JP2024010811A - 金属体の移動速度測定方法及びその移動速度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ライン設備自体に測定のためのロールやその他付帯する装置を取り付けることなく、安価で簡便な金属体の移動速度を測定する技術を提供する。
【解決手段】パスラインＰに沿って搬送される金属体の移動速度測定方法であって、定位置で、搬送される金属体の表面１ａを撮像するカメラ２を有し、上記カメラ２で測定対象を撮像した２つの撮像画像間における、測定対象表面１ａの模様１１の移動量を算出し、その移動量と、上記２つの撮像画像の撮像時間間隔とから、測定対象の移動速度を算出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、鋼板や鋼管などの搬送される金属体の移動速度を測定する技術に関する。本発明は、例えば、熱延鋼板圧延ラインや冷延鋼板圧延ライン、鋼管製造ラインなどの鋼板製造ラインにおける鋼板の搬送時の移動速度（搬送速度）の測定に好適な技術である。

従来の鋼板の速度測定方法としては、例えば、特許文献１～３に記載の方法がある。
特許文献１には、製造ラインに設置された鋼板と接触するロールにおけるロールモーターの回転パルスを用いて鋼板速度を算出する方法が記載されている。

また、特許文献２には、非接触型の鋼板速度測定方法が記載されている。その測定方法は、レーザー光を鋼板表面に照射し、ドップラー効果による反射光周波数の速度変化を利用する方法である。

また、特許文献３には、鋼板以外の速度測定方法として、カメラを用いた速度算出方法がある。その方法は、被測定物にマーキングを施し、撮像した画像上のマーク間隔と実際のマーク間隔との関係から、被測定物の移動速度を算出する方法である。

特開昭５１－０３２６５８公報 特開平５－１２３７４９公報 特開２００１－１０８６９５公報

しかし、ロールモーターの回転パルスによる鋼板速度の測定方法では、測定対象の製造設備に対し、測定用のロールやその他付帯する装置を大規模改造にて設置する必要がある。このため、ライン（製造設備）によっては、容易には測定装置の設置ができないという問題点があった。

また、ドップラー効果を利用したレーザー光を用いる鋼板速度の測定方法では、非接触で測定するため、測定装置を測定対象ラインに後付け可能である。しかし、この測定方法は、導入費用が高価である。また、この測定方法は、圧延ライン環境からの影響を防止するために、エアパージ装置といった付帯品の設置の必要性や、設置位置の制約がある。すなわち、この測定方法は、費用と簡便性について問題があった。

また、特許文献３のような測定方法は、測定対象に目印としてマーキングを施す必要があり、マーキング装置等の付帯設備の導入も必要となる。

本発明は、上記のような点に着目してなされたもので、ライン設備自体に測定のためのロールその他の付帯する装置を取り付けることなく、安価で簡便な金属体の移動速度を測定する技術を提供することを目的とする。

課題解決のために、本発明の一態様は、パスラインに沿って搬送される金属体の移動速度を測定する方法であって、定位置で、搬送される金属体の表面を撮像するカメラを有し、上記カメラが撮像した２つの撮像画像間における、上記金属体表面の模様の移動量を算出し、その移動量と、上記２つの撮像画像の撮像時間間隔とから、上記金属体の移動速度を算出する、ことを要旨とする。

本発明の態様によれば、搬送される金属体表面を非接触で撮像した２つの撮像画像に帯する画像処理で金属体の移動速度を算出する。この結果、本発明の態様によれば、ライン設備自体に測定のためのロールやその他付帯する装置を取り付ける必要がない。そして、本発明の態様によれば、安価で簡便な金属体の移動速度を測定する技術を提供するが可能となる。

本発明に基づく実施形態に係る移動速度測定装置を説明するための模式図である。 本発明に基づく実施形態に係る速度演算部の構成を説明する図である。 画像領域などの領域を説明する図である。 画像処理による移動量の算出方法を説明する模式図である。 実施例の効果を説明する図である。

次に、本発明に基づく実施形態について図面を参照して説明する。
本実施形態では、金属体として鋼板を例に挙げて説明する。また本実施形態では、鋼板圧延ラインにおける、圧延される鋼板の搬送速度（移動速度）を測定する場合を例に挙げて説明する。搬送速度を測定する箇所は、圧延前でも圧延中でも圧延後でも構わない。
なお、鋼板その他の金属板は、その表面全面に金属特有の地合い模様を有する。また、表面処理が施されている場合も、表面処理による地合い模様が形成されている。

また、以下の説明では、冷延鋼板圧延ラインを想定して説明するが、適用するラインは、熱延鋼板圧延ラインや表面処理ラインなどでも構わない。また、対象とする金属体は、平板状の鋼板に限定されず、鋼管や形鋼などの金属体であって構わない。予め設定したパスラインに沿って搬送される金属体であり、所定の面を有する物体であれば、本発明は適用可能である。

（構成）
本実施形態では、図１に示すように、鋼板１が、パスラインＰに沿って搬送されるとする。図１では、鋼板１（金属帯）が右から左に向けて移動する場合である。
本実施形態の移動速度測定装置は、図１に示すように、カメラ２、ストロボ光源３、ストロボ装置５、同期制御部６、及び速度演算部８を備える。

＜カメラ２＞
カメラ２は、搬送される鋼板１の表面１ａ（図１では上面）を撮像する。本実施形態では、カメラ２は、同期制御部６から同期信号が入力される度に撮像を行う。すなわち、カメラ２は、予め設定されたサンプリング周期で鋼板１の表面１ａを撮像する。図１中、符号９は、カメラ２を支持する固定アームを、符号１０は雲台を示す。

本実施形態では、カメラ２の撮像軸は、搬送される鋼板１の表面１ａに対し垂直方向（本実施形態では鉛直方向）を向いている。撮像範囲を多くするために、カメラ２の撮像軸は、上記垂直方向に対し搬送方向へ傾いていてもよい。撮像軸を傾けた場合、画像を射影変換することで、撮像画像を標準化（真上から見た画像）とすればよい。

＜ストロボ光源３＞
ストロボ光源３は、撮像領域中の鋼板１の表面１ａに向けて発光可能に設置される。図１中、符号４は、ストロボ光源３を支持する三脚を示す。ストロボ光源３は、ストロボ装置５からの信号によって、カメラ２の撮像と同期をとって発光可能となっている。

＜同期制御部６＞
同期制御部６は、所定サンプリングで、カメラ２及びストロボ装置５に同期をとって、信号を送る処理を実行する。

同期制御部６は、例えば図１に示すように、ファンクションジェネレータ６Ａと信号変換回路６Ｂとを備える。

ファンクションジェネレータ６Ａは、トリガー信号を生成する。信号変換回路６Ｂは、トリガー信号（アナログ信号）をデジタル信号に変換し、変換したデジタル信号をストロボ装置５及びカメラ２に出力する。ファンクションジェネレータ６Ａは、パーソナルコンピューター７に有線で接続される。

そして、トリガー信号がΔＴ秒間隔で生成され、ファンクションジェネレータ６Ａから生成したトリガー信号によって、ストロボ発光とカメラ２での撮像が同時に実施される。これによって、ΔＴ秒間隔で撮像が実施され、撮像された撮像画像はパーソナルコンピューター７へ転送される。

＜速度演算部８＞
速度演算部８は、パーソナルコンピューター７で実行されるプログラムとして構成される。パーソナルコンピューター７は、画像処理機能を備える。
速度演算部８は、図２に示すように、画像取得部８Ａ、画像処理部８Ｂ、及び速度算出部８Ｃを備える。

［画像取得部８Ａ］
画像取得部８Ａは、カメラ２が撮像した撮像画像を所定サンプリング周期で取得する。

ここで、カメラ２が撮像する撮像領域は、例えば、鋼板１の幅方向全体の領域を含み、図３に示すように、搬送方向（パスラインＰ）に沿って所定長さまで鋼板１が入るように設定する。若しくは、撮像領域の搬送方向の長さに応じて、サンプリング周期を設定する。

例えば、撮像領域の搬送方向の長さを、相対的に、鋼板１の搬送速度の想定される上限値に、サンプリング時間を掛けた値以上に設定する。例えば、鋼板１の搬送速度の想定される上限値に、サンプリング時間の２倍を掛けた値に設定する。
このように設定することで、一の撮像画像での鋼板１上流側の半分が、次の撮像画像に確実に存在させることができる。

また、取得した撮像画像について、エッジ強調処理などを実行して、鋼板１の領域（鋼板領域ＡＲＡ２）の切り取り処理（画像処理）を実行する。この処理は、画像処理部８Ｂでも構わない。鋼板領域ＡＲＡ２は、鋼板領域ＡＲＡ２の中心と画像領域ＡＲＡ１の中心とが一致するように設定され、図３に示すように、長辺がパスラインＰと平行な矩形の領域とする。以降、この鋼板領域ＡＲＡ２を基準に、処理を実行する。この鋼板領域ＡＲＡ２に鋼板１の幅方向外方を含んでいても良いし、鋼板領域ＡＲＡ２は、鋼板１の幅方向端部よりも内側に設定しても良い。つまり、鋼板領域ＡＲＡ２の幅方向の寸法は、鋼板１の幅よりも広くても狭くても構わない。

また、撮像画像は、シェーディング補正による輝度むら除去と輝度強調処理を実施することにより、鋼板地合い模様を識別容易となるようにしている。また、ストロボ撮影も鋼板地合い模様を識別容易とするために実行している。

［画像処理部８Ｂ］
画像処理部８Ｂは、画像取得部８Ａが取得した撮像時刻の異なる２つの撮像画像について画像処理を行う。具体的には、画像処理部８Ｂは、デジタル画像相関法によって、上記２つの撮像画像間における、測定対象表面１ａの模様の移動量を算出する。２つの撮像画像は、時刻が先の１の撮像画像（第１撮像画像）と、その次に画像取得部８Ａが取得したΔＴ秒後の撮像画像（第２撮像画像）とである。

この処理を、画像処理部８Ｂは繰り返し実行する。例えば、上記の第２撮像画像を第１撮像画像として次の画像処理を繰り返す。又は、例えば、連続して取得する２つの撮像画像毎に組を構成して、組毎に上記の画像処理を実行する。

画像処理部８Ｂにおける、移動量に算出方法例について説明する。
本実施形態では、鋼板１に固有の地合い模様を検出し、移動量を算出するとする。

予め、鋼板領域ＡＲＡ２中の所定の位置（予め設定した位置）に対し、テンプレート領域ＡＲＡ３を設定しておく（図３参照）。テンプレート領域ＡＲＡ３は、鋼板領域ＡＲＡ２の幅方向中央部に設定することが好ましい。また、テンプレート領域ＡＲＡ３の大きさは、他の地合い模様と区別可能な模様を取得可能な大きさとする。
なお、鋼板領域ＡＲＡ２を設定せずに、画像領域ＡＲＡ１に対し直接テンプレート領域ＡＲＡ３を設定しても良い。

そして、画像処理部８Ｂは、図４（ａ）のように、第１撮像画像の画像領域ＡＲＡ１からテンプレート領域ＡＲＡ３に位置する、地合い模様１１（鋼板１の模様パターン）を取得する。

次に、画像処理部８Ｂは、デジタル画像相関法によって、第２撮像画像の鋼板領域ＡＲＡ２における、取得した鋼板１の模様パターンの領域が位置する領域を相関領域ＡＲＡ３－１と認識する（図４（ｂ）参照）。そして鋼板領域ＡＲＡ２における、テンプレート領域ＡＲＡ３から相関領域ＡＲＡ３－１までのパスラインＰに沿った移動量を、移動画素量として算出し、１画素当りの移動量に基づき鋼板１の移動量を求める。
なお、相関領域ＡＲＡ３－１の抽出は、画像領域ＡＲＡ１全域に行う必要がなく、少なくとも鋼板領域ＡＲＡ２内だけに実行すれば良い。また、パスラインＰの沿った移動の際の鋼板幅方向への揺動量（蛇行量）が所定範囲内に収まるようであれば、その所定範囲の安全代分だけテンプレート領域ＡＲＡ３よりも幅が広い領域を、鋼板領域ＡＲＡ２の幅に設定してもよい。この場合、鋼板１の幅よりも鋼板領域ＡＲＡ２の幅が狭く設定される。

［速度算出部８Ｃ］
速度算出部８Ｃは、画像処理部８Ｂが算出した移動量と、上記２つの撮像画像の撮像時間間隔ΔＴとから、測定対象の移動速度を算出する。速度算出部８Ｃは、具体的には、移動量をΔＴで除すことで、移動速度（＝移動量／ΔＴ）を算出する。

（動作その他）
本実施形態によれば、鋼板１の移動速度（搬送速度）を測定するために、搬送設備（ライン）自体に付帯設備を設置する必要が無い。本実施形態では、搬送速度を測定するための情報として、カメラ２が非接触で撮像する撮像画像を用いる。

本実施形態では、撮像画像中の鋼板地合い模様１１を識別容易とするために、ストロボ撮影としているが、ストロボ光源３が無くても良い。また、ストロボ光源３は、カメラ２が有していてもよい。ただし、ストロボによる発光を行った方が、鋼板１の表面１ａの地合い模様１１が明瞭となり、より測定精度が向上する。

このように、本実施形態では、製造ライン上に設置可能なカメラ２と、ストロボ光源３による光学機器構成を非接触でライン近傍に設置するだけである。この結果、本実施形態の装置は、容易に設置可能であり、簡便に鋼板１速度の測定ができる。

そして、本実施形態では、時刻をずらして取得した２組の撮像画像中の鋼板１の表面１ａの地合い模様１１の移動量を画像処理で演算するため、予めマーキング処理を実行する必要がない。またこのとき、撮像画像中の領域に対し、予めテンプレート領域ＡＲＡ３を設定しておくことで、地合い模様１１の選定、及び移動後の地合い模様１１の位置の認識処理が容易となる。

このように、本実施形態では、撮像画像中に含まれる測定対象物固有の模様１１を捉え、撮像画像間で測定対象物にみられる模様１１の移動量を演算することにより、対象物の速度を算出する。

以上のように、本実施形態によれば、搬送される金属体表面１ａを撮像した２つの撮像画像の画像処理で金属体の移動速度を算出する。この結果、本実施形態によれば、ライン設備自体に測定のためのロールやその他付帯する装置を取り付ける必要がない。そして、本実施形態によれば、安価で簡便な金属体の移動速度を測定する技術を提供するが可能となる。

（その他）
本開示は、次の構成も取り得る。
（１）パスラインに沿って搬送される金属体の移動速度を測定する方法であって、
定位置で、搬送される金属体の表面を撮像するカメラを有し、
上記カメラが撮像した２つの撮像画像間における、上記金属体表面の模様の移動量を算出し、その移動量と、上記２つの撮像画像の撮像時間間隔とから、上記金属体の移動速度を算出する。
（２）上記２つの撮像画像に基づく移動量の算出は、デジタル画像相関法によって実行する。
（３）上記模様は、上記金属体表面に有する金属体固有の模様とする。
（４）上記２つの撮像画像のうちの、時刻が先の撮像画像の画像領域に予め設定されたテンプレート領域ＡＲＡ３に存在する画像を上記模様とし、画像処理によって、その模様の模様パターンと同じ画像の領域を、時刻が後の撮像画像の画像領域から抽出することとで、上記移動量を算出する。
（５）所定サンプリング周期で撮像画像を取得して、上記移動速度の算出を連続して実行する。
（６）パスラインに沿って搬送される金属体の移動速度測定装置であって
搬送される金属体の表面を撮像するカメラと、
上記カメラが撮像した撮像画像を取得する画像取得部と、
上記画像取得部が取得した撮像時刻の異なる２つの撮像画像について、デジタル画像相関法によって画像処理を行い、上記２つの撮像画像間における、金属体表面の模様の移動量を算出する画像処理部と、
上記画像処理部が算出した移動量と、上記２つの撮像画像の撮像時間間隔とから、測定対象の移動速度を算出する速度算出部と、を備える。
（７）上記カメラの撮像位置に光を発光するストロボ光源と、
上記カメラの撮像に同期をとって、上記ストロボ光源を起動する同期制御部と、を備える。
（８）上記模様は、上記金属体表面に有する金属体固有の模様である。

次に、本実施形態に基づく実施例について説明する。
本実施例は、図１に示すような、冷延鋼板圧延ラインに適用し、図１に示すような装置構成で速読の測定を行った。

具体的には、冷延鋼板圧延ラインにおいて、カメラ２をライン上の鋼板１からの高さが１２５０ｍｍの位置に固定アーム９を設け、その固定アーム９に自由雲台１０よってカメラ２を定位置に固定した。また、ストロボ光源３をライン横側に三脚４にて設置した。ストロボ光源３は、カメラ２よりもライン後方に４００ｍｍ、鋼板１からの高さが１２５０ｍｍの位置となるように設置した。また、カメラ２の撮像軸とストロボ光源３の発光軸との角度が６０°となるように設置した。これによって、カメラ２及びストロボ光源３ともに、簡便に設置された。

このように、ライン周りの設置は、カメラ２とストロボ光源３の設置と各装置の配線を実施するだけで済む。このため、装置は、６時間程度の操業停止で設置可能となった。
設置後のカメラ２の調整としては、絞り調整による光量調整を行った。また、ストロボ発光の調整として、照射方向の微調整を行った。これらの調整も最小限で済むため、簡便な測定手法となる。

他の計測方法（比較例）として、比較的に取付けの際の設備改造が容易なドップラー板速計を採用した。この比較例と本実施例を比較すると、本実施例は、比較例のコストの１／３で導入可能であった。

また、ストロボ発光及びカメラ２撮像周期を１００Ｈｚ（１秒に１００回）とし、前後画像間での相関演算をソフトウェアにて実施するため、画像処理部８Ｂでの演算周期を５０Ｈｚとした。この場合、測定により０．０２秒間隔の速度データが得られた。

このとき、ストロボ発光及びカメラ２撮像周期は、撮像画像と測定対象（鋼板１）の最高速度を基に決定した。撮像画像中のテンプレート領域ＡＲＡ３にあった鋼板地合い模様１１がΔＴ秒後に撮像画像内に収まるような周期であればよい。

図５は、本発明を実施した際に測定した速度精度を検証するために、既設速度計速度（比較例）と比較したグラフである。なお、既設速度計速度は、ロールモーターの回転パルスにより速度測定を実行した。

図５のグラフは、鋼板１の搬送速度が定常状態となった速度域における、既設の形状計ロール速度をプロットした。また、測定により得られた速度が定常状態となった速度域の０．０２秒間隔の速度データに対して前５０データによるメジアンフィルタ処理を実施した。すなわち、処理後のデータを０．２秒間隔でサンプリングし、前後３点の移動平均を算出し、算出後のデータを１秒間隔でサンプリングした値をプロットした。

両者の平均値の差は０．０４％であった。これから、本実施例での測定は、従来のロールモーターの回転パルスによる速度測定結果と同程度の精度となる良好な結果が得られた。

１ 鋼板（金属体）
１ａ 表面
２ カメラ
３ ストロボ光源
５ ストロボ装置
６ 同期制御部
７ パーソナルコンピューター
８ 速度演算部
８Ａ 画像取得部
８Ｂ 画像処理部
８Ｃ 速度算出部
１１ 地合い模様
ＡＲＡ１ 画像領域
ＡＲＡ２ 鋼板領域
ＡＲＡ３ テンプレート領域
Ｐ パスライン

Claims (8)

1. パスラインに沿って搬送される金属体の移動速度を測定する方法であって、
   定位置で、搬送される金属体の表面を撮像するカメラを有し、
   上記カメラが撮像した２つの撮像画像間における、上記金属体表面の模様の移動量を算出し、その移動量と、上記２つの撮像画像の撮像時間間隔とから、上記金属体の移動速度を算出する、
   ことを特徴とする金属体の移動速度測定方法。
2. 上記２つの撮像画像に基づく移動量の算出は、デジタル画像相関法によって実行する、
   ことを特徴とする請求項１に記載した金属体の移動速度測定方法。
3. 上記模様は、上記金属体表面に有する金属体固有の模様とする、
   ことを特徴とする請求項１に記載した金属体の移動速度測定方法。
4. 上記２つの撮像画像のうちの、時刻が先の撮像画像の画像領域に予め設定されたテンプレート領域に存在する画像を上記模様とし、画像処理によって、その模様の模様パターンと同じ画像の領域を、時刻が後の撮像画像の画像領域から抽出することとで、上記移動量を算出する、
   ことを特徴とする請求項３に記載した金属体の移動速度測定方法。
5. 所定サンプリング周期で撮像画像を取得して、上記移動速度の算出を連続して実行する、
   ことを特徴とする請求項１～請求項４のいずれか１項に記載した金属体の移動速度測定方法。
6. パスラインに沿って搬送される金属体の移動速度測定装置であって
   搬送される金属体の表面を撮像するカメラと、
   上記カメラが撮像した撮像画像を取得する画像取得部と、
   上記画像取得部が取得した撮像時刻の異なる２つの撮像画像について、デジタル画像相関法によって画像処理を行い、上記２つの撮像画像間における、金属体表面の模様の移動量を算出する画像処理部と、
   上記画像処理部が算出した移動量と、上記２つの撮像画像の撮像時間間隔とから、測定対象の移動速度を算出する速度算出部と、
   を備えることを特徴とする金属体の移動速度測定装置。
7. 上記カメラの撮像位置に光を発光するストロボ光源と、
   上記カメラの撮像に同期をとって、上記ストロボ光源を起動する同期制御部と、
   を備えることを特徴とする請求項６に記載した金属体の移動速度測定装置。
8. 上記模様は、上記金属体表面に有する金属体固有の模様である、
   ことを特徴とする請求項６又は請求項７に記載した金属体の移動速度測定装置。
   

Images