JP5160495B2 - 溶接ワーク形状測定装置及びそのプログラム - Google Patents

Description

本発明は，溶接中のワークにおける溶接予定部位の形状を光切断法により測定する溶接ワーク形状測定装置及びそのプログラムに関するものである。

溶接ロボット等の自動溶接装置は，溶接条件を補正しつつ，相対的に移動する溶接対象であるワークの溶接を行う。前記溶接条件には，例えば，溶接トーチの位置や姿勢，溶接電流，溶接電圧，溶接速度，ウィービング幅等が含まれる。なお，「相対的に移動」には，前記自動溶接装置が固定されて前記ワークのみが移動する場合と，前記ワークが固定されて前記溶接自動溶接装置のみが移動する場合と，前記自動溶接装置と前記ワークとの両方が移動する場合とが含まれる。
また，自動溶接装置は，溶接中の溶接対象であるワークにおける溶接予定部位の形状を随時測定する溶接ワーク形状測定装置を備え，その測定結果に応じて前記溶接条件を補正する。
また，自動溶接装置が備える前記溶接ワーク形状測定装置には，光切断法により前記溶接予定部位の形状を測定するものがある。
光切断法による形状測定では，所定の投光手段により前記溶接予定部位に向けてシート光が投光され，その溶接予定部位を撮像手段により撮影して得られた入力画像データから，前記溶接予定部位に形成された光切断線の像の位置が検出される。そのようにして検出された前記光切断線の像の位置は，前記溶接予定部位の形状，即ち，表面高さの分布を表す。

ところで，自動溶接装置においては，前記溶接予定部位が，例えば，前記ワークにおける溶接中の位置に対して前記ワークの進行方向上流側へ十数ミリメートル程度離れた位置に設定される。このように，前記溶接予定部位が，前記ワークにおける溶接中の部位に対して近い位置に設定されると，前記入力画像データに，光切断線の像に加え，溶接中の部位から散乱するスパッタの像も含まれる。このスパッタの像は，光切断線の像の位置検出処理においてノイズとなる。
そして，スパッタによるノイズを除去する手法としては，例えば，特許文献１に示される手法がある。前記特許文献１には，時系列的に２回撮像して得られた２つの画像の論理積をとることによってスパッタによるノイズを除去することについて示されている。

特開平４−８３１０５号公報

ところで，特許文献１に示される技術は，前記入力画像データにおける前記光切断線の像の輝度が十分に高いことが前提となっている。即ち，時系列の２つの入力画像データの論理積をとった画像データに前記光切断線の像が残るためには，時系列の２つの入力画像データに対する事前の２値化処理等により，前記光切断線の像が，輝度値がＨｉｇｈ（＝１）の像として残る必要がある。
しかしながら，前記ワークの表面は，錆びや汚れ等によってシート光の反射率のばらつきが大きい。そのため，前記入力画像データにおける前記光切断線の像の輝度が比較的低い場合があり，その場合，時系列の２つの入力画像データの論理積をとった画像データに前記光切断線の像が残らず，前記ワークの表面形状を正確に測定できないことが生じ得るという問題点があった。
従って，本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり，その目的とするところは，溶接中のワークにおける溶接予定部位の形状を光切断法により測定するにあたり，その溶接予定部位におけるシート光の反射率のばらつきが大きい場合でも，溶接部位からのスパッタのノイズの影響を回避して光切断線の像の位置を検出できる溶接ワーク形状測定装置及びそのプログラムを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明に係る溶接ワーク形状測定装置は，溶接中のワークにおける溶接予定部位にシート光を投光しつつ前記溶接予定部位を連続撮影して得られた時系列の入力画像データに基づいて，前記溶接予定部位の形状を光切断法により測定する装置であり，次の（１）〜（４）に示される各構成要素を備える。
（１）前記時系列の入力画像データを加算することにより合成した加算画像データを算出して記憶手段に記憶させる加算画像データ算出手段。
（２）前記時系列の入力画像データにおける時系列変化が所定値を超える部分をマスク領域に設定するマスク領域設定手段。
（３）前記加算画像データにおける前記マスク領域に対するマスク処理によって処理対象画像データを算出して記憶手段に記憶させるマスク手段。
（４）前記処理対象画像データから前記溶接予定部位に形成された光切断線の像の位置を検出する光切断線検出手段。

一般的な高速カメラにおける連続撮影の撮像周期は１／１２０[sec]程度である。これに対し，溶接中のワークにおいて発生するスパッタは，２〜３[m/sec]程度の高速で飛び散る。即ち，前記時系列の入力画像データにおける前記スパッタの像は，撮像が１コマ進むごとに実空間での約１７[mm]以上の距離の移動先に相当する位置まで移動する。
そのため，前記時系列の入力画像データにおける時系列変化が比較的大きな部分は，スパッタの像の移動の軌跡に相当する部分となり，その部分が，前記マスク領域設定手段によりマスク領域として設定される。
一方，前記ワークにおける溶接部位の移動速度は，高々５〜７[mm/sec]程度である。即ち，前記時系列の入力画像データにおける前記光切断線の像は，撮像が１コマ進むごとに実空間での約０．０６ [mm]未満の距離の移動先に相当する位置までしか移動せず，ほとんどその移動は無視できる。そのため，前記加算画像データは，前記時系列の入力画像データにおいてほとんど移動しない前記光切断線の像の位置（画素）における輝度値がその加算により高輝度に設定された画像データとなる。
以上より，前記マスク手段により得られる前記処理対象画像データは，前記光切断線の像の位置（画素）において高い輝度値が設定され，スパッタの像の移動の軌跡に相当する高輝度部分が除去（マスク）されたＳ／Ｎ比の高い画像データとなる。そのため，前記光切断線検出手段は，前記溶接予定部位におけるシート光の反射率のばらつきが大きい場合でも，スパッタのノイズの影響を回避して光切断線の像の位置を正確に検出できる。

ところで，溶接においてウィービングが行われると，前記時系列の入力画像データにおいて，前記光切断線の像の位置も無視できない程度に移動する。その結果，前記時系列の入力画像データに基づく前記加算画像データにおいて，前記光切断線の像の幅が実際よりも広がった状態となり，それが測定誤差となる。
例えば，２[Hz]の周波数，±２[mm]の振幅でウィービングが行われ，１／１２０[sec]の撮像周期で３回の撮像を行って３つの前記入力画像データを得た場合を考える。その場合，それら３つの前記入力画像データが得られる間に，前記光切断線の像の位置は，実空間での約０．２６[mm]の距離の移動先に相当する位置まで移動する。そのような前記光切断線の像の位置の移動は，正確な溶接のために，例えば，０．１[mm]以下の精度での前記光切断線の検出が必要な場合には無視できない測定誤差を招く。

そこで，前記光切断線検出手段が，次の（４−１）及び（４−２）に示される各構成要素を備えれば好適である。
（４−１）前記処理対象画像データにおける所定の主走査方向のエッジ検出処理又は前記主走査方向の輝度値の比較により前記光切断線の像の暫定位置を検出する暫定光切断線検出手段。
（４−２）前記処理対象画像データにおける前記光切断線の像の暫定位置を基準とした所定範囲内の輝度値の分布に基づいて前記光切断線の像の確定位置を検出する確定光切断線検出手段。
ウィービングによって前記加算画像データにおける前記光切断線の像の幅が実際よりも広がった状態となっている場合，前記暫定光切断線検出手段により，多少の誤差を含んでいる可能性のある前記光切断線の像の位置が前記暫定位置として検出される。
一方，前記光切断線の像の暫定位置を基準とした所定範囲内の輝度値の分布に基づけば，前記光切断線の像の幅の広がりが考慮された正確な前記光切断線の像の位置を検出することができる。
例えば，前記確定光切断線検出手段が，前記処理対象画像データにおける前記光切断線の像の暫定位置を基準とした所定範囲内の各位置を対象にその各位置の輝度値に応じた重み係数を用いる加重平均処理を行うことにより前記光切断線の像の確定位置を検出することが考えられる。
ウィービングによって前記光切断線の像の位置が移動した場合，前記加算画像データ算出手段の処理を経た前記処理対象画像データにおいて，移動する前記光切断線の像が重なる部分，即ち，移動範囲における中心部分は輝度値が高くなり，その他の部分は相対的に輝度値が低くなる。そのため，前記処理対象画像データにおける前記光切断線の像の暫定位置を基準とした所定範囲内の各位置を対象にその各位置の輝度値に応じた重み係数を用いる加重平均処理を行うことにより，前記光切断線の像の移動範囲における中心付近の位置を前記光切断線の像の確定位置として検出できる。その結果，前記光切断線の像の位置を正確に検出することが可能となる。
また，本発明は，以上に示した本発明に係る溶接ワーク形状測定装置における各手段が実行する処理をプロセッサに実行させるための溶接ワーク形状測定プログラムとして捉えることもできる。
このような本発明に係る溶接ワーク形状測定プログラムは，前述した本発明に係る溶接ワーク形状測定装置と同様の作用効果を奏する。

本発明によれば，溶接中のワークにおける溶接予定部位の形状を光切断法により測定するにあたり，その溶接予定部位におけるシート光の反射率のばらつきが大きい場合でも，溶接部位からのスパッタの散乱に起因するノイズの影響を回避して光切断線の像の位置を正確に検出することが可能となる。

本発明の実施形態に係る溶接ワーク形状測定装置Ｗを含む自動溶接装置Ｚの概略構成図。 溶接ワーク形状測定装置Ｗの主要部の構成を表すブロック図。 溶接ワーク形状測定装置Ｗによる形状測定処理の手順の一例を表すフローチャート。 溶接ワーク形状測定装置Ｗにおいて得られる時系列の入力画像とそれらの差分画像の変遷及びそれらの加算画像とを模式的に表した図。 溶接ワーク形状測定装置Ｗによる形状測定処理で用いられるソーベルフィルタ係数を表す図。 溶接ワーク形状測定装置Ｗにより得られる処理対象画像データの画像及びその１ライン分の輝度分布の第一の例を模式的に表した図。 溶接ワーク形状測定装置Ｗにより得られる処理対象画像データの画像及びその１ライン分の輝度分布の第二の例を模式的に表した図。 溶接ワーク形状測定装置Ｗにより得られる入力画像データの画像及びその１ライン分の輝度分布の例を模式的に表した図。

以下添付図面を参照しながら，本発明の実施の形態について説明し，本発明の理解に供する。尚，以下の実施の形態は，本発明を具体化した一例であって，本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。

まず，図１に示される概略図及び図２に示されるブロック図を参照しつつ，本発明の実施形態に係る溶接ワーク形状測定装置Ｗ及びそれを備えた自動溶接装置Ｚの構成について説明する。
前記溶接ワーク形状測定装置Ｗは，移動装置３に保持されて移動する溶接中のワーク１における溶接予定部位の表面形状を光切断法により測定する装置である。
前記移動装置３は，予め定められた移動経路２に沿って移動する装置であり，例えば，ベルトコンベア等である。通常，前記移動装置３は，直線をなす前記移動経路２に沿って３００〜４００[mm／min]程度の速度で移動する。
また，前記自動溶接装置Ｚは，前記溶接ワーク形状測定装置Ｗと，溶接条件制御装置５と，溶接トーチ６と，遮蔽板７とを備えている。
前記溶接ワーク形状測定装置Ｗによる形状測定の対象となる前記溶接予定部位は，前記ワーク１における溶接中の部位に対し，前記ワーク１の進行方向上流側へ予め定められた距離だけ離れた位置に設定される。例えば，前記溶接予定部位は，溶接中の部位に対して前記ワーク１の進行方向上流側へ十数ミリメートル程度離れた位置に設定される。
また，図１及び図２に示されるように，前記溶接ワーク形状測定装置Ｗは，投光部１０と，カメラ２０と，画像演算ユニットＶとを備えている。

前記溶接トーチ６は，移動する前記ワーク１における溶接部位に対して溶接を行う部分である。前記溶接トーチ６は，不図示の送給装置及びボンベ各々から溶接ワイヤ及びシールドガスが供給される。
前記溶接条件制御装置５は，前記溶接ワーク形状測定装置Ｗによる前記ワーク１の前記溶接予定部位の形状測定結果に基づいて，その溶接予定部位が溶接位置に到達した時点における溶接条件の補正制御を行う。前記溶接条件には，例えば，前記溶接トーチ６の位置や姿勢，溶接電流，溶接電圧，溶接速度（前記移動装置３による前記ワーク１の移動速度），ウィービング幅等が含まれる。例えば，前記溶接条件制御装置５は，前記溶接予定部位の形状測定結果から開先形状やギャップ幅を特定し，その特定結果に応じて前記溶接条件を補正する。
前記溶接条件制御装置５は，前記移動装置３による前記ワーク１の移動速度を随時入力し，その移動速度に基づいて前記溶接ワーク形状測定装置Ｗにより形状が測定された前記溶接予定部位が溶接位置に到達するタイミングを検知する。
前記遮蔽板７は，前記溶接トーチ６による溶接部位で発生したスパッタＮｓ１を，前記溶接ワーク形状測定装置Ｗにおけるシート光Ｌｓの投光位置である前記溶接予定部位の方へ飛散する途中で遮断する部材である。しかしながら，溶接部位で発生した前記スパッタＮｓ１の一部は，前記遮蔽板７と前記ワーク１との隙間を通って前記溶接予定部位の方へ飛散する。そのように飛散したスパッタＮｓ１は，前記溶接ワーク形状測定装置Ｗによる前記ワーク１の形状測定のノイズとなる。

以下，前記溶接ワーク形状測定装置Ｗの各構成要素について説明する。
前記投光部１０は，前記移動経路２に沿って移動する前記ワーク１の前記溶接予定部位に対向して保持され，前記溶接予定部位に対してシート光Ｌｓを投光する装置である。この投光部１０は，光源１１及びその光源１１の点滅を制御するスイッチ回路１２と，前記光源１１が発する光をシート状（平板状といってもよい）にして放射する不図示の光学系とを備えている。前記光源１１は，例えば，波長６８０ｎｍの赤色光を出力するレーザ光源等である。前記ワーク１の前記溶接予定部位における前記シート光Ｌｓが到達する（接する）部分には，光切断線Ｌｃが形成される。
前記カメラ２０は，前記ワーク１における前記溶接予定部位，即ち，前記光切断線Ｌｃが形成される部分に対向して保持され，前記ワーク１における前記溶接予定部位の二次元画像を撮像する撮像手段である。前記カメラ２０の撮影画像には，前記光切断線Ｌｃの像が含まれる。
ここで，前記投光部１０は，前記ワーク１の進行方向に直交する面内で前記シート光Ｌｓを投光し，前記カメラ２０は，そのシート光Ｌｓが形成する面に対して斜めの方向から前記ワーク１の表面を撮像する。或いは，前記投光部１０が，前記ワーク１の進行方向に直交する面に対して斜めの方向から前記シート光Ｌｓを投光し，前記カメラ２０が，前記ワーク１の進行方向に直交する面内で前記ワーク１の表面を撮像することも考えられる。
そして，前記カメラ２０の撮影画像における前記光切断線Ｌｃの位置（座標）が，前記シート光Ｌｓの投光方向の位置における前記ワーク１の表面高さ（前記投光部１０からの距離）を表す。

前記画像演算ユニットＶは，形状測定処理を実行する光切断線検出回路３０と，前記投光部１０，前記カメラ２０及び前記光切断線検出回路３０の動作の開始や停止を制御する制御回路４０とを内蔵するユニットである（図２参照）。
前記光切断線検出回路３０は，前記カメラ２０の連続撮影により得られる時系列の撮影画像のデータ（以下，入力画像データという）を入力し，そのデータに基づいて前記光切断線Ｌｃの像の位置を検出することによって前記溶接予定部位の形状を測定する処理（形状測定処理）を実行し，その処理結果を前記溶接条件制御装置５に対して出力する回路である。
前記光切断線検出回路３０は，画像処理回路３１，ＲＡＭ３２(Random Access Memory）及び出力インターフェース３３を備えている。
本実施形態における前記画像処理回路３１は，時系列に順次入力される複数の前記入力画像データから後述する処理対象画像データを算出し，その処理対象画像データから前記光切断線Ｌｃの像の位置を検出することによって前記ワーク１の形状を測定する形状測定処理を実行する。
前記ＲＡＭ３２は，前記画像処理回路３１によって画像データやその他のデータの記録及び参照がなされるメモリである。
前記出力インターフェース３３は，前記光切断線Ｌｃの像の位置の検出結果（検出位置の座標情報）を前記溶接条件制御装置５に出力する信号伝送インターフェースである。
前記制御回路４０は，前記投光部１０の前記スイッチ回路１２を制御することによって前記光源１１の点滅を制御する。また，前記制御回路４０は，前記カメラ２０及び前記画像処理回路３１各々に対して動作開始信号又は動作停止信号を出力することにより，前記カメラ２０及び前記画像処理回路３１各々の動作開始及び動作停止を制御する。
前記カメラ２０は，前記制御回路４０から前記動作開始信号を入力すると，一定周期で前記溶接予定部位の連続撮影を行い，それにより得られる時系列の前記入力画像データを前記画像処理回路３１に対して逐次出力する。前記カメラ２０の連続撮影の周期は，例えば，１／１２０［sec］である。
また，前記画像処理回路３１は，時系列の前記入力画像データを順次取得し，その入力画像データに基づいて前記形状測定処理を実行する。

図８は，前記カメラ２０の撮像範囲に外乱となる前記スパッタＮｓ１が存在する場合の前記カメラ２０の撮影画像及びそのＸ軸方向１ライン分の輝度分布の一例を模式的に表した図である。なお，本実施形態では，前記カメラ２０の撮影画像の２次元座標におけるＹ軸方向が前記シート光Ｌｓに平行な方向に対応するよう設定されている場合について例示するが，他の設定状態であってかまわない。また，図８及び後に説明する図４，６，７に示される画像の模式図は，便宜上，輝度が低い領域が白色で，輝度が高い領域が黒色で表現されている。
図８に示されるように，前記カメラ２０の撮影画像には，全体としてＹ軸方向（シート光Ｌｓの幅方向に平行な方向）に伸びて形成された前記光切断線Ｌｃの像が含まれる。その撮影画像において，あるＹ軸座標（Ｙｉ）のライン上で前記光切断線Ｌｃの像が存在する位置のＸ軸座標が，そのＹ軸座標に（Ｙｉ）相当する位置（シート光Ｌｓの幅方向に平行な方向の位置）における前記ワーク１の表面高さを表す。
一般に，前記光切断線Ｌｃの位置の検出は，図８に示されるような画像におけるＸ軸方向の１ライン分（Ｙ軸座標＝Ｙｉ）の画素群ごとに，最も輝度値（画素値）の高いピーク輝度の位置を検出することにより行われる。
しかしながら，前記カメラ２０の撮像範囲に前記スパッタＮｓ１が飛散してきた場合，図８に示されるように，前記カメラ２０の撮影画像には，前記光切断線Ｌｃの像の他，外乱となる前記スパッタＮｓ１の像が含まれる。
前記入力画像データに外乱となる高輝度の前記スパッタＮｓ１の像が存在すると，Ｘ軸方向の１ライン分（Ｙ軸座標＝Ｙｉ）の画素群ごとにピーク輝度の位置を検出する簡易な光切断線検出処理では，前記光切断線Ｌｃの像の誤検出につながる。
前記カメラ２０の連続撮影の周期の間の前記ワーク１の移動距離は十分に小さい。そのため，前記カメラ２０による２〜５回程度の連続撮影により得られる時系列の前記入力画像データ各々における前記光切断線Ｌｃの像の位置はほぼ一定である。
一方，高速で飛散する前記スパッタＮｓ１の像は，前記カメラ２０の連続撮影の周期の間に位置が大きく変化する。そのため，前記カメラ２０による２回の連続撮影により得られる時系列の前記入力画像データ各々における前記光切断線Ｌｃの像の位置は大きく異なる。
前記溶接ワーク形状測定装置Ｗは，このような前記光切断線Ｌｃ及び前記スパッタＮｓ１の特性を利用して，外乱となる前記スパッタＮｓ１の影響による前記光切断線Ｌｃの誤検出を回避する機能を備えている。

次に，図３に示されるフローチャートを参照しつつ，前記画像処理回路３１による前記形状測定処理の手順について説明する。前記形状測定処理は，前記溶接トーチ６による溶接中において，前記ワーク１の前記溶接予定部位に前記投光部１０により前記シート光Ｌｓが投光されている状態で実行される。また，前記画像処理回路３１は，ＤＳＰ（Digital Signal Processor）やＭＰＵ（Micro Processing Unit）などのプロセッサを備え，そのプロセッサがＲＯＭ等の記憶手段に予め記憶されたワーク形状測定プログラムを実行することにより，以下に示す形状測定処理が実現される。なお，これ以降に表記されるＳ１，Ｓ２，…は，処理手順の識別符号を表す。
［ステップＳ１］
まず，前記画像処理回路３１は，前記カメラ２０の連続撮影により周期的に得られる時系列の前記入力画像データＰ(ｊ)を前記カメラ２０から順次取得し，それを少なくとも最新のＮ回の撮影分だけ前記ＲＡＭ３２に蓄積する処理を行う（Ｓ１）。但し，Ｎは予め定められた２以上の整数であり，前記入力画像データＰ(ｊ)における添字ｊは，０から（Ｎ−１）までの整数の識別番号である。
そして，前記画像処理回路３１は，前記カメラ２０の連続撮影の周期Δｔｐごとに，時系列の前記入力画像データＰ(ｊ)を順次取得する（Ｓ１）。
さらに，前記画像処理回路３１は，前記カメラ２０の連続撮影の周期の整数倍の周期（Δｔｐ×ｍ）で，最新の連続するＮフレーム分の時系列の前記入力画像データを用いて，以下に示すステップＳ２〜Ｓ６の処理を実行する。なお，ｍは１以上の整数である。

［ステップＳ２，Ｓ３］
最新のＮフレーム分の時系列の前記入力画像データが前記ＲＡＭ３２に蓄積されると，前記画像処理回路３１は，まず，以下に示す加算画像データ算出処理（Ｓ２）及びマスク領域設定処理（Ｓ３）を実行する。
即ち，前記画像処理回路３１は，ステップＳ２において，連続Ｎフレーム分の時系列の前記入力画像データを加算することによって合成した加算画像データＡを算出し，その加算画像データＡを前記ＲＡＭ３２に記憶させる（Ｓ２：加算画像データ算出処理）。
また，前記画像処理回路３１は，ステップＳ２において，連続Ｎフレーム分の時系列の前記入力画像データにおける時系列変化が所定値を超える部分をマスク領域に設定した１つ又は複数のマスクデータＭ(ｋ)を生成し，そのマスクデータＭ(ｊ)を前記ＲＡＭ３２に記憶させる（Ｓ３：マスク領域設定処理）。但し，前記マスクデータＭ(ｋ)における添字ｋは，０から（Ｎ−２）までの整数の識別番号である。
なお，ステップＳ２，Ｓ３の処理の順序は任意である。

以下，図４を参照しつつ，前記加算画像データ算出処理（Ｓ２）及び前記マスク領域設定処理（Ｓ３）の具体例について説明する。なお，Ｎフレーム分の時系列の前記入力画像データＰ(ｊ)は，その撮影順序に応じて最新のものから過去のものへと昇順に添字ｊが設定されている。また，図４に示される例は，Ｎ＝３の場合の例である。
例えば，前記画像処理回路３１は，前記加算画像データ算出処理（Ｓ２）において，Ｎフレーム分の時系列の前記入力画像データＰ(ｊ)について，対応する画素ごとに輝度値（画素値）を加算（積算）し，その加算結果に対して各画素に共通の正規化処理を施すことによって前記加算画像データＡを算出する。
前記正規化処理としては，例えば，輝度値のフルスケールの上限値（例えば２５５）を，Ｎフレーム分の各画素の輝度値の加算値（積算値）の最大値で除算して補正係数を算出し，その補正係数を各画素の前記加算値に対して乗算する処理が考えられる。これにより，前記加算画像データＡにおける正規化後の各画素の輝度値は，それらの最大値が前記フルスケールの上限値へ変換されるように圧縮又は伸張される。その他の前記正規化処理として，Ｎフレーム分の輝度値の加算値（積算値）をＮで除算する（即ち，平均値を算出する）処理なども考えられる。

前記ワーク１の移動速度は，高々０．５〜０．７[mm/sec]程度である。そのため，図４に示されるように，Ｎフレーム分の時系列の前記入力画像データＰ(ｊ)における前記光切断線Ｌｃの像の位置はほとんど変化しない。そのため，前記加算画像データＡは，時系列の前記入力画像データＰ(ｊ)においてほとんど移動しない前記光切断線Ｌｃの像の画素における輝度値がその加算によって概ねＮ倍の高い輝度に設定された画像データとなる。
一方，時系列の前記入力画像データＰ(ｊ)において位置変化の大きな前記スパッタＮｓ１の像は，前記加算画像データＡにおいて前記スパッタＮｓ１の像の移動の軌跡として表れる。
なお，位置が移動する前記スパッタＮｓ１の像の輝度は，前記加算画像データ算出処理によって加算（積算）されない。そのため，前記加算画像データＡにおいて，前記スパッタＮｓ１の像の輝度は，前記光切断線Ｌｃの像の輝度に対して相対的に低い輝度となる。

また，前記画像処理回路３１は，前記マスク領域設定処理（Ｓ３）において，例えば，Ｎフレーム分の時系列の前記入力画像データＰ(ｊ)のうち連続する２つの前記入力画像データ(ｊ)の組合せごとに，各画素について輝度値の差が予め設定されたしきい値を超えているか否かを判別し，前記しきい値を越えている画素については０を，そうでない画素については上限の輝度値（例えば，２５５）を設定した前記マスクデータＭ(ｋ)を生成する。ここで，前記マスクデータＭ(ｋ)は，画像データと同様に画素ごとに値（画素値）が設定されたデータである。また，前記マスクデータＭ(ｋ)において画素値０が設定された領域（画素群）がマスク領域である。
また，前記マスクデータＭ(ｋ)は，ｋ回前の前記入力画像データＰ(ｋ)と（ｋ＋１）回前の前記入力画像データＰ(ｋ＋１)との組合せについて算出されたものである。なお，０回前の前記入力画像データＰ(０)は，Ｎフレーム分の時系列の前記入力画像データＰ(ｊ)のうちの最新のデータであることを表す。
時系列の前記入力画像データＰ(ｊ)において，前記スパッタＮｓ１の像の位置変化が大きい。そのため，前記スパッタＮｓ１の像の移動の軌跡となる画素において，２つの前記入力画像データ(ｊ)の組合せにおける輝度値の差が大きくなる。その結果，図４に示されるように，前記マスクデータＭ(ｋ)は，前記スパッタＮｓ１の像の移動の軌跡を表す部分が前記マスク領域として設定されたデータとなる。

次に，前記画像処理回路３１は，前記加算画像データＡにおける前記マスク領域に対するマスク処理を行うことにより，前記光切断線Ｌｃの像の位置の検出対象とする処理対象画像データＤを算出し，その処理対象画像データＤを前記ＲＡＭ３２に記憶させる（Ｓ４：マスク処理）。本実施形態では，前記画像処理回路３１は，前記加算画像データＡと前記マスクデータＭ(ｋ)各々との論理積をとることにより，前記処理対象画像データＤを算出する。
図４に示されるように，前記処理対象画像データＤは，前記加算画像データＡから，前記マスク領域の像，即ち，前記スパッタＮｓ１の像が除去された画像データとなる。

次に，前記画像処理回路３１は，前記処理対象画像データＤから前記ワーク１における前記溶接予定部位に形成された前記光切断線Ｌｃの像の位置を検出する光切断線検出処理を実行する（Ｓ５，Ｓ６：光切断線検出処理）。
以下，前記光切断線検出処理（Ｓ５，Ｓ６）の具体例について説明する。
本実施形態においては，前記画像処理回路３１は，以下に示す暫定光切断線検出処理（Ｓ５）と，確定光切断線検出処理（Ｓ６）との２段階の処理によって前記光切断線Ｌｃの像の位置を検出する。
まず，前記画像処理回路３１は，前記処理対象画像データＤにおける所定の主走査方向のエッジ検出処理により，前記光切断線Ｌｃの像の暫定位置を検出する（Ｓ５：暫定光切断線検出処理）。ここで，前記主走査方向は，前記処理対象画像データＤの座標系において，前記シート光Ｌｓの幅方向に対して交差する所定の方向に相当する方向である。本実施形態では，前記シート光Ｌｓの幅方向に対してほぼ直交するＸ軸方向が，前記主走査方向に設定されている。
例えば，前記画像処理回路３１は，前記処理対象画像データＤにおけるＸ軸方向のソーベルフィルタ処理を行うことにより，Ｙ軸方向に伸びる前記光切断線Ｌｃの像における最も急峻なエッジの位置を前記光切断線Ｌｃの像の暫定位置として検出する。
図５は，Ｘ軸方向のソーベルフィルタ処理のためのフィルタ係数を表す。図５に示されるフィルタ係数は，中心の注目画素及びその周囲の８画素を処理対象とする３行３列のフィルタ係数であるが，さらに広範囲の画素群を処理対象とするフィルタ係数を用いることも考えられる。
前記画像処理回路３１は，Ｙ座標（Ｙｉ）を順次シフトしつつ，Ｘ軸方向の１ライン分ごとに，注目画素をＸ軸方向に順次シフトしながらその注目画素の輝度値を，前記フィルタ係数によりソーベルフィルタ処理を施した後の輝度値へ更新する。以下，ソーベルフィルタ処理を施した後の輝度値をエッジ強調後輝度値と称する。

さらに，前記画像処理回路３１は，Ｙ座標（Ｙｉ）を順次シフトしつつ，Ｘ軸方向の１ライン分ごとに，前記エッジ強調後の輝度値の絶対値が最大値となる座標（Ｘｐｉ，Ｙｉ）を検出し，その検出結果を前記光切断線Ｌｃの像の暫定位置として前記ＲＡＭ３２に記憶させる。このように，前記画像処理回路３１は，前記エッジ強調後の輝度値の比較に基づいて前記光切断線Ｌｃの像の暫定位置を検出する。これにより，前記ワーク１の表面の光反射率のばらつきに起因して前記光切断線Ｌｃの像の輝度値のばらつきが大きい場合でも，前記光切断線Ｌｃの像の暫定位置を確実に検出できる。
但し，前記画像処理回路３１は，Ｘ軸方向の１ライン分に所定の下限値以上の前記エッジ強調後の輝度値の絶対値が存在しない場合，そのＸ軸方向の１ラインについては，前記光切断線Ｌｃの像が存在しないと判別する。
一方，前記画像処理回路３１が，Ｘ軸方向（前記主走査方向）の輝度値の比較により前記光切断線Ｌｃの像の暫定位置を検出することも考えられる。例えば，前記画像処理回路３１が，Ｙ座標（Ｙｉ）を順次シフトしつつ，Ｘ軸方向の１ライン分ごとに，前記処理対象画像データＤにおける輝度値が最大値となる座標を，前記光切断線Ｌｃの像の暫定位置（Ｘｐｉ，Ｙｉ）として検出することが考えられる。この場合も，前記画像処理回路３１は，Ｘ軸方向の１ライン分に所定の下限値以上の輝度値が存在しない場合，そのＸ軸方向の１ラインについては，前記光切断線Ｌｃの像が存在しないと判別する。

図６及び図７は，前記処理対象画像データＤの画像及びその１ライン分の輝度分布の第一の例及び第二の例を模式的に表した図である。
図６に示される例は，ウィービングによる前記光切断線Ｌｃの位置変動の影響がほとんどない場合の例であり，前記処理対象画像データＤにおける前記光切断線Ｌｃの像はごく細い。そのため，前記暫定光切断線検出処理（Ｓ５）により得られる前記光切断線Ｌｃの暫定位置(Ｘｐ，Ｙｉ)を最終的な前記光切断線Ｌｃの検出位置としても特に問題は生じない。
一方，図７に示される例は，ウィービングによる前記光切断線Ｌｃの位置変動の影響が大きく生じている場合の例であり，前記処理対象画像データＤにおける前記光切断線Ｌｃの像が，比較的広い幅の像となっている。この場合，前記暫定光切断線検出処理（Ｓ５）により得られる前記光切断線Ｌｃの暫定位置(Ｘｐ，Ｙｉ)を最終的な前記光切断線Ｌｃの検出位置とすると，場合によっては許容できない測定誤差が生じる。
そこで，前記画像処理回路３１は，前記処理対象画像データＤが，図７に示されるようなウィービングの影響を受けた前記光切断線Ｌｃの像の位置の検出誤差を小さくするため，前記確定光切断線検出処理（Ｓ６）を実行する。

即ち，前記画像処理回路３１は，前記処理対象画像データＤにおける前記光切断線Ｌｃの像の暫定位置（Ｘｐｉ，Ｙｉ）を基準とした所定の評価範囲内の輝度値の分布に基づいて，前記光切断線Ｌｃの像の確定位置（Ｘｐｉ'，Ｙｉ）を検出する（Ｓ６：確定光切断線検出処理）。
例えば，前記画像処理回路３１は，ステップＳ６において，前記処理対象画像データＤにおけるＸ軸方向の１ラインごとに，前記光切断線Ｌｃの像の暫定位置（Ｘｐｉ，Ｙｉ）を基準とした前記評価範囲内の各位置を対象に，その各位置の輝度値に応じた重み係数を用いる加重平均処理を行うことにより前記光切断線Ｌｃの像の確定位置（Ｘｐｉ'，Ｙｉ）を検出（算出）することが考えられる。
ここで，Ｙ座標がＹｉであるＸ軸方向１ライン分における前記評価範囲を，前記暫定位置（Ｘｐｉ，Ｙｉ）を基準としてＸ軸方向に−ΔＸａだけ離れた位置から＋ΔＸｂだけ離れた位置までの範囲とする。なお，ΔＸａ，ΔＸｂは，予め定められた正の整数である。
また，（Ｘｐｉ−ΔＸａ），（Ｘｐｉ−ΔＸａ＋１），（Ｘｐｉ−ΔＸａ＋２），…，（Ｘｐｉ＋ΔＸｂ）の各Ｘ座標を，Ｘｐｉ１，Ｘｐｉ２，Ｘｐｉ３，…，Ｘｐｉｎとする。さらに，前記処理対象画像データＤにおける（Ｘｐｉ１，Ｙｉ），（Ｘｐｉ２，Ｙｉ），（Ｘｐｉ３，Ｙｉ），…，（Ｘｐｉｎ，Ｙｉ）の各座標の輝度値を，Ｋｉ１，Ｋｉ２，Ｋｉ３，…，Ｋｉｎとする。
その場合，Ｙ座標（Ｙｉ）における前記確定位置のＸ座標（Ｘｐｉ'）の算出式の一例が，次の（１）式である。
以上に示した前記確定光切断線検出処理（Ｓ６）によれば，前記光切断線Ｌｃの像の幅の広がり（輝度分布）が考慮された正確な前記光切断線Ｌｃの像の位置を検出することができる。
なお，図７に，前記暫定位置（Ｘｐｉ，Ｙｉ）と前記確定位置（Ｘｐｉ'，Ｙｉ）との位置関係の一例が表されている。また，図７には，Ｙ座標方向の各位置における前記評価範囲の下限位置の分布と上限位置の分布とが二点鎖線Ｘｐｙ１，Ｘｐｙｎにより示されている。

また，前記確定光切断線検出処理（Ｓ６）の他の例としては，例えば，フィッティング計算に基づく以下の処理が考えられる。
即ち，前記画像処理回路３１は，Ｙ座標（Ｙｉ）を順次シフトしつつ，前記処理対象画像データＤにおけるＸ軸方向の１ラインごとに，前記評価範囲内の輝度値（画素値）に基づく２次式等の曲線式へのフィッティング計算を行う。これにより，前記曲線式における係数が特定（算出）される。
さらに，前記画像処理回路３１は，前記フィッティング計算により係数が特定された曲線式において輝度値がピークとなるＸ座標を，Ｙ座標（Ｙｉ）における前記光切断線Ｌｃの像の確定位置の座標（Ｘｐｉ'）として算出する。
以上のような処理も，前記処理対象画像データＤにおける前記暫定位置（Ｘｐｉ，Ｙｉ）を基準とした前記評価範囲内の輝度値の分布に基づいて，前記確定位置（Ｘｐｉ'，Ｙｉ）を検出する前記確定光切断線検出処理の一例である。このような処理によっても，前記光切断線Ｌｃの像の幅の広がりが考慮された正確な前記光切断線Ｌｃの像の位置を検出することができる。

以上のようにして得られた前記光切断線Ｌｃの像の確定位置の座標（Ｘｐｉ'，Ｙｉ）は，前記溶接予定部位の形状，即ち，表面高さの分布を表す。前記確定位置の２次元の座標（Ｘｐｉ'，Ｙｉ）と実空間における前記シート光Ｌｓの幅方向における高さ分布を表す２次元座標との対応関係は，前記ワーク１の位置，前記カメラ２０の光軸の方向，位置及び撮像倍率，並びに前記シート光Ｌｓが形成する平面の位置に基づいて予め一意に定まる。そのため，予め設定された換算式又は換算テーブルに基づいて，前記光切断線Ｌｃの像の確定位置の座標（Ｘｐｉ'，Ｙｉ）を前記溶接予定部位の表面形状に換算することができる。また，前記確定位置の座標（Ｘｐｉ'，Ｙｉ）を，前記溶接部位の高さ分布を表す情報としてそのまま用いることも可能である。
そして，前記画像処理回路３１は，ステップＳ６で得られた前記光切断線Ｌｃの像の確定位置の座標（Ｘｐｉ'，Ｙｉ）の情報又はそれを実空間の座標系に換算した情報を前記溶接条件制御装置５に対して出力する（Ｓ７）。
一方，前記溶接条件制御装置５は，ステップＳ７において前記画像処理回路３１から得た情報に基づいて，前記溶接条件の補正制御を行う。

前記溶接ワーク形状測定装置Ｗによれば，溶接中の前記ワーク１における前記溶接予定部位の形状を光切断法により測定するにあたり，その溶接予定部位における前記シート光Ｌｓの反射率のばらつきが大きい場合でも，前記溶接部位からの前記スパッタＮｓ１の散乱に起因するノイズの影響を回避して前記光切断線Ｌｃの像の位置を正確に検出することが可能となる。

ところで，測定精度上，ウィービング等に起因する前記投光部１０及び前記カメラ２０と前記ワーク１との位置変動の影響を考慮する必要がない場合は，図３におけるステップＳ６の処理を省略することが考えられる。この場合，ステップＳ５で得られた前記暫定位置の座標（Ｘｐｉ，Ｙｉ）の情報が，最終的な前記光切断線Ｌｃの像の検出位置の座標（前記確定位置の座標）として取り扱われる。
また，前記自動溶接装置Ｚにおいて，前記溶接トーチ６，前記投光部１０及び前記カメラ２０が，それらの位置関係を保持しながら所定の移動経路に沿って移動するアクチュエータに保持された構成も考えられる。その場合，前記ワーク１は，所定位置に固定される場合の他，前記溶接トーチ６と同じ移動経路における反対方向へ移動される場合なども考えられる。

本発明は，溶接ワーク形状測定装置への利用が可能である。

Ｚ ：自動溶接装置
Ｗ ：溶接ワーク形状測定装置
Ｖ ：画像演算ユニット
Ｌｓ：シート光
Ｌｃ：光切断線
Ｎｓ１：スパッタ
１ ：ワーク
２ ：移動装置の移動経路
３ ：移動装置
５ ：溶接条件制御装置
６ ：溶接トーチ
７ ：遮蔽板
１０：投光部
１１：光源
１２：スイッチ回路
２０：カメラ
３０：光切断線検出回路
３１：画像処理回路
３２：ＲＡＭ
３３：出力インターフェース
４０：制御回路
Ｓ１，Ｓ２，…：処理手順（ステップ）

Claims (4)

1. 溶接中のワークにおける溶接予定部位にシート光を投光しつつ前記溶接予定部位を連続撮影して得られた時系列の入力画像データに基づいて，前記溶接予定部位の形状を光切断法により測定する溶接ワーク形状測定装置であって，
   前記時系列の入力画像データを加算することにより合成した加算画像データを算出して記憶手段に記憶させる加算画像データ算出手段と，
   前記時系列の入力画像データにおける時系列変化が所定値を超える部分をマスク領域に設定するマスク領域設定手段と，
   前記加算画像データにおける前記マスク領域に対するマスク処理によって処理対象画像データを算出して記憶手段に記憶させるマスク手段と，
   前記処理対象画像データから前記溶接予定部位に形成された光切断線の像の位置を検出する光切断線検出手段と，
   を具備してなることを特徴とする溶接ワーク形状測定装置。
2. 前記光切断線検出手段が，
   前記処理対象画像データにおける所定の主走査方向のエッジ検出処理又は前記主走査方向の輝度値の比較により前記光切断線の像の暫定位置を検出する暫定光切断線検出手段と，
   前記処理対象画像データにおける前記光切断線の像の暫定位置を基準とした所定範囲内の輝度値の分布に基づいて前記光切断線の像の確定位置を検出する確定光切断線検出手段と，
   を具備してなる請求項１に記載の溶接ワーク形状測定装置。
3. 前記確定光切断線検出手段が，前記処理対象画像データにおける前記光切断線の像の暫定位置を基準とした所定範囲内の各位置を対象に該各位置の輝度値に応じた重み係数を用いる加重平均処理を行うことにより前記光切断線の像の確定位置を検出してなる請求項２に記載の溶接ワーク測定装置。
4. 溶接中のワークにおける溶接予定部位にシート光を投光しつつ前記溶接予定部位を連続撮影して得られた時系列の入力画像データに基づいて，前記溶接予定部位に形成された光切断線の像の位置を検出する処理をプロセッサに実行させるための溶接ワーク形状測定プログラムであって，
   プロセッサに，
   前記時系列の入力画像データを加算することにより合成した加算画像データを算出して記憶手段に記憶させる加算画像データ算出処理と，
   前記時系列の入力画像データにおける時系列変化が所定値を超える部分をマスク領域に設定するマスク領域設定処理と，
   前記加算画像データにおける前記マスク領域に対するマスク処理によって処理対象画像データを算出して記憶手段に記憶させるマスク処理と，
   前記処理対象画像データから前記溶接予定部位に形成された光切断線の像の位置を検出する光切断線検出処理と，
   を実行させるための溶接ワーク形状測定プログラム。