三菱重工技報 Vol.52 No.3 (2015) 工作機械特集

技 術 論 文35

建設機械向け対向機の高速穴位置計測システムの高ロバスト化
Robustness Improvement of the High Speed Hole Position Measurement Systemfor Construction Machines

谷 澤 佑 介 *1

山 本 英 明 *2

Yusuke Tanizawa

Hideaki Yamamto

建設機械のブームを横中ぐり盤対向機で加工する際の穴位置は，タッチセンサを用いて計測しているが，この計測時間が生産性向上のネックとなっているため，計測の高速化が望まれている。当社ではカメラとレーザ測長器を用いた非接触穴位置計測システムを開発し，工程短縮による生産性向上を実現した。本計測システムは，お客様の加工現場において様々な外乱要因をもつワークに対し，最適な処理アルゴリズムを考案することで，ロバスト性の高いシステムとしている。本稿では非接触計測システムを高ロバスト性とするための具体的な課題と解決策及び，手動介入を解消できる穴位置自動オフセット機能について紹介する。

|1. はじめに
近年，新興国では建設機械需要が大幅に伸びており，建設機械部品加工のための横中ぐり盤対向機の需要も大幅に拡大している。そこで，横中ぐり盤対向機の市場シェア拡大のために，高付加価値機能による差別化が急務となっている。高付加価値機能の１つとして，サイクルタイム短縮による生産性向上に着目した。図１に示すような建設機械部品は，板金加工や鋳造にて作成した部品を溶接した後，機械加工を実施している。穴加工の位置は溶接歪や治具固定時の誤差が有るため，機械加工前に穴位置を計測する必要があり，現状ではタッチセンサを用いて計測している。この計測に要する時間は全加工時間の 1/3 を占めており，計測時間の短縮が望まれている。当社は時間短縮のための機能としてカメラとレーザ測長器を用いた非接触穴位置計測システムを開発した。

図１ 横中ぐり対向機と建設機械部品例|2. 非接触計測システムの概要
本計測システムは，２つのコラムを備えた対向機のサドル部に搭載される。本システムの構成を図２に示す。本システムはカメラとレーザ測長器から構成され，カメラを用いて穴中心位置を，レーザ測長器を用いて穴高さの計測を行う。計測の際はテーブル上のワークの穴位置を両側から同時に計測する。
*1 機械・設備システムドメイン 工作機械事業部 技術部*2 機械・設備システムドメイン 工作機械事業部 技術部 主席技師

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図２ 計測システムの構成

従来方法と，本システムの計測方法の比較を図３に示す。従来方法であるタッチセンサによる穴中心位置計測では計測点に対し微速で接触させる必要がありアプローチのための時間が必要
だが，本計測システムでは非接触で計測を実施することで，大幅な時間短縮が可能である。穴中心位置と穴高さ計測それぞれの概要は下記のとおりである。
(1) 穴中心位置計測
穴中心位置計測では，カメラを穴位置に移動させ撮影し，画像処理によってエッジを検出し，円形状を計算することで中心位置を計算する。
(2) 穴高さ計測
円筒端面上の両端２点をレーザ測長器で計測することにより，穴高さを計算し，Z 軸方向の取り代確認や，段取り誤差確認を行う。
従来方法（タッチセンサ）
穴中心位置計測

穴高さ、傾斜計測

非接触計測システム
穴中心位置計測

穴高さ、傾斜計測

図３ 計測方法比較

実ワークの計測では，様々なノイズ要因の影響があり，穴中心位置計測のためのエッジ検出の精度を悪化させるため，標準的な画像処理のみでは精度確保が困難である。次項にて，実ワー
クの画像処理の際，課題となる項目と解決策について示す。

|3. 高ロバスト性とするための取り組み
3.1 計測対象ワークの特徴
図４に計測対象ワーク端面状況の例について示す。計測対象となるワークは同じ一つのワークであっても，反射率が高く高輝度のフライス加工面の部位，反射率が低く低輝度の鋳肌面の部位があり，同一の照明条件で撮影を行っても，画像の明るさは大きく異なる。また，端面に模様やマーキングがある穴や，端面部と内筒部の角がテーパや R になっている穴もある。したがって，目標

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精度達成のためには画像の特徴を正しく捉え，それに合わせた画像処理が必要となる。以下
3.2 及び 3.3 に、今回実施したロバスト性向上のための具体的な取り組みについて示す。

図４ 計測対象ワーク端面状況例

3.2 クランプフィルタ処理
本項にて解決する課題の概要を図５に示す。通常，画像処理では端面部と内筒部の境界をエッジとして検出するが，計測対象の穴にテーパがあり，なおかつ端面がフライス加工面で高輝度の場合は，部分的に端面部とテーパ部の境界をエッジとして検出してしまうことがあるため，精度が悪化する。

図５ 課題ワーク例１

本課題解決のために，端面部の輝度を最適値に調整するしきい値処理（以後，クランプフィルタ処理と呼ぶ）を考案した。クランプフィルタ処理では，画像は３パターンに分類され，それぞれについて最適な端面輝度調整方法を決定する。図４の例では端面：フライス加工面（高輝度+テーパ有り）がパターン１，端面：フライス加工面（高輝度，+傷，模様あり）がパターン２，端面：板金（中輝度），端面：鋳肌（低輝度+傷，模様あり）がパターン３に分類される。
図６に本処理の詳細について示す。パターン１の画像は，端面部にしきい値処理を行うことで端面部とテーパ部境界をエッジとして検出しないようにする処理が有効である。パターン２の画像
は，端面の傷や模様が消える程度に端面部の輝度を抑えるしきい値処理が有効である。パター
ン１と同じしきい値処理を実施すると，端面部と内筒部の境界からエッジが検出されなくなり，円の形状が変わってしまうため不適切である。パターン３の画像は端面部と内筒部の輝度差が小さく，
パターン１，２のような処理を行うと端面部と内筒部の境界からエッジを検出できなくなるため，明らかにノイズと疑われる高輝度の画素の輝度を抑えるのみとする。以上のように，様々な表面性状をもつワークに対して適切な前処理を行うことで，正しいエッジ検出を可能としている。

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図６ クランプフィルタ処理詳細

3.3 ドーナツフィルタ処理
本項にて解決する課題の概要を図７に示す。端面部と内筒部の明るさの差が小さく，画像が不鮮明である場合や，端面部と内筒部の角が R となっている場合は，端面部と内筒部の境界において輝度変化が小さい弱いエッジを検出する必要があるが，端面や内筒部に存在する無関係なエッジをノイズとして多量に検出してしまう問題がある。特に，端面や内筒にツールマークや傷等があると，その部分がエッジとして検出されやすく，正しく円形状が検出できなくなってしまう。
そこで，ノイズ除去のために，演算過程でドーナツ型の領域を定義し，エッジを検出する領域を限定する繰り返し演算により，正しいエッジが存在する端面部と内筒部の境界付近を絞り込む処理（以後，ドーナツフィルタ処理と呼ぶ。）を考案した。ノイズ抑制のためにはドーナツの幅は細いことが望ましいが，あまりに細くすると端面部と内筒部の境界もドーナツフィルタの範囲から外れてしまうため，繰り返し演算で徐々に細くする。

図７ 課題ワーク例２

図８に具体的な処理について示す。ドーナツフィルタによって定義されるエッジ検出範囲内のみで，エッジを検出し，そのエッジから得られる円形状の半径と中心位置を導出する。次に得られた半径と中心位置から，新たに先ほどよりも細いドーナツフィルタを定義し再度エッジを検出する。この繰り返し処理を行うことで，ノイズ成分が多量に含まれた画像であっても，端面部と内筒部の境界付近からのみエッジ検出することを可能としている。

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図８ ドーナツフィルタ処理詳細|4. 穴位置自動オフセット機能
4.1 機能概要
計測した各加工穴位置の芯間距離が規定値を外れた場合，そのまま加工すると不良品となってしまうため，各加工穴の取り代を確保しながら加工位置をオフセットさせる作業を手動で行っている。そこで，穴の計測結果，図面上規定される穴位置，芯間距離許容値から，最適な加工位置へ自動オフセットする機能を開発し，手動介入を解消することで，時間短縮とヒューマンエラー発生リスクの大幅低減を実現した。
図９に穴位置自動オフセット処理の例を示す。例えば図９のワークを計測した結果，AD 間の芯間距離が 6005[mm]となり，規定値 6000±3[mm]を超えてしまったとする。この場合，A ボスと D ボスの加工位置を計測した穴位置からそれぞれ１mm ずつ内側にオフセットすることで加工後の芯間距離を 6 003mm とすることが可能であり良品とできる。しかし，複数箇所において誤差過大が発生した場合は部分最適化とならないようにしなければならず，偏肉加工を避けるためオフセット量は極力小さいことが望ましい，自動オフセット処理の機能詳細について次項にて示す。

図９ 穴位置自動オフセット機能

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4.2 機能詳細
本システムでは重み係数を用いた繰り返し演算と，多変数関数の最小化問題を解くことで芯間距 離 誤 差 は 規 定 値 以 内 ， オ フ セ ッ ト 量 は 最 小 と な る 穴 中 心 位 置 (0X a , 0Ya ) ， (0X b , 0Yb ) ，(0X c , 0Yc ) ， (0X d , 0Yd ) を算出する。以下では図９の４穴ワークの例について示す。
管理対象となる芯間距離に対して，オフセット後の穴中心位置から芯間距離誤差量(ΔAB, ΔABV , ΔAD, ΔCDH , ΔCDV ) を定義する。次に，計測結果とオフセット後の穴中心位置からオフセット量 (ΔφA ~ ΔφD) を定義する。誤差量とオフセット量の２乗に重み係数をかけた総和を評価量 S とする。この S により芯間距離誤差とオフセット量を同時に調整することが可能となる。
222S = (W1 ∗ ΔAD 2 ) + (W2 ∗ ΔAB 2 ) + (W3 ∗ ΔABV ) + (W4 ∗ ΔCDH ) + (W5 ∗ ΔCDV )+ (WA ∗ ΔφA2 ) + (WB ∗ ΔφB 2 ) + (WC ∗ ΔφC 2 ) + (WD ∗ ΔφD 2 )W1 ~ W5 ：芯間距離誤差の重み係数
W A ~ WD ：オフセット量の重み係数
S において，ある項の重み係数を大きくして最小化問題を解くと，その項が S の大きさに対して支配的となるため，その項をより小さくするような解が得られる。今回，芯間距離誤差は規定値以内，オフセット量は最小となる解を求めるため，S に対してオフセット量が支配的となるように重み係数を定める。すなわち，重み係数の初期値は芯間距離誤差については０，オフセット量は１として繰り返し演算を開始する。この状態で S の最小化問題をとくと，∆∅A～∆∅D がすべて０になるとき，S が最小となるため，計測位置から動かす必要がないという結果となる。そこで，許容値を外れた区間がある場合，上記初期値から対応する項の重み係数を増やし，S の最小化問題を解くと，その項が S の大きさに対し寄与するようになるため，その区間の芯間距離誤差が小さくなり，その区間を構成する穴のオフセット量がその分変化する解が得られる。
したがって，この重み係数を少量ずつ増やしながら評価量 S の最小化問題を繰り返し演算すると，芯間距離誤差が小さくなるようにオフセット量を少しずつ調整することが可能であり，最終的に芯間距離誤差は規定値以内，オフセット量は最小となる解を得ることができる。

|5. まとめ
本稿では，サイクルタイム短縮による，生産性向上のための方法としてカメラとレーザ測長器を用いた非接触式穴位置計測システムを提案し，計測時間を従来方式の 12 分から 2.5 分に大幅短縮するとともに，高付加価値化のために具体的な課題を解決し，ロバスト性の高いアルゴリズムを構築した。また，お客様のニーズを察知し，手動介入を解消する穴位置自動オフセット機能を開発し，計測システムのさらなる高付加価値化を実現することができた。お客様のニーズを現場から直接把握するのみならず，お客様の生産能力向上のための高付加価値システムを提案することで，大形工作機械の世界シェア１位に向けて尽力していく。