手溶接作業分析装置および手溶接作業分析装置に適用する手溶接トーチ一体型監視カメラ
【課題】ＴＩＧ手溶接作業の挙動を画像化し、画像から抽出した特徴量を基に溶接技能を評価する手溶接作業分析装置および手溶接作業分析装置に適用する手溶接トーチ一体型監視カメラを提供する。
【解決手段】本発明に係る手溶接作業分析装置は、手溶接作業対象周辺に設置した監視カメラで撮影した溶接施工中の溶融池周辺の画像情報を分析、処理する手溶接作業分析装置において、手溶接トーチ３に監視カメラ２を一体接続する手溶接機一体型撮像装置１と、この撮像装置からの画像のデジタル信号を処理、収録する画像データ収録装置８と、収録された画像をデータとして情報処理するデータ処理装置９と、処理した情報をディスプレイするディスプレイ装置１０とを備えた。
【解決手段】本発明に係る手溶接作業分析装置は、手溶接作業対象周辺に設置した監視カメラで撮影した溶接施工中の溶融池周辺の画像情報を分析、処理する手溶接作業分析装置において、手溶接トーチ３に監視カメラ２を一体接続する手溶接機一体型撮像装置１と、この撮像装置からの画像のデジタル信号を処理、収録する画像データ収録装置８と、収録された画像をデータとして情報処理するデータ処理装置９と、処理した情報をディスプレイするディスプレイ装置１０とを備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、手溶接作業分析装置および手溶接作業分析装置に適用する手溶接トーチ一体型監視カメラの改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近の溶接技術分野、例えばＴＩＧ溶接分野では、溶接施工の自動化が進む一方で、自動化の困難な部分に対して依然として熟練溶接士の技能、能力に依存することが高く、熟練技能の継承が問題になっている。
【０００３】
また、溶接施工の自動化に伴って知識情報が高度化、複雑化する中において、経験の浅い溶接士あるいは熟練溶接士にとっても、溶接施工中の種々の挙動を画像処理し、画像処理した知識情報をフィードバックし、練度を高める溶接士支援システムの構築が必要とされている。
【０００４】
このような情況の中にあって、例えば、従来のＴＩＧによる手溶接作業分析装置では、溶接士の作業時間を測定し、時間を管理して技能習得を図るべき作業ポイントを明確化し、溶接作業の効率化を測るものが大半であった。
【０００５】
そして、溶接作業の効率化向上のために、溶接部分をカメラで撮像し、この知識情報を基にして溶接線倣いや溶接条件を制御する技術を溶接士にフィードバックさせる特許文献１が提案されている。
【０００６】
また、溶接部分の映像信号に基づき溶接池の状態を把握し、溶接に必要な操作情報を与えてモニター画面に表示する特許文献２が提案されている。
【０００７】
また、溶接部分の状況を検出し、溶接軌跡、溶接条件を修正し、良質の溶接部分が施工できる視覚センサー内蔵型溶接トーチを実現した特許文献３が提案されている。
【特許文献１】特許第３３２２５４９号公報
【特許文献２】特開２００２−２０５１６６号公報
【特許文献３】特開２００３−１６４９７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
溶接技術に係る溶接機の施工中の挙動は、溶接機の自動化の開発とともにその分析が進んでいるものの、手溶接の施工を行う場合の熟練溶接士の挙動分析は殆ど進んでいない。より一層の溶接施工の自動化推進と相俟って、溶接技術に係る熟練技術の継承を側面から支援するには、これまでよりもより一層高い分解能で熟練溶接士の挙動を分析し、高度化、複雑化した溶接技術を、熟練溶接士自身へのフィードバックも含めて経験の浅い溶接士でも容易に理解、習得ができるような支援システムの構築が必要とされている。
【０００９】
一般に、熟練溶接士の溶接施工中の挙動分析においては、磁気や超音波等の媒体を用いて身体表面に予め装着されたセンサの３次元的な位置を同時に検出する方法などが知られている。
【００１０】
しかし、このような媒体を用いても、手先の器用さを売り物とする熟練溶接士の技能分析を行うことは難しい。
【００１１】
また、上述開示された特許文献は、溶接作業のモニタリングにおいて、溶接機を自動制御用途に特化した特徴抽出に適した構成を示したものであり、手溶接において、熟練溶接士の溶接機操作により制御される量、具体的には、ＴＩＧ手溶接における溶加棒の送給量の分析は究明されていない。
【００１２】
また、上述開示された特許文献は、例えばＭＡＧ溶接の場合、ワイヤの送給量をワイヤ自動送給機構の駆動部でモニタリングしていても、溶接施工中のワイヤ突き出し量の変化に対応した送給量の時間変動を測定していない。
【００１３】
また、溶加棒は、一般に、表面が一様に光沢しているため、画像処理しても、その画像から溶加棒の送給量を識別することが難しい。
【００１４】
また、自動溶接機の場合、ワイヤ送給機構を備えているので、その送給駆動装置の送り量をモニタリングすれば、溶融池への溶加棒の送給量を測定できるようになっているが、手溶接では、通常、右手に持ったトーチを運棒しつつ、左手に持った溶加棒を送り出す動作を行うため、手元に溶加棒の送給量測定機構を設けることが難しい。
【００１５】
このような事情から、熟練溶接士の溶接技能を経験の浅い溶接士に承継させるにあたり、熟練溶接士の挙動、溶加棒の送給量等の手溶接に係る知識情報を画像化し、画像化した溶接技術をデジタル的に分析して可視化しておくことが必要とされていた。
【００１６】
本発明は、このような事情に照らしてなされたもので、例えば、ＴＩＧ手溶接作業に際し、熟練溶接士の溶加棒送給挙動等を映像、可視化し、熟練インストラクタや経験の浅い溶接士が当該熟練溶接士のコツあるいは技能等に基づく施工挙動を容易に把握できるようにするとともに、可視化した映像から溶加棒の送給速度や送給量の時間的推移、溶加棒の送給挙動やトーチ運棒の挙動に伴って変化する溶融池の形状、大きさ等の変化を定量的に分析、評価可能な手溶接作業分析装置および手溶接作業分析装置に適用する手溶接トーチ一体型監視カメラを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明に係る手溶接作業分析装置は、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、手溶接作業対象周辺に設置した監視カメラで撮影した溶接施工中の溶融池周辺の画像情報を分析、処理する手溶接作業分析装置において、手溶接トーチに監視カメラを一体接続させる手溶接機一体型撮像装置と、この撮像装置からの画像のデジタル信号を処理、収録する画像データ収録装置と、収録された画像をデータとして情報処理するデータ処理装置と、処理した情報をディスプレイするディスプレイ装置とを備えたものである。
【００１８】
また、本発明に係る手溶接作業分析装置は、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、監視カメラは、溶接アーク光のピーク波長から離れた帯域に通過域を有する光学フィルタを備えたものである。
【００１９】
また、本発明に係る手溶接作業分析装置は、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、手溶接機一体型撮像装置は、監視カメラで撮像された画像を基に溶接中の手溶接トーチの挙動を分析する際、画像中の溶接母材の開先端におけるアーク光の反射強度のコントラストの変化から開先端輪郭線位置を検出するとともに、画像から検出される手溶接トーチの先端位置とで手溶接トーチねらい位置を換算し、前記手溶接トーチのトーチ運棒の分析データを取得する構成にしたものである。
【００２０】
また、本発明に係る手溶接作業分析装置は、上述の目的を達成するために、請求項４に記載したように、手溶接機一体撮像装置は、監視カメラで撮像された画像を基にＴＩＧ溶接分析を行う際、溶加棒に一定間隔で印を付すとともに、印を付した溶加棒の溶融池への挿入位置、手溶接トーチの電極先端と溶融池との距離、溶加棒の送給量のデータを取得する構成にしたものである。
【００２１】
また、本発明に係る手溶接作業分析装置は、上述の目的を達成するために、請求項５に記載したように、溶加棒に一定間隔で付した印は、その周方向に沿って細く削ったくびれ線であることを特徴とする。
【００２２】
また、本発明に係る手溶接作業分析装置は、上述の目的を達成するために、請求項６に記載したように、手溶接一体撮像装置は、監視カメラで撮像された画像を基にＴＩＧ溶接分析を行う際、溶融池表面におけるアーク光の反射と開先表面での反射の相違から溶融池の輪郭形状を取得する構成にしたものである。
【００２３】
また、本発明に係る手溶接作業分析装置に適用する手溶接トーチ一体型監視カメラは、上述の目的を達成するために、請求項７に記載したように、手溶接作業対象周辺に設置した監視カメラで撮影した溶接施工中の溶融池周辺の画像情報を分析、処理する手溶接作業分析装置において、手溶接トーチに監視カメラを一体接続させる手溶接機一体型撮像装置と、この撮像装置からの画像のデジタル信号を処理、収録する画像データ収録装置と、収録された画像をデータとして情報処理するデータ処理装置と、処理した情報をディスプレイするディスプレイ装置とを備える一方、前記手溶接機一体撮像装置は、前記監視カメラを前記手溶接トーチに対して移動せる軸方向位置調整スライド部と、カメラ仰角を調整するカメラ仰角調整スライド部とを備えたものである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係る手溶接作業分析装置および手溶接作業分析装置に適用する手溶接トーチ一体型監視カメラは、手溶接の施工作業中の溶接士の手元の挙動を撮像し、撮像した画像からその挙動をデータ化したので、このデータ情報を基に複数の熟練溶接士の間での個人差の定量化、経験の浅い溶接士との動きの相違、特定の個人が溶接技能を修得する過程における挙動の変化等のこれまでに充分な分析、評価が行なわれてこなかった溶接を対象とした技能の分析、考察を容易に実現することができる。
【００２５】
特に、手溶接における溶加棒の送給量の自動評価等、これまでの評価が難しいとされていた特徴量の抽出、分析評価ができるため、従来、人手によって多くの補正処理が必要となっていた処理手続きが自動化され、多種、多様な条件での分析経験の実施や多数の溶接士による作業の分析、比較が大幅に効率化される。
【００２６】
また、手溶接の技能をデータとして情報化することにより、従来よりも詳細に技能の本質に迫る分析評価が可能になるため、これまでとは異なるアプローチによる、より高度な自動溶接技術の開発に寄与することができ、さらに高齢化と人手不足が懸念される溶接分野における効率的な訓練プログラムの策定やデータ利用により、溶接装置の適用範囲のより一層の拡大を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明に係る手溶接作業分析装置および手溶接作業分析装置に適用する手溶接トーチ一体型監視カメラの実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【００２８】
図１は、本発明に係る手溶接作業分析装置の実施形態を示す概念図である。
【００２９】
本実施形態に係る手溶接作業分析装置は、例えば、ＣＣＤカメラ（ＣＣＤ：charge coupled device）２を手溶接トーチ３に一体として接続する手溶接機一体型撮像装置１を右手で把持し、溶加棒４を左手で把持する溶接士５の、その手溶接トーチ一体型撮像装置１の手溶接トーチ３に電流を制御しながら与える電源装置６と、この電源装置６から与えられた電流を基に手溶接トーチ３からのアーク熱で溶加棒４を溶融し、溶接母材７に溶接施工する際、ＣＣＤカメラ２で溶接トーチ３、溶加棒４、あるいは溶融池等の変化を撮像し、撮像した画像を１フレーム毎に連続画像化したデジタル信号を処理、収録する画像データ収録装置８と、収録された画像をデータとして情報処理するデータ処理装置９と、処理した情報をディスプレイするディスプレイ装置１０とを備えて構成されている。
【００３０】
手溶接機一体型撮像装置１は、図２に示すように、手溶接トーチ３に一体として接続させるＣＣＤカメラ２を手溶接トーチ３の電極１１に向う軸方向に移動させる軸方向位置調整スライド部１２と、この軸方向位置調整スライド部１２に交差し、電極１１および溶接施工中に生成される溶融池が画角内に入るようにＣＣＤカメラ２の仰角を自在に調整できるカメラ仰角調整スライド部１３と、軸方向移動後のカメラ仰角調整スライド部１３をセットする軸方向位置固定ねじ部１４と、ＣＣＤカメラ２の仰角調整後の位置をセットするカメラ仰角位置固定ねじ部１５と、ＣＣＤカメラ２をカメラ仰角調整スライド部１３にセットさせるカメラ位置固定部１９と、ＣＣＤカメラ２で撮像した画像をデジタル信号に変換して画像データ収録装置に送るケーブル１６とを備えている。
【００３１】
そして、電極１１等を撮像するとき、ＣＣＤカメラ２は、その軸線の延長線が手溶接トーチ３の電極１１から５ｍｍ〜２０ｍｍの範囲内の交わる位置にセットされる。
【００３２】
また、ＣＣＤカメラ２は、像を良好に結像させるカメラレンズ１７を備えるとともに、このカメラレンズ１７にＣＣＤ面に入射する光の強弱、周波数帯域の制限を行う光学フィルタ１８を備えている。
【００３３】
この光学フィルタ１８は、分析の対象となる特徴量によって必要に応じた減弱率、波長帯域を選択してＣＣＤカメラ２に設けられている。
【００３４】
また、この光学フィルタ１８は、例えば、溶接アーク光のピーク波長から離れた帯域、具体的には８５０ｎｍ以上の波長帯域、あるいは１０６４ｎｍで半値幅が１０ｎｍ程度の狭い帯域に通過域を持つ場合にも適用される。
【００３５】
また、この光学フィルタ１８は、部分的に異なる透過率分布を持つ波長依存性のない減光フィルタと、透過波長を赤外領域で、かつ溶接光のピーク波長から離れた帯域に設定した狭帯域フィルタとを組み合わせることによってより鮮明な像が撮像される。
【００３６】
なお、ケーブル１６は、明示的に図示したが、実際においては、溶接士５のトーチ運棒の動きや施工状態を監視する視界を妨げない位置に、手溶接トーチ３に配線される。
【００３７】
また、ＣＣＤカメラ２は、手溶接トーチ３から見て手溶接の進行方向となる方向に設置され、溶加棒４の挿入位置、溶融池の先行距離、電極１１、溶接部の開先線等がカメラ視野内に入る位置にセットされる。
【００３８】
このような位置にセットされたＣＣＤカメラ２によって撮像された溶接施工状態の画像の一例を図３に示す。
【００３９】
図３は、一例として、ＴＩＧ手溶接による初層の開先キャップ溶接の画像を示すものであり、溶融池２０とその周辺位置にある電極１１、電極先端部１１ａ、アーク光２１、溶融池２０に挿入されている溶加棒４の輪郭４ａなどが映し出されている。
【００４０】
また、アーク光２１の開先面に対する反射によって、溶融池２０の両側に位置する開先エッジ線２２が目視確認されている。
【００４１】
このような画像を基に、溶接士５の手溶接施工作業の分析、特徴抽出の処理が行われる。
【００４２】
図４は、図１で示したデータ処理装置９内で処理された情報の一つとして、手溶接トーチ３のウィービングと称する運棒挙動の抽出、つまり溶接母材７の開先中心線から見た手溶接トーチ先端位置の動きを抽出処理するアルゴリズムである。
【００４３】
本実施形態に係るアルゴリズムは、画像抽出工程（ステップ１）、直線エッジ成分検出工程（ステップ２）、開先エッジ線分交点座標算出工程（ステップ３）、開先中心線算出工程（ステップ４）、開先中心線と電極先端の画像上距離算出工程（ステップ５）、画像から実寸値を換算する実寸値換算工程（ステップ６）および手溶接トーチ運棒挙動評価工程（ステップ７）を備えた構成になっている。
【００４４】
まず、本実施形態では、画像抽出工程（ステップ１）で、上述データ処理装置９内で連続的に収録されている溶融池２０における周辺画像の１フレーム分を対象として画像抽出が行われる。
【００４５】
溶融池２０の周辺の画像抽出が行われると、直線エッジ成分検出工程（ステップ２）では、予めＣＣＤカメラ２の手溶接トーチ３への設置位置の固定に対し、ＣＣＤカメラ２の視野内に得られる手溶接トーチ電極先端座標（ｘ０，ｙ０）と、ＣＣＤカメラ２の視野の中点（ｘｃ，ｙｃ）（ＣＣＤカメラ方位の事前設定から、ＣＣＤカメラ光軸線と手溶接トーチ中心軸の延長線の交点にほぼ相当）を結ぶ直線に対する垂線Ｉｖを設定し、設定した垂線Ｉｖ上のラインプロファイル（輝度分布）を求める。
【００４６】
一方、ＣＣＤカメラ視野中点から視野の外周に至る直線は、アーク光２１、溶融池２０、開先加工面（アーク光の反射光）、溶接母材７の表面を順次通ると考えられる。すなわち、「明（光源）」、「暗」、「明」、「暗」の順にプロファイルを有すると予想される。
【００４７】
このとき、開先面から溶接母材７の表面に移行する境界に相当する開先端において、輝度が急激に低減する。
【００４８】
輝度のこのような急激な低減に対し、開先エッジ線分交点座標算出工程（ステップ４３）では、以下に示す分析、処理が行われる。
【００４９】
まず、輝度が低減したときの座標と、輝度勾配が負で、かつ勾配の絶対値が最大となる座標点（ｘＬ，ｙＬ），（ｘＲ，ｙＲ）から求める。
【００５０】
このような処理を、上述の垂線Ｉｖに平行な直線に対しても輝度変化の座標を求め、求めた座標を手溶接トーチ３の電極１１の左右それぞれの視野内において直線で結び、開先端エッジに相当する２本の線分を検出する。
【００５１】
次に、ＣＣＤカメラ視野のＸ，Ｙ座標を基に、検出した２本の線分の交点（ＣＣＤカメラ視野における無限遠点）を求める。さらに、開先中心線算出工程（ステップ４４）では、開先の中心線は無限遠点を通ることから、この無限遠点と垂線Ｉｖ上の開先端に中点｛（ｘＬ＋ｘＲ）／２，（ｙＬ＋ｙＲ）／２｝｝に相当する点を結ぶ直線を検出する。検出した直線は、画像上の溶接線（開先の中心線）と見做して扱う。
【００５２】
開先中心線と電極先端との画像上距離算出工程（ステップ４５）では、検出された中心線と電極先端との距離Ｄを算出する。
【数１】
【００５３】
このようにして距離Ｄが求められると、画像からの実寸値換算工程（ステップ４６）では、画像から実寸値への換算が行われる。すなわち、画像上で得られた寸法が既知の物体のピクセル数、例えば電極の太さを基準として実寸値への換算係数Ｆを算出し、この換算係数Ｆを中心線と電極先端の距離Ｄに乗じることにより、実寸値Ｍを次式から求める。
【００５４】
［数２］
Ｍ＝Ｆ×Ｄ
上述に示した各工程による一連の連続した処理を各フレーム毎に算出し、撮像された時間、例えば一定の時間間隔Δｔに対応する時系列データを得る。この時系列データを基に、横軸に時間を採り、縦軸に実寸値Ｍを採ってプロットし、手溶接トーチ運棒の動きの周期や振幅を、手溶接トーチ運棒挙動評価工程（ステップ４７）で評価する。
【００５５】
このように、本実施形態は、手溶接機一体型撮像装置でトーチ運棒を撮像し、撮像した手溶接トーチ運棒の画像を基にして分析し、処理してトーチ運棒を評価する構成にしたので、溶接士自身の挙動の確認の下、溶接技術のさらなる飛躍のためのデータ情報とすることができ、経験の浅い溶接士の教育資料として溶接技術の継承に寄与することができる。
【００５６】
なお、手作業トーチ運棒を評価するにあたり、手溶接トーチ運棒の特徴抽出、換算処理を簡便、かつ高速に行うには、撮影条件を考慮し、幾つかの仮定を採り入れることがある。この仮定として、「ＣＣＤカメラが開先中心線軸上近傍にあり、大幅な偏位による左右開先線の実寸換算において、同じ換算係数を用いる」とする要件を採り入れてもよい。
【００５７】
また、より局所的な換算係数の取得により、ＣＣＤカメラ位置の傾きによる補正を考慮し、溶接速度の計測を含む高い精度の分析評価を行うには、母材開先面に一定（既知）の間隔で直線や点などの印を設け、その印の間隔や画像上での大きさ（ピクセル数）から実寸法に換算してもよい。
【００５８】
図５は、ＴＩＧ手溶接における溶加棒送給量の分析処理を行うフロー図である。
【００５９】
溶加棒４は、予め一定間隔で送給量の評価を行うため、マーキングが付される。このマーキングには、例えば、溶加棒の周方向に沿って細く削ったくびれ線が用いられる。くびれ線をマーキングとして用いると、溶加棒罫書刻印位置座標検出工程（ステップ１）では、溶加棒４のくびれ線の角部で、アーク光２１の反射率が局所的に変化するので、輝度の高い溶加棒４が撮像、検出される。
【００６０】
このようなマーキングを付した溶加棒４を用いて溶接施工したときの画像が図６に示される。この図６中、電極先端（手溶接トーチ先端）、溶加棒軸方向線Ｐが上述のマーキングを用いることによって可視化されている。
【００６１】
また、図６中、溶加棒先端位置の検出は、溶加棒が溶融池に挿入されている状態かどうかの判断が行われる。すなわち、溶加棒が挿入されていない状態においては、開先端での溶融池の形状輪郭の一方の開先側面の延長がなだらかな曲線を描き、反対側の開先側面の輪郭につながるか、あるいはアーク光が重畳することで輝度が高く、しかも境界が不鮮明な輪郭となる。尤も、開先がギャップを有する場合、溶融池の形状輪郭は、開先端における溶融池の形状輪郭線の一部が鋭敏な形状になり、輪郭の輝度が低く、しかも境界が不鮮明になる性質がある。
【００６２】
他方、溶加棒が挿入されていない状態になると、溶融池の形状輪郭は変化し、溶加棒挿入部分の溶融池輪郭が溶加棒の渕に接触し、開先端における溶融池の形状輪郭が挿入部近傍で緩やかでなくなる。このため、溶融池と溶加棒の接触部分で局所的に溶融池が盛り上がり、輪郭の鮮明度が高まり、しかも輪郭線の輝度が高くなる。
【００６３】
このような事象を利用して、溶加棒先端位置座標検出工程（ステップ２）では、溶融池への溶加棒の挿入の成否の判定と溶加棒先端位置検出が行われる。
【００６４】
また、ラインプロファイル（輝度分布）処理工程（ステップ３）では、電極先端位置を含む溶加棒軸方向線Ｐのラインプロファイル（輝度分布）が図６に示す画像から求められる。
【００６５】
また、図６に見られる溶融池周辺の画像では、溶加棒表面に３箇所の罫書刻印Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３からの反射光による輝度の高い領域が認められる。図６に示した溶加棒軸方向線Ｐに沿って手溶接トーチ先端部から罫書刻印Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３の位置までの輝度分布を求めたのが図７である。そして溶加棒の送給に伴い、時間経過とともに溶加棒が消費され、罫書刻印Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３は、画像の最も遠い場所に出現し、溶融池に向って順次移動し、最後に溶加棒先端位置と重なって溶融池内に消滅する。
【００６６】
このとき、個々の画像に対し、得られた溶加棒先端位置座標と罫書刻印Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３の位置座標との間の距離Ｄｗを求め、上述の手溶接トーチ運棒と同様に、時系列データを得る。得られた時系列データは図８に示される。
【００６７】
図８では、プロットしたデータに鋸歯状の最遠罫所刻印検出位置急変部分が現れるが、これは、手溶接の進行に伴い溶加棒が消費されるとともに、罫書きの相対位置が変化し、映像視野の端から順次新しい罫書き刻印が出現するためである。
【００６８】
溶加棒の送給量を評価するには、鋸歯状プロットを実際の溶加棒送給状況に対応した直線状のプロットに変換した上で溶加棒の長さあるいはその直径を考慮し、溶加棒送給体積量に変換する処理が必要とされる。
【００６９】
このため、送給量積算処理工程（ステップ４）では、上述の鋸歯状プロットにおいて、得られた距離Ｄｗの隣りの画像の変化量を求め、この大きさが画像上で溶加棒に付した罫書刻印Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３の間隔に相当するピクセル量Ｉを求めるとともに、距離Ｄｗからピクセル量Ｉを差し引いた値を積算距離Ｄｗｃとして算出する。
【００７０】
検出される罫書刻印が変わる度にピクセル量Ｉを差し引く回数は、順次増えていくため、最終的に積算距離Ｄｗｃは負の値となるが、解析対象となる全ての画像フレームの処理が終了した時点で再スタートを原点に採り、傾きを正負逆に変換して再び処理する。
【００７１】
送給量積算処理工程（ステップ４）で得られた処理結果は、図９に示される。
【００７２】
送給量積算処理工程（ステップ４）の終了後、消費された溶加棒の実寸への換算が実寸換算処理工程（ステップ５４）で行われる。
【００７３】
溶加棒の送給速度の評価は、罫書変位フィッティング工程（ステップ６）で、上述の溶加棒の実寸への換算データを対象にして全体または部分の領域に分割し、直線フィッティングによる近似計算から傾きを求め、最終的に、溶加棒送給量、速度評価工程（ステップ７）で溶加棒の送給量および送給速度の評価を行う。
【００７４】
このように、本実施形態は、手溶接機一体型撮像装置で溶加棒のラインプロファイル（輝度分布）を撮像し、撮像した溶加棒のラインプロファイルの画像を基に分析し、処理して溶加棒の送給量、速度を評価する構成にしたので、溶接上自身の挙動の確認の下、溶接技術のさらなる飛躍のためのデータ情報とすることができ、経験の浅い溶接士の教育資料として溶接技術の継承に寄与することができる。
【００７５】
図１０は、溶融池形状の分析処理を行うフロー図である。
【００７６】
本実施形態に係る溶融池形状を分析処理するアルゴリズムは、溶融池側面輪郭検出工程（ステップ１）、重畳箇所輪郭推定工程（ステップ２）、溶融池面積評価工程（ステップ３）、実寸換算工程（ステップ４）を備えて構成されている。
【００７７】
まず、溶融池側面輪郭検出工程（ステップ１）では、溶融池表面のアーク光反射率が低く、開先面での反射率が高いため、電極先端位置を中心として３６０°全周方向のラインプロファイル（輝度分布）を求め、電極先端からの輝度変化をトレースした後、得られる座標点の集合に楕円形状の当て嵌めを行い、溶融池の大まかな輪郭の検出が行われる。
【００７８】
また、溶融池側面輪郭検出工程（ステップ１）では、予め求めておいた溶加棒の送給位置、電極の位置を基にして溶融池が開先面と接する側面部の輪郭を検出する。
【００７９】
電極先端位置から開先面までの線分上でのラインプロファイルは、アーク光、溶融池表面、ビード表面、開先側面に沿って「明」、「暗」、「明」、「明」の順になり、溶融池の輪郭は、「暗」、「明」へのラインプロファイル変化を閾値処理して検出する。
【００８０】
検出された輪郭座標点を基に、楕円近似を行うとともに（重畳箇所輪郭検出工程、ステップ２）、楕円の面積を溶融池面積評価工程（ステップ３）で求める。
【００８１】
溶融池面積評価工程（ステップ３）で楕円の面積が求められると、求められた楕円の面積を基にして実寸換算工程（ステップ４）で画像上の溶融池面積を実寸に換算する。実寸への換算後、電極や溶加棒に隠れた箇所の情報を利用することなく溶融池面積の評価が得られる。
【００８２】
このように、本実施形態は、手溶接機一体型撮像装置で溶融池のラインプロファイルを撮像し、撮像した溶融池のラインプロファイルの画像を基に溶融池の形状を分析、処理する構成にしたので、溶接士自身の挙動の確認の下、溶接技術のさらなる飛躍のためのデータ情報とすることができ、経験の浅い溶接士の教育資料として溶接技術の継承に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明に係る手溶接作業分析装置の実施形態を示す概念図。
【図２】本発明に係る手溶接作業分析装置に適用する手溶接一体型撮像装置を示す概念図。
【図３】本発明に係る手溶接作業分析装置に適用する手溶接一体型撮像装置で撮像された溶融池周辺を示す画像図。
【図４】本発明に係る手溶接作業分析装置における手溶接トーチ運棒の分析処理を示すフロー図。
【図５】本発明に係る手溶接作業分析装置における溶加棒の送給量分析処理を示すフロー図。
【図６】本発明に係る手溶接作業分析装置における手溶接トーチ先端部分および溶加棒のラインプロファイルを示す画像図。
【図７】本発明に係る手溶接作業分析装置における画像化された溶加棒のピクセル輝度を示す線図。
【図８】本発明に係る手溶接作業分析装置における溶加棒先端、罫書刻印間距離の実寸換算後を示す線図。
【図９】本発明に係る手溶接作業分析装置における溶加棒積算送給量を示す線図。
【図１０】本発明に係る手溶接作業分析装置における溶融池の形状の分析処理を示すフロー図。
【符号の説明】
【００８４】
１ 手溶接機一体型撮像装置
２ ＣＣＤカメラ
３ 手溶接トーチ
４ 溶加棒
４ａ 輪郭
５ 溶接士
６ 電源装置
７ 溶接母材
８ 画像データ収録装置
９ データ処理装置
１０ ディスプレイ装置
１１ 電極
１１ａ 電極先端部
１２ 軸方向位置調整スライド部
１３ カメラ仰角調整スライド部
１４ 軸方向位置固定ねじ部
１５ カメラ仰角位置固定ねじ部
１６ ケーブル
１７ カメラレンズ
１８ 光学フィルタ
１９ カメラ位置固定部
２０ 溶融池
２１ アーク光
２２ 開先エッジ線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、手溶接作業分析装置および手溶接作業分析装置に適用する手溶接トーチ一体型監視カメラの改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近の溶接技術分野、例えばＴＩＧ溶接分野では、溶接施工の自動化が進む一方で、自動化の困難な部分に対して依然として熟練溶接士の技能、能力に依存することが高く、熟練技能の継承が問題になっている。
【０００３】
また、溶接施工の自動化に伴って知識情報が高度化、複雑化する中において、経験の浅い溶接士あるいは熟練溶接士にとっても、溶接施工中の種々の挙動を画像処理し、画像処理した知識情報をフィードバックし、練度を高める溶接士支援システムの構築が必要とされている。
【０００４】
このような情況の中にあって、例えば、従来のＴＩＧによる手溶接作業分析装置では、溶接士の作業時間を測定し、時間を管理して技能習得を図るべき作業ポイントを明確化し、溶接作業の効率化を測るものが大半であった。
【０００５】
そして、溶接作業の効率化向上のために、溶接部分をカメラで撮像し、この知識情報を基にして溶接線倣いや溶接条件を制御する技術を溶接士にフィードバックさせる特許文献１が提案されている。
【０００６】
また、溶接部分の映像信号に基づき溶接池の状態を把握し、溶接に必要な操作情報を与えてモニター画面に表示する特許文献２が提案されている。
【０００７】
また、溶接部分の状況を検出し、溶接軌跡、溶接条件を修正し、良質の溶接部分が施工できる視覚センサー内蔵型溶接トーチを実現した特許文献３が提案されている。
【特許文献１】特許第３３２２５４９号公報
【特許文献２】特開２００２−２０５１６６号公報
【特許文献３】特開２００３−１６４９７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
溶接技術に係る溶接機の施工中の挙動は、溶接機の自動化の開発とともにその分析が進んでいるものの、手溶接の施工を行う場合の熟練溶接士の挙動分析は殆ど進んでいない。より一層の溶接施工の自動化推進と相俟って、溶接技術に係る熟練技術の継承を側面から支援するには、これまでよりもより一層高い分解能で熟練溶接士の挙動を分析し、高度化、複雑化した溶接技術を、熟練溶接士自身へのフィードバックも含めて経験の浅い溶接士でも容易に理解、習得ができるような支援システムの構築が必要とされている。
【０００９】
一般に、熟練溶接士の溶接施工中の挙動分析においては、磁気や超音波等の媒体を用いて身体表面に予め装着されたセンサの３次元的な位置を同時に検出する方法などが知られている。
【００１０】
しかし、このような媒体を用いても、手先の器用さを売り物とする熟練溶接士の技能分析を行うことは難しい。
【００１１】
また、上述開示された特許文献は、溶接作業のモニタリングにおいて、溶接機を自動制御用途に特化した特徴抽出に適した構成を示したものであり、手溶接において、熟練溶接士の溶接機操作により制御される量、具体的には、ＴＩＧ手溶接における溶加棒の送給量の分析は究明されていない。
【００１２】
また、上述開示された特許文献は、例えばＭＡＧ溶接の場合、ワイヤの送給量をワイヤ自動送給機構の駆動部でモニタリングしていても、溶接施工中のワイヤ突き出し量の変化に対応した送給量の時間変動を測定していない。
【００１３】
また、溶加棒は、一般に、表面が一様に光沢しているため、画像処理しても、その画像から溶加棒の送給量を識別することが難しい。
【００１４】
また、自動溶接機の場合、ワイヤ送給機構を備えているので、その送給駆動装置の送り量をモニタリングすれば、溶融池への溶加棒の送給量を測定できるようになっているが、手溶接では、通常、右手に持ったトーチを運棒しつつ、左手に持った溶加棒を送り出す動作を行うため、手元に溶加棒の送給量測定機構を設けることが難しい。
【００１５】
このような事情から、熟練溶接士の溶接技能を経験の浅い溶接士に承継させるにあたり、熟練溶接士の挙動、溶加棒の送給量等の手溶接に係る知識情報を画像化し、画像化した溶接技術をデジタル的に分析して可視化しておくことが必要とされていた。
【００１６】
本発明は、このような事情に照らしてなされたもので、例えば、ＴＩＧ手溶接作業に際し、熟練溶接士の溶加棒送給挙動等を映像、可視化し、熟練インストラクタや経験の浅い溶接士が当該熟練溶接士のコツあるいは技能等に基づく施工挙動を容易に把握できるようにするとともに、可視化した映像から溶加棒の送給速度や送給量の時間的推移、溶加棒の送給挙動やトーチ運棒の挙動に伴って変化する溶融池の形状、大きさ等の変化を定量的に分析、評価可能な手溶接作業分析装置および手溶接作業分析装置に適用する手溶接トーチ一体型監視カメラを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明に係る手溶接作業分析装置は、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、手溶接作業対象周辺に設置した監視カメラで撮影した溶接施工中の溶融池周辺の画像情報を分析、処理する手溶接作業分析装置において、手溶接トーチに監視カメラを一体接続させる手溶接機一体型撮像装置と、この撮像装置からの画像のデジタル信号を処理、収録する画像データ収録装置と、収録された画像をデータとして情報処理するデータ処理装置と、処理した情報をディスプレイするディスプレイ装置とを備えたものである。
【００１８】
また、本発明に係る手溶接作業分析装置は、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、監視カメラは、溶接アーク光のピーク波長から離れた帯域に通過域を有する光学フィルタを備えたものである。
【００１９】
また、本発明に係る手溶接作業分析装置は、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、手溶接機一体型撮像装置は、監視カメラで撮像された画像を基に溶接中の手溶接トーチの挙動を分析する際、画像中の溶接母材の開先端におけるアーク光の反射強度のコントラストの変化から開先端輪郭線位置を検出するとともに、画像から検出される手溶接トーチの先端位置とで手溶接トーチねらい位置を換算し、前記手溶接トーチのトーチ運棒の分析データを取得する構成にしたものである。
【００２０】
また、本発明に係る手溶接作業分析装置は、上述の目的を達成するために、請求項４に記載したように、手溶接機一体撮像装置は、監視カメラで撮像された画像を基にＴＩＧ溶接分析を行う際、溶加棒に一定間隔で印を付すとともに、印を付した溶加棒の溶融池への挿入位置、手溶接トーチの電極先端と溶融池との距離、溶加棒の送給量のデータを取得する構成にしたものである。
【００２１】
また、本発明に係る手溶接作業分析装置は、上述の目的を達成するために、請求項５に記載したように、溶加棒に一定間隔で付した印は、その周方向に沿って細く削ったくびれ線であることを特徴とする。
【００２２】
また、本発明に係る手溶接作業分析装置は、上述の目的を達成するために、請求項６に記載したように、手溶接一体撮像装置は、監視カメラで撮像された画像を基にＴＩＧ溶接分析を行う際、溶融池表面におけるアーク光の反射と開先表面での反射の相違から溶融池の輪郭形状を取得する構成にしたものである。
【００２３】
また、本発明に係る手溶接作業分析装置に適用する手溶接トーチ一体型監視カメラは、上述の目的を達成するために、請求項７に記載したように、手溶接作業対象周辺に設置した監視カメラで撮影した溶接施工中の溶融池周辺の画像情報を分析、処理する手溶接作業分析装置において、手溶接トーチに監視カメラを一体接続させる手溶接機一体型撮像装置と、この撮像装置からの画像のデジタル信号を処理、収録する画像データ収録装置と、収録された画像をデータとして情報処理するデータ処理装置と、処理した情報をディスプレイするディスプレイ装置とを備える一方、前記手溶接機一体撮像装置は、前記監視カメラを前記手溶接トーチに対して移動せる軸方向位置調整スライド部と、カメラ仰角を調整するカメラ仰角調整スライド部とを備えたものである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係る手溶接作業分析装置および手溶接作業分析装置に適用する手溶接トーチ一体型監視カメラは、手溶接の施工作業中の溶接士の手元の挙動を撮像し、撮像した画像からその挙動をデータ化したので、このデータ情報を基に複数の熟練溶接士の間での個人差の定量化、経験の浅い溶接士との動きの相違、特定の個人が溶接技能を修得する過程における挙動の変化等のこれまでに充分な分析、評価が行なわれてこなかった溶接を対象とした技能の分析、考察を容易に実現することができる。
【００２５】
特に、手溶接における溶加棒の送給量の自動評価等、これまでの評価が難しいとされていた特徴量の抽出、分析評価ができるため、従来、人手によって多くの補正処理が必要となっていた処理手続きが自動化され、多種、多様な条件での分析経験の実施や多数の溶接士による作業の分析、比較が大幅に効率化される。
【００２６】
また、手溶接の技能をデータとして情報化することにより、従来よりも詳細に技能の本質に迫る分析評価が可能になるため、これまでとは異なるアプローチによる、より高度な自動溶接技術の開発に寄与することができ、さらに高齢化と人手不足が懸念される溶接分野における効率的な訓練プログラムの策定やデータ利用により、溶接装置の適用範囲のより一層の拡大を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明に係る手溶接作業分析装置および手溶接作業分析装置に適用する手溶接トーチ一体型監視カメラの実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【００２８】
図１は、本発明に係る手溶接作業分析装置の実施形態を示す概念図である。
【００２９】
本実施形態に係る手溶接作業分析装置は、例えば、ＣＣＤカメラ（ＣＣＤ：charge coupled device）２を手溶接トーチ３に一体として接続する手溶接機一体型撮像装置１を右手で把持し、溶加棒４を左手で把持する溶接士５の、その手溶接トーチ一体型撮像装置１の手溶接トーチ３に電流を制御しながら与える電源装置６と、この電源装置６から与えられた電流を基に手溶接トーチ３からのアーク熱で溶加棒４を溶融し、溶接母材７に溶接施工する際、ＣＣＤカメラ２で溶接トーチ３、溶加棒４、あるいは溶融池等の変化を撮像し、撮像した画像を１フレーム毎に連続画像化したデジタル信号を処理、収録する画像データ収録装置８と、収録された画像をデータとして情報処理するデータ処理装置９と、処理した情報をディスプレイするディスプレイ装置１０とを備えて構成されている。
【００３０】
手溶接機一体型撮像装置１は、図２に示すように、手溶接トーチ３に一体として接続させるＣＣＤカメラ２を手溶接トーチ３の電極１１に向う軸方向に移動させる軸方向位置調整スライド部１２と、この軸方向位置調整スライド部１２に交差し、電極１１および溶接施工中に生成される溶融池が画角内に入るようにＣＣＤカメラ２の仰角を自在に調整できるカメラ仰角調整スライド部１３と、軸方向移動後のカメラ仰角調整スライド部１３をセットする軸方向位置固定ねじ部１４と、ＣＣＤカメラ２の仰角調整後の位置をセットするカメラ仰角位置固定ねじ部１５と、ＣＣＤカメラ２をカメラ仰角調整スライド部１３にセットさせるカメラ位置固定部１９と、ＣＣＤカメラ２で撮像した画像をデジタル信号に変換して画像データ収録装置に送るケーブル１６とを備えている。
【００３１】
そして、電極１１等を撮像するとき、ＣＣＤカメラ２は、その軸線の延長線が手溶接トーチ３の電極１１から５ｍｍ〜２０ｍｍの範囲内の交わる位置にセットされる。
【００３２】
また、ＣＣＤカメラ２は、像を良好に結像させるカメラレンズ１７を備えるとともに、このカメラレンズ１７にＣＣＤ面に入射する光の強弱、周波数帯域の制限を行う光学フィルタ１８を備えている。
【００３３】
この光学フィルタ１８は、分析の対象となる特徴量によって必要に応じた減弱率、波長帯域を選択してＣＣＤカメラ２に設けられている。
【００３４】
また、この光学フィルタ１８は、例えば、溶接アーク光のピーク波長から離れた帯域、具体的には８５０ｎｍ以上の波長帯域、あるいは１０６４ｎｍで半値幅が１０ｎｍ程度の狭い帯域に通過域を持つ場合にも適用される。
【００３５】
また、この光学フィルタ１８は、部分的に異なる透過率分布を持つ波長依存性のない減光フィルタと、透過波長を赤外領域で、かつ溶接光のピーク波長から離れた帯域に設定した狭帯域フィルタとを組み合わせることによってより鮮明な像が撮像される。
【００３６】
なお、ケーブル１６は、明示的に図示したが、実際においては、溶接士５のトーチ運棒の動きや施工状態を監視する視界を妨げない位置に、手溶接トーチ３に配線される。
【００３７】
また、ＣＣＤカメラ２は、手溶接トーチ３から見て手溶接の進行方向となる方向に設置され、溶加棒４の挿入位置、溶融池の先行距離、電極１１、溶接部の開先線等がカメラ視野内に入る位置にセットされる。
【００３８】
このような位置にセットされたＣＣＤカメラ２によって撮像された溶接施工状態の画像の一例を図３に示す。
【００３９】
図３は、一例として、ＴＩＧ手溶接による初層の開先キャップ溶接の画像を示すものであり、溶融池２０とその周辺位置にある電極１１、電極先端部１１ａ、アーク光２１、溶融池２０に挿入されている溶加棒４の輪郭４ａなどが映し出されている。
【００４０】
また、アーク光２１の開先面に対する反射によって、溶融池２０の両側に位置する開先エッジ線２２が目視確認されている。
【００４１】
このような画像を基に、溶接士５の手溶接施工作業の分析、特徴抽出の処理が行われる。
【００４２】
図４は、図１で示したデータ処理装置９内で処理された情報の一つとして、手溶接トーチ３のウィービングと称する運棒挙動の抽出、つまり溶接母材７の開先中心線から見た手溶接トーチ先端位置の動きを抽出処理するアルゴリズムである。
【００４３】
本実施形態に係るアルゴリズムは、画像抽出工程（ステップ１）、直線エッジ成分検出工程（ステップ２）、開先エッジ線分交点座標算出工程（ステップ３）、開先中心線算出工程（ステップ４）、開先中心線と電極先端の画像上距離算出工程（ステップ５）、画像から実寸値を換算する実寸値換算工程（ステップ６）および手溶接トーチ運棒挙動評価工程（ステップ７）を備えた構成になっている。
【００４４】
まず、本実施形態では、画像抽出工程（ステップ１）で、上述データ処理装置９内で連続的に収録されている溶融池２０における周辺画像の１フレーム分を対象として画像抽出が行われる。
【００４５】
溶融池２０の周辺の画像抽出が行われると、直線エッジ成分検出工程（ステップ２）では、予めＣＣＤカメラ２の手溶接トーチ３への設置位置の固定に対し、ＣＣＤカメラ２の視野内に得られる手溶接トーチ電極先端座標（ｘ０，ｙ０）と、ＣＣＤカメラ２の視野の中点（ｘｃ，ｙｃ）（ＣＣＤカメラ方位の事前設定から、ＣＣＤカメラ光軸線と手溶接トーチ中心軸の延長線の交点にほぼ相当）を結ぶ直線に対する垂線Ｉｖを設定し、設定した垂線Ｉｖ上のラインプロファイル（輝度分布）を求める。
【００４６】
一方、ＣＣＤカメラ視野中点から視野の外周に至る直線は、アーク光２１、溶融池２０、開先加工面（アーク光の反射光）、溶接母材７の表面を順次通ると考えられる。すなわち、「明（光源）」、「暗」、「明」、「暗」の順にプロファイルを有すると予想される。
【００４７】
このとき、開先面から溶接母材７の表面に移行する境界に相当する開先端において、輝度が急激に低減する。
【００４８】
輝度のこのような急激な低減に対し、開先エッジ線分交点座標算出工程（ステップ４３）では、以下に示す分析、処理が行われる。
【００４９】
まず、輝度が低減したときの座標と、輝度勾配が負で、かつ勾配の絶対値が最大となる座標点（ｘＬ，ｙＬ），（ｘＲ，ｙＲ）から求める。
【００５０】
このような処理を、上述の垂線Ｉｖに平行な直線に対しても輝度変化の座標を求め、求めた座標を手溶接トーチ３の電極１１の左右それぞれの視野内において直線で結び、開先端エッジに相当する２本の線分を検出する。
【００５１】
次に、ＣＣＤカメラ視野のＸ，Ｙ座標を基に、検出した２本の線分の交点（ＣＣＤカメラ視野における無限遠点）を求める。さらに、開先中心線算出工程（ステップ４４）では、開先の中心線は無限遠点を通ることから、この無限遠点と垂線Ｉｖ上の開先端に中点｛（ｘＬ＋ｘＲ）／２，（ｙＬ＋ｙＲ）／２｝｝に相当する点を結ぶ直線を検出する。検出した直線は、画像上の溶接線（開先の中心線）と見做して扱う。
【００５２】
開先中心線と電極先端との画像上距離算出工程（ステップ４５）では、検出された中心線と電極先端との距離Ｄを算出する。
【数１】
【００５３】
このようにして距離Ｄが求められると、画像からの実寸値換算工程（ステップ４６）では、画像から実寸値への換算が行われる。すなわち、画像上で得られた寸法が既知の物体のピクセル数、例えば電極の太さを基準として実寸値への換算係数Ｆを算出し、この換算係数Ｆを中心線と電極先端の距離Ｄに乗じることにより、実寸値Ｍを次式から求める。
【００５４】
［数２］
Ｍ＝Ｆ×Ｄ
上述に示した各工程による一連の連続した処理を各フレーム毎に算出し、撮像された時間、例えば一定の時間間隔Δｔに対応する時系列データを得る。この時系列データを基に、横軸に時間を採り、縦軸に実寸値Ｍを採ってプロットし、手溶接トーチ運棒の動きの周期や振幅を、手溶接トーチ運棒挙動評価工程（ステップ４７）で評価する。
【００５５】
このように、本実施形態は、手溶接機一体型撮像装置でトーチ運棒を撮像し、撮像した手溶接トーチ運棒の画像を基にして分析し、処理してトーチ運棒を評価する構成にしたので、溶接士自身の挙動の確認の下、溶接技術のさらなる飛躍のためのデータ情報とすることができ、経験の浅い溶接士の教育資料として溶接技術の継承に寄与することができる。
【００５６】
なお、手作業トーチ運棒を評価するにあたり、手溶接トーチ運棒の特徴抽出、換算処理を簡便、かつ高速に行うには、撮影条件を考慮し、幾つかの仮定を採り入れることがある。この仮定として、「ＣＣＤカメラが開先中心線軸上近傍にあり、大幅な偏位による左右開先線の実寸換算において、同じ換算係数を用いる」とする要件を採り入れてもよい。
【００５７】
また、より局所的な換算係数の取得により、ＣＣＤカメラ位置の傾きによる補正を考慮し、溶接速度の計測を含む高い精度の分析評価を行うには、母材開先面に一定（既知）の間隔で直線や点などの印を設け、その印の間隔や画像上での大きさ（ピクセル数）から実寸法に換算してもよい。
【００５８】
図５は、ＴＩＧ手溶接における溶加棒送給量の分析処理を行うフロー図である。
【００５９】
溶加棒４は、予め一定間隔で送給量の評価を行うため、マーキングが付される。このマーキングには、例えば、溶加棒の周方向に沿って細く削ったくびれ線が用いられる。くびれ線をマーキングとして用いると、溶加棒罫書刻印位置座標検出工程（ステップ１）では、溶加棒４のくびれ線の角部で、アーク光２１の反射率が局所的に変化するので、輝度の高い溶加棒４が撮像、検出される。
【００６０】
このようなマーキングを付した溶加棒４を用いて溶接施工したときの画像が図６に示される。この図６中、電極先端（手溶接トーチ先端）、溶加棒軸方向線Ｐが上述のマーキングを用いることによって可視化されている。
【００６１】
また、図６中、溶加棒先端位置の検出は、溶加棒が溶融池に挿入されている状態かどうかの判断が行われる。すなわち、溶加棒が挿入されていない状態においては、開先端での溶融池の形状輪郭の一方の開先側面の延長がなだらかな曲線を描き、反対側の開先側面の輪郭につながるか、あるいはアーク光が重畳することで輝度が高く、しかも境界が不鮮明な輪郭となる。尤も、開先がギャップを有する場合、溶融池の形状輪郭は、開先端における溶融池の形状輪郭線の一部が鋭敏な形状になり、輪郭の輝度が低く、しかも境界が不鮮明になる性質がある。
【００６２】
他方、溶加棒が挿入されていない状態になると、溶融池の形状輪郭は変化し、溶加棒挿入部分の溶融池輪郭が溶加棒の渕に接触し、開先端における溶融池の形状輪郭が挿入部近傍で緩やかでなくなる。このため、溶融池と溶加棒の接触部分で局所的に溶融池が盛り上がり、輪郭の鮮明度が高まり、しかも輪郭線の輝度が高くなる。
【００６３】
このような事象を利用して、溶加棒先端位置座標検出工程（ステップ２）では、溶融池への溶加棒の挿入の成否の判定と溶加棒先端位置検出が行われる。
【００６４】
また、ラインプロファイル（輝度分布）処理工程（ステップ３）では、電極先端位置を含む溶加棒軸方向線Ｐのラインプロファイル（輝度分布）が図６に示す画像から求められる。
【００６５】
また、図６に見られる溶融池周辺の画像では、溶加棒表面に３箇所の罫書刻印Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３からの反射光による輝度の高い領域が認められる。図６に示した溶加棒軸方向線Ｐに沿って手溶接トーチ先端部から罫書刻印Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３の位置までの輝度分布を求めたのが図７である。そして溶加棒の送給に伴い、時間経過とともに溶加棒が消費され、罫書刻印Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３は、画像の最も遠い場所に出現し、溶融池に向って順次移動し、最後に溶加棒先端位置と重なって溶融池内に消滅する。
【００６６】
このとき、個々の画像に対し、得られた溶加棒先端位置座標と罫書刻印Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３の位置座標との間の距離Ｄｗを求め、上述の手溶接トーチ運棒と同様に、時系列データを得る。得られた時系列データは図８に示される。
【００６７】
図８では、プロットしたデータに鋸歯状の最遠罫所刻印検出位置急変部分が現れるが、これは、手溶接の進行に伴い溶加棒が消費されるとともに、罫書きの相対位置が変化し、映像視野の端から順次新しい罫書き刻印が出現するためである。
【００６８】
溶加棒の送給量を評価するには、鋸歯状プロットを実際の溶加棒送給状況に対応した直線状のプロットに変換した上で溶加棒の長さあるいはその直径を考慮し、溶加棒送給体積量に変換する処理が必要とされる。
【００６９】
このため、送給量積算処理工程（ステップ４）では、上述の鋸歯状プロットにおいて、得られた距離Ｄｗの隣りの画像の変化量を求め、この大きさが画像上で溶加棒に付した罫書刻印Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３の間隔に相当するピクセル量Ｉを求めるとともに、距離Ｄｗからピクセル量Ｉを差し引いた値を積算距離Ｄｗｃとして算出する。
【００７０】
検出される罫書刻印が変わる度にピクセル量Ｉを差し引く回数は、順次増えていくため、最終的に積算距離Ｄｗｃは負の値となるが、解析対象となる全ての画像フレームの処理が終了した時点で再スタートを原点に採り、傾きを正負逆に変換して再び処理する。
【００７１】
送給量積算処理工程（ステップ４）で得られた処理結果は、図９に示される。
【００７２】
送給量積算処理工程（ステップ４）の終了後、消費された溶加棒の実寸への換算が実寸換算処理工程（ステップ５４）で行われる。
【００７３】
溶加棒の送給速度の評価は、罫書変位フィッティング工程（ステップ６）で、上述の溶加棒の実寸への換算データを対象にして全体または部分の領域に分割し、直線フィッティングによる近似計算から傾きを求め、最終的に、溶加棒送給量、速度評価工程（ステップ７）で溶加棒の送給量および送給速度の評価を行う。
【００７４】
このように、本実施形態は、手溶接機一体型撮像装置で溶加棒のラインプロファイル（輝度分布）を撮像し、撮像した溶加棒のラインプロファイルの画像を基に分析し、処理して溶加棒の送給量、速度を評価する構成にしたので、溶接上自身の挙動の確認の下、溶接技術のさらなる飛躍のためのデータ情報とすることができ、経験の浅い溶接士の教育資料として溶接技術の継承に寄与することができる。
【００７５】
図１０は、溶融池形状の分析処理を行うフロー図である。
【００７６】
本実施形態に係る溶融池形状を分析処理するアルゴリズムは、溶融池側面輪郭検出工程（ステップ１）、重畳箇所輪郭推定工程（ステップ２）、溶融池面積評価工程（ステップ３）、実寸換算工程（ステップ４）を備えて構成されている。
【００７７】
まず、溶融池側面輪郭検出工程（ステップ１）では、溶融池表面のアーク光反射率が低く、開先面での反射率が高いため、電極先端位置を中心として３６０°全周方向のラインプロファイル（輝度分布）を求め、電極先端からの輝度変化をトレースした後、得られる座標点の集合に楕円形状の当て嵌めを行い、溶融池の大まかな輪郭の検出が行われる。
【００７８】
また、溶融池側面輪郭検出工程（ステップ１）では、予め求めておいた溶加棒の送給位置、電極の位置を基にして溶融池が開先面と接する側面部の輪郭を検出する。
【００７９】
電極先端位置から開先面までの線分上でのラインプロファイルは、アーク光、溶融池表面、ビード表面、開先側面に沿って「明」、「暗」、「明」、「明」の順になり、溶融池の輪郭は、「暗」、「明」へのラインプロファイル変化を閾値処理して検出する。
【００８０】
検出された輪郭座標点を基に、楕円近似を行うとともに（重畳箇所輪郭検出工程、ステップ２）、楕円の面積を溶融池面積評価工程（ステップ３）で求める。
【００８１】
溶融池面積評価工程（ステップ３）で楕円の面積が求められると、求められた楕円の面積を基にして実寸換算工程（ステップ４）で画像上の溶融池面積を実寸に換算する。実寸への換算後、電極や溶加棒に隠れた箇所の情報を利用することなく溶融池面積の評価が得られる。
【００８２】
このように、本実施形態は、手溶接機一体型撮像装置で溶融池のラインプロファイルを撮像し、撮像した溶融池のラインプロファイルの画像を基に溶融池の形状を分析、処理する構成にしたので、溶接士自身の挙動の確認の下、溶接技術のさらなる飛躍のためのデータ情報とすることができ、経験の浅い溶接士の教育資料として溶接技術の継承に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明に係る手溶接作業分析装置の実施形態を示す概念図。
【図２】本発明に係る手溶接作業分析装置に適用する手溶接一体型撮像装置を示す概念図。
【図３】本発明に係る手溶接作業分析装置に適用する手溶接一体型撮像装置で撮像された溶融池周辺を示す画像図。
【図４】本発明に係る手溶接作業分析装置における手溶接トーチ運棒の分析処理を示すフロー図。
【図５】本発明に係る手溶接作業分析装置における溶加棒の送給量分析処理を示すフロー図。
【図６】本発明に係る手溶接作業分析装置における手溶接トーチ先端部分および溶加棒のラインプロファイルを示す画像図。
【図７】本発明に係る手溶接作業分析装置における画像化された溶加棒のピクセル輝度を示す線図。
【図８】本発明に係る手溶接作業分析装置における溶加棒先端、罫書刻印間距離の実寸換算後を示す線図。
【図９】本発明に係る手溶接作業分析装置における溶加棒積算送給量を示す線図。
【図１０】本発明に係る手溶接作業分析装置における溶融池の形状の分析処理を示すフロー図。
【符号の説明】
【００８４】
１ 手溶接機一体型撮像装置
２ ＣＣＤカメラ
３ 手溶接トーチ
４ 溶加棒
４ａ 輪郭
５ 溶接士
６ 電源装置
７ 溶接母材
８ 画像データ収録装置
９ データ処理装置
１０ ディスプレイ装置
１１ 電極
１１ａ 電極先端部
１２ 軸方向位置調整スライド部
１３ カメラ仰角調整スライド部
１４ 軸方向位置固定ねじ部
１５ カメラ仰角位置固定ねじ部
１６ ケーブル
１７ カメラレンズ
１８ 光学フィルタ
１９ カメラ位置固定部
２０ 溶融池
２１ アーク光
２２ 開先エッジ線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
手溶接作業対象周辺に設置した監視カメラで撮影した溶接施工中の溶融池周辺の画像情報を分析、処理する手溶接作業分析装置において、手溶接トーチに監視カメラを一体接続させる手溶接機一体型撮像装置と、この撮像装置からの画像のデジタル信号を処理、収録する画像データ収録装置と、収録された画像をデータとして情報処理するデータ処理装置と、処理した情報をディスプレイするディスプレイ装置とを備えたことを特徴とする手溶接作業分析装置。
【請求項２】
監視カメラは、溶接アーク光のピーク波長から離れた帯域に通過域を有する光学フィルタを備えたことを特徴とする請求項１記載の手溶接作業分析装置。
【請求項３】
手溶接機一体型撮像装置は、監視カメラで撮像された画像を基に溶接中の手溶接トーチの挙動を分析する際、画像中の溶接母材の開先端におけるアーク光の反射強度のコントラストの変化から開先端輪郭線位置を検出するとともに、画像から検出される手溶接トーチの先端位置とで手溶接トーチねらい位置を換算し、前記手溶接トーチのトーチ運棒の分析データを取得する構成にしたことを特徴とする請求項１記載の手溶接作業分析装置。
【請求項４】
手溶接機一体撮像装置は、監視カメラで撮像された画像を基にＴＩＧ溶接分析を行う際、溶加棒に一定間隔で印を付すとともに、印を付した溶加棒の溶融池への挿入位置、手溶接トーチの電極先端と溶融池との距離、溶加棒の送給量のデータを取得する構成にしたことを特徴とする請求項１記載の手溶接作業分析装置。
【請求項５】
溶加棒に一定間隔で付した印は、その周方向に沿って細く削ったくびれ線であることを特徴とする請求項４記載の手溶接作業分析装置。
【請求項６】
手溶接一体撮像装置は、監視カメラで撮像された画像を基にＴＩＧ溶接分析を行う際、溶融池表面におけるアーク光の反射と開先表面での反射の相違から溶融池の輪郭形状を取得する構成にしたことを特徴とする請求項１記載の手溶接作業分析装置。
【請求項７】
手溶接作業対象周辺に設置した監視カメラで撮影した溶接施工中の溶融池周辺の画像情報を分析、処理する手溶接作業分析装置において、手溶接トーチに監視カメラを一体接続させる手溶接機一体型撮像装置と、この撮像装置からの画像のデジタル信号を処理、収録する画像データ収録装置と、収録された画像をデータとして情報処理するデータ処理装置と、処理した情報をディスプレイするディスプレイ装置とを備える一方、前記手溶接機一体撮像装置は、前記監視カメラを前記手溶接トーチに対して移動せる軸方向位置調整スライド部と、カメラ仰角を調整するカメラ仰角調整スライド部とを備えたことを特徴とする手溶接作業分析装置に適用する手溶接トーチ一体型監視カメラ。
【請求項１】
手溶接作業対象周辺に設置した監視カメラで撮影した溶接施工中の溶融池周辺の画像情報を分析、処理する手溶接作業分析装置において、手溶接トーチに監視カメラを一体接続させる手溶接機一体型撮像装置と、この撮像装置からの画像のデジタル信号を処理、収録する画像データ収録装置と、収録された画像をデータとして情報処理するデータ処理装置と、処理した情報をディスプレイするディスプレイ装置とを備えたことを特徴とする手溶接作業分析装置。
【請求項２】
監視カメラは、溶接アーク光のピーク波長から離れた帯域に通過域を有する光学フィルタを備えたことを特徴とする請求項１記載の手溶接作業分析装置。
【請求項３】
手溶接機一体型撮像装置は、監視カメラで撮像された画像を基に溶接中の手溶接トーチの挙動を分析する際、画像中の溶接母材の開先端におけるアーク光の反射強度のコントラストの変化から開先端輪郭線位置を検出するとともに、画像から検出される手溶接トーチの先端位置とで手溶接トーチねらい位置を換算し、前記手溶接トーチのトーチ運棒の分析データを取得する構成にしたことを特徴とする請求項１記載の手溶接作業分析装置。
【請求項４】
手溶接機一体撮像装置は、監視カメラで撮像された画像を基にＴＩＧ溶接分析を行う際、溶加棒に一定間隔で印を付すとともに、印を付した溶加棒の溶融池への挿入位置、手溶接トーチの電極先端と溶融池との距離、溶加棒の送給量のデータを取得する構成にしたことを特徴とする請求項１記載の手溶接作業分析装置。
【請求項５】
溶加棒に一定間隔で付した印は、その周方向に沿って細く削ったくびれ線であることを特徴とする請求項４記載の手溶接作業分析装置。
【請求項６】
手溶接一体撮像装置は、監視カメラで撮像された画像を基にＴＩＧ溶接分析を行う際、溶融池表面におけるアーク光の反射と開先表面での反射の相違から溶融池の輪郭形状を取得する構成にしたことを特徴とする請求項１記載の手溶接作業分析装置。
【請求項７】
手溶接作業対象周辺に設置した監視カメラで撮影した溶接施工中の溶融池周辺の画像情報を分析、処理する手溶接作業分析装置において、手溶接トーチに監視カメラを一体接続させる手溶接機一体型撮像装置と、この撮像装置からの画像のデジタル信号を処理、収録する画像データ収録装置と、収録された画像をデータとして情報処理するデータ処理装置と、処理した情報をディスプレイするディスプレイ装置とを備える一方、前記手溶接機一体撮像装置は、前記監視カメラを前記手溶接トーチに対して移動せる軸方向位置調整スライド部と、カメラ仰角を調整するカメラ仰角調整スライド部とを備えたことを特徴とする手溶接作業分析装置に適用する手溶接トーチ一体型監視カメラ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−２８１２７０（Ｐ２００６−２８１２７０Ａ）
【公開日】平成１８年１０月１９日（２００６．１０．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１０４４４３（Ｐ２００５−１０４４４３）
【出願日】平成１７年３月３１日（２００５．３．３１）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１０月１９日（２００６．１０．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月３１日（２００５．３．３１）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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