JP2002205166A - 溶接状態表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 溶接部の映像信号に基づき溶融池の状態を把
握して、溶接に必要な操作情報を生成してモニター画面
に表示する溶接状態表示装置を提供する。 【解決手段】 画像処理装置５１が、カラー撮像装置２
から溶接部のカラー映像信号を取得してＲＧＢ成分に分
解し、ＲＧＢ成分の強度レベルもしくは成分間の比率か
ら溶融池８の範囲を推定し、開先線の位置を決め、情報
処理装置５２が記憶装置５３に格納した溶接施工データ
ベースを参照して溶融池の形状と開先線との位置関係か
ら溶接条件と溶接線倣いなど溶接施工上必要となる補正
情報を生成し、画像表示装置５４が溶接部の映像と補正
情報を同じ画面上に表示する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、溶接状態の表示装
置に関し、特に溶接部の映像を処理して溶融池の状態を
明確化し溶接情報として表示し遠隔操作による溶接作業
を容易に行えるようにする溶接状態表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】溶接により定型品を大量に生産する場合
にはロボット機構を用いた自動溶接機などが用いられる
が、製品が変わると新たなプログラムが必要になるた
め、少量の特殊品を溶接加工する場合などには、溶接技
師が溶接部モニタリング装置を用いて溶接加工するほう
が便利なことがある。溶接部モニタリング装置は、溶接
機を遠隔操縦したり特に多数台の溶接機を少人数の作業
者により操縦するために使用することもできる。このよ
うな溶接部モニタリング装置は、溶接トーチ部に設けた
カメラヘッドにより開先と溶接トーチ先端と溶接池など
溶接部の状態を撮影してＴＶモニタに表示するもので、
溶接部とその周辺の輝度の差を補償した見やすい画像を
提供するように構成されたものもある。

【０００３】たとえば、特開平１１−１４６３８７に
は、それぞれ光の透過率の異なるフィルタを備えた複数
のカメラで同じ溶接部を撮影して、輝度の高いアーク部
分の画像と溶融池や開先などアーク以外の部分の画像を
合成して１枚の表示画面に表示する技術が開示されてい
る。この技術により溶接部の状態をリアルタイムで観察
することができるが、熟練者でなければ表示された画面
に基づいて溶融池の領域を正確に判定することはできな
い。また、表示画面に基づいて状況を判断し適正な溶接
条件や溶接線倣いができるように溶接機を操作すること
は容易でない。したがって、一人の操作者に多数の溶接
機を担当させて作業の合理化を行うことは難しい。

【０００４】なお、特開平０５−２９３６７０には高周
波により製作する揺動式高周波電縫管溶接において、プ
リアークにより溶接点に電流が流れなくなって発生する
不良を管理するためプリアークの性状を監視するように
した装置が開示されている。ここには画像信号における
輝度情報に基づいてプリアークの面積、傾き角、重心な
どを演算して、溶接状態を推定して表示する技術が記載
されている。しかし、境界線近傍で輝度が明確に変化し
ない溶融池を生成するような溶接にこの技術を適用する
と、検出にばらつきを生じ境界線を高精度に検出するこ
とができない。

【０００５】また、特開平１１−２１６５６３には、溶
融部の輝度を基に溶融金属の温度を算出し、その結果に
基づいて冶金的健全性など溶融状態の評価を行う技術が
開示されている。この技術は赤外線カメラにより得られ
た輝度信号に基づいて高温領域を算定して溶融池領域を
画像表示する。しかし、開先部には開先線を判定するだ
けの赤外線放射の差はないので、溶接倣いに関する情報
を表示させることはできない。また、赤外線カメラは高
価であり画像処理装置も特殊なものを使用する必要があ
るので、通常のＣＣＤカメラなどを利用する装置と比較
すると経済性に劣る。

【０００６】溶接技師が溶接部モニタリング装置を用い
て溶接作業を行うときには、モニタに映し出された溶接
部の状態から判断して操作を選択しなければならない。
溶融池の境界を見出すことが難しいため、画像情報から
適正な判断を下すことは熟練技師にとっても簡単ではな
く、特に一人で多数の溶接機を操作する場合には溶接機
毎に設けられる多数のモニタ画像に表示された溶接状態
を短時間で判断しなければならないので、判断ミスや作
業ミスを誘発しやすい。このような判断を装置側で行っ
て適正な操作方法を画面に表示するようにすれば多数台
の溶接機を一人で操作することも可能となるが、従来は
映像信号から溶融池の境界を判定することが難しいた
め、そのような溶接部モニタリング装置は見当たらなか
った。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明が解決
しようとする課題は、溶接部の映像信号に基づき溶融池
の状態を的確に把握して、溶接に必要な操作情報を生成
してモニター画面に表示する溶接状態表示装置を提供す
ることである。このような表示装置は、溶接作業者がモ
ニター画面を見ながら遠隔の溶接機を操作するときに、
上質な溶接結果を得るために溶接条件を調整したり的確
に溶接線倣いをするのを補助することができる。溶接機
毎の溶融池の状態が分かり易く表示されるので溶接状態
を短時間で的確に把握することができ、また情報処理装
置で算定した的確な操作補正情報を見やすく表示するこ
とができるため、特に、多数台の溶接機を一人で操作す
るような場合に極めて有用な補助装置となる。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の溶接状態表示装置は、カラー撮像装置と画
像処理装置と情報処理装置と画像表示装置を備える。そ
して、カラー撮像装置は溶接中の溶接部を撮影してカラ
ー映像信号を発生し、画像処理装置はカラー映像信号を
ＲＧＢ成分に分解しＲＧＢ成分の強度もしくは成分間の
比率から溶融池の範囲を推定しかつカラー映像信号に基
づいて開先線の位置を決める。さらに、情報処理装置は
記憶装置に格納した溶接施工データベースを参照して溶
融池の形状と開先線との位置関係から溶接条件と溶接線
倣いなど溶接施工上必要となる補正情報を生成し、画像
表示装置は溶接部の映像と補正情報を同じ画面上に表示
することを特徴とする。また、本発明の溶接状態表示装
置は、画像表示装置を溶接機から離れたところに設置す
ることもできる。また、溶接機の近傍に表示装置を設置
するほかに遠隔地にも表示させるようにしてもよい。

【０００９】本願発明の発明者等は、従来の溶接部映像
では溶融池の実態を目視で判定することが困難なことに
鑑み新しい観点から鋭意研究の結果、カラー信号をＲＧ
Ｂ成分に分解して使用することにより、目視では区別し
にくい溶融池でも的確に境界線を検出することができる
ことを確認したので、この研究成果を溶接状態の監視お
よび溶接作業に利用する発明に至ったものである。すな
わち、溶融池の境界付近では表面色が周囲の溶接材と近
似するので目視では区別しにくい場合があるが、カメラ
で取得したカラー画像信号をＲＧＢに分解すると、溶接
アーク光位置および溶融池中心部ではＲ成分とＢ成分が
ほぼ同程度であるが周辺に向かうに従いＲ成分の強度が
高くかつＲ／Ｂの値が大きくなり、これらの値は溶融部
領域の輪郭線上で極大値を示す。

【００１０】したがって、カラー画像信号を処理してＲ
成分やＲ／Ｂのピーク値を検出することにより溶融池の
形状を認識することができる。ＲＧＢ信号は常用される
カラー撮像機の出力から容易に得ることができ、Ｒ成分
の抽出や比の計算も簡単な画像処理装置で行うことがで
きる。画像信号中のＲ成分やＲ／Ｂ値に基づいて求めた
溶融池輪郭線を溶融池の画像に重ねて表示すれば、操作
者はモニター画面から直ちに溶融池の領域を看取ること
ができる。また、溶融池の大きさを期待される値と比較
して適当な大きさになるように溶接条件を補正したり、
トーチ位置と開先線を求め、この開先線に対してトーチ
位置が適切になるように移動方向を指示する表示させる
ことができる。さらに、一人の操作者が複数の溶接機を
操作する場合にも、各溶接機に対応する表示装置を１カ
所に集中配置して監視操作するようにすれば、モニター
画面に表示される溶融池の位置と開先位置や移動指示表
示に基づいて溶接線倣いを調整したり、画面上に観察さ
れる溶融池の形状や大きさあるいは溶接電圧や電流など
の補正指示表示に基づいて溶接の条件を調節することが
できる。

【００１１】また、本発明の溶接状態表示装置は溶接作
業者の訓練教育装置として利用することもできる。溶接
状態表示装置は、被訓練者が画像表示装置に表示された
溶接部の状態を観察して溶接電圧・電流および溶接トー
チの位置を調整する際に、情報処理装置で算出した適正
値と被訓練者が実際に入力した指令値との偏差を計算す
る。そして、この偏差の絶対値や２乗値などを積算する
などして求めた誤差評価値により被訓練者の溶接技量を
定量的に表現することができる。また、被訓練者の溶接
技量は、被訓練者が実際に操作した結果として得られた
溶融池の大きさや溶接トーチの位置と、情報処理装置で
算出したその瞬間における適正値との偏差に基づいて算
定することもできる。なお、被訓練者の操作結果や算定
された適正値は画像表示装置に表示することもできる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下実施例を用いて本発明を詳細
に説明する。

【００１３】

【実施例１】図１は、本実施例の溶接状態表示装置の構
成を表すブロック図である。本実施例の溶接状態表示装
置は、溶接トーチ１と連動するカメラヘッド２とカメラ
コントロールユニット４を備えるカラー撮像装置と、画
像処理装置５１、情報処理装置５２、記憶装置５３とデ
ィスプレイ装置５４を備えるパーソナルコンピュータ５
とからなり、溶接トーチ１に電源を供給する溶接電源３
と接続して溶接電圧と溶接電流の情報を取得し、またＬ
ＡＮや電話などの通信回線６を介して遠隔のパーソナル
コンピュータ７と接続されている。

【００１４】カメラヘッド２にはカラーＣＣＤカメラが
仕込まれており、各画素毎にＲＧＢと対応する映像信号
を発生する。カメラヘッド２はＣＣＤカメラの視野が溶
接トーチ１の先端部に発生する溶接部８を含むように配
置されている。図２に概念的に例示するように、溶接部
の画像には溶接ワイヤと溶接アーク光とその周囲に形成
される溶融部、さらに開先稜線が現れている。良好な溶
接を行うためには、溶融部が溶接線上に位置しかつ溶接
すべき範囲が溶融部で覆われることが要求される。した
がって、溶融部と溶接線を正確に検出することが必要で
ある。

【００１５】画像処理装置５１は図２に点線の矢印で示
すような手順で溶融部領域の検出を行う。まず、溶接ワ
イヤを検出する。溶接ワイヤは溶接アークに照らされて
いるため画面中溶融部の上方に明るく浮かび上がってい
る。これを利用して溶接ワイヤの胴部を検出する。次
に、図２に矢示するように溶接ワイヤと溶融部の画像境
界線を下方にたどって溶接ワイヤ下端位置を検出する。
溶融部はＲ成分が強いため、画像信号のＲＧＢ値に基づ
いて境界線を明確に識別することができる。

【００１６】その後、図２に示すように溶接ワイヤの先
端から周辺方向に向かって画像のＲＧＢ値の変化を追跡
して溶融部の輪郭位置を探る。溶接アーク光や溶融池の
中心位置は輝度の強い白光部を形成しているが、溶融池
の周縁に近付くにつれて輝度が低下していき溶融池の境
界位置を明確に検出することが困難である。しかし、画
像信号をＲＧＢ分解したものを観察すると、白光部はＲ
ＧＢ成分がほぼ同じ強度レベルになっているが、溶融池
部分ではＲ成分が優越しており、さらに溶融池の周縁に
近付くにつれＲ成分の強度レベルが高くなり、溶融池の
境界を越えると急激にＲ成分の強度レベルが低下しまた
Ｒ／Ｂの値が大きくなることが分かる。

【００１７】図３は溶接部のカラー画像の１例をモノク
ロ画像に表現した図面であり、図４は図３のカラー画像
に対して溶接アーク光部分を含む直線Ａに沿ってＲＧＢ
の各成分の変化を表示したグラフである。直線Ａの画面
上の座標は（１９０，３９３）、下端の座標は（３９
３，４５０）で、溶接は下端方向に進行している。グラ
フは横軸に溶接の進行方向に向かって測る距離、縦軸に
ＲＧＢの強度レベルを２５６階調で示す。また、図５は
図３のカラー画像において溶接アーク光部分をかすめる
ように設定された直線Ｂに沿って観察されたＲＧＢ各成
分の変化図である。直線Ｂの上端座標は（４２１，１９
０）、下端座標は（４２１，４５０）である。

【００１８】これらのグラフから、白熱した溶接アーク
光の部分ではＲＧＢがほぼ同じ強度レベルを示し、溶融
池の部分ではＲ成分が強く、溶融池の境界付近でＲ成分
が最も大きくなり、境界を越えると急激にＲ成分の相対
的強度が低下することが分かる。この変化は、Ｒ成分強
度をＢ成分強度で割ったＲ／Ｂ値を観察することによ
り、より鮮明に捉えることができる。したがって、画像
のＲＧＢ値の変化を追跡することにより溶融部の輪郭位
置を知ることができる。なお、溶接ワイヤの先端位置を
基準として放射状にＲＧＢ値を観測する代わりに、画像
を２次元的に走査しながらＲＧＢ値を算出するようにし
てもよい。画像処理装置５１はさらに、求めた輪郭から
溶融部８の面積を算出する。

【００１９】また、画像処理装置５１は図６に示すよう
な手順で溶接線の検出を行う。溶融部領域の検出を行う
ときと同じ手順で溶接ワイヤの先端位置を求める。そし
て、図６に矢印で示すように、溶接ワイヤ先端から画面
の水平方向に両側に向かってＲＧＢの１つ以上の成分の
強度を採取し、開先稜線を検出する。開先稜線は変化の
度合いの強い位置として検出することができる。なお、
ＲＧＢの値に代えてこれらの比率を使用してもよい。こ
のように、輝度を用いる代わりにＲＧＢ値を用いること
により、より敏感に稜線位置を求めることができる。こ
うして求めた２個の開先稜線位置の中点を溶接線位置と
する。

【００２０】情報処理装置５２は、画像処理装置５１か
ら溶融池範囲、溶融池面積、溶接線位置を入力し、溶接
電源３から溶接電流値と溶接電圧値を入力する。そし
て、記憶装置５３に格納されている予め与えられた適正
値を読み出し、溶融池面積がこの適正値に合致するよう
にするために必要な溶接電流と溶接電圧の補正値を算出
する。また、溶融池が溶接線上に位置すること、および
溶融池の範囲が溶接すべき範囲を覆っていることを確認
し、この条件が満たされない場合は溶接ワイヤ位置を適
正化するために必要な移動方向と移動量を決定する。

【００２１】ディスプレイ装置５４は、画像処理装置５
１で求めた溶融池境界と開先稜線と溶接線を原画像と共
にあるいは単独で画面に表示する。また、溶接電流と溶
接電圧の現在値と必要補正値または補正目標値を数値あ
るいは図表のかたちで表示する。さらに、溶接ワイヤの
望ましい移動方向と移動量を図表のかたちで表示する。
図７は表示画面の１例を示す図面である。なお、溶接ワ
イヤの移動方向や移動量は原画像あるいは画像処理後の
溶接部図形の上に重ねて表示することもできる。溶接部
の画像に重ねて表示すると操作者が直感的に把握するこ
とができるので、誤操作が少なくなる利点がある。溶接
作業者はディスプレイ装置の近傍に設けられるオペレー
タコンソールから溶接機や溶接ワイヤ、さらに溶接電源
を操作することができる。オペレータコンソールの機能
はパーソナルコンピュータで実現することもできる。

【００２２】さらに、ディスプレイ装置とオペレータコ
ンソールの機能を備えたパーソナルコンピュータ７を遠
隔地に設けて、溶接機の傍らに備えたパーソナルコンピ
ュータ５と通信回線６を介して接続し遠隔管理・遠隔操
作を行うようにすることができる。なお、通信回路６と
して、公衆電話網やコンピュータネットワークなどを用
いることもできる。このような遠隔表示・操作装置７を
集中設置すると、より少数の溶接作業者により、より多
数の溶接機を制御することができるようになる。なお、
画像処理装置５１と情報処理装置５２はパーソナルコン
ピュータに搭載するソフトウエアで実現することもでき
る。また、これら装置の機能は説明の都合上明確に区切
りを有するように説明したが、実際上は境界を明確にす
る必要がない。

【００２３】本実施例の溶接状態表示装置を用いること
により、操作者は、画像を解析して溶融池の範囲を判定
し開先線や溶接線との関係を把握して溶接を行う代わり
に、ディスプレイ装置に表示されたコンピュータの判断
を利用して素早く的確な溶接処理をすることができる。
このため、熟練者でも難しいとされる溶接池輪郭判定や
溶接電流・電圧の適正値算定を省くことができ、その結
果、非熟練者でも等質で高品質な溶接を行うことができ
る。

【００２４】また、溶接作業者１名が多数の溶接機を操
作する多台持ちを実施した場合、溶接機毎に従来の溶接
部モニタリング装置を用いれば、溶接作業者は溶接機全
ての溶接状態に対して画像を介した判断が必要となり、
判断ミスや作業ミスの誘因となりやすいが、本実施例の
溶接状態表示装置を用いれば、溶接状態の判断が自動化
され溶接施工上必要となる情報が表示されるので、溶接
作業者は溶接機や溶接トーチの操作に専念できるように
なりミスが減少する効果がある。なお、本実施例の溶接
状態表示装置は、ＨＤＤや外部記憶装置など適当な記憶
装置を備えることにより溶接中の溶接条件を画像と共に
記録しておくことができ、記録の再生表示も可能であ
る。したがって、溶接記録を作成して施工管理すること
により、管理作業の費用を削減することができる。

【００２５】

【実施例２】図１の溶接状態表示装置は、パーソナルコ
ンピュータのプログラムを僅かに変更することにより、
溶接作業者の訓練装置あるいは教育装置として活用する
ことができる。溶接作業者の訓練教育装置として使用す
るときは、溶接部８の状態をディスプレイ装置５４に表
示する。被訓練者は画像を観察して溶接電圧、溶接電流
および溶接トーチの位置を決定して機側のパーソナルコ
ンピュータ５に入力する。これらの値はディスプレイ装
置５４に表示される。一方、情報処理装置５２は、溶接
対象の材質および溶接部の寸法から予め設定される初期
値に撮影された現状に基づいて算出される補正値を加え
て溶接電圧と溶接電流の適正値を求める。

【００２６】これらの適正値は被訓練者の操作値と比較
される。また、被訓練者が修正操作することにより決ま
る溶接トーチの位置と、撮影画面から判定される溶接ト
ーチのあるべき位置との差異を計測する。被訓練者が実
機に対して設定した溶接電圧と溶接電流と情報処理装置
５２により算定された適正値からの偏差、および溶接ト
ーチ位置の適正値からの偏差は、絶対値化あるいは２乗
化して積分するなどして、被訓練者の溶接技量を測る評
価値として利用することができる。

【００２７】なお、技量の評価は操作結果として得られ
る溶接電圧や溶接電流、あるいは溶接トーチ位置に代え
て、被訓練者が設定した補正操作量とコンピュータが算
出する適正補正量との偏差に関して演算することにより
行うこともできる。

【００２８】また、溶接実験室内など溶接機の近傍に設
けられるパーソナルコンピュータ５と通信回線６で接続
したパーソナルコンピュータ７を遠隔の教室などに設置
して教育システムを構築することもできる。このような
システムでは教室から遠隔操作により溶接実験室で溶接
を行えるようにして、技能教育の効率を向上させること
ができる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明の溶接状態表
示装置は、熟練を必要とする溶接部映像から溶融池境界
を推定する工程をコンピュータで行いさらに溶接作業に
必要な補正情報を形成し、これらをモニター画面に表示
するため、非熟練者でも誤操作をすることなく常に高品
質の溶接作業を行わせることができる。また、作業指示
が分かり易い形態でディスプレイ装置に表示されるの
で、判断ミスや作業ミスを防いで、少人数の操作者で多
数の溶接機を扱うことができるようになる。さらに、画
像表示装置と画像処理装置を活用して溶接作業の教育訓
練に用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例を示す溶接状態表示装置の構
成を表すブロック図である。

【図２】本実施例における溶融部領域検出手順を説明す
る概念図である。

【図３】溶接部のカラー画像の１例をモノクロ画像に表
現した図面である。

【図４】図３のカラー画像に対して溶接アーク光部分を
含む直線Ａに沿ってＲＧＢの各成分の変化を表示したグ
ラフである。

【図５】図３のカラー画像において溶接アーク光部分を
かすめるように設定された直線Ｂに沿って観察されたＲ
ＧＢ各成分の変化図である。

【図６】本実施例における溶接線の検出を行う手順を説
明する概念図である。

【図７】本実施例における表示画面の１例を示す図面で
ある。

【符号の説明】

１ 溶接トーチ ２ カメラヘッド ４ カメラコントロールユニット ５１ 画像処理装置 ５２ 情報処理装置 ５３ 記憶装置 ５４ ディスプレイ装置 ５ 機側のパーソナルコンピュータ ３ 溶接電源 ６ 通信回線 ７ 遠隔のパーソナルコンピュータ ８ 溶融部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G051 AA37 AB13 CA03 CB05 CB10 EA17 ED22 2G055 AA08 BA09 DA08 DA17 EA08 FA02 5C054 AA05 CA04 CC02 CD03 CH01 EA01 EA05 EH01 FA09 FB03 FC08 FC15 FE17 HA03 HA05

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 カラー撮像装置と画像処理装置と情報処
   理装置と画像表示装置を備え、前記カラー撮像装置が溶
   接中の溶接部を撮影してカラー映像信号を発生し、前記
   画像処理装置が該カラー映像信号をＲＧＢ成分に分解し
   ＲＧＢ成分の強度もしくは成分間の比率から溶融池の範
   囲を推定しかつ該カラー映像信号に基づいて開先線の位
   置を推定し、前記情報処理装置が記憶装置を備え該記憶
   装置に格納した溶接施工データベースを参照して溶融池
   の形状および該溶融池と開先線の位置関係から溶接条件
   と溶接線倣いの補正情報を生成し、前記画像表示装置が
   溶接部の映像と該補正情報を同じ画面上に表示すること
   を特徴とする溶接状態表示装置。