(57)【要約】【課題】溶接部の断面プロフィールから、溶接部上の表面欠陥の大きさや深さを従来よりも簡便に精度よく検出する。【解決手段】溶接部の断面プロフィールを抽出し、断面プロフィールの変化度を求める。変化度の大きい最も外側の左右の急変部を左右の止端部とする。左右の止端部に挟まれた内側のビード部を、欠陥部に相当する急変部以外の断面プロフィールデータを使って第１の関数で近似する。左側の止端部より左外側の母材部を第２の関数で、右側止端部の右外側の母材部を第３の関数で近似する。第１と第２の関数の交点を左止端点、第１と第３の関数の交点を右止端点として求める。左右止端点を区分点とし、第１と第２、第３の関数で表される区分的近似曲線を基準線として、もとの断面プロフィールから差し引く。【選択図】図７
2008267836.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接部を有する部材を被検査体として、該溶接部表面の欠陥を検出する溶接部の表面欠陥形状検出方法において、
母材部を含む前記溶接部のビードの幅方向の所定の区間Ｌの断面プロフィールを導出し、
該断面プロフィールについて、前記ビードの幅方向に対する傾斜の変化である変化度が所定の閾値よりも大きい複数の急変区間Ｓを導出し、
前記区間Ｌから複数の急変区間Ｓを除いた複数の区間それぞれについて、前記断面プロフィールを複数の関数で近似し、該複数の関数を区間Ｌ全体に外挿のみか、又は、外挿と内挿とを行って拡張し、その後で連結して前記区間Ｌ全体での前記断面プロフィールの区分的近似曲線を導出し、
該区分的近似曲線と前記断面プロフィールとの差分を導出して、前記溶接部表面の欠陥の大きさ又は形状のうち少なくとも一方を評価することを特徴とする溶接部の表面欠陥形状検出方法。
【請求項２】
溶接部を有する部材を被検査体として、該溶接部表面の欠陥を検出する溶接部の表面欠陥形状検出方法において、
母材部を含む前記溶接部のビードの幅方向の所定の区間Ｌの断面プロフィールを導出する工程と、
前記断面プロフィールについて、前記ビードの幅方向に対する傾斜の変化である変化度を導出する変化度算出工程と、
前記断面プロフィールの変化度が所定の閾値よりも大きい複数の急変区間のうち、前記所定の区間Ｌの最も左外側にある急変区間と最も右外側の急変区間とを、それぞれ左側と右側の止端部区間として検出する止端部検出工程と、
前記検出された左側の止端部区間と右側の止端部区間とに挟まれた内側の区間Ｍにおける前記断面プロフィールを、当該内側の区間Ｍのうち前記急変区間に属さない前記断面プロフィールのデータを用いて予め定めた第１の関数で近似するビード部近似工程と、
前記左側の止端部より左外側、及び前記右側の止端部より右外側の前記断面プロフィールを、それぞれ予め定めた第２の関数、及び第３の関数で近似する母材部近似工程と、
前記第１の関数と前記第２の関数との交点を左止端点とし、前記第１の関数と前記第３の関数との交点を右止端点として求める止端点算出工程と、
前記左止端点及び前記右止端点を前記区間Ｌの区分点として、前記断面プロフィールのうち、前記第１の関数を前記左止端点と前記右止端点とで挟まれた区間全体に外挿のみか、又は外挿と内挿とを行い、前記第２の関数を前記左止端点より左外側の区間に外挿を行い、前記第３の関数を前記右止端点より右外側の区間に外挿を行って拡張し、これら第１の関数、第２の関数、及び第３の関数を連結して前記断面プロフィールを前記区間Ｌ全体で近似する区分的近似曲線を導出する近似断面プロフィール算出工程と、
前記断面プロフィールと該区分的近似曲線との差分である偏差データを導出する偏差データ算出工程と、
前記偏差データに基づいて欠陥の大きさ又は形状のうち少なくとも一方を評価する欠陥形状算出工程と、からなることを特徴とする溶接部の表面欠陥形状検出方法。
【請求項３】
前記変化度算出工程は、前記断面プロフィールであるｙ座標点列Ｓ（ｎ）（ｎは自然数）を２階差分処理して前記変化度を導出することを特徴とする請求項２に記載の溶接部の表面欠陥形状検出方法。
【請求項４】
溶接部を有する部材を被検査体として、該溶接部表面の欠陥を検出する溶接部の表面欠陥形状検出をするコンピュータプログラムであって、
母材部を含む前記溶接部のビードの幅方向の所定の区間Ｌの断面プロフィールを導出する処理と、
前記断面プロフィールについて、前記ビードの幅方向に対する傾斜の変化である変化度を導出する変化度算出処理と、
前記断面プロフィールの変化度が所定の閾値よりも大きい複数の急変区間のうち、前記所定の区間Ｌの最も左外側にある急変区間と最も右外側の急変区間とを、それぞれ左側と右側の止端部区間として検出する止端部検出処理と、
前記検出された左側の止端部区間と右側の止端部区間とに挟まれた内側の区間Ｍにおける前記断面プロフィールを、当該内側の区間Ｍのうち前記急変区間に属さない前記断面プロフィールのデータを用いて予め定めた第１の関数で近似するビード部近似処理と、
前記左側の止端部より左外側、及び前記右側の止端部より右外側の前記断面プロフィールを、それぞれ予め定めた第２の関数、及び第３の関数で近似する母材部近似処理と、
前記第１の関数と前記第２の関数との交点を左止端点とし、前記第１の関数と前記第３の関数との交点を右止端点として求める止端点算出処理と、
前記左止端点及び前記右止端点を前記区間Ｌの区分点として、前記断面プロフィールのうち、前記第１の関数を前記左止端点と前記右止端点とで挟まれた区間全体に外挿のみか、又は外挿と内挿とを行い、前記第２の関数を前記左止端点より左外側の区間に外挿を行い、前記第３の関数を前記右止端点より右外側の区間に外挿を行って拡張し、これら第１の関数、第２の関数、及び第３の関数を連結して前記断面プロフィールを前記区間Ｌ全体で近似する区分的近似曲線を導出する近似断面プロフィール算出処理と、
前記断面プロフィールと該区分的近似曲線との差分である偏差データを導出する偏差データ算出処理と、
前記偏差データに基づいて欠陥の大きさ又は形状のうち少なくとも一方を評価する欠陥形状算出処理と、
をコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材等の金属の溶接部における表面欠陥形状の検出方法および装置に関し、特に、当該欠陥の深さや大きさ等を定量的に検出するのに好適な技術である。
【背景技術】
【０００２】
例えば、長方形の鋼板をＵ字型に折り曲げた後、Ｏ字型に折り曲げ、さらに当該長方形の対向する辺同士を突合せ溶接して製作するＵＯ鋼管等の断面プロフィール（断面の内側（上面）又は外側（下面）の外形を指す）において、溶接部の盛り上がりは溶接ビード（以下ではビードと記す）又は余盛と呼ばれている。又、ビードと母材との境界は止端部と呼ばれている。以下では、ビードと止端部の周辺とを合わせて溶接部と呼ぶことにする。
【０００３】
ところで、ビードには複数の種類の欠陥が発生することが知られている。図３はＵＯ鋼管内面の止端部１１に発生する深い切れ込みであるアンダーカット１１１と呼ばれる欠陥のある部分を、ビード部１０、母材（鋼板）１２とともに示した溶接部近傍の斜視図である。図４は図３のＵＯ鋼管の溶接部近傍を切断線Ａ−Ａ’でカットした断面図である。図５はＵＯ鋼管内面のビード部１０に発生する窪みであるアンダービード１０１と呼ばれる欠陥のある部分を模式的に示した図であり、図６は図５におけるＵＯ鋼管の溶接部近傍を切断線Ｂ−Ｂ’でカットした断面を示した図である。アンダーカットやアンダービードなどの溶接欠陥は溶接部の強度に多大な影響を与え、拡管成形時に溶接部の割れを生じさせるので、欠陥の大きさや形状を拡管成形前に定量的に把握しておくことがＵＯ鋼管の品質管理上重要である。又、鋼管以外の鋼材についても、溶接部の欠陥の大きさ（幅や深さ）や形状を定量的に検出する必要があることが多い。
【０００４】
ところで、溶接部の形状を自動的に検出する様々な方法や装置が提案されてきている。中でも光学的方法は、比較的簡便な装置で、非接触で形状の測定が可能であることが多く有用である。特許文献１に開示されている光学的方法は、溶接ビード形状の良否を検出するもので、溶接ビードを上面と側面から撮像し、アナログ信号を画像の濃淡を表すディジタル信号に変換した後、濃淡画像の１ライン分のディジタル信号を微分処理などのディジタル画像処理によって、画像の濃淡が急激に変化する点を検出して欠陥とする。この方法は特別の光源が不要でカメラ撮像のみによるので装置構成は簡便である。しかしながら欠陥部での明るさの違いなどを仮定しているため、本来表面欠陥とは関係のないビード部や母材部の表面性状の違いによって欠陥を検出できないことがあった。さらに、当然のことであるが、欠陥の深さや形状を検出することはできなかった。
【０００５】
又、被検査部に照射された光源像をカメラ等の撮像部で撮像して被検査部の画像を得て、当該画像の中での撮像された光源像の画素位置に基づいて、鋼管の断面プロフィールを計測する方法としては、特許文献２に開示されているような光切断法や、レーザ距離計などを使った三角測量法による方法が知られている。尚、以下では説明の便宜上、鋼管等の外形だけでなく、適宜、鋼管等の断面プロフィールの計測結果のデータをも、断面プロフィールという。
【０００６】
特許文献２に開示された技術では、溶接鋼管の一つに分類される電縫鋼管のビードの高さや立ち上がり角を求める方法を取り扱っている。一般に溶接部の表面は母材部よりも粗度が粗く光学的方法で得られた断面プロフィールはギザギザ状のノイズがのっている場合が多い。このため特許文献２に開示された技術では、電縫鋼管の断面プロフィール上において、ビード部に相当する領域を左右の２つの領域に分け、又ビード部より外側の母材部の領域に分けて、それぞれ別の関数で区分的に断面プロフィールを近似し、これらの関数の交点や微分係数からビードの高さや立ち上がり角を求めている。電縫鋼管の場合、圧接によりビード部に傾斜が緩やかな部分と急峻な部分があり、ビード部がいびつな形状であるため、ビード部を複数の関数で近似したほうが近似度は高くなる。
【０００７】
他方、電縫鋼管の場合と異なり、ＵＯ鋼管の場合には溶接のための圧接に際しての開先形状の差に起因して、ビード部はなだらかな断面プロフィールを呈する。なだらかなビード部を特許文献２に開示された方法のように左右の領域に分けて近似すると、左右それぞれの領域では近似度はよいものの、両近似曲線が交わるビードの頂点付近で近似曲線の傾きが不連続になり、かえって近似曲線の本来の断面プロフィールからの差が大きくなる。また拡管成形前のＵＯ鋼管は母材部において直線的な断面プロフィールを呈し、左右の母材部は突合せ部で段差を呈することもある。したがってＵＯ鋼管のように、溶接部付近において、左右それぞれの母材部の表面形状が直線的で、且つ、段差がある場合に、特許文献２の方法で母材部を一つの関数で近似すると近似度が悪くなる。以上のように、ビード部がなだらかで左右の母材部の表面形状が直線的で段差を有する場合には、特許文献２による近似方法をそのまま適用することはできない。
【０００８】
ところで、上記で例示したような光学的な手段によって測定した断面プロフィールから欠陥の深さを導出する場合、深さの原点である基準線を決める必要があるが、一般に被検査体の形状は平面ではなく定形ではないので、前もって欠陥の深さの基準線を定めることはできない。このため薄板のように幅方向の断面プロフィールが緩やかな場合は、断面プロフィールを最小二乗法で多項式近似して得られる近似曲線を欠陥の深さを測る上での基準線として用いることがよく行われる。しかしながら、被検査体が溶接鋼管の場合は、母材部と溶接部で断面プロフィールの変化の程度が大きく異なり、断面プロフィールを一つの関数で近似することはできないので、例えば特許文献２に記載されたように複数の関数で断面プロフィールを近似することもある。
【０００９】
ところが、アンダービードのような溶接部の溶接欠陥のように、その大きさが当該溶接部のビードと比較して同程度又は数分の１程度以上の大きさを有する場合、断面プロフィールを近似する当該溶接部近傍の範囲内に当該溶接欠陥の部分を含めると、求められる断面プロフィールを表す近似曲線が欠陥部分の断面プロフィールの値に大きく影響されて、当該欠陥の大きさや形状を過小評価してしまうという問題があった。
【００１０】
【特許文献１】特開昭６０−１３５７０５号公報
【特許文献２】特開２００４−１８１４７１号公報
【特許文献３】特開平７−４００４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
以上に述べた従来技術の問題点に鑑みて本発明は、溶接部に発生した欠陥の深さや幅等の大きさ又は形状のうち少なくとも一方を、断面プロフィールの測定データから従来よりも高精度に、且つ簡便に検出することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願第１の発明の溶接部の表面欠陥形状検出方法は、溶接部を有する部材を被検査体として、該溶接部表面の欠陥を検出する溶接部の表面欠陥形状検出方法において、母材部を含む前記溶接部のビードの幅方向の所定の区間Ｌの断面プロフィールを導出し、該断面プロフィールについて、前記ビードの幅方向に対する傾斜の変化である変化度が、所定の閾値よりも大きい複数の急変区間Ｓを導出し、前記区間Ｌから複数の急変区間Ｓを除いた複数の区間それぞれについて、前記断面プロフィールを複数の関数で近似し、該複数の関数を区間Ｌ全体に外挿のみか、又は、外挿と内挿とを行って拡張し、その後で連結して前記区間Ｌ全体での前記断面プロフィールの区分的近似曲線を導出し、該区分的近似曲線と前記断面プロフィールとの差分を導出して、前記溶接部表面上の欠陥の大きさ又は形状のうち少なくとも一方を評価することを特徴とする。
【００１３】
本願第２の発明の溶接部の表面欠陥形状検出方法は、溶接部を有する部材を被検査体として、該溶接部表面の欠陥を検出する溶接部の表面欠陥形状検出方法において、母材部を含む前記溶接部のビードの幅方向の所定の区間Ｌの断面プロフィールを導出する工程と、前記断面プロフィールについて、前記ビードの幅方向に対する傾斜の変化である変化度を導出する変化度算出工程と、前記断面プロフィールの変化度が所定の閾値よりも大きい複数の急変区間のうち、前記所定の区間Ｌの最も左外側にある急変区間と最も右外側の急変区間とを、それぞれ左側と右側の止端部区間として検出する止端部検出工程と、前記検出された左側の止端部区間と右側の止端部区間とに挟まれた内側の区間Ｍにおける前記断面プロフィールを、当該内側の区間Ｍのうち前記急変区間に属さない前記断面プロフィールのデータを用いて予め定めた第１の関数で近似するビード部近似工程と、前記左側の止端部より左外側、及び前記右側の止端部より右外側の前記断面プロフィールを、それぞれ予め定めた第２の関数、及び第３の関数で近似する母材部近似工程と、前記第１の関数と前記第２の関数との交点を左止端点とし、前記第１の関数と前記第３の関数との交点を右止端点として求める止端点算出工程と、前記左止端点及び前記右止端点を前記区間Ｌの区分点として、前記断面プロフィールのうち、前記第１の関数を前記左止端点と前記右止端点とで挟まれた区間全体に外挿のみか、又は外挿と内挿とを行い、前記第２の関数を前記左止端点より左外側の区間に外挿を行い、前記第３の関数を前記右止端点より右外側の区間に外挿を行って拡張し、これら第１の関数、第２の関数、及び第３の関数を連結して前記断面プロフィールを前記区間Ｌ全体で近似する区分的近似曲線を導出する近似断面プロフィール算出工程と、前記断面プロフィールと該区分的近似曲線との差分である偏差データを導出する偏差データ算出工程と、前記偏差データに基づいて欠陥の大きさ又は形状のうち少なくとも一方を評価する欠陥形状算出工程と、からなることを特徴とする。
【００１４】
又、本願第３の発明の溶接部の表面欠陥形状検出方法は、前記変化度算出工程は、前記断面プロフィールであるｙ座標点列Ｓ（ｎ）（ｎは自然数）を２階差分処理して前記変化度を導出することを特徴とする。
【００１５】
本願第４の発明の溶接部の表面欠陥形状検出をするコンピュータプログラムは、溶接部を有する部材を被検査体として、該溶接部表面の欠陥を検出する溶接部の表面欠陥形状検出をするコンピュータプログラムであって、母材部を含む前記溶接部のビードの幅方向の所定の区間Ｌの断面プロフィールを導出する処理と、前記断面プロフィールについて、前記ビードの幅方向に対する傾斜の変化である変化度を導出する変化度算出処理と、前記断面プロフィールの変化度が所定の閾値よりも大きい複数の急変区間のうち、前記所定の区間Ｌの最も左外側にある急変区間と最も右外側の急変区間とを、それぞれ左側と右側の止端部区間として検出する止端部検出処理と、前記検出された左側の止端部区間と右側の止端部区間とに挟まれた内側の区間Ｍにおける前記断面プロフィールを、当該内側の区間Ｍのうち前記急変区間に属さない前記断面プロフィールのデータを用いて予め定めた第１の関数で近似するビード部近似処理と、前記左側の止端部より左外側、及び前記右側の止端部より右外側の前記断面プロフィールを、それぞれ予め定めた第２の関数、及び第３の関数で近似する母材部近似処理と、前記第１の関数と前記第２の関数との交点を左止端点とし、前記第１の関数と前記第３の関数との交点を右止端点として求める止端点算出処理と、前記左止端点及び前記右止端点を前記区間Ｌの区分点として、前記断面プロフィールのうち、前記第１の関数を前記左止端点と前記右止端点とで挟まれた区間全体に外挿のみか、又は外挿と内挿とを行い、前記第２の関数を前記左止端点より左外側の区間に外挿を行い、前記第３の関数を前記右止端点より右外側の区間に外挿を行って拡張し、これら第１の関数、第２の関数、及び第３の関数を連結して前記断面プロフィールを前記区間Ｌ全体で近似する区分的近似曲線を導出する近似断面プロフィール算出処理と、前記断面プロフィールと該区分的近似曲線との差分である偏差データを導出する偏差データ算出処理と、前記偏差データに基づいて欠陥の大きさ又は形状のうち少なくとも一方を評価する欠陥形状算出処理と、をコンピュータに実行させる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、溶接部上の欠陥部分を除いた断面プロフィールの測定データを用いて正常部の断面プロフィールを近似し、この近似曲線を欠陥の深さを測る上での基準線とするので、大きさが溶接部と同程度乃至その数分の一程度である、溶接部の表面欠陥の大きさ又は形状のうち少なくとも一方を、従来よりも精度よく簡便に評価し欠陥を検出することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の溶接部の欠陥検出方法及び装置の実施するための形態を、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において、同一の部分を指し示すために同一の符号を用いて符合の重複をさけて、図の説明を明瞭にする。
【００１８】
本実施するための形態では、溶接部の表面形状を測定するのに光切断法を用いて、溶接部の断面プロフィールを導出する方法を例に説明する。なお、溶接部の断面プロフィールは、光切断法やレーザ距離計による方法等の光学的方法で非接触に導出したものが好ましいが、接触式形状計等の他の方法で測定したものであっても良いことは明らかである。
【００１９】
＜切断像の撮像＞
図１は、光切断法により溶接部の断面プロフィールを測定する光切断法用光学系（斜視図）と信号処理系からなる装置の構成を、被検査体として溶接鋼管を例に示す概略図である。１は被検査体の溶接鋼管（一部のみを図示する）、２は被検査体の溶接部である検査部（すなわちビードを含む領域）を横断する方向に線状の投光パターン３を作成する投光手段（投光装置）、５は当該投光パターンを写して画像データを出力する撮像手段（撮像装置）、６は当該画像データを画像処理して、投光パターンが照射された表面部分の断面プロフィールを導出する断面プロフィール導出手段（画像処理装置）、及び７は当該断面プロフィールを基に欠陥の大きさや深さなど欠陥形状を導出する演算処理を実行するための信号処理制御装置である。この図１では、溶接鋼管１の内側に投光手段２と撮像手段５を入れて内面の断面プロフィールを測定する場合の配置を示している。本実施するための形態における断面プロフィールを導出する方法では、計算の便宜上、被検査体の溶接鋼管１の管軸方向をｚ軸に、管軸方向に垂直な断面をxy平面にとる座標系を用いるが、座標系は実施するときの検査部の形状に合わせて適宜決めれば良い。xy平面は、投光手段２から扇状に広がって射出される光の軌跡により生成される平面４と重なるようにし、当該平面４で扇状の射出広がりの中心方向をy軸にとる。なお、ビードが投光パターン３の中心部近くになるように配置するのがプロフィール測定上好ましい。xyz座標の原点Oの位置は撮影手段５の光軸方向とxy平面との交点とする。
【００２０】
図２は、図１に示した光切断法用光学系における光学配置をx軸方向に見た、投光手段２、撮像手段５、及びxyz座標の原点Oの位置関係を示す図である。５１は撮像手段５の撮像面を、Opは撮像手段５の撮像レンズ（以下では単にレンズと記す）のレンズ中心（前側主点位置）、Oは座標軸の被検査体（物体）側にある座標軸の原点である（物体側原点と記す）。x軸と平行に撮像面５１のX軸をとり、撮像面５１内でX軸に垂直な軸をY軸とする。Ocは撮像面５１の中心で、撮像面５１XY平面の座標原点として像側座標原点と記す。以上に記載したように、像側座標原点Ocとレンズ中心Opを結ぶ直線の延長線が物体側の座標原点Oを通り、また物体側のx軸と像側のX軸とが平行になる。また撮像手段（撮像系）５の光軸方向OOcは投光手段１の光軸方向であるy軸に対して所定の角度θで、溶接部形状による投光パターン３の形状変化が検出し易いように配置する。なお、例えば、溶接鋼管の溶接部を下にして、水平面上において測定するときには当該水平面を基準面として、溶接部の幅方向の略中心の鉛直上方に投光手段２を配置して、扇状の射出光の中心方向すなわちｙ軸方向が鉛直方向になるように座標系を設定すると計算上便利であるので良い。
【００２１】
投光手段２としては、例えばレーザやランプ等を発光光源として、当該発光光源から発射される光をシリンドリカルレンズやプリズム等を用いて扇状に広げて射出し、被検査体１上の被検査部である照射位置で線状の投光パターン３に収束するような光源を用いる（以下では線状光源と記す）。又、例えば上記の発光光源を用いて、レンズ等を用いて照射位置で点状に収束するような光ビーム（点状ビームと記す）を、回転制御されたポリゴンミラーで溶接鋼管１のビード１０を跨いで、管軸方向（ｚ軸）に直交するx軸方向に走査して、線状の軌跡の投光パターン１を得る走査式の点光源を投光手段１としても良い（以下では走査式点光源と記す）。すなわち、線状光源を投光手段１として用いる場合、図１の４は扇状に広げられた線状ビームを示し、被検査体である溶接鋼管１の湾曲部に照射されると表面形状に沿って投光パターン３である光切断像を形成する。又、走査式点光源を投光手段１として用いる場合、図１の４は幅方向に走査された点状ビームの軌跡を示し、投光パターン３は溶接鋼管１上の照射位置での点像の軌跡を示す。本願では、いずれの投光パターン１も光切断像と記す。
【００２２】
（第１の実施の態様）
＜断面プロフィール導出＞
撮像手段５として例えばＣＭＯＳカメラやＣＣＤカメラなどのエリアセンサを用いて、被検査体上の投光パターン（光切断像）３を撮像して画像データとして出力する。なお、撮像手段５は、投光手段２の発光のタイミングを同期して光切断像を撮像するようにしても良い。図１の断面プロフィール導出手段６では撮像手段５から光切断像の位置情報（画像内の位置）と輝度情報（明るさ）からなる画像データを取り込む。断面プロフィール導出手段６では当該画像データに基づき被検査体の断面プロフィールを導出する。光切断像３の画素位置（画像内における各画素の相対位置情報）は、例えば撮像面上において各Ｘ座標での、Y軸方向の輝度分布を重みとするY軸方向の重心位置で表すことができるが、その具体的な方法の一例を以下に説明する。
【００２３】
図１１は撮像手段５で撮影され画像入力部に取り込まれた光切断像と、画像上のある水平位置nにおけるC-C’横断方向の輝度分布を示している。光切断像が写っている撮像画像の左下を原点にとり、撮像面上のX軸、Y軸に対応する画像上の座標軸をそれぞれIX軸、IY軸とする。IX方向の画素数をIH、IY方向の画素数をIV個とすると、撮像画像はIH×IV個の画素からなる。
【００２４】
撮像画像中の画素（n,k）（ｎ＝１，２，・・・、ｋ＝１，２，・・・）における輝度をBr(n,ｋ)とすると、水平方向位置ｎにおけるIY軸方向の輝度分布を重みとするIY軸方向の重心位置G(n)は以下の式のように求められる。
【００２５】
【数１】
2008267836.tif 000003
【００２６】
ただしΣはIY軸方向の画素について総和をとるが、IY軸方向の輝度が最大となる位置を中心として予め定められた範囲内にあり、かつ輝度Br(n,ｋ)が予め定めた閾値以上になる条件を満たす場合のみδ(n,
k)は１、この条件を満たさない場合は０とする。
【００２７】
以上の処理をIX軸の各位置n（n=0, 1, …, IH−1）で行い、座標(n, G(n))を画像上の断面プロフィールとすることができる。G(n)は整数ではないが撮像面上のXY座標に変換する場合のために整数化することなく実数のままにしておく。
【００２８】
撮像画像上の断面プロフィール(n, G(n))に対応する、撮像面上のXY平面上における断面プロフィール（X(n), Y(n)）は、画素数がIH×IVの画像上の断面プロフィール(n,
G(n))に、撮像面のX方向およびY方向の画素サイズdXおよびdYをかけて以下の式のように求められる。
【００２９】
【数２】
2008267836.tif 000004
【００３０】
撮像面上でのXY平面上における断面プロフィール（X(n), Y(n)）は、実平面xy平面上の断面プロフィール（x(n), y(n)）を射影して得られたものであるから、前者を座標変換することで後者を得ることができる。図２に示したような投光手段２、撮像手段５、及び被検査体１の光学的配置によって決まるこの座標変換の方法について詳細に説明する。
【００３１】
幾何光学におけるレンズの結像式から、図２においてレンズ中心Opから物体側原点Oまでの距離をL、レンズの焦点距離をfとすると、物体側原点Oにおいては、撮像面５１に写る像に対する物体の倍率（横倍率）MはM=(L−f)/fで表される。厳密に言うと物体側原点Oからy軸方向にｙの高さにある点Qにおいてはy・cosθだけ撮像面側に近くなるため、厳密な倍率M'はM'=M・(L−f−y・cosθ)/
(L−f)になる。しかしながら、本実施の形態の場合、視野幅すなわち撮像する領域の幅がビード幅の数倍の場合を想定しており、視野幅内でのビードおよび周辺の起伏yの範囲は小さいので、倍率MはM=(L−f)/fとして差し支えない。
【００３２】
原点Oを通る撮像面に垂直な平面へのxy平面上の点Q（x,y）の射影（x,ysinθ）は、その対応する撮像面XY上の像（X,Y）のM倍となるので、像側（撮像面側）から物体側（被検査体側）への座標変換式が、次式のように得られる。
【００３３】
【数３】
2008267836.tif 000005
【００３４】
（２）、（３）式と（４）、（５）式により、画像上の断面プロフィール座標(n, G(n))から実平面上の断面プロフィール座標(x(n), y(n))への変換は次式のようになる。
【００３５】
【数４】
2008267836.tif 000006
【００３６】
さらに、本実施の形態では、断面プロフィール導出手段６は、撮像手段５で得られた撮像画像の輝度値の分布から明るさを認識して、輝度値の分布の情報をもとに光切断像が明瞭に検出できるように、投光手段１の照射時間や撮像手段５の露光時間及び露光タイミングなどの撮像条件制御も行う。
【００３７】
＜表面欠陥の凹凸検出＞
以下では、断面プロフィール導出手段６で溶接鋼管１の断面プロフィールの測定値を導出した後、信号処理制御装置７を構成する各データ処理部で行っている、表面欠陥の凹凸、大きさ、形状を検出する導出手順と導出方法について説明する。
【００３８】
図７は信号処理制御装置７において実行する、表面欠陥の凹凸、大きさ、及び形状を検出する各データ処理の構成と、データ処理された各データの流れのフローチャートの概略を示している。ここでは、上記のようにして得た、ディジタル＝データである断面プロフィールを構成する離散点の集合について、各点の座標を座標点列（x(n), y(n)）（n=0,
1, 2, …, N−1：Nは断面プロフィールを構成するデータ数N=IH）で表し、y座標点列y(n)をS(n)とも表すことにする。以下では図８〜図１０を引用して説明する。なお、当該図においては、離散的な点の集合である座標点列を、間隔が狭いので連続する線で表現した。
【００３９】
＜処理フローの概略＞
まず上記のようにして断面プロフィール導出手段６により、母材部を含む溶接部（ビード及びその周辺部）のビードの幅方向の所定の区間の断面プロフィールの座標点列（x(n), S(n)）を断面プロフィールとして導出する（Ｓ６０１、断面プロフィール導出工程）。当該所定の区間はビード及びビードの両側でビードの幅と同程度以上の範囲を含むと、以下で説明する関数近似を高精度で行うために好ましい。その後以下の処理を実行する。
【００４０】
（Ｓ７０１）変化度算出工程にて、導出した断面プロフィールのy座標点列S(n)の、ビードの幅方向に対する（すなわちnについて）傾斜の変化度を表す変化度点列F(n)を算出する。y座標点列S(n)の変化度として、例えばディジタル信号処理の分野で用いられる２次微分フィルタをy座標点列S(n)にかけて得られるF(n)をとることができる。y座標点列S(n)の変化の大きい急変部で変化度点列F(n)の絶対値は大きい値をとる。
【００４１】
この２次微分フィルタの例としては、2a+1個のy座標点列S(n)を中心としてS(n)を含む2a+1個の離散点を使って次式で表される２階差分フィルタがある。ここでaは検出すべき変化度に応じた適切な値を設定する。
【００４２】
【数５】
2008267836.tif 000007
【００４３】
ただし、生の測定値であるy座標点列S(n)を使うとノイズの影響が大きいので、２階差分処理の前処理として、S(n)を一旦平滑化し、さらに２階差分処理を行った後に得られる値を変化度点列F(n)とする、あるいは２階差分処理後さらに後処理として平滑化して得られた点列をF(n)とするなど、いろいろな方法が考えられる。上記特許文献３のように１階差分と平滑化を組み合わせて２階差分相当の処理を行う例もある。またSavitzky-Golay法のような平滑化と微分を同時に一つのフィルタで実現できる方法もある。ここでは連続関数における２次微分に相当する処理を離散点からなる断面プロフィールに対して適用したものを、広義に解釈して２階差分処理と呼ぶことにする。
【００４４】
（Ｓ７０２）止端部検出工程にて、ビードの左右外側より変化度点列F(n)のピーク探索を行い、例えば図８の（ｂ）に示したように、予め定めた閾値以上である区間を、左右の止端部に相当する二つの左右の区間（止端部区間と記す）IL、IRとして検出する。
【００４５】
（Ｓ７０３）ビード部近似工程にて、左右の止端部IL, IRにはさまれた内側のビード部に相当する区間にある断面プロフィールデータ（x(n), y(n)）を使って、最小二乗近似によりビード部を近似する。ただしF(n)の絶対値が予め定められた値より大きい急変区間に属するデータは最小二乗近似には用いない。欠陥のない正常なビード部の断面プロフィールを近似するにふさわしい第１の関数ｆ１（x）の関数形式を仮定し、正常部の断面プロフィールデータのみ使って最小二乗法により第１の関数を決定する。正常なビード部を近似する第１の関数形式と最小二乗法の方法については後に詳細に述べる。
【００４６】
（Ｓ７０４）母材部近似工程により、止端部の二区間IL、IRより外側の母材部分である範囲WL（左側）、WR（右側）の断面プロフィールデータ（x(n), y(n)）を用いて、最小二乗近似により左右の母材部をそれぞれ近似する。左右の母材部の断面プロフィールを近似するにふさわしい第２、第３の関数ｆ２（x）、ｆ３（x）の関数形式を仮定し、最小二乗法により第２、第３の関数を決定する。左右の母材部を近似する第２、第３の関数形式と最小二乗法の方法については後に詳細に述べる。
【００４７】
（Ｓ７０５）止端点算出工程により、第１の近似関数と第２の近似関数との交点を左止端点A（符号１３）、第１の近似関数と第３の近似関数との交点を右止端点B（符号１４）としてそれぞれの座標を算出する。尚、止端点とは、止端部（溶接止端部）の位置を示す代表的な点を意味する。
【００４８】
（Ｓ７０６）近似断面プロフィール算出工程にて、左右止端点ではさまれた区間I1、左側止端点より左外側の区間I2、および右側止端点より右外側区間I3でそれぞれ定義される第１、第２、第３の関数を使って、y座標点列S(n)に対応するx座標点列x(n)における近似関数の値T(n)を次式のように求める。
【００４９】
【数６】
2008267836.tif 000008
【００５０】
すなわち、本工程においては、第１、第２、及び第３の関数を、それぞれ左側止端点より左外側の区間I2、右側止端点より右外側区間I3、及び、もしあれば左右の止端部区間の間の急変区間に外挿又は内挿して、各関数の値を決める。そして、区分的近似曲線としてT(n)を導出する。
【００５１】
（Ｓ７０７）偏差データ算出工程にて、S(n)とT(n)との偏差データD(n)＝S(n)−T(n)を計算する。
【００５２】
（Ｓ７０８）欠陥形状算出工程にて、偏差データD(n)の大きさが予め定めた閾値以上の領域を欠陥として検出し、又、形状を評価する。
【００５３】
以上の処理フローを、欠陥のない正常部の場合、アンダーカット、及びアンダービードがある場合に適用した例の手順と処理結果を、図を使って具体的に説明する。
【００５４】
＜正常部＞
図８は欠陥のない正常部の処理結果を分かりやすく模式的に示したものである。図８(a)は抽出されたS(n)をy座標点列とする断面プロフィールを示す。図８(b)はS(n)を２階差分処理して得られるy座標点列F(n)を模式的に示しており、F(n)は形状の変化のある止端部において大きな値を示す。図８(b)において、F(n)の定められた閾値th以上のピークを有する区間を左右から内側に向かって探索・検出し、左右の止端部区間IL、IRとする。IL、IRではさまれた内側の領域WCにおいてはS(n)を用いて最小二乗法によって第１の関数で近似を行う。またWCより外側の左右の領域WL、WRにおいては、それぞれ最小二乗法により第２の関数及び第３の関数で近似する。
【００５５】
次に、ビード部を近似する第１の関数と左右母材部を近似する第２、第３の関数で表される曲線の交点をそれぞれ左右の止端点A,Bとして求める。左側止端点より左側の区間を第２の関数で、右側止端点より右側の区間を第３の関数で、左右止端点ではさまれた区間は第１の関数で、それぞれ近似して得られる図８(c)に示す区分的近似関数上のy座標点列をT(n)とする。
【００５６】
生の断面プロフィールを表す図８(a)に示したy座標点列S(n)と、図８(c)に示した近似関数上のy座標点列T(n)との差D(n)=S(n)−T(n)をとり、最終的に図８(d)で示す偏差データD(n)を得る。正常部の場合D(n)の絶対値は小さく、検出すべき欠陥に対応する閾値U以下のため、欠陥は検出されない。
【００５７】
＜アンダーカット＞
図９はアンダーカットがある場合の処理結果をわかりやすく模式的に示したものである。図９(a)は抽出されたS(n)をy座標点列とする断面プロフィールを示す。図９(b)はS(n)を用いて２階差分処理して得られるy座標点列F(n)を模式的に示している。アンダーカットは止端部に発生するので、図９(b)の場合、２階差分処理した結果であるF(n)はアンダーカットのある左止端部においてより大きなピーク値を示す。
【００５８】
図９(b)において、正常部の場合と同様に定められた閾値th以上のピークを有する左右の止端部区間IL、IRを探索し、断面プロフィールの変化の大きい止端部のIL、IRを除いた区間のS(n)を使って、図９(c)で示される区分的近似関数上のy座標点列T(n)を求める。
【００５９】
図９(d)で正常部の場合と同様に偏差データD(n)=S(n)−T(n)を求めると、アンダーカットのある部分で絶対値の大きいD(n)が得られる。偏差データD(n)の絶対値が予め設定した閾値UC以上である区間の幅wとD(n)の絶対値の最大値ｈをそれぞれアンダーカットの幅、深さとしてアンダーカットを抽出できる。
【００６０】
＜アンダービード＞
図１０はアンダービードがある場合の処理結果を分かりやすく模式的に示したものである。図１０(a)は抽出されたS(n)をy座標点列とする断面プロフィールを示す。図１０(b)はS(n)を２階差分して得られるy座標点列F(n)を模式的に示しており、止端部以外にビード部においてアンダービードに対応したF(n)の絶対値が大きな値を示す部分が見られる。
【００６１】
正常部の場合と同様に止端部区間IL、IRを求めた後、外側の区間WL、WRをそれぞれ第２、第３の関数で母材部を近似するところまでは同じであるが、アンダービードがあるビード部は、F(n)の絶対値が予め定められた閾値（例えば、th'の絶対値）以下の小さな値を示す区間WC1、WC2における断面プロフィールデータS(n)を使って、第１の関数により近似する。
【００６２】
図１０(d)で正常部と同様に偏差データD(n)=S(n)−T(n)を求めると、アンダービードのある部分で絶対値の大きいD(n)が得られる。偏差データD(n)の絶対値が予め設定した閾値UB以上である区間の幅wとD(n)の絶対値の最大値ｈをそれぞれアンダービードの幅、深さとしてアンダービードを抽出できる。
【００６３】
＜最小二乗法による関数近似方法の詳細＞
次に、ビード部近似工程（Ｓ７０３）を行うビード部近似回路と、母材部近似工程（Ｓ７０４）を行う母材部近似回路と、で行う最小二乗法による関数近似方法について説明する。x軸とy軸をそれぞれを鋼管の幅方向と高さ方向として、断面プロフィールを表す離散データの座標を（xi, yi）、(yi=S(i))とする。最小二乗法によれば、近似関数f(x)の形として例えば以下のようにｎ次多項式を仮定した場合、
【００６４】
【数７】
2008267836.tif 000009
【００６５】
係数{am}、（m=0,1,…,n）に関する以下の連立方程式を解いて近似関数を求められる。
【００６６】
【数８】
2008267836.tif 000010
【００６７】
近似関数として次式で表される円弧を仮定した場合、
【００６８】
【数９】
2008267836.tif 000011
【００６９】
係数{a, b, c}に関する以下の連立方程式を解いて近似関数を求められる。
【００７０】
【数１０】
2008267836.tif 000012
【００７１】
拡管成形前のUO鋼管の場合、断面プロフィールはビード部では緩やかな変化を示し、母材部では直線的な変化を示すので、ここではビード部を円弧で母材部を直線で近似している。
【００７２】
本発明の方法によれば、止端部や欠陥部における断面プロフィールの急変部を検出し、急変部を除いて断面プロフィールを関数近似するため、欠陥部のデータに影響を受けることなく断面プロフィールを近似できる。近似曲線データT(n)を欠陥の深さを測る基準線として、断面プロフィールデータS(n)からT(n)を差し引くことで欠陥の深さD(n)=S(n)−T(n)を精度よく求めることができる。
【００７３】
D(n)の符号が負で絶対値が欠陥検出閾値以上である部分を１、それ以外の部分に０を与える二値化処理を行って、長手方向に得られた偏差データ列も含め１の部分を連結処理する。幅方向、長手方向に２次元的に連結された欠陥部分が抽出でき、幅、深さ、長さなど欠陥の大きさ又は形状のうち少なくとも一方を正しく認識できる。
【００７４】
（第２の実施の態様）
上記の断面プロフィール導出手段６は、撮像手段５から撮像画像を取り込んでディジタルデータ化する画像取り込みボード、内蔵メモリ、ＨＤＤやＤＶＤ−ＲＡＭ等の外部記録装置、キーボードやマウス等の入力装置、他の情報端末とのデータの送受信をするためのネットワーク＝インターフェース、その他のＩ／Ｏボード、及びコンピュータ＝ディスプレー等を具備するコンピュータで構成することができる（図示せず）。
【００７５】
又、上記の信号処理制御装置７も同様にして、コンピュータで構成することができる。さらに、断面プロフィール導出手段６と信号処理装置７を一体化して、一台のコンピュータ＝システムで構成するようにしても良い。
【００７６】
そして、上記の断面プロフィールを導出する各処理（Ｓ６０１）、及び信号処理装置７で行うＳ７０１〜Ｓ７０８の工程の各処理、並びに撮像装置の制御のための処理をコンピュータに実行させるためのソフトウエアを上記のＨＤＤや内蔵メモリにロードして実行させることにより、所望の溶接部の表面欠陥形状検出装置を実現することができ、又、溶接部の表面欠陥形状検出方法を実施することが可能となる。上記の処理によって得られる表面欠陥形状の測定結果を付属のコンピュータ＝ディスプレー上に表示し、又、ネットワーク＝インターフェースを通じて外部の溶接操業管理用コンピュータに伝送するようにしても良い。
【実施例】
【００７７】
図１２、図１３、図１４は、欠陥のない正常部、アンダーカット、アンダービードがある場合の処理結果を示している。
【００７８】
幅方向画素数ＩＨ＝６５６、高さ方向画素数ＩＶ＝４８４、画素サイズｄＸ＝ｄＹ＝１０μmのカメラにて、カメラを撮影角度θ＝４５°、作動距離Ｌ＝２０７ｍｍになるように配置し、内径８９５ｍｍの鋼管内面の断面プロフィールを測定した。ビードは幅が２０ｍｍ、高さが２ｍｍ程度、アンダーカットは幅が１．５ｍｍで深さは０．５ｍｍ程度、アンダービードは幅が３ｍｍ、深さが０．７ｍｍ程度である。
【００７９】
各図の(a)は断面プロフィール導出手段６で導出された断面プロフィールと、変化度算出工程（Ｓ７０１）を行う変化度算出回路から出力された変化度である２階差分結果とを合わせて示している。
【００８０】
(b)は近似断面プロフィール算出工程（Ｓ７０６）を行う近似断面プロフィール算出回路から出力された近似断面プロフィールを前記断面プロフィールとともに示している。
【００８１】
(c)は偏差データ算出工程（Ｓ７０７）を行う偏差データ算出回路から出力された偏差データを前記断面プロフィールとともに示している。
【００８２】
疵部のない正常なビードでは偏差データの凹凸はないが、アンダーカットとアンダービードでは疵の凹部に対応した偏差データを算出できた。アンダービードのように比較的大きい疵でも疵部の断面プロフィールに影響を受けることなく疵部を除いた断面プロフィールを近似でき、元の断面プロフィールとの偏差を算出することで、疵部に対応した凹部が的確に検出できた。
【００８３】
このように欠陥に相当する凹凸部分を偏差データとして算出でき、偏差データを長手方向に並べていけば、欠陥の形状を３次元的に捉えることが可能になる。
【００８４】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の溶接部の表面欠陥形状検出装置の実施の形態である、線状光源または点状光源を使った光切断法での全体構成の概略を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態での断面プロフィールの測定方法における、線状光源または点状光源を使った光切断法での光学配置と、物体側と像側の座標系を示す図である。
【図３】止端部に生ずるアンダーカットの一例を示す図である。
【図４】止端部に生ずるアンダーカットの一例の断面図である。
【図５】ビード部に生ずるアンダービードの一例を示す図である。
【図６】ビード部に生ずるアンダービードの一例の断面図である。
【図７】本発明の溶接部の表面欠陥形状検出方法の実施の形態における各工程のフローチャートである。
【図８】本溶接部の表面欠陥形状検出方法の実施の形態において、欠陥のない正常部の処理結果を説明する図である。
【図９】本溶接部の表面欠陥形状検出方法の実施の形態において、アンダーカットのある場合の処理結果を説明する図である。
【図１０】本溶接部の表面欠陥形状検出方法の実施の形態において、アンダービードのある場合の処理結果を説明する図である。
【図１１】本溶接部の表面欠陥形状検出方法の実施の形態における、光切断像と輝度分布の関係を説明する図である。
【図１２】本溶接部の表面欠陥形状検出方法の実施例において、欠陥のない正常部の信号処理結果を説明する図である。
【図１３】本溶接部の表面欠陥形状検出方法の実施例において、アンダーカットがある場合の信号処理結果を説明する図である。
【図１４】本溶接部の表面欠陥形状検出方法の実施例において、アンダービードがある場合の信号処理結果を説明する図である。
【符号の説明】
【００８６】
１    溶接鋼管（被検査体）
２    投光装置（線状レーザ光源又は走査式点状レーザ光源）
３    光切断像（投光パターン）
４    線状レーザビームあるいは走査式点状ビームの軌跡（空中）
５    撮像装置
６    画像処理装置
７    信号処理制御装置
１０    ビード部
１１    止端部
１２    母材（ビード外側の周辺部）
１３    左止端点
１４    右止端点
５１    撮像面
１０１    アンダービード
１１１    アンダーカット
Ｓ６０１    断面プロフィール導出工程
Ｓ７０１    変化度算出工程
Ｓ７０２    止端部検出工程
Ｓ７０３    ビード部近似工程
Ｓ７０４    母材部近似工程
Ｓ７０５    止端点算出工程
Ｓ７０６    近似断面プロフィール算出工程
Ｓ７０７    偏差データ算出工程
Ｓ７０８    欠陥形状算出工程
【図１】
2008267836.tif 000013
【図２】
2008267836.tif 000014
【図３】
2008267836.tif 000015
【図４】
2008267836.tif 000016
【図５】
2008267836.tif 000017
【図６】
2008267836.tif 000018
【図７】
2008267836.tif 000019
【図８】
2008267836.tif 000020
【図９】
2008267836.tif 000021
【図１０】
2008267836.tif 000022
【図１１】
2008267836.tif 000023
【図１２】
2008267836.tif 000024
【図１３】
2008267836.tif 000025
【図１４】
2008267836.tif 000026