JP3603464B2 - 走行部材の断面形状測定方法及びこれに用いる測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に高速で走行される長尺な走行部材の断面形状を測定するための方法と、これに用いる装置に関する。特に、熱間で圧延された線材の断面形状や直径を精度良く、短時間に測定できるようにした方法と装置に関する。
【０００２】
【従来の技術とその問題点】
一般に棒鋼やワイヤは、熱間圧延及び冷間圧延を経て得られる線材から製造される。係る線材の圧延は、線材の直径公差が約０．１ｍｍ以内という高精度の精密圧延によって行われている。そのため、線材の断面形状（真円度）、及び／又は、直径の測定を熱間圧延直後の高温で走行する状態から行う必要がある。
従来から行われている断面形状（直径）測定は、高速で軸方向に走行される線材を囲むようにその周囲に回転テーブルを配置し、この回転テーブルの一側面上に上記線材を挟んでハロゲンランプ等からなる発光源と、ＣＣＤイメージセンサからなる受光源と、これらの間の一対のレンズを対称的且つ直列に配設した装置が用いられている。これらの発光源と受光源を結ぶ光軸中を、被測定物たる線材が通過することによって受光源にて検知される遮光幅を基礎として、線材の断面形状を算出している。上記回転テーブルは、例えば毎分２００回転され、線材の外周面を上記光軸が連続して走査することによって、線材の断面形状が測定される。因みに、断面形状が円形のように点対称の線材（ワイヤ）の場合、上記光軸の走査角度は断面の半分の１８０度が必要となる。
【０００３】
近年、線材の精密圧延も生産効率向上のため一層の高速化が求められており、例えば直径５．５ｍｍの線材の走行速度は約１００メートル／秒のレベルに達している。このため、前記の毎分２００回転する回転テーブル上の発・受光源間の光軸で線材の断面形状を測定すると、回転テーブルが１回転する間に線材は３０メートル進むことになる。このことは、線材の外周面を１５メートル毎に発・受光源間の光軸が走査していることになる。すると、実際には線材の外周面の長い螺旋状軌跡を測定して、断面形状としていることになる。線材の全長に渉る各断面形状を精度良く測定するには、走行中の線材における同一断面に近い状態で測定することが望ましい。係る要求に対して、回転テーブルを一層高速回転させるため、前記発光源のハロゲンランプを発光ダイオードや半導体レーザ等のフィラメントを有しないものにして、大きな遠心力にも耐え得るようにしたり、前記受光源と外部の演算処理手段を電気的に結合するスリップリングを、非接触式の対向するコイル同士からなる回転トランスにすることも行われている。
しかしながら、上記回転テーブルの高速回転化によっても走行線材における同一断面に近い状態には至らず、依然として断面形状を精度良く測定できかねている。しかも、回転テーブルを高速回転化すると、発・受光源の素子等やこれらの間の光軸が振れたり、回転支持機構にガタつき等を招くと共に、これらによっても断面形状測定の精度を上げることを阻害されていた。
【０００４】
【発明が解決すべき課題】
本発明は、前記従来技術の問題点を解決し、線材等の走行部材の断面形状や直径を精度良く、短時間に測定でき、且つ、回転テーブルの回転速度を上げる必要を少なくし得ると共に、長期に渉り安定した測定を可能にした測定方法と、これに用いる装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明は測定対象の走行部材に対し、発・受光源を含む光学式測定手段を複数個用い、同時に使用することに着目してなされた。
即ち、本発明は軸方向に走行される長尺な走行部材に対し、直交する光軸を有する光学式測定手段を上記走行部材の軸方向に沿って複数個用意し、これらの光軸の方向を互いにずらして、上記走行部材を中心にして上記光学式測定手段を回転させる走行部材の断面形状測定方法を内容とする。また、これに用いる装置であって、軸方向に走行される長尺な走行部材を中心部において通過させる回転可能な回転テーブルと、この回転テーブルの異なる側面上に配設され、上記走行部材に対し直交する光軸を有する光学式測定手段を上記走行部材の軸方向に沿って複数個設け、これらの光学式測定手段の光軸の方向を互いにずらして配設する走行部材の断面形状測定装置をも内容とする。
上記測定装置には、回転テーブルが上記走行部材の軸方向に沿って複数個設けられ、各回転テーブルの側面上にそれぞれ各光軸の方向を互いにずらして前記光学式測定手段を配設したものや、一つの同じ回転テーブルの両側面上にそれぞれ各光軸の方向を互いにずらして前記光学式測定手段を配設したものも含まれる。また、前記光学式測定手段は、前記走行部材を挟んで対称的に配置される発光源と受光源及びこれらの間に配置される一対のレンズからなるが、走行部材自体が高温で自ら発光する場合には受光源と結像用レンズのみとするものも含まれる。更に、前記回転テーブルの両側に回転筒を設け、これらの回転筒の両端部付近に軸受を配設した構造のものも含まれる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施に好適な形態を図面に沿って説明する。
図１は本発明における第１の形態の測定装置１を示し、図１（Ａ）の縦断面図に示すように、水平に走行する長尺な線材Ｗの軸方向に沿って円筒状の回転筒２を、線材Ｗがその中空部３の中心を通過するように配設する。上記回転筒２は左右両端部付近の軸受４，４を介し固定台５に対して回転自在に支持され、一端に設けたプーリ６と固定台５側のモータ７のプーリ８間に掛け渡されたベルト９を介して回転される。この回転筒２の外周には２枚の円盤状の回転テーブル１０，１０が線材Ｗの軸方向に沿って間隔を置いて併設されている。各回転テーブル１０が対向し合う側面上に光軸Ｌを各々９０度ずつ方向をずらして設定するため、各回転テーブル１０の基部に隣接する回転筒２には、開口部１１，１１が線材Ｗと直交すると共に、互いの方向が９０度ずれるよう開設されている（図１（Ｂ），（Ｃ））参照）。
【０００７】
また、各回転テーブル１０が対向し合う側面上には、光軸Ｌを得るため光学式測定手段１２，１２が設けられている。この光学式測定手段１２は、図１（Ｄ）に示すように、線材Ｗに向け光線を照射する発光ダイオード等からなる発光源１３と、照射された拡散光線を平行光線に変換する凸レンズ１４と、線材Ｗに遮られずに通過した平行光線を収束して結像するための凸レンズ１５と、収束光を結像させるＣＣＤラインセンサからなる受光源１６によって構成される。これらの発光源１３、凸レンズ１４，１５、及び受光源１６は、直列に整列して各回転テーブル１０に配設される。上記受光源１６のＣＣＤラインセンサは、結像された部分から線材Ｗによって遮光された部分の数量を電気信号に変換し、固定台５側の演算手段（図示せず）に送信する。
【０００８】
前記回転筒２の中央部には、図１（Ｂ）のように回転トランス２０の一次側コイルをプリントした円盤２１が複数個併設され、これらの一次側コイルに近接して対向する二次側コイルをその側壁にプリントしたリング状の細溝２２を複数固定台５側に併設している。この回転トランス２０は、一次側コイルに流れる電流により二次側コイルに生じる誘導電流によって、前記受光源１６からの電気信号を非接触で固定台５側の演算手段に送信する。
前記測定装置１はその回転筒２を両端部付近で、軸受４，４を介して支持されるので、回転テーブル１０を高速回転しても安定した回転が得られる利点がある。尚、高温の線材Ｗが自ら発光する状態で測定する場合、その自発光線を利用すると、前記光学式測定手段１２のうち発光源１３と凸レンズ１４を省略して、結像用凸レンズ１５と受光源１６のみにすることもできる。また、線材Ｗが１０００℃程度の高温状態で走行する場合には、測定装置１を保護するため、前記回転筒２の中空部３内の右方には断熱管（図示せず）が配設される。更に、前記回転筒２と固定台５との間には、光学式測定手段１２の電気回路に給電するためのスリップリング（図示せず）も常法により配設されている。
【０００９】
次に、以上の構成からなる測定装置１の作用について説明する。
熱間圧延された線材Ｗは、回転筒２の中空部３の中心を軸方向に走行し、貫通する。一方、回転筒２と共に回転する２枚の回転テーブル１０，１０の側面上の光学式測定手段１２の各光軸Ｌは、上記線材Ｗが走行する軸方向と直角に交差する。二つの光軸Ｌ，Ｌは、図１（Ｃ）のように各々の方向が互いに９０度ずらされているので、各光学式測定手段１２が線材Ｗの外周面を９０度ずつ走査することで、線材Ｗ外周の１８０度、即ち半分の断面形状が測定される。つまり、線材Ｗの軸方向に二つの光学式測定手段１２を間隔を置き、且つ、互いの光軸Ｌの方向を９０度ずらして設けることで、従来の単一の光学式測定手段を用いたものに比べ、回転テーブルの回転速度（時間）が同じならば２倍の速度で測定できるので、測定される線材Ｗの断面形状の精度を向上させることができる。
【００１０】
図２は、前記測定装置１の変形例を示し、図２（Ａ）の縦断面図に示すように、この測定装置１′には回転筒２に３枚の回転テーブル１０が併設されている。これらの回転テーブル１０の一側面上に設けられる各光学式測定手段１２の三つの各光軸Ｌは、図２（Ｂ）に示すように各々の方向を６０度ずつずらされている。このため、測定装置１′に線材Ｗを走行・貫通させ、回転筒２と共に３枚の回転テーブル１０を回転させると、線材Ｗの外周を各光学式測定手段１２の光軸Ｌが６０度ずつ走査することで、線材Ｗ外周の１８０度、即ち半分の断面形状を測定することができる。この測定装置１′によれば従来の単一の光学式測定手段のものと同じ回転速度（時間）で、線材Ｗの外周を３倍も測定でき、測定精度を更に向上させることができる。勿論、回転筒２及び３枚の回転テーブル１０の回転速度を上げることで、同一断面に一層近い状態で測定することもできる。
これらの測定装置１，１′を発展させ、４枚以上の回転テーブル１０に４個以上の光学式測定手段１２を設け、これらの各光軸Ｌの方向を４５度以下（１８０°／Ｎ枚）にてずらすことで、同一断面に最も近似した理想的な測定が可能となる。
【００１１】
図３は、本発明における第２の実施形態の測定装置３１を示し、図３（Ａ）の縦断面図に示すように、水平走行する線材Ｗの軸方向に沿って円筒状の回転筒３２を、線材Ｗがその中空部３３の中心を通過するように配設する。上記回転筒３２も左右の軸受３４，３４を介して固定台３５に対し回転自在に支持され、一端に設けたプーリ３６と固定台３５側のモータのプーリ（図示せず）との間に掛け渡されたベルト３９を介して回転される。この回転筒３２の外周中央部には一枚の円盤状の回転テーブル４０が突設されている。この回転テーブル４０の両側面にはそれぞれ前記と同じ光学式測定手段４２，４２が、図３（Ｂ）に示すように各光軸Ｌの方向を互いに９０度ずらして配設されている。これらの各光軸Ｌが線材Ｗと直交するよう、回転テーブル４０の両側面基部に隣接する回転筒３２にも開口４１，４１が開設されている。その他の部分は前記図１，２と同様のため説明は省略する。
【００１２】
これらの光学式測定手段４２，４２は、上記回転テーブル４０の厚さ分だけ離れているので、線材Ｗの外周をそれぞれ９０度ずつ走査することで、同一断面形状に近い状態で断面形状の測定が可能になる。但し、線材Ｗの外周面に遮られた一方の光軸Ｌからの反射光線が、隣接する他方の光軸Ｌに干渉する等の支障の生じないように、回転テーブル４０の厚さを設定することが必要である。
この測定装置３１は一つの回転テーブル４０の表裏面に二つの光学式測定手段４２，４２を配設できるので、装置の構成が簡素化されると共に、全体も小型化にでき、設置スペースも少なくて済むという実用上の優れた利点も有する。勿論、前記回転テーブル４０を回転筒３２に複数枚併設し、それらの表裏面にそれぞれ二つの光学式測定手段４２，４２を４個以上前記と同様に配設することもでき、線材Ｗの同一断面に一層近似した状態で、断面形状の測定を高精度に行うことが可能となる。
【００１３】
図４は前記測定装置３１の変形例を示し、図４（Ａ）の縦断面図と図４（Ｂ）の回転テーブルの正面図に示すように、この測定装置３１′は回転テーブル４０を回転筒３２の一端に設け、その両側面にそれぞれ光学式測定手段４２，４２を各光軸Ｌの方向を９０度ずつずらして配設したものである。係る測定装置３１′では、図４（Ａ）の左方の光学式測定手段４２は、その光軸Ｌが回転筒３２と交差しないので、このための開口４１は不要となる。この回転テーブル４０は、回転筒３２を介し軸受３４，３４に対し片持ち状態で回転可能に支持されるが、回転筒３２を一定の長さとし、軸受３４，３４同士の間隔を確保することで、安定した回転が得られ、前記測定装置３１と同様の測定を行うことができる。
勿論、回転筒３２の両端に回転テーブル４０をそれぞれ設け、４個の光学式測定手段４２を各光軸Ｌの方向を４５度ずつずらして配設すると、一層精度良く線材Ｗの断面形状を測定できることは明らかである。
【００１４】
以上の説明では、被測定対象の線材Ｗは円形断面を有するので、その外周に対する光学式測定手段の光軸による走査角度も１８０度で済み、円形断面のためその直径も自動的に測定することができる。このように１８０度の走査角度で、断面形状が測定できるのは、点対称の断面形状によるためである。従って、断面形状が正方形、六角形、八角形等の偶数辺の正多角形のほか、菱形、楕円形等の点対称で、且つ周面に凹部の無い断面を有する部材であれば、前記の各形態のいずれの装置によっても測定することができる。
【００１５】
一方、被測定部材の断面形状が三角形、五角形等の奇数辺の正多角形や、縦横辺の長さが異なる平行四辺形である場合は、３６０度の走査角度が必要となる。
図５は、係る３６０度の走査が可能となるようにした本発明の実施の形態を説明する。図５（Ａ）は、中心部に被測定部材が貫通走行する穴５１（中空部）を有する一枚の回転テーブル５０の両側面を示し、左方の側面には光学式測定手段５２の光軸Ｌは下向きに、右方の測定手段５２の光軸Ｌは上向きで、互いに１８０度ずらして配設されている。この回転テーブル５０を、前記図３又は図４の測定装置３１にセットして、三角形断面の走行部材の周りを１８０度回転させると、その断面形状の測定ができ、従来の単一の光学式測定手段のみの装置に比べ、同じ回転速度で２倍の走査が行え、精度の良い断面形状の測定を可能にすることができる。
勿論、図５（Ｂ）に示すように二枚の回転テーブル６０，７０の両側面に、それぞれ上記同様に互いの光軸Ｌを９０度ずらした光学式測定手段６２，６２と７２，７２を、各テーブルの間でも方向を９０度ずらして配設すれば、両テーブル６０，７０を走行部材の周りを９０度回転するのみで、一層精度の良い断面形状の測定を行うことができる。
【００１６】
本発明は、以上の各実施形態の測定装置を用いることで、従来の技術に比較して優れた測定精度を得ることができ、被測定対象の走行部材に対し、直交する光軸を有する光学式測定手段を走行部材の軸方向に沿って複数個用意し、これらの光軸の方向を互いにずらして上記走行部材を中心に各光学式測定手段を回転させる前記測定方法を使用することができる。
係る測定方法でも理解されるように、本発明は前述した各実施の形態に限定されるものではない。
例えば、前記回転テーブルは、光学式測定手段をその側面上に配設し、その光軸を走行部材に対し直角に設定できるものであれば、円盤形状に限らず、−形、＋形、＊形等をベース形状とするプレートを採用することもできる。
【００１７】
前記光学式測定手段も、発光源と平行光変換用の凸レンズとの間に、発光源側のみ平坦なシリンドリカルレンズをその軸方向を走行部材に直角に配置して、発光源からの光線を長方形状に拡げ、且つ、走行部材の軸芯で集光させることもできる。これは、発光ダイオードのような小さな発光源に対し好適に用いられる。また、走行部材と結像用凸レンズの間に減光フィルタを介在させ、約１０００度程度に加熱された線材等の走行部材自体が放つ光線を除去することで、発光源からの光線の散乱を防止することもできる。更に、加熱線材からの光線のうち、結像用凸レンズを通過する光線を除去するため、この光線が集まる結像用凸レンズの焦点付近であって、受光源との間に多数のスリットを平行に明けたスリット板を配置することもできる。加えて、このスリット板の後方にバンドパスフィルタを併設して、加熱線材等からの光線を選択的に除去することもできる。
更に、前記の測定装置によって、走行部材の一部の断面形状が寸法公差を逸脱していることが検知された場合、この走行部材の異常部分に測定直後に適宜マーキングを施し、次工程以降において除去、又は矯正用に供することもできる。
【００１８】
【発明の効果】
以上において説明したように、本発明によれば軸方向に走行される線材等の長尺な部材の断面形状、及び／又は直径を、従来の技術に比べて格段に優れた精度により、且つ短時間に測定することができる。しかも、光学式測定手段を配設した回転テーブルの回転速度を積極的に上げることも必要としないので、測定装置の耐久性を維持でき、且つ、長期に渉り安定した測定を可能にし得る。
また、請求項４の発明によれば、同じ回転テーブルの両側面に光軸を設定できるので、測定装置を小型化でき、設置スペースを低減することも可能になる。
更に、請求項６の発明によれば、回転テーブルを含む回転筒をその両端部付近で軸受を介して支持するため、回転テーブル等の回転を滑らかで安定したものにできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は回転筒等の斜視図、（Ｃ）は回転テーブルの正面図、（Ｄ）はその拡大図である。
【図２】第１の実施形態の変形例を示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は回転テーブルの正面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態を示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は回転テーブルの正面図である。
【図４】第２の実施形態の変形例を示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は回転テーブルの正面図である。
【図５】本発明の他の実施形態を示し、（Ａ），（Ｂ）共に回転テーブルの斜視図である。
【符号の説明】
１，３１…………………………………測定装置
２，３２…………………………………回転筒
１０，４０………………………………回転テーブル
１２，４２………………………………光学式測定手段
１３………………………………………発光源
１４，１５………………………………レンズ
１６………………………………………受光源
Ｌ…………………………………………光軸
Ｗ…………………………………………走行部材（線材）

Claims (6)

1. 軸方向に走行される長尺な走行部材に対し、直交する光軸を有する光学式測定手段を上記走行部材の軸方向に沿って複数個用意し、これらの光軸の方向を互いにずらして、上記走行部材を中心にして上記光学式測定手段を回転させることを特徴とする走行部材の断面形状測定方法。
2. 軸方向に走行される長尺な走行部材を中心部において通過させる回転可能な回転テーブルと、この回転テーブルの異なる側面上に配設され、上記走行部材に対し直交する光軸を有する光学式測定手段を上記走行部材の軸方向に沿って複数個設け、これらの光学式測定手段の光軸の方向を互いにずらして配設することを特徴とする走行部材の断面形状測定装置。
3. 前記回転テーブルが前記走行部材の軸方向に沿って複数個設けられ、各回転テーブルの側面上にそれぞれ各光軸の方向を互いにずらして前記光学式測定手段を配設した請求項２に記載の走行部材の断面形状測定装置。
4. 一つの回転テーブルの両側面上にそれぞれ各光軸の方向を互いにずらして前記光学式測定手段を配設した請求項２に記載の走行部材の断面形状測定装置。
5. 前記光学式測定手段が、前記走行部材を挟んで対称的に配置される発光源と受光源及びこれらの間に配置される一対のレンズ、又は少なくとも受光源と結像用レンズのみからなる請求項２乃至４のいずれかに記載の走行部材の断面形状測定装置。
6. 前記回転テーブルの両側に回転筒を設け、これらの回転筒の両端部付近に軸受を配設した請求項２乃至５のいずれかに記載の走行部材の断面形状測定装置。

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