专利名称：焊接部分显像方法和用于该方法的装置的制作方法
专利说明焊接部分显像方法和用于该方法的装置 本发明涉及用于观察焊接部分的焊接部分显像(visualization)方法和用于该方法的装置。在进行焊接操作时，出于控制和稳定焊接品质的目的，观察焊接部分是很重要的，焊接部分包括所产生的焊接熔池和其周边以及在焊接方向上朝前定位的凹槽。
然而，在焊接期间，用于焊接的光，例如激光，等离子体或电弧的散射光，会从焊接部分集中地发射出来。尤其在激光焊接或等离子焊接中，激光或等离子体的散射光强于从焊接熔池所发射出的光。因此，在试图通过利用装备了例如光学中性密度滤光片的摄像机对焊接部分进行摄影时，在部分焊接熔池中，会由于过量的光而产生晕影，从而使观察焊接熔池变得极其困难。在这些情况下，已经提出了一种利用摄像机的传统技术来作为用于监测焊接部分的方法，在这种摄像机中，强的(高亮度的)照明光源用于进行直接观察。
所提出的其中一种用于实现对这种焊接部分进行直接监测的方法包括气体密封的电弧焊接方法，其中，因为电弧光主要包括短波长范围内的强光，并且焊接熔池辐射出较长波长范围内的强光，所以，具有主要在近红外线区域的发光波长范围的光源可用于对焊接部分进行显像。更具体地说，所提议的方法使用例如具有600至800nm波长峰值的卤素灯等光源，在电弧焊接期间用来照射焊接熔池和其周边，并从而利用装备了具有550至700nm观察波长范围的滤光片的CCD摄像机，来对所照射的焊接部分进行摄影，这样，在阻挡包括构成电弧光区域的较短波长范围内的光时，利用接近从焊接熔池所发射的光的观察波长，可实现显像(例如参见专利文献1)。
此外，用于实现直接监测焊接部分的另一方法包括，由一种通过在强度上等于或在亮度上高于来自焊接熔池的光或散射光的照明光源间歇地向焊接部分发光的光源，装备了用于对焊接熔池和其周边进行摄影的高速快门的摄像机，以及定时装置(同步装置)所组成的方法，其中，定时装置用于使上述光源的照射定时与上述摄像机开/关快门的定时同步。在这个方法中，发射出在亮度上比来自焊接熔池的光亮度更高的光，以便从光源上面朝着底层构件上由焊炬形成的焊接熔池和其周边进行照射，从而将亮度上比焊接熔池它本身所发射的光和散射光更高的光传送到焊接熔池和其周边。同时，这就允许上述从熔融部分反射的高亮度的照射光通过与上面照明光源的照射定时同步的高速快门，而入射到摄像机中，而逆光，例如来自焊接部分的散射光通过闭合快门而被阻挡了，从而极大地减少了入射光的数量，这使得实现对焊接部分上的焊接熔池和其周边进行显像成为可能。
在这种情况下，用于高亮度地照射上述焊接部分的光源例如包括脉冲激光(例如参见专利文献2)，闪光灯例如氙气闪光灯(例如参见专利文献3)，以及与焊接部分所发射的等离子体光的波长范围不同的紫外线闪光灯(例如参见专利文献4)。
另外，还提出了一种装置，其中，上述脉冲激光用于间歇地高亮度地照射焊接部分，并且使用装备了高速快门的摄像机(CCD摄像机)对高亮度脉冲激光所照射的焊接部分进行摄影，从而使得焊接部分的直接观察成为可能。如图6A和图6B中所示，该装置包括用于对成形于焊炬1下面的焊接部分2进行摄影的CCD摄像机3。CCD摄像机3设置在平面设置中顺时针方向上的0°位置，其中焊接方向(焊接行进方向)设置在270°上，在垂直方向上相对于底层构件(待焊接的焊接构件)4的平直表面保持大约30°的倾斜角度。用于辐射脉冲激光发生器(未显示)所引导的脉冲激光6a的第一及第二激光辐射器5a和5b，其各放置在平面设置中顺时针方向上的20°至45°的范围内，其中焊接方向与上面相似设置在270°以上，以及315°至340°的范围内，在垂直方向上相对于底层构件4的平直表面保持30°至45°的倾斜角度，(例如参见专利文献5)。在这类装置中，可以减少当激光器5a，5b照射焊接部分时，由焊炬1造成的遮蔽区(shadow)的影响，从而减少焊炬1的遮蔽区对观察焊接部分2造成的影响。
此外，如图7A和7B中所示，提出了一种与上面相似的装置，其中，用于对焊接部分2摄影的CCD摄像机3设置在平面设置中顺时针方向上的0°位置，在垂直方向上相对于底层构件的表面保持30°的倾斜角度，其中焊接方向设置在顺时针方向上的270°位置，并且将一个脉冲激光辐射器5c放置在平面设置中135°至225°的范围内，其中，焊接方向与上面相似地设置在270°上，并且在垂直方向上相对于底层构件的表面保持30°至45°的倾斜角度(例如参见专利文献6)。
更进一步说，如图8中所示，提出了其中使用高亮度闪光灯作为照明光源来替代脉冲激光的另一装置。高亮度闪光灯7的两个单元设置在凹槽部分8的右边和左边，并且还提供了设有电子快门的用于对焊接部分摄影的高像素的CCD摄像机9，以便使CCD摄像机的电子快门的开/关与上面闪光灯7照射焊接部分的光的照射定时同步(例如参见专利文献7)。
根据这个装置，上述闪光灯7各用于高亮度地照射焊接熔池和其周边，从而传送强度上比焊接熔池它本身所发射的光或散射光更高的光。这还允许由上述电子快门高亮度照射的焊接部分的光入射到CCD摄像机9中，而逆光例如散射光通过关闭电子快门而被切断，从而极大地减少了入射光的量，使得对焊接部分的摄影成为可能。在这个装置中，在由CCD摄像机形成的焊接部分的图像上，沿着与凹槽部分8正交的方向而设置的一个像素阵列，用于计算各像素的亮度，从而参照设置在一个阵列上的各像素的亮度变化，而自动地检测凹槽部分8的位置。
其间，拼接坯件(tailored blank)技术是近年来为制造汽车车身而采用的其中一种技术。根据拼接坯件技术，在装配汽车车身时，有一些区域将板制厚以提高强度，用于确保安全，而其它区域不需要高的强度。厚的钢板只用于需要高强度的区域，而薄的钢板用于不需要高强度的区域，或者在一些区域根据强度需要而使用厚度相等但强度不同的钢板。多个厚度和强度不同的这些钢板在其被压缩之前焊接在一起，并将这些钢板连接在一起以生产出一张组合钢板，称为拼接坯件，并将拼接坯件用于压延工艺等，从而生产出汽车的车身板。
同根据传统方法制造的车身比较，上述拼接坯件技术的使用可以节省汽车的车身重量，传统方法使用厚度相同的钢板，并在需要特别高的强度的区域焊接上另加的压力构件，以用于增强强度。日本公布的未审查的专利申请No.H08-174217[专利文献2]日本公布的未审查的专利申请No.H11-179578[专利文献3]日本公布的未审查的专利申请No.H06-304754[专利文献4]日本公布的未审查的专利申请No.2001-12924[专利文献5]日本公布的未审查的专利申请No.2000-196924[专利文献6]日本公布的未审查的专利申请No.2000-184243[专利文献7]日本公布的未审查的专利申请No.2004-74264[发明公开][有待本发明来解决的问题]其间，在根据上面描述拼接坯件技术制造的拼接坯件时，厚度不同的钢板在需要时要进行对接焊接。当这些待焊接的厚度不同的构件进行对接焊接时，通过利用上述图6A和图6B中所示的用于观察焊接部分的装置，来观察对接焊接部分。在焊接构件与配对构件之间的对接焊接部分恐怕由于这些构件之间的厚度差异而可能产生遮蔽区，从而在焊接构件与配对构件之间的焊接部分形成台阶。这是因为各脉冲激光辐射器5a和5b设置在离焊接操作行进的纵向方向或凹槽部分延伸的方向而以平面方式偏离开预定角度的位置。
在图7A和图7B所示的焊接部分显像装置中，因为脉冲激光辐射器5c设置在离焊接操作行进的纵向方向或凹槽部分延伸的方向以平面方式偏离开预定角度的位置，所以，在焊接构件与厚度不同的配对构件之间的焊接部分可能会产生遮蔽区。
在图8所示的焊接部分显像装置中，由于闪光灯7设置在凹槽部分8的右边和左边，因此，恐怕在厚度不同的焊接构件的对接焊接部分处，可能会产生与这些构件之间的厚度差相关的遮蔽区。
如上所述，在传统的在厚度不同的焊接构件的对接焊接部分处产生遮蔽区的焊接部分显像装置中，可能会产生由图像处理作为监测元素而提取出的凹槽部分的间隙宽度被误判断为大于实际的间隙宽度，或者焊接构件的对接位置、即凹槽位置被误判断为偏离实际位置的问题。
具体地说，在最近常用于制造拼接坯件的厚度差很大的焊接构件的对接焊接部分处，上述遮蔽区的影响变得越来越突出，这就导致了对间隙宽度或凹槽位置的误判。
此外，在专利文献1，专利文献2，专利文献3和专利文献4的其中任何一个文献中，没有对设置照明光源和摄像机的相对位置进行特定描述。因此，对于照明光源和摄像机之间的相对位置关系没有提出建议。
考虑到上述情况而创造了本发明，并且本发明的一个目的是提供一种焊接部分显像方法和用于观察有待与厚度不同的配对构件焊接在一起的焊接构件的对接焊接部分的装置，其在没有遮蔽区影响的条件下用于制造拼接坯件。在本发明中，提供了一种能够解决上述问题的焊接部分显像装置。在焊接操作行进的焊接平面上，在凹槽部分的上面，用于对焊接部分摄影的摄像机以相对于法线在焊接方向上的预定角度而设置在焊接部分的后面。在凹槽部分的上面，照明光源还设置在以法线作为对称轴线相对于摄像机对称的位置上，并且将照明光源设置在离摄像机相对于法线的对称角度偏离±10°至20°的角度上。虽然焊接部分被设置在凹槽上面的照明光源照射，但是，上面焊接构件的焊接部分被上述摄像机进行摄影。
此外，提供了另一种用于解决问题的焊接部分显像装置，其中，用于对焊接部分摄影的摄像机设置成相对于焊接构件的凹槽部分的焊接线之后的法线成预定的倾斜角度。在凹槽部分的上面，照明光源也设置在摄像机关于法线对称的位置附近。照明光源相对于法线的角度在离摄像机关于法线的对称角度偏离±10°至20°的范围内。上述摄像机对由来自照明光源的高亮度的光所照射的焊接部分进行摄影。
此外，本发明提供了一种焊接部分显像装置，其中，用于对焊接部分摄影的摄像机以相对于涉及焊接面的法线成预定的倾斜角度而设置在焊接构件的凹槽部分的上面。照明光源还设置在凹槽部分的上面与上述摄像机对称的位置上。法线被给定为对称轴线，并且照明光源通过相对于摄像机关于法线对称的位置偏离±10°至20°而设置在相对于法线的角度上。
另外，本发明提供另一种焊接部分显像装置。用于对对接焊接部分摄影的摄像机由于焊接构件的厚度差而具有台阶。照明光源设置在摄像机关于法线对称的位置上。照明光源设置在与上述摄像机对称的凹槽部分的上面。法线被给定为对称轴线，并且照明光源设置在相对于摄像机对法线的角度而偏移±10°至20°的位置上。根据本发明，实现了如下有利的效果。
(1)在紧邻凹槽的上面，在焊接构件的对接焊接部分附近或在由于焊接构件厚度不同而具有台阶的焊接部分附近，摄像机设置成相对于焊接部分的法线成预定的倾斜角度，并且照明光源以相对于摄像机对法线的设置角度偏离±10°至20°的角度，而设置在摄像机关于以法线作为对称轴线的对称位置附近，从而可以防止产生与由于待焊接构件的厚度差所引起的台阶相关的遮蔽区。
(2)此外，由于摄像机设置在凹槽的上面，因此焊接部分可被顺利地摄影，而没有视场被台阶阻挡。
(3)因此，可除去受到遮蔽区影响的部位，并实现对焊接部分精确的观察，(4)此外，从照明光源朝焊接部分照射的高亮度照射光的规则反射分量被阻止入射到摄像机中，因此不会引起与物体的表面状态上的任何变化相关的晕影等等，以便稳定地观察焊接部分。
(5)因此，在观察焊接部分期间，可以消除在焊接部分形成的台阶的影响，并且还可提供焊接构件表面状态上的更大灵活性，而不管是否存在台阶。因此，可以稳定地提取监测元素，例如凹槽部分的位置和间隙宽度，从而以提高的精度来判断焊接部分是否是可接受的。
图1A是显示了本发明的一个实施例中所述的焊接部分显像装置的主要构造的侧视图，而图1B是沿着上面图1A中的剖面线-的剖视图。
图2是显示了用于确定上面图1A中给出的焊接部分显像装置中的CCD摄像机位置和闪光灯位置的装置(实验装置)的示意性的侧视图。
图3显示了镀锌钢板用作上面图2所示实验装置的焊接构件的实验结果，其中，图3A至3D是显示了当照明光源的角度θL相对于法线从30°变化至45°时，由像素检测到的亮度变化的亮度曲线图，所述像素在CCD摄像机的图像上设置在以直角与凹槽部分相交的正交方向上。
图4显示了镀锌钢板用作上面图2所示实验装置的焊接构件的实验结果，其中，图4E至3E是显示了当照明光源的角度θL相对于法线从15°变化至25°时，由像素检测到的亮度变化的亮度曲线图，所述像素设置在CCD摄像机的图像上以直角与凹槽部分相交的方向上。
图5显示了SUS板用作上面图2所示实验装置的焊接构件的实验结果，其中，图5H至5K是显示了当照明光源的角度θL相对于法线从30°变化至45°时，由像素检测到的亮度变化的亮度曲线图，所述像素设置在CCD摄像机的图像上以直角与凹槽部分相交的方向上。
图6A是显示了传统焊接部分显像装置的一个示例的示意图，而图6B是沿着上图6A中的剖面线B-B的剖视图。
图7A是显示了传统焊接部分显像装置的另一示例的示意图，而图7B是沿着上图7A中的剖面线C-C的剖视图。
图8是显示了传统焊接部分显像装置的另一示例的示意图。10a和10b待对接焊接的焊接构件11凹槽部分(凹槽)12焊接部分13CCD摄像机(摄像机)14法线15闪光灯(照明光源)以下，将参照附图对用于实现本发明的最佳模式进行说明。
图1A和图1B显示了用于观察厚度不同的焊接构件的焊接部分的当前实施例的焊接部分显像装置的主要构造元件。
也就是说，在这种焊接部分显像装置中，装备了电子快门的用于对激光焊炬(未显示)所形成的焊接部分12进行摄影的高像素的CCD摄像机13设置在直接位于凹槽部分11上的垂直平面内。在凹槽部分11处，厚度不同的焊接构件10a和10b进行对接焊接，这样摄像机13相对于各焊接构件10a和10b的法线14在焊接平面中以预定的倾斜角度(θC)设置在焊接方向的后面，使得对焊接部分的观察不会受到激光焊炬的中断。
此外，这种焊接部分显像装置装备了高亮度的闪光灯15作为照明光源，其定位在摄像机的对称角度上，离垂直平面内的CCD摄像机13定位在相对于给定为对称轴线来进行观察的法线14偏离+10°至20°和-10°至-20°范围内的对称角度下，也就是说，闪光灯15设置成使得高亮度的闪光灯15在焊接操作行进的焊接方向上相对于法线14倾斜一个角度θL，所述θL设置成可满足这样的条件，即，相对于CCD摄像机13对法线14的角度θC满足θL＝θC±10°至20°的关系。
标号12a表示焊道。在上面描述中，闪光灯15设置在相对于焊接平面的焊接方向的前面，或者CCD摄像机13设置在焊接表面的焊接方向的后面。然而，CCD摄像机13和闪光灯15可设置成相对于焊接平面中的焊接方向是相反的。此外，虽然没有显示，但是，这个焊接部分显像装置可装备有用于使CCD摄像机13的电子快门的开/关定时与闪光灯15发光间隔同步的定时装置。
如同图7A和图7B中所示的传统焊接部分显像装置一样，根据这种焊接部分显像装置，闪光灯15用于高亮度地照射焊接熔池和其周边，从而提供在强度上比焊接熔池本身所发射的光或散射光更高的光。同时，来自被高亮度照射的焊接部分12的光允许利用电子快门而入射到CCD摄像机13，而逆光例如散射光通过电子快门的闭合而切断，从而极大地减少了入射光的量，从而获得了焊接部分12的图像。
在这种情况下，将参照用于设置闪光灯15的角度条件来进行详细说明。
本发明人构思出，当厚度不同的焊接构件10a和10b的对接焊接部分12以高亮度照射时，闪光灯15的其中一个光源单元直接设置在凹槽部分11的上面，从而不会在焊接部分12上产生遮蔽区。此外，本发明人构思出，CCD摄像机13也直接设置在凹槽部分11的上面，使得厚度不同的焊接构件10a和10b的对接焊接部分12可在视场没有被由于在待焊接的构件10a和10b之间的厚度差异而形成的台阶阻挡的条件下，被进行摄影和观察。
如上所述，CCD摄像机13和属于光源的闪光灯15都直接设置在凹槽部分11的上面或直接设置在凹槽部分11上的垂直平面内，在许多情况下，焊炬例如激光焊炬设置在焊接部分12的上面。因此，就空间而言，难以将CCD摄像机13和闪光灯15一起只放置在相对于焊接方向、即相对于焊炬形戍凹槽部分的焊接方向的前面或后面。在这些情况下，在这种焊接部分显像装置中，CCD摄像机13和闪光灯15分开地设置在相对于直接在凹槽部分11上面的垂直平面内进行焊接操作的焊接方向的前面或后面。
在其中CCD摄像机13和闪光灯15设置成如上所述沿着凹槽部分11而在焊接部分12的中心彼此面向的情况下，本发明人已经利用CCD摄像机13，通过改变闪光灯15的照射角度而实现了对焊接部分12的观察。
已经发现，当CCD摄像机13和闪光灯15以对称角度设置在法线14的两边时，从闪光灯15至焊接部分12的高亮度照射的光在焊接构件10a和10b的表面上进行规则反射的所谓的规则反射分量，被允许集中地入射到CCD摄像机13中，由此，在进行图像处理以检测例如凹槽位置的非所需状态下，就生成了由CCD摄像机13进行摄影的焊接部分12的观察图像。
为了解决这个问题，本发明人实施了以下实验，并展示了CCD摄像机13和闪光灯15的合适设置，以获得适合用于图像处理的焊接部分的观察图像。
图2显示了用于本发明人所实施的当前实验的装置(实验装置)的构造。在这个实验装置中，镀锌钢板材用作焊接构件10a和10b，并且CCD摄像机13设置成使得在与凹槽部分11相对应的镀锌钢板的对接部分上面的垂直平面内，相对于法线14的倾斜角度θC为θC＝30°。在这种情况下，闪光灯15设置在法线14之后的相对侧，使得相对于法线14的倾斜角度θL可以每次5°的间隔从30°变化至45°，从而通过在各个预定的倾斜角度θL上使用CCD摄像机13，而获得替代了焊接构件10a和10b的镀锌钢板与配对构件的对接部分的观察图像。
之后，本发明人利用CCD摄像机13为沿着与带配对构件(凹槽部分11)的镀锌钢板的对接部分正交的方向而设置在焊接部分图像上的像素阵列的各像素确定亮度，并对各观察图像进行图像处理，以检测凹槽部分11的位置。通过相对于设置在上述一个阵列中的各像素的位置来绘制各像素亮度，从而制备了一系列显示了亮度变化的线图，以便通过图像处理而提取出监测元素，例如凹槽位置和间隙宽度。
除了CCD摄像机13和闪光灯15的设置角度之外，条件建立如下摄像机位置，从图像元素的表面至待观察的物体达250mm；透镜孔径，F22.6；电子快门，1/13400秒；闪光灯的光量，在入射透镜(准直透镜)的末端为4.0mJ；闪光灯位置，从入射透镜的末端至待观察的物体的位置达200mm。
结果，就获得了一系列曲线图，其显示了在其中闪光灯15的倾斜角度θL设置在30°、35°、40°或45°时的情况下，如图3A至图3D的特征曲线图给出的亮度变化。如图3的特征曲线图所示，在θL等于30°，即θL等于θC时，发现在作为焊接构件10a和10b的镀锌钢板的平直部分出现大的规则反射，从而导致晕影或亮度波动，并显示了斑点光样的倾向或各像素在亮度上更大的变化。
这是由于CCD摄像机13和闪光灯15设置在其中法线14作为对称轴线的对称角度上，在从闪光灯15向镀锌钢板照射之后进入CCD摄像机15中的入射光在镀锌钢板上进行规则反射分量占主要优势，由于这个原因，亮度分布直接受到在镀锌钢板表面上的不规则性、由于镀锌量的变化而引起的反射比差异、以及由于应用于钢板表面上的油量变化而引起的反射比差异的影响。当通过图像处理来检测凹槽部分11的位置时，在许多情况下，将亮度变化的谷底确定为凹槽部分。出于这个原因，如图3A的特征曲线图中所示，在整个像素位置范围内存在较大的亮度波动，就难以通过图像处理来检测凹槽部分11的位置。
在其中θL等于35°的图3B的特征曲线图中，同上面θL等于30°的情况比较，亮度波动下降了。然而，即使这样，还是发现较大的绝对亮度波动，并且难以通过图像处理来检测凹槽部分11的位置。
如其中θL等于40°的图3C中所示，亮度变化得到极大的收敛。此外，如其中θL等于45°的图3D的特征曲线图中所示，显现在CCD摄像机13的观察图像上的镀锌钢板的表面粗糙度被最大程度地抑制。同时，基本上防止了在凹槽部分11附近可能产生的晕影，并且降低了亮度变化。
这是由于在θL和θC之间存在增大的角度差异。在从闪光灯15向镀锌钢板照射之后入射到CCD摄像机13中的光，并不包括反射分量，而主要包括散射光，因此，就减少了由于上述镀锌钢板的表面状态所引起的反射比差异的影响，并平衡了入射到CCD摄像机13中的光的强度。
如上所述，在图3D的特征曲线图中，相对于除凹槽部分11的位置之外的其它像素的相对较平衡的亮度而言，与凹槽部分11相对应的位置上的像素的亮度得以极大地减小，并且显示了亮度曲线图中的变化较大的谷底，其被认为适合于通过图像处理来检测凹槽部分11的位置。
接下来，在相同的上述实验条件下，相对于闪光灯15的法线14的倾斜角度θL以每隔5°的间隔从25°变化至15°。通过在每个预定的倾斜角度θL上使用CCD摄像机13，可获得作为焊接构件10a和10b的镀锌钢板的对接部分的观察图像，并且基于如上所述所获得的观察图像而制备了亮度变化的曲线图，以评估通过图像处理而提取出监测元素、例如凹槽位置和间隙宽度的可能性。
结果，在闪光灯15的倾斜角度θL给定为25°，20°或15°的情况下，就获得了如图4E至图4G的特征曲线图中所示的亮度变化。
如从图4(e)的特征曲线图中可看出，θL等于25°，并且θL相对较接近θC，也就是说，CCD摄像机13和闪光灯15相对于其中法线14作为对称轴线的对称角度设置只偏离了5°。因此，与图3B的特征曲线图的情况相似，镀锌钢板的表面上的规则反射分量是在从闪光灯15向镀锌钢板照射之后入射到CCD摄像机13中的光的主要部分，其中θL等于35°，在亮度曲线图上，由于产生晕影而存在更大的绝对亮度变化，从而难以通过图像处理来检测凹槽部分11的位置。
在其中θL等于20°的图4F的特征曲线图中，亮度变化相对比较收敛，这就表示由规则的反射所引起的晕影的影响受到极大的抑制。此外，如其中θL为15 °的图4G的特征曲线图中所示，在凹槽部分11附近的亮度上的晕影影响还得到进一步抑制。
如其中θL为40°的图3C的特征曲线图中所示，以及如其中θL为45°的图3D的特征曲线图中所示，当θL和θC之间的角度差异较大时，在从闪光灯15照射镀锌钢板之后入射到CCD摄像机13中的光，主要并不是反射光，而是散射光中占主要部分。由镀锌钢板的表面状态所产生的反射比的减小，就平衡了入射到CCD摄像机13中的光的强度。如图4F的特征曲线图和图4G的特征曲线图中所示，亮度变化减小，从而使得难以基于亮度变化的谷底位置通过图像处理来检测凹槽部分11的位置。
相反，SUS构件表面上更为光滑，并且比镀锌钢板更大程度地规则地反射光。在实际的焊接和生产流水线上，可能处理的工件具有光滑度与SUS构件相似的表面。
考虑到上面的实际情况，使用SUS构件来替代上面的镀锌钢板作为待观察的焊接构件10a和10b。在上述相似的实验条件下，相对于闪光灯15的法线14的倾斜角度θL以每隔5°的间隔从30°变化至45°。每隔预定的倾斜角度θL，利用CCD摄像机获得对两个SUS焊接构件10a和10b的对接部分的观察图像。基于如同上述镀锌钢板那样所获得的单个的观察图像，而制备了指示亮度变化的曲线图，从而可通过图像处理来检查提取出监测元素、例如凹槽位置和间隙宽度的可能性。注意，除了使用SUS构件作为焊接构件10a和10b之外，其它条件与上述镀锌钢板中所使用的那些条件是相同的。
结果，在闪光灯14的倾斜角度设置在30°，35°，40°或45°的各个情况下，就获得了图5H到图5K的特征曲线图。
如可从图5H和图5J的特征曲线图中看出，图中证实，当θL处于30°至40°的范围内时，将发生晕影。这是由于作为焊接构件10a和10b的SUS构件表面比镀锌钢板更为光滑，并且在SUS构件表面上从闪光灯15向SUS构件照射之后进入CCD摄像机13中的入射光的规则反射分量变得非常大，因此，入射到CCD摄像机13的各像素中的光在亮度上就变得过高。在这种情况下，即使在试图通过图像处理来检测凹槽部分11的位置时，也会由于整体过高的亮度，而难以检测到凹槽部分11的位置。
相反，如图5K的特征曲线图中所示，其中θL等于45°，如在CCD摄像机13所形成的观察图像上的凹槽部分11附近的亮度变化所指示的那样，晕影受到抑制，这就导致提供了一种可通过图像处理来检测凹槽部分11位置的亮度曲线图。
考虑到这些实验结果，本发明人已经发现，即使在CCD摄像机13和闪光灯设置成在法线的两侧沿着凹槽部分11的焊接方向而在凹槽部分11之上彼此相向的情况下，当闪光灯15定位在相对于CCD摄像机对法线14的倾斜角度θC的对称位置上，使得闪光灯的倾斜角度θL定位在相对于法线14作为对称轴线，与CCD摄像机13对称的角度设置偏离开±10°至20°范围内的角度上时，由于倾斜角度θL的原因，可防止从闪光灯15朝焊接构件10a和10b照射的高亮度的照射光的规则反射分量直接地入射到CCD摄像机13中，并且可在由闪光灯15所照射的高亮度的照射光的散射光下，观察焊接构件10a和10b。
因此，在当前实施例所描述的焊接部分显像方法和装置中，用于对焊接部分12摄影的CCD摄像机13设置在相对于凹槽部分11上面的垂直平面内的法线14预定的倾斜角度θC上，其中，上述焊接构件10a和10b在凹槽部分11上进行对接焊接。
还提供了高亮度的闪光灯15，使得相对于法线14的角度设置在其中以法线14作为对称轴线的与CCD摄像机13对称的角度设置偏离±10°至20°的范围内。
根据上述焊接部分显像方法和装置，即使在厚度不同的焊接构件10a和10b进行对接焊接而准备好焊接部分12的情况下，也可以防止在焊接部分12产生由于从闪光灯15照射的高亮度的照射光所引起的遮蔽区，这是因为闪光灯15设置在直接位于凹槽部分11上面的垂直焊接面内。
此外，由于CCD摄像机13也设置在直接位于凹槽部分11上面的垂直的焊接面内，因此，可以在不阻挡视场的条件下，利用CCD摄像机13对焊接部分12进行摄影。这即使在构件10a和10b之间由于这些构件的厚度差异而存在台阶的情况下也是如此。
更进一步说，其中照射在摄影照片上的从闪光灯15至焊接构件10a和10b上的高亮度的照射光在焊接构件10a和10b的表面上进行反射的规则反射分量，可被阻止直接入射到CCD摄像机13中，从而可以阻止在由CCD摄像机13对焊接部分12进行摄影的图像上产生晕影。因此，可通过对焊接部分12的处理图像而精确地提取出监测元素，例如凹槽部分11的位置和间隙宽度。因此，还可以提高的精度来判断焊接部分12是否是可接受的。
本发明并不局限于上述实施例，而是可适用于其中没有厚度差异的焊接构件替代待焊接的不同厚度的焊接构件10a和10b进行对接焊接的情形。在这种情况下，可在这样的状态下对焊接部分进行观察，即，来自闪光灯15的高亮度照射光在焊接构件的表面上所反射的规则反射分量被阻止直接地入射到CCD摄像机13中。因此，可以防止在由CCD摄像机13对焊接部分12进行摄影的图像上可能产生的晕影，并且还可通过处理焊接部分12的图像，而精确地提取出监测元素，例如凹槽部分的位置和间隙宽度。因此，就获得了能够以提高的精度来判断焊接部分12是否是可接受的效果。
除了适用于制造拼接坯件以外，本发明还可适用于对焊接构件的对接焊接部分进行观察。此外，本发明可适用于对由除镀锌钢板或SUS构件之外的材料制成的焊接构件10a与配对构件10b的对接焊接部分进行观察，并且还可适用于对用除激光焊接以外的方式进行焊接的焊接部分进行观察。更进一步说，本发明还可适用于任何不偏离本发明要点的变型。
在上述实施例中，CCD摄像机用作摄像机。然而，可使用CMOS摄像机来代替CCD摄像机，其中CMOS(互补型金属氧化物半导体)用作成像元件。此外，摄像机的快门并不限于任何电子快门，而是可使用任何机械快门，只要其快门速度足够高即可。
此外，上述实施例覆盖了厚度不同的焊接构件10a和10b的对接焊接。然而，本发明可能不仅仅只适用于上面的对接焊接，而且适用于总体上因在焊接部分存在台阶而产生遮蔽区的任何焊接部分。例如，本发明可适用于在边缘偏置的条件下将两个焊接构件重叠并焊接起来的场合，或者适用于在重叠的焊接部分形成台阶的场合。本发明还可适用于上述重叠焊接。
权利要求
1.一种用于对对接焊接部分进行摄影的焊接部分显像方法，包括如下步骤设置一对待焊接的焊接板件，这是通过使相应的板件进行对接而形成焊接方向来进行的；将用于对所述对接焊接部分进行摄影的摄像机以相对于法线成预定的倾斜角度θC而设置在由一对待焊接的焊接板件所形成的凹槽线之上；将设置在所述凹槽线之上的照明光源以相对于作为对称轴线的所述法线成角度θL的方式而设置在所述焊接线之上的位置；和在由所述照明光源所发射的高亮度光来照射所述焊接部分时，由所述摄像机对所述焊接部分进行摄影，其中，相对于所述摄像机对所述法线的角度θC，所述照明光源相对于所述法线的角度θL被设置为θL＝θC±10°至20°。
2.一种用于对在一对待焊接的焊接板件之间具有台阶的对接焊接部分进行摄影的焊接部分显像方法，包括如下步骤设置一对焊接板件，这是通过使所述两个板件对接形成焊接方向来进行的；将用于对所述对接焊接部分进行摄影的摄像机以相对于法线成预定的倾斜角度θC而设置在由一对待焊接的焊接板件所形成的凹槽线之上；将设置在所述凹槽线之上的照明光源以相对于作为对称轴线的所述法线成角度θL的方式而设置在所述焊接线之上的位置；和在由所述照明光源所发射的高亮度光来照射所述焊接部分时，由所述摄像机对所述焊接部分进行摄影，其中，相对于所述摄像机对所述法线的角度θC，所述照明光源相对于所述法线的角度θL被设置为θC±10°至20°。
3.一种用于观察焊接部分的焊接部分显像装置，包括用于对对接焊接部分进行摄影的摄像机，其相对于法线成预定的倾斜角度θC而设置在由一对待焊接的焊接板件所形成的凹槽线之上，和设置在所述凹槽线之上的照明光源，其相对于作为对称轴线的所述法线形成角度θL，而设置在与所述摄像机对称的位置，其中，相对于所述摄像机对所述法线的角度θC，所述照明光源相对于所述法线的角度θL被设置为θL＝θC±10°至20°，以用于在由所述照明光源来照射所述焊接部分时，由所述摄像机对所述焊接部分进行摄影。
4.一种用于对在一对待焊接的焊接板件之间具有台阶的焊接部分进行观察的焊接部分显像装置，包括用于对焊接部分进行摄影的摄像机，其相对于法线成预定的倾斜角度θC而设置在由一对待焊接的焊接板件所形成的凹槽线之上，和设置在所述凹槽线之上的照明光源，其相对于作为对称轴线的所述法线形成角度θL，而设置在与所述摄像机对称的位置，其中，所述照明光源相对于所述法线的角度θL被设置为θL＝θC±10°至±20°，以用于在所述照明光源来照射所述焊接部分时，由所述摄像机对所述焊接部分进行摄影。
全文摘要
本发明提供了一种用于对一对在它们之间具有台阶的待焊接的焊接构件的对接焊接部分进行观察的方法和装置，其中不会由于台阶而受到遮蔽区的中断。该装置包括用于对焊接部分12进行摄影的CCD摄像机13，其设置在直接位于凹槽部分11之上的垂直平面内，在凹槽部分11之上，厚度不同的焊接构件10a和10b以相对于法线14成预定的倾斜角度地对接设置，闪光灯15设于直接位于凹槽部分11上面的垂直平面内，在角度设置上，相对于以法线14作为对称轴线的CCD摄像机的对称角度设置而偏离±10°至20°，照射光从直接设置在凹槽部分11上面的闪光灯15中照射出来，从而消除了在待焊接的构件10a与配对构件10b的对接焊接部分12产生遮蔽区的可能性，因而防止了由闪光灯15照射焊接部分12的高亮度照射光的规则反射分量集中地入射到CCD摄像机13中，从而获得焊接部分12的具有适合于图像处理的亮度的图像。
文档编号B23K9/095GK101022915SQ20058003129
公开日2007年8月22日 申请日期2005年7月21日 优先权日2004年7月22日
发明者八木武人, 岛辉行 申请人:石川岛播磨重工业株式会社