JPH01162584A - ロールの粗面化方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野１ 本発明は、ロールの粗面化方法およびその装置に関し、
さらに詳しくは金属材料の冷間圧延ロールまたは調質圧
延ロールの表面を所望のパターンと凹凸深さに粗面化す
る方法およびその装置に関する。

〔従来の技術］ 自動車等の外板として使用される鋼板は、加工、塗装等
のプロセスを経て最終的には自動車の外観を支配する重
要な構成要素となる。

近年、自動車の高級化に伴ない、一般の消費者が外観の
良好さ、美観など鮮映性を要求する傾向が強（なりつつ
ある。この鮮映性に対して、塗装前の鋼板表面の粗度や
凹凸のパターンなどが大きな影響を及ぼすと云われてい
る。従って、鮮映性向上のために、より適切な表面凹凸
パターンを有する鋼板を製造する必要性が生じてきた。

一般に自動車用鋼板は、調質圧延ライン（スキンパスラ
イン）において、適切な表面粗さを付加されて製造され
る。

このような鋼板の表面粗さは、製造プロセスの条件等に
も左右されるが、鋼板を圧延する圧延ロールそのものの
表面粗さによる影響が大きい。

従って、従来から鋼板の目標表面粗さに応じて適切な圧
延ロールが用いられてきた。

従来、調質圧延ロールの表面を粗面に加工する方法とし
てショツトブラスト法などが用いられていた。しかし、
ショツトブラスト法では表面粗度が不規則で一様性に欠
け、上記要求を満たさないので、近年、これに代り、連
続波炭酸ガスレーザを用いてロール表面をレーザダル加
工する方法が開発され、普及されつつある。

この方法は、回転しているロール表面に回転チョッパを
用いてレーザビームを断続的に照射し、ロールの回転数
、チョッピング周波数、レーザ出力等を制御することに
より、ロール表面に適切な凹凸パターンを形成するもの
であり、ロール表面の粗度値Ｒａが１〜３ｕｍ程度のも
のを得ることが可能である。ここでＲａは中心線平均粗
さを表し、粗さ曲ｉ！ｙ＝ｆ（ｘ）からカットオフ値の
３倍以上の測定長さλをとったとき、次式を単位μｍで
表した値である。

Ｒａ　＝　　（１／ｆｆ）　　ｌ　　　Ｉ　　ｆ　　（
ｘｌ　　ｌ　　ｄｘｏ しかし、上記従来のレーザダル加工方法では、実際に形
成された表面粗度や凹凸のパターンがｉ＋＋定されてい
ないため、目標粗度をもつロールを製造すること、これ
らのロールを分類し適時適切に使用すること、などのい
わゆる適切なロール管理ができないという問題がある。

現状では、ロールの粗度を測定する方法として、 ■ロール端部で試しうちした加工部材の粗度パラメータ
をハンディな触針式粗さ計を用いて測定する方法、 ■ロールを静止させて、その表面の微細形状の型取りを
行ない、その型を３次元触針式粗さ計により測定する方
法、 ■顕微鏡を直接ロールに押しあてて、目視にて凹凸パタ
ーンを確認する方法 などがとられていた。

しかし、これらの方法は、目視による方法では適切な定
量評価ができないという欠点があり、また３次元粗さ計
を使用する方法ではロールが回転している加工中には測
定できないという問題点があった。

【発明が解決しようとする問題点１ 物体の表面粗さは主として高さ方向の凹凸分布情報と、
２次元的な面方向の周波数情報とから構成される。対象
物が回転ロールのように高速に移動している場合、これ
ら２つの情報を得るために電磁光束の反射光強度や瞬間
静止画像の濃淡画像周期の周波数解析などから粗度情報
を得る手法が提案されている。例えば鋼販表面の粗度を
測定するものとして特許第１２７．．８１９６号、特公
昭６２−４６８０５号公報などが提案されているが、こ
れらの手法はショツトブラスト法などにより形成された
粗面をもつロールを用いて圧延された鋼販などのように
ランダムな粗面の統計的性質を推定するには適している
が、レーザダル加工のように規則的な面を測定する際に
は適切ではない６ 本発明は、レーザビームによりロールのダル加工を行う
場合１回転しているロールの表面の凹凸パターンや凹凸
深さをロールのタル加工中に非接触で測定し、目標通り
の表面粗度加工を行うことができる方法を提供すること
を目的とする。

本発明の他の目的はロール表面のダル加工の作業性を高
め低コストのロールの粗面化方法を提供することである
。

さらに本発明の他の目的は上記の方法を好適に実施する
ことのできる装置を提供することである。

〔問題点を解決するための手段１ 本発明方法は、回転するロール表面にレーザビームを集
光照射することにより、ロール表面に凹凸パターンを形
成するロールの粗面化加工において、 ■加工中のロールの加工表面にストロボ光源により極短
時間の光を照射し、ロール表面に生じた凹凸パターンの
明暗模様の拡大像を撮像装置により静止画像として撮影
する工程、■得られたロール表面の凹凸パターンの明暗
画像を画像蓄積処理装置により解析してロール表面の平
坦部分の割合と凹凸パターンの２次元的位置関係を演算
する工程、 ■加工中のロールの加工表面に特定波長の光を照射し、
照射光およびその反射光強度を測定する工程、 ■前記工程■の演算結果と前記工程■の測定結果とから
得られた値を予め定めた凹凸パターンの目標値に一致さ
せるように口−ルの粗面化加工条件を調整する工程、 を含むことを特徴とするロールの粗面化方法である。

上記方法を好適に実施することのできるロールの粗面化
加工装置は１次の構成要素から成ることを特徴とする。

■ロール表面を加工するレーザビームを発生するレーザ
発振器、 ■発生されたレーザビームを集光するレンズと、レーザ
ビームをパルスに変換する回転数可変の回転チョッパと
、レーザビームをロール表面に近接または遠離させるレ
ーザビームの焦点位置調節手段を内蔵した加工機ヘッド
。

■加工機ヘッドをロール表面に沿いロール長手方向に移
動させる加工機ヘッド移動装置、■ロールの回転数検出
およびその調節装置、■ロール表面を照射するストロボ
光源と、ストロボ光源から発光されるストロボ光をロー
ル表面近傍まで導くライトガイドと、加工ロールの回転
数とロール径から決まるロール表面の周速と同一速度で
測定面に追従してロール表面の追い撮像を可能とする回
転ミラー付光学系と、ストロボ光により照射されてロー
ル表面に生じた凹凸パターンの明暗模様を光学系を介し
拡大静止画像として撮像する焦点位置合わせ機構を備え
た撮像装置とからなる検出ヘッド部、 ■撮像装置により得られた画像を解析演算する画像蓄積
処理装置、 ■検出ヘッド部をロール長手方向およびロールの表面に
対し近接または遠離させる検出ヘッド部スライド機構、 ■加工中のロールの加工表面に特定波長の光を照射する
光源と、ロールからの反射光および照射光自体の光強度
を測光する光検出器。

■検出ヘッド部１画像蓄積処理装置、スライド機構を制
御する検出部制御装置および、０画像蓄積処理装置によ
る解析演算値と光検出器の光強度値を所定の演算ロジ・
ツクにより処理して得られた値と目標値を比較し、加工
機ヘッド移動装置、ロールの回転数調節装置、チョッパ
の回転数およびレーザ発振器の電源を制御するレーザ加
工機制御装置。

〔作用１ 本発明によれば、ロール表面のダル加工中に加工直後の
ロール表面の凹凸の２次元的なパターンや平坦部分の割
合、凹凸クレータの高さ等を自動測定することができる
６従って、従来のように作業員がロールの回転を停止さ
せて手動で粗度を測定する手法に比べ、迅速な検査が可
能となり、目標粗度に合致したタル加工を行うことがで
きる。

また、本発明の装置によれば上記方法を容易に実現する
ことができる６ ［発明の効果Ｊ 加工中に表面凹凸の２次元的な位置関係の高さ方向の粗
さが自動測定されるので、従来のように、ロールの回転
停止後に手動で測定する方法よりも迅速に検査が行われ
る６従って、 ■設備のダウンタイムが減少して生産性が向上する。

■作業員の労力を減らし危険作業から解放すると共に省
力にも結びつく。

■安定したロール加工ができるので製品の歩留り向上を
図ることができる。

［実施例」 本発明の一実施例の装置を第１図および第２図に示す。

第１図は本発明方法を示すブロック図、第２図はロール
のダル加工装置の正面図である。

第１図および第２図に示すように、被加工ロール１０は
図示しないロール回転機構およびロール回転数調整装置
１４を備えたロール回転用架台１２上に回転自在に設置
される。レーザ発振器２０から照射されたレーザビーム
２２はミラー２４によって方向を変えられた後、レーザ
加工機へ・ンド２６に送られる。加工機ベツド２６はレ
ール３４上に設置されており、ロールの長手方向および
ロールの表面に対し近接または遠離する方向に移動する
移動装置２８を備えている。

次に、第１図によりロールの加工方法およびロール表面
の検査方法を説明する。レーザ発振器２０から加工機ヘ
ッド２６に導入されたレーザビーム２２は、集光レンズ
３０により集光され、高速回転する回転チョッパ３２に
よってパルスに変換されてロールｌＯの表面に照射され
る。このレーザパルスは集光されてエネルギー密度が高
められているので、ロール表面は瞬時に溶融、蒸発し、
その結果ロール表面に凹凸が形成される。

加工機ヘッド２６の移動は加工機制御装置７４により！
′Ｒ密に制御されている。

凹凸が形成されたロール加工面の検査は次のようにして
行われる。

ストロボ光電源４０から発せられたストロボ光は、光フ
ァイバからなるライトガイド４２によってロール１０の
表面の近傍まで導かれ、光学系４４、ミラー４６を経て
加工直後のロール表面に照射される。

ストロボ光により照射されてロール表面に生じた凹凸パ
ターンの明暗模様を撮像する方法は以下のように説明さ
れる。

焦点位置合わせ機構を備えた撮像装置４８を内蔵した検
出ヘッド部５０内には、加工ロールの回転数およびロー
ル径から決められるロール周速と同一の接線速度でロー
ル表面像を追従反射させることが可能な高速回転ミラー
５２が設置されており、その反射像をストロボ光の発光
と同期させて撮像装置４８で撮像する。

このために、ロール表面の微少凹凸部の明暗模様はより
明瞭な静止画像として得られる。

撮像装置４８には焦点位置合わせ機構５４が付属してお
り画面のぼけを自動または手動により修正可能となって
いる。

撮像された拡大静止画像信号はモニタ装置６０に表示さ
れると同時に画像蓄積処理装置６２へ伝送され所定の演
算処理を行なって凹凸パターンの２次元的配置情報を得
る。この画像蓄積処理装置６２はフレームメモリと高速
画像処理用演算基板等を組込んだマイクロコンピュータ
などから構成される。

ライトガイド先端部、ロール照射面を規定するための光
学系４４、ミラー４６、撮像装置４８、高速回転ミラー
５２、焦点位置合わせｍ横５４などは一体化されて検出
ヘッド部５０の中に収納されている。検出ヘッド部５０
自体は、ロール長手方向と、ロールの表面に対し近接ま
たは遠離する方向に移動可能なスライド機構５６．５８
を備えている。検出ヘッド部５０の移動は、自動制御、
あるいは手動調整による作動が可能なように構成されて
いる。これにより、検出ヘッド部５０はタル加工面に追
従することができ、ロール交換時の退避やロール径変更
に対応することができる。

また、高速回転ミラー５２の回転位置とストロボ光の発
光および画像取込みのタイミングなどを合わせる制御機
構、焦点合わせ機構などを備えた検出制御装置６４が設
けられている。

一方、加工中のロール表面に特定波長の光を照射するた
めの光源６６とロールからの反射光およびハーフミラ−
６８を経て照射光自体の光強度を測定するための光検出
器７０などがロール下面に設置されており、粗度や平坦
率などのロール表面状態を測定するための情報を得る。

本発明方法のフローチャートを第３図に、画像処理手順
のフローチャートを第４図に示す。

第３図のフローチャートについて説明する。

先ず初期条件として、レーザビームの強度、焦点位置、
ロールの回転数、チョッパの回転数、ロール長手方向へ
のレーザビーム位置送り速度などのロール加工条件を設
定し、この初期加工条件によってロール面を加工する。

一方、ストロボ光照射により加工表面を撮像し、得られ
た像を第４図のフローに従って、画像処理して凹凸パタ
ーンの各クレータの大きさ（直径Ｄ）や加工されていな
い面の面積率（ＦＡ）、ロール長手方向および周方向で
のクレータピッチ（それぞれＳＬ、Ｓｍ）等を演算する
。ここで各パラメータは第５図に示すごとく静止生画像
を予め定められたスレッシュホールドをもとに２値化し
た画像から所定の演算により得られるものである。

例えば、ＦＡ値は全画素中のＯ値の割合により求められ
る。

また、ロール表面に照射する特定波長（んｎｍ）の光強
度ＩＯとロールからの反射光強度をＩｒを測定し、その
値は上述したり、ＦＡ、ＳＬ、ミ□等と共に加工機制御
装置７４へ送られる。

ここで光反射強度と表面粗さとの関係について説明する
。粗面がランダムな凹凸面である場合、その粗面の振幅
の程度によって照射する電磁波束の波長λと、入・反射
角度を最適に選択すれば粗面の統計的振幅情報である平
均２乗粗さＲａ（μｍ）は照射電磁波束の反射強度ＩＲ
と一定の相関、 Ｒａ＝ｆ　（Ｉ　Ｒ）　　　　　　　　−（１）が成り
立つことが文献［鉄と鋼Ｊ　　（１９８４ｖｏ１．７０
、Ｎｏ、９　ｐ１０９５　）や特許筒１２７８１９６号
などから明らかであり、この性質を利用して±ｌＯ％程
度以内の誤差でＲａの推定が可能である。しかし、この
測定手法は対象粗面がランダムな場合には有効であるが
、レーザダル加工面のように凹凸に規則性があり、しか
も平坦部分と凹凸部分が完全に分離している場合には適
用が難しく、（１）式の関係式を実験的に確かめた場合
、誤差が±３０％程度にもなることが分かった。

すなわち、クレータ部分のみの平均２乗粗さＳＲａが異
なる場合でも平坦部面積の大小により電磁波束の反射光
強度には差が生じないことがあり得る。従って凹凸高さ
の差を検出できないことになる。そこで平坦部面積の違
いの影響を補正することを検討し、サンプル測定を試み
た結果、−定の補正ロジック（その関数形をｇとする）
を用いることにより、 ＳＲａ＝ｇ　（Ｉ　ｒ、Ｉ　ｏ、ＦＡ）−（２）なる関
係を見出した。従ってこのロジックを加工機制御装置７
４内に記憶させて、測定値であるＩｒ、１０．ＦＡなど
からＳＲａを算出することにより、他のパラメータＤ、
Ｓｍ、ＳＬなどと共に、出力装置７２に表示して加工状
態のモニタリングに利用したり、初期目標値と比較する
ことにより加工機ヘッド移動装置２８、ロールの回転数
調整装置１４、チョッパ回転数調節装置７６、レーザ出
力などを制御するレーザ電源装置７８等を制御して目標
通りのタル加工を行うことができる。

実際の装置としては、撮像装置４８としてＣＣＤカメラ
、ロール表面を照射する電磁波束として、固体レーザや
半導体レーザなどの赤外光を発するレーザ光源が適用可
能である。また出力装置としては、プリンタ、ハードコ
ピー等が適当である。

本発明のロール粗面化方法およびその装置により得られ
た粗面のクレータ寸法、平坦面積率などは、従来からの
写真撮影と定規による測定の組合せ方法と比較して誤差
は±５％以内に収まる。−方、クレータ凹凸部の平均２
乗粗さは３次元触針式粗さ計との比較した結果を第６図
に示す。ここでＳＲａ’はクレータ部を含む４００μｍ
四方の範囲内での平均面２乗粗さを触針式粗さ計で測定
解析したもので、光照射面と同一範囲内の複数のクレー
タを解析した平均的なものである。一方、ＳＲａは光反
射強度と平坦面積から（２）式により推定した値である
。第６図によれば誤差は±１０％以内に収まっており、
本発明による方法および装置は実用上十分の性能を満た
すことが実証された。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法および装置の実施例のブロック図、
第２図はロール正面から見た本発明の一実施例の装置構
成を示す模式図、第３図は本発明のフローチャート、第
４図は画像処理手順のフローチャート、第５図はロール
表面の拡大２値画像、第６図は平均面２乗粗さの実測値
と推定値の比較を表わすグラフである。 １０・−・ロール　　　１２・・・ロール回転用架台１
４−・・ロール回転数調整装置 ２０−・・レーザ発振器 ２２・・−レーザビーム ２４・・−ミラー　　　　２６・・−加工機へ・ソド２
８・・−移動装置　　　３０・・・集光レンズ３２・・
・回転チョッパ　３４・・・レール４０−・・ストロボ
光源　４２・・・ライトガイド４４・・−光学系　　　
　４６・・−ミラー４８・−層像装置　　　５０・・・
検出ヘッド部５２・・−高速回転ミラー ５４・・−焦点位置合せ機構 ５６．５８・−・スライド機構 ６０・・・モニタ装置 ６２・・−画像蓄積処理装置 ６４−・・検出制御装置 ６６・・−光源 ６８・・−ハーフミラ−７０・・・光検出器７２・−出
力装置 ７４・・−加工機制御装置 ７６・・・チョッパ回転数調節装置 ７８・・−レーザ電源装置 Ｄ・−クレータの直径

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　回転するロールにレーザビームを集光照射すること
   によりロール表面に凹凸パターンを形成するロールの粗
   面化加工において、 （イ）加工中のロールの加工表面にストロボ光源により
   極短時間の光を照射し、ロール 表面に生じた凹凸パターンの明暗模様の拡 大像を撮像装置により静止画像として撮影 する工程、 （ロ）得られたロール表面の凹凸パターンの明暗画像を
   画像蓄積処理装置により解析し てロール表面の平坦部分の割合と凹凸パ ターンの２次元的位置関係を演算する工 程、 （ハ）加工中のロールの加工表面に特定波長の光を照射
   し、該照射光およびその反射光 強度を測定する工程、 （ニ）前記工程（ロ）の演算結果と前記工程（ハ）の測
   定結果とから得られた値を予め 定めた凹凸パターンの目標値に一致させる ようにロールの粗面化加工条件を調整する 工程、 を含むことを特徴とするロールの粗面化方 法。 ２　回転するロールにレーザビームを集光照射すること
   によりロール表面に凹凸パターンを形成するロールの粗
   面化加工装置において、（イ）ロール表面を加工するレ
   ーザビームを発生するレーザ発振器、 （ロ）発生されたレーザビームを集光するレンズと、該
   レーザビームをパルスに変換す る回転数可変の回転チョッパと、該レーザ ビームをロール表面に近接または遠離させ る該レーザビームの焦点位置調節手段を内 蔵した加工機ヘッド。 （ハ）前記加工機ヘッドをロール表面に沿いロール長手
   方向に移動させる加工機ヘッド 移動装置。 （ニ）ロールの回転数検出およびその調節装置、 （ホ）ロール表面を照射するストロボ光源 と、該ストロボ光源から発光されるストロ ボ光をロール表面近傍まで導くライトガイ ドと、加工ロールの回転数とロール径から 決まるロール表面の周速と同一速度で測定 面に追従してロール表面の追い撮像を可能 とする回転ミラー付光学系と、前記ストロ ボ光により照射されてロール表面に生じた 凹凸パターンの明暗模様を前記光学系を介 し拡大静止画像として撮像する焦点位置合 わせ機構を備えた撮像装置とからなる検出 ヘッド部、 （ヘ）該撮像装置により得られた画像を解析演算する画
   像蓄積処理装置、 （ト）前記検出ヘッド部をロール長手方向およびロール
   の表面に対し近接または遠離さ せる検出ヘッド部スライド機構、 （チ）加工中のロールの加工表面に特定波長の光を照射
   する光源と、ロールからの反射 光および照射光自体の光強度を測光する光 検出器、 （リ）前記検出ヘッド部、前記画像蓄積処理装置、スラ
   イド機構を制御する検出部制御 装置、 （ヌ）前記画像蓄積処理装置による解析演算値と前記光
   検出器の光強度値を所定の演算 ロジックにより処理して得られた値と目標 値を比較し、前記加工機ヘッド移動装置、 前記ロールの回転数調節装置、前記チョッ パの回転数および前記レーザ発振器の電源 を制御するレーザ加工機制御装置、 から成ることを特徴とするロールの粗面化装置。