JP6101370B2 - 鏡面反射するワークの狭幅開先の検出装置及び検出方法 - Google Patents

Description

本開示の実施形態は一般的に、自動溶接の分野に関し、特に鏡面反射するワークの狭幅開先の検出装置及び検出方法に関する。

航空宇宙工学用部材における軽量化開発及び信頼性要求の向上は、溶接の検出及び追従において大きな課題をもたらしている。一方では、溶接されるワークの開先は一般的にI形開先であり、その開先幅は非常に小さく（一般的には0.1mmと等しいかまたはそれよりも小さい）、溶接トーチと開先との間の僅かなずれに起因して重大な溶接欠陥が生じることがあるため、検出及び追従の高い正確度が要求される。他方、ほとんどの航空宇宙工学用部材の材料は95%を超える反射率を有するアルミニウムマグネシウム合金であり、アルミニウムマグネシウム合金の表面からの強い鏡面反射光のためにその画像輝度は均一ではなく、開先の主特徴情報でさえ失われることがある。従来の溶接継目の追従方法は、構造化光によるストライプの歪み特性を検出することにより溶接領域を識別する。しかしながら、斯かる方法は、開先の巨視的な幾何学構造に過度に依存しているため、構造化光によるストライプの明らかな歪み特性がない狭幅開先に適用することは難しい。

中国特許第101927395号公報には、溶接継目の追従及び検出装置並びに方法が開示されており、特定の輪郭特徴を有するレーザスポットがワーク表面に投影され、ワーク表面の画像がCCD（電荷結合素子）カメラにより抽出される。レーザスポット内の開先の影を検出することにより、開先の横方向のずれが取得することができ、レーザスポットの形状、位置、及び大きさを検出することにより、ワーク表面と溶接トーチとの間の相対姿勢が計算され得る。斯かる方法により抽出された画像は均一でないグレースケールを有するため、レーザスポットの縁を正確に抜き出すことは難しい。この欠点は、二つの理由による。一つは、ワーク表面でのレーザの強い鏡面反射により、画像の一部が飽和していることである。もう一つは、レーザ照射によりワーク表面にスペックル（斑点）が形成されるため、抽出された画像のグレースケールに不均一性が生じることである。露光時間の削減、開口部の絞込み、又は減光用偏光板の使用により、鏡面反射光の影響はある程度抑制することができるものの、レーザスペックル現象はより明らかになり画像のグレースケールの不均一性は改善され得ない。

中国特許第101927395号公報

本開示の実施形態は、関連技術において存在する課題のうちの少なくとも一つを少なくともある程度解決することを探る。

本開示の第１の広範な態様の実施形態は、鏡面反射するワークの狭幅開先の検出装置を提供する。該検出装置は、半球状拡散反射体及び該半球状拡散反射体の上方に配されたＬＥＤ（発光ダイオード）アレイを有し、ワーク表面を均一に照射するように構成された球状光源と、少なくとも３個のレーザを有し、前記ワーク表面にレーザ光を放射するように構成されたレーザアレイと、前記ワーク表面の画像を生成するために前記球状光源又はレーザアレイから放射され前記ワーク表面で反射された光を抽出するように構成された撮像部と、前記球状光源、レーザアレイ、及び撮像部夫々に電気的に接続され、前記球状光源及びレーザアレイを制御して前記ワーク表面を交互に照射し、前記撮像部を制御して前記レーザアレイに照射された前記ワーク表面の第１画像と前記球状光源に照射された前記ワーク表面の第２画像とを抽出し、前記第１画像に従って前記ワークに対する溶接トーチの姿勢を計算し、前記第２画像及び前記ワークに対する前記溶接トーチの前記姿勢に従って前記狭幅開先の中心点の位置を計算する制御部とを備える。

幾つかの実施形態においては、前記球状光源は更に、前記レーザアレイによって放射されたレーザ光が前記ワーク表面に達するまでに通過する開口部を有する。

幾つかの実施形態においては、前記球状光源又はレーザアレイから放射され前記ワーク表面で反射された光が、前記開口部を通過して前記撮像部に達する。

幾つかの実施形態においては、前記検出装置は更に、前記球状光源と前記撮像部との間の光路上に配され、周辺光及び溶接加工中に発生するアーク光を濾光する濾光部を備える。

幾つかの実施形態においては、前記ＬＥＤアレイは前記半球状拡散反射体の底部に配され、前記ＬＥＤアレイから放射された光が前記半球状拡散反射体で反射されて前記ワーク表面に達する。

幾つかの実施形態においては、前記ＬＥＤアレイは前記半球状拡散反射体の内面に配され、前記ＬＥＤアレイから放射された光の一部が直接、前記ワーク表面に達し、前記ＬＥＤアレイから放射された光の別の一部が前記半球状拡散反射体で反射されて前記ワーク表面に達する。

幾つかの実施形態においては、前記制御部は更に、前記第１画像に従って前記ワーク表面の法線ベクトルを計算するように構成されている。

幾つかの実施形態においては、前記ワーク表面に対する前記溶接トーチの姿勢が前記狭幅開先の中心点の位置及び前記ワーク表面の前記法線ベクトルに従って自動的に調整され得る。

幾つかの実施形態においては、前記撮像部は、CCD、CMOS（相補型金属酸化膜半導体）撮像素子、位置検出素子、及び電荷注入素子のいずれか一つを有する。

幾つかの実施形態においては、前記球状光源又は前記レーザアレイから放射される光の波長は、前記球状光源と前記撮像部との間の光路上に配され、周辺光及び溶接加工中に発生するアーク光を濾光する濾光部の中心波長と一致しており、前記濾光部の中心波長は前記撮像部の感光波長域内にある。

幾つかの実施形態においては、前記検出装置は更に、ハウジングを備え、前記溶接トーチは前記ハウジングに固定されて接続され、前記球状光源、前記レーザアレイ、前記撮像部、及び前記球状光源と前記撮像部との間の光路上に配され、周辺光及び溶接加工中に発生するアーク光を濾光する濾光部は夫々前記ハウジングに固定されて配されている。

本開示の実施形態に係る鏡面反射するワークの狭幅開先の検出装置によれば、ワーク表面が球状光源により照射されて、開先の位置ずれが得られ、ワーク表面の姿勢情報がレーザアレイにより決定される。本開示の実施形態に係る検出装置は、次に挙げる利点を有する。画像のグレースケールは均一であり、開先の特徴は明確であるため、狭幅開先の位置をリアルタイムで正確に検出するのに便利である。また、溶接トーチの横ずれ、高さ方向のずれ、横ずれ角、及び縦ずれ角を含むワーク表面に対する溶接トーチの姿勢情報が、迅速且つ正確に決定され得る。更に、検出の正確度が0.03mmまで改善され得る。加えて、前記検出装置は、簡単な構造を有し、低コストで優れたリアルタイム性能を発揮し、強い鏡面反射を行うワークの開先の自動検出、特に0.1mm未満の幅を有する狭幅開先の検出に適用される。

本開示の第２の広範な態様の実施形態は、
原点が撮像部の光学中心であり、垂直軸の方向が前記撮像部の光学軸の方向と同一である撮像部座標系{C}を設定し、
画素座標系{P}を設定し、
レーザアレイが3と等しいかまたはそれより大きい整数であるN個のレーザを有すると仮定し、
前記画素座標系{P}における点(u, v)^Tと前記撮像部座標系{C}における対応点(x, y, z)^Tとの間の次式で表される変換関係を取得するため、

且つ前記撮像部座標系{C}におけるi番目のレーザから放射されたレーザ光の伝播経路式X_i＝X_i,0＋t_iS_iを取得するために、撮像部を較正し、
上式中でf₁及びf₂は前記画素座標系{P}と前記撮像部座標系{C}との間の変換関数であり、iは１と等しいかまたはそれより大きいとともに、Nと等しいかまたはそれよりも小さい整数であり、X_i及びX_i,0は前記i番目のレーザから放射された前記レーザ光の伝播経路上の点であり、S_iは前記i番目のレーザから放射された前記レーザ光の前記伝播経路の単位方向ベクトルであり、t_iは前記点X_iと前記点X_i,0との間の有向距離であり、
前記レーザアレイにより照射されたワーク表面の第１画像を前記撮像部で抽出し、
前記第１画像を処理し、前記画素座標系{P}における前記i番目のレーザのレーザスポットの座標(u_i, v_i)^Tを計算し、該座標(u_i, v_i)^Tに基づいて前記撮像部座標系{C}における前記i番目のレーザの前記レーザスポットの座標A_iをA_i=[X_i,0＋t_i,1(u_i,v_i)・S_i＋t_i,2(u_i,v_i)・V_i(u_i,v_i)]/2で計算し、
上式中で

であり、
前記レーザスポットが投影された前記ワーク表面は平面Wであり、該平面Wの式はX^Tα＝１で表され、αは該平面Wの法線ベクトルであり、Xは該平面W上の点であると仮定し、前記座標A_i の点が該平面W上にある場合に

が成立し、
すなわち、

であり、
前記平面Wの前記法線ベクトルαを解き、
球状光源に照射された前記ワーク表面の第２画像を前記撮像部で抽出し、
前記第２画像に対してフィルタリング及び閾値分割処理を実行し、前記画素座標系{P}における前記狭幅開先の中心点の座標(u_w,v_w)^Tを抜き出し、該座標(u_w,v_w)^Tに基づいて前記撮像部座標系{C}における前記狭幅開先の前記中心点の座標ＢをＢ＝V_w(u_w,v_w)/[α^TV_w(u_w,v_w)]で計算し、
上式中で、V_w(u_w,v_w)＝[f₁(u_w,v_w),f₂(u_w,v_w),1]^Tである
鏡面反射するワークの狭幅開先の検出方法を提供する。

幾つかの実施形態においては、前記画素座標系{P}における前記狭幅開先の前記中心点の前記座標(u_w,v_w)^Tは、次式で表され、
u_w＝j
v_w＝（sum{v:I(j,v)=0}）／（#{v:I(j,v)=O}）
上式中で、I(j,v)は画像Iのj行v列の画素点のグレー値を表し、#{v:I(j,v)=0}は式I(j,v)=0を満たす画素点の合計を表し、sum{v:I(j,v)=0}はI(j,v)=0を満たす画素点の列番号の合計を表す。

幾つかの実施形態においては、前記ワークに対する溶接トーチの姿勢が、前記座標Ｂ及び前記ワーク表面の前記法線ベクトルαに従って自動的に調整され得る。

本開示の実施形態に係る鏡面反射するワークの狭幅開先の検出方法によれば、開先の位置ずれを取得するためにワーク表面が球状光源に照射され、ワーク表面の姿勢情報がレーザアレイにより決定される。本開示の実施形態に係る方法は次の利点を有する。画像のグレースケールは均一であり、開先の特徴は明確であるため、狭幅開先の位置をリアルタイムで正確に検出するのに便利である。また、溶接トーチの横ずれ、高さ方向のずれ、横ずれ角、及び縦ずれ角を含むワーク表面に対する溶接トーチの姿勢情報が、迅速且つ正確に決定され得る。更に、検出の正確度が0.03mmまで改善され得る。

本開示の上述した概要は、開示された実施形態夫々又は本開示の実施例すべてを説明することを意図したものではない。以降の図面及び詳細な説明が、説明のための実施形態をより特定的に例示する。

本開示の実施形態のその他の態様及び利点は以下の説明により部分的に与えられ、以下の説明により部分的に明らかになり、又は本開示の実施形態による実施から習得される。

本開示の上記及び他の態様及び利点は、添付の図を参照した以下の説明により、明らかになり、より容易に認識される。

本開示の実施形態１に係る鏡面反射するワークの狭幅開先の検出装置の概念的構造図である。 本開示の実施形態２に係る鏡面反射するワークの狭幅開先の検出装置の概念的構造図である。 本開示の実施形態１及び実施形態２に係るワークが球状光源に照射された場合に撮像部により抽出される開先の画像である。 本開示の実施形態１及び実施形態２に係るレーザアレイによるワークの姿勢の決定を示す概念図である。 本開示の実施形態に係る鏡面反射するワークの狭幅開先の検出方法のフローチャートである。

本開示の実施形態に対する詳細な説明が与えられる。ここで図面を参照して説明される実施形態は説明及び図解上のものであり、本開示を一般的に理解するために用いられる。実施形態は本開示を限定すると解されるべきものではない。同じ又は類似の要素、及び同じ又は類似の機能を有する要素は、説明中で同じ参照番号により表される。

明細書中において、別段に特定又は限定されない限り、「中心の」、「縦方向の」、「横方向の」、「前」、「後」、「右」、「左」、「内部」、「外部」、「下部の」、「上部の」、「水平の」、「垂直の」、「上の」、「下の」、「上」、「上部」及び「底部」、並びにそれらの派生語（例えば、「水平方向に」、「下向きに」、「上向きに」等）のような相対語は、論じられている図面において説明されているか又は示されている向きを参照していると解されるべきである。これらの相対語は、説明の便宜のためのものであり、本開示が特定の向きにおいて構築され、又は実行されることを要求するものではない。

本開示の記述において、別段に特定又は限定されない限り、「取り付けられた」、「接続された」、及び「結合された」という用語並びにそれらの関連語は、広い意味で用いられ、機械的又は電気的な取り付け、接続、又は結合等を包含し、２つの構成要素の内部の取り付け、接続、及び結合を意味することもでき、更には直接又は間接的な取り付け、接続、及び結合を意味することもできる。それらの意味は、本開示の実施形態に従って当業者により理解され得る。

また、「第１」及び「第２」等の用語はここでは説明の目的で用いられ、相対的な重要性を明示又は暗示し、若しくは示された技術的特徴の数を暗示することを意図するためのものではない。よって、「第１」及び「第２」で定義される特徴は、その特徴を１つ以上含んでもよい。本発明の記述においては、別段に特定されない限り、「複数の」という言葉は２つ以上を意味する。

図１は、本開示の実施形態１に係る鏡面反射するワークの狭幅開先の検出装置の概念的構造図である。

図１に示されるように、検出装置は、制御部1と、球状光源3と、レーザアレイ4と、撮像部5とを備える。球状光源3、レーザアレイ4、及び撮像部5夫々は、溶接トーチ8に対して不変な相対位置を有する。球状光源3は、半球状拡散反射体32と、半球状拡散反射体32の上に配され、ワーク表面7を一様に照射するように構成されたＬＥＤアレイ31とを有する。レーザアレイ4は少なくとも３個のレーザを有し、ワーク表面7に対する溶接トーチ8の姿勢を決定するために、レーザ光をワーク表面7に放射するように構成されている。撮像部5は、ワーク表面7の画像を生成するために、球状光源3又はレーザアレイ4から放射されワーク表面7で反射された光を抽出するように構成されている。制御部1は、球状光源3、レーザアレイ4、及び撮像部5夫々に電気的に接続されており、球状光源3及びレーザアレイ4を制御してワーク表面7を交互に照射し、撮像部5を制御してレーザアレイ4に照射されたワーク表面7の第１画像、及び球状光源3に照射されたワーク表面7の第２画像を抽出し、第１画像に基づいてワークに対する溶接トーチ8の姿勢を計算し、第２画像及びワークに対する溶接トーチ8の姿勢に基づいて狭幅開先の中心点の位置を計算するように構成されている。

本開示のある一つの実施形態においては、検出装置は、濾光部6を更に備える。濾光部6は、球状光源3と撮像部5との間の光路中に配され、周辺光及び溶接加工中に発生するアーク光を濾光するように構成されている。

一の実施形態においては、制御部1は、ワイヤを介して球状光源3、レーザアレイ4、及び撮像部5に接続されていてもよい。

一の実施形態においては、球状光源3は、レーザアレイ4から放射されるレーザ光がワーク表面7に達するまでに通過する開口部33を更に備えている。更に、ＬＥＤアレイ31は半球状拡散反射体32の底部に配され、ＬＥＤアレイ31から放射される光は半球状拡散反射体32に反射された後にワーク表面7に達する。加えて、レーザアレイ4から放射されたレーザスポットもワーク表面7に投影され、ワーク表面7で反射された光が開口部33及び濾光部6を通過した後、撮像部5に達する。換言すると、球状光源3又はレーザアレイ4から放射されワーク表面7で反射された光は、開口部33を通って撮像部5に達する。

ＬＥＤは間隔を空けて分布しており、夫々のＬＥＤの光度方向は均一ではないため、ＬＥＤアレイ31の出力光度の空間分布は著しく不均一である。半球状拡散反射体32の内面は、光度積分効果によってＬＥＤアレイ31の出力光度の不均一性がある程度取り除かれたウルブリヒト球面に等しく、そのためワーク表面7に投影される光密度は均一である。且つ、レーザ光源と比較した場合、ＬＥＤアレイ31は均一な光密度を有する非コヒーレント光を与えることができ、スペックルを生じさせる欠点がない。

本開示の実施形態においては、撮像部5は、CCD、CMOS撮像素子、位置検出素子、及び電荷注入素子のいずれか一つを備える。但し、これらに限定されない。また、球状光源3又はレーザアレイ4から放射される光の波長は濾光部6の中心波長に一致し、濾光部6の中心波長は撮像部5の感光波長域内である。

本開示のある一つの実施形態においては、レーザの個数は３個である。すなわち、第１レーザ41、第２レーザ42、及び第３レーザ43が備えられ、それらの波長は635nmである。撮像部5は1024×1024画素のCCDカメラであり、その撮影範囲は30mm×30mmであり、その検出の正確度は0.03mmである。ＬＥＤアレイ31から放射される光の波長は635nmから645nmまでの範囲にある。濾光部6は、中心波長が635nmであって半値全幅が10nmである透過波長幅の狭いバンドパスフィルタである。アーク光の光密度は635nm-645nmの波長域で比較的弱いため、濾光部6は、溶接加工中に発生するアーク光を濾光することができる。

本開示のある一つの実施形態においては、検出装置はハウジング2を更に備える。溶接トーチ8はハウジング2に固定されて接続されており、球状光源3、レーザアレイ4、撮像部5及び濾光部6は夫々、ハウジング2に固定されて配されている。

図２は、本開示の実施形態２に係る鏡面反射するワークの狭幅開先検出装置の概念的構造図である。

図２に示されるように、ＬＥＤアレイ31が半球状拡散反射体32の内面に配されているという点で、実施形態２は実施形態１とは異なる。このため、ＬＥＤアレイ31から放射された光の一部は直接、ワーク表面7に到達し、ＬＥＤアレイ31から放射された光の他の一部は、半球状拡散反射体32で反射された後にワーク表面7に到達する。半球状拡散反射体32の光度積分効果により、ワーク表面7に投影される光密度は均一である。

図３は、本開示の実施形態１及び実施形態２に係るワークが球状光源に照射された場合に撮像部により抽出される開先の画像である。

図３に示されるように、母材71及び開先72は大きく異なる光学反射特性を有する。母材71のグレースケールは、母材71の表面の強い鏡面反射によりほとんど飽和している。開先72に投影される光は開先72の側壁で反射され、したがって撮像部5に到達しないため、開先72は画像内で曲線として表現されており、開先72のグレースケールはゼロに近い。母材71と開先72のグレースケールの大幅な違いのため、開先72の位置は迅速且つ正確に検出され得る。

図４は、本開示の実施形態１及び実施形態２に係るレーザアレイによるワークの姿勢の決定を示す概念図である。

球状光源3から放射されワーク表面7に投影される光のスポットは明確な輪郭を有さないため、ワーク表面7に対する溶接トーチ8の姿勢を決定することは難しい。本開示の実施形態においては、ワーク表面7に対する溶接トーチ8の姿勢を決定するためにレーザアレイ4が用いられ、撮像部5により抽出された画像に画素座標系{P}が設定される。ここで、画素座標系{P}上の任意の点が撮像部5により抽出された画像の画素座標を表す。加えて、撮像部座標系{C}が設定される。ここで、撮像部座標系{C}の原点は撮像部5の光学中心であり、撮像部座標系{C}の垂直軸の方向は撮像部5の光学軸の方向に一致する。

図５は、本開示の実施形態に係る鏡面反射するワークの狭幅開先の検出方法のフローチャートである。

制御部1が、レーザアレイ4をオンにして、球状光源3をオフにするように制御する場合、撮像部5はワーク表面7の画像を抽出する。すなわち、撮像部5は、ワーク表面7に対する溶接トーチ8の姿勢を計算するために、レーザアレイ4により照射されたワーク表面7の第１画像を抽出する。更に、制御部1は、第１画像に基づいて、ワーク表面7の法線ベクトルを計算することもできる。制御部1が、球状光源3をオンにし、レーザアレイ4をオフにするように制御する場合、撮像部5はワーク表面7の画像を抽出する。すなわち、撮像部5は、球状光源3に照射されたワーク表面7の第２画像を抽出し、それにより、第２画像における狭幅開先72の中心点の画素座標、及びワーク表面7に対する溶接トーチ8の姿勢の部分的な計算結果（すなわち、ワーク表面7の法線ベクトル）に基づいて、撮像部座標系{C}における狭幅開先72の中心点の座標が計算可能になる。具体的には、制御部1は、球状光源3、レーザアレイ4、及び撮像部5を制御し、撮像部5により抽出された画像を処理し、ワーク表面7に対する溶接トーチ8の姿勢を自動的に調整するように構成されており、これにより自動追従を実行する。

したがって、鏡面反射するワークの狭幅開先の検出方法は次のステップを含む。

撮像部座標系{C}が設定され、撮像部座標系{C}の原点は撮像部の光学中心であり、撮像部座標系{C}の垂直軸の方向は撮像部の光学軸の方向に一致する。且つ、画素座標系{P}が設定される。

レーザアレイはN個のレーザを有し、Nは3と等しいかまたはそれより大きい整数であるとした場合、撮像部座標系{C}におけるi番目のレーザから放射されたレーザ光の式(1)で表される伝播経路式が得られる。

式(3)及び式(4)で表される直線がねじれの位置にある線でない場合でも、交点の座標が式(11)を満たすことが証明され得る。

すなわち、

Nが3と等しいかまたはそれより大きい整数である場合のみ、式(13)は一意な最小二乗解を持つことができ、平面Wの式が決定され得る。よって、レーザアレイは少なくとも３個のレーザを有することが要求される。

上述の実施形態は本開示の説明を意図したものであり、本開示の限定を意図したものではない。例えば、ワーク表面に対する溶接トーチの姿勢検出の正確度を向上させるためにレーザアレイは４個と等しいかまたはそれより大きいレーザを有していてもよく、開先検出の正確度を向上させるためにより高解像度な撮像部が用いられてもよく、濾光部は分光器（モノクロメータ等）で置き換えられても良い。

本開示においては、鏡面反射するワークの狭幅開先の検出を行うために、球状光源、レーザアレイ、及び撮像部が用いられている。検出装置及び検出方法は開先の巨視的な幾何学的構造特性に依存せず、検出の正確度は0.03mmまで高められる。球状光源がワーク表面の均一照射に用いられるため、母材のグレースケールは1に近く、開先のグレースケールは0に近い。したがって、一方においては、画像中の開先の位置が正確に得られることができ、他方においては、画像処理の困難さとアルゴリズムの複雑さが減少する。更に、レーザアレイがワーク表面の姿勢情報を決定するために用いられるため、検出方法が簡単になり、ワーク表面に対する溶接トーチの姿勢のずれが迅速且つ正確に計算される。濾光部が撮像部上のアーク光及び周辺光による干渉を除去するために用いられるため、実際の溶接作業環境への検出装置の適応性が改善され得る。また、検出装置の構造が簡単であり、低コストで優れたリアルタイム性能を有しており、強い鏡面反射をするワークの開先の自動検出に適用され、特に0.1mm未満の開先幅を有する狭幅開先の検出に適用される。

本明細書を通して、「ある一つの実施形態」、「幾つかの実施形態」、「一の実施形態」、「他の例」、「ある一つの例」、「具体例」、又は「幾つかの例」に対する参照は、実施形態又は例と結びつけて記述された特定の特徴、構造、物質、又は性質が、本開示の少なくとも一つの実施形態又は例に含まれることを意味する。よって、「幾つかの実施形態においては」、「一の実施形態においては」、「ある一つの実施形態においては」、「他の例においては」、「ある一つの例においては」、「具体例においては」、又は「幾つかの例においては」といった、本明細書を通して幾つもの箇所で現れる語句は、必ずしも本開示の同一の実施形態又は例を参照するものではない。更に、特定の特徴、構造、物質、又は性質は、１つ以上の実施形態又は例において、任意の適切な方法で組み合わされてよい。

説明のための実施形態が示され記述されたが、上述の実施形態は本開示を限定するために解釈されるべきではなく、本開示の範囲及び原理から逸脱しない範囲での改変、代替、変更が可能であることが、当業者によって認められる。

関連出願の相互参照
本出願は、２０１４年５月１３日に中華人民共和国国家知識産権局に出願された中国特許出願第２０１４１０２０１１５１．３号の優先権及び利益を主張している。その開示は参照によって本明細書に組み込まれている。

Claims (14)

1. 鏡面反射するワークの狭幅開先の検出装置であって、
   半球状拡散反射体及び該半球状拡散反射体の上方に配された発光ダイオードアレイを有し、ワーク表面を均一に照射するように構成された球状光源と、
   少なくとも３個のレーザを有し、前記ワーク表面にレーザ光を放射するように構成されたレーザアレイと、
   前記ワーク表面の画像を生成するために前記球状光源又はレーザアレイから放射され前記ワーク表面で反射された光を抽出するように構成された撮像部と、
   前記球状光源、レーザアレイ、及び撮像部夫々に電気的に接続され、前記球状光源及びレーザアレイを制御して前記ワーク表面を交互に照射し、前記撮像部を制御して前記レーザアレイに照射された前記ワーク表面の第１画像と前記球状光源に照射された前記ワーク表面の第２画像とを抽出し、前記第１画像に従って前記ワークに対する溶接トーチの姿勢を計算し、前記第２画像及び前記ワークに対する前記溶接トーチの前記姿勢に従って前記狭幅開先の中心点の位置を計算する制御部と
   を備えることを特徴とする検出装置。
2. 前記球状光源は、前記レーザアレイから放射されたレーザ光が前記ワーク表面に達するまでに通過する開口部を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
3. 前記球状光源又はレーザアレイから放射され前記ワーク表面で反射された光が、前記開口部を通過して前記撮像部に達することを特徴とする請求項２に記載の検出装置。
4. 前記球状光源と前記撮像部との間の光路上に配され、周辺光及び溶接加工中に発生するアーク光を濾光する濾光部を備えることを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載の検出装置。
5. 前記発光ダイオードアレイは前記半球状拡散反射体の底部に配され、
   前記発光ダイオードアレイから放射された光が前記半球状拡散反射体で反射されて前記ワーク表面に達すること
   を特徴とする請求項１から４までのいずれか一つに記載の検出装置。
6. 前記発光ダイオードアレイは前記半球状拡散反射体の内面に配され、
   前記発光ダイオードアレイから放射された光の一部が直接、前記ワーク表面に達し、前記発光ダイオードアレイから放射された光の別の一部が前記半球状拡散反射体で反射されてワーク表面に達すること
   を特徴とする請求項１から４までのいずれか一つに記載の検出装置。
7. 前記制御部は更に、前記第１画像に基づいて前記ワーク表面の法線ベクトルを計算するように構成されていることを特徴とする請求項１から６までのいずれか一つに記載の検出装置。
8. 前記ワーク表面に対する前記溶接トーチの姿勢が、前記狭幅開先の前記中心点の位置及び前記ワーク表面の前記法線ベクトルに基づいて自動的に調整され得ることを特徴とする請求項７に記載の検出装置。
9. 前記撮像部は、電荷結合素子、相補型金属酸化膜半導体撮像素子、位置検出素子、及び電荷注入素子のいずれか一つを有することを特徴とする請求項１から８までのいずれか一つに記載の検出装置。
10. 前記球状光源又は前記レーザアレイから放射される光の波長は、前記球状光源と前記撮像部との間の光路上に配され、周辺光及び溶接加工中に発生するアーク光を濾光する濾光部の中心波長と一致しており、前記濾光部の中心波長は前記撮像部の感光波長域内にあることを特徴とする請求項１から９までのいずれか一つに記載の検出装置。
11. ハウジングを更に備え、
    前記溶接トーチは前記ハウジングに固定されて接続され、前記球状光源、前記レーザアレイ、前記撮像部、及び前記球状光源と前記撮像部との間の光路上に配され、周辺光及び溶接加工中に発生するアーク光を濾光する濾光部は夫々前記ハウジングに固定されて配されていること
    を特徴とする請求項１から１０までのいずれか一つに記載の検出装置。
12. 鏡面反射するワークの狭幅開先の検出方法であって、
    原点が撮像部の光学中心であり、垂直軸の方向が前記撮像部の光学軸の方向と同一である撮像部座標系{C}を設定し、
    画素座標系{P}を設定し、
    レーザアレイが3と等しいかまたはそれより大きい整数であるN個のレーザを有すると仮定し、
    前記画素座標系{P}における点(u, v)^Tと前記撮像部座標系{C}における対応点(x, y, z)^Tとの間の次式で表される変換関係を取得するため、
    

    

    且つ前記撮像部座標系{C}におけるi番目のレーザから放射されたレーザ光の伝播経路式X_i＝X_i,0＋t_iS_iを取得するために、撮像部を較正し、
    上式中でf₁及びf₂は前記画素座標系{P}と前記撮像部座標系{C}との間の変換関数であり、iは１と等しいかまたはそれより大きいとともに、Nと等しいかまたはそれよりも小さい整数であり、X_i及びX_i,0は前記i番目のレーザから放射された前記レーザ光の伝播経路上の点であり、S_iは前記i番目のレーザから放射された前記レーザ光の前記伝播経路の単位方向ベクトルであり、t_iは前記点X_iと前記点X_i,0との間の有向距離であり、
    前記レーザアレイにより照射されたワーク表面の第１画像を前記撮像部で抽出し、
    前記第１画像を処理し、前記画素座標系{P}における前記i番目のレーザのレーザスポットの座標(u_i, v_i)^Tを計算し、該座標(u_i, v_i)^Tに基づいて前記撮像部座標系{C}における前記i番目のレーザの前記レーザスポットの座標A_iをA_i=[X_i,0＋t_i,1(u_i,v_i)・S_i＋t_i,2(u_i,v_i)・V_i(u_i,v_i)]/2で計算し、
    上式中で
    

    

    であり、
    前記レーザスポットが投影された前記ワーク表面は平面Wであり、該平面Wの式はX^Tα＝１で表され、αは該平面Wの法線ベクトルであり、Xは該平面W上の点であると仮定し、前記座標A_i の点が該平面W上にある場合に
    

    

    が成立し、
    すなわち、
    

    

    であり、
    前記平面Wの前記法線ベクトルαを解き、
    球状光源に照射された前記ワーク表面の第２画像を前記撮像部で抽出し、
    前記第２画像に対してフィルタリング及び閾値分割処理を実行し、前記画素座標系{P}における前記狭幅開先の中心点の座標(u_w,v_w)^Tを抜き出し、該座標(u_w,v_w)^Tに基づいて前記撮像部座標系{C}における前記狭幅開先の前記中心点の座標ＢをＢ＝V_w(u_w,v_w)/[α^TV_w(u_w,v_w)]で計算し、
    上式中で、V_w(u_w,v_w)＝[f₁(u_w,v_w),f₂(u_w,v_w),1]^Tである
    ことを特徴とする検出方法。
13. 前記画素座標系{P}における前記狭幅開先の前記中心点の前記座標(u_w,v_w)^Tは、次式で表され、
    u_w＝j
    v_w＝（sum{v:I(j,v)=0}）／（#{v:I(j,v)=O}）
    上式中で、I(j,v)は画像Iのj行v列の画素点のグレー値を表し、#{v:I(j,v)=0}は式I(j,v)=0を満たす画素点の合計を表し、sum{v:I(j,v)=0}は式I(j,v)=0を満たす画素点の列番号の合計を表すこと
    を特徴とする請求項１２に記載の検出方法。
14. 前記ワークに対する溶接トーチの姿勢が、前記座標Ｂ及び前記ワーク表面の前記法線ベクトルαに従って自動的に調整され得ることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の検出方法。

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