(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接ビードに斜め方向からスリット状の光を照射する段階と、
前記スリット状の光が照射されている領域を撮像する段階と、
撮像された当該領域の画像から輝度の高い画素を抽出する段階と、
輝度の高い画素を抽出した後の画像を時系列に記憶する段階と、
記憶されている各画像のそれぞれから、前記溶接ビードの断面形状を示す画素から離れている孤立画素を除去する段階と、
孤立画素除去後のｎ番目の画像と当該ｎ番目の画像と時系列的に前後する複数の画像とを重ね合わせ、前記ｎ番目の画像の中から前記溶接ビードの断面形状を示す画素以外の画素を除去する段階と、
前記ｎ番目の画像に残された画素から形成される画素列に基づいて前記溶接ビードの形状特徴量を検出する段階と、
検出された形状特徴量と良否判定の閾値として予め設定されている形状特徴量とを比較して溶接品質の良否を判定する段階とを有し、
前記孤立画素を除去する段階は、画像に含まれる画素列の両横端から当該画素列の移動平均を演算し、演算された移動平均から一定値以上離れている画素は、前記溶接ビードの断面形状を示す画素以外の孤立画素であると判断して当該画像から除去することを特徴とする溶接品質判定方法。
【請求項２】
前記画素以外の画素を除去する段階は、ｎ番目の画像に含まれる画素列を、当該ｎ番目の画像と時系列的に前後する複数の画像にそれぞれ含まれる画素列と画素の並び順に比較し、前記ｎ番目の画像の画素が当該画素に対応する他の画像の画素から一定値以上離れているときには、当該画素が前記溶接ビードの断面形状を示す画素以外の画素であると判断して当該画像から除去することを特徴とする請求項１に記載の溶接品質判定方法。
【請求項３】
溶接ビードに斜め方向からスリット状の光を照射する照射手段と、
前記スリット状の光が照射されている領域を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段によって撮像された当該領域の画像から輝度の高い画素を抽出する抽出手段と、
前記抽出手段によって輝度の高い画素を抽出した後の画像を時系列に記憶する記憶手段と、
前記記憶手段に記憶されている各画像のそれぞれから、前記溶接ビードの断面形状を示す画素から離れている孤立画素を除去する第１除去手段と、
前記第１除去手段による孤立画素除去後のｎ番目の画像と当該ｎ番目の画像と時系列的に前後する複数の画像とを重ね合わせ、前記ｎ番目の画像の中から前記溶接ビードの断面形状を示す画素以外の画素を除去する第２除去手段と、
前記第２除去手段によって前記ｎ番目の画像に残された画素から形成される画素列に基づいて前記溶接ビードの形状特徴量を検出する検出手段と、
前記特徴量検出手段によって検出された形状特徴量と良否判定の閾値として予め設定されている形状特徴量とを比較して溶接品質の良否を判定する判定手段とを有し、
前記第１除去手段は、画像に含まれる画素列の両横端から当該画素列の移動平均を演算し、演算された移動平均から一定値以上離れている画素は、前記溶接ビードの断面形状を示す画素以外の孤立画素であると判断して当該画像から除去することを特徴とする溶接品質判定装置。
【請求項４】
前記第２除去手段は、前記ｎ番目の画像に含まれる画素列を、前記ｎ番目の画像と時系列的に前後する複数の画像にそれぞれ含まれる画素列と画素の並び順に比較し、前記ｎ番目の画像の画素が当該画素に対応する他の画像の画素から一定値以上離れているときには、当該画素が前記溶接ビードの断面形状を示す画素以外の画素であると判断して当該画像から除去することを特徴とする請求項３に記載の溶接品質判定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接品質の良否を溶接ビードの形状から自動的に判定する装置に係り、特に、溶接品質の良否の判定精度を高めることができる溶接品質判定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、溶接品質の良否の判定を自動的に行なえるようにした装置が用いられている。この装置は、溶接ビードの形状を検出する部分にスリット状の光を照射し、照射された光の形状を撮像装置によって撮像し、撮像された画像を処理することによって、溶接品質の良否を判断するものである。たとえば、特開平５−７１９３２号公報には、上記のような装置が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような従来の装置では、溶接中に生じる外乱、たとえばスパッタ（溶融した金属が飛散する現象）が発生した場合でも、そのスパッタによる光が撮像された画像に基づいて通常通りの画像処理を行なうようになっているので、スパッタの程度（光ノイズの程度）によっては判定結果を誤る恐れがある。
【０００４】
本発明は、このような従来の装置の問題点に鑑みてなされたものであり、スパッタのような外乱が生じた場合であっても溶接品質の判定を高精度で行なうことができる溶接品質判定装置の提供を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明は、次のように構成される。
【０００６】
請求項１に記載の発明は、溶接ビードに斜め方向からスリット状の光を照射する段階と、前記スリット状の光が照射されている領域を撮像する段階と、撮像された当該領域の画像から輝度の高い画素を抽出する段階と、輝度の高い画素を抽出した後の画像を時系列に記憶する段階と、記憶されている各画像のそれぞれから、前記溶接ビードの断面形状を示す画素から離れている孤立画素を除去する段階と、孤立画素除去後のｎ番目の画像と当該ｎ番目の画像と時系列的に前後する複数の画像とを重ね合わせ、前記ｎ番目の画像の中から前記溶接ビードの断面形状を示す画素以外の画素を除去する段階と、前記ｎ番目の画像に残された画素から形成される画素列に基づいて前記溶接ビードの形状特徴量を検出する段階と、検出された形状特徴量と良否判定の閾値として予め設定されている形状特徴量とを比較して溶接品質の良否を判定する段階とを有し、前記孤立画素を除去する段階は、画像に含まれる画素列の両横端から当該画素列の移動平均を演算し、演算された移動平均から一定値以上離れている画素は、前記溶接ビードの断面形状を示す画素以外の孤立画素であると判断して当該画像から除去することを特徴とする。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の溶接品質判定方法において、前記画素以外の画素を除去する段階は、ｎ番目の画像に含まれる画素列を、当該ｎ番目の画像と時系列的に前後する複数の画像にそれぞれ含まれる画素列と画素の並び順に比較し、前記ｎ番目の画像の画素が当該画素に対応する他の画像の画素から一定値以上離れているときには、当該画素が前記溶接ビードの断面形状を示す画素以外の画素であると判断して当該画像から除去することを特徴とする。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、溶接ビードに斜め方向からスリット状の光を照射する照射手段と、前記スリット状の光が照射されている領域を撮像する撮像手段と、前記撮像手段によって撮像された当該領域の画像から輝度の高い画素を抽出する抽出手段と、前記抽出手段によって輝度の高い画素を抽出した後の画像を時系列に記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶されている各画像のそれぞれから、前記溶接ビードの断面形状を示す画素から離れている孤立画素を除去する第１除去手段と、前記第１除去手段による孤立画素除去後のｎ番目の画像と当該ｎ番目の画像と時系列的に前後する複数の画像とを重ね合わせ、前記ｎ番目の画像の中から前記溶接ビードの断面形状を示す画素以外の画素を除去する第２除去手段と、前記第２除去手段によって前記ｎ番目の画像に残された画素から形成される画素列に基づいて前記溶接ビードの形状特徴量を検出する検出手段と、前記特徴量検出手段によって検出された形状特徴量と良否判定の閾値として予め設定されている形状特徴量とを比較して溶接品質の良否を判定する判定手段とを有し、前記第１除去手段は、画像に含まれる画素列の両横端から当該画素列の移動平均を演算し、演算された移動平均から一定値以上離れている画素は、前記溶接ビードの断面形状を示す画素以外の孤立画素であると判断して当該画像から除去することを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の溶接品質判定装置において、前記第２除去手段は、前記ｎ番目の画像に含まれる画素列を、前記ｎ番目の画像と時系列的に前後する複数の画像にそれぞれ含まれる画素列と画素の並び順に比較し、前記ｎ番目の画像の画素が当該画素に対応する他の画像の画素から一定値以上離れているときには、当該画素が前記溶接ビードの断面形状を示す画素以外の画素であると判断して当該画像から除去することを特徴とする
【００１１】
【発明の効果】
以上のように構成された本発明は次のような効果を奏する。
【００１２】
請求項１から請求項４に記載の発明によれば、溶接ビードの断面形状を示す画素以外の画素を除去し、残された画素から形成される画素列に基づいて溶接品質の良否を判定するようにしたので、スパッタ等の外乱が発生した場合であっても、信頼性の高い溶接品質の判定が可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明にかかる溶接品質判定装置の概略構成を示す図であり、自動車のボディーに用いられる薄板鋼板の突合せ溶接に適用した場合を示している。
【００１５】
薄板鋼板１０と薄板鋼板１２とは突き合わされた状態で図示しない治具に固定されている。薄板鋼板１０と薄板鋼板１２との突き合わせ部１４は、レーザ溶接装置１６のトーチ１８から照射されるレーザ光Ｌ１によって溶融され、溶接される。なお、レーザ溶接装置１６の動作やトーチ１８から照射されるレーザ光Ｌ１は、溶接制御装置１９によって制御される。
【００１６】
レーザ溶接装置１６のトーチ１８の近傍には、溶接ビードの形状を認識し、その形状から溶接品質の良否を判定する溶接品質判定装置２０が設けられている。溶接品質判定装置２０は、照射手段３０と、撮像手段４０と、画像処理手段５０とから構成される。
【００１７】
照射手段３０は、半導体レーザ３２、コリメートレンズ３３、シリンドリカルレンズ３４から構成されている。半導体レーザ３２は、レーザ駆動部３５によって駆動されレーザ光Ｌ２を発生するものである。コリメートレンズ３３は、半導体レーザ３２からのレーザ光Ｌ２を集光するレンズである。シリンドリカルレンズ３４は、コリメートレンズ３３からのレーザ光Ｌ２をスリット状のレーザ光Ｌ２  に変えるレンズである。
【００１８】
レーザ光Ｌ１の照射によって形成された溶接ビード３６の近傍には、シリンドリカルレンズ３４からのスリット状のレーザ光Ｌ２が斜め上方向から照射される。照射されたスリット状のレーザ光Ｌ２  は、撮像手段４０によって撮像される。撮像手段４０は、拡大撮像用レンズ４２とテレビカメラ４４とから構成される。テレビカメラ４４は、溶接ビード３６に照射されたレーザ光Ｌ２を含む領域を撮像し、これを映像信号に変換する。
【００１９】
撮像手段４０のテレビカメラ４４には、画像前処理部５２が接続されている。画像前処理部５２は、テレビカメラ４４で撮像されたレーザ光Ｌ２を含む領域の画像から輝度の高い画素を抽出し、その抽出後の画像を記憶部５３に記憶する。テレビカメラ４４からは１／３０秒または１／６０秒に１枚の画像が出力されるので、画像前処理部５２は、この画像の出力周期よりも短い時間で画像の抽出処理を行ない、抽出処理後の画像を時系列的に記憶させる。
【００２０】
ノイズ除去部５４は、記憶部５３に時系列的に記憶されている画像を一枚ずつ取り出して、取り出した画像の内、溶接ビード３６の断面形状を示す画素から離れている孤立画素を除去した後、ｎ番目の画像と当該ｎ番目の画像と時系列的に前後する複数の画像とを重ね合わせ、ｎ番目の画像の中から前記溶接ビードの断面形状を示す画素以外の画素を除去する。これらの除去処理は、後で詳しく説明する。
【００２１】
特徴量検出部５６は、ノイズ除去部５４によって溶接ビードの断面形状を示す画素のみが残された画像から溶接ビード３６の特徴量（たとえば、ビード深さ、ビード高さ、段差など）を検出する。この処理も後で詳しく説明する。
【００２２】
判定部５８は、特徴量記憶部５９に予め記憶されている溶接品質の良否の判定のための特徴量を特徴量検出部によって検出された特徴量と比較して、溶接品質の良否の判定を行なう。
【００２３】
本発明の溶接品質判定装置の動作を図２以降の図面を参照しながら説明する。
【００２４】
テレビカメラ４４からは、溶接直後の溶接ビード３６を含む領域の画像、たとえば図２に示すような画像が画像前処理部５２に出力される。この画像において、曲線的に連なる線分Ａは溶接ビード３６の形状を示し、直線的に連なる線分Ｂはスパッタが飛翔した軌跡を示している。また、これらの線分とは離れて存在する位置の点の集合は何等かの原因で生じたノイズである。スパッタの飛翔した軌跡やノイズが存在する状態で溶接ビード３６の形状を求めようとすると、誤差が生じて溶接品質の正確な判断をすることができなくなる。このため、本発明装置では次のような処理をしている。
【００２５】
画像前処理部５２が図２のような画像を入力すると、フローティングスレッショルドレベルを用いて二値化する。このフローティングスレッショルドレベルは、入力された画像の背景の明るさの如何にかかわらず、最適な二値化処理ができるようにするスレッショルドレベルであり、たとえば、背景が全体的に明るい画像の場合には、スレッショルドレベルが高く設定され、逆に背景が全体的に暗い場合には、スレッショルドレベルが低く設定される。
【００２６】
フローティングスレッショルドレベルを用いて二値化処理が行なわれ、そのスレッショルドレベルを越える明るさの画素のみが残された後、この残された画素に対して光重心を算出する処理を行ない、画素が一列に配列された画素列を得る。たとえば、図２に示すような画像に、フローティングスレッショルドレベルを用いた二値化処理と光重心を算出する処理をすると、図３に示すような画素列を有する画像が得られる。画像前処理部５２は、図３のような画像を記憶部５３に時系列的に記憶させる。
【００２７】
ノイズ除去部５４は、記憶部５３に記憶されている画像を取り出して、溶接ビード３６の断面形状を示す画素列から離れている孤立している画素を除去する第１ノイズ除去処理と、第１ノイズ除去処理後の画像と、当該画像と時系列的に前後する同じく第１ノイズ除去処理後の複数の画像とを重ね合わせ、前記画像の中から前記溶接ビード３６の断面形状を示す画素以外の画素を除去する第２ノイズ除去処理とを行なう。
【００２８】
第１ノイズ除去処理は、端的に言えば孤立画素を除去する処理である。この処理は次のようにして行なわれる。
【００２９】
たとえば、画像前処理部５２から出力された画像が図４に示すような画素列から成る画像であるとすると、画像に含まれる画素列の画素ａから画素ｘに向けて、また、画素ｘから画素ａに向けて、両横端から当該画素列の高さＨの移動平均を演算する。画素ａの高さをＨａ、画素ｂの高さをＨｂ、画素ｃの高さをＨｃとすると、これらの移動平均は、（Ｈａ＋Ｈｂ＋Ｈｃ）／３により求めることができる。このようにして両横端からそれぞれ求めた移動平均に対して、一定値以上離れている高さに位置する孤立画素は、溶接ビード３６の断面形状を示す画素列には無関係な画素であり、ノイズであると考えられるので、このような孤立画素は除去される。
【００３０】
図３のような画像に対して第１ノイズ除去処理が行なわれると、図５のように、孤立画素が除去された画像が得られる。
【００３１】
このように、第１ノイズ除去処理により、高周波ノイズのように、時間的に連続しているが位置的には散在しているノイズを効果的に取り除くことができる。
【００３２】
第２ノイズ除去処理は、時系列的に並べられている複数の画像を比較することによって、多数決により溶接ビード３６の断面形状とは無関係なノイズを除去する処理である。この処理は次のようにして行なわれる。
【００３３】
たとえば、画像前処理部５２から出力されたｎ番目の画像（第１ノイズ除去処理がされたｎ番目の画像）が図５に示すような画素列から成る画像であるとすると、ノイズ除去処理部５４は、当該ｎ番目の画像と時系列的に前後する画像、すなわち、図６に示すように、第１ノイズ除去処理がされたｎ−１番目の画像と同じく第１ノイズ除去処理がされたｎ＋１番目の画像を取り出す、そして、ｎ番目の画像の画素列のそれぞれの画素と、これらの画素に対応するｎ−１番目の画像とｎ＋１番目の画像の画素列の画素の位置を比較して、ｎ番目の画像の画素列を構成する画素のみが、ｎ−１番目の画像とｎ＋１番目の画像の画素列を構成する画素からかけ離れた位置に存在する場合には、その画素を除去して他の画像の画素列を構成する画素に置き換える。
【００３４】
つまり、図６に示すｎ番目の画像の画素列を構成する画素ｚは、この画素ｚに対応するｎ−１番目の画像の画素列を構成する画素ｚ′と、同じくこの画素ｚに対応するｎ＋１番目の画像の画素列を構成する画素ｚ″とは大きく位置が外れているので、ｎ番目の画像の画素列からこの画素ｚを除去し、この除去した画素ｚの代わりに、たとえばｎ＋１番目の画像の画素列を構成する画素ｚ″を挿入する。
【００３５】
このような処理を、ｎ番目の画像の画素列のそれぞれの画素に対して行なうと、図７に示すような溶接ビード３６の正確な断面形状が得られる。このように、テレビカメラ４４から得られた画像が、図２のようにスパッタの軌跡やその他のノイズが含まれる非常に外乱の多い画像であったとしても、ノイズ除去部５４によって第１及び第２ノイズ除去処理が施されることによって、最終的に図７に示すような溶接ビード３６の正確な断面形状を示す画素列を得ることができる。
【００３６】
なお、上記のような第２ノイズ除去処理よりも簡便な処理としては、時系列的に前後する画像と比較するのではなく、ｎ番目の画像の画素列の端から、偶数番目（ｉ＋０，ｉ＋２，ｉ＋４，…）の画素の位置と奇数番目（ｉ＋１，ｉ＋３，ｉ＋５，…）の画素の位置とを比較して、画素の位置がかけ離れている場合には、その画素を除去するという処理をすることも可能である。なお、この場合には、テレビカメラ４４のビデオ信号がインターレススキャンであることが必要である。
【００３７】
このように、第２ノイズ除去処理をすれば、ある画像内でノイズが位置的に連続した広い範囲に亘って存在している場合でも、そのノイズを除去することができる。なお、スパッタによるノイズのようにビデオ１画面１／３０秒以内のノイズであれば、そのノイズを含む画像とその画像の前後１画面ずつとを比較することによってそのノイズを除去することができる。また、ビデオ数画面に写り込んでいるようなノイズであれば、前後の１０〜２０画面と比較することによってそのノイズの除去が可能である。
【００３８】
そして、特徴量検出部５６は、ノイズ除去部５４から出力された第１及び第２ノイズ除去処理後の画像から、溶接ビード３６の形状の特徴量を検出する。
【００３９】
図８及び図９は、薄板鋼板１０と薄板鋼板１２とが同じ厚さであるときに、得られた溶接ビード３６の形状の一例示す図である。この溶接ビード３６の形状から、ビード深さ、ビード高さ、段差、板厚比等の特徴量を算出する。なお、ビード深さとは、薄板上面から溶接ビードが窪んでいる量であり、ビード高さとは、厚板上面から溶接ビードが突き出ている量であり、段差とは、両板間の面差であり、板厚比とは、母材の板厚Ｔ０と溶接ビード部分の残存板厚Ｔとの比率である。これらの諸量の算出は、たとえば次のようにして行なう。
【００４０】
まず、図８または図９の画素列の左端から右側に向かって移動平均ｊｓを求め、さらに、この画素列の右端から左側に向かって移動平均ｊｅを求める。次に、求めた移動平均ｊｓ，ｊｅから一定値下に位置する線分と画素列の交点を求めて、それぞれの交点の幅方向の座標値ｉｓ，ｉｅを求める。さらに、この画素列の最小値ｍｉｎ、最大値ｍａｘを求める。なお、座標値ｉｓ，ｉｅは、画素列の２階微分の極点から求めても良い。
【００４１】
以上の各値が求まると、
0003678056.tif 000002
をそれぞれ求める。なおＴ０は、鋼板の板厚である。
【００４２】
また、図１０は、薄板鋼板１０と薄板鋼板１２とが異なる厚さであるときに、得られた溶接ビード３６の形状の一例を示す図である。この溶接ビード３６の形状から、ビード深さ、段差、勾配、板厚比等の特徴量を算出する。これらの諸量の算出は、たとえば次のようにして行なう。
【００４３】
ｊｓ，ｊｅ，ｉｓ，ｉｅ，ｍｉｎ，ｍａｘの各値は、上記と同様に求める。また、ｉｓと画素列との交点を求めてｉｋを求める。
【００４４】
この場合、左側の板の板厚Ｔ０が薄く、右側の板の板厚Ｔ１が厚いので、同厚のときのｊｓ≦ｊｅの場合に相当する。
【００４５】
0003678056.tif 000003
最後に、判断部５８は、特徴量記憶部５９に予め記憶されている溶接品質の良否の判定のための特徴量、すなわち、溶接品質が良好であると判断しても良い限界値を、上記のようにして特徴量検出部５６によって検出された特徴量と比較して、溶接品質の良否の判定を行なう。
【００４６】
たとえば、同厚の場合に、ビード深さｄが特徴量記憶部５９に予め記憶されているビード深さｄよりも大きいときには、突き合わせた板間の隙間が大きいか、突合わせの切断面のだれが生じている恐れがあり、溶接品質としては良好ではないので、溶接不良と判断する。
【００４７】
段差ｄｍが特徴量記憶部５９に予め記憶されている段差ｄｍよりも大きいときには、テーブル面の熱膨張や、鋼板の変形が発生している恐れがあり、突き合わせ面が面一になっていないので、溶接品質としては良好ではなく溶接不良と判断する。
【００４８】
ビード高さｈが特徴量記憶部５９に予め記憶されているビード高さｈよりも大きいときには、フィラー（フィラー溶接の場合）の供給が多すぎる恐れがあり、溶接品質としては良好ではないので、溶接不良と判断する。
【００４９】
板厚比Ｔ／Ｔ０が特徴量記憶部５９に予め記憶されている板厚比Ｔ／Ｔ０よりも小さいときには、溶接ビード部分の強度が他の部分に比較して弱くなっている恐れがあるので、溶接品質としては良好ではなく、溶接不良と判断する。
【００５０】
差厚の場合も、検出したこれらの諸量と特徴量記憶部５９に予め記憶されている諸量とを比較し、この比較結果によって溶接品質の良否を判断する。なお、勾配ｋは、大きくなると段差の傾きが急激になるので、角部の電着塗装膜が薄くなる恐れがあり、これが錆の発生の原因となるので、ｋの値が特徴量記憶部５９に予め記憶されているｋの値よりも大きければ、溶接不良と判断する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明にかかる溶接品質判定装置の概略構成を示す図である。
【図２】  テレビカメラによって撮像された画像の一例を示す図である。
【図３】  図２の画像を画像前処理部で処理した後の画像を示す図である。
【図４】  第１ノイズ除去処理の説明に供する図である。
【図５】  図３の画像に第１ノイズ除去処理を施した後の画像を示す図である。
【図６】  第２ノイズ除去処理の説明に供する図である。
【図７】  図３の画像に第２ノイズ除去処理を施した後の画像を示す図である。
【図８】  同板厚の突き合わせ溶接で得られるビード形状の一例を示す図である。
【図９】  同板厚の突き合わせ溶接で得られるビード形状の一例を示す図である。
【図１０】  差厚のある鋼板の突き合わせ溶接で得られるビード形状の一例を示す図である。
【符号の説明】
１０，１２  薄板鋼板
１４  突き合わせ部
１６  レーザ溶接装置
１８  トーチ
２０  溶接品質判定装置
３０  照射手段
３２  半導体レーザ
３３  コリメートレンズ、
３４  シリンドリカルレンズ
３６  溶接ビード
４０  撮像手段
４２  拡大撮像用レンズ
４４  テレビカメラ
５０  画像処理手段
Ｌ１，Ｌ２  レーザ光
【図１】
0003678056.tif 000004
【図２】
0003678056.tif 000005
【図３】
0003678056.tif 000006
【図４】
0003678056.tif 000007
【図５】
0003678056.tif 000008
【図６】
0003678056.tif 000009
【図７】
0003678056.tif 000010
【図８】
0003678056.tif 000011
【図９】
0003678056.tif 000012
【図１０】
0003678056.tif 000013