(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接中の作業部分をイメージセンサによって撮影した画像によって溶接状況を監視するようにした溶接状況監視装置において、イメージセンサの出力特性の変換テーブルを用いて、任意の輝度領域におけるイメージセンサの出力を強調してとり出す手段を設け、溶接中の溶接部位における輝度の高い領域のイメージセンサの出力およびビード部分における輝度の低い領域のイメージセンサの出力をそれぞれ強調してとり出して、イメージセンサによって撮影された画像における溶接中の溶接部位とビード部分とのコントラストを高めるとともに、前記溶接部位の輝度の高い領域と前記ビード部分における輝度の低い領域との間におけるイメージセンサの出力を一定に固定するようにしたことを特徴とする溶接状況監視装置。
【請求項２】
イメージセンサの画素単位となる光センサ回路が、フォトダイオードに流れるセンサ電流を弱反転状態で対数特性をもって電圧信号に変換するＭＯＳトランジスタからなり、前もってそのＭＯＳトランジスタのドレイン電圧を変化させてフォトダイオードの寄生容量の残留電荷を排出する初期化手段を有することを特徴とする請求項１の記載による溶接状況監視装置。
【請求項３】
イメージセンサの画素単位となる光センサ回路が、光信号を検知して電気信号に変換するフォトダイオードと、そのフォトダイオードの寄生容量の電荷を充放電するための第１のＭＯＳ型トランジスタと、前記フォトダイオードの端子電圧を画素信号として蓄積するためのコンデンサと、前記フォトダイオードの寄生容量の電荷をそのコンデンサへ転送するための第２のＭＯＳ型トラジスタと、前記コンデンサの端子電圧を増幅するための第３のＭＯＳ型トランジスタと、その増幅された画素信号を選択的に出力させる第４のＭＯＳ型トランジスタとからなり、画素信号を蓄積する前に一定時間第１のＭＯＳ型トランジスタと第２のＭＯＳ型トランジスタとをオンにして、前記フォトダイオードの寄生容量と前記コンデンサとの充放電を行って両者の端子電圧を同じにしたのち、一定の蓄積特間の経過後に第２のＭＯＳ型トランジスタをオフにして前記コンデンサの端子電圧を保持状態としたうえで、第４のＭＯＳ型トランジスタをオンにするようにしたシャッタ機能を有していることを特徴とする請求項２の記載による溶接状況監視装置。
【請求項４】
イメージセンサとしてのＣＭＯＳカメラを溶接ヘッドに一体に取り付けて、そのＣＭＯＳカメラによって作業部分における溶融池およびビード部を一括して撮影するようにしたことを特徴とする請求項１の記載による溶接状況監視装置。
【請求項５】
イメージセンサとしてのＣＭＯＳカメラによって作業部分における溶融池およびビード部を一括して撮影するようにしたうえで、その撮影した画像のデータを取り込んで溶接状況の判定を行う画像処理手段を設けたことを特徴とする請求項１の記載による溶接状況監視装置。
【請求項６】
ＣＭＯＳカメラによって撮影した画像のデータにもとづいて溶融池の面積、溶融池の長さおよび幅、ビード幅、表面欠陥の数、表面欠陥の面積を求めて溶接状況の判定を行うようにしたことを特徴とする請求項５の記載による溶接状況監視装置。
【請求項７】
溶接状況の判定結果に応じて溶接条件を可変に制御する制御手段を設けたことを特徴とする請求項５の記載による溶接状況監視装置。
【請求項８】
イメージセンサとしてのＣＭＯＳカメラによって作業部分における溶融池およびビード部を一括して撮影するようにしたうえで、その撮影した画像のデータに求づいて溶接位置のずれを求める画像処理手段と、その求められた溶接位置のずれを修正する位置修正手段とを設けたことを特徴とする請求項１の記載による溶接状況監視装置。
【請求項９】
つき合せ溶接の作業中に、つき合せられた被溶接部材の間隙の中心と溶融池の重心位置との間にずれを求めて、そのずれが零となるように溶接ヘッドまたはつき合せられた被溶接部材を移動するようにしたことを特徴とする請求項８の記載による溶接状況監視装置。
【請求項１０】
ＣＭＯＳカメラによって撮影した画像のデータにもとづく画像処理によってつき合せられた被溶接部材の間隙の距離を測定して、その測定した値が所定距離を越えているときに溶接作業を停止する制御手段を設けた特徴とする請求項８の記載による溶接状況監視装置。
【請求項１１】
重ね溶接の作業中に、重ねられた被溶接部材のエッジからの所定距離と溶融池の重心位置との間のずれを求めて、そのずれが零となるように溶接ヘッドまたは重ねられた被溶接部材を移動するようにした特徴とする請求項８の記載による溶接状況監視装置。
【請求項１２】
被溶接部材に対して非接触で溶接を行わせる溶接装置の溶接ヘッド部分に取り付けたイメージセンサとしてのＣＭＯＳカメラにより溶接中の輝点部分を斜め方向から撮影するようにしたうえで、その輝点が常にＣＭＯＳカメラにより撮影された画像上の定位置にくるように、被溶接部材に対する溶接ヘッドの高さ調整を行わせる手段を設けたことを特徴とする請求項１の記載による溶接状況監視装置。
【請求項１３】
溶接前のティーチング時に、被溶接部材の溶接開始点を照射する輝点がＣＭＯＳカメラによって撮影された画像上の定位置にくるように、溶接ヘッドと被溶接部材との相対的な位置決めを行わせるようにしたことを特徴とする請求項１２の記載による溶接状況監視装置。
【請求項１４】
ＣＭＯＳカメラの画素単位となる光センサ回路が、フォトダイオードに流れるセンサ電流を弱反転状態で対数特性をもって電圧信号に変換するＭＯＳ型トランジスタのドレイン電圧を変化させてフォトダイオードの寄生容量に残留する電荷を排出する初期化手段を有することを特徴とする請求項４，５，８，１２の何れかの記載による溶接状況監視装置。
【請求項１５】
ＣＭＯＳカメラの画素単位となる光センサ回路が、光信号を検知して電気信号に変換するフォトダイオードと、そのフォトダイオードの寄生容量の電荷を充放電するための第１のＭＯＳ型トランジスタと、前記フォトダイオードの端子電圧を画素信号として蓄積するためのコンデンサと、前記フォトダイオードの寄生容量の電荷をそのコンデンサへ転送するための第２のＭＯＳ型トラジスタと、前記コンデンサの端子電圧を増幅するための第３のＭＯＳ型トランジスタと、その増幅された画素信号を選択的に出力させる第４のＭＯＳ型トランジスタとからなり、画素信号を蓄積する前に一定時間第１のＭＯＳ型トランジスタと第２のＭＯＳ型トランジスタとをオンにして、前記フォトダイオードの寄生容量と前記コンデンサとの充放電を行って両者の端子電圧を同じにしたのち、一定の蓄積特間の経過後に第２のＭＯＳ型トランジスタをオフにして前記コンデンサの端子電圧を保持状態としたうえで、第４のＭＯＳ型トランジスタをオンにするようにしたシャッタ機能を有していることを特徴とする請求項１４の記載による溶接状況監視装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、溶接装置における溶接中の作業部分をイメージセンサによって撮影した画像によって溶接状況を監視するようにした溶接状況監視装置に関する。
背景技術
一般に、最近のレーザ溶接装置などにあっては、溶接条件の判定を行うために、溶接中の作業部分をイメージセンサによって撮影した画像によって溶接状況を監視するようにしている。
第２９図は金属表面におけるレーザ溶接中の作業部分の状態を示しており、レーザ光の照射を受けて高温の溶融状態になった溶接部位および溶融池と、その溶融池の背後に形成される溶融金属が凝固したビード部とからなっている。溶接の良否を判断するためには、そのうちの高輝度の溶接部位と低輝度のビード部との状況を同一の画面上で監視する必要があり、輝度に対するダイナミックレンジの広いイメージセンサが要求されている。
その場合、ダイナミックレンジが狭いと、高輝度の溶接部位をはっきりさせようとすると低輝度のビード部分が暗くなって見えなくなってしまい、低輝度のビード部分をはっきりさせようとすると高輝度の溶接部位にハレーションを生じて、その位置がわからなくなってしまう。
従来、ＣＭＯＳ型のイメージセンサとして、ダイナミックレンジを拡大するべく、第２図に示すように、入射光Ｌｓの光量に応じたセンサ電流を生ずるフォトダイオードＰＤと、そのフォトダイオードＰＤに流れるセンサ電流を弱反転状態で対数出力特性をもって電圧信号Ｖｐｄに変換させるトランジスタＱ１と、その変換された電圧信号Ｖｐｄを増幅するトランジスタＱ２と、画信号読出し信号Ｖｓのパルスタイミングでもって画信号を出力するトランジスタＱ３とによって構成された光センサ回路を画素単位に用いたものが開発されている（特開２０００−３２９６１６号公報参照）。
このようなイメージセンサにあっては、第３図に示すように、光センサ回路に対する入射光量に応じたセンサ電流が多いときには対数出力特性を示すが、センサ電流が少ないときにはフォトダイオードＰＤの寄生容量Ｃの充放電に応答遅れを生じて線形応答による非対数出力特性を示すものになっている。
ダイナミックレンジを拡大するために対数出力特性をもたせたイメージセンサを用いて溶接中の作業部分を撮影した画像によって溶接状況を監視しようとする場合、溶接中の溶接部位における輝度の高い領域からビード部分における輝度の低い領域までカバーした撮影が可能になる反面、輝度が対数圧縮されているためにコントラストが不足してしまうという問題がある。
また、最近のレーザ溶接装置などにあっては、溶接条件の判定を行うために、溶接中の作業部分をカメラ（イメージセンサ）によって撮影した画像によって溶接状況を監視するようにしている。
第２９図は金属表面における矢印方向へのレーザ溶接中の作業部分の状態を示しており、レーザ光の照射を受けて高温の溶融状態になった溶融池ＢＡと、その溶融池ＢＡの背後に形成される溶融金属が凝固したビード部ＢＢとからなっている。図中、ＢＳはレーザ光の照射スポットによる溶接部位を示している。
溶接の良否を判断するためには、溶接中の作業部分における高輝度の溶融池ＢＡと低輝度のビード部ＢＢとの各状況をカメラで撮影した画像によって監視する必要がある。
その際、ＣＣＤカメラを用いて溶接中の作業部分を撮影すると、ダイナミックレンジが狭いために、絞りを大きくして高輝度の溶融池ＢＡの部分を溶接部位をはっきりさせようとすると低輝度のビード部ＢＢが暗くなって見えなくなってしまい、絞りを小さくして低輝度のビード部ＢＢをはっきりさせようとすると高輝度の溶融池ＢＡの部分にハレーションを生じてしまうことになる。
したがって、一台のＣＣＤカメラによるのでは、溶接中の作業部分における溶融池ＢＡとビード部ＢＢとを同時に撮影した画像によっては各部分の溶接状況を把握することができない。また、一台のＣＣＤカメラを用いて、溶接中の作業部分における溶融池ＢＡとビード部ＢＢとを、絞りを切り換えたりフィルタを着脱しながら順次に撮影するのでは、各部分の溶接状況をリアルタイムで監視することができなくなる。
そのため、従来では、第３４図に示すように、２台のＣＣＤカメラを用いて、一方のＣＣＤカメラによって溶融池ＢＡの部分を撮影した画像Ｉ１と、他方のＣＣＤカメラによってビード部ＢＢを撮影した画像Ｉ２とを組み合せることによって、溶融池ＢＡとビード部ＢＢとの各状況を監視するようにしている。図中、Ｈはハレーション部分を、ｆ１，ｆ２はビード部ＢＢの表面欠陥をそれぞれ示している。
このように、レーザ溶接、アーク溶接または電子ビーム溶接などの溶接装置にあって、ダイナミックレンジの狭いカメラを複数用いて、溶接中の作業部分における高輝度の溶融池と低輝度のビード部とをそれぞれ別途に撮影した各画像によって溶接状況を監視するのでは、溶接作業に追従してその溶接面の必要な部分を各カメラによってそれぞれ別途に撮影できるように位置決めする必要があり、そのための構造が複雑になってしまうという問題がある。
また、溶接中の作業部分をカメラによって撮影した画像のデータにもとづいて溶接状況の判定を行わせるような場合に、複数のカメラを用いて溶接中の作業部分を別途に撮影するのでは、各撮影された画像のデータにもとづいて溶接状況の判定を行わせる際の画像処理が複雑になってしまうという問題がある。
また、一般に、搬送されてくる被溶接部材に対して自動的に溶接を行う溶接装置にあっては、溶接状態の良否判定を行うために、溶接中の作業部分をカメラによって撮影した画像によって溶接状況を監視しながら、溶接条件が常に最適になるように駆動制御するようにしている。
その際、例えば、レーザ溶接によってつき合せ溶接や重ね溶接などを行わせる場合に、溶接の仕上がり状態を良好に保つべく、溶接中における溶接ヘッドと被溶接部材との間の距離が常に所定に維持されているか否かをカメラによって撮影した画像によって監視する必要がある。
しかし、その場合、ＣＣＤカメラを用いて溶接中の作業部分を撮影するのでは、ダイナミックレンジが狭いために、絞りを大きくして高輝度のレーザ光の照射部分をはっきりさせようとすると、溶接前にレーザ光の照射位置の位置決めを行わせるためのティーチング時に、強度が弱められたレーザ光の照射部分が暗くなって見えなくなってしまう。反対に、絞りを小さくしてティーチング時に強度が弱められたレーザ光の照射部分をはっきりさせようとすると溶接時の高輝度のレーザ光の照射部分にハレーションを生じてしまう。
したがって、ダイナミックレンジの狭いカメラを用いて溶接前のティーチング時における低輝度のレーザ光の照射部分と溶接時の高輝度のレーザ光の照射部分とをともにはっきりと明視できるようにするには、絞りを切り換えたりフィルタを着脱しながら撮影する必要があるものになっている。
このように、レーザ溶接、アーク溶接または電子ビーム溶接などの溶接装置にあって、溶接中における溶接ヘッドと被溶接部材との間の距離が常に所定に維持されているか否かをカメラによって撮影した画像によって監視するに際して、ダイナミックレンジの狭いカメラによるのでは、溶接前のティーチング時における低輝度の照射部分と溶接時の高輝度の照射部分とをともにはっきりと明視できるようにするには、絞りを切り換えたりフィルタを着脱しながら撮影する必要があり、その作業が面倒なものになってしまうという問題がある。
発明の開示
本発明による溶接状況監視装置にあっては、溶接中の作業部分をイメージセンサによって撮影した画像によって溶接状況を監視するに際して、溶接中の溶接部位における輝度の高い領域からビード部分における輝度の低い領域までカバーした広いダイナミックレンジをもって撮影した画像から、溶接光のまぶしいなかの溶接部位およびビード部分をコントラスト良く把握できるようにするべく、イメージセンサの出力特性の変換テーブルを用いて、任意の輝度領域におけるイメージセンサの出力を強調してとり出す手段を設けるようにしている。
また、本発明は、溶接中の作業部分をカメラによって撮影した画像によって溶接状況を監視するようにした溶接装置において、溶接中の作業部分における高輝度の溶融池の部分から低輝度のビード部にわたる領域をカバーすることのできる広いダイナミックレンジをもったＣＭＯＳカメラを溶接ヘッドに一体的に取り付けて、その一台のＣＭＯＳカメラによって溶融池およびビード部を一括して撮影するようにしている。
そして、本発明はその撮影した画像のデータを取り込んで溶接状況の判定行う画像処理手段を設けるようにしている。
そしてまた、本発明はその撮影した画像のデータにもとづいて溶接位置のずれを求める画像処理手段と、その求められた溶接位置のずれを修正する位置修正手段とを設けるようにしている。
さらに、本発明は、溶接中の作業部分をカメラによって撮影した画像によって溶接状況を監視するに際して、溶接前のティーチング時における低輝度の照射部分と溶接時の高輝度の照射部分とをはっきりと明視することのできる広いダイナミックレンジをもった対数出力特性を有するＣＭＯＳカメラを溶接ヘッド部分に取り付けて、そのＣＭＯＳカメラによって撮影した画像によって溶接状況の監視を行うようにしている。
そして、その際、特に本発明では、被溶接部材に対して非接触で溶接を行わせるようにした溶接装置にあって、ＣＭＯＳカメラによって撮影した画像にもとづいて溶接中における溶接ヘッドと被溶接部材との間の距離が常に所定に保持されるようにするべく、溶接ヘッド部分に取り付けたＣＭＯＳカメラにより溶接中の輝点部分を斜め方向から撮影するようにしたうえで、その輝点が常にＣＭＯＳカメラにより撮影された画像上の定位置にくるように、被溶接部材に対する溶接ヘッドの高さ調整を行わせる手段を設けるようにしている。
発明を実施するための最良の形態
第１図は溶接状況監視装置の一構成例を示しており、ここでは、レーザ溶接ロボットの溶接ヘッド１部分に、ワーク部材３に対する溶接の作業部分を撮影するイメージセンサによるＣＭＯＳカメラ２を取り付けて、そのＣＭＯＳカメラ２によって撮影された画像のデータを画像処理装置４がとり込んで必要な画像処理を施したうえで、その処理された画像をディスプレイ５の画面に映し出すようにしている。そして、画像処理装置４はＣＭＯＳカメラ２によって撮影した画像から溶接状況の判定を行って、その判定結果のデータをＥＣＵ６に与えて、そのときの溶接状況に応じて溶接位置やレーザ強度などの溶接条件を可変に制御することができるように構成している。図中、７はレーザ発振器を、８はロボットの駆動装置を示しており、ＥＣＵ６の制御下でそれぞれ駆動されるようになっている。
そのＣＭＯＳカメラ２に用いられるイメージセンサとしては、基本的に、前述した第２図に示す光センサ回路を画素単位としている。
その光センサ回路では、フォトダイオードＰＤに充分な光量をもって入射光Ｌｓが当たっているときには、トランジスタＱ１には充分なセンサ電流が流れることになり、そのトランジスタＱ１の抵抗値もさほど大きくないことから、イメージセンサとして残像を生ずることがないような充分な応答速度をもって光信号の検出を行わせることができる。
しかし、フォトダイオードＰＤの入射光Ｌｓの光量が少なくなってトランジスタＱ１に流れる電流が小さくなると、トランジスタＱ１はそれに流れる電流が１桁小さくなるとその抵抗値が１桁大きくなるように動作するように設定されていることから、トランジスタＱ１の抵抗値が増大し、フォトダイオードＰＤの寄生容量Ｃとの時定数が大きくなってその寄生容量Ｃに蓄積された電荷を放出するのに時間がかかるようになる。そのため、入射光Ｌｓの光量が少なくなるにしたがって、残像が長時間にわたって観測されることになる。
その際、例えば、フォトダイオードＰＤへの入射光Ｌｓの光量が少ない１Ｅ−１２Ａ程度のセンサ電流では、１／３０ｓｅｃごとに画信号Ｖｏを出力させるようにする場合、その時間内では電圧信号Ｖｐｄが飽和しない。
したがって、フォトダイオードＰＤの入射光Ｌｓの光量が少ないときのセンサ電流に応じた電圧信号Ｖｐｄの飽和時間が長くなるため、第２８図に示すような画信号読出し信号Ｖｓのパルスタイミングで画信号Ｖｏの読み出しを行うと、当初ほど大きなレベルの出力が残像となってあらわれる。なお、第２３図中、Ｖｐｄ′は増幅用のトランジスタＱ２によって反転増幅された電圧信号を示している。
そのため、この光センサ回路では、光信号を検出する際にＭＯＳ型トランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤを所定時間だけ定常値よりも低く設定して、フォトダイオードＰＤの寄生容量Ｃに蓄積された電荷を放出させて初期化することにより、センサ電流に急激な変化が生じても即座にそのときの入射光量に応じた電圧信号が得られるようにして、入射光Ｌｓの光量が少ない場合でも残像を生ずることがないようにしている。
第４図は、そのときの光センサ回路における各部信号のタイムチャートを示している。ここで、ｔ１は初期化のタイミングを、ｔ２は光信号検出のタイミングを示している。トランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤを定常値（ハイレベルＨ）から低い電圧（ローレベルＬ）に切り換える所定時間ｔｍとしては、例えば１画素分の読出し速度が１００ｎｓｅｃ程度の場合に５μｓｅｃ程度に設定される。図中、Ｔは寄生容量Ｃにおける電荷の蓄積期間を示しており、その蓄積期間ＴはＮＴＳＣ信号の場合１／３０ｓｅｃ（または１／６０ｓｅｃ）程度となる。
初期化時に、ＭＯＳトランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤがローレベルＬに切り換えられると、そのときのゲート電圧ＶＧとドレイン電圧ＶＤとの間の電位差がトランジスタＱ１のしきい値よりも大きければトランジスタＱ１が低抵抗状態になる。それにより、そのときのソース側の電位がドレイン電圧ＶＤと同じになり（ｎ−ＭＯＳトランジスタではソース電圧＝ドレイン電圧となる）、フォトダイオードＰＤの接合容量Ｃに蓄積された電荷が放出状態になる。
第５図は、初期化時におけるトランジスタＱ１の電荷ｑの流れによる動作状態を模擬的に示している。
そして、ｔｍ時間の経過後にそのドレイン電圧ＶＤが定常のハイレベルＨに切り換えられて光信号の検出が行われると、ソース側の電位がドレイン電圧ＶＤよりも低くなって、そのときのゲート電圧ＶＧとドレイン電圧ＶＤとの間の電位差がしきい値よりも大きければＭＯＳトランジスタＱ１が低抵抗状態になり、フォトダイオードＰＤの接合容量Ｃが電荷の蓄積状態になる。
第６図は、光信号検出時におけるトランジスタＱ１の電荷ｑの流れによる動作状態を模擬的に示している。
このように光信号の検出に先がけてフォトダイオードＰＤの接合容量Ｃの残留電荷を放出させて初期化したのちにその接合容量Ｃに電荷を注入させるようにすると、その初期化のタイミングから一定の時間経過した時点での出力電圧（フォトダイオードＰＤの端子電圧）Ｖｐｄは入射光Ｌｓの光量に応じた値となる。すなわち、初期化後には入射光Ｌｓの光量の変化に追随した一定の時定数による放電特性が得られるようになる。
その際、長時間放置すればドレイン電圧ＶＤからトランジスタＱ１を通して供給される電流とフォトダイオードＰＤを流れる電流とは同じになるが、残留電荷がなければ常に同じ放電特性が得られるので残像が生ずることがなくなる。
したがって、初期化してから一定の時間を定めて光信号を検出するようにすれば、入射光Ｌｓの光量に応じた残像のない画信号Ｖｏを得ることができるようになる。
第７図は、光センサ回路にあって、入射光Ｌｓの強弱に応じた電圧信号Ｖｐｄの立上りの差の特性を示している。
第８図は、１／３０ｓｅｃのタイミングで光信号の読み出しをくり返し行わせたときの電圧信号Ｖｐｄの増幅信号の特性を示している。これによれば、１／３０ｓｅｃごとに得られる信号特性はフォトダイオードＰＤへの入射光Ｌｓの光量に応じたセンサ電流に即したものとなり、残像の影響がないことがわかる。
第９図は、入射光量に応じてフォトダイオードＰＤに流れるセンサ電流を変化させたときの画素信号Ｖｏの出力特性を示している。これによれば、フォトダイオードＰＤのセンサ電流が１Ｅ−１３Ａ以上では完全に対数出力特性となっていることがわかる。また、センサ電流が１Ｅ−１３Ａ以下の領域では対数特性から外れるものの、残像のない出力が得られることがわかる。
また、トランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤを低下させるときのローレベルＬの値を調整すると、完全にトランジスタＱ１を低抵抗状態にできるまで電圧を下げれば第９図中（ａ）で示すような出力特性が得られる。しかし、その制御電圧ＶＤをゲート電圧ＶＧと同一になるように設定すると、第９図中（ｂ）で示すよな通常の対数出力特性が得られることになる。
したがって、第９図中（ａ）で示す出力特性の場合には、残像はないが、光量が少ないときに感度が小さくなる。第９図中（ｂ）で示す対数出力特性の場合には、光量が少ないときでも感度は大きいが、残像が顕著になる。すなわち、感度と残像との間にはトレードオフの関係が成立する。
したがって、第９図中（ａ）で示す出力特性と第９図中（ｂ）で示す対数出力特性との中間の領域に出力特性がくるようにトランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤを調整することにより、残像を問題にしない用途では感度を優先するような設定とし、残像が問題となる用途では残像をなくすことを優先とするような設定とすることができるようになる。実際には、用途に応じて問題にならない残像の程度に応じてドレイン電圧ＶＤを調整して、感度を可能な限り大きく設定するようにすることが考えられる。
第１０図は、このような光センサ回路を画素単位として、画素をマトリクス状に複数配設して、各画信号の時系列的な読出し走査を行わせるようにしたイメージセンサにあって、各画信号の読出し走査に応じた適切なタイミングをもって各画素の初期化を行わせることができるように構築したときの一構成例を示している。
そのイメージセンサは、その基本的な構成が、例えば、Ｄ１１〜Ｄ４４からなる４×４の画素をマトリクス状に配設して、各１ライン分の画素列を画素列選択回路１１から順次出力される選択信号ＬＳ１〜ＬＳ４によって選択し、その選択された画素列における各画素を、画素選択回路１２から順次出力される選択信号ＤＳ１〜ＤＳ４によってスイッチ群１３における各対応するスイッチＳＷ１〜ＳＷ４が逐次オン状態にされることによって各画信号Ｖｏが時系列的に読み出されるようになっている。図中、１４は各画素における前記トランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧ用電源であり、１６はドレイン電圧ＶＤ用電源である。
そして、このようなイメージセンサにあって、各１ライン分の画素列の選択に際して、その選択された画素列における各画素の前記トランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤを所定のタイミングをもって定常時のハイレベルＨおよび初期化時のローレベルＬに切り換える電圧切換回路１５が設けられている。
このように構成されたイメージセンサの動作について、第１１図に示す各部信号のタイムチャートとともに、以下説明をする。
まず、画素列選択信号ＬＳ１がハイレベルＨになると、それに対応するＤ１１，Ｄ１２，Ｄ１３，Ｄ１４からなる第１の画素列が選択される。そして、ＬＳ１がハイレベルＨになっている一定期間Ｔ１のあいだ画素選択信号ＤＳ１〜ＤＳ４が順次ハイレベルＨになって、各画素Ｄ１１，Ｄ１２，Ｄ１３，Ｄ１４の画信号Ｖｏが順次読み出される。
次いで、画素列選択信号ＬＳ１がローレベルＬになった時点で次のＬＳ２がハイレベルＨになると、それに対応するＤ２１，Ｄ２２，Ｄ２３，Ｄ２４からなる第２の画素列が選択される。そして、ＬＳ２がハイレベルＨになっている一定期間Ｔ１のあいだ画素選択信号ＤＳ１〜ＤＳ４が順次ハイレベルＨになって、各画素Ｄ２１，Ｄ２２，Ｄ２３，Ｄ２４の画信号Ｖｏが順次読み出される。
以下同様に、画素列選択信号ＬＳ３およびＬＳ４が連続的にハイレベルＨになって各対応する第３および第４の画素列が順次選択され、ＬＳ３およびＬＳ４がそれぞれハイレベルＨになっている一定期間Ｔ１のあいだ画素選択信号ＤＳ１〜ＤＳ４が順次ハイレベルＨになって、各画素Ｄ３１，Ｄ３２，Ｄ３３，Ｄ３４およびＤ４１，Ｄ４２，Ｄ４３，Ｄ４４の画信号Ｖｏが順次読み出される。
また、画素列選択信号ＬＳ１がＴ１期間後にローレベルＬに立ち下がった時点で、そのとき選択されている第１の画素列における各画素Ｄ１１，Ｄ１２，Ｄ１３，Ｄ１４のドレイン電圧ＶＤ１をそれまでのハイレベルＨからローレベルＬに所定時間Ｔ２のあいだ切り換えることによって各画素の初期化が行われ、１サイクル期間Ｔ３の径過後に行われる次サイクルにおける画信号の読出しにそなえる。
次いで、画素列選択信号ＬＳ２がＴ１期間後にローレベルＬに立ち下がった時点で、そのとき選択されている第２の画素列における各画素Ｄ２１，Ｄ２２，Ｄ２３，Ｄ２４のドレイン電圧ＶＤ１をそれまでのハイレベルＨからローレベルＬに所定時間Ｔ２のあいだ切り換えることによって各画素の初期化が行われ、１サイクル期間Ｔ３の径過後に行われる次サイクルにおける画信号の読出しにそなえる。
以下同様に、画素列選択信号ＬＳ３およびＬＳ４がそれぞれＴ１期間後にローレベルＬに立ち下がった時点で、そのとき選択されている第３および第４の画素列にそれぞれ対応するドレイン電圧ＶＤ３をローレベルＬに切り換えて各画素の初期化が行われ、１サイクル期間Ｔ３の径過後に行われる次サイクルにおける画信号の読出しにそなえる。
なお、ここでは画素列選択信号ＬＳＸ（Ｘ＝１〜４）がＴ１期間後にローレベルＬに立ち下がった時点でドレイン電圧ＶＤＸをローレベルＬに切り換えて初期化を行わせるようにしているが、その初期化のタイミングは画素列選択信号ＬＳＸがローレベルＬ状態にある画素列選択の休止期間Ｔ４中であればよい。
以上のような各部信号の発生のタイミングは、図示しないＥＣＵの制御下で画素列選択回路１、画素選択回路２および電圧切換回路５の駆動を行わせることによって決定されるようになっている。
このように、各画信号の読出し走査に応じた適切なタイミングをもって各画素の初期化を行わせることによって、イメージセンサ全体としての蓄積時間の過不足を低減できるようになる。
しかして、このような構成によれば、残像がなく、ダイナミックレンジの広い対数出力特性をもったイメージセンサを実現できるようになる。
本発明による溶接状況監視装置は、以上のように構成されたイメージセンサを用いて溶接中の作業部分を撮影した画像のデータから、溶接のまぶしい光のなかの溶接部位およびビード部分をコントラスト良く観察できるように、高輝度の溶接部位と低輝度のビード部分とにおける画信号を強調してとり出すことができるようにしている。
第１２図は、イメージセンサによって溶接中の作業部分を撮影した画像のデータから、高輝度の溶接部位と低輝度のビード部分とにおける画信号を強調してとり出す画像処理を実行するための具体的な構成例を示している。
それは、イメージセンサ２１から時系列的に出力される各画素の画信号（アナログ信号）ＶｏをＡＤ変換器２２によってデジタル画信号ＤＳ１に変換したうえで、そのデジタル画信号ＤＳ１に応じて予め任意の出力変換テーブルが設定されているルックアップテーブル２３から所定に変換されたデジタル画信号ＤＳ２を出力するように構成されている。
いま、例えば、第１３図（ａ）に示すように、センサ電流が所定値Ｉｓ以上のときには対数出力特性を示すが、センサ電流がその所定値Ｉｓよりも少なくなると非対数出力特性を示すイメージセンサ２１の画信号Ｖｏ出力を、ＡＤ変換器２２によって８ビット，２５６階調のデジタル画信号ＤＳ１に変換する。そして、第１３図（ｂ）に示すように、ＡＤ変換後、ルックアップテーブル２３を用いることにより、２５６階調を有効に使うとともに、全域にわたって対数出力特性を示すようなデジタル画信号ＤＳ２に変換させるようにする。
このように変換されたデジタル画信号ＤＳ２によれば、全域にわたって充分に広大されたダイナミックレンジを得ることができるとともに、８ビットの場合には２５６階調をフルに使った明暗の情報量の多い画像情報を得ることができるようになる。
しかし、このようなリニアな変換を行わせるだけでは、溶接中の作業部分におけるプラズマによる煙の照らし出しなどによる必要な明るさにも応動してしまうために、溶接部位とビード部分とのコントラストが得られない。
第１４図は、そのリニアに変換されたデジタル画信号ＤＳ２にもとづく溶接中の作業部分における画像状態を示している。ここで、ＢＳは溶接部位、ＢＢはビード部分である。その画像状態によれば、ビード部分ＢＢは殆ど判別できず、また、溶接部位ＢＳもその中心位置や溶融池の形状などを把握するのが困難になっている。
第１５図は、第１４図に示す画像の溶接部位ＢＳを横切るラインＬ１上のデジタル画信号ＤＳ２の特性ａと、そのビード部分ＢＢを横切るラインＬ２上のデジタル画信号ＤＳ２の特性ｂとをそれぞれ示している。
そのため、特に本発明では、ルックアップテーブル２３において、全域にわたって充分に広大されたダイナミックレンジを得ることができるとともに、２５６階調をフルに使った明暗の情報量の多い画像情報を得ることができるようにリニアな変換を行わせるだけではなく、輝度の高い溶接部位における画信号と輝度の低いビード部分における画信号とを強調するとともに、他の部分の画信号を圧縮して省略するような変換処理を行わせるようにしている。
第１６図は、溶接直後のビード部分における輝度分布Ｋａと、溶接中の溶接部位における輝度分布Ｋｂとを示している。
溶接中の作業部分をイメージセンサ２１によって撮影した画像によって溶接状況を監視する場合、ビード部分をみるには輝度分布Ｋａの領域における画信号を必要とし、溶接部位をみるには輝度分布Ｋｂの領域における画信号を必要とする。
すなわち、第１６図中の変換特性Ａで示すように、ルックアップテーブル２３から出力されるデジタル画信号ＤＳ２がリニアに変換されている場合には、輝度分布Ｋａと輝度分布Ｋｂ以外の領域の画像情報は不要となる。
輝度分布Ｋａの領域における画信号および輝度分布Ｋｂの領域における画像情報のみをとり出すためには、具体的に、ルックアップテーブル２３を用いて、第１７図に示すように、輝度分布Ｋａの領域に対応する部分が図中の変換特性Ｂになるように、また輝度分布Ｋｂの領域に対応する部分が図中の変換特性Ｃになるようにそれぞれ変換する。
このようなイメージセンサ２１の出力特性を変換する画像処理を行わせることにより、イメージセンサ２１によって撮影された画像のなかから溶接状況の監視に必要な溶接部位およびビード部分のみのコントラストが強調され、かつ８ビットの場合には２５６階調をフルに使った明暗の情報が充分なデジタル画信号ＤＳ２を得ることができるようになる。
なお、イメージセンサ２１の出力の変換特性Ｂおよび変換特性Ｃは同一画像上のものとして扱う以外に、変換特性Ｂまたは変換特性Ｃのみの画像として単独で扱うようにすることも可能である。すなわち、変換特性Ｂのみを利用することによって、溶接直後のビード部分のみの画像を得ることができるようになる。また、変換特性Ｃのみを利用することによって、溶接中の溶接部位のみの画像を得ることができるようになる。
第１８図は、ルックアップテーブル２３によるイメージセンサ２１の出力特性の他の変換を示している。この場合には、輝度分布Ｋａの領域と輝度分布Ｋｂの領域との間の中間領域におけるイメージセンサ２１の出力を一定のしきい値ＴＨに固定した変換特性Ｄに変換するようにしている。
具体的には、第１３図（ｂ）に示すように８ビットの場合には２５６階調を全域にわたって対数出力特性を示すようにリニアに変換されたデジタル画信号を、第１９図に示すような関係をもって２５６ビットの割り付けを行わせるようにする。
このようなイメージセンサ２１７の出力特性の変換を行わせることにより、同一画像内で、溶接直後の輝度の低いビード部分と溶接中の輝度の高い溶接部位とのコントラストを大きくすることができるとともに、しきい値ＴＨを境いとしてビード部分と溶接部位との領域を良好に判別することができるようになる。
第２０図は、変換特性Ｄをもって変換されたデジタル画信号ＤＳ２にもとづく溶接中の作業部分における画像状態を示している。ここで、ＢＳは溶接部位、ＢＡは溶融池、ＢＢはビード部分である。その画像状態によれば、溶接部位ＢＳの中心位置や溶融池ＢＡの形状などを明確に把握することができ、ビード部分ＢＢも確実に判別することができるようになる。
第２１図は、第２０図に示す画像の溶接部位ＢＳを横切るラインＬ１上のデジタル画信号ＤＳ２の特性ａ′と、そのビード部分ＢＢを横切るラインＬ２上のデジタル画信号ＤＳ２の特性ｂ′とをそれぞれ示している。
なお、イメージセンサ２１の出力特性を変換するに際して、ＮＤフィルターおよび絞りにより、コントラストを強調するレンジを適宜ずらすようにすることも可能となる。
また、本発明による溶接状況監視装置は、前述したレーザ溶接の場合に限らず、アーク溶接、ガス溶接、テルミット溶接、電子ビーム溶接、エレクトロスラグ溶接等の溶接装置に広く適用されるものである。
イメージセンサ７に用いられる光センサ回路としては、第２図に示すものに限らず、その他に第２２図、第２４図および第２６図に示すようなものが用いられる。
第２２図に示す光センサ回路は、第２図に示す光センサ回路にあって特にシャッタ機能（サンプルアンドホールド機能）をもたせるために、フォトダイオードＰＤの端子電圧Ｖｐｄを画信号として蓄積するためのコンデンサＣ１およびフォトダイオードＰＤの寄生容量Ｃの電荷をコンデンサＣ１へ転送するためのＭＯＳ型トランジスタＱ４を設けるようにしている。
そして、このような構成にあって、第２３図に示すように、各部駆動の制御信号を与えることにより、シャッタの開閉制御を行わせて、シャッタの開放時間に応じた画信号出力が得られるようにしている。
すなわち、タイミングｔ１〜ｔ２において駆動電圧Ｖ１をハイレベルにすることによってトランジスタＱ１をオン状態にし、フォトダイオードＰＤの寄生容量Ｃに電荷を注入する。そして、タイミングｔ２〜ｔ３において、寄生容量Ｃに注入された電荷は、フォトダイオードＰＤに光が入射することによって流れるセンサ電流に比例して電荷が放出される。
この間のタイミングｔ１〜ｔ３（シャッタ開放期間）ではトランジスタＱ４もオン状態になっており、寄生容量Ｃの端子電圧ＶｃとコンデンサＣ１の端子電圧Ｖｃ１とが同一になっている。
そして、タイミングｔ３におけるトランジスタＱ４のオフによってコンデンサＣ１の端子電圧Ｖｃ１は保持状態になる。
次に、タイミングｔ４〜ｔ５においてトランジスタＱ３をオンにすると、抵抗Ｒを介して画信号Ｖｏが出力される。
なお、この光センサ回路の構成にあっては、タイミングｔ３以後にトランジスタＱ４がオフ状態になるとコンデンサＣ１の電荷が保持されることになり、次にトランジスタＱ４をオンにすることによって寄生容量Ｃの電荷をコンデンサＣ１に転送するまではコンデンサＣ１の電荷は一定となる。つまり、トランジスタＱ４がオフの期間（コンデンサＣ１の保持期間）は、寄生容量Ｃの端子電圧Ｖｃが変化しても画信号Ｖｏとしては同じ出力が得られることになる。
したがって、第２２図に示す光センサ回路を第２３図に示す制御タイミングで動作させることによって、再現性の良い画信号Ｖｏを出力することができるようになる。
また、第２４図に示す光センサ回路にあっては、第２２図に示すシャッタ機能をもたせたものにあって、特にトランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤを低下させてフォトダイオードＰＤの寄生容量Ｃの残留電荷を放出させて初期化を行わせるための電圧切換回路５１を設けて、前述したように、入射光Ｌｓの光量が少ない場合の残像の発生を抑制するようにしている。
第２５図は、その光センサ回路における各部制御信号のタイムチャートを示している。
また、第２６図はシャッタ機能を有する光センサ回路の他の構成を示しており、ここでは特に、コンデンサＣ１の電荷を充放電するためのトランジスタＱ５を設けて、コンデンサＣ１の電荷をトランジスタＱ５によって放出可能にして、寄生容量Ｃの電荷が再現性良くコンデンサＣ１に転送されるようにしている。
このように構成された光センサ回路にあっても、第２２図に示すものと同様に動作するが、この場合は特に、第２７図に示すように、タイミングｔ６〜ｔ７においてトランジスタＱ５をオンにすると、コンデンサＣ１の電荷が放出されて画素信号が初期化されるようになっている。
また、本発明は、このような残像が生ずることのない、ダイナミックレンジの広い対数出力特性をもったＣＭＯＳカメラ２を溶接ヘッド１部分に取り付けて、レーザ溶接中の作業部分における溶融池ＢＡおよびビード部ＢＢを一括して撮影するようにしている。
それによれば、レーザ光の照射を受けて高温の溶融状態になっている高輝度の溶融池ＢＡから溶融金属が凝固した低温のビード部ＢＢにわたって、ハレーションや暗すぎを生ずることなく、はっきりとレーザ溶接中の作業部分の状態を明視することのできる撮影画像が得られるようになる。
図３０は、そのＣＭＯＳカメラ２によってレーザ溶接中の作業部分を撮影した画像の状態の一例を示している。
したがって、画像処理装置４はそのＣＭＯＳカメラ２によって撮影された画像のデータを取り込むことによって、溶融池ＢＡにおけるレーザ光の照射スボットの中心位置Ｇ，面積Ｓ，長さＬおよび幅Ｗ１と、ビード部ＢＢにおける幅Ｗ２と、表面欠陥ｆ１，ｆ２の数およびその欠陥面積Ｓ１，Ｓ２とを明確に測定することができて、その観測結果にしたがってそのときの溶接状況の判定を良好に行うことができるようになる。
そして、その判定結果のデータがＥＣＵ６に与えられ、その判定結果に応じて溶接条件が適宜変更される。
具体的には、ＥＣＵ６の制御下において、例えば、被溶接部材３に対する溶接位置のずれδを修正するために溶接ヘッド１の位置調整が行われる。その溶接位置のずれδは、図３１に示すつき合せ溶接の場合には、そのつき合せられた板間中心Ｏと溶融池ＢＡにおける中心位置Ｇとの間のずれによって決定される。また、図３２に示す重ね溶接の場合には、被溶接接部材１のエッジからの所定距離ｄと溶融池ＢＡにおける中心位置Ｇとの間のずれδが求められることになる。
また、溶融池ＢＡの面積Ｓとその目標面積との比較およびビード部ＢＢの幅Ｗ２とその目標幅との比較がなされて、目標値からのずれが許容範囲内にあるか否かによって、そのときの溶接状況の良好の判定が行われる。
その際、溶接状況の良好の判定をより適切に行わせるために、溶融池ＢＡの大きさ（面積Ｓ）をみるだけではなく、溶融池ＢＡの長さＬおよびその幅Ｗ１とそれぞれの目標値との比較判定を行うようにする。
そして、ビード部ＢＢの幅Ｗ２が所定になるように、レーザ光の被溶接部材３に対する照射スポットの大きさを変えるべく溶接ヘッド１の高さ調整または被溶接部材３の昇降調整やレーザ光の強度調整が適宜行われる。また、表面欠陥の発生を抑制するために、被溶接部材３の移動速度が適宜調整される。
この溶接状況の判定結果に応じた溶接条件の可変の制御は、溶接作業の途中でリアルタイムで実行されることになる。
ＣＭＯＳカメラ２は、位置調整機構をもった支持部材９を介して溶接ヘッド１の外側に一体に取り付けられるようになっている。
ＣＭＯＳカメラ２を溶接ヘッド１に取り付けるに際して、ティーチング時のモニタ画面をみながら、支持部材９の位置調整機構によって適宜調整しながら、レーザ溶接中の溶融池ＢＡとビード部ＢＢとを一括して最適な状態で撮影できるような位置に取り付けられる。
図３３は、ＣＭＯＳカメラ２を溶接ヘッド１に取り付ける際の他の構成例を示している。
この場合には、光学系（反射ミラー１０，１１）を介して溶接ヘッド１の内部を通して溶接中の作業部分を撮影することができるように、ＣＭＯＳカメラ２を溶接ヘッド１側に設けられた台１２上に取り付けるようにしている。
それによれば、常にＣＭＯＳカメラ２によって撮影された画像の中央にレーザ光の照射スポットが存在することになり、撮影位置の調整を行わせる必要がなくなる。したがって、位置調整機構付きの支持部材などを設けることなく、コンパクトにＣＭＯＳカメラ２を溶接ヘッド１部分に容易に取り付けることができるようになる。
なお、本発明にあっては、レーザ溶接の場合に限らず、つき合せたり重ねたりした非溶接部材の片面から非接触で溶接するアーク溶接、電子ビーム溶接などの他の溶接装置にあっても、同様に実施が可能である。
また、このようなものにあって、特に本発明では、画像処理装置４においてＣＭＯＳカメラ２によって撮影した画像のデータにもとづいて溶接位置のずれをわり出して、そのわり出された溶接位置のずれにもとづいてＥＣＵ６がロボットの駆動装置８に駆動指令を与えることにより溶接ヘッド１を適宜移動させて、溶接位置のずれを修正するような手段をとるようにしている。
具体的には、例えば、図３１に示すように、つき合せ溶接の作業中に、つき合せられた被溶接部材３の間隙ｇの中心Ｏと溶融池ＢＡの中心位置Ｇとの間のずれδを求めて、そのずれδが零となるように溶接ヘッド１を移動する。
その際、ＣＭＯＳカメラ２よって撮影した画像のデータにもとづく画像処理によってつき合せられた被溶接部材３の間隙ｇの距離を測定して、ＥＣＵ６の制御下において、その測定値がそのときの被溶接部材３の組合せに応じた許容範囲を越えているときには溶接作業を停止する。
そして、ＥＣＵ６は、そのときのつき合せられた被溶接部材３における間隙ｇの距離の測定値を記録に残しておき、後でオペレータの指示によって溶接作業を強制的に停止したときの測定値をディスプレイ５に表示できるようにする。
また、例えば、図３２に示すように、重ね溶接の作業中に、重ねられた被溶接部材３のエッジからの所定距離ｄと溶融池ＢＡの中心位置Ｇとの間のずれδを求めて、そのずれδが零となるように溶接ヘッド１を移動する。
溶接位置のずれδを修正するに際して、ロボットの駆動装置８により溶接ヘッド１を適宜移動させて代わりに、つき合せられた被溶接部材３または重ねられた被溶接部材３を適宜移動させるようにしてもよいことはいうまでもない。その場合には、ＥＣＵ６により、被溶接部材３を二次面上搬送する機構の駆動制御を行わせることになる。
また、本発明では、図３５に示すように、溶接ヘッド１部分に取り付けられたＣＭＯＳカメラ２により被溶接部材３に対する溶接中の作業部分を斜め方向から撮影するようにしている。そして、ＥＣＵ６の制御下において、被溶接部材３上のレーザ光Ｌｚが照射されている部分の輝点となる溶融池ＢＡにおける照射スポットの中心Ｇが、図３６に示すように、溶接作業中常にＣＭＯＳカメラ２により撮影された画像上の定位置（例えば中央）にくるように、被溶接部材３に対する溶接ヘッド１の高さ調整を行わせるようにしている。
その際、溶接前のティーチング時に、図３７に示すように、被溶接部材３の溶接開始点を照射する強度が弱められたレーザ光による輝点ＰがＣＭＯＳカメラ２によって撮影した画像上の定位置にくるように、溶接ヘッド１と被溶接部材３との相対的な位置決めが行われる。
なお、溶接ヘッド１と被溶接部材３との間の距離が基準となる所定値に設定されているときの被溶接部材３上の輝点Ｐが撮影画像の定位置にくるように、ＣＭＯＳカメラ２の位置決めがなされている。
図８１および図３９は、例えば、被溶接部材３が基準面から上方に距離ｄだけ移動したときのＣＭＯＳカメラ２によって撮影された画像における溶接中の溶融池ＢＡおよびティーチング時の輝点Ｐの状態を示しており、溶融池ＢＡにおけるレーザ光の照射スポットの中心Ｇおよび輝点Ｐの位置が基準面からの移動量に応じて定位置から図中矢印で示す溶接方向に所定量だけずれている。
したがって、この場合、溶接中に、溶融池ＢＡにおけるレーザ光の照射スポットの中心ＧがＣＭＯＳカメラ２によって撮影された画像の定位置にくるように、ＥＣＵ６の制御下でロボットの駆動装置８を適宜駆動することによって、溶接ヘッド１の高さ調整を行うようにする。また同様に、ティーチング時に、輝点ＰがＣＭＯＳカメラ２によって撮影された画像の定位置にくるように、溶接ヘッド１の高さ調整を行うようにする。
なお、その際、ＥＣＵ６の制御下において、被溶接部材３の搬送台（図示せず）を上昇または下降させることによって溶接ヘッド１と被溶接部材３との相対的な高さを適宜調整するようにすることも容易に可能である。
このように被溶接部材３に対する溶接ヘッド１の高さ調整を行わせるに際して、ダイナミックレンジの広い対数出力特性をもったＣＭＯＳカメラ２を用いているので、ハレーションや暗すぎを生ずることなく、溶接中の溶融池ＢＡの高輝度部分およびティーチング時の低輝度の輝点Ｐをはっきりと明視することのできる撮影画像が得られる。したがって、その撮影された画像にしたがって溶接中に溶接ヘッド１と被溶接部材３との間の距離を一定に保持するための制御を精度良く行わせることができるようになる。
産業上の利用可能性
本発明による溶接状況監視装置によれば、溶接中の作業部分をイメージセンサによって撮影した画像によって溶接状況を監視するに際して、イメージセンサの出力特性の変換テーブルを用いて、任意の輝度領域におけるイメージセンサの出力を強調してとり出す手段を設けるようにしているので、溶接中の溶接部位における輝度の高い領域からビード部分における輝度の低い領域までカバーした広いダイナミックレンジをもって撮影した画像から、溶接のまぶしい光のなかの溶接部位およびビード部分を充分なコントラストをもって明確に把握することができ、その撮影画像から溶接の良否の判定などを的確に行うことができるようになる。
また、本発明によれば、溶接中の作業部分をイメージセンサによって撮影した画像によって溶接状況を監視するに際して、溶接中の作業部分における高輝度の溶融池の部分から低輝度のビード部にわたる領域をカバーすることのできる広いダイナミックレンジをもったＣＭＯＳカメラを溶接ヘッドに一体に取り付けて、その一台のＣＭＯＳカメラによって溶融池およびビード部を一括して撮影するようにしているので、溶接中の作業部分の状態をハレーションや暗すぎを生ずることなく明視することのできる撮影画像が得られるようになる。
そして、高輝度の溶融池の部分から低輝度のビード部にわたる領域を明視できる一台のＣＭＯＳカメラを溶接ヘッドに取り付ければよく、溶接ヘッドに対してＣＭＯＳカメラを所定の位置決めをもって簡単に設置することができるようになる。また、一台のＣＭＯＳカメラによって撮影された画像から簡単な画像処理によって溶接状況の判定を良好に行うことができ、その判定結果に応じて溶接条件の変更を適切に行わせることができるようになる。
また、本発明によれば、溶接中の作業部分をイメージセンサによって撮影した画像によって溶接状況を監視するに際して、溶接中の作業部分における高輝度の溶融池の部分から低輝度のビード部にわたる領域をカバーすることのできる広いダイナミックレンジをもったＣＭＯＳカメラを用いて、その一台のＣＭＯＳカメラによって溶融池およびビード部を一括して撮影するようにしたうえで、その撮影した画像のデータを取り込んで溶接状況の判定を行う画像処理手段を設けるようにしているので、一台のＣＭＯＳカメラによって溶接中の作業部分の状態をハレーションや暗すぎを生ずることなく明視することのできる撮影画像が得られ、その撮影画像から溶接状況の判定を確実に行うことができ、その判定結果に応じて溶接条件の変更を適切に行わせることができるようになる。
また、本発明によれば、溶接中の作業部分をイメージセンサによって撮影した画像によって溶接状況を監視するに際して、溶接中の作業部分における高輝度の溶融池の部分から低輝度のビード部にわたる領域をカバーすることのできる広いダイナミックレンジをもったＣＭＯＳカメラを用いて、その一台のＣＭＯＳカメラによって溶融池およびビード部を一括して撮影するようにしたうえで、その撮影した画像のデータにもとづいて溶接位置のずれを求める画像処理手段と、その求められた溶接位置のずれを修正する位置修正手段とを設けるようにしているので、一台のＣＭＯＳカメラによって溶接中の作業部分の状態をハレーションや暗すぎを生ずることなく明視することのできる撮影画像が得られ、その撮影画像から溶接状況の判定を確実に行うことができ、その判定結果に応じて溶接位置のずれの修正を適切に行わせることができるようになる。
また、本発明によれば、溶接中の作業部分をイメージセンサによって撮影した画像によって溶接状況を監視するに際して、被溶接部材に対して非接触で溶接を行わせる溶接装置の溶接ヘッド部分に取り付けた対数出力特性を有するＣＭＯＳカメラにより溶接中の輝点部分を斜め方向から撮影するようにしたうえで、その輝点が常にＣＭＯＳカメラにより撮影された画像上の定位置にくるように、被溶接部材に対する溶接ヘッドの高さ調整を行わせる手段を設けるようにしているので、ダイナミックレンジの広いＣＭＯＳカメラによって、ハレーションや暗すぎを生ずることなく、溶接中の高輝度の輝点およびティーチング時の低輝度の輝点をはっきりと明視することのできる撮影画像が得られる。そのため、その撮影された画像にしたがって、溶接中に溶接ヘッドと被溶接部材との間の距離を一定に保持するための制御を精度良く行わせて、溶接の質を向上させることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明による溶接状況監視装置の一構成例を示す簡略構成図である。
第２図は、イメージセンサにおける１画素分の光センサ回路の一構成例を示す電気回路図である。
第３図は、光センサ回路における入射光量に応じてフォトダイオードに流れるセンサ電流に対する画信号の出力特性を示す図である。
第４図は、光センサ回路における各部信号のタイムチャートである。
第５図は、光センサ回路の初期化時におけるトランジスタＱ１の電荷ｑの流れによる動作状態を模擬的に示す図である。
第６図は、光センサ回路の光信号検出時におけるトランジスタＱ１の電荷ｑの流れによる動作状態を模擬的に示す図である。
第７図は、光センサ回路における入射光Ｌｓの強弱に応じた電圧信号Ｖｐｄの立上りの差を示す特性図である。
第８図は、光センサ回路において所定のタイミングで光信号の読み出しをくり返し行わせたときの電圧信号Ｖｐｄの増幅信号の特性を示す図である。
第９図は、光センサ回路においてフォトダイオードＰＤへの入射光Ｌｓの光量を変化させたときの画素信号Ｖｏの出力特性を示す図である。
第１０図は、光センサ回路を画素単位として構築されたイメージセンサの構成例を示すブロック図である。
第１１図は、そのイメージセンサにおける各部信号のタイムチャートである。
第１２図は、本発明によるイメージセンサの出力を変換させるための画像処理を行わせる具体的な構成例を示すブロック図である。
第１３図は、ルックアップテーブルを用いてイメージセンサの出力特性（ａ）をリニア特性（ｂ）に変換させる際の特性図である。
第１４図は、リニアに変換されたデジタル画信号にもとづく溶接中の作業部分の画像状態を示す図である。
第１５図は、第１４図の画像における溶接部位とビード部分との各デジタル画信号の特性図である。
第１６図は、イメージセンサの出力特性に対する溶接直後のビード部分と溶接中の溶接部位における各輝度分布状態を示す特性図である。
第１７図は、イメージセンサの輝度分布領域に応じた出力変換の一例を示す特性図である。
第１８図は、イメージセンサの輝度分布領域に応じた出力変換の他の例を示す特性図である。
第１９図は、リニア変換されたデシタル画信号を２５６階調で割り付け変換する特性図である。
第２０図は、第１７図の特性に変換されたデジタル画信号にもとづく溶接中の作業部分の画像状態を示す図である。
第２１図は、第２０図の画像における溶接部位とビード部分との各デジタル画信号の特性図である。
第２２図は、光センサ回路の他の構成例を示す電気回路図である。
第２３図は、第２２図に示す光センサ回路における各部制御信号のタイムチャートである。
第２４図は、光センサ回路のさらに他の構成例を示す電気回路図である。
第２５図は、第２４図に示す光センサ回路における各部制御信号のタイムチャートである。
第２６図は、光センサ回路のさらに他の構成例を示す電気回路図である。
第２７図は、第２６図に示す光センサ回路における各部制御信号のタイムチャートである。
第２８図は、光センサ回路の初期化を行わない場合における入射光量が少ないときの画信号の読出しのタイミングを示す特性図である。
第２９図は、金属表面におけるレーザ溶接部分の状態を示す図である。
第３０図は、ＣＭＯＳカメラによってレーザ溶接中の作業部分を撮影した画像の状態の一例を示す図である。
第３１図は、つき合せ溶接における溶接位置のずれを示す図である。
第３２図は、重ね溶接における溶接位置のずれを示す図である。
第３３図は、ＣＭＯＳカメラを溶接ヘッドに取り付ける際の他の構成例を示す溶接装置の部分的な簡略図である。
第３４図は、２台のＣＣＤカメラを用いて溶融池の部分とビード部とをそれぞれ別途に撮影した画像を組み合せた状態を示す図である。
第３５図は、ＣＭＯＳカメラが取り付けられた溶接ヘッドと被溶接部材との相対的な位置関係を示す図である。
第３６図は、被溶接部材が基準面にあるときのＣＭＯＳカメラによる撮影画像における溶接中の溶融池の位置を示す図である。
第３７図は、被溶接部材が基準面にあるときのＣＭＯＳカメラによる撮影画像におけるティーチング時の輝点の位置を示す図である。
第３８図は、被溶接部材が基準面から上方に移動したときのＣＭＯＳカメラによる撮影画像における溶接中の溶融池の位置を示す図である。
第３９図は、被溶接部材が基準面から上方に移動したときのＣＭＯＳカメラによる撮影画像におけるティーチング時の輝点の位置を示す図である。
【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】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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