JP7407277B2 - 金属管の製造方法と装置 - Google Patents
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Description
前記各工程で使用する成形工具の一部または全部が、被成形金属板(素板/素管)に対してその位置調整が可能な位置調整手段を介して各々のスタンド内で保持された構成からなるスタンド列ラインを用い、
このスタンド列ラインの一部または全体を対象に、当該成形工具を用いた際の金属板から金属管への成形プロセスを、予め種々の金属板の寸法あるいはさらに品種違いに基づいてシミュレーション解析する工程と、
前記種々の成形プロセスのシミュレーション解析結果より、前記ラインの解析対象の全て又は特定の成形工具スタンドにおけるスタンド近傍あるいは成形工具の近傍にある素管の変形形態値と各々のスタンド内の成形工具の位置情報との相関関係値のデータを得る工程を経て、
前記種々の成形プロセスを種々の理想モデルによる素管の変形形態値と成形工具位置との相関関係値のデータとして予め記憶した記憶手段を用い、
前記解析対象の行程中に計測センサーにて成形途中の素管の変形形態値の測定を行う工程により測定した成形途中の素管の変形形態値、及び前記被成形金属板の寸法あるいは寸法と品種の情報に基づいて、前記記憶手段のデータとの比較、素管の成形プロセスの予測を行う演算手段を用いて、
解析対象の行程中の素管に固有の成形プロセスを想定してその成形プロセスに必要な成形工具の位置情報を選択し、
調整を必要とするスタンド内の成形工具の位置情報を出力する出力手段を用い、
例えば、位置情報を表示してオペレーターに操作を促す、あるいは
成形工具の位置情報の出力を受けて、位置調整を必要とするスタンド内の成形工具の位置調整を行う前記位置調整手段を制御するライン自動制御手段を用いる
ことを特徴とする金属管の製造方法である。
成形前の素材金属板の全面あるいは外周予定面、内周予定面のいずれか又はその一部分に機械的なデスケーリング処理を施した後に造管を開始し、
その造管工程中は、潤滑剤を使用することなく、必要に応じて金属板又は成形工具へ潤滑剤の部分的噴霧による潤滑を行う金属管の製造方法である。
シミュレーション解析に3次元弾塑性FEM解析法を用いる金属管の製造方法である。
素管の変形形態値が、外周面形状、内周面形状、垂直断面形状、外周長、成形工具スタンド列の各スタンドにおける成形荷重のうち少なくとも1つである金属管の製造方法である。
素管の変形形態値は、予め設定した素管の進行方向(z軸方向)を含む水平面のパスライン(x軸方向)とこれに対して垂直面であるラインセンター(y軸方向)とを定めた際、水平なパスライン面に見える両エッジ位置と素管の幅寸法、垂直なラインセンター面にある素管の高さで得られる外周面または内周面形状、あるいはさらに内外周面形状に成形荷重を加えたものである金属管の製造方法である。
素管の変形形態値が、予め設定した素管の進行方向(z軸方向)を含む水平面のパスライン(x軸方向)とこれに対して垂直面であるラインセンター(y軸方向)とを定めた際、パスライン面に見える両エッジ位置と素管の幅寸法、ラインセンター面にある素管の高さで得られる垂直断面形状、あるいはさらに垂直断面形状に成形荷重を加えたものである金属管の製造方法である。
測定した成形途中の素管の変形形態値に基づいて、前記記憶手段のデータとの比較、素管の成形プロセスの予測を行う演算手段は、
想定した固有の成形プロセスの素管に対し、近似する理想モデルによる相関関係値のデータに近似させるために必要な変形形態値と成形工具の位置情報との相関関係値のデータを有した修正モデルを算出して、位置調整が必要なスタンドの成形工具の位置調整を行うライン自動制御手段を用いる金属管の製造方法である。
修正モデルの算出方法に、機械学習手法を用いる金属管の製造方法である。
修正モデルの算出方法に、深層学習手法を用いる金属管の製造方法である。
演算手段が算出した修正モデルの変形形態値と成形工具の位置情報との相関関係値のデータを、新たな固有の寸法あるいはさらに品種の金属板による学習化モデルの相関関係値のデータとして記憶装置に記憶して、記憶データとして使用する金属管の製造方法である。
金属板を成形工具による造管工程、溶接工程、サイジング/リシェーピング工程を経て金属管となす金属管の製造装置において、
製造装置は、前記各工程で使用する成形工具がスタンド内にて被成形金属板(素管)に対してその位置調整を行う位置調整手段を介して保持された構成のスタンド列ラインを有し、
予めシミュレーション解析による当該成形工具を用いた際の金属板から金属管への成形プロセスを解析した解析結果より、種々の金属板の寸法あるいはさらに品種違いに基づいた全て又は特定の成形工具スタンドにおけるスタンド近傍あるいは成形工具の近傍の素管の変形形態値と各々のスタンド内の成形工具の位置情報とを得て、前記種々の成形プロセスを種々の理想モデルによる素管の変形形態値と成形工具位置との相関関係値のデータとして予め記憶した記憶手段を有し、
前記各行程中に成形途中の素管の変形形態値の測定を可能にする計測センサーを有し、
測定した成形途中の素管の変形形態値に基づいて、前記記憶手段のデータとの比較、素管の成形プロセスの予測を行う演算手段を有し、
造管行程中の素管に固有の成形プロセスを想定してその成形プロセスに必要な成形工具の位置情報を選択し、位置調整を必要とするスタンド内の成形工具の位置調整を行う前記位置調整手段を制御するライン自動制御手段を有する
金属管の製造装置である。
成形対象の金属板は、鉄系や非鉄系金属の連続帯材料のほか、これらの所要長さの板材である。通常、材料はコイル状の帯材で提供されるため、これを接続して連続させることが行われてきた。この発明においては、コイル状材料を次々に接続させて連続させて供給する必要はなく、コイル単位の造管を行うことができる。
例えば、成形工具を所定配置したあるパイプミルにおいて、ある金属材質・寸法・熱履歴を有する金属板を成形する場合、このミルのフィンパスロールスタンドやスクイズロールスタンド近傍、すなわち前記スタンドの直前、直後などの成形ロールの入側直前や出側の直後における素管の変形形態値、例えばその変形態値に基づく素管の外面形状と、素管に接触している成形ロールのポジショニングとの相関関係値のデータとして、フィンパスロールスタンドやスクイズロール内にある素管の成形状態を把握している。
1)スタンド列ライン全体の成形工具全般の制御を行うライン制御手段に、オペレーターにより入力された操業計画・条件を受け付けデータ化などの処理・判断を担う操業コアエンジンOEC、
2)計測センサーからの測定データの認識・処理を担う認知コアエンジンRCE、
3)測定された変形形態値を記憶データの変形形態値と比較する比較コアエンジンCCE、
4)比較されたデータ値の差異から現在の操業における成形プロセスを予測して、修正プログラムを予測するなど今後の操業条件などの予測を担う予測コアエンジンECE
5)予測された成形プロセスから今後の操業条件の変更や修正モデル、各スタンドでの成形工具の位置情報と操業中の成形工具の位置情報の差異より、修正すべき成形工具の選択などの判断を担う選択コアエンジンSCE、
6)必要な計測センサーに計測の指示を行う、選択された成形工具の位置調整を指示するなどの計測指示、位置制御指示を担う指示コアエンジンDCE、
7)シミュレーション解析結果から得られた理想モデルの成形プロセスに従い、各成形工具の位置調整を行うなどの操業全般のプログラミングを学習するなどの機械的学習を担う機械的学習コアエンジンMLCEと、
8)実操業結果であるセンサー計測結果、成形工具の位置情報からなる制御結果などのデータから実操業モデルの成形プロセスを予測して新たな実機予測モデルである修正モデルを案出するなどの深層学習を担う深層学習コアエンジンDLCE
9)機械的学習コアエンジンMLCEと深層学習コアエンジンDLCEとを統合して扱う統合学習コアエンジンILCE、
10)記憶手段として、
理想モデル シミュレーション解析結果
修正モデル
実機モデル 操業結果(測定結果・位置制御結果)
などのデータの記憶を担う記憶コアエンジンSCE、
などのコアエンジンCEを有する人工知能化したコンピュータを用いることができる。
図1から図3に示す5インチミルラインは、2000年設計の既設のものである。製品口径は42.7~127mmを予定している。建材用、配管用などの丸管を成形し、オンラインでの高品質化のための熱処理を行わないミルであり、被成形金属板の寸法と材質の違いを操業条件としている。
いずれのコンピュータも同等の構成、性能を有し、これらを高速イーサネットで接続してある。もちろん、メインエンジンを含めて全てまたは所要のコアエンジン、さらに記憶装置とを同一基板上あるいは基板構成と同等の機能を有するラック型に配置した一体型の構成とすることも可能である。
20インチミルラインは新設のミルであり、建材用から油井管までの丸管並びに角管の製造を同じスタンドラインで行うことができる。広範囲の寸法と品種、形状の管の製造を予定し、高品質化のための溶接ビード部あるいはさらに管全体の熱処理を行うことができる。
すなわち、寸法について、丸管は外径が177.8mm~508.0mm、厚みが4mm~15.9mmnの138種類、正方形管は150mm~400mm、厚みが4mm~15.9mmnの78種類、矩形管は200x100,175x125,200x120~300x100,250x200,300x200~400x200,400x300,450x350、厚みが4mm~15.9mmnの116種類を予定し、材質は建材用から油井管までの種々の鋼種を予定している。
熱処理セクションの後は、図13、図14に示すごとく、サイジングスタンドSZ1、丸管を角管に成形するためのロールボックススタンドRB1~RB9、サイジングスタンドSZ2、タークスヘッドスタンドST1,ST2、その後の下流側は管を所要長さで走行切断するカットオフセクションとなる。
ここでは、各スタンド内での成形ロールの位置制御が電動あるいは油圧などで行われ、ロール位置情報がラインスタンド制御CEに入出力可能に構成されている。
完全にスケールを除去した素材を用いていないため、所要のスタンドではソリブル水を使用し、必要に応じて成形ロールにミスト噴霧を行なった。従って、ソリブル水の影響により素管の外周面形状を測定できないスタンドが生じるため、全てのスタンドにはロードセルを設置して成形荷重を測定した。
図13に示す、丸管を角管に成形するためのロールボックススタンドRB1~RB9は、特許文献7(EP1815921B1)で公知であり、ロールの兼用化を進めるために2方ロールを上下、左右方向に交互に、ここでは9段に配置し、ロールサーフェスに特殊な形状を用いて、製品寸法替えに際してのロール交換を不要にしている。
なお、成形ロールにかかる成形反力は、例えばロールスタンド内のロール軸などにロードセルを設置して、成形荷重として測定できる。これは前述のブレークダウンスタンドでも同様である。
ロールボックススタンドを用いて種々寸法と品質の丸管から所要の角管への成形プロセスのシミュレーション解析が事前に行われ、RB1~RB9の各スタンでの理想モデルでの管外周面形状ならびに前述の成形ロールの位置情報とその成形荷重との相関関係値のデータが事前に既知であり、実成形時のそれと比較できることから、実測の成形荷重で素管の形状推測が可能になる。形状を推測する方法には予め形状推測を多数行なった深層学習CEを用いてこれを行なった。
図15A、Bに示すスタンドラインには、特許文献10に開示される成形装置(Orbiter Die Forming Machine(ODF))を中心に備えたもので、ODFユニットは、実施例2でブレークダウンスタンド、クラスターロールスタンドで行う成形を1つの装置で完結できる。
ODFユニットは、成形孔型を外向きでかつ揺動自在に設けたダイを複数個、旋回方向に連結して無端列を形成したダイ列を、無限軌道部上を旋回移動可能にし、各ダイの成形孔型の揺動角度を変化させかつ保持する角度制御機構を備えた旋回ユニットを有し、
この旋回ユニットの一対を対向配置し、その対向する成形孔型間に被成形素材を進入可能にし、各成形孔型が連続して当該素材の幅方向の両端部を拘束して同期移動する所要長さの直線又はほぼ直線の軌道区間を成形区間とする構成を有し、
被成形素材がこの成形区間を通過する間、前記制御機構が前記軌道に併設された倣い軌道を倣うことにより、各ダイの成形孔型は被成形素材のエッジ部に当接する前記揺動角度を、例えば予め設定された成形工程に従う角度変化パターン(前後のダイの孔型が滑らかに繋がるようにするため)などの変化率にて変化させながら被成形素材の成形を行う機構を有した成形装置である。
従って、一対の旋回ユニットの対向位置や傾斜角度と下ロールの位置を調整することで、種々口径の丸管を製造できる。
ODFスタンドには多数の下ロールユニットと出口側のサイドロールユニットを備えている。
上述のODFを主体とする造管ラインのスタンド構成で、上記の素材を対象とする成形プロセスのシミュレーション解析を多数行った。ODFスタンドは特に素管のエッジ部を拘束する一対の孔型ダイと下ロールでサポートされる湾曲部断面における下ロールの位置と素管断面形状は重要なパラメータとなる。
計測センサーは、リング状レーザー光照射器、CCDカメラを使用し、素板から両エッジ部が一対の旋回ユニットのダイ列に拘束されて湾曲していく湾曲部内を同一垂直断面のリング光を照射して湾曲部内周面からの反射光をリング光の照射位置から上流側に位置するCCDカメラで撮影して撮影データを画像処理し内周面形状を測定し、さらにその測定データから図16に示すごとく素管断面形状を推測するものである。
この作業を操作者が内面形状測定による画像を見ながら行なっていたのでは、調整に長時間を要し、素材が変わるごとに調整が必要で生産性が向上しない。
かかるデータの蓄積には、予め修正モデルの創出を多数行なった深層学習CEを用いてこれを行なった。
PR ピンチロールスタンド
BD ブレークダウンロールスタンド
CL クラスターロールスタンド
FP フィンパスロールスタンド
SQ スクイズロールスタンド
SZ サイジングロールスタンド
TH タークスヘッドロールスタンド
CE コアエンジン
Claims (13)
- 金属板を成形工具による造管工程、溶接工程、サイジング/リシェーピング工程を経て金属管となす金属管の製造方法において、
前記各工程で使用する成形工具の一部または全部が、被成形金属板(素板/素管)に対して、予め設定した素管の進行方向(z軸方向)を含む水平面のパスライン(x軸方向)とこれに対して垂直面であるラインセンター(y軸方向)との3次元座標を定めた際、その座標上での位置調整が可能な位置調整手段を介して各々のスタンド内で保持された構成からなるスタンド列ラインを用い、
このスタンド列ラインの一部または全体を対象に、当該成形工具を用いた際の金属板から金属管への成形プロセスを、予め種々の金属板の寸法あるいはさらに品種違いに基づいて3次元座標上でシミュレーション解析する工程と、
前記金属板の寸法あるいはさらに品種違いに基づく種々の理想モデルの成形プロセスのシミュレーション解析結果より、前記スタンド列ラインの解析対象の全て又は特定の成形工具スタンドにおける、各スタンド内の成形工具の近傍にある3次元座標の位置が特定される素管の外周面形状、内周面形状、垂直断面形状、外周長、成形工具スタンド列の各スタンドにおける成形荷重のうち少なくとも1つからなる素管の変形形態値と、各々のスタンド内の成形工具の3次元座標の位置情報との相関関係値とした成形プロセスデータを得る工程を経て、
前記シミュレーション解析で得た種々の成形プロセスを、前記の種々の理想モデルによる素管の変形形態値と成形工具位置との相関関係値の成形プロセスデータとして予め記憶した記憶手段を用い、
前記解析対象のスタンド列ラインを用いた実操業行程中に、計測センサーにて成形途中の素管の変形形態値の測定を行う工程により測定した成形途中の素管の変形形態値と、前記工程中の被成形金属板の寸法あるいは寸法と品種の情報とに基づいて、前記記憶手段の前記理想モデルによる成形プロセスデータとの比較及び被成形素管の成形プロセスとそのデータの予測を行う演算手段を用いて、
当該解析対象のスタンド列ラインを用いた実操業行程中の被成形素管に固有の成形プロセスデータを想定し、その固有の成形プロセスの実行に必要な成形工具のスタンド位置情報を選択し、調整を必要とするスタンド内の成形工具の調整位置情報を出力する出力手段を用い、前記固有の成形プロセスを実行する金属管の製造方法。 - 請求項1に記載の金属管の製造方法において、
成形工具の位置情報の出力を受けて、位置調整を必要とするスタンド内の成形工具の位置調整を行う前記位置調整手段を制御するライン自動制御手段を用いる金属管の製造方法。 - 請求項1に記載の金属管の製造方法において、
成形前の素材金属板の全面あるいは外周予定面、内周予定面のいずれか又はその一部分に機械的なデスケーリング処理を施した後に造管を開始し、その造管工程中は、水溶性潤滑剤を使用することなく、必要に応じて金属板又は成形工具へ非水溶性潤滑剤の噴霧による潤滑を行う金属管の製造方法。 - 請求項1に記載の金属管の製造方法において、
シミュレーション解析に3次元弾塑性FEM解析法を用いる金属管の製造方法。 - 請求項1に記載の金属管の製造方法において、
素管の変形形態値が、3次元座標のパスライン面に見える両エッジ位置と素管の幅寸法、ラインセンター面にある素管の高さで得られる外周面または内周面形状である金属管の製造方法。 - 請求項1に記載の金属管の製造方法において、
素管の変形形態値が、3次元座標のパスライン面に見える両エッジ位置と素管の幅寸法、ラインセンター面にある素管の高さで得られる垂直断面形状である金属管の製造方法。 - 請求項5において、
素管の変形形態値が、さらに成形工具スタンド列の各スタンドにおける成形荷重を加えた値である金属管の製造方法。 - 請求項6において、
素管の変形形態値が、さらに成形工具スタンド列の各スタンドにおける成形荷重を加えた値である金属管の製造方法。 - 請求項1に記載の金属管の製造方法において、
測定した成形途中の素管の変形形態値に基づいて、前記記憶手段のデータとの比較と素管の成形プロセスの予測を行う演算手段は、想定した固有の成形プロセスデータに対し、選択した理想モデルによる成形プロセスデータに近似させるために必要な変形形態値と成形工具の位置情報との相関関係値からなる成形プロセスデータを有した修正モデルを算出して、修正モデルの成形プロセスを実行するために前記データに基づいて位置調整が必要なスタンドの成形工具の位置調整を行うライン自動制御手段を用いる金属管の製造方法。 - 請求項9において、
修正モデルの算出方法に、機械学習手法を用いる金属管の製造方法。 - 請求項9において、
修正モデルの算出方法に、深層学習手法を用いる金属管の製造方法。 - 請求項9において、
演算手段が算出した修正モデルの変形形態値と成形工具の位置情報との相関関係値のデータを、新たな固有の寸法あるいはさらに品種の金属板による学習化モデルの相関関係値のデータとして記憶装置に記憶して、記憶データとして使用する金属管の製造方法。 - 金属板を成形工具による造管工程、溶接工程、サイジング/リシェーピング工程を経て金属管となす金属管の製造装置において、
製造装置は、前記各工程で使用する成形工具の一部または全部がスタンド内にて被成形金属板(素管)に対し、予め設定した素管の進行方向(z軸方向)を含む水平面のパスライン(x軸方向)とこれに対して垂直面であるラインセンター(y軸方向)との3次元座標を定めた際、その座標上での位置調整を行う位置調整手段を介して保持された構成のスタンド列ラインを有しており、
予めこのスタンド列ラインの一部または全体を対象に、当該成形工具を用いた際の金属板から金属管への成形プロセスを、予め種々の金属板の寸法あるいはさらに品種違いに基づいて3次元座標上でシミュレーション解析する工程と、
前記金属板の寸法あるいはさらに品種違いに基づく種々の理想モデルの成形プロセスを解析した解析結果より、前記スタンド列ラインの解析対象の全て又は特定の成形工具スタンドにおける、各スタンド内の成形工具の近傍にある3次元座標の位置が特定される素管の外周面形状、内周面形状、垂直断面形状、外周長、成形工具スタンド列の各スタンドにおける成形荷重のうち少なくとも1つからなる素管の変形形態値と、各々のスタンド内の成形工具の3次元座標の位置情報と相関関係値とした成形プロセスデータを得る工程を経て、
前記シミュレーション解析で得た種々の成形プロセスを、前記の種々の理想モデルによる素管の変形形態値と成形工具位置との相関関係値の成形プロセスデータとして予め記憶した記憶手段を有し、
前記解析対象のスタンド列ラインを用いた実操業行程中に成形途中の素管の変形形態値の測定を可能にする計測センサーを有し、
計測センサーにて成形途中の素管の変形形態値の測定を行う工程により測定した成形途中の素管の変形形態値と、前記工程中の被成形金属板の寸法あるいは寸法と品種の情報とに基づいて、前記理想モデルによる成形プロセスデータとの比較及び被成形素管の成形プロセスとそのデータの予測を行う演算手段を有し、
当該解析対象のスタンド列ラインを用いた実操業行程中の被成形素管に固有の成形プロセスデータを想定し、その固有の成形プロセスの実行に必要な成形工具のスタンド位置情報を選択し、調整を必要とするスタンド内の成形工具の調整位置情報の出力を受けて、位置調整を必要とするスタンド内の成形工具の位置調整を行う前記位置調整手段を制御するライン自動制御手段を有する
金属管の製造装置。
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