專利名稱：焊接部分顯像方法和用于該方法的裝置的制作方法
專利說明焊接部分顯像方法和用于該方法的裝置 本發(fā)明涉及用于觀察焊接部分的焊接部分顯像(visualization)方法和用于該方法的裝置。在進行焊接操作時，出于控制和穩(wěn)定焊接品質(zhì)的目的，觀察焊接部分是很重要的，焊接部分包括所產(chǎn)生的焊接熔池和其周邊以及在焊接方向上朝前定位的凹槽。
然而，在焊接期間，用于焊接的光，例如激光，等離子體或電弧的散射光，會從焊接部分集中地發(fā)射出來。尤其在激光焊接或等離子焊接中，激光或等離子體的散射光強于從焊接熔池所發(fā)射出的光。因此，在試圖通過利用裝備了例如光學中性密度濾光片的攝像機對焊接部分進行攝影時，在部分焊接熔池中，會由于過量的光而產(chǎn)生暈影，從而使觀察焊接熔池變得極其困難。在這些情況下，已經(jīng)提出了一種利用攝像機的傳統(tǒng)技術來作為用于監(jiān)測焊接部分的方法，在這種攝像機中，強的(高亮度的)照明光源用于進行直接觀察。
所提出的其中一種用于實現(xiàn)對這種焊接部分進行直接監(jiān)測的方法包括氣體密封的電弧焊接方法，其中，因為電弧光主要包括短波長范圍內(nèi)的強光，并且焊接熔池輻射出較長波長范圍內(nèi)的強光，所以，具有主要在近紅外線區(qū)域的發(fā)光波長范圍的光源可用于對焊接部分進行顯像。更具體地說，所提議的方法使用例如具有600至800nm波長峰值的鹵素燈等光源，在電弧焊接期間用來照射焊接熔池和其周邊，并從而利用裝備了具有550至700nm觀察波長范圍的濾光片的CCD攝像機，來對所照射的焊接部分進行攝影，這樣，在阻擋包括構(gòu)成電弧光區(qū)域的較短波長范圍內(nèi)的光時，利用接近從焊接熔池所發(fā)射的光的觀察波長，可實現(xiàn)顯像(例如參見專利文獻1)。
此外，用于實現(xiàn)直接監(jiān)測焊接部分的另一方法包括，由一種通過在強度上等于或在亮度上高于來自焊接熔池的光或散射光的照明光源間歇地向焊接部分發(fā)光的光源，裝備了用于對焊接熔池和其周邊進行攝影的高速快門的攝像機，以及定時裝置(同步裝置)所組成的方法，其中，定時裝置用于使上述光源的照射定時與上述攝像機開/關快門的定時同步。在這個方法中，發(fā)射出在亮度上比來自焊接熔池的光亮度更高的光，以便從光源上面朝著底層構(gòu)件上由焊炬形成的焊接熔池和其周邊進行照射，從而將亮度上比焊接熔池它本身所發(fā)射的光和散射光更高的光傳送到焊接熔池和其周邊。同時，這就允許上述從熔融部分反射的高亮度的照射光通過與上面照明光源的照射定時同步的高速快門，而入射到攝像機中，而逆光，例如來自焊接部分的散射光通過閉合快門而被阻擋了，從而極大地減少了入射光的數(shù)量，這使得實現(xiàn)對焊接部分上的焊接熔池和其周邊進行顯像成為可能。
在這種情況下，用于高亮度地照射上述焊接部分的光源例如包括脈沖激光(例如參見專利文獻2)，閃光燈例如氙氣閃光燈(例如參見專利文獻3)，以及與焊接部分所發(fā)射的等離子體光的波長范圍不同的紫外線閃光燈(例如參見專利文獻4)。
另外，還提出了一種裝置，其中，上述脈沖激光用于間歇地高亮度地照射焊接部分，并且使用裝備了高速快門的攝像機(CCD攝像機)對高亮度脈沖激光所照射的焊接部分進行攝影，從而使得焊接部分的直接觀察成為可能。如圖6A和圖6B中所示，該裝置包括用于對成形于焊炬1下面的焊接部分2進行攝影的CCD攝像機3。CCD攝像機3設置在平面設置中順時針方向上的0°位置，其中焊接方向(焊接行進方向)設置在270°上，在垂直方向上相對于底層構(gòu)件(待焊接的焊接構(gòu)件)4的平直表面保持大約30°的傾斜角度。用于輻射脈沖激光發(fā)生器(未顯示)所引導的脈沖激光6a的第一及第二激光輻射器5a和5b，其各放置在平面設置中順時針方向上的20°至45°的范圍內(nèi)，其中焊接方向與上面相似設置在270°以上，以及315°至340°的范圍內(nèi)，在垂直方向上相對于底層構(gòu)件4的平直表面保持30°至45°的傾斜角度，(例如參見專利文獻5)。在這類裝置中，可以減少當激光器5a，5b照射焊接部分時，由焊炬1造成的遮蔽區(qū)(shadow)的影響，從而減少焊炬1的遮蔽區(qū)對觀察焊接部分2造成的影響。
此外，如圖7A和7B中所示，提出了一種與上面相似的裝置，其中，用于對焊接部分2攝影的CCD攝像機3設置在平面設置中順時針方向上的0°位置，在垂直方向上相對于底層構(gòu)件的表面保持30°的傾斜角度，其中焊接方向設置在順時針方向上的270°位置，并且將一個脈沖激光輻射器5c放置在平面設置中135°至225°的范圍內(nèi)，其中，焊接方向與上面相似地設置在270°上，并且在垂直方向上相對于底層構(gòu)件的表面保持30°至45°的傾斜角度(例如參見專利文獻6)。
更進一步說，如圖8中所示，提出了其中使用高亮度閃光燈作為照明光源來替代脈沖激光的另一裝置。高亮度閃光燈7的兩個單元設置在凹槽部分8的右邊和左邊，并且還提供了設有電子快門的用于對焊接部分攝影的高像素的CCD攝像機9，以便使CCD攝像機的電子快門的開/關與上面閃光燈7照射焊接部分的光的照射定時同步(例如參見專利文獻7)。
根據(jù)這個裝置，上述閃光燈7各用于高亮度地照射焊接熔池和其周邊，從而傳送強度上比焊接熔池它本身所發(fā)射的光或散射光更高的光。這還允許由上述電子快門高亮度照射的焊接部分的光入射到CCD攝像機9中，而逆光例如散射光通過關閉電子快門而被切斷，從而極大地減少了入射光的量，使得對焊接部分的攝影成為可能。在這個裝置中，在由CCD攝像機形成的焊接部分的圖像上，沿著與凹槽部分8正交的方向而設置的一個像素陣列，用于計算各像素的亮度，從而參照設置在一個陣列上的各像素的亮度變化，而自動地檢測凹槽部分8的位置。
其間，拼接坯件(tailored blank)技術是近年來為制造汽車車身而采用的其中一種技術。根據(jù)拼接坯件技術，在裝配汽車車身時，有一些區(qū)域?qū)逯坪褚蕴岣邚姸?，用于確保安全，而其它區(qū)域不需要高的強度。厚的鋼板只用于需要高強度的區(qū)域，而薄的鋼板用于不需要高強度的區(qū)域，或者在一些區(qū)域根據(jù)強度需要而使用厚度相等但強度不同的鋼板。多個厚度和強度不同的這些鋼板在其被壓縮之前焊接在一起，并將這些鋼板連接在一起以生產(chǎn)出一張組合鋼板，稱為拼接坯件，并將拼接坯件用于壓延工藝等，從而生產(chǎn)出汽車的車身板。
同根據(jù)傳統(tǒng)方法制造的車身比較，上述拼接坯件技術的使用可以節(jié)省汽車的車身重量，傳統(tǒng)方法使用厚度相同的鋼板，并在需要特別高的強度的區(qū)域焊接上另加的壓力構(gòu)件，以用于增強強度。日本公布的未審查的專利申請No.H08-174217[專利文獻2]日本公布的未審查的專利申請No.H11-179578[專利文獻3]日本公布的未審查的專利申請No.H06-304754[專利文獻4]日本公布的未審查的專利申請No.2001-12924[專利文獻5]日本公布的未審查的專利申請No.2000-196924[專利文獻6]日本公布的未審查的專利申請No.2000-184243[專利文獻7]日本公布的未審查的專利申請No.2004-74264[發(fā)明公開][有待本發(fā)明來解決的問題]其間，在根據(jù)上面描述拼接坯件技術制造的拼接坯件時，厚度不同的鋼板在需要時要進行對接焊接。當這些待焊接的厚度不同的構(gòu)件進行對接焊接時，通過利用上述圖6A和圖6B中所示的用于觀察焊接部分的裝置，來觀察對接焊接部分。在焊接構(gòu)件與配對構(gòu)件之間的對接焊接部分恐怕由于這些構(gòu)件之間的厚度差異而可能產(chǎn)生遮蔽區(qū)，從而在焊接構(gòu)件與配對構(gòu)件之間的焊接部分形成臺階。這是因為各脈沖激光輻射器5a和5b設置在離焊接操作行進的縱向方向或凹槽部分延伸的方向而以平面方式偏離開預定角度的位置。
在圖7A和圖7B所示的焊接部分顯像裝置中，因為脈沖激光輻射器5c設置在離焊接操作行進的縱向方向或凹槽部分延伸的方向以平面方式偏離開預定角度的位置，所以，在焊接構(gòu)件與厚度不同的配對構(gòu)件之間的焊接部分可能會產(chǎn)生遮蔽區(qū)。
在圖8所示的焊接部分顯像裝置中，由于閃光燈7設置在凹槽部分8的右邊和左邊，因此，恐怕在厚度不同的焊接構(gòu)件的對接焊接部分處，可能會產(chǎn)生與這些構(gòu)件之間的厚度差相關的遮蔽區(qū)。
如上所述，在傳統(tǒng)的在厚度不同的焊接構(gòu)件的對接焊接部分處產(chǎn)生遮蔽區(qū)的焊接部分顯像裝置中，可能會產(chǎn)生由圖像處理作為監(jiān)測元素而提取出的凹槽部分的間隙寬度被誤判斷為大于實際的間隙寬度，或者焊接構(gòu)件的對接位置、即凹槽位置被誤判斷為偏離實際位置的問題。
具體地說，在最近常用于制造拼接坯件的厚度差很大的焊接構(gòu)件的對接焊接部分處，上述遮蔽區(qū)的影響變得越來越突出，這就導致了對間隙寬度或凹槽位置的誤判。
此外，在專利文獻1，專利文獻2，專利文獻3和專利文獻4的其中任何一個文獻中，沒有對設置照明光源和攝像機的相對位置進行特定描述。因此，對于照明光源和攝像機之間的相對位置關系沒有提出建議。
考慮到上述情況而創(chuàng)造了本發(fā)明，并且本發(fā)明的一個目的是提供一種焊接部分顯像方法和用于觀察有待與厚度不同的配對構(gòu)件焊接在一起的焊接構(gòu)件的對接焊接部分的裝置，其在沒有遮蔽區(qū)影響的條件下用于制造拼接坯件。在本發(fā)明中，提供了一種能夠解決上述問題的焊接部分顯像裝置。在焊接操作行進的焊接平面上，在凹槽部分的上面，用于對焊接部分攝影的攝像機以相對于法線在焊接方向上的預定角度而設置在焊接部分的后面。在凹槽部分的上面，照明光源還設置在以法線作為對稱軸線相對于攝像機對稱的位置上，并且將照明光源設置在離攝像機相對于法線的對稱角度偏離±10°至20°的角度上。雖然焊接部分被設置在凹槽上面的照明光源照射，但是，上面焊接構(gòu)件的焊接部分被上述攝像機進行攝影。
此外，提供了另一種用于解決問題的焊接部分顯像裝置，其中，用于對焊接部分攝影的攝像機設置成相對于焊接構(gòu)件的凹槽部分的焊接線之后的法線成預定的傾斜角度。在凹槽部分的上面，照明光源也設置在攝像機關于法線對稱的位置附近。照明光源相對于法線的角度在離攝像機關于法線的對稱角度偏離±10°至20°的范圍內(nèi)。上述攝像機對由來自照明光源的高亮度的光所照射的焊接部分進行攝影。
此外，本發(fā)明提供了一種焊接部分顯像裝置，其中，用于對焊接部分攝影的攝像機以相對于涉及焊接面的法線成預定的傾斜角度而設置在焊接構(gòu)件的凹槽部分的上面。照明光源還設置在凹槽部分的上面與上述攝像機對稱的位置上。法線被給定為對稱軸線，并且照明光源通過相對于攝像機關于法線對稱的位置偏離±10°至20°而設置在相對于法線的角度上。
另外，本發(fā)明提供另一種焊接部分顯像裝置。用于對對接焊接部分攝影的攝像機由于焊接構(gòu)件的厚度差而具有臺階。照明光源設置在攝像機關于法線對稱的位置上。照明光源設置在與上述攝像機對稱的凹槽部分的上面。法線被給定為對稱軸線，并且照明光源設置在相對于攝像機對法線的角度而偏移±10°至20°的位置上。根據(jù)本發(fā)明，實現(xiàn)了如下有利的效果。
(1)在緊鄰凹槽的上面，在焊接構(gòu)件的對接焊接部分附近或在由于焊接構(gòu)件厚度不同而具有臺階的焊接部分附近，攝像機設置成相對于焊接部分的法線成預定的傾斜角度，并且照明光源以相對于攝像機對法線的設置角度偏離±10°至20°的角度，而設置在攝像機關于以法線作為對稱軸線的對稱位置附近，從而可以防止產(chǎn)生與由于待焊接構(gòu)件的厚度差所引起的臺階相關的遮蔽區(qū)。
(2)此外，由于攝像機設置在凹槽的上面，因此焊接部分可被順利地攝影，而沒有視場被臺階阻擋。
(3)因此，可除去受到遮蔽區(qū)影響的部位，并實現(xiàn)對焊接部分精確的觀察，(4)此外，從照明光源朝焊接部分照射的高亮度照射光的規(guī)則反射分量被阻止入射到攝像機中，因此不會引起與物體的表面狀態(tài)上的任何變化相關的暈影等等，以便穩(wěn)定地觀察焊接部分。
(5)因此，在觀察焊接部分期間，可以消除在焊接部分形成的臺階的影響，并且還可提供焊接構(gòu)件表面狀態(tài)上的更大靈活性，而不管是否存在臺階。因此，可以穩(wěn)定地提取監(jiān)測元素，例如凹槽部分的位置和間隙寬度，從而以提高的精度來判斷焊接部分是否是可接受的。

圖1A是顯示了本發(fā)明的一個實施例中所述的焊接部分顯像裝置的主要構(gòu)造的側(cè)視圖，而圖1B是沿著上面圖1A中的剖面線-的剖視圖。
圖2是顯示了用于確定上面圖1A中給出的焊接部分顯像裝置中的CCD攝像機位置和閃光燈位置的裝置(實驗裝置)的示意性的側(cè)視圖。
圖3顯示了鍍鋅鋼板用作上面圖2所示實驗裝置的焊接構(gòu)件的實驗結(jié)果，其中，圖3A至3D是顯示了當照明光源的角度θL相對于法線從30°變化至45°時，由像素檢測到的亮度變化的亮度曲線圖，所述像素在CCD攝像機的圖像上設置在以直角與凹槽部分相交的正交方向上。
圖4顯示了鍍鋅鋼板用作上面圖2所示實驗裝置的焊接構(gòu)件的實驗結(jié)果，其中，圖4E至3E是顯示了當照明光源的角度θL相對于法線從15°變化至25°時，由像素檢測到的亮度變化的亮度曲線圖，所述像素設置在CCD攝像機的圖像上以直角與凹槽部分相交的方向上。
圖5顯示了SUS板用作上面圖2所示實驗裝置的焊接構(gòu)件的實驗結(jié)果，其中，圖5H至5K是顯示了當照明光源的角度θL相對于法線從30°變化至45°時，由像素檢測到的亮度變化的亮度曲線圖，所述像素設置在CCD攝像機的圖像上以直角與凹槽部分相交的方向上。
圖6A是顯示了傳統(tǒng)焊接部分顯像裝置的一個示例的示意圖，而圖6B是沿著上圖6A中的剖面線B-B的剖視圖。
圖7A是顯示了傳統(tǒng)焊接部分顯像裝置的另一示例的示意圖，而圖7B是沿著上圖7A中的剖面線C-C的剖視圖。
圖8是顯示了傳統(tǒng)焊接部分顯像裝置的另一示例的示意圖。10a和10b待對接焊接的焊接構(gòu)件11凹槽部分(凹槽)12焊接部分13CCD攝像機(攝像機)14法線15閃光燈(照明光源)以下，將參照附圖對用于實現(xiàn)本發(fā)明的最佳模式進行說明。
圖1A和圖1B顯示了用于觀察厚度不同的焊接構(gòu)件的焊接部分的當前實施例的焊接部分顯像裝置的主要構(gòu)造元件。
也就是說，在這種焊接部分顯像裝置中，裝備了電子快門的用于對激光焊炬(未顯示)所形成的焊接部分12進行攝影的高像素的CCD攝像機13設置在直接位于凹槽部分11上的垂直平面內(nèi)。在凹槽部分11處，厚度不同的焊接構(gòu)件10a和10b進行對接焊接，這樣攝像機13相對于各焊接構(gòu)件10a和10b的法線14在焊接平面中以預定的傾斜角度(θC)設置在焊接方向的后面，使得對焊接部分的觀察不會受到激光焊炬的中斷。
此外，這種焊接部分顯像裝置裝備了高亮度的閃光燈15作為照明光源，其定位在攝像機的對稱角度上，離垂直平面內(nèi)的CCD攝像機13定位在相對于給定為對稱軸線來進行觀察的法線14偏離+10°至20°和-10°至-20°范圍內(nèi)的對稱角度下，也就是說，閃光燈15設置成使得高亮度的閃光燈15在焊接操作行進的焊接方向上相對于法線14傾斜一個角度θL，所述θL設置成可滿足這樣的條件，即，相對于CCD攝像機13對法線14的角度θC滿足θL＝θC±10°至20°的關系。
標號12a表示焊道。在上面描述中，閃光燈15設置在相對于焊接平面的焊接方向的前面，或者CCD攝像機13設置在焊接表面的焊接方向的后面。然而，CCD攝像機13和閃光燈15可設置成相對于焊接平面中的焊接方向是相反的。此外，雖然沒有顯示，但是，這個焊接部分顯像裝置可裝備有用于使CCD攝像機13的電子快門的開/關定時與閃光燈15發(fā)光間隔同步的定時裝置。
如同圖7A和圖7B中所示的傳統(tǒng)焊接部分顯像裝置一樣，根據(jù)這種焊接部分顯像裝置，閃光燈15用于高亮度地照射焊接熔池和其周邊，從而提供在強度上比焊接熔池本身所發(fā)射的光或散射光更高的光。同時，來自被高亮度照射的焊接部分12的光允許利用電子快門而入射到CCD攝像機13，而逆光例如散射光通過電子快門的閉合而切斷，從而極大地減少了入射光的量，從而獲得了焊接部分12的圖像。
在這種情況下，將參照用于設置閃光燈15的角度條件來進行詳細說明。
本發(fā)明人構(gòu)思出，當厚度不同的焊接構(gòu)件10a和10b的對接焊接部分12以高亮度照射時，閃光燈15的其中一個光源單元直接設置在凹槽部分11的上面，從而不會在焊接部分12上產(chǎn)生遮蔽區(qū)。此外，本發(fā)明人構(gòu)思出，CCD攝像機13也直接設置在凹槽部分11的上面，使得厚度不同的焊接構(gòu)件10a和10b的對接焊接部分12可在視場沒有被由于在待焊接的構(gòu)件10a和10b之間的厚度差異而形成的臺階阻擋的條件下，被進行攝影和觀察。
如上所述，CCD攝像機13和屬于光源的閃光燈15都直接設置在凹槽部分11的上面或直接設置在凹槽部分11上的垂直平面內(nèi)，在許多情況下，焊炬例如激光焊炬設置在焊接部分12的上面。因此，就空間而言，難以將CCD攝像機13和閃光燈15一起只放置在相對于焊接方向、即相對于焊炬形戍凹槽部分的焊接方向的前面或后面。在這些情況下，在這種焊接部分顯像裝置中，CCD攝像機13和閃光燈15分開地設置在相對于直接在凹槽部分11上面的垂直平面內(nèi)進行焊接操作的焊接方向的前面或后面。
在其中CCD攝像機13和閃光燈15設置成如上所述沿著凹槽部分11而在焊接部分12的中心彼此面向的情況下，本發(fā)明人已經(jīng)利用CCD攝像機13，通過改變閃光燈15的照射角度而實現(xiàn)了對焊接部分12的觀察。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當CCD攝像機13和閃光燈15以對稱角度設置在法線14的兩邊時，從閃光燈15至焊接部分12的高亮度照射的光在焊接構(gòu)件10a和10b的表面上進行規(guī)則反射的所謂的規(guī)則反射分量，被允許集中地入射到CCD攝像機13中，由此，在進行圖像處理以檢測例如凹槽位置的非所需狀態(tài)下，就生成了由CCD攝像機13進行攝影的焊接部分12的觀察圖像。
為了解決這個問題，本發(fā)明人實施了以下實驗，并展示了CCD攝像機13和閃光燈15的合適設置，以獲得適合用于圖像處理的焊接部分的觀察圖像。
圖2顯示了用于本發(fā)明人所實施的當前實驗的裝置(實驗裝置)的構(gòu)造。在這個實驗裝置中，鍍鋅鋼板材用作焊接構(gòu)件10a和10b，并且CCD攝像機13設置成使得在與凹槽部分11相對應的鍍鋅鋼板的對接部分上面的垂直平面內(nèi)，相對于法線14的傾斜角度θC為θC＝30°。在這種情況下，閃光燈15設置在法線14之后的相對側(cè)，使得相對于法線14的傾斜角度θL可以每次5°的間隔從30°變化至45°，從而通過在各個預定的傾斜角度θL上使用CCD攝像機13，而獲得替代了焊接構(gòu)件10a和10b的鍍鋅鋼板與配對構(gòu)件的對接部分的觀察圖像。
之后，本發(fā)明人利用CCD攝像機13為沿著與帶配對構(gòu)件(凹槽部分11)的鍍鋅鋼板的對接部分正交的方向而設置在焊接部分圖像上的像素陣列的各像素確定亮度，并對各觀察圖像進行圖像處理，以檢測凹槽部分11的位置。通過相對于設置在上述一個陣列中的各像素的位置來繪制各像素亮度，從而制備了一系列顯示了亮度變化的線圖，以便通過圖像處理而提取出監(jiān)測元素，例如凹槽位置和間隙寬度。
除了CCD攝像機13和閃光燈15的設置角度之外，條件建立如下攝像機位置，從圖像元素的表面至待觀察的物體達250mm；透鏡孔徑，F(xiàn)22.6；電子快門，1/13400秒；閃光燈的光量，在入射透鏡(準直透鏡)的末端為4.0mJ；閃光燈位置，從入射透鏡的末端至待觀察的物體的位置達200mm。
結(jié)果，就獲得了一系列曲線圖，其顯示了在其中閃光燈15的傾斜角度θL設置在30°、35°、40°或45°時的情況下，如圖3A至圖3D的特征曲線圖給出的亮度變化。如圖3的特征曲線圖所示，在θL等于30°，即θL等于θC時，發(fā)現(xiàn)在作為焊接構(gòu)件10a和10b的鍍鋅鋼板的平直部分出現(xiàn)大的規(guī)則反射，從而導致暈影或亮度波動，并顯示了斑點光樣的傾向或各像素在亮度上更大的變化。
這是由于CCD攝像機13和閃光燈15設置在其中法線14作為對稱軸線的對稱角度上，在從閃光燈15向鍍鋅鋼板照射之后進入CCD攝像機15中的入射光在鍍鋅鋼板上進行規(guī)則反射分量占主要優(yōu)勢，由于這個原因，亮度分布直接受到在鍍鋅鋼板表面上的不規(guī)則性、由于鍍鋅量的變化而引起的反射比差異、以及由于應用于鋼板表面上的油量變化而引起的反射比差異的影響。當通過圖像處理來檢測凹槽部分11的位置時，在許多情況下，將亮度變化的谷底確定為凹槽部分。出于這個原因，如圖3A的特征曲線圖中所示，在整個像素位置范圍內(nèi)存在較大的亮度波動，就難以通過圖像處理來檢測凹槽部分11的位置。
在其中θL等于35°的圖3B的特征曲線圖中，同上面θL等于30°的情況比較，亮度波動下降了。然而，即使這樣，還是發(fā)現(xiàn)較大的絕對亮度波動，并且難以通過圖像處理來檢測凹槽部分11的位置。
如其中θL等于40°的圖3C中所示，亮度變化得到極大的收斂。此外，如其中θL等于45°的圖3D的特征曲線圖中所示，顯現(xiàn)在CCD攝像機13的觀察圖像上的鍍鋅鋼板的表面粗糙度被最大程度地抑制。同時，基本上防止了在凹槽部分11附近可能產(chǎn)生的暈影，并且降低了亮度變化。
這是由于在θL和θC之間存在增大的角度差異。在從閃光燈15向鍍鋅鋼板照射之后入射到CCD攝像機13中的光，并不包括反射分量，而主要包括散射光，因此，就減少了由于上述鍍鋅鋼板的表面狀態(tài)所引起的反射比差異的影響，并平衡了入射到CCD攝像機13中的光的強度。
如上所述，在圖3D的特征曲線圖中，相對于除凹槽部分11的位置之外的其它像素的相對較平衡的亮度而言，與凹槽部分11相對應的位置上的像素的亮度得以極大地減小，并且顯示了亮度曲線圖中的變化較大的谷底，其被認為適合于通過圖像處理來檢測凹槽部分11的位置。
接下來，在相同的上述實驗條件下，相對于閃光燈15的法線14的傾斜角度θL以每隔5°的間隔從25°變化至15°。通過在每個預定的傾斜角度θL上使用CCD攝像機13，可獲得作為焊接構(gòu)件10a和10b的鍍鋅鋼板的對接部分的觀察圖像，并且基于如上所述所獲得的觀察圖像而制備了亮度變化的曲線圖，以評估通過圖像處理而提取出監(jiān)測元素、例如凹槽位置和間隙寬度的可能性。
結(jié)果，在閃光燈15的傾斜角度θL給定為25°，20°或15°的情況下，就獲得了如圖4E至圖4G的特征曲線圖中所示的亮度變化。
如從圖4(e)的特征曲線圖中可看出，θL等于25°，并且θL相對較接近θC，也就是說，CCD攝像機13和閃光燈15相對于其中法線14作為對稱軸線的對稱角度設置只偏離了5°。因此，與圖3B的特征曲線圖的情況相似，鍍鋅鋼板的表面上的規(guī)則反射分量是在從閃光燈15向鍍鋅鋼板照射之后入射到CCD攝像機13中的光的主要部分，其中θL等于35°，在亮度曲線圖上，由于產(chǎn)生暈影而存在更大的絕對亮度變化，從而難以通過圖像處理來檢測凹槽部分11的位置。
在其中θL等于20°的圖4F的特征曲線圖中，亮度變化相對比較收斂，這就表示由規(guī)則的反射所引起的暈影的影響受到極大的抑制。此外，如其中θL為15 °的圖4G的特征曲線圖中所示，在凹槽部分11附近的亮度上的暈影影響還得到進一步抑制。
如其中θL為40°的圖3C的特征曲線圖中所示，以及如其中θL為45°的圖3D的特征曲線圖中所示，當θL和θC之間的角度差異較大時，在從閃光燈15照射鍍鋅鋼板之后入射到CCD攝像機13中的光，主要并不是反射光，而是散射光中占主要部分。由鍍鋅鋼板的表面狀態(tài)所產(chǎn)生的反射比的減小，就平衡了入射到CCD攝像機13中的光的強度。如圖4F的特征曲線圖和圖4G的特征曲線圖中所示，亮度變化減小，從而使得難以基于亮度變化的谷底位置通過圖像處理來檢測凹槽部分11的位置。
相反，SUS構(gòu)件表面上更為光滑，并且比鍍鋅鋼板更大程度地規(guī)則地反射光。在實際的焊接和生產(chǎn)流水線上，可能處理的工件具有光滑度與SUS構(gòu)件相似的表面。
考慮到上面的實際情況，使用SUS構(gòu)件來替代上面的鍍鋅鋼板作為待觀察的焊接構(gòu)件10a和10b。在上述相似的實驗條件下，相對于閃光燈15的法線14的傾斜角度θL以每隔5°的間隔從30°變化至45°。每隔預定的傾斜角度θL，利用CCD攝像機獲得對兩個SUS焊接構(gòu)件10a和10b的對接部分的觀察圖像?；谌缤鲜鲥冧\鋼板那樣所獲得的單個的觀察圖像，而制備了指示亮度變化的曲線圖，從而可通過圖像處理來檢查提取出監(jiān)測元素、例如凹槽位置和間隙寬度的可能性。注意，除了使用SUS構(gòu)件作為焊接構(gòu)件10a和10b之外，其它條件與上述鍍鋅鋼板中所使用的那些條件是相同的。
結(jié)果，在閃光燈14的傾斜角度設置在30°，35°，40°或45°的各個情況下，就獲得了圖5H到圖5K的特征曲線圖。
如可從圖5H和圖5J的特征曲線圖中看出，圖中證實，當θL處于30°至40°的范圍內(nèi)時，將發(fā)生暈影。這是由于作為焊接構(gòu)件10a和10b的SUS構(gòu)件表面比鍍鋅鋼板更為光滑，并且在SUS構(gòu)件表面上從閃光燈15向SUS構(gòu)件照射之后進入CCD攝像機13中的入射光的規(guī)則反射分量變得非常大，因此，入射到CCD攝像機13的各像素中的光在亮度上就變得過高。在這種情況下，即使在試圖通過圖像處理來檢測凹槽部分11的位置時，也會由于整體過高的亮度，而難以檢測到凹槽部分11的位置。
相反，如圖5K的特征曲線圖中所示，其中θL等于45°，如在CCD攝像機13所形成的觀察圖像上的凹槽部分11附近的亮度變化所指示的那樣，暈影受到抑制，這就導致提供了一種可通過圖像處理來檢測凹槽部分11位置的亮度曲線圖。
考慮到這些實驗結(jié)果，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，即使在CCD攝像機13和閃光燈設置成在法線的兩側(cè)沿著凹槽部分11的焊接方向而在凹槽部分11之上彼此相向的情況下，當閃光燈15定位在相對于CCD攝像機對法線14的傾斜角度θC的對稱位置上，使得閃光燈的傾斜角度θL定位在相對于法線14作為對稱軸線，與CCD攝像機13對稱的角度設置偏離開±10°至20°范圍內(nèi)的角度上時，由于傾斜角度θL的原因，可防止從閃光燈15朝焊接構(gòu)件10a和10b照射的高亮度的照射光的規(guī)則反射分量直接地入射到CCD攝像機13中，并且可在由閃光燈15所照射的高亮度的照射光的散射光下，觀察焊接構(gòu)件10a和10b。
因此，在當前實施例所描述的焊接部分顯像方法和裝置中，用于對焊接部分12攝影的CCD攝像機13設置在相對于凹槽部分11上面的垂直平面內(nèi)的法線14預定的傾斜角度θC上，其中，上述焊接構(gòu)件10a和10b在凹槽部分11上進行對接焊接。
還提供了高亮度的閃光燈15，使得相對于法線14的角度設置在其中以法線14作為對稱軸線的與CCD攝像機13對稱的角度設置偏離±10°至20°的范圍內(nèi)。
根據(jù)上述焊接部分顯像方法和裝置，即使在厚度不同的焊接構(gòu)件10a和10b進行對接焊接而準備好焊接部分12的情況下，也可以防止在焊接部分12產(chǎn)生由于從閃光燈15照射的高亮度的照射光所引起的遮蔽區(qū)，這是因為閃光燈15設置在直接位于凹槽部分11上面的垂直焊接面內(nèi)。
此外，由于CCD攝像機13也設置在直接位于凹槽部分11上面的垂直的焊接面內(nèi)，因此，可以在不阻擋視場的條件下，利用CCD攝像機13對焊接部分12進行攝影。這即使在構(gòu)件10a和10b之間由于這些構(gòu)件的厚度差異而存在臺階的情況下也是如此。
更進一步說，其中照射在攝影照片上的從閃光燈15至焊接構(gòu)件10a和10b上的高亮度的照射光在焊接構(gòu)件10a和10b的表面上進行反射的規(guī)則反射分量，可被阻止直接入射到CCD攝像機13中，從而可以阻止在由CCD攝像機13對焊接部分12進行攝影的圖像上產(chǎn)生暈影。因此，可通過對焊接部分12的處理圖像而精確地提取出監(jiān)測元素，例如凹槽部分11的位置和間隙寬度。因此，還可以提高的精度來判斷焊接部分12是否是可接受的。
本發(fā)明并不局限于上述實施例，而是可適用于其中沒有厚度差異的焊接構(gòu)件替代待焊接的不同厚度的焊接構(gòu)件10a和10b進行對接焊接的情形。在這種情況下，可在這樣的狀態(tài)下對焊接部分進行觀察，即，來自閃光燈15的高亮度照射光在焊接構(gòu)件的表面上所反射的規(guī)則反射分量被阻止直接地入射到CCD攝像機13中。因此，可以防止在由CCD攝像機13對焊接部分12進行攝影的圖像上可能產(chǎn)生的暈影，并且還可通過處理焊接部分12的圖像，而精確地提取出監(jiān)測元素，例如凹槽部分的位置和間隙寬度。因此，就獲得了能夠以提高的精度來判斷焊接部分12是否是可接受的效果。
除了適用于制造拼接坯件以外，本發(fā)明還可適用于對焊接構(gòu)件的對接焊接部分進行觀察。此外，本發(fā)明可適用于對由除鍍鋅鋼板或SUS構(gòu)件之外的材料制成的焊接構(gòu)件10a與配對構(gòu)件10b的對接焊接部分進行觀察，并且還可適用于對用除激光焊接以外的方式進行焊接的焊接部分進行觀察。更進一步說，本發(fā)明還可適用于任何不偏離本發(fā)明要點的變型。
在上述實施例中，CCD攝像機用作攝像機。然而，可使用CMOS攝像機來代替CCD攝像機，其中CMOS(互補型金屬氧化物半導體)用作成像元件。此外，攝像機的快門并不限于任何電子快門，而是可使用任何機械快門，只要其快門速度足夠高即可。
此外，上述實施例覆蓋了厚度不同的焊接構(gòu)件10a和10b的對接焊接。然而，本發(fā)明可能不僅僅只適用于上面的對接焊接，而且適用于總體上因在焊接部分存在臺階而產(chǎn)生遮蔽區(qū)的任何焊接部分。例如，本發(fā)明可適用于在邊緣偏置的條件下將兩個焊接構(gòu)件重疊并焊接起來的場合，或者適用于在重疊的焊接部分形成臺階的場合。本發(fā)明還可適用于上述重疊焊接。
權(quán)利要求
1.一種用于對對接焊接部分進行攝影的焊接部分顯像方法，包括如下步驟設置一對待焊接的焊接板件，這是通過使相應的板件進行對接而形成焊接方向來進行的；將用于對所述對接焊接部分進行攝影的攝像機以相對于法線成預定的傾斜角度θC而設置在由一對待焊接的焊接板件所形成的凹槽線之上；將設置在所述凹槽線之上的照明光源以相對于作為對稱軸線的所述法線成角度θL的方式而設置在所述焊接線之上的位置；和在由所述照明光源所發(fā)射的高亮度光來照射所述焊接部分時，由所述攝像機對所述焊接部分進行攝影，其中，相對于所述攝像機對所述法線的角度θC，所述照明光源相對于所述法線的角度θL被設置為θL＝θC±10°至20°。
2.一種用于對在一對待焊接的焊接板件之間具有臺階的對接焊接部分進行攝影的焊接部分顯像方法，包括如下步驟設置一對焊接板件，這是通過使所述兩個板件對接形成焊接方向來進行的；將用于對所述對接焊接部分進行攝影的攝像機以相對于法線成預定的傾斜角度θC而設置在由一對待焊接的焊接板件所形成的凹槽線之上；將設置在所述凹槽線之上的照明光源以相對于作為對稱軸線的所述法線成角度θL的方式而設置在所述焊接線之上的位置；和在由所述照明光源所發(fā)射的高亮度光來照射所述焊接部分時，由所述攝像機對所述焊接部分進行攝影，其中，相對于所述攝像機對所述法線的角度θC，所述照明光源相對于所述法線的角度θL被設置為θC±10°至20°。
3.一種用于觀察焊接部分的焊接部分顯像裝置，包括用于對對接焊接部分進行攝影的攝像機，其相對于法線成預定的傾斜角度θC而設置在由一對待焊接的焊接板件所形成的凹槽線之上，和設置在所述凹槽線之上的照明光源，其相對于作為對稱軸線的所述法線形成角度θL，而設置在與所述攝像機對稱的位置，其中，相對于所述攝像機對所述法線的角度θC，所述照明光源相對于所述法線的角度θL被設置為θL＝θC±10°至20°，以用于在由所述照明光源來照射所述焊接部分時，由所述攝像機對所述焊接部分進行攝影。
4.一種用于對在一對待焊接的焊接板件之間具有臺階的焊接部分進行觀察的焊接部分顯像裝置，包括用于對焊接部分進行攝影的攝像機，其相對于法線成預定的傾斜角度θC而設置在由一對待焊接的焊接板件所形成的凹槽線之上，和設置在所述凹槽線之上的照明光源，其相對于作為對稱軸線的所述法線形成角度θL，而設置在與所述攝像機對稱的位置，其中，所述照明光源相對于所述法線的角度θL被設置為θL＝θC±10°至±20°，以用于在所述照明光源來照射所述焊接部分時，由所述攝像機對所述焊接部分進行攝影。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于對一對在它們之間具有臺階的待焊接的焊接構(gòu)件的對接焊接部分進行觀察的方法和裝置，其中不會由于臺階而受到遮蔽區(qū)的中斷。該裝置包括用于對焊接部分12進行攝影的CCD攝像機13，其設置在直接位于凹槽部分11之上的垂直平面內(nèi)，在凹槽部分11之上，厚度不同的焊接構(gòu)件10a和10b以相對于法線14成預定的傾斜角度地對接設置，閃光燈15設于直接位于凹槽部分11上面的垂直平面內(nèi)，在角度設置上，相對于以法線14作為對稱軸線的CCD攝像機的對稱角度設置而偏離±10°至20°，照射光從直接設置在凹槽部分11上面的閃光燈15中照射出來，從而消除了在待焊接的構(gòu)件10a與配對構(gòu)件10b的對接焊接部分12產(chǎn)生遮蔽區(qū)的可能性，因而防止了由閃光燈15照射焊接部分12的高亮度照射光的規(guī)則反射分量集中地入射到CCD攝像機13中，從而獲得焊接部分12的具有適合于圖像處理的亮度的圖像。
文檔編號B23K9/095GK101022915SQ20058003129
公開日2007年8月22日 申請日期2005年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月22日
發(fā)明者八木武人, 島輝行 申請人:石川島播磨重工業(yè)株式會社