JP2000263266A

JP2000263266A - 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: JP2000263266A
Application number: JP11066328A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Sugiura; 寛幸杉浦; Masakazu Inomata; 雅一猪股; Mitsuaki Uesugi; 満昭上杉; Masanobu Takahashi; 雅伸高橋; Kenichi Iwasaki; 謙一岩崎
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1999-03-12
Filing date: 1999-03-12
Publication date: 2000-09-26
Anticipated expiration: 2019-03-12
Also published as: JP4491850B2

Abstract

(57)【要約】【課題】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。【解決手段】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。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。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
ブ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。

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（電子ピームまたはレーザ
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（請求項１）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（請求項２）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（請求項３）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（請求項４）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（請求項５）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（請求項６）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（請
求項７）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（請求
項８）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（請求項
８）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（請求項１１）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)〜Ａ
₁₀(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、ブラズマ光
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、本発明のうち請求
項１に係るものにおいては、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】請求項２に係る発明においては、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】請求項３に係る発明においては、請求項１
に係る発明と請求項２に係る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】請求項４に係る発明においては、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】請求項５に係る発明においては、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】請求項６に係る発明においては、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】請求項７に係る発明においては、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、請求項６
に係る発明と同等の効果が得られる。

【００６２】請求項８に係る発明においては、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】請求項９に係る発明においては、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】請求項１０に係る発明においては、請求項
１から請求項３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】請求項１１に係る発明においては、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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者上杉満昭東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (72)発明者高橋雅伸東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (72)発明者岩崎謙一東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内Ｆターム(参考） 2F065 AA02 AA15 AA17 AA19 BB05 BB08 CC00 CC15 DD12 FF42 GG21 HH12 JJ03 JJ08 JJ26 LL26 NN19 NN20 QQ04 QQ08 QQ14 QQ21 QQ29 4E068 BE00 BE01 BG01 CA09 CB02 CC02 DA14 DA15

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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。
【請求項２】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、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３】請求項２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。
【請求項４】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。
【請求項５】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。
【請求項６】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。
【請求項７】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。
【請求項８】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。
【請求項９】請求項８に記載のレーザ溶接機における
シーム位置検出装置であって、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
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。
【請求項１０】請求項８又は請求項９に記載のレーザ
溶接機におけるシーム位置検出装置であって、レーザ照
射点検出装置が、請求項１から請求項３のうちいずれか
１項に記載のものであ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。
【請求項１１】請求項５から請求項１０のうちいずれ
か１項に記載のレーザ溶接機におけるシーム位置検出装
置であって、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
特徴とするレーザ溶接機におけるシーム位置検出装置。