JP2006234781A - 電縫管のシーム位置検出方法、装置、及び、シームアニーラの加熱子位置制御方法、装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電縫管製造工程の任意の位置で、電縫管のシーム（ボンド）位置を的確且つ迅速に検出する。
【解決手段】突合せ溶接によって生じるビード１４が切削された後、溶接部がアニールされる電縫管１２のシーム位置検出方法において、シームアニール入側で溶接線位置と切削帯中心位置とのずれ量Δを測定し、シームアニールスタンド間あるいはアニーラ（２４）出側の所定の位置で切削帯位置を測定し、この測定された切削帯位置の測定値を、前記ずれ量Δで修正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、突合せ溶接によって生じるビードが切削された後、溶接部がアニールされる電縫管のシーム位置検出方法、装置、及び、シームアニーラの加熱子位置制御方法、装置に係り、特に、電縫管製造工程の任意の位置で、電縫管のシーム（ボンド）位置を的確且つ迅速に検出することが可能な、電縫管のシーム位置検出方法、装置、及び、これを用いた、電縫管のシームアニール工程におけるシームアニーラの加熱子位置制御方法、装置に関する。

電縫管（電縫鋼管とも称する）の製造工程においては、図１２（Ａ）に例示する如く、帯状の素材１０を管状に成形し、幅方向両縁を溶接機２０により突合せ溶接して管１２とした後に、図１２（Ｂ）に示す如く、溶接によって内外面に生じるビード（肉盛り）１４を切削工具２２によって切削除去するのが一般的である。この電縫管の溶接部（シーム部）１６については、図１２（Ｃ）に示す如く、造管後にシームアニール（焼鈍）工程で、例えばアニーラの加熱子（インダクタコイル）２４により誘導加熱することで、溶接によって焼入れ状態に近くなったシーム部１６の材質を、その他の部分と均一にしている。

これらの工程においては、電縫管１２のシーム部１６の位置（シーム位置と称する）を常時正確に把握することが重要である。

例えば、シーム位置を適切に加熱するために、電縫管のシーム位置を正確に把握する必要があるが、電縫管のパスライン変動や捩れが発生するために、現在は作業員が時々電縫管の走行状態を目視観察し、シームアニーラの加熱子２４をシーム位置に合致するように手動で補正している。

ここでシームとは一般に溶接線のことを指すが、厳密には溶接により母板が接合されている部位、即ちボンド部のことを指す。即ち、理想的なシームアニール工程では、加熱する範囲の中心が前記ボンド位置と一致するように加熱するのが最適である。しかし、ボンド部を外観により識別するのは困難であるので、通常は切削部をシーム部と見なして、そのシーム部の位置を作業員が把握するような操業を行なっていた。即ち、通例、電縫管の切削部は、ビード切削によって周囲の素材部分より光沢を増しているので、作業者が目視により加熱範囲と前記切削帯の光沢部分の幅方向の中心位置が一致していることを確認しながら操業を行なっていた。

しかしながら、電縫管の切削部の位置は切削直後の位置では容易に目視観察可能であるが、シームアニール工程を通過した電縫管は、切削部分及びその周辺部が加熱されることで表面に酸化膜が付着して光沢が失われて目視による判別がしづらくなり、又、誘導加熱により赤熱発光した電縫管の表面を凝視して切削位置を判別するのは作業者にとって過酷な作業となる。

又、電縫管の製造工程においては、溶接部分の表面及び内部に対し超音波探傷を行ない、溶接が適切に行われているか、又、溶接部に異物が混入していないか検査を行なうのが通例であって、この場合も、電縫管のシーム位置を正しく把握して超音波探触子をシーム位置、理想的にはボンド部の位置に正しく配置させることが重要であるが、前述のようにシームアニールを施した電縫管では、スケール付着によってシーム部の光沢が失われて目視判別ができないという問題点があった。

又、前述のいずれの場合でも、目視判別による方法では、作業者の主観に依存した作業であるために、切削部をシームとみなして位置を把握する従来の場合でも、客観性、再現性に欠け、又、フィードバック制御等の高度な操業が実現できないという問題点があるのは明らかである。

これらの問題点を解決するために、従来より、画像方式、マーキング方式、電磁気的手法、光学的手法による電縫管のシーム位置検出方法が種々提案されている。

まず、シーム部の位置を直接検知するために提案されている方法として電磁気的手法がある。これは、例えば特許文献１に開示されているように、シーム部と素材部の材質の違いを渦流センサー、漏洩磁束センサー等で検出するものである。この手法は、詳しくは結晶粒径等の組織の差に起因した透磁率や電気伝導度の差が磁束分布の差として現われる現象を感知するものであるが、管表面のスクラッチ等、表面の筋状の形状不均一の影響を受け易く、又、アニールによって材質が均一された場合には検出が困難になるといった問題点がある。更に、透磁率や電気伝導度は温度により大きく変化するため、アニール後の電縫管のように、管の周方向で温度分布が生じている場合は、それが外乱になるという問題もあった。

又、切削部をシームとして検出する方法も多数提案されている。

このうち、画像方式は、例えば特許文献２に開示されているように、シーム部と素材部の光沢の差を、ＣＣＤカメラ等の画像検出手段により検出するものである。

又、マーキング法は、例えば特許文献３に開示されているように、電縫管溶接直後の、シーム位置が既知であるライン位置において、管の側面等、シーム位置と既知の幾何学的関係にある周方向の管表面に塗料等のマーキングを行ない、下流工程でシーム位置を把握したい場所において、ＩＴＶや受光素子により、マーカーの周方向位置を読み取ることで、当該ライン位置でのシーム位置を検出するものである。

又、レーザー光の散乱現象を用いるものとしては、レーザーの光源波面の等位相性により、物体表面の微細な凹凸の方向性が反射光の２次元分布の差異となって現われることを利用したものが提案されている。

例えば特許文献４は、電縫管素材部では略等方的な反射パターンを生じるのに対し、シーム部に残る管長手方向に略平行な切削痕により、シーム部では反射パターンが横断方向に広がる、という性質を利用して、シーム部と素材部を区別しようとしている。

又、特許文献５では、特許文献４の問題点に対応して、レーザー光の波長及び入射角を限定して、レーザー散乱によるシーム位置検出を的確に行なうものである。

更に、特許文献６では、反射パターン画像から水平、垂直方向の閾値処理を繰り返すことで、最大信号幅なるものを算出し、シーム部（切削部）位置検出を行なう方法が提案されている。

又、出願人は特許文献７で、電縫管のプロフィールから仮のビード頂点の座標を算出し、該電縫管のプロファールを二次関数で近似して、第１の近似曲線と該電縫管のプロフィールの前記仮のビード頂点を挟んだ２つの交点の座標を算出し、前記仮のビード頂点の座標と、前記仮のビード頂点を挟んだ２つの交点の座標とからビードの仮の存在範囲を算出し、前記電縫管のプロフィールから前記ビードの仮の存在範囲を除いた素管部形状を二次以上の偶数次多項式で近似して第２の近似曲線を求め、前記電縫管のプロフィールと前記第２の近似曲線の偏差が所定の閾値より大となる領域のうちで、前記仮のビード頂点の座標を含む領域をビードとして特定するビード形状検出方法を提案している。

特開昭５６−３３５４２号公報 特開平１０−１７０２２８号公報 特開平５−２４０８４４号公報 特開昭５２−２５６８７号公報 特開昭５９−１０８９０３号公報 特開昭６２−４２００４号公報 特開２００４−１１７０５３号公報

しかしながら、前述したように、シーム部が焼鈍された場合には、シーム部にも酸化膜が付着して光沢の差が殆ど無くなることが知られており、このような場合に、特許文献２に記載されたような画像方式では検出が困難であるという問題点があった。

又、特許文献３に記載されたようなマーキング方式では、シームアニール等により管を再加熱する工程が存在すると、マーキング塗料が剥げ落ちて検出の信頼性が低下する場合があり、又、マーキング装置あるいはＩＴＶ等の読み取り装置の向きと管中心軸の位置ずれが検出誤差に直結する等の問題点があった。

又、電縫管シーム部付近のレーザー光の反射パターンは、入射角度によっては、表面に存在する酸化膜の影響を受け易いのに対して、特許文献４では、レーザー光の波長、入射光や反射光に関する好適範囲が規定されておらず、又、切削部、素材部の識別を、受光面の幅方向両端に配置した一対の受光素子による反射光検知の有無で判別しようとしているため、実際の電縫管シーム部周辺に発生し得る酸化膜や擦り傷等によっては、散乱パターンが発生した場合でも受光強度が弱くなって、適切にシーム位置を検出できないという問題点もあった。

なお、特許文献５では、レーザー光の波長や入射角を限定しているが、シーム部（切削部）を特定するための反射パターン画像の特徴量の算出方法を具体的に記述しておらず、そのままではシーム部（切削部）の自動検出ができないという問題点があった。

又、特許文献６に記載された方法では、最大信号幅を得るまでに、適正走査線選別のための実験式、最大振幅幅を得るための閾値処理のパラメータ等、画像処理の過程で設定すべきパラメータが多数存在し、これらは材質、鋼管の規格等で異なるため、運用上煩雑であるばかりでなく、適切な設定パラメータ取得のために長期間の確性試験が必要であるという問題点や、散乱パターンが画像の斜め方向に方向性を有した場合に適切な検出ができないという問題点があった。

又、特許文献７に記載された方法でも、切削痕を検出するものであるため、ボンド位置の正確な検出は達成し得ず、アニールインダクター配置の中心位置を厳密にボンド位置に追従させる必要があるような厳格な操業条件には対応できないという問題点があった。

ところで、これまで説明したような従来技術は、いずれもシームの位置を製造ライン上の基準座標に基づいて検出することを想定しているが、実際には電縫管のパスラインは幅方向に数ｍｍ程度緩やかに変動することが知られている。このようなパスラインの変動がある場合、検出装置によるシームの位置に基づいてアニーラ加熱子２４の位置を修正しようとしても、検出装置とアニーラ加熱子２４の位置でのパスライン変動量が同一であるとは限らず、アニーラ加熱子２４の位置制御が正確に行なえない、という問題もあった。

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、電縫管製造工程の任意の位置で、電縫管のシーム（ボンド）位置を的確且つ迅速に検出できるようにすることを第１の課題とする。

本発明は、又、大幅な設備追加を必要とすることなく、電縫管のシーム位置を的確且つ迅速に検出できるようにすることを第２の課題とする。

本発明は、又、パスライン位置の変動を補償して、アニール加熱子の位置を厳密にボンド位置に追従できるようにすることを第３の課題とする。

請求項１の発明は、突合せ溶接によって生じるビードが切削された後、溶接部がアニールされる電縫管のシーム位置検出方法において、シームアニール入側で溶接線位置と切削帯中心位置とのずれ量を測定し、シームアニールスタンド間あるいはアニーラ出側で切削帯位置を測定し、この測定された切削帯位置の測定値を、前記ずれ量で修正することにより、前記第１の課題を解決したものである。

又、請求項２の発明は、突合せ溶接によって生じるビードが切削された後、溶接部がアニールされる電縫管のシーム位置検出装置において、シームアニール入側で溶接線位置を検出する第１の測定器と、同じくシームアニール入側で切削帯位置を検出する第２の測定器と、シームアニールスタンド間あるいはアニーラ出側で切削帯位置を測定する第３の測定器とを備え、該第３の測定器の測定値を、前記第１及び第２の測定器により測定した溶接線位置と切削帯中心位置とのずれ量で修正することにより、前記第１の課題を解決したものである。

又、請求項３の発明は、請求項２において、前記第１の測定器が、溶接ビード切削前の溶接ビード形状及び周囲の管形状を光切断法により測定し、そのビード形状の重心位置を溶接線位置として検出するものであることを特徴とするものである。

又、請求項４の発明は、請求項２において、前記第２の測定器が、溶接ビード切削後のビード切削帯を含む管上面にスリット光を斜めに照射し、その乱反射光をカメラで撮像した画像内のスリット光の乱反射像の輝度が低下している部分を切削帯として検出するものであることを特徴とするものである。

又、請求項５の発明は、請求項２において、前記第３の測定器が、溶接ビード切削後のシーム位置を含む管表面の各部にレーザー光を走査しながら照射し、各照射位置において得られるレーザー光の反射パターンの強度分布を画像として撮像し、前記画像に処理を施すことでシーム位置を検出するものであって、各照射位置で得られた画像を水平軸、垂直軸に関する強度分布とみなして算出される第１主成分ベクトルと水平軸のなす角度をそれぞれ算出し、このようにして算出された角度が所定の閾値より小となる範囲に相当する光源照射位置をシーム部として検出するものであることを特徴とするものである。

又、請求項６の発明は、溶接ビード切削後のシーム位置を含む管表面の各部にレーザー光を走査しながら照射し、各照射位置において得られるレーザー光の反射パターンの強度分布を画像として撮像し、前記画像に所定の処理を施すことでシーム位置を検出する電縫管のシーム位置検出方法において、各照射位置で得られた画像を水平軸ｘ、垂直軸ｙに関する強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）とみなして算出される第１主成分ベクトルと水平軸とのなす角度θをそれぞれ算出し、前記のようにして算出されたθが所定の閾値より小となる範囲に相当するレーザー光照射位置をシーム部として検出するようにして、前記第２の課題を解決したものである。

又、請求項７の発明は、電縫管のシーム位置検出装置において、溶接ビード切削後のシーム位置を含む管表面の各部にレーザー光を走査しながら照射する投光手段と、前記投光手段により照射されたレーザー光の管表面からの反射パターンを、光反射強度分布を表わす画像として撮像する撮像手段と、前記のようにして管表面へのレーザー光照射位置毎に撮像された画像群のそれぞれに対し、画像の水平軸ｘ、垂直軸ｙに関する強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）の第１主成分ベクトルと水平軸とのなす角度θを算出する演算装置と、前記のようにして算出されたθが所定の閾値より小となる範囲に相当するレーザー光照射位置をシーム部として検出する判定装置とを備えることにより、前記第２の課題を解決したものである。

又、請求項８の発明は、前記のシーム位置検出方法を用いたことを特徴とする電縫管の製造方法を提供するものである。

又、請求項９の発明は、前記のシーム位置検出装置を備えたことを特徴とする電縫管の製造設備を提供するものである。

又、請求項１０の発明は、シームアニーラ出側において電縫管のシーム位置とシームアニーラにより加熱された領域をそれぞれ検出し、シーム位置の幅方向中央の座標と加熱された領域の幅方向中央の座標の偏差を検出し、該偏差に基づいてシームアニーラの加熱子の位置補正量を決定することを特徴とするシームアニーラの加熱子位置制御方法により、前記第３の課題を解決したものである。

又、請求項１１の発明は、前記電縫管のシーム位置を、シーム位置を含む管表面の各部にレーザー光を走査しながら照射し、各照射位置において得られるレーザー光の反射パターンの強度分布を画像として撮像し、各照射位置で得られた画像を水平軸、垂直軸に関する強度分布とみなして算出される第１主成分ベクトルと予め設定した基準線とのなす角度θをそれぞれ算出し、前記のようにして算出されたθが所定の閾値より小となる範囲に相当する光源照射位置をシーム部として検出するようにしたものである。

又、請求項１２の発明は、シームアニーラ出側において電縫管のシーム位置とシームアニーラにより加熱された領域をそれぞれ検出する手段と、シーム位置の幅方向中央位置と加熱された領域の幅方向中央位置の偏差を検出する手段と、該偏差に基づいてシームアニーラの加熱子の位置補正量を決定する手段と、を備えたことを特徴とするシームアニーラの加熱子位置制御装置により、前記第３の課題を解決したものである。

又、請求項１３の発明は、前記電縫管のシーム位置を検出する手段が、シーム位置を含む管表面の各部にレーザー光を走査しながら照射する手段と、各照射位置において得られるレーザー光の反射パターンの強度分布を画像として撮像する手段と、各照射位置で得られた画像を水平軸、垂直軸に関する強度分布とみなして算出される第１主成分ベクトルと予め設定した基準線とのなす角度θをそれぞれ算出する手段と、前記のようにして算出されたθが所定の閾値より小となる範囲に相当する光源照射位置をシーム部として検出する手段と、を備えたことを特徴とするものである。

又、請求項１４の発明は、前記シームアニーラにより加熱された領域を検出する手段が、シームアニーラ出側における電縫管表面からの放射光を幅方向に概ね同時に検出するラインセンサカメラであることを特徴とするものである。

又、請求項１５に記載の発明は、前記のシームアニーラの加熱子位置制御方法を用いたことを特徴とする電縫管の製造方法である。

又、請求項１６に記載の発明は、前記のシームアニーラの加熱子位置制御装置を備えたことを特徴とする電縫管の製造設備である。

請求項１又は２の発明によれば、電縫管製造工程の任意の位置で、電縫管のシーム（ボンド）位置を的確且つ迅速に検出することができる。

又、請求項６又は７の発明によれば、大幅な設備追加をすることなく、電縫管のシーム位置を的確且つ迅速に検出することが可能となる。

従って、電縫管製造工程におけるシーム超音波検査やシーム部焼鈍等における探触子やコイル位置合わせを高精度化、自動化させることができ、検査の信頼性や生産性を向上させることができる。又、本発明により検出するボンド位置・切削帯中心ずれ量の情報を次工程に伝送することにより、造管ラインだけでなく、製造後の電縫管シーム（ボンド）位置検出の高精度化にも利用可能である。

又、請求項１０又は１２の発明は、大幅な設備追加を要しない方法によって、電縫管のシームアニーラ加熱子位置を的確且つ迅速に制御するようにしたので、電縫管製造におけるシーム部焼鈍工程におけるコイル位置追従を高精度化、自動化させることができ、製品品質や生産性、歩留りを向上させることができる。又、本発明により検出するシーム位置とアニーラ加熱子のずれ量の情報を次工程に伝送することにより、製品品質の全長保証等の品質データベース化にも利用可能である。

本発明の基本思想は、まず電縫管製造工程の上流側のシームアニール入側で厳密な位置でのシーム位置（ボンド位置）と切削帯中心位置とのずれ量Δを測定し、下流工程のシームアニールスタンド間あるいはアニーラ出側の測定位置で測定する切削帯の位置を前記のずれ量Δで修正することで、電縫管製造工程の任意の位置で電縫管のシーム（ボンド）位置を正確に検出する、というものである。

まず電縫管の溶接ビードは、電縫管母板の突合せ位置、即ちボンド位置を中心に山状に形成されるので、ビード形状の山の中心位置がボンド位置に相当する。但し、発明者等が操業現場で実験を重ねた知見によれば、山状の形状をなす溶接ビードの頂点位置は時間的に左右に頻繁に振動するため、ビード形状のピーク位置をボンド位置と見做すよりも、ビードの山形状の重心位置（加重平面位置）を中心部と見做す方が良好な結果が得られることが判った。

これを実現させるのに最良な手段としては、発明者の一人が特許文献７で提案したように、電縫管のビード部を含んだ領域を光切断法により検出して得られる形状に対して、所定の方法により管部とビード部のそれぞれの近似曲線を求め、この結果に基づき、ビード部分におけるビード形状と管の近似曲線の差の重心を算出し、これをボンド位置として特定するのが良い。

次に、前記ビード形状と対比してずれ量Δを算出するための切削帯位置の検出に関して最良な形態は、溶接ビード切削直後のビード部にスリット光を照射し、その照射部を画像として検出して、そのスリット光の輝度を検出すればよい。何故ならば、ビード切削直後の切削帯は鏡面状態になっているため、光を入射させると殆どが正反射して、乱反射光の光量は少ない。一方で素材部はランダムな表面状態であるため、乱反射光の光量が多いからである。従って、光切断法と同様にスリット光を斜めに照射させて乱反射方向からカメラで観察すると、スリット光の像の輝度により素材部か切削部であるかが明瞭に識別可能である。

更に、シームアニーラ出側あるいはシームアニーラ間で切削帯位置を検出するのに適した手段としては、溶接ビード切削後のシーム位置を含む管表面の各部にレーザー光を走査しながら照射し、各照射位置において得られるレーザー光の反射パターンの強度分布を画像として撮像し、前記画像に所定の処理を施すことでシーム位置を検出するに際して、各照射位置で得られた画像を水平軸、垂直軸に関する強度分布と見做して算出される第１の主成分ベクトルと水平軸とのなす角度θをそれぞれ算出し、前記のようにして算出されたθが所定の閾値より小となる範囲に相当するレーザー光照射位置をシーム部として検出する方法を用いることができる。

即ち、レーザー光を電縫管シーム部に照射し、その正反射光分布を観察すると、図２（Ａ）に示すように、横方向に広がった散乱パターンが得られる。一方、シーム部を外れた素材部分にレーザー光を照射したときの正反射パターンは、図２（Ｂ）に示すように、略縦方向に広がった反射パターンとなる。これは、特許文献４に開示されているように、シーム部には溶接ビード切削により長手方向の筋状の切削痕があって、レーザー光が横断方向にのみ強く散乱するのに対し、素材部分の鋼板表面は略ランダムなパターンであり、且つビーム入射角が低角度である場合には、照射位置でのビーム形状が長手方向に延びるため、結果的に縦方向に長い散乱を生じるためである。

ところで、上記のように得られる反射パターン画像は、その水平、垂直方向の画素アドレスをそれぞれｘ座標、ｙ座標、各画素の輝度を強度Ｉと見做した場合に、２次元の分布量Ｉ（ｘ，ｙ）と見做すことができるが、一方、統計学の分野で知られている主成分分析の手法を用いると、Ｉ（ｘ，ｙ）の２次元分布の分散が最も大きくなる方向を第１主成分ベクトルとして算出できることが知られている。

即ち、画像の水平（ｘ軸）方向の画素アドレスをｉ＝０，・・・，Ｍ−１（Ｍは水平方向の画素数）、画像の垂直（ｙ軸）方向の画素アドレスをｊ＝０，・・・，Ｎ−１（Ｎは水平方向の画素数）とすると、画像中の画素アドレス（ｉ，ｊ）に対応した画素の値ＩはＩ（ｉ，ｊ）と表わせ、次式（１）で与えられる行列Ａの固有値λ１、λ２（λ１＞λ２）に対応した固有ベクトルｖ１、ｖ２のうち大きい方の固有値λ１に対応した固有ベクトルｖ１が、散乱画像の主軸方向を表わすことになる。

例えば図２（Ａ）、（Ｂ）の各画像の主成分ベクトルｖ１Ａ、ｖ１Ｂを算出すると、
ｖ１Ａ＝（0.998,-0.0060）、水平方向との角度θ＝arctan(0.0602/0.9982)＝3.5deg
ｖ１Ｂ＝（0.293,0.956）、水平方向との角度θ＝arctan(0.956/0.293)＝73.0deg
となるので、レーザー光を適切な条件で走査（例えば、管中心軸を含む略垂直な面内にあり、前記管中心軸と所定の角度をなす入射方向を有する投光手段により、管周囲方向に沿って走査）して、電縫管のシーム部周辺を照射した際に得られる反射パターンの方向性を、反射パターン画像を２次元分布と見做して算出した第１主成分ベクトルの方向をθとして算出し、このθが所定の範囲内となるレーザー光照射位置がシーム部であるという判別を行なえば、電縫管のシーム位置検出を高精度で行なうことが可能になる。

ところで、それぞれ共通の機械原点をもつ幅方向座標上で、上記のようにビード切削前後でボンド位置Ｘb及び切削帯範囲［Ｘc1，Ｘc2］、又、アニールスタンド間あるいはア
ニーラ出側での切削帯範囲［Ｘa1，Ｘa2］が検出されれば、以下のようにしてアニーラ出側の測定器位置での電縫管のボンド位置Ｘを算出可能である。

即ち、切削帯中心位置とボンド位置のずれ量Δは、
Δ＝Ｘb−（Ｘc1＋Ｘc2）／２ …（２）
であり、これによりＸは、
Ｘ＝（Ｘa1＋Ｘa2）／２＋Δ
＝（Ｘa1＋Ｘa2）／２＋Ｘb−（Ｘc1＋Ｘc2）／２ …（３）
と算出される。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施例について説明する。

図１は、本発明の第１実施例に係る電縫管のシーム位置検出装置の構成を示す概略図である。

図１において、３１は、成形・溶接工程２１の出側でビード切削工具２２の入側に配設された、溶接線位置検出用の例えば光切断画像を得るための第１の測定器、３２は、ビード切削工具２２の出側に配設された、切削帯検出用の例えばスリット光の乱反射画像を得るための第２の測定器、３３は、アニーラ２４出側の測定位置で切削帯位置測定用の正反射光および散乱光の画像群を得るための第３の測定器、４１は、第１の測定器３１の出力からボンド位置Ｘbを求める第１の演算装置、４２は、第２の測定器３２の出力から切削
帯範囲の座標［Ｘc1，Ｘc2］を求める第２の演算装置、４３は、第３の測定器３３の出力から切削帯範囲の座標［Ｘa1，Ｘa2］を求める第３の演算装置、４４は、第１、第２の演算装置４１、４２の出力から、第３の測定器３３の位置でのボンド位置Ｘを算出する第４の演算装置である。

前記第１の測定器３１は、電縫管溶接後且つビード切削前の電縫管の、ビード部１４を含んだ管形状を光切断画像として測定するもので、特許文献７に開示されているような光切断方式測定ヘッドを用いればよく、光源の波長や入射角度等の好適な測定条件も前記発明のものを準用すればよい。

前記第２の測定器３２は、ビード切削後の電縫管の、ビード切削部を含んだ管に投射するスリット光の反射光の幅方向分布を含む画像を検出するもので、後処理の簡便さの観点より第１の測定器３１と同一のものを用いればよく、又、切削部と素材部の反射光の差を強くするために、ビード切削位置になるべく近づけた位置に配置するのが好ましい。

前記第３の測定器３３は、アニール後の切削帯位置（シーム位置）を、管表面の各部にレーザー光を照射して得られる正反射光及び散乱光のパターンの画像群から検出するシーム位置検出装置であり、図３に例示する測定ヘッド３３及び好適な測定条件を用いればよい。

前記測定ヘッド３３は、管中心軸を含む略垂直な面内にあり、前記中心軸と所定の角度をなす入射方向を有し、且つ、管周囲方向に沿って、溶接ビード切削後のシーム部１６を含む管１２表面の各部にレーザー光を走査しながら照射する投光手段を構成する、レーザー光源３３Ａ、固定ミラー３３Ｂ、モータ３３Ｃにより角度が可変な走査ミラー３３Ｄ、該走査ミラー３３Ｄによって走査されたビームを管１２の表面に対してほぼ垂直とするためのレンズ３３Ｅ、及び、該レンズ３３Ｅを出射したレーザー光を管１２の表面に斜めに照射するための固定ミラー３３Ｆと、前記投光手段により照射されたレーザー光の管表面からの反射パターンを、光反射強度分布を表わす画像として撮像する撮像手段を構成する、スクリーン３３Ｇ及びカメラ３３Ｈとを備えている。

図において、４７は、前記第３の演算装置４３による処理結果を表示する表示装置、４８は、これらを制御する制御装置である。

前記第１の演算装置４１は、第１の測定器３１が検出する光切断画像と予め知れる第１の測定器３１の光学配置に基づいて電縫管１２の溶接ビード１４を含んだ領域の断面形状を算出し、更にビード部分、素材部分を特定した上、でビード部分の高さ座標と素管部のフィッティングによって得られる曲線座標の差の重心位置を電縫管のボンド位置Ｘbとし
て算出するもので、特許文献７に記載されているビード位置特定方法と、公知である加重平均演算手段を組合せることで構成することができる。

前記第２の演算装置４２は、第２の測定器３２が検出するスリット光の乱反射画像から、電縫管１２のビード切削帯を含んだ領域のスリット光の乱反射光の分布を算出し、前記スリット光の輝度が所定の閾値より小さい範囲を切削帯範囲の座標［Ｘc1，Ｘc2］として検出するものであり、画像の横方向画素位置毎の輝度の値の算出方法としては、画像の縦方向の走査線毎の輝度のピーク値としてもよいが、輝度が飽和するなどして複数の画素位置で輝度が最大値となる場合もあるので、輝度と縦方向画素の加重平均演算の値をとるのが好適である。

前記第３の演算装置４３は、第３の測定器３３が検出する、レーザー光が管の切削帯を含む幅方向の各位置を照射した際に得られる正反射光及び散乱光の画像群のそれぞれから特徴量を算出し、その特徴量に応じて切削帯範囲の座標［Ｘa1，Ｘa2］を算出する画像処理装置であり、特徴量としては、画像の第１主成分ベクトルと画像の水平方向とのなす角度θとするのが好適である。

この第３の演算装置４３は、図４に詳細に示す如く、前記のようにして管表面へのレーザー光照射位置毎に撮像された画像群のそれぞれに対し、画像の水平軸、垂直軸の画素アドレスを、それぞれｘ座標、ｙ座標と見做して計算される画像の各画素の強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）の第１主成分ベクトルと水平軸（ｘ軸）とのなす角度θを、前出（１）式により算出する演算回路４３Ａと、該演算回路４３Ａにより算出されたθが所定の閾値より小となる範囲に相当するレーザー光照射位置をシーム部として検出する判別回路４３Ｂを含んで構成されている。

又、前記制御装置４８は、レーザー光源３２の駆動電源や点灯指令、走査ミラー３８の駆動電源や角度指令出力等を供給するもので、各機器に対応した仕様のモジュール電源、任意波形発生器等により構成すればよく、好適には第３の演算装置４３内部の判別回路４３Ｂがシーム位置を検出した時点でのビーム照射位置を算出できるように、走査ミラー３８の角度指令出力を判別回路４３Ｂに同期して出力させるようになっているとよい。

本実施例において、レーザー光源３２の波長、出力、電縫管１２への入射角度は、特許文献５に記載された条件に従って選定及び配置をすればよいので、本実施例では、波長５３２ｎｍ、出力３ｍＷの半導体レーザーを用い、入射角は、垂直を０°として７０°とした。

本実施例では、前述のとおり、走査ミラー３３Ｄの角度から、レーザー光の照射位置が光学系の配置に基づき一意に算出できるように、判別回路４３Ｂに、制御装置４８から走査ミラー３３Ｄへの制御信号を同期して取り込ませるようにして、判別回路４３Ｂがシーム部と見做した時点のビーム照射位置を出力するようにされている。

前記第４の演算装置４４は、第１の演算装置４１と第２の演算装置４２が算出するボンド位置Ｘb及び切削直後の切削帯範囲［Ｘc1，Ｘc2］より、前出（３）式のように、第３
の測定器位置での電縫管のボンド位置Ｘを算出する。

次に、第１実施例の動作について説明する。

図５は、本装置を鋼管製造時に運転した際に第１の演算装置４１が算出した、電縫管の溶接ビードを含む管の断面形状を、横軸に幅方向座標をとってプロットしたものであり、又、図６は、前記運転時に第２の演算装置４２が算出した切削後のスリット光の乱反射光の強度を、横軸に幅方向座標をとってプロットしたものである。ここで、第１の演算装置４１の出力は、
Ｘb＝−１．１１５ｍｍ、
第２の演算装置５の出力は、
Ｘc1＝−２．６１７ｍｍ、
Ｘc2＝３．７１１ｍｍ
であった。これにより、上記のずれ量は、
Δ＝−１．１１５−（−２．６１７＋３．７１１）／２
＝−２．７７７ｍｍ
であった。

又、図７は、同じく前記運転時に第３の演算装置４３が算出した、幅方向各部にレーザー光を照射した際の散乱画像の特徴量（第１主成分ベクトルの向きθ）を、幅方向座標に対してプロットしたものである。本図の測定は、ビーム照射位置を幅方向に０．５ｍｍ毎に移動させて測定を行なったものであるが、ビーム照射位置が−２．０ｍｍ以上＋２．０ｍｍ以下の範囲では、第１主成分ベクトルの角度θが、ほぼ１０°以下であるのに対し、その他の区間では５０°以上であるので、図７のグラフに記入したように、閾値を３０°に設定することにより、電縫管表面のシーム部と素材部を明瞭に区別することができた。

本動作例に用いた電縫管のシーム位置は、目視検査により−２．５ｍｍ〜＋１．８ｍｍの区間であったので、本発明によって高精度の電縫管のシーム位置検出が可能となることが確認できた。

なお、第３の演算装置４３の出力は、
Ｘa1＝−２．７５ｍｍ、
Ｘa2＝２．２５ｍｍ
であった。つまり、（３）式により、第３の測定器３３の位置でのボンド位置は、
Ｘ＝−３．３１ｍｍ
と検出できた。

又、図８は、本実施例の装置及び同一の閾値設定を用いて、複数の電縫管に対して図７で説明したようなシーム位置検出試験を行ない、シーム部位の中央位置座標を目視検査結果で対比させたグラフである。この試験によるシーム位置検出の目視検査との偏差は、σ＝０．４８ｍｍであり、本発明によって、高精度の電縫管のシーム検出が可能であることが確認できた。

なお、前記固定ミラー３３Ｂ、３３Ｆ、走査ミラー３３Ｄ、レンズ３３Ｅの光学機器群は、いわゆる平行ビームスキャナー、即ち前記のレーザー光源３３Ａの入射光を、シーム面との入射角度を保ったまま幅方向に平行に走査するための機構の一例であり、他の方法、例えばレンズの替わりに方物面鏡を用いる方法や、レーザー光源を直接左右に移動させる方式、反射ミラーを幅方向に移動させる方式、等の構成をとってもよく、又、レーザービームスポットを調整するためのレンズや絞りを中間に配置してもよい。

第１実施例においては、第３の測定器３３をアニーラ２４の出側に設置した構成について説明したが、電縫管製造工程で多用される、多段のアニーラスタンド間の各部でのシーム位置を高精度で検出する必要がある場合は、アニーラスタンド間に第３の測定器３３と同一のものを複数台設置し、そのそれぞれが検出する切削帯範囲を前記のずれ量Δで補正してやればよい。又、更に精度向上を図るため、アニーラスタンド位置でのシーム（ボンド）位置を推定する方法として、当該スタンドの前後に設置した第３の測定器の３３それぞれが検出する切削帯位置を長手方向の距離に応じて比例配分し、最後に前記ずれ量Δで補正するような手法を用いてもよい。

次に、本発明の第２実施例について説明する。

図９は、本発明の第２実施例に係るシームアニーラの加熱子位置制御装置の構成を示す該略図である。

図９において、３３は、第１実施例と同様の第３の測定器、５４は第４の測定器、４３は、第１実施例と同様の第３の演算装置、６５は第５の演算装置、６６は第６の演算装置である。

第３の測定器３３は、アニール後の電縫管１２の切削帯位置を、管表面の各部にレーザー光を照射して得られる正反射光及び散乱光のパターンの画像群を検出するものであり、第１実施例と同じ測定ヘッド及び好適な測定条件を準用すればよい。

第４の測定器５４は、アニール後の電縫管１２の加熱位置からの発光を、幅方向に概ね同時に検出するもので、好適には１０００ｎｍまでの波長の光に対し感度を有するラインセンサカメラと結像のためのレンズ系を組合せて用いればよい。

第３の演算装置４３は、第３の測定器３３が検出する、レーザー光が管の切削帯を含む幅方向の各位置を照射した際に得られる正反射光及び散乱光の画像群のそれぞれから特徴量を算出し、その特徴量に応じて切削帯の中心位置を算出するものであり、特徴量としては、第１実施例と同じく、画像の第１主成分ベクトルと画像の水平方向とのなす角度θが所定の範囲内となる幅方向位置の中央部として算出するのが好適である。

第５の演算装置６５は、第４の測定器５４が検出する、電縫管表面からの自発光の強度から加熱範囲の中心位置を算出するものであり、適用な閾値回路と加算回路等の組合せや、それと等価な効果を有するソフトウェアプログラムにより実現することができる。

第６の演算装置６６は、前記のようにしてそれぞれ検出した切削帯位置と加熱位置の中心位置の偏差を算出するもので、公知の減算回路かそれと等価な効果を有するソフトウェアプログラムにより実現することができる。

次に、第２実施例の動作について説明する。

第３の演算装置４３の出力は、図７に示した第１実施例と同様に、ラインセンターを基準としてｘ1＝（−２．７２ｍｍ＋２．２５ｍｍ）／２＝−０．２５ｍｍであった。

図１０は、上記と同一操業時に第４の測定器５４が検出した、電縫管１２の表面の輝度信号を幅方向を横軸にとってプロットしたものである。本実施例において第５の演算装置６５は、このような輝度分布信号より輝度が閾値を超えた変位の範囲を算出し、その中心位置を算出した。即ち、第５の演算装置６５が出力した加熱帯の中央位置は、ラインセンターを基準としてｘ2＝（−５．００＋３．８２）／２＝−０．５９ｍｍであった。

そして、第６の演算装置６６は両者の偏差を算出した。本実施例ではΔｘ＝ｘ1−ｘ2＝−０．２２ｍｍであった。

図１１は、第２実施例を電縫管操業時に動作させ、第６の演算装置６６の出力した切削帯位置と加熱帯位置の中央位置の偏差Δｘを時間を横軸としてプロットしたものである。プロット中の○印で示したのは、当該電縫管を製造後所々抜き取り、切削帯位置とアニール熱による表面変色域の中央部の位置から推定したアニール位置ずれ量であり、本実施例により、ほぼ正確に加熱帯とシーム位置のずれを検出していることが確認できた。

第２実施例においては、第３の測定器３３や第４の測定器５４をアニーラ加熱子２４の出側に設置した構成について説明したが、電縫管製造工程で多用される、多段のアニーラスタンドの各部でのシーム位置を高精度で検出する必要がある場合には、アニーラスタンド間に前記測定器群と同一のものを複数組設置し、そのそれぞれが検出する切削帯と加熱帯の中心位置ずれを検出してアニーラ加熱子位置を補正してやればよい。又、更に精度向上を図るため、アニーラスタンド位置での加熱子位置を補正する方法として、当該スタンドの前後に設置した第３及び第４の測定器の組合せが検出する切削帯と加熱帯の中心位置ずれを長手方向の距離に応じて比例配分して加熱子の位置修正補正量とするような制御手法を用いてもよい。又、更には、第１実施例のように、電縫管ビードカット前後のビード部形状及び切削帯位置の光切断計測を行なうことにより、ボンド位置と切削帯中心のずれ量との補正と組合せて、一層の高精度化を図る構成にしてもよい。

本発明の第１実施例に係る電縫管のシーム位置検出装置を示す構成図 電縫管のシーム部（Ａ）と素材部分（Ｂ）にレーザー光を照射させて反射方向で観察される画像を比較して示す図 第１実施例で用いられている第３の測定器の測定ヘッドの構成を示す斜視図 同じく、第３の演算装置の内部構成を示すブロック図 同じく、第1の演算装置が算出した値を説明するために、電縫管の溶接ビードを含む管の断面形状とフィッティング演算による管部近似関数を、横軸に幅方向座標をとってプロットした図 同じく、第2の演算装置が算出した値を説明するために、電縫管のビード切削後の位置で検出したスリット光の乱反射光の強度を、横軸に幅方向座標をとってプロットした図 同じく、第３の演算装置が算出した値を説明するために、電縫管のアニール後の位置で切削帯を含む管の表面にレーザー光を照射した際の正反射方向の光の反射パターン画像からそれぞれを算出する第１主成分ベクトルと画像の水平方向とがなす角度を、横軸にビーム照射位置即ち幅方向座標をとってプロットした図 同じく、複数の電縫管の実施例によるシーム位置検出結果と目視による検査結果を対比させて示した線図 本発明の第２実施例に係るシームアニーラの加熱子位置制御装置を示す構成図 第２実施例で用いられている第４の演算装置が算出した値を説明するために、第４の測定器が検出した電縫管のシームアニーラ後の加熱による自発光輝度の分布を、横軸に幅方向座標をとってプロットした線図 同じく、第５の演算装置が算出した値の時系列変化と、マーキングにより抜き取ったサンプルのアニール加熱帯と切削帯のずれ量のオフライン測定値を、横軸に操業時間をとってプロットした線図 電縫管の製造工程の一部を示す図

符号の説明

１２…電縫管
１４…ビード
１６…シーム部
２０…溶接機
２１…成形・溶接装置
２２…ビード切削工具
２４…アニーラ加熱子
３１、３２、３３、５４…測定器
４１、４２、４３、４４、６５、６６…演算装置

Claims (16)

1. 突合せ溶接によって生じるビードが切削された後、溶接部がアニールされる電縫管のシーム位置検出方法において、
   シームアニール入側で溶接線位置と切削帯中心位置とのずれ量を測定し、
   シームアニールスタンド間あるいはアニーラ出側で切削帯位置を測定し、
   この測定された切削帯位置の測定値を、前記ずれ量で修正することを特徴とする、電縫管のシーム位置検出方法。
2. 突合せ溶接によって生じるビードが切削された後、溶接部がアニールされる電縫管のシーム位置検出装置において、
   シームアニール入側で溶接線位置を検出する第１の測定器と、
   同じくシームアニール入側で切削帯位置を検出する第２の測定器と、
   シームアニールスタンド間あるいはアニーラ出側で切削帯位置を測定する第３の測定器とを備え、
   該第３の測定器の測定値を、前記第１及び第２の測定器により測定した溶接線位置と切削帯中心位置とのずれ量で修正することを特徴とする、電縫管のシーム位置検出装置。
3. 請求項２において、前記第１の測定器が、溶接ビード切削前の溶接ビード形状及び周囲の管形状を光切断法により測定し、そのビード形状の重心位置を溶接線位置として検出するものであることを特徴とする、電縫管のシーム位置検出装置。
4. 請求項２において、前記第２の測定器が、溶接ビード切削後のビード切削帯を含む管上面にスリット光を斜めに照射し、その乱反射光をカメラで撮像した画像内のスリット光の乱反射像の輝度が低下している部分を切削帯として検出するものであることを特徴とする、電縫管のシーム位置検出装置。
5. 請求項２において、前記第３の測定器が、溶接ビード切削後のシーム位置を含む管表面の各部にレーザー光を走査しながら照射し、各照射位置において得られるレーザー光の反射パターンの強度分布を画像として撮像し、前記画像に処理を施すことでシーム位置を検出するものであって、各照射位置で得られた画像を水平軸、垂直軸に関する強度分布とみなして算出される第１主成分ベクトルと水平軸のなす角度をそれぞれ算出し、このようにして算出された角度が所定の閾値より小となる範囲に相当する光源照射位置をシーム部として検出するものであることを特徴とする、電縫管のシーム位置検出装置。
6. 溶接ビード切削後のシーム位置を含む管表面の各部にレーザー光を走査しながら照射し、各照射位置において得られるレーザー光の反射パターンの強度分布を画像として撮像し、前記画像に所定の処理を施すことでシーム位置を検出する電縫管のシーム位置検出方法において、
   各照射位置で得られた画像を水平軸、垂直軸に関する強度分布とみなして算出される第１主成分ベクトルと水平軸とのなす角度θをそれぞれ算出し、前記のようにして算出されたθが所定の閾値より小となる範囲に相当するレーザー光照射位置をシーム部として検出することを特徴とする電縫管のシーム位置検出方法。
7. 溶接ビード切削後のシーム位置を含む管表面の各部にレーザー光を走査しながら照射する投光手段と、
   前記投光手段により照射されたレーザー光の管表面からの反射パターンを、光反射強度分布を表わす画像として撮像する撮像手段と、
   前記のようにして管表面へのレーザー光照射位置毎に撮像された画像群のそれぞれに対し、画像の水平軸、垂直軸に関する強度分布の第１主成分ベクトルと水平軸とのなす角度θを算出する演算装置と、
   前記のようにして算出されたθが所定の閾値より小となる範囲に相当するレーザー光照射位置をシーム部として検出する判定装置と、
   を備えたことを特徴とする電縫管のシーム位置検出装置。
8. 請求項１又は６に記載のシーム位置検出方法を用いることを特徴とする電縫管の製造方法。
9. 請求項２乃至５及び７のいずれかに記載のシーム位置検出装置を備えたことを特徴とする電縫管の製造設備。
10. シームアニーラ出側において電縫管のシーム位置とシームアニーラにより加熱された領域をそれぞれ検出し、
    シーム位置の幅方向中央位置と加熱された領域の幅方向中央位置の偏差を検出し、
    該偏差に基づいてシームアニーラの加熱子の位置補正量を決定することを特徴とする、シームアニーラの加熱子位置制御方法。
11. 前記電縫管のシーム位置を、シーム位置を含む管表面の各部にレーザー光を走査しながら照射し、各照射位置において得られるレーザー光の反射パターンの強度分布を画像として撮像し、各照射位置で得られた画像を水平軸、垂直軸に関する強度分布とみなして算出される第１主成分ベクトルと予め設定した基準線とのなす角度θをそれぞれ算出し、前記のようにして算出されたθが所定の閾値より小となる範囲に相当する光源照射位置をシーム部として検出することを特徴とする、請求項１０に記載のシームアニーラの加熱子位置制御方法。
12. シームアニーラ出側において電縫管のシーム位置とシームアニーラにより加熱された領域をそれぞれ検出する手段と、
    シーム位置の幅方向中央位置と加熱された領域の幅方向中央位置の偏差を検出する手段と、
    該偏差に基づいてシームアニーラの加熱子の位置補正量を決定する手段と、
    を備えたことを特徴とするシームアニーラの加熱子位置制御装置。
13. 前記電縫管のシーム位置を検出する手段が、
    シーム位置を含む管表面の各部にレーザー光を走査しながら照射する手段と、
    各照射位置において得られるレーザー光の反射パターンの強度分布を画像として撮像する手段と、
    各照射位置で得られた画像を水平軸、垂直軸に関する強度分布とみなして算出される第１主成分ベクトルと予め設定した基準線とのなす角度θをそれぞれ算出する手段と、
    前記のようにして算出されたθが所定の閾値より小となる範囲に相当する光源照射位置をシーム部として検出する手段と、
    を備えたことを特徴とする、請求項１２に記載のシームアニーラの加熱子位置制御装置。
14. 前記シームアニーラにより加熱された領域を検出する手段が、シームアニーラ出側における電縫管表面からの放射光を幅方向に概ね同時に検出するラインセンサカメラであることを特徴とする、請求項１２に記載のシームアニーラの加熱子位置制御装置。
15. 請求項１０又は１１に記載のシームアニーラの加熱子位置制御方法を用いることを特徴とする電縫管の製造方法。
16. 請求項１２乃至１４のいずれかに記載のシームアニーラの加熱子位置制御装置を備えたことを特徴とする電縫管の製造設備。