JPH0585003B2 - - Google Patents

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はスリツト光、３は測定対象物、４はTV
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
ーザ光は、シリンドリカルレンズ（不図示）で線
状のスリツト光２にされ、測定対象物３に投射さ
れる。測定対象物３のスリツト光２が投射してい
る部分を中心とした部分をTVカメラ４で所定角
度から撮像する。このとき、TVカメラ４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が多い。この
TVカメラ４で得られた画像信号を、処理装置７
１で２値化処理して開先の形状をモニタ１０に白
線Ａで表示する。この光切断法においては、測定
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、スリツト光２による輝度レベルを
Ｂ（ｘ，ya）、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、
同じ測定対象物を測定している。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）の変化によつ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
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
囲からの外乱によつて適正な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。従来はこの多重反射像を
除去すべく、第９図ｂ，ｃに示すように多重反射
像５４部分の細線化を行なう必要があつた。しか
るにこの細線化の行なわれ方によつては第９図ｃ
に示すような歪んだ像となつてしまう。

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・スパツタ等による影響
や測定対象物３の傾斜の影響を受け易いため、の
適用条件が非常に限定されたものとなる。また、
この法では得られた画像から開先位置等を識別す
る演算処として、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つ
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つた。

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
ツ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
リツ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、この走査線の残つた長時間
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
び各画像の平均化等によつて、さらにノイズ成分
の除去し、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、スリツト
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
走査線上の異なつた二つの画素の輝度差をしきい
値と較しているため、周囲光量や測定対象物の表
面性状（反射率）、傾斜、傷・スパツタ等による
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）でスリツト光２となり、測定対
象物３に投射される。測定対象物３のスリツト光
２が投射されている部分を中心とした部分をTV
カメラ４で所定角度から撮像する。TVカメラ４
でられた画像信号は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つて画像用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によつてア
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、CPU７の出力はＩ／
Ｆ１１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Ｃ、
画素間隔α、平均化画面数ｋ等を設定し、CPU
７に与える。なおTVカメラ４は後述処理に便利
なように固体撮像素子を用い、カメラの向きは開
先の幅方向が走査線１４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ツト
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。

第２図ａにおいて、ステツプ２１は初期設定で
あり、画面番号Ｐは１に設定される。次にステツ
プ２２において、第Ｐ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つている（ｍ：一走査線上の
水平画素数、ｎ：一画面中の走査線数又は垂直画
素数）。次のステツプ２３およびステツプ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y₀，x₀に設定する。次にステツプ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が成り立つ
た場合は、ステツプ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。続いてステツプ２７
において、上記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、ステツプ２８に移る。ステツプ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、スツプ３２において次に処理
を行なう画素番号をｘ＋Δxとする（Δxは任意に
設定する）。次にステツプ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、すなわち一走査線に対する処理が終了したは
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
が終つていないので、ステツプ２５以降の処理を
繰返す。ｘ≧ｍが成り立つた場合は、走査線番号
ｙの走査線に対する処理が終了したので、ステツ
プ２８に移る。ステツプ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が成り立たなかつた場合は、
現在の画面番号Ｐの画像処理が終つていないの
で、ステツプ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、ステツプ２
４以降の処理を繰返す。ｙ≧ｎが成り立つた場合
は一画面分の処理が終了たので、次にステツプ３
０で現在の画面番号Ｐが平均化画面数ｋに至つた
か否かの判断をし、画面番号Ｐが平均化画面数ｋ
に至つていなかつた場合にはステツプ３１で次に
処理を行なう画面番号をＰ＋１として、ステツプ
２２以降の処理を繰返す。画面番号Ｐが平均化画
面数ｋに至つていた場合には細線化処理および特
徹抽出処理に移る。

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。ステツプ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
出を行なつて時間的変動ノイズを除去する。次に
ステツプ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）。続いてステツプ３６およ
びステツプ３７において線画の１次、２次微分処
理を行ない、ステツプ３８において２次微分値の
最大値・最小値を抽出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。
そしてステツプ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
をとつているため、周囲光に影響されない。すな
わち周囲光の明るさが違つていても、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）｝＋｛Bb₁（ｘ
＋α，ya）−Bb₁（ｘ，ya）｝ である。

画素間隔αが小さく、αに対し周囲光の光分布
がほぼ平担とみなせるときは、周囲光による差分
項は Bb₁（ｘ＋α，ya）−Bb₁（ｘ，ya）≒０ である。

このため輝度差分布は ΔB≒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 ｛Ｂ（ｘ＋α，ya）−Ｂ（ｘ，ya）｝＋｛Bb₂（ｘ
＋α，ya）−Bb₂（ｘ，ya）｝ となる。

上記した周囲光が暗い場合と同にして、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≒Ｂ（ｘ＋α，ya）−Ｂ（ｘ，ya）……(2) である。

(1)(2)式から分るように、本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）はスリツト光２による明
るさ分布、Bb₁（ｘ，ｙ），Bb₂（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＜＜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。

本法では第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
走査線にわたつて実行することによつて画面全体
の２値化を行なうと同時に細線化像が得られる。
従つて、スリツ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。Ｖ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点から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） このようにスリツ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
つ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、周囲光量が測定対象物３の表面性状
（反射率）、傾斜、傷・スパツ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、スリツ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（画像中でスリツ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
の走査線の残つ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・スパツタおよび
傾斜等といつ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画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
によつ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……スリツト光、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。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ スリツ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
   （画像中でスリツ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
   つ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ツジある
   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。