JPH0475118B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、開先線上にある溶融池形状を計測
する溶融池計測装置にかかるものであり、特に、
開先倣いや溶接条件制御などを自動的に行う全自
動溶接ロボツトなどに好適な溶融池計測装置に関
するものである。

［従来の技術］ 従来の溶融池計測装置としては、例えば、撮像
手段で得た溶融池画像を含む画像領域全体に対し
て所定の処理を施すことにより、溶融池形状に関
する情報を得るものがある。

すなわち、全画像領域の画素の輝度データが二
値化され、論理値の分布状態から溶融池の形状計
測が行われる。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、以上のような従来の溶融池計測
装置においては、全画像領域が所定の処理対象と
されているため、溶融池計測に時間を要するとい
う不都合がある。

また、画像処理に二値化を行つているため、輝
度の不均一の影響を受けやすく、良好な測定を行
うことができないという不都合もある。

この発明は、かかる点に鑑みてなされたもので
あり、短時間で良好に溶融池計測を行うことがで
きる溶融池計測装置を提供することをその目的と
するものである。

［問題点を解決するための手段］ この発明は、溶融池に関する情報を、撮像手段
によつて得られた溶融池の画像信号から求める溶
融池計測装置において、 前記溶融池の画像信号を格納する二次元記憶手
段と、 この手段に対する画像信号の書き込み、読み出
しを制御する入出力制御手段と、 この手段によつて二次元記憶手段から撮像手段
の各走査線ごとに読み出された画像信号を微分す
ることにより、各走査線毎の高輝度分布範囲を求
める第１微分手段と、 この手段の微分結果のうち、所定の走査線にお
ける結果に基づいて、溶接電極に関する情報を
得、これから溶接開始の判断を行う電極検出手段
と、 前記第１微分手段による全走査線における微分
結果から開先線方向の溶融池中心を求め、これに
基づいて少なくとも２つの検出領域を設定する第
１領域設定手段と、 前記入出力制御手段によつて二次元記憶手段か
ら読み出された各検出領域に含まれる画素の画像
信号に対して、各検出領域毎に空間積分を行う積
分手段と、 この積分手段による積分結果の微分を行う第２
微分手段と、 前記積分結果又は前記第２微分手段による微分
結果を利用して、各検出領域毎に高輝度分布範囲
を求めるとともに、それらのうちの最大値を求め
る溶融池幅計測手段と、 高輝度分布範囲の最大値を有する検出領域の中
心を新たな溶融池中心として少なくとも２つの検
出領域を設定する第２領域設定手段とを具備した
ことを特徴とするものである。

［作用］ この発明によれば、まず、溶融池の画像信号が
各走査線毎に微分される。そして、所定の走査線
の高輝度分布範囲の大きさから、溶接電極に関す
る情報、例えば電極径の大きさが検出され、これ
によつて溶接が開始されたか否かの判断が行われ
る。溶接開始と判断されたときに、以下の処理が
行われる。

まず、全走査線における微分結果から溶融池中
心が求められ、更にかかる中心に対して少なくと
も２つの検出領域が設定される。

そして、これらの検出領域に含まれる画素の画
像信号に対して、各検出領域毎に空間積分が行わ
れ、検出領域毎に高輝度分布範囲が求められる。

ここで、積分処理を行つた際に、溶融池端に相
当するピークが検出されないことも考えられる
が、本発明ではこのような場合を考慮して、積分
結果を更に微分する構成をとつている。即ち、本
発明では、積分結果又は微分結果のいずれかを利
用して溶融池端が検出され、検出領域の高輝度分
布範囲が求められる。

求められた高輝度分布範囲のうち、最大のもの
が溶融池幅となる。

更に、以降の測定においては、高輝度分布範囲
の最大値を有する検出領域の中心を新たな溶融池
中心として検出領域が設定され、上記と同様の動
作が繰り返される。これにより、溶融池位置の変
動に対応して検出領域も変動させながら溶融池の
計測を行うことができる。

［実施例］ 以下、この発明の実施例を、添付図面を参照し
ながら詳細に説明する。

実施例の構成 第１図には、この発明かかる溶融池計測装置の
一実施例の全体構成が示されている。

これらの図において、溶接トーチ１０の開先方
向後側には、CCDカメラなどの二次元撮像装置
１２が配置されている。この撮像装置１２の光入
射側には、減光フイルタなどが必要に応じて設け
られるようになつている。この撮像装置１２は、
溶接トーチ１０直下の溶融池Ｐを撮像できるよう
にその配置が設定されている。

図示の例では、溶接母材Ｗの開先WGの一部
に、溶接ビードＢが形成されており、その先端に
溶融池Ｐがある。

また、撮像が行われる場合の照明光はアーク光
であり、格別の照明手段は設けられていない。

次に、上述した撮像装置１２の撮像出力である
画像信号は、溶融池測定装置１４に入力されるよ
うになつている。この溶融池測定装置１４には、
溶接制御装置１６が接続されている。この溶接制
御装置１６は、入力された溶融池形状に関する情
報を利用して、溶接トーチ１０における溶接条件
を制御するものである。

次に、上述した溶融池測定装置１４の作用ブロ
ツク構成について説明する。第２図には、かかる
作用ブロツクの一構成例が示されている。

この図において、撮像装置１２からの画像信号
は、制御部１８に入力されるようになつている。
この制御部１８は、メモリ２０と、演算処理部２
２に各々接続されている。この演算処理部２２
は、電極検出部２４、微分演算部２６（第１微分
手段と第２微分手段を兼ねる）、積分演算部２８、
領域設定部３０（第１領域設定手段と第２領域設
定手段を兼ねる）、距離検出部３２を各々有して
いる。

以上の各構成部分のうち、制御部１８は、入力
される画像信号をＡ／Ｄ変換してメモリ２０に格
納したり、メモリ２０から所定領域のデータを読
み出して出力する等の機能を有する。

次に、メモリ２０は二次元構成となつており、
座標値Ｘ、Ｙを指定することによつて、任意の画
素の輝度ないし光量の大きさを調べることができ
るようになつている。

次に、電極検出部２４は、撮像装置１２によつ
て溶融池Ｐとともに撮像された電極の径を検出
し、その結果に基いて溶接開始を判断するための
ものである。

次に、微分演算部２６は、入力されたデータに
対して微分の演算処理を行うもので、これによつ
て画像の輪郭の抽出が行われるようになつてい
る。

次に、積分演算部２８は、メモリ２０の所定領
域内に並んでいる画素の輝度を所定方向に合計す
ることにより、積分を行うものである。このよう
な画素に対する積分を行う理由は、画像の輪郭を
強調してノイズの影響を低減するためである。

また、領域設定部３０は、撮像装置１２の撮像
領域内に、所定の検出領域を設定するためのもの
である。

撮像装置１２は、溶接トーチ１０に対して所定
の位置関係にあり、撮像領域も一定であるが、溶
融池Ｐの位置は必ずしも一定ではなく、溶接中に
変動する。従つて、上述した検出領域の位置も対
応して変動させる必要がある。この実施例では、
後述するように、溶融池Ｐの中心を求め、これを
基準として検出領域を設定することとしている。

次に、距離検出部３２は、演算部２６，２８に
よつて演算された結果から、溶融池Ｐの輪郭間の
距離を求め、それらの値を各検出領域毎に比較す
ることによつて溶融池Ｐの形状を計測する機能を
有するものである。

かかる計測結果は、制御部１８を介して溶接制
御装置１６に出力され、溶接条件の変更などに利
用されるようになつている。

以上のように構成された装置の動作の概要を説
明すると、撮像装置１２によつて得られた二次元
画像は、溶融池測定装置１４に入力され、ここで
特定の領域について所定の画像処理が行われる。
この処理により、溶融池Ｐの形状、特にその幅の
検出が行われる。

この実施例では、アーク光を照明光として用い
るため、撮像装置１２の被写体である溶融池Ｐの
照度が一定せず、時々刻々変化する。このため、
画像信号の二値化による処理は行われず、積分、
微分などの処理が行われる。

次に、これらの処理によつて得られた溶融池Ｐ
の形状情報は、溶接制御装置１６に入力される。
溶接制御装置１６では、入力された情報に基い
て、溶接電流、アーク電圧、溶着量、溶接速度な
どの溶接制御が行われる。

実施例の作用 次に、上記実施例の全体的作用について、第３
図〜第７図を参照しながら詳細に説明する。な
お、第３図には動作の流れがフローチヤートとし
て示されている。

まず、撮像装置１２の視野内に溶融池Ｐが入る
ように、初期設定が行われ、続いて撮像装置１２
による撮像が行われる。

撮像装置１２によつて撮像された溶融池Ｐ付近
の画像信号は、制御部１８によつてＡ／Ｄ変換さ
れ、更にメモリ２０に格納される（第３図ステツ
プSA参照）。

第４図Ａには、かかる撮像された画像の一例が
示されており、画像領域内には、電極Ｄ、溶融池
Ｐの画像が各々存在する。

次に、電極検出部２４において、電極Ｄの径の
検出が行われ（ステツプSB参照）、その値が所定
値と比較される（ステツプSC参照）。

すなわち、第３図Ａの走査線SLA上の画素の
輝度データ（同図Ｂ参照）が、メモリ２０から読
み出されて微分演算部２６に入力され、ここで微
分される。

微分された輝度データ（同図Ｃ参照）は、電極
検出部２４に入力され、ピーク間の距離DLが電
極Ｄの径として検出される。この検出値は、あら
かじめ定められた所定値と比較され、所定値以上
となつたときに溶接が開始されたものと判断し
て、以降の処理が開始される。

なお、必要に応じて電極中心も求められ、電極
径とともに以後の処理に使用される。

次に、溶融池Ｐの中心が、領域設定部３０によ
つて求められる。なお、ここで求められる中心
は、撮像装置１２の走査方向と直交する方向、す
なわち第５図ＡのＸ方向の中心である。これは、
撮像領域のＸ方向に溶融池Ｐの画像が移動するこ
とによる。

最初に、第５図Ａに示す走査線SLB〜SLF上
に各々位置する画素の輝度データがメモリ２０か
ら読み出され、微分演算部２８によつて各走査線
毎に微分処理が行われる（ステツプSD参照）。第
５図Ｂには、走査線SLB上の画素の輝度データ
が示されており、同図Ｃには、その微分値が示さ
れている。これらの微分値のピークは、溶融池Ｐ
の端の位置を表わすものと考えられる。

次に、かかる微分値のピーク間の距離DPが、
距離検出部３２によつて各走査線毎に求められ、
更に、領域設定部３０において、かかる距離DP
の最大値が求められる（ステツプSE参照）。そし
て、距離DPが最大となつた走査線のＸ方向位置
が、溶融池Ｐの中心として設定されることとなる
（ステツプSF参照）。

次に、かかる溶融池Ｐの中心を基準位置とし
て、撮像領域に検出領域が設定される（ステツプ
SG参照）。すなわち、第６図Ａに示すように、求
められた中心の上下方向に所定の幅で検出領域
DA１，DA２が各々領域設定部３０により設定
される。

次に、各検出領域DA１，DA２に各々含まれ
る画素の輝度データがメモリ２０から読み出さ
れ、各検出領域DA１，DA２毎に空間積分され
る（ステツプSH参照）。

第７図には、かかる空間積分の一例が示されて
いる。積分は、画像領域の同一Ｙ座標のものを、
Ｘ方向に加算することによつて行われる。例え
ば、画素Ｑ１の積分値は、画素Q₁₁〜Q₁₅の輝度
を合計したものとなる。他の画素Ｑ２，Ｑ３，Ｑ
４……についても同様である。

以上のようなＸ方向の空間積分が、第６図Ａの
検出領域DA１，DA２の各々について行われ、
同図Ｂに示すような輝度の積分データが得られ
る。図中、実線は検出領域DA１の積分値であ
り、破線は検出領域DA２の積分値である。これ
によつて、Ｙ方向に対する画像の輪郭を強調で
き、光学ノイズのレベルを相対的に抑制すること
ができる。

次に、以上のような積分データから、距離検出
部３２により、各検出領域DA１，DA２毎に溶
融池Ｐの端に該当するピークが検出される（ステ
ツプSI参照）。第６図Ｂに示す例では、Ｐ１〜Ｐ
４が該当する。なお、これらを積分溶融池端とい
うことにする。

次に、上述した積分値に対して、各検出領域
DA１，DA２毎に微分演算部２６により微分の
演算が行われる（ステツプSJ参照）。この微分
は、例えば第７図Ｂに示すように、微分値を求め
る画素QDの左右二つ目に各々位置する画素QA、
QB間の絶対輝度差を求めることによつて行われ
る。

第６図Ｃには、以上のようにして求められた微
分値が示されており、実線は検出領域DA１の微
分値であり、破線は検出領域DA２の微分値であ
る。

次に、以上のようにして求められた微分値に対
して、各検出領域DA１，DA２毎に溶融池端の
検出が距離検出部３２によつて行われる（ステツ
プSK参照）。第６図Ｃに示す例では、Ｐ５〜Ｐ８
が該当する。以下、これらを微分溶融池端とい
う。

次に、以上のようにして求められた溶融他端デ
ータを用いて、溶融池幅の検出が距離検出部３２
によつて行われる（ステツプSL参照）。

すなわち、積分溶融池端が検出された場合には
それを用い、検出されない場合には微分溶融池端
を用いて、各検出領域DA１，DA２毎に溶融池
幅が検出される。そして、求められた検出領域
DA１，DA２の溶融池幅のうち、大きいほうを、
測定溶融池幅PWとする。

次に、以上のようにして求められた溶融池幅
PWが「０」か否かが制御部１８で判断され、
「０」の場合には溶接の終了と判断して、以後の
処理が終了される（ステツプSM参照）。

「０」でない場合には、求められた溶融池幅デ
ータが溶接制御装置１６に出力されるとともに
（ステツプSN参照）、領域設定部３０により、溶
融池幅の大きい検出領域、第６図の例では溶融池
幅PWが検出された検出領域DA１のＸ方向中心
が、次の測定の溶融池中心として設定される（ス
テツプSO参照）。

そして、再び、撮像装置１２によつて画像入力
が行われ（ステツプSP参照）、ステツプSG以後
の動作が繰り返されることとなる。

実施例の効果 以上説明したように、この実施例によれば、以
下のような効果がある。

(1) 撮像画像の所定領域のみを限定して処理する
こととしたので、処理の高速化、安定化を図る
ことができる。

(2) 開先部分の照明光として、溶接アークを利用
しているものの、積分および微分による信号処
理を行つているため、ノイズの影響が良好に低
減されて、精度良く溶融池幅を計測することが
できる。

他の実施例 なお、この発明は何ら上記実施例に限定される
ものではなく、例えば、上記実施例では、検出領
域の設定を、溶融池中心を利用して行つたが、そ
の他の位置を基準としてもよい。

また、検出領域を更に複数設けるようにしても
よい。

また、溶融池幅を検出する際に、積分値と微分
値の何れをどのように利用するかは任意であり、
必要に応じて利用すればよい。例えば、前述の検
出領域DA１では積分結果を用いて溶融池幅を計
測し、検出領域DA２では微分結果を用いて溶融
池幅を計測するようにして、両者の溶融池幅が極
端に異なる場合には誤検出として計測処理を中断
するようにすることもできる。また、場合によつ
ては、微分結果のみを利用して溶融池の計測を行
うようにしてもよい。

また、上述した信号処理は、専用の回路を構成
することによつてハード的に行うようにしたが、
コンピユータを利用してソフト的に行うようにし
てもよい。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明によれば、短時
間で良好に溶融池計測を行うことができるという
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例を示す構成図、
第２図は信号処理部分の回路ブロツクを示す説明
図、第３図は上記実施例の動作を示すフローチヤ
ート、第４図は上記実施例のおける溶接開始検出
の動作を示す説明図、第５図は上記実施例におけ
る最初の溶融池中心設定の動作を示す説明図、第
６図は上記実施例における溶融池幅計測の動作を
示す説明図、第７図は上記実施例における積分お
よび微分の演算動作を示す説明図である。 １０……溶接トーチ、１２……撮像装置、１４
……溶融池測定装置、１６……溶接制御装置、１
８……制御部、２０……メモリ、２４……電極検
出部、２６……微分演算部、２８……積分演算
部、３０……領域設定部、３２……距離検出部、
Ｐ……溶融池。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 溶融池に関する情報を、撮像手段によつて得
   られた溶融池の画像信号から求める溶融池計測装
   置において、 前記溶融池の画像信号を格納する二次元記憶手
   段と、 この手段に対する画像信号の書き込み、読み出
   しを制御する入出力制御手段と、 この手段によつて二次元記憶手段から撮像手段
   の各走査線ごとに読み出された画像信号を微分す
   ることにより、各走査線毎の高輝度分布範囲を求
   める第１微分手段と、 この手段の微分結果のうち、所定の走査線にお
   ける結果に基づいて、溶接電極に関する情報を
   得、これから溶接開始の判断を行う電極検出手段
   と、 前記第１微分手段による全走査線における微分
   結果から開先線方向の溶融池中心を求め、これに
   基づいて少なくとも２つの検出領域を設定する第
   １領域設定手段と、 前記入出力制御手段によつて二次元記憶手段か
   ら読み出された各検出領域に含まれる画素の画像
   信号に対して、各検出領域毎に空間積分を行う積
   分手段と、 この積分手段による積分結果の微分を行う第２
   微分手段と、 前記積分結果又は前記第２微分手段による微分
   結果を利用して、各検出領域毎に高輝度分布範囲
   を求めるとともに、それらのうちの最大値を求め
   る溶融池幅計測手段と、 高輝度分布範囲の最大値を有する検出領域の中
   心を新たな溶融池中心として少なくとも２つの検
   出領域を設定する第２領域設定手段とを具備した
   ことを特徴とする溶融池計測装置。