鋼板の突き合わせ開先位置の検出方法および装置
【課題】端部に「ダレ」を有している鋼板においても、正確にかつ安定して突き合わせ開先位置を検出する。
【解決手段】２枚の鋼板の突き合わせ部を、突き合わせ線が前記撮像装置の撮像面の水平軸方向となるようにして撮像する撮像工程と、撮像工程で取得された撮像画像から得た部分画像を、予め設定した閾値Ｔを用いて２値化画像を出力する２値化工程と、２値化画像において水平軸方向をｘ軸方向、垂直軸方向をｙ軸方向として、各画素座標（ｉ、ｊ）の２値化輝度値Ｕ´について、ｙ軸方向の輝度差分値Ｖを、各ｉについて演算する工程イと、工程イで演算した輝度差分値Ｖをｉについて積算して輝度差分射影値Ｗを演算する工程ロと、工程ロで演算した輝度差分射影値Ｗにおいてピークの画素位置を求めて、前記２枚の鋼板それぞれの突き合わせ開先位置として検出するピーク位置検出工程とを有する検出方法。
【解決手段】２枚の鋼板の突き合わせ部を、突き合わせ線が前記撮像装置の撮像面の水平軸方向となるようにして撮像する撮像工程と、撮像工程で取得された撮像画像から得た部分画像を、予め設定した閾値Ｔを用いて２値化画像を出力する２値化工程と、２値化画像において水平軸方向をｘ軸方向、垂直軸方向をｙ軸方向として、各画素座標（ｉ、ｊ）の２値化輝度値Ｕ´について、ｙ軸方向の輝度差分値Ｖを、各ｉについて演算する工程イと、工程イで演算した輝度差分値Ｖをｉについて積算して輝度差分射影値Ｗを演算する工程ロと、工程ロで演算した輝度差分射影値Ｗにおいてピークの画素位置を求めて、前記２枚の鋼板それぞれの突き合わせ開先位置として検出するピーク位置検出工程とを有する検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザやアーク溶接などの溶接装置により、２つの鋼板の端面を接触させて溶接する突き合わせ溶接に係り、特に２枚の鋼板の突き合わせ開先の位置および、２枚の鋼板の端部の隙間であるところの開先ギャップを検出する検出方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、２つの鋼板の端面を接触させて行うレーザ溶接は、レーザ光を細いビームに絞って２つの鋼板の端部に照射して溶接を行う。その際、溶接する互いの鋼板の突き合わせ位置に対するレーザビームの照射点の位置ずれ量の許容限界が±０．５ｍｍ程度であり、レーザビーム照射点の位置ずれ量がこの値より大きくなると、溶接部の強度不足等の溶接不良を生ずる原因となる。このため、従来から被溶接鋼板（ワーク）の突き合わせ位置を、より高精度に検出する方法が各種提案されており、代表的なものとして以下のものがある。
【０００３】
特許文献１および特許文献２には、鋼板の突き合わせ部をＣＣＤカメラによって撮影し、撮像画像を画像処理して明暗画像を得て、鋼板の突き合わせ位置（開先位置）や開先ギャップを検出する方法が開示されている。また、特許文献３には撮影した画像の溶接線と垂直方向の輝度分布の変化から突き合わせ位置を検出する方法が開示されている。
【０００４】
また特許文献４には、突き合わせ鋼板の厚みの違いによりできる鋼板の段差の影から突き合わせ位置を検出する方法が開示されている。さらに特許文献５には、開先部にレーザ距離計を走査して照射し、開先部の断面形状を距離によって評価して開先位置を検出する方法が開示されている。
【０００５】
上記の従来技術では以下で説明するような問題点を有している。特許文献１および特許文献２では、開先検出の方法において撮影した画像を２値化処理すると記載されている。しかし、実際の溶接鋼板は、シャーやプレスによって切断されることが多く、切断端部に形状の「ダレ」を有しているため、開先部の輝度値はなだらかに変化し、２値化の閾値によって計測値が大きく変動する欠点がある。
【０００６】
また特許文献３には溶接線と垂直方向の画像の輝度分布の変化点から、鋼板の突き合わせ位置を検出する点が記載されている。しかし実際の鋼板は表面の疵や模様、あるいは切断時の切断端部のダレなどのため、輝度分布曲線は、必ずしも特許文献３の図３に示されたような明確な鋼板端部の輝度変化点を有することは少ない。
【０００７】
特許文献４に開示されている鋼板の段差による影を利用する方法は、１ｍｍ〜１０ｍｍ程度の比較的薄い鋼板を溶接する、冷延コイルのコイル継ぎ溶接においては、突き合わせ鋼板の段差が少なく、照明による影を作り出す事が難しいと言う欠点がある。
【０００８】
特許文献５に開示されているレーザ距離系を用いる方法は計測用レーザの走査系を必要とするため、装置が複雑で高価になる欠点があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開昭６１−２３５０８６号公報
【特許文献２】特開平６−１１４５８１号公報
【特許文献３】特開平１１−１７９５８１号公報
【特許文献４】特開平１０−３０５３７９号公報
【特許文献５】特開平８−１１２６８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記の従来技術の問題に鑑みて、本発明は、２つの鋼板の端面を接触させて溶接する突き合わせ溶接において、シャーやプレスによって切断され、端部に「ダレ」を有している鋼板においても、正確にかつ安定して突き合わせ開先位置を検出する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の要旨とするところは以下の如くである。
【００１２】
本発明の鋼板の突き合わせ開先位置の検出方法は、２枚の鋼板の端部を鋼板面内で突き合わせた部分を撮像装置により得た撮像画像を用いて、該撮像画像を画像処理して前記２枚の鋼板それぞれの開先位置を計測する鋼板の突き合わせ開先位置の検出方法であって、
（１）前記撮像装置を前記２枚の鋼板の突き合わせ部に対向して配置して、突き合わせ線が前記撮像装置の撮像面の水平軸方向となるようにして撮像する撮像工程と、
（２）前記撮像工程で取得された撮像画像の全部、または突き合わせ部を含む部分画像について各画素の輝度値を、予め設定した閾値Ｔを用いて２値化処理して２値化画像を出力する２値化工程と、
（３）前記２値化画像において水平軸方向をｘ軸方向、垂直軸方向をｙ軸方向として、各画素座標（ｉ、ｊ）の２値化輝度値Ｕ´（ｉ、ｊ）について、ｙ軸方向に直接または１つおきに隣接する画素の２値化輝度値の差分である輝度差分値Ｖ（ｉ、ｊ）を、各ｉについて演算する工程イと、
（４）前記工程イで演算した輝度差分値Ｖ（ｉ、ｊ）を水平軸方向ｉについて積算して輝度差分射影値Ｗ（ｊ）を演算する工程ロと、
（５）前記工程ロで演算した輝度差分射影値Ｗ（ｊ）において、垂直軸方向ｊに関する正値および負値のピークの画素位置を求めて、前記２枚の鋼板それぞれの突き合わせ開先位置として検出するピーク位置検出工程とを有することを特徴とする。
【００１３】
また、上記の鋼板の突き合わせ開先位置の検出方法において、
前記２値化工程は、予め設定した複数の閾値Ｔを用いて２値化処理して、閾値Ｔそれぞれの前記２値化輝度値Ｕ´Ｔ（ｉ、ｊ）を求め、
前記工程イは閾値Ｔそれぞれについて前記輝度差分値を演算し、
前記工程ロは閾値Ｔそれぞれについて前記輝度差分射影値を演算し、
前記ピーク位置検出工程は、
閾値Ｔそれぞれについて前記輝度差分射影値の垂直軸方向ｊに関する正値のピークの画素位置とピーク値、および、負値のピークの画素位置とピーク値を求めて、
閾値Ｔそれぞれピーク値のうち、正値のピーク値が最大となる閾値Ｔにおけるピークの画素位置、および、負値のピーク値が最小となる閾値Ｔにおけるピークの画素位置に基づいて前記２枚の鋼板それぞれの突き合わせ開先位置を検出することを特徴とする。
【００１４】
さらに、上記の鋼板の突き合わせ開先位置の検出方法において、
まず、予め設定した複数の角度θそれぞれで前記部分画像を回転させて回転画像を求め、
前記２値化工程は、前記複数の角度θの回転画像を２値化処理して、複数の角度θそれぞれの前記２値化輝度値を求め、
前記工程イは前記複数の角度θそれぞれについて前記輝度差分値を演算し、
前記工程ロは前記複数の角度θそれぞれについて前記輝度差分射影値を演算し、
前記ピーク位置検出工程は、
前記複数の角度θそれぞれについて前記輝度差分射影値の垂直軸方向ｊに関する正値のピークの画素位置とピーク値、および、負値のピークの画素位置とピーク値を求めて、
前記複数の角度θそれぞれピーク値のうち、正値のピーク値が最大となる角度θにおけるピークの画素位置、および、負値のピーク値が最小となる角度θにおけるピークの画素位置に基づいて前記２枚の鋼板それぞれの突き合わせ開先位置を検出することを特徴とする。
【００１５】
さらに、前記２枚の鋼板それぞれの突き合わせ開先位置の検出値から突き合わせ開先ギャップを算出することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の鋼板の突き合わせ開先位置の検出方法は、前記２枚の鋼板は溶接するために突き合わせられた鋼板であることを特徴とする。
【００１７】
本発明の鋼板の突き合わせ開先位置の検出装置は、２枚の鋼板の端部を鋼板面内で突き合わせた部分の撮像画像を用いて、該撮像画像を画像処理して前記２枚の鋼板それぞれの開先位置を計測する鋼板の突き合わせ開先位置の検出装置であって、
前記２枚の鋼板の突き合わせ部に対向して配置され、突き合わせ線が撮像面の水平軸方向となるようにして撮像する撮像装置と、
前記撮像装置によって取得された撮像画像の全部、または突き合わせ部を含む部分画像について各画素の輝度値を、予め設定した閾値Ｔを用いて２値化処理して２値化画像を出力する画像処理部と、
前記２値化画像において水平軸方向をｘ軸方向、垂直軸方向をｙ軸方向として、各画素座標（ｉ、ｊ）の２値化輝度値Ｕ´（ｉ、ｊ）について、ｙ軸方向に直接または１つおきに隣接する画素の２値化輝度値の差分である輝度差分値Ｖ（ｉ、ｊ）を、各ｉについて演算し、
かつ前記輝度差分値Ｖ（ｉ、ｊ）を水平軸方向ｉについて積算して輝度差分射影値Ｗ（ｊ）を演算し、
かつ前記輝度差分射影値Ｗ（ｊ）において、垂直軸方向ｊに関する正値および負値のピークの画素位置を求めて、前記２枚の鋼板それぞれの突き合わせ開先位置として検出するデータ処理部とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の方法により、複雑な線状光線やレーザ光の走査系などを使用する事なく、ＣＣＤカメラなど撮影装置による画像撮影のみで、シャー切断やプレス切断した２枚の鋼板の突き合わせにおいて、各々の鋼板の切断端部位置の検出、開先ギャップ幅、や突き合わせ位置の検出を正確に実施する事ができる。本発明の検出方法を用いる事で、溶接線に対するビーム照射位置精度の要求が厳しいレーザ溶接装置において、目外れなどの溶接欠陥を防止する開先位置検出センサーを得る事が可能となり、安定した溶接を行う事が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明を実現する鋼板突き合わせ開先位置の検出装置の模式図である。
【図２】鋼板突き合わせ開先位置の検出装置により撮影された画像である。
【図３】鋼板突き合わせ開先位置の検出装置により撮影された画像のＳ１線部分の輝度分布を示すグラフである。
【図４】鋼板突き合わせ開先位置の検出装置により撮影された画像を２値化した画像である。
【図５】図４の画像Ｃ部の拡大画像である。
【図６】図５の画像Ｓ１線部分の輝度分布を示すグラフである。
【図７】本発明の処理（イ）、（ロ）の演算を実行した結果を示す模式グラフである。
【図８】（ａ）ＣＣＤカメラ画像の２値化処理後の画像の模式図である。（ｂ）図８（ａ）のｘ＝ｉの断面の輝度分布を示すグラフである。（ｃ）図８（ａ）の画像に処理（イ）、（ロ）の演算を行った結果を示すグラフである。
【図９】（ａ）図５の画像Ｓ１線部分の輝度分布を示すグラフである。（ｂ）図９（ａ）のグラフに処理（イ）を行った結果を示すグラフである。
【図１０】（ａ）ＣＣＤカメラの水平軸と鋼板突き合わせ開先線が平行からずれている場合の２値化画像の模式図である。（ｂ）図１０（ａ）の画像に処理（イ）、（ロ）の演算を行った結果を示すグラフである。
【図１１】（ａ）ＣＣＤカメラの水平軸と鋼板突き合わせ開先線が平行からずれている場合の２値化画像の模式図である。（ｂ）図１１（ａ）の画像に処理（イ）、（ロ）の演算を行った結果を示すグラフである。
【図１２】本発明の実施例に用いたレーザ溶接装置の模式図である。
【図１３】本発明の演算を示すフローチャート図である。
【図１４】本発明の検出方法から算出した鋼板突き合わせ状態の計測結果を示すグラフである。
【図１５】本発明の検出方法にから算出した鋼板突き合わせギャップ幅の計測結果を示すグラフである。
【図１６】本発明の検出方法にから算出したレーザ溶接時の溶接目外れの計測結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、鋼板の製造ラインにおいて、２枚の鋼板の後端部と先端部とを溶接するときを一例として取り上げて、図を用いて本発明の実施の形態を詳細に説明する。この際各鋼板の端部はシャー等により切断されており、ほぼ平面状の端面を有するとする。図１は本発明を実現するための鋼板突き合わせ開先位置の検出装置１の構成の一例を示した模式図である。撮像装置としての撮像部１０は、例えば撮像デバイスとしてＣＣＤカメラ１１、２枚の鋼板２１、２２の突き合わせ部を照明する照明装置１２、並びに、鋼板表面にＣＣＤカメラ１１のピントを調整するためのステージ１３または自動焦点調整機構つきのレンズ１４からなる。撮像部１０は撮像制御部１５により制御されて鋼板面を撮影する。撮影された画像は、信号線１６によって別場所に設置された画像処理部１７によって画像処理され、その画像データに基づきデータ処理部１９で下記の手順により２枚の溶接鋼板２１、２２の端部および突き合わせ開先位置を検出する。
【００２１】
以下では、鋼板２１の後端部と鋼板２２の先端部とを突き合わせてできる鋼板の突き合わせ線が、ＣＣＤカメラ１１の撮像面の水平軸方向（したがって撮像画像の水平軸方向）と平行となるようにＣＣＤカメラ１１が設置されているとして、本発明の突き合わせ開先位置検出方法を説明する。このとき、突き合せ線は鋼板２１、２２の製造ラインの通板方向とほぼ直角となっている。したがって、ＣＣＤカメラ１１の撮像面の水平軸方向と通板方向とはほぼ直交する。以下では撮像画素の輝度値を、画像の黒色部が輝度値０、白色部が輝度値２５５として８ビット（２５６階調）で表したときを例として説明する。
【００２２】
ここで、鋼板２１、２２の突き合わせ線は、必ずしもＣＣＤカメラ１１の水平軸と厳密に平行である必要はない。また、ほぼ垂直であってもよい。そして、鋼板２１、２２の突き合わせ線と水平軸とが傾斜するときには、後述する様に、鋼板２１、２２の突き合わせ線の撮像画像を回転させる事で、鋼板２１、２２の突き合わせ線とＣＣＤカメラ１１の水平あるいは垂直軸の方向をほぼ平行にする事が可能である。
【００２３】
図１の撮像部１０で撮像した鋼板突き合わせ部の画像の一例を図２に示す。図２の撮像画像の上部が鋼板２１、図２の下部が鋼板２２である。Ａ部が両鋼板２１、２２の突き合わせ開先部である。撮像画像は水平方向（ｘ方向とする）にＮ画素、垂直方向（ｙ方向とする）にＭ画素の画素数を有する。
【００２４】
図２の撮像画像に示した垂直方向の線Ｓ１（水平方向の画素座標ｘ＝ｉ番目）に沿った画像の輝度値Ｕの分布のグラフを図３に示す。第１の鋼板２１の開先の近傍Ａ部では除々に輝度が低下し画像が暗くなっている（図２を参照のこと）。したがって、特許文献１および２に開示されているような、各画素の輝度値の２値化処理を施すと、閾値の設定によって鋼板端部の位置の検出値に大きな差が発生する。さらに、鋼板端部の傷などのわずかな光の反射の違いや、鋼板の突き合わせ部の照明状態などの影響から、撮像画像のどの部位の２値化画像を、鋼板端部の位置の検出に使用するかによって、開先部の位置の検出値が大きく変動し、溶接時に問題となる。
【００２５】
例えば、図２に示した撮像画像を２値化処理し、画素の輝度値がある閾値Ｔ未満の部分の輝度を２５５（白色）、画素の輝度が閾値Ｔ以上の部分の輝度を０（黒色）で表現した例の画像を図４に示す。図４では、右側の照明強度が強くなっていたために、２値化閾値Ｔ未満で白（輝度２５５）に変換される開先ギャップＢ部の太さが、左から右に行くにしたがい細くなっている。このように、上記のような単純な２値化処理を用いた開先位置の高精度な検出は難しいことは明らかである。
【００２６】
＜２値化画像に基づく開先位置の検出の概要＞
（処理の基本的構成）
以下、本実施の形態における撮像画像のデータ処理方法を具体的に説明する。本発明ではまず撮像画像（図２）を２値化する（図４）。以下の説明においては、２値化閾値Ｔ（０＜Ｔ＜２５５）未満の画素の輝度を白（輝度Ｕ´＝２５５）、閾値Ｔ以上の画素の輝度を黒（輝度Ｕ´＝０）に変換して輝度値を反転させる。なお、必ずしも２値化画像の輝度を反転させることは必要ではない。その場合、以下の説明について、演算結果の符号が反対になるだけで、検出結果にはなんら影響を与えるものではない。
【００２７】
上記したように、２値化によって開先のギャップ部（図４のＢ部）はおおよそ直線状の形状をしめすが、照明状態の違いにより、画像の左から右に行くにしたがい開先ギャップＢ部の太さが変化する。さらに、図４の２値化画像のＣ部の拡大図を図５に示す。図５の画像のＤ部の様に、鋼板端部においてはダレと鋼板表面の粗度による反射強度のバラつきなどによって、白黒の２値化領域の境界がぼやけてしまい、どの部分を境界とするかの判定が困難である。図５の２値化画像の線Ｓ１（ｘ＝ｉ番目の画素）に沿った輝度値Ｕ´の分布を図６に示す。図５のＤ部付近の境界のぼやけに対応して、輝度値Ｕ´が細かく変動している事が判る。
【００２８】
本実施の形態では２値化画像に基づき、鋼板２１、２２の端部の開先位置を得るための基礎データを以下の処理（イ）〜（ハ）で導出する。２値化画像における（ｘ、ｙ）＝（ｎ、ｍ）座標の画素の輝度値を２値化輝度値Ｕ´（ｎ、ｍ）とする。ここで、０≦ｎ≦Ｎ−１、０≦ｍ≦Ｍ−１、Ｎ、Ｍはｘ方向（水平方向）、ｙ方向（垂直方向）の画素数に相当する整数である。
【００２９】
（イ）鋼板２１、２２の突き合わせ開先と垂直の方向（図４の場合はＹ方向）に沿って輝度差分値Ｖ（ｎ、ｊ）を式（１）により計算する。
【００３０】
【数１】
ここで、０≦ｊ≦Ｍ−３である。
【００３１】
（ロ）この輝度差分値Ｖ（ｎ、ｊ＋１）をＸ方向に射影して、ｎについて積算し、輝度差分射影値Ｗ（ｊ＋１）を式（２）により計算する。
【００３２】
【数２】
ここで、０≦ｊ≦Ｍ−３である。
【００３３】
なお、輝度差分射影値Ｗとして式（２）で得られる値をＮで除算して規格化してもよい。
【００３４】
（ハ）上記Ｗ（ｊ＋１）の結果は例えば模式的に書くと、鋼板２１、２２の突き合わせ線がほぼ直線であり、撮像画像の水平軸方向と若干の傾斜を有するときには、図７に示したようなプラス、マイナスに２つの鋭いピークを持つ曲線となる。この２つのピークをそれぞれ、鋼板２１の端部位置Ｅ１（−符号のピーク）および鋼板２２の端部位置Ｅ２（＋符号のピーク）と決定する。
【００３５】
（イ）の処理は、図４に示した２値化画像の垂直方向（ｙ方向）の線分Ｓ１に沿って白領域（輝度Ｕ´＝２５５）と黒領域（輝度Ｕ´＝０）の境界（白から黒または黒から白）を判定する処理である。すなわち、白領域（Ｕ´＝２５５）あるいは黒領域（Ｕ´＝０）が連続して続く場合は、輝度差分値Ｖ（ｎ、ｊ＋１）＝０となる。一方、黒領域（Ｕ´＝０）から白領域（Ｕ´＝２５５）、あるいは白領域（Ｕ´＝２５５）から黒領域（Ｕ´＝０）への変化がある場合は、輝度差分値Ｖ（ｎ、ｊ＋１）＝２５５あるいは輝度差分値Ｖ（ｎ、ｊ＋１）＝−２５５となる。よって、輝度差分値Ｖ（ｎ、ｊ＋１）の値が０以外の値となる画素位置ｙ＝ｊ＋１（０≦ｉ≦Ｍ−３）が、図５の画像の白領域（輝度２５５）と黒領域（輝度０）の境界である。ただし、１画素分の位置の誤差がある。
【００３６】
なお、（イ）の処理の式（１）の右辺における、ｙ＝ｊとｊ＋２の２値化輝度値Ｕ´の差分値Ｖの計算を、ｙ＝ｊとｊ＋１の２値化輝度値Ｕ´の差分値Ｖに換えてもよい。この算出方法の方が位置精度が高い。
【００３７】
例えば、図８（ａ）に模式的に示す、単純化した２値化画像の例において、水平方向ｘ＝ｉの位置にある垂直線分Ｓ２に沿った２値化輝度値Ｕ´の分布は、図８（ｂ）に示したように開先ギャップＢ部において、２値化輝度値Ｕ´＝２５５を持ち、その他の鋼板表面部分（２１、２２の領域）はＵ´＝０である。図８（ａ）の線分Ｓ２に処理（イ）の演算を行うと輝度差分値Ｖは式（３）となり、開先Ａ部の境界位置ｙ＝Ｅ１、ｙ＝Ｅ２および、その１画素分外側の位置ｙ＝Ｅ１＋１、ｙ＝Ｅ２−１の４箇所のみＶ≠０となり、それ以外の場所では輝度差分値Ｖ（ｊ、ｙ）＝０となる。
【００３８】
【数３】
【００３９】
上記処理（イ）の結果の輝度差分値Ｖ（ｉ、ｙ）を０≦ｉ≦Ｎ−１について、積算すると、図８（ａ）では、全てのｘの位置で、上の式（３）の結果になるため輝度差分射影値Ｗは式（４）となり、ｙ＝Ｅ２−１、Ｅ２、Ｅ１、Ｅ１＋１の４つの画素の水平位置でＷが最小または最大値を得る。Ｗが最大または最小を得るｙは、開先の境界Ｅ１またはＥ２と、その１画素分だけ水平方向の外側であり、本発明の処理（イ）、（ロ）により開先の境界が検出できる。
【００４０】
【数４】
【００４１】
一方、実際の画像においては、図７に示した例のように開先の境界が一直線になる事はないため、Ｗの最大、最小値がおのおの複数存在する事はなく、境界は一義的に決定される。
【００４２】
実際の鋼板突き合わせ部の開先画像においては、照明輝度の違いや、鋼板表面の反射率の局所的な違いによって、実際の画像を２値化処理すると図４、図５の様に、鋼板端部の黒領域と白領域との境界がぼけた（斑な）画像となる。このとき線Ｓ１に沿って（イ）の処理を行うと、白領域と黒領域の境界が複数存在するので、例えば図９（ｂ）の結果を得る。図９（ｂ）の＋値（＋２５５）となるｙ方向位置は黒領域から白領域へ変化する境界位置を示し、逆に−値（−２５５）となるｙ方向位置は白領域から黒領域へ変化する境界位置を示している。白領域と黒領域の境界があいまいな図５に示した拡大２値画像のＤ部に相当する部分で、図９（ｂ）のグラフの様に、輝度差分値ＶはＶ＝−２５５とＶ＝２５５の値の間で振動する。
【００４３】
この様に画像のある１線分上Ｓ１のみを対象とした場合、輝度差分値ＶがＶ＝−２５５またはＶ＝２５５となるｙ方向の位置が複数あり、白黒の領域の境界を１カ所に決定する事ができないことがある。本発明では２値化画像の白領域と黒領域の境界位置（ｙ座標）を、処理（イ）の演算の後に、水平方向に射影積算する事で決定する（処理（ロ））。すなわち処理（イ）によって、画像の垂直方向（ｙ方向）に沿って白領域（輝度２５５）と黒領域（輝度０）の境界と判定される画素位置が複数出てくることがあるが、処理（イ）を行う位置を水平方向（ｘ方向）にずらして輝度差分値Ｖを計算し、この輝度差分値Ｖを順次加算すると、白領域（輝度２５５）と黒領域（輝度０）の境界と判定されたｙ方向の画素位置の頻度がもっとも多かった画素位置ｙｐでの輝度差分射影値Ｗ値が最小値（マイナスのピーク値）および最大値（プラスのピーク値）となるので、その画素位置ｙｐを当該撮影画像全体で判定した２値化処理により得られた境界位置、すなわち鋼板２１および鋼板２２の突き合わせ開先位置と決定する。
【００４４】
（端部の形状や照明の影響の除去方法）
図１に示したような、鋼板突き合わせ開先位置の検出装置１の構成配置において、鋼板２１、２２の突き合わせ部へ照射される照明光のうち、鋼板２１、２２の垂直端面に当たった光はＣＣＤカメラ１１の方向にはほとんど戻らないので、撮像画像における当該部分の輝度が小さくなる。鋼板２１、２２の上面や、中間部位である鋼板端部のダレが発生している部位に当たった光は照明光の正反射成分が多く、そのため鋼板表面の微小な粗度変化による反射光量の変動の影響を強く受け、撮像画像の輝度値分布を２値化処理した２値化画像において開先部の境界がぼやけた状態となることが多い。本発明では以下で詳細に説明するように２値化の閾値を逐次変更し、２値化画像の白領域と黒領域の境界がもっともシャープになる閾値を探索し、当該閾値での２値化輝度値、輝度差分値および輝度差分射影値の結果に基づいて鋼板２１、２２の端部、開先位置を判定する。
【００４５】
すなわち、開先部の境界がぼけた状態の撮像画像についてある閾値Ｔ１で２値化処理を行い、あるｘ＝ｉの水平方向（ｘ方向）の画素位置において、処理（イ）で輝度差分値Ｖを算出すると、ｙ方向の複数の画素位置ｙ＝ｊに輝度差分値Ｖのピークが現れる。開先部の境界がぼけた状態であるので、水平方向の位置ｉを変えて各々のｘ＝iの位置で同じ垂直方向（ｙ方向）の画素位置ｙ＝ｊに境界位置（Ｖ≠０となる位置）を持つ確率が小さい。このとき、その結果の輝度差分値Ｖを水平方向（ｘ＝ｉに関して）に積算（処理（ロ））して射影すると、得られる輝度差分射影値Ｗは幅広いなだらかなピークとなる（例えば図７を参照のこと）。
【００４６】
一方、上記と同じ撮像画像について、上記の閾値Ｔ１と異なる閾値Ｔ２で２値化した結果、仮に開先部の境界がシャープに得られている場合は、白領域と黒領域とが斑に混在する境界の画素位置の範囲が狭くなる。すなわち、処理（イ）で得られる、各々の水平位置ｘ＝ｉにおける輝度差分値Ｖについて、同じ垂直方向の画素位置ｙ＝ｊに境界位置（Ｖ≠０となる位置）を持つ確率が高くなり、処理（ロ）の水平方向の射影積算の演算値である輝度差分射影値Ｗのピークは幅狭く急峻になる。
【００４７】
本発明では予め設定した範囲で２値化の閾値Ｔを逐次変更して複数の閾値Ｔそれぞれを用いた各２値化画像に対し、処理（イ）および処理（ロ）の結果の輝度差分射影値Ｗのピークがもっとも高く得られた２値化条件での演算処理（イ）および（ロ）で演算結果である輝度差分射影値Ｗのピークのｙ方向の画素位置（ｙ画素位置）を検出して、鋼板２１、２２の突き合わせ開先位置とする。
【００４８】
ここで、２枚の鋼板２１、２２の切断部のダレや、鋼板表面の状態は必ずしも同じではなく、また２枚の鋼板２１、２２に対する照明の角度も厳密には一致しない。従って、各々の鋼板２１、２２の開先位置の判定に同じ２値化の閾値を設定する必要は無い。本発明では２値化の閾値Ｔを逐次変更して処理（イ）、（ロ）を実施した演算結果について、＋符号のピーク、−符号のピークの各々について、個別にピークが最大となる結果を持って鋼板２１、２２の端部とした。つまり＋符号のピークと、−符号のピークを得る２値化閾値は、必ずしも同じでは無い。
【００４９】
（突き合わせ線と画像水平軸のずれを補正する方法）
実際の装置においては、ＣＣＤカメラの撮像面の水平軸（ｘ軸）と、鋼板の端部である開先線の方向とが完全に平行になる事はほとんどなく、カメラ撮像面の水平軸に対し、開先線が非零値の傾きθ（ｄｅｇ．）を持つことが多い。したがって、撮像画像においても水平方向と開先線とが傾きθを持つ。図１０（ａ）に、突き合わせた鋼板２１、２２を鋼板面の上側みた見た模式図を示した。ただし、２枚の鋼板２１、２２の切断端面は互いに平行であると仮定する。この場合、処理（イ）による輝度差分値Ｖについて、Ｖ≠０となるｙ＝ｊの位置は水平方向のｘ＝iの各々において異なり、処理（ロ）の演算の結果の輝度差分射影値Ｗは図１０（ｂ）に示すように幅Δのピーク（±Ｐｐ１）を持つ結果となる。
【００５０】
そのために、撮像画像について、鋼板２１、２２の開先方向と撮像画像の水平方向とを所望の精度で一致させるために、以下に示す手順（Ａ）〜（Ｄ）で撮像画像を画像に垂直な軸の周りに回転させて、鋼板２１、２２の開先方向と撮像画像の水平方向とが一致する最適回転角度θminを探索する。
【００５１】
（Ａ）撮像画像の水平カメラ撮像面の水平軸に対し、開先線が非零値の傾きθ（ｄｅｇ．）予め決めた範囲（θ１≦θ≦θ２）において一定の角度ピッチΔθで変化させた画像回転角度θiそれぞれで撮像画像を回転させる。
（Ｂ）回転させた画像それぞれついて２値化処理を行い２値化画像を得る。
（Ｃ）さらに処理（イ）および処理（ロ）を行って輝度差分射影値Ｗを算出する。ＣＣＤカメラ１１の水平軸方向と、２枚の鋼板２１、２２の突き合わせ開先の向きが平行に近くなると（図１１（ａ））、処理（イ）による輝度差分値Ｖについて、水平方向のｘ＝ｉ軸各々のおけるピーク位置となるｙ＝ｊのずれが小さくなり、図１１（ｂ）の様に、水平方向のｘ＝ｉ軸各々についての境界判定位置を射影積算（処理（ロ））して得られた輝度差分射影値Ｗのピークの山または谷の広がり幅Δが狭くなり、ピーク値（Ｐｐ２）が大きくなる（｜Ｐｐ２｜＞｜Ｐｐ１｜）。
（Ｄ）ピーク値が最大となる画像回転角度θｉを最適回転角度θｍｉｎとする。
【００５２】
以上の手順で最適回転角度θｍｉｎを求め、撮像画像その角度θｍｉｎで回転させて得られた回転画像の輝度差分射影値Ｗに基づいて、鋼板端部の位置を決定する。なお、上記（Ａ）〜（Ｄ）の手順に際して、画像回転角度をΔθずつ逐次換えて、撮像画像を回転させて回転画像を得てもよく、また、（φ１≦θ≦φ２）の区間の角度で一括して複数の角度で撮像画像を回転させて回転画像を得てもよい。
【００５３】
前述の２値化閾値Ｔを逐次変更したのと同様に、鋼板２１、鋼板２２の開先位置の検出について、＋符号のピーク値と−符号のピーク値を取る画像の回転角度θｍｉｎが必ずしも一致するとは限らない。例えば、先行鋼板２１の端面と後行鋼板２２の端面とが互いに若干傾いていることがある。このとき鋼板２１の開先位置と鋼板２２の開先位置が得られる回転角θｍｉｎが異なる。このように、鋼板２１の端部線と鋼板２２の端部線が完全に平行でない場合や、照明角度の影響から一方の鋼板端部線の角度が、カメラ視野の水平軸からずれている場合などがある。２つのθｍｉｎの差が小さいときには、いずれか一方を用いて輝度差分射影値Ｗを求めてもい。また、差が大きい特には、各θｍｉｎにより得られたそれぞれの開先位置を用いればよい。
【００５４】
＜第１の実施の態様＞
鉄鋼業の鋼板の製造ラインの冷延コイル継ぎ溶接ラインに、本発明の突き合わせ開先位置の検出方法を適用するときの具体的な態様を以下で説明する。
【００５５】
冷延コイル継ぎ溶接ラインおいて厚さ４．０mmおよび４．５mmの一般鋼板をシャー切断し（図示しない）、鋼板２１、２２をクランプ装置（図示しない）で挟んで固定し、鋼板２１、２２の端部を突き合わせた後、開先部にＣＯ２レーザを照射してレーザ溶接を行うコイル継ぎレーザ溶接機に、ＣＣＤカメラ（水平方向画素数１３９２、垂直方向画素数１０４０）１１と照明装置１２とを含む構成の撮像部１０を設置した。溶接設備全体の模式図を図１２に示す。撮像部１０は図１を用いて上記した構成を有している。なお、一例として鋼板２１、２２は水平面内で通板されている配置で説明する。
【００５６】
図１２において、溶接する端部をシャー切断された鋼板２１と鋼板２２の端面が横行キャリッジ（ライン幅方向移送機構）３１の移動方向とほぼ平行となる様に、ラインの上流にあるシャー切断機の刃の向きを調整しておく。撮像部１０は横行キャリッジ３１に取り付けられ、内蔵するＣＣＤカメラ１１は鋼板２１、２２の突き合わせ部にレンズ１４を対向させて、その光軸が鋼板面にほぼ直交になるように配置されている。ＣＣＤカメラ１１の撮像面の水平軸は横行キャリッジ３１の移動方向と平行に、すなわち鋼板２１と鋼板２２の端部開先の向きとおおむね平行となる様に調整されている。
【００５７】
鋼板２１と鋼板２２との突き合わせ部のレーザ溶接時に、レーザビームを突き合わせ部に集光・照射するレーザ溶接トーチ３０は、横行キャリッジ３１に取り付けられており、鋼板２１と鋼板２２の開先に沿ってライン上を横行する。撮像部１０は、レーザ溶接トーチ３０に対して一定距離（例えば５０ｃｍ）だけ先行して横行し、レーザ溶接の前に鋼板２１と鋼板２２の突き合わせ開先部を撮像する。撮影した画像データは信号線１６を通じて、別に設置されたデータ処理用パーソナルコンピュータ（ＰＣ）で構成したデータ処理部（図示しない）１９に送られる。鋼板２１、２２への照明装置１２はＬＥＤ光源をレンズで集光するスポット照明を用いた（図１を参照）。鋼板２１、２２の突き合わせ部の撮像箇所が均一に照明される様に、例えば照明装置１２は撮像用のＣＣＤカメラ１１を挟んで対称の位置に２個配置し、照明範囲の中心がおおむねＣＣＤカメラ視野の中心となる様に照明位置および角度を調整する。なお、ＣＣＤカメラ１１の視野範囲は、例えば２０ｃｍ×２０ｃｍとする。
【００５８】
横行キャリッジ３１の上部には、ＣＣＤカメラ１１と照明装置１２と上下移動ステージ１３とからなる撮像部１０、および焦点調整機構付の撮像レンズ１４を制御して鋼板２１、２２の突き合わせ部のクリアな画像を得るための撮像制御部１５を設置した。実際の鋼板溶接において、鋼板２１および鋼板２２の板厚等の製造情報が、溶接作業全体と統括して制御する上位制御コンピュータ（ＰＣ）（上位制御部）図示せず）からデータ処理部１９に入力される。データ処理部１９からは撮像制御部１５に鋼板２１、２２の板厚や幅値等の撮像のための情報が入力される。なお、上位制御部から撮像制御部１５に直接鋼板２１、２２の板厚や幅値等の撮像のための情報を入力するようにしてもよい。この撮像のための情報に基づいて撮像制御部１５は、溶接する鋼板２１、２２の板厚に基づいて溶接する鋼板表面にピントが合う様に、上下移動ステージ１３および焦点調整機構付撮像レンズ１４に制御信号を出力する。なお、撮像制御部１５を横行キャリッジ３１の上部ではなく、溶接ラインの横に固定して設置してもよい。
【００５９】
鋼板２１の後に鋼板２２が溶接ラインの予め設定した位置に到着した後、レーザ溶接する時には、上位制御ＰＣから入力される撮像開始の信号によるか、または、オペレータがする開始スイッチのＯＮ入力により、横行キャリッジ３１により撮像部１０が鋼板２１、２２の幅方向に、例えば一定の間隔で１ステップずつ移動する。ここで横行キャリッジ３１は上位制御ＰＣにより鋼板幅方向の移動が制御される。また、撮像部１０は横行キャリッジ３１の上記の移動に同期して、上下移動ステージ１３、焦点調整機構付撮像レンズ１４およびＣＣＤカメラ１１を制御して、予め設定してある鋼板幅方向の位置間隔で、鋼板２１、２２の突き合わせ部の開先を撮像して、得られた撮像画像を撮像制御部１５を介してデータ処理部１９に出力する。なお、撮像画像を撮像部１０からデータ処理部１９に直接出力してもよい。突き合わせ部において撮像部１０が撮像する鋼板幅方向の位置は、１点でも複数点であってもよい。突き合わせ溶接する鋼板２１、２２の端部の形状の乱れの大きさ（例えば直線状や曲線状）等に基づいて、適宜設定すればよい。
【００６０】
データ処理部１９には、撮像画像のデータの他、横行キャリッジ３１により移動した撮像部１０の位置情報および鋼板２１、２２の撮像されたエリアの位置情報が上位制御部から伝達される。そして、ＣＣＤカメラ１１により得られた撮像画像に、当該撮像画像が鋼板２１、２２のどの幅方向の位置の画像であるか（すなわちカメラ視野＝被撮像部分）の位置情報を紐付ける。
【００６１】
なお、一枚の撮像画像に映る視野範囲の広さ（高さＬ×幅Ｃ）は、予めオペレータがＣＣＤカメラ１１で撮像して校正してもよく、また、撮像画像を得るときに、鋼板２１、２２の上面で開先の近傍に、基準となる目印（位置基準マーク）を複数個配置しておいてもよい。こうして、撮像画像における各画素の位置（画素座標）と、当該画素に対応した鋼板２１、２２の撮像部位の位置とを紐付けすることができる。
【００６２】
上記の図２に示した画像は、このようにして撮影された撮像画像の１例である。データ処理部１９に含まれる画像処理部１７により、入力された撮像画像について以下で説明する画像処理を実行する。
【００６３】
まず図２に示した撮像画像に対し、画像の中心位置（水平方向：ｘ軸、垂直方向：ｙ軸とする）の回りに、当該撮像画像を画面内で例えば±２°の範囲で０．１°のピッチで変化させた角度θｉ（ｉ＝１、２・・・）で回転させ複数の回転画像を得る。さらに回転後の撮像画像（回転画像と記す）について、水平方向画素数１３９２、垂直方向画素数１０４０のうち、処理エリアを８００≦ｘ、２００≦ｙ≦８００の範囲に限定する前処理（切り出し処理）を行った。カメラ全視野を画像処理の対象とする場合、照明の均一性の要求が厳しくなるが、処理エリアを限定する事で照明状態の差による影響を低減する事ができ、照明の均一性への要求を緩和する事が可能となる。なお、回転の方向は時計まわり方向を＋、反時計まわり方向を−とした。
【００６４】
実施した演算処理の手順の具定的な一例を示す（図１３フローチャート）。
【００６５】
（１）ＣＣＤカメラ１１の画像をθ＝＋２°回転させた後（図１３の工程Ｓ１１）、８００≦ｘ、２００≦ｙ≦８００の範囲の部分画像を切り取り処理し、以降はその切り取った部分画像に演算を行った。
【００６６】
上記部分画像について、各画素（ｎ、ｍ）の輝度値Ｕを２値化の閾値Ｔで２値化処理し、式（５）により２値化輝度値Ｕ´Ｔを演算する（図１３の工程Ｓ１２）。なお、閾値Ｔを、１５≦Ｔ≦３０で、値を１ずつ変更して各Ｔ値での２値化輝度値Ｕ´Ｔを求める。
【００６７】
【数５】
【００６８】
各Ｔ値の輝度値Ｕ´Ｔ（ｎ、ｍ）について、上記の処理（イ）で輝度差分値Ｖを演算し（図１３の工程Ｓ１３）、処理（ロ）を実行して輝度差分射影値Ｗを求めた（図１３の工程Ｓ１４）。この輝度差分射影値Ｗの最大値Ｗ０１と対応するｙ画素の値Ｅ０１、輝度差分射影値Ｗの最小値（―符号のピーク）ｗ０１と、対応するｙ画素の値ｅ０１の値を求めて記録する（図１３の工程Ｓ１５）。
【００６９】
（２）続いて、ＣＣＤカメラ１１の画像をθ＝＋１．９°回転させた後（図１３の工程Ｓ１１）、８００≦ｘ、２００≦ｙ≦８００の範囲の画像を切り取り処理し、以降はその切り取った部分画像に演算を行った。
【００７０】
上記切り取り画像について、２値化閾値Ｔを、１５≦Ｔ≦３０で、Ｔの値を１ずつ変更して２値化処理し、式（６）により２値化輝度値Ｕ´Ｔを演算する（図１３の工程Ｓ１２）。
【００７１】
【数６】
【００７２】
各Ｔ値の２値化輝度値Ｕ´Ｔ（ｎ、ｍ）について、処理（イ）、処理（ロ）を実行し（図１３の工程Ｓ１３、Ｓ１４）、輝度差分射影値Ｗの最大値Ｗ０２と、対応するｙ画素の値Ｅ０２の組（Ｗ０２、Ｅ０２）演算値Ｗの最小値（―符号のピーク）ｗ０２と対応するｙ画素の値ｅ０２の組（ｗ０２、ｅ０２）を記録する（図１３の工程Ｓ１５）。
【００７３】
以上の手順を画像回転角度θ＝−２°まで、０．１°ずつ４１回繰り返して実行し、各Ｔ値について、（Ｗ０１、Ｅ０１）から（Ｗ４１、Ｅ４１）、（ｗ０１、０１）から（ｗ４１、ｅ４１）の８２組のデータからなる、輝度差分射影値のピークに関するデータ（ピーク情報と記す）を得た（図１３の工程Ｓ１６）。
【００７４】
（３）上記の様に得られたピーク情報についてＷ＝Ｗ０１、Ｗ０２・・・Ｗ４１の中で最大の値を得るＷｍａｘに対応するｙ画素の値を、ｙ＝ｙｍａｘとして鋼板２２の端部と決定する。さらにＷ＝ｗ０１、ｗ０２・・・ｗ４１の中で最小の値（―符号のピーク値）を得るＷｍｉｍに対応するｙ画素の値を、ｙ＝ｙｍｉｎとして、鋼板２１の部分画像に対応する鋼板部位における端部とした（図１３の工程Ｓ１７）。すなわち、ｙｍａｘおよびｙｍｉｎは、当該鋼板部位における開先位置の平均値であるとも言える。
【００７５】
以上の様に、図２の撮影画像について、回転角度θについて４１パターンと、２値化閾値Ｔの値に関して１６パターンとの組み合わせ、すなわち４１×１６＝６５６パターンそれぞれについて（イ）、（ロ）の処理を行い、輝度差分射影値の＋符号のピーク（最大値）および−符号のピーク（最小値）それぞれの垂直方向の画素座標ｙｍａｘおよびｙｍｉｎを算出した。図２の撮影画像については、＋符号の最大値を持つ画素座標は、画像回転角度θ＝０．０°、２値化閾値Ｔ＝２２のとき、ｙｍａｘ＝２９１との結果が得られた。また、−符号の最大値を持つ画素座標は、画像回転角度θ＝−０．４°、２値化閾値T＝１９のとき、ｙｍｉｎ＝３１２と得られた。
【００７６】
上記のように、部分画像の回転角θが０．０°と−０．４°の回転画像それぞれにおけるｙｍａｘおよびｙｍｉｎから、回転角θが０°の元の撮像画像におけるｙ画素座標を求めることができる。このためには、ＣＣＤカメラ１１の撮像面の水平軸方向と、シャー切断機の刃の向きとを所望の精度で一致させておく。
【００７７】
なお、上記の例のように、回転角度が小さいときには、ｙｍａｘおよびｙｍｉｎの値を、回転角θが０°の元の撮像画像におけるｙ画素座標と見做しても、誤差は溶接に殆ど影響しない。そこで、以上の演算結果から、鋼板２２の端部は画素座標ｙ＝２９１、鋼板２１の端部は画素座標ｙ＝３１２の位置であるとの結果を得、開先の中心はその中点ｙｍｉｄ＝（ｙｍａｘ＋ｙｍｉｎ）／２＝３０１．５となった。さらに本発明では予め画素サイズと、実際の寸法との較正によって、１画素＝１０μｍであったので、鋼板２１と鋼板２２の開先ギャップはΔｙ＝（ｙｍｉｎ−ｙｍａｘ）×０．０１ｍｍ＝０．２１ｍｍと算出した。
【００７８】
なお、（１）〜（３）の処理では、撮像画像から一部を切り出して部分画像を得たが、撮像画像の全体にほぼ均一に照明する場合には、撮像画像全体を部分画像の代わりに用いてもよい。また、照明が鋼板の幅方向において若干不均一であっても、例えば鋼板等の疵検査装置で用いられているようなシェーディング補正を撮像画像について行って、その画像を用いてもよい。
【００７９】
ところで、上記の上位制御部、撮像制御部１５、データ処理部１９は、それぞれ別のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）で構成して、上記の動作およびデータ処理を実行するためのソフトウェアを作成してロードしてもよい。また、それぞれ専用機のハードウェアとして、ＤＳＰやＭＰＵを用いて構成してもよい。また、上位制御部、撮像制御部１５、データ処理部１９を単一のＰＣで構成してもよい。その際、ＰＣは、制御およびデータ処理のための入出力部（キーボード、マウス、インターフェースボード、コンピュータディスプレー等）、およびＨＤＤ等の記録装置を具備させておくとよい。
【００８０】
＜その他の実施の態様＞
次に、上記した図１２に示した溶接装置では、レーザ溶接トーチ３０に先行して撮像部１０が鋼板２１と鋼板２２との突合せ部の上方を鋼板２１、２２の幅方向に移動する。本実施の態様では撮像部１０の移動に合わせて、一定周期ｓで鋼板突き合わせ部の画像を撮影し、撮影画像ごとに上記の第１の実施の態様に記載の処理を行い、鋼板２１の端部ｙｍｉｎと鋼板２２の端部ｙｍａｘの位置および、突き合わせ開先位置ｙｍｉｄ、開先ギャップ幅Δｙを検出する。本実施の態様では上位制御部（図示しない）から、データ処理部１９に、撮像部１０の移動位置データＬ（ｍｍ）が伝送されている。移動位置データＬとしては、例えばＣＣＤカメラ１１の視野中心座標であってもよい。
【００８１】
また、予めレーザ溶接トーチ３０でレーザビームを鋼板２１、２２に照射して得られた溶融ビードを、撮像部１０で撮影して校正用の撮像画像を得て、当該撮像画像における溶融ビードの中心点の画素座標を求める。ＣＣＤカメラ視野におけるレーザビーム照射位置を記録しておく事で、カメラ視野におけるレーザビームの相対的位置の校正を行う。
【００８２】
また、予め定規などの寸法基準を撮影する事で、カメラ視野（鋼板面上の実寸法）と撮像画像の寸法との校正を行っておく（カメラの水平画素、垂直画素について、実際の撮影画像に相当する長さを校正しておく）。
【００８３】
これらの校正用データを用いて、例えば突き合わせ開先位置の鋼板幅方向位置による変化の測定例を示す図１４のグラフの様に、溶接した鋼板２１、２２について、溶接開始点からの、鋼板２１の端部（Ｌ０）、鋼板２２の端部（Ｌ１）、突き合わせ開先位置（Ｌ２）、および溶接用レーザ照射位置（Ｌ３）をグラフに表現する事ができる。図１４において溶接用レーザ照射位置（Ｌ３）は一定値であるので、レーザ照射位置（Ｌ３）と突き合わせ開先位置（Ｌ２）の差分δを、溶接時の目外れ量として図１６の様に評価できる。さらに、突き合わせギャップ幅Δｙを図１５の様に評価できる。これらの結果をもとに、例えば目外れ量δや突き合わせギャップ幅について、許容できる限界値である管理閾値を予め設定しておけば、溶接の良否判定を行う事も可能である。
【００８４】
また、本発明の方法で得た突き合わせ開先位置の情報に基づいて、溶接中に開先線と垂直方向のレーザ溶接トーチ３０の位置を制御すれば目外れをゼロにする事が可能である。この場合、開先線と垂直方向の移動について、溶接トーチ３０の移動にともなって鋼板突き合わせ開先位置の検出装置１も開先線と垂直方向に移動しない様に、溶接トーチと開先検出装置とは独立の移動機構を持つ必要がある。
【００８５】
さらに、図１４のグラフから得られる鋼板２１あるいは鋼板２２の端部の形状（Ｌ０）、（Ｌ１）から、鋼板切断シャーの刃の状態を管理し、例えば鋼板２１、２２の端部の切断線の形状が板幅方向の曲がりが発生するなど、切断形状の劣化が見られた時に切断シャーの刃の整備や交換を行うなど、切断シャーの保守管理や、鋼板２１、２２を固定するクランプ装置のガタや弛みなど機械装置の保守管理に利用する事が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明は、テーラードブランクや冷延コイル溶接などシャー切断やプレス切断された端部を有する鋼板を突き合わせて、レーザやアーク溶接などの溶接装置で溶接を行う溶接機において、鋼板の突き合わせ部を検出するセンサーの鋼板端部の検出方法に関する発明である。
【符号の説明】
【００８７】
１ 鋼板突き合わせ開先位置の検出装置
１０ 撮像部
１１ ＣＣＤカメラ
１２ 照明装置
１３ ステージ
１４ レンズ
１５ 撮像制御部
１６ 信号線
１７ 画像処理部
１９ データ処理部
２１、２２ 鋼板
３０ レーザ溶接トーチ
３１ 横行キャリッジ
Ｂ、Ｂ１、Ｂ２ 鋼板突き合わせ部の開先ギャップ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザやアーク溶接などの溶接装置により、２つの鋼板の端面を接触させて溶接する突き合わせ溶接に係り、特に２枚の鋼板の突き合わせ開先の位置および、２枚の鋼板の端部の隙間であるところの開先ギャップを検出する検出方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、２つの鋼板の端面を接触させて行うレーザ溶接は、レーザ光を細いビームに絞って２つの鋼板の端部に照射して溶接を行う。その際、溶接する互いの鋼板の突き合わせ位置に対するレーザビームの照射点の位置ずれ量の許容限界が±０．５ｍｍ程度であり、レーザビーム照射点の位置ずれ量がこの値より大きくなると、溶接部の強度不足等の溶接不良を生ずる原因となる。このため、従来から被溶接鋼板（ワーク）の突き合わせ位置を、より高精度に検出する方法が各種提案されており、代表的なものとして以下のものがある。
【０００３】
特許文献１および特許文献２には、鋼板の突き合わせ部をＣＣＤカメラによって撮影し、撮像画像を画像処理して明暗画像を得て、鋼板の突き合わせ位置（開先位置）や開先ギャップを検出する方法が開示されている。また、特許文献３には撮影した画像の溶接線と垂直方向の輝度分布の変化から突き合わせ位置を検出する方法が開示されている。
【０００４】
また特許文献４には、突き合わせ鋼板の厚みの違いによりできる鋼板の段差の影から突き合わせ位置を検出する方法が開示されている。さらに特許文献５には、開先部にレーザ距離計を走査して照射し、開先部の断面形状を距離によって評価して開先位置を検出する方法が開示されている。
【０００５】
上記の従来技術では以下で説明するような問題点を有している。特許文献１および特許文献２では、開先検出の方法において撮影した画像を２値化処理すると記載されている。しかし、実際の溶接鋼板は、シャーやプレスによって切断されることが多く、切断端部に形状の「ダレ」を有しているため、開先部の輝度値はなだらかに変化し、２値化の閾値によって計測値が大きく変動する欠点がある。
【０００６】
また特許文献３には溶接線と垂直方向の画像の輝度分布の変化点から、鋼板の突き合わせ位置を検出する点が記載されている。しかし実際の鋼板は表面の疵や模様、あるいは切断時の切断端部のダレなどのため、輝度分布曲線は、必ずしも特許文献３の図３に示されたような明確な鋼板端部の輝度変化点を有することは少ない。
【０００７】
特許文献４に開示されている鋼板の段差による影を利用する方法は、１ｍｍ〜１０ｍｍ程度の比較的薄い鋼板を溶接する、冷延コイルのコイル継ぎ溶接においては、突き合わせ鋼板の段差が少なく、照明による影を作り出す事が難しいと言う欠点がある。
【０００８】
特許文献５に開示されているレーザ距離系を用いる方法は計測用レーザの走査系を必要とするため、装置が複雑で高価になる欠点があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開昭６１−２３５０８６号公報
【特許文献２】特開平６−１１４５８１号公報
【特許文献３】特開平１１−１７９５８１号公報
【特許文献４】特開平１０−３０５３７９号公報
【特許文献５】特開平８−１１２６８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記の従来技術の問題に鑑みて、本発明は、２つの鋼板の端面を接触させて溶接する突き合わせ溶接において、シャーやプレスによって切断され、端部に「ダレ」を有している鋼板においても、正確にかつ安定して突き合わせ開先位置を検出する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の要旨とするところは以下の如くである。
【００１２】
本発明の鋼板の突き合わせ開先位置の検出方法は、２枚の鋼板の端部を鋼板面内で突き合わせた部分を撮像装置により得た撮像画像を用いて、該撮像画像を画像処理して前記２枚の鋼板それぞれの開先位置を計測する鋼板の突き合わせ開先位置の検出方法であって、
（１）前記撮像装置を前記２枚の鋼板の突き合わせ部に対向して配置して、突き合わせ線が前記撮像装置の撮像面の水平軸方向となるようにして撮像する撮像工程と、
（２）前記撮像工程で取得された撮像画像の全部、または突き合わせ部を含む部分画像について各画素の輝度値を、予め設定した閾値Ｔを用いて２値化処理して２値化画像を出力する２値化工程と、
（３）前記２値化画像において水平軸方向をｘ軸方向、垂直軸方向をｙ軸方向として、各画素座標（ｉ、ｊ）の２値化輝度値Ｕ´（ｉ、ｊ）について、ｙ軸方向に直接または１つおきに隣接する画素の２値化輝度値の差分である輝度差分値Ｖ（ｉ、ｊ）を、各ｉについて演算する工程イと、
（４）前記工程イで演算した輝度差分値Ｖ（ｉ、ｊ）を水平軸方向ｉについて積算して輝度差分射影値Ｗ（ｊ）を演算する工程ロと、
（５）前記工程ロで演算した輝度差分射影値Ｗ（ｊ）において、垂直軸方向ｊに関する正値および負値のピークの画素位置を求めて、前記２枚の鋼板それぞれの突き合わせ開先位置として検出するピーク位置検出工程とを有することを特徴とする。
【００１３】
また、上記の鋼板の突き合わせ開先位置の検出方法において、
前記２値化工程は、予め設定した複数の閾値Ｔを用いて２値化処理して、閾値Ｔそれぞれの前記２値化輝度値Ｕ´Ｔ（ｉ、ｊ）を求め、
前記工程イは閾値Ｔそれぞれについて前記輝度差分値を演算し、
前記工程ロは閾値Ｔそれぞれについて前記輝度差分射影値を演算し、
前記ピーク位置検出工程は、
閾値Ｔそれぞれについて前記輝度差分射影値の垂直軸方向ｊに関する正値のピークの画素位置とピーク値、および、負値のピークの画素位置とピーク値を求めて、
閾値Ｔそれぞれピーク値のうち、正値のピーク値が最大となる閾値Ｔにおけるピークの画素位置、および、負値のピーク値が最小となる閾値Ｔにおけるピークの画素位置に基づいて前記２枚の鋼板それぞれの突き合わせ開先位置を検出することを特徴とする。
【００１４】
さらに、上記の鋼板の突き合わせ開先位置の検出方法において、
まず、予め設定した複数の角度θそれぞれで前記部分画像を回転させて回転画像を求め、
前記２値化工程は、前記複数の角度θの回転画像を２値化処理して、複数の角度θそれぞれの前記２値化輝度値を求め、
前記工程イは前記複数の角度θそれぞれについて前記輝度差分値を演算し、
前記工程ロは前記複数の角度θそれぞれについて前記輝度差分射影値を演算し、
前記ピーク位置検出工程は、
前記複数の角度θそれぞれについて前記輝度差分射影値の垂直軸方向ｊに関する正値のピークの画素位置とピーク値、および、負値のピークの画素位置とピーク値を求めて、
前記複数の角度θそれぞれピーク値のうち、正値のピーク値が最大となる角度θにおけるピークの画素位置、および、負値のピーク値が最小となる角度θにおけるピークの画素位置に基づいて前記２枚の鋼板それぞれの突き合わせ開先位置を検出することを特徴とする。
【００１５】
さらに、前記２枚の鋼板それぞれの突き合わせ開先位置の検出値から突き合わせ開先ギャップを算出することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の鋼板の突き合わせ開先位置の検出方法は、前記２枚の鋼板は溶接するために突き合わせられた鋼板であることを特徴とする。
【００１７】
本発明の鋼板の突き合わせ開先位置の検出装置は、２枚の鋼板の端部を鋼板面内で突き合わせた部分の撮像画像を用いて、該撮像画像を画像処理して前記２枚の鋼板それぞれの開先位置を計測する鋼板の突き合わせ開先位置の検出装置であって、
前記２枚の鋼板の突き合わせ部に対向して配置され、突き合わせ線が撮像面の水平軸方向となるようにして撮像する撮像装置と、
前記撮像装置によって取得された撮像画像の全部、または突き合わせ部を含む部分画像について各画素の輝度値を、予め設定した閾値Ｔを用いて２値化処理して２値化画像を出力する画像処理部と、
前記２値化画像において水平軸方向をｘ軸方向、垂直軸方向をｙ軸方向として、各画素座標（ｉ、ｊ）の２値化輝度値Ｕ´（ｉ、ｊ）について、ｙ軸方向に直接または１つおきに隣接する画素の２値化輝度値の差分である輝度差分値Ｖ（ｉ、ｊ）を、各ｉについて演算し、
かつ前記輝度差分値Ｖ（ｉ、ｊ）を水平軸方向ｉについて積算して輝度差分射影値Ｗ（ｊ）を演算し、
かつ前記輝度差分射影値Ｗ（ｊ）において、垂直軸方向ｊに関する正値および負値のピークの画素位置を求めて、前記２枚の鋼板それぞれの突き合わせ開先位置として検出するデータ処理部とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の方法により、複雑な線状光線やレーザ光の走査系などを使用する事なく、ＣＣＤカメラなど撮影装置による画像撮影のみで、シャー切断やプレス切断した２枚の鋼板の突き合わせにおいて、各々の鋼板の切断端部位置の検出、開先ギャップ幅、や突き合わせ位置の検出を正確に実施する事ができる。本発明の検出方法を用いる事で、溶接線に対するビーム照射位置精度の要求が厳しいレーザ溶接装置において、目外れなどの溶接欠陥を防止する開先位置検出センサーを得る事が可能となり、安定した溶接を行う事が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明を実現する鋼板突き合わせ開先位置の検出装置の模式図である。
【図２】鋼板突き合わせ開先位置の検出装置により撮影された画像である。
【図３】鋼板突き合わせ開先位置の検出装置により撮影された画像のＳ１線部分の輝度分布を示すグラフである。
【図４】鋼板突き合わせ開先位置の検出装置により撮影された画像を２値化した画像である。
【図５】図４の画像Ｃ部の拡大画像である。
【図６】図５の画像Ｓ１線部分の輝度分布を示すグラフである。
【図７】本発明の処理（イ）、（ロ）の演算を実行した結果を示す模式グラフである。
【図８】（ａ）ＣＣＤカメラ画像の２値化処理後の画像の模式図である。（ｂ）図８（ａ）のｘ＝ｉの断面の輝度分布を示すグラフである。（ｃ）図８（ａ）の画像に処理（イ）、（ロ）の演算を行った結果を示すグラフである。
【図９】（ａ）図５の画像Ｓ１線部分の輝度分布を示すグラフである。（ｂ）図９（ａ）のグラフに処理（イ）を行った結果を示すグラフである。
【図１０】（ａ）ＣＣＤカメラの水平軸と鋼板突き合わせ開先線が平行からずれている場合の２値化画像の模式図である。（ｂ）図１０（ａ）の画像に処理（イ）、（ロ）の演算を行った結果を示すグラフである。
【図１１】（ａ）ＣＣＤカメラの水平軸と鋼板突き合わせ開先線が平行からずれている場合の２値化画像の模式図である。（ｂ）図１１（ａ）の画像に処理（イ）、（ロ）の演算を行った結果を示すグラフである。
【図１２】本発明の実施例に用いたレーザ溶接装置の模式図である。
【図１３】本発明の演算を示すフローチャート図である。
【図１４】本発明の検出方法から算出した鋼板突き合わせ状態の計測結果を示すグラフである。
【図１５】本発明の検出方法にから算出した鋼板突き合わせギャップ幅の計測結果を示すグラフである。
【図１６】本発明の検出方法にから算出したレーザ溶接時の溶接目外れの計測結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、鋼板の製造ラインにおいて、２枚の鋼板の後端部と先端部とを溶接するときを一例として取り上げて、図を用いて本発明の実施の形態を詳細に説明する。この際各鋼板の端部はシャー等により切断されており、ほぼ平面状の端面を有するとする。図１は本発明を実現するための鋼板突き合わせ開先位置の検出装置１の構成の一例を示した模式図である。撮像装置としての撮像部１０は、例えば撮像デバイスとしてＣＣＤカメラ１１、２枚の鋼板２１、２２の突き合わせ部を照明する照明装置１２、並びに、鋼板表面にＣＣＤカメラ１１のピントを調整するためのステージ１３または自動焦点調整機構つきのレンズ１４からなる。撮像部１０は撮像制御部１５により制御されて鋼板面を撮影する。撮影された画像は、信号線１６によって別場所に設置された画像処理部１７によって画像処理され、その画像データに基づきデータ処理部１９で下記の手順により２枚の溶接鋼板２１、２２の端部および突き合わせ開先位置を検出する。
【００２１】
以下では、鋼板２１の後端部と鋼板２２の先端部とを突き合わせてできる鋼板の突き合わせ線が、ＣＣＤカメラ１１の撮像面の水平軸方向（したがって撮像画像の水平軸方向）と平行となるようにＣＣＤカメラ１１が設置されているとして、本発明の突き合わせ開先位置検出方法を説明する。このとき、突き合せ線は鋼板２１、２２の製造ラインの通板方向とほぼ直角となっている。したがって、ＣＣＤカメラ１１の撮像面の水平軸方向と通板方向とはほぼ直交する。以下では撮像画素の輝度値を、画像の黒色部が輝度値０、白色部が輝度値２５５として８ビット（２５６階調）で表したときを例として説明する。
【００２２】
ここで、鋼板２１、２２の突き合わせ線は、必ずしもＣＣＤカメラ１１の水平軸と厳密に平行である必要はない。また、ほぼ垂直であってもよい。そして、鋼板２１、２２の突き合わせ線と水平軸とが傾斜するときには、後述する様に、鋼板２１、２２の突き合わせ線の撮像画像を回転させる事で、鋼板２１、２２の突き合わせ線とＣＣＤカメラ１１の水平あるいは垂直軸の方向をほぼ平行にする事が可能である。
【００２３】
図１の撮像部１０で撮像した鋼板突き合わせ部の画像の一例を図２に示す。図２の撮像画像の上部が鋼板２１、図２の下部が鋼板２２である。Ａ部が両鋼板２１、２２の突き合わせ開先部である。撮像画像は水平方向（ｘ方向とする）にＮ画素、垂直方向（ｙ方向とする）にＭ画素の画素数を有する。
【００２４】
図２の撮像画像に示した垂直方向の線Ｓ１（水平方向の画素座標ｘ＝ｉ番目）に沿った画像の輝度値Ｕの分布のグラフを図３に示す。第１の鋼板２１の開先の近傍Ａ部では除々に輝度が低下し画像が暗くなっている（図２を参照のこと）。したがって、特許文献１および２に開示されているような、各画素の輝度値の２値化処理を施すと、閾値の設定によって鋼板端部の位置の検出値に大きな差が発生する。さらに、鋼板端部の傷などのわずかな光の反射の違いや、鋼板の突き合わせ部の照明状態などの影響から、撮像画像のどの部位の２値化画像を、鋼板端部の位置の検出に使用するかによって、開先部の位置の検出値が大きく変動し、溶接時に問題となる。
【００２５】
例えば、図２に示した撮像画像を２値化処理し、画素の輝度値がある閾値Ｔ未満の部分の輝度を２５５（白色）、画素の輝度が閾値Ｔ以上の部分の輝度を０（黒色）で表現した例の画像を図４に示す。図４では、右側の照明強度が強くなっていたために、２値化閾値Ｔ未満で白（輝度２５５）に変換される開先ギャップＢ部の太さが、左から右に行くにしたがい細くなっている。このように、上記のような単純な２値化処理を用いた開先位置の高精度な検出は難しいことは明らかである。
【００２６】
＜２値化画像に基づく開先位置の検出の概要＞
（処理の基本的構成）
以下、本実施の形態における撮像画像のデータ処理方法を具体的に説明する。本発明ではまず撮像画像（図２）を２値化する（図４）。以下の説明においては、２値化閾値Ｔ（０＜Ｔ＜２５５）未満の画素の輝度を白（輝度Ｕ´＝２５５）、閾値Ｔ以上の画素の輝度を黒（輝度Ｕ´＝０）に変換して輝度値を反転させる。なお、必ずしも２値化画像の輝度を反転させることは必要ではない。その場合、以下の説明について、演算結果の符号が反対になるだけで、検出結果にはなんら影響を与えるものではない。
【００２７】
上記したように、２値化によって開先のギャップ部（図４のＢ部）はおおよそ直線状の形状をしめすが、照明状態の違いにより、画像の左から右に行くにしたがい開先ギャップＢ部の太さが変化する。さらに、図４の２値化画像のＣ部の拡大図を図５に示す。図５の画像のＤ部の様に、鋼板端部においてはダレと鋼板表面の粗度による反射強度のバラつきなどによって、白黒の２値化領域の境界がぼやけてしまい、どの部分を境界とするかの判定が困難である。図５の２値化画像の線Ｓ１（ｘ＝ｉ番目の画素）に沿った輝度値Ｕ´の分布を図６に示す。図５のＤ部付近の境界のぼやけに対応して、輝度値Ｕ´が細かく変動している事が判る。
【００２８】
本実施の形態では２値化画像に基づき、鋼板２１、２２の端部の開先位置を得るための基礎データを以下の処理（イ）〜（ハ）で導出する。２値化画像における（ｘ、ｙ）＝（ｎ、ｍ）座標の画素の輝度値を２値化輝度値Ｕ´（ｎ、ｍ）とする。ここで、０≦ｎ≦Ｎ−１、０≦ｍ≦Ｍ−１、Ｎ、Ｍはｘ方向（水平方向）、ｙ方向（垂直方向）の画素数に相当する整数である。
【００２９】
（イ）鋼板２１、２２の突き合わせ開先と垂直の方向（図４の場合はＹ方向）に沿って輝度差分値Ｖ（ｎ、ｊ）を式（１）により計算する。
【００３０】
【数１】
ここで、０≦ｊ≦Ｍ−３である。
【００３１】
（ロ）この輝度差分値Ｖ（ｎ、ｊ＋１）をＸ方向に射影して、ｎについて積算し、輝度差分射影値Ｗ（ｊ＋１）を式（２）により計算する。
【００３２】
【数２】
ここで、０≦ｊ≦Ｍ−３である。
【００３３】
なお、輝度差分射影値Ｗとして式（２）で得られる値をＮで除算して規格化してもよい。
【００３４】
（ハ）上記Ｗ（ｊ＋１）の結果は例えば模式的に書くと、鋼板２１、２２の突き合わせ線がほぼ直線であり、撮像画像の水平軸方向と若干の傾斜を有するときには、図７に示したようなプラス、マイナスに２つの鋭いピークを持つ曲線となる。この２つのピークをそれぞれ、鋼板２１の端部位置Ｅ１（−符号のピーク）および鋼板２２の端部位置Ｅ２（＋符号のピーク）と決定する。
【００３５】
（イ）の処理は、図４に示した２値化画像の垂直方向（ｙ方向）の線分Ｓ１に沿って白領域（輝度Ｕ´＝２５５）と黒領域（輝度Ｕ´＝０）の境界（白から黒または黒から白）を判定する処理である。すなわち、白領域（Ｕ´＝２５５）あるいは黒領域（Ｕ´＝０）が連続して続く場合は、輝度差分値Ｖ（ｎ、ｊ＋１）＝０となる。一方、黒領域（Ｕ´＝０）から白領域（Ｕ´＝２５５）、あるいは白領域（Ｕ´＝２５５）から黒領域（Ｕ´＝０）への変化がある場合は、輝度差分値Ｖ（ｎ、ｊ＋１）＝２５５あるいは輝度差分値Ｖ（ｎ、ｊ＋１）＝−２５５となる。よって、輝度差分値Ｖ（ｎ、ｊ＋１）の値が０以外の値となる画素位置ｙ＝ｊ＋１（０≦ｉ≦Ｍ−３）が、図５の画像の白領域（輝度２５５）と黒領域（輝度０）の境界である。ただし、１画素分の位置の誤差がある。
【００３６】
なお、（イ）の処理の式（１）の右辺における、ｙ＝ｊとｊ＋２の２値化輝度値Ｕ´の差分値Ｖの計算を、ｙ＝ｊとｊ＋１の２値化輝度値Ｕ´の差分値Ｖに換えてもよい。この算出方法の方が位置精度が高い。
【００３７】
例えば、図８（ａ）に模式的に示す、単純化した２値化画像の例において、水平方向ｘ＝ｉの位置にある垂直線分Ｓ２に沿った２値化輝度値Ｕ´の分布は、図８（ｂ）に示したように開先ギャップＢ部において、２値化輝度値Ｕ´＝２５５を持ち、その他の鋼板表面部分（２１、２２の領域）はＵ´＝０である。図８（ａ）の線分Ｓ２に処理（イ）の演算を行うと輝度差分値Ｖは式（３）となり、開先Ａ部の境界位置ｙ＝Ｅ１、ｙ＝Ｅ２および、その１画素分外側の位置ｙ＝Ｅ１＋１、ｙ＝Ｅ２−１の４箇所のみＶ≠０となり、それ以外の場所では輝度差分値Ｖ（ｊ、ｙ）＝０となる。
【００３８】
【数３】
【００３９】
上記処理（イ）の結果の輝度差分値Ｖ（ｉ、ｙ）を０≦ｉ≦Ｎ−１について、積算すると、図８（ａ）では、全てのｘの位置で、上の式（３）の結果になるため輝度差分射影値Ｗは式（４）となり、ｙ＝Ｅ２−１、Ｅ２、Ｅ１、Ｅ１＋１の４つの画素の水平位置でＷが最小または最大値を得る。Ｗが最大または最小を得るｙは、開先の境界Ｅ１またはＥ２と、その１画素分だけ水平方向の外側であり、本発明の処理（イ）、（ロ）により開先の境界が検出できる。
【００４０】
【数４】
【００４１】
一方、実際の画像においては、図７に示した例のように開先の境界が一直線になる事はないため、Ｗの最大、最小値がおのおの複数存在する事はなく、境界は一義的に決定される。
【００４２】
実際の鋼板突き合わせ部の開先画像においては、照明輝度の違いや、鋼板表面の反射率の局所的な違いによって、実際の画像を２値化処理すると図４、図５の様に、鋼板端部の黒領域と白領域との境界がぼけた（斑な）画像となる。このとき線Ｓ１に沿って（イ）の処理を行うと、白領域と黒領域の境界が複数存在するので、例えば図９（ｂ）の結果を得る。図９（ｂ）の＋値（＋２５５）となるｙ方向位置は黒領域から白領域へ変化する境界位置を示し、逆に−値（−２５５）となるｙ方向位置は白領域から黒領域へ変化する境界位置を示している。白領域と黒領域の境界があいまいな図５に示した拡大２値画像のＤ部に相当する部分で、図９（ｂ）のグラフの様に、輝度差分値ＶはＶ＝−２５５とＶ＝２５５の値の間で振動する。
【００４３】
この様に画像のある１線分上Ｓ１のみを対象とした場合、輝度差分値ＶがＶ＝−２５５またはＶ＝２５５となるｙ方向の位置が複数あり、白黒の領域の境界を１カ所に決定する事ができないことがある。本発明では２値化画像の白領域と黒領域の境界位置（ｙ座標）を、処理（イ）の演算の後に、水平方向に射影積算する事で決定する（処理（ロ））。すなわち処理（イ）によって、画像の垂直方向（ｙ方向）に沿って白領域（輝度２５５）と黒領域（輝度０）の境界と判定される画素位置が複数出てくることがあるが、処理（イ）を行う位置を水平方向（ｘ方向）にずらして輝度差分値Ｖを計算し、この輝度差分値Ｖを順次加算すると、白領域（輝度２５５）と黒領域（輝度０）の境界と判定されたｙ方向の画素位置の頻度がもっとも多かった画素位置ｙｐでの輝度差分射影値Ｗ値が最小値（マイナスのピーク値）および最大値（プラスのピーク値）となるので、その画素位置ｙｐを当該撮影画像全体で判定した２値化処理により得られた境界位置、すなわち鋼板２１および鋼板２２の突き合わせ開先位置と決定する。
【００４４】
（端部の形状や照明の影響の除去方法）
図１に示したような、鋼板突き合わせ開先位置の検出装置１の構成配置において、鋼板２１、２２の突き合わせ部へ照射される照明光のうち、鋼板２１、２２の垂直端面に当たった光はＣＣＤカメラ１１の方向にはほとんど戻らないので、撮像画像における当該部分の輝度が小さくなる。鋼板２１、２２の上面や、中間部位である鋼板端部のダレが発生している部位に当たった光は照明光の正反射成分が多く、そのため鋼板表面の微小な粗度変化による反射光量の変動の影響を強く受け、撮像画像の輝度値分布を２値化処理した２値化画像において開先部の境界がぼやけた状態となることが多い。本発明では以下で詳細に説明するように２値化の閾値を逐次変更し、２値化画像の白領域と黒領域の境界がもっともシャープになる閾値を探索し、当該閾値での２値化輝度値、輝度差分値および輝度差分射影値の結果に基づいて鋼板２１、２２の端部、開先位置を判定する。
【００４５】
すなわち、開先部の境界がぼけた状態の撮像画像についてある閾値Ｔ１で２値化処理を行い、あるｘ＝ｉの水平方向（ｘ方向）の画素位置において、処理（イ）で輝度差分値Ｖを算出すると、ｙ方向の複数の画素位置ｙ＝ｊに輝度差分値Ｖのピークが現れる。開先部の境界がぼけた状態であるので、水平方向の位置ｉを変えて各々のｘ＝iの位置で同じ垂直方向（ｙ方向）の画素位置ｙ＝ｊに境界位置（Ｖ≠０となる位置）を持つ確率が小さい。このとき、その結果の輝度差分値Ｖを水平方向（ｘ＝ｉに関して）に積算（処理（ロ））して射影すると、得られる輝度差分射影値Ｗは幅広いなだらかなピークとなる（例えば図７を参照のこと）。
【００４６】
一方、上記と同じ撮像画像について、上記の閾値Ｔ１と異なる閾値Ｔ２で２値化した結果、仮に開先部の境界がシャープに得られている場合は、白領域と黒領域とが斑に混在する境界の画素位置の範囲が狭くなる。すなわち、処理（イ）で得られる、各々の水平位置ｘ＝ｉにおける輝度差分値Ｖについて、同じ垂直方向の画素位置ｙ＝ｊに境界位置（Ｖ≠０となる位置）を持つ確率が高くなり、処理（ロ）の水平方向の射影積算の演算値である輝度差分射影値Ｗのピークは幅狭く急峻になる。
【００４７】
本発明では予め設定した範囲で２値化の閾値Ｔを逐次変更して複数の閾値Ｔそれぞれを用いた各２値化画像に対し、処理（イ）および処理（ロ）の結果の輝度差分射影値Ｗのピークがもっとも高く得られた２値化条件での演算処理（イ）および（ロ）で演算結果である輝度差分射影値Ｗのピークのｙ方向の画素位置（ｙ画素位置）を検出して、鋼板２１、２２の突き合わせ開先位置とする。
【００４８】
ここで、２枚の鋼板２１、２２の切断部のダレや、鋼板表面の状態は必ずしも同じではなく、また２枚の鋼板２１、２２に対する照明の角度も厳密には一致しない。従って、各々の鋼板２１、２２の開先位置の判定に同じ２値化の閾値を設定する必要は無い。本発明では２値化の閾値Ｔを逐次変更して処理（イ）、（ロ）を実施した演算結果について、＋符号のピーク、−符号のピークの各々について、個別にピークが最大となる結果を持って鋼板２１、２２の端部とした。つまり＋符号のピークと、−符号のピークを得る２値化閾値は、必ずしも同じでは無い。
【００４９】
（突き合わせ線と画像水平軸のずれを補正する方法）
実際の装置においては、ＣＣＤカメラの撮像面の水平軸（ｘ軸）と、鋼板の端部である開先線の方向とが完全に平行になる事はほとんどなく、カメラ撮像面の水平軸に対し、開先線が非零値の傾きθ（ｄｅｇ．）を持つことが多い。したがって、撮像画像においても水平方向と開先線とが傾きθを持つ。図１０（ａ）に、突き合わせた鋼板２１、２２を鋼板面の上側みた見た模式図を示した。ただし、２枚の鋼板２１、２２の切断端面は互いに平行であると仮定する。この場合、処理（イ）による輝度差分値Ｖについて、Ｖ≠０となるｙ＝ｊの位置は水平方向のｘ＝iの各々において異なり、処理（ロ）の演算の結果の輝度差分射影値Ｗは図１０（ｂ）に示すように幅Δのピーク（±Ｐｐ１）を持つ結果となる。
【００５０】
そのために、撮像画像について、鋼板２１、２２の開先方向と撮像画像の水平方向とを所望の精度で一致させるために、以下に示す手順（Ａ）〜（Ｄ）で撮像画像を画像に垂直な軸の周りに回転させて、鋼板２１、２２の開先方向と撮像画像の水平方向とが一致する最適回転角度θminを探索する。
【００５１】
（Ａ）撮像画像の水平カメラ撮像面の水平軸に対し、開先線が非零値の傾きθ（ｄｅｇ．）予め決めた範囲（θ１≦θ≦θ２）において一定の角度ピッチΔθで変化させた画像回転角度θiそれぞれで撮像画像を回転させる。
（Ｂ）回転させた画像それぞれついて２値化処理を行い２値化画像を得る。
（Ｃ）さらに処理（イ）および処理（ロ）を行って輝度差分射影値Ｗを算出する。ＣＣＤカメラ１１の水平軸方向と、２枚の鋼板２１、２２の突き合わせ開先の向きが平行に近くなると（図１１（ａ））、処理（イ）による輝度差分値Ｖについて、水平方向のｘ＝ｉ軸各々のおけるピーク位置となるｙ＝ｊのずれが小さくなり、図１１（ｂ）の様に、水平方向のｘ＝ｉ軸各々についての境界判定位置を射影積算（処理（ロ））して得られた輝度差分射影値Ｗのピークの山または谷の広がり幅Δが狭くなり、ピーク値（Ｐｐ２）が大きくなる（｜Ｐｐ２｜＞｜Ｐｐ１｜）。
（Ｄ）ピーク値が最大となる画像回転角度θｉを最適回転角度θｍｉｎとする。
【００５２】
以上の手順で最適回転角度θｍｉｎを求め、撮像画像その角度θｍｉｎで回転させて得られた回転画像の輝度差分射影値Ｗに基づいて、鋼板端部の位置を決定する。なお、上記（Ａ）〜（Ｄ）の手順に際して、画像回転角度をΔθずつ逐次換えて、撮像画像を回転させて回転画像を得てもよく、また、（φ１≦θ≦φ２）の区間の角度で一括して複数の角度で撮像画像を回転させて回転画像を得てもよい。
【００５３】
前述の２値化閾値Ｔを逐次変更したのと同様に、鋼板２１、鋼板２２の開先位置の検出について、＋符号のピーク値と−符号のピーク値を取る画像の回転角度θｍｉｎが必ずしも一致するとは限らない。例えば、先行鋼板２１の端面と後行鋼板２２の端面とが互いに若干傾いていることがある。このとき鋼板２１の開先位置と鋼板２２の開先位置が得られる回転角θｍｉｎが異なる。このように、鋼板２１の端部線と鋼板２２の端部線が完全に平行でない場合や、照明角度の影響から一方の鋼板端部線の角度が、カメラ視野の水平軸からずれている場合などがある。２つのθｍｉｎの差が小さいときには、いずれか一方を用いて輝度差分射影値Ｗを求めてもい。また、差が大きい特には、各θｍｉｎにより得られたそれぞれの開先位置を用いればよい。
【００５４】
＜第１の実施の態様＞
鉄鋼業の鋼板の製造ラインの冷延コイル継ぎ溶接ラインに、本発明の突き合わせ開先位置の検出方法を適用するときの具体的な態様を以下で説明する。
【００５５】
冷延コイル継ぎ溶接ラインおいて厚さ４．０mmおよび４．５mmの一般鋼板をシャー切断し（図示しない）、鋼板２１、２２をクランプ装置（図示しない）で挟んで固定し、鋼板２１、２２の端部を突き合わせた後、開先部にＣＯ２レーザを照射してレーザ溶接を行うコイル継ぎレーザ溶接機に、ＣＣＤカメラ（水平方向画素数１３９２、垂直方向画素数１０４０）１１と照明装置１２とを含む構成の撮像部１０を設置した。溶接設備全体の模式図を図１２に示す。撮像部１０は図１を用いて上記した構成を有している。なお、一例として鋼板２１、２２は水平面内で通板されている配置で説明する。
【００５６】
図１２において、溶接する端部をシャー切断された鋼板２１と鋼板２２の端面が横行キャリッジ（ライン幅方向移送機構）３１の移動方向とほぼ平行となる様に、ラインの上流にあるシャー切断機の刃の向きを調整しておく。撮像部１０は横行キャリッジ３１に取り付けられ、内蔵するＣＣＤカメラ１１は鋼板２１、２２の突き合わせ部にレンズ１４を対向させて、その光軸が鋼板面にほぼ直交になるように配置されている。ＣＣＤカメラ１１の撮像面の水平軸は横行キャリッジ３１の移動方向と平行に、すなわち鋼板２１と鋼板２２の端部開先の向きとおおむね平行となる様に調整されている。
【００５７】
鋼板２１と鋼板２２との突き合わせ部のレーザ溶接時に、レーザビームを突き合わせ部に集光・照射するレーザ溶接トーチ３０は、横行キャリッジ３１に取り付けられており、鋼板２１と鋼板２２の開先に沿ってライン上を横行する。撮像部１０は、レーザ溶接トーチ３０に対して一定距離（例えば５０ｃｍ）だけ先行して横行し、レーザ溶接の前に鋼板２１と鋼板２２の突き合わせ開先部を撮像する。撮影した画像データは信号線１６を通じて、別に設置されたデータ処理用パーソナルコンピュータ（ＰＣ）で構成したデータ処理部（図示しない）１９に送られる。鋼板２１、２２への照明装置１２はＬＥＤ光源をレンズで集光するスポット照明を用いた（図１を参照）。鋼板２１、２２の突き合わせ部の撮像箇所が均一に照明される様に、例えば照明装置１２は撮像用のＣＣＤカメラ１１を挟んで対称の位置に２個配置し、照明範囲の中心がおおむねＣＣＤカメラ視野の中心となる様に照明位置および角度を調整する。なお、ＣＣＤカメラ１１の視野範囲は、例えば２０ｃｍ×２０ｃｍとする。
【００５８】
横行キャリッジ３１の上部には、ＣＣＤカメラ１１と照明装置１２と上下移動ステージ１３とからなる撮像部１０、および焦点調整機構付の撮像レンズ１４を制御して鋼板２１、２２の突き合わせ部のクリアな画像を得るための撮像制御部１５を設置した。実際の鋼板溶接において、鋼板２１および鋼板２２の板厚等の製造情報が、溶接作業全体と統括して制御する上位制御コンピュータ（ＰＣ）（上位制御部）図示せず）からデータ処理部１９に入力される。データ処理部１９からは撮像制御部１５に鋼板２１、２２の板厚や幅値等の撮像のための情報が入力される。なお、上位制御部から撮像制御部１５に直接鋼板２１、２２の板厚や幅値等の撮像のための情報を入力するようにしてもよい。この撮像のための情報に基づいて撮像制御部１５は、溶接する鋼板２１、２２の板厚に基づいて溶接する鋼板表面にピントが合う様に、上下移動ステージ１３および焦点調整機構付撮像レンズ１４に制御信号を出力する。なお、撮像制御部１５を横行キャリッジ３１の上部ではなく、溶接ラインの横に固定して設置してもよい。
【００５９】
鋼板２１の後に鋼板２２が溶接ラインの予め設定した位置に到着した後、レーザ溶接する時には、上位制御ＰＣから入力される撮像開始の信号によるか、または、オペレータがする開始スイッチのＯＮ入力により、横行キャリッジ３１により撮像部１０が鋼板２１、２２の幅方向に、例えば一定の間隔で１ステップずつ移動する。ここで横行キャリッジ３１は上位制御ＰＣにより鋼板幅方向の移動が制御される。また、撮像部１０は横行キャリッジ３１の上記の移動に同期して、上下移動ステージ１３、焦点調整機構付撮像レンズ１４およびＣＣＤカメラ１１を制御して、予め設定してある鋼板幅方向の位置間隔で、鋼板２１、２２の突き合わせ部の開先を撮像して、得られた撮像画像を撮像制御部１５を介してデータ処理部１９に出力する。なお、撮像画像を撮像部１０からデータ処理部１９に直接出力してもよい。突き合わせ部において撮像部１０が撮像する鋼板幅方向の位置は、１点でも複数点であってもよい。突き合わせ溶接する鋼板２１、２２の端部の形状の乱れの大きさ（例えば直線状や曲線状）等に基づいて、適宜設定すればよい。
【００６０】
データ処理部１９には、撮像画像のデータの他、横行キャリッジ３１により移動した撮像部１０の位置情報および鋼板２１、２２の撮像されたエリアの位置情報が上位制御部から伝達される。そして、ＣＣＤカメラ１１により得られた撮像画像に、当該撮像画像が鋼板２１、２２のどの幅方向の位置の画像であるか（すなわちカメラ視野＝被撮像部分）の位置情報を紐付ける。
【００６１】
なお、一枚の撮像画像に映る視野範囲の広さ（高さＬ×幅Ｃ）は、予めオペレータがＣＣＤカメラ１１で撮像して校正してもよく、また、撮像画像を得るときに、鋼板２１、２２の上面で開先の近傍に、基準となる目印（位置基準マーク）を複数個配置しておいてもよい。こうして、撮像画像における各画素の位置（画素座標）と、当該画素に対応した鋼板２１、２２の撮像部位の位置とを紐付けすることができる。
【００６２】
上記の図２に示した画像は、このようにして撮影された撮像画像の１例である。データ処理部１９に含まれる画像処理部１７により、入力された撮像画像について以下で説明する画像処理を実行する。
【００６３】
まず図２に示した撮像画像に対し、画像の中心位置（水平方向：ｘ軸、垂直方向：ｙ軸とする）の回りに、当該撮像画像を画面内で例えば±２°の範囲で０．１°のピッチで変化させた角度θｉ（ｉ＝１、２・・・）で回転させ複数の回転画像を得る。さらに回転後の撮像画像（回転画像と記す）について、水平方向画素数１３９２、垂直方向画素数１０４０のうち、処理エリアを８００≦ｘ、２００≦ｙ≦８００の範囲に限定する前処理（切り出し処理）を行った。カメラ全視野を画像処理の対象とする場合、照明の均一性の要求が厳しくなるが、処理エリアを限定する事で照明状態の差による影響を低減する事ができ、照明の均一性への要求を緩和する事が可能となる。なお、回転の方向は時計まわり方向を＋、反時計まわり方向を−とした。
【００６４】
実施した演算処理の手順の具定的な一例を示す（図１３フローチャート）。
【００６５】
（１）ＣＣＤカメラ１１の画像をθ＝＋２°回転させた後（図１３の工程Ｓ１１）、８００≦ｘ、２００≦ｙ≦８００の範囲の部分画像を切り取り処理し、以降はその切り取った部分画像に演算を行った。
【００６６】
上記部分画像について、各画素（ｎ、ｍ）の輝度値Ｕを２値化の閾値Ｔで２値化処理し、式（５）により２値化輝度値Ｕ´Ｔを演算する（図１３の工程Ｓ１２）。なお、閾値Ｔを、１５≦Ｔ≦３０で、値を１ずつ変更して各Ｔ値での２値化輝度値Ｕ´Ｔを求める。
【００６７】
【数５】
【００６８】
各Ｔ値の輝度値Ｕ´Ｔ（ｎ、ｍ）について、上記の処理（イ）で輝度差分値Ｖを演算し（図１３の工程Ｓ１３）、処理（ロ）を実行して輝度差分射影値Ｗを求めた（図１３の工程Ｓ１４）。この輝度差分射影値Ｗの最大値Ｗ０１と対応するｙ画素の値Ｅ０１、輝度差分射影値Ｗの最小値（―符号のピーク）ｗ０１と、対応するｙ画素の値ｅ０１の値を求めて記録する（図１３の工程Ｓ１５）。
【００６９】
（２）続いて、ＣＣＤカメラ１１の画像をθ＝＋１．９°回転させた後（図１３の工程Ｓ１１）、８００≦ｘ、２００≦ｙ≦８００の範囲の画像を切り取り処理し、以降はその切り取った部分画像に演算を行った。
【００７０】
上記切り取り画像について、２値化閾値Ｔを、１５≦Ｔ≦３０で、Ｔの値を１ずつ変更して２値化処理し、式（６）により２値化輝度値Ｕ´Ｔを演算する（図１３の工程Ｓ１２）。
【００７１】
【数６】
【００７２】
各Ｔ値の２値化輝度値Ｕ´Ｔ（ｎ、ｍ）について、処理（イ）、処理（ロ）を実行し（図１３の工程Ｓ１３、Ｓ１４）、輝度差分射影値Ｗの最大値Ｗ０２と、対応するｙ画素の値Ｅ０２の組（Ｗ０２、Ｅ０２）演算値Ｗの最小値（―符号のピーク）ｗ０２と対応するｙ画素の値ｅ０２の組（ｗ０２、ｅ０２）を記録する（図１３の工程Ｓ１５）。
【００７３】
以上の手順を画像回転角度θ＝−２°まで、０．１°ずつ４１回繰り返して実行し、各Ｔ値について、（Ｗ０１、Ｅ０１）から（Ｗ４１、Ｅ４１）、（ｗ０１、０１）から（ｗ４１、ｅ４１）の８２組のデータからなる、輝度差分射影値のピークに関するデータ（ピーク情報と記す）を得た（図１３の工程Ｓ１６）。
【００７４】
（３）上記の様に得られたピーク情報についてＷ＝Ｗ０１、Ｗ０２・・・Ｗ４１の中で最大の値を得るＷｍａｘに対応するｙ画素の値を、ｙ＝ｙｍａｘとして鋼板２２の端部と決定する。さらにＷ＝ｗ０１、ｗ０２・・・ｗ４１の中で最小の値（―符号のピーク値）を得るＷｍｉｍに対応するｙ画素の値を、ｙ＝ｙｍｉｎとして、鋼板２１の部分画像に対応する鋼板部位における端部とした（図１３の工程Ｓ１７）。すなわち、ｙｍａｘおよびｙｍｉｎは、当該鋼板部位における開先位置の平均値であるとも言える。
【００７５】
以上の様に、図２の撮影画像について、回転角度θについて４１パターンと、２値化閾値Ｔの値に関して１６パターンとの組み合わせ、すなわち４１×１６＝６５６パターンそれぞれについて（イ）、（ロ）の処理を行い、輝度差分射影値の＋符号のピーク（最大値）および−符号のピーク（最小値）それぞれの垂直方向の画素座標ｙｍａｘおよびｙｍｉｎを算出した。図２の撮影画像については、＋符号の最大値を持つ画素座標は、画像回転角度θ＝０．０°、２値化閾値Ｔ＝２２のとき、ｙｍａｘ＝２９１との結果が得られた。また、−符号の最大値を持つ画素座標は、画像回転角度θ＝−０．４°、２値化閾値T＝１９のとき、ｙｍｉｎ＝３１２と得られた。
【００７６】
上記のように、部分画像の回転角θが０．０°と−０．４°の回転画像それぞれにおけるｙｍａｘおよびｙｍｉｎから、回転角θが０°の元の撮像画像におけるｙ画素座標を求めることができる。このためには、ＣＣＤカメラ１１の撮像面の水平軸方向と、シャー切断機の刃の向きとを所望の精度で一致させておく。
【００７７】
なお、上記の例のように、回転角度が小さいときには、ｙｍａｘおよびｙｍｉｎの値を、回転角θが０°の元の撮像画像におけるｙ画素座標と見做しても、誤差は溶接に殆ど影響しない。そこで、以上の演算結果から、鋼板２２の端部は画素座標ｙ＝２９１、鋼板２１の端部は画素座標ｙ＝３１２の位置であるとの結果を得、開先の中心はその中点ｙｍｉｄ＝（ｙｍａｘ＋ｙｍｉｎ）／２＝３０１．５となった。さらに本発明では予め画素サイズと、実際の寸法との較正によって、１画素＝１０μｍであったので、鋼板２１と鋼板２２の開先ギャップはΔｙ＝（ｙｍｉｎ−ｙｍａｘ）×０．０１ｍｍ＝０．２１ｍｍと算出した。
【００７８】
なお、（１）〜（３）の処理では、撮像画像から一部を切り出して部分画像を得たが、撮像画像の全体にほぼ均一に照明する場合には、撮像画像全体を部分画像の代わりに用いてもよい。また、照明が鋼板の幅方向において若干不均一であっても、例えば鋼板等の疵検査装置で用いられているようなシェーディング補正を撮像画像について行って、その画像を用いてもよい。
【００７９】
ところで、上記の上位制御部、撮像制御部１５、データ処理部１９は、それぞれ別のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）で構成して、上記の動作およびデータ処理を実行するためのソフトウェアを作成してロードしてもよい。また、それぞれ専用機のハードウェアとして、ＤＳＰやＭＰＵを用いて構成してもよい。また、上位制御部、撮像制御部１５、データ処理部１９を単一のＰＣで構成してもよい。その際、ＰＣは、制御およびデータ処理のための入出力部（キーボード、マウス、インターフェースボード、コンピュータディスプレー等）、およびＨＤＤ等の記録装置を具備させておくとよい。
【００８０】
＜その他の実施の態様＞
次に、上記した図１２に示した溶接装置では、レーザ溶接トーチ３０に先行して撮像部１０が鋼板２１と鋼板２２との突合せ部の上方を鋼板２１、２２の幅方向に移動する。本実施の態様では撮像部１０の移動に合わせて、一定周期ｓで鋼板突き合わせ部の画像を撮影し、撮影画像ごとに上記の第１の実施の態様に記載の処理を行い、鋼板２１の端部ｙｍｉｎと鋼板２２の端部ｙｍａｘの位置および、突き合わせ開先位置ｙｍｉｄ、開先ギャップ幅Δｙを検出する。本実施の態様では上位制御部（図示しない）から、データ処理部１９に、撮像部１０の移動位置データＬ（ｍｍ）が伝送されている。移動位置データＬとしては、例えばＣＣＤカメラ１１の視野中心座標であってもよい。
【００８１】
また、予めレーザ溶接トーチ３０でレーザビームを鋼板２１、２２に照射して得られた溶融ビードを、撮像部１０で撮影して校正用の撮像画像を得て、当該撮像画像における溶融ビードの中心点の画素座標を求める。ＣＣＤカメラ視野におけるレーザビーム照射位置を記録しておく事で、カメラ視野におけるレーザビームの相対的位置の校正を行う。
【００８２】
また、予め定規などの寸法基準を撮影する事で、カメラ視野（鋼板面上の実寸法）と撮像画像の寸法との校正を行っておく（カメラの水平画素、垂直画素について、実際の撮影画像に相当する長さを校正しておく）。
【００８３】
これらの校正用データを用いて、例えば突き合わせ開先位置の鋼板幅方向位置による変化の測定例を示す図１４のグラフの様に、溶接した鋼板２１、２２について、溶接開始点からの、鋼板２１の端部（Ｌ０）、鋼板２２の端部（Ｌ１）、突き合わせ開先位置（Ｌ２）、および溶接用レーザ照射位置（Ｌ３）をグラフに表現する事ができる。図１４において溶接用レーザ照射位置（Ｌ３）は一定値であるので、レーザ照射位置（Ｌ３）と突き合わせ開先位置（Ｌ２）の差分δを、溶接時の目外れ量として図１６の様に評価できる。さらに、突き合わせギャップ幅Δｙを図１５の様に評価できる。これらの結果をもとに、例えば目外れ量δや突き合わせギャップ幅について、許容できる限界値である管理閾値を予め設定しておけば、溶接の良否判定を行う事も可能である。
【００８４】
また、本発明の方法で得た突き合わせ開先位置の情報に基づいて、溶接中に開先線と垂直方向のレーザ溶接トーチ３０の位置を制御すれば目外れをゼロにする事が可能である。この場合、開先線と垂直方向の移動について、溶接トーチ３０の移動にともなって鋼板突き合わせ開先位置の検出装置１も開先線と垂直方向に移動しない様に、溶接トーチと開先検出装置とは独立の移動機構を持つ必要がある。
【００８５】
さらに、図１４のグラフから得られる鋼板２１あるいは鋼板２２の端部の形状（Ｌ０）、（Ｌ１）から、鋼板切断シャーの刃の状態を管理し、例えば鋼板２１、２２の端部の切断線の形状が板幅方向の曲がりが発生するなど、切断形状の劣化が見られた時に切断シャーの刃の整備や交換を行うなど、切断シャーの保守管理や、鋼板２１、２２を固定するクランプ装置のガタや弛みなど機械装置の保守管理に利用する事が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明は、テーラードブランクや冷延コイル溶接などシャー切断やプレス切断された端部を有する鋼板を突き合わせて、レーザやアーク溶接などの溶接装置で溶接を行う溶接機において、鋼板の突き合わせ部を検出するセンサーの鋼板端部の検出方法に関する発明である。
【符号の説明】
【００８７】
１ 鋼板突き合わせ開先位置の検出装置
１０ 撮像部
１１ ＣＣＤカメラ
１２ 照明装置
１３ ステージ
１４ レンズ
１５ 撮像制御部
１６ 信号線
１７ 画像処理部
１９ データ処理部
２１、２２ 鋼板
３０ レーザ溶接トーチ
３１ 横行キャリッジ
Ｂ、Ｂ１、Ｂ２ 鋼板突き合わせ部の開先ギャップ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２枚の鋼板の端部を鋼板面内で突き合わせた部分を撮像装置により得た撮像画像を用いて、該撮像画像を画像処理して前記２枚の鋼板それぞれの開先位置を計測する鋼板の突き合わせ開先位置の検出方法であって、
（１）前記撮像装置を前記２枚の鋼板の突き合わせ部に対向して配置して、突き合わせ線が前記撮像装置の撮像面の水平軸方向となるようにして撮像する撮像工程と、
（２）前記撮像工程で取得された撮像画像の全部、または突き合わせ部を含む部分画像について各画素の輝度値を、予め設定した閾値Ｔを用いて２値化処理して２値化画像を出力する２値化工程と、
（３）前記２値化画像において水平軸方向をｘ軸方向、垂直軸方向をｙ軸方向として、各画素座標（ｉ、ｊ）の２値化輝度値Ｕ´（ｉ、ｊ）について、ｙ軸方向に直接または１つおきに隣接する画素の２値化輝度値の差分である輝度差分値Ｖ（ｉ、ｊ）を、各ｉについて演算する工程イと、
（４）前記工程イで演算した輝度差分値Ｖ（ｉ、ｊ）を水平軸方向ｉについて積算して輝度差分射影値Ｗ（ｊ）を演算する工程ロと、
（５）前記工程ロで演算した輝度差分射影値Ｗ（ｊ）において、垂直軸方向ｊに関する正値および負値のピークの画素位置を求めて、前記２枚の鋼板それぞれの突き合わせ開先位置として検出するピーク位置検出工程と、
を有することを特徴とする鋼板の突き合わせ開先位置の検出方法。
【請求項２】
請求項１に記載の鋼板の突き合わせ開先位置の検出方法において、
前記２値化工程は、予め設定した複数の閾値Ｔを用いて２値化処理して、閾値Ｔそれぞれの前記２値化輝度値Ｕ´Ｔ（ｉ、ｊ）を求め、
前記工程イは閾値Ｔそれぞれについて前記輝度差分値を演算し、
前記工程ロは閾値Ｔそれぞれについて前記輝度差分射影値を演算し、
前記ピーク位置検出工程は、
閾値Ｔそれぞれについて前記輝度差分射影値の垂直軸方向ｊに関する正値のピークの画素位置とピーク値、および、負値のピークの画素位置とピーク値を求めて、
閾値Ｔそれぞれピーク値のうち、正値のピーク値が最大となる閾値Ｔにおけるピークの画素位置、および、負値のピーク値が最小となる閾値Ｔにおけるピークの画素位置に基づいて前記２枚の鋼板それぞれの突き合わせ開先位置を検出する、
ことを特徴とする鋼板の突き合わせ開先位置の検出方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の鋼板の突き合わせ開先位置の検出方法において、
まず、予め設定した複数の角度θそれぞれで前記部分画像を回転させて回転画像を求め、
前記２値化工程は、前記複数の角度θの回転画像を２値化処理して、複数の角度θそれぞれの前記２値化輝度値を求め、
前記工程イは前記複数の角度θそれぞれについて前記輝度差分値を演算し、
前記工程ロは前記複数の角度θそれぞれについて前記輝度差分射影値を演算し、
前記ピーク位置検出工程は、
前記複数の角度θそれぞれについて前記輝度差分射影値の垂直軸方向ｊに関する正値のピークの画素位置とピーク値、および、負値のピークの画素位置とピーク値を求めて、
前記複数の角度θそれぞれピーク値のうち、正値のピーク値が最大となる角度θにおけるピークの画素位置、および、負値のピーク値が最小となる角度θにおけるピークの画素位置に基づいて前記２枚の鋼板それぞれの突き合わせ開先位置を検出する、
ことを特徴とする鋼板の突き合わせ開先位置の検出方法。
【請求項４】
さらに、前記２枚の鋼板それぞれの突き合わせ開先位置の検出値から突き合わせ開先ギャップを算出することを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の鋼板の突き合わせ開先位置の検出方法。
【請求項５】
前記２枚の鋼板は溶接するために突き合わせられた鋼板であることを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の鋼板の突き合わせ開先位置の検出方法。
【請求項６】
２枚の鋼板の端部を鋼板面内で突き合わせた部分の撮像画像を用いて、該撮像画像を画像処理して前記２枚の鋼板それぞれの開先位置を計測する鋼板の突き合わせ開先位置の検出装置であって、
前記２枚の鋼板の突き合わせ部に対向して配置され、突き合わせ線が撮像面の水平軸方向となるようにして撮像する撮像装置と、
前記撮像装置によって取得された撮像画像の全部、または突き合わせ部を含む部分画像について各画素の輝度値を、予め設定した閾値Ｔを用いて２値化処理して２値化画像を出力する画像処理部と、
前記２値化画像において水平軸方向をｘ軸方向、垂直軸方向をｙ軸方向として、各画素座標（ｉ、ｊ）の２値化輝度値Ｕ´（ｉ、ｊ）について、ｙ軸方向に直接または１つおきに隣接する画素の２値化輝度値の差分である輝度差分値Ｖ（ｉ、ｊ）を、各ｉについて演算し、
かつ前記輝度差分値Ｖ（ｉ、ｊ）を水平軸方向ｉについて積算して輝度差分射影値Ｗ（ｊ）を演算し、
かつ前記輝度差分射影値Ｗ（ｊ）において、垂直軸方向ｊに関する正値および負値のピークの画素位置を求めて、前記２枚の鋼板それぞれの突き合わせ開先位置として検出するデータ処理部と、
を有することを特徴とする鋼板の突き合わせ開先位置の検出装置。
【請求項１】
２枚の鋼板の端部を鋼板面内で突き合わせた部分を撮像装置により得た撮像画像を用いて、該撮像画像を画像処理して前記２枚の鋼板それぞれの開先位置を計測する鋼板の突き合わせ開先位置の検出方法であって、
（１）前記撮像装置を前記２枚の鋼板の突き合わせ部に対向して配置して、突き合わせ線が前記撮像装置の撮像面の水平軸方向となるようにして撮像する撮像工程と、
（２）前記撮像工程で取得された撮像画像の全部、または突き合わせ部を含む部分画像について各画素の輝度値を、予め設定した閾値Ｔを用いて２値化処理して２値化画像を出力する２値化工程と、
（３）前記２値化画像において水平軸方向をｘ軸方向、垂直軸方向をｙ軸方向として、各画素座標（ｉ、ｊ）の２値化輝度値Ｕ´（ｉ、ｊ）について、ｙ軸方向に直接または１つおきに隣接する画素の２値化輝度値の差分である輝度差分値Ｖ（ｉ、ｊ）を、各ｉについて演算する工程イと、
（４）前記工程イで演算した輝度差分値Ｖ（ｉ、ｊ）を水平軸方向ｉについて積算して輝度差分射影値Ｗ（ｊ）を演算する工程ロと、
（５）前記工程ロで演算した輝度差分射影値Ｗ（ｊ）において、垂直軸方向ｊに関する正値および負値のピークの画素位置を求めて、前記２枚の鋼板それぞれの突き合わせ開先位置として検出するピーク位置検出工程と、
を有することを特徴とする鋼板の突き合わせ開先位置の検出方法。
【請求項２】
請求項１に記載の鋼板の突き合わせ開先位置の検出方法において、
前記２値化工程は、予め設定した複数の閾値Ｔを用いて２値化処理して、閾値Ｔそれぞれの前記２値化輝度値Ｕ´Ｔ（ｉ、ｊ）を求め、
前記工程イは閾値Ｔそれぞれについて前記輝度差分値を演算し、
前記工程ロは閾値Ｔそれぞれについて前記輝度差分射影値を演算し、
前記ピーク位置検出工程は、
閾値Ｔそれぞれについて前記輝度差分射影値の垂直軸方向ｊに関する正値のピークの画素位置とピーク値、および、負値のピークの画素位置とピーク値を求めて、
閾値Ｔそれぞれピーク値のうち、正値のピーク値が最大となる閾値Ｔにおけるピークの画素位置、および、負値のピーク値が最小となる閾値Ｔにおけるピークの画素位置に基づいて前記２枚の鋼板それぞれの突き合わせ開先位置を検出する、
ことを特徴とする鋼板の突き合わせ開先位置の検出方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の鋼板の突き合わせ開先位置の検出方法において、
まず、予め設定した複数の角度θそれぞれで前記部分画像を回転させて回転画像を求め、
前記２値化工程は、前記複数の角度θの回転画像を２値化処理して、複数の角度θそれぞれの前記２値化輝度値を求め、
前記工程イは前記複数の角度θそれぞれについて前記輝度差分値を演算し、
前記工程ロは前記複数の角度θそれぞれについて前記輝度差分射影値を演算し、
前記ピーク位置検出工程は、
前記複数の角度θそれぞれについて前記輝度差分射影値の垂直軸方向ｊに関する正値のピークの画素位置とピーク値、および、負値のピークの画素位置とピーク値を求めて、
前記複数の角度θそれぞれピーク値のうち、正値のピーク値が最大となる角度θにおけるピークの画素位置、および、負値のピーク値が最小となる角度θにおけるピークの画素位置に基づいて前記２枚の鋼板それぞれの突き合わせ開先位置を検出する、
ことを特徴とする鋼板の突き合わせ開先位置の検出方法。
【請求項４】
さらに、前記２枚の鋼板それぞれの突き合わせ開先位置の検出値から突き合わせ開先ギャップを算出することを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の鋼板の突き合わせ開先位置の検出方法。
【請求項５】
前記２枚の鋼板は溶接するために突き合わせられた鋼板であることを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の鋼板の突き合わせ開先位置の検出方法。
【請求項６】
２枚の鋼板の端部を鋼板面内で突き合わせた部分の撮像画像を用いて、該撮像画像を画像処理して前記２枚の鋼板それぞれの開先位置を計測する鋼板の突き合わせ開先位置の検出装置であって、
前記２枚の鋼板の突き合わせ部に対向して配置され、突き合わせ線が撮像面の水平軸方向となるようにして撮像する撮像装置と、
前記撮像装置によって取得された撮像画像の全部、または突き合わせ部を含む部分画像について各画素の輝度値を、予め設定した閾値Ｔを用いて２値化処理して２値化画像を出力する画像処理部と、
前記２値化画像において水平軸方向をｘ軸方向、垂直軸方向をｙ軸方向として、各画素座標（ｉ、ｊ）の２値化輝度値Ｕ´（ｉ、ｊ）について、ｙ軸方向に直接または１つおきに隣接する画素の２値化輝度値の差分である輝度差分値Ｖ（ｉ、ｊ）を、各ｉについて演算し、
かつ前記輝度差分値Ｖ（ｉ、ｊ）を水平軸方向ｉについて積算して輝度差分射影値Ｗ（ｊ）を演算し、
かつ前記輝度差分射影値Ｗ（ｊ）において、垂直軸方向ｊに関する正値および負値のピークの画素位置を求めて、前記２枚の鋼板それぞれの突き合わせ開先位置として検出するデータ処理部と、
を有することを特徴とする鋼板の突き合わせ開先位置の検出装置。
【図１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
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【図８】
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【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【公開番号】特開２０１１−１０４６１７（Ｐ２０１１−１０４６１７Ａ）
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２６１７１０（Ｐ２００９−２６１７１０）
【出願日】平成２１年１１月１７日（２００９．１１．１７）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月１７日（２００９．１１．１７）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
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