(57)【要約】【課題】  溶接トーチ部を大型化することなく、アーク光による撮影視野の欠損を低減し、確実に溶接対象部材の溶接状態を診断する診断装置を提供する。【解決手段】  上記課題を解決するために、本発明に係る診断装置は、移動する溶接トーチの前方からの光を取得する前方受光部と、前記溶接トーチの後方からの光を取得する後方受光部と、前記前方受光部により取得した光と、前記後方受光部により取得した光から画像を生成する画像生成部と、前記画像生成部により生成した画像から溶接対象部材の溶接状態を診断する診断部を有する。【選択図】  図１
2017217662.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動する溶接トーチの前方からの光を取得する前方受光部と、
前記溶接トーチの後方からの光を取得する後方受光部と、
前記前方受光部により取得した光と、前記後方受光部により取得した光から画像を生成する画像生成部と、
前記画像生成部により生成した画像から溶接対象部材の溶接状態を診断する診断部を有することを特徴とする診断装置。
【請求項２】
請求項１に記載の診断装置であって、
前記前方受光部が取得する光は、溶接前の溶接対象部材及び溶融池からの光であることを特徴とする診断装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の診断装置であって、
前記画像生成部が生成する画像は、溶接前の溶接対象部材の表面の画像であることを特徴とする診断装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載の診断装置であって、
前記画像生成部が生成する画像は、溶接前の溶接対象部材間のギャップの画像であることを特徴とする診断装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の診断装置であって、
前記後方受光部が取得する光は、溶接後の溶接対象部材及び溶融池からの光であることを特徴とする診断装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の診断装置であって、
前記画像生成部が生成する画像は、溶接後の溶接対象部材の表面の画像であることを特徴とする診断装置。
【請求項７】
請求項３に記載の診断装置であって、
前記診断部は、溶接前の溶接対象部材の表面における光の反射率、表面粗さ、または凹凸に基づき、溶接欠陥の発生確率を評価することを特徴とする診断装置。
【請求項８】
請求項４に記載の診断装置であって、
前記診断部は、溶接前の溶接対象部材間のギャップの幅または位置に基づき、溶接欠陥の発生確率を評価することを特徴とする診断装置。
【請求項９】
請求項６に記載の診断装置であって、
前記診断部は、溶接後の溶接対象部材における酸化物の量に基づき、溶接欠陥の発生確率を評価することを特徴とする診断装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか一項に記載の診断装置であって、
前記前方受光部及び前記後方受光部が取得する光は、６００〜１４００ｎｍの波長の可視光または近赤外線領域の光であることを特徴とする診断装置。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の診断装置であって、
前記前方受光部により取得する光と、前記後方受光部により取得する光とを合成して、前記画像生成部に出力する前後光回路合成器を有することを特徴とする診断装置。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の診断装置であって、
前記前方受光部または前記後方受光部を溶融池から飛散するスパッタの到達範囲外に設置することを特徴とする診断装置。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の診断装置であって、
前記診断部は、前記画像生成部が生成する画像と、予め記憶している適正な溶接状態を示す画像とを比較して、溶接対象部材の溶接状態を診断することを特徴とする診断装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の診断装置であって、
前記診断部は、予め記憶している適正な溶接状態を示す画像をネットワークを介して取得することを特徴とする診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接状態を診断する診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
アーク溶接はアーク放電現象を利用して二つの金属部材を溶接する技術であり、多くの産業分野で用いられている。アーク溶接には、溶接電流や溶接電圧、シールドガスの流量、放電電極の形状、金属部材と電極間の距離等の多くのパラメータがある。健全な溶接部を形成するためには、これらパラメータを金属部材の材質や形状に合わせて調整する必要がある。
【０００３】
アーク溶接部を撮影して溶接状況を可視化することでこのパラメータ調整を容易にする装置が特許文献１に記載されている。この特許文献１には、「本発明の溶接部位可視化装置は、被溶接部位と溶接トーチ部との間に形成される溶接アーク及び溶接アークで加熱された周辺領域の場景から入射される光を誘導する光誘導手段と、光誘導手段で誘導された溶接アーク光に対し撮影に適する輝度に調節する第１調節部と、光誘導手段で誘導された周辺領域の場景から入射される光に対し撮影に適する輝度に調節する第２調節部とを持つ光調節手段と、光調節手段で調節された光を画像信号として記録する画像信号記録手段と、画像信号記録手段で出力された画像信号を合成処理する画像合成処理手段と、を有しており、複数の光誘導手段と光調節手段により複数の光路が構成されていることを特徴とする。」と記載されている。特許文献１によれば、「溶接アーク光と溶接アークで加熱された周辺領域との場景から入射される光には大きいな輝度差を持っている。これに対し、本発明の溶接部位可視化装置は、異なる光強度調整性能を持つ第１調節部と第２調節部を設けることにより、それぞれの入射光に最適観察条件を設定することができ、同時に溶接アーク及び周辺領域の状況を可視化する」ことができる。また、特許文献１によれば、「光誘導手段が設けられているため、溶接トーチ部の先端部にカメラなどの撮影手段を直接設置することもないので、溶接トーチ部をより小型化することができる」とされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１１８０５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記特許文献１には、溶接トーチ部を小型にしつつ溶接アーク及び周辺領域の状況を可視化する溶接加工装置が記載されている。しかし、特許文献１記載の溶接加工装置は、溶接アーク及び周辺領域の状況を可視化するのに止まり、可視化で得られた画像を利用してアーク溶接部の健全性を向上させる技術については記載されていない。
【０００６】
また、特許文献１に記載された溶接加工装置は、ワイヤ（溶接電極）近傍に配置された第１光路を溶接アーク光から入射される光の撮影に最適化するため、ワイヤ近傍の周辺領域、例えばワイヤの下に形成される溶融池の撮影には課題が残る。特に、アーク光から第１光路の反対側にある溶融池および溶接部材の撮影は、調節部が強い溶接アーク光の撮影に最適化されるため困難である。溶融池および溶接部材の一部を欠いた可視化結果では、前述の健全性判定において判定精度を低下させる可能性がある。
【０００７】
更に、特許文献１記載の溶接加工装置は、ワイヤ近傍および溶接トーチ後方を撮影するため、アーク光と溶融池の状態を捉えることはできるにしても、溶接進行方向前方にある溶接前の金属部材の状態を撮影することには課題を残す。特に、溶接によって接合される金属部材間の隙間（以下、ギャップ）の状態はアーク溶接部の健全性に大きい影響を及ぼすが、溶接トーチの側面に光路を配置する特許文献１記載の溶接加工装置では溶接進行方向に沿って細長い形状を取るギャップ状態を撮影することが困難である。溶接進行方向前方にある溶接前の金属部材の状態を欠いた可視化結果では、前述の健全性判定において判定精度を低下させる可能性がある。
【０００８】
本発明の目的は、溶接トーチ部を大型化することなく、アーク光による撮影視野の欠損を低減し、確実に溶接対象部材の溶接状態を診断する診断装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明に係る診断装置は、移動する溶接トーチの前方からの光を取得する前方受光部と、前記溶接トーチの後方からの光を取得する後方受光部と、前記前方受光部により取得した光と、前記後方受光部により取得した光から画像を生成する画像生成部と、前記画像生成部により生成した画像から溶接対象部材の溶接状態を診断する診断部を有する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、溶接トーチ部を大型化することなく、アーク光による撮影視野の欠損を低減し、確実に溶接対象部材の溶接状態を診断する診断装置を提供することができる。
【００１１】
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例１に係る診断装置の構成図
【図２】実施例１に係る受光部と、光回路と、光回路合成器の作用を示す概略図
【図３】画像検出部の上に結ばれる像の一例を示す模式図
【図４】撮影装置でアーク溶接をその場で撮影した画像の例
【図５】実施例１における画像診断装置、参照データ保存装置および診断結果保存装置の構成を示す構成図
【図６】実施例１における撮影装置と、画像診断装置と、参照データ保存装置と、診断結果保存装置の動作を示す処理図
【図７】実施例１で参照データ保存装置に保存されたデータの構造を示す図
【図８】実施例１で前方画像診断部から制御部に出力される健全性指標の例を示すグラフ
【図９】実施例１で後方画像診断部から制御部に出力される健全性指標の例を示すグラフ
【図１０】実施例２に係るアーク溶接部の溶接その場画像診断装置の構成を溶接部と共に示す構成図
【図１１】実施例３に係るアーク溶接部の溶接その場画像診断装置の構成を溶接部と共に示す構成図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、実施例を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１４】
以下、本発明の一実施例を説明する。
【００１５】
図１は、実施例１に係る診断装置の構成を溶接部と共に示す構成図である。
【００１６】
先ずアーク溶接について説明する。溶接前の金属部材１０１ａと金属部材１０１ｂの間にはギャップ１０２が存在する。アーク溶接では、溶接トーチ２０１の一端に設けされた電極２０２と金属部材１０１ａまたは金属部材１０１ｂの間に電圧を加えることで、電極２０２からアーク２０３を発生させる。金属部材１０１ａと金属部材１０１ｂはアーク２０３によって加熱され、その一部は溶融され液体状態になり溶融池１０３を形成する。溶接トーチ２０１の溶接方向２０４への移動または電圧低下などの原因で溶融池１０３の温度が低下すると、溶融池１０３は凝固して溶接ビード１０４を形成する。
【００１７】
実施例１に係る診断装置は、溶接トーチ２０１の溶接方向２０４に沿った前方に前方受光部３１０を設け、溶接トーチ２０１の溶接方向２０４に沿った後方に後方受光部３２０を設ける。前方受光部３１０と後方受光部３２０は、各々、一つまたは複数の光学レンズと鏡を有する。前方受光部３１０は、溶融池１０３のうち、電極２０２より溶接方向２０４に沿った前方側の溶融池から放出される光と、溶接前の金属部材１０１ａと金属部材１０１ｂから放出される光、ギャップ１０２の一部から放出される光を同時に受光する。また、後方受光部３２０は、溶融池１０３のうち、電極２０２より溶接方向２０４に沿った後方側の溶融池１０３から放出される光と溶接ビード１０４から放出される光を受光する。なお、上記の鏡は、光の進行方向を変えるプリズムまたは光ファイバーまたはその他の光学素子で代替することができる。
【００１８】
前方受光部３１０と後方受光部３２０で受光される光は、各々、前方光回路４１０と後方光回路４２０を経由して、前後光回路合成器５００に導かれる。この機能を達成するために、前方光回路４１０と後方光回路４２０は、各々、一つまたは複数の光学レンズと鏡を有する。ここの鏡は光の進行方向を変えるプリズムまたは光ファイバーまたはその他の光学素子で代替することができる。これら光学素子を用いて、例えば、ボアースコープまたはファイバースコープまたは潜望鏡として知られる光学系の構成を利用することで、前方光回路４１０と後方光回路４２０を実現することができる。なお、図１には、前方光回路４１０と後方光回路４２０が、各々、垂直部品と水平部品の２つの部品からなる例を示した。
【００１９】
前後光回路合成器５００は、一つまたは複数の光学レンズと鏡を有し、前方光回路４１０と後方光回路４２０から入射する２通りの光を撮影装置６００に出力する。撮影装置６００は前後光回路合成器５００から入射した光を、入射時刻によってフレーム分割された動画像に変換（撮影）し、画像診断装置７００へ動画像を出力する。
【００２０】
ここで、本発明の撮影装置６００は、金属融点以上の温度にある溶融池１０３から放出された光と共に、相対的に低温のギャップ１０２および溶接ビード１０４から放出された光をも画像化するため、可視光を撮影できる撮影装置６００を用いる。可視光とは具体的には６００〜１４００ｎｍの波長を有する光である。また、動画像の撮影または伝送またはその他処理速度の差による不具合を防ぐため、撮影装置６００の内部に動画像の一部または全部を一時保持するバッファメモリを設けてもよい。
【００２１】
なお、撮像装置６００は画像生成部ともいい、溶接前の金属部材１０１ａと金属部材１０１ｂの表面の画像、溶接前のギャップ１０２の画像、溶接後の金属部材１０１ａと金属部材１０１ｂの表面の画像などを生成して、これを溶接状態の診断に利用する。
【００２２】
画像診断装置７００は、参照データ保存装置７１０に保存された参照データに基づき撮影装置６００から入力される動画像を分析して、アーク溶接部の健全性を示す一つまたは複数の健全性指標を使用者および診断結果保存装置７２０へ出力する。画像診断装置７００と参照データ保存装置７１０および診断結果保存装置７２０の構成と動作は後で図５と図６を用いて説明する。
【００２３】
図２は本発明の実施例１係る前方受光部３１０と後方受光部３２０と、前方光回路４１０と後方光回路４２０と、前後光回路合成器５００の作用を示す概略図である。溶融池１０３のうち、電極２０２よりより溶接方向２０４に沿った前方側の溶融池１０３と、ギャップ１０２から放出される光Ｒ１は、前方受光部３１０に入射する。光Ｒ１は前方受光部３１０内のレンズ３１１により収束され鏡３１２の上に結像する。図２では簡単のためレンズ３１１を１つだけ示したが、適宜複数のレンズを配置することは周知の技術である。光Ｒ１は鏡３１２で方向を変えて前方光回路４１０に入射して、更に鏡４１１で方向を変えて前後光回路合成器５００に入射する。光Ｒ１は、更に鏡５１１で方向を変えて撮影装置６００に入射する。この際、光Ｒ１は、レンズ５１２により収束され、撮影装置６００内の画像検出部６０１の上で像を結ぶ。
【００２４】
電極２０２よりより溶接方向２０４に沿った後方側の溶融池１０３と溶接ビード１０４から放出される光Ｒ２は、後方受光部３２０に入射され、後方光回路４２０を経由して前後光回路合成器５００に入り、前記Ｒ１と共に画像検出部６０１の上で像を結ぶ。
【００２５】
この時、光Ｒ１と光Ｒ２が画像検出部６０１の上に鮮明に結像するためには、溶融池１０３他から放出されて画像検出部６０１の上に到達するまでの光学的距離がほぼ同一であることが望ましい。従って、光Ｒ１と光Ｒ２が溶融池１０３他から放出されて画像検出部６０１の上に到達するまでに進行する物理的距離が異なる時には、前方受光部３１０と後方受光部３２０、または前方光回路４１０と後方光回路４２０、または前後光回路合成器５００の一つまたは複数個所にあるレンズまたはプリズムまたはその他の光学素子を調節する。図２の装置では、前後光回路合成器５００の中に配置したレンズ５１２とレンズ５２２を用いて調整する。なお、図２では簡単のためレンズ５１２とレンズ５２２を各々１つのレンズとして示したが、適宜複数のレンズを配置して光学的距離を調整することは周知の技術である。
【００２６】
図３は画像検出部６０１の上に結ばれる像の一例を示す模式図である。像Ｉ１は、前記光Ｒ１に由来する前方画像Ｉ１０と、光Ｒ２に由来する後方画像Ｉ２０からなる。前方画像Ｉ１０には、ギャップ１０２の像Ｉ１０２と、溶融池１０３の前方（front）部分の像Ｉ１０３ｆが含まれる。一方、後方画像Ｉ２０には、溶融池１０３の後方（rear）部分の像Ｉ１０３ｒと溶接ビード１０４の像Ｉ１０４が含まれる。この他、Ｉ１０とＩ２０の何れも、金属部材１０１ａと金属部材１０１ｂの像であるＩ１０１ａとＩ金属部材１０１ｂを含む。さらに、Ｉ１０とＩ２０の両方が溶接トーチ２０１の像Ｉ２０１と電極２０２の像Ｉ２０２の何れかまたは両方を含むことが後述の理由で望ましい。図３の例ではＩ１０とＩ２０がＩ２０１とＩ２０２の両方を含む。
【００２７】
図４に撮影装置６００でアーク溶接をその場で撮影した画像の例を示す。図３の模式図と比べて、図４の画像は電極２０２の像Ｉ２０２を含まない。その他は図３と同じであるため、記号の説明は省略する。
【００２８】
図４において、同じ溶融池１０３の画像であっても、前方画像Ｉ１０に写るＩ１０３ｆは後方画像Ｉ２０に写るＩ１０３ｒより大きい。溶融池の画像よりは明瞭でないが、Ｉ１０とＩ２０に写る他の物体もＩ１０の方がＩ２０より大きく写っている。この大きさの相違は、所謂ズーム倍率の違いに起因する。具体的には、前方画像Ｉ１０を形成する光Ｒ１と後方画像Ｉ２０を形成する光Ｒ２が溶融池から放出されて画像検出部６０１に入射するまでの物理的距離と経由するレンズ、鏡、その他の光学素子の差に起因する。従って、画像に写った大きさは、具体的な装置構成によって図４のようにＩ１０がＩ２０より大きくなることも、逆にＩ２０がＩ１０より大きくなることも可能である。
【００２９】
Ｉ１０とＩ２０の間の、所謂、ズーム倍率の違いは、Ｉ１０とＩ２０を別々に診断に用いる場合は課題を生じない。一方、例えば、溶融池１０３の溶接方向２０４に沿った最大寸法を評価する時のように、画像Ｉ１０とＩ２０を一緒に分析する時にはズーム倍率違いの補正の課題が生ずる。この課題は、上述のＩ１０とＩ２０の両方が溶接トーチ２０１の像Ｉ２０１と電極２０２の像Ｉ２０２の何れかまたは両方を含むことで解決される。溶接トーチ２０１と電極２０２はその輪郭が図４に示すように明確なため、画像から輪郭を識別して画像上の大きさを評価することが容易である。従って、画像診断装置７００がＩ１０とＩ２０に写った溶接トーチの像Ｉ２０１または電極の像Ｉ２０２の大きさを評価し、例えばＩ１０で評価された溶接トーチ画像Ｉ２０１の大きさＳ２０１ｆに対する、Ｉ２０で評価された溶接トーチ画像Ｉ２０１の大きさＳ２０１ｒの比、Ｓ２０１ｒ／Ｓ２０１ｆを前方溶融池の像Ｉ１０３ｆの大きさに乗算すればよい。他にＳ２０１ｆ／Ｓ２０１ｒを後方溶融池の像Ｉ１０３ｒの大きさに乗算する、または、溶接トーチ２０１の実際大きさＲＳ２０１を用いて、ＲＳ２０１／Ｓ２０１ｆを前方溶融池の像Ｉ１０３ｆの大きさに乗算してＲＳ２０１／Ｓ２０１ｒを後方溶融池の像Ｉ１０３ｒの大きさに乗算するなど、輪郭を容易に識別可能な溶接トーチ２０１または電極２０２の像をＩ１０とＩ２０に共通に含ませて、その大きさを用いてＩ１０とＩ２０との間の所謂ズーム倍率の違いを補正する何れの方法でも良い。
【００３０】
図５は実施例１おける画像診断装置７００、参照データ保存装置７１０および診断結果保存装置７２０の構成を示す構成図である。画像診断装置７００は参照データ保存装置７１０に保存された参照データに基づき、撮影装置６００から入力される動画像を分析して、アーク溶接部の健全性を示す一つまたは複数の健全性指標を、使用者および診断結果保存装置７２０へ出力する装置である。なお、撮影装置６００の動作開始と終了はトリガー信号を介して溶接装置２００の動作開始および終了と同期される。
【００３１】
この機能を実現するために、画像診断装置７００は、制御部７０１と、前方画像診断部７０３と、後方画像診断部７０４と、主記憶部７０５と、撮影装置送受信インタフェース７０６と、データバス７０７を有する。
【００３２】
図６は実施例１における撮影装置６００と、画像診断装置７００と、参照データ保存装置７１０と、診断結果保存装置７２０の動作を示す処理図である。図６の上端にある７２０、７０１などは、各々、図５のラベルに対応する。ユーザーはラベルの代わりにシンボルで示した。図６の各ラベルおよびユーザーの下にある垂直線は時間の経過を示しており、時間の順に上から下へ処理を並べてある。
【００３３】
動作は、図６の上段左側に示したユーザーの制御部７０１に対する診断準備指示から始まる（処理Ｓ００１）。この時、ユーザーは指示と共に診断する溶接作業の条件も制御部７０１に入力する。制御部７０１は、参照データ保存装置７１０に対して入力された溶接条件に対応する参照データの出力を依頼する（Ｓ０１１）。参照データ保存装置７１０は保存された参照データから溶接条件に対応する参照データを検索して、画像診断装置７００内の主記憶部７０５へ出力する（Ｓ１０１）。参照データ保存装置７１０からの参照データ入力が終わると、参照データは主記憶部７０５から前方画像診断部７０３と、後方画像診断部７０４に伝送される（Ｓ０５１）。前方画像診断部７０３と、後方画像診断部７０４は参照データを各々の内部に設けられた副記憶部に保存した後、保存終了信号を制御部７０１へ出力する（Ｓ０３１、Ｓ０４１）。制御部７０１は保存終了信号が入力されると、ユーザーに対して診断準備終了を報告する（Ｓ０１２）。
【００３４】
ユーザーは制御部７０１の報告を確認した後、制御部７０１に対して診断開始の指示を入力する（Ｓ００２）。制御部７０１は診断開始の指示を撮影装置送受信インタフェース７０６に出力し（Ｓ０１３）、撮影装置送受信インタフェース７０６は撮影装置６００へ診断開始の指示を出力する（Ｓ０６１）。撮影装置６００は指示Ｓ０６1によって待機状態から撮影準備状態となる。ここで待機状態とは外部より所謂トリガー信号が入力されても撮影を開始しない状態であり、撮影準備状態とはトリガー信号が入力されると直ちに撮影が開始される状態である。
【００３５】
溶接装置２００は溶接を開始すると同時に、トリガー信号を撮影装置６００に入力する。撮影装置６００はこのトリガー信号が入力されると直ちに撮影を開始し、撮影された動画像を、逐次、画像診断装置７００内の撮影装置送受信インタフェース７０６へ出力する。出力は動画像を構成する所謂フレーム毎でも良いし、複数フレームを纏めて出力してもよい。撮影装置６００が複数フレームを纏めて出力するためには、撮影装置６００の内部に複数フレーム分のデータを一時保持するバッファメモリが必要であるが、動画像の撮影速度と伝送速度の差による不具合を防ぐことができる。
【００３６】
撮影装置送受信インタフェース７０６は、撮影装置６００より入力された動画像を主記億部７０５へ出力する（Ｓ０６２）。主記億部７０５は入力された動画像を記憶する（Ｓ０５２）。主記億部７０５は、撮影装置送受信インタフェース７０６と、前方画像診断部７０３と後方画像診断部７０４との間に位置し動画像データを記憶することで、撮影装置６００の動画像撮影速度と、前方画像診断部７０３と後方画像診断部７０４における処理速度との差による不具合を防ぐ。
【００３７】
前方画像診断部７０３と後方画像診断部７０４は、主記憶部７０５に記憶された動画像を読み込み、処理Ｓ０３１とＳ０４１で各々の内部の副記憶部に保存した参照データに基づいて、主記憶部７０５から読み込んだ動画像を診断して、アーク溶接部の健全性を示す一つまたは複数の健全性指標を制御部７０１へ出力する（Ｓ０３２、Ｓ０４２）。動画像診断の具体例は後で図８と図９を用いて説明する。
【００３８】
制御部７０１は、前方画像診断部７０３と後方画像診断部７０４から入力された健全性指標をユーザーと診断結果保存装置７２０に出力する（Ｓ０１４）。診断結果保存装置７２０は入力された結果を保存する（Ｓ２０１）。ユーザーは制御部７０１の出力を確認する（Ｓ００３）。
【００３９】
以上で説明した撮影装置による撮影および出力からユーザーの健全性指標確認までの一連の処理は、撮影装置６００に溶接装置２００からの溶接終了のトリガー信号が入力されるまで繰り返される。
【００４０】
溶接装置２００から溶接終了のトリガー信号が入力されると、撮影装置６００は動画像と共に撮影終了の信号を画像診断装置７００内の撮影装置送受信インタフェース７０６へ出力する。この出力後、撮影装置６００は前記の撮影準備状態へ移行する。動画像に対しては、撮影装置送受信インタフェース７０６を初めとする画像診断装置７００内の各構成部は上記で説明した一連の処理を行う。一方、撮影装置送受信インタフェース７０６は、撮影終了信号が入力されると、それを制御部７０１へ出力する。制御部７０１は健全性指標と共に撮影終了をもユーザーに出力する（Ｓ０１（Ｍ＋３））。ユーザーが診断終了を制御部７０１へ指示すると、制御部７０１は撮影装置送受信インタフェース７０６に終了指示を出力し（Ｓ０１(Ｍ+4)）、撮影装置送受信インタフェース７０６は撮影装置６００へ終了信号を出力する（Ｓ０６（Ｍ＋２））。撮影装置６００は終了信号が入力されると撮影準備状態から待機状態へ移行する。
【００４１】
以下、実施例１における前方画像診断部７０３と後方画像診断部７０４での動画像診断処理Ｓ０３２〜Ｓ０３（Ｍ＋１）とＳ０４２〜Ｓ０４（Ｍ＋１）の例を数式を用いて説明する。以下の処理はRecognition Taguchi法（以下、RT法）として知られる画像パターン認識法を応用した例である。この他の画像判別方法、例えばサポートベクターマシーン（Supporting Vector Machine）も本発明に適用できることは言うまでもない。
【００４２】
動画像は異なる時刻に撮影された複数の静止画像から構成されているため、動画像の診断は各々の静止画像（以下、単純に画像）への診断を繰返すことで実現される。第ｎ番目画像を診断する時、対象画像は複数個のピクセルから構成される。
【００４３】
以下、画像の横方向にI個、縦方向にJ個のピクセルが並ぶ四角形の画像を例として説明する。同様の処理は円形や棒状などの他の形状の画像にも適用できる。
【００４４】
第ｎ番目画像における横方向i、縦方向j番目ピクセルの輝度をx(n)ijと表すと、第ｎ番目画像にはx(n)11から〜x(n)IJまでのI×J個のデータが含まれる。
【００４５】
実施例１における画像診断の第１ステップは、以下の数式により第ｎ番目画像のx(n)11から〜x(n)IJから特徴量Y1(n)とY2(n)を計算する。
【００４６】
第1特徴量Y1(n)は（数１）を用いて計算される。
【００４７】
（数１）
Sxy(n)= <x(n)11> x(n)11+<x(n)12> x(n)12+…+<x(n)IJ> x(n)IJ
Y1(n)= Sxy (n)/<Sxx(n)>
RT法において、上記のSxy(n)と<Sxx(n)>とY1(n)は、各々、線形式と有効序数と傾きと呼ばれることがある。なお<x(n)ij>と<Sxx(n)>は参照データとして保存されるデータであり、後で説明する。
【００４８】
第2特徴量Y2(n)は（数２）を用いて計算される。
【００４９】
（数２）
ST1(n)= x(n)112 +x(n)122+…+x(n)IJ2
Se1(n)= ST1(n)- (Sxy(n))2/<Sxx(n)>
Y2(n)= √ { Se1(n)/(I×J-1)}
RT法において、上記のST1(n)とSe1(n)とY2(n)は、各々、全平方和と誤差平方和と標準信号対雑音比（signal-to-noise ratio、以下、標準SN比）と呼ばれることがある。
【００５０】
実施例１における画像診断の第２ステップは、第ｎ番目画像のY1(n)とY2(n)と、良品の溶接時に取得されたY1(n)とY2(n)の平均値である<Y1(n)>および<Y2(n)>とのマハラノビス距離（Mahalanobis' distance）D(n)を（数３）に従って計算する。
【００５１】
（数３）
D(n)={  <V22(n)>[ Y1(n)- <Y1(n)>]2
-2<V12(n)>[ Y1(n)- <Y1(n)>] [ Y2(n)- <Y2(n)>] 
+<V11(n)>[ Y2(n)- <Y2(n)>]2}/2
RT法において、上記の<V11(n)>と<V12(n)> と<V22(n)>は、総じて相関係数と呼ばれることがある。なお<V11(n)>と<V12(n)> と<V22(n)>は参照データとして保存されるデータであり、後で説明する。
【００５２】
実施例１における画像診断の第３ステップは、上記第２ステップで計算した第ｎ番目画像のマハラノビス距離D(n)から（数４）に従って該画像の健全性指標I(n)を求めて制御部７０１へ出力する。
【００５３】
（数４）
I(n)= D(n)/<s(n)>
ここで<s(n)>は規格化定数である。<s(n)>は参照データとして保存されるデータであり、後で説明する。（数４）で求める健全性指標I(n)は、その値が小さいほど良品の溶接時の画像と類似することを表す。健全性指標I(n)の定義は（数４）に限らない。例えば、健全性敷居値T(n)を用いて（数５）のようにI(n)を定義することもできる。
【００５４】
（数５）
I(n)= T(n)- D(n)/<s(n)>
（数５）の定義を用いれば、I(n)が0より小さい時に不良判定を出すことができる。
【００５５】
図７は実施例１で参照データ保存装置７１０に保存されたデータの構造を示す図である。各参照データは、識別番号ＩＤを与えられ、大きく、溶接仕様部と参照データ部で構成される。溶接仕様部は、溶接部の設計図面番号であるＤＳｐｅｃ．と金属部材の調達仕様表番号であるＭＳｐｅｃ．と溶接作業仕様書番号であるＯＳｐｅｃ．を含む。これら設計書および仕様書は設計部門、調達部門、製造または生産技術部門などで作成されるものであるが、溶接部の幾何学的形状、材料、溶接条件が指定されたものであれば他の資料の参照番号を用いてもよい。
【００５６】
参照データ部は、Ｌ個（L≧1）の良品の溶接時の動画像から計算したデータであり、次に説明するＤ１〜Ｄ９の9個のデータファイルを含む。Ｄ１は、良品溶接時の動画像の各画像のピクセルの値をＬ個の良品動画に対して算術平均して得た動画像であり、前記（数１）の<x(n)ij>である。Ｄ２は、良品溶接時の動画像の各画像の有効序数を動画像を構成する全nに対して保存したファイルであり、（数１）の<Sxx(n)>である。<Sxx(n)>は（数６）で計算される。
【００５７】
（数６）
<Sxx(n)>= <x(n)112> +<x(n)122>+…+<x(n)IJ2> 
Ｄ３は、良品溶接時の動画像の各画像の特徴量Y1(n)とY2(n)を、Ｌ個の良品動画に対して算術平均した<Y1(n)>および<Y2(n)>を、動画像の全構成画像に渡って保存したファイルであり、（数３）の計算に用いられる。Ｄ４は、良品溶接時の動画像の各画像の相関係数V11(n)とV12(n) とV22(n)をＬ個の良品動画に対して算術平均した<V11(n)>と<V12(n)> と<V22(n)>を、動画像の全構成画像に渡って保存したファイルであり、前記（数３）の計算に用いられる。<V11(n)>と<V12(n)> と<V22(n)>は（数７）を用いて計算される。
【００５８】
（数７）
<Vab(n)>={[Ya1(n)- <Ya(n)>][Yb1(n)- <Yb(n)>]
+[Ya2(n)- <Ya(n)>][Yb2(n)- <Yb(n)>
+…
+[YaL(n)- <Ya(n)>][YbL(n)- <Yb(n)>]}/(I×J-1)}
例えば、a=1とb=1なら（数７）は<V11(n)>の計算方法を表すことになる。（数7）において、Ya1(n)、Ya2(n) 、…、YaL(n)はＬ個の良品動画におけるYa(n)であり、<Ya(n)>はこれらの平均である。
【００５９】
Ｄ４は、良品溶接時の動画像の各画像における規格化定数<s(n)>を、動画の全構成画像に渡って保存したファイルであり、（数４）または（数５）の計算に用いられる。<s(n)>としては、例えば、良品溶接時の動画像の各画像から（数３）によって求めたマハラノビス距離（Maharanobis’ distance）D(n)の、Ｌ個の良品動画の対応する画像毎の標準偏差を用いることができる。これによって、溶接トーチの移動に伴って良品動画のマハラノビス距離が変化する場合でも、マハラノビス距離に基づいた健全度判定が可能になる。例えば、良品動画において、D(１00)=10*D(１00)である場合、診断対象動画像でD(１00)がD(10)より10倍大きくなったとしても、直ちに以上と判定することを回避できる。規格化定数<s(n)>としては、説明した標準偏差の他にも、標準偏差を引数とする関数の計算値、良品溶接時の動画像のマハラノビス距離の分布情報を含むメディアンなどの他の関数を用いることも可能であり、溶接部品および溶接方法によって適切に構成することができる。Ｄ４は、また、（数５）の健全性敷居値T(n)を含んでもよい。健全性敷居値T(n)は、良品動画と不良品動画で計算したD(n)／<s(n)>を比較することで決めることができる。
【００６０】
参照データ保存装置７１０に保存される上記のデータは、良品の溶接時の動画像が取得される都度、またはある程度の動画像が取得される度に更新することができる。典型的には、診断結果保存装置７２０が参照データ保存装置７１０と接続され、良品溶接時に診断結果保存装置７２０に保存されたデータを用いて参照データ保存装置７１０の参照データを更新する。
【００６１】
図８は前方画像診断部７０３から制御部７０１に出力される健全性指標I(n)の例を示すグラフある。グラフの上の画像(a)、(b)、(c)は診断に用いた画像であり、各々、破線の矢印で示したnに対応する。図８では（数４）で定義される健全性指数を用いており、I(n)が小さいほど良品の溶接画像に近いことを表す。図８の例では、溶接初期にI(n)が高く不良の可能性が高い。高いI(n)に対応する画像(a)と低いI(n)に対応する画像(b)および(c)を比較すると、高いI(n)はギャップI102が良品時より広かったため発生したことが分かる。このような場合、規定の溶接方法は狭いギャップの溶接に適切に設定されるため、ギャップが規定より広いと溶接欠陥の発生確率が高まる。規定値外のギャップ幅は、例えば、金属部材の１０１aまたは金属部材１０１ｂの切削加工における寸法誤差、溶接のために金属部材１０１aまたは金属部材１０１ｂを隣接して配置する時の配置誤差、溶接のために金属部材１０１aまたは金属部材１０１ｂを隣接して配置する時の下面の平面度不足による傾き誤差など、溶接作業およびその前工程における複数原因によって発生し得る。図８の例が示す如く実施例１の前方画像診断部７０３が出力する健全性指標I(n)は、溶接部の欠陥発生確率を評価することに有効である。
【００６２】
上述のギャップ幅の変動の原因によっては、ギャップの幅の他、ギャップの位置の変化も発生し得る。ギャップの位置が変化すると、溶接トーチとギャップとの相対位置も変化するため、溶接部の欠陥確率が高まる。図８からも明らかなように、実施例１の装置はギャップと溶接トーチとの相対位置を検出することが可能であり、ギャップの位置変化による溶接部の欠陥発生確率を評価することに有効である。
【００６３】
また、図８から明らかなように、実施例１の装置は溶接される前の未溶接部の表面状態を撮影可能であるため、前記の如く、良品の画像と比較することで、表面状態の比較に基づく溶接部の欠陥発生確率を評価することが可能である。ここで表面状態とは、撮影された表面での光の反射状態（反射率）や表面粗さの変化から評価可能で、溶融池の化学成分に影響する加工油や酸化物またはその他の不純物の付着状態を含む。また、画像上の濃淡の変化から評価可能で、溶融金属と金属部材１０１aおよび金属部材１０１ｂとの間の空洞発生に影響する、未溶接部の表面の凹凸状態を含む。
【００６４】
図９は後方画像診断部７０４から制御部７０１に出力される健全性指標I(n)の例を示すグラフある。グラフと画像の各記号は図８と同様である。図９の例では、健全性指標I(n)が画像(b)と(e)を中心に上昇してある。これら画像では、良品の溶接画像に比べて、溶接ビード画像Ｉ１０４に黒い部分が多く現れている。これら黒い部分は高温の金属に生成された異常な酸化物（slug）であり、溶融池内部に巻き込まれて凝固すると内部欠陥になるため、異常な酸化物が発生すると溶接部の欠陥発生確率が高まる。異常なスラグは、例えば、溶融池１０３を大気から遮蔽するため溶接トーチ２０１から噴出されるシールドガスの不足または該シールドガスの純度不良、または金属部材１０１aまたは金属部材１０１ｂの表面に残る加工油などの不純物、または金属部材１０１aまたは金属部材１０１ｂの表面の酸化膜などによって発生し得る。図９の例は本願発明の一実施例の後方画像診断部７０４から出力される健全性指標I(n)が、溶接部の欠陥発生確率を評価することに有効であることを示す。
【００６５】
ユーザーは、溶接その場で健全性指標I(n)を見ることで、欠陥発生確率が高い箇所の発生を溶接中に知ることができ、溶接を一端中止して補修溶接をする、または、溶接を一通り終了してから当該個所を補修するなどの対策を取ることができる。
【００６６】
ユーザーは、また、診断結果保存装置７２０に記録された健全性指標I(n)を見ることでも、溶接部における欠陥発生確率の高い箇所の有無を知ることができる。溶接部の中で欠陥発生確率が高い箇所がある場合、記録された溶接速度を用いて、溶接開始からの当該個所が発生するまでの時間を溶接開始点からの距離に換算することで、欠陥発生確率が高い箇所の位置を確認することも可能である。欠陥発生確率の高い位置を確認することで、当該個所を補修するなどの対策を取ることができる。
【００６７】
以上の構成により、実施例１は、溶接トーチ部を大型化することなく、アーク光による撮影視野の欠損を低減すると共に溶接進行方向前方の金属部材状態を撮影可能とし、溶接その場画像を用いてアーク溶接部の健全性を診断可能な装置を提供する。
【実施例２】
【００６８】
図１０は、本発明の別の実施形態に係るアーク溶接部の溶接その場画像診断装置の構成を溶接部と共に示す構成図である。以下、実施例１と共通する箇所は省略し、実施例１との違いを中心に説明する。
【００６９】
先ずアーク溶接について説明する。溶接前の金属部材１０１ａと金属部材１０１ｂには溶接作業性の向上を目的に溶接部に溶接開先（welding groove）と呼ばれる溝１０５を設けてあり、溝１０５の中に金属部材１０１ａと金属部材１０１ｂとのギャップ１０２が存在する。溶接トーチ２０１の一端に設けされた消耗型電極２０５と金属部材１０１ａまたは金属部材１０１ｂの間に電圧を加えることで、消耗型電極２０５からアーク２０３を発生させる。金属部材１０１ａと金属部材１０１ｂと、消耗型電極２０５はアーク２０３によって加熱され、その一部は溶融され液体状態になり溶融池１０３を形成する。消耗型電極２０５の一部を溶融させて該溶融部を溶融池１０３に加えることにより、溶融池１０３の体積および溶融池１０３が凝固してできる溶接ビード１０４の体積を消耗型電極２０５の溶融部と略等しい体積だけ増加させ溝１０５の全部または一部を埋めることで、金属部材１０１aと金属部材１０１ｂを接合する。
【００７０】
このようなアーク溶接では、消耗型電極２０５から溶融池１０３への溶融金属の移動に伴い、溶融池１０３から数μｍ〜数ｍｍの粒径を持つ高温の金属微粒子であるスパッタ（spatter）が飛び出すことが多い。飛び出したスパッタが前方受光部３１０のレンズ３１１または後方受光部３２０のレンズ３２１に到達すると、溶接中にスパッタがレンズ表面に付着し続くため、撮影される画像の質が劣化する課題が生ずる。
【００７１】
対策として、例えば、レンズ３１１または３２１と溶融池１０３の間に保護用ガラスを配置しておき、保護用ガラス表面へのスパッタ付着量が基準値を超えたら、保護用ガラスを交換することができる。しかし、保護用ガラスを交換するためには溶接作業を中止する必要があるため、溶接作業の効率を高めるためには、単位時間あたり保護用ガラスに到達するスパッタの量を低減することが望ましい。
【００７２】
本発明の第２実施形態は、前方受光部３１０または後方受光部３２０に単位時間あたり到達するスパッタの量を低減するため、前方受光部３１０と後方受光部３２０の片方または両方を溶融池１０３から飛散するスパッタの到達範囲外、例えば溶融池１０３から５００ｍｍ以上離れた位置に配置する。
スパッタの飛散方向は、溶接トーチ２０１の形状、溶接トーチ２０１と金属部材１０１aおよび金属部材１０１ｂとの角度などによって異なる。図１０は、溶接方向２０４の前方へのスパッタの飛散量は多い一方で後方へのスパッタの飛散量が少ない場合に、前方受光部３１０は溶融池１０３から離れた場所に配置して後方受光部３２０は溶融池１０３から近い場所に配置した例を示す。
溶融池１０３から遠方に配置される受光部、図１０の例では前方受光部３１０は、遠方から溶融池１０３およびその近傍を撮影するために周知技術である光学ズーム機構を備える。また、図１０の例では、遠方に配置された受光部３１０はディジタルズーム機構を有する第２撮影装置６１０と接続される。ディジタルズーム機構を有する第２撮影装置６１０を用いることで、複数の撮影装置を用いることにより装置構成が複雑になる反面、受光部３１０の光学ズーム機構を小型化できる。小型の受光部３１０は軽量なため、溶接トーチ２０１の移動によって位置を変える溶融池１０３から放出される光を捉えるための、周知技術を用いた角度または位置の微調整に有利である。
以上の構成により、本願発明の一実施例は、溶接トーチ部を大型化することなく、アーク光による撮影視野の欠損を低減すると共に溶接進行方向前方の金属部材状態を撮影可能とし、溶接その場画像を用いてアーク溶接部の健全性を診断可能な装置を提供する。
【実施例３】
【００７３】
図１１は、本発明の更に別の実施形態に係るアーク溶接部の溶接その場画像診断装置の構成を溶接部と共に示す構成図である。以下、実施例１および２と共通する箇所は省略し、実施例１および２との違いを中心に説明する。
【００７４】
実施例３に関わるアーク溶接部の溶接その場画像診断装置は、ユーザーまたは参照データ保存装置７１０または診断結果保存装置７２０が、ネットワーク８００を介して、画像診断装置７００と接続される。ネットワーク８００には、複数の画像診断装置７００’が接続され、複数の画像診断装置７００’は溶接動画像を撮影するための前記各装置に各々接続される。ネットワーク８００は、工場内ネットワークであっても良いし、工場外とのネットワークであっても良い。例えば、ネットワーク８００は、インターネットであり、複数の画像診断装置７００は異なる国に位置する複数の工場内に配置されてもよい。このような構成の診断結果保存装置７２０には、前記実施例１または実施例２の診断結果保存装置７２０と比べて、同じ期間により多くのデータが保存される。診断結果保存装置７２０に保存された良品溶接時のデータを用いて参照データ保存装置７１０の参照データを更新することで、診断しようとする溶接の条件と一致する条件の参照データを見つかり易くして診断精度を向上できる。
【符号の説明】
【００７５】
１０１a…金属部材、１０１ｂ…金属部材、１０２…ギャップ、１０３…溶融池、
１０４…溶接ビード、１０５…溝、２０１…溶接トーチ、２０２…電極、
２０３…アーク、２０４…溶接方向、２０５…消耗型電極、３１０…前方受光部、
３１１…レンズ、３１２…鏡、３２０…後方受光部、４１０…前方光回路、
４２０…後方光回路、５００…前後光回路合成器、６００…撮影装置、
６０１…画像検出部、６１０…第２撮影装置、７００…画像診断装置、
７１０…参照データ保存装置、７２０…診断結果保存装置、８００…ネットワーク
【図１】
2017217662.tif 000003
【図２】
2017217662.tif 000004
【図３】
2017217662.tif 000005
【図４】
2017217662.tif 000006
【図５】
2017217662.tif 000007
【図６】
2017217662.tif 000008
【図７】
2017217662.tif 000009
【図８】
2017217662.tif 000010
【図９】
2017217662.tif 000011
【図１０】
2017217662.tif 000012
【図１１】
2017217662.tif 000013