JP5304663B2 - Ｕｏ鋼管溶接部ビード位置検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＵＯ鋼管の溶接部ビード位置を検出するＵＯ鋼管溶接部ビード位置検出装置に関するものであり、特にＵＯ鋼管の溶接部ビード位置を安価で、精度よく検出するのに好適なものである。

ＵＯ鋼管の溶接部ビード位置を検出する従来技術としては、例えば下記特許文献１に記載されるように、レーザ式変位計を、例えばＵＯ鋼管の上方から当該ＵＯ鋼管の外周面に対向配置し、そのレーザ式変位計の出力変化から、溶接部ビードの有無を検出し、その結果から溶接部ビード位置を検出するものがある。

特開平６−３０４６４９号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載されるＵＯ鋼管溶接部ビード位置検出装置のように、ＵＯ鋼管の上方にレーザ式変位計を配設する場合、製鉄所では、種々の大きさのＵＯ鋼管を製造するため、それらのＵＯ鋼管の大きさに合わせてレーザ式変位計を上下方向に移動する必要があり、そのための昇降装置が必要となるばかりでなく、レーザ式変位計の昇降装置を、例えばＵＯ鋼管の大きさの外部入力に応じて、自動的に高さ制御するシステムとしなければならず、構造が複雑で高価である。
本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、ＵＯ鋼管の溶接部ビード位置を、安価で、精度よく検出することが可能なＵＯ鋼管溶接部ビード位置検出装置を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明のＵＯ鋼管溶接部ビード位置検出装置は、ＵＯ鋼管の溶接部ビード位置を検出するＵＯ鋼管溶接部ビード位置検出装置であって、ＵＯ鋼管の外周面に当接して当該ＵＯ鋼管を周方向に回転させる２個１対のターニングロールと、ＵＯ鋼管の軸線直下に配置され且つＵＯ鋼管の外周面に当接した状態で当該ＵＯ鋼管の回転に伴って回転するタッチローラと、前記タッチローラを支持するタッチローラ支持台と、前記タッチローラ支持台に取付られ且つ前記タッチローラとＵＯ鋼管との接触位置から当該ＵＯ鋼管の周方向に同じ所定距離だけ反対方向に離れた位置でＵＯ鋼管の外周までの距離を検出する２個１対のレーザ式変位計と、前記ターニングロールによってＵＯ鋼管を周方向に回転させながら得られた２個１対のレーザ式変位計の出力からＵＯ鋼管の溶接部ビード位置を算出する演算処理装置とを備えたことを特徴とするものである。

本発明の直下とは、まっすぐ下という意味である。
また、前記演算処理装置は、ＵＯ鋼管の溶接部ビードが前記タッチローラを乗り越える前後の２個１対のレーザ式変位計の出力から溶接部ビードの入側と出側の位置を求め、その中間を溶接部ビードの位置として算出することを特徴とするものである。
本発明の入側、出側は、夫々、ＵＯ鋼管を周方向に回転させたとき、その回転方向入側及び回転方向出側を意味する。
また、前記演算処理装置は、前記２個１対のレーザ式変位計の出力の微分値の絶対値が所定値以上になる位置を溶接部ビードの入側又は出側の位置とすることを特徴とするものである。

而して、本発明のＵＯ鋼管溶接部ビード位置検出装置によれば、ＵＯ鋼管の軸線直下に配置されたタッチローラを当該ＵＯ鋼管の外周面に当接した状態で、ターニングロールによってＵＯ鋼管を周方向に回転させると、ＵＯ鋼管の溶接部ビードがタッチローラを乗り越える前後で２個１対のレーザ式変位計の出力が変動するため、例えばレーザ式変位計の出力変動から溶接部ビードの入側と出側の位置を求め、その中間を溶接部ビードの位置として算出すれば、ＵＯ鋼管の溶接部ビード位置を正確に精度よく検出することができ、個別の昇降装置などを必要としない分だけ、安価となる。

また、ＵＯ鋼管の溶接部ビードがタッチローラを乗り越える前後の２個１対のレーザ式変位計の出力から溶接部ビードの入側と出側の位置を求め、その中間を溶接部ビードの位置として算出することとすれば、ＵＯ鋼管の溶接部ビード位置を正確に精度よく検出することができる。
また、２個１対のレーザ式変位計の出力の微分値の絶対値が所定値以上になる位置を溶接部ビードの入側又は出側の位置とすることとすれば、ＵＯ鋼管の溶接部ビード位置をより一層正確に精度よく検出することができる。

本発明のＵＯ鋼管溶接部ビード位置検出装置の一実施形態を示す詳細説明図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 図１のＵＯ鋼管溶接部ビード位置検出装置によるＵＯ鋼管溶接部ビード位置検出方法の説明図である。

次に、本発明のＵＯ鋼管溶接部ビード位置検出装置の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態のＵＯ鋼管溶接部ビード位置検出装置の詳細を示す説明図であり、図１ａは、ＵＯ鋼管１の軸線方向から見た正面図、図１ｂは右側面図である。図中の符号２が、ＵＯ鋼管１の溶接部ビードを示している。

図中の符号３は、ＵＯ鋼管１の外周面に接触して当該ＵＯ鋼管１を周方向に回転させるターニングロールである。ターニングロール３であるから、図１ａの紙面垂直方向に長手である。本実施形態では、外径が同じ２個１対のターニングロール３を所定距離だけ離して、同じ高さに配設した。従って、これらのターニングロール３の上にＵＯ鋼管１を搭載すると、その軸線は、２個のターニングロール３の丁度真ん中の鉛直面Ｐ上に位置する。また、図の左側のターニングロール３には、図示しない回転駆動源を接続すると共にロータリエンコーダなどのパルス発信器４を取付けた。ターニングロール制御盤５は、後述する演算処理装置１３からの指令に応じて、前記パルス発信器４からのパルスを受信して、図示しない回転駆動源を制御することにより、図示左方のターニングロール３の回転状態を制御する。

２個１対のターニングロール３の真ん中にはタッチローラ６を配設されている。このタッチローラ６は、比較的長さの短い円筒体であり、ＵＯ鋼管１の外周面に沿った倣い動作をスムーズにするために、図１ｂに明示するように、ＵＯ鋼管１の軸線方向に、少し離して２個１対配設した。これらのタッチローラ６は、軸受７を介して、共通のタッチローラ支持台８に取付けられている。その結果、タッチローラ６は、ＵＯ鋼管１の軸線直下（まっすぐ下の意）に位置し、ＵＯ鋼管１の外周面に当接した状態で、前記ターニングロール３によってＵＯ鋼管１を周方向に回転させると、それに伴ってタッチローラ６も回転する。なお、タッチローラ６の外径については、後段に詳述する。

前記タッチローラ支持台８上には、前記２個１対のタッチローラ６の間に、２個１対のレーザ式変位計９が配設されている。２個のレーザ式変位計９は、図１ａに明示するように、ＵＯ鋼管１の軸線が存在する鉛直面Ｐに対して互いに逆方向で且つ当該鉛直面Ｐから等距離の位置に配設されている。従って、２個１対のターニングロール３上にＵＯ鋼管１が搭載され且つタッチローラ６がＵＯ鋼管１の外周面に当接していると、２個のレーザ式変位計９は、ＵＯ鋼管１の軸線直下から所定距離離れた部位のＵＯ鋼管１の外周面までの距離を検出することになる。本実施形態では、理解を容易にするために、ターニングロール３によってＵＯ鋼管１を周方向に回転させたとき、例えば図１ａの矢印方向、即ち図の左から右にＵＯ鋼管１の下部を回転させた場合に、溶接部ビード２がタッチローラ６に乗り上げる以前に溶接部ビード２までの距離を全て検出することができ、且つ溶接部ビード２がタッチローラ６に乗り上げると同時にＵＯ鋼管１の外周面までの距離を検出できる位置に図示左側のレーザ式変位計９を配設するものとする。ＵＯ鋼管１の軸線が存在する鉛直面Ｐまでの距離は、どちらのレーザ式変位計９も同じなので、図示右側のレーザ式変位計９は、ＵＯ鋼管１の軸線が存在する鉛直面Ｐを対称線として、図示左側のレーザ式変位計９と線対称な位置に配設されている。なお、図１ｂに示すように、２個のレーザ式変位計９をＵＯ鋼管１の軸線方向に離して配設しているが、軸線方向に離す必要はない。

前記タッチローラ支持台８は、エアシリンダ１０のシリンダロッド１１の先端に接続され、エアシリンダ１０は測定基部１２に固定されている。また、測定基部１２とタッチローラ支持台８の間に２本のシリンダガイド１４が配設されている。このエアシリンダ１０のシリンダロッド１１を伸縮するとタッチローラ支持台８が昇降され、タッチローラ支持台８を上昇させた状態でタッチローラ６がＵＯ鋼管１の外周面に当接する。本実施形態では、エアシリンダ１０は、溶接部ビード２を含むＵＯ鋼管１の外周面にタッチローラ６を所定の押力で押当させるものとした。つまり、ＵＯ鋼管１の重量は大きいので、ＵＯ鋼管１の外周面が移動して溶接部ビード２がタッチローラ６に当接すると、ＵＯ鋼管１の重量にエアシリンダ１０の押力が負けてタッチローラ６を含むタッチローラ支持台８が下方に押し下げられ、これによりタッチローラ６及びタッチローラ支持台８は上下方向に移動可能としてある。

前記２個１対のレーザ式変位計９の出力は演算処理装置１３に入力される。この演算処理装置１３では、後述する原理に基づいた演算処理を、例えばプログラミングによって行い、ＵＯ鋼管１の溶接部ビード２の位置を算出する。演算処理装置１３では、レーザ式変位計９の出力を入力し、その入力値を微分し、その微分値の絶対値が所定値以上であるか否かを判定し、微分値の絶対値が所定値以上である場合にハイレベル、所定値未満である場合にローレベルとなるオンオフ信号を算出する。

例えば、図１ａのように、溶接部ビード２がタッチローラ６に乗り上げておらず、どちらのレーザ式変位計９によっても、溶接部ビード２までの距離が検出されていない状態で、ターニングロール３によってＵＯ鋼管１を図の矢印方向、即ち周方向に回転させると、２つのレーザ式変位計９がＵＯ鋼管１の外周面までの距離を検出している限り、図２に示すように、レーザ式変位計９の出力は一定となる。

この状態から、溶接部ビード２が図１の左側のレーザ式変位計９に接近し、その回転方向入側端部までの距離が当該左側のレーザ式変位計９によって検出され始めると、図２に示すように、左側レーザ式変位計９の出力値、即ち溶接部ビード２間での距離が次第に小さくなる。このときの左側レーザ式変位計９の出力の微分値は負値である。溶接部ビード２の断面形状は、図１ａに示すような、半楕円弧状或いは半長円弧状なので、左側レーザ式変位計９の出力の微分値は、溶接部ビード２までの距離を検出し始めた初期が最も大きくなる。そこで、この左側レーザ式変位計９の出力の微分値の絶対値が所定値以上となる（図では微分値が負値なので所定値以下となっているように表れる）と左側オンオフ信号がハイレベルになる。

前述のように、溶接部ビード２の断面形状は半楕円弧状又は半長円弧状なので、左側レーザ式変位計９の出力の微分値の絶対値は、比較的速やかに小さくなり、所定値未満となるので、左側レーザ式変位計９の出力の微分値が所定値未満となったときに、左側オンオフ信号がローレベルに切替わる。その後、左側レーザ式変位計９で検出される溶接部ビード２までの距離が大きくなり始めると、左側レーザ式変位計９の出力の微分値は正値となり、次第に絶対値が大きくなる。

前述のように、本実施形態では、溶接部ビード２の回転方向入側部がタッチローラ６に乗り上げると同時に左側レーザ式変位計９はＵＯ鋼管１の外周面を検出するように左側レーザ式変位計９を配設し、右側レーザ式変位計９は、ＵＯ鋼管１の軸線が存在する鉛直面Ｐに対して、左側レーザ式変位計９と線対称な位置に配設されているので、溶接部ビード２のタッチローラ６への乗り上げと同時にＵＯ鋼管１の外周面が２個のレーザ式変位計９から遠ざかり、左右のレーザ式変位計９の出力値、即ちＵＯ鋼管１の外周面までの距離が大きくなる。このとき、タッチローラ６及びタッチローラ支持台８は溶接部ビード２によって（本質的にはＵＯ鋼管１の重量によって）下方に押し下げられた状態となる。

このときも、溶接部ビード２の断面形状は半楕円弧状又は半長円弧状なので、２個のレーザ式変位計９の出力の微分値の絶対値は、溶接部ビード２がタッチローラ６に乗り上げた直後が最も大きく変動して速やかに大きくなり、所定値以上となるので、右側レーザ式変位計９の出力の微分値の絶対値が所定値以上となったときに、右側オンオフ信号がハイレベルになる。この右側レーザ式変位計９の出力の微分値の絶対値は、比較的速やかに小さくなり、所定値未満となるので、右側レーザ式変位計９の出力の微分値の絶対値が所定値未満となったときに、右側オンオフ信号がローレベルに切替わる。

溶接部ビード２の中央部がタッチローラ６を通過すると、タッチローラ６及びタッチローラ支持台８の溶接部ビード２による押し下げ量が次第に小さくなるので、２個のレーザ式変位計９の出力値、即ちＵＯ鋼管１の外周面までの距離は次第に小さくなり、タッチローラ６への乗り上げ位置が溶接部ビード２の回転方向出側に近づくにつれて、２個のレーザ式変位計９の出力の微分値は次第に小さくなり、溶接部ビード２の回転方向出側がタッチローラ６から乗り落ちる直前に２個のレーザ式変位計９の出力の微分値が最も大きく変動して速やかに小さくなり、左側レーザ式変位計９の出力の微分値の絶対値が所定値以上となったときに左側オンオフ信号がハイレベルとなり、その後に溶接部ビード２がタッチローラ６から外れて左側レーザ式変位計９の出力の微分値の絶対値が所定値未満となると左側オンオフ信号がローレベルに切替わる。

一方、溶接部ビード２がタッチローラ６から外れた直後から右側レーザ式変位計９は溶接部ビード２までの距離を検出するが、断面半楕円弧状又は半長円弧なので、右側レーザ式変位計９で検出される溶接部ビード２が中央部を越えると距離が大きくなり始め、それに伴って右側レーザ式変位計９の出力の微分値は正値となり、次第に絶対値が大きくなる。この右側レーザ式変位計９の出力の微分値は、溶接部ビード２の回転方向出側端部が通過する直前に著しく大きくなるので、その値が所定値以上となったときに右側オンオフ信号がハイレベルとなり、溶接部ビード２の回転方向出側端部が通過すると、右側レーザ式変位計９の出力の微分値が所定値未満となって右側オンオフ信号がローレベルに切替わる。

演算処理装置１３では、図示しない演算処理を行って、左側レーザ式変位計９の出力及び右側レーザ式変位計９の出力の形態をモデルマッチングし、その出力形態がモデルマッチングしている場合には、左側オンオフ信号の１回目のハイレベルから右側オンオフ信号の２回目のハイレベルまでのパルスをカウントしながらＵＯ鋼管１の回転状態をトラッキングし、当該左側オンオフ信号が１回目にハイレベルになったときのパルスと右側オンオフ信号が２回目にハイレベルになったときのパルスの真ん中に相当するパルス位置を溶接部ビード２の中央部であると算出する。前述のように、左側オンオフ信号が１回目にハイレベルになるのは左側レーザ式変位計９が溶接部ビード２の回転方向入側端部を検出したときであり、右側オンオフ信号が２回目にハイレベルになるのは右側レーザ式変位計９が溶接部ビード２の回転方向出側端部を検出したときである。即ち、本実施形態では、２個１対のレーザ式変位計９の出力から溶接部ビード２の回転方向入側端部及び出側端部を求め、その中間を溶接部ビード２の位置として算出している。

このように本実施形態のＵＯ鋼管溶接部ビード位置検出装置では、ＵＯ鋼管１の軸線直下に配置されたタッチローラ６を当該ＵＯ鋼管１の外周面に当接した状態で、ターニングロール３によってＵＯ鋼管１を周方向に回転させると、ＵＯ鋼管１の溶接部ビード２がタッチローラ６を乗り越える前後で２個１対のレーザ式変位計９の出力が変動するため、それらのレーザ式変位計９の出力変動から溶接部ビード２の入側と出側の位置を求め、その中間を溶接部ビード２の位置として算出することができ、そのようにすることでＵＯ鋼管１の溶接部ビード位置を正確に精度よく検出することができ、個別の昇降装置などを必要としない分だけ、安価となる。

また、ＵＯ鋼管１の溶接部ビード２がタッチローラ６を乗り越える前後の２個１対のレーザ式変位計９の出力から溶接部ビード２の入側と出側の位置を求め、その中間を溶接部ビード２の位置として算出することにより、ＵＯ鋼管１の溶接部ビード位置を正確に精度よく検出することができる。
また、２個１対のレーザ式変位計９の出力の微分値の絶対値が所定値以上になる位置を溶接部ビード２の入側又は出側の位置とすることにより、ＵＯ鋼管１の溶接部ビード位置をより一層正確に精度よく検出することができる。

なお、前記実施形態では、理解を容易にするために、溶接部ビード２の回転方向入側部がタッチローラ６に乗り上げると同時に左側レーザ式変位計９はＵＯ鋼管１の外周面を検出するように左側レーザ式変位計９を配設し、右側レーザ式変位計９は、ＵＯ鋼管１の軸線が存在する鉛直面Ｐに対して、左側レーザ式変位計９と線対称な位置に配設するものとした。しかし、前述のように、２個１対のレーザ式変位計９のうち、回転移動される溶接部ビード２を先に検出するレーザ式変位計９で当該溶接部ビード２の回転方向入側端部位置を検出し、回転移動される溶接部ビード２を後から検出するレーザ式変位計９で当該溶接部ビード２の回転方向出側端部位置を検出すればよいのであるから、必ずしも溶接部ビード２がタッチローラ６に乗り上げると同時に、何れかのレーザ式変位計がＵＯ鋼管１の外周面を検出するようにする必要はない。

但し、前記タッチローラ６の外径が小さ過ぎると、溶接部ビード２への衝突などにより、エアシリンダ１０にダメージを与える恐れがある。また、タッチローラ６の外径が大き過ぎると、例えば前記左側レーザ式変位計９が溶接部ビード２の回転方向入側端部までの距離を検出する前に、溶接部ビード２がタッチローラ６に乗り上げてしまい、溶接部ビード２の回転方向入側端部を検出することが困難になってしまう。これらのことから、タッチローラ６の外径を適切に設定する必要がある。

また、レーザ式変位計９とＵＯ鋼管１の軸線が存在する鉛直面Ｐとの距離が小さ過ぎると、前記タッチローラ６の外径が大き過ぎる場合と同様にして、溶接部ビード２の端部を検出することが困難になってしまう。また、レーザ式変位計９とＵＯ鋼管１の軸線が存在する鉛直面Ｐとの距離が大き過ぎると、ＵＯ鋼管１の真円度誤差の影響や、鋼管外径変動による曲率の影響によって、レーザ変位計９の計測可能範囲を越えてしまう可能性がある。これらのことから、レーザ式変位計９とＵＯ鋼管１の軸線が存在する鉛直面Ｐとの距離も適切に設定する必要がある。

また、レーザ式変位計９の出力の微分演算については、レーザ式変位計９のアナログ出力をハード的に処理してもよいし、Ａ／Ｄ変換後、ソフト的に処理してもよい。
また、前記実施形態では、レーザ式変位計９の出力を微分処理することで溶接部ビード２の入側及び出側端部を検出することとしたが、これに限定されるものではなく、例えばレーザ式変位計９の出力そのものを予め設定した閾値と比較して溶接部ビード２の入側及び出側端部を検出するようにしてもよい。但し、レーザ変位計９の出力値は経時的にドリフトする恐れがあるため、微分処理した方が長期的に安定した検出が可能となる。

１はＵＯ鋼管、２は溶接部ビード、３はターニングロール、４はパルス発信器、５はターニングロール制御盤、６はタッチローラ、７は軸受、８はタッチローラ支持台、９はレーザ式変位計、１０はエアシリンダ、１１はシリンダロッド、１２は測定基部、１３は演算処理装置、１４はシリンダガイド

Claims (3)

1. ＵＯ鋼管の溶接部ビード位置を検出するＵＯ鋼管溶接部ビード位置検出装置であって、ＵＯ鋼管の外周面に当接して当該ＵＯ鋼管を周方向に回転させる２個１対のターニングロールと、ＵＯ鋼管の軸線直下に配置され且つＵＯ鋼管の外周面に当接した状態で当該ＵＯ鋼管の回転に伴って回転するタッチローラと、前記タッチローラを支持するタッチローラ支持台と、前記タッチローラ支持台に取付られ且つ前記タッチローラとＵＯ鋼管との接触位置から当該ＵＯ鋼管の周方向に同じ所定距離だけ反対方向に離れた位置でＵＯ鋼管の外周までの距離を検出する２個１対のレーザ式変位計と、前記ターニングロールによってＵＯ鋼管を周方向に回転させながら得られた２個１対のレーザ式変位計の出力からＵＯ鋼管の溶接部ビード位置を算出する演算処理装置とを備えたことを特徴とするＵＯ鋼管溶接部ビード位置検出装置。
2. 前記演算処理装置は、ＵＯ鋼管の溶接部ビードが前記タッチローラを乗り越える前後の２個１対のレーザ式変位計の出力から溶接部ビードの入側と出側の位置を求め、その中間を溶接部ビードの位置として算出することを特徴とする請求項１に記載のＵＯ鋼管溶接部ビード位置検出装置。
3. 前記演算処理装置は、前記２個１対のレーザ式変位計の出力の微分値の絶対値が所定値以上になる位置を溶接部ビードの入側又は出側の位置とすることを特徴とする請求項２に記載のＵＯ鋼管溶接部ビード位置検出装置。

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