(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
結像レンズを有するカメラ本体と、特定の波長範囲の光を透過させるフィルターと、該フィルターを前記結像レンズの光軸に挿入・離脱させて前記光軸に沿って進む光の量を２段階に変化させる第１のアクチュエータと、該光軸上に配置され、特定の偏波方向の直線偏光波を透過させる２つの偏光板と、一方の偏光板の偏光透過軸を他方の偏光板の偏光透過軸に対し回転させ前記光軸に沿って進む光の量を調節する第２のアクチュエータと、前記結像レンズを前記光軸に沿って移動させる第３のアクチュエータと、これらの構成部品を収納する筐体とがベース板に一体的に取り付けられ、
前記第１乃至第３のアクチュエータは、前記光軸の周りに対称に配置され、前記ベース板は、冷却水路を有する冷却部材に接続されることにより、該冷却部材から前記ベース板を介して前記構成部品と前記筐体とに冷熱を伝達することを特徴とする監視装置。
【請求項２】
前記ベース板は、該筐体の内部に、シール用気体を供給するガス注入孔を有することを特徴とする請求項１に記載の監視装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の監視装置と、該監視装置により得られた画像内の特定の対象物の位置が該画像内の予め定められた位置に一致するように該監視装置の位置を制御する手段とを備えたことを特徴とする遠隔監視装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、作業状況を監視する監視装置、特に、スパッタやヒューム等の物質や輻射熱が発生する溶接工程等の悪環境下で使用できる遠隔監視装置に関わる。
【０００２】
【従来の技術】
特開平８―１５０４７５号公報には、溶融池、アーク、及び溶接中の開先の状態を撮像する溶接状況遠隔監視装置が記載されている。この装置では、中心波長が６００〜８００nm、波長幅が１００nm以下の光を透過する干渉フィルターをＣＣＤカメラの前面に配置するとともに、シャッタースピードを選択して切り替える制御装置により、上述の各対象に適したシャッタースピードによって撮像し、各対象物の画像を画像処理装置により合成・表示することにより、開先線倣いを含む溶接条件制御を可能にしている。
【０００３】
また、特開平８―２５０４０号公報は、溶接部を照射する赤外光発生手段、赤外光のみを透過する赤外光透過フィルターを備えた溶接部撮影用監視カメラ、及び該監視カメラから出力される映像信号を出力するモニタを備え、溶接状態を監視するシステムが示されている。
【０００４】
また、特開平２−３０３６７９号公報には、溶接時と非溶接時の大きな輝度差に対応するため、カメラの前面に減光ガラスを出没自在に配置することを記載している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
鮮明な画像を得るためには、観測対象の輝度に応じて、ＣＣＤ等に入射する光の量を調節する必要がある。上記の従来の装置では、このため、輝度の高い対象を撮像する場合は、特定の範囲の波長の光を透過するフィルターや減光ガラスをカメラの光軸に挿入することによりＣＣＤに入射する光の量を減少させている。
【０００６】
しかしながら、アーク光や溶融池のような高輝度の観測対象の輝度は一定ではなく、時間的に変化あるいは溶接条件により変動する。上記の従来技術の装置では、このような輝度の変動に対応してＣＣＤに常に最適な光量を入射させることはできず、十分に鮮明な画像を得ることができない。
【０００７】
本発明の課題は、観測対象物の輝度の変化の幅が大きく、且つ、時間や環境により輝度が変動しても、常に鮮明な画像を得ることである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、結像レンズを有するカメラ本体と、特定の波長範囲の光を透過させるフィルターと、該フィルターを前記結像レンズの光軸に挿入・離脱させて前記光軸に沿って進む光の量を２段階に変化させる第１のアクチュエータと、該光軸上に配置され、特定の偏波方向の直線偏光波を透過させる２つの偏光板と、一方の偏光板の偏光透過軸を他方の偏光板の偏光透過軸に対し回転させ前記光軸に沿って進む光の量を調節する第２のアクチュエータと、結像レンズを光軸に沿って移動させる第３のアクチュエータと、これらの構成部品を収納する筐体とがベース板に一体的に取り付けられ、第１乃至第３のアクチュエータは、光軸の周りに対称に配置され、ベース板は、冷却水路を有する冷却部材に接続されることにより、冷却部材からベース板を介して構成部品と筐体とに冷熱を伝達することを特徴とする監視装置によって解決される。
【０００９】
この監視装置によれば、フィルターを光軸に挿入・離脱させることにより、結像レンズに入射する光量を２段階に調節し、更に２枚のフィルターの偏光軸のなす角度を変化させることにより、結像レンズに入射する光量を連続的に微調整することができる。従って、この監視装置を用いれば、観測対象物の輝度が大きく変化しても、瞬時にこれに対応して適切な光量を結像レンズに入射させることができ、且つ、観測対象物の輝度が変動してもこれに追従することができる。
【００１０】
結像レンズを光軸に沿って移動させる第３のアクチュエータを備えれば、焦点が正確に合った鮮明な画像を得ることができる。また、監視装置の筐体内部に、シール用気体及び冷却用流体を供給する手段を備えれば、溶接工程のような過酷な環境で使用することができる。
【００１１】
上記の監視装置と、該監視装置により得られる画像内の特定の監視対象物の位置が該画像内の予め定められた位置に一致するように該監視装置の位置を制御する手段とを備えた遠隔監視装置は、カメラの位置を自動的に観測対象物を最も良く観測できる位置に置くことが可能であり、例えば、溶接工程の遠隔監視に使用することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を、図１から図９を用いて説明する。図１は、本発明の監視装置の一実施形態の概略構成図である。該監視装置は、ＣＣＤカメラ１、ＣＣＤカメラ１を取り付けるベース２、円筒形状の筐体３、水冷式の冷却部材４、中央部に開孔（図示せず）を有するカバー５を含んで構成される。耐熱性ガラス等の透明な光学窓６が、カバー５に一体的に取り付けられている。筐体３は、熱伝導性のパッキン１１を介してベース２に取り付けられる。また、カバー５は、同様のパッキン１２を介して筐体３に取り付けられる。ベース２には、筐体内部を外部からシールするために、空気、ＣＯ２、Ａｒ等のガスを注入するための注入孔１３が設けられている。ＣＣＤカメラは、前方に配置された結像レンズ７、該結像レンズ７と一体的に取り付けた第１の偏光板８、特定の波長域の光のみを透過するバンドパスフィルター９、第２の偏光板１０を備える。
【００１３】
図２は、図１の矢印Ｍ方向から見た冷却部材４の平面図である。冷却部材４の後面には、冷却水注入口１４、冷却水排水口１５が設けられている。冷却部材内部には、水路１３A、１３B、及び１３Cが設けられている。水路１３Bの端部は蓋１６により閉鎖されている。ＣＣＤカメラは制御信号ケーブル１ａを介して外部から送られる信号により制御される。ベース２側のガス注入孔１３は冷却部材側のガス注入孔１７に連通する。冷却部材４にはベース２を固定するための貫通孔１８、１９が設けられている。この二つの貫通孔に対向するベース２側には、各々ネジ溝が設けられている（図示せず）。冷却部材４に冷却水を流すことにより、冷却部材４が冷却され、さらに冷却部材４とベース２の接触面からの伝熱によりベース２やＣＣＤカメラ１が冷却される。
【００１４】
図３は、図１に示した円筒状筐体３の中心軸（Ｚ）線上の任意の位置での直交断面を示す図である。この図において、図１と同一の要素には同一の符号を付している。光軸の周りに第１のＤＣモータ２１、第２のＤＣモータ２２、第３のＤＣモータ２３が配置されている。
【００１５】
この実施形態の遠隔監視装置の結像レンズ７は、アクチュエータによってＣＣＤカメラの光軸方向に移動可能である。以下、この機構及びその動作について図４を用いて説明する。図４は、図３のＢＢ’に示す方向での円筒状筐体３の断面図であり、後述するバンドパスフィルター回転機構と偏光板回転機構を省略して示したものである。図４において、第１のＤＣモータ２１は、結像レンズ７と非接触でベース２に固定されている（図示せず）。リニアアクチュエータ２４は、ボールネジとローラガイドから構成されており、回転軸２４aの回転によりスライドテーブル２４bが直進運動を行う。リニアアクチュエータ２４の支持体２５、２６はベース２に固定されている。Ｖプーリ２７は回転軸２４aに一体に取り付けられている。結像レンズ７の先端には第１の偏光板がリング２８を介して一体的に取り付けられ、さらにこれらがアングル２９に取り付けられている。アングル２９はスライドテーブル２４bに固定されている。一方、第１のＤＣモータ２１の回転軸にはＶプーリ３１が一体的に取り付けられている。Ｖプーリ３１の回転運動は、ベルト３２によってＶプーリ２７の回転運動に伝達される。すなわち、第１のＤＣモータ２１の正転、逆転の回転運動によって、結像レンズ７がＣＣＤカメラ観測光軸上を直線移動することが可能となる。
【００１６】
結像レンズ７の直線方向移動によって観測像の焦点位置が変化するので、何らかの原因で対象物体とＣＣＤカメラの相対的な距離変化が生じた場合でもＣＣＤカメラの取り付け位置を再調整すること無しに、遠隔でＣＣＤカメラの映像を表示するモニタＴＶ等を見ながら容易にピント位置を調整できる。
【００１７】
図５は、図３のＣＣ’に示す方向での円筒状筐体３の断面図であり、前述の結像レンズ７の直線運動機構と後述する偏光板回転機構を省略して示したものである。図５において、第２のＤＣモータ２２の回転軸にはバンドパスフィルター９を配設したホルダー３３が一体的に取り付けられている。第２のＤＣモータ２２の支持体３４、３５はベース２に固定されている。
【００１８】
図６はホルダー３３の構造を示したものである。図６において、扇形状のホルダー３３は、中心Mを対象に２個所の開孔が設けられている。一方の開孔側のみにバンドパスフィルター９を実装する。第２のＤＣモータ２２の回転により、図で左側に回転するとバンドパスフィルター９がＣＣＤカメラの観測軸（同図のセンタ）から外れ、さらに回転して扇形状の中心部が記号Nで示した位置で回転を停止すると開孔部３３aがＣＣＤカメラの観測軸と一致する。ホルダー３３の回転後の停止の位置決めは、例えばリミットスイッチのようなもので行う（図示せず）。以上の機構によって、第２のＤＣモータ２２の回転と位置決めによって、ＣＣＤカメラの観測光軸前面にバンドパスフィルター９をセットしたり、あるいは外したりすることが可能となる。
【００１９】
ＣＣＤカメラを用いて遠隔により溶接作業を行う場合、溶接開始前に溶接すべき開先位置に溶接トーチ先端部を正確に合わせて行う必要がある。また、溶接中においては、溶接トーチ先端部が開先位置に正しく位置決めされて溶接が行われているか否かの監視を行い、不具合が生じたときに溶接トーチが取り付けられた機構系を操作して溶接トーチ先端の狙い位置修正を行う。さらに、溶接後のビードに欠陥が発生しているかどうかの確認作業を行って溶接品質を確保する。このような観測においては、溶接開始前、溶接中、及び溶接終了後において、バンドパスフィルターの取り外し、取り付け作業を繰り返す必要があるが、本発明の構成によって、この作業を遠隔操作により容易に行うことができる。
【００２０】
図７は、図３のＡＡ’に示す方向での円筒状筐体３の断面図であり、前述の結像レンズ７の直線運動機構とバンドパスフィルター回転機構を省略して示したものである。図７において、第３のＤＣモータ２３の回転軸には歯車３６が一体的に取り付けられている。第３のＤＣモータ２３の支持体３７、３８はベース２に固定されている。歯車３６には、プレート３９の中心軸中心に回転可動に取り付けた歯車４０が噛み合っている。第２の偏光板１０は、歯車４０の内側に一体的に取り付けられている。第３のＤＣモータ２３の回転により、偏光板１０がＣＣＤカメラの観測光軸中心に回転する。
【００２１】
偏光板は、互いに直交する偏光面を持つ２つの直線偏光の一方をほぼ透過させ、他方をほとんど透過させない材料でできている。従って、第１の偏光板と第２の偏光板を透過する光の光量は、２つの偏光板の偏光透過軸が互いに９０°の角度をなすときに最も少なくなる。この透過光量が最も少ない状態から、第１の偏光板を固定し、第２の偏光板を回転させると徐々に透過光量が多くなり、０°（又は１８０°）で最大透過光量となる。すなわち、第２の偏光板を回転させることによって、ＣＣＤカメラで観測する画像の明るさを連続的に変化させることが可能となる。これによって、溶接作業等で溶接中に溶接電流等の溶接条件の変化により観測対象の明るさが変化しても、例えばＣＣＤカメラで得られる映像の明るさを一定となるように調整することが可能となる。
【００２２】
図8は、本発明の監視装置を用いた溶接システムの概略構成図である。このシステムは、タングステン電極等の被消耗溶接電極（以下、電極と略す）４１の位置を制御するとともに、電極４１、被溶接部材４４、４５、溶接開先（以下、溶接ビードも含む開先について開先と称す）４３、電極先端部のアーク発生部４６を、本発明の監視装置５０で撮像する際、該監視装置５０の位置を制御し、鮮明な画像を得るものである。
【００２３】
監視装置５０は、溶接進行方向側に配置され、開先の斜め前方から溶融池及び非消耗電極を観測（撮像）する。監視装置には、ＣＣＤカメラを制御し、外部にアナログ映像（画像）信号を出力する制御回路５１、第１のＤＣモータ２１を使用したＣＣＤカメラ結像位置制御回路４７、第２のＤＣモータ２２を使用したフィルター切り替え制御回路４８、第３のＤＣモータ２３を使用した第２偏光板回転制御回路４９が含まれる。
【００２４】
該システムは電極位置制御機構５４を含む。電極位置制御機構５４は、Ｘ走行軸５５と該Ｘ走行軸上を走行するＸ走行台車５６と、Ｘ走行台車５６上に一体的に配設されたＺ走行軸５７と、該Ｚ走行軸上を走行するＺ走行台車５８と、Ｚ走行台車５８上に一体的に配設されたＹ走行軸５９及び該Ｙ走行軸上を走行するＹ走行台車６０とで構成されている。
【００２５】
電極４１はＹ走行台車６０と一体に配置され（図示せず）、かつ電極位置制御機構５４を駆動することにより開先４５の上方において溶接線方向：Ｘ、溶接線直交方向：Ｙ、及び上下方向：Ｚに移動自在である。また、監視装置も電極４１と同様に、Ｘ走行台車５６に搭載され、電極４１の可動軸と別にＸ方向、Ｙ方向に自在に移動できる可動軸を備えている（図示せず）。
【００２６】
該システムは更に、画像処理装置５２を含み、該画像処理装置は、カメラ制御回路５１から出力されるアナログ画像信号をデジタル量にＡ／Ｄ変換して多値画像データを入力する画像入力部、多値画像データを記憶する多値画像記憶部、多値画像記憶部に記憶された多値画像データから溶接電極先端位置及び溶融池の中心位置を抽出する画像特徴量抽出処理部、予め決めておいた画面基準位置から溶接電極先端位置及び溶融池の中心位置の位置ずれを検出する演算部処理部、及びこれらを統括的に制御する主制御部等で構成される。ＴＶモニター５３は、カメラ制御回路５１からの出力映像信号の表示や画像処理装置からの処理結果を出力表示する。
【００２７】
該システムは更に、電極位置制御機構５４を駆動制御する電極位置制御装置６１、溶接電源６２、監視装置５０をＸ方向、Ｙ方向に移動制御する監視装置位置制御装置６３を含む。
【００２８】
上記した画像処理装置５２、電極位置制御装置６１、監視装置位置制御装置６３、及び溶接電源６２は、パーソナルコンピュータ等で構成される全体制御装置６４で統括的に制御される。全体制御装置６４は、多層盛溶接を行うための被溶接部材に対する各溶接パスでの電極の倣い目標位置を予め記憶しておく機能、及び電極位置と画像処理装置５２から得られる電極ねらい位置ずれ情報から電極の移動量を電極位置制御装置６１へ出力する溶接線倣い制御機能、画像処理装置５２から得られる電極先端の画面位置ずれ情報から監視装置の移動量を監視ヘッド位置制御装置６３へ出力する溶接線倣い制御機能を有する。さらに、開先深さ、開先角度、段違い等の開先基準形状の記憶、溶接パス数や各パス毎の基準溶接電流、電圧、溶接速度、ワイヤ送給速度等の溶接計画データ等の記憶ができると共に、溶接開始前あるいは各溶接パスでの溶接開始前にこれらのデータの修正が可能である。
【００２９】
図９は、図８に示す狭い開先で溶接する場合のＣＣＤカメラで撮像して得られた溶融池及び電極画像の模式図であり、実際の画像とは白黒を反転、すなわち明るい（輝度が高い）部分を黒、暗い（輝度が低い）部分を白として表現している。図９には、電極の画像６５、溶融池の画像６６、アークの画像６７、開先壁部の画像４４、４５、開先壁部における開先底部と開先斜面部の境界領域の画像４４a、４４b、開先壁部における開先斜面部と開先表面の境界領域の画像４５a、４５ｂが示されている。
【００３０】
開先壁部４４、４５も、溶接中のアーク光に照らされるの輝度が高くなっている。図９は、電極像６５の先端部６５aが画面中心点Oから左上側にずれて観測される場合、即ち、ＣＣＤカメラの観測光軸中心と開先中心との間に相対的な位置ずれがある場合を示すものである。
【００３１】
図８に示した被溶接部材の開先斜面部の傾斜角度は同一であるが、上記の位置ずれのため、画像中の開先壁部４５の幅が狭く、開先壁部４４の幅が広くなっている。このずれがさらに大きくなれば、開先壁部４５が画面から消失すると共に溶融プール画像６６の右側が欠けてしまう。このようになると、溶接電極を開先底部中心に正しく倣わせることが困難となり、溶接品質の低下につながる。
【００３２】
図９の画像において、通常、アーク画像６７が最も明るく、以下、溶融池画像６６、電極画像６５の順に明るい画像として撮像される。各画像の明るさの差に基づき、まず電極画像を抽出し、次に電極先端部の座標（i1,j1）を求める。そして、画面上の観測基準点（i0,j0）との差を計算し、この差をＣＣＤカメラの位置ずれとする。この位置ずれ情報を利用し、監視装置位置制御装置６３を用いてカメラ位置を逐次に修正・制御することで安定した画像を取得できる。観測基準点（i0,j0）は、画面中心Ｏ（i=0,j=0）としても良いがこれに限定されるものではない。また、上記では、溶接電極先端の位置ずれを基にカメラの倣い制御するようにしているが、溶融池の中心位置を使って倣い制御するようにすることもできる。監視装置の倣い制御を、溶接線に対する溶接電極の倣い制御から独立させることで常に良好な溶接現象をモニターすることが可能となる。
【００３３】
以上説明した監視装置は、ＣＣＤカメラ本体と、ＣＣＤカメラ本体を取り付けるベースと、該ベースに取り付けられる光学窓とカバーを前面に備えた筐体とを備え、ＣＣＤカメラ本体を外気と遮断する構造である。また、筐体内部へのガス注入口から空気等のガスを注入することで内圧を高め外部からシールすることが可能である。この結果、溶接等のスパッタやヒューム等が内部に侵入しないため、内蔵部品が汚れることが無い。さらに、ＣＣＤカメラが取り付けられるベース、全体を覆っている筐体を冷却水により冷却される冷却部材を一体的に取り付けている構造を採用しているため、高温の溶接部材からの輻射熱を受ける場合でも耐久性に優れている。本発明の監視装置は、アーク溶接作業だけでなくレーザ溶接や切断作業、プラズマ切断作業等の高温や汚れ等が発生する悪環境下で使用可能である。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、観測対象物の輝度の変化の幅が大きく、且つ、時間や環境により輝度が変動しても、常に鮮明な画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の監視装置の一実施形態の概略構成図である。
【図２】図１の装置の冷却部材の平面図である。
【図３】図１の装置の中心軸線上の直交断面図である。
【図４】図１の装置の結像レンズ直線移動機構を示す図である。
【図５】図１の装置のバンドパスフィルター回転機構を示す図である。
【図６】図１の装置のホルダー構造を示す図である。
【図７】図１の装置の偏光板回転機構を示す図ある。
【図８】本発明の監視装置を用いた溶接システムの概略構成図である。
【図９】ＣＣＤカメラで撮像した溶融池及び電極画像の模式図である。
【符号の説明】
１  ＣＣＤカメラ
２  取付けベース
３  筐体
４  冷却部材
５  カバー
６  光学窓
７  結像レンズ
８  第１の偏光板
９  バンドパスフィルター
１０  第２の偏光板
１４  冷却水注入口
１５  冷却水排水口
１７  ガス注入孔
２１  第１のＤＣモータ
２２  第２のＤＣモータ
２３  第３のＤＣモータ
２４  リニアアクチュエータ
２７  Ｖプーリ
２９  アングル
３１  Ｖプーリ
３２  ベルト
３３  ホルダー
３６  歯車
４０  歯車
４１  被消耗溶接電極
４３  溶接開先
４４  被溶接部材
４５  被溶接部材
４６  アーク発生部
４７  ＣＣＤカメラ結像位置制御回路
４８  フィルター切り替え制御回路
４９  偏光板回転制御回路
５０  監視ヘッド
５１  ＣＣＤカメラ制御回路
５２  画像処理装置
５３  ＴＶモニター
５４  電極位置制御機構
５５  Ｘ走行軸
５６  Ｘ走行台車
５７  Ｚ走行軸
５８  Ｚ走行台車
５９  Ｙ走行軸
６０  Ｙ走行台車
６１  電極位置制御装置
６２  溶接電源
６３  監視ヘッド位置制御装置
６４  全体制御装置
６５  電極画像
６６  溶融プール画像
６７  アーク画像
６８  開先壁部画像
６９  開先壁部画像
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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