JP2014508042A - 管内側輪郭を測定する光源を備える自動化された管成形プレス - Google Patents

Abstract

本発明は、形成したいスリット管又は管一次製品（２）の横断面の半径方向で板状製品（１）を少なくとも段階的に変形加工する少なくとも１つの内側変形加工工具（３）と、板状製品（１）を外側から変形加工する少なくとも１つの外側変形加工工具（４）と、を備える、板状製品（１）を変形加工してスリット管又は管一次製品（２）を形成する装置であって、少なくともスリット管又は管一次製品（２）の内側輪郭を測定する少なくとも１つの光源（７）及び少なくとも１つの受信器（８）が、少なくとも１つの内側変形加工工具（３）に結合されていることを特徴とする、板状製品を変形加工してスリット管又は管一次製品を形成する装置に関する。さらに本発明は、形成したいスリット管又は管一次製品（２）の横断面の半径方向で板状製品（１）を変形加工する少なくとも１つの内側変形加工工具（３）と、板状製品（１）を外側から変形加工する少なくとも１つの外側変形加工工具（４）とを用いて、板状製品（１）を変形加工してスリット管又は管一次製品（２）を形成する方法であって、少なくとも１つの光源（７）及び少なくとも１つの受信器（８）を内側変形加工工具（３）に結合し、少なくとも変形加工工程中、変形加工される板状製品（１）の局所的な輪郭又は形状を検出することを特徴とする、板状製品を変形加工してスリット管又は管一次製品を形成する方法に関する。

Description

本発明は、形成したいスリット管（Ｓｃｈｌｉｔｚｒｏｈｒ）又は管一次製品（Ｒｏｈｒｖｏｒｐｒｏｄｕｋｔ）の横断面の半径方向で板状製品を少なくとも段階的に変形加工する少なくとも１つの内側変形加工工具と、板状製品を外側から変形加工する少なくとも１つの外側変形加工工具と、を備える、板状製品を変形加工してスリット管又は管一次製品を形成する装置及び方法に関する。

特に肉厚の管、例えばパイプライン等に用いられる管の製造は、一般に板状製品あるいは平型製品を段階的に変形加工して「スリット管」を形成することにより実施される。第１の態様では、金属薄板をスパイラル状に、金属薄板の側縁が互いに当接するように巻成し、スパイラル状の溶接シームを形成することによって、円形の横断面を有する管を形成する。択一的な製造プロセスでは、板状製品をその全長にわたって段階的に変形加工して、最終的に略円形の横断面を有する管状の製品を形成する。この管状の製品は、最終的に長手方向シームを形成することで、スリット管又は管一次製品から一本の管となる。

板状製品の変形加工は、一般に、やはり２段階のステップで実施される。第１の変形加工は、多角形の連続に相当する輪郭を有する一次製品に至る。その後、横断面の略円形の輪郭は、エキスパンダを用いた第２のステップで達成される。

１つの自由曲げポンチと、一般に２つの受け又は下側工具、例えばアンダーバーとを用いて、板状製品は、上述の変形加工ステップで局所的に変形加工され、多数のこのような変形加工動作の直列的な接続により、被加工物の最終的に所望される形状になる。

当業者は、この関連において、一般に、スリット管又は管一次製品の管横断面の二次元の「輪郭（Ｋｏｎｔｕｒ）」及び管全体の三次元の「形状（Ｆｏｒｍ）」という用語を用いる。その際、この変形加工は、しばしばオペレータの経験値に基づいて実施され、変形加工時の板状製品の位置決め及び区分毎のその都度の変形加工度の調節は、経験によるところが大きい。この工程は、それぞれ異なる強度を有し、相応にそれぞれ異なる変形加工特性を有する鋼種がスリット管に変形加工されるべきとき、ますます複雑なものとなる。それゆえ、この種のスリット管の工業的な製造は、多くの外乱、例えば金属薄板厚さ変動及びバッチ変動並びに変形加工後のスプリングバックに基づいて、特に複雑なプロセスをなしている。

この種の金属薄板パネルから管を製造する装置の例は、「Ｖｏｒｒｉｃｈｔｕｎｇ ｚｕｍ Ｈｅｒｓｔｅｌｌｅｎ ｖｏｎ Ｒｏｈｒｅｎ ａｕｓ Ｂｌｅｃｈｔａｆｅｌｎ」という発明の名称が付されたドイツ連邦共和国特許第１０２３２０９８号明細書に記載されている。

それゆえ、当業者の間では、この種の複雑な変形加工プロセスを可能な限り自動化可能とすると同時に、横断面の所望の輪郭、好ましくは真円度から可及的小さな偏差を有する管横断面を形成し、最終的に全長にわたって所望の形状を形成可能とし、これにより、一方では市場のすべての品質要求を充足し、他方では後続の溶接プロセスを困難にしないようにすることが希求されている。

このことから出発して、本発明の課題は、変形加工したい板状製品の厚さ及び材料特性とは略無関係に、変形加工工程の常時の検査を可能にし、最終的に変形加工工程自体の自動化も可能にする、板状製品を変形加工してスリット管又は管一次製品を形成する装置及び方法を提供することである。この課題は、本発明において、請求項１に記載の特徴を有する装置及び請求項１４に記載の特徴を有する方法により解決される。本発明の好ましい態様は、それぞれ従属請求項に規定されている。

本発明において、少なくとも１つの光源、例えばスーパールミネッセントダイオード又は白色光源と、少なくとも１つの受信器とが、少なくとも１つの変形加工工具に結合されており、スリット管又は管一次製品の内側輪郭を測定するために機能する。本発明において、光源と受信器とを有するあらゆる光学式の測定装置が使用される。しかし、測定装置がレーザ源とレーザ検出器とを有していると、有利である。

これにより、特に正確に作動する手段により、それぞれの変形加工ステップの検査から、スリット管又は管一次製品の横断面全体の輪郭、有利には形状の最終的な検査に至る、高精度の検査を可能にする装置が提供される。さらに測定は、迅速に実施され、測定部は、冒頭で説明した形態の一般的に使用される管成形プレス（Ｒｏｈｒｆｏｒｍｐｒｅｓｓｅ）内に省スペースに、変形加工工程自体を妨害することなく組み込み可能である。測定結果に基づいて、最終的に、ステップバイステップで局所的に実施される各変形加工工程又は全体的な変形加工プロセスは、好ましくはオンライン式にかつ全自動式に、連続的に検査可能であり、場合によっては後調整も実施可能である。

個々の変形加工ステップの結果の常時の監視を行う、変形加工プロセス全体のこのような好ましい自動化は、効率的な処理手順を可能にするとともに、設備運転者の経験値に基づいてこれまで実施されてきた変形加工と比較して大幅に管理された、所定の輪郭又は形状を有する変形加工された金属薄板構造への出発材料の変形加工を可能にする。狂いあるいは偏差は、最終的に、遙かに迅速かつ正確に補償され、変形加工された金属薄板構造は、大幅に高信頼性かつ正確に製造され得る。最終的にこのことは、生産時のより低い廃棄率につながり、結果としてコスト削減につながる。また、特に要員が少なくて済むことも、コスト削減につながる。

開ループ制御及び閉ループ制御は、規則的に個々の変形加工ステップ又は全体的な変形加工プロセスの結果を参照しながら実施されるので、材料変動又はプロセスの事前モデリング時の不正確性といった外乱は、遅滞なく補償可能である。

光源は、このために光構造、特にスポット、ライン又はパターンを、少なくとも部分的に変形加工された板状製品の内表面に投射する。この光構造は、特に好ましくは場所的かつ／又は時間的に可変である。散乱した光構造の検出及び評価は、受信器により、かつ好ましくは適当な制御ユニットにより実行される。これにより、スリット管又は管一次製品の（二次元の）輪郭、さらに有利には（三次元）の形状を特定することが可能となる。

内側変形加工工具が管成形プレスの変形加工ブレードの一部であると、特に有利である。実質的に図１に示す個々のステップを有するこの変形加工プロセスでは、変形加工ブレード、特にブレードあるいはプラテンに結合された工具が、行程運動を実施して、一般に２つの受けに載置された板状製品に向かって沈み込む。変形加工は、受け同士の間隔、変形加工ブレード自体の輪郭及び変形加工ブレードのストロークに依存して実施される。変形加工は、スリット管又は管一次製品が所望の横断面輪郭又は形状になるまで段階的に実施される。

好ましくは、受け同士の間隔又は変形加工ブレードと受けとの相対位置及び受け又は変形加工ブレードの、スリット管又は管の長さにわたっての曲げは、可変であってもよい。これにより、変形加工結果に適当に影響を及ぼすことが可能である。

本発明に係る装置及び本発明に係る方法は、まさに直列接続される多数の変形加工工程から構成されているこの変形加工プロセスにおいて、特に好適に使用される。それというのも、局所的な変形加工、特に、とりわけ変形加工工程の終了後、変形加工された板状製品から変形加工ブレードが持ち上げられた後の曲率が、特に簡単かつ確実に検出可能であるからである。

さらに、少なくとも１つの光源及び少なくとも１つの光学式の受信器が、１つの共通のセンサ装置に統合されていると、有利である。これにより、測定装置全体のモジュール式の構造及び省スペースの装入が、特に有利に助成又は実現される。結果として、変形加工工程を一切妨害することがないように省スペースにレーザ式のセンサ装置を変形加工工具に取り付け可能な装置が得られる。

特に好ましいのは、それぞれ１つの光源及びそれぞれ１つの受信器、好ましくはそれぞれ１つの統合されたセンサ装置が、変形加工ブレードの各側に取り付けられている、本発明に係る装置の態様である。さらに、この関連において、光源が、好ましくは受信器とともに、回動可能に内側変形加工工具に取り付けられていると、有利である。これにより、装置側で、個々の光源がそれぞれスリット管又は管一次製品の横断面の少なくとも半分について所望の測定結果を得ることが可能となる。

特に好ましいのは、ブレードに配置された変形加工工具が、単数又は複数のスリット又は孔を有し、スリット又は孔を通して光線が、局所的な変形加工自体の領域においても被加工物の内表面に衝突可能な装置である。これにより、場合によっては変形加工工程中ですら、被加工物の輪郭及び／又は形状の正確な特定が可能となる。

これにより、特に簡単な手段によって、かつ内側変形加工工具、特に変形加工ブレードの構造形態を変更する必要なしに、形成したい製品の横断面全体の測定を可能にする装置が提供される。

２つより多くの光源及び受信器、好ましくは上述の形態のセンサ装置が、好ましくは等間隔にスリット管又は管一次製品の長さにわたって分配配置されていると、有利である。これにより、端面の真円度と、管の長さにわたる管の品質に対する要求とを確実に遵守することが保証され得る。１８メートルの長さを有するスリット管を製造する際には、１つの共通の変形加工ブレードに一般に約１５個の変形加工工具が配置されたものが使用される。この長さにわたって、好ましくは互いに等間隔に配置された３つの測定装置によって、変形加工される板状製品の輪郭又は形状が、十分な精度で、スリット管の全長にわたって測定可能である。管の端面の領域において、事前に輪郭の適合を行うことなく２つの管を突き合わせて溶接することができるように、可及的正確な真円度が要求される一方、管の長さにわたって、この予め規定された形状から僅かな偏差（いわゆるだ円率）しか許容されていない。

光源が、好ましくは受信器とともに、高さ調節可能に内側変形加工工具に取り付けられていると、有利である。このことは、特に変形加工ブレードを有する管成形プレスにおいて、特に有利には、板状製品を変形加工してそれぞれ異なる管横断面を有するスリット管を形成する際の装置のフレキシビリティを向上させる。その際、光源及び受信器の高さ調節は、理想的には、光源が実質的に最終的な管横断面の中心近傍に配置されているようになされる。これにより、特に完成した管横断面の、変形加工ブレードの最終ストローク後の測定は、容易になる。

本発明の別の好ましい態様において、受信器は、変形加工プロセスのための制御ユニットに接続されている。この制御ユニットは、特に有利には、個々の測定に関して目標値と実際値の照合を実行し、少なくとも内側変形加工工具のための修正値、場合によっては単数又は複数の外側工具のための修正値も、上述の目標値と実際値の照合に基づいて出力する。その際、制御ユニットは、目標値をこのために設けられた記憶装置から取り出すことができる。他方、内側変形加工工具を制御する修正値は、変形加工工程のための、測定された実際値に基づいて修正されたモデルの結果として出力される。

これにより、最終的に、冒頭で既に言及したように、特に有利には、制御ユニットを用いた開ループ制御及び閉ループ制御による、スリット管又は管一次製品への板状製品の全自動化された変形加工が可能となる。

本発明に係る方法は、光源及び受信器を内側変形加工工具に結合し、少なくとも変形加工工程中、それまでに実施された変形加工、好ましくは、内側変形加工工具によって板状製品に形成された局所的な曲率を検出することを特徴とする。その際、板状製品の輪郭又は形状の検出が変形加工工程自体の後も継続されると有利である。これにより、前に変形加工された材料のスプリングバックも完全に把握することが可能である。特に光測定が、変形加工工程の終了後、ひいては板状製品と内側変形加工工具の接触の終了後１秒まで持続すると、有利である。さらに有利であるのは、実際の変形加工工程より０．５〜１秒長い光測定の時間である。

本発明に係る方法の別の好ましい態様において、板状製品の、変形加工により形成された輪郭又は形状の検出は、三角測量法によって実施される。その際、当業者にとって公知であるように、光線は被加工物に向けられる。被加工物により散乱した光線は、その後、レンズにより、位置を見分ける能力のある受信器、例えばＣＣＤセル上に結像される。受信器上に結像された光点の位置に基づいて、被加工物内表面と受信器との間隔は、特定される。これにより、変形加工距離の実際値を求める特に簡単かつ制御可能な方法が提供される。隣り合う多数の測点から、同じ方法で、変形加工された板状製品の輪郭又は形状も導き出すことが可能である。

本発明に係る方法は、上で既に詳細に説明した本発明に係る装置と同様に、特に有利には、レーザが個々の変形加工ステップ毎の変形から、スリット管又は管一次製品の横断面全体の輪郭又は形状までを検出可能であるように、測定工程中回動するセンサ装置を使用する。特に有利には、このことは、それぞれ１つの光源及び受信器が内側変形加工工具、好ましくは変形加工ブレードの各側に、それぞれ管又は管一次製品の横断面の少なくとも半分がセンサ装置により検出可能であるように回転可能に取り付けられていると達成される。

特に有利であるのは、固有の回転軸線周りのセンサ装置の永続的な回転、ひいては３６０°を越える回転を可能にする装置及び方法の構成である。これにより、センサ装置のための駆動装置は、特に単純なものに設計可能である。

以下に、本発明について幾つかの図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、一般的に従来技術を示している。これに対して図２乃至５は、本発明の好ましい実施の形態を示している。しかし、図２乃至５に示す実施の形態は、独立請求項に規定する本発明の権利範囲をある特定の形に限定するものではない。

板状製品からスリット管を製造する変形加工プロセスの個々の作業ステップを示す図である。 本発明に係る装置の概略図である。 本発明に係る装置に組み付けるための、本発明における光センサ装置を上から見た図である。 本発明において使用される三角測量法の原理図である。 本発明に係る方法の概略フローチャートである。

図１は、板状製品あるいは平型製品１を変形加工して略円形の横断面を有するスリット管又は管一次製品２を形成する８つの作業ステップａ）乃至ｈ）を示している。ステップａ）は、既に予め変形加工された縁部領域１ａ，１ｂを有する板状製品１を示している。縁部領域１ａ，１ｂは、一般に管成形プレス外で予め変形加工される。ステップｂ）に示すように、管成形プレス内での変形加工工程は、板状製品１を２つの受け４ａ，４ｂと変形加工ブレード３との間に挿通させることにより開始される。変形加工ブレード３は、他方、両受け４ａ，４ｂ間で、板状製品１に対して略垂直に往復動可能である。そして、受け４ａ，４ｂと、変形加工ブレード３の本来の変形加工工具３ａとが協働して、板状製品１に局所的な変形加工を施す。作業ステップａ）乃至ｄ）では、板状製品１の第１の側を変形加工してスリット管の横断面を形成している。これに対して、ステップｅ）乃至ｈ）には、板状製品１の右側を徐徐に変形加工してスリット管２を形成していることが図示されている。両変形加工プロセスは、一般に、側縁１ａ，１ｂから内側に向かって実施される多数の局所的な変形加工ステップの連続として実施される。

図２は、受け４ａ，４ｂと変形加工ブレード３とを備える一般的な管成形プレスの形態の、板状製品１を変形加工してスリット管２を形成する本発明に係る装置を示している。変形加工ブレード３のヘッド端部には、本来の変形加工工具３ａが取り付けられている。図２は、変形加工の最終段階を示している。変形加工ブレード３の軸部の左右には、管２全体の横断面の輪郭の測定を実施可能なそれぞれ１つのレーザ式のセンサ装置５ａ，５ｂが取り付けられている。レーザ式のセンサ装置５ａ，５ｂは、全体として、矢印Ａに沿って高さ調節可能に変形加工ブレード３に取り付けられている一方、矢印Ｂにより示す回転運動は、レーザ式のセンサ装置５ａ，５ｂのハウジング全体に関するものではなく、むしろレーザ式のセンサ装置５ａ，５ｂの個々の構成要素、特に（図示しない）レーザ源及び（図示しない）レーザセンサにのみ関する。回転運動により、かつ場合によっては高さ調節によって助成されて、レーザ源から放射されたレーザ光６による、スリット管２の成形された横断面全体の走査が可能である。

図３は、（図示しない）変形加工ブレード３に取り付けられる本発明に係るレーザ式のセンサ装置５を上から見た図である。レーザ式のセンサ装置５は、主要な構成要素として駆動モータ９、角度測定装置１０、レーザ源７及びレーザセンサ８を有している。レーザ源７は、レーザセンサ８とともに、本発明における三角測量センサを形成している。レーザ式のセンサ装置５のこれらの構成要素７乃至１０のすべては、１つのハウジング内に組み込まれており、インターフェース１１を介して確実に（図示しない）変形加工ブレードに結合可能である。加えてレーザ式のセンサ装置５は、インターフェース１１を介して、レーザ源７から放射されたレーザ光が好ましくは連続的に（図示しない）スリット管横断面の、そのときまでに変形加工された周面全体を走査可能であるように、（図示しない）変形加工ブレード３から間隔を置いて取り付けられる。

図４を参照しながら、三角測量法の測定原理について概略的に簡単に説明する。レーザ源７から放射されたレーザ光６は、概略的に示すように、位置Ｐ１又はＰ２において、変形加工すべきであるか、又は既に局所的に変形加工された板状製品１の内表面に衝突する。内表面により散乱したレーザ光は、レンズ１２によって受信器上に、レーザ源７に対する板状製品１の内表面の位置に応じてそれぞれ異なる点Ｐ１′，Ｐ２′で、センサ装置５の構成要素である検出器上に結像される。これにより、レーザセンサ８の検出器上の位置Ｐ１′，Ｐ２′は、レーザ源７に対する板状製品１の内表面の位置Ｐ１，Ｐ２について直接的な推定を可能にする。

最後に図５は、本発明に係る方法を実施する概略的なフローチャートを示している。工具データと被加工物データとを含む、ある型式の管を製造するためのレシピあるいは製造データから出発して、製造を個別ステップの連続として行う。次に又はオンライン式に、被加工物又は少なくとも個々の成形を本発明に係るシステムによって計測する。この計測から、単数又は複数の後続の工程のために、モデルの場合によっては存在する修正量を求める。次に、この最後のステップ、すなわち修正量を求めるステップが実施されたか否かについて応答がなされ、その答えがイエスである場合は、完成した寸法通りのスリット管を排出し、ノーである場合は、変形加工工程をさらに実施するために製造へと戻す。

Claims (19)

1. 形成したいスリット管又は管一次製品（２）の横断面の半径方向で板状製品（１）を少なくとも段階的に変形加工する少なくとも１つの内側変形加工工具（３）と、
   板状製品（１）を外側から変形加工する少なくとも１つの外側変形加工工具（４）と、
   を備える、板状製品（１）を変形加工してスリット管又は管一次製品（２）を形成する装置であって、
   少なくともスリット管又は管一次製品（２）の内側輪郭を測定する少なくとも１つの光源（７）及び少なくとも１つの受信器（８）が、少なくとも１つの内側変形加工工具（３）に結合されていることを特徴とする、板状製品を変形加工してスリット管又は管一次製品を形成する装置。
2. 前記光源（７）及び前記受信器（８）は、スリット管又は管一次製品（２）の内側形状を測定するために機能する、請求項１記載の装置。
3. 前記内側変形加工工具（３）は、管成形プレスの変形加工ブレードである、請求項１又は２記載の装置。
4. 前記光源（７）はレーザ源である、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. 少なくとも１つの光源（７）及び少なくとも１つの受信器（８）が、１つの共通のセンサ装置（５）に統合されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
6. それぞれ１つの光源（７）及びそれぞれ１つの受信器（８）、好ましくはそれぞれ１つのセンサ装置（５）が、変形加工ブレード（３）の各側に取り付けられている、請求項３から５までのいずれか１項記載の装置。
7. 前記光源（７）は、好ましくは前記受信器（８）とともに、回動可能に前記内側変形加工工具（３）に取り付けられている、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
8. 前記光源（７）の回動範囲は、光（６）が前記管又は管一次製品（２）の横断面の少なくとも半分を走査可能であるように形成されている、請求項７記載の装置。
9. 前記光源は、光構造、好ましくはスポット又はライン、特に好ましくはパターンを、スリット管又は管一次製品（２）の内表面に投射する、請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。
10. 前記光構造は、場所的かつ／又は時間的に可変である、請求項９記載の装置。
11. 前記光源（７）は、好ましくは前記受信器（８）とともに、高さ調節可能に前記内側変形加工工具（３）に取り付けられている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の装置。
12. 前記受信器（８）は、変形加工プロセスのための制御ユニットに接続されており、好ましくは、該制御ユニットにより、個々の測定に関して目標値と実際値の照合が実行可能であり、少なくとも前記内側変形加工工具（３）のための修正値が、前記目標値と実際値の照合に基づいて出力可能であり、これにより特に好ましくは、板状製品（１）から管又は管一次製品（２）への全自動化された変形加工が、前記制御ユニットにより開ループ制御及び閉ループ制御可能である、請求項１から１１までのいずれか１項記載の装置。
13. ２０個までの変形加工工具（３ａ）、好ましくは１２乃至１６個の変形加工工具（３ａ）並びに少なくとも２個、好ましくは３個の光源（７）及び受信器（８）が、前記スリット管又は管一次製品の長さにわたって好ましくは等間隔に分配配置されている、請求項１から１２までのいずれか１項記載の装置。
14. 形成したいスリット管又は管一次製品（２）の横断面の半径方向で板状製品（１）を変形加工する少なくとも１つの内側変形加工工具（３）と、板状製品（１）を外側から変形加工する少なくとも１つの外側変形加工工具（４）とを用いて、板状製品（１）を変形加工してスリット管又は管一次製品（２）を形成する方法であって、
    少なくとも１つの光源（７）及び少なくとも１つの受信器（８）を前記内側変形加工工具（３）に結合し、少なくとも変形加工工程中、変形加工される板状製品（１）の局所的な輪郭又は形状を検出することを特徴とする、板状製品を変形加工してスリット管又は管一次製品を形成する方法。
15. 前記変形加工を段階的に実施する、請求項１４記載の方法。
16. レーザ測定を実際の変形加工工程より長く、好ましくは１秒まで、特に好ましくは０．５〜１秒の分だけ長く、持続する、請求項１４又は１５記載の方法。
17. 板状製品（１）の曲率をレーザ式の三角測量法によって求める、請求項１４から１６までのいずれか１項記載の方法。
18. 前記光源（７）を、好ましくは前記受信器（８）とともに、測定工程中、レーザ（６）がスリット管又は管一次製品（２）の横断面の少なくとも半分、好ましくは全体を走査するように回動させる、請求項１４から１７までのいずれか１項記載の方法。
19. 測定結果を制御ユニットに伝送し、該制御ユニットが、個々の測定に関して目標値と実際値の照合を実行し、少なくとも前記内側変形加工工具（３）のための修正値を前記目標値と実際値の照合に基づいて出力し、これにより特に好ましくは、前記制御ユニットが、好ましくはオンライン式に、板状製品（１）からスリット管又は管一次製品（２）への全自動化された変形加工を開ループ制御及び閉ループ制御する、請求項１４から１８までのいずれか１項記載の方法。

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