JP2519445B2 - 工作線追従方法 - Google Patents

工作線追従方法

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JP2519445B2 JP62025386A JP2538687A JP2519445B2 JP 2519445 B2 JP2519445 B2 JP 2519445B2 JP 62025386 A JP62025386 A JP 62025386A JP 2538687 A JP2538687 A JP 2538687A JP 2519445 B2 JP2519445 B2 JP 2519445B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) この発明は、被工作物の表面に付された工作線に追従
して、所定の工作機器(たとえば産業用ロボット)を動
作させるための工作線追従方法に関する。
(従来の技術とその問題点) プレス成形された板金などのような複雑な立体形状を
有するワークを切断して所望の形状とすることのできる
切断ロボットとしては、本件出願人によって出願され、
特開昭57-96791号公報において開示されたプラズマ切断
ロボットなど、種々のものが既に提案されて実用化され
ている。そして、このようなロボットにおいては、切断
線などの工作線を、あらかじめマニュアルでワークやテ
ィーチングモデル上に罫書きしておき、この罫書線に沿
ってティーチングを行なう必要がある。
このような工作線に沿って自動的にティーチングを行
なう方法としては、たとえば特開昭61-100808号公報に
開示されているような方法がある。この方法では、第13
図に模式図として示すように、ロボットのエンドエフェ
クタ近傍に3個以上のスポット光源101〜103を設け、こ
れらのスポット光源101〜103からワークWの表面に照射
された光スポットP1〜P3の画像をTVカメラ104でとらえ
る。そして、CRT(図示せず)の画面上における光スポ
ットP1〜P3の位置関係に基づいてロボットとワークWと
の空間的相対関係を求め、それに応じてロボットの姿勢
などを調整する。さらに、この状態で罫書線Cの画像を
とらえ、この罫書線Cの位置に追従してロボットを移動
させるとともに、ティーチングデータの取込みを行なっ
ている。
ところで、このような追従方法では、罫書線Cの像を
とらえるにあたって、TVカメラ104で撮像した画像を画
素ごとに所定のしきい値VTHと比較し、その比較結果に
応じて画像を2値化している。この2値化が適正に行な
われるためには上記しきい値VTHを適切な値としなけれ
ばならないが、実際上はそのレベル設定が容易でないこ
とも多い。
そのひとつの原因は、TVカメラ104の画角内を照し出
すための照明装置の投光端がロボットのエンドエフェク
タの近傍に取付けられていることと関係している。すな
わち、このような位置に投光端が設けられているのは、
ワークWの表面にロボット自身の影が映らないようにす
るためであるが、このようにすると、投光端とワークW
の表面との間の距離がロボットの動きに応じて変化する
ため、ワークWの表面の照度も変化する。このため、罫
書線Cの像のみをとらえるようにしきい値VTHをいった
ん設定しても、その後の状況の変化によって、しきい値
VTHが相対的に過大または過小となることがある。ま
た、ワークWの材質や罫書きの方法によっても、必要と
するしきい値VTHのレベルが異なったものとなる。
このような原因によって、従来は、しきい値VTHの設
定が必ずしも適切なものとならず、その結果、罫書線C
の像が明確に得られなかったり、無用のノイズ等を拾っ
たりすることにが多かった。そして、これによって追従
精度や追従効率の低下を招いてしまうという問題があっ
た。
このような事情に対処するためには、多値画像処理装
置を用いる技術も考えられる。しかしながら、多値画像
処理装置は一般に高価であって、システム全体のコスト
アップを招いてしまう。
そして、このような問題は、ロボットのティーチング
時に限らず、光学的手段を用いて工作機器を工作線に追
従動作させる場合に共通の問題となっている。
(発明の目的) この発明は従来技術における上述の問題の克服を意図
しており、多値画像処理装置のような高価な装置を用い
ることなく、画像読取りにおける状況が変化しても工作
線の像のみを明確にとらえることができ、それによって
大幅なコストアップを招くことなく追従精度や追従能率
を向上させることのできる工作線追従方法を提供するこ
とを目的とする。
(目的を達成するための手段) 上述の目的を達成するため、この発明は、被工作物の
表面に付された工作線およびその付近の画像を読取って
しきい値レベルで2値化し、2値化された画像に含まれ
る工作線の像に追従して所定の工作機器を動作させる工
作線追従方法を対象として、前記しきい値レベルの値を
順次変化させて行きつつ、前記しきい値レベルのそれぞ
れの値によって2値化された画像中に含まれる像の空間
的分散度を求めて所定の基準値と比較することにより、
前記空間的分散度が所定の程度の小さな値となるしきい
値レベルの値を求め、求められたしきい値レベルの値を
用いて前記追従を行なわせる。
なお、この発明における「被工作物」とは、製品その
ものに限らず、ロボットのティーチングモデル等、被工
作対象を表現したダミーその他をも含む用語である。
また、工作機器の動作は、ティーチングのようなデー
タ取込みのための動作のほか、実際の加工動作そのもの
や、マニュアルによって移動させる動作など、種々の動
作であってもよい。
(実施例) A.実施例の機構的構成の概要 第1図は、この発明を適用して罫書線(工作線)追従
を行なわせる工作機器の一例としての、直角座標型レー
ザ切断ロボットの機構的構成を示す概略斜視図である。
同図において、このレーザ切断ロボットRBは、基台1の
上に、図示しないモータM1によってX方向(水平方向)
に移動自在な移動台2を有しており、この移動台2の上
にワーク(図示せず)を載置する。基台1の両側方に垂
直に立設されたコラム3の頂部にはビーム4が架設さ
れ、このビーム4には、図のZ方向(垂直方向)に延び
るとともに、モータM2によってY方向に移動自在な移動
コラム5が設けられている。この移動コラム5には、後
述する2種類の光源を内蔵した光源装置14が取付けられ
ている。
また、この移動コラム5の下端には、モータM3によっ
てZ方向に上下するモータM4が設けられている。これに
よって、移動コラム5の中心軸から偏心した位置に設け
られているアーム6が図のθ方向に回転する。また、こ
のアーム6の下端側方にはモータM5が設けられており、
これによってエンドエフェクタとしてのレーザトーチT
が図のψ方向に回動する。さらに、このレーザトーチT
に隣接して、光学的な罫書線追従のためのセンサヘッド
SH(後述する)が配置されている。
このうち、レーザトーチTには、レーザ発振装置7か
らのレーザビームがレーザガイドパイプ8を通して与え
られる。また、制御装置9には、後述する画像処理装置
やマイクロコンピュータなどが内蔵されており、操作盤
10には、キーボードやディスプレイ等が設けられてい
る。さらに、外部コンピュータ11は種々のデータの入出
力やデータ処理を行なうためのものであり、CRT12やキ
ーボード13などを備えている。そして、上記センサヘッ
ドSHからの画像は、このCRT12においてモニタされる。
B.実施例の電気的構成の概略 第2図は、第1図に示したロボットRBの電気的構成の
概略図である。第2図において、制御装置9に内蔵され
たマイクロコンピュータ21には、バスBLを介して、以下
の各機器などが接続されている。
上記モータM1〜M5や、これらのモータM1〜M5の回転角
を検知するエンコーダE1〜E5(第1図中には図示せず)
を含んだ機構駆動系23, レーザ発振装置7, 操作盤10, 外部コンピュータ11, 光源装置14。
一方、被工作物としてのワークWに対向するセンサヘ
ッドSHには、ティーチング時にワークWを照明して罫書
線Cを照し出すための照明光が、照明用光源24から光フ
ァイバ26を介して与えられる。また、ティーチング時に
センサヘッドSHとワークWとの相対的距離・姿勢関係を
所定の関係に保持するために使用されるスポット光を与
えるための光も、レーザダイオード光源25から光ファイ
バ27を介してセンサヘッドSHに与えられる。
さらに、センサヘッドSHからは、罫書線Cの付近の画
像信号が画像処理装置22に取込まれ、マイクロコンピュ
ータ21の制御下で、第1図のCRT12に映し出されるよう
になっている。ただし、画像処理装置22は2値画像処理
を行なう装置として構成されている。なお、このシステ
ムは、上位のホストシステム(図示せず)の制御下で動
作させることもできる。
C.センサヘッドSHの詳細構成 第3図は、上述したセンサヘッドSHの詳細を示す部分
断面図であり、第4図はそのA-A′断面図である。これ
らの図において、このセンサヘッドSHはレーザトーチT
と並列的に設けられており、ティーチング時にはレーザ
トーチTを図示の方向からα方向に90°回転させて退避
させる。
また、再生モード時には、レーザトーチTを図示の方
向に戻すとともに、センサヘッドSHをγ方向(α方向と
同一)に180°回転させて退避させる。さらに、この再
生モード時には、レーザトーチTとセンサヘッドSHと
を、アーム6の軸線まわりのβ方向に180°回転させ
て、センサヘッドSHの図示の位置にレーザトーチTが移
動できるようになっている。これらの回転は、マニュア
ルで行なってもよく、また、モータによって行なっても
よい。なお、第3図のセンサヘッドSHの下方に示した破
線Iは、β方向の回転時におけるレーザトーチTの先端
部分に対応する位置を示している。
第3図および第4図において、センサヘッドSHのハウ
ジング30の下端には、第2図の照明用光源24に接続され
た3本の光ファイバ26(26a〜26c)の投光端が設けられ
ている。そして、この投光端からは、ワークWの表面上
の領域Gを面状に照明するための照明光Lが照射される
ようになっている。また、レーザダイオード光源25から
3本の光ファイバ27(27a〜27c)によって供給された光
は、先端にマイクロレンズ(図示せず)を内蔵した投光
器31a〜31cに与えられ、これらの投光器31a〜31cからワ
ークWの表面に3本のスポット光として照射される。
これらの投光器31a〜31cは、第5図に示すように、そ
れらからのスポット光La〜Lcが一点Oで交わるように配
置されており、センサヘッドSHとワークWとの相対的距
離・姿勢関係に応じて次のような光点群をワークW上に
形成する。すなわち、ワークWの表面に対してセンサヘ
ッドSHが所定の距離および姿勢を保っているとき(第5
図中にWaで示す面がワークWの表面となっているとき)
には、第6図(a)に示すように、ワークW上の3個の
光スポットP1〜P3は、基準位置Q1〜Q3内にそれぞれ形成
される。一方、これらの相対距離や姿勢が第5図中にWb
〜Wdで示すようにずれたときには、第6図(b)〜
(d)にそれぞれ示すように、基準位置Q1〜Q3からずれ
たものとなる。
したがって、光スポットP1〜P3の位置と基準位置Q1
Q3との関係が常に第6図(a)の関係となるように距離
・姿勢制御を行なえば、センサヘッドSHとワークWとの
相対距離と姿勢とを所定の値に保ちつつ追従とティーチ
ングとを行なうことができる。このような制御は、CRT1
2の画面を目視しつつキーボード12の操作によって行な
うこともでき、また、画像処理装置22の出力に基いてマ
イクロコンピュータ21に自動的に行なわせることもでき
る。
第3図に戻って、光ファイバ26a〜26cからの照明光L
によって照明されたワークWの表面像(特に、その表面
の罫書線の像)と、投光器31a〜31cによってワークWの
表面に形成された距離・姿勢検出用光スポットP1〜P3
は、ハウジング30内に設けられたレンズ32を介して、CC
D撮像素子(ITVカメラ)33に入射し、その表面に結像す
る。そして、このようにして得られる画像データは、画
像伝送ライン34を通じて第2図の画像処理装置22に与え
られ、後述するような画像処理を受ける。そして、それ
によって、あらかじめ形成された罫書線Cを画像として
検出しつつ、それに追従してセンサヘッドSHが移動する
とともに、ティーチングデータが取込まれる。
D.ティーチング動作 そこで、以下では、このような装置を利用してティー
チング動作を行なう際の処理を、第7図を参照して説明
する。なお、以下の各処理は、第2図のマイクロコンピ
ュータ21および外部コンピュータ11の制御下で行なわれ
る。また、上述のように、光スポットP1〜P3の位置関係
によってセンサヘッドSHとワークWと空間的関係が調整
されるが、この処理は既述した通りであって、この発明
の要旨と関係しないため、以下ではその重複説明を省略
する。
まず、実際のティーチングデータの取込みの前に、こ
の発明の特徴に応じてしきい値VTHの設定処理を行なう
が、その具体的内容を説明する前に、しきい値VTHの大
きさによって2値化された画像がどのように異なるかを
簡単に説明しておく。
最初に、第8図に示すようにしきい値VTHが罫書線C
の画像レベル(ピーク値)VM付近の大きな値Vaとなって
いる場合を考える。このときには、罫書きの不均一性に
起因して、罫書きが強く行なわれた部分のみが現われた
不連続帯状像51(第9図(a))が罫書線Cの像として
得られる。ただし、第9図において、RはITVカメラ33
で読取られる画角範囲(撮像範囲)を示す。
次に、しきい値VTHが罫書線Cの画像レベルVMと背景
ノイズレベルVNとの中間付近のレベルVbとなっている場
合を考える。このときには、罫書線Cのみの像が現われ
た望ましい帯状像52(第9図(b))となる。
さらに、しきい値VTHがノイズレベルVN付近のレベルV
cとなっているときには、第9図(c)に示すように、
背景ノイズレベルの位置に微小な島状像53が多く現われ
てくる。また、罫書線C自身も、そのエッジ付近の微小
な凹凸までが再現された凹凸帯状像54となる。これらの
うち、背景ノイズによる島状像53は、ワークWの表面の
凹凸のほか、撮像系からの光学的・電気的ノイズからも
生じ得る。
したがって、第8図のVbに相当するレベル値を知っ
て、しきい値VTHをこのような値Vbとすればよいわけで
あるが、既述したように罫書線Cの画像レベルVMや背景
ノイズレベルVNの大きさは状況によって異なるため、上
記Vbのような適切なしきい値レベルを一般的に知ってお
くことはできない。そこで、以下のようにして、状況ご
とに適切なしきい値レベルを求めておくようにする。そ
れにあたっては、第9図(a),(c)では像の空間的
分散度が比較的大きくなるのに対して、第9図(b)で
は空間的分散度が小さく、像がひとつにまとまっている
ことを利用する。
以上の準備のもとで第7図の説明に入る。まず、第7
図のステップS1では、しきい値VTHとして初期値V0を設
定する。この実施例では、初期値V0として小さな値、具
体的にはノイズレベルVN程度の値を設定しておく(第8
図参照)。ノイズレベルVN自身も状況によって変化する
ため、その大きさを事前に厳密に知ることはできないわ
けであるが、これはあくまで初期値として使用するだけ
であるから、予想される範囲内で低めの値を初期値V0
しておけばよい。
次のステップS2では、ITVカメラ33によって罫書線C
およびその付近を含む画角範囲R内の画像を読取る。そ
して、初期値V0をしきい値VTHとして2値化を行なう
(ステップS3)。
次に、しきい値VTHが第8図のVa〜Vcのいずれに相当
した値となっているかを判定するための指標として、画
角範囲R内の像の空間的分散度を表現する特性量σの値
を求める。この特性量σとしては種々のものが考えられ
るが、この実施例では画角範囲R内の像のエッジを所定
の規則で連結して得られる特性線の曲率に応じた値を持
つ特性量を採用する。具体的には、第10図に示すように
各走査線lが最初に像のエッジEに到達する画素Gを連
結して得られる特性線Bを考える。この画素Gは、像と
背景との2値化レベルをそれぞれ“1",“0"としたと
き、各走査線l上において画像レベル“1"を持つ画素の
うち、最も小さな水平走査座標xを持つ画素である。し
たがって、垂直走査(送り)方向yに沿って各走査線l
に番号i(=1,2,…)を付したとき、特性線Bは、 B={Gi|i=is〜ie} …(1) のように書ける。ただし、Giはi番目の走査線liにおけ
る上記エッジ画素である。また、isはエッジ画素が最初
に存在するような走査線の番号であり、ieは最後の走査
線の番号である。さらに、像と交わらない走査線lj(図
示せず)があるときには、そのひとつ前の走査線lj-1
ついてのエッジ画素Gj-1のx座標を、走査線ljについて
の仮想的エッジ画素のx座標としておく。
このようにして形成した特性線Bの局所的曲率は、空
間的2次微分に相当する2次差分: 1/ρi≡(xi+1-xi)-(xi-xi-1) …(2) によって表現できる。ただし、xiは画素Giのx座標であ
る。そして、特性線B全体についての曲がりの程度は、
上記2次差分(1/ρi)の絶対値の総和: σ≡Σ|1/ρi|=Σ{(xi+1-xi)-(xi-xi-1)} …(3) で表現できる。ここで、和Σはi=is〜ieの範囲での和
であり、xi-1(i=is),xi+1(i=ie)については、
それぞれxi(i=is),xi(i=ie)の値を代用する。
上記総和σがこの実施例において像の空間的分散度を
表現する特性量である。つまり、背景ノイズを拾わない
程度のしきい値VTHが設定されているとき(たとえば第1
1図(a))では特性線Bは直線または滑らかな曲線と
なって上記特性量(総和)σは小さくなる。これに対し
て、第11図(b)のように分散した背景ノイズを多く拾
うと島状像が画面内の広い範囲にわたって分散して出現
し、特性線Bの曲がりも激しくかつ多くなって特性量σ
は大きくなる。実測によれば、後者は前者の1〜2桁程
度も大きい。
そこで、特性量σが所定の基準値σ0より大きな値か
らこの基準値σ0以下となる境界またはその付近のしき
い値レベルを求めれば、第11図(a)のように、連続し
た罫書線のみを実質的に像としてとらえる程度の2値化
を行なうことができることになる。ただし、上記のよう
に「境界またはその付近」を採用しているのは、第9図
(a),(b)の間ではこの実施例における特性量σに
あまり差はないため、特性量σの絶対的な大きさから第
9図(a),(b)を識別すると誤差が比較的大きくな
ることに起因する。つまり、しきい値VTHと特性量σと
の関係はたとえば第12図のようになるため、しきい値V
THを初期値V0から順次大きくして行って、初めてσ≦σ
0となったときのしきい値VTHの値を採用する。ただし、
第12図では、Vkが上記「境界」に対応するしきい値であ
る。もっとも、しきい値VTHを大きな値から順次下げて
行き、初めてσ>σ0となったときのしきい値の値(ま
たはその付近の値)を採用してもよい。
このような理由によって、第7図のステップS4では、
特性量σを(3)式によって計算して求める。そしてス
テップS5で基準値σ0と上記特性量σを比較し、それに
よって、しきい値VTHが第8図のVcのように過小な値で
あるかどうか(つまりσ>σ0かどうか)を判定する。
過小であればステップS6でしきい値VTHを所定微小量Δ
Vだけ増加させ、ステップS2へと戻って以上の処理を順
次繰返す。
そして、初めてσ≦σ0となるようなしきい値VTHが求
まると、このしきい値VTHを用いて罫書線Cの検出と追
従とを行ない、その時点におけるロボットの位置・姿勢
と画面上の罫書線Cの位置とに応じたティーチングデー
タを取込む(ステップS7,S8)。このときには、像の空
間的分散度が、実質的に罫書線Cの連続的帯状像のみを
有する画像に対応した程度の小さな値になっており、第
9図(b)のような2値化が行なわれて、罫書線Cの検
出と追従とが正確に行なわれる。
ワークWの材質などによってしきい値VTHを変えると
きには、ティーチング開始前に上記のようなしきい値設
定を1度行なっておけばよいが、照明の照度変化などに
応じてしきい値VTHを設定したいときには、センサヘッ
ドSHの移動を行なう都度、上記設定処理を行なうことが
望ましい。そこで、この実施例では、ステップS8が完了
するごとにステップS9からステップS1へ戻るとともに、
ステップS2〜S6によってしきい値VTHを再設定するよう
にしている。そして、罫書線Cについてのティーチング
データの取込みが完了すると、全処理を終える。
なお、上記特性量σについての基準値σ0は、画角範
囲R内に比較的滑らかな罫書線Cの像のみが現われると
きの(3)式の値であり、これは、あらかじめ実験的ま
たは理論的に求めておけばよい。
E.変形例 以上、この発明の一実施例について説明したが、この
発明は上記実施例に限定されるものではなく、たとえば
次のような変形も可能である。
工作線としては、単なる罫書線ではなく、たとえばワ
ークWの表面に蛍光塗料などを帯状に塗布し、その上に
罫書きしたものであってもよい。このようにすると罫書
線がより明確に画像上に現われるため、自動追従にさら
に適したものとなる。また、ワークWの表面上に塗料で
線書きした工作線や、テープを貼付けてこのテープ上に
細い切欠線を設けたものなどであってもよい。
上記実施例では画角範囲R内に存在する像の空間的分
散度を指示する特性量σとして(3)式で定義される量
を使用したが、たとえば σ=Σ|1/ρim …(4) (ただし、mは任意の実数)を用いてもよい。また、 (a)島状像の数, (b)像を形成する部分の総面積 なども、工作線の読取りにあたっては空間的分散度を反
映した量となるため、これらを特性量σとして採用して
もよい。
なお、画像処理装置がランレングスデータを求めるハ
ード回路を持っている場合には、ランレングス開始点座
標から(3)式のxiを求めることもできる。
工作線追従にあたってはセンサヘッドとワークとの相
対的空間関係を変化させればよいわけであるから、セン
サヘッドは空間的に固定され、ワークW側の位置・姿勢
のみを変化させるような工作機器にもこの発明は適用で
きる。
この発明は、ロボットのティーチングに限らず、罫書
線追従を行ないつつ所望の処理を行なう種々の工作機器
全般に適用可能である。
(発明の効果) 以上説明したように、この発明によれば、2値化画像
処理における適切なしきい値を状況に応じて設定できる
ため、状況が変化しても工作線の像のみを正確にとらえ
ることができる。そして、この処理は高価な多値画像処
理装置などを使用する必要がない。このため、大幅なコ
ストアップを招くことなく、追従精度や追従能率を向上
させることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は、この発明を産業用ロボットのティーチングに
適用した実施例の機構的構成の概略を示す斜視図、 第2図は、第1図のロボットの電気的構成を示す概略ブ
ロック図、 第3図は、センサヘッドの詳細構成を示す部分断面図、 第4図は、第3図のA-A′断面図、 第5図および第6図はセンサヘッドとワークとの相対距
離・姿勢の制御原理例の説明図、 第7図は実施例の動作を示すフローチャート、 第8図は画像レベルとしきい値との関係を示す図、 第9図はしきい値の大きさと2値化画像との関係を示す
図、 第10図および第11図は特性量の説明図、 第12図はしきい値と特性量との関係を示す図、 第13図は従来の工作線追従方法の説明図である。 RB……レーザ切断ロボット、9……制御装置、10……操
作盤、11……外部コンピュータ、22……画像処理装置、
T……レーザトーチ、SH……センサヘッド、W……ワー
ク、C……罫書線(工作線)、La〜Lc……スポット光、
P1〜P3……光スポット、L……照明光、VTH……しきい

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】被工作物の表面に付された工作線およびそ
    の付近の画像を読取ってしきい値レベルで2値化し、2
    値化された画像に含まれる工作線の像に追従して所定の
    工作機器を動作させる工作線追従方法であって、 前記しきい値レベルの値を順次変化させて行きつつ、前
    記しきい値レベルのそれぞれの値によって2値化された
    画像中に含まれる像の空間的分散度を求めて所定の基準
    値と比較することにより、前記空間的分散度が所定の程
    度の小さな値となるしきい値レベルの値を求め、求めら
    れたしきい値レベルの値を用いて前記追従を行なわせる
    ことを特徴とする工作線追従方法。
  2. 【請求項2】前記空間的分散度は、読取られた範囲内に
    含まれる像のエッジを所定の規則で順次連結して得られ
    る特性線の曲率に基いて判定される、特許請求の範囲第
    1項記載の工作線追従方法。
JP62025386A 1987-02-05 1987-02-05 工作線追従方法 Expired - Lifetime JP2519445B2 (ja)

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