(57)【要約】【課題】画像処理技術を用いた溶接ノズルのギャップを適正に補正する。【解決手段】撮像手段にてワークをレーザ照射方向から撮像した画像と、ワークをレーザ照射方向と異なる方向から撮像した画像とを生成する手段を備えた画像処理システムＳである。そして、前記画像処理システムＳは、撮像手段で撮像した種類の異なる各画像に基づきワークに対するノズルの適正な平行方向の移動とノズルギャップ方向の移動とに係る補正量を生成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークを撮像可能な適数の撮像手段を備え、撮像手段が前記ワークをレーザ照射方向と異なる方向から撮像し、生成手段が画像に基づき前記ワークに対する適正なノズルギャップを生成することを特徴とする画像処理システム。
【請求項２】
前記生成手段が前記ワークに対するノズルの平行移動量を生成することを特徴とする請求項１に記載の画像処理システム。
【請求項３】
前記生成手段が前記レーザ照射方向と前記レーザ照射方向と異なる方向を予め既知の角度に設定することにより適正なノズルギャップを算出することを特徴とする請求項１に記載の画像処理システム。
【請求項４】
前記生成手段がワークをレーザ照射方向から撮像する撮像手段と前期レーザ照射方向と異なる方向から撮像する撮像手段との間隔を既知に設定することで適正なノズルギャップを算出することを特徴とする請求項１に記載の画像処理システム。
【請求項５】
２台の撮像手段を２箇所の位置に設置し撮像するか、または、１台の撮像手段を２箇所の位置に移動させ撮像することを特徴とする請求項１、２、３または４に記載の画像処理システム。
【請求項６】
ワークを撮像可能な適数の撮像手段を備え、撮像手段が前記ワークをレーザ照射方向と異なる方向から撮像し、生成手段が画像に基づき前記ワークに対する適正なノズルギャップを生成することを特徴とする画像処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は画像処理システム及びその方法に関し、詳細には画像処理技術を用いて溶接ノズルを適正位置に補正するための画像処理システム及びその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ溶接加工を行う際、レーザ光を集光させた点（以下、レーザ焦点位置）と被加工対象材料（以下、ワーク）の被溶接箇所（以下、溶接点位置）が一致していないと、熱量が足りないため溶融の不足が起きるなど、加工品質に悪影響となるため、ワークと溶接ノズルの適正な距離（以下、ノズルギャップ）の調整が非常に重要なファクターとなっている。
【０００３】
そのため従来は、定規や工具を用いてノズルギャップを手動計測するか、ロボットに装着されたCCDカメラから得られる画像のピント状態を見ながらノズルを前後させる、または、レーザ計測器や接触センサを用いるなどして、ノズルギャップの計測・調整を行っていた。
【０００４】
特許文献１−３を参照。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−１４７１８７
【特許文献２】特開平８−５７６４７
【特許文献３】特開平６−３４４１６７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
定規や工具を用いてノズルギャップを計測する場合、計測時に機械を一時停止させる必要があり、作業時間が増大する原因となっていた。
【０００７】
また、カメラのピントを元に調整を行う場合、カメラのピントが合う範囲（焦点深度）が溶接レーザの溶接可能範囲内に収まっている必要があり、カメラの取り付け位置（被写体との距離）、視野範囲と溶接可能範囲の関係によってはピントを元にした調整を行うことができないという問題があった。
【０００８】
そして、レーザ計測器や接触センサはワークの表面粗度や材質、形状やセンサ位置によって計測精度が左右される、あるいは計測が行えなくなる場合があった。
【０００９】
本発明は、角度をつけて設置したもう一台のカメラから撮影した画像に画像処理を行い、その撮影状態からノズルギャップの計測と、ノズル位置の補正を行うものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は上述の問題を解決するためのものであり、請求項１に係る発明は、ワークを撮像可能な適数の撮像手段を備え、撮像手段が前記ワークをレーザ照射方向と異なる方向から撮像し、生成手段が画像に基づき前記ワークに対する適正なノズルギャップを生成する生成手段とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
請求項２に係る発明は、前記生成手段が前記ワークに対するノズルの平行移動量を生成することを特徴とする。
【００１２】
請求項３に係る発明は、前記生成手段が前記レーザ照射方向と前記レーザ照射方向と異なる方向を予め既知の角度に設定することにより適正なノズルギャップを算出することを特徴とする。
【００１３】
請求項４に係る発明は、前記生成手段がワークをレーザ照射方向から撮像する撮像手段と前期レーザ照射方向と異なる方向から撮像する撮像手段との間隔を既知に設定することで適正なノズルギャップを算出することを特徴とする。
【００１４】
請求項５に係る発明は、２台の撮像手段を２箇所の位置に設置し撮像するか、または、１台の撮像手段を２箇所の位置に移動させ撮像することを特徴とする。
【００１５】
請求項６に係る発明は、ワークを撮像可能な適数の撮像手段を備え、撮像手段が前記ワークをレーザ照射方向と異なる方向から撮像し、生成手段が画像に基づき、前記ワークに対する適正なノズルギャップを生成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、ワークを撮影するカメラ（溶接位置補正用カメラｃ１、ノズルギャップ補正用カメラｃ２）、画像処理を用いて溶接点位置の検出を行う処理装置からなるシステムである。これらが協調し、ノズルギャップの自動調整が可能となる。結果として品質の高い溶接を行うことができる。
【００１７】
さらに、レーザ距離計と比較して、画像を使用するので、製品表面の状態に影響されにくい（光沢面等）。また、形状データが無くてもギャップ調整が可能である（レーザ計測の場合は、ギャップの入込量は同じだが、図１３、図１４に示すように、形状（角度）が違う場合は、計測距離の変化量が異なるため、ノズルを前後させて最適距離を探索しないといけない。）
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】画像処理システムの概略を示す概略図である。
【図２】画像処理システムの動作を示すフローチャートである。
【図３】溶接ヘッドとカメラの位置を説明する説明図である。
【図４】補正値の算出を説明する説明図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は画像と補正値の関係を説明する説明図である。
【図６】初回加工の動作を示すフローチャートである。
【図７】リピート加工の動作を示すフローチャートである。
【図８】（ａ）、（ｂ）はワークを説明する説明図である。
【図９】具体例を説明する説明図である。
【図１０】カメラを平行に取り付けた場合を説明する説明図である。
【図１１】カメラを移動させて撮像する場合を説明する説明図である。
【図１２】カメラを移動させて撮像する場合を説明する説明図である。
【図１３】レーザ計測と比較した利点を説明する説明図である。
【図１４】レーザ計測と比較した利点を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本願発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００２０】
図１に画像処理システムＳの一例を示す。画像処理システムＳは、溶接位置補正用カメラ（例えば、ＣＣＤカメラ）ｃ１と、ノズルギャップ補正用カメラ（例えば、ＣＣＤカメラ）ｃ２と、溶接ツール先端のノズルｎ１を備える。
【００２１】
また、符号のｗ１は、ノズルギャップ（ワークｗと溶接ノズルの距離）が適正な場合の溶接点位置である。符号のｗ２は、ノズルギャップが適正値より小さい場合の溶接点位置である。
【００２２】
符号のｗ３は、ノズルギャップが適正値より大きい場合の溶接点位置である。
【００２３】
なお、溶接位置補正用カメラｃ１、ノズルギャップ補正用カメラｃ２の両方のカメラで撮像を行ったとき、画像中心がともに溶接点位置が符号のｗ１になるように取り付けられているものとする。
【００２４】
そして、上述の画像処理システムＳは、適数の撮像手段（本例では、溶接位置補正用カメラｃ１、ノズルギャップ補正用カメラｃ２）にてワークｗをレーザ照射方向（例えば、ワークｗに対して垂直方向）から撮像した画像と、前記ワークｗを前記レーザ照射方向と異なる方向から撮像した画像とを生成する。
【００２５】
前記撮像手段（溶接位置補正用カメラｃ１、ノズルギャップ補正用カメラｃ２）で撮像した撮像方向の異なる各画像と基準画像（適正値のｗ１における画像）に基づき、前記ワークｗに対するノズルｎ１の平行移動量（画像の平面に平行な方向の移動量）およびノズルギャップ（ワークｗとノズルｎ１の距離）の適正な値を生成する生成手段とを備える。
【００２６】
図２、図３を参照し、ロボットｒｂに適用される画像処理システムＳの基本動作を示す。
【００２７】
初めに、図３を参照し画像処理システムＳの主な構成要素であるロボットｒｂとこのロボットｒｂの制御を行う制御装置ｃｏｎの構成を説明する。ロボットｒｂは、ロボット溶接ヘッドｙｈと、ロボット溶接ヘッドｙｈの先端のノズルｎ１とロボットアームｒａとを備える。
【００２８】
なお、上記ロボットアームｒａの腕構造は、例えば６軸のものがある。体を回転させる旋回軸（Ｓ軸）、体を前後に動かす下腕軸（Ｌ軸）、腕を上下に動かす上腕軸（Ｕ軸）、腕を回転させる手首旋回軸（Ｒ軸）、手首を上下に振る手首曲げ軸（Ｂ軸）、および手首を回転させる手首回転軸（Ｔ軸）により構成される。
【００２９】
制御装置ｃｏｎは、コンピュータにより構成されるものであり、本体（ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等を含む）、入出力部（表示部、キーボード等を含む）を備えコンピュータプログラムにより動作するものである。
【００３０】
また、制御装置ｃｏｎは、ロボットの動作プログラムに従いロボットｒｂをコントロールする。すなわち、ロボットｒｂは制御装置ｃｏｎの操作信号に基づき動作する。
【００３１】
本実施の形態では、産業用ロボットの制御を例に説明するが、特に産業用ロボットに限定されるものではない。産業用ロボットは、例えば、ワークｗに対し溶接、塗装、搬送等を実行する。
【００３２】
上述のように構成されたロボットｒｂに適用される画像処理システムＳの動作を説明する。プロセスｐ１では、ワーク撮像（１）を行う。すなわち、補正対象のワークｗを溶接位置補正用カメラｃ１によって撮像する。
【００３３】
プロセスｐ２では、ノズル位置補正（カメラｃ１の映像平面に対し水平方向の補正）を行う。詳細には、プロセスｐ１で取得した画像を用いて溶接点位置の検出を行い、溶接位置補正用カメラｃ１の映像平面に平行な方向の補正を行う。これにより、図４に示すように、溶接点位置がｗ１、ｗ２、ｗ３のどの位置であっても溶接位置補正用カメラｃ１の画像中心に溶接点が位置することになる。
【００３４】
プロセスｐ３では、ワークｗの撮像（２）を行う。具体的には、プロセスｐ２の処理終了後、補正対象のワークｗをノズルギャップ補正用カメラｃ２によって撮像する。
【００３５】
プロセスｐ４では、溶接点検出を行う。プロセスｐ３で取得した画像を用いて溶接点位置の検出を行う。図４に示すように、ワークｗとノズルｎ１の距離が適正（ｗ１の位置）な場合、溶接点はノズルギャップ補正用カメラｃ２の画像中心に位置するが、ノズルｎ１がワークｗに近い（ｗ２の位置）場合と遠い（ｗ３の位置）場合は画像中心から外れた場所に位置することになる。
【００３６】
プロセスｐ５では、ノズルｎ１の位置（ワークｗに対して垂直方向）の補正を行い適正なノズルギャップを生成する。
【００３７】
詳細には、プロセスｐ４の結果から、図４に示すように、ノズルｎ１の移動距離を算出し、ノズルｎ１位置の補正を行う。プロセスｐ４で得た距離をXとすると、ノズルｎ１の調整量Ｌは、ノズルギャップ補正用カメラｃ２の取り付け角度θを用いてX＝Ｌｓｉｎθから、Ｌ＝X／ｓｉｎθと求められる。また、ノズルの前進・後退はノズルギャップ補正用カメラｃ２の画像中心に対して溶接点位置がどこに位置しているかで判断が可能である。
【００３８】
図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、ノズルギャップの補正値と、画像上の位置の関係を示している。ここでは、図５（ａ）に示すように、溶接位置がノズルｎ１に適正位置より近い場合（ｗ２の場合）を例に説明する。
【００３９】
ノズルｎ１とワークｗとのノズルギャップが最適でない場合、溶接位置が追加したノズルギャップ補正用カメラｃ２の画像中心から外れる。図５（ｂ）に示すように、溶接位置ｗ１はノズルギャップ補正用カメラｃ２の中心の位置ｗ２より紙面に対し左側に距離Ｘだけ離れている。
【００４０】
ワークｗとノズルｎ１の距離であるノズルギャップは追加したノズルギャップ補正用カメラｃ２で撮像した画像のどこに溶接位置があるかで判別する（中心位置ｗ２より、今回の例では左側の場合は近い。また、中心位置ｗ２より、今回の例では右側の場合は遠い）。
【００４１】
上述のように、溶接位置が追加のノズルギャップ補正用カメラｃ２の画像中心からＸ（ｍｍ）ズレている場合、製品との距離Ｌとノズルギャップ補正用カメラｃ２の取付角度θは、Ｘ＝Ｌｓｉｎθを満たすので、Ｌ＝Ｘ／ｓｉｎθだけヘッド（すなわちノズルｎ１）を動かせば適正なノズルギャップとなる。なお、図５（ｃ）は最適なノズルギャップの場合の画像であり、溶接位置が画像中心に一致する。
【００４２】
なお上記のフローは、ノズルギャップが適正な場合の溶接点位置を、溶接位置補正用カメラｃ１から見た場合の画像とノズルギャップ補正用カメラｃ２から見た場合の画像が、前もって保存されていることが前提となっている。
【００４３】
なお、画像が保存されていない場合、上述のプロセスｐ２、プロセスｐ４で行っている溶接点位置の検出を、オペレータが目視して行い、補正が完了した後で画像の保存を行う。
【００４４】
例えば、初回加工の場合は、図６に示すように、プロセスｐａ１では、加工対象の点に到着する。プロセスｐａ２では、溶接位置・ノズルギャップ調整（手動）を行う。
【００４５】
プロセスｐａ３では、画像撮影を行う。プロセスｐａ４では、次の点に移動する。
【００４６】
リピート加工の場合は、図７に示すように、プロセスｐｂ１では、加工対象の点に到達する。プロセスｐｂ２では、溶接位置補正用カメラｃ１により、位置調整用画像の撮影を行う。
【００４７】
プロセスｐｂ３では、溶接位置補正を行う。
【００４８】
プロセスｐｂ４では、ノズルギャップ補正用カメラｃ２により、ギャップ調整用画像の撮影を行う。プロセスｐｂ５では、ノズルギャップ調整を行う。
【００４９】
プロセスｐｂ６では、次の加工点に移動する。
【００５０】
図８（ａ）、（ｂ）、図９を参照し、溶接位置補正用カメラｃ１の画像と、ノズルギャップ補正用カメラｃ２の画像に基づき具体例を説明する。
【００５１】
図８（ａ）に示すワークｗを溶接する場合である。図８（ｂ）は、図８（ａ）のワークｗのエリアＥＲを矢印ＡＲから見たものである。
【００５２】
図９を参照する。画像Ｇ１は初期位置における溶接位置補正用カメラｃ１（メインカメラ）の画像である。画像Ｇ２は初期位置におけるノズルギャップ補正用カメラｃ２（追加カメラ）の画像である。溶接位置、ノズルギャップ共に不良である。
【００５３】
画像Ｇ3は位置合わせ後における溶接位置補正用カメラｃ１（メインカメラ）の画像である。画像Ｇ４は位置合わせ後におけるノズルギャップ補正用カメラｃ２（追加カメラ）の画像である。溶接位置は改善されたが、ノズルギャップが未改善である。
【００５４】
画像Ｇ５はギャップ調整後における溶接位置補正用カメラｃ１（メインカメラ）の画像である。画像Ｇ６はギャップ調整後におけるノズルギャップ補正用カメラｃ２（追加カメラ）の画像である。溶接位置、ノズルギャップ共に改善された。
【００５５】
また、溶接位置補正用カメラｃ１、ノズルギャップ補正用カメラｃ２における溶接対象箇所の位置は自動検出としたが、自動検出を行わず、撮影した画像をオペレータが目視確認して位置指示を行う方法でも構わない。
【００５６】
さらに、変形例を説明する。たとえば、図１０を参照する。カメラ（溶接位置補正用カメラｃ１、ノズルギャップ補正用カメラｃ２）の取り付け角度を既知として、ズレ量から移動量を求めたが、カメラを平行に取り付け（カメラ間距離Ｌを既知とする）、ズレ角を求める場合でも同様に補正を行える。カメラ間距離Ｌが既知なので、ワークｗとカメラの距離は、Ｌｔａｎθとなる。そして、移動量は本来取られるべき距離と実際の距離との差から計算する。
【００５７】
図１１を参照する。溶接ヘッドを傾斜させ追加のカメラの代わりとすることで、カメラを複数使用しない場合も可能である。移動量の計算方法は、カメラを２台使用する方法と同様である。なお、傾斜は距離が最適な場合の位置ｗ１を基準に所定の値だけ回転する。
【００５８】
図１２を参照する。溶接ヘッドを平行移動させ追加のカメラの代わりとすることで、カメラを複数使用しない場合も可能である。移動量の計算方法は、カメラを２台使用する方法と同様である。
【００５９】
この発明は前述の発明の実施の形態に限定されることなく、適宜な変更を行うことにより、その他の態様で実施し得るものである。
【符号の説明】
【００６０】
Ｓ  画像処理システム
ｃ１  溶接位置補正用カメラ
ｃ２  ノズルギャップ補正用カメラ
ｎ１  溶接ツール先端のノズル
ｗ    ワーク
ｗ１  ノズルギャップが適正な場合の溶接点位置
ｗ２  ノズルギャップが適正値より小さい場合の溶接点位置
ｗ３  ノズルギャップが適正値より大きい場合の溶接点位置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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