(57)【要約】      （修正有）【課題】鋼板を加工用レーザにて突合わせ溶接加工するにあたり、加工製品の信頼性を高めるためコストや運用の改善を図った測定方法及び検査方法を提供する。【解決手段】薄板鋼を被溶接材とした重ね合わせ溶接部において、イメージセンサを用いて、溶接線及び溶接線付近の２次元座標及び各画素の輝度情報を集計処理し、直ちに溶接欠陥や、突合わせ線と溶接線とのずれの検出、溶接加工機の加工条件の最適化を、リアルタイムで処理し、即座に溶接機にフィードバックする。これにより、溶接加工システム全体の加工効率を高め、溶接品質を均一化することにより、積極的に溶接欠陥の防止をすることができる。【選択図】図２３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接加工における溶接ビードと溶融池の状態を、光学的なイメージセンサを用いて撮影し、撮影したイメージを階調表現された濃淡画像として認識処理することを特徴とする溶接部のイメージ処理方法。
【請求項２】
複数の鋼板で突合せ溶接を行うにあたり、鋼板の突合せ線と、溶接後の溶接線とのずれの発生と、鋼板間の隙間の程度を検出し、溶接中に撮影した溶融池のイメージデータをもとに、イメージデータを構成する各画素毎に輝度の集計を行い、座標値と輝度値からなる輝度分布表を作成することにより、輝度値と、突合せ線を示すエッジ部により、評価することを特徴とする請求項１記載の溶接部のイメージ処理方法。
【請求項３】
複数の鋼板で突合せ溶接を行うにあたり、請求項１及び請求項２のイメージ処理方法をリアルタイムに運用し、突合せ線と溶接線のずれの発生を、直ちに溶接加工機にフィードバックして溶接加工部の位置補正を行うことを特徴とする溶接管理システム。
【請求項４】
請求項１及び請求項２のイメージ処理方法を用いることにより、溶接中に生成する溶融池の大きさと、その形状を認識し、これを直ちに解析し、新たな加工情報として、溶接加工機のための出力制御と加工機の送り速度を、リアルタイムで溶接加工機にフィードバックすることを特徴とする溶接機のためのフィードバックシステム。
【請求項５】
鋼板の突合せ溶接に先立ち、請求項１のイメージ処理方法により、突合せ線の位置検出と、その鋼板間の隙間検出を同時に行うことにより、突合せ溶接の不良発生を未然に防ぐことを特徴とする突合せ線検出システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ発振器を使用したレーザ溶接において、溶接部分の検査方法に係り、特に、一対の被溶接部材を突合せ溶接する際の溶接前においては、突合せ線の検出と鋼板間の隙間検出、溶接中においては、溶接ビード、および溶融池の観測、溶接後においては、溶接ビードの観測を行う、レーザ溶接のためのイメージ処理方法とこれを使用した計測システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、レーザ光による溶接が盛んになってきているが、特にテーラードブランク材や薄鋼板の突合せ溶接や重ね合わせ溶接は、自動車業界において車両の軽量化や剛性アップにつながる技術であり早期の実用化が求められていた。しかしながら鋼板の突合わせ溶接は、素材自体の反れや、処理された端面の形状精度の問題があるため、これに気づかずに、溶接の接合部分の位置がずれた状態で溶接を行うと、規定の溶接強度が得られず不良品を出してしまうこととなる。
また、レーザ溶接は、その設備投資の高額さから生産性を求められる傾向にあり、作業者は長時間の無人運転をしいられることとなる。そして無人運転により大量生産する場合、溶接不良の発生をできる限り迅速に検知する術をもたないと、不良発見時には既に大量の不良製品をかかえることとなってしまうため、生産者からは迅速かつ信頼性の高い検査システムを望む声が多くあった。
このような状況にあっても、市場の要求は溶接加工機の自動化や高品質化のみならず、その知能化が求められてきているが、これを実現するための実用的な計測装置の導入はなかなか進んでいない状況である。上記のような声に対し、市場にはいくつかの計測装置があるが、レーザ測定による解析や、プラズマセンサ等、その多くが高価であり、計測データも扱いにくく、データ処理の負荷も高く運用し難いものであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、鋼板を、加工用レーザにて突合せ溶接加工するにあたり、加工製品の信頼性を高めるための測定及び検査装置に関し、特に、導入コストや運用等の問題に鑑みてなされたものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１の溶接部のイメージ処理方法は、溶接加工における溶接ビードと溶融池の状態を、光学的なイメージセンサを用いて撮影する方法において、撮影したイメージを階調表現された濃淡画像として認識処理することを特徴とする。
【０００５】
本発明の請求項２の溶接部のイメージ処理方法は、複数の鋼板で突合せ溶接を行うにあたり、鋼板の突合せ線と、溶接後の溶接線とのずれの発生と、鋼板間の隙間の程度を検出するために、請求項１のイメージ処理方法を用いることにより、溶接中に撮影した溶融池のイメージデータをもとに、イメージデータを構成する各画素毎に輝度の集計を行い、座標値と輝度値からなる輝度分布表を作成することにより、輝度値と、突合せ線を示すエッジ部により評価することを特徴とする。
【０００６】
本発明の請求項３の溶接管理システムは、複数の鋼板で突合せ溶接を行うにあたり、請求項１及び請求項２のイメージ処理方法をリアルタイムで運用することにより、突合せ線と溶接線のずれの発生を、直ちに溶接加工機にフィードバックすることにより、溶接加工部の位置補正を行うことを特徴とする。
【０００７】
本発明の請求項４の溶接機のためのフィードバックシステムは、請求項１及び請求項２のイメージ処理方法を用いることにより、溶接中に生成する溶融池の大きさと、その形状を認識し、これを直ちに解析し、新たな加工情報として、溶接加工機のための出力制御と加工機の送り速度を、リアルタイムで溶接加工機にフィードバックすることを特徴とする。
【０００８】
本発明の請求項５の突合せ線検出システムは、鋼板の突合せ溶接に先立ち、請求項１のイメージ処理方法により、突合せ線の位置検出と、その鋼板間の隙間検出を同時に行うことにより、突合せ溶接の不良発生を未然に防ぐことを特徴とする。
【０００９】
【作用】
請求項１のイメージ処理方法によると、図１に示すように、加工用レーザヘッド１の近傍に、イメージセンサ４を取付け、加工用レーザ光２が照射しつつ溶接線に沿って移動することにより、加工用レーザ光が照射されて部分で溶融池１２と溶接ビード３が随時生成するが、この部分は映像としてイメージセンサ４に捕捉される。
イメージセンサ４は、図２に示すように、まず保護フィルタ６で溶接時のヒュームやスパッタからイメージセンサ本体を保護し、通過した映像は光学フィルタ７で必要とする帯域の映像のみ抽出後、レンズ８にて集光され、受光部９に伝えられる。受光された映像信号はアンプ１１により適宜調整され、デジタル化された信号としてコンピュータ等に転送される。
受光部９は図３に示すように、２次元の平面で構成され、多数の画素１０が格子状に配置される。各画素は受光した光の強弱（明暗）に対する分解能を有しているため、各画素の位置に対応する２次元座標と、各画素の光の強弱の信号は信号ケーブル５に出力される。
【００１０】
各画素の光の強弱に対する分解能に関しては、第１段階としてのアンプ１１と、第２段階としてのコンピュータ処理などにより、複数段階で調整可能である。ここでは、アンプ内で１０ビット（１０２４階調）に調整されたデジタル映像信号は、コンピュータ等で８ビット（２５６階調）に再調整された後、各種演算処理を行う。
映像データは、輝度情報のみのグレースケール映像であり、図４に示すように光りの強弱が最終的に２５５から０の番号のグレースケールのデジタル信号に変換される。
【００１１】
ここで、溶接光のように強い発光部を捕捉するためには、映像データを適宜調整する必要があるが、これに関しては、コンピュータ内の処理において、図５（ｃ）に示すように必要とされる部分のみが抽出されるし、図５（ｄ）に示すように、光の強度を対数処理すれば人間の視覚に近づけられる。
これらに関してはコンピュータのプログラム処理として、必要とする透過特性を有するソフトウエアを用意することにより適宜対応される。
また、アンプ１１の特性設定を行えば、コンピュータ処理の前段階で映像信号は補正される。
【００１２】
請求項２のイメージ処理方法によると、上記で述べたイメージセンサを用いて取り込んだデータの処理を行うものであるが、まず第１に処理系の座標の校正を行うことが必要であり、その操作について、図６を元に述べる。図６（ａ）、図６（ｂ）は、左右方向がＸ軸、上下方向がＹ軸であり、Ｘ軸は左から０から６４０画素（ピクセル）、Ｙ軸は上から下方向に０から４８０画素（ピクセル）であり、同じ焦点で撮影したスケールを図６（ａ）に示し、レーザのガイド光を図６（ｂ）に示す。ガイド光のスポットの大きさは横幅０．９ｍｍ、縦幅２ｍｍであり、これは溶接加工時のレーザのスポット径と同じである。
図６（ｃ）は図６（ａ）の定規の１ｍｍ間の目盛りにおける画素数を測定したものであるが、この図より、この焦点における定規の１ｍｍの目盛り間は２３画素であることがわかる。
【００１３】
また、隙間０ｍｍで突合わせ溶接した場合の測定状況を図７に示す。図７（ａ）は溶接時の溶融池の状態であり、図７（ｂ）、図７（ｃ）に示すように、グラフの山の部分の幅はおよそ２３ピクセルであり、レーザーの横幅と概ね一致することから正確な画像が撮影できていることがわかる。また溶融池形状の変化だが、図７（ｄ）から図７（ｇ）に示すように、時系列で溶融池の変化が得られる。
このように、画像情報を取得し、画像処理にかけ、２値化やエッジ部の検出を行うことにより突合わせ線上の状況が迅速かつ高速に得られる。
【００１４】
ちなみに、図７（ａ）、（ｄ）など、溶融池の画像に関しては、図８に示すように、溶融池１２下側に光の揺らぎが見られるが、これはアシストガスによるプラズマ発光１６であり、この発光部分をそのまま取り込むとノイズとなってしまうため、輝度分布を作成するための断面１５は、プラズマ発光部から若干離れた個所に設定する。
【００１５】
請求項３の、溶接管理システムによると、鋼板の突合わせ溶接を行うにあたり、上記で述べたイメージ処理システムからの情報を、直ちにコンピュータにデータを転送し、コンピュータ内で加工のための補正情報が算出され、これは停滞無くリアルタイムでレーザ加工機にフィードバックされる。その基本処理の一例をフローとして図９に示す。
【００１６】
請求項４のフィードバックシステムは、上記で述べてきたイメージセンサにより、溶融池の状態が随時リアルタイムでモニタリングされ、この結果がコンピュータに送られる。コンピュータ内では、溶融池の規模や、その輝度の大きさにより、レーザ加工機と加工品にとって適切な適切な出力制御がなされ、これが停滞無くリアルタイムで溶接加工機にフィードバックされる。
【００１７】
請求項５の突合わせ線検出システムでは、上記で述べてきたイメージ処理システムを用いることにより、被溶接材である鋼板の突合わせ線の検出と、鋼板間の隙間の検出を行う。試験システムでは、Ｘ軸６４０画素、Ｙ軸４８０画素であるが、このレベルの受光部であっても、１ｍｍあたり２３画素の分解能を持っており、これは０．０４ｍｍ程の精度を意味している。鋼板のずれや隙間を捕捉するには十分な精度であると言える。
図１０に示すように、イメージセンサ４により、突合わされた鋼板のそれぞれの端面のエッジＥ１、Ｅ２を検出し、上記の精度で取得した鋼板の画像データがコンピュータ処理されることにより、突合わせ部の詳細な形状データが得られる。このデータを適宜処理し、レーザ加工機にフィードバックすることにより、突合わせ線の軌跡にレーザ加工機の動きが同調し、突合わせ線に対し高精度で加工用レーザーが照射される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るレーザ溶接のための、実施形態の説明を図に従って行う。
まず、レーザ溶接機本体を図１１に示すが、本体には半導体レーザヘッド１と共に、その近傍にイメージセンサ４が備え付けられている。イメージセンサは小型のため溶接ヘッドに組み込むことが可能であり、溶接状態の監視だけでなく制御システムの一部も組み込まれているため、溶接時の溶接条件制御、溶接線位置決めの他、突合わせ溶接面の形状判断も行う。
このように加工用レーザヘッドの近くにイメージセンサを装備することにより、加工用レーザと同軸上の画像をいち早く取り込み、溶接中の溶融池の状態から最適な溶接機の送り速度を決定し、溶接加工機へ通知する。
【００１９】
図１２はイメージセンサの実施例であるが、ここではイメージセンサとしてＣＭＯＳカメラを選定している。ＣＣＤカメラも使用可能ではあるが、画像入力部のダイナミックレンジの広さと消費電力の少なさからＣＭＯＳカメラを採用した。撮影された画像はコンピュータ処理され、正常に溶接された状態と、欠陥のある状態で溶接された違いを比較できる。画像の比較には画像の画素（ピクセル）のラインに沿ったグレースケール値を表すこと（ラインプロファイル）のできる画像処理ソフトを用いる。また溶融池の部分を鮮明にするために画像にエッジの鮮鋭化処理を施し、溶融池部分と背景間にコントラストを持たせている。
【００２０】
これより、本発明の解析システムによるデータ処理の実施例を示す。
図１３、図１４は、鋼板間の隙間を０．２ｍｍとし、正常に溶接できた場合と、正常に溶接できなかった場合の比較のデータである。双方を比較すると、図１４（ａ）（ｂ）の差が示すように、溶融池形状を比較すると図１４（ａ）では時間が経過すると溶接時に発生するプラズマが減少していることがわかる。これと、図１３（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）のグラフの立ち上がり部の幅とを合わせて検証すると、溶融池２では、鋼板間の隙間が０．２ｍｍより広くなり、レーザーの当たる面積が減少したため、プラズマが減少したと考えられる。また隙間の部分のラインプロファイルを行うとグラフの山の部分はＭ字型になる。
【００２１】
図１５、図１６は、意図的に加工用レーザの照射位置を０．２ｍｍずらした場合の、検出状況を示している。図１５（ｃ）、（ｄ）のグラフの左側が膨らんだ状態になっており、また図１５（ｄ）では突合わせ線らしきエッジが検出されているのがわかり、突合わせ線と溶接線とのずれを客観的に認識することができる。
【００２２】
次にイメージセンサに装着する光学フィルタの実施例を示す。
ＣＭＯＳカメラに映像が入力される前段階で、映像を光学フィルタにかけることにより、必要な情報をあらかじめ抽出することが可能である。これによりデータ処理の負荷も軽減できる等、光学フィルターは本システムの運用をする上で重要な構成要素である。
例えば、光学フィルターによりレーザ光を吸収すれば、レーザの反射光のみ除去したりすることも可能であり、物体の形状をよりはっきりとえることができるようになる。
光学フィルタに関しては、図１７に示すようなものが一般に考えられる。
図１７（ａ）はバンドパスフィルタであり、特定範囲の周波数のみフィルターを通過できる。図１７（ｂ）のハイパスフィルター、図１７（ｃ）のローパスフィルターは、それぞれ高い周波数のみ、もしくは低い周波数のみフィルターを通過できる。
【００２３】
図１８は光の透過率を測定する前に用いた光源の波長を示し、図１９はフィルタとして使用した茶色のアクリル板の透過率を示す。このグラフより茶色アクリル板は波長７００ｎｍ以下の波長をカットする特性をもっていることが推測される。市販のバンドパスフィルターが５００ｎｍ以下の波長をカットできるものから、１０００ｎｍ以下の波長をカットできるものまで存在するので今回はこのアクリル板をフィルタとして利用している。
【００２４】
ＣＭＯＳカメラの取付に位置に関して、図２１に示す。図２１（ａ）は加工用レーザと同軸で溶融池の映像を撮り込む場合であり、溶融池の発光状況の映像はそのまま加工用レーザヘッド１の内部に入り、ここでミラー１３により反射させることによりイメージセンサ４’に捕捉される。この形態では、加工用レーザを放出している場合は溶融池のみ観測可能であり、加工用レーザが停止している場合は、隙間計測が可能となる。加工用レーザと溶融池映像を同軸にすることにより、常時正確に溶融池を観測することが可能となる。
図２１（ｂ）はイメージセンサによる映像取り込みを主軸周辺から行う場合であり、加工用レーザ射出の制限は無いが、溶融池観測を行う場合には、観測スポットの位置制御を行うための、イメージセンサの駆動装置が必要となる。
【００２５】
しかしながら、上記のように１個のイメージセンサでは、それぞれの構成により長所、短所があるため、より完全な形態を目指すならイメージセンサは２個必要となる。これを図２２に示す。これにより１個目のイメージセンサ４’’で、先行して鋼板の隙間や位置ずれを検知し、２個目のイメージセンサ４’で溶融池の状態や位置を検知できるため、リアルタイムで、かつ効率良く溶接情報の収集が可能となる。
【００２６】
システム構成図及びフローの一例を図２３に示す。図２３（ａ）には上記で述べたようにイメージセンサを２個配置することにより、鋼板の隙間や位置を先行して検知しつつ、溶融池の溶接状況の観測を行い、この映像情報は直ちにデジタル化され、コンピュータ１８に転送される。
コンピュータ内では、図２３（ｂ）に示すように、未溶接部の鋼板の隙間や合わせ面のずれは先行制御的に処理され、溶接線の位置補正に反映される。また溶融池観測により輝度分布表がリアルタイムで作成され、加工用レーザ光が照射されている溶接部分の状況が解析される。  解析後、修正が加えられた新たな加工情報は、直ちにレーザ加工機の制御部１９に指令として送られる。
【００２７】
これらの処理により、溶接線の位置補正、レーザ加工機の出力補正、送り速度の補正がリアルタイムで最適制御される。
鋼板の隙間が過大の場合であっても、溶接棒１４により、自動的に素材の供給が行われるため、溶接品質を落とさずにある程度の対応が可能となっている。もし、修正不可能なレベルで問題が発生した場合は、溶接を中断しアラームを出す。
そして、観測されたデータ群はログとしてコンピュータ内に保存され、データベース処理を行うことにより、レーザ加工システムの故障診断や、実際に故障する前のメンテナンス予想をしたり、加工した製品の品質のバラツキを検証することも可能となっている。
【００２８】
本発明は、以上説明した実施形態に限定されることなく、発明の要旨内での設計変更や構成要素の変更、および組み合せの変更が自由に行われる。例えばイメージセンサの受光部の画素を変更したり、受光部のアンプ、光学フィルタ等の選定など調整可能な項目に関して、各種溶接内容に最適化することによりあらゆる状況下で測定が可能となる。
【００２９】
【発明の効果】
請求項１の溶接部のイメージ処理方法によると、その受光部に、世の中に広く使用されているＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラを容易に組み込むことができるため、装置そのものを簡素化し、コンパクト化した状態で加工用レーザヘッドの近傍に装着することが可能となる。受光部であるカメラ部の選定に関し高い自由度を持てることから、高速撮影可能なＣＭＯＳカメラを用いることによりＣＣＤカメラより５倍以上のサンプリングを行うことができる。これにより毎秒１００から３００フレームの画像を取り込むことができるが、将来的により高速なカメラが市場に投入されれば即座にそれを応用し、より高速な受光部を作り上げることができる。また現状のＣＭＯＳカメラを使用した場合でも、溶融池の測定と演算を行い、これを溶接加工機にフィードバックする間隔は３から１０ミリ秒であることは、高い実用レベルにあることを物語るものである。
【００３０】
請求項２の溶接部のイメージ処理方法によると、イメージセンサで取り込んだ溶接池の情報を、数値化することにより、肉眼では判定しにくい不具合であっても客観的かつ正確な良否の判定を、迅速に溶接作業者に知らしめることにより、不良品の発生を抑制することができる。
【００３１】
請求項３の溶接管理システムによると、上記のイメージセンサのような視覚センサにより、溶接中の複数の対象を同時、かつ高速に撮影できるため、高品質な溶接の自動化・無人化を実現することが可能となり、レーザー溶接システムの溶接品質の安定と向上のために、溶融池の状況、溶接中のビードの形状をリアルタイムで監視し、溶接条件を自動かつ瞬時に最適制御できるシステムを完成させることが可能となる。
【００３２】
請求項４の溶接機のためのフィードバックシステムは、上記述べたように高速な画像処理システムにより、迅速に溶接状況の把握を行うことができるため、刻々と変化する加工状況下であっても、最適化した加工条件をリアルタイムで溶接加工機に反映することが可能となる。
【００３３】
請求項５の突合わせ線検出システムは、加工素材である鋼板の位置ずれや隙間を容易に認識できるようになるため、位置ずれや隙間に起因する溶接不良を事前に防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】溶接機とイメージセンサの構成図である。
【図２】イメージセンサの構成図である。
【図３】受光部の構成図である。
【図４】映像情報の階調化処理を示す説明図である。
【図５】受光部のアンプによる信号処理を示す説明図である。
【図６】イメージセンサによる位置情報の校正を示す写真と波形図である。
【図７】隙間０の突合わせ溶接関して、測定結果を示す写真と波形図である。
【図８】溶融池の写真の説明図である。
【図９】プログラムのアルゴリズムを示すフロー図である。
【図１０】イメージセンサによる鋼板のエッジ検出を示す作用図である。
【図１１】レーザ溶接機の機械構成を示す外観図である。
【図１２】イメージセンサ取付の実施例を示す外観図である。
【図１３】溶接良否に関する測定結果の比較を示す写真と波形図である。
【図１４】溶接良否に関する測定結果の比較を示す写真である。
【図１５】０．２ｍｍずらした場合の測定結果を示す写真と波形図である。
【図１６】０．２ｍｍずらした場合の測定結果を示す写真と波形図である。
【図１７】各種光学フィルターの説明図である。
【図１８】光源の波長を示す特性図である。
【図１９】茶色アクリル板の透過率を示す特性図である。
【図２０】茶色アクリル板の光源の透過測定値を示す特性図である。
【図２１】イメージセンサの配置図である。
【図２２】２個のイメージセンサを配置した場合の外観図である。
【図２３】溶接システムの構成図及びフロー図である。
【符号の説明】
１                  加工用レーザヘッド
２                  加工用レーザ光
３                  溶接ビード
４、４’、４’’    イメージセンサ
５                  信号ケーブル
６                  保護フィルタ
７、７’、７’’    光学フィルタ
８                  レンズ
９                  受光部
１０                画素
１１                アンプ
１２                溶融池
１３                ミラー
１４                溶接棒
１５                断面
１６                プラズマ発光
１７                加工用レーザ発振器
１８                コンピュータ
１９                レーザ加工機制御部
Ｅ１、Ｅ２          エッジ
Ｗ                  被溶接材
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
2005014027.tif 000021
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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