JP4491850B2

JP4491850B2 - レーザ溶接機におけるレーザ照射点検出装置及びシーム位置検出装置

Info

Publication number: JP4491850B2
Application number: JP06632899A
Authority: JP
Inventors: 寛幸杉浦; 雅一猪股; 満昭上杉; 雅伸高橋; 謙一岩崎
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1999-03-12
Filing date: 1999-03-12
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2019-03-12
Also published as: JP2000263266A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接材の突合せ部（シーム部）を、レーザ光を熱源として溶接するレーザ溶接機において、レーザ照射位置及びシーム位置を検出する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、溶接鋼管の製造方法の一つとして、熱延鋼板などをパイプ形状に曲げ、その突き合わせ部（以下シーム部という）をレーザ光を熱源として溶接するレーザ溶接法が用いられている。このような溶接方法では、レーザの照射位置が正確にシーム部に当たるよう、常に正確な位置合わせが必要となる。しかもシーム位置とレーザ照射位置は、溶接途中においても製造ラインの条件や入熱の条件等により変動する。そのため、レーザ溶接部におけるレーザの照射位置とシーム部の位置を監視し、両者が一致するように位置制御を行うことが行われてきた。
【０００３】
レーザ溶接部の監視方法としては、既に特公昭５５−１８４３９号公報（電子ビームまたはレーザビーム溶接方法及びその装置）に示されるように、レーザ溶接部をテレビカメラで直接観察し、溶接線（シーム位置）、溶融池中心位置を検出する方法が知られている。この方式においては、溶接部を外部照明で照明し、観察した場合、シーム部は暗く、溶融池は明るく観察されることを前提として、画面上の水平方向（溶接鋼管の走行方向と直角な方向）に、シーム検出用と、溶接池検出用に各々１ラインの位置を決めて、その水平ラインの輝度パターンを２値化して、シーム部及び溶融池の位置を検出している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えばレーザ溶接管製造時の溶接部画像等は、溶接材突き合わせ部のエッジ形状の変動やエッジ部の汚れ等により、必ずしも溶接線センタを中心として左右対称にはなっておらず、かつ、母材の表面性状により反射率も異なるので、単純に２値化しただけでは、安定したシーム位置の検出は困難である。また、溶融池の形状についても同様に溶融池センタを中心とした左右対称形状にはなっていないため、十分な信頼性が得られない。すなわち、溶接線、及び溶融池の中心位置を、各々１ラインのデータから輝度を２値化して求めただけでは、十分な信頼性と測定精度が得られないという問題があった。
【０００５】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、実際の溶接条件の下においても、正確にレーザ照射点位置（すなわち溶融池位置）及びシーム位置を検出可能な装置を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための第１の手段は、溶接材の突合せ部（シーム部）をレーザ光を熱源として溶接するレーザ溶接機におけるレーザ照射点を検出する装置であって、溶接部を撮像する撮像装置と、撮像された画像を２値化する手段と、２値化された高輝度部の重心位置を算出しレーザ照射点として検出する手段とを有してなることを特徴とするレーザ溶接機におけるレーザ照射点検出装置である。
【０００７】
レーザの照射点においては、高輝度のプラズマが発生するので、撮像装置においては、この部分に対応する画素の輝度が他の部分に比べて高くなっている。よって、高いレベルの閾値を設けて、撮像装置の画素を２値化し、高輝度に対応する画素（２次元）の重心位置を求め、この位置をレーザ照射点の中心とすることにより、レーザ照射点を正確に検出できる。なお、レーザ照射点には溶融池が形成されるので、レーザ照射点を求めることは、溶融池の位置を求めることと等価である。
【０００８】
前記課題を解決するための第２の手段は、溶接材の突合せ部（シーム部）をレーザ光を熱源として溶接するレーザ溶接機におけるレーザ照射点を検出する装置であって、レーザ溶接機におけるレーザ照射点を検出する装置であって、溶接部を撮像する撮像装置と、一定時間内に撮像された画像の各々の画素の輝度のうち最小のものの輝度を抽出する最小輝度抽出手段と、抽出された最小輝度を有する画素によって構成される画像に基づいて、レーザ照射点を検出する手段とを有してなることを特徴とするレーザ溶接機におけるレーザ照射点検出装置）である。
【０００９】
プラズマ光は炎のような光であり、実際の溶接機においては、プラズマ光の形状、大きさは時間と共に変化している。よって、ある一瞬のプラズマ光の画像を使ってプラズマ光の位置を求めると、炎の形によって位置計測の誤差を生じる。
【００１０】
本手段においては、一定時間内に撮像された画像の各々の画素の輝度のうち、最小のものの輝度を抽出し、抽出された輝度を各々の画素の輝度とする画像を得て、この画像に基づいてレーザ照射点を検出している。これにより、正確な位置検出ができる。適用されるレーザ照射点の検出方法は、公知のものでもよく、本明細書に記載される発明でもよい。
【００１１】
前記課題を解決するための第３の手段は、前記第２の手段であって、レーザ照射点を検出する手段が、前記最小輝度を有する画素によって構成される画像を２値化する手段と、２値化された高輝度部の重心位置を算出しレーザ照射点として検出する手段とを有してなることを特徴とするものである。
【００１２】
本手段は、前記第１の手段と第２の手段を組み合わせたものであり、両者の作用を併せて有するので、正確なレーザ照射点位置検出が可能となる。
【００１３】
前記課題を解決するための第４の手段は、溶接材の突合せ部（シーム部）をレーザ光を熱源として溶接するレーザ溶接機における溶接前のシームの位置を検出する装置であって、溶接部を照明する照明装置と、溶接部を撮像する撮像装置と、一定時間内に撮像された画像の各々の画素の輝度のうち最小のものの輝度を抽出する最小輝度抽出手段と、抽出された最小輝度を有する画素によって構成される画像に基づいて、溶接前のシーム位置を検出する手段を有してなることを特徴とするレーザ溶接機におけるシーム位置検出装置である。
【００１４】
溶接前のシーム部の検出は、照明装置により溶接部を照明し、撮像装置により溶接部を撮像して、シーム部は反射光がないので暗く映り、溶接材部は反射光により明るく映ることを利用して行われる。しかしながら、溶接中はレーザによって溶かされた材料が飛ぶスパッタという現象を生じることがある。溶けた材料が飛ぶため、その飛散位置がシーム部と一致すると、暗いはずのシーム部が明るく撮像され、シーム位置を計測する場合にノイズとなることがある。また、シーム部についても材科の汚れ、プラズマ光の輝度変化に起因して輝度変化等が生じることがある。
【００１５】
本手段においては、一定時間内に撮像された画像の各々の画素の輝度のうち、最小のものの輝度を抽出し、抽出された輝度を各々の画素の輝度とする画像を得て、この画像に基づいてシーム位置を決定している。従って、前記スパッターの影響を除去することができると共に、シーム部を最も暗い状態で画像として認識することができるので、シーム部が強調されて、正確な位置判定が可能である。適用されるシーム部位置判定の方法は、公知のものでも、本明細書に記載される発明でもよい。
【００１６】
前記課題を解決するための第５の手段は、溶接材の突合せ部（シーム部）をレーザ光を熱源として溶接するレーザ溶接機における溶接前のシームの位置を検出する装置であって、溶接部を照明する照明装置と、溶接部を撮像する撮像装置と、撮像された画像の画素のうち、溶接材の走行方向に直角な方向の１ラインの各々の画素の輝度の、一定時間内の積分値を計算する手段と、算出された積分値に基づいて溶接前のシーム位置を検出する手段を有してなることを特徴とするレーザ溶接機におけるシーム位置検出装置である。
【００１７】
溶接前のシーム部は、照明装置からの反射光がないので溶接材に比して輝度が低くなる。これを利用してシーム部の検出を行うが、シーム部の輝度、溶接材の輝度は時間と共に変化しているので、１ライン分の測定データに基づいて測定を行うと正確な位置測定ができない場合がある。
【００１８】
本手段においては、溶接材の走行方向に直角な方向の１ラインの各々の画素の輝度の、一定時間内の積分値を計算し、算出された積分値に基づいて溶接前のシーム位置を検出するようにしている。これは、溶接鋼管の走行方向に直角な方向の複数ライン分の平均値に基づいてシーム位置を検出していることに相当し、各ライン（時間）ごとのばらつきが抑えられるので、正確なシーム位置の検出ができる。適用されるシーム部位置判定の方法は、公知のものでも、本明細書に記載される発明でもよい。
【００１９】
前記課題を解決するための第６の手段は、溶接材の突合せ部（シーム部）をレーザ光を熱源として溶接するレーザ溶接機における溶接前のシームの位置を検出する装置であって、溶接部を照明する照明装置と、溶接部を撮像する撮像装置と、撮像された画像の画素のうち、溶接材の走行方向に直角な方向の１ラインの各々の画素の輝度の、時間的な移動平均値を計算する手段と、算出された移動平均値に基づいて溶接前のシーム位置を検出する手段を有してなることを特徴とするレーザ溶接機におけるシーム位置検出装置である。
【００２０】
本手段においては、前記第５の手段の積分値の代わりに、時間的な移動平均を使用している。よって、前記第５の手段と異なり、連続的にシーム位置の検出が可能であり、かつ正確にシーム位置を検出することができる。
【００２１】
前記課題を解決するための第７の手段は、溶接材の突合せ部（シーム部）をレーザ光を熱源として溶接するレーザ溶接機における溶接前のシームの位置を検出する装置であって、溶接部を照明する照明装置と、溶接部を撮像する撮像装置と、撮像された画像の画素の輝度を、所定範囲に亘って、溶接材の走行方向に平行な方向に積算する手段と、算出された積算値に基づいて溶接前のシーム位置を検出する手段を有してなることを特徴とするレーザ溶接機におけるシーム位置検出装置である。
【００２２】
溶接器の走行方向をｙ座標、それに直角な方向をｘ座標で表し、各画素を（ｘ_i，ｙ_j）で示し、各画素の輝度をＢ（ｘ_i，ｙ_j）とする。本手段においては、a≦ｊ≦ｂの範囲において、Ｂ（ｘ_i，ｙ_j）をｊについて積算し、積算値Ｓ_B（ｘ_i）を求める。そして、このＳ_B（ｘ_i）に基づいて溶接前のシーム位置を検出する。よって、前記第５の手段、第６の手段と同様に、溶接鋼管の走行方向に直角な方向の複数ライン分の平均値に基づいてシーム位置を検出することができるので、ばらつきが抑えられて正確なシーム位置の検出が可能となる。
【００２３】
なお、本手段によって算出されたＳ_B（ｘ_i）を、前記第５の手段又は第６の手段における「溶接材の走行方向に直角な方向の１ラインの各々の画素の輝度」の代わりに使って、一定時間内の積分値ないし時間的な移動平均を求め、これらに基づいて溶接前のシーム位置を検出してもよく、このようなものも、本手段の範囲に含まれるものである。
【００２４】
前記課題を解決するための第８の手段は、溶接材の突合せ部（シーム部）をレーザ光を熱源として溶接するレーザ溶接機における溶接前のシームの位置を検出する装置であって、レーザ照射点検出装置を併せて有し、このレーザ照射点検出装置によって求まったレーザ照射点を基準にして、レーザ照射点から一定範囲内に限ってシーム位置の探索を行う機能を有することを特徴とするレーザ溶接機におけるシーム位置検出装置である。
【００２５】
実際の設備における定常状態においては、レーザの照射点と溶接前のシーム位置は一致するように制御されているので、両者の位置があまりずれることがない。
よって、レーザの照射点を検出し、それを基準とした一定範囲内にシーム位置があるものとしてシームの探索を行うようにすることで、ノイズの影響を除いてシーム位置の決定を行うことができる。とくに、シーム位置検出装置が、溶接部を照明装置で照明し、溶接部からの反射光を撮像装置で検出することによってシームの検出を行うものである場合には、照明光の当たり具合によってシーム部以外の部分が暗く映ることがあり、また、溶接鋼管の場合には、シーム部と共に撮像装置の視野の周辺部が暗く映って、シーム部検出のノイズとなることがある。本手段においては、このような場合でも、ノイズの影響を受けずにシーム位置を検出することができる。
【００２６】
前記課題を解決するための第９の手段は、前記第８の手段であって、溶接部を照明する照明装置と、溶接部を撮像する撮像装置と、撮像された画像の画素のうち、溶接材の走行方向に直角な方向の１ライン又は複数ラインについて、前記レーザ照射点から一定範囲内において輝度が最小となる画素を求める手段と、当該画素を中心として両側に、前記レーザ照射点から一定範囲内において輝度が最大となる画素を別々に求める手段と、求められた２つの画素の輝度のうち低い方の輝度を閾値として画像を２値化し、輝度が閾値以下である画素について、その重心位置を求め、この重心位置をシーム中心位置と判定する手段とを有してなることを特徴とするレーザ溶接機におけるシーム位置検出装置である。
【００２７】
本手段においては、シーム部を決定するために画像を２値化する閾値を自動的に決定するようにしている。溶接部を照明した反射光を受光した場合、多くの場合においては、溶接材部からの反射光はシーム部の直近で輝度が極大値を持つ傾向にある。そこで、後に詳しく説明するように、レーザ照射点から一定範囲内において輝度が最小となる画素を求め、当該画素を中心として両側に、前記レーザ照射点から一定範囲内において輝度が最大となる画素を別々に求め、求められた２つの画素の輝度のうち低い方の輝度を閾値として画像を２値化し、輝度が閾値以下である画素について、その重心位置を求め、この重心位置をシーム中心位置と判定することにより、反射光量の変化にかかわらず、シーム中心位置を正確に求めることができる。
【００２８】
なお、「複数ラインについて、前記レーザ照射点から一定範囲内において輝度が最小となる画素を求める」というのは、前記第７の手段で述べたように複数のラインについてＳ_B（ｘ_i）を算出し、前記レーザ照射点から一定範囲内においてＳ_B（ｘ_i）が最小となるｉを求めることに相当する。また、Ｓ_B（ｘ_i）を求める代わりに、前記第５の手段で述べた一定時間内の積分値、第６の手段で述べた時間的な移動平均値を使用してもよい。
【００２９】
前記課題を解決するための第１０の手段は、前記第８の手段または第９の手段のいずれかであって、レーザ照射点検出装置が、前記第１の手段から第３の手段のいずれかであることを特徴とするものである。
【００３０】
本手段においては、前記第１の手段から第３の手段のいずれかをレーザ照射点検出装置として用いているので、レーザ照射点が正確に求まり、これに伴なってシーム位置も正確に求まることになる。
【００３１】
前記課題を解決するための第１１の手段は、前記第５の手段から第１０の手段のいずれかであって、一定時間内に撮像装置により撮像された画像の各々の画素の輝度のうち最小のものの輝度を抽出する最小輝度抽出手段を有し、撮像された画像をそのままその後の信号処理に使用する代わりに、抽出された最小輝度を有する画像をその後の信号処理に使用することを特徴とするものである。
【００３２】
本手段においては、抽出された最小輝度を有する画像に基づいて、その後の信号処理を行っているので、第４の手段で述べたように、前記スパッターの影響を除去することができると共に、シーム部を最も暗い状態で画像として認識することができ、シーム部が強調されて、正確な位置判定が可能である。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の例について図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の１例である装置の構成を示す概要図である。図１において１は溶接材料である鋼板、２はレーザ、３はレーザ光、４は溶接前のシーム部、５は溶接ビード、６は投光器、７は撮像装置、８はレーザ照射位置検出手段、９はシーム位置検出手段、１０は自動閾値設定手段である。
【００３４】
鋼板１はパイプ形状に曲げられ、その付き合わせ部（シーム部）にレーザ２からレーザ光３が照射される。これにより、レーザ光の照射部においてはシーム部３の温度が上昇し、鋼板が溶解すると共にプラズマが発生する。シーム部３が溶解して溶接され、溶接ビード５が形成されて、溶接鋼管が製造される。溶接鋼管は図の右側に走行し、溶接は連続的に行われる。
【００３５】
投光器６からの光は溶接部（レーザ光照射部の近傍）に照射されている。撮像装置７は、鋼板１によって反射されるこの照射光と、プラズマからの光を撮像する。プラズマからの光は、鋼板１からの反射光に比して非常に強いため、撮像装置の感度を、プラズマからの光により撮像素子が飽和しないような感度とすると、鋼板１からの反射光が十分に観察できなくなる。
【００３６】
よって、投光器６からの照射光を紫外光とし、撮像装置７の前に紫外線透過フィルタを設けて、そこでレーザ光と、高温で溶けた材料から出るプラズマ光の可視及び赤外光の光量を低減させる。これにより、照射を行っているレーザそのものは見えなくなるが、溶けた材料から出るプラズマ光は減光されて検出することができる。このプラズマ光の位置はレーザを照射し溶けた材料の位置で発生するため、プラズマ光の位置を検出することでレーザ照射位置及び溶融池の位置を検出したことと等価になる。
【００３７】
レーザ照射位置検出手段８では、撮像装置７によって撮像されたプラズマ光からレーザ照射位置を検出する。前述のように、プラズマ光はレーザが照射され材料の溶けた位置から発生し、周囲の鋼板１からの反射光と比べて輝度が高いため、周囲の鋼板からの反射光が抽出されないように高い閾値を設定し、２値化を行うとプラズマ光のみが抽出される。この２値画像の重心位置を求めることでプラズマ光すなわちレーザ照射位置を求めることができる。
【００３８】
この検出方法の例を図２に示す。以下の図において、前出の図において示された要素と同じ要素には同じ符号を付してその説明を省略する。図２において、１２はプラズマ光、１３は２値化画像である。図２(a)は、撮像された画像の例を示し、溶接前のシーム部４が最も暗く、次いで鋼板１面と溶接ビード５が薄明るく、プラズマ光１２が最も明るく写っている。この画像を２値化することによって、２値化後の画像は図２(b)に示されるようになり、プラズマ光１２に対応する部分のみが２値化画像１３として抽出される。レーザ照射位置検出手段８は、２値化画像１３の重心を算出して、それをレーザ照射位置とする。
【００３９】
ところで、実際にはプラズマ光１２は炎のような光であり、その大きさや形状、明るさが刻々変化している。よって、単に前述のように撮像画像を２値化し、その重心位置を求めるだけでは、レーザ照射位置を誤検出してしまうことがある。このような問題点の発生を防止する本発明の実施の形態の概要図を図３に示す。図３に示す実施の形態においては、撮像装置７の後に最小輝度画像演算手段１１が設けられている点が図１に示す実施の形態と異なっている。
【００４０】
最小輝度画像演算手段１１は、撮像された画像の各画素について、一定時間の間で最小であった輝度を求め、それをその画素の最小輝度とする。すなわち、座標が(i,j)である画素の、撮像タイミングｔにおける輝度をＡ_t(i,j)とし、前記一定時間を10撮像タイミングとすると、最小輝度画像演算手段１１は、Ａ₁(i,j)〜Ａ₁₀(i,j)のうち最小のものを、各画素毎に選択する。そして、これをＡ_min(i,j)とし、Ａ_min(i,j)によって形成される画像を形成する。そして、この動作を、10撮像タイミング毎に繰り返す。なお、10撮像タイミング毎に最小値を求める変わりに、最初はＡ₁(i,j)〜Ａ₁₀(i,j)のうち最小のものを、次の撮像タイミングではＡ₂(i,j)〜Ａ₁₁(i,j)のうち最小のものを…、というように、最小値を求める対象をひとつずつずらせて、毎撮像タイミング毎に最小値を求めるようにしてもよい。
【００４１】
図３において、Ａ_min(i,j)によって形成される画像は、レーザ照射位置検出手段８に与えられ、レーザ照射位置検出手段８は、図１に示した実施の形態における場合と同じように、画像を２値化してその２値化画像の重心を求めることにより、レーザ照射位置を検出する。この方法によれば、プラズマ光１２の大きさや形状、明るさが刻々変化しても、安定してレーザ照射位置を検出することができる。
【００４２】
その様子を図４に示す。図４において(a)〜(c)は実際の撮像画像であり、(a)はプラズマ光１２が小さい場合、(b)はプラズマ光が大きく、炎のように流れている場合、(c)はプラズマ光は大きいがほぼ円形をしている場合を示している。(d)は最小輝度画像演算手段１１の出力画像であり、プラズマ光１２が最小のものとなり、(b)のように流れた画像が消去されているのがわかる。このような理由により、最小輝度画像演算手段１１を設ければ、安定してレーザ照射位置を検出することができる。なお、最小輝度画像演算装置１１を通った後の画像を、別の方法で処理してレーザ照射位置を求める場合でも、この効果は同様に得られる。
【００４３】
最適な溶接を行うためにはレーザ照射位置を検出すると同時にシーム４の位置を検出し位置関係を制御する必要がある。溶接前のシーム部４は、溶接する材料を付き合わせ、多少隙間があいた状態になっており、光を当ててもシーム４位置からは光が反射しにくい。この性質を利用して、図１、図３の投光器６によってシーム４位置周辺の材料に光を当て、撮像装置７でその照射面を撮像し、シーム位置検出手段９により、シーム位置を、撮像画面において、周辺より暗い場所として検出する。
【００４４】
シーム位置検出装置９は、撮像画像面において、プラズマ光１２が撮像される位置から離れた、溶接鋼管の方向とは直角な方向の１ライン分の画素の輝度を入力する。この様子を図５に示す。図５において(a)は撮像された画像を示すものである。図においては画面の下方向に溶接鋼管が進行しており、プラズマ光１２の受光面より少し離れた位置にある、鋼管進行方向と直角な方向（図においては水平方向）の１ライン１４分の輝度がシーム位置検出装置９に入力される。
【００４５】
入力された輝度の例を図５(b)、(c)示す。これらの図において横軸は水平方向位置であり、縦軸は、各々の位置に対応する画素の輝度を示す。これらの図においてシーム４の位置で輝度が大きく低下しているので、この位置を検出することでシーム４の位置を検出することができる。しかしながら、(b)と(c)とを比較すると分かるように、シーム部４での輝度の低下の割合は時間によって変化し、かつ、図では明らかでないが、鋼板１部の輝度も変化する。よって、１ラインだけの情報でシーム４の位置を検出すると誤検出につながる場合がある。
【００４６】
そこで、シーム位置検出装置９は、この１ライン分の各画素の輝度を、各画素毎に一定時間積分する。これにより、図５(d)に示すような積分値が得られる。図５(a)でみると、鋼管が下方に進行しているので、シーム部の所定長さの範囲の輝度が積分されることになる。これにより、短時間のノイズや細かな変動が除去される。図示はしないが、積分の変わりに、時間的な移動平均をとっても同じ結果が得られる。また、１ライン分の各画素の輝度を各画素毎に一定時間積分したり、移動平均をとる代わりに、図５(a)において輝度積算範囲と記載されている部分の画素の輝度を、溶接鋼管の長さ方向（図５(a)の縦方向）について積算しても同じ効果が得られる。
【００４７】
シーム位置検出装置９は、この積分値を処理することにより、シーム４の位置を検出する。その例を図６に示す。図６(a)においては、輝度が最低となる点をシーム位置（シーム中心）と判定している。図６(b)においては、閾値を設け、それにより２値化を行い、輝度が閾値以下となっている部分Ａの重心の位置をシーム位置（シーム中心）と判定する。
【００４８】
溶接対象物が鋼管である場合には、図７(a)に示すように画像の周辺部の輝度が低下して撮像される。このような場合の、シーム検出用の１ラインの画素の時間積分値は、図７(b)のようになり、閾値を下回る部分が、シーム部と両端に発生し、場合によっては両端の輝度の方がシーム部の輝度よりも低くなることがある。よって、このような場合に図６の(a)、(b)のような演算をすると、誤検出となる恐れがある。
【００４９】
これに対する対策として、シーム位置検出装置９が、レーザ照射点（プラズマ光位置と同一）を基準にして、レーザ照射点から一定範囲内に限ってシーム位置の探索を行う機能を有するようにする。この機能を図８により説明する。図８は、図７(b)に対応するものであり、横軸は画像の水平方向の位置、縦軸は、検出されている１ライン分の各画素毎の輝度の、一定時間内の積分値を示す。プラズマ光位置は、たとえば前述の方法により検出されている。
【００５０】
図８に示すように、シーム位置検出処理の対象となるデータは、このプラズマ光位置を中心として左右に一定の距離以内にあるデータに限られる。定常の溶接状態においては、レーザ光の照射位置とシーム位置とはあまりずれないので、このようにデータ処理の対象となる範囲を限定することにより、周辺の輝度が低下する点をシーム部検出の処理データから除外することができ、図７に示すような状況においても、シーム位置を正確に検出することができる。シーム位置検出方法としては、たとえば、処理の対象とされたデータについてのみ、図６に示したような処理を行えばよい。
【００５１】
ところが、このような手段をとっても、なお、シーム部の検出が不安定になることがある。その様子を図９に示す。図９(a)、(b)、(c)は、図５(d)に対応するもので、検出されている１ライン分の各画素毎の輝度の、一定時間内の積分値を示す。このように、鋼板１部から反射される反射光量の輝度、シーム部の輝度が、場合によって大きく変化し、図６(b)に示した閾値による２値化が使用できなくなったり、輝度の最低点がシーム中心を示すのかどうかがはっきりしなくなったりすることがある。
【００５２】
これに対する対策として、図１に示すように、自動閾値決定手段１０を設け、その出力をシーム位置検出装置９に与える。自動閾値決定手段１０の動作を、図１０を用いて説明する。図１０では、プラズマ光検出位置を基準にして、図８に示した手法により決定したシーム位置検出処理対象範囲内（Ｐ−Ｐ’間）で輝度が最小となる位置Ｓを求める。次にＳからＰ、Ｐ’の方向にそれぞれ輝度を見て行き、最初に最高輝度となる位置Ａ、Ａ’を求める。次にＡ、Ａ’のそれぞれの輝度の内小さい方の輝度を閾値と決定してシーム位置検出手段９に与える。その後は、シーム位置検出手段９が、図６(b)に示した手法と同じように、閾値以下のシーム部領域Ｂの重心位置Ｃを求めることでシーム位置が求まる。これにより、材科表面の輝度変化・表面性状変化、プラズマ光の強度変化があったとしても、レーザ照射位置とシーム位置を正確にかつ安定して計測することが可能になる。
【００５３】
溶接中に、レーザによって溶かされた材料が飛ぶスパッタという現象を生じることがある。スパッタによって溶けた材料がシーム位置を飛ぶと、輝度の低いシーム位置を計測する場合にノイズとなることがある。また、シーム部についても材科の汚れ、プラズマ光の輝度変化に起因して輝度変化等が生じる。これらの影響を除去するために、図３に示すように、シーム位置検出装置９の入力信号として、レーザ照射点検出装置において使用した最小輝度画像演算手段１１を通過した信号を用いることが好ましい。
【００５４】
すなわち、図４(a)〜(c)に示すように、シーム部４の輝度が場所によって変化している場合でもあっても、最小輝度画像演算手段１１を通過した信号は(d)に示すように最も輝度の低い信号が選択されているので、シーム部の暗さが強調されることになる。また、スパッターにより溶けた材料がシーム４の上を横切ることがあっても、その影響は最小輝度画像演算手段１１に消去される。よって、シーム４の位置を正確に測定することができる。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、高いレベルの閾値を設けて、撮像装置の画素を２値化し、高輝度に対応する画素（２次元）の重心位置を求め、この位置をレーザ照射点の中心とすることにより、レーザ照射点を正確に検出できる。
【００５６】
また、本発明においては、一定時間内に撮像された画像の各々の画素の輝度のうち、最小のものの輝度を抽出し、抽出された輝度を各々の画素の輝度とする画像を得て、この画像に基づいてレーザ照射点を検出しているので、正確なレーザ照射点の位置検出ができる。
【００５７】
また、本発明においては、上述した発明を組み合わせているので、正確なレーザ照射点位置検出が可能となる。
【００５８】
また、本発明においては、一定時間内に撮像された画像の各々の画素の輝度のうち、最小のものの輝度を抽出し、抽出された輝度を各々の画素の輝度とする画像を得て、この画像に基づいてシーム位置を決定しているので、スパッターの影響を除去することができると共に、シーム部が強調されて、正確な位置判定が可能である。
【００５９】
また、本発明においては、溶接材の走行方向に直角な方向の１ラインの各々の画素の輝度の、一定時間内の積分値を計算し、算出された積分値に基づいて溶接前のシーム位置を検出するようにしているので、正確なシーム位置の検出ができる。
【００６０】
また、本発明においては、時間的な移動平均を使用しているので、連続的にシーム位置の検出が可能であり、かつ正確にシーム位置を検出することができる。
【００６１】
また、本発明においては、撮像された画像の画素の輝度を、所定範囲に亘って、溶接材の走行方向に平行な方向に積算し、算出された積算値に基づいて溶接前のシーム位置を検出しているので、上述した発明と同等の効果が得られる。
【００６２】
また、本発明においては、レーザの照射点を検出し、それを基準とした一定範囲内にシーム位置があるものとしてシームの探索を行うようにすることで、ノイズの影響を除いてシーム位置の決定を行うことができる。
【００６３】
また、本発明においては、２値化の閾値を自動的に決定しているので、反射光量の変化にかかわらず、シーム中心位置を正確に求めることができる。
【００６４】
また、本発明においては、上述した発明に係るレーザ照射点検出装置として用いているので、レーザ照射点が正確に求まり、これに伴なってシーム位置も正確に求まることになる。
【００６５】
また、本発明においては、撮像された画像をそのままその後の信号処理に使用する代わりに、抽出された最小輝度を有する画像をその後の信号処理に使用しているので、スパッターの影響を除去することができると共に、シーム部を最も暗い状態で画像として認識することができ、シーム部が強調されて、正確な位置判定が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の１例である装置の構成を示す概要図である。
【図２】２値化処理によるレーザ照射点検出方法を説明する図である。
【図３】本発明の実施の形態の他の例である装置の構成を示す概要図である。
【図４】最小輝度画像演算の方法を説明する図である。
【図５】積分処理によるシーム位置検出方法を説明する図である。
【図６】シーム位置検出方式の例を示す図である。
【図７】溶接材が管材である場合の画像と、輝度の積分値の分布を示す図である。
【図８】シーム探索範囲を限定した場合の処理方法を説明する図である。
【図９】シーム部の輝度が変化する場合の輝度の積分値の変化の様子を示す図である。
【図１０】自動閾値設定処理方法を説明する図である。
【符号の説明】
１…溶接材料である鋼板
２…レーザ
３…レーザ光
４…溶接前のシーム部
５…溶接ビード
６…投光器
７…撮像装置
８…レーザ照射位置検出手段
９…シーム位置検出手段
１０…自動閾値設定手段
１１…最小輝度画像演算手段
１２…プラズマ光
１３…２値化画像
１４…検出対象ライン

Claims

溶接材の突合せ部をレーザ光を熱源として溶接するレーザ溶接機におけるレーザ照射点を検出する装置であって、溶接部を撮像する撮像装置と、一定時間内に撮像された画像の各々の画素の輝度のうち最小のものの輝度を抽出する最小輝度抽出手段と、抽出された最小輝度を有する画素によって構成される画像に基づいて、レーザ照射点を検出する手段とを有してなることを特徴とするレーザ溶接機におけるレーザ照射点検出装置。
請求項１に記載のレーザ照射点検出装置であって、レーザ照射点を検出する手段が、前記最小輝度を有する画素によって構成される画像を２値化する手段と、２値化された高輝度部の重心位置を算出しレーザ照射点として検出する手段とを有してなることを特徴とするレーザ溶接機におけるレーザ照射点検出装置。
溶接材の突合せ部をレーザ光を熱源として溶接するレーザ溶接機における溶接前のシームの位置を検出する装置であって、溶接部を照明する照明装置と、溶接部を撮像する撮像装置と、一定時間内に撮像された画像の各々の画素の輝度のうち最小のものの輝度を抽出する最小輝度抽出手段と、抽出された最小輝度を有する画素によって構成される画像に基づいて、溶接前のシーム位置を検出する手段を有してなることを特徴とするレーザ溶接機におけるシーム位置検出装置。