JPH01100411A - 開先位置検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、自動溶接装置等における開先位置検出方法に
関する。

〔従来の技術〕

第７図は光切断法を用いた従来の開先位置検出方法を示
す図である。同図中、１はレーザ発振器、２はスリット
光、３は測定対象物、４はＴＶ左カメラ１０はモニタ、
１４は走査線、７１は処理装置である。レーザ発振器１
から発せられたレーザ測定対象物３のスリット光２が投
射している部分を中心とした部分をＴＶ左カメラで所定
角度から撮像する。このとき、ＴＶ右カメラはモニタ効
果を考慮して、開先幅方向と水平走査線１４とが平行と
なる如く設置されるケースが多い。このＴＶ右カメラで
得られた画像信号を、処理装置７１で２値化処理して開
先の形状および位置をモニタ１０に白線Ａで表示する。

この光切断法においては、Ｍ１定対象物３上に得られる
光切断線の画像上の位置を認識するために、２値化処理
、すなわち画像上の輝度がある設定値（以下しきい値と
称する）を越えた場合を「白」とし、それ以外は「黒」
とすることにより光切断線を画像上に白線Ａとして表示
させる処理を行なう。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来の方法では、走査線ｙａの画素Ｘにおける輝度
Ｂは、スリット光２による輝度レベルをＢ　（ｘ、　　
ｙ　ａ）　、周囲光レベルをＢｂ　（ｘ、ｙａ）とする
と、Ｂ　（ｘ、ｙａ）＋Ｂｂ　（、、ｘ、ｙａ）で求ま
る。これを輝度Ｂと画素Ｘとの関係で表わすと、第８図
（ａ）（ｂ）に示すようになる。ここで、第８図（ａ）
は周囲光レベルＢｂ　（ｘ、ｙａ）が低い（周囲光が暗
い）場合、第８図（ｂ）は周囲光レベルＢｂ（Ｘ、ｙａ
）が高い（周囲光が明るい）場合をそれぞれ示す図であ
り、同じ測定対象物をＭ１定している。同図中、破線は
しきい値Ｃを示す。このように従来の方法においては、
周囲光レベルＢｂ　（ｘ、ｙａ）が変化すると輝度Ｂも
変化してしまうため、周囲光レベルＢｂ　（ｘ。

ｙａ）の変化によってしきい値が適正でなくなり、開先
位置の検出に誤差が生じたり、検出不能となったりする
おそれがある。すなわち、２値化のためのしきい値Ｃが
適切な値に設定されていても、周囲からの外乱によって
適正な２値化画像が得られない。また、開先面は鏡面反
射をし易く、開先底部３ａには第９図（ａ）に示す如く
多重反射像５４が観測されるおそれがある。従来はこの
多重があった。しかるにこの細線化の行なわれ方によっ
ては第９図（Ｃ）に示すような歪んだ像となってしまう
。

また、特開昭６１−１８６８０３号公報においては、画
像上の最大輝度位置を識別するという方法が開示されて
いるが、この方法では測定対象物３の表面性状（反射率
）の変動に伴い画像輝度が変動したり、測定対象物３上
の傷・スパッタ等による影響や測定対象物３の傾斜の影
響を受は易いため、その適用条件が非常に限定されたも
のとなる。また、この方法では得られた画像から開先位
置等を識別する演算処理として、画像全面で微分処理を
行なうために演算時間が長く、また大量の記憶容量をも
ったメモリを必要とする。

このように従来の方法では、工業上利用する場合におい
て問題が多かった。

そこで本発明は、様々な条件下においても、常に正確に
開先位置の検出を行なうことが可能で、かつ短時間で演
算処理が行なえる開先位置検出方法を提供することを目
的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上記問題点を解決し目的を達成するために、次
のような手段を講じた。すなわち、スリット光を開先部
およびその近傍に照射し、この開先部からの反射光を受
光部が平面上で複数の画素に分割されているイメージセ
ンサで受けて開先位置を検出する方法において、イメー
ジセンサの水平走査線と開先幅方向とが直交し、かつ開
先底部が表面部よりも水平走査線上長時間側となるよう
にイメージセンサと開先幅方向との相対的位置関係を設
定−し、画像の走査線上の任意の画素と、この画素から
走査線方向長時間側に一つもしくは複数の画素骨だけ離
れた画素との輝度差が、予め設定するしきい値を越えた
とき、白点（画像中でスリット光による反射光を感受し
た点）であると判別する如く２値化処理を行ない、画像
全体を２値化処理するに当たり、走査線の短時間側から
前記処理を順次行ない、この白点が得られた時点で２値
化処理を打ち切り、この走査線の残った長時間側の部分
は黒点であると判別する処理を全走査線に亙り繰返し行
ない、上記処理により得られる２値化画像の白線画デー
タを各画素間の平均化および各画像間の平均化等によっ
て、さらにノイズ成分を除去し、その後に１次、あるい
は２次微分処理することにより開先エツジあるいは開先
底位置を決定するようにした。

〔作用〕

このような手段を講じたことにより、スリット光像位置
より走査線の長時間側、すなわち多重反射像が発生する
部分については演算を行なわないため、多重反射像は無
視される。また、「白」と判定した後の長時間側部分は
比較演算を行なわない上、２値化処理と細線化処理とが
同時に行なわれるため、演算処理時間を短縮し得る。ま
た、同一走査線上の異なった二つの画素の輝度差をしき
い値と比較しているため、周囲光量や測定対象物の表面
性状（反射率）、傾斜、傷・スパッタ等による外乱の影
響を受けずに、正確に開先位置を検出することが可能と
なる。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例を示す図である。なお、第７
図と同一部分は同一符号を付した。レーザ発振器１で発
せられたレーザ光はシリンドリカルレンズ（不図示）で
スリット光２となり、測定対象物３に投射される。測定
対象物３のスリット光２が投射されている部分を中心と
した部分をＴＶ左カメラで所定角度から撮像する。ＴＶ
左カメラで得られた画像信号はＡ／Ｄ変換器５に入力し
、デジタル信号に変換されて画像用ＲＡＭ６に記憶され
る。ＣＰＵ７は処理手順格納用ＲＯＭ８に記憶されてい
る処理手順に従って画像用ＲＡＭ６に記憶された画像情
報を処理する。そして、この処理がなされた画像信号は
、Ｄ／Ａ変換器９によってアナログ信号とされてモニタ
１０に入力され、画像として出力される。また、ＣＰＵ
７の出力はＩ／Ｆｉｌを介して溶接トーチ、ワーク等の
位置決めモータ１２へ入力さ〜れ、このモータ１２を駆
動する。１３は処理条件設定器であり、しきい値Ｃ１画
素間隔α、平均化画面数に等を設定し、ＣＰＵ７に与え
る。なおＴＶ左カメラは後述処理に便利なように固体撮
像索子を用い、カメラの向きは開先の幅方向が走査線１
４に直交し、かつ開先底部３ａが表面側３ｂより走査線
１４の長時間側（第１図中では右側）にあるように撮像
方向をセットする。

第２図（ａ）（ｂ）は本方法の上記構成装置における処
理手順を示す流れ図である。本図を用いて本方法におけ
る処理手順を詳しく説明する。

ＴＳ２図（ａ）において、ステップ２１は初期設定であ
り、画面番号Ｐは１に設定される。次にステップ２２に
おいて、第２画面の一画面分の視覚情報（生画像）を取
込んで画像用ＲＡＭ６に記憶させる。この視覚情報の一
画面中のデータは第３図に示すような構成となっている
（ｍニー走査線上の水平画素数、ｎニー画面中の走査線
数又は垂直画素数）。次のステップ２３およびステップ
２４では、走査線番号ｙおよび画素番号Ｘの初期条件を
それぞれＹｏ、Ｘｏに設定する。次にステップ２５で画
像用ＲＡＭ６に記憶されたデータをＣＰＵ７に読出し、
任意の画素（ｘ、ｙ）の輝度Ｂ　（ｘ、ｙ）と同一走査
線上の近傍画素（Ｘ＋α。

ｙ）の輝度Ｂ（ｘ＋α、ｙ）との輝度差を算出する画素
間演算処理を行なう。この画素間演算は下式による。

Ｂ（ｘ＋α、　　ｙ）　−Ｂ　（ｘ、　　ｙ、）この輝
度差を予め設定されたしきい値Ｃと比較し、Ｂ（ｘ＋α
、ｙ）−Ｂ　（ｘ、ｙ）≧Ｃが成り立った場合は、ステ
ップ２６で（ｘ、ｙ）〜（Ｘ＋α。

ｙ）の画素を「白」、それ以外の画素を「黒」とする２
値化処理を行なう。続いてステップ２７において、上２
２値化処理で「白」とされた（　ｘ　＋ｙ）〜（Ｘ＋α
、ｙ＞の画素をＲＡＭに記憶し、ステップ２８に移る。

ステップ２５の比較において、Ｂ　（ｘ＋α、ｙ）−Ｂ
　（ｘ、ｙ）≧Ｃが成り立たない場合は、ステップ３２
において次に処理を行なう画素番号をＸ十ΔＸとする（
ΔＸは任意に設定する）。次にステップ３３において、
画素番号Ｘが一走査線上の画素数ｍを超えたか否かの判
断、すなわち−走査線に対する処理が終了したか否かの
判断をし、Ｘ≧ｍが成り立たない場合は、まだ現在の走
査線番号ｙの走査線上の画素の処理が終っていないので
、ステップ２５以降の処理を繰返す。Ｘ≧ｍが成り立っ
た場合は、走査線番号ｙの走査線に対する処理が終了し
たので、ステップ２８に移る。ステップ２８においては
、現在の走査線番号ｙと一画面中の走査線数ｎとの比較
、すなわち一画面分の処理が終了したか否かの判断をす
る。ここでｙ≧ｎが成り立たなかった場合は、現在の画
面番号Ｐの画像処理が終っていないので、ステップ２９
で次に処理を行なう走査線番号をｙ＋Δｙ（Δｙは任意
に設定）とし、ステップ２４以降の処理を繰返す。ｙ≧
ｎが成り立った場合は一画面分の処理が終了したので、
次にステップ３０で現在の画面番号Ｐが平均化画面数ｋ
に至ったか否かの判断をし、画面番号Ｐが平均化画面数
ｋに至っていなかった場合にはステップ３１で次に処理
を行なう画面番号をＰ＋１として、ステップ２２以降の
処理を繰返す。画面番号Ｐが平均化画面数ｋに至ってい
た場合には細線化処理および特徴抽出処理に移る。

上記のデータ細線化および特徴抽出処理手順を第２図（
ｂ）に示す。ステップ３４において各々の走査線１４の
Ｘの平均値または最大値、最小値の抽出を行なって時間
的変動ノイズを除去する。

次にステップ３５において線画データのＹ方向移動平均
化により、表面凹凸ノイズを除去する（Ｙ方向スムーズ
イング処理）。続いてステップ３６およびステップ３７
において線画の１次、２次微分処理を行ない、ステップ
３８において２次微分値の最大値・最小値を抽出するこ
とにより開先特徴点（底部３ａ、両肩３ｃ、３ｄ）位置
検出を行なう。そしてステップ３９において上記特徴点
データより偏差量の補正を行ない、溶接トーチ、ワーク
等の位置決めモータ１２へ補正した偏差量信号を出力す
る。

第４図（ａ）（ｂ）は画素間の輝度差ΔＢと走査線方向
の画素Ｘとの関係を示す図であり、第４図（ａ）は周囲
光が暗い場合、第４図（ｂ）は周囲光が明るい場合をそ
れぞれ示している。この図から分るように、本方法によ
れば二つの位置における輝度の差をとっているため、周
囲光に影響されない。すなわち周囲光の明るさが違って
いても、常にほぼ同一の輝度差分布曲線（第４図に示す
もの）を得ることが可能となる。このように一定の輝度
差分布曲線を得られる理由を以下に説明する。

周囲光が暗い場合の輝度差分布は （Ｂ’（ｘ＋α、ｙａ）−Ｂ　（ｘ、ｙａ）１＋　（Ｂ
ｂｌ　　（ｘ＋α、ｙａ） Ｂ　ｂ　１　　（ｘ、　　ｙ　ａ）　１である。

画素間隔αが小さく、αに対し周囲光の光分布がほぼ平
坦とみなせるときは、周囲光による差分項は Ｂｂｌ　　（ｘ＋α、ｙａ） −Ｂｂ１　（ｘ、ｙａ）！ｑＱ である。

このため輝度差分布は ΔＢ　’ｉ　Ｂ　（ｘ＋α、ｙａ） −Ｂ　（ｘ、ｙａ）　　　　　　・・・（１）である。

周囲光が明るい場合の輝度差分布は ｉＢ　（Ｘ＋（Ｚ、ｙａ）−Ｂ　（ｘ、ｙａ）１＋（Ｂ
ｂ２（ｘ＋α、ｙａ） −Ｂｂ２　　（ｘ、ｙａ）１ となる。

上記した周囲光が暗い場合と同様にして、周囲光による
差分項は Ｂｂ２　　（ｘ＋α＋ｙａ） −Ｂｂ２　　（ｘ、ｙａ）　　０ このため周囲光が明るい場合の輝度差分布もΔＢ　Ｌｉ
Ｂ　（ｘ　＋　ａ　、　　ｙ　ａ　）−Ｂ　（ｘ、ｙａ
）　　　　　　・・・（２）である。

（１）（２）式から分るように、不法では周囲光の明暗
による影響を受けにくい。

ただし、Ｂ　（ｘ、ｙ）はスリット光２による明るさ分
布、Ｂ　ｂ　１（ｘ　ｒ　　ｙ　）　、Ｂ　ｂ　２　　
（ｘ　＊　　ｙ　）は周囲光による明るさ分布、輝度差
を取るための比較画素との画素間数αくく全水平画素数
である。

また第４図の（ａ）（ｂ）は、周囲光の暗い場合と明る
い場合として示しているが、測定対象物の反射率の低い
場合と高い場合としても同様の作用・効果が成立する。

不法では第５図（ａ）に示す画像を処理し、モニタ１０
に出力する際には、輝度差がしきい値Ｃ以下の部分５１
は「黒」とし、しきい値Ｃを越えた画素から１〜数画素
間５２を「白」とする。そして、・「白」とした１〜数
画素間以降５３は比較演算を行なわずに無条件で「黒」
とする。これを全走査線にわたって実行することによっ
て画面全体の２値化を行なうと同時に細線化像が得られ
る。

従って、スリット光像位置より走査線の長時間側、すな
わち多重反射像が発生する部分については演算を行なわ
ないため、多重反射像５４は無視される。

上記処理により、得られた線画像は第６図（ａ）に示す
ようなデータ列となる。このデータ列をＹ方向に１回微
分すると第６図（ｂ）に示す１次微分データとなり、２
回微分すると第６図（ｃ）に示す２次微分データが得ら
れる。■開先の場合の一例としては、この２次微分デー
タの最大値（矢印Ａ）の点が開先の底部３ａであり、矢
印Ａ点がらＹ軸の各々正負の方向に最少値を検出するこ
とにより開先の肩３ｃ、３ｄが検出される。（矢印Ｂ、
　　Ｃ） このようにスリット光像位置より走査線の長時間側、す
なわち多重反射像５４が発生する部分については演算を
行なわないため、多重反射像５４は無視される。また、
「白」と判定した後の長時間側部分は比較演算を行なわ
ない上、２値化処理と細線化処理とが同時に行なわれる
ため、演算処理時間を短縮し得る。また、同一走査線上
の異なった二つの画素の輝度差をしきい値Ｃと比較して
いるため、周囲光量や測定対象物３の表面性状（反射率
）、傾斜、傷・スパッタ等による外乱の影響を受けずに
、正確に開先位置を検出することが可能となる。

なお本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本
発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能である
のは勿論である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、スリット光を開先部およびその近傍に
照射し、この開先部からの反射光を受光部が平面上で複
数の画素に分割されているイメージセンサで受けて開先
位置を検出する方法において、イメージセンサの水平走
査線と開先幅方向とが直交し、かつ開先底部が表面部よ
りも水平走査線上長時間側となるようにイメージセンサ
と開先幅方向との相対的位置関係を設定し、画像の走査
線上の任意の画素と、この画素から走査線方向長時間側
に一つもしくは複数の画素骨だけ離れた画素との輝度差
が、予め設定するしきい値を越えたとき、白点（画像中
でスリット光による反射光を感受した点）であると判別
する如く２値化処理を行ない、画像全体を２値化処理す
るに当たり、走査線の短時間側から前記処理を順次行な
い、この白点が得られた時点で２値化処理を打ち切り、
この走査線の残った長時間側の部分は黒点であると判別
する処理を全走査線に亙り繰返し行ない、上記処理によ
り得られる２値化画像の白線画データを平均化した後、
１次、あるいは２次微分処理することにより開先エツジ
あるいは開先底位置を決定するようにしたので、周囲光
の明るさ、測定対象物の表面性状（反射率）や傷・スパ
ッタおよび傾斜等といった様々な外乱の影響を受けにく
く、どのような条件下においても、常に正確な開先位置
の検出を行なうことが可能で、かつ短時間で演算処理が
行なえる開先位置検出方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第６図は本発明の一実施例を示す図で、第１図
は開先位置検出法の構成を示す図、第２図（ａ）（ｂ）
は本方法の処理手順を示す流れ図である。第３図は視覚
情報の一画面中のデータ構成を示す図、第４図（ａ）（
ｂ）は画素間の輝度差ΔＢと走査線方向の画素Ｘとの関
係を示す図であり、第４図（ａ）は周囲光が暗い場合を
示す図、第４図（ｂ）は周囲光が明るい場合を示す図で
ある。第５図（ａ）（ｂ）は処理前の画像と処理後の′
ｖ！Ａ像を比較して示す図である。第６図（ａ）は２値
化処理および細線化処理によって得られたデータ列を示
す図、第６図（ｂ）は同図（ａ）を１回微分した１次微
分データを示す図、第６図（ｃ）は同図（ａ）を２回微
分した２次微分データを示す図である。第７図〜第９図
は従来例を示す図で、第７図は光切断法を用いた開先位
置検出方法の構成の一例を示す図である。第８図（ａ）
（ｂ）は輝度レベルＢと走査線方向の画素Ｘとの関係を
示す図であり、第８図（ａ）は周囲光が暗い場合を示す
図、第８図（ｂ）は周囲光が明るい場合を示す図である
。第９図（ａ）（ｂ）（ｃ）は従来の細線化処理の手順
を示す図である。 １・・・レーザ発振器、２・・・スリット光、３・・・
測定対象物、３ａ・・・開先底部、３ｂ・・・表面側、
３ｃ。 ３ｄ・・・開先肩部、４・・・ＴＶ右カメラ５・・・Ａ
／Ｄ変換器、６・・・画像用ＲＡＭ、７・・・ＣＰＵ、
８・・・処理手段格納用ＲＯＭ、・９・・・Ｄ／Ａ変換
器、１０・・・モニタ、１１・・・Ｉ／Ｆ、１２・・・
位置決めモータ、１３・・・処理条件設定器、１４・・
・走査線、５４・・・多重反射像。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第　２　図（ｂ） ＠媚Ｘ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. スリット光を開先部およびその近傍に照射し、この開先
   部からの反射光を受光部が平面上で複数の画素に分割さ
   れているイメージセンサで受けて開先位置を検出する方
   法において、イメージセンサの水平走査線と開先幅方向
   とが直交し、かつ開先底部が表面部よりも水平走査線上
   長時間側となるようにイメージセンサと開先幅方向との
   相対的位置関係を設定し、画像の走査線上の任意の画素
   と、この画素から走査線方向長時間側に一つもしくは複
   数の画素分だけ離れた画素との輝度差が、予め設定する
   しきい値を越えたとき、白点（画像中でスリット光によ
   る反射光を感受した点）であると判別する如く２値化処
   理を行ない、画像全体を２値化処理するに当たり、走査
   線の短時間側から前記処理を順次行ない、この白点が得
   られた時点で２値化処理を打ち切り、この走査線の残っ
   た長時間側の部分は黒点であると判別する処理を全走査
   線に亙り繰返し行ない、上記処理により得られる２値化
   画像の白線画データを１次、あるいは２次微分処理する
   ことにより開先エッジあるいは開先底位置を決定するよ
   うにしたことを特徴とする開先位置検出方法。