバー２０．２１が一定間隔で二重に並べられている
。これら光ファイバー美、２１のうち、一方はワークに
照射光を伝えるグループ、他方はワークからの反射光を
伝えるグループである。空隙の部分は、光ファイバー加
、２１を固定するために、樹脂ｎが充填されている。

第５図と第６図は、光学装置部すにおける外壁比を取り
除いた状態を示したものである。第５図では、光ファイ
バー題、２１が一定間隔で、ホルダー１４の長手方向に
沿って平行に並べられている。

第６図では、互いに交わる方向に、ホルダー１４の長手
方向と斜交して、一対の光ファイバーω、６１が並べら
れている。これらの構成にもとづく作用は後で説明する
。

第７図は、スパッターおよびアーク光によるセンサーの
損傷に対して本発明が有効であることを示すものである
。Ｉはアーク発生点であり、すなわちスパッター発生点
でもある。ア、２９はスパッターの飛散軌跡を示す。レ
ンズ１７に近づこうとするスパッターは内壁１９と外壁
比の間の空洞部に入らねばならず、その入り込みのため
の入射角度にしたがえば、空洞部に入射したスパッター
は内外９１８．１９の間を何度も跳ね返らねばならず、
運動エネルギーを消耗することになるため、レンズ■ま
では到達しない。また強い紫外線を含むアーク光の放射
軌跡もスパッタの軌跡とほぼ同一であるから、同様の理
由で直接レンズ１７には達せず、二重構造の内部壁面で
反射吸収されて弱められる。

第８図以下は、本発明にもとづきワークの位置が検出さ
れる仕組みを説明するものである。ワークは、１字継ぎ
手と呼ばれるものを例とする。ワークの継ぎ手部分、す
なわち角の部分が溶接されるべき線で、この線を検出す
る。

第８図および第９図は、ワークに照射される光と、ワー
クから反射されて光ファイバーに取り込まれる光との関
係を示す。図面を見易くするため、本質的ではないレン
ズおよび中空だけのホルダー部分は省略しである。第８
図は照射される光を伝える光ファイバーがワークの角を
狙う位置からはれている場合、第９図は比較的角に近い
場合を示す。

ここでワーク田は１字継ぎ手にて構成される。

迅はレンズ１７および中空だけのホルダー１４の部分を
省略した光学装置部を示す。羽はワークへ照射される光
を示し、この光澄は、ワークＩの表面で乱反射されてほ
ぼ照射光軸に沿って帰ってくる光おと、２次反射光調と
になるように反射する。ワ−クＩの表面が極度に汚れて
いる場合を除き、普通は乱反射光田よりも２次反射光あ
の方がかなり強い光度を有する。光学装置部巧の中央部
の光ファイバー田には光が注入されており、また光ファ
イバー加の近傍の光ファイバー２１ａ　、２１ｂは、各
々光ファイバー田の両側の反射光を受光して伝達可能と
されている。図より明らかなように、投光軸がワーク田
の角に近づくと、反射光のうちの強度の強い部分である
２次反射光調も投光軸に近づいている。

第１０図は、光ファイバーへの光の注入と受光を行なう
部分の一実施例を示す。本実施例では、光ファイバー田
、２１は直線状に並べられている。光ファイバー題の群
はワーク美への照射光を伝えるように構成され、また光
ファイバー２１の群はワーク艶からの反射光を伝えるよ
うに構成されている。

菊は光ファイバー加へ光ｄを注入するための光源で、た
とえばレーザダイオードが用いられる。鯰はレンズで、
光ファイバー４を通ってきた反射光心を受光素子材、４
７の上に像を結ばせるためのものである。受光素子材、
４７はたとえば公知のＰＳＤを利用でき、これは素子に
注入される光の強度中心が素子のどの位置にあるかによ
り、その両端から出力される電流の比が変化するもので
ある。４５゜４６．４８，４９は各受光素子材、４７の
電流出力用のリード線である。光源菊と受光素子材、４
７は機械的に結合されていて、矢印団の方向に一体に移
動させることにより、光ファイバー田についての光の注
入位置を変化させ、同時に、光を注入されている光ファ
イバー田の両側近傍に位置した光ファイバー４を経由す
る反射光の強度の状態を計測できる。

第Ｕ図は第１Ｏ図の装置で計測された反射光強度のグラ
フを例示するものである。縦軸、は反射光強度を表わし
、横軸は光ファイバーの位置を表わす。

５１は計測される強度分布の一例である。第８図および
第９図での説明より、このようなゲターンが得られるの
は明らかである。認は光源恥より光ｄを注入されている
光ファイバーの位置、詔は反射光Ｃの強度が最大となる
光ファイバーの位置を示す。両位置社と団との距離調を
光ファイバーの位置の関数として表わしたのが第ν図お
よび第８図である。いずれも横軸は光を注入される光フ
ァイバー田の位置を示す。第認図の縦軸は第Ｕ図での距
離飄に相当し、第口図の縦軸は距離ヌの絶体値に相当す
る。団は距離がゼロとなる点、田は極値を与える点を示
す。点部と詔は同一位置を表わす。

この位置は、第ν図と第８図とのどちらの求め方で求め
ても良い。

さて、本発明による視覚センサー用光学装置を搭載する
機械は、あらかじめ機械と光学装置のファイバー位置が
調整されているか、または運転の前に標準ワークを用い
て、ワークとファイバーの位置を機械の記憶装置に記憶
させておくものとする。このことは、前者であれば、フ
ァイバーの機械に対する基準位置が、後者であればファ
イバーの標準ワークに対する位置が、第口図でいえば横
軸上にあらかじめ定まっていることを意味する。

したがって、機械の運転中に、求められた極値の位置団
との差により、そのときのワーク艶の位置を知ることが
できる。

第１０図では、直線上に並べられたファイバーを用いた
実施例を説明したが、この第１０図の方法では、計測可
能範囲の端部と中心部分との間で差が生じる。すなわち
光を注入される光ファイバー粉の位置により、反射光を
伝える両側の光ファイバー２１の群の大きさが異なって
くる。このようなことが不都合な応用例の場合は、第１
４図に示すように光ファイバーおよび受光素子を円状に
並べれば良い。ここで光源栃と受光素子材、４７は機械
的に一体の構造であり、円周方向に回転移動される。

以上の例では光学装置部迅の光ファイバー題。

ユは光学装置部巧の柱状構造物の中心軸と平行に並べら
れていたが、斜交して並べることにより、柱状構造物に
おける前記中心軸の方向の距離の変化も調べることが可
能となる。第乃図にこのような実施例を示す。困は光学
装置部であり、光ファイバーω、６１ａ、６ｘｂはこの
光学装置部ωの二重壁の内部に配置されている。１字継
ぎ手ワークＩの断面には、ワークａｏａ　、ａｏｂの高
さの異なる二つの場合が示されている。第８図、第９図
と同様に、本質的ではないレンズおよび中空だけのホル
ダー部分は図示を省略しである。光ファイバーωより照
射される光は、ワークａｏａ、ａｏｂの高さの違いによ
り、図示のように反射経路が異なり、したがって、反射
光の強度を示す光ファイバー６１　ａ　、　６１１）の
位置が異なってくる。

第す図の場合において、光フアイバー位置に対する反射
光の強度分布を図示すれば第１６図のようになる。第１
６図において認は光を注入している光ファイバーの位置
、羽は反射光強度が最大となる光ファイバーの位置であ
るが、位置品を与える光路の例は、第５図では省略しで
ある。ωはワーク３ｏａ、艶すの表面番ζ照射された光
点の乱反射が示す反射光強度の最大位置であり、位置犯
と部の距離ａによりワークａｏａ　、ａｏｂの表面高さ
が判る。

発明の効果 以上述べたように本発明によると、溶接チップなどの作
業部の外側の周囲に、ワークに向けて開口された二重筒
体を設け、この二重筒体の内部における開口部から距離
をおいた位置に、前記ワークを光学的に検出する光学装
置部を設けたため、ワークへの作業部の接近性を損なう
ことがなく、スパッターなどから光学部品を保護するこ
とが可能となる。

また、二重筒体の二壁間に一対の光ファイバーケーブル
を設け、各光ファイバーケーブルを構成するそれぞれ複
数の光ファイバーをワークへの光照射用およびワークか
らの反射光の通過用として構成し、光照射用光ファイバ
ーの整列順序の両側方部に位置した反射光通過用の光フ
ァイバーからの光を検出する手段を設けたため、反射光
の強度分布を求めることができ、この強度分布にもとづ
いてワークを検出することができる。

また、反射光の強度の最大値を示す反射光通過用の光フ
ァイバーの位置と光注入用光ファイバーの位置との距離
を求め、この距離と光注入用光ファイバーの位置との関
数を求めることにより、正確にワークを検出することが
できる。たとえば、この距離がゼロになる点より、ワー
クの角の部分を検出できる。

また、二重筒体の二壁間に設けられた一対の光ファイバ
ーケーブルの各光ファイバーを前記二重筒体の中心軸と
ほぼ平行に配置して、ワークへの照射光およびワークへ
の反射光を前記中心軸とほぼ平行にすることにより、前
述の反射光の強度分布にもとづく両光ファイバーの距離
を正確に求めることができる。

さらに、二重筒体の二種の間に二重に配置された内側と
外側の光ファイバーを、前記二重筒体の中心軸に対し互
いに反対方向に斜交するように並設することにより、ワ
ークの表面高さを求めることができる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明にもとづく視覚センサー用光学装置の実施
例を示し、第１図は溶接トーチを取り付けたアームの外
観図、第２図は第１図におけるトーチの拡大図、第３図
は第、１図および第２図のトーチの先端部の縦断面図、
第４図は第３図における光学装置部の横断面図、第５図
は第４図における光学装置部の外壁を除去した状態の一
例を示す図、第６図は同光学装置部の外壁を除去した状
態の他の例を示す図、第７図は第３図のトーチの対スパ
ッタ効果を示す図、第８図は注入光と反射光との関係の
一例と示す図、第９図は同関係の他の例を示す図、第１
０図は光ファイバーへの光の注入と受光部分の一例を示
す図、第１１図は反射光の強度分布のグラフ、第ν図お
よび第８図は距離を光フアイバー位置の関数として表わ
したグラフ、第１４図は光ファイバーへの光の注入と受
光部分の他の例を示す図、第１５図は光ファイバーどう
しが斜交するように配置されたものを例示する図、第１
６図は第１５図におけるファイバー位置に対する反射光
の強度分布を示すグラフである。 ５・・・トーチ、６・・・光ファイバーケーブル、Ｕ・
・・チップ、１４・・・ホルダー、１５・・・光学装置
部、１７・・・レンズ、ｍ−・・外壁、１９−・・内壁
、２０　、２１　、２１２，２１ｂ。 ω、　６１　、　ａｉａ、６１ｂ・・・光ファイバー、
Ｉ・・・アーク発生点、凪、２９・・・スパッターの飛
散軌跡、Ｉｌ、３０ａ。 ３０ｂ・・・ワーク、切・・・光源、ｄ・・・光、招・
・・反射光、羽。 ４７・・・受光素子、５２，５３．６６・・・位置、５
４．６７・・・距離。 代理人　　　森　　本　　義　　弘 第１図 第２図 第３図 ／３・・−十フフ。 ｌｌ−レジ＾ ：ｌｌ）、２／−一先ファ４／％’− 第Ｓ図 第６図 第７図 ｔｆ Ｚ−／ ２７・−７−７発生魚 ２１．２グ　−一−スノ？ツク−Ｑ　軒Ｖ故軌跡第１／
図 舛−・・臣銭 第１２図 萌／３図 丙、４図 Δｊ 第１Ｓ図 壽ト 第１１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、溶接チップなどの作業部の外側の周囲に、ワークに
   向けて開口された二重筒体を設け、この二重筒体の内部
   における開口部から距離をおいた位置に、前記ワークを
   光学的に検出する光学装置部を設けた視覚センサー用光
   学装置。 ２、溶接チップなどの作業部の外側の周囲に、ワークに
   向けて開口された二重筒体を設け、この二重筒体の二壁
   の間に一対の光ファイバーケーブルを設けるとともに、
   各光ファイバーケーブルを構成するそれぞれ複数の光フ
   ァイバーどうしを所定の順序に整列させて互いに並設し
   、前記各光ファイバーの一端部を、前記二重筒体の開口
   部に向くようにこの開口部から距離をおいた二重筒体の
   内部に配置された環状のレンズに臨ませ、両光ファイバ
   ーケーブルを構成する光ファイバーの他端側を前記二重
   筒体から離れた位置に導くとともに、この位置で、前記
   一方および他方の光ファイバーケーブルを構成するそれ
   ぞれ複数の光ファイバーを前記所定の順序に対応して整
   列させ、一方の光ファイバーケーブルの光ファイバーの
   他端部に、これら整列された光ファイバーにこの整列順
   序で順次光を注入して、この光を前記ワークに照射させ
   る光源を設け、他方の光ファイバーケーブルの光ファイ
   バーの他端部に、これら光ファイバーのうち、前記光を
   注入されている光ファイバーの両側方部に対応して位置
   したものを通つて戻つてくる前記ワークからの反射光を
   検出する手段を設けた視覚センサー用光学装置。 ３、ワークからの反射光を検出する手段により、光を注
   入される光ファイバーの両側方部におけるそれぞれ複数
   ずつの反射光通過用光ファイバーからの光を検出し、前
   記両側方部の各々の側で、反射光の強度の最大値を示す
   反射光通過用光ファイバーの位置を求めて、この反射光
   通過用光ファイバーと前記光注入用光ファイバーとの距
   離を求め、前記光注入用光ファイバーに順次光を注入し
   たときの各光注入用光ファイバーの位置と前記距離との
   関数を求め、この関数により、光を照射されたワークの
   形状を検出する請求項２記載の視覚センサー用光学装置
   を用いたワークの検出方法。 ４、二重筒体の二壁の間に設けられた一対の光ファイバ
   ーケーブルの各光ファイバーを前記二重筒体の中心軸に
   ほぼ平行に配置して、ワークへの照射光およびワークか
   らの反射光が前記中心軸とほぼ平行になるようにした請
   求項２記載の視覚センサー用光学装置。 ５、二重筒体の二壁の間に並設した一方および他方の光
   ファイバーケーブルを、前記二重筒体の中心軸に対し二
   重となる同心状に配置し、内側の光ファイバーケーブル
   の光ファイバーと外側の光ファイバーケーブルの光ファ
   イバーとを、前記二重筒体の中心軸に対し互いに反対方
   向に斜交するように並設した請求項２記載の視覚センサ
   ー用光学装置。