JP3202451B2

JP3202451B2 - 形鋼の寸法測定装置

Info

Publication number: JP3202451B2
Application number: JP28771393A
Authority: JP
Inventors: 昇大平; 孝三前田; 光威佐藤; 昭宣小笠原
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1993-10-22
Filing date: 1993-10-22
Publication date: 2001-08-27
Anticipated expiration: 2016-08-27
Also published as: JPH07120224A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、Ｈ形鋼あるいはＩ形鋼
等の形鋼の外形寸法を正確に測定する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば、特開昭５５−４４９７５
号公報に記載のように、接触式の測定器を多数設け、静
置したＨ型鋼に対して長手方向に移動させて、Ｈ型鋼の
長手方向の寸法変化の計測を行うものが提案されている
が、測定手段が接触式であるので、熱間の形鋼の測定に
は適用が困難であった。そこで、特開平４−１４８８１
６号公報に記載されているように、レーザー距離計を用
いて形鋼の測定をすることが提案され、レーザー距離計
の正確さを利用して、形鋼の種々の状況の測定を行うこ
とが開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記公
報記載のレーザー距離計を用いた測定方法においては、
熱間の形鋼を測定する場合、形鋼が常温値の寸法に比較
して伸びていることは当然として、レーザー距離計を支
持するフレームも熱膨張によって伸びており、例えば、
常温で測定したとき、熱間の形鋼を測定し始めたとき、
あるいは繰り返し熱間の形鋼を測定した場合とでは、測
定値が異なることになり、これによって測定誤差が生じ
るという問題点があった。本発明はこのような事情に鑑
みてなされたもので、形鋼の検査において、仮に測定対
象物から発する熱によって測定機器が部分的に加熱され
ても、それを補正し、その外形を正確に測定できる形鋼
の寸法測定装置を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】前記目的に沿う請求項１
記載の形鋼の寸法測定装置は、停止中の形鋼を挟んでそ
の上下に配置され、水平方向及び垂直方向に移動する２
軸ステージ機構と、該２軸ステージ機構の先端に取付け
られて少なくとも１８０度水平方向に旋回し前記形鋼の
表面を垂直方向を含む複数方向に検出可能なレーザ変位
計、及び上下のレーザー変位計の突き合わせ時に両者の
間隔を測定できる校正片を有した検出ヘッドと、前記２
軸ステージ機構の位置、前記検出ヘッドの方向、及び前
記レーザー変位計の測定値から得られる前記形鋼の各寸
法を、前記２軸ステージ機構を搭載するフレームのアー
ム基部あるいは前記形鋼の両側部の１または２点以上に
おいて、前記レーザー変位計を突き合わせ校正した結果
に基づいて補正する第１の演算補正手段と、前記フレー
ムのアームの上下面の温度を温度計によって計測し、そ
の温度差から前記アームの非線型曲がり及びこれによっ
て生じる前記２軸ステージ機構のヨーイングによる前記
形鋼の水平方向寸法の誤差を補正する第２の演算補正手
段を備えて構成される。

【０００５】

【作用】請求項１記載の形鋼の寸法測定装置において
は、上下の２軸ステージ機構を駆動させてレーザー変位
計を備えた検出ヘッドを形鋼に沿わせて移動できるよう
にすると共に、検出ヘッドを少なくとも１８０度旋回で
きるようにしているので、上下対となる検出ヘッドを形
鋼に沿わせて移動させることができる。そして、２軸ス
テージ機構の移動量とレーザー変位計の測定値から、形
鋼の外形寸法を二次元的に正確に測定できる。ここで、
測定対象物である形鋼が高温である場合には、上下の２
軸ステージ機構を支持するフレームのアームの内側部分
が加熱され、これによってアームが外側に撓み、結果と
して測定誤差を生ずる。そこで、レーザー変位計の内部
に校正片を備え、対向するレーザー変位計を向かい合わ
せた場合には、レーザー変位計間の距離を測定できるよ
うにしておき、アーム基部あるいは前記形鋼の両側部の
１または２点以上において、レーザー変位計の位置を合
わせてこれらを近づけ、その距離を測ると、実際に２軸
ステージ機構によって下降する距離との間に誤差を生じ
るので、この誤差を補正値として、実測された数値を補
正することによってより正確な値を得ることができる。
また、高温の形鋼によって加熱されるアームが加熱され
て湾曲し、これによって水平方向の測定誤差を生じるこ
とになるので、そのアームの温度を測定し、材料の特性
から湾曲することによって発生する誤差を演算して補正
値を算出して、実際の長さを補正して、より正しい測定
値を得るようにしている。

【０００６】

【実施例】続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明
を具体化した実施例につき説明し、本発明の理解に供す
る。ここで、図１は本発明の一実施例に係る形鋼の寸法
測定装置の概略正面図、図２は回転機構に取付けられた
検出ヘッドの側面図、図３は同正面図、図４及び図５は
検出ヘッドの断面図、図６はレーザー変位計の概略構成
図、図７は電気機器の接続図、図８は測定手順の説明
図、図９は湾曲時の測定値を示すグラフ、図１０はアー
ムの湾曲状況を示す説明図、図１１はＨ型鋼の測定箇所
を示す説明図である。図１に示すように、本発明の一実
施例に係る形鋼の寸法測定装置１０は、中央に配置され
た形鋼の一例であるＨ型鋼１１を挟んで上下に配置され
た２軸ステージ機構１２、１３と、該２軸ステージ機構
１２、１３を支えるアーム１４ａ、１４ｂを有するＣ型
フレーム１４と、前記上下の２軸ステージ機構１２、１
３の垂直支持部材１５、１６の下端及び上端に取付けら
れている検出ヘッド１７、１８と、これらを制御する制
御装置２０とを有してなる。以下、これらについて詳し
く説明する。

【０００７】前記Ｃ型フレーム１４は、十分な強度を有
する部材からなって、底部に走行車輪２１を備え、移動
可能となっていると共に、Ｈ型鋼１１を搬送するローラ
コンベア２２のロールの無い部分に挿入配置されてい
る。前記２軸ステージ機構１２、１３は、Ｃ型フレーム
１４のアーム１４ａ、１４ｂにそれぞれ支持された水平
支持部材２３、２４と、該水平支持部材２３、２４に連
結部材２５、２６を介してそれぞれ接続される前記垂直
支持部材１５、１６とを有してなる。前記水平支持部材
２３、２４は両側にガイドロッド２７、２８を、中央に
ボールねじ２９をそれぞれ有し、連結部材２５、２６に
は前記ボールねじ２９に螺合する雌ねじをそれぞれ備
え、前記ボールねじ２９にはモータ３０、３１がそれぞ
れ連結され、該モータ３０、３１を回転駆動すれば、前
記連結部材２５、２６が水平方向に移動できるようにな
っている。そして、前記モータ３０、３１にはそれぞれ
ロータリエンコーダ３２、３３を備え、その回転角度を
前記制御装置２０（図７参照）に伝えるようになってい
る。

【０００８】前記連結部材２５、２６にはボールねじ２
９に螺合する雌ねじと直交する雌ねじがそれぞれ設けら
れ、該雌ねじには前記垂直支持部材１５、１６の中央に
配置されたボールねじ３４がそれぞれ螺合し、ボールね
じ３４の両側にはガイドロッド３５、３６を備えてい
る。そして、ボールねじ３４の端部にはロータリエンコ
ーダ３７、３８を備えるモータ３９、４０がそれぞれ連
結されて、該モータ３９、４０を駆動することによっ
て、垂直支持部材１５、１６が昇降するようになってい
る。なお、垂直支持部材１５の下部及び垂直支持部材１
６の上部は耐熱蛇腹４１、４２で被覆され、赤熱した前
記Ｈ型鋼１１から放射される熱によってボールねじ等が
できるだけ熱影響を受けないようになっている。

【０００９】前記垂直支持部材１５、１６の端部に取付
けられている検出ヘッド１７（１８も同様）は、外側は
防熱材４３で覆われ、図２、図３に示すように、回転駆
動部４４と、センサー収納部４５とを有し、センサー収
納部４５には図４〜図６にも示すように、内部にレーザ
ー変位計４６、４７が収納されている。前記レーザー変
位計４６（４７も同様）は図６に示すように、半導体レ
ーザー素子４８から発振されるレーザー光を収束レンズ
４９で収束させてスリット４９ａを通して測定物体に照
射し、その反射光をプリズム５０、干渉フィルター５
１、レンズ５２、ミラー５３を介して一次元ＣＣＤ素子
５４に照射し、その変位から距離を測定するようになっ
ている。ここで、干渉フィルター５１は被測定物体から
発する赤外線等を吸収し一次元ＣＣＤ素子５４の熱線に
よる破壊を防止している。従って、センサー収納部４５
の先部の一端には前記レーザー変位計４６、４７からの
レーザー光の照射窓５５及び入射窓５６が設けられてい
るが、レーザー変位計４６、４７の取付け位置を狭める
為に、前記レーザー光を屈折させる細長のプリズム５
７、５８が設けられ、検出ヘッド１７、１８の軸心に対
して平行な方向及び直角な方向の距離が測定できるよう
になっている。なお、５９は前記レーザー変位計４６、
４７の制御部である。そして、図４に示すようにセンサ
ー収納部４５の他部には校正片５９ａが、検出ヘッドの
軸心ｍを基準として対称位置に設けられ、図８（Ａ）に
示すように上下の検出ヘッド１７、１８を対向して逆向
きに配置した場合、互いの検出ヘッド１７、１８までの
垂直距離をレーザー変位計４６によって測定できるよう
になっている。これによって、アーム１４ａ、１４ｂの
撓みの測定、上下の検出ヘッド１７、１８の補正を行う
ことができる。

【００１０】そして、検出ヘッド１７、１８の前記回転
駆動部４４には、図７に示すように内部にロータリエン
コーダ６０、６１を備えるモータ６２、６３がそれぞれ
配置され、該モータ６０、６１を駆動することによっ
て、連接されたセンサー収納部４５を１８０度回転する
ようになっている。これによって、水平距離を測るレー
ザー変位計４７を回して、被測定対象物であるＨ型鋼１
１の両側を測れるようにしている。なお、Ｃ型フレーム
１４のアーム１４ａ、１４ｂの奥側の原点位置には校正
サンプルとなる基準ゲージ６４が設けられている。

【００１１】一方、図７に示すように、前記上下の検出
ヘッド１７、１８に収納されているレーザー変位計４
６、４７の出力信号、前記モータ３０、３１、３９、４
０、６２、６３にそれぞれ直結されているロータリエン
コーダ３２、３３、３７、３８、６０、６１の出力信号
は、制御装置２０に送られ、２軸ステージ機構１２、１
３のＸＹ位置、及びレーザー変位計の測定対象物までの
表面までの距離を、記憶演算するようになっている。そ
して、前記制御装置２０には、それぞれの検出ヘッド１
７、１８を動かす制御手段が設けられ、図示しない操作
盤からの入力信号と、予め決められたプログラムとによ
って、検出ヘッド１７、１８を測定対象物に沿って動か
し、その外形を自動的に測定できるようになっている。
そして、前記制御手段からの命令信号は、必要なインタ
ーフェイスを介してアンプ１９ａに出力され、２軸ステ
ージ機構１２、１３を駆動するモータ、検出ヘッド１
７、１８を回転するモータを駆動している。なお、前記
モータには、サーボモータを使用したが、ステッピング
モータを使用してロータリエンコーダを省略することも
可能である。

【００１２】前記制御装置２０は内部にコンピュータを
有し、該コンピュータには測定されたデータを基に演算
補正して真値に近づける第１〜第３の演算補正手段１９
ｂ、１９ｃ、１９ｄが設けられている。以下、これらに
ついて詳しく説明する。まず、第１の演算補正手段１９
ｂについて説明すると、測定対象物である前記Ｈ型鋼１
１は温度が高く、これからの熱放射によって、上側のア
ーム１４ａの下面と、下側のアーム１４ｂの上面は加熱
され、結果として上側のアーム１４ａは上側に反り、下
側のアーム１４ｂは下側に反り、測定誤差を生じる。そ
こで、例えば、図８（Ａ）に示すように、下部の検出ヘ
ッド１８を１８０度回転させて、アーム１４ａの基側
（ｘ１）における上下の垂直支持部材１５、１６を駆動
して、対向するレーザー変位計を、前記ロータリエンコ
ーダ３７、３８から読み取った垂直支持部材１５、１６
の位置を一定値（Ｃ）にした場合のレーザー変位計の校
正片５９ａまでの距離の出力（ｙ１）を読み取る。

【００１３】次に、検出ヘッド１７、１８を移動させ
て、Ｈ型鋼１１の手前側の位置（ｘ２）に配置し、同じ
く垂直支持部材１５、１６の間隔を一定値（Ｃ）にした
場合のレーザー変位計の読み（ｙ２）を読み取る。そし
て、該検出ヘッド１７、１８を更に移動させて、Ｈ型鋼
１１の先側の位置（ｘ３）にて前記垂直支持部材１５、
１６の間隔を一定位置にした場合のレーザー変位計の出
力（ｙ２）を読み取る。加熱された形鋼からの熱によっ
てアーム１４ａ、１４ｂは外側に反っているので、図９
に示す通り曲線となり、その差分が測定誤差となる。と
ころが、ｘ１、ｘ２、ｘ３の中間位置の測定誤差につい
ては、実際には測定されていないので、図９に示す曲が
りによる誤差を二次曲線として中間点を求めるようにす
る一手法について以下に説明する。まず、二次曲線の方
程式を次式のように表す。ｙ＝ａ₀ ＋ａ₁ ｘ＋ａ₂ ｘ² ・・・・（１）そして、式（２）によって係数（ａ₀ ，ａ₁ ，ａ₂ ）を
求め、これによって、レーザー変位計の測定距離と垂直
支持部材の移動距離から演算される垂直距離を式（３）
に示すように補正する。

【００１４】

【数１】

【００１５】

【数２】

【００１６】なお、この補正のための測定は、Ｈ型鋼１
１の測定を行う前に行っても良いし、Ｈ型鋼１１の測定
途中に行っても良い。また、この実施例においては、二
次曲線によって誤差補正を行っているが、他の曲線ある
いは直線によって補完しても良い。このような手順を前
記コンピュータのプログラムに記載して、全体の処理を
行うようにする。

【００１７】次に、第２の演算補正手段１９ｃについて
説明すると、図１０に示すように、アーム１４ａ（１４
ｂにおいても同じ）の基側の上下に温度計７０、７１を
取付け、それぞれの温度を（Ｔ−ΔＴ）℃、Ｔ℃とす
る。ここで、実際のアーム１４ａは先細りであるが、処
理を簡便にするため短幅Ｗ₁ と長幅Ｗ₂ との平均の幅Ｗ
を有する図１０の下部に示すような直方状物１４ｇに変
えて考えると、アーム１４ａの変形によって、実際の長
さＱが、長さＰのように測定されるので、その差分Δは
式（４）の通りとなり、この値を測定値に加えることに
よって実測の補正を行うことができる。なお、この場合
においても、アーム１４ａ、１４ｂの反りによって生ず
る曲がりを、実際に力学によって表現される式、あるい
はこれらの簡略式に表現し、制御装置２０内のプログラ
ムに記載し、形鋼の測定を行って、これらの演算処理を
行う場合も本発明は適用される。 Δ（＝Ｑ−Ｐ）＝Ｈ・（θ₂ −θ₁ ）＝（α・ΔＴ・Ｌ・Ｈ）／Ｗ・・・・（４）ここで、 α：アームの熱膨張率

【００１８】続いて、前記第３の演算補正手段１９ｄに
ついて説明すると、高温の形鋼の測定を行う場合、輻射
熱によって垂直支持部材１５、１６あるいはこれらに使
用するボールねじ３４、水平支持部材２３、２４あるい
はこれらに使用するボールねじ２９が伸びることにな
り、これによって測定誤差を生じる。従って、例えば、
Ｔ₁ を上部の垂直支持部材１５の３点の平均温度、Ｔ₂
を下部の垂直支持部材１６の２点の平均温度、Ｔ₃ を上
側の水平支持部材２３の２点の平均温度とすると、図１
１に示すようにＨ型鋼１１の上半分は検出ヘッド１７で
測定し、下半分は検出ヘッド１８で測定するので、それ
ぞれの測定値を式（５）〜（８）のように補正すること
によって、より正しい測定値が得られることになる。こ
のようなプログラムが第３の演算補正手段として制御装
置２０に格納されている。

【００１９】

【数３】

【００２０】第１〜第３の演算補正手段１９ｂ、１９
ｃ、１９ｄによって、測定値を以上の通りに補正すると
して、該形鋼の寸法測定装置１０の動作について簡単に
説明する。まず、該形鋼の寸法測定装置１０をローラコ
ンベア２２の隙間の所定位置に配置し、Ｈ型鋼１１を前
記ローラコンベア２２で図１に示すように測定位置まで
搬送する。そして、予め前記基準ゲージ６４の測定位置
に配置された上下の検出ヘッド１７、１８で該基準ゲー
ジ６４を測定して、基準ゲージ６４の幅、長さを測定し
て必要な校正を行った後、図８（Ａ）に示すように上下
の検出ヘッド１７、１８を動かし、測定対象物の概略寸
法の測定を行う。これによって、予め入力されたデータ
と比較して形鋼の種類を割り出し、次に、図８（Ｂ）に
下半分を示すように、それぞれの検出ヘッド１７、１８
をＨ型鋼１１に対して約４０ｍｍ程度の隙間を設けて、
その表面のＸＹ座標を測定する。

【００２１】この場合、垂直位置（ｙ座標）を測定する
レーザー変位計４６によって、Ｈ型鋼１１までの高さを
測定し、水平方向（ｘ座標）を測定するレーザー変位計
４７によってＨ型鋼１１の側辺までの距離を測定する。
そして、測定したＸＹ値からＨ型鋼１１のフランジ６
５、６６の幅Ｂ、ウエブ６７の長さＨを測定できる。そ
して、フランジ６５、６６の外側と内側を測る場合は、
レーザー変位計４７の向きが逆となるので、内蔵するモ
ータ６２、６３を駆動して検出ヘッド１７、１８を１８
０度回転させることによって行う。これによって、Ｈ型
鋼１１に傾きがある場合を除いてｘｙ方向の長さからＨ
型鋼１１の寸法（即ち、フランジ６５、６６、ウエブ６
７の各寸法、厚み、高さ等）を算出することになるの
で、前述した第１〜第３の演算補正手段によってその値
を補正して出力する。前記実施例は、Ｈ型鋼１１につい
て説明したが、他の形鋼についても当然本発明は適用さ
れる。

【００２２】

【発明の効果】請求項１記載の形鋼の寸法測定装置にお
いては、熱間の形鋼を直接測定する場合に、検出ヘッド
に校正片を備え、加熱された形鋼より発生する熱によっ
て装置が歪む場合に発生する誤差を第１の演算補正手段
によって補正できるようにしたので、極めて高精度の測
定ができる。また、２軸ステージ機構が搭載されたフレ
ームのアーム面の曲がりを第２の演算補正手段によって
補正するようにしたので、形鋼の横方向の寸法を正確に
測定できることになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る形鋼の寸法測定装置の
概略正面図である。

【図２】回転機構に取付けられた検出ヘッドの側面図で
ある。

【図３】同正面図である。

【図４】検出ヘッドの断面図である。

【図５】検出ヘッドの断面図である。

【図６】レーザー変位計の概略構成図である。

【図７】電気機器の接続図である。

【図８】測定手順の説明図である。

【図９】湾曲時の測定値を示すグラフである。

【図１０】アームの湾曲状況を示す説明図である。

【図１１】Ｈ型鋼の測定箇所を示す説明図である。

【符号の説明】

１０：形鋼の寸法測定装置、１１：Ｈ形鋼、１２：２軸
ステージ機構、１３：２軸ステージ機構、１４：Ｃ型フ
レーム、１４ａ：アーム、１４ｂ：アーム、１５：垂直
支持部材、１６：垂直支持部材、１７：検出ヘッド、１
８：検出ヘッド、１９ａ：アンプ、１９ｂ：第１の演算
補正手段、１９ｃ：第２の演算補正手段、１９ｄ：第３
の演算補正手段、２０：制御装置、２１：走行車輪、２
２：ローラコンベア、２３：水平支持部材、２４：水平
支持部材、２５：連結部材、２６：連結部材、２７：ガ
イドロッド、２８：ガイドロッド、２９：ボールねじ、
３０：モータ、３１：モータ、３２：ロータリエンコー
ダ、３３：ロータリエンコーダ、３４：ボールねじ、３
５：ガイドロッド、３６：ガイドロッド、３７：ロータ
リエンコーダ、３８：ロータリエンコーダ、３９：モー
タ、４０：モータ、４１：耐熱蛇腹、４２：耐熱蛇腹、
４３：防熱材、４４：回転駆動部、４５：センサー収納
部、４６：レーザー変位計、４７：レーザー変位計、４
８：半導体レーザー素子、４９：収束レンズ、４９ａ
スリット、５０：プリズム、５１：干渉フィルター、５
２：レンズ、５３：ミラー、５４：一次元ＣＣＤ素子、
５５：照射窓、５６：入射窓、５７：プリズム、５８：
プリズム、５９：制御部、５９ａ校正片、６０：ロータ
リエンコーダ、６１：ロータリエンコーダ、６２：モー
タ、６３：モータ、６４：基準ゲージ、６５：フラン
ジ、６６：フランジ、６７：ウエブ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐藤光威東京都千代田区丸の内１丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (72)発明者小笠原昭宣福岡県北九州市小倉北区白銀１丁目３番 10号株式会社セルテックシステムズ内 (56)参考文献特開平２−254304（ＪＰ，Ａ) 特開平４−270909（ＪＰ，Ａ) 特開平５−99636（ＪＰ，Ａ) 特公昭53−36338（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 102 B21C 51/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】停止中の形鋼を挟んでその上下に配置さ
れ、水平方向及び垂直方向に移動する２軸ステージ機構
と、前記２軸ステージ機構の先端に取付けられて少なくとも
１８０度水平方向に旋回し前記形鋼の表面を垂直方向を
含む複数方向に検出可能なレーザ変位計、及び上下のレ
ーザー変位計の突き合わせ時に両者の間隔を測定できる
校正片を有した検出ヘッドと、前記２軸ステージ機構の位置、前記検出ヘッドの方向、
及び前記レーザー変位計の測定値から得られる前記形鋼
の各寸法を、前記２軸ステージ機構を搭載するフレーム
のアーム基部あるいは前記形鋼の両側部の１または２点
以上において、前記レーザー変位計を突き合わせ校正し
た結果に基づいて補正する第１の演算補正手段と、前記フレームのアームの上下面の温度を温度計によって
計測し、その温度差から前記アームの非線型曲がり及び
これによって生じる前記２軸ステージ機構のヨーイング
による前記形鋼の水平方向寸法の誤差を補正する第２の
演算補正手段とを備えたことを特徴とする形鋼の寸法測
定装置。