JP2020116602A - 検出システム及び検出方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ブローホールを高精度に検出する。【解決手段】本開示の一側面によれば、鋳造機により連続的に鋳造及び搬送される鋳造バーの一部が、鋳造バー120の搬送方向に沿ってカットされ、鋳造バーの一部に、鋳造バーの内部が露出したカット面が形成される。更に、センサ220が、カット面に対向する位置に配置される。センサは、測定用ビームを発射し、測定用ビームに対応する反射波を受波して、反射面の深さ方向の形状を測定するように構成される。このセンサが制御されて、カット面の三次元形状に関する測定データが取得される。更に、測定データが表すカット面の三次元形状に基づき、カット面に露出するブローホールが検出される。【選択図】図2
Description
本開示は、ブローホールを検出するための検出システム及び検出方法に関する。
光を検査対象面に照射し、検査対象面からの反射光に基づいて、検査対象面の欠陥の有無を検査する技術が既に知られている(例えば、特許文献1参照)。
鋳造材内のブローホールを検出することによって、鋳造材の品質を管理する技術もまた知られている。ブローホールは、溶融金属内のガスが外部に放出されないことによって溶融金属の固化時に金属内に形成される孔である。
従来技術によれば、ブローホールを検出するために、鋳造材の一部を切り落とし、カット面を照明しながらカメラで撮影する。そして、カット面の二次元撮影画像を解析して、二次元画像に映るカット面の影から、窪みと推定される部位を検出し、所定面積以上の部位を、ブローホールとして検出する。
しかしながら、カット面をカメラで撮影してブローホールを検出する技術では、光の照射角度に応じて、ブローホールの検出精度が変化する。照射角度は、振動等で適値からずれるため、この技術では、照射角度の調整を高頻度に行う必要がある。従って、カメラによる二次元撮影画像に基づき、ブローホールを検出する方法では、その検出精度の向上に限界がある。
そこで、本開示の一側面によれば、ブローホールを高精度に検出可能な技術を提供できることが望ましい。
本開示の一側面によれば、ブローホールを検出するための検出システムが提供される。検出システムは、加工部と、センサと、検出部とを備える。加工部は、鋳造機により連続的に鋳造及び搬送される鋳造バーの一部を、鋳造バーの搬送方向に沿ってカットすることにより、鋳造バーの一部に、鋳造バーの内部が露出したカット面を形成するように構成される。
センサは、測定用ビームを発射し、測定用ビームに対応する反射波を受波して、反射面の深さ方向の形状を測定するように構成される。このセンサは、鋳造バーのカット面の深さ方向の形状を計測するために、カット面に対向する位置に配置される。
検出部は、センサを制御して、カット面の三次元形状に関する測定データを取得し、測定データに基づき、カット面に露出するブローホールを検出するように構成される。
この検出システムによれば、ビームを用いてカット面の深さ方向の形状を測定し、ブローホールを検出するため、カメラによる二次元撮影画像の解析によりブローホールを検出する技術よりも、ブローホールを高精度に検出可能である。
本開示の一側面によれば、ブローホールを検出するための検出方法が提供されてもよい。検出方法は、鋳造機により連続的に鋳造及び搬送される鋳造バーの一部を、鋳造バーの搬送方向に沿ってカットすることにより、鋳造バーの一部に、鋳造バーの内部が露出したカット面を形成することを含む。
検出方法は更に、測定用ビームを発射し、測定用ビームに対応する反射波を受波して、反射面の深さ方向の形状を測定するように構成されたセンサを、カット面に対向する位置に配置することを含む。
検出方法は更に、センサを制御して、カット面の三次元形状に関する測定データを取得することを含む。検出方法は更に、測定データが表すカット面の三次元形状に基づき、カット面に露出するブローホールを検出することを含む。
この検出方法によれば、上述の検出システムと同様、ブローホールを高精度に検出可能である。
以下に本開示の例示的実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図1に示す本実施形態の製造システム10は、銅荒引線の製造システムである。この製造システム10は、溶解炉21と、上樋23と、保持炉25と、下樋27と、タンディッシュ30と、注湯ノズル35と、連続鋳造機50と、連続圧延装置60と、コイラー70とを備える。
図1に示す本実施形態の製造システム10は、銅荒引線の製造システムである。この製造システム10は、溶解炉21と、上樋23と、保持炉25と、下樋27と、タンディッシュ30と、注湯ノズル35と、連続鋳造機50と、連続圧延装置60と、コイラー70とを備える。
溶解炉21は、原料銅を加熱して溶解させ、溶銅110を生成するように構成される。上樋23は、溶解炉21で生成された溶銅110を下流側の保持炉25に移送するように構成される。
保持炉25は、上樋23の下流に設けられ、上樋23から移送される溶銅110を所定の温度で加熱して一時的に貯留するように構成される。保持炉25は更に、所定量の溶銅110を下樋27に移送するように構成される。
下樋27は、保持炉25の下流に設けられ、保持炉25から移送される溶銅110をタンディッシュ30に移送するように構成される。上樋23からタンディッシュ30までの経路では、銅合金の鋳造のために、溶銅110に対して所定の金属元素が添加されてもよい。
タンディッシュ30は、下樋27の下流に設けられ、下樋27から移送される溶銅110を一時的に貯留し、連続鋳造機50に対して所定量の溶銅110を連続的に供給するように構成される。タンディッシュ30に溜まった溶銅110は、注湯ノズル35を介して、連続鋳造機50へと供給される。
連続鋳造機50は、いわゆるベルト&ホイール式の連続鋳造を行うために、鋳造リング51と、ベルト52とを備える。円筒状の鋳造リング51は、外周に所定の断面形状を有する溝部を有する。
ベルト52は、鋳造リング51の外周面の一部に接触しながら鋳造リング51の周囲を周回移動するように構成される。鋳造リング51の溝部とベルト52との間に形成される空間に、注湯ノズル35からの溶銅110が注入される。
鋳造リング51及びベルト52は、例えば冷却水により冷却される。冷却により、鋳造リング51の溝部とベルト52との間に形成される空間に注入される溶銅110は、固化する。
このようにして、連続鋳造機50では、長手方向に対して垂直な断面形状が四辺形である鋳造バー120(図3参照)が連続的に鋳造される。長手方向は、連続鋳造機50により搬送される鋳造バー120の搬送方向に対応する。以下では、長手方向又は搬送方向のことをX方向とも表現する。
連続圧延装置60は、連続鋳造機50から搬送される鋳造バー120を、連続的に熱間圧延するように構成される。鋳造バー120が圧延されることで、所定の外径を有する圧延材が成形加工され、さらに連続圧延装置60とコイラー70との間において圧延材の表面を清浄化することで、所定の外径を有する銅荒引線130が得られる。コイラー70は、連続圧延装置60の下流に設けられ、連続圧延装置60から搬送される銅荒引線130を巻き取るように構成される。
この製造システム10は更に、銅荒引線130の品質管理のために、加工装置210と、レーザセンサ220と、冷却器230(図2参照)と、冷却箱240と、制御システム300と、入力装置410と、表示装置420とを備える。
図1及び図2に示すように、加工装置210は、連続鋳造機50と連続圧延装置60との間の、鋳造バー120の搬送経路に設けられて、連続鋳造機50から搬送される鋳造バー120の上側の角部である上部側縁をカットするように構成される。鋳造バー120の上側は、鋳造時に溶融金属内のガスが移動する方向に対応し、鋳造リング51の径方向外側に対応する。加工装置210は、例えば鋳造バー120の上部側縁を切り落とすためにフィンカッターを備えることができる。
具体的に、加工装置210は、図3及び図4に示すように、鋳造バー120の長手方向に沿って鋳造バー120の上部側縁をカットすることにより、鋳造バー120の上部側縁に、鋳造バー120の内部が露出したカット面121を形成する。
図3は、鋳造バー120の長手方向に垂直な断面を示し、鋳造バー120の上部側縁が、加工装置210により一点鎖線に沿って切り落とされることを示している。図4には、加工装置210により上部側縁が切り落とされた鋳造バー120の長手方向に垂直な断面を示す。
図3に破線で示す円は、鋳造バー120の内部に存在する可能性のあるブローホールBHを概念的に示している。図4ではブローホールBHの図示を省略している。ブローホールBHは、溶融金属内のガスが外部に放出されないことによって溶融金属の固化時に金属内に形成される孔であることから、鋳造バー120の上部に生じやすい。
従って、鋳造バー120に、ブローホールBHが存在する場合には、多くの場合、加工装置210により形成された鋳造バー120のカット面121に、ブローホールBHが露出する。
図5には、鋳造バー120のカット面121に露出したブローホールBHの撮影画像を示す。図5右領域に示す撮影画像は、図5左領域に示す加工後の鋳造バー120の模式図における一点鎖線で示された矩形領域に対応する実際のブローホールBHの撮影画像である。
レーザセンサ220は、このカット面121に露出するブローホールBHを検出するために、図4に示すようにカット面121に対向するように配置される。レーザセンサ220は、測定用ビームとして青色レーザ光を測定対象面としてのカット面121に照射し、カット面121での反射により生じる青色レーザ光の反射光を受光して、カット面121の深さ方向の形状を測定するように構成される。例えば、レーザセンサ220は、カット面121に対し、青色レーザ光を垂直に照射するように配置される。
具体的には、レーザセンサ220は、鋳造バー120の長手方向(X方向)に交差する横方向に広がるライン状の青色レーザ光をカット面121に照射し、その反射光に基づき、カット面121における青色レーザ光が照射された領域の深さを測定するように動作する。
以下では、長手方向(X方向)に交差する、具体的には直交する横方向のことをY方向とも表現する。X方向及びY方向は、図4、図5、及び図6に示される。図6左領域には、ブローホールBHが露出したカット面121に照射されるY方向に沿うライン状の青色レーザ光を太い破線で概念的に示す。
レーザセンサ220は、反射光の受光信号に基づき反射点までの距離を測定することにより、カット面121における青色レーザ光が照射された領域の深さを測定することができる。
レーザセンサ220は、この測定動作により生成したカット面121における青色レーザ光の照射ライン上の各点の深さ情報を有する測定データを、制御システム300に提供する。
図6右領域には、図6左領域に示すようにカット面121にブローホールBHが露出している場合に、測定データが有する深さ情報を示す。測定データは、カット面121におけるY方向に沿うライン上の各点の深さ情報を有する。
レーザセンサ220は、カット面121の深さを測定するために、高温の鋳造バー120に比較的近い位置に配置され、高温に曝される。この熱によるレーザセンサ220の故障を抑制するために、冷却器230及び冷却箱240(図2参照)は設けられる。冷却器230及び冷却箱240は、冷却部に対応する。冷却器230は、レーザセンサ220を冷却するための冷却空気を、レーザセンサ220を囲む冷却箱240の内側に送出するように構成される。
制御システム300は、レーザセンサ220と鋳造バー120との相対位置が鋳造バー120の搬送によりX方向に変化する過程で、レーザセンサ220に繰返し測定動作を実行させることで、カット面121上の長手方向(X方向)に間隔を有する複数のライン(図7において破線で示される)の測定データを取得するように構成される。
各測定データは、互いにカット面121上の異なるX方向位置における、Y方向に広がるライン上の各点の深さ情報を有する。このため、レーザセンサ220と鋳造バー120との相対位置がX方向に変化する過程での複数回の測定動作により得られる測定データ群は、カット面121におけるXY方向の各点の深さを示し、カット面121の三次元形状を表す。
制御システム300は、この測定データ群が表すカット面121の三次元形状に基づき、カット面121に露出するブローホールBHを検出する。制御システム300は、プロセッサ310及びメモリ320を備える。
制御システム300では、プロセッサ310がメモリ320に格納されたコンピュータプログラムに従う処理を実行することにより、レーザセンサ220の制御及び測定データ群に基づくブローホールBHの検出動作が実現される。以下において説明する制御システム300を主体とする動作は、プロセッサ310がコンピュータプログラムに従う処理を実行することにより実現されると理解されてよい。
制御システム300は、メモリ320として、ROM及びRAMを備える。測定データは、RAMに保存される。制御システム300は、フラッシュメモリ又はハードディスク装置等のストレージ装置を備えていてもよい(図示せず)。
制御システム300は、入力装置410を通じてユーザからの指令を受けて、レーザセンサ220を制御し、表示装置420を通じて、カット面121の三次元画像及びブローホールBHの検出結果を表示するように構成される。
続いて、制御システム300が実行する処理の詳細を、図8及び図9を用いて説明する。制御システム300は、例えば入力装置410を通じてユーザからの指令を受けて、図8に示す測定制御処理を実行する。
測定制御処理を開始すると、制御システム300は、レーザセンサ220による測定動作の実行周期Tを、鋳造バー120の搬送速度、即ち、X方向の移動速度に応じた周期に決定する(S110)。具体的には、測定データ群から特定されるカット面121の三次元画像のX方向及びY方向の分解能が互いに同一となるように、測定動作の実行周期Tを決定する。
例えば、レーザセンサ220の測定動作により得られる測定データにおけるY方向分解能がRyであるときには、鋳造バー120がX方向に距離Ryだけ移動する度に測定動作が実行されるように、測定動作の実行周期Tを決定する。
レーザセンサ220の搬送速度がVであるときには、測定動作の実行周期Tを、T=Ry/Vに設定することで、X方向の分解能Rxを、Y方向の分解能Ryに揃えることができる。
制御システム300は、入力装置410を通じて鋳造バー120の搬送速度Vの情報を取得することができる。あるいは、制御システム300は、速度センサ又は連続鋳造機50から鋳造バー120の搬送速度Vの情報を取得することができる。
実行周期Tの決定後、制御システム300は、レーザセンサ220が決定した実行周期Tで繰り返し測定動作を実行するように、レーザセンサ220を制御する。制御システム300は、レーザセンサ220に実行周期Tを指定して、レーザセンサ220に周期的な測定動作を実行するように指示することができる(S120)。この指示により、レーザセンサ220では、周期Tの測定動作が繰り返し実行される。
その後、制御システム300は、終了条件が満足されるまで(S140でYes)、レーザセンサ220による周期的な測定動作により生成される測定動作毎の測定データを、レーザセンサ220から逐次取得し、メモリ320に記録する(S130)。
制御システム300は、終了条件が満足されると(S140でYes)、レーザセンサ220による周期的な測定動作を停止して(S150)、当該測定制御処理を終了する。
また、制御システム300は、測定制御処理とは並列に、図9に示す検出処理を実行する。制御システム300は、例えばレーザセンサ220による周期的な測定動作に合わせて、メモリ320に新たな測定データが記録される度に、検出処理を実行することができる。
あるいは、制御システム300は、銅荒引線130のロット単位で、対応する測定データ群を用いて、図9に示す検出処理を実行することができる。あるいは、制御システム300は、入力装置410を通じたユーザからの指令に基づき、指定された測定データ群を用いて、図9に示す検出処理を実行することができる。
制御システム300は、検出処理を開始すると、メモリ32に蓄積された測定データ群を読み込むことにより、カット面121の三次元画像を取得する(S210)。制御システム300は、更に、取得した三次元画像を解析して、三次元画像に映るカット面121内のブローホールBHを検出する(S220)。
具体的には、制御システム300は、三次元画像に映るカット面121内の凹部を探索する。探索により発見された凹部の中で、XY平面上の面積が第一の閾値以上、且つ、深さが第二の閾値以上の凹部を、ブローホールBHとして検出する。第一及び第二の閾値は、予めシステムの設計者により定められ得る。制御システム300は、例えば、深さの勾配が閾値以上の領域に囲まれた部位を、凹部として検出することができる。
制御システム300は、S220における画像解析及びブローホールBHの検出を終了すると、検出結果を、メモリ320に記録して(S230)、図9に示す検出処理を終了する。S230において、制御システム300は、例えば、ブローホールBHが検出されたカット面121上の位置座標(XY位置)を、メモリ320に記録することができる。
あるいは、制御システム300は、画像解析された鋳造バー120の長手方向範囲の情報と共に、その範囲において検出されたブローホールBHの個数及び/又は密度を表す情報を、検出結果としてメモリ320に記録してもよい(S230)。
S230において制御システム300は、検出結果をユーザに伝達するために、検出結果を表示装置420に表示させてもよい。制御システム300は、検出結果と共に、カット面121の三次元画像を表示装置420に表示させてもよい。ユーザに検出結果を表示することは、ユーザがブローホールBHを低減するために製造条件を調整する行為に役立つ。この他、メモリ320に記録された検出結果は、コイラー70に巻き取られた銅荒引線130の品質評価に用いられてもよい。
以上に説明した本実施形態の製造システム10において、実現可能なレーザセンサ220の仕様の例は、次の通りである。
<1>深さ方向の測定範囲:300mm±145mm
<2>深さ方向の繰返し精度:5μm
<3>横(Y)方向の測定範囲:180mm(高さ300mmであるとき)
<4>横(Y)方向の繰返し精度:60μm
<1>深さ方向の測定範囲:300mm±145mm
<2>深さ方向の繰返し精度:5μm
<3>横(Y)方向の測定範囲:180mm(高さ300mmであるとき)
<4>横(Y)方向の繰返し精度:60μm
ここで、「<1>深さ方向の測定範囲」は、レーザセンサ220から深さ方向に300mm離れた地点を中心とする−145mmから+145mmの範囲で、深さを測定可能であることを意味する。「<3>横(Y)方向の測定範囲」は、レーザセンサ220から深さ方向に300mm離れた地点にカット面121が位置するとき、カット面121上において、Y方向に180mmの範囲で深さを測定可能であることを意味する。
更に、市場に流通する製品を用いて実現可能なレーザセンサ220によれば、Y方向に0.3mmの分解能を有する三次元画像(測定データ群)を取得可能である。
冷却仕様に関しては、例えば、外気周辺温度が80℃以内であるとき、15℃の冷却空気を、冷却器230から10リットル/分以上の速度で送りだして、レーザセンサ220の周囲温度を40℃以下に抑えることができる。
本実施形態の製造システム10によれば、従来のようにカメラにより撮影された二次元画像からブローホールBHを検出するのではなく、レーザ光によりカット面121の深さ情報を取得し、カット面121の三次元画像からブローホールBHを検出する。
特に、本実施形態では、三次元画像に映る基準以上の面積及び深さを有する凹部をブローホールBHとして検出する。従って、本実施形態によれば、従来よりも高精度にブローホールBHを検出することができる。
レーザセンサ220を用いることによれば、カメラによりカット面121を撮影する場合に必要な照明用光源が不要であることも有意義である。特殊品である照明用光源が不要であることで、照明用光源の修理や交換に時間がかかる従来技術の欠点を、取り除くことができる。
この他、本実施形態では、高熱に曝されるレーザセンサ220を冷却器230により冷却するので、レーザセンサ220が故障する可能性を抑えることができる。また、高温で赤色に光る鋳造バー120に対して、赤色レーザ光ではなく、青色レーザ光を照射して測定を行うので、レーザセンサ220による形状測定を高精度に行うことが可能である。即ち、鋳造バー120からの輻射光とは異なる波長の光を用いて測定を行うので、測定精度を向上させることができる。
更に、本実施形態によれば、鋳造バー120の搬送速度Vに合わせて、レーザセンサ220による測定動作の実行周期Tを調整して、三次元画像のXY方向の分解能を揃えるので、ブローホールBHの向きや形状の非対称性による影響を抑えて、三次元画像に映る凹部の面積及び深さに基づき、ブローホールBHを良好に検出することができる。
本開示が、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の態様を採り得ることは言うまでもない。カット面121の三次元形状を特定するために用いるセンサは、ライン状のレーザ光を照射するレーザセンサ220である必要はない。センサの例には、測定用ビームとして、X線ビームや超音波ビームを発射するセンサが含まれ得る。
上記実施形態では、鋳造バー120の左右に存在する二つの上部側縁の内の一方を、切り落としてカット面121を形成したが、左右の上部側縁をそれぞれ切り落として、図10に示すように、二つのカット面121,122を形成してもよい。この場合には、カット面121,122のそれぞれに、レーザセンサ220,221を設けて、各カット面121,122のブローホールBHを検出することができる。上部側縁に限定されず、カット面は、鋳造バー120におけるブローホールBHが存在する可能性が高い部位に形成することができる。
この他、上記実施形態における1つの構成要素が有する機能は、複数の構成要素に分散して設けられてもよい。複数の構成要素が有する機能は、1つの構成要素に統合されてもよい。上記実施形態の構成の一部は、省略されてもよい。上記実施形態の構成の少なくとも一部は、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換されてもよい。特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。
10…製造システム、21…溶解炉、23…上樋、25…保持炉、27…下樋、30…タンディッシュ、35…注湯ノズル、50…連続鋳造機、51…鋳造リング、52…ベルト、60…連続圧延装置、70…コイラー、110…溶銅、120…鋳造バー、121,122…カット面、130…銅荒引線、210…加工装置、220,221…レーザセンサ、230…冷却器、240…冷却箱、300…制御システム、310…プロセッサ、320…メモリ、410…入力装置、420…表示装置、BH…ブローホール。
Claims (7)
- 鋳造機により連続的に鋳造及び搬送される鋳造バーの一部を、前記鋳造バーの搬送方向に沿ってカットすることにより、前記鋳造バーの一部に、前記鋳造バーの内部が露出したカット面を形成するように構成された加工部と、
測定用ビームを発射し、前記測定用ビームに対応する反射波を受波して、反射面の深さ方向の形状を測定するように構成されたセンサであって、前記鋳造バーの前記カット面の前記深さ方向の形状を計測するために、前記カット面に対向する位置に配置されたセンサと、
前記センサを制御して、前記カット面の三次元形状に関する測定データを取得し、前記測定データに基づき、前記カット面に露出するブローホールを検出するように構成された検出部と、
を備える検出システム。 - 前記検出部は、前記測定データが表す前記カット面に露出する基準以上の面積及び深さを有する凹部を、前記ブローホールとして検出する請求項1記載の検出システム。
- 前記センサは、前記測定用ビームとして、前記搬送方向に交差する交差方向に広がるライン状のレーザ光を前記カット面に照射し、前記レーザ光に対応する反射光を受光して、前記カット面の深さ方向の形状を測定するように構成されたレーザセンサである請求項1又は請求項2記載の検出システム。
- 前記検出部は、前記搬送方向に移動する前記鋳造バーの前記カット面に前記ライン状のレーザ光を照射して、前記カット面における前記レーザ光が照射された領域の深さを測定する動作を所定周期で繰り返し実行するように、前記センサを制御して、前記搬送方向及び前記交差方向に所定の分解能で前記カット面の深さ情報を有する前記測定データを取得する請求項3記載の検出システム。
- 前記所定周期は、前記測定データが、前記搬送方向及び前記交差方向に同一分解能で前記カット面の深さ情報を有するように、前記鋳造バーの搬送速度に対応した周期に定められる請求項4記載の検出システム。
- 前記センサを冷却する冷却部を更に備える請求項1〜請求項5のいずれか一項記載の検出システム。
- 鋳造機により連続的に鋳造及び搬送される鋳造バーの一部を、前記鋳造バーの搬送方向に沿ってカットすることにより、前記鋳造バーの前記一部に、前記鋳造バーの内部が露出したカット面を形成することと、
測定用ビームを発射し、前記測定用ビームに対応する反射波を受波して、反射面の深さ方向の形状を測定するように構成されたセンサを、前記カット面に対向する位置に配置することと、
前記センサを制御して、前記カット面の三次元形状に関する測定データを取得することと、
前記測定データが表す前記カット面の三次元形状に基づき、前記カット面に露出するブローホールを検出することと、
を含む検出方法。
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