JP2014048226A - 条鋼材の形状検査装置及び条鋼材の形状検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光学的手法を用いて、条鋼圧延ラインで圧延中の条鋼材の寸法異常を確実に検査する。
【解決手段】条鋼材の形状検査装置１０は、圧延機で圧延中の条鋼材Ｗの形状を検査する装置であって、条鋼材Ｗの移送方向に対して交わるように光切断線を照射する光照射部１１と、光切断線が照射された条鋼材Ｗを撮像レンズ１３を介して撮像する撮像部１２と、撮像部１２で撮像された画像内に写り込んだ光切断線に対して三角測量法の原理を適用して、条鋼材Ｗの形状を検出する形状検出部１５と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、条鋼圧延ラインにおいて、圧延中の条鋼材の形状を検査する装置及び方法に関する。

ビレットなどの鋼片から棒材や線材やなどの条鋼材を製造する条鋼圧延設備（条鋼圧延ライン）では、上流側より順に、加熱炉、粗圧延装置、中間圧延装置、仕上げ圧延装置が配置されているのが一般的である。線材を圧延する圧延ラインでは、仕上げ圧延装置の下流側に水冷帯、ピンチロール、巻取り装置が設置されている。棒鋼を圧延する圧延ラインでは、仕上げ圧延装置の下流側にデバイディングシャー（剪断設備）、水冷帯、冷却床が順番に設置されている。

このような条鋼圧延ラインにて製造される条鋼材に関しては、製品の表面などに疵が発生することがある。また、断面形状の異常、材幅の異常（寸法公差範囲を外れる）が発生することがある。バリなどの発生に伴う断面の形状異常、寸法異常もあり得る。このような形状異常や寸法異常が存在すると、製品としては出荷できないことになる。
条鋼材の表面に生じる表面疵を検査する方法としては、例えば、特許文献１に開示された技術がある。

特許文献１には、条鋼圧延ラインにおいて表面疵を光学的な手法を用いて検出する方法が開示されている。この特許文献は、熱間圧延によって鋼板、条鋼、又は鋼管等の金属材料を製造するプロセスにおいて、製品の表面に発生する欠陥を光学的方法で検出する方法であって、検査対象表面の酸化物がごく薄い段階にある箇所で、表面欠陥を検出する表面欠陥の検出方法を開示する。

また、条鋼材の形状異常を検出する方法としては、例えば、特許文献２に開示された技術もある。この特許文献は、基台と、前記基台に設けられ、検査対象となる棒鋼をクランプ・アンクランプする一対のワーククランプ部と、前記基台に設けられ、前記棒鋼の軸方向に移動して前記一対のワーククランプ部の間の検査領域の棒鋼を上方から撮影するカメラステージと、前記基台に設けられ、前記カメラステージと同期して前記棒鋼の軸方向に移動し前記棒鋼を下方から照明するライトステージと、前記基台に設けられ、前記ワーククランプ部にクランプされた前記棒鋼に対して進退自在であり、前記カメラステージが前記検査領域の棒鋼を撮影している検査の間は後退位置にあり、前記検査の終了に伴い前進位置に移動して、該前進位置で前記棒鋼を支承する一対のＶブロックを備えた進退移動ブロックと、前記進退移動ブロックに設けられ、前記ワーククランプ部のアンクランプ時に前記棒鋼を前記Ｖブロックで受け取り、該前進位置を前記棒鋼の周方向に所定角度回動させ、前記棒鋼の検査部位を変更して該棒鋼を前記ワーククランプ部に受け渡す揺動機構と、を具備した棒鋼形状検査装置を開示する。

特開２００１−２４２０８９号公報 特開２００９−１１５７４４号公報

前述した特許文献１の技術を用いることで、条鋼圧延ラインにて製造される条鋼の表面などに発生した疵を検出することは可能かもしれない。しかしながら、斯かる技術を用いたとしても、条鋼の断面形状の異常、幅寸法の異常、バリなどの発生に伴う寸法異常を検出することはできない。
特許文献２の技術は、条鋼の形状異常を検知する技術であるが、オフライン検査の技術を開示するものであって、条鋼圧延ラインにて製造途中にある条鋼の検査を行う技術を開示するものとはなっていない。

そこで、本発明は、上記問題点を鑑み、光学的手法を用いて、条鋼圧延ラインで圧延中
の条鋼材の寸法異常を確実に検査する技術を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
すなわち、本発明の形状検査装置は、圧延機で圧延中の条鋼材の形状を検査する装置であって、前記条鋼材に光切断線を照射する光照射部と、前記光切断線が照射された条鋼材を撮像レンズを介して撮像する撮像部と、前記撮像部で撮像された画像内に写り込んだ光切断線に対して三角測量法の原理を適用して、条鋼材の形状を検出する形状検出部と、を備えることを特徴する。
本願出願人らは、条鋼圧延ラインで熱間圧延中の条鋼材の形状をオンラインで検査する装置を開発するにあたり、熱間圧延中の条鋼材は赤熱していることに鑑み、パッシブ方式（自発光方式）の光学センサを利用することを考えた。しかしながら、自発光方式の光学センサは、条鋼材の温度によって材幅両端部の検出位置（座標）が不安定になったり、スケールなどの存在による表面状態の変化でも位置検出や形状検出が不安定になることが明らかとなった。そもそも、自発光方式の光学センサでは、形状計測はできないといった問題もある。
そこで、本願出願人らは、センサ自らが計測のための光を出すアクティブ方式の光学センサを採用することに至った。本発明で用いるアクティブ方式の光学センサは、条鋼材の移送方向に対して交わるように光切断線を照射する光照射部と、光切断線が照射された条鋼材を撮像レンズを介して撮像する撮像部と、撮像部で撮像された画像内に写り込んだ光切断線に対して三角測量法の原理を適用して、条鋼材の形状を検出する形状検出部とを備える。

好ましくは、前記撮像レンズが、テレセントリックレンズとされているとよい。
好ましくは、前記光照射部は、グリーンレーザ光源を備えているとよい。
一方、上記した条鋼材の形状検査装置を用いて、条鋼材の形状の検査を行うに際しては、前記形状検査装置の撮像部で取得した画像を基に、背景輝度以上の輝度を有し且つ最も端部に存在する２つの点を両端位置座標として抽出し、抽出された両端位置座標の差を条鋼材の直径として検出し、検出された直径を基に条鋼材の形状の検査を行うことを特徴とする。

また、上記した条鋼材の形状検査装置を用いて、条鋼材の形状の検査を行うに際しては、前記形状検査装置の撮像部で取得した画像において、最小二乗法により円の式に対するフィッティングを行い、前記フィッティングで得られた円の式を基に、条鋼材の直径を求め、求められた直径を基に条鋼材の形状の検査を行うことを特徴とする。
また、上記した条鋼材の形状検査装置を用いて、条鋼材の形状の検査を行うに際しては、前記形状検査装置の撮像部で取得した画像を基に、背景輝度以上の輝度を有し且つ最も端部に存在する２つの点を両端位置座標として抽出し、抽出した両端位置座標を「実測両端位置座標」とし、前記形状検査装置の撮像部で取得した画像において、最小二乗法により円の式に対するフィッティングを行い、前記フィッティングで得られた円の式から、条鋼材の両端位置座標を求め、求めた両端位置座標を本来、両端位置が存在すべき座標である「存在両端位置座標」とし、得られた「実測両端位置座標」と「存在両端位置座標」との差が許容値以上に異なる場合は、条鋼材の形状異常があると判定することを特徴とする。

好ましくは、前記フィッティングを行うに際しては、光切断線の頂点座標を抽出し、抽出した頂点座標から所定の範囲にある光切断線の各点座標を用いて、最小二乗法により円の式に対するフィッティングを実施するとよい。

本発明によれば、光学的手法を用いて、条鋼圧延ラインで圧延中の条鋼材の形状異常や寸法異常を確実に検査することができる。

条鋼を製造する条鋼圧延ラインの全体図である。 形状検査装置の概略を示した図である。 撮像された画像の一例を示した図である。 条鋼材の幅測定の手法を説明するための図である。 はみ出しや欠損を検出するための手法を説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面に基づき説明する。
図１は、条鋼を製造する条鋼圧延ライン１の全体図である。
図１に示すように、条鋼圧延ライン１は、条鋼材Ｗを製造するものである。なお、条鋼圧延ライン１が製造する条鋼材Ｗは、棒材であってもよく線材であってもよい。
条鋼圧延ライン１は、上流側から下流側に向けて順に、ビレットなどの鋼片を加熱する加熱炉２、粗圧延装置３、中間列圧延装置４、仕上げ圧延装置５、冷却装置６（水冷帯）が順番に設置されている。

粗圧延装置３、中間列圧延装置４、仕上げ圧延装置５は、それぞれ複数の圧延スタンド７を備えていて、圧延スタンド７には条鋼材Ｗを圧延するための圧延ロール８が設けられている。
条鋼圧延ライン１においては、まず、加熱炉２内に条鋼の元となるビレット（鋼片）を導入して加熱し、加熱したビレットをデスケーリングする。そして、デスケーリングした鋼片を粗圧延装置３で所定の大きさに粗圧延する。粗圧延装置３の圧延ロール８はＨＶ配列となっており、圧下方向が交互に変更されながら圧延される。中間列圧延装置４や仕上げ圧延装置５では、各圧延ロール８によって断面形状が楕円から丸状になるように圧延されて、最終的に目標とする形状（例えば、丸形状）に圧延される。丸形状に圧延された条鋼材Ｗは、冷却装置６にて冷却されて、線材であれば巻き取り装置９によって巻き取られ、棒鋼材であれば、デバイディングシャー（図示せず）により所定の長さに切断される。

加えて、本発明の条鋼圧延ライン１には、圧延中の条鋼材Ｗの形状や断面幅寸法（材幅と呼ぶこともある）を検出するために、形状計測装置１０が設置されている。形状計測装置１０は、例えば、仕上げ圧延装置５の出側に設けられているが、設置場所は限定されるものではない。
以下、形状計測装置１０について詳しく説明する。

図２は、形状計測装置１０の構成を模式的に示した図である。
形状計測装置１０は、圧延されて移送されつつある条鋼材Ｗの表面に対し、その幅方向（移送方向に略直角方向）にシート状乃至はライン状のレーザ光、すなわち光切断線Ｓを照射する光照射部１１を備えている。光照射部１１は、スポット状のレーザ光を発射するレーザ投光器（図示せず)と、レーザ投光器が投光したスポット光が入射されてシート状のレーザ光へと集光するシリンドリカルレンズ（図示せず）からなる。

光照射部１１から照射されるレーザは、条鋼材Ｗの材幅より広い幅を有し、その波長は、例えば波長５３２ｎｍ程度とされ、グリーンレーザと呼ばれるものが好適とされる。
さらに、形状計測装置１０は、光切断線Ｓが照射された条鋼材Ｗの表面を撮像する撮像部１２を有している。本実施形態の場合、撮像部１２はＣＣＤカメラ（エリアカメラ）で構成されている。光照射部１１と撮像部１２は、挟み角αを設けた光切断法（三角測量法）の配置とされている。

この撮像部１２に取り付けられた撮像レンズ１３は、テレセントリックレンズとされている。テレセントリックレンズとは、レンズの片側において光軸と主光線が平行とみなせるようになるレンズであり、テレセントリックレンズを用いて撮像した場合、被写体が前後に移動したり上下にブレたりしても被写体サイズが変動しないといった特徴を有する。このテレセントリックレンズの前面には、光照射部１１から照射されるグリーンレーザのみを透過する光学フィルタ１４（干渉フィルタ）を設けるとよい。

図３には、撮像された画像の一例が示されている。画像の左上端が原点であり、横方向にＸ軸、上下方向にＹ軸が設定されている。図３の画像から明らかなように、条鋼材Ｗの材幅方向の全てに照射された光切断線Ｓが映り込むように、光照射部１１と撮像部１２の設置場所や撮像レンズ１３の焦点距離などが設定される。
撮像部１２で撮像された光切断線Ｓを含む画像は、形状検出部１５へと送られる。形状
検出部１５では、送られてきた画像をフレームメモリに取り込み、このフレームメモリ及び当該フレームメモリが内蔵されたコンピュータを利用して、撮像部１２で撮像された画像に二値化などの処理を施すことで、光切断線Ｓのみが抽出される。

抽出された光切断線Ｓの情報（画像データ）は、形状検出部１５を構成するコンピュータの処理部へ送られる。コンピュータは、パーソナルコンピュータ等であって、このコンピュータにおいて、抽出された光切断線Ｓに対して三角測量法の原理を適用することで、条鋼材Ｗの表面における高さ分布（形状）や材幅（断面幅寸法）が算出される。
ところで、条鋼材Ｗの３次元形状を正確に検出するためには、光切断線Ｓの座標を正しく割り出すことが不可欠である。特に、条鋼材Ｗの材幅を正確に検出するためには、光切断線Ｓの両端部（上下端部）の座標を正しく割り出すことが必要である。

本実施形態の形状検出部１５では、以下の判定処理（判定処理１〜判定処理４）を用いて、正確な材幅の測定、はみ出しや欠損等の存在に伴う形状異常を検出している。
［判定処理１］
まず、判定処理１としては、撮像部１２で取得した画像より、背景輝度以上の輝度のうち、最も端部（上端部、下端部）に存在する２つの点を両端位置として抽出し、その両端位置（両端座標）の差を材幅（断面幅）として出力するようにしている。材幅を正確に知るためには、画像上での両端位置をサブピクセルの精度で検出することが好ましい。
［判定処理２］
また、判定処理２として、図４（ａ）に示す如く、撮像部１２で取得した画像の原点近傍において、例えば１００ピクセル×１００ピクセルの探索領域を設定する（図４（ａ）において（１）と記された矩形）。この矩形領域内において輝度の平均値を計算し、得られた輝度値を背景輝度（閾値）とする。その後、Ｘ方向に沿った走査ライン毎に、計算した背景輝度以上の輝度を有し、且つ１ライン上で最大輝度となる画素位置を探索する。この走査をＹ方向に順に行ってゆく（図４（ｂ）で（２）と記された処理）。

次に、各走査ラインで探索された画素位置に関し、隣り合う走査ラインで検出された画素位置を一塊のライン図形として認識し、その一塊のライン図形のＹ方向の長さが、例えば９００ピクセル以上連続しているものを棒鋼材の光切断線Ｓとする。得られた光切断線Ｓの両端部の画素位置を上下限位置として求める。この場合も、サブピクセルオーダで座標位置を求めることが好ましい。

以上述べた判定処理１、判定処理２によれば、条鋼材Ｗの表面状態に寄らず、条鋼材Ｗの幾何学的条件（条鋼材Ｗの存在範囲）のみによって断面幅を算出するので、圧延中の条鋼材Ｗの材幅を遠隔に且つ正確に求めることができる。
なお、圧延中の条鋼材Ｗの場合、位置変動や振動等が加わり、両端座標位置を安定に検出することが難しい場合であっても、本発明の形状計測装置１０においては、撮像レンズ１３がテレセントリックレンズとされているため、条鋼材Ｗが前後に移動したり上下にブレたりしても条鋼材Ｗのサイズが変動しない。それ故、常に条鋼材Ｗの材幅を正確に求めることができる。
ところで、圧延中の条鋼材Ｗの場合、両端部が湾曲しており、両端部に対応する光切断線Ｓがきれいに抽出できるとは限らない。斯かる状況に対応して正確に断面寸法を検出する方法について、判定処理３として述べる。
［判定処理２’］
ところで、圧延中の条鋼材Ｗの材幅を求める処理として、判定処理２に代えて、以下に述べる手法も採用可能である（判定処理２’）。

まず、判定処理２と同様に、図４（ａ）において、探索領域である矩形領域内において輝度の平均値を計算し、得られた輝度値を背景輝度（閾値）とする。その後、Ｘ方向に沿った走査ライン毎に、計算した背景輝度以上の輝度を有し、計算した背景輝度以上の輝度を有する画素を全て抽出し、抽出した全画素を対象にして平均輝度値を求める。この走査をＹ方向に順に行ってゆく。

次に、Ｙ方向の走査線数分の平均輝度値の配列（データ並び）に対し、それぞれ隣り合う輝度値での微分（差分）を行い、微分値の最も大きい座標を抽出し、抽出された座標（
上下２つの座標）を光切断線Ｓの両端座標値とする。得られた両端座標値の上下差を求めることで、条鋼材Ｗの材幅を求めることができる。
［判定処理３］
判定処理３としては、図４（ｂ）に示す如く、撮像部１２で取得した画像において、光切断線Ｓの頂点座標（最も高い点）を抽出する。その後、抽出した頂点座標から±β角度（βは最大９０°、実験的に求めて設定した値）の範囲の光切断線Ｓの各点座標を用い、円の式（Ｘ^２＋Ｙ^２＝Ｒ^２）に対して最小二乗法によりフィッティングを行うようにする。このフィッティング操作で得られた円の式を基に、最も確からしい２Ｒ（直径）、すなわち材幅を求めるようにしている。
なお、βの値を小さいもの（β＝４５〜６０°程度）とすることで、材幅値をより高精度に求めることが可能である。
［判定処理４］
ところで、圧延後の条鋼材Ｗの形状を監視する場合、材幅のみでは管理しきれない「はみ出し（条鋼材Ｗの材料が一方にはみ出すようになる）」や「欠損（条鋼材Ｗの一部がへこんだ形となる）」が問題となる（図５参照）。圧延機を通過する棒鋼の中心軸がズレた場合、はみ出し量と欠損量が同程度になると、材幅値としては変化無いが、圧延形状としては不適（ＮＧ品）である。

そこで、本実施形態の形状計測部では、図５に示すような判定処理４を行うようにしている。
判定処理４では、まず、判定処理１や判定処理２を用いて、材幅を求めると共に、条鋼材Ｗの両端位置座標（上端座標及び下端座標）を算出し記録しておく。判定処理１，２で得られた両端位置座標を「実測した両端位置座標」とする。

さらに、判定処理３を用いて、最小二乗法に基づいたフィッティングを行い、円の式（Ｘ^２＋Ｙ^２＝Ｒ^２）を求める。求まった円の式から、材幅を求めると共に、条鋼材Ｗの両端位置座標を求める。判定処理３で得られた両端位置座標は「本来、両端位置が存在すべき座標」と考えることができる。
その上で、本来両端位置が存在すべき座標（Ｘ，Ｙ）（判定処理３で得られた座標値）と、実測した両端位置座標（Ｘ’，Ｙ’）（判定処理１，２で得られた座標値）が許容値以上に異なる場合は、形状異常があると判定する。

具体的には、実測した両端座標位置（Ｘ’，Ｙ’）が、本来両端位置（Ｘ，Ｙ）よりも外にある場合は、「はみ出しあり」と判定する。また、実測した両端位置（Ｘ’，Ｙ’）が、本来両端位置（Ｘ，Ｙ）よりも内にある場合は、「欠損あり」として判断し、不良品であると判定する。
以上述べたように、条鋼材Ｗの移送方向に対して交わるように光切断線Ｓを照射する光照射部１１と、光切断線Ｓが照射された条鋼材Ｗをテレセントリックレンズ１３を介して撮像する撮像部１２と、撮像部１２で撮像された画像内に写り込んだ光切断線Ｓに対して三角測量法の原理を適用して、条鋼材Ｗの形状を検出する形状検出部１５と、を備える条鋼材Ｗの形状検査装置１０を用いることで、条鋼圧延ライン１で圧延中の条鋼材Ｗの寸法異常を確実に検査することができるようになる。

なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。

１ 条鋼圧延ライン
２ 加熱炉
３ 粗圧延装置
４ 中間列圧延装置
５ 仕上げ圧延装置
６ 冷却装置
７ 圧延スタンド
８ 圧延ロール
９ 巻き取り装置
１０ 形状計測装置
１１ 光照射部
１２ 撮像部
１３ 撮像レンズ
１４ 光学フィルタ
１５ 形状検出部
Ｗ 条鋼材
Ｓ 光切断線

Claims (7)

1. 条鋼圧延ラインで圧延中の条鋼材の形状を検査する装置であって、
   前記条鋼材に交わるように光切断線を照射する光照射部と、
   前記光切断線が照射された条鋼材を撮像レンズを介して撮像する撮像部と、
   前記撮像部で撮像された画像内に写り込んだ光切断線に対して三角測量法の原理を適用して、条鋼材の形状を検出する形状検出部と、
   を備えることを特徴する条鋼材の形状検査装置。
2. 前記撮像レンズが、テレセントリックレンズとされていることを特徴する請求項１に記載の条鋼材の形状検査装置。
3. 前記光照射部は、グリーンレーザ光源を備えていることを特徴する請求項１又は２に記載の条鋼材の形状検査装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載された条鋼材の形状検査装置を用いて、条鋼材の形状の検査を行うに際しては、
   前記形状検査装置の撮像部で取得した画像を基に、背景輝度以上の輝度を有し且つ最も端部に存在する２つの点を両端位置座標として抽出し、抽出された両端位置座標の差を条鋼材の直径として検出し、検出された直径を基に条鋼材の形状の検査を行うことを特徴とする条鋼材の形状検査方法。
5. 請求項１〜３のいずれかに記載された条鋼材の形状検査装置を用いて、条鋼材の形状の検査を行うに際しては、
   前記形状検査装置の撮像部で取得した画像において、最小二乗法により円の式に対するフィッティングを行い、前記フィッティングで得られた円の式を基に、条鋼材の直径を求め、求められた直径を基に条鋼材の形状の検査を行うことを特徴とする条鋼材の形状検査方法。
6. 請求項１〜３のいずれかに記載された条鋼材の形状検査装置を用いて、条鋼材の形状の検査を行うに際しては、
   前記形状検査装置の撮像部で取得した画像を基に、背景輝度以上の輝度を有し且つ最も端部に存在する２つの点を両端位置座標として抽出し、抽出した両端位置座標を「実測両端位置座標」とし、
   前記形状検査装置の撮像部で取得した画像において、最小二乗法により円の式に対するフィッティングを行い、前記フィッティングで得られた円の式から、条鋼材の両端位置座標を求め、求めた両端位置座標を本来、両端位置が存在すべき座標である「存在両端位置座標」とし、
   得られた「実測両端位置座標」と「存在両端位置座標」との差が許容値以上に異なる場合は、条鋼材の形状異常があると判定することを特徴とする条鋼材の形状検査方法。
7. 前記フィッティングを行うに際しては、光切断線の頂点座標を抽出し、抽出した頂点座標から所定の範囲にある光切断線の各点座標を用いて、最小二乗法により円の式に対するフィッティングを実施することを特徴とする請求項５又は６に記載の条鋼材の形状検査方法。