JP3345953B2 - 線材の直径測定装置 - Google Patents

線材の直径測定装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、平行光を用いることに
より非接触で線材の径寸法を測定する線材の直径測定装
置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】線材の直径を非接触にて高い精度で測定
することが望まれる場合がある。たとえば、径寸法を仕
上げる線引き加工のような後加工を除去するために、熱
間圧延スタンドにおいて0.1mm程度の公差で行われる
精密圧延がそれである。このような場合の線材の直径
は、たとえば、線材に対して投射された平行光を受け、
この平行光に含まれる線材の遮光幅に基づいて非接触で
測定する測定装置を用いて測定される。
【0003】通常、上記従来の線材の直径測定装置にお
いて、平行光を投射する平行光投射器は、焦点位置に配
置された比較的小さな光源からの光、或いは焦点位置に
配置されたスリットを通過した光を、凸レンズを用いて
平行光に変換する。また、受光器は、平行光をイメージ
センサの光検出面に集光し、平行光に含まれる線材の遮
光幅が光検出面に配列された光検出素子により検出され
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで、線材の長手
方向の径を連続的に測定するために、線材をその長手方
向へ送るような場合では、線材が所定の範囲で受光器に
対して相対移動することが避けられない。一方、上記従
来の線材の直径測定装置では、平行光投射器の凸レンズ
には厚みがあるため、完全な平行光を発生させることが
困難であるとともに、受光器の受光レンズの収差を完全
に除去することも困難である。このため、線材が所定の
範囲で受光器に対して径方向に相対移動することによ
り、線径の測定精度が充分に得られない欠点があった。
これに対し、曲率の小さいレンズを重ね合わせることに
より受光器の受光レンズの収差を小さくすることが考え
られるが、このような場合には極めて高価となるだけで
なく、光軸方向の形状および重量が大きくなって回転測
定には不適当であるとともに、収差を無くす完全な解決
にはならない。しかも、たとえ収差を無くしたとしても
平行光が完全なものではないから、それに起因する精度
の低下を解消できないのである。
【0005】本発明は以上の事情を背景として為された
ものであって、その目的とするところは、レンズ系の形
状や重量を大きくすることなく、相対移動する線材の径
を充分なる精度で測定できる線材の直径測定装置を提供
することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の要旨とするところは、図1のクレーム対応図
に示すように、線材に対して投射された平行光を受け、
その平行光に含まれる線材の遮光幅に基づいて線材の直
径を、連続回転しつつ非接触で測定する測定装置であっ
て、(1) 光源と、該光源から放射される光を前記線材の
径よりも大きい幅寸法を有する平行光に変換する投光レ
ンズとを備え、その平行光を前記線材に対して投射する
第1の平行光投射器と、(2) 光検出素子が一方向に沿っ
て多数配列された光検出面を有するイメージセンサと、
前記平行光投射器により投射された平行光を受けて該イ
メージセンサの光検出面上に集光させる受光レンズとを
備え、該平行光に含まれる前記線材による遮光幅に対応
した径信号を出力する第1の受光器と、(3) 前記線材の
受光器に対する光軸方向の位置であるX方向位置による
前記径信号と該X方向位置に直交するY方向位置による
径信号の変化をそれぞれ補正するための補正値を、その
X方向位置およびY方向位置毎にそれぞれ記憶する補正
値記憶手段と、(4) 前記第1の平行光投射器および第1
の受光器から成り、前記線材の前記受光器に対する光軸
方向の位置であるX方向位置を検出するX方向相対位置
検出手段と、(5) 前記光軸方向に直交するY方向の平行
光を前記線材に対して投射する第2の平行光投射器と、
該Y方向の平行光を受けて前記線材のY方向位置に対応
した信号を出力する第2の受光器とから成るY方向相対
位置検出手段と、(6) 前記線材の前記第1の受光器に対
するX方向相対位置及びY方向相対位置から前記補正値
を決定し、前記第1の受光器から出力された径信号を該
補正値により補正することにより前記線材の直径を算出
する径寸法算出手段とを、含むことにある。
【0007】
【作用および発明の効果】このようにすれば、径寸法算
出手段により、X方向相対位置検出手段及びY方向相対
位置検出手段により検出された前記線材の前記第1の
光器に対するX方向相対位置及びY方向相対位置から補
正値記憶手段において記憶された補正のうちの該当する
補正値が決定され、前記第1の受光器から出力された径
信号がその補正値により補正されることにより、線材の
直径が算出される。したがって、収差を小さくするため
に形状や重量が大きい高価な受光レンズ系を用いること
なく、また完全な平行光で線材を投射することなく、受
光器に対して相対移動する線材の径を高い精度で測定で
きる。
【0008】
【0009】
【0010】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳
細に説明する。
【0011】図2において、線材10は、たとえば5.
5mmφ程度の直径を備えたものであり、1000℃程度
の温度で図示しない熱間圧延スタンドから100m/秒
程度の速度で導出された後、その線材10の直径Dの倍
程度の内径を備えた圧延用ガイド12および14を通し
て図示しない熱処理装置、巻取装置などへ送られる。直
径検出装置18は、圧延用ガイド12の外周において軸
受20によって回転可能に支持され、両軸端部において
プーリ22および検出器取付板24を有する円筒状回転
軸26と、円筒状回転軸26を1800r.p.m.程度の速
度で回転駆動するために、プーリ22との間で伝動ベル
ト28が巻きかけられるプーリ30を有する電動モータ
32と、円筒状回転軸26の検出器取付板24に固定さ
れた1組の光学式線径検出器34および1組の光学式線
位置検出器36とを備えている。
【0012】図3に示すように、上記光学式線径検出器
34は、回転中心を挟んで対向するように検出器取付板
24に固定された一対の平行光投射器38および受光器
40から成る。図4に示すように、上記平行光投射器3
8は、熱間の線材10から放射される赤外光と異なる中
心波長を有するLED42と、このLED42から放射
される光を線材10の径よりも大きい幅寸法を有する平
行光に変換する投光レンズ44と、それらを収容する収
容箱46とを備え、その平行光を線材に対して直角を成
す方向から投射する。また、上記受光器40は、光検出
素子が一方向に沿って一定間隔で多数配列された光検出
面を有するイメージセンサ48と、上記平行光投射器3
8により投射された平行光を受けてイメージセンサ48
の光検出面上に集光させる受光レンズ50と、それらを
収容する収容箱52と、上記熱間の線材10から放射さ
れる赤外光を遮断する図示しないフィルタとを備え、上
記平行光に含まれる前記線材10による遮光幅および線
材10のX方向の位置を表す径信号SSを出力する。本
実施例では、上記平行光投射器38および受光器40か
ら成る光学式線径検出器34は、線材10の受光器40
に対するX方向の相対位置を検出するためのX方向相対
位置検出手段としても機能している。なお、図3のX−
Y座標系は、検出器取付板24或いはそれに固定された
受光器40と共に回転するものである。
【0013】上記光学式線位置検出器36も、図3に示
すように、回転中心を挟んで対向するように検出器取付
板24に固定された一対の平行光投射器54および受光
器56から成る。それら平行光投射器54および受光器
56は、本実施例では、上記平行光投射器38および受
光器40と同様に構成されており、平行光投射器54は
平行光投射器38の平行光および線材10と直行する方
向に平行光を投射し、受光器56は線材10のY方向の
位置を表す位置信号SPを出力する。本実施例では、上
記光学式線位置検出器36が、線材10の受光器40に
対するY方向の相対位置を検出するためのY方向相対位
置検出手段として機能している。
【0014】上記径信号SSおよび位置信号SPは、た
とえば図5に示すように、イメージセンサ48において
光を受光した光検出素子の位置に対応するパルスから成
るパルス列であり、このパルス列には、線材10による
遮光幅に対応した個数のパルスが欠落している。この欠
落したパルスの個数が線材10の線径に対応しており、
また欠落したパルスの位置が線材10の図3におけるX
方向或いはY方向の位置に対応していることから、径信
号SSおよび位置信号SPは、線材10の径および受光
器40に対する相対位置を表しているのである。たとえ
ば、イメージセンサ48の検出面に等間隔で配列された
光検出素子が2048個であり、それら光検出素子の配
列幅寸法に対応する平行光の幅寸法(受光器40の視野
幅)が28mmであるとすると、径信号SSおよび位置信
号SPの1パルスは、13.7μmの寸法或いは位置を
表している。
【0015】図2に戻って、演算制御装置60は、CP
U62、ROM64、RAM66、図示しないインター
フェース回路などを含む所謂マイクロコンピュータであ
る。CPU62はRAM66の一時記憶機能を利用しつ
つ予めROM64に記憶されたプログラムに従って入力
信号である径信号SSおよび位置信号SPを処理するこ
とにより線材10の径寸法を高精度で演算し、表示器6
8に表示するとともに、必要に応じて線材10の径寸法
を表す信号を、その線材10を圧延している熱間圧延ス
タンドのフィードバック制御のために出力する。本実施
例では、上記RAM66の補正値記憶領域70は補正値
記憶手段に対応しており、そこには、図6に局部的に示
すように、予め求められた補正値Kxyが線材10の受光
器40に対する相対位置毎に多数記憶されている。本実
施例の補正値Kxyは、後述の基準径Ds を有するテスト
ピース72を線材10に替えて配置したときに、反転処
理された径信号SSのパルス列を構成するパルス数であ
る。
【0016】次に、上記演算制御装置60の作動の要部
を、図7のフローチャートに従って説明する。先ず、図
示しないステップによる起動操作の判定に応答して検出
器取付板24が1800r.p.m.程度の回転速度で連続回
転させられる。そして、ステップS1では受光器40の
イメージセンサ48からの径信号SSおよび位置信号S
Pが読み込まれ、ステップS2では、それらの径信号S
Sおよび位置信号SPのパルス列が反転処理される。図
8は、反転処理されたパルス列の一例を示している。
【0017】続くステップS3では、線材10のX方向
位置が決定される。すなわち、図8に示すような反転処
理されたパルス列から成る径信号SSにおいて、そのパ
ルス列の両端に位置するパルスに対応する光検出素子の
番号から、その両端に位置するパルスのX方向の2位置
が決定されるとともに、そのX方向の2位置からそれら
の中間値である線材10のX方向位置が決定される。ま
た、ステップS4では、上記と同様に、反転処理された
位置信号SPを構成するパルス列の両端に位置するパル
スのY方向の2位置が決定されるとともに、そのY方向
の2位置からそれらの中間値である線材10のY方向位
置が決定される。
【0018】次いで、ステップS5では、図6に示す受
光器40に対する相対位置毎に予め記憶された補正値K
xyから、実際に求められた線材10のX方向およびY方
向の位置に対応する補正値Kxyが決定されて読み込まれ
る。たとえば、線材10のX方向位置が基準位置に対し
て+1mmであり、Y方向位置が基準位置に対して+2mm
であれば、「502」という値の補正値K12が読み込ま
れる。
【0019】続くステップS6では、数式1に示す予め
記憶された関係から、上記補正値Kxyおよび径信号SS
が表す実測値(反転処理された径信号SSのパルス数)
Nに基づいて、線材10の直径Dが算出される。本実施
例では、このステップS6が、線材10の受光器40に
対する相対位置から補正値Kxyを決定し、その受光器4
0から出力された径信号SSを補正値Kxyにより補正す
ることにより前記線材10の直径Dを算出する径寸法算
出手段として機能している。
【0020】
【数1】Dmm=Ds mm×(N/Kxy
【0021】そして、ステップS7では、上記のように
して算出された線材10の直径Dが記憶されるととも
に、必要に応じて信号出力され、ステップS8において
図示しない操作スイッチにより停止操作が行われたか否
かが判断される。このステップS8の判断が否定されて
いる間はステップS1以下の作動が繰り返し実行される
が、肯定された場合には本ルーチンが終了させられる。
【0022】前記補正値Kxyは、前記検出器取付板24
の回転が停止させられ、且つたとえば図9に示すよう
に、X−Y位置決め装置74が圧延用ガイド12および
14間に装着されることにより求められる。X−Y位置
決め装置74は、基準径Ds を有するテストピース72
を備えたX−Yテーブル76と、X−Yテーブル76を
X方向およびY方向にそれぞれ駆動するX方向パルスモ
ータ78およびY方向パルスモータ80とを備えてお
り、そのX−Yテーブル76のX−Y方向と検出器取付
板24のX−Y方向とが相互に一致するように固定され
る。
【0023】図10は、補正値Kxyを求める際に実行さ
れる作動を示すフローチャートである。この補正値算出
ルーチンは、線材10の直径Dを測定するに先立って、
或いは所定の測定期間経過毎に、図示しないキャリブレ
ーション起動スイッチが操作されることにより起動され
る。
【0024】図のステップSH1では、X方向パルスモ
ータ78およびY方向パルスモータ80により、テスト
ピース72が初期位置へ位置させられる。この初期位置
は、線材10の移動範囲に対応するテストピース72の
移動範囲におけるX方向およびY方向の端部である。次
いで、ステップSH2では、カウンタCX の内容が「−
X 」に、およびカウンタCY の内容が「−nY 」にセ
ットされた後、ステップSH3において信号SSが読み
込まれるとともに、その線材10の遮光範囲に対応する
パルス数、すなわち図8に示す反転処理された信号SS
のパルス数Nが補正値として記憶される。
【0025】次いで、ステップSH4では、X方向パル
スモータ78によりテストピース72がX方向へ予め定
められた一定の幅、たとえば1mmだけ移動させられた
後、ステップSH5において、カウンタCX の内容に
「1」が加算されることにより更新される。そして、ス
テップSH6では、カウンタCX の内容が予め設定され
た判断基準値「+nX 」に到達したか否かが判断され
る。当初は、そのステップSH6の判断が否定されるの
で、前記ステップSH3以下が繰り返し実行されること
により、X方向の補正値が順次記憶される。
【0026】以上のステップが繰り返し実行されるうち
にカウンタCX の計数内容が「+nX 」に到達すると、
上記ステップSH6の判断が肯定されるので、ステップ
SH7においてカウンタCX の内容が「0」にクリアさ
れるとともに、ステップSH8によりテストピース72
がそのX方向の初期位置へ復帰させられ、ステップSH
9によりテストピース72がそのY方向へ予め定められ
た一定の幅、たとえば1mmだけ移動させられる。次い
で、ステップSH10においてカウンタCY の内容に
「1」が加算された後、ステップSH11においてカウ
ンタCY の内容が予め設定された判断基準値「+nY
に到達したか否かが判断される。当初は、そのステップ
SH11の判断が否定されるので、前記ステップSH3
以下が繰り返し実行されることにより、続くX方向およ
びY方向の補正値が順次記憶される。
【0027】以上のステップが繰り返し実行されるうち
にカウンタCY の内容が予め設定された判断基準値「+
Y 」に到達すると、上記ステップSH11の判断が肯
定されるので、本ルーチンが終了させられる。
【0028】上述のように、本実施例によれば、径寸法
算出手段に対応するステップS6により、受光器40に
より検出された線材10のX方向の相対位置、および光
学式線位置検出器36により検出された線材10のY方
向の相対位置から、補正値記憶領域70において記憶さ
れた多数の補正値KXYのうちの該当する補正値が決定さ
れ、受光器40から出力された径信号SSがその補正値
により補正されることにより、線材10の直径Dが算出
される。したがって、収差を小さくするために形状や重
量が大きい高価な受光レンズ系を用いることなく、また
完全な平行光で線材を投射することなく、受光器に対し
て相対移動する線材の径を高い精度で測定できる。
【0029】また、本実施例によれば、受光器40にお
いて形状や重量の大きい受光レンズ系を用いる必要がな
いことから、受光器40に作用する遠心力が小さくなる
ために検出器取付板24を一層高速回転できるので、高
速で走行する線材10の検出むらが好適に解消できる利
点がある。
【0030】以上、本発明の一実施例を図面に基づいて
説明したが、本発明はその他の態様においても適用され
る。
【0031】
【0032】
【0033】また、前述の実施例の線材の直径検出装置
18は、熱間圧延スタンドから走行する線材10の直径
を測定するように構成されていたが、冷間圧延スタンド
や線引きダイスから走行する線材10の直径を測定する
ためにも用いられ得る。このような場合には、線材10
から発生する赤外線を遮断するためのフィルタが不要と
なる。
【0034】また、前述の実施例では、光源としてLE
Dが設けられていたが、半導体レーザ、キセノンランプ
などの他の光源であってもよい。
【0035】また、前述のイメージセンサ48は、固体
イメージセンサとしてよく知られているCCD、MO
S、CPD、CIDなどにより構成されてもよいし、撮
像管であってもよい。
【0036】また、前述の実施例の光学式線位置検出器
36は、光学式線径検出器34と同様に構成されていた
が、異なる構成であっても差し支えない。
【0037】その他、一々列挙はしないが、本発明はそ
の趣旨を逸脱しない範囲において種々変更が加えられ得
るものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のクレーム対応図である。
【図2】本発明の一実施例である線材の直径検出装置の
機械的構成および電気的構成を説明する図である。
【図3】図2の実施例の検出器取付板を示す正面図であ
る。
【図4】図2の実施例の光学式線径検出器および光学式
線位置検出器の構成を説明する図である。
【図5】図2の実施例における径信号SSおよび位置信
号SPを構成するパルス列を説明する図である。
【図6】図2の実施例の補正値記憶領域に記憶されてい
る補正値の一例を示す図表である。
【図7】図2の演算制御装置の直径測定作動の要部を説
明するフローチャートである。
【図8】図1の実施例における径信号SSおよび位置信
号SPが反転処理された後の信号を構成するパルス列を
説明する図である。
【図9】図2の線材の直径検出装置の補正値を求めるた
めにテストピースを装着した状態を説明する図2に相当
する図である。
【図10】図9の状態における演算制御装置の補正値算
出作動の要部を説明するフローチャートである。
【符合の説明】
10:線材 18:線材の直径検出装置 34:光学式線径検出器(X方向相対位置検出手段) 36:光学式線位置検出器(Y方向相対位置検出手段) 38:平行光投射器 40:受光器 42:LED(光源) 44:投光レンズ 48:イメージセンサ 50:受光レンズ 70:補正値記憶領域(補正値記憶手段) ステップS6:径寸法算出手段

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 線材に対して投射された平行光を受け、
    該平行光に含まれる該線材の遮光幅に基づいて該線材の
    直径を、連続回転しつつ非接触で測定する線材の直径測
    定装置であって、 光源と、該光源から放射される光を前記線材の径よりも
    大きい幅寸法を有する平行光に変換する投光レンズとを
    備え、該平行光を前記線材に対して投射する第1の平行
    光投射器と、 光検出素子が一方向に沿って多数配列された光検出面を
    有するイメージセンサと、前記平行光投射器により投射
    された平行光を受けて該イメージセンサの光検出面上に
    集光させる受光レンズとを備え、該平行光に含まれる前
    記線材による遮光幅に対応した径信号を出力する第1の
    受光器と、 前記線材の該受光器に対する光軸方向の位置であるX方
    向位置による前記径信号と該X方向位置に直交するY方
    向位置による径信号の変化をそれぞれ補正するための補
    正値を、該X方向位置およびY方向位置毎にそれぞれ
    憶する補正値記憶手段と、前記第1の平行光投射器および第1の受光器から成り、
    前記線材の前記受光器に対する光軸方向の位置であるX
    方向位置を検出するX方向相対位置検出手段と、 前記光軸方向に直交するY方向の平行光を前記線材に対
    して投射する第2の平行光投射器と、該Y方向の平行光
    を受けて前記線材のY方向位置に対応した信号を出力す
    る第2の受光器とから成るY方向相対位置検出手段 と、 前記線材の前記第1の受光器に対するX方向相対位置及
    びY方向相対位置から前記補正値を決定し、前記第1の
    受光器から出力された径信号を該補正値により補正する
    ことにより前記線材の直径を算出する径寸法算出手段と
    を、含むことを特徴とする線材の直径測定装置。
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