JP3198445B2 - レール及び形鋼の画像処理を利用した自動孔面取り加工装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レール及び形鋼の画像
処理を利用した自動孔面取り加工装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】鉄道等に使用されるレール製造の最終工
程において、レールの敷設時にレール同士を繋ぐために
レールの両端又は一方にそれぞれ２〜３個のドリル孔が
一般には設けられている。このドリル孔の一方側は、面
取りカッターが設けられたドリルを用いて穿孔すれば、
容易に面取りを行うことができるが、該ドリル孔の反対
側は、穿孔とは同時に面取りは行えないので、該ドリル
孔の反対側の面取りは作業者が手動によって行ってい
た。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記手
動による面取り作業は危険である上、多数の労働力を必
要とし能率が悪いという問題点があった。そこで、自動
化、機械化を行う必要があるが、前記レールにおける面
取りは１．５Ｃ程度であるので極めて精度を要し、ドリ
ル孔の中心位置を検出しない自動化方法では、一旦、孔
及び一方側の面取り加工を行った後に、該レールを別の
場所に搬送して他側の面取りを行うには位置合わせが極
めて困難であった。このような問題は形鋼にドリル孔を
設けて、両方から面取りを行う場合にも生じていた。本
発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、一方の側か
らドリル孔が形成されたレール又は形鋼の面取りを効率
良くそして、精度良く行うことができるレール及び形鋼
の画像処理を利用した自動孔面取り加工装置を提供する
ことを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】前記目的に沿う請求項１
記載のレール及び形鋼の画像処理を利用した自動孔面取
り加工装置は、面取りカッターを備えるドリルユニット
と、該ドリルユニットを昇降させる昇降機構と、前記面
取りカッターと軸心を合わせて対向して配置され内部に
はハーフミラーによって分けられる粗位置検出用カメラ
と精密位置検出用カメラを備えたテレビカメラと、前記
ドリルユニット及びテレビカメラが取付けられた支持架
台と、該支持架台を傾斜させる旋回機構と、前記支持架
台をＸ及びＹ方向に移動させるＸ及びＹ送り機構とを有
し、前記粗位置検出用カメラによってレール又は形鋼に
形成された丸孔を撮像し、該撮像された丸孔を画像処理
してその中心を検出し、該検出信号によって前記面取り
カッターの切削位置を修正し、更に前記精密位置検出用
カメラによって前記面取りカッターの軸心と前記丸孔の
軸心との精密位置合わせをして前記丸孔の面取りを行う
ようにして構成されている。ここで、ＸＹ方向とは平面
的に見て前後左右方向をいう。

【０００５】

【作用】請求項１記載のレール及び形鋼の画像処理を利
用した自動孔面取り加工装置においては、面取りカッタ
ーとテレビカメラの軸心を合わせて対向して配置し、該
テレビカメラによってレール又は形鋼のドリル孔を撮像
して、画像処理にてドリル孔の中心位置を検出してい
る。これによって、面取りカッターの軸心とドリル孔と
のズレが検出されるので、次に、このズレの分だけ前記
面取りカッターを逆移動してテレビカメラの軸心に前記
ドリル孔を合わせ、面取り加工を行う。これによって、
ドリル孔の中心位置に面取りカッターの軸心を一致させ
ることができ、正確な面取り加工が行なえる。

【０００６】

【実施例】続いて、本発明を具体化した装置について説
明し、本発明の理解に供する。ここに、図１は本発明の
一実施例に係るレール孔面取り装置の概略構成を示す側
面図、図２は同正面図、図３は同装置の概略電気ブロッ
ク図、図４及び図５は同装置の一部動作を示すフロー
図、図６は同装置の画面座標構成図、図７はレールの画
像説明図、図８はレールの断面図、図９及び図１０は撮
像された画像の説明図である。

【０００７】図１、図２に示すように、本発明の一実施
例に係るレール及び形鋼の画像処理を利用した自動孔面
取り加工装置の一例であるレール孔面取り装置１０は、
面取り加工を行うレール１１を中心にして配置された面
取りカッター１２及びテレビカメラ１３と、該面取りカ
ッター１２及びテレビカメラ１３を軸心を合わせて支え
る支持架台１４と、該支持架台１４の旋回機構１５と、
該旋回機構１５が載置された架台１６をＸ方向に移動さ
せるＸ送り機構１７及び該架台１６をＹ方向に移動させ
るＹ送り機構１８と、内部にコンピューターを有しこれ
ら全体を制御する制御装置とを有して構成されている。
以下、これらについて詳しく説明する。

【０００８】前記テレビカメラ１３は、対象物であるレ
ールの種類によってその高さに該テレビカメラ１３の高
さを調整するカメラ昇降用パルスモーター１９を備える
昇降機構２０を介して前記支持架台１４の上部に取付け
られている。そして、該テレビカメラ１３は対象レンズ
系は一つであるが、内部のハーフミラーによって画像が
分けられ各々異なるレンズ系が設けられ、レール孔の周
囲を広く撮影する粗位置検出用カメラ（以下、カメラＡ
という）と、レール孔の周囲を狭く撮像する精密位置検
出カメラ（以下、カメラＢという）を備えている。

【０００９】前記面取りカッター１２はドリルユニット
２１に取付けられ、該ドリルユニット２１はドリル昇降
用サーボモーター２２を備える昇降機構２３を介して、
前記支持架台１４の下部に取付けられているが、該面取
りカッター１２は前記テレビカメラ１３と軸心を合わせ
て支持架台１４に固定され、テレビカメラ１３によって
撮像される丸孔の一例であるドリル孔中心位置と面取り
カッターとの軸心を一致させ孔面取り加工をできるよう
になっている。

【００１０】前記支持架台１４の前方上部にはシリンダ
ーを備えてなるレールストッパー２５が設けられ、また
別設置の補助部材２４にはシリンダーをそれぞれ備えて
なるレールクランプ２６が設けられ、載置台２７に載せ
られたレール１１を固定保持できるようになっている。
また、該支持架台１４の後部には回動軸２８が設けら
れ、軸受２９を介して架台１６に回転可能に載置されて
いる。そして、前記回動軸２８には旋回機構１５が設け
られているが、該旋回機構１５はθ軸駆動用サーボモー
ター３０と、ディスクブレーキ３１とを有し、所定の角
度回転させてその位置で、該支持架台１４を保持し、面
取りカッター１２とレール１１の孔開け部とが直角にな
るようにしている。

【００１１】前記架台１６の下部には、Ｘ軸駆動用サー
ボモーター３２と、該モーター３２に取付けられたネジ
軸３３と、リニアガイド３４とを有するＸ送り機構１７
が設けられていると共に、該Ｘ送り機構１７を支持する
中間架台３６はＹ軸駆動用サーボモーター３７と、該モ
ーター３７に取付けられたネジ軸３８と、二本のリニア
ガイド３９とを有するＹ送り機構１８が設けられ、前記
架台１６を平面的に見て前後左右に所定の位置まで移動
できるようになっている。なお、前記支持架台１４に
は、レール１１と面取りカッター１２との相対位置を検
出する為の図示しない位置検出センサーが設けられてい
る。

【００１２】図３に該レール孔面取り装置１０の制御盤
４１及び操作盤４２回りを示すが、図に示すように制御
盤４１内のプログラマブルロジックコントローラー４３
には、前記θ軸駆動用サーボモーター３０、Ｘ軸駆動用
サーボモーター３２、Ｙ軸駆動用サーボモーター３７及
びＺ軸駆動用のドリルユニット昇降用サーボモーター２
２を駆動するサーボモータードライバー４４、カメラ昇
降用パルスモーター１９に連結されるパルスモータード
ライバー４５を有し、各軸原点センサー、オーバラン防
止センサー、前記位置検出センサー及びその他のリミッ
トスイッチがＩ／Ｏユニットを介して接続されている。
更に、該制御盤４１は、前記シリンダー及びディスクブ
レーキ３１を駆動する油圧ユニット及び搬送系の他の制
御盤との接続がＩ／Ｏユニットを介して行われている。
そして、該制御盤４１と前記操作盤４２とは、光変換ユ
ニット４６、４７及びこれらに連結される光ファイバー
を介して接続されている。

【００１３】前記操作盤４２には、パソコン４８及びパ
ソコン用ＣＲＴ４９を有し、前記カメラＡの信号は画像
処理専用ユニット５０、ＲＳ−２３２Ｃ通信ボード５１
を介して前記パソコン４８に連結され、カメラＢの信号
は一画面の濃度を２５６の階調に別けてそのまま記憶す
るフレームメモリボード５２に記憶された後、前記パソ
コン４８にて画像処理を行うようになっている。前記パ
ソコン４８には画像処理専用ユニット５０からの信号及
び前記フレームメモリボード５２からの信号に基づき、
図７〜図１０に示すドリル孔５３の位置を画像処理し、
テレビカメラ１３の中心位置からの距離を検出するプロ
グラム及び処理しようとするレール（鉄道用レール及び
クレーン用レール）の寸法、ドリル孔の位置、大きさ等
の孔面取り加工を行うに必要なデーターが記憶されてい
る。

【００１４】また、前記操作盤４２には、前記面取りカ
ッター１２の予め設定された原点からのＸ軸距離、Ｙ軸
距離、Ｚ軸距離（ドリルユニット２１の昇降距離をい
う）、傾き（θ軸）を示すデジタル表示器群５４、必要
なランプ群５５及び操作スイッチ群５６が設けられ、更
に前記カメラＡとカメラＢとの画像を切り換えて表示す
る画像用モニター５７を備えている。なお、前記テレビ
カメラ１３の周囲には光ファイバーによる照明器具が設
けられ、検出しようとするドリル孔５３の周囲を照明す
るようになっている。

【００１５】続いて、前記パソコン４８及び画像処理専
用ユニット５０に記載されているプログラムについて図
４〜図１０に基づいて説明する。まず、前記テレビカメ
ラ１３に備えられて粗位置を検出するカメラＡは図６
（Ａ）に示すように、７９ｍｍ×７５ｍｍの四角形を２
５６画素×２４２画素によって認識し、カメラＢは図６
（Ｂ）に示すように、４０ｍｍ×４０ｍｍの四角形を５
１２画素×４９２画素によって認識するようになってい
る。従って、ドリル孔５３の粗位置検出を行う場合に
は、図４に示すようにまず、孔面取り加工を行うレール
が鉄道用レール５８（図８図示）か、クレーン用レール
５９（図８図示）かをその孔径によって判断し（ステッ
プａ）、予め設定された位置だけテレビカメラ１３を移
動及び回動させて、鉄道用レール５８の場合にはカメラ
Ａにて図７のような２値化した画像を得る。これによっ
て、ドリル孔５３は黒くなるが、周囲の傾斜部６０も黒
くなるので黒い部分の重心の位置を求めても、ドリル孔
５３の中心位置にはならない。そこで、画面の中央にあ
るドリル孔５３に交叉すると予め考えられる図９（Ａ）
に示すように（２７．５、０．０）、（４７．５、６
４．６）を対角とする長方形ウインドウ１を作成し（ス
テップｂ）、ウインドウ１内における黒部の重心の位置
を計測し、（ＸＪ１、ＹＪ１）とする（ステップｃ）。

【００１６】ここで、ＸＪ１に注目して３２．５より小
さいか（重心が左側にある）、３２．５〜４２．５の間
にあるか、あるいは４２．５より大きいか（重心が右側
にある）を判断して（ステップｄ）、それぞれの場合に
ついて、ＸＣ２を１７．５、ＸＪ１、５７．５に、Ｒ２
を３０．０、２５．０、３０．０に選択して（ステップ
ｅ）、中心を（ＸＣ２、ＹＪ１）、半径をＲ２とする円
ウインドウ２を図９（Ｂ）のように作成する（ステップ
ｆ）。これによって不要な部分を除いた前記ドリル孔５
３の位置が確定される。次に、該円ウインドウ２内にお
ける重心の位置（ＸＪ、ＹＪ）を計測し、その面積（Ａ
Ｌ）を計測する（ステップｇ）。

【００１７】次に、ＸＪの位置において直径に相当する
Ｙ方向のランレングス（ＹＬ）を求め（ステップｈ）、
前記面積（ＡＬ）から逆算して直径（ＳＴ）を求め（ス
テップｉ）、ドリル孔の重心位置と、画面の中心（即ち
面取りカッターの中心）とのズレ（ＸＤ、ＹＤ）を求め
る（ステップｊ）。この後、前記ＳＴ、ＸＤ、ＹＤ、Ｙ
Ｌが所定の範囲内にあることを確認する孔確認チェック
を行って終了する（ステップｋ）。

【００１８】前記ステップａにおいて、対象レールがク
レーン用レール５９であると判断した場合、図８（Ａ）
に示すように両側に傾斜があるので、画像は両側が黒く
写ることになるので、まずＸ方向のランレングスが最大
となるＹ方向の位置（ＹＬ１）を求める（ステップ
ｌ）。但し、Ｙは１５．０〜６０．０の範囲で１．０の
割合で増加させながら行う。次に、ＹＬ１の位置におい
て円検出用のテンプレートをＸ方向に移動させ、類似度
が最大となるＸ方向の位置（ＸＬ１）を求める（ステッ
プｍ）。但し、Ｘは１５．０〜６０．０の範囲で３．０
の割合で増加させながら処理を行う。ここで、円検出用
のテンプレートは、中心（Ｘ、ＹＬ１）、直径３０の円
ウインドウ内黒部の画像面積（ＡＬ１）を求め（ステッ
プｎ）、次に、中心（Ｘ、ＹＬ１）で内径３０、外径４
０のドーナツウインドウ内黒部の画像面積（ＡＬ２）を
求める（ステップｏ）。そして、（ＡＬ１−ＡＬ２）を
求める（ステップｐ）。ここで、クレーン用レール５９
のドリル孔の直径は２８．５ｍｍとなっているので、
（ＡＬ１−ＡＬ２）が最大の場合（即ち、類似度が最
大）に、前記円ウインドウ内にドリル孔が略入っている
ことになる。

【００１９】そして、中心を（ＸＬ１、ＹＬ１）とし、
半径が１５．０の円ウインドウ３を作成し（ステップ
ｑ）、この中での重心位置（ＸＪ、ＹＪ）と面積（Ａ
Ｌ）を計算する（ステップｒ）。前記ステップｈ〜ｋを
介してドリル孔の重心位置と、画面の中心（即ち面取り
カッターの中心）とのズレ（ＸＤ、ＹＤ）を求める。次
に、前記Ｘ軸駆動用サーボモーター３２及びＹ軸駆動用
サーボモーター３７を駆動して、ドリル孔５３の中心に
面取りカッター１２の軸心を移動させる。

【００２０】次に、カメラＢを使用して、更に精密に面
取りカッター１２の軸心とドリル孔５３の中心を合わせ
るようにするが、上部から照明を行っているので、面取
りカッター１２の中心部に光が反射しその部分が白くな
る為、黒部の重心を求める方法では誤差を生じる。そこ
で、図１０に示すように中央に正方形のマスク６１をか
けてドリル孔５３の中心位置を測定した。図５にそのフ
ローを示すが、まず各レールによって決まっているドリ
ル孔の基準直径（ＫＴ）及び映像信号を２値化する場合
のしきい値（ＳＫ）を予め決定しておき、更には、加工
誤差及び測定誤差を考慮して、最小直径（ＫＴ１）、最
大直径（ＫＴ２）を決定しておく（ステップＩ）。

【００２１】次に、前記マスク６１を基準として辺Ｕよ
りｙ−方向に濃度を調べ、ドリル孔５３の縁のｙ座標を
求め、ｙ座標が最小となる位置をｙ１とし、辺Ｒよりｘ
＋方向に濃度を調べドリル孔５３の縁のｘ座標を求め、
ｘ座標が最大となる位置をｘ２とし、辺Ｂよりｙ＋方向
に濃度を調べ、ドリル孔５３の縁のｙ座標を求め、ｙ座
標が最大となる位置をｙ２とする。そして、辺Ｌよりｘ
−方向に濃度を調べドリル孔５３の縁のｘ座標を求め、
ｘ座標が最小となる位置をｘ１とする測定を行う（以
上、ステップII) 。

【００２２】以上の測定値から測定直径ＳＴ、ｘ方向の
位置ズレ（ＸＤ）及びｙ方向の位置ズレ（ＹＤ）を演算
する（ステップIII ）。そして、測定直径（ＳＴ）が前
記最小直径（ＫＴ１）及び最大直径（ＫＴ２）内に入っ
ているか否かを検出する（ステップIV）。これは製品の
表面状況、他に光源がある場合の外乱等によって２値化
されたドリル孔の大きさが変わるからである。従って、
ＳＴ＜ＫＴ１の場合には、測定直径が小さいということ
であるから、２５６階調に区分された濃淡度のしきい値
（ＳＫ）にβ( 例えば３）を加えて、しきい値（ＳＫ）
を上げ（ステップＶ）、回数をカウントして（ステップ
VI）、ステップＩに戻って測定を繰り返す。これによっ
て、測定直径が大きくなって許容直径に入れば、ズレチ
ェックを行い（ステップVII)、精密検査を終了する。こ
こで、ズレチェックとは前記ＸＤ及びＹＤが許容値の中
に入っているか否かを確認することによって行う。そし
て、ステップVIにおいて所定の回数計測を行っても、測
定直径ＳＴが基準値内に入らない場合には、画面処理異
常のアラームを発生する。

【００２３】次に、ＳＴ＞ＫＴ２の場合には、ステップ
VIIIにおいて、しきい値を下げ、回数をカウントして
（ステップIX）、再度測定を繰り返し、所定回数繰り返
しても、測定直径が基準値内に入らない場合には、異常
信号を発生する。測定直径ＳＴが基準値内（ＫＴ１〜Ｋ
Ｔ２）の場合には、前述した通り、ズレチェックを行い
（ステップVII)、ズレが無ければ前記ＸＤ、ＹＤを修正
信号として、Ｘ軸駆動用サーボモーター３２及びＹ軸駆
動用サーボモーター３７を駆動して、ドリル孔５３の中
心と面取りカッター１２の軸心を正確に一致させる。こ
の後、ドリルユニット２１を駆動しながら、ドリルユニ
ット昇降用サーボモーター（Ｚ軸駆動用サーボモータ
ー）２２を駆動して面取りカッター１２を当接させ、レ
ールとの相対位置を位置検出センサーによって検出する
まで上昇させて孔面取り加工を終了する。

【００２４】前記実施例においては、カメラＡとカメラ
Ｂを使用してドリル孔の位置を検出したが、単独のカメ
ラのみでドリル孔を検出し、面取り加工を正確に行う場
合も本発明は適用される。また、前記実施例において
は、レールについてのみ説明したが、アングル、チャン
ネル、Ｈ型鋼、Ｉビーム等の形鋼に形成されたドリル孔
あるいはパンチ孔等の丸孔の孔面取り加工を行う場合で
あっても本発明は適用される。

【００２５】

【発明の効果】請求項１に記載のレール及び形鋼の画像
処理を利用した自動孔面取り加工装置は以上の説明から
も明らかなように、テレビカメラによってドリル孔を撮
像し、その画像信号を処理してドリル孔の中心を探し、
面取りカッターをＸ及びＹ方向に移動させてドリル孔中
心と面取りカッターの軸心を一致させて加工を行うの
で、極めて精度良く作業ができる。そして、これらの作
業を自動的に行うので、極めて効率的に孔面取り加工が
行なえるという利点を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るレール孔面取り装置の
概略構成を示す側面図である。

【図２】同正面図である。

【図３】同装置の概略電気ブロック図である。

【図４】同装置の一部動作を示すフロー図である。

【図５】同装置の一部動作を示すフロー図である。

【図６】同装置の画面座標構成図である。

【図７】レールの画像説明図である。

【図８】レールの断面図である。

【図９】撮像された画像の説明図である。

【図１０】撮像された画像の説明図である。

【符号の説明】

１０：レール及び形鋼の画像処理を利用した自動孔面取
り加工装置、１１：レール、１２：面取りカッター、１
３：テレビカメラ、１４：支持架台、１５：旋回機構、
１６：架台、１７：Ｘ送り機構、１８：Ｙ送り機構、１
９：カメラ昇降用パルスモーター、２０：昇降機構、２
１：ドリルユニット、２２：ドリル昇降用サーボモータ
ー、２３：昇降機構、２４：補助部材、２５：レールス
トッパー、２６：レールクランプ、２７：載置台、２
８：回動軸、２９：軸受、３０：θ軸駆動用サーボモー
ター、３１：ディスクブレーキ、３２：Ｘ軸駆動用サー
ボモーター、３３：ネジ軸、３４：リニアガイド、３
６：中間架台、３７：Ｙ軸駆動用サーボモーター、３
８：ネジ軸、３９：リニアガイド、４１：制御盤、４
２：操作盤、４３：プログラマブルロジックコントロー
ラー、４４：サーボモータードライバー、４５：パルス
モータードライバー、４６：光変換ユニット、４７：光
変換ユニット、４８：パソコン、４９：パソコン用ＣＲ
Ｔ、５０：画像処理専用ユニット、５１：通信ボード、
５２：フレームメモリボード、５３：ドリル孔、５４：
デジタル表示器群、５５：ランプ群、５６：操作スイッ
チ群、５７：画像用モニター、５８：鉄道用レール、５
９：クレーン用レール、６０：傾斜部、６１：マスク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 太田 稔 福岡県北九州市八幡西区築地町１番１号 株式会社高田工業所内 (72)発明者 竹邊 潤一朗 福岡県北九州市八幡西区築地町１番１号 株式会社高田工業所内 (72)発明者 梶原 賢司 福岡県北九州市八幡西区築地町１番１号 株式会社高田工業所内 (72)発明者 木原 義貴 福岡県北九州市八幡西区築地町１番１号 株式会社高田工業所内 (56)参考文献 特開 平２−124206（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−31612（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭49−14286（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23Q 17/24 B23B 41/00 B23Q 15/22

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 面取りカッターを備えるドリルユニット
   と、該ドリルユニットを昇降させる昇降機構と、前記面
   取りカッターと軸心を合わせて対向して配置され内部に
   はハーフミラーによって分けられる粗位置検出用カメラ
   と精密位置検出用カメラを備えたテレビカメラと、前記
   ドリルユニット及びテレビカメラが取付けられた支持架
   台と、該支持架台を傾斜させる旋回機構と、前記支持架
   台をＸ及びＹ方向に移動させるＸ及びＹ送り機構とを有
   し、前記粗位置検出用カメラによってレール又は形鋼に
   形成された丸孔を撮像し、該撮像された丸孔を画像処理
   してその中心を検出し、該検出信号によって前記面取り
   カッターの切削位置を修正し、更に前記精密位置検出用
   カメラによって前記面取りカッターの軸心と前記丸孔の
   軸心との精密位置合わせをして前記丸孔の面取りを行う
   ことを特徴とするレール及び形鋼の画像処理を利用した
   自動孔面取り加工装置。