JP6626675B2

JP6626675B2 - 画像処理装置と画像処理方法及びレーザまたはｔｉｇ溶接装置とレーザまたはｔｉｇ溶接装置の制御方法

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Publication number: JP6626675B2
Application number: JP2015187783A
Authority: JP
Inventors: 孝良中山; 悠山内; 津村　徳道; 徳道津村; 塁高野
Original assignee: Nishihara Om-Tech Co Ltd
Current assignee: Nishihara Om-Tech Co Ltd
Priority date: 2015-09-25
Filing date: 2015-09-25
Publication date: 2019-12-25
Anticipated expiration: 2035-09-25
Also published as: JP2017060968A

Description

本発明は、スパッタの発生を予測できる画像処理装置と画像処理方法及び高品質な溶接を実現できるレーザまたはＴＩＧ溶接装置とレーザまたはＴＩＧ溶接装置の制御方法に関する。

下記特許文献１には、レーザ溶接とＭＩＧ溶接とを組み合わせた複合溶接において、幅広い溶接条件において高品質な溶接を行うことができる複合溶接装置および複合溶接方法を提供することを目的とする発明が記載されている。

この文献によれば、レーザ溶接とＭＩＧ溶接とを組み合わせて行う複合溶接装置において、溶接時に被溶接物に形成された溶融池を撮像する撮像手段と、撮像手段で撮像した画像に基づいてレーザ光の照射点から溶融池の輪郭までの距離を求める距離算出手段と、距離算出手段で求めた距離に基づいて、レーザ光の照射点と溶加材ワイヤの供給ノズルの相対的な位置を変化させる移動手段を備えることにより、溶接速度の大小に左右されることなく、レーザ光の照射点と供給ノズルによる溶加材ワイヤの供給位置との位置関係を最適に制御することができ、幅広い溶接条件において常に安定した溶接ビードを形成する高品質の溶接を行うことができるとされる。

また、下記特許文献２には、第１の溶接と第２の溶接を組み合わせて行うハイブリッド溶接装置（レーザ溶接とアーク溶接）であって、被溶接材の画像を取り込む画像取り込み手段と、該画像取り込み手段により取り込まれた複数の画像を積算平滑化処理する画像処理手段と、該画像処理手段により処理された画像に従って、第１の溶接および第２の溶接を制御する溶接制御手段と、を備える溶接装置の技術思想が開示されている。

この文献によれば、高精度の溶接制御を行うことのできるハイブリッド溶接装置、並びに、ハイブリッド溶接装置の画像処理方法および画像処理プログラムを提供することができるとされる。

一方、下記特許文献３には、スパッタ発生量を簡易にかつ正確に推量評価することのできるスパッタ量評価方法の提供を目的とする発明であって、アーク溶接に際して溶接電圧の時間的変化を計測し、電圧波形中の、溶接ワイヤ側と母材側との短絡に基いて生じる低電圧領域の発生回数と、低電圧領域のうち、基準電圧を下回ってから当該基準電圧に回復するまでの所要時間が予め設定されたしきい値以下である瞬間短絡領域の発生回数とをそれぞれ単位時間毎に求め、両発生回数に基いてスパッタ発生量を評価すること、が記載されている。

また、下記特許文献３の図面には、実験装置が開示されており、当該実験ではシールドガスとして主にマグガス（Ａｒ＋２０％ＣＯ_２）を用い、溶接ワイヤ３には直径１．２ｍｍの軟鋼ワイヤを、試験材１には軟鋼板（ＳＰＣＣ）３．２ｍｍ厚を用いること、さらに、突き出し長２０ｍｍ、溶接速度８０ｃｍ／ｍｉｎ、溶接長さ２００ｍｍとし、当該実験の観察は、高速度ビデオカメラ４（最高４５００コマ／秒）を用い、背光としてハロゲンランプ５を使用することが開示されている。

特開２００３−１８１６６４号公報特開２００７−０５４８７９号公報特開平１１−３４７７２８号公報

ハイブリッド溶接または溶接ワイヤを用いる場合の溶接制御について、高精度かつ高品質な溶接を実現するための発明は、上記各特許文献に示すように、複数のものが開示されている。しかし、スパッタの発生を防止できるような溶接制御について、高品質な溶接を実現するための技術思想については、いずれの特許文献においても、一切言及されておらず開示も示唆もされていない。

高品質のレーザ溶接等を実現しようとすれば、スパッタの発生機会を可能な限り低減して、この発生を防止することが極めて重要である。本発明は、上述の問題点に鑑み為されたものであり、スパッタが発生する可能性がある事前現象を適確に検知して、スパッタの発生を予測できる画像処理装置及び画像処理方法を提供することを目的とする。

さらに好ましくは、当該検知後速やかにスパッタ発生を抑制するように溶接装置の出力等を制御して、その結果、高品質な溶接を実現できるレーザまたはＴＩＧ溶接装置及びレーザまたはＴＩＧ溶接装置の制御方法を提供することを目的とする。

本発明の画像処理装置は、レーザまたはＴＩＧ溶接時の溶接池を照射するハロゲンランプと、溶接池の中心の鉛直方向に対して、ハロゲンランプと対称に位置する高速度カメラと、高速度カメラが取得した溶接池の画像データが入力されて、画像データの階調別一フレーム内ピクセル数の経時変化をリアルタイムで監視し、異常が検知された場合にトリガ信号を出力するＦＰＧＡボードと、を備えることを特徴とする。

また、本発明の画像処理装置は、好ましくはＦＰＧＡボードが、階調別一フレーム内ピクセル数が最も大きい階調よりも高い階調において、階調別一フレーム内ピクセル数のヒストグラムにピークが生じた場合に、異常と判断してトリガ信号を出力することを特徴とする。

また、本発明の画像処理装置は、さらに好ましくはハロゲンランプが、近赤外の波長帯域（７３０ｎｍ〜８００ｎｍ）に出力ピークを有することを特徴とする。

また、本発明の画像処理装置は、さらに好ましくはＦＰＧＡボードが、階調別一フレーム内ピクセル数が、全２５６階調中の４０〜７０階調でピークを有する場合において、２００〜２５５階調のピクセル総数が所定の閾値以上となった場合に、トリガ信号を出力することを特徴とする。

また、本発明の画像処理装置は、さらに好ましくは一フレームのピクセル総数を７６，８００とした場合に、所定の閾値は１５０であることを特徴とする。

また、本発明の画像処理装置は、さらに好ましくはＦＰＧＡボードが、階調別一フレーム内ピクセル数が、全２５６階調中の４０〜７０階調でピークを有する場合において、２００〜２５５階調のいずれか一階調のピクセル数が所定の閾値以上となった場合に、トリガ信号を出力することを特徴とする。

また、本発明の画像処理装置は、さらに好ましくは一フレームのピクセル総数を７６，８００とした場合に、所定の閾値は１０であることを特徴とする。

また、本発明の画像処理装置は、さらに好ましくは高速度カメラが、透過波長９６０ｎｍ〜９６５ｎｍのフィルタを備えることを特徴とする。

また、本発明の画像処理装置は、さらに好ましくは高速度カメラのフレームレートが６２００ｆｐｓであり、画面サイズは３２０×２４０ピクセルであることを特徴とする。

また、本発明のレーザまたはＴＩＧ溶接装置は、上述のいずれかに記載の画像処理装置から出力されるトリガ信号に基づいて、溶接機の出力を低減する制御を遂行することを特徴とする。

また、本発明のレーザまたはＴＩＧ溶接装置は、上述のいずれかに記載の画像処理装置から出力されるトリガ信号に基づいて、溶加材ワイヤの供給ノズルの制御を遂行することを特徴とする。

また、本発明の画像処理方法は、上述のいずれかに記載の画像処理装置における画像処理方法であって、高速度カメラからＦＰＧＡボードが画像データをリアルタイムで取得する工程と、ＦＰＧＡボードが、取得した画像データから、リアルタイムで階調別一フレーム内ピクセル数を監視する工程と、階調別一フレーム内ピクセル数に異常が生じた場合に、リアルタイムでトリガ信号を出力する工程と、を有することを特徴とする。

また、本発明のレーザまたはＴＩＧ溶接装置の制御方法は、上述のレーザまたはＴＩＧ溶接装置の制御方法であって、トリガ信号に基づいて、溶接機の出力を低減する工程を有することを特徴とする。

また、本発明のレーザまたはＴＩＧ溶接装置の制御方法は、上述のレーザまたはＴＩＧ溶接装置の制御方法であって、トリガ信号に基づいて、溶加材ワイヤの供給ノズルの制御を遂行する工程を有することを特徴とする。

本発明により、スパッタが発生する可能性がある事前現象を適確に検知して、スパッタの発生を予測できる画像処理装置及び画像処理方法を実現できる。さらに好ましくは、当該検知後速やかにスパッタ発生を抑制するように溶接装置を制御して、その結果高品質な溶接を実現できるレーザまたはＴＩＧ溶接装置及びレーザまたはＴＩＧ溶接装置の制御方法を実現できる。

実施形態の、ＴＩＧ溶接によるアルミニウム材料の重ね溶接を遂行する、レーザまたはＴＩＧ溶接装置の構成概要を説明する図である。図１に示すレーザまたはＴＩＧ溶接装置における、照明の光を導くファイバの出力端の配置と、高速度カメラの配置と、試料の配置と、の関係を説明する平面図である。図１に示すレーザまたはＴＩＧ溶接装置における、照明の光を導くファイバの出力端の配置と、高速度カメラの配置と、試料の配置と、の関係を説明する側面図である。モニタに映し出される溶接池の状態を説明する、高速度カメラの取得画像の典型例である。図４に示す一フレームの画像の明るさを２５６階調として横軸にとり、縦軸に当該明るさに該当するピクセルの数をとった、ＦＰＧＡボードが生成する、ヒストグラムを説明する図である。高速度カメラが画像データを取得する場合の撮影時の条件を示す図である。（ａ）はレーザまたはＴＩＧ溶接装置１０００において正常に溶接が遂行されている場合にＦＰＧＡボード１７００が生成するヒストグラムの例を説明する図であり、（ｂ）はレーザまたはＴＩＧ溶接装置１０００においてスパッタが発生する直前に溶接が遂行されている場合にＦＰＧＡボード１７００が生成するヒストグラムの例を説明する図である。ＦＰＧＡボードの内部ブロックを概念的に説明する図である。ＦＰＧＡボードのＦＰＧＡプログラム（tone count）の典型例を説明する図である。ＦＰＧＡボードのＦＰＧＡプログラム（histogram）の典型例を説明する図である。ＦＰＧＡボードのＦＰＧＡプログラム（histogram）の典型例を説明する図である。ＦＰＧＡボードのＦＰＧＡプログラム（histogram）の典型例を説明する図である。ＦＰＧＡボードのＦＰＧＡプログラム（histogram）の典型例を説明する図である。

まず、実施形態の概要について説明すると、本実施形態で例示するレーザまたはＴＩＧ溶接装置は、好ましくは溶接制御機（レーザまたはＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）のいずれか）、溶接ワーク、画像処理ボードを備える画像処理装置等で構成される。画像処理装置は、好ましくは溶接部を照射する照明、溶接部を撮影する高速度カメラ、高速度カメラで取得した画像データを処理するＦＰＧＡボード、そしてオペレータが溶接位置を確認できるモニタで構成される。

溶接部を照射する照明は、好ましくは近赤外の波長帯域（７３０ｎｍ〜８００ｎｍ）に出力ピークを持つハロゲンランプの光源を使用する。高速度カメラにはレンズ、透過波長が９６２．５ｎｍのフィルタを装着することが好ましい。このフィルタにより、ＴＩＧ溶接時のアーク放電による放射光等が画像データに取得されることを回避できる。また、レーザ溶接時にも外乱光の取り込みを回避できる。

また、取得した画像データを高速度カメラから画像処理ボードへと、リアルタイムに送出する。画像データが入力された画像処理ボードは、取りこぼしなく当該画像データをリアルタイムに演算処理する。そして、画像処理ボードは、演算処理の結果をもとにスパッタの予兆を検知する。

ここで、画像処理ボードは、従来ＣＰＵを使用して演算処理を行うことが一般的であった。しかし、ＣＰＵを使用する画像処理ボードでは、画像データの取得スピードと演算スピード等のマッチングの問題等から、演算中の画像データの取りこぼしや演算処理の遅延等が発生する場合がある。このことを考慮し、本実施形態では、画像処理ボードには、好ましくはＦＰＧＡボードを使用する。

ＦＰＧＡボードは、一部を除いてすべてハードウェアにて並列処理を行えるため高速処理に有利である。必要な演算のみをＦＰＧＡボードに処理させて、その処理を行うことで画像を取りこぼしなくかつ高速に、演算を行うことが可能となる。

従って本実施形態によれば、溶接中にスパッタの予兆を検知することが可能となる。溶接中にスパッタの予兆を検知し、トリガ信号、アナログ信号を画像処理装置から出力し、溶接制御機の出力や溶加材ワイヤの供給ノズル等の制御行うことでスパッタの低減が期待できる。そこで、以下図面に基づいて本実施形態についてさらに詳細に説明する。

図１は、実施形態の、レーザまたはＴＩＧ溶接によるアルミニウム材料の重ね溶接を遂行する、レーザまたはＴＩＧ溶接装置１０００の構成概要を説明する図である。図１に示すように、レーザまたはＴＩＧ溶接装置１０００は、ワーク１３００に搭載されたアルミニウム等の溶接材料である試料１４００に、レーザを照射するかまたはＴＩＧ溶接の放電を遂行するトーチ１１００を備える。

トーチ１１００から照射されるレーザ光等は、溶接制御機１２００により調整される。また、溶接制御機１２００は、所望の溶接が遂行されるように、ワーク１３００の位置を適宜移動させることにより、その上に搭載された試料１４００を移動させる。

また、レーザまたはＴＩＧ溶接装置１０００は、試料１４００を照らす光源となる照明１５００を備える。照明１５００は、近赤外の波長帯域であって好ましくは７３０〜８００ｎｍに出力ピークを有するハロゲンランプを用いる。

図１から理解できるように、照明１５００は試料１４００から離間した位置に配置されて、その光が光ファイバを経由して試料１４００の近辺にまで導かれて、該光ファイバの出力端１５１０から試料１４００へと照射される。このため、照明１５００の配置位置は任意であるが、後述するように、試料１４００へ照射する出力端１５１０の配置には一定の制約を伴う。

また、レーザまたはＴＩＧ溶接装置１０００は、試料１４００に形成される溶接池の画像を取得する高速度カメラ１６００と、高速度カメラ１６００で取得した画像データをリアルタイムで処理するＦＰＧＡボード１７００と、を備える。高速度カメラ１６００は、好ましくは透過波長が９６２．５ｎｍであるフィルタを備える。このフィルタにより、アーク放電によるノイズ成分を除去できる。また、高速度カメラ１６００は、防汚レンズやその他のレンズを備えていてもよい。

また、レーザまたはＴＩＧ溶接装置１０００は、高速度カメラ１６００で取得した画像データを、リアルタイムで目視で確認できるモニタ１８００を備える。モニタ１８００により、高速度カメラ１６００で取得する画像の、位置合わせやピント合わせを遂行可能である。ここで、照明１５００と、高速度カメラ１６００と、ＦＰＧＡボード１７００と、モニタ１８００とは、画像処理装置として、例えば一ユニットに構成しても良い。

ＦＰＧＡボード１７００は、ＦＰＧＡプログラムにより、入力された画像データを一フレーム毎に、階調別ピクセル数のヒストグラムとして、リアルタイムで取りこぼし無く監視する。すなわち、ＦＰＧＡボード１７００は、画像データの一フレームについて、明るさ別に例えば２５６階調に分別して各階調の明るさに該当するピクセルの数をカウントする。

そして、ＦＰＧＡボード１７００は、正常時に最もピクセル数が多い階調を４０〜７０階調（典型的には４０〜５０階調）とした場合に、２００〜２５５階調の間でピクセル数が所望の閾値以上に増大した場合に、スパッタ発生予知のトリガ信号を出力する。

なお、図１には示していないが、溶接制御機１２００は、不図示の溶加材ワイヤの供給ノズルの位置を制御して、所望位置に変更可能な構成としてもよいが、当該構成については当業者に良く知られているのでここでは詳述しない。

また、図２は、図１に示すレーザまたはＴＩＧ溶接装置１０００における、照明１５００の光を導くファイバの出力端１５１０の配置と、高速度カメラ１６００の配置と、試料１４００の配置と、の関係を説明する平面図（上方から観察した図）である。

図２に示すように、ファイバの出力端１５１０と高速度カメラ１６００とは、上から見た場合に、試料１４００に対して対称となる配置が好ましい。これにより、ファイバの出力端１５１０から試料１４００に照射される照明光が、溶接時に試料１４００に形成される溶接池等に反射して、高速度カメラ１６００に入射されるので、ある程度明るい画像が取得可能となる。

また、図３は、図１に示すレーザまたはＴＩＧ溶接装置１０００における、照明１５００の光を導くファイバの出力端１５１０の配置と、高速度カメラ１６００の配置と、試料１４００の配置と、の関係を説明する側面図（側方から観察した図）である。

図３に示すように、ファイバの出力端１５１０と高速度カメラ１６００とは、側方から見た場合に、試料１４００に対して対称となる配置が好ましい。これにより、ファイバの出力端１５１０から試料１４００に照射される照明光が、溶接時に試料１４００に形成される溶接池等に反射して、高速度カメラ１６００に入射されるので、ある程度明るい画像が取得可能となる。

図３から理解できるように、側面から見た場合に、ファイバの出力端１５１０と試料１４００と高速度カメラ１６００とで形成される水平面に対する角度は、それぞれ６０〜７０°であることが好ましい。

また、実施形態では画像処理ボードとして、ＦＰＧＡボード１７００を用いた。従来のようにＣＰＵボードを用いると、画像データの取得スピードに演算速度が間に合わずに、演算中の画像の取りこぼしや、処理の遅延が生じる懸念が大きい。この点、ＦＰＧＡボード１７００は一部を除いてハードウェアで構成できる。必要な演算のみをＦＰＧＡボード１７００に取り込み処理を行うことで取得画像を取りこぼし無く演算できる。

図４は、モニタ１８００に映し出される溶接池の状態を説明する、高速度カメラ１６００の取得画像の典型例である。図４に示すように、ＴＩＧ溶接の場合には、トーチ１１００からの放電によりアルミニウムの試料１４００が溶融して溶融池が形成されている。図４において溶融池は、取得画像のほぼ中央に一フレームの１／６程度の大きさ（縦サイズで１／３かつ横サイズで１／２程度）として視認される。

また、図５は、図４に示す一フレームの画像の明るさを２５６階調として横軸にとり、縦軸に当該明るさに該当するピクセルの数をとった、ＦＰＧＡボード１７００が生成する、ヒストグラムを説明する図である。本実施形態のＦＰＧＡボード１７００が遂行する画像処理は、取得画面のヒストグラムを使用する。

図５に示すように、画像ピクセルの階調値がヒストグラムに大きく影響する。溶接時のビードの範囲は、縦・横それぞれ画面の１／３程度になるように適切な大きさに拡大する（図４参照）。また、溶接時のヒストグラムとして、通常溶接時のピークが好ましくは階調値４０〜５０の範囲になるように、明るさの調整を行う。

また、この場合の、撮影時の条件を図６に示す。図６は、高速度カメラ１６００が画像取得する場合の撮影時の条件を示す図である。図６に示すように、画面サイズは３２０×２４０ピクセルとし、フレームレートは６２００ｆｐｓである。但し、フレームレートはこれに限定されるものではなく、約５０００ｆｐｓ以上であることが好ましい。これにより、迅速に予兆を検知でき、１０フレーム分程度に亘って継続する異常であっても検知できる。また、１０フレーム未満でスパッタが発生してしまうような短い予兆でも検知できる。

図７（ａ）はレーザまたはＴＩＧ溶接装置１０００において正常に溶接が遂行されている場合にＦＰＧＡボード１７００が生成するヒストグラムの例を説明する図であり、図７（ｂ）はレーザまたはＴＩＧ溶接装置１０００においてスパッタが発生する直前に溶接が遂行されている場合にＦＰＧＡボード１７００が生成するヒストグラムの例を説明する図である。図７も図５と同様に、高速度カメラ１６００が取得した一フレームの画像の明るさを２５６階調として横軸にとり、縦軸に当該明るさに該当するピクセルの数をとった、ＦＰＧＡボード１７００が生成する、ヒストグラムである。

図７に示すように、スパッタが発生する直前には、ヒストグラムの階調が高い部位に特徴的な突出が出現する。図７（ｂ）において、階調２００〜２５５のピクセル数の総和が１５０以上の場合、または、２００〜２５５の階調の中の１階調で１０以上のピクセル数が出現した場合、のいずれかまたは両方を閾値として、ＦＰＧＡボード１７００がトリガ信号を出力する。

また、図８は、ＦＰＧＡボード１７００の内部ブロックを概念的に説明する図である。図８から理解できるように、ＦＰＧＡボード１７００は、高速度カメラ１６００から画像データを画像入力ＩＦ１７１０から入力されると、その画像の一フレーム分について、各々、階調測定ブロック１７２０で、各階調のピクセル個数をカウントする。

また、ＦＰＧＡボード１７００は、当該一フレーム分のデータの入力が終了すると同時に判定ブロック１７３０にて、閾値と比較することで、リアルタイムに判定し、トリガ信号等を出力するか否かを判断する。

このような構成により、実施形態のレーザまたはＴＩＧ溶接装置１０００は、溶接中にスパッタの発生の予兆を適確に検知することが可能となる。また、当該検知により、トリガ信号やアナログ信号をＦＰＧＡボード１７００から出力し、溶接機の出力や溶加材ワイヤの供給ノズル等の制御を行うことでスパッタ低減に期待が持てる。

また、図９は、ＦＰＧＡボード１７００のＦＰＧＡプログラム（tone count）の典型例を説明する図である。また、図１０乃至図１３は、ＦＰＧＡボード１７００のＦＰＧＡプログラム（histogram）の典型例を説明する図である。また、実施形態のレーザまたはＴＩＧ溶接装置１０００は、レーザ溶接装置であってもよいし、ＴＩＧ溶接装置であってもよいし、どちらでもよい。レーザ溶接装置の場合にはトーチ１１００はレーザを出力するレーザトーチであり、ＴＩＧ溶接装置の場合にはトーチ１１００は放電を遂行する溶接機トーチである。また、溶加材ワイヤを用いる場合には、溶接制御機１２００がその供給スピードを制御することができる。

本実施形態の画像処理装置は、レーザまたはＴＩＧ溶接時の溶接池を照射するハロゲンランプと、溶接池の中心の鉛直方向に対して、ハロゲンランプと対称に位置する高速度カメラと、高速度カメラが取得した溶接池の画像データが入力されて、画像データの階調別一フレーム内ピクセル数の経時変化をリアルタイムで監視し、異常が検知された場合にトリガ信号を出力するＦＰＧＡボードと、を備える。

これにより、ＦＰＧＡボードを用いて極めて高速にリアルタイムで高感度カメラから取得した画像を処理して、その画像中の異常な変化を検出する画像処理装置を実現できる。スパッタ現象が発生する直前には、溶接池の表面状態の乱れ等に起因する乱反射及び干渉などによると思われる、明るさが異常に高いスポットが取得画像中に出現する。但し、このような現象の詳細かつ正確な原因は、いまだ不明であり推測にすぎないが、溶融池から高輝度の発光体である、レーザ誘起プルーム、またはプラズマ、が原因の可能性もある。

このスポット（ピクセル単位大きさ程度の高輝度スポットも含む）は、明るさによる全２５６階調中で、溶接池によるピークの階調を４０〜７０階調とすれば、典型的には２００〜２５５階調の間に出現することが、本発明者により見出された。このような極めて明るい階調を示すピクセル数を監視し、例えばこれをカウントして時間経過によるピクセル数増大を監視することで、ＦＰＧＡボードが異常を検出できる。

また、本実施形態の画像処理装置は、好ましくはＦＰＧＡボードが、階調別一フレーム内ピクセル数が最も大きい階調よりも高い階調において、階調別一フレーム内ピクセル数のヒストグラムにピークが生じた場合に、異常と判断してトリガ信号を出力する。

高速度カメラは溶接池からのハロゲンランプ反射光を取得しているが、一方で赤外光を含む発光状態にある高温の溶接池の画像をも取得している。このため、階調別一フレーム内ピクセル数が最も大きい階調は、ハロゲンランプの反射光に起因するものかもしれないし、違うのかもしれない。

高速度カメラの取得画像では、４０〜７０階調の明るさを示すピクセル数が最も多く、ここにピークを有し、それより明るい階調（７０より高い階調）を示すピクセル数は急激（典型的には指数関数的）に減少して限りなくゼロに収束していく。

しかし、スパッタが発生する直前には、本来急激に減少して限りなくゼロに収束していく高い階調あたりの曲線中に、典型的には２００〜２５５階調において、比較的小さな新たなピークが出現する。すなわち、スパッタが発生する直前には、２００〜２５５階調の極めて明るい階調を示すピクセルが、一時的に異常に増大する。ＦＰＧＡボードが、これを検知してトリガ信号を出力することで、スパッタの発生を直前で検出するとともに、その抑制対応をとることが可能となる。

また、本実施形態の画像処理装置は、さらに好ましくはハロゲンランプが、近赤外の波長帯域（７３０ｎｍ〜８００ｎｍ）に出力ピークを有する。近赤外の波長帯域（７３０ｎｍ〜８００ｎｍ）のハロゲンランプを使用することで、溶接池を適切に照射し、その画像を適切に取得することが可能となる。

また、本実施形態の画像処理装置は、さらに好ましくはＦＰＧＡボードが、階調別一フレーム内ピクセル数が、全２５６階調中の４０〜７０階調でピークを有する場合において、２００〜２５５階調のピクセル総数が所定の閾値以上となった場合に、トリガ信号を出力する。

発明者の実験結果から得られた知見によれば、４０〜７０階調に観察される正常状態にある本来のピークとは全くかけ離れた２００階調以上において、ピクセル数のピークが出現すると、その直後にスパッタが出現する。高速度カメラとＦＰＧＡボードを用いてこの現象を適確に捉えることができる。

また、本実施形態の画像処理装置は、さらに好ましくは一フレームのピクセル総数を７６，８００とした場合に、所定の閾値は１５０である。画像一フレーム当たりの総ピクセル数を７６，８００、典型的には画面サイズとして３２０×２４０ピクセルの画像を取得した場合に、２００階調以上の階調のピクセル総数が１５０以上となった場合には、スパッタ現象が出現する可能性が極めて高いことが判明した。従って、このような高い階調における、ピクセル数の増大は、スパッタ現象の予兆と考えられる。

また、本実施形態の画像処理装置は、さらに好ましくはＦＰＧＡボードが、階調別一フレーム内ピクセル数が、全２５６階調中の４０〜７０階調でピークを有する場合において、２００〜２５５階調のいずれか一階調のピクセル数が所定の閾値以上となった場合に、トリガ信号を出力する。

実験結果から得られた知見によれば、４０〜７０階調に観察される正常状態にある本来のピークとは全くかけ離れた２００階調以上の特定の一階調において、ピクセル数の増大が観察されると、その直後にスパッタが出現する。高速度カメラとＦＰＧＡボードを用いてこの現象を適確に捉えることができる。従って、スパッタ現象の予兆と考えられるこのような高い階調におけるピクセル数の増大に対して、迅速に検知して対応処理を遂行することが可能となる。

また、本実施形態の画像処理装置は、さらに好ましくは一フレームのピクセル総数を７６，８００とした場合に、所定の閾値は１０である。画像一フレーム当たりの総ピクセル数を７６，８００、典型的には画面サイズを３２０×２４０ピクセルの画像を取得した場合に、２００階調以上の特定の一階調のピクセル数が１０以上となった場合には、スパッタ現象が出現する可能性が極めて高いことが見出された。このため、このような高い階調における、ピクセル数の増大は、スパッタ現象の予兆と考えられる。

スパッタ現象が発生していない場合における、２００階調以上の各階調の明るさを示すピクセル数は、１〜２個／階調程度であるところ、スパッタ現象が発生する直前には１０個／階調以上出現することが判明した。すなわち、２００階調以上の各階調の明るさを示すピクセル数が、５〜１０倍程度の急増する現象がスパッタの予兆であると考えられる。

また、本実施形態の画像処理装置は、さらに好ましくは高速度カメラが、透過波長９６０ｎｍ〜９６５ｎｍのフィルタを備える。透過波長９６０ｎｍ〜９６５ｎｍのフィルタを備えることにより、アーク放電による放射光を遮断して、溶接池からの情報を適確に取得することができる。

また、本実施形態の画像処理装置は、さらに好ましくは高速度カメラのフレームレートが６２００ｆｐｓであり、画面サイズは３２０×２４０ピクセルである。実験で用いたフレームレートは６２００ｆｐｓであり、極めて速やかにＦＰＧＡボードでの処理が遂行可能であるとともに、スパッタ現象の予兆を適確に捉えることが可能である。しかし、６２００ｆｐｓ以上のフレームレートの高速度カメラを使用してもよく、画面サイズも３２０×２４０ピクセルに限定されるものではない。

また、本実施形態のレーザまたはＴＩＧ溶接装置は、上述のいずれかに記載の画像処理装置から出力されるトリガ信号に基づいて、溶接機の出力を低減する制御を遂行する。これにより、適確にスパッタ現象の予兆を検知した画像処理装置からのトリガ信号に基づいて、レーザ出力または放電電力を低減し、スパッタ現象の発生を事前に抑止するか低減可能なレーザまたはＴＩＧ溶接装置を実現できる。従って、より高品質なレーザ溶接を実現し得るレーザまたはＴＩＧ溶接装置となる。

また、本実施形態のレーザまたはＴＩＧ溶接装置は、上述のいずれかに記載の画像処理装置から出力されるトリガ信号に基づいて、溶加材ワイヤの供給ノズルの制御（典型的には、供給スピードをアップさせて放熱を推進させる）を遂行する。これにより、適確にスパッタ現象の予兆を検知した画像処理装置からのトリガ信号に基づいて、溶加材ワイヤの供給ノズルの制御し、スパッタ現象の発生を事前に抑止するか低減可能なレーザまたはＴＩＧ溶接装置を実現できる。従って、より高品質なレーザ溶接等を実現し得るレーザまたはＴＩＧ溶接装置となる。

また、本実施形態の画像処理方法は、上述のいずれかに記載の画像処理装置における画像処理方法であって、高速度カメラからＦＰＧＡボードが画像データをリアルタイムで取得する工程と、ＦＰＧＡボードが、取得した画像データから、リアルタイムで階調別一フレーム内ピクセル数を監視する工程と、階調別一フレーム内ピクセル数に異常が生じた場合に、リアルタイムでトリガ信号を出力する工程と、を有する。

これにより、ＦＰＧＡボードを用いて極めて高速にリアルタイムで高感度カメラから取得した画像を処理して、その画像中の異常な変化を検出する画像処理方法を実現できる。スパッタ現象が発生する直前には、溶接池の表面状態の乱れ等に起因する乱反射及び干渉などによると思われる、明るさが異常に高いスポットが取得画像中に出現する。

但し、このような高輝度スポット発生の詳細かつ正確な原因は、いまだ不明であり、推測にすぎないが、例えば溶融池から高輝度の発光体である、レーザ誘起プルーム、またはプラズマ、が原因の可能性もある。いずれにしても、当該高輝度スポット発生を検知することがスパッタ発生の予兆を検出することに密接に関連する。

このスポット（ピクセル単位大きさ程度の高輝度スポットも含む）は、明るさによる２５６階調中で溶接池によるピークの階調を４０〜７０階調とすれば、典型的には２００〜２５５階調の間に出現することが、本発明者により見出された。このような極めて明るい階調を示すピクセル数を監視し、例えばこれをカウントして時間経過によるピクセル数増大を監視することで、ＦＰＧＡボードが異常を検出できる。

また、本実施形態のレーザまたはＴＩＧ溶接装置の制御方法は、上述のレーザまたはＴＩＧ溶接装置の制御方法であって、トリガ信号に基づいて、溶接機の出力（レーザ出力、またはＴＩＧ溶接放電の電圧／電流）を低減する工程を有する。これにより、適確にスパッタ現象の予兆を検知した画像処理装置からのトリガ信号に基づいて、レーザ出力を低減し、スパッタ現象の発生を事前に抑止するか低減可能なレーザまたはＴＩＧ溶接装置の制御方法を実現できる。従って、より高品質なレーザ溶接を実現し得るレーザまたはＴＩＧ溶接装置の制御方法となる。

また、本実施形態のレーザまたはＴＩＧ溶接装置の制御方法は、上述のレーザまたはＴＩＧ溶接装置の制御方法であって、トリガ信号に基づいて、溶加材ワイヤの供給ノズルの制御を遂行する工程を有する。これにより、適確にスパッタ現象の予兆を検知した画像処理装置からのトリガ信号に基づいて、溶加材ワイヤの供給ノズルの制御し、スパッタ現象の発生を事前に抑止するか低減可能なレーザまたはＴＩＧ溶接装置の制御方法を実現できる。

従って、より高品質なレーザ溶接を実現し得るレーザまたはＴＩＧ溶接装置の制御方法となる。上記トリガ信号に基づくレーザまたはＴＩＧ溶接装置等の制御については、上述したレーザ出力の低減や溶加材ワイヤの供給ノズルの制御に限定されるものではなく、当業者の自明な範囲で任意の制御に利用することができ、より高品質な溶接を実現するものとできる。

本発明のレーザまたはＴＩＧ溶接装置及びレーザまたはＴＩＧ溶接装置の制御方法等は、上述した本実施形態の説明における構成や方法に限定されるものではなく、本発明の範囲内かつ当業者に自明な範囲で適宜自由に変更し、修正し、アレンジすることが可能である。また、従来公知の装置構成や方法と適宜組み合わせて、また適宜工程順序を入れ替えてまたは／および追加・削減して利用することが可能である。

本発明は、電池、コンデンサ等の各種電子部品、自動車のボディー及びその他の部品の溶接モニタリングシステム等に幅広く適用することが可能である。

１０００・・レーザまたはＴＩＧ溶接装置、１１００・・トーチ、１２００・・溶接制御機、１３００・・ワーク、１４００・・試料、１５００・・照明、１６００・・高速度カメラ、１７００・・ＦＰＧＡボード、１８００・・モニタ。

Claims

レーザまたはＴＩＧ溶接時の溶接池を照射するハロゲンランプと、
前記溶接池の中心の鉛直方向に対して、前記ハロゲンランプと対称に位置する高速度カメラと、
前記高速度カメラが取得した前記溶接池の画像データが入力されて、前記画像データの階調別一フレーム内ピクセル数の経時変化をリアルタイムで監視し、異常が検知された場合にトリガ信号を出力するＦＰＧＡボードと、を備え、
前記ＦＰＧＡボードは、
前記階調別一フレーム内ピクセル数が最も大きい階調よりも高い階調において、
前記階調別一フレーム内ピクセル数のヒストグラムにピークが生じた場合に、異常と判断して前記トリガ信号を出力する
ことを特徴とする画像処理装置。
請求項１に記載の画像処理装置において、
前記ハロゲンランプは、近赤外の波長帯域（７３０ｎｍ〜８００ｎｍ）に出力ピークを有する
ことを特徴とする画像処理装置。
請求項１または請求項２に記載の画像処理装置において、
前記ＦＰＧＡボードは、
前記階調別一フレーム内ピクセル数が、全２５６階調中の４０〜７０階調でピークを有する場合において、
２００〜２５５階調のピクセル総数が所定の閾値以上となった場合に、前記トリガ信号を出力する
ことを特徴とする画像処理装置。
請求項３に記載の画像処理装置において、
一フレームのピクセル総数を７６，８００とした場合に、前記所定の閾値は１５０である
ことを特徴とする画像処理装置。
請求項１または請求項２に記載の画像処理装置において、
前記ＦＰＧＡボードは、
前記階調別一フレーム内ピクセル数が、全２５６階調中の４０〜７０階調でピークを有する場合において、
２００〜２５５階調のいずれか一階調のピクセル数が所定の閾値以上となった場合に、前記トリガ信号を出力する
ことを特徴とする画像処理装置。
請求項５に記載の画像処理装置において、
一フレームのピクセル総数を７６，８００とした場合に、前記所定の閾値は１０である
ことを特徴とする画像処理装置。
請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の画像処理装置において、
前記高速度カメラは、透過波長９６０ｎｍ〜９６５ｎｍのフィルタを備える
ことを特徴とする画像処理装置。
請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の画像処理装置において、
前記高速度カメラのフレームレートは６２００ｆｐｓであり、画面サイズは３２０×２４０ピクセルである
ことを特徴とする画像処理装置。
請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の画像処理装置から出力される前記トリガ信号に基づいて、溶接機の出力を低減する制御を遂行する
ことを特徴とするレーザまたはＴＩＧ溶接装置。
請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の画像処理装置から出力される前記トリガ信号に基づいて、溶加材ワイヤの供給ノズルの制御を遂行する
ことを特徴とするレーザまたはＴＩＧ溶接装置。
請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の画像処理装置における画像処理方法であって、
前記高速度カメラから前記ＦＰＧＡボードが前記画像データをリアルタイムで取得する工程と、
前記ＦＰＧＡボードが、取得した前記画像データから、リアルタイムで前記階調別一フレーム内ピクセル数を監視する工程と、
前記階調別一フレーム内ピクセル数に異常が生じた場合に、リアルタイムで前記トリガ信号を出力する工程と、を有する
ことを特徴とする画像処理方法。
請求項９に記載のレーザまたはＴＩＧ溶接装置の制御方法であって、
前記トリガ信号に基づいて、前記溶接機の出力を低減する工程を有する
ことを特徴とするレーザまたはＴＩＧ溶接装置の制御方法。
請求項１０に記載のレーザまたはＴＩＧ溶接装置の制御方法であって、
前記トリガ信号に基づいて、溶加材ワイヤの供給ノズルの制御を遂行する工程を有する
ことを特徴とするレーザまたはＴＩＧ溶接装置の制御方法。