JP7312039B2 - 溶接モニタ装置 - Google Patents

Description

本発明は、溶接モニタ装置に関する。

従来、異なる特性の２台のカメラを用い、アーク溶接による溶接箇所と周辺部とを撮像し、一方のカメラの溶接個所の画像をもう一方のカメラの溶接個所の画像と差し替えて合成し溶接個所を監視する装置が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

特開２０１７－９４３６４号公報

特許文献１に開示された技術では、２台のカメラは、並列に設けられているため、両カメラと撮像対象物（溶接個所）との距離が常に一定であれば、２台のカメラの画像がずれることなく合成することが可能である。

しかしながら、２台のカメラと撮像対象物（溶接個所）との距離が変化した場合、２台のカメラの画像のずれ量が変化し、差し替え部分の画像の境界が不連続な画像となる。このため、視認性の低下を招き、監視者に違和感を与えるおそれがあるとともに、溶接状態を正確に反映させた画像を表示できず、監視精度の低下を招く。

そこで、本発明は、第１カメラおよび第２カメラと撮像対象物との距離が変化しても、視認性および監視制度の確保が可能な溶接モニタ装置を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の溶接モニタ装置は、アーク溶接作業を行う際にワークの溶接個所の周辺部を確認可能な高輝度画像を取得する第１カメラと、前記第１カメラに並んで設けられて前記溶接個所を確認可能な低輝度画像を取得する第２カメラと、前記第１カメラおよび前記第２カメラの撮像を制御し、かつ、前記高輝度画像の前記溶接個所の画像を、前記低輝度画像の前記溶接個所の画像と差し替えて合成画像を作成する合成処理を行い、さらに、前記合成画像を表示画面に表示させる制御部と、を備え、前記制御部は、前記第１カメラの画像と、前記第２カメラの画像とを差し替えるにあたり、前記第１カメラと前記第２カメラとの設置位置の違いによる画像のずれ量に応じて、前記第２カメラの前記差し替えを行う画像の位置補正を行う位置補正処理部を備え、
前記位置補正処理部は、前記位置補正の際の補正量を、前記第１カメラの焦点距離に応じた値として求め、
前記第１カメラと前記第２カメラとは、撮像対象物との距離を計測して焦点距離を調整するオートフォーカス機能を有し、
前記制御部は、前記第２カメラの焦点距離を制御するフォーカス制御値を、前記第１カメラの焦点距離を制御するフォーカス制御値から求める焦点距離制御部を備え、
前記第１カメラおよび前記第２カメラは、遮光性を有した遮蔽板の前面の中央部に設けられ、前記表示画面は、前記遮蔽板の後面の前記第１カメラおよび前記第２カメラと重なる位置に設けられる溶接モニタ装置とした。

本開示の溶接モニタ装置では、上記構成により、撮像対象物との距離が変化しても、位置補正処理部が位置補正の際の補正量を距離の変化に応じた最適な値とすることで、ずれのない合成画像を得ることができ、視認性、正確性、および監視精度の確保が可能である。また、焦点距離制御部によって、第２カメラの焦点距離を最適な値に制御することができる。また、遮光性を有した遮蔽板の前面の中央部に第１カメラおよび第２カメラが設けられ、遮蔽板の後面の前記第１カメラおよび前記第２カメラと重なる位置に表示画面が設けられることで、合成画像を見ながら溶接作業を行うことができる。

実施の形態１の溶接モニタ装置の全体構成を示す概略図である。 実施の形態１の溶接モニタ装置の正面図である。 実施の形態１の溶接モニタ装置の背面図である。 実施の形態１の溶接モニタ装置の側面図である。 実施の形態１の溶接モニタ装置によるワークの撮像画像の図であり、（ａ）は第１カメラで取得した画像を示し、（ｂ）は第２カメラで取得した画像を示す。 実施の形態１の溶接モニタ装置におけるワークディスタンスとフォーカス制御値との関係を示す特性図である。 実施の形態１の溶接モニタ装置における第１カメラのフォーカス制御値と第２カメラのフォーカス制御値との関係を示す特性図である。 実施の形態１の溶接モニタ装置におけるワークディスタンスと第１カメラの画像と第２カメラの画像とのずれ量との関係を示す特性図である。 実施の形態１の溶接モニタ装置における第１カメラのフォーカス制御値と第２カメラの画像の位置補正量との関係を示す特性図である。 非溶接時に第１カメラで取得した画像を示す図である。 非溶接時に第２カメラで取得した画像を示す図である。 実施の形態１の溶接モニタ装置の制御ユニットで行う処理の流れを示すフローチャートである。 溶接時に第１カメラで取得した画像を示す図である。 溶接時に第２カメラで取得した画像を示す図である。 第１の合成方法による合成画像を示す図である。 第２の合成方法による合成画像を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
（実施の形態１）
実施の形態１の溶接モニタ装置Ａは、作業者が、溶接用手持遮光面として片手に持って使用するもので、図１に示すように、遮蔽板１０、撮像部２０、タブレット型コンピュータ３０（以下、ＰＣ３０と表記する）を備える。

遮蔽板１０は、光および熱を遮蔽可能な金属や樹脂などにより形成され、図２Ａ～図２Ｃに示すように、略矩形の薄板状の本体１１と、本体１１の下部に設けられ、作業者が把持可能な棒状の把持部１２と、を備える。

撮像部２０は、図２Ａ、図２Ｃに示すように、遮蔽板１０の本体１１の前面１１ａに設けられており、左右に並んで設けられた第１カメラ２１および第２カメラ２２とを備える。また、図１に示すように、各カメラ２１、２２は、レンズの撮像方向である前方（矢印ＦＲの方向）に光学フィルタ２１ｆ、２２ｆが設けられている。

なお、本明細書において、両カメラ２１、２２により撮影する方向を基準とし、図面において、矢印ＦＲの方向を前方、その反対方向の矢印ＲＲの方向を後方、矢印ＵＰの方向を上方、矢印ＤＮの方向を下方、矢印Ｌの方向を左方向、矢印Ｒの方向を右方向と称す。

ＰＣ３０は、前述したようにタブレット型コンピュータであり、遮蔽板１０の本体１１の後面１１ｂに表示画面３１を後方に向けて取り付けられ（図２Ｂ、図２Ｃ参照）、内部に制御ユニット３２を備える。

表示画面３１は、液晶ディスプレイや有機ＥＬ（electro-luminescence）ディスプレイなど、薄型で軽量のものが用いられている。

また、制御ユニット３２は、カメラ制御部３２１と画像処理部３２２とを備える。詳細については後述するが、カメラ制御部３２１は、第１カメラ２１と第２カメラ２２との焦点距離（フォーカス制御値Ｃ１ｆｘ、Ｃ２ｆｘ）、第１カメラ２１のシャッタ速度Ｃ１ｓなどを制御する。また、画像処理部３２２は、各カメラ２１、２２により取得した画像を合成する合成処理を行って合成画像を表示画面３１に表示し、さらに、合成処理を行うにあたり、第２カメラ２２で取得した画像の位置補正を行う。

この溶接モニタ装置Ａは、第１のワークＷ１と第２のワークＷ２とをアーク溶接する際に、作業者は、把持部１２を把持し、本体１１の前面１１ａの両カメラ２１、２２を両ワークＷ１、Ｗ２に向け、後面１１ｂの表示画面３１の表示画像を見ながら溶接作業を行う。また、図１では、第１のワークＷ１と第２のワークＷ２との間に、ノズルＮＯから延ばした溶接ワイヤＷｗの先端が、溶融して溶融池Ｍｐが形成されている状態を示し、この溶融池Ｍｐの部分を溶接箇所であって溶接中心部と称する。なお、以下の説明において、第１のワークＷ１と第２のワークＷ２とを総称する場合は、単に、ワークＷと称する。

（撮像部および制御ユニット）
以下に、撮像部２０、制御ユニット３２について詳細に説明する。
＜撮像部＞
撮像部２０には、図２Ａに示すように、第１カメラ２１と第２カメラ２２とが左右に並んで設けられている。各カメラ２１、２２は、オートフォーカス機能、シャッタ速度調節機能を備え、かつ、撮影視野が同等のものが用いられている。よって、両カメラ２１、２２は、同一機種のものを用いるのが好ましい。一例として、各カメラ２１、２２として、有効画素数１９２０×１０８０程度のＣＭＯＳカラーイメージセンサを用いることができる。また、各カメラ２１、２２として、ワークディスタンス（ＷＤ：撮像対象物に焦点が合っているときのレンズ先端から撮像対象物までの距離）が、１００～３００ｍｍ程度のものを用いる。

なお、各カメラ２１、２２は、オートフォーカス機能を得る構成として、被撮像物との距離を計測する焦点距離計測部２１１、２１２と、各カメラ２１、２２の焦点を調節する焦点距離制御部２２１、２２２とを備える。焦点距離計測部２１１、２２１は、周知のように、レンズの位置から赤外線を照射し、その反射により距離を計測するもの（アクティブ方式）や、レンズを通過した光を利用して測距を行う方式（パッシブ方式）など周知の技術を用いる。

焦点距離制御部２１２、２２２は、各カメラ２１、２２の焦点距離を制御するフォーカス制御値Ｃ１ｆｘ、Ｃ２ｆｘを、焦点距離計測部２１１、２２１が計測したワークＷ１、Ｗ２との距離（ワークディスタンスＷＤ）に応じて自動制御する機能を有する。さらに、第２カメラ２２の焦点距離制御部２２２は、上述の自動制御機能に加え、制御ユニット３２のカメラ制御部３２１の制御により、第２カメラ２２の焦点距離（フォーカス制御値Ｃ２ｆ）を制御することも可能となっている。

光学フィルタ２１ｆ、２２ｆは、それぞれ、第１カメラ２１および第２カメラ２２のレンズ（図示省略）の前方に配置されて、第１カメラ２１および第２カメラ２２の撮像輝度を所定の範囲の輝度に調整するためのもので、遮光ガラスが用いられている。具体的には、光学フィルタ２１ｆは、第１カメラ２１が高輝度画像を取得することを可能とするもので、相対的に明るめの遮光ガラス（例えば、遮光度番号が２～６の範囲内のものであって、一例として遮光度番号６のもの）が用いられている。

一方、光学フィルタ２２ｆは、第２カメラ２２が溶接時のアーク光および溶融プールが確認可能な低輝度画像を取得可能とする十分な遮光度を有する遮光ガラス（例えば、遮光度番号９～１２の範囲内のもの、一例として遮光度番号１１のもの）が用いられている。このように、第２カメラ２２の光学フィルタ２２ｆは、遮光性が高いため、非溶接時には、図８Ｂに示すように、第２カメラ２２により取得した画像は、全面で黒色となり肉眼では確認することができない。よって、この非溶接時には、第２カメラ２２は、光学フィルタ２２ｆをレンズの前に配置した状態では、焦点距離計測部２２１による距離計測が困難である。
また、図８Ａは、非溶接時に第１カメラ２１により取得した画像を示し、ワークＷ、ノズルＮＯ、溶接ワイヤＷｗなどを確認することができる。

なお、光学フィルタ２１ｆ、２２ｆとしては、上記の遮光ガラスの他に、近赤外線透過型のバンドパスフィルタや、中心部のみ透過率を変更した特殊なフィルタを用いることもできる。

＜制御ユニット＞
次に、制御ユニット３２において実行する処理の内容について説明する。
制御ユニット３２では、カメラ制御部３２１により各カメラ２１、２２の撮像を制御する撮像処理と、画像処理部３２２により各カメラ２１、２２で撮像した画像を合成する合成処理、および、合成処理に伴う位置補正処理を行う。詳細については後述するが、撮像処理では、各カメラ２１、２２のシャッタ速度Ｃ１ｓ、Ｃ２ｓや焦点距離（フォーカス制御値Ｃ１ｆｘ、Ｃ２ｆｘ）の制御を行う。合成処理は、簡単に説明すると、第１カメラ２１で撮像した高輝度画像において白くハレーションを起こした溶接中心部の画像部分を、第２カメラ２２で撮像した低輝度画像の溶接中心部の画像に差し替えて合成する処理である。

まず、撮像処理について説明すると、この撮像処理としては、シャッタ速度処理と焦点距離調整処理とを行う。

シャッタ速度処理は、各カメラ２１、２２のシャッタ速度を最適に調整するもので、第１カメラ２１のシャッタ速度Ｃ１ｓを、非溶接時には第１のシャッタ速度Ｃ１ｓ１に制御し、溶接時には第２のシャッタ速度Ｃ１ｓ２に制御する。第１のシャッタ速度Ｃ１ｓ１は、非溶接時に、ワークＷ１、Ｗ２の溶接個所の周囲を確認可能な画像を取得できる速度である。一方、第２のシャッタ速度Ｃ１ｓ２は、第１のシャッタ速度Ｃ１ｓ１よりも早い速度であって、溶接時に、図１０Ａに示すように、溶接個所であってハレーションを起こしたハレーション部２１ａの周辺部２１ｂを確認可能な画像を取得できる速度である。
なお、シャッタ速度処理において、第２カメラ２２に対しては、シャッタ速度処理として、低輝度画像を撮像するのに最適な予め設定されたシャッタ速度Ｃ２ｓに制御する。

次に、焦点距離調整処理について説明する。
この焦点距離調整処理としては、溶接作業の前段階で行う前段階処理と、溶接時に行う溶接時処理とを実行する。

前段階処理は、設置位置が左右方向に異なる第１カメラ２１と第２カメラ２２とで撮像した画像を、位置のずれが生じることなく連続的に合成するために必要なデータや関数を得るための処理である。

この前段階処理は、各カメラ２１、２２に光学フィルタ２１ｆ、２２ｆを取り付ける前の時点で実行するもので、フォーカス制御値Ｃ２ｆｘを求める関数Ｆｃｆ（Ｃ１ｆｘ）と、位置補正量ΔＤｆを求める関数Ｆｄｆ(Ｃ１ｆｘ)とを演算する。

以下に、フォーカス制御値Ｃ２ｆｘを求める関数Ｆｃｆ（Ｃ１ｆｘ）と、位置補正量ΔＤｆを求める関数Ｆｄｆ(Ｃ１ｆｘ)とについて説明する。

フォーカス制御値Ｃ２ｆｘを求める関数Ｆｃｆ（Ｃ１ｆｘ）は、第２カメラ２２の焦点距離を制御するフォーカス制御値Ｃ２ｆｘを、第１カメラ２１のフォーカス制御値Ｃ１ｆｘに基づいて得るための関数である。すなわち、第２カメラ２２の光学フィルタ２２ｆは、遮蔽性が高く、非溶接時には、レンズを通して距離計測用の光線の出力や入力ができない。このため、第２カメラ２２では、オートフォーカス機能（焦点距離計測部２２１）による焦点距離（フォーカス制御値Ｃ２ｆ）の制御を行うことができない。

そこで、第２カメラ２２の焦点距離を制御するフォーカス制御値Ｃ２ｆは、関数Ｆｃｆ（Ｃ１ｆｘ）に基づいて、第１カメラ２１のオートフォーカス機能で得られるフォーカス制御値Ｃ１ｆｘに応じて設定するようにした。

以下に、この関数Ｆｃｆ（Ｃ１ｆｘ）を求める手順を説明する。
まず、図４に示すように、ワークディスタンスＷＤ（レンズと角部ｃとの距離）の最小距離ＷＤ１から最大距離ＷＤ２の範囲で、ワークディスタンスＷＤと両カメラ２１、２２のフォーカス制御値Ｃ１ｆｘ、Ｃ２ｆｘとの関係を求める。なお、第１カメラ２１のフォーカス制御値Ｃ１ｆｘと、第２カメラ２２のフォーカス制御値Ｃ２ｆｘとは、それぞれ、焦点距離計測部２１１、２２１が計測した焦点距離に基づいて決定した制御値である。

図４に示すように、各フォーカス制御値Ｃ１ｆｘ、Ｃ２ｆｘは、ワークディスタンスＷＤの最小距離ＷＤ１から最大距離ＷＤ２の範囲内で比例し、かつ、両カメラ２１、２２の取り付け位置のずれ量に基づいて一定の差分を有する。

したがって、第１カメラ２１のフォーカス制御値Ｃ１ｆｘと、第２カメラ２２のフォーカス制御値Ｃ２ｆｘとは、図５に示す比例関係にある。よって、下記（式１）に示すように、第１カメラ２１のフォーカス制御値Ｃ１ｆｘから第２カメラ２２のフォーカス制御値Ｃ２ｆｘを求める関数Ｆｃｆ（Ｃ１ｆｘ）を求めることができる。
Ｃ２ｆｘ＝Ｆｃｆ（Ｃ１ｆｘ） ・・・（式１）

次に、第２カメラ２２の取得画像の位置補正量ΔＤｆを求める関数Ｆｄｆ(Ｃ１ｆｘ)について説明する。

第１カメラ２１と第２カメラ２２とは、図２Ａに示すように、遮蔽板１０において左右方向にずれて設置されているため、第１カメラ２１と第２カメラ２２とでは、撮像した画像に左右方向にずれが生じる。

図３（ａ）（ｂ）は、光学フィルタ２１ｆ、２２ｆの設置前に取得した第１カメラ２１と第２カメラ２２との撮像画像の一例を示す。図３（ａ）に示すように、第１カメラ２１の画像の中央に基準点としての角部ｃが配置されるように撮像したときに、第２カメラ２２で取得した画像では、図３（ｂ）に示すように、角部ｃの位置が、画像中央から左にずれる。

よって、第１カメラ２１の画像中央の画像（溶接個所）の画像を、第２カメラ２２で撮像した溶接個所の画像と差し替える場合、第２カメラ２２の画像では、中央から左にずれた位置の画像と差し替える必要がある。

図６は、レンズから撮像対象物（ワークＷ）までの距離であるワークディスタンスＷＤの最小距離ＷＤ１および最大距離ＷＤ２における、第１カメラ２１の画像と第２カメラ２２との画像のずれ量Ｄｆを示す。このように、ずれ量Ｄｆは、レンズと撮像対象物（基準位置）までの距離であるワークディスタンスＷＤに比例する。そして、ワークディスタンスＷＤは、フォーカス制御値Ｃ１ｆｘに比例しさらに、前述したように第２カメラ２２のフォーカス制御値Ｃ２ｆｘは、（式１）のフォーカス制御値Ｃ１ｆｘの関数とすることができる。

よって、第２カメラ２２の画像を、第１カメラ２１の画像と同一位置に重ねることができるように位置をずらすための位置補正量ΔＤｆを、図７に示すように、第１カメラ２１のフォーカス制御値Ｃ１ｆｘの関数Ｆｄｆ（Ｃ１ｆｘ）とすることができる。なお、この位置補正量ΔＤｆは、下記（式２）で表すことができる。
ΔＤｆ＝Ｆｄｆ（Ｃ１ｆｘ） ・・・・（式２）

したがって、図３（ｂ）に示す第２カメラ２２の画像を、ずれ量Ｄｆに相当する位置補正量ΔＤｆだけ右にずらすことで、第２カメラ２２の画像を第１カメラ２１の画像の同一位置に重ねることができる。すなわち、画像合成の際に、第１カメラ２１の画像の一部と第２カメラ２２の画像の一部と差し替えるにあたり、第２カメラ２２の画像に位置補正量ΔＤｆだけ右にずらすことで、第１カメラ２１の画像に連続的に第２カメラ２２の画像を位置のずれなく合成することができる。

次に、溶接時に実行する制御ユニット３２の処理について、図９のフローチャートを参照しつつ説明する。
なお、実施の形態１の溶接モニタ装置Ａは、作業者が把持部１２を片手で把持し、遮蔽板１０の前面１１ａを、溶接箇所であるワークＷの方向に向けて使用する。

溶接を開始する前時点（非溶接時）では、まず、第１カメラ２１のシャッタ速度Ｃ１ｓを第１のシャッタ速度Ｃ１ｓ１に制御し（ステップＳ１）、この第１カメラ２１で取得した「高輝度画像」を表示画面３１に図８Ａに示すベース画像２１Ａとして表示する（ステップＳ２）。なお、シャッタ速度Ｃ１ｓ１は、非溶接時に、溶接個所（画面中央）の周囲を確認可能な速度である。また、このとき、この時点の第２カメラ２２により取得する画像は、図８Ｂに示すように、光学フィルタ２２ｆの遮光により画像を確認することができない。

次に、制御ユニット３２の画像処理部３２２では、溶接開始か否かの判定を行い（ステップＳ３）、溶接開始（溶接中）と判定した場合には、第１カメラ２１のシャッタ速度Ｃ１ｓを、溶接時に、その周囲を確認可能なシャッタ速度Ｃ１ｓ２に切り替える。そして、その取得画像をベース画像として表示する（ステップＳ４）。なお、本実施の形態１では、溶接中の判定は、第１カメラ２１の平均輝度値Ｃ１Ｌを監視し、平均輝度値Ｃ１Ｌが、予め設定された溶接判定閾値Ｌｗを超えた時点で、溶接開始と判定する。そして、平均輝度値Ｃ１Ｌが溶接判定閾値Ｌｗを超えている間は溶接中と判定する。

溶接開始後に、シャッタ速度Ｃ１ｓ２として第１カメラ２１により取得したベース画像２１Ｂの一例を図１０Ａに示す。溶接時に、表示画面３１表示するベース画像２１Ｂでは、溶接中心部は白くハレーションを起こして画像を確認することができないハレーション部２１ａとなる。一方、ハレーション部２１ａの周辺部２１ｂは薄暗いが形状などを視認可能な画像となる。

同時に、第２カメラ２２の焦点距離の制御（ステップＳ５）、および、撮像した画像の位置補正を行う（ステップＳ６）。

第２カメラ２２の焦点距離の制御は、前述したように、関数Ｆｃｆ（Ｃ１ｆｘ）に基づいて第１カメラ２１のフォーカス制御値Ｃ１ｆｘから演算した第２カメラ２２のフォーカス制御値Ｃ２ｆｘを求める。そして、このフォーカス制御値Ｃ２ｆｘにより第２カメラ２２の焦点距離を制御する。

これにより、第２カメラ２２のレンズの前に、遮光性の高い光学フィルタ２２ｆが存在していても、第２カメラ２２の焦点距離を適切に制御することができる。

また、第２カメラ２２が撮像する画像の位置補正は、第２カメラ２２で取得した画像に対して、前述した位置補正量ΔＤｆの分だけ、左右方向の位置をずらす補正を行う。この位置補正量ΔＤｆは、第１カメラ２１のフォーカス制御値Ｃ１ｆｘに基づいて設定するため、溶接モニタ装置Ａを手持ちで使用し、溶接箇所との距離が変化しても、位置補正を高精度で行うことができる。

図１０Ｂは、第２カメラ２２により取得した画像に対して、上記の焦点距離の補正と位置補正とを行った画像の一例を示している。この第２カメラ２２で取得した画像２２Ｂは、光学フィルタ２２ｆにより、溶接中心部２２ａを視認でき、逆に、その周辺部２２ｂは視認できない画像となっている。

次に、第１カメラ２１により取得した画像と、第２カメラ２２により取得した画像とを合成し、この合成画像を表示する（ステップＳ７）。ここで、第２カメラ２２で取得した溶接中心部２２ａの画像は、上記の焦点距離補正により溶接中心部の撮像に適切な距離となっているとともに、表示画面３１において、第１カメラ２１が取得したベース画像２１Ｂにおける溶接中心部に一致する位置に表示される。

なお、画像の合成方法としては、下記の第１の合成方法と第２の合成方法とのいずれか一方を用いる。

第１の合成方法は、第１カメラ２１で取得した画像において、予め設定した輝度閾値を超えた部分（図１０Ａのハレーション部２１ａ）を、第２カメラ２２で取得した画像２２Ｂの視認可能な溶接中心部２２ａの画像に差し替えて表示する方法である。図１１Ａに、この第１の合成方法により合成した画像の一例を示す。そして、この第１の合成方法で差し替え表示を行うにあたり、第１カメラ２１の画像の輝度閾値として、設定したフレームによる移動平均値を用いることにより、サイズ変動を緩和し、視認性を向上させることができる。

第２の合成方法は、第１カメラ２１で取得した画像において輝度閾値を超えた部分（図１０Ａのハレーション部２１ａ）のみを、第２カメラ２２で取得した溶接中心部２２ａの画像と平均化して表示する方法である。

図１１Ｂは、第２の方法により合成した画像の表示例を示す。すなわち、表示画面３１において、矩形の平均化領域２３を囲んで、第１カメラ２１で取得したハレーション部２１ａの周辺部２１ｂの画像が表示されている。そして、平均化領域２３の画像は、図１０Ｂに示す第２カメラ２２で取得した溶接中心部２２ａの画像と第１カメラ２１で取得したハレーション部２１ａ（図１０Ａ参照）の画像とを平均化して表示した画像である。

そして、画像合成処理および画像表示処理（ステップＳ７）を行った後、溶接終了判定を行い（ステップＳ８）、溶接継続中は、ステップＳ４～ステップＳ７の処理による第１カメラ２１、第２カメラ２２の画像を合成して表示する処理を繰り返す。また、溶接終了と判定した場合は、ステップＳ１の処理に戻るか、あるいは、表示画面３１の画像表示を一旦終了し、次の所定の開始操作を待つかする。

なお、溶接終了判定は、第１カメラ２１が取得する画像の平均輝度値Ｃ１ｌが、前述の溶接判定閾値Ｌｗを下回った状態が、予め設定した設定時間ＴＬｗ（例えば、零コンマ数秒程度、より具体的には０．３秒）を超えて経過した場合に、溶接終了と判断する。

（実施の形態１の作用）
次に、実施の形態１の溶接モニタ装置Ａの作用を説明する。
まず、溶接を開始する前に、作業者は、制御ユニット３２に前段階処理を実行させ、第２カメラ２２のフォーカス制御値Ｃ２ｆｘを求める関数Ｆｃｆ（Ｃ１ｆｘ）と、第２カメラ２２の取得画像の位置補正量ΔＤｆを求める関数Ｆｄｆ(Ｃ１ｆｘ)とを演算させる。

そして、溶接作業を行う際には、作業者は、まず、溶接モニタ装置Ａの把持部１２を持ち、遮蔽板１０の本体１１の前面１１ａをワークＷ１、Ｗ２の方向に向け、第１カメラ２１および第２カメラ２２により溶接個所の画像を取得する。

このとき、遮蔽板１０の本体１１の後面１１ｂに設けられたＰＣ３０の表示画面３１には、第１カメラ２１で取得した「高輝度画像」がベース画像２１Ａとして表示される（ステップＳ２）。なお、この際、第１カメラ２１のシャッタ速度Ｃ１ｓは、非溶接時用の第１のシャッタ速度Ｃ１ｓ１に制御される。

そして、アーク溶接の実行の際には、作業者は、両カメラ２１、２２をワークＷの溶接個所に向け、ワークＷの溶接個所と作業者の顔との間に遮蔽板１０を配置させ、作業者は、ＰＣ３０の表示画面３１の表示画像により溶接作業の監視を行う。

したがって、作業者は、溶接面を着用することなく、溶接モニタ装置Ａにより溶接状態を監視できる。また、溶接個所（溶融池Ｍｐ）の光および熱は、遮蔽板１０により遮蔽することができる。

この溶接作業時には、制御ユニット３２は、第１カメラ２１の撮像画像の平均輝度値Ｃ１Ｌを監視し、平均輝度値Ｃ１Ｌが、予め設定された溶接判定閾値Ｌｗを超えることで、溶接開始と判定する。また、平均輝度値Ｃ１Ｌが溶接判定閾値Ｌｗを超えている間は、溶接中（溶接終了ではない）と判定する。

そして、制御ユニット３２は、溶接開始と判定した際には、第１カメラ２１のシャッタ速度Ｃ１ｓを、溶接時に、溶接前のシャッタ速度Ｃ１ｓ１よりも早いシャッタ速度Ｃ１ｓ２に切り替える。これにより、第１カメラ２１は、図１０Ａに示すように、溶接個所（ハレーション部２１ａ）の周囲を確認可能な画像である周辺部２１ｂの画像を取得する。

さらに、制御ユニット３２は、第１カメラ２１のハレーション部２１ａを、第２カメラ２２で取得した画像において、ハレーション部２１ａと同じ領域において撮像した画像である溶接中心部２２ａの画像と差し替えて合成する。ここで、第２カメラ２２は、レンズの前面に遮光度が高い遮光ガラス製（遮光度１１程度）の光学フィルタ２２ｆを備える。このため、第２カメラ２２では、図１０Ｂに示すように、輝度の高い溶接中心部２２ａについては確認可能な画像を取得できるのに対し、その周辺部２２ｂは、確認不可能な画像として取得する。したがって、第１カメラ２１では、ハレーションを起こして確認をすることができないハレーション部２１ａに、第２カメラ２２で取得した確認可能な溶接中心部２２ａの画像を合成することにより、その合成画像は、溶接中心部２２ａとその周辺部２１ｂとの両方を確認可能な画像とすることができる。

また、第２カメラ２２で取得する画像は、第１カメラ２１のフォーカス制御値Ｃ１ｆｘに基づいて、その設置位置の違いによる焦点距離分を補正して取得する。すなわち、第１カメラ２１と第２カメラ２２との設置位置のずれに応じて焦点距離に基づいて、第１カメラ２１のフォーカス制御値Ｃ１ｆｘから第２カメラ２２に適切なフォーカス制御値Ｃ２ｆｘを求める関数Ｆｃｆ（Ｃ１ｆｘ）を予め求めている。したがって、第２カメラ２２のレンズの前に遮光性が高い光学フィルタ２２ｆを設けていても、適切なフォーカス制御値Ｃ２ｆｘ（焦点距離）を演算し、制御することができる。

よって、図１１Ａ、図１１Ｂに示す合成画像において、溶接中心部２２ａおよび同一位置の平均化領域２３と、周辺部２１ｂとで焦点距離が不適切なことによる画像のぼやけなどが生じることがない。これにより、作業者は、高精度で溶接中心部２２ａの状態を確認することができる。

加えて、第１カメラ２１と第２カメラ２２とは、設置位置が異なることから、図３（ａ）（ｂ）に示すように、左右方向の位置にずれが生じる。したがって、画像合成の際に、第２カメラ２２の画像を、第１カメラ２１の画像の座標と同じ範囲の画像を合成すると、第１カメラ２１の画像とずれた位置に第２カメラ２２の画像を合成することになる。

そこで、本実施の形態１では、第１カメラ２１のフォーカス制御値Ｃ１ｆｘから、第２カメラ２２の画像を、第１カメラ２１の画像と同一位置に重ねることができるように位置をずらすための位置補正量ΔＤｆを得る関数Ｆｄｆ（Ｃ１ｆｘ）を演算している。

したがって、図１１Ａ、図１１Ｂに示すように、第１カメラ２１で撮像した周辺部２１ｂの画像に対し、溶接中心部２２ａおよび同一位置の平均化領域２３を、位置のずれが無く差し替えることができる。よって、作業者は、高精度で溶接中心部２２ａの状態を確認することができる。

以上のように、作業者は、ＰＣ３０の表示画面３１の合成画像を見ながら、溶接作業を行うことができる。この場合、単一の遮光ガラスを介しての作業と比較して、作業箇所以外の周辺の視野も確保することができ、作業性に優れ、かつ、作業効率も向上できる。さらに、表示画面３１への表示において、表示倍率を任意の倍率とすることができ、遮光ガラスを介しての作業と比較して、高い視認性を得ることができる。加えて、遮光ガラスを介して溶接個所を見ながら作業を行う場合と比較して、紫外線が透過することがなく、作業者の目の負担を軽減できる。しかも、遮蔽板により、溶接による熱を遮ることができ、これによっても、作業性を向上できる。

（実施の形態１の効果）
以下に、実施の形態１の溶接モニタ装置Ａの効果を列挙する。
（１）実施の形態１の溶接モニタ装置Ａは、アーク溶接作業を行う際にワークＷの溶接個所（溶融池Ｍｐ）の周辺部２１ｂを確認可能な高輝度画像を取得する第１カメラ２１と、第１カメラ２１に並んで設けられて溶接個所（溶融池Ｍｐ）を確認可能な低輝度画像を取得する第２カメラ２２と、第１カメラ２１および第２カメラ２２の撮像を制御するカメラ制御部３２１と、高輝度画像の溶接個所の画像を、低輝度画像の溶接個所の画像と差し替えて合成画像を作成する合成処理を行い、さらに、合成画像を表示画面３１に表示させる画像処理部３２２とを備えた制御ユニット３２と、を備える。
制御ユニット３２は、第１カメラ２１の溶接個所の画像と、第２カメラ２２の溶接個所の画像とを差し替えるにあたり、第１カメラ２１と第２カメラ２２との設置位置の違いによる画像のずれ量Ｄｆに応じて、第２カメラ２２の差し替えを行う溶接個所の画像の位置補正を行う位置補正処理部（ステップＳ６の処理を行う部分）を備える。
したがって、合成画像にずれが生じることがなく、視認性および監視制度を確保することが可能である。

（２）実施の形態１の溶接モニタ装置Ａは、位置補正処理部（ステップＳ６の処理を行う部分）は、位置補正の際の位置補正量ΔＤｆを、第１カメラ２１の焦点距離を制御するフォーカス制御値Ｃ１ｆｘに応じた値として求める。
したがって、両カメラ２１、２２と、溶接個所（溶融池Ｍｐ）を含むワークＷとの距離が一定でない場合であっても、その距離の変化に応じて位置補正量ΔＤｆを最適な値としてずれの無い合成画像を得ることができる。これにより、実施の形態１のように、手持ち式の溶接モニタ装置Ａであっても、合成画像にずれが生じず、視認性、正確性を確保できる。
説明を加えると、図２Ａに示すように、第１カメラ２１と第２カメラ２２との設置位置が異なる場合、ワークＷとの距離によりずれ量Ｄｆが異なる。よって、位置補正量ΔＤｆを一定値とすると、両カメラ２１、２２とワークＷとの距離とが変化した場合、合成画像にずれが生じるが、本実施の形態１は、このような不具合が生じることが無い。

（３）実施の形態１の溶接モニタ装置Ａは、第１カメラ２１と第２カメラ２２とは、撮像対象物との距離を計測して焦点距離を調整するオートフォーカス機能を有し、制御ユニット３２は、第２カメラ２２の焦点距離を制御するフォーカス制御値Ｃ２ｆｘを、第１カメラ２１の焦点距離を制御するフォーカス制御値Ｃ１ｆｘから求める焦点距離制御部としてステップＳ５の処理を行うカメラ制御部３２１を備える。
したがって、第２カメラ２２が低輝度画像を取得するために遮光性の高い光学フィルタ２２ｆを有していても、第２カメラ２２の焦点距離を最適の値に制御することができる。

（４）実施の形態１の溶接モニタ装置Ａは、制御ユニット３２は、溶接の実行中か否かを判定する溶接判定部（カメラ制御部３２１においてステップＳ３の処理を実行する部分）と、第１カメラ２１のシャッタ速度Ｃ１ｓを制御するシャッタ速度制御部（カメラ制御部３２１においてステップＳ２の処理を実行する部分）と、を備える。
さらに、制御ユニット３２は、溶接判定部が、溶接の非実行中と判定している際には、第１カメラ２１のシャッタ速度Ｃ１ｓを、相対的に遅い第１のシャッタ速度Ｃ１ｓ１に制御し、かつ、合成処理は停止し、溶接判定部が溶接中と判定している際には、第１カメラ２１のシャッタ速度Ｃ１ｓを相対的に早い第２のシャッタ速度Ｃ１ｓ２に制御し、かつ、合成処理を実行する。

したがって、非溶接時には、表示画面３１に、ワークＷを確認可能なベース画像２１Ａ（図８Ａ参照）を表示する。一方、溶接時には、第１カメラ２１は、溶接個所はハレーションが生じても、その周辺は確認可能な画像を取得し、第２カメラ２２の画像と合成した際に、第１カメラ２１で取得した画像と、第２カメラ２２で取得した画像との両方を、確認可能な画像とすることができる。
すなわち、第１カメラ２１の画像を、第１のシャッタ速度Ｃ１ｓ１のままで溶接中の画像を取得した場合、周辺部２１ｂの画像もハレーションが生じる可能性がある。また、第１のシャッタ速度Ｃ１ｓ１を、溶接時に、周辺部２１ｂを確認可能な第２のシャッタ速度Ｃ１ｓ２相当の値とすると、非溶接時の視認性が低下するおそれがある。本実施の形態１では、これらの問題が生じないようにできる。

（５）実施の形態１の溶接モニタ装置Ａは、溶接判定部（カメラ制御部３２１においてステップＳ３の処理を実行する部分）は、高輝度画像の平均輝度値Ｃ１Ｌを求め、平均輝度値Ｃ１Ｌが予め設定した溶接判定値よりも低い場合に、非溶接中と判定し、平均輝度値Ｃ１Ｌが溶接判定値よりも高い場合に、溶接中と判定する。
したがって、第１カメラ２１が取得するベース画像２１Ａに基づいて、高精度で非溶接中、溶接中を判定することができる。そして、これにより、上記（４）で述べた制御の切替を適切なタイミングで実行することができる。

（６）実施の形態１の溶接モニタ装置Ａは、第１カメラ２１および第２カメラ２２は、遮光性を有した遮蔽板１０の本体１１の前面１１ａに設けられ、表示画面３１は、遮蔽板１０の本体１１の後面１１ｂに設けられ、遮蔽板１０は、片手で把持可能な把持部１２」える。
したがって、作業者は、溶接モニタ装置Ａを片手で持って表示画面３１の合成画像を見ながら、溶接作業を行うことができる。この場合、単一の遮光ガラスを介しての作業と比較して、作業箇所以外の周辺の視野も確保することができ、作業性に優れ、かつ、作業効率も向上できる。さらに、表示画面３１への表示において、表示倍率を任意の倍率とすることができ、遮光ガラスを介しての作業と比較して、高い視認性を得ることができる。加えて、遮光ガラスを介して溶接個所を見ながら作業を行う場合と比較して、紫外線が透過することがなく、作業者の目の負担を軽減できる。しかも、遮蔽板１０により、溶接による熱を遮ることができ、これによっても、作業性を向上できる。

以上、本開示の溶接モニタ装置を実施の形態に基づいて説明してきた。しかし、本開示の溶接モニタ装置の具体的な構成については、これらの実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲の各請求項の要旨を逸脱しない限り、各実施の形態の組み合わせ、設計の変更や追加などは許容される。

例えば、実施の形態では、本開示の溶接モニタ装置を、遮蔽板に設け、作業者が把持可能なものを示したが、これに限定されず、溶接ロボットなどによる自動溶接の監視に用いることもできる。

１０ 遮蔽板
１１ａ 前面
１１ｂ 後面
１２ 把持部
２１ 第１カメラ
２１１ 焦点距離計測部
２１２ 焦点距離制御部
２１ｆ 光学フィルタ
２２ 第２カメラ
２２１ 焦点距離計測部
２２２ 焦点距離制御部
２２ｆ 光学フィルタ
３０ タブレット型コンピュータ（ＰＣ）
３１ 表示画面
３２ 制御ユニット（制御部）
３２１ カメラ制御部
３２２ 画像処理部
Ａ 溶接モニタ装置
Ｃ１ｆｘ （第１カメラの）フォーカス制御値
Ｃ１Ｌ 平均輝度値
Ｃ１ｓ１ （第１の）シャッタ速度
Ｃ１ｓ２ （第２の）シャッタ速度
Ｄｆ ずれ量
Ｆｃｆ（Ｃ１ｆｘ） （フォーカス制御値Ｃ２ｆｘを求める）関数
Ｆｄｆ(Ｃ１ｆｘ) （位置補正量ΔＤｆを求める）関数
Ｍｐ 溶融池
Ｗ ワーク
Ｗ１ ワーク
Ｗ２ ワーク
ΔＤｆ 位置補正量

Claims (4)

1. アーク溶接作業を行う際にワークの溶接個所の周辺部を確認可能な高輝度画像を取得する第１カメラと、
   前記第１カメラに並んで設けられて前記溶接個所を確認可能な低輝度画像を取得する第２カメラと、
   前記第１カメラおよび前記第２カメラの撮像を制御し、かつ、前記高輝度画像の前記溶接個所の画像を、前記低輝度画像の前記溶接個所の画像と差し替えて合成画像を作成する合成処理を行い、さらに、前記合成画像を表示画面に表示させる制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記第１カメラの画像と、前記第２カメラの画像とを差し替えるにあたり、前記第１カメラと前記第２カメラとの設置位置の違いによる画像のずれ量に応じて、前記第２カメラの前記差し替えを行う画像の位置補正を行う位置補正処理部を備え、
   前記位置補正処理部は、前記位置補正の際の補正量を、前記第１カメラの焦点距離に応じた値として求め、
   前記第１カメラと前記第２カメラとは、撮像対象物との距離を計測して焦点距離を調整するオートフォーカス機能を有し、
   前記制御部は、前記第２カメラの焦点距離を制御するフォーカス制御値を、前記第１カメラの焦点距離を制御するフォーカス制御値から求める焦点距離制御部を備え、
   前記第１カメラおよび前記第２カメラは、遮光性を有した遮蔽板の前面の中央部に設けられ、前記表示画面は、前記遮蔽板の後面の前記第１カメラおよび前記第２カメラと重なる位置に設けられる溶接モニタ装置。
2. アーク溶接作業を行う際にワークの溶接個所の周辺部を確認可能な高輝度画像を取得する第１カメラと、
   前記第１カメラに並んで設けられて前記溶接個所を確認可能な低輝度画像を取得する第２カメラと、
   前記第１カメラおよび前記第２カメラの撮像を制御し、かつ、前記高輝度画像の前記溶接個所の画像を、前記低輝度画像の前記溶接個所の画像と差し替えて合成画像を作成する合成処理を行い、さらに、前記合成画像を表示画面に表示させる制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記第１カメラの画像と、前記第２カメラの画像とを差し替えるにあたり、前記第１カメラと前記第２カメラとの設置位置の違いによる画像のずれ量に応じて、前記第２カメラの前記差し替えを行う画像の位置補正を行う位置補正処理部を備え、
   前記制御部は、溶接の実行中か否かを判定する溶接判定部と、前記第１カメラのシャッタ速度を制御するシャッタ速度制御部と、を備え、
   さらに、前記制御部は、前記溶接判定部が、溶接の非実行中と判定している際には、前記第１カメラのシャッタ速度を、相対的に遅い第１のシャッタ速度に制御し、かつ、前記合成処理は停止し、前記溶接判定部が溶接中と判定している際には、前記第１カメラのシャッタ速度を相対的に早い第２のシャッタ速度に制御し、かつ、前記合成処理を実行する溶接モニタ装置。
3. 請求項２に記載の溶接モニタ装置において、
   前記溶接判定部は、前記高輝度画像の平均輝度値を求め、前記平均輝度値が予め設定した溶接判定値よりも低い場合に、非溶接中と判定し、前記平均輝度値が前記溶接判定値よりも高い場合に、溶接中と判定する溶接モニタ装置。
4. 請求項２または請求項３に記載の溶接モニタ装置において、
   前記第１カメラおよび前記第２カメラは、遮光性を有した遮蔽板の前面に設けられ、前記表示画面は、前記遮蔽板の後面に設けられ、前記遮蔽板は、片手で把持可能な把持部を備える溶接モニタ装置。