(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接施工表面を連続的に撮像して映像情報を出力する映像化装置と、
前記映像化装置から出力された映像情報に画像処理を施して前記溶接施工表面上に形成される溶融部に対応する幾何学的な特徴点を抽出する画像処理装置と、
前記画像処理装置により抽出された前記幾何学的な特徴点の輝度変化に基づいて溶接施工中における溶融金属の温度変化を算出し、この算出結果に基づいて溶接状態の冶金的健全性を評価する判定装置とを備え、
前記映像化装置は溶接トーチを有する溶接台車に取り付けられ、
前記画像処理装置は、前記映像化装置から出力された映像情報をディジタルデータからなる時系列画像に変換するＡ／Ｄ変換処理部と、このＡ／Ｄ変換処理部により変換された各時点の画像に含まれるノイズ成分を除去する空間フィルタリング処理部と、この空間フィルタリング処理部によりノイズ成分が除去された各時点の画像から前記溶接施工表面上に形成される溶融部に対応する溶融部領域を抽出する領域分割処理部と、この領域分割処理部により抽出された溶融部領域の境界線上に位置する幾何学的な特徴点を求める論理フィルタリング処理部と、前記溶接台車の移動量に基づいて前記各時点の画像間での前記幾何学的な特徴点同士の対応関係を決定する画素間演算処理部とを有することを特徴とする溶接状態監視装置。
【請求項２】
前記映像化装置は、溶接施工表面を連続的に撮像して映像情報を出力する撮像装置と、前記撮像装置に入力される入力光から溶接アーク光の影響を除去するバンドパスフィルタとを有することを特徴とする請求項１記載の溶接状態監視装置。
【請求項３】
前記画像処理装置は前記各時点の画像を順次保存するフレームメモリをさらに有し、このフレームメモリに保存された各時点の画像に対して前記空間フィルタリング処理部、前記領域分割処理部、前記論理フィルタリング処理部および前記画素間演算処理部の各々により画像処理が施されることを特徴とする請求項１記載の溶接状態監視装置。
【請求項４】
前記判定装置は、溶接状態の冶金的健全性を評価するための材料別の判定データを保持するデータベースと、前記画像処理装置により抽出された前記幾何学的な特徴点の輝度変化に基づいて溶接施工中における溶融金属の温度変化を算出し、この算出結果に基づいて前記データベースを参照して溶接状態の冶金的健全性を評価する比較照合部とを有することを特徴とする請求項１記載の溶接状態監視装置。
【請求項５】
前記判定装置の前記比較照合部は、前記画像処理装置により抽出された前記幾何学的な特徴点の輝度変化に基づいて算出された溶接施工中における溶融金属の温度変化と、前記データベースに保持された材料別の判定データとを比較して所定の推論規則に従って溶接状態の冶金的健全性を評価することを特徴とする請求項４記載の溶接状態監視装置。
【請求項６】
前記画像処理装置による処理結果または前記判定装置による評価結果を表示する表示装置をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の溶接状態監視装置。
【請求項７】
溶接施工表面を連続的に撮像して映像情報を出力する工程と、
出力された映像情報に画像処理を施して前記溶接施工表面上に形成される溶融部に対応する幾何学的な特徴点を、連続的に撮像された映像情報に含まれる各時点の画像ごとに抽出する工程と、
抽出された各時点の画像間で対応関係にある幾何学的な特徴点の輝度変化に基づいて溶接施工中における溶融金属の温度変化を算出し、この算出結果に基づいて溶接状態の冶金的健全性を評価する工程とを含むことを特徴とする溶接状態監視方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は溶接状態を監視する溶接状態監視装置およびその方法に係り、とりわけ非接触の温度計測により溶接状態を監視する溶接状態監視装置およびその方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電プラント等においては、高容量化および高効率化等の要求に伴って構造部材間の溶接施工箇所が増大する傾向にあり、溶接品質の確保が極めて重要な課題となってきている。
【０００３】
このような溶接施工は従来、熟練した溶接士による手溶接で行われることが多かった。しかしながら、熟練した溶接士はその確保が難しく、また多大な人件費がかかるので、自動溶接機等を用いて溶接施工を自動化することが望まれている。このような自動溶接機等においては例えば、撮像装置を有する画像処理装置等に視覚による作業を代替させる試みがなされている。
【０００４】
ところで、溶接施工においては、溶接施工後の溶接金属の温度変化を計測することにより、溶接施工後の溶接状態の冶金的健全性を評価できることが知られている。このような評価方法は、溶接士のスキル等に依存しない自動溶接機等において特に有用であり、自動溶接機等による溶接施工後に溶接状態の冶金的健全性を評価することにより、一定の溶接品質を確保することができる。なお従来においては、溶接施工後の溶接金属の温度変化を計測するために接触式のセンサが用いられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように従来においては、溶接施工後の溶接金属の温度変化を計測するために接触式のセンサが用いられている。しかしながら、このような接触式のセンサでは、溶接施工中における溶融金属の温度変化を計測することができないので、溶接施工中における溶接状態の冶金的健全性を評価しつつ自動溶接を進めることができず、このため溶接品質が良好な信頼性の高い溶接を実現することができなかった。
【０００６】
本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、溶接施工表面上の温度変化を非接触で計測することにより、溶接士のスキル等に依存しない自動溶接機等において、溶接施工中における溶接状態の冶金的健全性を評価しつつ自動溶接を進めることができるようにする溶接状態監視装置およびその方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、溶接施工表面を連続的に撮像して映像情報を出力する映像化装置と、前記映像化装置から出力された映像情報に画像処理を施して前記溶接施工表面上に形成される溶融部に対応する幾何学的な特徴点を抽出する画像処理装置と、前記画像処理装置により抽出された前記幾何学的な特徴点の輝度変化に基づいて溶接施工中における溶融金属の温度変化を算出し、この算出結果に基づいて溶接状態の冶金的健全性を評価する判定装置とを備え、前記映像化装置は溶接トーチを有する溶接台車に取り付けられ、前記画像処理装置は、前記映像化装置から出力された映像情報をディジタルデータからなる時系列画像に変換するＡ／Ｄ変換処理部と、このＡ／Ｄ変換処理部により変換された各時点の画像に含まれるノイズ成分を除去する空間フィルタリング処理部と、この空間フィルタリング処理部によりノイズ成分が除去された各時点の画像から前記溶接施工表面上に形成される溶融部に対応する溶融部領域を抽出する領域分割処理部と、この領域分割処理部により抽出された溶融部領域の境界線上に位置する幾何学的な特徴点を求める論理フィルタリング処理部と、前記溶接台車の移動量に基づいて前記各時点の画像間での前記幾何学的な特徴点同士の対応関係を決定する画素間演算処理部とを有することを特徴とする溶接状態監視装置を提供する。
【０００８】
また本発明は、溶接施工表面を連続的に撮像して映像情報を出力する工程と、出力された映像情報に画像処理を施して前記溶接施工表面上に形成される溶融部に対応する幾何学的な特徴点を、連続的に撮像された映像情報に含まれる各時点の画像ごとに抽出する工程と、抽出された各時点の画像間で対応関係にある幾何学的な特徴点の輝度変化に基づいて溶接施工中における溶融金属の温度変化を算出し、この算出結果に基づいて溶接状態の冶金的健全性を評価する工程とを含むことを特徴とする溶接状態監視方法を提供する。
【０００９】
本発明によれば、溶接施工表面を撮像して得られた映像情報から溶接施工表面上に形成される溶融部に対応する幾何学的な特徴点を、連続的に撮像された映像情報に含まれる各時点の画像ごとに抽出するとともに、この抽出された各時点の画像間での対応関係にある幾何学的な特徴点の輝度変化に基づいて溶接施工中における溶融金属の温度変化を算出するので、溶接施工中における溶接状態の冶金的健全性を非接触で評価することができる。従って、溶接士のスキル等に依存しない自動溶接機等において、溶接施工中における溶接状態の冶金的健全性を評価しつつ自動溶接を進めることができ、このため溶接品質が良好な信頼性の高い溶接を実現することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１乃至図３は本発明による溶接状態監視装置の一実施の形態を示す図である。
【００１１】
まず、図１により、溶接状態監視装置の全体構成について説明する。図１に示すように、溶接状態監視装置は、溶接施工表面２０を連続的に撮像して映像信号（映像情報）を出力する映像化装置１と、映像化装置１から出力された映像信号に画像処理を施して溶接施工表面２０上に形成される溶融部（溶融池）２０ａに対応する幾何学的な特徴点を抽出する画像処理装置２と、画像処理装置２により抽出された幾何学的な特徴点の輝度変化に基づいて溶接施工中における溶融金属の温度変化を算出し、この算出結果に基づいて溶接状態の冶金的健全性を評価する判定装置３と、画像処理装置２による処理結果または判定装置３による評価結果を表示する表示装置４とを備えている。
【００１２】
このうち映像化装置１は、溶接施工表面２０から所定距離だけ離間して配置され溶接施工表面２０を連続的に撮像して映像信号を出力する赤外線撮像装置１ａと、赤外線撮像装置１ａに入力される入力光から溶接アーク光の影響を除去するためのバンドパスフィルタ１ｂとを有している。ここでバンドパスフィルタ１ｂは、赤外線波長帯域の光のみを選択的に透過させる狭帯域のフィルタである。また、赤外線撮像装置１ａおよびバンドパスフィルタ１ｂからなる映像化装置１は、溶接トーチ２１を有する溶接台車（図示せず）に取り付けられ、溶接施工中に溶接台車の移動（図１中の矢印の方向）に伴って移動するようになっている。ここで、映像化装置１の赤外線撮像装置１ａにより溶接施工表面２０を撮像して得られた映像信号は常時画像処理装置２に入力されるようになっている。
【００１３】
また画像処理装置２は、図２に示すように、映像化装置１の赤外線撮像装置１ａから出力された映像信号（アナログ信号）を標本および量子化して８ビットで２５６階調のディジタル信号（ディジタルデータ）からなる時系列画像に変換するＡ／Ｄ変換処理部５と、Ａ／Ｄ変換処理部５により変換された各時点の画像を順次保存するフレームメモリ６とを有している。ここでフレームメモリ６は、少なくとも第１フレームおよび第２フレームを有し、Ａ／Ｄ変換処理部５により変換された各時点の画像が順次保存されるようになっている。また画像処理装置２は、フレームメモリ６に保存された各時点の画像を平滑化して各時点の画像に含まれるノイズ成分を除去する空間フィルタリング処理部７と、空間フィルタリング処理部７によりノイズ成分が除去された各時点の画像（濃淡画像）を二階調の画像に変換するとともに、この変換された二階調の画像を領域分割して溶融部２０ａに対応する溶融部領域を抽出する領域分割処理部８と、領域分割処理部８により抽出された溶融部領域と母材領域との境界線上に位置する幾何学的な特徴点の座標値を求める論理フィルタリング処理部９とを有している。さらに画像処理装置２は、溶接台車の移動量と映像化装置１および溶接台車の物理的な位置関係と基づいて各時点の画像間での幾何学的な特徴点同士の対応関係を決定する画素間演算処理部１０を有している。
【００１４】
ここで、画像処理装置２のＡ／Ｄ変換処理部５、フレームメモリ６、空間フィルタリング処理部７、領域分割処理部８、論理フィルタリング処理部９および画素間演算処理部１０の各々はデータ転送用バス１２，１３を介して互いに接続されている。また、画像処理装置２のＡ／Ｄ変換処理部５、フレームメモリ６、空間フィルタリング処理部７、領域分割処理部８、論理フィルタリング処理部９および画素間演算処理部１０の各々はＣＰＵ１１により制御され、フレームメモリ６に保存された各時点の画像に対して空間フィルタリング処理部７、領域分割処理部８、論理フィルタリング処理部９および画素間演算処理部１０の各々により画像処理が施されるようになっている。
【００１５】
さらに判定装置３は、溶接状態の冶金的健全性を評価するための材料（例えば母材）別の判定データを保持するデータベース１４と、画像処理装置２により抽出された幾何学的な特徴点の輝度変化に基づいてデータベース１４を参照して溶接施工中における溶接状態の冶金的健全性を評価する比較照合部１５とを有している。ここで比較照合部１５においては、画像処理装置２により抽出された各時点の画像間で対応関係にある幾何学的な特徴点の輝度値を時系列的に並べ替え、あらかじめ求められた校正曲線に基づいて絶対温度に校正して温度変化を算出するとともに、この算出結果（すなわち溶融金属の冷却速度）と、データベース１４に保持された材料別の判定データとを比較して所定の推論規則（例えばｉｆ−ｔｈｅｎルール）に従って溶接状態の冶金的健全性を評価するようになっている。
【００１６】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。
【００１７】
図３に示すように、画像処理装置２に対して処理開始命令が与えられると、映像化装置１の赤外線撮像装置１ａから出力された映像信号（アナログ信号）が画像処理装置２のＡ／Ｄ変換処理部５に入力され、標本および量子化により８ビットで２５６階調のディジタル信号（ディジタルデータ）からなる時系列画像に変換される（ステップ１０１）。なお、変換後の各時点の画像はフレームメモリ６の第１フレームに保存される（ステップ１０２）。
【００１８】
その後、画像処理装置２において、フレームメモリ６の第１フレームに保存された所定時点の画像に対して空間フィルタリング処理部７、領域分割処理部８、論理フィルタリング処理部９および画素間演算処理部１０により画像処理が施され、溶接施工表面２０上に形成される溶融部２０ａに対応する幾何学的な特徴点が抽出される。
【００１９】
具体的には、まず、空間フィルタリング処理部７により、フレームメモリ６の第１フレームに保存された所定時点の画像を平滑化して画像に含まれるノイズ成分を除去し（ステップ１０３）、次いで、領域分割処理部８により、空間フィルタリング処理部７によりノイズ成分が除去された所定時点の画像（濃淡画像）を二階調の画像に変換するとともに、この変換された二階調の画像を領域分割して溶融部２０ａに対応する溶融部領域を抽出する（ステップ１０４）。
【００２０】
このようにして溶融部２０ａに対応する溶融部領域が抽出されると、論理フィルタリング処理部９により、領域分割処理部８により抽出された溶融部領域と母材領域との境界線を抽出するとともに（ステップ１０５）、この境界線上に位置する幾何学的な特徴点の座標値を求める（ステップ１０６）。
【００２１】
ここで、上述したステップ１０１乃至１０６の画像処理が時系列画像の最初の時点の画像（１枚目の画像）に対してなされた場合には（ステップ１０７）、フレームメモリ６の第１フレームに保存された画像を第２フレームにコピーした後（ステップ１０８）、次の時点の画像に対して上述したステップ１０１乃至１０６の処理を繰り返す。
【００２２】
一方、上述したステップ１０１乃至１０６の画像処理が時系列画像の２番目以降の時点の画像（２枚目以降の画像）に対してなされた場合には（ステップ１０７）、画素間演算処理部１０により、溶接台車の移動量と、映像化装置１および溶接台車の物理的な位置関係と基づいてフレームメモリ６の第１フレームおよび第２フレームに保存された画像の幾何学的な特徴点同士の対応関係を決定するとともに（ステップ１０９）、対応関係が決定された幾何学的な特徴点の輝度値を算出する（ステップ１１０）。なお、算出された幾何学的な特徴点の輝度値は記憶装置（図示せず）内に時系列的に保存される。
【００２３】
その後、判定装置３において、画像処理装置２により抽出された幾何学的な特徴点の輝度変化に基づいて溶接施工中における溶融金属の温度変化が算出され、この算出結果に基づいて溶接状態の冶金的健全性が評価される。
【００２４】
具体的には、判定装置３の比較照合部１５により、画像処理装置２により抽出された各時点の画像の幾何学的な特徴点の輝度値を時系列的に並べ替え、あらかじめ求められた校正曲線に基づいて絶対温度に校正して温度変化を算出するとともに、この算出結果（すなわち溶融金属の冷却速度）と、データベース１４に保持された材料別の判定データとを比較して所定の推論規則（例えばｉｆ−ｔｈｅｎルール）に従って溶接状態の冶金的健全性を評価する（ステップ１１１）。
【００２５】
このようにして判定装置３により溶接状態の冶金的健全性が評価されると、その評価結果は、表示装置４の画面上に表示されるとともに、記憶装置内に保存される（ステップ１１２）。
【００２６】
なお、上述したステップ１０１乃至１１２の処理は、判定装置３により溶接状態が異常であると評価され、または溶接が終了するまで繰り返される（ステップ１１３）。
【００２７】
このように本実施の形態によれば、画像処理装置２において、映像化装置１により溶接施工表面２０を撮像して得られた映像信号から溶接施工表面２０上に形成される溶融部２０ａに対応する幾何学的な特徴点を抽出するとともに、この抽出された幾何学的な特徴点の輝度変化に基づいて溶接施工中における溶融金属の温度変化を算出し、次いで、判定装置３により、溶接施工中における溶接状態の冶金的健全性を非接触で評価することができる。従って、溶接士のスキル等に依存しない自動溶接機等において、溶接施工中における溶接状態の冶金的健全性を評価しつつ自動溶接を進めることができ、このため溶接品質が良好な信頼性の高い溶接を実現することができる。
【００２８】
なお上述した実施の形態において、画像処理装置２のＡ／Ｄ変換処理部５、空間フィルタリング処理部７、領域分割処理部８、論理フィルタリング処理部９および画素間演算処理部１０等はいずれもＡ／Ｄ変換ボードまたは演算ユニット等としてハードウェア的に実現することができる他、プログラムモジュールとしてソフトウェア的に実現することもできる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、溶接施工中における溶接状態の冶金的健全性を非接触で評価することができるので、溶接士のスキル等に依存しない自動溶接機等において、溶接施工中における溶接状態の冶金的健全性の評価しつつ自動溶接を進めることができ、これにより溶接品質が良好な信頼性の高い溶接を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による溶接状態監視装置の一実施の形態を示すブロック図。
【図２】図１に示す画像処理装置および判定装置の詳細を示すブロック図。
【図３】図１および図２に示す溶接状態監視装置の作用を説明するためのフローチャート。
【符号の説明】
１  映像化装置
１ａ  赤外線撮像装置
１ｂ  バンドパスフィルタ
２  画像処理装置
３  判定装置
４  表示装置
５  Ａ／Ｄ変換処理部
６  フレームメモリ
７  空間フィルタリング処理部
８  領域分割処理部
９  論理フィルタリング処理部
１０  画素間演算処理部
１１  ＣＰＵ
１２，１３  データ転送用バス
１４  データベース
１５  比較照合部
２０  溶接施工表面
２０ａ  溶融部
２１  溶接トーチ
【図１】
0003787230.tif 000002
【図２】
0003787230.tif 000003
【図３】
0003787230.tif 000004