JP5494539B2 - 剪断加工工具の異物付着検出方法及び異物付着監視装置 - Google Patents

Description

本発明は、剪断加工工具を用いて棒状の金属を剪断加工するに際し、剪断加工工具に付着する異物を検出する異物付着検出方法及び異物付着監視装置に関するものである。

棒鋼の熱間圧延設備において、熱間圧延機を出た鋼材は、途中に配置された熱間切断機で分割切断され、冷却床に送られ冷却される。冷却された鋼材は切断装置に送られ、通常複数本を同時に切断して定寸の棒鋼製品となる。切断装置として、剪断による切断を行うコールドシャーが採用されることが多い。

コールドシャーを用いた剪断加工装置では、図３に示すように、下刃用刃物台５に下刃物３が取り付けられ、上刃用刃物台４に上刃物２が取り付けられている。上刃物２と下刃物３はそれぞれ、剪断する製品形状に沿った複数のカリバー（凹部１０）が彫られている。複数の圧延製品１が下刃用刃物台５の上に送られてきて、下刃物３の各カリバーに沿って下刃物３の先まで送られ、各圧延製品１がストッパー６に当接した後に所定の長さで停止する。圧延製品１は押さえ装置７によって下刃用刃物台５に固定され、上刃用刃物台４に取り付けられた上刃物２が下降して上刃物２と下刃物３によって圧延製品１を剪断する。その後、上刃物２が上昇し、剪断された材料を搬送して完了となり、同じ動作を繰り返し行う。

剪断加工の際、剪断加工により圧延製品から発生したバリや小片等の異物が上刃物のカリバー部に付着することがある。上刃物のカリバー部に異物が付着したまま次の剪断加工を行うと、この異物により圧延製品に凹状の疵がプリントされてしまうため、製品品質不良となる。従来、上刃物に付着するバリや小片の検出方法として、監視カメラによる目視確認を実施して異物の付着有無を確認していた。

特許文献１には、上刃物へのバリ・小片の付着異物を画像処理により検出し、検出結果に基づいて切断停止を自動的に判断可能にした、コールドシャー刃内の異物付着検出による切断自動停止方法が開示されている。これにより、人力によるのではなく、画像処理を用いた機械的な方法であり、不良品発生を防止できるとしている。

特開２００５−１３８１２７号公報

特許文献１に記載の方法は、異物の有無を通常の光学画像から判断しており、付着異物が微小である場合には検出が困難となる。また、剪断加工に際して大きな衝撃や振動が発生するため、撮像用カメラが振動し、また撮像方向が変動し、上刃物の異物付着箇所を正確に捉えることが困難となり、付着した異物を検出できない場合、あるいは異物が付着していなくても異物付着ありと誤検出してしまう課題が懸念される。

本発明は、剪断加工工具を用いて棒状の金属を剪断加工するに際し、人による目視観察、あるいは通常の可視光光学画像の画像解析によるのではなく、剪断加工工具に付着する異物を検出する異物付着検出方法及び異物付着監視装置を提供することを目的とする。

本発明の要旨とするところは以下のとおりである。
（１）棒状の金属（好ましくは圧延製品１）を剪断加工するための剪断加工工具２は棒状の金属が当接する凹部１０を有し、剪断加工工具２を用いて棒状の金属を剪断加工するに際し、剪断加工工具２に付着する異物を検出する異物付着検出方法であって、
剪断加工工具表面のうち、剪断時進行方向１５の先端に位置し凹部１０を含まない部分を底部１２とし、凹部１０のうち剪断時進行方向の反対側先端部分であって棒状の金属と接する部分を凹部の頂点１１とし、
剪断加工工具表面のうち、少なくとも底部１２の一部を含み凹部の頂点１１を含まない任意の領域を基準領域１３として定め、少なくとも凹部の頂点１１を含む任意の領域を検査領域１４として定め、
棒状の金属を剪断加工した後に、剪断加工工具の基準領域と検査領域を含む表面の温度を測定し、基準領域１３内の最高温度を基準温度、検査領域１４内の最高温度を検査温度とし、
前記検査温度が、前記基準温度に予め定めた一定温度を付加した温度よりも高温となったときに異物付着ありと判定することを特徴とする異物付着検出方法。
（２）剪断加工工具２の表面温度測定は、二次元平面的に温度測定が可能な非接触の温度計８を用いることを特徴とする請求項１に記載の異物付着検出方法。
（３）検査領域１４は基準領域１３を包含することを特徴とする請求項１又は２に記載の異物付着検出方法。
（４）棒状の金属を剪断加工するための剪断加工工具２は棒状の金属が当接する凹部１０を有し、剪断加工工具２を用いて棒状の金属を剪断加工するに際し、剪断加工工具２への異物付着有無を監視する異物付着監視装置であって、
該異物付着監視装置は、剪断加工工具表面の温度を測定する温度計８と、温度計８の温度測定結果を演算する演算装置９とを有し、
剪断加工工具表面のうち、剪断時進行方向１５の先端に位置し凹部１０を含まない部分を底部１２とし、凹部のうち剪断時進行方向の反対側先端部分であって棒状の金属と接する部分を凹部の頂点１１とし、
予め、剪断加工工具表面のうち、少なくとも底部１２の一部を含み凹部の頂点１１を含まない任意の領域を基準領域１３として定め、少なくとも凹部の頂点１１を含む任意の領域を検査領域１４として定め、
温度計８は、棒状の金属を剪断加工した後に、剪断加工工具２の基準領域と検査領域を含む表面の温度を測定し、
演算装置９は、温度計８で測定した温度のうち、基準領域１３内の最高温度を基準温度、検査領域１４内の最高温度を検査温度とし、前記検査温度が、前記基準温度に予め定めた一定温度を付加した温度よりも高温となったときに異物付着ありとして信号を発することを特徴とする異物付着監視装置。

本発明は、剪断加工工具を用いて棒状の金属を剪断加工するに際し、温度計で剪断加工工具表面の温度を測定し、剪断時に圧延製品が接触する凹部の頂点を含む検査領域の最高温度を検査温度として把握し、剪断加工工具の底部を含む基準領域の最高温度を基準温度として把握し、「温度差＝検査温度−基準温度」が所定のしきい値よりも高くなったときを異物付着ありと判定することにより、精度良く異物付着の有無を判断することが可能となった。

本発明における剪断加工工具と温度計の位置関係を示す図である。 剪断加工工具における基準領域と検査領域の関係を示す図である。 剪断加工装置の全体を示す概略図である。 基準温度と検査温度の測定結果を示す図である。 異物付着ありとなしの場合の剪断加工工具の凹部の頂点温度を比較した図である。

本発明において、剪断加工装置の上刃物を「剪断加工工具」と称し、図２（ａ）に示すように、上刃物のカリバー部をその形状に基づいて「凹部１０」と称する。また、剪断加工工具表面のうち、剪断時進行方向１５の先端に位置し凹部１０を含まない部分を底部１２とし、凹部１０のうち剪断時進行方向１５の反対側先端部分であって棒状の金属と接する部分を凹部の頂点１１とする。対象とする剪断加工工具２は上刃物であるから、剪断時進行方向１５とは下方を意味する。

本発明において、剪断加工する対象は、棒状の金属であればいずれの場合にも適用することができる。棒状の金属としては、例えば熱間圧延を終了した圧延製品１、好ましくは棒鋼に適用することができる。以下、熱間圧延を終了した棒鋼を対象として説明を行う。

図２（ｂ）に示すように、剪断加工工具２の凹部１０の特に凹部の頂点１１に付着異物２１が付着する。付着異物２１は、剪断時の加工発熱により温度が上昇している。従って、凹部の頂点１１付近の剪断加工工具２の表面温度を計測することにより、付着異物の有無が検出できるのではないかと考えた。しかし、凹部の頂点付近における剪断加工工具の表面温度は変動が大きく、図５に示すように、付着異物が付着しているときと付着していないときの凹部の頂点１１の温度分布は重なっており、単純な温度測定では付着異物の有無を検出できないことがわかった。

剪断加工の対象となる圧延製品は、熱間圧延を終了した直後の鋼材であり、冷却床で冷却しているとはいえ、高温を維持している。そのため、剪断加工工具２は、その下方に配列された圧延製品１から輻射熱を受けて温度が上昇する（図３）。温度上昇の程度は、圧延製品のサイズや剪断加工のインターバルによっても変動し、圧延製品の断面形状が大きいほど高温となり、また剪断加工を行う時間間隔が短くなるほど高温となる。剪断加工工具２の表面のうち、圧延製品からの輻射熱を受けて特に高温となるのは、図２に示す剪断加工工具の底部１２であることがわかった。一方、剪断加工工具に異物が付着する場合には凹部の頂点１１に付着する（図２（ｂ））。そして、剪断加工工具の底部１２の温度と凹部の頂点１１の温度を対比したところ、異物２１が付着していないときには底部１２に比較して凹部の頂点１１の方が温度が低く、異物２１が付着しているときには逆に底部１２に比較して凹部の頂点１１の方が温度が高くなっていることが判明した。

即ち、剪断加工工具の表面温度を測定し、凹部の頂点１１の温度が底部１２の温度よりも高くなったときに異物付着ありと判定すれば、異物付着の有無を精度良く判定できることがわかった。

一方、図１に示すように、剪断加工工具２の表面温度を測定する温度計８は非接触温度計とし、剪断加工工具２から一定距離離れたところに温度計８を配置して剪断加工工具表面温度を測定する。剪断加工工具２の停止位置はその都度若干変動することがあり、また温度計自身が振動を受けて視野方向が変動することがある。そのため、剪断加工工具２の特定位置を正確に狭い測温視野として捉えることが困難な場合がある。また、剪断加工工具は同時に２〜１６本の多数の圧延製品について剪断を行うので、圧延製品の数に対応する数の凹部１０を有している。ひとつひとつの凹部の頂点１１について温度を計測するためには詳細な設定が必要である。これに対し、すべての凹部の頂点１１を含む領域を検査領域として定め、検査領域内で最も高い温度を示した点における温度を最高温度として抽出すれば、いずれかの凹部に異物が付着したときにはその箇所の温度が最高温度として選ばれる。従って、凹部の頂点の位置を正確に把握することなく、また多数の凹部の頂点それぞれについて個別に温度を測定することなく、異物付着箇所の温度を計測することができる。

本発明は、図２（ｃ）に示すように、剪断加工工具表面のうち、少なくとも底部１２の一部を含み凹部の頂点１１を含まない任意の領域を基準領域１３（図２（ｃ）の一点鎖線の領域）として定め、少なくとも凹部の頂点１１を含む任意の領域を検査領域１４（図２（ｃ）の二点鎖線の領域）として定め、棒状の金属を剪断加工した後に、剪断加工工具２の基準領域と検査領域を含む表面の温度を測定し、基準領域１３内の最高温度を基準温度、検査領域１４内の最高温度を検査温度とする。基準領域１３の範囲内では、付着異物の有無にかかわらず、底部１２の温度が最も高いので、計測された基準温度は底部１２の温度を示すこととなる。一方、検査領域１４においては、付着異物が付着しているときは凹部の頂点１１の温度が最も高く、検査温度は凹部の頂点１１の温度を示し、付着異物が付着していないときは凹部の頂点以外の地点であってたまたま検査領域１４の中で最高温度だった部分の温度が検査温度として示される。例えば図２（ｄ−１）（ｄ−２）に示すように、基準領域１３は図２（ｃ）と同様に定め、検査領域１４として底部１２を含む領域を選んだ場合、異物付着時には凹部の頂点１１が最高温度となるので凹部の頂点１１の温度が検査温度となり、異物が付着していないときには底部１２が最高温度となるので底部１２の温度が検査温度となる。

以上のように基準領域、検査領域、基準温度、検査温度を定義した上で、図２（ｂ）に示すように底部１２から凹部の頂点１１までの距離を凹部高さＨとし、具体的には図２（ｄ−１）（ｄ−２）に示すように、基準領域１３として底部１２を含み底部１２から凹部高さＨの１／３までの領域であって、幅方向は剪断加工工具２の全幅領域を選定し、検査領域１４としては底部１２と凹部の頂点１１を両方含み、幅方向は剪断加工工具の全幅となる領域を選定した。基準領域１３として底部１２の一部を含めばよい。図１に示すように、剪断加工工具２が移動上限の待機位置にあるときに、その表面温度を温度計８（サーモピクス温度計）によって計測した。剪断加工工具２と温度計８との距離は４７７５ｍｍであった。また、角度は材進逆方向より１１．３°であった。画像処理によって基準温度と検査温度とを算出した。そして、横軸を基準温度、縦軸を「温度差＝検査温度−基準温度」として図４に示した。ここで、異物付着なしの場合を□、異物付着ありの場合を◆として表した。図４から明らかなように、異物付着なしの場合の「□」はいずれも温度差がゼロであった。これは、検査領域１４として底部１２を含んでいるため、異物付着がない場合には底部１２の温度が最高温度となり、検査温度と基準温度のいずれも底部の温度が選択されるので、温度差がゼロになるのである。また、異物付着ありの場合にはいずれも温度差が１０℃以上となった。従って、温度差のしきい値としてプラスの値で１０℃未満の値を予め定めておけば、温度差がしきい値よりも高くなったときに「異物付着あり」と判断することにより、異物付着の検出漏れもなく、誤検出もなく、良好な検出が可能となることがわかった。

上記図２（ｄ−１）（ｄ−２）の例では、検査領域１４として底部１２を含む領域を選択した。これに対し、図２（ｃ）のように検査領域１４として底部１２を含まない領域を選択しても良い。異物付着ありのときは凹部の頂点１１の温度が検査領域１４における最高温度であって検査温度として選択され、図４の◆と同じ分布を示す。一方、異物付着なしの場合には、検査領域内の最高温度は底部の温度より低い温度となるので、検査温度は基準温度（底部の温度）より低く、「温度差」はマイナスとなり、図４のＸ軸より下方に分布することとなる。従ってこの場合も、温度差のしきい値としてプラスの値で１０℃未満の値を予め定めておけば、温度差がしきい値よりも高くなったときに「異物付着あり」と判断することにより、異物付着の検出漏れもなく、誤検出もなく、良好な検出が可能となる。

基準領域１３の定め方としては、少なくとも底部１２の一部を含み凹部の頂点１１を含まない任意の領域とすることができる。ただし、基準領域１３の境界が凹部の頂点１１の極めて近くとなると、凹部の頂点１１の温度を基準領域内の温度と誤認する可能性があるので好ましくない。好ましくは、基準領域１３の上方側（底部と反対側）の境界を、底部からの距離で凹部高さＨの２／３程度とすると良い。底部からの距離が凹部高さＨの１／３程度とするとより好ましい。また、剪断加工工具の幅方向については、剪断加工工具の全幅の領域を基準領域とすることにより、底部のうちで最も高い温度を示した部分を基準温度とすることができ、好ましい。ただし、底部の温度は幅方向でそれほどの大きな偏差を生じないので、底部のうちの一部のみを含む領域を基準領域としてもかまわない。

剪断加工工具の表面温度測定のための温度計として、二次元平面的に温度測定が可能な非接触の温度計を用いることができる。具体的には、サーモピクスカメラ又はサーモトレーサの中から選択すると良い。

また、検査領域１４は基準領域１３を包含することとすれば、図４（ａ）に示すように、異物付着がないときには検査温度として底部温度が選択されるので基準温度と等しくなり、検査温度と基準温度の差がゼロと表示されるのでわかりやすい。

剪断加工工具への異物付着ありの判定は、「温度差＝検査温度−基準温度」と予め定めたしきい値との対比によって行い、温度差がしきい値よりも高いときには異物付着ありと判定する。しきい値としては、プラスの値で１０℃未満の値であれば良い。１〜５℃の範囲内の値とするとより好ましい。

本発明の異物付着監視装置においては、図１に示すように、剪断加工工具２表面の温度を測定する温度計８と、温度計８の温度測定結果を演算する演算装置９とを有する。温度計８は、棒状の金属を剪断加工した後に、剪断加工工具２の基準領域と検査領域を含む表面の温度を測定する。演算装置９では、温度計８の測定結果を受信し、基準領域１３内の最高温度を基準温度、検査領域１４内の最高温度を検査温度とし、前記検査温度が、前記基準温度に予め定めた一定温度を付加した温度よりも高温となったときに異物付着ありとして信号を発する。信号として電気信号を発出し、剪断加工装置の制御装置に入力することにより、異物付着時は自動的に剪断加工装置の運転を止めることができる。また、信号として発光表示あるいは音による表示を行うことにより、操作者に異物付着を知らせ、操作者が剪断加工装置の運転を止めることもできる。

図３に示すような、棒鋼の熱間圧延設備の冷却床出口に配置されたコールドシャーにおいて、本発明を適用した。剪断加工する棒鋼のサイズはφ１９ｍｍ〜φ１２０ｍｍの範囲であり、上刃物（剪断加工工具）と下刃物にはそれぞれ棒鋼のサイズに応じて３〜１６個の凹部が配置されている。剪断加工工具の幅は１０〜１１５ｍｍである。剪断加工される圧延製品の温度は５〜５００℃の範囲内にある。

剪断加工工具の表面温度を測定する温度計８としてサーモピクスカメラを用い、図１に示すように配置した。剪断加工工具２と温度計８との距離は４７７５ｍｍである。角度は材進逆方向より１１．３°である。剪断加工工具２が上限の待機状態にあるときに、剪断加工工具２のすべての凹部１０と底部１２の全体を視野として二次元の温度分布を計測することができる。剪断加工工具表面における温度測定の解像度は３２０×２４０ドット、温度の測定精度は±２℃程度である。

基準領域１３、検査領域１４として図２（ｄ−１）（ｄ−２）に示す領域を選択し、「温度差＝検査温度−基準温度」と対比するしきい値として１０℃を選択した。その上で、実際の剪断加工において本発明方法を適用したところ、剪断加工７８４０回の剪断加工において、異物付着ありを９７０回検出し、付着した異物を検出できなかった頻度はゼロ回、異物が付着していないのに異物付着ありと誤検出した頻度が１５回であった。

これに対し、従来方法として画像での目視確認による判定方法を適用した場合には、剪断加工６１１０回の剪断加工において、付着した異物を検出できなかった頻度が４回あった。異物が付着していないのに異物付着ありと誤検出した頻度は数多くあった。

剪断加工工具の上刃物に異物が付着したときにその付着を検出できないと、この異物により圧延製品に凹状の疵がプリントされ、製品品質不良となるため最も好ましくない。付着した異物を検出できなかった頻度が、従来方法では４回発生したのに対して本発明法ではゼロ回であり、本発明によって製品品質を大幅に向上することができた。

１ 圧延製品（棒状の金属）
２ 上刃物（剪断加工工具）
３ 下刃物
４ 上刃用刃物台
５ 下刃用刃物台
６ ストッパー
７ 押さえ装置
８ 温度計
９ 演算装置
１０ 凹部
１１ 凹部の頂点
１２ 底部
１３ 基準領域
１４ 検査領域
１５ 剪断時進行方向
２１ 付着異物

Claims (4)

1. 棒状の金属を剪断加工するための剪断加工工具は棒状の金属が当接する凹部を有し、該剪断加工工具を用いて棒状の金属を剪断加工するに際し、剪断加工工具に付着する異物を検出する異物付着検出方法であって、
   剪断加工工具表面のうち、剪断時進行方向の先端に位置し凹部を含まない部分を底部とし、凹部のうち剪断時進行方向の反対側先端部分であって棒状の金属と接する部分を凹部の頂点とし、
   剪断加工工具表面のうち、少なくとも底部の一部を含み凹部の頂点を含まない任意の領域を基準領域として定め、少なくとも凹部の頂点を含む任意の領域を検査領域として定め、
   棒状の金属を剪断加工した後に、剪断加工工具の基準領域と検査領域を含む表面の温度を測定し、前記基準領域内の最高温度を基準温度、検査領域内の最高温度を検査温度とし、
   前記検査温度が、前記基準温度に予め定めた一定温度を付加した温度よりも高温となったときに異物付着ありと判定することを特徴とする異物付着検出方法。
2. 前記剪断加工工具の表面温度測定は、二次元平面的に温度測定が可能な非接触の温度計を用いることを特徴とする請求項１に記載の異物付着検出方法。
3. 前記検査領域は前記基準領域を包含することを特徴とする請求項１又は２に記載の異物付着検出方法。
4. 棒状の金属を剪断加工するための剪断加工工具は棒状の金属が当接する凹部を有し、該剪断加工工具を用いて棒状の金属を剪断加工するに際し、剪断加工工具への異物付着有無を監視する異物付着監視装置であって、
   該異物付着監視装置は、剪断加工工具表面の温度を測定する温度計と、該温度計の温度測定結果を演算する演算装置とを有し、
   剪断加工工具表面のうち、剪断時進行方向の先端に位置し凹部を含まない部分を底部とし、凹部のうち剪断時進行方向の反対側先端部分であって棒状の金属と接する部分を凹部の頂点とし、
   予め、剪断加工工具表面のうち、少なくとも底部の一部を含み凹部の頂点を含まない任意の領域を基準領域として定め、少なくとも凹部の頂点を含む任意の領域を検査領域として定め、
   前記温度計は、棒状の金属を剪断加工した後に、剪断加工工具の基準領域と検査領域を含む表面の温度を測定し、
   前記演算装置は、前記温度計で測定した温度のうち、前記基準領域内の最高温度を基準温度、検査領域内の最高温度を検査温度とし、前記検査温度が、前記基準温度に予め定めた一定温度を付加した温度よりも高温となったときに異物付着ありとして信号を発することを特徴とする異物付着監視装置。

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