(57)【要約】【課題】溶接時に溶融池近辺の映像を可視化する溶接部可視化装置を用い、得られた映像から溶け込み不足による溶接不良を含む溶接状態の良否を判定することができる溶接部可視化装置を用いた溶接状況解析装置及び方法を提供する。【解決手段】パルス光源１１による溶接部の照明とＣＣＤカメラもしくはＣ−ＭＯＳカメラ１４，１５による撮影を同期させて、溶融池３を含む溶接部の画像を連続的に撮影し複数の画像データを得る溶接部可視化装置１０と、各画像データに含まれるヒューム量を検出し、このヒューム量から溶接状況を解析する画像処理装置２０とを備える。【選択図】図１
2007330987.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス光源による溶接部の照明とＣＣＤカメラもしくはＣ−ＭＯＳカメラによる溶接部の撮影を同期させて、溶融池を含む溶接部の画像を連続的に撮影し複数の画像データを得る溶接部可視化装置と、
前記各画像データに含まれるヒューム量を検出し、該ヒューム量から溶接状況を解析する画像処理装置とを備える、ことを特徴とする溶接状況解析装置。
【請求項２】
前記画像処理装置により、前記各画像データからヒュームが発生する領域が入るように位置し、輝度が第１しきい値Ａより高い画素の数をヒューム画素数としてカウントし、該ヒューム画素数が第２しきい値Ｂを超える場合にヒューム量異常として判定し、同一の溶接時に得られた複数の画像データのうち、ヒューム量異常の画像の割合が第３しきい値Ｃより多い場合、溶け込み不足と判定する、ことを特徴とする請求項１に記載の溶接状況解析装置。
【請求項３】
前記画像処理装置により、同一の溶接条件において、溶け込み不足が発生した異常時の複数の画像データと、溶け込み不足が発生しない正常時の複数の画像データとを準備し、
異常時及び正常時の画像データに含まれるヒューム画素数とその頻度から、その両方が発生する確率分布のピーク値を算出し、前記第２しきい値Ｂを前記ピーク値に設定する、ことを特徴とする請求項２に記載の溶接状況解析装置。
【請求項４】
溶融池を含む溶接部の画像を連続的に撮影し複数の画像データを得る溶接部可視化ステップと、
前記各画像データに含まれるヒューム量を検出し、該ヒューム量から溶接状況を解析する画像処理ステップとを有する、ことを特徴とする溶接状況解析方法。
【請求項５】
前記画像処理ステップにおいて、前記各画像データからヒュームが発生する領域が入るように位置し、輝度が第１しきい値Ａより高い画素の数をヒューム画素数としてカウントし、該ヒューム画素数が第２しきい値Ｂを超える場合にヒューム量異常として判定し、同一の溶接時に得られた複数の画像データのうち、ヒューム量異常の画像の割合が第３しきい値Ｃより多い場合、溶け込み不足と判定する、ことを特徴とする請求項４に記載の溶接状況解析方法。
【請求項６】
同一の溶接条件において、溶け込み不足が発生した異常時の複数の画像データと、溶け込み不足が発生しない正常時の複数の画像データとを準備し、
異常時及び正常時の画像データに含まれるヒューム画素数とその頻度から、その両方が発生する確率分布のピーク値を算出し、前記第２しきい値Ｂを前記ピーク値に設定する、ことを特徴とする請求項５に記載の溶接状況解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接部可視化装置により得られた映像を用いて溶接状態の良否をリアルタイムで判定する溶接状況解析装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶接により金属板を溶接する際に、溶接後に溶接状況を判定する技術として、特許文献１〜３等が既に提案されている。
【０００３】
特許文献１の判定方法は、複数の被加工物を重ね合わせてレーザ溶接により溶着した検査対象物の溶接箇所を含む空間領域を画像入力装置により撮像した後、画像処理を施すことによって溶接状態の良否判定を行う外観検査による溶接状態判定方法である。この方法では、図８に示すように、レーザ溶接による溶接箇所に検査領域を設定し（ステップＳ１）、検査領域内で、溶接によって形成される凹凸の境界線上の画素の微分方向値に関する度数分布を求め（ステップＳ２〜Ｓ６）、特定範囲の微分方向値について、度数の総和を所定の閾値と大小を比較する（ステップＳ７，Ｓ８）。度数の総和が閾値よりも大きいときには良品と判定するものである。
【０００４】
特許文献２の装置は、図９に示すように、加工ヘッド５５の後部に加工用レーザ５２と光軸が一致するように撮像装置５４を設置し、レーザ加工部分を照明する照明装置をアシストガス吹付けノズル５６に組み込んで、照明装置により照明されたレーザ加工部を撮影して画像表示する。さらに、撮像装置５４にレーザ加工部分の認識に適するように調整された第１のカメラ５３ａとレーザ加工部周辺部分の認識に適するように調整された第２のカメラ５３ｂを備え、さらに各カメラにより撮影した画像情報を合成してレーザ加工部の状態を示す画像を生成するものである。
【０００５】
特許文献３の装置及び方法は、図１０に示すように、溶接部可視化装置６０は、電子シャッターを備えた高画素ＣＣＤカメラと高輝度フラッシュランプとを備え、フラッシュランプによる溶接部の照明とＣＣＤカメラによる撮影を同期させる。溶接制御装置６２は、溶接部可視化装置６０が出力する画像データを取り込む画像取込み装置と、画像データを画像処理して溶接状況を判定する画像処理装置と、溶接状況を出力する出力装置とを備えるものである。
【０００６】
【特許文献１】特開平５−５４１０７号公報、「外観検査による溶接状態判定方法」
【特許文献２】特開２００２−２３９７６７号公報、「レーザ加工モニタリング装置および照明装置」
【特許文献３】特開２００４−７４２６４号公報、「溶接部可視化装置とこれを用いた溶接制御装置及び方法」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の判定方法は、溶接後に溶接状況を判定するものであり、溶接中には、溶接状態の判定はできない。
また、特許文献２の装置は、溶接中に溶接部を目視で監視できるものの、その画像情報は少なく、溶接状況を推定するには精度が低い問題点があった。
【０００８】
特許文献３の手段は、特許文献１、２のような従来の問題点を解決するために、本願発明者等が創案し出願したものであり、情報量の豊富な溶融池近辺の映像の可視化を可能にし、これを活用して精度の高い溶接状況の解析ができる特徴を有する。
【０００９】
しかし、特許文献３の手段には、以下の問題点があった。
溶接時、溶け込み不足によりワークの裏面まで溶接されていないことがある。この溶け込み不足による溶接不良を検知するためには、ワークを背面から観察する必要があった。
【００１０】
本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、溶接時に溶融池近辺の映像を可視化する溶接部可視化装置を用い、得られた映像から溶け込み不足による溶接不良を含む溶接状態の良否を判定することができる溶接部可視化装置を用いた溶接状況解析装置及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、パルス光源による溶接部の照明とＣＣＤカメラもしくはＣ−ＭＯＳカメラによる溶接部の撮影を同期させて、溶融池を含む溶接部の画像を連続的に撮影し複数の画像データを得る溶接部可視化装置と、
前記各画像データに含まれるヒューム量を検出し、該ヒューム量から溶接状況を解析する画像処理装置とを備える、ことを特徴とする溶接状況解析装置が提供される。
【００１２】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記画像処理装置により、前記各画像データからヒュームが発生する領域が入るように位置し、輝度が第１しきい値Ａより高い画素の数をヒューム画素数としてカウントし、該ヒューム画素数が第２しきい値Ｂを超える場合にヒューム量異常として判定し、同一の溶接時に得られた複数の画像データのうち、ヒューム量異常の画像の割合が第３しきい値Ｃより多い場合、溶け込み不足と判定する。
【００１３】
また、前記画像処理装置により、同一の溶接条件において、溶け込み不足が発生した異常時の複数の画像データと、溶け込み不足が発生しない正常時の複数の画像データとを準備し、
異常時及び正常時の画像データに含まれるヒューム画素数とその頻度から、その両方が発生する確率分布のピーク値を算出し、前記第２しきい値Ｂを前記ピーク値に設定する。
【００１４】
また本発明によれば、溶融池を含む溶接部の画像を連続的に撮影し複数の画像データを得る溶接部可視化ステップと、
前記各画像データに含まれるヒューム量を検出し、該ヒューム量から溶接状況を解析する画像処理ステップとを有する、ことを特徴とする溶接状況解析方法が提供される。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記画像処理ステップにおいて、前記各画像データからヒュームが発生する領域が入るように位置し、輝度が第１しきい値Ａより高い画素の数をヒューム画素数としてカウントし、該ヒューム画素数が第２しきい値Ｂを超える場合にヒューム量異常として判定し、同一の溶接時に得られた複数の画像データのうち、ヒューム量異常の画像の割合が第３しきい値Ｃより多い場合、溶け込み不足と判定する。
【００１６】
また、同一の溶接条件において、溶け込み不足が発生した異常時の複数の画像データと、溶け込み不足が発生しない正常時の複数の画像データとを準備し、
異常時及び正常時の画像データに含まれるヒューム画素数とその頻度から、その両方が発生する確率分布のピーク値を算出し、前記第２しきい値Ｂを前記ピーク値に設定する、ことが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
ヒュームは、溶融池の近傍に高輝度領域として出現する。またこのヒューム量が通常より多い場合、経験的に溶け込み不足が発生している可能性が高いことが知られている。このように、ヒューム量を計測することにより、ワークの背面の溶接状況を表面から検出することが可能となる。本発明は、この特性を利用してヒューム量に基づき溶け込み不足を検知するものである。
【００１８】
すなわち上述した本発明の装置及び方法によれば、溶接部可視化装置により、パルス光源による溶接部の照明とＣＣＤカメラもしくはＣ−ＭＯＳカメラによる撮影を同期させて、溶融池を含む溶接部の画像を連続的に撮影し複数の画像データを得ることができる。
また、画像処理装置により、前記各画像データに含まれるヒューム量を検出し、該ヒューム量から溶接状況を解析することができる。
従って、溶接時に溶融池近辺の映像を可視化する溶接部可視化装置を用い、得られた映像から溶け込み不足による溶接不良を含む溶接状態の良否を判定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。
【００２０】
図１は、本発明の溶接状況解析装置の全体構成図である。この図において、１はワーク（被溶接材）、２は開先、３は溶融池、４はビード、５は溶接ヒューム（以下、単にヒュームという）、６は溶接ヘッド、８は溶接制御装置である。
ヒュームとは、溶接材料（ワーク）が高温のアークにより加熱され、その表面から金属等の蒸気が発生し、空気中に放出され、急速に冷却凝固しれ微細な固体粒子となって煙状に拡散上昇するものである。このヒュームは、溶融池の近傍に高輝度領域として出現する。またこのヒューム量が通常より多い場合、溶接スポット径が広がって、広い範囲を溶接していることが考えられる。この場合、単位面積あたりの溶接熱量は低下するため溶け込み不足が発生する。本発明は、この特性を利用してヒューム量に基づき溶け込み不足を検知するものである。
【００２１】
この例では、ワーク１は１．６ｍｍまたは２．３ｍｍの薄板であり、開先２を介して突合せ溶接する場合を示している。また溶接ヘッド６は、レーザ溶接用であり、溶接制御装置８により制御される。なお、本発明はこれらに限定されず、その他の材質・厚み、重ね溶接、アークやプラズマ溶接ヘッドであってもよい。
【００２２】
図１において、本発明の溶接状況解析装置は、溶接部可視化装置１０および画像処理装置２０を備える。
【００２３】
溶接部可視化装置１０は、パルス光源（この例では高輝度フラッシュランプ１１）、ランプ電源ユニット１２、ランプ光量制御ユニット１３、カメラヘッド部１４、カメラ本体１５、制御装置１６、及びモニタ１７を備える。
【００２４】
高輝度フラッシュランプ１１は、カメラ本体１５からのストロボパルス信号に応じてランプ電源ユニット１２から電力が供給され溶接部を照明する。ランプ光量制御ユニット１３は、光量制御用電圧をランプ電源ユニット１２に印加する。
なお、パルス光源は、高輝度フラッシュランプに限定されるものではなく、ＹＡＧレーザ第高調波などのレーザ光源であってもよい。
高画素ＣＣＤカメラは、カメラヘッド部１４とカメラ本体１５からなる。カメラヘッド部１４は、レンズ及びＣＣＤ（例えば１４０万画素）を内蔵し、溶融池３を含む溶接部の画像を撮影する。カメラ本体１５は、カメラヘッド部１４を制御し、撮影した画像データ（例えば１３２０×１０４０Ｐｉｘｅｌ）を制御装置１６に入力する。
なおＣＣＤカメラの代わりにＣ−ＭＯＳカメラでもよい。
制御装置１６は、例えばパソコン本体であり、ランプ光量制御ユニット１３及びカメラ本体１５を制御し、画像データを画像処理装置２０に出力するとともにモニタ１７に表示する。
【００２５】
上述した構成により、溶接部可視化装置１０は、高輝度フラッシュランプ１１による溶接部の照明と高画素ＣＣＤカメラ１４，１５による撮影を同期させて、溶融池３を含む溶接部の画像を連続的に撮影し、複数の画像データを得るようになっている。
【００２６】
画像処理装置２０は、例えばパソコン本体であり、溶接部可視化装置１０で撮影した各画像データに含まれるヒューム量を検出し、このヒューム量から溶接状況をリアルタイムで解析する機能を有する。なお、制御装置１６と画像処理装置２０を単一のパソコンで構成してもよい。
【００２７】
画像処理装置２０は、各画像データから溶融池近傍に位置し輝度が第１しきい値Ａより高い画素数をヒューム画素数としてカウントし、このヒューム画素数が第２しきい値Ｂを超える場合にヒューム量異常として判定し、同一の溶接時に得られた複数の画像データのうちヒューム量異常の画像の割合が第３しきい値Ｃより多い場合に溶け込み不足と判定する。
画像処理装置２０による判定結果は、溶接制御装置８に入力され、その制御に反映される。
【００２８】
図２は、上述した溶接部可視化装置のモニタ画像の説明図である。この図に示すように、溶接部可視化装置１０のモニタ１７には、高画素ＣＣＤカメラで撮影された溶接部の画像、すなわち、ワーク１、開先２とその間のシーム２ａ、溶融池３、およびビード４が表示される。
【００２９】
図３は、本発明の画像処理装置における良否判定フローチャートである。本発明の画像処理装置は、高画素ＣＣＤカメラで撮影された溶接部の画像データに対して自動的に画像処理が加えられる。
この画像処理は、判定ステップＳ１〜Ｓ５からなり、各画像データを、無効、不良、良の３種のデータに判定するようになっている。
【００３０】
画像の有効／無効判定ステップＳ１では、ワークが存在すると想定される位置（図２の溶融池出現基準位置から決定する）の明るさがある範囲内であれば、ワークを観察しているものとして、この画像は総合的な良否判定を行う際に有効な画像であると判定する。明るさが上記範囲外の場合には、無効と判定する。
溶融池の有無判定ステップＳ２では、溶融池出現基準位置の周辺をチェックして、ある明るさ以上明るい領域が、ある割合以上出現しているとき、溶融池が有ると判定する。それ以外の場合は、溶融池が無いとして、不良と判定する。
シーム位置の適否判定ステップＳ３では、図２のシーム出現基準位置周辺をチェックして、画像処理により画像上のシーム位置を検出する。シーム出現基準位置から、検出されたシームまでの距離が、ある値より小さい場合、適正と判定し、ある値より大きい場合、不良と判定する。
シーム幅の適否判定ステップＳ４では、画像処理によりシーム幅を検出し、その幅がある値より小さい場合、適正と判定し、ある値より大きい場合、不良と判定する。
【００３１】
上述した判定ステップＳ１〜Ｓ４における「ある値」は、任意の値であり、目的とする判定が精度よくできるように、適宜設定する。この設定は、同一条件における溶接結果に基づき行うのがよい。
【００３２】
ヒューム量の適否判定ステップＳ５では、各画像データからヒュームが発生する領域が入るように位置し、輝度が第１しきい値Ａより高い画素数をヒューム画素数としてカウントし、このヒューム画素数が第２しきい値Ｂを超える場合にヒューム量異常として判定し、同一の溶接時に得られた複数の画像データのうち、ヒューム量異常の画像の割合が第３しきい値Ｃより多い場合、溶け込み不足と判定する。
【００３３】
適否判定ステップＳ５における第１しきい値Ａは、ヒューム５が、溶融池３の近傍に高輝度領域として出現し、他の部分（ワーク１、開先２、シーム２ａ、溶融池３、およびビード４）より一般的に輝度が高いことから、その判別に適した値を設定する。
ヒューム量が通常より多い場合、経験的に溶け込み不足が発生している可能性が高い。従って第２しきい値Ｂは、同一の溶接条件において、溶け込み不足が発生した異常時の複数の画像データと、溶け込み不足が発生しない正常時の複数の画像データとを準備し、異常時及び正常時の画像データに含まれるヒューム画素数とその頻度から、その両方が発生する確率分布のピーク値を算出し、このピーク値を第２しきい値Ｂとして設定するのがよい。
また、第３しきい値Ｃは、異常時及び正常時の画像データに含まれるヒューム量異常の画像の割合を予め求め、その両者の中間値に設定するのがよい。
【００３４】
本発明において溶接部可視化装置１０は、溶接時に溶接池近傍の画像を自動的に撮影する。撮影した画像に対しては、ヒューム量に基づく溶け込み不足検知を含む画像処理を加え、溶接の良否を判定する。その結果はモニタに表示されるとともに溶接加工システムに通知され、溶接加工システムはこの通知を受けてオペレータへの警報や不良品の自動廃棄を行う。
【００３５】
ヒュームは、溶融池の近傍に高輝度領域として出現する。このヒューム量が通常より多い場合、溶け込み不足が発生している可能性がある。ヒューム量に基づく溶け込み不足検知は以下の手順で行われる。
（１）  得られた１枚の溶接画像に対して、溶融池近傍で、しきい値Ａより輝度が高い画素の数をカウントする。
（２）  その画素数が、しきい値Ｂより多い場合、その画像はヒューム量異常としてカウントする。
（３）  溶接時に得られた画像（４秒の溶接なら１００枚程度）のうち、ヒューム量異常が発生した画像の割合がしきい値Ｃより多い場合、溶け込み不足と判定する。
【実施例１】
【００３６】
図４は溶接部可視化装置による正常時の画像の一例であり、図５は溶接部可視化装置による異常時の画像の一例である。
図４には、溶接時のワーク１、シーム２ａ、溶融池３、およびビード４が精度よく可視化されており、これから精度の高い溶接状況の解析が可能であることがわかる。またこの図では、ヒュームが確認できず、ヒューム量は非常に少ないことがわかる。
また、図５には、溶接時のワーク１、シーム２ａ、溶融池３、およびビード４が可視化されているが、ヒューム５が発生しており、かつヒューム量は非常に多いことがわかる。
【実施例２】
【００３７】
図６は、異常時及び正常時のヒューム画素数を示す図である。この図において、横軸は、同一の溶接条件において、約４秒間の間に連続的に撮影した複数の画像データの画像番号であり、縦軸は各画像データに含まれるヒューム画素数である。また、図中の実線（太線）は正常時、破線（細線）は異常時を示している。
【００３８】
この図から、ヒューム量が通常より多い場合、一般的に溶け込み不足が発生しているといえることがわかる。
また、このデータを上述した画像の有効／無効判定ステップＳ１で判定した結果、有効画像は、正常時データの８５枚のうち７９枚、異常時データの８７枚のうち７２枚であった。
また、正常時の有効画像において、ヒューム画素数が１４０００より大きいものは１１枚（１３．９％）、２４０００より大きいものは１枚（１．３％）であった。
さらに、異常時の有効画像において、ヒューム画素数が１４０００より大きいものは６１枚（８４．７％）、２４０００より大きいものは４４枚（６１．１％）であった。
【００３９】
従って、この例において、ヒューム画素数が第２しきい値Ｂ（例えば１４０００）を超える場合にヒューム量異常として判定し、同一の溶接時に得られた複数の画像データのうち、ヒューム量異常の画像の割合が第３しきい値Ｃ（例えば１５％〜８０％の間の値）より多い場合、溶け込み不足と判定することにより、ヒューム量から溶接状況をリアルタイムで解析することができることがわかる。
【実施例３】
【００４０】
図７は、異常時及び正常時のヒューム画素数とその頻度の関係図である。この図は、図６のデータを基に作成したものであり、横軸はヒューム画素数、縦軸は頻度（画像枚数）である。また、図中の実線（太線）は正常時、破線（細線）は異常時を示している。
【００４１】
異常時及び正常時のヒューム画素数が正規分布にのるとすると、正常時のヒューム画素数の平均μ１、標準偏差σ１、分散σ１２は、この例で８２０２、５１８１、２６８４２７６１となる。また同様に異常時のヒューム画素数の平均μ２、標準偏差σ２、分散σ２２は、この例で２６６０３、１４０１０、１９６２８０１００となる。
【００４２】
また、その両方が発生する確率分布のピーク値μは、下記の式（１）で与えられる。
μ＝（σ２２／（σ１２＋σ２２））μ１＋（σ１２／（σ１２＋σ２２））μ２・・・（１）
【００４３】
この式（１）からピーク値μを算出し、第２しきい値Ｂをピーク値μに設定するのがよい。上記の例では、ピーク値μは１３１７０となる。
この場合、検出されたヒューム画素数がピーク値μより小さい場合には、正常時の現象（溶け込み不足なし）が起こっている確率が高く、ピーク値μより大きい場合には、異常時の現象（溶け込み不足あり）が起こっている確率が高いといえる。
【００４４】
上述したように、本発明は、溶接部可視化装置１０によって得られる高画質な溶接画像から、画像処理によってヒューム量を計測し、この値から溶け込み不良発生を検知するようにしたものである。
本発明の装置及び方法により、溶接加工サイクル中に得られる溶接画像から、溶け込み不足を自動的に検知できるようになり、不良品の発生率を下げることができる。
【００４５】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の溶接状況解析装置の全体構成図である。
【図２】溶接部可視化装置のモニタ画像の説明図である。
【図３】本発明の画像処理装置における良否判定フローチャートである。
【図４】溶接部可視化装置による正常時の画像である。
【図５】溶接部可視化装置による異常時の画像である。
【図６】異常時及び正常時のヒューム画素数を示す図である。
【図７】異常時及び正常時のヒューム画素数とその頻度の関係図である。
【図８】特許文献１の判定方法のフロー図である。
【図９】特許文献２の装置の模式図である。
【図１０】特許文献３の装置の模式図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  ワーク（被溶接材）、２  開先、２ａ  シーム、
３  溶融池、４  ビード、５  溶接ヒューム（ヒューム）、
６  溶接ヘッド、８  溶接制御装置、
１０  溶接部可視化装置、１１  パルス光源（高輝度フラッシュランプ）、
１２  ランプ電源ユニット、１３  ランプ光量制御ユニット、
１４  カメラヘッド部、１５  カメラ本体、
１６  制御装置、１７  モニタ、２０  画像処理装置
【図１】
2007330987.tif 000003
【図２】
2007330987.tif 000004
【図３】
2007330987.tif 000005
【図６】
2007330987.tif 000006
【図７】
2007330987.tif 000007
【図８】
2007330987.tif 000008
【図９】
2007330987.tif 000009
【図１０】
2007330987.tif 000010
【図４】
2007330987.tif 000011
【図５】
2007330987.tif 000012