專利名稱：用于確定焊縫端部的形狀的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于確定通過用焊接激光照射焊接材料而形成的焊縫(焊接部) 端部(終端部)的形狀的設(shè)備和方法。更具體地，本發(fā)明涉及一種激光搭焊中的運(yùn)算法則， 在剛焊接后至來自金屬端的熱發(fā)光消失之前的非常短的時(shí)間內(nèi)用高速照相機(jī)捕獲焊縫的端部的圖像，并且基于捕獲的圖像確定在焊縫的端部是否存在洞(hole)。
背景技術(shù)：
迄今為止，已經(jīng)提出了在諸如激光焊接等焊接中通過由照相機(jī)、光學(xué)傳感器等獲得來自焊縫區(qū)域(焊接區(qū)域)的信號(hào)并且分析檢測(cè)到的信號(hào)，以檢測(cè)焊接缺陷的方法(例如，JP2007-326134A(以下稱為專利文獻(xiàn)1)和JP2005-230913A(以下稱為專利文獻(xiàn)2))。在專利文獻(xiàn)1中，通過在焊接過程中使用熱輻射傳感器與反射傳感器獲取來自焊點(diǎn)的信號(hào)，然后通過將檢測(cè)到的信號(hào)隨時(shí)間的變化與和焊接條件相關(guān)的參考數(shù)據(jù)的表進(jìn)行比較，以確定是否存在合格的焊接。因此，專利文獻(xiàn)1中公開的方法防止了焊接后的焊接裂縫或焊接缺陷。此外，在專利文獻(xiàn)2中，用測(cè)量光束照射焊接區(qū)域，并且將焊接后立即獲得的溫度信號(hào)與實(shí)驗(yàn)上獲得的上下溫度極限進(jìn)行比較。然后，在專利文獻(xiàn)2中，通過計(jì)算溫度信號(hào)超過上下溫度極限的次數(shù)確定焊接缺陷。圖11示出了在激光焊接中使用照相機(jī)、光學(xué)傳感器等從焊縫區(qū)域連續(xù)地檢測(cè)出信號(hào)的情況的示例。如圖11所示，已知如專利文獻(xiàn)1中的使用檢測(cè)到的信號(hào)的確定方法涉及如下現(xiàn)象在焊縫區(qū)域的端部，當(dāng)焊接激光照射和焊縫區(qū)域監(jiān)控停止時(shí)，在焊縫的端部檢測(cè)到的信號(hào)非常大地變化。由于這個(gè)原因，存在在焊縫區(qū)域的端部處的焊接缺陷不能用與焊接過程中使用的相同的確定方法而確定的問題。此外，專利文獻(xiàn)2中公開的方法基于焊接剛結(jié)束時(shí)獲得的溫度信號(hào)超過極限值的次數(shù)而確定焊接缺陷。在該方法中，根本不觀察焊縫區(qū)域的端部本身的形狀。由于這個(gè)原因，不能精確地確定在焊縫區(qū)域的端部的焊接缺陷。此外，專利文獻(xiàn)2中公開的方法還需要照射除焊接激光之外的測(cè)量激光的設(shè)備，這引起了設(shè)備的成本增加的問題。圖12A與12B示出了用照相機(jī)捕獲的焊縫區(qū)域的端部的圖像。圖12A示出了在焊縫區(qū)域的端部具有洞缺陷的圖像，而圖12B示出了焊接正常地完成的情況下的圖像。如圖 12A所示，當(dāng)在焊縫區(qū)域的端部存在洞缺陷時(shí)，焊縫區(qū)域的端部在焊縫的延伸方向上形成凹入的。另一方面，如圖12B所示，當(dāng)焊接正常地完成時(shí)，在焊縫的延伸方向上焊縫區(qū)域的端部形成凸出的。同時(shí)，此前已提出了在焊接過程完全完成之后檢查焊縫區(qū)域的端部的洞缺陷的方法。例如，在所謂的背光類型檢查方法(backlight type examination method)中，在激光焊接處理完全完成后，照明燈在單獨(dú)的步驟中從背面照射到焊縫表面，并且通過檢測(cè)泄漏到前方的光確定洞缺陷的存在。然而，由于增加了焊接完成后作為額外步驟的檢查工序，所以該方法存在降低生產(chǎn)效率的問題。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到上述問題而作出本發(fā)明。本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種用于確定焊縫端部的形狀的設(shè)備和方法，其能夠在焊接處理的同時(shí)捕獲焊縫區(qū)域的圖像，并且在焊接處理剛完成后的很短時(shí)間內(nèi)高精度地確定焊縫端部的洞缺陷。本申請(qǐng)的發(fā)明者發(fā)現(xiàn)，在焊接處理剛完成時(shí)，在克服焊接激光照射單元的低透射比的同時(shí)，可以從焊接材料觀察出一定量的金屬熱發(fā)光。因此，發(fā)明者發(fā)現(xiàn)了用照相機(jī)等捕獲圖像并且利用圖像來確定洞缺陷的方法。在專利文獻(xiàn)1中公開的傳統(tǒng)的方法中，由于圖像是焊接處理之后的，所以該圖像被認(rèn)為是不需要的。本申請(qǐng)的發(fā)明者提出了之前不為人知的，關(guān)注焊接處理剛完成時(shí)的圖像并且執(zhí)行特征形狀確定，能夠在焊接處理后的很短時(shí)間內(nèi)(實(shí)質(zhì)上，在焊接處理時(shí))執(zhí)行洞缺陷檢查的設(shè)備和方法。根據(jù)本發(fā)明，為了解決上述傳統(tǒng)技術(shù)的問題，提供了一種用于確定焊縫端部(終端部)的形狀的設(shè)備，通過用焊接激光照射焊接材料而形成所述焊縫，所述設(shè)備包括激光照射單元，其用于將焊接激光照射到所述焊接材料；監(jiān)控單元，其用于連續(xù)地捕獲所述焊接材料的由焊接激光照射的部分的圖像；存儲(chǔ)單元，其用于存儲(chǔ)由所述監(jiān)控單元捕獲的圖像； 圖像提取(extraction)單元，其用于在圖像內(nèi)的平均亮度等于或小于預(yù)定圖像提取閾值時(shí)從所述存儲(chǔ)單元提取所述圖像；焊縫識(shí)別單元，其用于識(shí)別由所述圖像提取單元提取的圖像中的焊縫區(qū)域；以及焊縫形狀確定單元，其用于基于由所述焊縫識(shí)別單元識(shí)別的焊縫區(qū)域計(jì)算焊縫區(qū)域的端部的位置，并且用于確定焊縫區(qū)域的端部的形狀在焊縫區(qū)域的延伸方向上是凸出的還是凹入的。此外，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的另一方面，所述監(jiān)控單元包括第一監(jiān)控裝置，其用于捕獲焊接過程中的圖像；第二監(jiān)控裝置，其用于捕獲焊接過程完成后的圖像；以及分光裝置，其用于將來自由焊接激光照射的部分的光分為沿朝向所述第一監(jiān)控裝置和朝向所述第二監(jiān)控裝置這兩個(gè)方向的光束，被導(dǎo)入到所述第一監(jiān)控裝置的光束的光量小于被導(dǎo)入到所述第二監(jiān)控裝置的光束的光量。此外，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的另一方面，所述焊縫識(shí)別單元包括區(qū)域識(shí)別模塊，其用于將圖像內(nèi)的均具有等于或大于預(yù)定區(qū)域識(shí)別閾值的亮度的區(qū)域確定為焊縫區(qū)域候選; 以及確定模塊，其用于基于所述焊縫區(qū)域候選的長寬比確定每個(gè)所述焊縫區(qū)域候選是否是焊縫區(qū)域。此外，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的另一方面，所述焊縫形狀確定單元包括代表點(diǎn)計(jì)算模塊，其用于計(jì)算焊縫區(qū)域的代表點(diǎn)；中心位置計(jì)算模塊，其用于計(jì)算焊縫區(qū)域的端部的中心位置；中間點(diǎn)計(jì)算模塊，其用于計(jì)算焊縫區(qū)域的所述代表點(diǎn)與焊縫區(qū)域的端部的所述中心位置之間的中間點(diǎn)；直線計(jì)算模塊，其用于計(jì)算兩條直線，該兩條直線在連接所述中心位置和所述中間點(diǎn)的線的兩側(cè)彼此平行地延伸并且與焊縫區(qū)域的端部的外周部相交；以及曲率計(jì)算模塊，其用于計(jì)算所述兩條直線和端部的外周部之間的交點(diǎn)，基于所述交點(diǎn)和所述中心位置計(jì)算彎曲度，然后通過使用所述彎曲度確定焊縫區(qū)域的端部的形狀是凸出的還是凹入的。此外，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的另一方面，所述彎曲度是從將所述交點(diǎn)彼此連接的線至所述中心位置的距離。此外，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的另一方面，當(dāng)所述圖像提取單元提取出多個(gè)圖像時(shí)，所述曲率計(jì)算模塊通過使用從所述多個(gè)圖像獲得的彎曲度的平均值確定焊縫區(qū)域的端部的形狀是凸出的還是凹入的。此外，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于確定焊縫端部的形狀的方法，通過用焊接激光照射焊接材料而形成所述焊縫。所述方法包括將焊接激光照射到所述焊接材料；隨時(shí)間過程捕獲所述焊接材料的由焊接激光照射的部分的圖像；將圖像存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元；在圖像內(nèi)的平均亮度等于或小于預(yù)定圖像提取閾值時(shí)從所述存儲(chǔ)單元提取所述圖像；識(shí)別從所述存儲(chǔ)單元提取出的圖像中的焊縫區(qū)域；以及基于所識(shí)別的焊縫區(qū)域計(jì)算焊縫區(qū)域的端部的位置，并且確定焊縫區(qū)域的端部的形狀在焊縫區(qū)域的延伸方向上是凸出的還是凹入的。此外，根據(jù)本發(fā)明的方法的另一方面，用于捕獲圖像的處理包括將來自由焊接激光照射的部分的光分為沿朝向第一監(jiān)控裝置和朝向第二監(jiān)控裝置這兩個(gè)方向的光束；由所述第一監(jiān)控裝置捕獲焊接過程中的圖像；以及由所述第二監(jiān)控裝置捕獲焊接過程完成后的圖像，其中，被導(dǎo)入到所述第一監(jiān)控裝置的光束的光量小于被導(dǎo)入到所述第二監(jiān)控裝置的光束的光量。此外，根據(jù)本發(fā)明的方法的另一方面，用于識(shí)別焊縫區(qū)域的處理包括將圖像內(nèi)的具有等于或大于預(yù)定區(qū)域識(shí)別閾值的亮度的區(qū)域確定為焊縫區(qū)域候選；以及基于所述焊縫區(qū)域候選的長寬比確定每個(gè)所述焊縫區(qū)域候選是否是焊縫區(qū)域。此外，根據(jù)本發(fā)明的方法的另一方面，用于確定焊縫區(qū)域的端部的形狀是凸出的還是凹入的的處理包括計(jì)算焊縫區(qū)域的代表點(diǎn)；計(jì)算焊縫區(qū)域的端部的中心位置；計(jì)算焊縫區(qū)域的所述代表點(diǎn)與焊縫區(qū)域的端部的所述中心位置之間的中間點(diǎn)；計(jì)算兩條直線， 該兩條直線在連接所述中心位置和所述中間點(diǎn)的線的兩側(cè)彼此平行地延伸并且與焊縫區(qū)域的端部的外周部相交；以及計(jì)算所述兩條直線和端部的外周部之間的交點(diǎn)，基于所述交點(diǎn)和所述中心位置計(jì)算彎曲度，然后通過使用所述彎曲度確定焊縫區(qū)域的端部的形狀是凸出的還是凹入的。此外，根據(jù)本發(fā)明的方法的另一方面，所述彎曲度是從將所述交點(diǎn)彼此連接的線至所述中心位置的距離。此外，根據(jù)本發(fā)明的方法的另一方面，當(dāng)從所述存儲(chǔ)單元提取多個(gè)圖像時(shí)，在用于確定焊縫區(qū)域的端部的形狀是凸出的還是凹入的的處理中，通過使用從所述多個(gè)圖像獲得的彎曲度的平均值來確定焊縫區(qū)域的端部的形狀是凸出的還是凹入的。在本發(fā)明中，用于確定焊縫端部的形狀的設(shè)備包括用于照射焊接激光到焊接材料上的激光照射單元；用于連續(xù)地捕獲焊接材料上的由焊接激光照射的部分的圖像的監(jiān)控單元；用于存儲(chǔ)由監(jiān)控單元捕獲的圖像的存儲(chǔ)單元；用于在圖像內(nèi)的平均亮度等于或小于預(yù)定圖像提取閾值時(shí)從存儲(chǔ)單元提取所述圖像的圖像提取單元；用于識(shí)別由圖像提取單元提取的圖像中的焊縫區(qū)域的焊縫識(shí)別單元；以及用于基于由焊縫識(shí)別單元識(shí)別的焊縫區(qū)域計(jì)算焊縫區(qū)域的端部的位置并且用于確定焊縫區(qū)域的端部的形狀在焊縫區(qū)域的延伸方向上是凸出的還是凹入的的焊縫形狀確定單元。利用該結(jié)構(gòu)，由于使用焊接剛結(jié)束時(shí)獲得的圖像來確定焊縫區(qū)域的端部的形狀本身是凸出的還是凹入的，與使用在焊接過程中獲得的信號(hào)的臨時(shí)變化的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，可以高精度地確定焊縫的端部的洞缺陷。此外，可以在焊接過程后的很短時(shí)間內(nèi)(實(shí)質(zhì)上，在焊接過程時(shí)間內(nèi))確定焊縫端部的洞缺陷。這省去了增加作為焊接完成后的附加工序的檢查工序的需要，由此提高了生產(chǎn)效率。此外，利用該結(jié)構(gòu)，設(shè)備僅需要包括用于照射焊接激光的激光照射單元。與傳統(tǒng)情況不同，這省去了提供除焊接激光外的測(cè)量激光用的照射單元的需要。因此，可以減少設(shè)備的成本。此外，根據(jù)本發(fā)明的用于確定焊縫端部的形狀的設(shè)備，監(jiān)控單元包括用于捕獲焊接過程中的圖像的第一監(jiān)控裝置；用于捕獲焊接過程完成后的圖像的第二監(jiān)控裝置；以及用于將來自由焊接激光照射的部分的光分為沿朝向第一監(jiān)控裝置和朝向第二監(jiān)控裝置的兩個(gè)方向的光束的分光裝置，被導(dǎo)入到第一監(jiān)控裝置的光束的光量小于被導(dǎo)入到第二監(jiān)控裝置的光束的光量。因此，即使在使用小動(dòng)態(tài)范圍監(jiān)控裝置的情況下，也可以使用分別用在焊接期間和焊接剛完成時(shí)的兩個(gè)監(jiān)控裝置來捕獲焊接期間的圖像和焊接剛完成時(shí)的圖像兩者。因此，即使在使用小動(dòng)態(tài)范圍監(jiān)控裝置的情況下，也能夠使用焊接剛完成時(shí)的圖像檢測(cè)焊縫區(qū)域的端部的洞缺陷。此外，根據(jù)本發(fā)明的用于確定焊縫端部的形狀的設(shè)備，焊縫識(shí)別單元包括用于將圖像中的具有等于或大于預(yù)定區(qū)域識(shí)別閾值的亮度的每個(gè)區(qū)域確定為焊縫區(qū)域候選的區(qū)域識(shí)別模塊；以及用于基于焊縫區(qū)域候選的長寬比確定每一焊縫區(qū)域候選是否是焊縫區(qū)域的確定模塊。因此，焊縫區(qū)域由諸如獲得長寬比等簡單處理而識(shí)別。這使得能夠在減少設(shè)備上的處理負(fù)荷的同時(shí)，進(jìn)行高速識(shí)別處理。此外，根據(jù)本發(fā)明的用于確定焊縫的端部的形狀的設(shè)備，焊縫形狀確定單元包括 用于計(jì)算焊縫區(qū)域的代表點(diǎn)的代表點(diǎn)計(jì)算模塊；用于計(jì)算焊縫區(qū)域的端部的中心位置的中心位置計(jì)算模塊；用于計(jì)算焊縫區(qū)域的代表點(diǎn)與焊縫區(qū)域的端部的中心位置之間的中間點(diǎn)的中間點(diǎn)計(jì)算模塊；用于計(jì)算兩條直線的直線計(jì)算模塊，該兩條直線在連接中心位置和中間點(diǎn)的線的兩側(cè)彼此平行地延伸并且與焊縫區(qū)域的端部的外周部相交；以及用于計(jì)算兩條直線和端部的外周部之間的交點(diǎn)，基于交點(diǎn)和中心位置計(jì)算彎曲度，然后通過使用彎曲度確定焊縫區(qū)域的端部的形狀是凸出的還是凹入的的曲率計(jì)算模塊。因此，對(duì)圖像中的焊縫區(qū)域的端部，執(zhí)行使用矢量的形狀確定。這使得可以高精度地確定端部的形狀是凸出的還是凹入的。此外，根據(jù)本發(fā)明的用于確定焊縫的端部的形狀的設(shè)備，彎曲度是從將交點(diǎn)彼此連接的線至中心位置的距離。因此，可以用簡單處理確定出彎曲度。這使得能夠在減少設(shè)備上的處理負(fù)荷的同時(shí)，進(jìn)行高速確定處理。此外，根據(jù)本發(fā)明的用于確定焊縫的端部的形狀的設(shè)備，當(dāng)圖像提取單元提取多個(gè)圖像時(shí)，曲率計(jì)算模塊通過使用從多個(gè)圖像獲得的彎曲度的平均值來確定焊縫區(qū)域的端部的形狀是凸出的還是凹入的。因此，反映了多個(gè)圖像的彎曲度的結(jié)果，由此使得可以高精度地確定端部的形狀是凸出的還是凹入的。本發(fā)明的用于確定焊縫的端部的形狀的方法包括照射焊接激光到焊接材料上； 隨時(shí)間過程捕獲焊接材料上的由焊接激光照射的部分的圖像；在存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)圖像；在圖像內(nèi)的平均亮度等于或小于預(yù)定圖像提取閾值時(shí)從存儲(chǔ)單元提取所述圖像；識(shí)別從存儲(chǔ)單元提取的圖像中的焊縫區(qū)域；以及基于識(shí)別的焊縫區(qū)域計(jì)算焊縫區(qū)域的端部的位置，并且確定焊縫區(qū)域的端部的形狀在焊縫區(qū)域的延伸方向上是凸出的還是凹入的。利用該方法，由于使用在焊接剛結(jié)束時(shí)獲得的圖像來確定焊縫區(qū)域的端部的形狀本身是凸出的還是
7凹入的，與使用在焊接過程中獲得的信號(hào)的臨時(shí)變化的傳統(tǒng)方法相比，可以高精度地確定焊縫的端部的洞缺陷。此外，可以在焊接過程后的很短時(shí)間內(nèi)(實(shí)質(zhì)上，在焊接過程時(shí)間內(nèi))確定焊縫端部的洞缺陷的存在。這省去了增加作為焊接完成后的附加工序的檢查工序的需要，由此提高了生產(chǎn)效率。此外，根據(jù)本發(fā)明的用于確定焊縫的端部的形狀的方法，用于捕獲圖像的處理包括將來自由焊接激光照射的部分的光分為沿朝向第一監(jiān)控裝置和朝向第二監(jiān)控裝置的兩個(gè)方向的光束；由第一監(jiān)控裝置捕獲焊接過程中的圖像；以及由第二監(jiān)控裝置捕獲焊接過程完成后的圖像，并且被導(dǎo)入到第一監(jiān)控裝置的光束的光量小于被導(dǎo)入到第二監(jiān)控裝置的光束的光量。因此，即使在使用小動(dòng)態(tài)范圍監(jiān)控裝置的情況下，也可以使用分別用在焊接期間和焊接剛完成時(shí)的兩個(gè)監(jiān)控裝置來捕獲焊接期間的圖像和焊接剛完成時(shí)的圖像兩者。因此，即使在使用小動(dòng)態(tài)范圍監(jiān)控裝置的情況下，也可以使用焊接剛完成時(shí)的圖像確定焊縫區(qū)域的端部是否存在洞缺陷。此外，根據(jù)本發(fā)明的用于確定焊縫端部的形狀的方法，用于識(shí)別焊縫區(qū)域的處理包括將圖像內(nèi)的具有等于或大于預(yù)定區(qū)域識(shí)別閾值的亮度的區(qū)域確定為焊縫區(qū)域候選； 以及基于焊縫區(qū)域候選的長寬比確定每一焊縫區(qū)域候選是否是焊縫區(qū)域。因此，焊縫區(qū)域通過諸如獲得長寬比等簡單處理而識(shí)別出，由此能夠進(jìn)行高速的識(shí)別處理。此外，根據(jù)本發(fā)明的用于確定焊縫端部的形狀的方法，用于確定焊縫區(qū)域的端部的形狀是凸出的還是凹入的的處理包括計(jì)算焊縫區(qū)域的代表點(diǎn)；計(jì)算焊縫區(qū)域的端部的中心位置；計(jì)算焊縫區(qū)域的代表點(diǎn)與焊縫區(qū)域的端部的中心位置之間的中間點(diǎn)；計(jì)算兩條直線，該兩條直線在連接中心位置和中間點(diǎn)的線的兩側(cè)彼此平行地延伸并且與焊縫區(qū)域的端部的外周部相交；計(jì)算兩條直線和端部的外周部之間的交點(diǎn)，以及基于交點(diǎn)和中心位置計(jì)算彎曲度，然后通過使用彎曲度確定焊縫區(qū)域的端部的形狀是凸出的還是凹入的。因此， 對(duì)于圖像中的焊縫區(qū)域的端部，執(zhí)行使用矢量的形狀確定。這使得可以高精度地確定端部的形狀是凸出的還是凹入的。此外，根據(jù)本發(fā)明的用于確定焊縫端部的形狀的方法，彎曲度是從將交點(diǎn)彼此連接的線至中心位置的距離。因此，可以以簡單處理計(jì)算出彎曲度，由此使得能夠進(jìn)行高速確定處理。此外，根據(jù)本發(fā)明的用于確定焊縫的端部的形狀的方法，當(dāng)從存儲(chǔ)單元提取多個(gè)圖像時(shí)，在確定焊縫區(qū)域的端部的形狀是凸出的還是凹入的的確定處理中，通過使用從多個(gè)圖像獲得的彎曲度的平均值來確定端部的形狀是凸出的還是凹入的。因此，反映了多個(gè)圖像的彎曲度的結(jié)果，由此使得可以高精度地確定端部的形狀是凸出的還是凹入的。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于確定焊縫端部的形狀的設(shè)備的結(jié)構(gòu)的方框圖。圖2是示出由根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的設(shè)備執(zhí)行的處理內(nèi)容，S卩，用于確定焊縫區(qū)域的端部的形狀的程序的圖。圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的監(jiān)控單元的結(jié)構(gòu)以及由圖像提取單元執(zhí)行的圖像提取處理的圖。
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圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的由焊縫識(shí)別單元以及代表點(diǎn)計(jì)算模塊執(zhí)行的處理的圖。圖5示出試驗(yàn)例，其中由根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的設(shè)備計(jì)算出彎曲度。圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的設(shè)備的操作的流程圖。圖7是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的設(shè)備中的焊縫識(shí)別單元的操作的流程圖。圖8是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的設(shè)備中的焊縫形狀確定單元的操作的流程圖。圖9是示出根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的監(jiān)控單元的結(jié)構(gòu)以及由根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的圖像提取單元執(zhí)行的圖像提取處理的圖。圖10是示出由根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的焊縫形狀確定單元執(zhí)行的處理的圖。圖11是示出用于確定焊縫區(qū)域中的焊接缺陷的傳統(tǒng)方法的圖，S卩，示出執(zhí)行激光焊接時(shí)使用照相機(jī)、光學(xué)傳感器等連續(xù)地檢測(cè)來自焊縫區(qū)域的信號(hào)的示例。圖12A和12B示出用照相機(jī)捕獲的焊縫區(qū)域的端部的圖像，圖12A示出具有洞缺陷的圖像以及圖12B示出焊接正常地完成時(shí)的圖像。附圖標(biāo)記說明
1設(shè)備
2激光照射單元
3監(jiān)控單元
3A過程觀察照相機(jī)
3B焊接后觀察照相機(jī)
3C光束分光器
4存儲(chǔ)單元
5圖像提取單元
6焊縫識(shí)別單元
6a區(qū)域識(shí)別模塊
6b確定模塊
7焊縫形狀確定單元
7a代表點(diǎn)計(jì)算模塊
7b中心位置計(jì)算模塊
7c中間點(diǎn)計(jì)算模塊
7d直線計(jì)算模塊
7e曲率計(jì)算模塊
10焊接材料
具體實(shí)施例方式參照附圖，以下描述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于確定焊縫端部的形狀的設(shè)備和方法。圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于確定焊縫端部的形狀的設(shè)備的結(jié)構(gòu)的框圖，圖2是示出用于確定焊縫區(qū)域的端部的形狀的程序的圖。圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的監(jiān)控單元的結(jié)構(gòu)以及由圖像提取單元執(zhí)行的圖像提取處理的圖。
如圖1所示，根據(jù)該實(shí)施例的用于確定焊縫端部的形狀的設(shè)備是用于搭焊(lap welding)焊接材料10的設(shè)備。設(shè)備1包括激光照射單元2、監(jiān)控單元3、存儲(chǔ)單元4、圖像提取單元5、焊縫識(shí)別單元6、焊縫形狀確定單元7以及警報(bào)輸出單元8。各個(gè)單元將在下文中詳細(xì)描述。激光照射單元2照射焊接激光，并且具有用于將通過光纖等傳送的激光照射到搭接的焊接材料10上的頭部(未示出)。注意，在該實(shí)施例中，激光照射單元2構(gòu)成為產(chǎn)生具有約1064nm波長的激光束。如圖1所示，監(jiān)控單元3設(shè)置為接近激光照射單元2，并且構(gòu)成為連續(xù)地捕獲用焊接激光照射的部分的圖像。監(jiān)控單元3形成為例如幀頻為約500Hz的高速照相機(jī)(camera)。 此外，在該實(shí)施例中，如圖3A所示，監(jiān)控單元3形成為高動(dòng)態(tài)范圍照相機(jī)。該高動(dòng)態(tài)范圍照相機(jī)具有用于信號(hào)檢測(cè)的寬動(dòng)態(tài)范圍(即，可以測(cè)量到的寬范圍的亮度)，因此，能在焊接期間以及一焊接之后就獲取圖像。如圖1所示，存儲(chǔ)單元4連接到監(jiān)控單元3，并且構(gòu)成為沿時(shí)間過程連續(xù)地存儲(chǔ)由監(jiān)控單元3捕獲的圖像。如圖1所示，圖像提取單元5連接到存儲(chǔ)單元4，并且構(gòu)成為在焊接過程一完成之后就立即從存儲(chǔ)單元4存儲(chǔ)的圖像中提取圖像。這里，由于激光照射單元2的頭部的透射比在約lOeOnm的激光波長處被優(yōu)化，在通?？梢曋两t外光中的透射比并不高。由于這個(gè)原因，在焊接過程剛完成時(shí)焊接材料10 由于其熱而發(fā)射弱光的現(xiàn)象能夠僅在約幾十毫秒的短時(shí)期中被觀察到。然后，來自焊接材料10的光輻射的衰減增加，這使得觀察光變得困難。作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以觀察到光輻射的時(shí)間典型地為20ms。因此，在該實(shí)施例中，由于監(jiān)控單元3由幀頻為約500Hz的高速照相機(jī)形成，所以圖像提取單元5可以提取約十個(gè)圖像(20ms + aiis)。此外，圖像提取單元5通過使用圖像內(nèi)的平均亮度確定焊接過程是否完成，從而單元5可以確定圖像是焊接過程期間的圖像還是焊接過程剛結(jié)束時(shí)的圖像。實(shí)驗(yàn)表明焊接過程期間的圖像內(nèi)的平均亮度比焊接過程剛結(jié)束時(shí)的圖像內(nèi)的平均亮度大二至三位 (digit)。因此，預(yù)定的第一閾值(圖像提取閾值)設(shè)定在焊接過程期間與焊接過程剛結(jié)束時(shí)的平均亮度值之間。如圖2中的步驟A和圖:3B所示，圖像提取單元5構(gòu)成為當(dāng)圖像內(nèi)的平均亮度等于或小于預(yù)定的第一閾值(圖像提取閾值)時(shí)，圖像提取單元5從存儲(chǔ)單元4 中提取圖像。注意，因?yàn)槿缟纤鲈诤附舆^程期間和焊接過程剛結(jié)束時(shí)之間的平均亮度顯著地變化，所以可以很容易地設(shè)定用于提取焊接過程剛完成時(shí)的圖像的第一閾值?？梢杂^察到光輻射的時(shí)間過去后，由監(jiān)控單元3捕獲的圖像變?yōu)榘挡⑶也辉倌苡糜诖_定焊縫的端部。在該實(shí)施例中，也可以設(shè)定第二閾值，其小于第一閾值，并且當(dāng)圖像內(nèi)的平均亮度等于或小于如圖3B所示的第二閾值時(shí)，圖像提取單元5確定發(fā)光現(xiàn)象結(jié)束，然后終止圖像提取處理。如圖1所示，焊縫識(shí)別單元6連接到圖像提取單元5，并且處理由圖像提取單元5 提取的圖像。焊縫識(shí)別單元6包括區(qū)域識(shí)別模塊6a和確定模塊6b。區(qū)域識(shí)別模塊6a構(gòu)成為將圖像內(nèi)具有等于或大于預(yù)定區(qū)域識(shí)別閾值的區(qū)域確定為焊縫區(qū)域候選。此外，確定模塊6b構(gòu)成為基于每個(gè)焊縫區(qū)域候選的長寬比確定每個(gè)焊縫區(qū)域候選是否是焊縫區(qū)域。然后，將給出由焊縫識(shí)別單元6中的每個(gè)模塊執(zhí)行的處理的詳細(xì)說明。
圖4A和4B是示出由焊縫識(shí)別單元6處理的圖像的圖。如圖4A所示，焊縫識(shí)別單元6中的區(qū)域識(shí)別模塊6a將圖像內(nèi)的連續(xù)地具有等于或大于預(yù)定區(qū)域識(shí)別閾值的亮度的每個(gè)區(qū)域均確定為焊縫區(qū)域候選。這里，焊縫區(qū)域C1和飛濺粒子的區(qū)域C2是焊縫區(qū)域候選。然后，如圖4B所示，焊縫識(shí)別單元6中的確定模塊6b在圖像的縱向和橫向上每隔一定間隔畫出直線，然后計(jì)算跨過焊縫區(qū)域候選C1和C2的直線的中點(diǎn)Qi。其后，如圖2中的步驟B所示，焊縫識(shí)別單元6中的確定模塊6b計(jì)算每一焊縫區(qū)域候選C1和C2的長寬比 (縱橫比)I1Zl2,并且基于長寬比I1Zl2確定焊縫區(qū)域候選C1和C2是否是焊縫區(qū)域。特別地，由于焊縫區(qū)域C1比飛濺粒子的區(qū)域C2平(橫向較長)，焊縫識(shí)別單元6中的確定模塊 6b構(gòu)成為當(dāng)長寬比I1Zl2等于或大于預(yù)定值時(shí)確定該區(qū)域是焊縫區(qū)域。然而，關(guān)于以高速飛濺的粒子，當(dāng)用監(jiān)控單元3的照相機(jī)捕獲圖像時(shí)，由于照相機(jī)的有限的曝光時(shí)間，飛濺粒子的區(qū)域(2有時(shí)被視為橫向較長。在這種情況下，對(duì)于飛濺粒子的區(qū)域C2,長寬比I1Zl2也增加，這使得僅基于長寬比I1Zl2很難確定區(qū)域是否是焊縫區(qū)域。為了解決這個(gè)問題，在該實(shí)施例中，焊縫識(shí)別單元6中的確定模塊6b通過進(jìn)一步評(píng)估每一焊縫區(qū)域候選C1和C2是否在焊接過程前后的時(shí)間幀的圖像之間移動(dòng)而確定區(qū)域是否是焊縫區(qū)域。更具體地，使用焊接過程剛完成時(shí)焊縫區(qū)域C1在圖像中保持靜止的事實(shí)而作出決定，而飛濺粒子的區(qū)域C2是飛散并且移動(dòng)的。當(dāng)有超過一個(gè)焊縫區(qū)域候選時(shí)，即使長寬比I1Zl2設(shè)定為閾值，焊縫識(shí)別單元6中的確定模塊6b將在焊接過程之前和焊接過程之后的時(shí)間幀中保持靜止的區(qū)域確定為焊縫區(qū)域。如圖1所示，焊縫形狀確定單元7連接到焊縫識(shí)別單元6，并且在焊縫識(shí)別單元6 識(shí)別焊縫區(qū)域后處理圖像。焊縫形狀確定單元7基于由焊縫識(shí)別單元6識(shí)別的焊縫區(qū)域計(jì)算焊縫區(qū)域的端部的位置，并且確定焊縫區(qū)域的端部的形狀在焊縫區(qū)域的延伸方向上是凸出的還是凹入的。更具體地，如圖1所示，焊縫形狀確定單元7包括代表點(diǎn)計(jì)算模塊7a、中心位置計(jì)算模塊7b、中間點(diǎn)計(jì)算模塊7c、直線計(jì)算模塊7d以及曲率計(jì)算模塊7e。然后，將給出對(duì)焊縫形狀確定單元7中的每個(gè)模塊的詳細(xì)說明。圖4C是示出由代表點(diǎn)計(jì)算模塊7a處理的圖像的圖。如圖2中的步驟C和圖4C所示，代表點(diǎn)計(jì)算模塊7a通過使用由焊縫識(shí)別單元6計(jì)算出的一組中點(diǎn)Qi計(jì)算焊縫區(qū)域的代表點(diǎn)Qs。更具體地，代表點(diǎn)計(jì)算模塊7a將一組中點(diǎn)Qi的平均位置計(jì)算為代表點(diǎn)Qs (中點(diǎn)Qi的平均縱坐標(biāo)和中點(diǎn)Qi的平均橫坐標(biāo))。此外，代表點(diǎn)計(jì)算模塊7a將焊縫區(qū)域的這組中點(diǎn)Qi擬合到二次函數(shù)Yc = aX2+bX+c中。代表點(diǎn)計(jì)算模塊7a執(zhí)行數(shù)學(xué)處理(最小二乘法)以確定系數(shù)a、b和c，從而將二次函數(shù)與焊縫區(qū)域的中點(diǎn)Qi之間的距離的平方和最小化。注意，擬合函數(shù)實(shí)際上可能不是二次函數(shù)Yc = aX2+bX+c，而是二次函數(shù)k = aY2+bY+c。在這種情況下，對(duì)這兩個(gè)函數(shù)都執(zhí)行擬合處理，然后選擇具有較小擬合誤差的一個(gè)。如圖2中步驟D所示，中心位置計(jì)算模塊7b通過獲得由代表點(diǎn)計(jì)算模塊7a獲得的二次函數(shù)Yc與焊縫區(qū)域的邊界相交的交點(diǎn)而計(jì)算焊縫區(qū)域的端部的寬度方向上的中心位置T。中心位置計(jì)算模塊7b用代表點(diǎn)Qs作為起始點(diǎn)沿二次函數(shù)Yc評(píng)估圖像的每一像素的亮度，并且如果到達(dá)亮度小于區(qū)域識(shí)別閾值的部分，則將圖像像素的該位置確定為焊縫區(qū)域的端部的中心位置T。當(dāng)執(zhí)行這樣的處理時(shí)，檢測(cè)在左右和上下兩個(gè)方向上亮度比區(qū)域識(shí)別閾值小的像素。然而，在沒朝向端部的方向上，通過焊縫區(qū)域中的光輻射，與端部相比， 亮度平均值(從代表點(diǎn)Qs至邊界的亮度平均值)增加。因此，平均亮度小的方向確定為焊縫區(qū)域的端部。如圖2中步驟E所示，在該實(shí)施例中，中間點(diǎn)計(jì)算模塊7c構(gòu)成為計(jì)算焊縫區(qū)域的代表點(diǎn)Qs與焊縫區(qū)域的端部的中心位置T之間的中間點(diǎn)W。由于焊縫區(qū)域有時(shí)形成為曲線形狀，通過使用較接近端部的中間點(diǎn)W作為用于確定端部的基點(diǎn)，焊縫區(qū)域的曲線部分變得不太可能影響端部的評(píng)估。中間點(diǎn)W可以通過如下的計(jì)算兩個(gè)位置矢量T和Qs的平均位置W而獲得。W = -{T + QS)此外，如圖2中步驟E所示，直線計(jì)算模塊7d構(gòu)成為基于由中間點(diǎn)計(jì)算模塊7c計(jì)算出的中間點(diǎn)W來計(jì)算兩條直線L1和L2。通過使連接中心位置T和中間點(diǎn)W的線TW在垂直方向上移位一定距離而獲得兩條直線L1和L2。兩條直線L1和L2在線TW的兩側(cè)平行延伸。移位距離設(shè)定為使得兩條直線L1和L2與焊縫區(qū)域的端部的外周部相交。注意，由于除非焊接條件存在變化，否則焊縫區(qū)域的寬度并不顯著地變化，所以移位距離可以預(yù)先地設(shè)定為一常數(shù)。如圖2中的步驟E所示，曲率計(jì)算模塊7e沿直線L1和L2朝向中心位置T評(píng)估圖像的每一像素的亮度，并且如果到達(dá)亮度小于區(qū)域識(shí)別閾值的部分，則將圖像像素的該位置分別確定為邊界點(diǎn)U和V。然后，如圖2中的步驟F所示，曲率計(jì)算模塊7e計(jì)算從將邊界點(diǎn)U和V相互連接的線U-V至中心位置T之間的距離d，作為彎曲度。這里，當(dāng)中心位置T相對(duì)于線U-V在中間點(diǎn)W所在側(cè)時(shí)，彎曲度d取負(fù)值；當(dāng)中心位置T相對(duì)于線U-V在中間點(diǎn)W所在側(cè)的相反側(cè)時(shí)，彎曲度d取正值。最終，如圖2中的步驟G所示，曲率計(jì)算模塊7e使用彎曲度d確定焊縫區(qū)域的端部的形狀是凸出的還是凹入的。在實(shí)驗(yàn)中，由于存在即使當(dāng)端部具有很難確定是凸出的還是凹入的平面形狀時(shí)也產(chǎn)生了洞的情況，所以彎曲度d的閾值被設(shè)置為0。因此，當(dāng)彎曲度 d為0或更小時(shí)，曲率計(jì)算模塊7e確定端部的形狀是凹入的。圖5示出試驗(yàn)例，其中彎曲度d由根據(jù)本實(shí)施例的設(shè)備1計(jì)算出。如圖5A所示， 當(dāng)焊縫區(qū)域的端部的形狀為凹入的時(shí)，彎曲度計(jì)算為-0.9。另一方面，如圖5B所示，當(dāng)焊縫區(qū)域的端部的形狀為凸出的時(shí)，彎曲度計(jì)算為1.5。此外，圖像提取單元5有時(shí)可以提取超過一個(gè)圖像。如圖2中的步驟G所示，當(dāng)圖像提取單元5提取超過一個(gè)圖像時(shí)，曲率計(jì)算模塊7e計(jì)算每一圖像的彎曲度。其后，曲率計(jì)算模塊7e使用彎曲度的平均值確定焊縫區(qū)域的端部的形狀是凸出的還是凹入的。曲率計(jì)算模塊7e連接至警報(bào)輸出單元8 (見圖1)，并且當(dāng)焊縫區(qū)域的端部的形狀是凹入的時(shí)，最終輸出信號(hào)至警報(bào)輸出單元8。然后，警報(bào)輸出單元8給出警報(bào)以通知操作者有焊接缺陷。然后，參照附圖，描述了根據(jù)本實(shí)施例的設(shè)備1的操作。圖6是示出根據(jù)本實(shí)施例的設(shè)備1的操作的流程圖。
首先，在步驟Sl中，監(jiān)控單元3連續(xù)地捕獲用焊接激光照射的部分的圖像。注意， 由監(jiān)控單元3捕獲的圖像存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元4中。然后，在步驟S2中，圖像提取單元5確定每一圖像是在焊接過程期間的圖像還是在焊接過程剛結(jié)束時(shí)的圖像。當(dāng)圖像內(nèi)部的平均亮度等于或小于第一閾值(步驟S2中為否)時(shí)，則在步驟S3 中，圖像提取單元5從存儲(chǔ)單元4中提取圖像。另一方面，當(dāng)圖像內(nèi)部的平均亮度大于第一閾值(步驟S2中為是)時(shí)，則監(jiān)控單元3繼續(xù)捕獲圖像。此后，在步驟S4中，圖像提取單元5確定來自焊接材料10的發(fā)光現(xiàn)象是否結(jié)束。當(dāng)圖像內(nèi)部的平均亮度等于或小于第二閾值(步驟S4中為否)時(shí)，則圖像提取單元5確定發(fā)光現(xiàn)象結(jié)束并且然后轉(zhuǎn)到步驟S5。另一方面，當(dāng)圖像內(nèi)部的平均亮度大于第二閾值(步驟S4中為是)時(shí)，則圖像提取單元5繼續(xù)提取圖像。此外，在步驟S5中，焊縫識(shí)別單元6識(shí)別由圖像提取單元5提取的圖像中的焊縫形狀。更具體地，焊縫識(shí)別單元6識(shí)別圖像中具有預(yù)定亮度的區(qū)域是焊縫區(qū)域或不是焊縫區(qū)域。然后，在步驟S6中，焊縫形狀確定單元7基于由焊縫識(shí)別單元6識(shí)別的焊縫區(qū)域計(jì)算焊縫區(qū)域的端部的位置，然后確定焊縫區(qū)域的端部的形狀在焊縫區(qū)域的延伸方向上是凸出的還是凹入的。此后，在步驟S7中，當(dāng)焊縫區(qū)域的端部的形狀是凸出的(步驟S7中為否)時(shí)，則焊縫形狀確定單元7確定沒有缺陷。另一方面，當(dāng)焊縫區(qū)域的端部的形狀是凹入的(步驟 S7中為是)時(shí)，則程序轉(zhuǎn)到步驟S8，其中警報(bào)輸出單元8發(fā)出報(bào)警以通知操作者存在焊接缺陷。通過執(zhí)行上述步驟，可以確定焊縫的端部的形狀以檢測(cè)焊接缺陷。接著，參照附圖，詳細(xì)說明了圖6中的焊縫形狀識(shí)別處理(步驟S5)。圖7是示出根據(jù)本實(shí)施例的焊縫識(shí)別單元6的操作的流程圖。首先，在步驟S51中，焊縫識(shí)別單元6中的區(qū)域識(shí)別模塊6a將圖像內(nèi)部的連續(xù)地具有等于或大于預(yù)定區(qū)域識(shí)別閾值的亮度的每一區(qū)域均確定為焊縫區(qū)域候選。此后，焊縫識(shí)別單元6中的確定模塊6b計(jì)算每一焊縫區(qū)域候選的長寬比(縱橫比)。接著，在步驟S52中，當(dāng)長寬比大于預(yù)定閾值(步驟S52中為是)時(shí)，則程序轉(zhuǎn)到步驟S54。另一方面，當(dāng)長寬比等于或小于預(yù)定閾值(步驟S52中為否)時(shí)，則焊縫識(shí)別單元 6中的確定模塊6b在步驟S53中確定目標(biāo)區(qū)域?yàn)槌缚p區(qū)域外的區(qū)域(例如，飛濺區(qū)域)。此后，當(dāng)在步驟SM中存在兩個(gè)或更多焊縫區(qū)域(步驟SM中為是)時(shí)，則程序轉(zhuǎn)到步驟S56。另一方面，當(dāng)僅存在一個(gè)焊縫區(qū)域候選(步驟S54中為否)時(shí)，則焊縫識(shí)別單元6中的確定模塊6b在步驟S55中將焊縫區(qū)域候選確定為焊縫區(qū)域。在步驟S56中，焊縫識(shí)別單元6中的確定模塊6b確定多個(gè)焊縫區(qū)域候選中的在焊接過程前后的時(shí)間幀中仍然保持靜止的區(qū)域是焊縫區(qū)域。通過執(zhí)行上述步驟，可以識(shí)別圖像中的焊縫形狀。接著，參照附圖，詳細(xì)說明了圖6中的焊縫端部形狀分析處理(步驟S6)。圖8是示出根據(jù)本實(shí)施例的焊縫形狀確定單元7的操作的流程圖。首先，在步驟S61中，代表點(diǎn)計(jì)算模塊7a通過使用焊縫區(qū)域的一組中點(diǎn)Qi計(jì)算焊縫區(qū)域的代表點(diǎn)Qs。接著，在步驟S62中，代表點(diǎn)計(jì)算模塊7a將焊縫區(qū)域的這組中點(diǎn)Qi擬合到二次函數(shù)Yc = aX2+bX+c中。在此期間，代表點(diǎn)計(jì)算模塊7a執(zhí)行數(shù)學(xué)處理(最小二乘法)以確定系數(shù)a、b和c，從而將二次函數(shù)Yc與焊縫區(qū)域的中點(diǎn)Qi之間的距離的平方和最小化。此后，在步驟S63中，中心位置計(jì)算模塊7b通過獲得由代表點(diǎn)計(jì)算模塊7a獲得的二次函數(shù)Yc與焊縫區(qū)域的邊界相交的交點(diǎn)而計(jì)算焊縫區(qū)域的端部的中心位置T。然后，在步驟S64中，中間點(diǎn)計(jì)算模塊7c計(jì)算焊縫區(qū)域的代表點(diǎn)Qs與焊縫區(qū)域的端部的中心位置T之間的中間點(diǎn)W。接著，在步驟S65中，直線計(jì)算模塊7d基于由中間點(diǎn)計(jì)算模塊7c計(jì)算出的中間點(diǎn) W計(jì)算兩條直線L1和L2。通過將連接中心位置T和中間點(diǎn)W的線TW在垂直方向上移位一定距離而獲得兩條直線L1和L2。兩條直線L1和L2在線TW的兩側(cè)平行延伸。此后，在步驟S66中，曲率計(jì)算模塊7e計(jì)算兩條直線L1和L2與焊縫區(qū)域的端部的外周部之間的邊界點(diǎn)U和V，然后計(jì)算作為彎曲度的從將邊界點(diǎn)U和V相互連接的線U-V至中心位置T的距離d。隨后，在步驟S67中，當(dāng)提取超過一個(gè)圖像時(shí)，曲率計(jì)算模塊7e計(jì)算每一圖像的彎曲度d，然后計(jì)算彎曲度的平均值。然后，在步驟S68中，當(dāng)彎曲度的平均值大于0 (步驟S68中為否)時(shí)，則程序轉(zhuǎn)到步驟S69，其中曲率計(jì)算模塊7e確定不存在缺陷。另一方面，當(dāng)彎曲度的平均值等于或小于 0 (步驟S68中為是)時(shí)，則程序轉(zhuǎn)到步驟S70，其中曲率計(jì)算模塊7e確定存在缺陷。通過執(zhí)行上述步驟，可以分析焊縫區(qū)域的端部的形狀。根據(jù)本實(shí)施例的設(shè)備1包括用于照射焊接激光到焊接材料10上的激光照射單元 2 ；用于連續(xù)地捕獲焊接材料10上的由焊接激光照射的部分的圖像的監(jiān)控單元3 ；用于存儲(chǔ)由監(jiān)控單元3捕獲的圖像的存儲(chǔ)單元4 ；用于在圖像內(nèi)的平均亮度等于或小于預(yù)定圖像提取閾值時(shí)從存儲(chǔ)單元4提取所述圖像的圖像提取單元5 ；用于識(shí)別由圖像提取單元5提取的圖像中的焊縫區(qū)域的焊縫識(shí)別單元6 ；以及用于基于由焊縫識(shí)別單元6識(shí)別的焊縫區(qū)域計(jì)算焊縫區(qū)域的端部的位置和用于確定焊縫區(qū)域的端部的形狀在焊縫區(qū)域的延伸方向上是凸出的還是凹入的的焊縫形狀確定單元7。在該實(shí)施例中，當(dāng)由約幾百Hz的高速照相機(jī)形成的監(jiān)控單元3在焊接之后立即捕獲圖像時(shí)，如果存在洞缺陷，則圖像的焊縫區(qū)域的端部是凹入的發(fā)光區(qū)域，并且如果沒有洞缺陷(當(dāng)存在凹痕或當(dāng)區(qū)域是沒有收縮的凹痕的平面時(shí))，則圖像的焊縫區(qū)域的端部是凸出的發(fā)光區(qū)域。由于設(shè)備1使用這個(gè)確定洞缺陷是否存在，可以比使用在焊接過程期間獲得的信號(hào)的臨時(shí)變化的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)精確地確定焊縫的端部的洞缺陷。此外，可以在焊接處理之后的很短時(shí)間段內(nèi)(實(shí)質(zhì)上，在焊接過程時(shí)間內(nèi))確定焊縫端部的洞缺陷的存在。這省去了需要增加作為焊接完成后的附加過程的檢查過程，由此提高了生產(chǎn)效率。此外，利用該結(jié)構(gòu)，設(shè)備1僅需要包括用于照射焊接激光的激光照射單元2。與傳統(tǒng)的情況不同，這省去了提供除焊接激光外的測(cè)量激光用的照射單元的需要。因此，可以減少設(shè)備1的成本。此外，在根據(jù)該實(shí)施例的設(shè)備1中，焊縫識(shí)別單元6包括用于將圖像內(nèi)的具有等于或大于預(yù)定區(qū)域識(shí)別閾值的亮度的每個(gè)區(qū)域確定為焊縫區(qū)域候選的區(qū)域識(shí)別模塊6a ； 以及用于基于焊縫區(qū)域候選的長寬比確定每一焊縫區(qū)域候選是否是焊縫區(qū)域的確定模塊6b。因此，通過諸如獲得長寬比等簡單的處理而識(shí)別焊縫區(qū)域。這使得在減少設(shè)備1的處理負(fù)荷的同時(shí)能夠進(jìn)行高速識(shí)別處理。此外，在根據(jù)該實(shí)施例的設(shè)備1中，焊縫形狀確定單元7包括用于計(jì)算焊縫區(qū)域的代表點(diǎn)Qs的代表點(diǎn)計(jì)算模塊7a ；用于計(jì)算焊縫區(qū)域的端部的中心位置T的中心位置計(jì)算模塊7b ；用于計(jì)算焊縫區(qū)域的代表點(diǎn)Qs與焊縫區(qū)域的端部的中心位置T之間的中間點(diǎn)W 的中間點(diǎn)計(jì)算模塊7c ；用于計(jì)算在連接中心位置T和中間點(diǎn)W的線TW的兩側(cè)彼此平行延伸并且與焊縫區(qū)域的端部的外周部相交的兩條直線L1和L2的直線計(jì)算模塊7d ；以及用于計(jì)算兩條直線L1和L2與端部的外周部之間的交點(diǎn)U和V，以及基于交點(diǎn)U和V及中心位置 T計(jì)算彎曲度d，然后通過使用彎曲度d確定焊縫區(qū)域的端部的形狀是凸出的還是凹入的的曲率計(jì)算模塊7e。因此，對(duì)圖像中焊縫區(qū)域的端部執(zhí)行使用矢量的形狀確定。這使得可以高精度地確定端部的形狀是凸出的還是凹入的。同樣，通過用彎曲度d評(píng)估端部的凸出或凹入形狀可以作出定量評(píng)估，由此促進(jìn)了焊縫的端部的洞缺陷的檢測(cè)。此外，在根據(jù)本實(shí)施例的設(shè)備1中，彎曲度d是從將交點(diǎn)U和V彼此連接的線UV 至中心位置T的距離。因此，可以用簡單處理計(jì)算出彎曲度，由此使得在減少設(shè)備1的處理負(fù)荷的同時(shí)能夠進(jìn)行高速確定處理。此外，當(dāng)圖像提取單元5提取多個(gè)圖像時(shí)，曲率計(jì)算模塊7e構(gòu)成為通過使用從多個(gè)圖像獲得的彎曲度的平均值來確定焊縫區(qū)域的端部的形狀是凸出的還是凹入的。因此， 反映了多個(gè)圖像的彎曲度的結(jié)果，由此可以高精度地確定端部的形狀是凸出的還是凹入的。參照附圖，描述了用于確定焊縫的端部的形狀的設(shè)備的另一實(shí)施例。圖9是示出根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的監(jiān)控單元3的結(jié)構(gòu)以及由圖像提取單元5執(zhí)行的圖像提取處理的圖。在如上所述的實(shí)施例中，監(jiān)控單元3由高動(dòng)態(tài)范圍照相機(jī)形成，如圖3所示，其可以獲取焊接期間和焊接剛結(jié)束時(shí)兩者的圖像。然而，使用小動(dòng)態(tài)范圍照相機(jī)使得用一個(gè)照相機(jī)獲取焊接期間和焊接剛結(jié)束時(shí)兩者的圖像不可能。這是因?yàn)榧词箤?duì)于一個(gè)照相機(jī)作出改變焊接期間與焊接剛結(jié)束時(shí)之間的檢測(cè)增益的設(shè)置的嘗試，切換照相機(jī)的檢測(cè)增益的設(shè)置需要的時(shí)間也不能減少得與可以觀察的焊接剛結(jié)束時(shí)的光輻射的時(shí)間一樣短。由于這個(gè)原因，不能捕獲焊接剛結(jié)束時(shí)的圖像。為了解決這個(gè)問題，如圖9A所示，在該實(shí)施例中，監(jiān)控單元3包括兩個(gè)照相機(jī)3A 和3B。更具體地，監(jiān)控單元3包括用于捕獲焊接過程期間的圖像的過程觀察照相機(jī)(第一監(jiān)控裝置)3A;以及用于捕獲焊接過程剛完成時(shí)的圖像的焊接后觀察照相機(jī)(第二監(jiān)控裝置)3B。此外，如圖9A所示，監(jiān)控單元3還包括用于將來自焊接激光照射的部分的光分成兩個(gè)方向，即朝向過程觀察照相機(jī)3A和朝向焊接后觀察照相機(jī):3B的光束分光器(分光裝置)3C。這里，在焊接過程期間，來自用焊接激光照射的部分的光的量顯著地增加。因此，導(dǎo)入到兩個(gè)照相機(jī)3A和;3B中的過程觀察照相機(jī)3A的光束的光量設(shè)置為小于導(dǎo)入到焊接后觀察照相機(jī)3B的光束的光量。更具體地，導(dǎo)入到過程觀察照相機(jī)3A的光束的光量可以為來自用焊接激光照射的部分的光的原始光量的百分之幾，大部分光可以導(dǎo)入到焊接后觀察照相機(jī)3B中。
因此，在該實(shí)施例中，如圖9B所示，調(diào)整過程觀察照相機(jī)3A，使得焊接過程期間具有高亮度的圖像設(shè)定在測(cè)量范圍內(nèi)。由于這個(gè)原因，焊接剛結(jié)束時(shí)的圖像變暗，并且不再能夠進(jìn)行觀察。同時(shí)，如圖9C所示，焊接后觀察照相機(jī);3B使得觀察焊接剛結(jié)束時(shí)的圖像變得可能，而不能夠觀察焊接過程期間的圖像，因?yàn)樘髁敛⑶伊炼蕊柡土恕Ｗ⒁?，在該?shí)施例中，由兩個(gè)照相機(jī)3A和;3B捕獲的圖像如上述實(shí)施例的情況下那樣存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元4中，并且后續(xù)處理(例如獲得平均亮度和將其與圖像提取閾值相比較的處理)也與上述實(shí)施例中的相同。如上所述，在該實(shí)施例中，即使使用小動(dòng)態(tài)范圍照相機(jī)，焊接期間與焊接剛結(jié)束時(shí)兩者的圖像都可以捕獲。參照附圖，描述了焊縫形狀確定單元7的另一實(shí)施例。圖10是示出由根據(jù)另一實(shí)施例的焊縫形狀確定單元7執(zhí)行的處理的圖。在該實(shí)施例中，如圖10所示，直線計(jì)算模塊7d首先計(jì)算在與連接中心位置T和中間點(diǎn)W的線TW垂直的方向上的直線L3。然后，通過將直線L3與焊縫區(qū)域的端部的外周部相交的點(diǎn)設(shè)定為交點(diǎn)W1和W2，直線計(jì)算模塊7d計(jì)算線Wff1和Wff2的中點(diǎn)W3和W4。直線計(jì)算模塊7d還計(jì)算連接中心位置T和中點(diǎn)W3的線TW3(圖10中的矢量m)和連接中心位置T 和中點(diǎn)W4的線Tff4(圖10中的矢量η)。此后，曲率計(jì)算模塊7e平行移動(dòng)矢量m和n，并且將平行移動(dòng)的矢量m和η與焊縫區(qū)域的端部的外周部之間的切點(diǎn)分別確定為邊界點(diǎn)U和V。注意，在該實(shí)施例中，邊界點(diǎn)U 和V的確定后的彎曲度d的計(jì)算與在上述實(shí)施例的處理相同。盡管以上已經(jīng)描述了本發(fā)明的實(shí)施例，但本發(fā)明并不限于如上所述的實(shí)施例，而是可以基于本發(fā)明的技術(shù)思想作出各種改變和修改。盡管在上述實(shí)施例中給出對(duì)搭焊的描述，但是由于其是用來確定在焊接材料的焊接部位處是否存在洞缺陷的幾何狀態(tài)的，所以本發(fā)明還可以應(yīng)用到可能遭受孤立的洞缺陷的焊接上，例如臺(tái)階焊接(st印wise welding)和對(duì)焊。此外，盡管上述實(shí)施例是用于確定焊縫區(qū)域的端部的洞缺陷的設(shè)備和方法，但本發(fā)明的設(shè)備和方法不僅可以確定端部而且能夠確定焊接過程中的部分的洞缺陷。
權(quán)利要求
1.一種用于確定焊縫端部的形狀的設(shè)備，通過用焊接激光照射焊接材料而形成所述焊縫，所述設(shè)備包括激光照射單元，其用于將焊接激光照射到所述焊接材料； 監(jiān)控單元，其用于連續(xù)地捕獲所述焊接材料的由焊接激光照射的部分的圖像； 存儲(chǔ)單元，其用于存儲(chǔ)由所述監(jiān)控單元捕獲的圖像；圖像提取單元，其用于在圖像內(nèi)的平均亮度等于或小于預(yù)定圖像提取閾值時(shí)從所述存儲(chǔ)單元提取所述圖像；焊縫識(shí)別單元，其用于識(shí)別由所述圖像提取單元提取的圖像中的焊縫區(qū)域；以及焊縫形狀確定單元，其用于基于由所述焊縫識(shí)別單元識(shí)別的焊縫區(qū)域計(jì)算焊縫區(qū)域的端部的位置，并且用于確定焊縫區(qū)域的端部的形狀在焊縫區(qū)域的延伸方向上是凸出的還是凹入的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述監(jiān)控單元包括 第一監(jiān)控裝置，其用于捕獲焊接過程中的圖像；第二監(jiān)控裝置，其用于捕獲焊接過程完成后的圖像；以及分光裝置，其用于將來自由焊接激光照射的部分的光分為沿朝向所述第一監(jiān)控裝置和朝向所述第二監(jiān)控裝置這兩個(gè)方向的光束，其中，被導(dǎo)入到所述第一監(jiān)控裝置的光束的光量小于被導(dǎo)入到所述第二監(jiān)控裝置的光束的光量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其特征在于，所述焊縫識(shí)別單元包括區(qū)域識(shí)別模塊，其用于將圖像內(nèi)的均具有等于或大于預(yù)定區(qū)域識(shí)別閾值的亮度的區(qū)域確定為焊縫區(qū)域候選；以及確定模塊，其用于基于所述焊縫區(qū)域候選的長寬比確定每個(gè)所述焊縫區(qū)域候選是否是焊縫區(qū)域。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述焊縫形狀確定單元包括 代表點(diǎn)計(jì)算模塊，其用于計(jì)算焊縫區(qū)域的代表點(diǎn)；中心位置計(jì)算模塊，其用于計(jì)算焊縫區(qū)域的端部的中心位置； 中間點(diǎn)計(jì)算模塊，其用于計(jì)算焊縫區(qū)域的所述代表點(diǎn)與焊縫區(qū)域的端部的所述中心位置之間的中間點(diǎn)；直線計(jì)算模塊，其用于計(jì)算兩條直線，該兩條直線在連接所述中心位置和所述中間點(diǎn)的線的兩側(cè)彼此平行地延伸并且與焊縫區(qū)域的端部的外周部相交；以及曲率計(jì)算模塊，其用于計(jì)算所述兩條直線和端部的外周部之間的交點(diǎn)，基于所述交點(diǎn)和所述中心位置計(jì)算彎曲度，然后通過使用所述彎曲度確定焊縫區(qū)域的端部的形狀是凸出的還是凹入的。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其特征在于，所述彎曲度是從將所述交點(diǎn)彼此連接的線至所述中心位置的距離。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的設(shè)備，其特征在于，當(dāng)所述圖像提取單元提取出多個(gè)圖像時(shí)，所述曲率計(jì)算模塊通過使用從所述多個(gè)圖像獲得的彎曲度的平均值確定焊縫區(qū)域的端部的形狀是凸出的還是凹入的。
7.一種用于確定焊縫端部的形狀的方法，通過用焊接激光照射焊接材料而形成所述焊縫，所述方法包括將焊接激光照射到所述焊接材料；隨時(shí)間過程捕獲所述焊接材料的由焊接激光照射的部分的圖像； 將圖像存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元；在圖像內(nèi)的平均亮度等于或小于預(yù)定圖像提取閾值時(shí)從所述存儲(chǔ)單元提取所述圖像；識(shí)別從所述存儲(chǔ)單元提取出的圖像中的焊縫區(qū)域；以及基于所識(shí)別的焊縫區(qū)域計(jì)算焊縫區(qū)域的端部的位置，并且確定焊縫區(qū)域的端部的形狀在焊縫區(qū)域的延伸方向上是凸出的還是凹入的。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，用于捕獲圖像的處理包括將來自由焊接激光照射的部分的光分為沿朝向第一監(jiān)控裝置和朝向第二監(jiān)控裝置這兩個(gè)方向的光束；由所述第一監(jiān)控裝置捕獲焊接過程中的圖像；以及由所述第二監(jiān)控裝置捕獲焊接過程完成后的圖像，其中，被導(dǎo)入到所述第一監(jiān)控裝置的光束的光量小于被導(dǎo)入到所述第二監(jiān)控裝置的光束的光量。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，其特征在于，用于識(shí)別焊縫區(qū)域的處理包括將圖像內(nèi)的具有等于或大于預(yù)定區(qū)域識(shí)別閾值的亮度的區(qū)域確定為焊縫區(qū)域候選；以及基于所述焊縫區(qū)域候選的長寬比確定每個(gè)所述焊縫區(qū)域候選是否是焊縫區(qū)域。
10.根據(jù)權(quán)利要求7-9中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，用于確定焊縫區(qū)域的端部的形狀是凸出的還是凹入的的處理包括計(jì)算焊縫區(qū)域的代表點(diǎn)； 計(jì)算焊縫區(qū)域的端部的中心位置；計(jì)算焊縫區(qū)域的所述代表點(diǎn)與焊縫區(qū)域的端部的所述中心位置之間的中間點(diǎn)； 計(jì)算兩條直線，該兩條直線在連接所述中心位置和所述中間點(diǎn)的線的兩側(cè)彼此平行地延伸并且與焊縫區(qū)域的端部的外周部相交；以及計(jì)算所述兩條直線和端部的外周部之間的交點(diǎn)，基于所述交點(diǎn)和所述中心位置計(jì)算彎曲度，然后通過使用所述彎曲度確定焊縫區(qū)域的端部的形狀是凸出的還是凹入的。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述彎曲度是從將所述交點(diǎn)彼此連接的線至所述中心位置的距離。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的方法，其特征在于，當(dāng)從所述存儲(chǔ)單元提取多個(gè)圖像時(shí)，在用于確定焊縫區(qū)域的端部的形狀是凸出的還是凹入的的處理中，通過使用從所述多個(gè)圖像獲得的彎曲度的平均值來確定焊縫區(qū)域的端部的形狀是凸出的還是凹入的。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于確定焊縫端部的形狀的設(shè)備和方法。本發(fā)明的設(shè)備(1)包括激光照射單元(2)、監(jiān)控單元(3)、存儲(chǔ)單元(4)、圖像提取單元(5)、焊縫識(shí)別單元(6)以及焊縫形狀確定單元(7)。焊縫形狀確定單元(7)構(gòu)成為基于由焊縫識(shí)別單元(6)識(shí)別的焊縫區(qū)域計(jì)算焊縫區(qū)域的端部的位置，以及確定焊縫區(qū)域的端部的形狀在焊縫區(qū)域的延伸方向上是凸出的還是凹入的。
文檔編號(hào)B23K26/02GK102441737SQ201110262410
公開日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2011年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月30日
發(fā)明者小澤直樹, 石田英伸, 萩原宰, 薄井修一 申請(qǐng)人:鈴木株式會(huì)社