(57)【要約】【課題】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製作コストを安価にする。【解決手段】影手段２の撮影窓に設けられた透明保護板１０の前面に、１対のシャッターブレード１５ａ，１５ｂからなるシャッター１６を配置し、ソレノイド１３を駆動したときのプランジャ１７のストロークによりリンク機構１４ａ，１４ｂを介して１対のシャッターブレード１５ａ，１５ｂを左右に揺動してシャッター１６を開閉し、撮影手段２に入射する光をピンホールで絞る必要がなく、撮影手段２の光学系のレンズ６に特殊なレンズを使用せずに、撮影手段２の製作費を低減する。【選択図】    図１
2006007303.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮影手段とシャッター機構部を有し、
撮影手段はＣＣＤカメラと光学系及びハウジングの前面で、撮影に必要な開口を有する撮影窓に設けられた透明保護板を有し、
シャッター機構部は、直動形ソレノイドと１対のリンク機構及び１対のシャッターブレードからなるシャッターを有し、１対のリンク機構は、一方の端部が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、他方の端部にシャッターブレードが固定された揺動アームとを有し、１対のシャッターブレードは、端部が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、プランジャのストロークによりリンク機構を介して左右に揺動して開閉することを特徴とする溶接用視覚センサ。
【請求項２】
前記１対のシャッターブレードは、耐熱性を有する硬質樹脂で形成された請求項１記載の溶接用視覚センサ。
【請求項３】
前記撮影手段を収納したハウジングの撮影窓と反対側の面には冷却ガス供給口を有し、撮影窓に設けられた透明保護板の外周部には、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する請求項１又は２記載の溶接用視覚センサ。
【請求項４】
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シャッターの前面には、撮影用の開口を有する保護キャップを有し、該保護キャップの側面には、前記冷却ガス排出口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を有する請求項1，２又は３記載の溶接用視覚センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【特許文献１】特開平７−２９９５６５号公報
【特許文献２】特開平９−３８７７４号公報
【特許文献３】特開平１０−３０８８８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の溶接用視覚センサは、撮影手段とシャッター機構部を有し、撮影手段はＣＣＤカメラと光学系及びハウジングの前面で、撮影に必要な開口を有する撮影窓に設けられた透明保護板を有し、シャッター機構部は、直動形ソレノイドと１対のリンク機構及び１対のシャッターブレードからなるシャッターを有し、１対のリンク機構は、一方の端部が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、他方の端部にシャッターブレードが固定された揺動アームとを有し、１対のシャッターブレードは、端部が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、プランジャのストロークによりリンク機構を介して左右に揺動して開閉することを特徴とする。
【０００９】
前記１対のシャッターブレードは、耐熱性を有する硬質樹脂で形成することが望ましい。
【００１０】
また、撮影手段を収納したハウジングの撮影窓と反対側の面には冷却ガス供給口を有し、撮影窓に設けられた透明保護板の外周部には、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する。
【００１１】
さらに、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シャッターの前面には、撮影用の開口を有する保護キャップを有し、保護キャップの側面には、前記冷却ガス排出口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を有することが望ましい。
【発明の効果】
【００１２】
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。
【００１３】
また、１対のシャッターブレードを、耐熱性を有する硬質樹脂で形成するから、シャッターブレードを軽量化して慣性モーメントを小さくし、ソレノイドが駆動開始してからシャッターが完全に開閉するまでの遅延時間をできるだけ短くするから、撮影手段の撮影窓に設けた透明保護板に飛翔するスパッタを大幅に低減して、透明保護板がスパッタやヒュームで汚れることを防いで、撮影手段の耐久性を高めることができる。
【００１４】
さらに、シャッターブレードとして硬質樹脂を使用することにより、シャッターブレードの表面にスパッタが付着しにくくすることができる。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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。
【００１８】
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１５ａ，１５ｂ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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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のと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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】この発明の視覚センサの構成図である。
【図２】シャッター機構部の構成を示す側面図である。
【図３】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。
【図４】画像処理装置の構成を示すブロック図である。
【図５】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】
【００２７】
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。
【図１】
2006007303.tif 000003
【図２】
2006007303.tif 000004
【図３】
2006007303.tif 000005
【図４】
2006007303.tif 000006
【図５】
2006007303.tif 000007