JP5333947B2

JP5333947B2 - 外径測定装置

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Publication number: JP5333947B2
Application number: JP2010234353A
Authority: JP
Inventors: 利満 ▲浜▼本
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2010-10-19
Filing date: 2010-10-19
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2030-10-19
Also published as: JP2012088138A

Description

本発明は、断面円形材の外径を測定する外径測定装置に関する。特に、外径の測定精度が良く、かつ、スケールや粉塵が投光部及び受光部に付着し難い外径測定装置に関する。

従来から、例えば熱間圧延後の高温状態の棒鋼（断面円形材）、線材（断面円形材）や鋼管（断面円形材）等の外径の測定においては、棒鋼、線材、鋼管が高温であるために接触して測定することができないので、多方向からその輪郭を光学的にとらえ、光学的にその外径を測定する外径測定装置が知られている。
しかしながら、このような外径測定装置においては、高温状態の棒鋼、線材、鋼管の表面から剥離したスケールや粉塵等が投光部や受光部に付着し、投光部や受光部の表面が汚れるために測定が行えなくなるという問題がある。
このために、エアーによってスケールや粉塵を吹き飛ばすことにより、投光部や受光部の表面にスケールや粉塵が付着するのを防ぐようにした外径測定装置がある。

このようなエアーによってスケールや粉塵を吹き飛ばす外径測定装置の例を、図１を参照して説明する。図１（ａ）は、外径測定装置の側面の一部断面図であり、図１（ｂ）は投光部と受光部を図１（ａ）におけるＤ方向から見た正面図である。
外径測定装置１０１は、棒鋼Ｗの外径を測定する外径測定器１０２と、棒鋼Ｗを挿通させる挿通部材１０３とを備えている。外径測定器１０２は、棒鋼Ｗに光Ｌを投光する投光部１２１と、投光部１２１が投光した光Ｌを受光する受光部１２２とを有している。外径測定器１０２は、投光部１２１と受光部１２２とを３組有している（図１（ａ）では、１組の投光部１２１と受光部１２２のみを示している）。
挿通部材１０３は、棒鋼Ｗを挿通させる挿通口１３１を有しており、挿通口１３１が投光部１２１から受光部１２２への光路に対向するように設けられている。
また、挿通部材１０３は、棒鋼Ｗの側面に棒鋼Ｗの径方向外方の周囲からエアーＦを送風する送風口１３２を有しており、送風口１３２は吸気を行う吸気口１３３と連通している。吸気口１３３は、ブロワー（図示せず）に接続されている。

投光部１２１は、例えばＬＥＤやハロゲンランプであり、棒鋼Ｗの外径方向の周縁に光Ｌを投光する。受光部１２２は、例えばＣＣＤラインセンサであって棒鋼Ｗの外径の周縁に投光された光Ｌを受光した受光素子と、棒鋼Ｗの影になって投光された光Ｌを受光しない受光素子との境界の位置から、棒鋼Ｗの外径が演算される。
３組の投光部１２１と受光部１２２は、それぞれの投光部１２１から受光部１２２への光路が、挿通口１３１の径方向の中心Ｏで互いに１２０度の角度で交差するように配置されている。
投光部１２１と受光部１２２は、挿通口１３１の径方向の中心Ｏを起点として、棒鋼Ｗの周方向に回転自在になっており、棒鋼Ｗの外径を棒鋼Ｗの周方向の全ての位置から測定する。

しかしながら、棒鋼Ｗの表面には高温の空気層が層状に形成されており、このような外径測定装置１０１においてはその空気層が送風口１３２からのエアーＦによって乱され、そのために、投光部１２１から棒鋼Ｗの表面近傍に投光された光Ｌの屈折方向が乱れ、外径の測定値にバラツキが生じるという問題がある。
この外径測定装置１０１による棒鋼Ｗの測定結果を図２に示す。３組の投光部１２１と受光部１２２のそれぞれの組が、棒鋼Ｗの周方向の全ての位置から測定している。挿通口１３１の径方向の中心Ｏを通り光Ｌに平行な直線から棒鋼Ｗの周縁までの距離（以下、この距離を仮想半径という）が測定され、基準値（この測定の場合は２０ｍｍ）との差で表わされている。そして、棒鋼Ｗの全周囲から測定した仮想半径の平均値が仮想半径平均値とされ、仮想半径平均値の２倍が棒鋼Ｗの外径とされる。

しかしながら、３組の投光部１２１と受光部１２２による仮想半径の測定値Ｒ１０１、Ｒ１０２、Ｒ１０３を示す線が図２のように互いに離れ、仮想半径平均値にバラツキが生じている。３組の投光部１２１と受光部１２２による棒鋼Ｗの仮想半径平均値の内で最小値が１９．９０ｍｍ、最大値が２０．１０ｍｍで、最大値と最小値との差が０．２０ｍｍであり、測定精度が十分でない。

また、エアーの送風を棒鋼Ｗの軸方向に行う外径測定装置も知られている（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、この特許文献１の外径測定装置においては、エアーの送風方向に遮蔽物が有るためにエアーが遮蔽物に当接し、スケールや粉塵が舞い上がる虞がある。また投光部及び受光部とエアーとの間が離れていないために、舞い上がったスケールや粉塵が投光部及び受光部に付着する虞がある。

実開昭５４−１２３８５６号公報

本発明は、斯かる従来技術の問題を解決するためになされたものであり、断面円形材である高温の棒鋼、線材や鋼管の外径を測定しても測定精度が良く、かつ、スケールや粉塵が投光部及び受光部に付着し難い外径測定装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明者は、エアーの送風方向等を検討した。その結果、断面円形材の径方向外方の周囲を断面円形材の軸方向にエアーを送風して環状のエアーカーテンを形成し、エアーの送風方向に遮蔽物を有さないようにすると外径の測定精度が良くなるという知見を得た。

本発明は、上記の本発明者の知見に基づき完成されたものである。すなわち、前記課題を解決するため、本発明は、断面円形材の外径を測定する外径測定装置であって、前記断面円形材の軸方向に垂直な方向から該断面円形材の側面に向けて光を投光する投光部と、該断面円形材を挟んで前記投光部の反対側に設けられ該投光部が投光した光を受光する受光部とを具備する外径測定器と、前記断面円形材が挿通する挿通口を有する挿通部材とを備え、前記挿通部材は、前記挿通口が前記投光部から前記受光部への光路に対向するように設けられ、前記挿通部材は、前記挿通口を囲繞する環状の送風口を有し、前記送風口は、前記断面円形材の径方向外方の周囲を該断面円形材の軸方向にエアーを送風して環状のエアーカーテンを形成し、前記投光部及び受光部は、前記挿通口を挿通する前記断面円形材と離間し、前記環状のエアーカーテンよりも前記断面円形材の径方向外方に設けられ、前記エアーの送風方向に遮蔽物を有さず、前記外径測定装置は、前記投光部及び受光部を覆い、前記環状のエアーカーテンに対向する開口部を有するカバー部と、前記カバー部に設けられ該カバー部の内部と外部とを連通する連通口とを更に備え、前記カバー部は、前記送風口よりも前記エアーの送風方向下流側に設けられ、前記開口部は、前記環状のエアーカーテンの近傍に位置することを特徴とする外径測定装置を提供する。

本発明によれば、断面円形材が高温の棒鋼、線材や鋼管であっても、送風口から断面円形材の径方向外方の周囲を断面円形材の軸方向にエアーが送風されて環状のエアーカーテンが形成されることにより、断面円形材の表面の層状の高温の空気層が乱れ難いので、投光部から断面円形材の表面近傍に投光された光の屈折方向が乱れ難くなるために外径の測定精度が良い。
また、投光部及び受光部が断面円形材と離間していることと、投光部及び受光部と断面円形材との間に環状のエアーカーテンが有り、エアーの送風方向に遮蔽物を有さないようにすることにより、断面円形材より剥離したスケールや粉塵は環状のエアーカーテンに閉じ込められた状態で外部に排出される。そのため、スケールや粉塵は環状のエアーカーテンの径方向外方に設けられた投光部及び受光部に付着し難くなるので、スケールや粉塵による汚れによって外径の測定が出来なくなる虞が少ない。

さらに本発明によれば、環状のエアーカーテンによるエジェクター効果によって、カバー部の内部の空気がカバー部の外部に吸引され排出されるので、例えカバー部の内部にスケールや粉塵が侵入したとしてもそれらのスケールや粉塵がカバー部の外部に吸引され排出され、投光部及び受光部に付着し難くなる。

好ましくは、前記カバー部は、前記投光部及び受光部に対して前記エアーの送風方向上流側に、前記断面円形材の径方向外方の周囲に環状に設けられた第１カバー部材と、前記投光部及び受光部に対して前記エアーの送風方向下流側に、前記断面円形材の径方向外方の周囲に環状に設けられた第２カバー部材と、前記投光部及び受光部に対して前記断面円形材の径方向外方の周囲に環状に設けられ前記第１カバー部材及び第２カバー部材の間に介在し該第１カバー部材及び第２カバー部材を接続する第３カバー部材とを有する

本発明によれば、断面円形材が高温の棒鋼、線材や鋼管であっても、外径の測定精度が良い。また、スケールや粉塵が投光部及び受光部に付着し難い。

図１（ａ）は、従来の外径測定装置の側面の一部断面図であり、図１（ｂ）は投光部と受光部を図１（ａ）におけるＤ方向から見た正面図である。図２は、同外径測定装置によって測定した棒鋼の仮想半径の測定結果である。図３（ａ）は、第１の実施形態に係る外径測定装置の側面の一部断面図であり、図３（ｂ）は、挿通部材に棒鋼が挿入されたときの斜視図であり、図３（ｃ）は、受光部が投光部からの光を受光する状態を示す図であり、図３（ｄ）は、投光部と受光部を図３（ａ）におけるＤ方向から見た正面図である。図４（ａ）は、得られた仮想半径の値を測定結果の図にプロットする方法を説明する図であり、図４（ｂ）は、同外径測定装置によって測定した棒鋼の仮想半径の測定結果である。図５（ａ）は、第２の実施形態に係る外径測定装置の側面の一部断面図であり、図５（ｂ）は、カバー部の斜視図である。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る外径測定装置について、図３を参照して説明する。図３（ａ）は、外径測定装置の側面の一部断面図であり、図３（ｂ）は、外径測定装置の挿通部材に棒鋼が挿入されたときの斜視図であり、図３（ｃ）は、受光部が投光部からの光を受光する状態を示す図であり、図３（ｄ）は、投光部と受光部を図３（ａ）におけるＤ方向から見た正面図である。
外径測定装置１は、棒鋼Ｗの外径を測定する外径測定器２と、棒鋼Ｗを挿通させる挿通部材３とを備えている。
外径測定器２は、棒鋼Ｗに光Ｌを投光する投光部２１と、投光部２１が投光した光Ｌを受光して光Ｌに相当する電気信号を送信する受光部２２と、投光部２１に光Ｌを投光させると共に、受光部２２が送信する電気信号に基づいて、棒鋼Ｗの外径を演算する制御演算部２３とを有している。
外径測定器２は、投光部２１と受光部２２とを３組有している（図３（ａ）では、１組の投光部２１と受光部２２のみを示している）。
挿通部材３は、棒鋼Ｗを挿通させる挿通口３１を有しており、挿通口３１が投光部２１から受光部２２への光路に対向するように設けられている。また、挿通部材３は、挿通口３１を囲繞する環状の送風口３２を有しており、送風口３２は吸気を行う吸気口３３と連通している。吸気口３３は、ブロワー（図示せず）に接続されている。
送風口３２は、棒鋼Ｗの径方向外方の周囲を棒鋼Ｗの軸方向にエアーＦを送風して環状のエアーカーテンＡを形成する。送風口３２から送風されるエアーＦの送風方向には遮蔽物がない。エアーカーテンＡの環状部分の厚みは、薄すぎると断面円形材より剥離したスケールや粉塵がエアーカーテンＡに閉じ込めることができにくくなり、一方厚すぎるとエアーＦが棒鋼Ｗにあたることにより、棒鋼表面の層状の高温の空気層を乱し、外径の測定精度を悪化させてしまう。そのため、エアーカーテンＡの環状部分の厚みは、送風口３２の吹き出し位置で、１０〜１５ｍｍが好ましく、本実施形態では１０ｍｍである。エアーＦの風量は、少なすぎると断面円形材より剥離したスケールや粉塵がエアーカーテンＡに閉じ込められた状態で外部に排出されにくくなり、一方多すぎるとエアーＦが棒鋼Ｗにあたることにより、棒鋼表面の層状の高温の空気層を乱し、外径の測定精度を悪化させてしまう。そのため、エアーＦの風量は、送風口３２の吹き出し位置で、０．３０〜０．５０Ｎｍ^３／ｃｍ^２・ｍｉｎが好ましく、本実施形態では０．３７Ｎｍ^３／ｃｍ^２・ｍｉｎである。

投光部２１は、例えばＬＥＤやハロゲンランプであり、棒鋼Ｗの径方向の周縁に光Ｌを投光する。受光部２２は、例えばＣＣＤラインセンサであり、棒鋼Ｗの測定される外径方向に平行な方向に複数の受光素子２２１をライン状に有している。制御演算部２３は、棒鋼Ｗの径方向の周縁に投光された光Ｌを受光した受光素子２２１と、棒鋼Ｗの影になって投光された光Ｌを受光しない受光素子２２１との境界の位置に基づいて棒鋼Ｗの外径を演算する。
３組の投光部２１と受光部２２は、それぞれの光路が、挿通口３１の径方向の中心Ｏで互いに１２０度の角度で交差するように配置されている。投光部２１及び受光部２２は、挿通口３１を挿通する棒鋼Ｗと離間し、環状のエアーカーテンＡよりも棒鋼Ｗの径方向外方に設けられている。
投光部２１と受光部２２は、挿通口３１の径方向の中心Ｏを起点として、棒鋼Ｗの周方向に回転自在になっている。制御演算部２３は、回転駆動部（図示せず）によって投光部２１と受光部２２を棒鋼Ｗの周方向に回転させ、棒鋼Ｗの外径を棒鋼Ｗの周囲の全周の位置から測定する。

挿通口３１の径方向の中心Ｏを通り光Ｌに平行な直線Ｍから棒鋼Ｗの周縁までの距離（以下、この距離を仮想半径という）が測定される。この図３（ｃ）の例の場合、仮想半径としてｘ１とｘ２が測定されている。そして、棒鋼Ｗの全周囲から測定した仮想半径の平均値が仮想半径平均値とされ、仮想半径平均値の２倍が棒鋼Ｗの外径とされる。

次に棒鋼Ｗの外径の測定方法について説明する。
ブロワーが駆動されてエアーＦが吸気口３３に送風されている状態で、棒鋼Ｗが挿通口３１の径方向の中心に挿入される。送風口３２から棒鋼Ｗの径方向外方の周囲を棒鋼Ｗの軸方向にエアーＦが送風されて、棒鋼Ｗの径方向外方の周囲に環状のエアーカーテンＡが形成される。
制御演算部２３は、回転駆動部によって投光部２１と受光部２２とを棒鋼Ｗの周方向に回転させ、投光部２１に光Ｌを投光させ、受光部２２からの電気信号に基づいて棒鋼Ｗの外径を演算する。

この外径測定装置１による棒鋼Ｗの測定結果を図４に示す。３組の投光部２１と受光部２２のそれぞれの組が、棒鋼Ｗの周方向の全ての位置から測定している。仮想半径が基準値（この測定の場合は２０ｍｍ）との差で表わされている。図３（ｃ）の例のように、水平方向から測定された仮想半径がｘ１及びｘ２の場合には、図４（ａ）のように、座標の中心を垂直に通る直線上にｘ１とｘ２が基準値との差に基づいてプロットされる。図４（ｂ）は、そのようにして仮想半径が全周に亘ってプロットされた測定結果である。
３組の投光部２１と受光部２２による測定結果Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３がそれぞれ示されており、測定値Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を示す線が互いに近接しており、従来の外径測定装置による測定値よりもバラツキが小さい。
３組の投光部２１と受光部２２による棒鋼Ｗの仮想半径平均値の内で最小値が１９．８５ｍｍ、最大値が１９．９８ｍｍで、最大値と最小値との差が０．１３ｍｍであり測定精度が良好である。

このように、棒鋼Ｗが高温であっても、送風口３２から棒鋼Ｗの径方向外方の周囲を棒鋼Ｗの軸方向にエアーＦが送風されて環状のエアーカーテンＡが形成されることにより、棒鋼Ｗの表面の層状の高温の空気層が乱れ難いので、投光部２１から棒鋼Ｗの表面近傍に投光された光Ｌの屈折方向が乱れ難くなり外径の測定精度が良くなる。
また、投光部２１及び受光部２２が棒鋼Ｗと離間していることと、投光部２１及び受光部２２と棒鋼Ｗとの間に環状のエアーカーテンＡが有ることと、エアーの送風方向に遮蔽物を有さないようにすることにより、棒鋼Ｗより剥離したスケールや粉塵は環状のエアーカーテンに閉じ込められた状態で外部に排出される。そのため、スケールや粉塵は環状のエアーカーテンＡの径方向外方に設けられた投光部２１及び受光部２２に付着し難くなるので、スケールや粉塵による汚れによって外径の測定が出来なくなる虞が少ない。

また、投光部２１と受光部２２を次のような構成にしても良い。投光部２１がレーザ走査装置（例えば、レーザ光源とポリゴンミラーとの組み合わせ）であり、受光部２２が光電子増倍管等の光検出器である。
例えば、レーザ走査装置として、レーザ光源とポリゴンミラーとを組み合わせた構成を用いる場合、ポリゴンミラーは、棒鋼Ｗの軸方向と平行に設けられた軸の軸周りに一定速度で回転駆動し、レーザ光源より出射されたレーザ光を反射面で反射させることにより、レーザ光を棒鋼Ｗの外径方向に沿って走査する。
光検出器の受光範囲は棒鋼Ｗの外径よりも広くなっており、光検出器は棒鋼Ｗを走査したレーザ光を受光し、受光した光に相当する電気信号を制御演算部２３に送信する。制御演算部２３は、走査されたレーザ光が棒鋼Ｗに当たって光検出器がレーザ光を検出しない時間長さから、棒鋼Ｗの外径を演算する。
このような構成にすることにより、前述した投光部２１がＬＥＤやハロゲンランプであり、受光部２２がＣＣＤラインセンサである場合と同様に、棒鋼Ｗの外径を測定することができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る外径測定装置１について図５を参照して説明する。図５（ａ）は、外径測定装置の側面の一部断面図であり、図５（ｂ）は、カバー部の斜視図である。
本実施形態に係る外径測定装置１は、第１の実施形態に係る外径測定装置１の構成に加えて、投光部２１及び受光部２２を覆うカバー部４を有している。
カバー部４は、投光部２１及び受光部２２に対してエアーＦの送風方向上流側に、棒鋼Ｗの径方向外方の周囲に環状に設けられた第１カバー部材４１と、投光部２１及び受光部２２に対してエアーの送風方向下流側に、棒鋼Ｗの径方向外方の周囲に環状に設けられた第２カバー部材４２と、投光部２１及び受光部２２に対して棒鋼Ｗの径方向外方の周囲に環状に設けられ第１カバー部材４１及び第２カバー部材４２の間に介在し第１カバー部材４１及び第２カバー部材４２を接続する第３カバー部材４３とを有している。また、カバー部４は、環状のエアーカーテンＡに対向する開口部４４と、カバー部４の内部と外部とを連通する連通口４５とを有している。開口部４４は環状のエアーカーテンＡの近傍に位置している。

このような構成において、送風口３２からエアーＦが送風されると、開口部４４が環状のエアーカーテンＡの近傍にあるので、エアーＦの流れによるエジェクター効果により、カバー部４内部の空気が開口部４４からカバー部４外部に吸引される。すると、カバー部４には連通口４５が設けられているので、矢印Ｆ１に示すように、連通口４５から新たな空気がカバー部４に供給され、カバー部４内部の空気が続けてカバー部４外部に吸引され排出される。
このようにカバー部４内部の空気がカバー部４外部に吸引され排出されることにより、カバー部４内部に例えスケールや粉塵が侵入したとしても、それらのスケールや粉塵がカバー部４外部に吸引され排出され、投光部２１及び受光部２２に付着し難くなる。

開口部４４は、環状のエアーカーテンＡにできるだけ近づけるのがよいが、エアーＦが第１カバー部材４１に当接しないように開口部４４と環状のエアーカーテンＡの間に間隔を開けることが望ましい。また、連通口４５は、開口部４４から離して、投光部２１や受光部２２の近傍に設けることが望ましい。また、連通口４５は、投光部２１及び受光部２２毎に設けることが望ましいが、１つだけでもよい。

また、本実施形態の例として１個のカバー部４によって、全ての投光部２１及び受光部２２を覆う外径測定装置１を示したが、複数のカバー部４によって、全ての投光部２１及び受光部２２を分けて覆うようにしてもよく、例えば、それぞれの投光部２１及び受光部２２を個別のカバー部４によって覆ってもよい。
また、カバー部４の形状は、第１カバー部材４１、第２カバー部材４２、第３カバー部材４３を用いた形状に限定されず、開口部４４と連通口４５とを有していればよい。

なお、本発明は、上記実施形態の構成に限られず、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、第１の実施形態及び第２の実施形態において、投光部２１と受光部２２の組数はいくつでもよく、例えば１組でもよい。
また、棒鋼Ｗを、外径測定装置１に対して相対的に棒鋼Ｗの軸方向に移動させながら、棒鋼Ｗの外径を測定してもよい。このようにして測定することにより、棒鋼Ｗの軸方向に沿った棒鋼Ｗの外径分布を測定することができる。

１・・・外径測定装置
２・・・外径測定器
２１・・・投光部
２２・・・受光部
３・・・挿通部材
３１・・・挿通口
３２・・・送風口
４・・・カバー部
４１・・・第１カバー部材
４２・・・第２カバー部材
４３・・・第３カバー部材
４４・・・開口部
４５・・・連通口
Ａ・・・エアーカーテン
Ｌ・・・光
Ｗ・・・棒鋼（断面円形材）

Claims

断面円形材の外径を測定する外径測定装置であって、
前記断面円形材の軸方向に垂直な方向から該断面円形材の側面に向けて光を投光する投光部と、該断面円形材を挟んで前記投光部の反対側に設けられ該投光部が投光した光を受光する受光部とを具備する外径測定器と、
前記断面円形材が挿通する挿通口を有する挿通部材とを備え、
前記挿通部材は、前記挿通口が前記投光部から前記受光部への光路に対向するように設けられ、
前記挿通部材は、前記挿通口を囲繞する環状の送風口を有し、
前記送風口は、前記断面円形材の径方向外方の周囲を該断面円形材の軸方向にエアーを送風して環状のエアーカーテンを形成し、
前記投光部及び受光部は、前記挿通口を挿通する前記断面円形材と離間し、前記環状のエアーカーテンよりも前記断面円形材の径方向外方に設けられ、
前記エアーの送風方向に遮蔽物を有さず、
前記外径測定装置は、
前記投光部及び受光部を覆い、前記環状のエアーカーテンに対向する開口部を有するカバー部と、
前記カバー部に設けられ該カバー部の内部と外部とを連通する連通口とを更に備え、
前記カバー部は、前記送風口よりも前記エアーの送風方向下流側に設けられ、
前記開口部は、前記環状のエアーカーテンの近傍に位置することを特徴とする外径測定装置。
前記カバー部は、前記投光部及び受光部に対して前記エアーの送風方向上流側に、前記断面円形材の径方向外方の周囲に環状に設けられた第１カバー部材と、
前記投光部及び受光部に対して前記エアーの送風方向下流側に、前記断面円形材の径方向外方の周囲に環状に設けられた第２カバー部材と、
前記投光部及び受光部に対して前記断面円形材の径方向外方の周囲に環状に設けられ前記第１カバー部材及び第２カバー部材の間に介在し該第１カバー部材及び第２カバー部材を接続する第３カバー部材とを有することを特徴とする請求項１に記載の外径測定装置。