JP6687134B2 - 鋼材形状計測装置及び鋼材形状矯正装置 - Google Patents

Description

本発明は、鋼材の歪み等の不具合を有する形状を、オフラインで計測するのに好適な鋼材形状計測装置、及び、前記鋼材形状計測装置で計測した鋼材の歪み等の不具合を有する形状を、前記オフラインで矯正するのに好適な鋼材形状矯正装置に関する。

鋼材例えば鋼板の形状を自動計測する装置としては、例えば特許文献１に記載されるように、複数の光学系距離計からなる計測装置を鋼板の搬送ライン上に設置し、この計測装置を通過する鋼板からの光の反射状態から鋼板表面までの距離、即ち鋼板表面の高さを検出し、この高さを連続して鋼板表面の形状を計測するものがある。

しかしながら、この鋼板形状計測装置は、オフラインでの形状計測に適さないとして、本出願人は特許文献２に記載される鋼板形状計測装置を伴う鋼板形状矯正装置を提案した。この特許文献２に記載される鋼板形状計測装置は、一つのレーザ光源からのレーザ光をガルバノミラーで転向し、転向したレーザ光で被走査面を走査し測距するレーザ距離計を用いて、静止した鋼板上の所定の検出点群を測距し、得られた測距データから鋼板の形状を計測するものである。なお、特許文献２で、「偏光」とあるのは、「転向」即ち、方向を切り換えることを意味している。
そのため、オフラインで鋼板が静止している状態でも鋼板の形状を計測することができる。

特開平５−２３７５４６号公報 特開２０１０−１５５２７２号公報

拡散反射測定 - 島津製作所（www.an.shimadzu.co.jp/uv/support/faq/op/solid.htm）、1/3-3/3頁、2017年1月6日

前記特許文献１に記載の光学系距離計において、鋼板表面が概鏡面状の場合、測定異常を多発する問題が発生する。ここで、「概鏡面状」とは、物体の鏡映像を目視での同定が可能な画質で映す面状のことを意味する。しかしながら、前記特許文献２に記載の鋼板形状矯正装置（以下、「参考技術Ａ」という。）では、概鏡面状の鋼板表面を有した鋼板の測定異常への対処方法について具体的に記載されておらず、概鏡面状の鋼板表面が計測対象である場合、計測値が通常のばらつき範囲を大きく超えてばらつく異常な現象（測定異常）が発生するという問題点がある。

本発明は、上記の問題点に着目してなされたものであり、形状矯正前後の搬送装置上の鋼材形状及び形状矯正中の加圧ラム下の鋼材形状を、該鋼材が概鏡面状の鋼板表面を有していても、確実に計測できる鋼材形状計測装置、及び、前記鋼材形状計測装置による計測結果を活用して、効率よく形状矯正することが可能な鋼材形状矯正装置を提供することを課題とするものである。ここで、鋼材とは、鋼板、形鋼及び鋼矢板の総称である。

前記課題を解決するためになされた本発明は、以下の（１）〜（３）に記載の発明である。
（１） 一つのレーザ光源からのレーザ光をガルバノミラーで転向し、転向したレーザ光にて鋼材を走査し測距するレーザ距離計を用いて、前記鋼材の被走査面における検出点群を測距し、得られた測距データから前記鋼材の形状を計測する鋼材形状計測装置において、
前記鋼材の被走査面で正反射したレーザ光の照射範囲内の少なくとも一箇所に、レーザ光吸収体として、４５°０°拡散反射率が１０％以下である物体を備えた鋼材形状計測装置。
（２） 加圧ラムを備えたプレス機と、前記プレス機の入側及び出側に設けられ且つ鋼材を搬送する搬送装置とを有する鋼材形状矯正装置において、前記プレス機の入側及び出側に前記（１）に記載の鋼材形状計測装置を備えた鋼材形状矯正装置。
（３） 前記（２）において、前記鋼材形状計測装置のレーザ光吸収体の設置箇所は、前記プレス機の外面のうち前記照射範囲内の面内の箇所を含むものとした鋼材形状矯正装置。

本発明によれば、形状矯正前後の搬送装置上の鋼材形状及び形状矯正中の加圧ラム下の鋼材形状を、該鋼材が概鏡面状の鋼材表面を有していても、確実に計測することができ、その計測結果を活用して、効率よく形状矯正することが可能になるという優れた効果を奏する。

図１は、発明（１）の実施形態に係る鋼材形状計測装置の概略構成を示す模式図である。 図２は、発明（２）に係る鋼材形状矯正装置の概略構成を示す平面図である。 図３は、レーザ光吸収体の入反射面形状のＡ例（図３（ａ））及びＢ例（図３（ｂ））を示す断面図である。 図４は、従来例（図４（ａ））及び本発明例（図４（ｂ））における測距データの一例を示す線図である。 図５は、従来例（図５（ａ））及び本発明例（図５（ｂ））における鋼板面内の凹凸分布情報の出力図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下では、（Ｎ）に記載の発明を「発明（Ｎ）」と云う。

まず、発明（１）の実施形態について説明する。
図１は、発明（１）の実施形態に係る鋼材形状計測装置の概略構成を示す模式図であり、図１（ａ）はレーザ距離計の平面図、図１（ｂ）は装置全体の平面図、図１（ｃ）は装置全体の正面図、（ｄ）は装置全体の側面図である。

発明（１）の実施形態に係る鋼材形状計測装置は、レーザ光にて鋼材の被走査面の所定の検出群を測距し、得られた測距データから前記鋼材の形状を計測する鋼材形状計測装置において、レーザ光を出射する一つのレーザ光源１１、及び前記レーザ光を転向するガルバノミラー１３を備えたレーザ距離計５Ａと、前記鋼材の被走査面で正反射したレーザ光の照射範囲内の少なくとも一箇所に、４５°０°拡散反射率が１０％以下であるレーザ光吸収体８と、を有する。
図１（ａ）に示すように、レーザ距離計５Ａは、一つのレーザ光源１１を回転台１２に搭載し、レーザ光源１１のレーザ出射口に周知のガルバノミラー１３を配設してなる。その構成は、ガルバノミラー回転軸１３Ａが、ガルバノミラー１３の反射面と45°の角度をなし、レーザ光源１１のレーザ出射口からのレーザ光の光軸に一致し、且つ回転台回転軸１２Ａと直交する構成としてある。よって、レーザ光源１１からのレーザ光はガルバノミラー１３で反射して90°転向し、転向後のレーザ光は、鋼材の被走査面へ入射する入射レーザ光ＬＳ１となる。入射レーザ光ＬＳ１の光路は、ガルバノミラー１３への入射点を回転中心として、ガルバノミラー１３と共にガルバノミラー回転軸１３Ａ周りに回転し、且つ、回転台１２と共に回転台回転軸１２Ａ周りに回転する。即ち、入射レーザ光ＬＳ１はガルバノミラー回転軸１３Ａ周りの回転及び回転台回転軸１２Ａ周りの回転により全方位を３次元的に走行しうる。よって、レーザ距離計５Ａはレーザ光で全方位を３次元的に走査し測距する手段として用いうる。

図１（ｂ）、図１（ｃ）及び図１（ｄ）に示すように、レーザ距離計５Ａは、鋼材形状計測装置５の一部として、鋼材例えば鋼板Ｓの被走査面の斜め上方に位置し、ガルバノミラー回転軸１３Ａが鋼板Ｓの長手方向と直交し、回転台回転軸１２Ａが鋼板Ｓの幅方向と直交するように配置してある。よって、入射レーザ光ＬＳ１は、ガルバノミラー１３のガルバノミラー回転軸１３Ａ周りの回転により、鋼板Ｓ上を長手方向に走行する光点を生じ、該光点は、回転台１２の回転台回転軸１２Ａ周りの回転により、幅方向に移動する。

鋼材形状計測装置５は、前記光点でもって鋼板Ｓの被走査面を長手方向及び幅方向に走査して鋼板Ｓの被走査面における検出点群を測距し、得られた測距データから、図示しないコンピュータシステムを用いて鋼板Ｓの形状を計測する。得られた測距データから鋼板Ｓの形状を計測する方法は、参考技術Ａにおけるものと同様である。詳しくは、本願出願人が先に提案した前記特許文献２の段落００１３〜段落００５８に述べてあるとおりである。

前記測距データは、前記光点の存在部位からの拡散反射光である一次拡散反射光の光強度を拡散反射光測定装置（図示せず）により測定し、その測定値に基いて算出する。しかし、鋼板Ｓの被走査面内に概鏡面状の部分が存在すると、この概鏡面状の部分で入射レーザ光ＬＳ１が正反射して正反射レーザ光ＬＳ２を生じ、この正反射レーザ光ＬＳ２が周辺の設備や機器の面に入射し拡散反射して二次拡散反射光を生じ、あるいはさらにこの二次拡散反射光が周辺の設備や機器の面に対して入射及び拡散反射を繰り返して三次以上の拡散反射光（以下、三次以上の拡散反射光を「多重拡散反射光」という。）を生じる。前記一次拡散反射光と二次拡散反射光及び／又は多重拡散反射光とが重畳すると、この重畳した拡散反射光の光強度の測定値に基いて前記測距データが算出されることとなる。そのため、前記二次拡散反射光の光強度が前記一次拡散反射光の光強度に対して無視できる程度である場合を除き、前記二次拡散反射光さらに前記多重拡散反射光は、前記測距データの精度に悪影響を及ぼし、その結果、鋼板Ｓの形状計測精度が低下する問題がある。

この問題を解決するために、発明（１）では、鋼材形状計測装置５は、正反射レーザ光ＬＳ２の照射範囲内の少なくとも一箇所に、レーザ光吸収体８として、４５°０°拡散反射率が１０％以下である物体を備える。つまり、鋼材形状計測装置５は、レーザ距離計５Ａとレーザ光吸収体８とを備える。ここで「４５°０°拡散反射率」とは、面の入射光に対する拡散光の割合を、前記面の法線に対して前記入射光の入射角を０°、前記拡散光の受光角を４５°としてはかった量を意味する。なお、前記拡散反射率は、用いるレーザ光の波長に依存するから、前記拡散反射測定では、実走査用のレーザ光の波長と同じ波長のレーザ光を用いるものとする。

レーザ光吸収体８の設置箇所は、そこからの二次拡散反射光の光強度が前記一次拡散反射光の光強度に対して無視できない程度に大きい箇所とするのがよい。このような箇所は、レーザ光吸収体を設けない状態で、レーザ距離計による鋼板の被走査面内で測距データのばらつきが異常に大きくなる領域即ち異常領域を検出し、該検出した異常領域から発せられる正反射レーザ光の照射範囲内から適宜選定すればよい。

これにより、レーザ光吸収体８を設置した箇所からの二次拡散反射光の光強度を前記一次拡散反射光の光強度に対して無視できる程度に小さくすることができ、鋼板Ｓの測距データ精度が向上し、それにより鋼板Ｓの形状計測精度が向上する効果が得られる。前記４５°０°拡散反射率が１０％超では、この効果に乏しいため、前記拡散反射率は１０％以下とすべきであり、好ましくは５％以下である。

前記レーザ光吸収体として好ましく用いうる物体には、例えば、黒色ポリ塩化ビニル（４５°０°拡散反射率＝５％）、黒色ゴム（４５°０°拡散反射率＝８％）、黒色塗料塗布材（４５°０°拡散反射率＝１％）などが挙げられる。

次に、発明（２）の実施形態について説明する。
図２は、発明（２）に係る鋼材形状矯正装置の概略構成を示す平面図である。この鋼材形状矯正装置は、鋼板Ｓをオフラインで形状矯正するものであり、鋼板Ｓの形状を矯正するプレス機１を有する。プレス機１の入側にはベッド３（入側ベッド３）、プレス機１の出側にはベッド４（出側ベッド４）が配設されている。ベッド３、４は、何れも鋼板Ｓを搬送する複数のローラを備え、これらローラの回転状態を制御することで鋼板Ｓの搬送方向を制御することができる。即ち、これらのベッド３、４が鋼板Ｓの搬送装置を構成する。また、入側ベッド３及び出側ベッド４の側方には、鋼板Ｓの位置を検出する位置検出装置７が設けられている。位置検出装置７は、レーザ光にて鋼板Ｓを搬送方向に走査して鋼板Ｓの搬送方向沿いの形状を計測し、その形状測定結果から鋼板Ｓがどの位置にあるかを検出する。

本実施形態のプレス機１の場合、加圧ラム２で鋼板Ｓを上から加圧し、主として鋼板Ｓに曲げモーメントを付与して鋼板Ｓの形状を矯正する。鋼板Ｓの形状は、発明（１）に係る鋼材形状計測装置５によって計測する。鋼板形状矯正のパラメータとしては、例えば鋼板Ｓの形状から求めた差金隙間（予め設定された長さの差金［基準線分］を鋼板Ｓ表面にあてがった時の差金と鋼板との間の隙間）、加圧ラム２による加圧力、シムと呼ばれる敷板の位置と間隔、鋼板Ｓの位置が挙げられる。本実施形態のプレス機１による鋼板形状矯正は、鋼板Ｓの下に２本のシムを敷き、そのシム間の部分の鋼板Ｓを加圧ラム２で加圧する。加圧ラム２による曲げモーメントは、シム間の部分の鋼板Ｓに生じる。この曲げモーメントによる鋼板Ｓの変形量と加圧解除時の戻り量、所謂スプリングバック量を加味して、前述した種々のパラメータを調整する。

入側ベッド３及び出側ベッド４のそれぞれの斜め上方には発明（１）に係る鋼材形状計測装置５を備えた。入側ベッド３の斜め上方における鋼材形状計測装置５により、形状矯正前の鋼材の形状が計測され、該形状データに基づいて鋼板形状矯正の各種パラメータが調整され、形状矯正が実行される。出側ベッド４の斜め上方における鋼材形状計測装置５により、矯正後の鋼板形状が確認される。レーザ距離計５Ａのガルバノミラー回転軸１３Ａ（図２では図示省略。）及び回転台回転軸１２Ａ（図２では図示省略。）の、鋼板Ｓの長手方向及び幅方向に対する配向は、図１と同様とした。このように、本発明に係る鋼材形状矯正装置は、鋼材形状計測装置５、プレス機１、及び搬送装置を有する。鋼材形状計測装置のレーザ距離計とレーザ光吸収体との両方がプレス機１の入側及び出側に設けられる。

図２に示した実施形態では、レーザ光吸収体８の設置箇所は、発明（３）に則り、プレス機１の外面のうち、レーザ距離計５Ａからのレーザ光が鋼板Ｓの被走査面で正反射した光の照射範囲内の箇所、すなわち、プレス機１の入側面、出側面及び正反射光が当たる側面とした。このようにしたのは、レーザ光吸収体８が未設置のときに、前記正反射レーザ光の照射範囲のうち測距データへの前記二次拡散反射光の悪影響が無視できない程度に大きくなる領域（「問題領域」という。）を検出する実験を行い、該検出した問題領域がプレス機１の外面のうち入側面、出側面及び正反射光が当たる側面の領域であったという知見を得たことに基くものである。

なお、この実施形態においては、プレス機１の外面のうち入側面、出側面、及び、側面のうちの正反射光が当たる面にレーザ光吸収体８を設置したが、レーザ光吸収体８の設置箇所はこの形態に限定されるものではない。例えば、プレス機１の入側及び出側に、鋼板Ｓからの正反射光がプレス機１の入側面や出側面や側面に当たることを遮断する遮断壁を設け、遮断壁のレーザ距離計５Ａに対向する面にレーザ光吸収体８を設けてもよい。

前記問題領域内の二次拡散反射光を生じる面が、プレス機１の入側面、出側面、側面それぞれにおける一部領域である場合には、この一部領域にのみレーザ光吸収体８を設置すればよい。

前記問題領域内の二次拡散反射光を生じる面がプレス機１以外の設備や機器の面であるならば、当該面をレーザ光吸収体８の設置面とするのが好ましいことはいうまでもない。

一般に、入射光が入反射面へ入射して拡散反射光を生じるとき、前記入射光の入射角が大きいほど、前記拡散反射光の光強度は小さくなる。したがって、前記レーザ光吸収体の入反射面形状を、該入反射面に対する前記正反射レーザ光の入射角が大きくなる（例えば４５°超の入射角となる）形状としておくと、前記二次拡散反射光の光強度をさらに低減できて好ましい。レーザ光吸収体８の入反射面形状としては、図３（ａ）にＡ例として示す平面状の入反射面形状や、図３（ｂ）にＢ例として示す鋸歯状の入反射面形状が挙げられる。Ａ例とＢ例を比べると、斜め下方から入射してくる正反射レーザ光ＬＳ２のＢ例における入射角Ｂ及び入射角Ｂ’はＡ例における入射角Ａよりも大きいから、Ｂ例の方がより好ましい。

なお、出側ベッド４の側方にはプレス機１による鋼板Ｓの形状矯正のための演算処理を行うコンピュータシステムを内蔵する制御装置６を備えた。この演算処理の詳細については、特許文献２の段落００５９〜段落００６５に記載されるとおりである。

実施例において、本発明例では、図２に示す実施形態を採用した。ただし鋼板Ｓはプレス機１の出側ベッド４上に置かれている。鋼板Ｓ走査用のレーザ距離計５Ａから射出させるレーザ光は、波長が１５５０ｎｍの近赤外線レーザ光とした。鋼板Ｓからの正反射レーザ光の照射範囲内の、前記問題領域内の箇所と同定された、プレス機１の外面のうち入側面及び出側面に、前記４５°０°拡散反射率が５％である黒色ポリ塩化ビニルからなるレーザ光吸収体８を設置した。レーザ光吸収体８の入反射面形状は、図３（ｂ）に示したＢ例（鋸歯状）とした。

一方、従来例は、本発明例からレーザ光吸収体８を除去した以外は本発明例と同様の実施形態である。
従来例では、図４（ａ）に例示するように、鋼板Ｓ長手方向位置の概鏡面状の局所に、測距データが通常のばらつき範囲を大きく超えてばらつくという測定異常が存在した。前記測定異常は、鋼板Ｓの前記概鏡面状の局所からの正反射レーザ光の照射範囲内にプレス機１の出側面が存在し、該出側面からの二次拡散反射光が鋼板Ｓの前記局所からの一次拡散反射光に重畳して測距データを大きくばらつかせたことによるものである。

前記測定異常を含む測距データを用いて導出した鋼板形状計測結果は、図５（ａ）に例示するように、真の形状から外れた異常領域を含むものとなり、鋼板Ｓに適正な形状矯正を施すのが困難であった。

これに対し、本発明例では、前述のレーザ光吸収体８を設置したから、図４（ｂ）に例示するように、鋼板Ｓ長手方向範囲の全域に亘って、従来例のような測定異常は存在せず、その結果、斯かる測定異常を含まない測距データを用いて導出した鋼板形状計測結果は、図５（ｂ）に例示するように、真の形状から外れた異常領域は含まないものとなり、鋼板Ｓに難なく適正な形状矯正を施すことができた。

１ プレス機
２ 加圧ラム
３ ベッド（入側ベッド）
４ ベッド（出側ベッド）
５ 鋼材形状計測装置
５Ａ レーザ距離計
６ 制御装置
７ 位置検出装置
８ レーザ光吸収体
１１ レーザ光源
１２ 回転台
１２Ａ 回転台回転軸
１３ ガルバノミラー
１３Ａ ガルバノミラー回転軸
ＬＳ１ 入射レーザ光
ＬＳ２ 正反射レーザ光
Ｓ 鋼板

Claims (1)

1. 加圧ラムを備えたプレス機と、前記プレス機の入側及び出側に設けられ且つ鋼材を搬送する搬送装置とを有する鋼材形状矯正装置において、
   前記プレス機の入側及び出側に設置され、一つのレーザ光源からのレーザ光をガルバノミラーで転向し、転向したレーザ光にて鋼材を走査し測距するレーザ距離計を用いて、前記鋼材の被走査面における検出点群を測距し、得られた測距データから前記鋼材の形状を計測する鋼材形状計測装置を有し、
   前記鋼材形状計測装置は、前記鋼材の被走査面で正反射したレーザ光の照射範囲内の少なくとも一箇所に、レーザ光吸収体として、４５°０°拡散反射率が１０％以下である物体を備え、
   前記レーザ光吸収体の設置箇所は、レーザ光吸収体を設けない状態で、レーザ距離計による鋼板の被走査面内で測距データのばらつきが大きい異常領域から発せられる正反射レーザ光の照射範囲内から選定された箇所であって、前記プレス機の外面のうち、鋼材の入側面、出側面及び正反射光が当たる側面である鋼材形状矯正装置。

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