JP2020060513A - 外形測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な設備で線材の円形度を精度よく測定することが可能な外形測定装置を提供すること。【解決手段】外形測定装置は、あらかじめ設定された複数の測定方向から線材５の外径値を測定するための外径測定部１０と、外径測定部１０にて測定された複数の外径値に基づいて外径測定データを取得し、外径測定データに基づいて線材５の円形度を算出するコントローラと、を備えている。外径測定部１０は、外径値を測定する外径測定系１５を、線材５の延在方向に沿って測定方向ごとに有している。複数の測定方向は、それぞれ異なる方向に設定されている。【選択図】図２

Description

本発明は、外形測定装置に関する。

線材の製造過程では、製品チェックのため、成形後の線材に対し外形の測定が行われている。例えば、特許文献１には、圧延機により圧延された棒鋼、線材等の圧延材の寸法および形状を常に確実に測定し得る寸法形状測定装置が開示されている。

具体的には、寸法形状測定装置では、平行光線を照射する投光器と、該平行光線を受光する第１のＣＣＤ受光器とを、圧延機により圧延された直後で長手方向に移動している棒鋼、線材等の圧延材を両側から挟むように配置されている。また、該平行光線および該圧延材の移動方向と直交する両側部位に、該平行光線の反射光を該圧延材の部位毎に検出し得る第２，第３のＣＣＤ受光器が対向配置されている。そして、該各ＣＣＤ受光器の受光状況から該圧延材の寸法，形状が測定される。

特開２００７−１７２０２号公報

特許文献１の寸法形状測定装置では、投光器及び受光器が回転円板に設けられており、回転円板が円周方向に回転し、それぞれの方向における測定結果をつなぎ合わせることにより圧延材の断面形状が捉えられる。そして、捉えられた断面形状と真円とが比較されることにより、圧延体の真円度が算出される。

しかしながら、この構成では、回転円板を回転させる必要があるため、装置構成が複雑化し、装置コストが増大してしまう。

そこで、本発明は、簡易な設備で線材の円形度を精度よく測定することが可能な外形測定装置を提供することを目的とする。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。

本発明の代表的な実施の形態による外形測定装置は、あらかじめ設定された複数の測定方向から線材の外径値を測定するための外径測定部と、外径測定部にて測定された複数の外径値に基づいて外径測定データを算出し、外径測定データに基づいて線材の円形度を算出するコントローラと、を備えている。外径測定部は、外径値を測定する外径測定系を、線材の延在方向に沿って測定方向ごとに有している。複数の測定方向は、それぞれ異なる方向に設定されている。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。本発明の代表的な実施の形態によれば、簡易な設備で線材の円形度を精度よく測定することが可能となる。

本発明の実施の形態１に係る外形測定装置の一例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１に係る外径測定部の構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１に係るガイドパイプの構成の一例を示す断面図である。 ガイドパイプの設置方法を説明する図である。 本発明の実施の形態１に係る外形測定装置の動作例を示すフローチャート図である。 本発明の実施の形態２に係る外形管理システムの構成の一例を示す図である。

以下、本発明の各実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、開示はあくまでも一例にすぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。

また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。

（実施の形態１）
＜外形測定装置の構成＞
図１は、本発明の実施の形態１に係る外形測定装置の構成の一例を示すブロック図である。図２は、本発明の実施の形態１に係る外径測定部の構成の一例を示す図である。図１に示すように、外形測定装置１は、外径測定部１０、コントローラ３０を備えている。外形測定装置１は、図２に示すように、測定対象である線材５の円形度（例えば、真円度等の目標とする円形になっているかの度合い）を算出することにより、線材５の外形を測定する装置である。線材５は、例えば、銅の荒引き線や荒引き線を伸線加工した伸線等の金属線である。外径測定部１０及びコントローラ３０は、ケーブル２０を介して互いに接続されている。

図２（ａ）は、線材５の側方（線材５の延在方向と交差する方向）から見た外径測定部１０の構成を示す図である。図２（ｂ）は、線材５の延在方向から見た外径測定部１０を示す図である。具体的に説明すると、図２（ｂ）は、図２（ａ）における右端の外径測定ユニット１１の構成が例示されている。外径測定部１０は、あらかじめ設定された複数の測定方向から線材の外径値を測定する機能ブロックである。

図２（ａ）に示すように、外径測定部１０は、外径測定ユニット１１を複数備え、複数の外径測定ユニット１１は、線材５の延在方向に沿って互いに離間して配置されている。図２（ｂ）に示す例では、外径測定ユニット１１は、外径値を測定する外径測定系１５（１５−１〜１５−２）を複数（２個）有する。それぞれの外径測定系１５は、線材５に外径測定光を投射する投光部１２と、投光部１２に対応して設けられ外径測定光を受光する受光部１３とを含む。投光部１２及び対応する受光部１３は、線材５に対して対称の位置にそれぞれ配置される。

投光部１２は、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）を光源とし、ＬＥＤの光を外径測定光として受光部１３へ向けて照射する。外径測定光の幅は、線材５の外径値よりも大きい。なお、投光部１２は、例えば半導体レーザ等を光源としてもよい。

受光部１３は、例えば、アレイ状に配列された複数のフォトダイオードを有する。それぞれのフォトダイオードは、受光した外径測定光の光量に応じた所定のレベルの光量データを生成する。この光量データは、例えば、電流値や電圧値である。

例えば、フォトダイオードは、投光部１２に対して線材５と重なる領域では外径測定光をほとんど受光しないため、低レベルの光量データを生成する。一方、フォトダイオードは、投光部１２に対して線材５と重ならない領域では外径測定光を受光するため、高レベルの光量データを生成する。

なお、受光部１３は、これ以外にも、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）等、受光すると電流を発生させる素子で構成されてもよい。

そして、外径測定系１５は、それぞれのフォトダイオードで生成される光量データに基づいて、各測定方向における線材５の外径値を測定する。そして、外径測定系１５は、測定した各測定方向における外径値をコントローラ３０へ出力する。

それぞれの外径測定系１５では、投光部１２が外径測定光を照射する方向、すなわち、投光部１２から対応する受光部１３へ向かう方向により、外径値の測定方向が規定される。例えば、図２（ｂ）に示す投光部１２−１及び受光部１３−１で構成される外径測定系１５−１では、右側から左側へ向けて外径測定光が照射される。したがって、外径測定系１５−１の測定方向は、０°と規定される。また、投光部１２−２及び受光部１３−２で構成される外径測定系１５−２では、上側から下側へ向けて外径測定光が照射される。したがって、外径測定系１５−２の測定方向は、９０°と規定される。このように、外径測定ユニット１１において、２つの外径測定系１５は、互いの測定方向が直交するように配置される。

また、図２（ａ）の右から２番目の外径測定ユニット１１においても、２つの外径測定系を有しており、これらの外径測定系も、互いの測定方向が直交するように配置される。また、これらの外径測定系は、右端の外径測定ユニット１１に対し、測定方向が１５°ずつ異なるように配置される。

さらに、図２（ａ）の右から３番目の外径測定ユニット１１においても同様であり、２つの外径測定ユニットは、互いの測定方向が直交するとともに、右端の外径測定ユニット１１に対し、測定方向が３０°ずつ異なるように配置される。

このように、外径測定部１０を構成するそれぞれの外径測定ユニット１１では、２つの外径測定系は、互いの測定方向が直交するとともに、隣り合う一方の外径測定ユニット１１が他方の外径測定ユニット１１に対し、測定方向が同じ角度ずつ（図２（ａ）では、１５°ずつ）異なるように配置される。すなわち、複数の外径測定ユニット１１の測定方向は、それぞれ異なる方向に設定されている。したがって、外径測定部１０は、それぞれの測定方向に対応する外径測定系を有する。

コントローラ３０は、外径測定部１０において測定された複数の外径値に基づいて外径測定データを取得し、取得した外径測定データに基づいて線材５の円形度を算出する機能ブロックである。図１に示すように、コントローラ３０は、第１演算部３１、第２演算部３２を有する。第１演算部３１は、ケーブル２０を介して外径測定部１０と接続され、ケーブル３５を介して第２演算部３２と接続されている。

第１演算部３１と第２演算部３２と接続するケーブル３５は、通信形態に応じたケーブルが用いられる。ケーブル３５には、例えば、ＤＣアナログ通信に対応したケーブル、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ通信に対応したケーブル、シリアル通信用規格ＲＳ４２２に対応したケーブル等が用いられる。

第１演算部３１は、外径測定部１０のコントローラとしても機能するブロックであり、外径測定部１０を構成する各部の動作を制御する。また、第１演算部３１は、外径測定部１０から出力される外径値を取り込み、取り込んだ外径値に対し平均化や数値化等のデータ処理を行う。これにより、第１演算部３１は、データ処理後の外径値を生成する。そして、第１演算部３１は、データ処理後の複数の外径値から、線材５の外径値の最大値及び最小値を外径測定データとして抽出し、算出した外径測定データを第２演算部３２へ出力する。

第２演算部３２は、第１演算部３１から出力された外径測定データに基づいて線材５の円形度を算出するブロックである。第２演算部３２は、例えば、外径測定データに含まれる、外径値の最大値と外径値の最小値との差分を算出し、算出した差分に基づいて線材５の円形度を算出する。例えば、算出した差分が０に近づくにつれて、線材５の円形度は高まり、差分が０から離れるにつれて、線材５の円形度は低くなる。また、第２演算部３２は、最大値及び最小値以外の測定値を用いて線材５の円形度を算出してもよい。

第２演算部３２は、例えば、プログラマブルロジックコントローラ（Programmable Logic Controller：以下ＰＬＣとも呼ぶ）で構成されている。このように、コントローラ３０は、ＰＬＣを含んでいる。したがって、ＰＬＣに対し、第２演算部３２として必要な機能を持たせるようにプログラミングが行われることにより、第２演算部３２が構成される。

図２（ａ）に示すように、外径測定部１０は、線材５を挿通させるガイドパイプ１９を備えている。図３は、本発明の実施の形態１に係るガイドパイプの構成の一例を示す断面図である。図４は、ガイドパイプの設置方法を説明する図である。

図２（ａ），図３に示すように、ガイドパイプ１９は、例えば、隣り合う外径測定ユニット１１の間に配置される。ガイドパイプ１９は、外径測定部１０における線材５の振動を抑えるために設けられる部材である。隣り合うガイドパイプ１９の間隔Ｄは、外径測定光が覗く範囲でできるだけ狭くする。

図３において、線材５は、左から右へ搬送されるものとする。それぞれのガイドパイプ１９の入線側端部は、出線側へ向かって内径が小さくなるテーパー状に形成されている。これにより、ガイドパイプ１９が線材５により引っ張られなくなるので、線材５はガイドパイプ１９内へスムーズに導入される。また、これにより、線材５の断線の発生が抑えられる。

ガイドパイプ１９の内径は、線材５に対して大きすぎないほうがよい。図４に示すように、ガイドパイプ１９の内径が線材５に対して大きすぎると、ガイドパイプ１９は、その機能を発揮できなくなる。例えば、線材５の振動が大きくなるため、外径測定系の角度によっては、線材５が、投光部１２や受光部１３と接触したり、外径測定系による外径測定範囲から外れてしまう場合がある。

＜外形測定装置の動作例＞
次に、本実施の形態１に係る外形測定装置１の動作例について説明する。図５は、本発明の実施の形態１に係る外形測定装置の動作例を示すフローチャート図である。外形測定装置１は、例えば図５に示すステップＳ１０〜Ｓ３０の処理を行いつつ、線材５の円形度を算出する。

まず、ステップＳ１０では、外形測定装置１は、すべての測定方向における線材５の外径値を取得する。コントローラ３０（第１演算部３１）は、外径測定部１０を駆動させ、すべての投光部１２から走行する線材５の表面に対して外径測定光を同時に照射させる。これにより、すべての測定方向における線材５の外径値の測定が同時に行われる。

なお、線材５の外径値の測定は、すべての投光部１２から線材５の表面に対して外径測定光を同時に照射する方法以外の方法によって行われてもよい。例えば、図２（ａ）に示す外径測定部１０において、複数の外径ユニット１１の内部を左から右へ搬送される線材５の任意の表面がそれぞれの外径測定ユニット１１を通過するときに、外径測定ユニット１１ごとに投光部１２から線材５の任意の表面に対して、測定方向が異なる外径測定光を照射させる方法であってもよい。これにより、線材５の任意の表面に対して、すべての測定方向から外径測定光が照射されることになる。

対応するすべての受光部１３は、投光部１２から照射される外径測定光をそれぞれ受光する。各受光部１３のそれぞれのフォトダイオードは、受光した外径測定光の光量に応じた所定の光量データを生成する。このように、複数の外径測定系１５は、線材５の外径値を測定する。

外径測定系１５は、フォトダイオードごとの光量データに基づいて、それぞれの受光部１３における、外径測定光を受光した受光領域と、外径測定光を受光していない非受光領域とを識別し、非受光領域に挟まれた受光領域の幅を検出することにより、それぞれの測定方向における線材５の外径値を測定する。このように、外径測定系１５は、すべての測定方向における線材５の外径値を測定する。そして、外径測定系１５は、同時に測定した線材５のすべて測定方向の外径値を第１演算部３１へ出力する。その際、外径測定系１５は、それぞれの外径値を、対応する測定方向の情報と関連付けて第１演算部３１へ出力してもよい。

次に、ステップＳ２０では、第１演算部３１は、外径測定部１０から出力される１２個の外径値を比較し、外径値の最大値及び最小値を抽出する。第１演算部３１は、第１の測定方向における外径値Ｒ１を外径値の最大値として抽出し、第２の測定方向における外径値Ｒ２を外径値の最小値として抽出する。

ステップＳ３０では、第２演算部３２は、ステップＳ２０で抽出した外径値の最大値と最小値との差分（Ｒ１−Ｒ２）を算出することにより、線材５の円形度を算出する。その際、第２演算部３２は、差分（Ｒ１−Ｒ２）を外径の設計値で除算し、設計値に対する差分の比率を算出してもよい。このように、第２演算部３２は、同時に取得された複数の外径測定データに基づいて線材５の円形度を算出する。

これらのステップＳ１０〜Ｓ３０の処理は、所定の期間（例えば１０ｍｓｅｃ）以内に完了する。

算出された円形度、各測定方向における外径値等の情報は、例えば、外形測定装置１内のモニタや、外形測定装置１の外部に設置されるモニタに表示される。作業者は、モニタに表示される情報を見ながら、線材５の製造装置における各種パラメータ（例えば、線材５を圧延する圧延機の圧下条件）の調整を行うことができる。

ステップＳ１０〜Ｓ３０の処理は、線材５の全長にわたって繰り返し行われる。そして、線材５の全長に対する円形度の算出が行われたとき、外形測定装置１の動作は停止する。

＜その他の処理＞
ステップＳ１０〜Ｓ３０の処理を繰り返しながら、コントローラ３０は、一定の期間（例えば１ロット）において、測定方向ごとの外径値の最大値及び最小値の抽出、及び外径値の平均値の算出を行う。

また、コントローラ３０は、取得したそれぞれの外径値が所定の閾値を超えていないかどうかの判断を行ってもよい。そして、外径値が所定の閾値を超えている場合には、コントローラ３０は、その旨をモニタに表示したり、音声を発することで、作業者へ通知してもよい。

＜本実施の形態１による主な効果＞
本実施の形態１によれば、外径測定部１０は、測定方向ごとに外径測定系１５を備えている。この構成によれば、外径測定ユニットを回転させることなく、あらかじめ設定されたすべての測定方向における線材５の外径値を取得することが可能となる。したがって、外径測定ユニットを回転させる機構が不要となるので、簡易な設備で線材の円形度を精度よく測定することが可能となる。

また、本実施の形態１によれば、第２演算部３２は、外径値の最大値と最小値との差分に基づいて線材５の円形度を算出する。これにより、第２演算部３２の構成が簡略化され、従来技術のような断面形状と真円とを比較するための演算システムが不要となるので、装置コストが大幅に低減される。

また、本実施の形態１によれば、外径測定ユニット１１には、複数（例えば２個）の外径測定系１５が設けられている。この構成によれば、１つの外径測定ユニットにより複数方向における外径値を取得することができるので、外径測定ユニットの個数を抑えることが可能となり、装置規模の増大を抑えることが可能となる。

また、本実施の形態１によれば、外径測定部１０は、線材５を挿通させるガイドパイプ１９を備えている。この構成によれば、線材５の振動が抑えられ、線材５と外径測定系と接触、線材５の断線の発生が抑えられる。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２について説明する。図６は、本発明の実施の形態２に係る外形管理システムの構成の一例を示す図である。外形管理システム１０１は、図１の外形測定装置１にデータ収集装置１５０が追加された構成となっている。

データ収集装置１５０は、例えば、ケーブルを介して外形測定装置１と直接接続されてもよいし、有線又は無線のネットワークを介して外形測定装置１と接続されてもよい。データ収集装置１５０は、コントローラ３０で取得、算出されたそれぞれの測定方向における線材５の外径値、最大値、最小値、平均値等の各種情報を格納する。また、データ収集装置１５０は、ロットごとの品質の良否の判定結果を格納する。さらに、データ収集装置１５０は、各受光部１３で生成されるデータ処理前の光量データを格納してもよい。

また、データ収集装置１５０は、長期間にわたって取得した外径値や円形度等の各種データに基づいて、線材５の製造装置の劣化、及び線材５の品質低下の予兆を把握する。

例えば、作業者は、データ収集装置１５０で把握された製造装置の劣化を認識し、製造装置のメンテナンスを行う。

本実施の形態２によれば、上述した本実施の形態１による効果に加えて、コントローラ３０で算出、取得された各種情報を格納することができる。また、これにより、取得したこれらの情報に基づいて、長期間にわたって、線材５の製造装置の劣化状況を把握することができるので、製造装置のメンテナンスが効率的に行われ、線材５の品質劣化が抑えられる。また、データ処理前の光量データや外径値等を格納することができるので、外形測定装置１の外径測定部１０の劣化を検出することもできる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

例えば、コントローラ３０の第１演算部３１及び第２演算部３２は、一体で構成されてもよい。また、コントローラ３０は、両方の演算部の機能を有する１個の演算部で構成されてもよい。

また、上述した本実施の形態に係る外形測定装置では、円形度を算出することによって外形を測定する例で説明したが、真円以外の円形等からなる外形を測定することに適用してもよい。この場合には、例えば、コントローラ３０の算出設定を真円に替えて製造したい（目標とする）円形に設定し、上述した実施の形態１と同様に、外径測定部１０によって測定される複数の外径値から外径測定データを取得し、この外径測定データに含まれる外径値の最大値と最小値とから算出される差分に基づいて、線材５の円形度（目標とする円形（設定した円形）になっている度合い）を算出する。なお、算出した差分が０に近づくにつれて、線材５の円形度は高まり、差分が０から離れるにつれて、線材５の円形度は低くなる。

１…外形測定装置、１０…外径測定部、３０…コントローラ、３１…第１演算部、３２…第２演算部、１１…外径測定ユニット、１２…投光部、１３…受光部、１５…外径測定系、１０１…外径管理システム、１５０…データ収集装置

Claims (8)

1. あらかじめ設定された複数の測定方向から線材の外径値を測定するための外径測定部と、
   前記外径測定部にて測定された複数の前記外径値に基づいて外径測定データを取得し、前記外径測定データに基づいて前記線材の円形度を算出するコントローラと、
   を備え、
   前記外径測定部は、前記外径値を測定する外径測定系を、前記線材の延在方向に沿って前記測定方向ごとに有し、
   前記複数の測定方向は、それぞれ異なる方向に設定されている、
   外形測定装置。
2. 請求項１に記載の外形測定装置において、
   前記外径測定部は、前記外径測定系を有する外径測定ユニットを複数備え、
   複数の前記外径測定ユニットは、前記線材の延在方向に沿って配置されている、
   外形測定装置。
3. 請求項１に記載の外形測定装置において、
   前記外径測定部は、前記線材を挿通させるガイドパイプを備えている、
   外形測定装置。
4. 請求項１に記載の外形測定装置において、
   それぞれの前記外径測定系は、前記線材に外径測定光を投射する投光部と、前記投光部に対応して設けられ前記外径測定光を受光する受光部とを含む、
   外形測定装置。
5. 請求項２に記載の外形測定装置において、
   前記外径測定ユニットは、複数の前記外径測定系を有する、
   外形測定装置。
6. 請求項１に記載の外形測定装置において、
   複数の前記外径測定系は、前記線材の前記外径値を測定し、
   前記コントローラは、測定された複数の前記外径値に基づいて前記線材の前記円形度を算出する、
   外形測定装置。
7. 請求項１に記載の外形測定装置において、
   前記コントローラは、複数の前記外径値から前記外径値の最大値及び前記外径値の最小値を抽出することにより前記外径測定データを取得する第１演算部と、前記外径測定データに含まれる前記外径値の最大値と前記外径値の最小値との差分を算出し、前記差分に基づいて前記線材の前記円形度を算出する第２演算部と、を有する、
   外形測定装置。
8. 請求項７に記載の外形測定装置において、
   前記コントローラは、プログラマブルロジックコントローラを含む、
   外形測定装置。

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