JPH0483105A - 溶接位置検出方法及びその装置 - 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］ 本発明は被溶接物上の溶接個所を光学的に自動検出する
溶接位置検出方法及びその装置に係り。

特に、光学的ノイズによる誤検出を回避するに好適な溶
接位置検出方法及びその装置に関する。

［従来の技術］ 光学的に溶接すべき位置を検出する代表的な溶接位置検
出装置として、例えば第６図に示す様な、スリット光と
二次元受光手段を組み合わせたものがある。この溶接位
置検出装置では、投光手段２からスリット状に鋭く集光
させたレーザ光１１を被溶接部材８，９のアーク点に先
行する開先部に照射し、開先部からの反射光１２をＩＴ
Ｖカメラなどの二次元受光手段３で検出し、得られた光
切断線像Ｑ　ＩＱ　Ｚ　Ｑ　３を解析することにより、
溶接すべき位置Ｑ２を求める。このような装置を溶接ロ
ボットに適用し、溶接トーチを制御する場合には、例え
ば第７図に示すように、溶接トーチ１と、投光手段２と
、受光手段３とを検出装置付トーチとしてロボット５の
アームの先端に取付ける。

斯かる光学的溶接位置横比装置では、溶接中に発生する
スパッタ等の外乱光が受光手段の視野内に入ると、スパ
ッタ軌跡が開先の光切断画像中に強い線状の像となって
撮像されてしまう。この結果、撮像された画像を処理す
る際に、スパッタ像等の光学的ノイズを実際の光切断像
と誤認識してしまうことがある。また、所望とする開先
の位置を精度良く検出できないといった問題もある。

斯かる光学的ノイズを除去する好適な方法として、対象
画像を時系列的に２回撮像し、夫々の撮像画像の論理積
をとる方法がある。光学的ノイズは非定常に発生するの
で、時間的にずれた両撮像画像中の同一個所に同一形状
の光学的ノイズかのこることはほとんど無く、この方法
を採用することで光学的ノイズの悪影響は除去できる。

しかし、この方法は、撮像手段から２回、全画像データ
を入力して夫々画像メモリに格納する関係上、画像入力
に時間がかかり、且つ、大容量の画像メモリが必要とな
る６従って、この方法の実機への適用は問題があり、実
際には採用されていない。

このため、溶接ワイヤ先端のアーク発生点と開先面との
間に遮蔽体を設け、外乱光の侵入を防止する方法が考え
られる。しかし、この方法は、溶接位置検出部先端に外
乱光遮蔽体を設置するため、検出部が大型となり、溶接
ロボット等による溶接においては溶接ワークとの衝突の
危険性があり、実施できる適用範囲が制限されてしまう
という問題がある。

そこで、実際には、特開昭６２−２６７６０７号公報に
示されるように、撮像した画像信号を処理して外乱光が
含まれる画像から開先光切断像を選別するようにしてい
る。この従来方法では、画像データの水平走査線上にお
ける画像信号の立上りと立下がりの位置を検出して、立
上り部と立下がり部の勾配の大きさが予め定めた光切断
線勾配閾値以上になるか否かを先ず判定し、閾値以下で
あればノイズとみなし、閾値以上であれば次に光切断線
幅について判定している。すなわち、画像信号の線幅が
予め設定された光切断線幅より小なるときはノイズとし
て光切断画像信号とみなし、大なるときはノイズとして
光切断画像信号のみを選別するようにしている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記の従来方法では、スパッタ光が光切
断像と重なった場合に、必要とする光切断線像そのもの
も欠落してしまい、画像処理による開先位置の検出に支
障をきたしてしまう。また、溶接中に発生するスパッタ
はワーク等に衝突し眺ね返って様々な方向に飛散するの
で、画面に記録されるスパッタ光像は光切断線像と直交
する方向だけに現われるだけでなく、光切断線像と同じ
方向（平行）に現われる場合もあり、このようなスパッ
タ光像に対しては上述の方法でも外乱光を光切断線と誤
認識してしまう。

本発明の目的は、小容量の画像メモリを使用でき、且つ
、溶接中に発生するスパッタ、アーク光等の光学的ノイ
ズの影響を確実、短時間に除去できる溶接位置検出方法
及びその装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的は、被溶接物に対してスリット光を照射し、該
被溶接物上のスリット光照射個所を撮像手段にて時系列
的に２回撮像し、両撮像画像の論理積をとって光学的ノ
イズを除去したスリット光画像を求め、該スリット光画
像から溶接すべき位置を検出する場合に１時系列的な２
回の撮像で、夫々、撮像手段の不連続なフレームを走査
して離散的画像を求め、離散個所を補間することで全体
画像を夫々生成し、両全体画像の論理積をとって光学的
ノイズを除去することで、達成される。

［作用］ 溶接中に発生するスパッタは時間的に非定常に発生し、
その飛散速度も一般に毎秒数メートルと速い。このため
、画像入力毎に画面に表れる光学的ノイズの頻度、方向
等は一定していない。従って、時間的にずれた２つの画
像の論理積をとることで、光学的ノイズを効果的に除去
することが可能となる。しかし、この方法は、前述した
ように、そのままでは、２回の画像入力に時間がかかり
。

且つ大容量の画像メモリが必要となる。

しかるに本発明では、１回の撮像において、全画像デー
タを撮像手段から画像メモリに入力するのではなく、撮
像手段の例えば奇数或いは偶数フレームのみを走査して
離散的な画像データを入力する。これにより、短時間に
画像データの入力ができ、且つ画像メモリの容量も小さ
くて済む。

そして、離散的画像から離散個所を補間した後で論理積
をとるので、光学的ノイズのみの除去が可能となる。

［実施例］ 以下１本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図は、本発明の一実施例に係る溶接位置検出装置の
機能構成図である。第１図において、３はＩＴＶ等の二
次元受光手段（以下、単に受光手段と呼ぶ）、４は画像
処理装置、６はロボット制御装置である。また、１３は
Ａ／Ｄ変換器、１４は平滑化回路、１５は前処理回路、
１６と１７は各々第１．第２画像メモリ、１８は中央演
算処理部、１９は第３画像メモリ、２０は同期信号発生
回路、２１は外部入出力インターフェース、２２は表示
部であり、これらによって画像処理装置４が構成されて
いる。

受光手段３は、被溶接物のスリット光画像を受光し、同
期信号発生回路２１の指令によって受光手段３の奇数フ
レームのみあるいは偶数フレームのみの各々の画像デー
タを一定の時間間隔で作成しＡ／Ｄ変換器１３に出力す
る。

第２図は、受光手段３の受光面の各画素のスキャニング
方法を説明する図である。第２図に示すように、まず最
初の撮像画像については、垂直方向の各ラインのうち１
，３．・・・・・・、４８９と実線で示した順で水平走
査を繰返し、第１の開先光切断画面の離散的画像データ
を後述するように第１画像メモリ１６に記憶する。その
後、同期信号発生回路２１からの指令によって画面デー
タをクリアする。２回目の撮像画像については、垂直方
向の各ラインのうち２，４．・・・・・・、４９０と破
線で示した順で水平走査を繰返し、第２の開先光切断画
面の離散的画像データを後述するように第２画像メモリ
１７に記憶する。

第１図に示すように、Ａ／Ｄ変換器１３に入力された第
１あるいは第２の開先光切断画面データは、各々ディジ
タル量に変換され、シリアルに順次平滑化回路１４に出
力される。平滑化回路１４では、特に孤立したノイズ成
分の除去を行い、前処理回路１５に出力する。ここまで
の画像信号は多値信号であるが前処理回路１５では、平
滑化回路１４から出力された画像信号に２値化処理、あ
るいは微分フィルタ等の処理を施して開先光切断線像以
外のおおまかな外乱光の除去を行い、最終的に２値化し
た信号に置き換えて画像データを圧縮する。ここで得ら
れた奇数フレームのみあるいは偶数フレームのみの画像
データは、各々第１画像メモリ１６あるいは第２画像メ
モリ１７に記憶される。中央演算処理部１８は、詳細は
後述するように、画像データの補間、復元、論理演算、
細線化、開先位置の検出等の演算やデータ転送の制御、
同期信号発生回路２１の制御及び外部入出力データの制
御等を行う。

第３図は、中央演算処理部１８の実行する処理手順を示
すフローチャートである。また、第４図（ａ）、　（ｂ
）は、夫々第１画像メモリ１６．第２画像メモリ１７に
記憶された画像の一例で、第６図の開先が隅肉継手の場
合で且つ溶接中に得られた撮像画像である。前述したよ
うに、第１画像メモリ１６に記憶された画像（第４図（
ａ））は、奇数フレームで構成されているので、開先光
切断線：Ｑ１Ｑ２Ｑ３が連続した線分とならず、１ライ
ン毎に偶数フレームのデータが欠落している。また、第
２画像メモリに記憶された画像（第４図（ｂ））は、偶
数フレームで構成されているので、開先光切断線ＱＩＱ
２Ｑ３は１ライン毎に奇数フレームのデータが欠落して
いる。（尚、第４図ではこれを強調し破線で示したもの
であり、正確な図ではない）。

なお、第４図（ａ）、（ｂ）で夫々の線分Ｎ１〜Ｎ５は
、画像メモリ上に記憶されたスパッタ像である。

この場合も、各画像データは１ライン毎にデータが欠落
している。

中央演算処理部１８は、この画像メモリ１６゜１７中の
格納データを用いて、第３図の処理を行う。先ずステッ
プ１で、第１画像メモリ１６に記憶された画像データの
欠落したラインデータの補間を行い、全体画像の復元を
行う。この方法の詳細については後述する。第４図（ｃ
）に復元後の画像を示す。次に、同様にステップ２で、
第２画像メモリ１７に記憶された画像データから、欠落
したラインデータの補間を行い、全体画像の復元を行う
。復元した全体画像の例を第４図（ｂ）に示す。

ステップ３では、ステップ１．ステップ２で得られた二
つの全体画像データを用い、両全体面像間の対応する画
素間の論理積演算を行う。ステップ１とステップ２で得
られた二つの画像データは、時間をわずかにずらして撮
像されたものであるが、その時間間隔は短かいので画面
上に形成される光切断像の位置はほとんど変化しない。

これに対して、溶接中に発生するスパッタは時間的に非
定常に発生し、その飛散速度も一般に毎秒数メートルメ
と早いため、画像入力毎に画面に現われる頻度。

方向等も一定していない。つまり、第４図（ａ）。

（ｂ）の両図において、線分ＱＩＱ２Ｑ３は同一形状で
あるが、線分Ｎ１〜Ｎ５は異なる。従って、第４図（ｃ
）、（ｄ）の両全体面像の論理積を演算した際には、第
４図（ｅ）に示すように、スパッタ像Ｎ１〜Ｎ５は消滅
し、開先光切断像ＱＩＱ２Ｑ３のみが抽出されることに
なる。この画像データ第４図（ｅ）を、ステップ４で第
３の画像メモリ１９に記憶する。このとき、データ圧縮
を行う。

次に、ステップ５で、厚みのある光切断線像を細線化処
理をした後、ステップ６で、所望とする開先位置（第４
図のＱ２の位置）を計算する。この開先位置のカメラ座
標系での横比結果をさらに、ステップ７で、受光手段３
（及び投光手段２）が取付けられるロボットの座標系に
座標変換し、このデータをステップ８でロボット制御装
置に転送する。

次に、前述の第３図のステップ１，２で行う画像データ
の補間、復元方法について述べる。前述したように、第
１．第２画像メモリ１６．１７は、画面の垂直方向１ラ
イン毎にデータが欠落している。本実施例では、データ
がない中間ラインでの画像データの補間は、各中間ライ
ンで画像データが存在する一つ前と後の水平ラインのデ
ータの有無及びその配列関係から、必要に応じてデータ
を新たに発生されるようにしている。第５図は、その−
例を示したものである。第５図において、記号ｊのライ
ンは、データが存在しない垂直方向での中間ラインを示
し、記号ｊ−１，ｊ＋１の各々は、その前後の水平ライ
ンを示す。第５図（ａ）〜（ｄ）は１前後のラインｊ−
１，ｊ＋２に１画素づつ近接してデータがある場合で、
そのときにデータが存在していない中間ラインｊのデー
タをどのように発生させて復元するかを示したものであ
る。

すなわち、前後のラインｊ−ｔ、　ｊ＋１に存在する画
素が水平方向２画素以内で近接しているとき（同図（ａ
）〜（ｃ）の場合）には、記号Ｂ１〜Ｂ４に示す領域に
新たにデータを発生させる。しかし、前後のラインｊ−
１，ｊ＋１に存在する画素が水平方向３画素以上離れて
いるとき（同図（ｄ））には、前後のラインｊ−１，ｊ
＋１のデータはそれぞれ別の線要素とみなし、記号ｂ１
〜ｂ４に示す領域にはデータは発生させない。

第５図（ｅ）〜（ｉ）は、前後のラインｊ−１゜ｊ＋１
に２画素づつつながっているデータが近接して存在して
いる場合で、そのときの中間ラインｊのデータの発生パ
ターンを示したものである。

この場合も上述と同じように、前後のラインｊ　−１、
ｊ＋１に存在する画素が水平方向にどれだけ離れている
かで、新たにデータを発生させたり（記号Ｂ１〜Ｂ７の
場合）、あるいは分離させる（記号ｂ１〜ｂ６の場合）
ようにしている。

以上の如く、本実施例では、前後の画素配列パターンと
中間データの発生２分離の法則を予め定めておく。そし
て、垂直方向のデータが欠落している各ラインについて
上記法則に従って逐次補間処理することにより、一つの
完全な画像として復元することができる。

本実施例によれば、時間をわずかにずらして撮像される
二つの画像を論理演算することにより、ノイズを低減し
、光切断像のみを確実に抽出できる。このため、精度の
良い開先位置の検出が可能となる。また、上述の二つの
画像は一行飛び越し走査による奇数フレームのみ及び偶
数フレームのみで二画面を作成し、次に欠落したフレー
ムの画像を補関し復元するようにしているので、従来の
撮像時間２分解能を低減すること無く開先位置の検出が
できる。更に、本実施例では、入力画像企画面と処理画
像１画面の合計３画面の記憶画像を要するが、いずれも
圧縮された２値画像データを記憶するようにしているの
で、記憶容量も少なくて実現できる。

［発明の効果］ 本発明によれば、短かい処理時間で光学的ノイズを除去
し精度良く溶接位置が検出でき、且つ使用する画像メモ
リも小容量で済むという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る溶接位置検出装置の機
能構成図、第２図は撮像した受光画面のスキャニング説
明図、第３図は溶接位置検出方法の処理手順を示すフロ
ーチャート、第４図（ａ）〜（ｅ）は溶接位置検出方法
の概念説明図、第５図（ａ）〜（ｉ）は欠落したフレー
ムのデータ補間方法説明図、第６図は溶接ロボットの手
先の斜視図、第７図は溶接ロボットの全体図である。 １・・・溶接トーチ、２・・・投光手段、３・・・受光
手段。 ４・・・画像処理装置、５・・・ロボット、６・・・ロ
ボット制御装置、７・・・溶接機、８，９・・・溶接ワ
ーク、１１・・・スリット状光線、１２・・・開先光切
断像。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、被溶接物に対してスリット光を照射し、該被溶接物
   上のスリット光照射個所を撮像手段にて時系列的に２回
   撮像し、両撮像画像の論理積をとって光学的ノイズを除
   去したスリット光画像を求め、該スリット光画像から溶
   接すべき位置を検出する溶接位置検出方法において、時
   系列的な２回の撮像で、夫々、撮像手段の不連続なフレ
   ームを走査して離散的画像を求め、離散個所を補間する
   ことで全体画像を夫々生成し、両全体画像の論理積をと
   って光学的ノイズを除去することを特徴とする溶接位置
   検出方法。 ２、被溶接物に対してスリット光を照射し、該被溶接物
   上のスリット光照射個所を撮像手段にて時系列的に２回
   撮像し、両撮像画像の論理積をとって光学的ノイズを除
   去したスリット光画像を求め、該スリット光画像から溶
   接すべき位置を検出する溶接位置検出方法において、時
   系列的な２回の撮像で、一回は撮像手段の奇数フレーム
   のみを走査して離散的画像を求め偶数フレーム個所を補
   間することで全体画像を復元し、一回は撮像手段の偶数
   フレームのみを走査して離散的画像を求め奇数フレーム
   個所を補間することで全体画像を復元し、両全体画像の
   論理積をとることで光学的ノイズを除去することを特徴
   とする溶接位置検出方法。 ３、被溶接物に対してスリット光を照射する光源と、該
   被溶接物上のスリット光照射個所を撮像する撮像手段と
   、撮像手段の離散的フレームを走査して得た離散的画像
   の画像データを格納する画像メモリと、該離散的画像の
   離散個所を補間して全体画像を復元する補間手段と、前
   記撮像手段にて時系列的に少なくとも２回撮像し夫々前
   記補間手段にて復元された２つの全体画像の論理積をと
   り光学的ノイズを除去するノイズ除去手段と、該ノイズ
   除去手段にて得たスリット光画像から溶接すべき位置を
   検出する位置検出手段とを備えることを特徴とする溶接
   位置検出装置。 ４、被溶接物に対してスリット光を照射する光源と、該
   被溶接物上のスリット光照射個所を時系列的に２回撮像
   する撮像手段と、一回目の撮像において該撮像手段の奇
   数フレームのみを走査して得た離散的画像の画像データ
   を格納する第１画像メモリと、二回目の撮像において前
   記撮像手段の偶数フレームのみを走査して得た離散的画
   像の画像データを格納する第２画像メモリと、前記第１
   画像メモリに格納された離散的画像の偶数フレーム個所
   を補間して全体画像を求める共に前記第２画像メモリに
   格納された離散的画像の奇数フレーム個所を補間して全
   体画像を求める補間手段と、両全体画像の論理積をとっ
   て光学的ノイズを除去するノイズ除去手段と、該ノイズ
   除去手段にて得たスリット光画像から溶接すべき位置を
   検出する位置検出手段とを備えることを特徴とする溶接
   位置検出装置。 ５、溶接トーチと、被溶接物に対してスリット光を照射
   する光源と、該被溶接物上のスリット光照射個所を撮像
   する撮像手段と、撮像手段の離散的フレームを走査して
   得た離散的画像の画像データを格納する画像メモリと、
   該離散的画像の離散個所を補間して全体画像を復元する
   補間手段と、前記撮像手段にて時系列的に少なくとも２
   回撮像し夫々前記補間手段にて復元された２つの全体画
   像の論理積をとり光学的ノイズを除去するノイズ除去手
   段と、該ノイズ除去手段にて得たスリット光画像から溶
   接すべき位置を検出する位置検出手段と、該位置検出手
   段が検出した位置に前記溶接トーチを移動させ溶接を行
   う制御手段とを備えることを特徴とする溶接ロボット。 ６、溶接トーチと、被溶接物に対してスリット光を照射
   する光源と、該被溶接物上のスリット光照射個所を時系
   列的に２回撮像する撮像手段と、一回目の撮像において
   該撮像手段の奇数フレームのみを走査して得た離散的画
   像の画像データを格納する第１画像メモリと、二回目の
   撮像において前記撮像手段の偶数フレームのみを走査し
   て得た離散的画像の画像データを格納する第２画像メモ
   リと、前記第１画像メモリに格納された離散的画像の偶
   数フレーム個所を補間して全体画像を求める共に前記第
   ２画像メモリに格納された離散的画像の奇数フレーム個
   所を補間して全体画像を求める補間手段と、両全体画像
   の論理積をとって光学的ノイズを除去するノイズ除去手
   段と、該ノイズ除去手段にて得たスリット光画像から溶
   接すべき位置を検出する位置検出手段と、該位置検出手
   段が検出した位置に前記溶接トーチを移動させ溶接を行
   う制御手段とを備えることを特徴とする溶接ロボット。