JPH0921713A - 線材加工ラインにおける線材の張力測定方法、張力測定装置及び張力制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 線材加工ラインにおける線材の張力をより直
接的かつ精度よく測定することができ、測定場所の制約
も少ない張力測定方法及び装置を提供する。 【構成】 張力測定装置１００においては、ＣＣＤセン
サ１３により検出された線材Ｗの振動の周波数が周波数
算出手段３１により算出され、その周波数に基づいて線
材Ｗの張力が算出される。検出された振動の波形は基本
振動の周波数スペクトルに分離され、その周波数スペク
トルにおいて最も振幅の大きい基本振動の周波数が測定
周波数として採用される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、線材圧延ラインや
線引加工ラインなどの線材加工ラインにおいて、線材の
張力を測定する方法及びその装置、さらにはその張力測
定装置を利用した張力制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば複数の圧延機により線材に多段圧
延加工を施す線材圧延ラインにおいては、２台の隣接し
て配置された圧延機の間に存在する線材部分の張力を測
定する方法として、被加工線材が上流側の圧延機のみに
噛み込まれた状態と、下流側の圧延機にも噛み込まれた
状態との間における、その上流側の圧延機の駆動モータ
のトルクの変化を測定し、その変化に基づいて線材の張
力を測定することが行われている。この場合、以後の張
力変動は、線材が下流側の圧延機に噛み込まれた時点で
測定された張力を基準値として、上記トルクの変動に基
づき、その基準値に対する相対値として測定されること
となる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記方法の場合、線材
の張力は圧延機の駆動モータのトルクから間接的に測定
されるので、モータ電源の電圧変動などにより誤差を生
じやすい欠点がある。

【０００４】本発明の課題は、線材加工ラインにおける
線材の張力をより直接的かつ精度よく測定することがで
きる張力測定方法及び装置、さらにはその張力測定装置
を使用することにより高精度で線材の張力制御を行うこ
とができる張力制御装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段及び作用・効果】本発明
は、線材を長手方向に搬送しながらこれに加工を施す線
材加工ラインにおいて、その線材の張力を測定する方法
に関し、上述の課題を解決するために、下記の工程を含
むことを特徴とする。 線材の搬送路に沿って所定の間隔で配置され、該線材
の搬送を許容しつつその線材を支持する第一及び第二の
線材支持部の間において、その線材の振動を検出する工
程。 その検出された振動の周波数を算出する工程。 その算出された周波数に基づいて線材の張力を算出す
る工程。

【０００６】また、上記方法を実施するための本発明の
張力測定装置は、下記の要件を含むことを特徴とする。 振動検出手段：線材の搬送を許容しつつその線材を支
持するとともに、線材の搬送路に沿って所定の間隔で配
置された第一及び第二の線材支持部の間において、その
線材の振動を検出する。 周波数算出手段：検出された振動の周波数を算出す
る。 張力算出手段：その算出された振動周波数に基づいて
線材の張力を算出する。

【０００７】上述の張力測定方法ならびに装置によれ
ば、第一及び第二の線材支持部の間において線材に生ず
る振動が検出され、その振動の周波数に基づいて線材の
張力が測定される。すなわち、線材の張力が振動周波数
から直接的に測定されるので、張力の測定精度を大幅に
高めることができる。特に、線材の搬送速度が３０m／
秒を超える高速精密圧延においても、線材の張力を比較
的容易にかつ高精度で測定することができる。

【０００８】上記のような振動は、線材がその搬送方向
と交差する向きの外力を受けることで発生するが、この
ような振動は線材加工の実施に伴い不可避的に生ずるも
のを利用することができる。しかしながら、上記外力を
線材に与える手段、例えば線材に対し横方向から打撃を
加える打撃手段を設けて、強制的に振動を発生させるこ
とも可能である。

【０００９】一方、第一及び第二の線材支持部は、線材
の搬送を許容した状態でこれを支持できるものであれば
各種使用することができる。具体的には、線材搬送路の
端部ないし中間に設けられた各種装置ないし設備類、す
なわち線材圧延機、線材送りローラ（ピンチローラ
等）、補助ローラ、ダンサーロール、線引加工ダイス、
線材供給装置、線材巻取装置などを使用することができ
る。従って、上記装置ないし設備類に挟まれた領域であ
れば、基本的に線材搬送路のどの位置でも測定を行うこ
とができ、測定位置の制約が少ない。さらに、線材圧延
ラインに限らず、ダイス引抜きによる線引加工ラインな
ど、各種加工方式のラインに対し適用が可能であり、汎
用性にも富むものとなる。

【００１０】次に、振動検出手段は、線材の像を検出す
るイメージセンサを含み、その像の変位の時間的な変動
に基づいて線材の振動波形を検出するものとすることが
できる。イメージセンサとしては、１次元ないし２次元
のＣＣＤセンサや撮像管等を使用することができる。

【００１１】また、周波数算出手段は、振動検出手段が
検出した振動波形を基本振動の周波数スペクトルに分離
する演算を行い、その周波数スペクトルにおいて、線材
加工ラインに含まれるノイズ振動発生源からの振動成分
を除いて、その最も振幅の大きい基本振動の周波数を、
線材の測定周波数として採用するものとして構成するこ
とができる。ここで、「基本振動の周波数スペクトルに
分離する演算」とは、各種周波数の正弦波を基本振動と
して、振動波形をその正弦波の重ね合わせで表現した場
合に、その基本振動の周波数と振幅（ないし振動強度）
の関係を求めることをいう。具体的には、検出された振
動波形をフーリエ級数展開し、展開された各正弦関数項
の係数（フーリエ係数）の値から各基本振動の振幅（な
いしは振幅に関係する値）を算出することができる。こ
の場合、各フーリエ係数の値を簡便かつ迅速に算出する
方法として、公知のフーリエ変換処理、特に高速フーリ
エ変換処理を使用することが有効である。

【００１２】次に、本発明の張力制御装置は、上述の張
力測定装置と、その張力測定装置による張力測定結果に
基づいて、搬送される線材の張力を調整する張力調整手
段とを備える。このような張力制御装置によれば、上述
の張力測定装置により線材の張力を精密にモニタしなが
ら、きめ細かくかつ正確な張力制御を行うことができ、
ひいては加工される線材の寸法精度を向上させることが
できる。特に、前述の高速精密圧延においては、線材の
搬送速度が大きいにも拘わらずその張力を高精度で制御
することができ、ひいては線材の加工寸法精度を向上さ
せることができる。ここで、第一及び第二の線材支持部
が、それぞれ線材に対し圧延ロールにより圧延加工を施
す圧延装置とされている場合には、上記張力調整手段
は、それら圧延装置の少なくともいずれかに対し、その
圧延ロールの回転速度を変化させることにより線材の張
力を調整するものとして構成することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明のいくつかの実施の
形態を図面に基づいて説明する。図１は線材圧延ライン
の一例を模式的に示すものである。鋼線等の線材Ｗは図
示しない加熱炉において所定の温度に加熱された後、第
一の線材支持部を構成する第一圧延機１において１段目
の圧延加工が施され、続いて第二の線材支持部を構成す
る第二圧延機２により２段目の圧延加工が施される。本
説明においては、第一圧延機１は原料線材を所定の線径
まで粗加工する高速ブロックミルとされ、第二圧延機２
は粗加工後の線材の線径を定められた寸法にサイジング
するサイジングミルとされており、線材Ｗの搬送速度が
１００m/sec程度、サイジング後の線径の寸法公差が±
０．１mm程度に設定された高速精密圧延を例にとってい
る。

【００１４】第一圧延機１及び第二圧延機２は、それぞ
れ線材Ｗの搬送方向に所定の間隔で配置された複数の圧
延ロールの組３及び４を含んでいる。これら各圧延ロー
ルの組３（４）は、図３に示すように、それぞれ線材Ｗ
の長手方向に対しほぼ直角に配置された２本のロール３
ａ（４ａ）からなり、各ロール３ａ（４ａ）の線材Ｗと
の接触部には、線材Ｗの断面に対応する形状の溝部３ｂ
（４ｂ）が形成されている。また、図１に示すように、
各圧延ロール３（４）は、互いに隣り合う組の間でその
ロール回転軸がほぼ９０℃の角度をなすように配置され
ており、分配減速器５（６）を介して駆動モータ７
（８）により回転駆動されるようになっている。ここ
で、第一圧延機１の駆動モータ７は予め定められた回転
数で定速駆動されるのに対し、第二圧延機の２の駆動モ
ータ８はその回転速度が可変とされている。

【００１５】これら第一及び第二圧延機１及び２の間に
おいて、線材Ｗの搬送路の中間には、振動検出手段とし
ての像検出ユニット９が設けられている。像検出ユニッ
ト９は、図２に示すように、光源１０とコリメータレン
ズ１１とを備えて平行ビームを線材Ｗに向けて発する光
照射部１２と、イメージセンサとしての１次元ＣＣＤセ
ンサ１３と受光レンズ１４とを備えた受光部１５とを備
える。そして、ＣＣＤセンサ１３上には、上記平行ビー
ムのうち線材Ｗに遮光された残りの部分を照射され、線
材Ｗの影が像として投影される。なお、光源１０からの
光を線材Ｗの表面で反射させ、その反射光により線材Ｗ
の像を結ぶようにしてもよい。ここで、像検出ユニット
９は、図３中に矢印で示すように、そのＣＣＤセンサ１
３への光の入射方向が、互いに隣接する圧延ロール３ａ
（４ａ）の回転軸線Ｖ及びＨ同士のなす角度（ほぼ９０
°となる）をほぼ２等分する位置関係で配置されてい
る。

【００１６】図４は、本発明の張力制御装置の一構成例
を示している。張力制御装置１００においてＣＣＤセン
サ１３は、センサコントローラ１６を介してＩ／Ｏポー
ト２３に接続されている。このセンサコントローラ１６
は、直鎖状に接続されたシーケンサ１７、アンプ１８、
フィルタ１９、Ａ／Ｄ変換器２０、比較器２１及びパル
スカウンタ２２を含む。また、Ｉ／Ｏポート２３には、
ＣＰＵ２４、周波数スペクトル演算プログラム２５ａ等
が格納されたＲＯＭ２５、及びＲＡＭ２６が接続され、
これらが波形解析部２７を形成している。そして、この
波形解析部２７が前述の像検出ユニット９とともに線材
Ｗの振動波形を検出する振動検出手段を構成する。ここ
で、ＣＰＵ２４はディジタルシグナルプロセッサなど、
信号処理に適したものが使用される。

【００１７】次に、ＣＰＵ２４は、張力算出・制御部３
１内に設けられたＣＰＵ３３に接続されており、波形解
析部２７からのデータがその張力算出・制御部３１に直
接転送されるようになっている。張力算出・制御部３１
は上記ＣＰＵ３３の他、ＲＯＭ２８、ＲＡＭ２９、及び
それらが接続されるＩ／Ｏポート３０を備える。そのＲ
ＯＭ２８には、周波数算出プログラム２８ａ、張力算出
プログラム２８ｂ、張力算出用データテーブル２８ｃ、
圧延機駆動モータ制御プログラム２８ｄ、及び張力設定
プログラム２８ｅ等が格納されており、ＲＡＭ２９に随
時書き込まれて使用される。また、ＲＡＭ２９には張力
設定値記憶部２９ａ、制御パラメータ記憶部２９ｂが設
けられている。

【００１８】次に、Ｉ／Ｏポート３０には、モータ駆動
・制御回路３２が接続されており、これに第二圧延機２
の駆動モータ８がつながれている。また、Ｉ／Ｏポート
３０には、測定張力値を表示したり、制御パラメータの
入力画面等を表示するモニタ３５が表示制御部３４を介
して接続されている。また、そのパラメータ入力等に使
用されるキーボード等の入力部３６も同様にＩ／Ｏポー
ト３０に接続されている。

【００１９】以下、張力制御装置１００の作動について
説明する。図１において、線材Ｗは第一及び第二圧延機
１及び２により圧延されながら長手方向に搬送される。
そして、像検出ユニット９において線材Ｗの像がＣＣＤ
センサ１３（図２）上に結ばれる。ここで、図５に示す
ＣＣＤセンサ１３の感光セル１３ｂのうち、受光したも
のには電荷が蓄積され、その電荷がシーケンサ１７（図
４）により、例えば一方の側のものから順次所定のクロ
ック周波数で取り出される。そして図４に示すように、
その取り出された電荷信号はアンプ１８で増幅され、さ
らにフィルタ１９により波形調整された後、Ａ／Ｄ変換
器２０によりデジタル信号とされる。

【００２０】続いてそのデジタル信号は、比較器２１に
より所定のレベルを超えるものが「１」、そのレベルを
下回るものが「０」として二値信号化され、例えばその
「１」信号がパルスカウンタ２２によりカウントされて
波形解析部２７へ送られる。ここで、図６に示すよう
に、線材Ｗのエッジ部Ｗ0の位置は、ＣＣＤセンサ１３
上において、上記「０」信号に対応する感光セル１３ｄ
と「１」信号に対応する感光セル１３ｃの境界位置とし
て表れる。そして、この境界部（すなわち線材Ｗのエッ
ジ）のＣＣＤセンサ１３上における位置の時間変化を測
定することにより、図７に示すような線材Ｗの振動波形
Ｏが得られることとなる。

【００２１】以下、フローチャートに基づいて、張力測
定及び張力制御のための処理の流れを説明する。図８は
波形解析部２７（図４）における処理の流れを示してお
り、A1において線材Ｗのエッジ位置をサンプリング周波
数ＦSでサンプリングするとともに、A2においてこれを
波形化する。ここで、そのサンプリング周波数は、測定
される線材の振動の周波数帯域（線材Ｗの寸法や材質に
応じて定まる）を考慮して調整される。この場合、張力
測定結果の精度向上の観点から、上記サンプリング周波
数ＦSは、測定される振動波形の最大周波数の２〜３倍
程度に設定するのがよい。

【００２２】続いて、A3において、得られた振動波形に
対し高速フーリエ変換処理を施すことにより、その振動
波形を、図９に示すように正弦波（基本振動）の重ね合
わせで表現した場合の各基本振動の振幅（ないし振動強
度）を算出する。これにより、図１０に示すような、振
動波形を構成する基本振動の振幅Ａと周波数ｆの関係
（周波数スペクトル）が得られることとなる。そして上
記周波数ｆと対応付けられた振幅Ａの値が、周波数スペ
クトルデータとして張力算出・制御部３１（図４）側へ
転送される。この一連の処理は、ＲＯＭ２５に格納され
た周波数スペクトル演算プログラム２５ａに基づいて実
施される。

【００２３】張力算出・制御部３１においては、図１１
及び図１２に示すフローチャートに従い、線材Ｗの張力
の算出と制御とが行われる。すなわち、周波数算出プロ
グラム２８ａが起動され、図１１のS1において波形解析
部２７から転送されてきた周波数スペクトルデータを受
信する。そして、図１０に示す周波数スペクトルにおい
て、振幅Ａ（スペクトル強度）の最大値Ａmに対応する
基本振動の周波数ｆmを求める（S2）。なお、図１０に
おいては、振幅が最大となる周波数ｆmの他にも、それ
よりも高周波領域に比較的大きな強度ピーク（例えばｆ
g）が認められるが、このピークは圧延機の駆動モータ
等、線材圧延ラインに含まれるノイズ振動発生源から発
せられる振動に基づくものである。このノイズ振動によ
るピークは、例えばモータの駆動等に起因するものであ
れば、線材Ｗの振動に基づくピークよりも必ず高周波側
に表れることが知られており、容易に判別・除去するこ
とができる。例えば周波数ｆmを算出する際に、ノイズ
振動を拾わないように、算出に使用する周波数領域を予
め設定しておき、その範囲内で演算を行うようにすれば
よい。

【００２４】次に、S3において、張力算出用データテー
ブル２８ｃ（図４）から、張力の算出に必要なデータ
（例えば線材Ｗの断面積、密度、温度、第一圧延機１及
び第二圧延機２の配置間隔（すなわち、線材Ｗの振動部
の長さ）等）が読み出され、S4において前述の周波数ｆ
mとその読み出された算出用データとを用いて張力θが
算出される。算出された張力θはモニタ３５に表示され
る。

【００２５】例えば、張力Ｔは、次の数１に基づいて算
出することができる。

【００２６】

【数１】

【００２７】ただし、ｆは振動周波数、ｎは振動モー
ド、Ｌは第一圧延機１及び第二圧延機２の配置間隔、Ｔ
は張力、ρは線材Ｗの単位長さ当りの重量である。

【００２８】次に、S5において設定張力値θ0が読み出
され、図１２のS101において測定張力値θと比較され
る。ここで、設定張力値θ0は、張力設定プログラム２
８ｅ（図４）に基づいて予め入力部３６等から入力さ
れ、ＲＡＭ２９の張力設定値記憶部２９ａに記憶されて
いる。そして、比較結果がθ0＞θであった場合はS101
からS102へ向かう流れとなり、設定張力値からのずれΔ
θ（＝θ0−θ）の値が下限設定値Ｂ1よりも大きく上限
設定値Ｍ1よりも小さければ、第二圧延機２の駆動モー
タ８（図１）の回転数が設定値ΔＲ1だけ上昇させられ
る（S103〜S105）。これにより、線材Ｗの張力θが増加
して設定値θ0に近づくこととなる。ここで、S104にお
いてΔθが上限設定値Ｍ1を超えた場合には、線材Ｗに
切断等のトラブルが発生したものとみなされ、S106に進
んで圧延ラインの運転が停止される。

【００２９】一方、比較結果がθ0＜θの場合はS107か
らS108に向かう流れとなり、Δθ（＝θ−θ0）の値が
下限設定値Ｂ2よりも大きく上限設定値Ｍ2よりも小さけ
れば、第二圧延機２の駆動モータ８（図１）の回転数が
設定値ΔＲ2だけ減少させられる（S109〜S111）。これ
により張力θが減少して設定値θ0に近づく。なお、Δ
θが上限設定値Ｍ2を超えた場合には、線材Ｗの切断等
を防止するために、S110からS112に進んで圧延ラインの
運転が停止される。

【００３０】なお、上記処理においてΔθの値が下限設
定値Ｂ1（ないしＢ2）以下となった場合は張力θは適性
値にあるとみなされ、駆動モータ８の回転数は変更され
ない。その後、制御の流れはS1（図１１）に戻り、以下
同様の処理が繰り返されて、線材Ｗの張力θは設定値θ
0の近傍に維持されることとなる。なお、上記下限設定
値Ｂ1及びＢ2ならびに上限設定値Ｍ1及びＭ2の値は、入
力部３６から予め入力されてＲＡＭ２９の制御パラメー
タ記憶部２９ｂ（図４）に記憶されている。

【００３１】以上、本発明の実施の形態の一例を説明し
たが、線材Ｗの振動波形から周波数ｆmを算出するに当
たっては、高速フーリエ変換処理に基づいて周波数スペ
クトルを求める方法以外に、設定張力値θ0の値に対応
する周波数Ｆ0を予め設定しておき、その周波数Ｆ0を中
心とする所定の周波数帯域をカバーするように構成され
た、バイクワッドフィルタ等の公知の帯域通過型フィル
タプログラム（ないし回路）を利用する態様とすること
もできる。この場合、測定された振動波形にフィルタ処
理を施し、そのフィルタ処理後の波形シグナルの大小に
基づいて、張力θが設定値θ0からずれているか否かを
判定することができる。そして、その波形シグナルがな
るべく大きくなるように、駆動モータ８の回転数を調整
することにより、張力θの値は設定張力値θ0の近傍に
維持されることとなる。また、張力制御はフィードバッ
ク制御により行っているがフィードフォワード制御によ
り行うようにしてもよい。

【００３２】さらに、第一及び第二の線材支持部は必ず
しも両方を線材圧延機とする必要はなく、例えば図１３
（ａ）に示すように一方を補助ロール１０２とし、他方
を圧延機１０１としたり、（ｂ）に示すように、一方を
線材貯溜部を作るダンサーロール１０３とし、他方を圧
延機１０１とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】線材加工ラインの一例を概念的に示す平面図。

【図２】像検出ユニットの側面図。

【図３】線材と圧延ロールの相対的な位置関係を示す説
明図。

【図４】張力制御装置の構成を示すブロック図。

【図５】ＣＣＤセンサの構造を示す断面模式図。

【図６】ＣＣＤセンサ上に線材の像が結ばれた状態を示
す断面模式図。

【図７】線材の振動波形の一例を示す図。

【図８】波形解析部における処理の流れを示すフローチ
ャート。

【図９】振動波形を基本振動の重ね合わせで表した状態
を示す模式図。

【図１０】周波数スペクトルの一例を示す図。

【図１１】張力算出・制御部における処理の流れを示す
フローチャート。

【図１２】図１１に続くフローチャート。

【図１３】第一及び第二の線材支持部を圧延機以外で構
成した例を示す模式図。

【符号の説明】

１ 第一圧延機（第一の線材支持部） ２ 第二圧延機（第二の線材支持部） ３、４ 圧延ロール ９ 像検出ユニット（振動検出手段） ２７ 波形解析部（振動検出手段） ３１ 張力算出・制御部（周波数算出手段、張力算出手
段、張力制御手段）

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 線材を長手方向に搬送しながらこれに加
   工を施す線材加工ラインにおいて、その線材の張力を測
   定する方法であって、 前記線材の搬送路に沿って所定の間隔で配置され、該線
   材の搬送を許容しつつその線材を支持する第一及び第二
   の線材支持部の間において、その線材の振動を検出する
   工程と、 その検出された振動の周波数を算出する工程と、 その算出された周波数に基づいて前記線材の張力を算出
   する工程と、 を含むことを特徴とする線材加工ラインにおける線材の
   張力測定方法。
2. 【請求項２】 線材を長手方向に搬送しながらその線材
   に加工を施す線材加工ラインにおいて、その線材の張力
   を測定する装置であって、 前記線材の搬送を許容しつつその線材を支持するととも
   に、前記線材の搬送路に沿って所定の間隔で配置された
   第一及び第二の線材支持部の間において、その線材の振
   動を検出する振動検出手段と、 その検出された振動の周波数を算出する周波数算出手段
   と、 その算出された振動周波数に基づいて前記線材の張力を
   算出する張力算出手段と、 を含む線材加工ラインにおける線材の張力測定装置。
3. 【請求項３】 前記振動検出手段は、前記線材の像を検
   出するイメージセンサを含み、その像の変位の時間的な
   変動に基づいて該線材の振動波形を検出するものとされ
   る請求項２記載の線材の張力測定装置。
4. 【請求項４】 前記周波数算出手段は、前記振動検出手
   段が検出した前記振動波形を基本振動の周波数スペクト
   ルに分離する演算を行い、その周波数スペクトルにおい
   て、前記線材加工ラインに含まれるノイズ振動発生源か
   らの振動成分を除いて、その最も振幅の大きい基本振動
   の周波数を、前記線材の測定周波数として採用するもの
   である請求項３記載の張力測定装置。
5. 【請求項５】 請求項２ないし４に記載の張力測定装置
   と、 その張力測定装置による張力測定結果に基づいて、前記
   搬送される線材の張力を調整する張力調整手段と、 を備えたことを特徴とする線材加工ラインにおける線材
   の張力制御装置。
6. 【請求項６】 前記第一及び第二の線材支持部は、それ
   ぞれ前記線材に対し圧延ロールにより圧延加工を施す圧
   延装置とされ、 前記張力調整手段は、それら圧延装置の少なくともいず
   れかに対し、その圧延ロールの回転速度を変化させるこ
   とにより、前記線材の張力を調整するものとされている
   請求項５記載の張力制御装置。