JP5582280B2

JP5582280B2 - 棒鋼の真円度測定装置

Info

Publication number: JP5582280B2
Application number: JP2009084622A
Authority: JP
Inventors: 輝久岩田; 俊文児玉; 健太郎平山
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2014-09-03
Anticipated expiration: 2029-03-31
Also published as: JP2010236999A

Description

本発明は、棒鋼の真円度測定装置に関し、詳しくは、棒鋼の真円度を全長にわたって１０μｍ程度の高精度に測定する、棒鋼の真円度測定装置に関する。

背景となる従来技術として、特許文献１に記載の３ロール圧延材のプロフィール測定方法がある。これは、図５に示されるように、投光器1aと受光器1bの対で３ロール圧延機の出側の圧延材（棒鋼）２を挟む投影ビーム法による外径計１を少なくとも６台（投光器1aと受光器1bとの対を６対）、圧延材２の横断面に平行な同一平面内で圧延材軸線の周囲に周方向等間隔に固定配置し、また、該固定配置の位置は３ロール圧延機の中心から圧延材直径の１００倍以内の位置を好適としている。

特許第３８４５２５５号公報

背景技術による測定装置では、棒鋼のプロフィールをより正確に測定するには、棒鋼外周上のエッジ位置を多数同時に検出すること、すなわち下記<1><2>が必要である。
<1> 外径計を同一断面上に多数（片側エッジ検出の場合で概ね１０〜２０台以上）、固定配置する。
<2> それらを同一タイミングで測定（同期をとって測定）する。

一方、図６に示すように、投受光式外径計においては、投光器1a〜受光器1b間の距離（投受光器間隔）は、測定精度や測定範囲にもよるが、３０ｍｍ程度の測定範囲で一般的に数百ｍｍ程度とされ、また、μｍオーダの高精度測定をするには、受光器1bから棒鋼２のエッジ位置を占める対象点Ｐまでの距離（対象点受光器間隔）に上限を設ける必要があるとされているように、距離制約がある。

そのため、投受光器間隔の短い外径計を多数、同一断面上に配置しようとすると、図７に例示するように、隣り合う外径計１同士の干渉20が生じてしまうので、上記<1>は実現不可能である。また、多数の外径計の同期をとるには、特殊仕様・設計が不可欠で、莫大なコストアップになることや、同期をとれる台数にも限度があることから、上記<2>は現実的とはいえない。

上述のように、従来技術では投受光式外径計を用いた棒鋼真円度のオンライン高精度測定は不可能であるという未解決の課題があった。

本発明は、前記課題を解決するために、オフラインで静止した棒鋼の真円度測定方法として知られる３点マイクロ法を、オンライン搬送中の棒鋼の真円度測定に適用することに着目した。
３点マイクロ法で静止した棒鋼の外径を測定する場合、図１（ａ）に示すように３点マイクロメータ30の３つの当接面31,32,33（３面のうち当接面31,32は固定、当接面33は可動）を棒鋼２に外接させ、可動当接面33を先端面とする計測ロッド34の目盛から外径値を求める。

前記３つの当接面は、同一円周の三等分点に外接するように（相互隣接面間角度６０°に）配置されているので、図１（ｂ）に示すように、前記同一円周の円Ｏ（円Ｏを中心とする円の意）と当接面31,32,33との接線は正三角形（△ＡＢＣ）をなし、円Ｏの直径Ｄと△ＡＢＣの高さｈとは、ｈ＝（３/２）×Ｄ、の関係を有する。よって、３点マイクロ法では計測ロッド34の目盛系を、点Ａがゼロ点で目盛単位幅が２点マイクロ法の場合の3/2倍になる目盛系とすることで、２点マイクロ法の場合と同様に直径Ｄを目盛から直読することができる。

３点マイクロ法は２点マイクロ法に比べ、真円度測定の信頼性が高い。その理由を図２を用いて説明する。
図２に示すように、棒鋼の真円度は、棒鋼断面図形の最大径と最小径の差で表される。最大径が前記棒鋼断面図形の外接円の直径（真の最大径）に近いほど、かつ、最小径が前記棒鋼断面図形の内接円の直径（真の最小径）に近いほど測定信頼性は高い。この点に関して、３点マイクロ法と２点マイクロ法を比較すると、３点マイクロ法では、図２（ａ）に示すように、棒鋼２の一断面図形と３つの当接面31,32,33との３点接触で円40が定まり、この円40は、最大径検出時では前記外接円に極めて近い円であり、最小径検出時では前記内接円に極めて近い円である。これに対し、２点マイクロ法では、図２（ｂ）に示すように、棒鋼２の一断面図形（図２(ａ）のそれと合同な図形）と２つの互いに平行な当接面31,33との２点接触で円41が定まり、この円41は、長径（最大径とみなされる）検出時では３点マイクロ法で定まる円40の最大径検出時より小さく、短径（最小径とみなされる）検出時では３点マイクロ法で定まる円40の最小径検出時より大きいのが一般的である。すなわち、２点マイクロ法に比べて３点マイクロ法の方が、検出した最大径が真の最大径により近く、かつ、検出した最小径が真の最小径により近いので、真円度の測定信頼性はより高いといえる。

なお、真円度の定義式は、図２に示した式：真円度＝最大径−最小径、に限らず、真円度＝（最大径−最小径）/公称径×１００（％）、真円度＝（１−（最大径−最小径）/公称径）×１００（％）、などとしてもよい。
本発明者らは、投受光式の外径計を用いた３点マイクロ法による棒鋼真円度測定について検討し、次の知見を得た。
1) 棒鋼通材方向に直交する１つの平面から棒鋼通材部分を除いた残りの面を配置面として該配置面内に３台の外径計を、各台が棒鋼のエッジ検出可能であるように、配置する必要がある。
2) 前記配置面は、面内の外径計によるエッジ検出可能位置が配置面ごとに異なるものを棒鋼通材方向沿いに少なくとも計４組もつ必要がある。
3) 同一配置面内の３台の外径計は、円周方向に１２０°間隔で配置するのが好ましいが、それ以外の場合でも、真円度測定は可能である。
4) 外径計は、棒鋼の片側エッジ検出するものが好ましいが、両側エッジ検出するものであってもよい。
5) 同一配置面内の３台の外径計で検出されるエッジ位置の計３点を通る円の直径を、少なくとも４組の相異なる配置面ごとに求め、それらのうちの最大値を最大径、最小値を最小径とし、最大径と最小径の差から真円度を導出できる。
6) 前記5)の真円度の導出は棒鋼全長にわたって行うことができる。

本発明は、上記知見を基になされたものであり、その要旨は以下のとおりである。
（請求項１）棒鋼搬送方向に直交する一平面から棒鋼通材部分を除いた残りの面内に投受光式の外径計３台を、各台による棒鋼のエッジ検出可能に配置して１組のセンサユニットとなし、該センサユニットの少なくとも４組を、異組間でエッジ検出可能位置を相異させて棒鋼搬送方向に直列に配置してなり、センサユニットごとに３台の外径計を同期して前記棒鋼の通材中に検出したエッジ位置３点を通る円の直径を求め、それらの最大値と最小値の差に基づいて真円度を導出する３点マイクロ法演算を、棒鋼の全長にわたって実行可能とされ、かつ、前記センサユニットはその複数組の全部を１つの架台に固定し、この架台ごと、搬送ラインの内のオンライン位置と外のオフライン位置の間の往復移動が可能であるように構成されたことを特徴とする棒鋼の真円度測定装置。
（請求項２）同一センサユニット内の３台の外径計は円周方向の１２０°ごとの角度位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の棒鋼の真円度測定装置。
（請求項３）前記棒鋼のエッジ検出が、棒鋼の片側エッジ検出であることを特徴とする請求項１または２に記載の棒鋼の真円度測定装置。

本発明によれば、次のような効果を奏する。
(1)外径計の投受光器間隔を狭めても３台ならば干渉なく同一平面上に配置できる。
(2)３点マイクロ法では、同一タイミングで検出される棒鋼円周方向のエッジ位置が少なくとも３点あれば直径の演算ができるので、必要最小限の３台の外径計の同期をとらなくても最低限の誤差内で測定できる。
(3)同期をとる場合でも、３台同期化程度であれば特殊仕様の改造費も抑えることが可能である。

これらのことから、本発明によれば、オンライン搬送中の棒鋼の真円度を棒鋼全長にわたって高精度に測定できる。

３点マイクロ法の概念を示す説明図３点マイクロ法（ａ）と２点マイクロ法（ｂ）の差異を示す説明図本発明の実施形態の１例を示す概略図３点マイクロ法演算の原理を示す説明図従来技術の実施形態を示す概略図投受光式外径計の距離制約を示す説明図従来技術の問題点を示す説明図

図３は、本発明の実施形態の１例を示す概略図である。１組のセンサユニット５は、搬送ライン12上の棒鋼２の搬送方向15に直交する一平面から棒鋼通材部分を除いた残りの面内に、投光器1aと受光器1bとからなる投受光式の外径計１を３台、各台による棒鋼２のエッジ検出が可能なように配置したものを有する。そして４組のセンサユニット５が、異組間で円周方向のエッジ検出可能位置が相異するように各組内の３台の外径計１の配置形態を調整（配置位置を設定）されて、搬送方向15に直列に配置されている。ここで、センサユニットの配置組数が３組以下であるとエッジ検出点数が９点以下（検出直径のデータ個数が３個以下）と少なすぎて高精度な真円度測定が望めないため、センサユニットは少なくとも４組配置するものとした。図示の例ではセンサユニットの配置組数を４組としたが、５組以上としてもよい。

各外径計１の受光器1bで検出されたエッジ位置の位置情報は、制御盤６に具備された対応する外径計コントローラ７を経てパソコン９に送られる。パソコン８は、送られてきた位置情報から、センサユニットごとに検出されたエッジ位置に対応する３点を通る円（３点マイクロ法で定まる円）の直径を算出し、該算出したデータから、全部のセンサユニットでの最大値と最小値を求め、両者の差に基づいて真円度を導出する３点マイクロ法演算を行う。なお、８は演算結果その他の情報を表示可能なモニタである。

前記３点マイクロ法演算は、棒鋼の全長にわたって適宜のデータサンプリング周期で実施できるから、棒鋼全長にわたって真円度を測定することができる。
図４（ａ）に示すとおり、同じセンサユニット内の３台の外径計により検出される３箇所のエッジ位置に対応する３点ＡＢＣを通る円40の中心Ｏは、△ＡＢＣの各辺ＡＢ，ＢＣ，ＣＡの垂直二等分線の唯一の交点として定まるから、線分ＯＣ（ＯＡ，ＯＢでも同様）の長さが円40の半径Ｒになり、円40の直径Ｄ＝２Ｒが算出できる。ところで、同じセンサユニット内の３台の外径計１（詳しくは、外径計１によるエッジ検出可能位置）を、円周方向の１２０°ごとの角度位置に配置しておくと、図４（ｂ）に示すように、前記△ＡＢＣは正三角形となり、円40の直径Ｄは、前記正三角形の一辺の長さＬとのごく簡単な関係式、Ｄ＝２Ｌ/√３、を用いて算出できる（１２０°ごとの角度位置以外の配置形態の場合は、３点の位置座標全部を変数とする、より複雑な関数式を用いる必要がある）。それゆえ、同一センサユニット内の３台の外径計は円周方向の１２０°ごとの角度位置に配置することが好ましい。

また、図３の例では、棒鋼のエッジ検出を、片側エッジ検出としたが、本発明はこれに限定されず、例えば図５のような両側エッジ検出としてもよい。ただし、両側エッジ検出では、検出に用いる光のビーム幅を棒鋼直径よりも大きくする必要があり、そのため外径計のサイズが片側エッジ検出の場合よりも大きくなって、３台の外径計の干渉の問題や距離制約による精度低下の問題が再発生しかねないから、本発明では、棒鋼のエッジ検出は片側エッジ検出とするのが好ましい。

なお、装置のメンテナンス容易化の観点から、図３に示されるように、センサユニット５は、その複数組の全部を１つの架台に固定し、この架台ごと、搬送ライン12の内と外の各所定位置（オンライン位置とオフライン位置）間の往復移動13が可能であるように構成するのが好ましい。

実施例では、図３に示した真円度測定装置において、外径計１は、すべて片側エッジ検出型とし、センサユニット５の各組の３台で円周方向１２０°ごと、計４組の全１２台では３０°ごとになる（すなわち、エッジ検出可能位置が円周十二等分点の各点になる）角度位置に配置し、真円度の定義式は、真円度＝最大径−最小径、とした形態の真円度測定装置とした。これを用いた真円度測定方法について説明する。
（手順１）測定前の準備；
センサユニット５（全４組）をオフライン位置からオンライン位置へ移動させる。上位計算機等から送られる、棒鋼２の通材サイズ（公称径、長さ）、真円度の合否判定基準などの情報を、パソコン９で受信し、センサユニット５の高さを前記受信した通材サイズに適合した高さに設定（調整）する。
（手順２）通材中の測定；
棒鋼２を搬送し、外径計１で“材在り認識”（材料到着を検知）される棒鋼２の先端から一定長（搬送速度一定とみなすなら一定時間）周期でエッジ位置検出（サンプリング）し、サンプリングごとに３点マイクロ法で定まる円の直径Ｄをパソコン９で演算（図４（ｂ）参照）し、得られる計４個の直径データから真円度（＝最大径−最小径）を導出する。この導出を棒鋼全長にわたって実行する。
（手順３）棒鋼真円度の合否判定；
前記手順２で得られた棒鋼全長の真円度が、合否判定基準を超えたものは不合格品と判定し、パソコン９から上位計算機等へ当該不合格品の判定結果を送る。なお、当該不合格品は不合格ゾーンに払い出される。
（手順４）前記手順２，３の測定，判定を繰り返す。

１外径計
1a 投光器
1b 受光器
２棒鋼（圧延材）
５センサユニット
６制御盤
７外径計コントローラ
８モニタ
９パソコン
10 ３ロール圧延機のロール
11 ３ロール圧延機のロール軸線
12 搬送ライン
13 往復移動
15 搬送方向
20 干渉
30 ３点マイクロメータ
31,32 当接面（固定）
33 当接面（可動）
40 ３点マイクロ法で定まる円
41 ２点マイクロ法で定まる円

Claims

棒鋼搬送方向に直交する一平面から棒鋼通材部分を除いた残りの面内に投受光式の外径計３台を、各台による棒鋼のエッジ検出可能に配置して１組のセンサユニットとなし、該センサユニットの少なくとも４組を、異組間でエッジ検出可能位置を相異させて棒鋼搬送方向に直列に配置してなり、センサユニットごとに３台の外径計を同期して前記棒鋼の通材中に検出したエッジ位置３点を通る円の直径を求め、それらの最大値と最小値の差に基づいて真円度を導出する３点マイクロ法演算を、棒鋼の全長にわたって実行可能とされ、かつ、前記センサユニットはその複数組の全部を１つの架台に固定し、この架台ごと、搬送ラインの内のオンライン位置と外のオフライン位置の間の往復移動が可能であるように構成されたことを特徴とする棒鋼の真円度測定装置。
同一センサユニット内の３台の外径計は円周方向の１２０°ごとの角度位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の棒鋼の真円度測定装置。
前記棒鋼のエッジ検出が、棒鋼の片側エッジ検出であることを特徴とする請求項１または２に記載の棒鋼の真円度測定装置。