(57)【要約】  部品（１２）の位置を特定するためのシステム（１０）は、部品（１２）の画像を取り込むように構成された画像取込装置（１４）と、画像取込装置（１４）に固定された関係で取り付けられた作業器具（２６）と、部品（１２）に対して画像取込装置（１４）および作業器具（２６）の位置を調整するように構成された位置決めシステム（３４）と、画像取込装置（１４）と通信する画像処理モジュール（１６）であって、画像取込装置（１４）から画像を受け取り、部品（１２）の少なくとも１つの特徴を識別するように構成された画像処理モジュール（１６）と、を含む。位置決めシステム（３４）は、画像内の識別された特徴の位置に基づいて画像取込装置（１４）の位置を調整し、画像取込装置（１４）を識別された特徴と位置合わせし、画像取込装置（１４）と作業器具（２６）との間のオフセットに基づいて作業器具（２６）を識別された特徴と軸方向に位置合わせするように構成される。【選択図】図１
2020507825.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
部品（１２）の位置を特定するためのシステム（１０）であって、
部品（１２）の画像を取り込むように構成された画像取込装置（１４）と、
前記画像取込装置（１４）に固定された関係で取り付けられた作業器具（２６）と、
前記部品（１２）に対して前記画像取込装置（１４）および前記作業器具（２６）の位置を調整するように構成された位置決めシステム（３４）と、
前記画像取込装置（１４）と通信する画像処理モジュール（１６）であって、前記画像取込装置（１４）から前記画像を受け取り、前記部品（１２）の少なくとも１つの特徴を識別するように構成された画像処理モジュール（１６）と
を含み、
前記位置決めシステム（３４）は、前記画像内の前記識別された特徴の位置に基づいて前記画像取込装置（１４）の位置を調整し、前記画像取込装置（１４）を前記識別された特徴と位置合わせするように構成され、
前記位置決めシステム（３４）は、前記画像取込装置（１４）と前記作業器具（２６）との間のオフセットに基づいて、前記作業器具（２６）を前記識別された特徴と軸方向に位置合わせするように構成される、
システム（１０）。
【請求項２】
前記画像取込装置（１４）はデジタルカメラである、
請求項１に記載のシステム（１０）。
【請求項３】
前記部品（１２）は管の軸方向端部であり、
前記少なくとも１つの特徴は、前記管の外面または内面によって画定される円の少なくとも一方を含む、
請求項１または２に記載のシステム（１０）。
【請求項４】
前記少なくとも１つの特徴は前記円の中心を含み、
前記位置決めシステム（３４）は、前記画像の中心に対する前記円の前記中心の位置に基づいて前記画像取込装置（１４）の前記位置を調整するように構成される、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載のシステム（１０）。
【請求項５】
前記画像取込装置（１４）からの前記管の前記軸方向端部の距離を決定するように構成された近接検出装置（２２）をさらに含み、
前記画像処理モジュール（１６）は、前記近接検出装置（２２）から距離測定値を受け取り、前記距離測定値に基づいて前記作業器具（２６）を前記円の前記中心と位置合わせするように構成される、
請求項４に記載のシステム（１０）。
【請求項６】
前記位置決めシステム（３４）はＣＮＣ位置決めシステムである、
請求項４または５に記載のシステム（１０）。
【請求項７】
前記作業器具（２６）は、溶接準備装置および端部キャップ取り外し装置の一方である、
請求項４乃至６のいずれか一項に記載のシステム（１０）。
【請求項８】
前記画像処理モジュール（１６）は、前記画像をフィルタ処理してフィルタ処理済画像を生成し、前記フィルタ処理済画像内の複数の円を識別し、設定基準に基づいて前記複数の円のうちの一次円を選択するように構成される、
請求項４乃至７のいずれか一項に記載のシステム（１０）。
【請求項９】
前記設定基準は、前記管の予想位置からの距離、前記円の完全性、前記円の鮮鋭度、および前記円の楕円率のうちの少なくとも１つを含む、
請求項８に記載のシステム（１０）。
【請求項１０】
作業器具（２６）を部品（１２）と位置合わせするための方法であって、
画像取込装置（１４）の視野内に部品（１２）を位置決めするステップと、
前記画像取込装置（１４）を用いて前記部品（１２）の画像を取得するステップと、
前記画像内の少なくとも１つの特徴を検出するステップと、
前記少なくとも１つの特徴と位置合わせするように作業器具（２６）を移動させるステップと、
前記作業器具（２６）を用いて前記部品（１２）に対して製造作業を行うステップと
を含む方法。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの特徴と位置合わせするように前記作業器具（２６）を移動させる前に、前記画像取込装置（１４）を前記少なくとも１つの特徴と中心合わせするステップをさらに含み、
前記部品（１２）は管の軸方向端部であり、
前記少なくとも１つの特徴は、前記管の外面または内面の少なくとも一方によって画定される円の中心である、
請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの特徴と位置合わせするように前記作業器具（２６）を移動させるステップは、前記画像取込装置（１４）と前記作業器具（２６）との間の既知のオフセットに基づいて前記作業器具（２６）を移動させるステップを含む、
請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記既知のオフセットは、Ｘ、ＹおよびＺ方向部品（１２）を含む、
請求項１１または１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記画像取込装置（１４）と前記管の前記軸方向端部との間の軸方向距離を決定するステップをさらに含む、
請求項１１乃至１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
ツールホルダから前記画像取込装置（１４）を取り外すステップと、
前記作業器具（２６）を前記ツールホルダ内に配置するステップと
をさらに含む、請求項１１乃至１４のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、一般的には発電システム用の部品の製造に関し、より詳細には、製造工程中にボイラー管などの部品の位置を正確に特定するためのシステム、方法、および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高圧熱交換器は標準的な長さで購入された何マイルもの管で製造され、その後それらは溶接されて端から端まで長い管を形成する。製造工程中に、溶接または他の作業に備えて各管の両端がまず機械加工されるが、それには各管の位置および中心をかなり正確に特定する必要がある。部品の位置決めに使用される従来の機械式プローブは、Ｘ、Ｙ、Ｚの３軸で動作する。しかしながら、丸みを帯びた管表面、製造上の不規則性による不規則な輪郭、製造中の不均一な溶接収縮、および各管の中心の大きな開口は、そのような既存の機械的プローブが管位置を確実に決定し、管の真の中心の位置を特定することを困難にする。
【０００３】
上記に関連して、従来の機械的プローブは、管の端部を適切に機械加工するのに、または他の処理工程を実行することに十分な精度で各管の中心を正しく識別することにおいていくつかの困難を有する。特に、丸い管の端部を横切ってＸおよびＹ方向に位置プローブを動かすことは、管内の表面の不規則性と相俟って、管の外径を一貫して検出し、次に管の中心の真の位置を決定することを困難にする。管の内径を調べることも同様の問題を抱えており、管内の押し出された貫通孔が中心から外れている場合には拡大する可能性がある。さらに、管、パイプ、ヘッダおよびドラムは完全には丸くないかもしれず、それは中心位置特定工程にさらなる誤差を導入する。加えて、例えば水壁管またはヘッダニップルなどの、互いに近くにまとめられた管もまた、対象とする管の周りのプローブの動きを妨げ、または望ましくない物理的な接触によってプローブを損傷する可能性がある。水壁パネルは、隣接する管の間に溶接されたフィンバーのためにさらなる課題を提示し、それは各管の外面の一部を覆い、その外面からの管位置の検出をより困難でより不正確なものにする。多くの既存の機械プロセスは、製造されている管、パイプ、ヘッダ、ドラムまたは他の中空導管の中心と機械加工ツールとが正しく位置合わせされていることを見つけるか少なくとも確認するために人間のオペレータに依然として頼っているが、これは面倒で、費用がかかり、そして依然として不正確であることが多い。
【０００４】
上記に鑑みて、製造工程中にボイラー管などの部品の位置を正確に特定するためのシステム、方法、および装置が必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１６／１３３９２４号
【発明の概要】
【０００６】
一実施形態では、部品の位置を特定するためのシステムが提供される。本システムは、部品の画像を取り込むように構成された画像取込装置と、画像取込装置に固定された関係で取り付けられた作業器具と、部品に対して画像取込装置および作業器具の位置を調整するように構成された位置決めシステムと、画像取込装置と通信する画像処理モジュールであって、画像取込装置から画像を受け取り、部品の少なくとも１つの特徴を識別するように構成された画像処理モジュールと、を含む。位置決めシステムは、画像内の識別された特徴の位置に基づいて画像取込装置の位置を調整し、画像取込装置を識別された特徴と位置合わせし、画像取込装置と作業器具との間のオフセットに基づいて作業器具を識別された特徴と軸方向に位置合わせするように構成される。
【０００７】
別の実施形態では、作業器具を部品と位置合わせするための方法が提供される。本方法は、画像取込装置の視野内に部品を位置決めするステップと、画像取込装置を用いて部品の画像を取得するステップと、画像内の少なくとも１つの特徴を検出するステップと、少なくとも１つの特徴と位置合わせするように作業器具を移動させるステップと、作業器具を用いて部品に対して製造作業を行うステップと、を含む。
【０００８】
さらに別の実施形態では、製造作業で使用するための部品の中心を特定するための方法が提供される。本方法は、カメラの視野内に管状部品を配置するステップと、カメラの軸が管軸と位置合わせされるように、視野内で管状部品の軸方向端部を中心合わせするステップと、作業器具の軸を管軸と位置合わせするために、カメラ軸と作業器具の軸との間の所定のオフセットに従って作業器具を移動させるステップと、を含み、これらのステップは管に接触することなく自律的に行われる。
【０００９】
本発明は、添付図面を参照して非限定的な実施形態の以下の説明を読むことによって、より良く理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態による、自動部品位置特定および中心合わせシステムの概略図である。
【図２】図１のシステムの画像取込装置によって取り込まれた画像の例示的な図である。
【図３】図２の画像の拡大図である。
【図４】本発明の一実施形態による、図１のシステムの別の実施態様の概略上面図である。
【図５】図４のシステムの概略正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下では、本発明の例示的な実施形態を詳細に参照しており、それらの例を添付図面に例示している。可能な限り、図面全体を通して、同一の符号は同一の部分または類似の部分を指す。本発明の実施形態はボイラー用の長い管の製造に関連して使用するのに適しているが、本発明の実施形態はパイプ、導管、ドラムなどの任意の管状部品の位置および中心を決定するためにも利用することができる。さらに他の実施形態では、本発明は、より一般的には任意の部品または構造体の位置を決定するために利用することができる。
【００１２】
本明細書で使用される場合、「動作可能に結合された」とは、直接的または間接的であり得る接続を指す。この接続は必ずしも機械的な取り付けである必要はない。本明細書で使用される場合、「流体結合された」または「流体連通」とは、特徴部間の流体の流れを可能にし、流体輸送を可能にするように特徴部が接続されるような２つ以上の特徴部の配置を指す。
【００１３】
本発明の実施形態は、ボイラー管などの部品の位置を特定するためのシステム、方法、および装置に関する。本システムは、デジタルカメラと、画像処理ユニッとト、管の内径および外径、二次元での管の位置、ならびに機械加工ヘッドからの距離を正確に決定するための距離測定器と、を含む。本システムは、最初にカメラを管の中心と位置合わせし、次にカメラと機械加工ヘッドとの間の既知のオフセットに基づいて機械加工ヘッドを管の中心と位置合わせして、管の端部で製造作業を行うことができるように構成される。
【００１４】
図１を参照すると、後続の製造作業で使用するための部品の位置、より詳細には管１２などの管状部品の中心の位置を特定するためのシステム１０が示されている。システム１０は、画像処理ソフトウェアを実行するように構成された画像処理モジュールまたは制御ユニット１６と電気的にまたは他のやり方で通信する、デジタルカメラなどの画像取込装置１４を含む。そこに示されているように、画像取込装置１４は、機械加工環境での使用に適しており、金属の削りくず、冷却剤スプレー、振動などによる衝撃および侵入に耐えることができる一体型レンズ１８を含む。画像取込装置１４はまた、レンズ１８の前の環境を照らすためにレンズ１８を取り囲むかまたはレンズ１８の周りに配置されたＬＥＤリング２０などの照明機構を含むことができる。ＬＥＤリング２０が示されているが、本発明のより広い観点から逸脱することなく他の照明装置および機構も利用することができる。例えば、他の照明システムまたは装置は、処理されている部品の特性および画像取込装置１４によって取得された画像に影響を与える環境条件に基づいて構成されてもよい。画像取込装置１４は、管１２の軸方向端部などの部品の一部の画像を取り込み、以下で詳細に説明するように、その画像を特徴認識のために処理モジュール１６に送信するように構成される。
【００１５】
図１にさらに示すように、システムはまた、画像処理モジュール１６と電気的に接続されているかあるいは通信する近接検出装置２２を含む。一実施形態では、近接検出装置２２は、画像取込装置１４と部品１２との間の距離を決定するように構成されたレーザーまたはソナー装置であってもよい。図１に示すように、近接検出装置２２は画像取込装置１４から分離しているが、近接検出装置２２を画像取込装置１４と一体化してもよいと考えられる。
【００１６】
上記に関連して、画像取込装置１４は、図１ではボイラー管１２の軸方向端部であるレンズ１８の前に配置された部品または部品の一部の画像を取り込むように構成されている。取り込まれた画像は次に、メモリに記憶されているソフトウェアおよび／またはアルゴリズムに従って処理するために画像処理モジュール１６に送信される。特に、画像処理モジュール１６は、当技術分野で知られているものなどの１つまたは複数の画像処理技術を使用して、画像内の対象物のエッジまたは特徴を識別するように構成される。一実施形態では、画像処理モジュール１６は円形を見つけ、円の中心を決定するように構成されているが、モジュール１６および／またはソフトウェアは、長方形、三角形、自由形状などの任意の構成の形状または特徴を見つけ、そのような形状または特徴に関して中心または他の位置を決定するように構成またはプログラムすることができる。
【００１７】
画像処理モジュール１６はまた、近接検出装置２２から、画像取込装置１４と管１２の開口端との間の距離を示す距離情報を受け取る。（Ｘ−Ｙ方向における）管の外面および内面によって画定される円などの二次元特徴の識別、および管の端部からの距離（Ｚ方向）の決定は、管１２の位置、より具体的には管１２の中心に関する三次元位置情報を提供する。本明細書で使用される場合に、管１２の縁部の位置、ならびに管の中心は、本明細書では「位置データ」または「場所データ」と呼ばれる。この位置データは、管のサイズ、ならびに画像取込装置１４からの管の距離を定義する。一実施形態では、画像取込装置１４から管端部までの距離が他の手段によって知られている場合は、この距離を測定距離の代わりに使用することができる。
【００１８】
図２は、画像取込装置１４によって取り込まれた例示的な画像１００、および画像処理モジュール１６によって識別された円形の特徴を示す。図２に示すように、画像処理モジュール１６は、画像１００内のいくつかの異なる円を識別し、そのような円の各々を対照的なまたは有色の円と重ね合わせている（すなわち、円オーバーレイ１０２、１０４、１０６、１０８）。一実施形態では、より際立ったまたはより明瞭なエッジは、より明るいまたはより厚いオーバーレイとして表示される。
【００１９】
図３を参照すると、円オーバーレイ１０４の拡大図が示されている。図３に示すように、オーバーレイ１０４は、管１２の内縁および外縁に対応する２つの同心円オーバーレイ１１０、１１２を含む（すなわち、円オーバーレイ１１０は管１２の内周を特定し、一方、円オーバーレイ１１２は管１２の外周を特定する）。画像処理モジュール１６はさらに、管１２の内面および外面を画定する円が識別された後に管１２の中心を決定するように構成される。図３に示すように、画像処理モジュール１６は管の正確な中心をドット１１４でマークする。
【００２０】
一実施形態では、システム１０は、画像および重ね合わされた円（または他の識別された特徴）を技術者またはオペレータに表示するために画像処理モジュール１６と通信する表示装置２４を含むことができる。例えば、表示装置２４を使用して取り込まれた画像１００を表示することができる。
【００２１】
上記に関連して、画像処理モジュール１６は、取り込まれた画像内の円を見つけ出し、これらの円のどれが管の内面および外面を表すかを決定し、後述するように、ツールの位置決めに使用するために内円および外円の中心を特定するように構成される。管の端部を見ると、内面と外面は円に見えて、それらはほぼ同心円である。予想される直径を知っていても知らなくてもよい。画像内の円を見つけることは、画像取込装置１４からビデオフレームまたはスナップショットを取得することから始まる。一実施形態では、画像は次にフィルタ処理され、これは画像をグレースケールに変換すること、およびガウスまたは他のフィルタ処理を適用してノイズを低減することを含むことができる。特定のツール環境の照明条件に応じて、追加のフィルタ処理が適用される場合がある。一実施形態では、次いで、画像内の円を検出するために、ハフ円変換（および、特に、グラジエントハフ円変換）がフィルタ処理された画像に適用される。「最良の」円または一次円は、管の予想位置からの距離、完全性、鮮鋭度および楕円率などの基準に基づいて、検出された円から選択される。本明細書で使用される場合、「楕円率」は、円の円形度を意味する。最良の円は、管の内面または外面のいずれかを表すと想定される。
【００２２】
内面と外面の両方を検出する必要がある状況では（実行する特定の後続の製造または機械加工工程に応じて）、一次円とほぼ同心である円を見いだすために一次円の内側と外側の両方を見て、「次善の」円または二次円の位置を特定する。これにより、管１２の内面と外面の両方が識別される。一実施形態では、二次円を識別するための検索基準は、その円の中心が一次円の中心から半径方向に小さい距離内にあると定義することによって制限することができる。管の壁厚の予想範囲を知っていれば、二次円の外形寸法は、予想最大壁厚よりわずかに大きい距離で見いだされる一次円の直径よりも小さくまたは大きくなるように制限することができる。
【００２３】
予想される管に適した寸法の両方の同心円を見つけることは、最初に見つかった円に基づいて測定誤差を減らし、機械加工ツールを構成するための管直径を決定し、管押し出し中に作成される偏心穴などの管の欠陥の位置を特定するために使用できる。
【００２４】
上述したように、最良の円（すなわち、管の内面および外面（あるいは外面および内面）に対応する所与の管についての一次円および二次円）が見つかると、管の中心が算出されて、画像内の管の中心の位置が決定される。
【００２５】
一実施形態では、図１に示すように、画像取込装置１４は、機械加工ヘッド３０から三次元で既知のオフセットを有する固定マウント２８を有する製造機械２６上に展開されるかまたはそれと一体化されてもよい。機械加工ヘッドまたは作業器具３０は、当技術分野で知られている任意の工作機械の形態をとることができ、製造機械２６のツールホルダ３２に取り付けることができ、あるいは当技術分野で知られている手段によって製造機械２６に固定することができる。製造機械２６およびその機械加工ヘッド３０は、機械加工ヘッド３０、画像取込装置１４および近接検出装置２２の位置を制御するためのＣＮＣまたは他の自動制御および位置決めシステム３４と一体化することができる。システム３４は、画像処理モジュール１６と通信しており、上述のように、画像処理モジュール１６によって決定されるように、管縁部の位置および管中心を含む管１２の位置データを受け取るように構成されている。
【００２６】
一実施形態では、ＣＮＣインターフェースは、Ｘ−Ｙ−Ｚ位置決め、中心合わせ、およびツール配置に使用される。ＣＮＣインターフェースからの入力は、位置を知るため、および指定された範囲内に留まるためのＸ−Ｙ−Ｚ位置決め入力を含む。ＣＮＣインターフェースへの出力は、最初にカメラ２０を位置決めし、次いでツール３０を位置決めするためのＸ−Ｙ−Ｚ位置決め出力を含む。
【００２７】
一実施形態では、オフセットは、一般に、画像取込装置１４と機械加工ヘッド３０または製造機械２６上の特定の点（マウント２８など）との間の３つの方向における既知の距離値を指す。オフセット値は、以下に詳細に説明するように、製造作業に使用するために制御および位置決めシステム３４のメモリに格納される。
【００２８】
別の実施形態では、画像取込装置１４および／または近接検出装置２２は、ツールホルダ３２などの任意の標準的なツールインターフェースを使用して製造機械に装着する取り外し可能なツールとして展開することができる。一実施形態では、画像取込装置１４および機械加工ヘッド３０は、ツールホルダ３２に選択的に取り付けられ、自動ツール交換装置を使用して交換されてもよい。例えば、一実施形態では、本明細書に記載のプロセスを使用して、画像取込装置を最初に使用して部品の中心の位置を特定することができる。次に、画像取込装置を工作機械などの作業器具と交換し、カメラを使用して識別された中心位置に戻り、その位置で機械加工を実行することができ、これらの工程は自律的に実行される。一実施形態では、この方法は、ツールラックからカメラをピックアップするステップ、カメラ画像の中心に管を合わせるステップ、データベースまたはメモリ内の位置を記録するステップ、カメラをツールラックに戻すステップ、ラックから工作機械をピックアップするステップ、（カメラが中心に置かれていた）記憶された位置に戻るステップ、および工作機械を使用して機械加工または他の製造作業を実行するステップを含むことができる。
【００２９】
画像取込装置１４がツールホルダ３２または他の有料インターフェースに装着するように構成されている場合などの特定の実施形態では、画像処理モジュール１６と制御および位置決めシステム３４との間の無線通信を実施することができる。一実施形態では、無線基地局を制御および位置決めシステムに取り付けて、８０２．１１１ｘＷｉＦｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ(登録商標)またはＺｉｇｂｅｅ(登録商標)などの任意の標準通信プロトコルを使用して画像処理モジュール１６と通信することができる。さらに他の実施形態では、カスタム通信プロトコルを標準プロトコルの代わりに使用することができる。
【００３０】
例えば、画像取込装置１４および／または近接検出装置２２が取り外し可能なツールとして構成されているような特定の実施形態では、そのような装置は充電式または使い捨ての電池によって電力供給することができ、これらの装置の動作は製造機械２６に供給される電力とは独立している。上記に関連して、画像取込装置１４および／または近接検出装置は、ツールがツールホルダに装着されたときを検出し、それが必要なときだけ電源が入ることを確実にするために、マイクロスイッチ、ホール効果素子、容量センサまたは同様の検出技術を含むことができる。
【００３１】
システム１０は、２つのモードのうちの一方で動作可能である。第１のモードでは、管１２の中心の位置は上述した円発見方法によって最初に決定される。管の中心の位置は次にカメラ画像視野の既知の中心（すなわち取り込まれた画像の中心）と比較される。取り込まれた画像の中心に対する管１２の中心の位置は、次に制御および位置決めシステム３４に伝達される。次に、制御および位置決めシステム３４は、管１２が画像視野の中心になるまで（すなわち、検出された円の中心がカメラ画像視野の中心に位置するまで）、必要に応じてＸおよびＹ方向に管の中心からオフセットして画像取込装置１４を移動させる。画像取込装置１４が機械加工ヘッド３０に対して平行にかつツールマウント２８に対して垂直に位置合わせされている場合には、これは画像取込装置１４と同じ軸３６上に管を正確に中心合わせする（すなわち軸方向の位置合わせを確実にする）。一実施形態では、システム１０は、このプロセスを自律的に実行して画像取込装置１４の中心線を管１２の中心と一致させるように構成される。
【００３２】
他の実施形態では、ディスプレイ２４は、ユーザが画像取込装置１４の位置を調整して画像取込装置を管１２と中心合わせすることができるユーザインターフェースを含むことができる。これに関連して、ディスプレイ２４は、カメラビューを提示し、画像取込装置１４または機械加工ヘッド３０を中心合わせするための動きの方向を示す矢印を表示する動的ディスプレイであってもよい。アスタリスクまたは点滅する境界線などの別のインジケータは、指定された許容範囲内または所定の許容範囲内で、画像取込装置１４の中心合わせが成功したことを知らせることができる。
【００３３】
画像取込装置１４が管１２の上方に中心合わせされると、制御および位置決めシステム３４は、次に、機械加工ヘッド３０を管１２の中心線と一直線上に中心合わせするために、既知のオフセット（すなわち、画像取込装置１４と機械加工ヘッド３０との間の既知のオフセット）に従って機械加工ヘッド３０を自動的に動かす。すなわち、図１に示すように、画像取込装置１４と機械加工ヘッド３０との間にオフセットがある場合には、既知のオフセットに従って機械加工ヘッド３０を動かすことにより、機械加工ヘッド３０を管１２の端部と適切に位置合わせする。このモードは、管上で機械ツール３０を（Ｘ軸およびＹ軸上で）中心合わせするための距離測定を必要としないが、機械ツール３０から管までの距離（Ｚ軸）も決定しない。
【００３４】
第２のモードでは、画像内のどこに管が配置されているかにかかわらず、上述の円発見方法を使用して取り込まれた画像内で管の中心の位置が特定される。このモードは、円直径、Ｚ軸におけるツール３０からの距離、およびＸ軸およびＹ軸におけるツール中心線３８から管中心線３６までの距離オフセットを決定するために、（近接検出装置２２を使用して）画像取込装置から管端部までの距離測定を必要とする。この情報から、制御および位置決めシステム３４は、画像取込装置１４を管の中心の上に位置決めするか、または画像からＸ、ＹおよびＺオフセットを計算することができる。
【００３５】
一実施形態では、画像処理モジュール１６は、いくつかの異なる方法で主ＣＮＣ制御装置（例えば、制御および位置決めシステム３４）と通信することができる。現代の工作機械は、ＭｏｄＢｕｓ、ＰｒｏｆｉＢｕｓ、またはＦｏｕｎｄａｔｉｏｎ  Ｆｉｅｌｄｂｕｓなどの業界標準通信、ならびにベンダー独自の通信バスをサポートするプログラマブルロジックコントローラによって制御することができる。画像処理モジュール１６は、制御および位置決めシステム３４と情報を交換するために標準またはベンダー独自の通信バスを使用することができる。イーサネット(登録商標)上のＴＣＰ／ＩＰまたは８０２．１１ｘＷｉＦｉ無線通信などの一般的な通信ネットワークも使用することができる。標準のアナログ信号およびデジタル信号もまた、画像処理モジュール１６と機械制御部３４との間で通信するために使用することができる。例えば、画像処理モジュール１６からの２つのアナログ出力は、画像取込装置１４の中心軸３６間のＸ方向およびＹ方向のオフセットを表すことができる。画像処理モジュール１６からのデジタル出力は、動作状態を提供し、画像取込装置１４が管１２と中心合わせされたときを示すことができる。
【００３６】
一実施形態では、少なくとも画像処理モジュールおよび円発見方法を含むシステム１０は、ＰＣ互換である。ランタイム／展開プラットフォームは、Ａｎｄｒｏｉｄベースであってもよいし、タブレット、組み込みコンピュータ、またはパーソナルコンピュータなどの他のコンピュータシステム上であってもよい。
【００３７】
システム１０は、様々な特定の製造または機械加工作業を実行するように構成された様々な特定の機械加工ヘッドまたは作業器具と関連して利用することができることが企図される。例えば、図１は、ヘッダニップル溶接準備に使用される溶接準備装置の形態の作業器具３０を示す。ヘッダは配管長さと継手で構成され、それらは共に溶接されて、水壁パネルの一群の管、エコノマイザ、過熱器、再加熱素子、または個々の管の群から水または蒸気を集めるために使用されるアセンブリを形成する。ヘッダ本体からそのような要素への接続はニップルと呼ばれる管であり、これは管を柔軟に動作状態に保つために拡張ループでヘッダ本体に溶接される。これにより、様々な幾何学的形状が得られる。各ニップル管は、現場で要素と接続するために端部に機械加工された溶接準備を与えられなければならない。本明細書に記載の発明より前には、これらの溶接準備の適用は製造施設で手作業で行われていた。最も一般的には、可搬式の最終準備機械またはラジアルドリルのいずれかが最終準備を行うために使用されてきた。実際、本明細書に記載された発明以前には、管の端部の正確な位置は管の曲げおよび溶接収縮の不正確さのために大きく変化するので、ＣＮＣまたは同様の機械はこれらの端部準備には使用されていない。
【００３８】
上記に関連して、作業器具３０は、溶接、研磨、熱処理、放電加工（ＥＤＭ）、コーキング、クリーニングなどを含むがこれらに限定されない、管の端部および他の部品に対して作業を行うように構成された任意の種類の装置であってもよい。実際、作業器具は工作機械に限定される必要はないが、管に対して製造作業を実行することができる任意の装置を広く含むことが企図される。他の実施形態では、作業器具３０は、部品の目視検査を実行するためのカメラまたは他の目視検査装置（およびいくつかの実施形態では、画像取込装置自体であってもよい）であってもよい。
【００３９】
これまで、従来の機械加工プローブおよびレーザースキャナは、円形に加工されたプレパラートの真円または中心を見つけるのに非効率的であり、個々の各管位置は手作業で見つけられそして機械加工ツールは管と位置合わせされなければならない。しかしながら、システム１０は、上述のプロセスを使用して、溶接準備のための機械加工カッター（すなわち、機械加工ヘッド３０）を各ニップル管１２上に自動的に中心合わせし、図１に示すように、次いで溶接準備４０を各ニップル管１２の端部に切り込むように構成される。特に、画像取込装置１４および画像処理モジュール１６は、ヘッダ上の個々のニップルの頂部の正確な位置を特定し、各管の中心を漸進的に特定するために使用される。次いで、システム１０は、制御および位置決めシステム３４の制御下で、溶接準備を機械加工するためにカッターを自動的に位置決めする。
【００４０】
図４および図５を参照すると、別の実施形態では、製造機械２６は、管１２に向かって延在し、端部キャップをつかみ、端部キャップと共に管から後退し、端部キャップを解放するように構成された係合部材４２を有する端部キャップ除去ツールの形態をとることができる。上記のように、システム１０は、画像処理モジュール１６を使用して最初に管１２の中心の位置を特定し、次いでツールが展開することができるようにそれが管端部と中心合わせされるように端部キャップ除去管を位置決めするように構成される。特に、一実施形態では、２つの装置が（例えば、Ｘ軸に沿って）位置合わせされるように、画像取込装置１４および機械加工ヘッドまたはツール（端部キャップポッパー２６の形態）が取り付けられる。次いで、画像取込装置１４ならびに制御および位置決めシステム３４をＰＣまたは他のコンピューティングデバイスに接続することができる。次いで、管を位置決めシステムのＸ−Ｙ平面に対して垂直に、画像取込装置の視野内に位置決めすることができる。ライブカメラビューがディスプレイに表示されてもよい。画像取込装置１４、画像処理モジュール１６、ならびに制御および位置決めシステム３４を使用して、画像取込装置１４を管１２の上に中心合わせすることができる。一旦画像取込装置１４が中心合わせされると、既知のオフセット（例えば、画像取込装置１４とツール中心線との間の距離）だけポッパー２６のＸ−Ｙ位置をずらすことによって端部キャップポッパー２６を管１２と位置合わせすることができる。
【００４１】
さらに他の実施形態では、システム１０は、製造ツールを管と中心合わせすることを必要とする他の様々な製造プロセスにも使用できると考えられ、それには管水壁スカーフィング（カメラ、クランプ、のこぎり、プラズマトーチ、スカーフィングツールの中心合わせを含む）、端部キャップの取り付け、ドラムやヘッダなどの厚肉部品の端面仕上げなどが含まれる。
【００４２】
上述のように、システム１０は、したがって、製造作業のために管端部を正確かつ一貫して位置決めすることができる。したがって、部品の不正確な機械加工をもたらす位置決め誤差を取り除くかまたは低減することができる。加えて、セットアップ時間は手動位置決めと比較して著しく短縮することができる。さらに、密集した管の場合では、従来の機械的な「タッチ」プローブを管間に嵌め込むために利用できるスペースがない可能性がある。しかしながら、本発明のシステム１０は、適切に機能するために管間の最小間隔を必要としない。システム１０によって使用される画像処理はまた、管上の複数の位置に物理的に接触してその位置を決定するために機械的プローブを使用するよりも高速である。
【００４３】
一実施形態では、部品の位置を特定するためのシステムが提供される。本システムは、部品の画像を取り込むように構成された画像取込装置と、画像取込装置に固定された関係で取り付けられた作業器具と、部品に対して画像取込装置および作業器具の位置を調整するように構成された位置決めシステムと、画像取込装置と通信する画像処理モジュールであって、画像取込装置から画像を受け取り、部品の少なくとも１つの特徴を識別するように構成された画像処理モジュールと、を含む。位置決めシステムは、画像内の識別された特徴の位置に基づいて画像取込装置の位置を調整し、画像取込装置を識別された特徴と位置合わせし、画像取込装置と作業器具との間のオフセットに基づいて作業器具を識別された特徴と軸方向に位置合わせするように構成される。一実施形態では、画像取込装置はデジタルカメラである。一実施形態では、部品は管の軸方向端部であり、少なくとも１つの特徴は、管の外面または内面によって画定される円の少なくとも一方を含む。一実施形態では、少なくとも１つの特徴は円の中心を含む。位置決めシステムは、画像の中心に対する円の中心の位置に基づいて画像取込装置の位置を調整するように構成される。一実施形態では、システムはまた、画像取込装置からの管の軸方向端部の距離を決定するように構成された近接検出装置を含み、画像処理モジュールは、近接検出装置から距離測定値を受け取り、距離測定値に基づいて作業器具を円の中心と位置合わせするように構成される。一実施形態では、位置決めシステムはＣＮＣ位置決めシステムである。一実施形態では、作業器具は、溶接準備装置および端部キャップ取り外し装置のうちの一方である。一実施形態では、画像処理モジュールは、画像をフィルタ処理してフィルタ処理済画像を生成し、フィルタ処理済画像内の複数の円を識別し、設定基準に基づいて複数の円のうちの一次円を選択するように構成される。一実施形態では、設定基準は、管の予想位置からの距離、円の完全性、円の鮮鋭度、および円の楕円率のうちの少なくとも１つを含む。
【００４４】
別の実施形態では、作業器具を部品と位置合わせするための方法が提供される。本方法は、画像取込装置の視野内に部品を位置決めするステップと、画像取込装置を用いて部品の画像を取得するステップと、画像内の少なくとも１つの特徴を検出するステップと、少なくとも１つの特徴と位置合わせするように作業器具を移動させるステップと、作業器具を用いて部品に対して製造作業を行うステップと、を含む。一実施形態では、本方法はまた、少なくとも１つの特徴と位置合わせするように作業器具を移動させる前に、画像取込装置を少なくとも１つの特徴と中心合わせするステップを含むことができる。一実施形態では、部品は管の軸方向端部であってもよく、少なくとも１つの特徴は管の外面または内面のうちの少なくとも一方によって画定される円の中心であってもよい。一実施形態では、少なくとも１つの特徴と位置合わせするように作業器具を移動させるステップは、画像取込装置と作業器具との間の既知のオフセットに基づいて作業器具を移動させるステップを含む。一実施形態では、既知のオフセットはＸ、ＹおよびＺ方向部品を含む。一実施形態では、本方法はまた、画像取込装置と管の軸方向端部との間の軸方向距離を決定するステップを含むことができる。一実施形態では、本方法はまた、ツールホルダから画像取込装置を取り外すステップと、作業器具をツールホルダ内に配置するステップと、を含むことができる。一実施形態では、製造作業は、管の軸方向端部に溶接準備を機械加工することと、管の軸方向端部から端部キャップを取り外すこととの少なくとも一方を含む。一実施形態では、円の中心を検出するステップは、フィルタ処理された画像を生成するために画像をフィルタ処理するステップと、フィルタ処理された画像にハフ円変換を適用してフィルタ処理画像内の複数の円を検出するステップと、を含む。一実施形態では、画像をフィルタ処理するステップは、画像をグレースケールに変換するステップと、ノイズを低減するためにガウスフィルタ処理を適用するステップと、を含む。一実施形態では、円の中心を検出するステップは、管の予想位置からの円の距離、円の完全性、円の鮮鋭度、および円の楕円率のうちの少なくとも１つを含む１組の基準に基づいて複数の円から円を選択するステップを含む。
【００４５】
さらに別の実施形態では、製造作業で使用するための部品の中心を特定するための方法が提供される。本方法は、カメラの視野内に管状部品を配置するステップと、カメラの軸が管軸と位置合わせされるように、視野内で管状部品の軸方向端部を中心合わせするステップと、作業器具の軸を管軸と位置合わせするために、カメラ軸と作業器具の軸との間の所定のオフセットに従って作業器具を移動させるステップと、を含み、これらのステップは管に接触することなく自律的に行われる。
【００４６】
本明細書で使用する場合、単数形の表現は、これに関する要素またはステップが複数であることを除外することが明示的に記載されている場合を除き、前記要素またはステップが複数であることを除外するものではないと理解されたい。さらに、本発明の「一実施形態」への言及は、記載した特徴も組み込んだ追加の実施形態の存在を除外するものと解釈されることを意図してはいない。さらに、明示的な反対の記載がない限り、特定の特性を有する要素または複数の要素を「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」または「有する（ｈａｖｉｎｇ）」実施形態は、その特性を有さない追加の要素を含んでもよい。
【００４７】
この明細書は、本発明のいくつかの実施形態を開示するために実施例を用いており、最良の形態を含んでいる。また、当業者が本発明の実施形態を実施することができるように実施例を用いており、任意の装置またはシステムを製作し使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含んでいる。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者に想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、特許請求の範囲の文言とは違いがない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言との実体のない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることが意図される。
【００４８】
本発明の様々な態様および実施形態は、以下の項によって定義される。
【００４９】
１．部品の位置を特定するためのシステムであって、
部品の画像を取り込むように構成された画像取込装置と、
画像取込装置に固定された関係で取り付けられた作業器具と、
部品に対して画像取込装置および作業器具の位置を調整するように構成された位置決めシステムと、
画像取込装置と通信する画像処理モジュールであって、画像取込装置から画像を受け取り、部品の少なくとも１つの特徴を識別するように構成された画像処理モジュールと
を含み、
位置決めシステムは、画像内の識別された特徴の位置に基づいて画像取込装置の位置を調整し、画像取込装置を識別された特徴と位置合わせするように構成され、
位置決めシステムは、画像取込装置と作業器具との間のオフセットに基づいて、作業器具を識別された特徴と軸方向に位置合わせするように構成される、
システム。
【００５０】
２．第１項に記載のシステムであって、
画像取込装置はデジタルカメラである、
システム。
【００５１】
３．第１項に記載のシステムであって、
部品は管の軸方向端部であり、
少なくとも１つの特徴は、管の外面または内面によって画定される円の少なくとも一方を含む
システム。
【００５２】
４．第３項に記載のシステムであって、
少なくとも１つの特徴は円の中心を含み、
位置決めシステムは、画像の中心に対する円の中心の位置に基づいて画像取込装置の位置を調整するように構成される、
システム。
【００５３】
５．第４項に記載のシステムであって、
画像取込装置からの管の軸方向端部の距離を決定するように構成された近接検出装置をさらに含み、
画像処理モジュールは、近接検出装置から距離測定値を受け取り、距離測定値に基づいて作業器具を円の中心と位置合わせするように構成される
システム。
【００５４】
６．第４項に記載のシステムであって、
位置決めシステムはＣＮＣ位置決めシステムである
システム。
【００５５】
７．第４項に記載のシステムであって、
作業器具は、溶接準備装置および端部キャップ除去装置のうちの一方である、
システム。
【００５６】
８．第４項に記載のシステムであって、
画像処理モジュールは、画像をフィルタ処理してフィルタ処理済画像を生成し、フィルタ処理済画像内の複数の円を識別し、設定基準に基づいて複数の円のうちの一次円を選択するように構成される、
システム。
【００５７】
９．第８項に記載のシステムであって、
設定基準は、管の予想位置からの距離、円の完全性、円の鮮鋭度、および円の楕円率のうちの少なくとも１つを含む、
システム。
【００５８】
１０．作業器具を部品と位置合わせするための方法であって、
画像取込装置の視野内に部品を位置決めするステップと、
画像取込装置を用いて部品の画像を取得するステップと、
画像内の少なくとも１つの特徴を検出するステップと、
少なくとも１つの特徴と位置合わせするように作業器具を移動させるステップと、
作業器具を用いて部品に対して製造作業を行うステップと
を含む、方法。
【００５９】
１１．第１０項に記載の方法であって、
少なくとも１つの特徴と位置合わせするように作業器具を移動させる前に、画像取込装置を少なくとも１つの特徴と中心合わせするステップをさらに含み、
部品は管の軸方向端部であり、
少なくとも１つの特徴は、管の外面または内面の少なくとも一方によって画定される円の中心である、
方法。
【００６０】
１２．第１１項に記載の方法であって、
少なくとも１つの特徴と位置合わせするように作業器具を移動させるステップは、画像取込装置と作業器具との間の既知のオフセットに基づいて作業器具を移動させるステップを含む
方法。
【００６１】
１３．第１１項に記載の方法であって、
既知のオフセットは、Ｘ、ＹおよびＺ方向部品を含む、
方法。
【００６２】
１４．第１１項に記載の方法であって、
画像取込装置と管の軸方向端部との間の軸方向距離を決定するステップをさらに含む、
方法。
【００６３】
１５．第１１項に記載の方法であって、
ツールホルダから画像取込装置を取り外すステップと、
作業器具をツールホルダ内に配置するステップと
をさらに含む、方法。
【００６４】
１６．第１１項に記載の方法であって、
製造作業は、管の軸方向端部に溶接準備を機械加工することと、管の軸方向端部から端部キャップを取り外すこととの少なくとも一方を含む、
方法。
【００６５】
１７．第１１項に記載の方法であって、
円の中心を検出するステップは、フィルタ処理された画像を生成するために画像をフィルタ処理するステップと、フィルタ処理された画像にハフ円変換を適用してフィルタ処理画像内の複数の円を検出するステップと、を含む、
方法。
【００６６】
１８．第１７項に記載の方法であって、
画像をフィルタ処理するステップは、画像をグレースケールに変換するステップと、ノイズを低減するためにガウスフィルタ処理を適用するステップと、を含む、
方法。
【００６７】
１９．第１８項に記載の方法であって、
円の中心を検出するステップは、管の予想位置からの円の距離、円の完全性、円の鮮鋭度、および円の楕円率のうちの少なくとも１つを含む１組の基準に基づいて複数の円から円を選択するステップを含む、
方法。
【００６８】
２０．製造作業で使用するための部品の中心を特定するための方法であって、本方法は、
カメラの視野内に管状部品を配置するステップと、
カメラの軸が管軸と位置合わせされるように、視野内で管状部品の軸方向端部を中心合わせするステップと、
作業器具の軸を管軸と位置合わせするために、カメラ軸と作業器具の軸との間の所定のオフセットに従って作業器具を移動させるステップと
を含み、
これらのステップは管に接触することなく自律的に行われる、
方法。
【符号の説明】
【００６９】
１０  システム
１２  部品、管、ボイラー管、ニップル管
１４  画像取込装置
１６  画像処理モジュール、制御ユニット
１８  レンズ
２０  ＬＥＤリング、カメラ
２２  近接検出装置
２４  表示装置、ディスプレイ
２６  製造機械、端部キャップポッパー
２８  固定マウント、ツールマウント
３０  機械加工ヘッド、機械ツール、作業器具
３２  ツールホルダ
３４  制御および位置決めシステム、機械制御部、位置決めシステム
３６  管中心線、中心軸
３８  ツール中心線
４０  溶接準備
４２  係合部材
１００  画像
１０２  円オーバーレイ
１０４  円オーバーレイ
１０６  円オーバーレイ
１０８  円オーバーレイ
１１０  円オーバーレイ
１１２  円オーバーレイ
１１４  ドット
【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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【国際調査報告】
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