KR20230004571A - 금속관의 제조 방법과 장치 - Google Patents

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KR20230004571A
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토모야스 나카노
타케유키 사토
지롱 유인
페이조우 왕
슌이치 하루야마
šœ이치 하루야마
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가부시키가이샤 나카타 세이사쿠쇼
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Abstract

[과제] 금속판에서 성형 공구를 사용하여 금속관을 제조하는 방법에 있어서, 소재판의 개성을 공구 위치의 설정에 반영시킴으로써, 공구 위치의 최적화 작업을 간단하고 정확하게 행한다.
[해결 수단] 준비 단계로서, 성형 프로세스를 판마다 시뮬레이션 해석한다. 이러한 해석 결과로부터, 미가공관의 변형 형태값과 공구 위치 정보와의 상관 관계를 얻는다. 그리고, 판마다의 성형 프로세스를, 미가공관의 변형 형태값과 공구 위치 정보와의 상관 관계로서 기억해 둔다. 제관시에는, 판을 통과시키면서 미가공관의 변형 형태값을 실측한다. 실측된 변형 형태값으로부터, 상기 미가공관의 성형 프로세스를 예측 상정한다(상기 상관 관계를 사용한다). 예측 상정된 성형 프로세스를 실행하는데 필요한 공구 위치 정보를, 기억된 상관 관계로부터 검색한다. 검색된 공구 위치 정보를 스탠드 어레이에 실현한다.

Description

금속관의 제조 방법과 장치
본 발명은, 금속판(띠)으로부터 롤 등의 성형 공구에 의한 성형으로 금속관을 제조하는 제조 방법 및 장치에 관한 것으로, 제조 장치로의 금속판의 초기 통판(通板)이나 금속판의 치수를 변경했을 때 등, 성형에 사용하는 성형 공구 위치를 자동적으로 최적화하여 성형할 수 있는 금속관의 제조 방법 및 장치에 관한 것이다.
금속관을 제조하기 위해, 성형 롤을 사용한 파이프 밀(pipe mill)을 설계하는 경우, 체계화된 설계법이 확립되지 않았다. 예를 들면, 조관(造管)하는 관 치수와 그 범위, 사용하는 미가공판(raw plate) 재질과 성상에 따라, 성형 방법의 선정, 성형 롤 스탠드의 단 수, 성형량의 배분이 고려되어 롤 플라워(roll flower)가 선정ㆍ설계되고, 추가로 롤 스탠드의 종류의 선정을 행하고, 각각의 롤 스탠드에 사용하는 성형 롤의 프로파일을 결정하는 경우가 있다.
한편, 파이프 밀의 신설에 있어서는, 경제적 이유에 의해 롤 스탠드 수나 롤 구성이 결정되는 경우가 많고, 그 때문에 선정한 성형법이나 롤 플라워에 따른 이상적인 성형 스탠드 구성에서 벗어나는 경우도 있고, 또한 설계자의 기호에 의한 구성 등에 의해 파이프 밀에도 기계의 강성의 과부족이 발생하는 경우도 있어, 성형성이 양호한 구경 범위가 한정되는 경우나 퍼포먼스가 좋거나 나쁜 재료가 있는 등의 밀로서의 개성이 있다.
또한, 성형 롤의 겸용화가 진행된 파이프 밀에서는, 피성형 재료의 치수(폭이나 두께)가 다양해서, 어느 치수의 재료로도 동등하게 성형력을 발휘할 수 있도록 고려되어 설계되지만, 여기에도 여러가지 기계로서의 개성이 생길 여지가 있다(특허문헌 1, 특허문헌 2).
상기 파이프 밀이 설치되어, 실제 조업이 개시되는 경우, 상정한 파이프 제조 치수 범위 내의 재료에도, 산지(제철소ㆍ공장)나 가공ㆍ열처리 이력에 의해, 압연 코일마다 재료의 성상(치수 정밀도, 경도와 그 분포, 함유 성분에 의한 용접성, 가로 굽힘, 평탄도 등)이 상이하여, 재료도 여러가지 개성을 갖고 있다고 할 수 있다.
종래에 행해진 근사 물리 모델형 해석에 의해, 미가공판의 3차원 변형 모델에 기초한 변형 시뮬레이션으로, 파이프 밀 내의 미가공판의 통판에 수반하는 거동 예측을 행해도, 전술한 미가공판의 개성에 더해, 파이프 밀의 개성도 더해져, 치수나 경도의 균일도가 일정한 이상적인 모델에 의한 재료의 라인 방향의 성형에 수반하는 거동의 예측과 실제 조업과의 차이가 커져, 이러한 이상적인 모델에 기초한 예측이 도움이 되지 않는다.
그래서, 종래에는, 실제 조업에 있어서의 초기 통판시에, 브레이크 다운(BD), 클러스터 롤(CL) 스탠드 그룹을 어떻게든 통과시켜, 다단으로 배치되는 최종 핀 패스 롤(FP) 스탠드 그룹에서 환관(round pipe)으로 성형할 수 있도록, BD, CL 스탠드 그룹에서의 롤의 위치 조정이나 롤 갭 조정, 구동력의 증감 등을 오퍼레이터의 경험과 감에 의지하여 조정하고 있었다.
이러한 롤 조정의 적성을 확인하는 방법으로서는, 관의 둘레 길이 관리가 일반적으로, 초기 통판시에 핀 패스 롤 스탠드 이후의 스탠드 입구측, 출구측에 있어서, 외주 길이를 스틸 테이프로 사람이 측정하고, 목적 제품의 외주 길이 범위에 있는지의 여부로 판단하고 있었다(특허문헌 3).
이상의 통판에서 조정된 BD, CL 스탠드 그룹은, 동일한 개성을 갖는 압연 코일이 미가공판으로서 사용되는 경우에는 유효하지만, 산지와 가공 이력이 상이한 압연 코일이 사용되는 경우에는, 다시, 상기의 초기 통판시의 오퍼레이터에 의한 조정을 행할 필요가 있었다.
최근, 유한 요소법(Finite Element Method)을 사용한 성형 시뮬레이터나 롤 플라워 설계, 패스 스케줄의 해석ㆍ설계 수법이 개발되어, 실장업의 재검토나 수정에 이용되어 왔다. 그러나, 상술한 초기 통판을 비롯하여, 제품 치수의 변경에 따른 롤 교환 후의 초기 통판 등의 조업은, 역시 오퍼레이터에 의한 조정이 불가결했다.
롤 성형에 의한 전봉 강관의 제조 방법에 있어서, 1980년대부터, 파이프 밀의 자동 제어화를 진행할 필요성이 제창되지만, 파이프 밀에는 30년에서 50년 정도의 수명이 있는 것도 있어, 자동화할 수 없는 채 사용되고 있다. 또한, 최근, 스탠드마다 부분적으로 자동화를 도모한 것도 있지만, 설계법이 체계화되어 있지 않고, 예를 들면 밀 전체에서 상술한 초기 통판의 자동화가 현재에 이르러서도 실현되고 있지 않은 것은, 상술한 미가공판과 밀의 개성의 복합화에 따른 조정의 현상이 지나치게 복잡해, 진보한 해석 기술, 센서 기술, 공구의 위치 조정 기술 등을 조합하여, 이들을 통합적으로 제어 가능하게 하는 이론이나 방법이 알려져 있지 않기 때문이다.
또한, 롤 성형에 불가결한 윤활제의 사용에 따른 센싱 기술이 도움이 되지 않은 문제가 있다. 즉, 미가공판에서 환관, 각관(square pipe)으로의 성형에는 가공열이나 마찰열에 의한 롤의 과열을 냉각하거나, 타버린(burn-in) 흠이나 물린(biting) 흠의 발생을 방지하거나, 박리된 스케일에 의한 흠집이나 오염의 방지를 위해, 수용성 윤활제(용해성)가 사용되고 있어, 파이프 밀 라인 전체에서 접촉자나 카메라, 레이저 광선 등을 사용한 센싱이 곤란 또는 불가능해진다.
특허문헌 1: 일본 특허공보 제4906986호 특허문헌 2: 일본 공개특허공보 특개평07-275954호 특허문헌 3: 일본 공고특허공보 특공소62-40087호 특허문헌 4: 일본 특허공보 제5781821호 특허문헌 5: 일본 특허공보 제5631337호 특허문헌 6: 일본 특허공보 제6385552호 특허문헌 7: 일본 특허공보 제4780952호 특허문헌 8: 일본 특허공보 제5057467호 특허문헌 9: 일본 특허공보 제5268834호 특허문헌 10: 일본 특허공보 제5523579호 특허문헌 11: 일본 특허공보 제6159005호 특허문헌 12: 일본 특허공보 제6839786호 특허문헌 13: 일본 특허공보 제6823212호
본 발명은, 금속판(띠)으로부터 롤 등의 성형 공구에 의한 성형으로 금속관을 제조하는 파이프 밀에, 피성형 금속판의 초기 통판이나 소위 사이즈 변경으로 금속판의 치수를 변경했을 때 등, 밀의 스탠드 내에 배치되는 성형 공구의 위치를 자동적으로 최적화하여 성형할 수 있는 금속관의 제조 방법과 그 장치의 제공을 목적으로 하고 있다.
발명자들은, 성형 롤을 사용한 파이프 밀 전체에서 상술한 초기 통판의 자동화를 실현하기 위해, 예를 들면 롤 플라워 설계 및 3차원 탄소성 변형 유한 요소법을 사용한 성형 시뮬레이션의 해석 결과의 활용에 대해 여러가지 검토한 결과, 해석한 피성형 강판의 특유의 성형 프로세스를, 예를 들면 어느 성형 롤 스탠드 위치에서의 재료 단면 형상과 성형 롤 위치와의 상관 관계로서 이용하면, 롤 위치 조정을 자동화할 수 있는 것을 알았다.
발명자들은, 어느 롤 플라워 설계를 행하여 모든 성형 롤 스탠드의 구성을 특정한 파이프 밀에 있어서, 그 모든 성형 롤에 의한 이상적인 모델로서 어느 피성형 강판의 모든 성형 프로세스를, 예를 들면 3차원 탄소성 변형 유한 요소법으로 성형 시뮬레이션 해석한 결과를, 엔트리 가이드 스탠드(entry guide stand, EG)로부터 턱스 헤드 스탠드(Turk's head stand, TH)까지의 연속하고 있는 띠 재료 전체의 변형 형태값(deformed shape value)(예를 들면 재료 단면 형상)과 엔트리 가이드 스탠드(EG)로부터 턱스 헤드 스탠드(TH)까지의 모든 성형 롤 스탠드의 각 롤 위치 정보와의 상관 관계로서 파악하는 것에 주목했다.
추가로 발명자들은, 어느 품종ㆍ치수ㆍ이력의 금속판의 성형 시뮬레이션 해석으로부터 얻은 판 형상에서 관 형상까지의 일체물로서의 성형 프로세스에, 이 재료의 치수의 차이에 의한 재료 단면 형상과 롤 위치의 상관 관계를 가하여, 파이프 밀에서의 측정 위치에서의 피성형 재료의 변형 형태값(예를 들면 단면 형상으로서 엣지 위치, 폭 치수, 높이 치수)으로서 평가하면, 이러한 상관 관계로부터 측정 위치 전후의 성형 롤의 이상의 롤 위치가 요구되는 것을 알고, 본 발명을 완성했다.
환언하면 발명자들은, 피성형 재료의 개성, 즉 사용하는 금속판의 치수 오차, 열연 이력, 재질의 차이나 그 라인 방향에서의 불균일 등의 금속판 고유의 개성에 수반하여, 소정의 구성으로 이루어진 파이프 밀로 성형할 때의 실제의 성형 프로세스는, 파이프 밀의 개성을 고려하여 이상의 금속판의 성형 프로세스를 상정한 이상적인 모델의 것과는 상이한 것을 상정할 수 있는 것에 주목해, 실제 조업시와 이상적인 모델과의 차이를 성형 중인 금속판의 변형 형태값으로서 측정함으로써, 이상적인 모델과의 성형 프로세스의 차이로부터 성형 공구의 위치의 조정이 필요해 질 것을 예측하는 비교ㆍ예측의 조작을 행함으로써, 조업 중인 금속판 고유의 성형 프로세스를 실현하기 위해 필요로 하는 성형 공구의 선정과 그 위치 조정을 행할 수 있는 것을 지견하고, 본 발명을 완성했다.
본 발명은, 성형 공구에 의한 조관 공정, 용접 공정, 사이징/리쉐이핑(reshaping) 공정을 거쳐 금속판을 금속관으로 만드는 금속관의 제조 방법에 있어서,
상기 각각의 공정에서 사용하는 성형 공구의 일부 또는 전부가, 피성형 금속판(미가공판/미가공관(raw pipe))에 대하여 그 위치 조정이 가능한 위치 조정 수단을 통하여 각각의 스탠드 내에서 유지된 구성으로 이루어진 스탠드 어레이 라인(stand array line)을 사용하고,
이 스탠드 어레이 라인의 일부 또는 전체를 대상으로, 상기 성형 공구를 사용했을 때의 금속판에서 금속관으로의 성형 프로세스를, 미리 여러가지 금속판의 치수 또는 추가로 품종 차이에 기초하여 시뮬레이션 해석하는 공정과,
상기 여러가지 성형 프로세스의 시뮬레이션 해석 결과로부터, 상기 라인의 해석 대상의 전체 또는 특정 성형 공구 스탠드에서의 스탠드 근방 또는 성형 공구의 근방에 있는 미가공관의 변형 형태값과 각각의 스탠드 내의 성형 공구의 위치 정보와의 상관 관계값의 데이터를 얻는 공정을 거쳐,
상기 여러가지 성형 프로세스를 여러가지 이상적인 모델에 의한 미가공관의 변형 형태값과 성형 공구 위치와의 상관 관계값의 데이터로서 미리 기억한 기억 수단을 사용하고,
상기 해석 대상의 행정 중에 계측 센서로 성형 도중의 미가공관의 변형 형태값의 측정을 행하는 공정에 의해,
피성형 금속판의 치수 또는 치수와 품종의 정보와 함께 측정한 성형 도중의 미가공관의 변형 형태값에 기초하여, 상기 기억 수단의 데이터와의 비교, 미가공관의 성형 프로세스의 예측을 행하는 연산 수단을 사용하여,
해석 대상의 행정 중인 미가공관에 고유의 성형 프로세스를 상정하여 그 성형 프로세스에 필요한 성형 공구의 위치 정보를 선택하고,
조정을 필요로 하는 스탠드 내의 성형 공구의 위치 정보를 출력하는 출력 수단을 사용하여,
예를 들면, 위치 정보를 표시하여 오퍼레이터에게 조작을 촉구하거나, 또는
성형 공구의 위치 정보의 출력을 받아, 위치 조정을 필요로 하는 스탠드 내의 성형 공구의 위치 조정을 행하는 상기 위치 조정 수단을 제어하는 라인 자동 제어 수단을 사용하는 것을 특징으로 하는 금속관의 제조 방법이다.
본 발명은, 상기 제조 방법에 있어서,
성형 전의 소재 금속판의 전면 또는 외주 예정면, 내주 예정면 중 어느 하나 또는 그 일부에 기계적인 디스케일링 처리를 실시한 후에 조관을 개시하고,
그 조관 공정 중에는, 윤활제를 사용하지 않고, 필요에 따라 금속판 또는 성형 공구에 윤활제의 부분적 분무에 의한 윤활을 행하는 금속관의 제조 방법이다.
본 발명은, 상기 제조 방법에 있어서,
시뮬레이션 해석에 3차원 탄소성 FEM 해석법을 사용하는 금속관의 제조 방법이다.
본 발명은, 상기 제조 방법에 있어서,
미가공관의 변형 형태값이, 외주면 형상, 내주면 형상, 수직 단면 형상, 외주 길이, 성형 공구 스탠드 어레이의 각각의 스탠드에서의 성형 하중 중 적어도 하나인 금속관의 제조 방법이다.
본 발명은, 상기 제조 방법에 있어서,
미가공관의 변형 형태값은, 미리 설정한 미가공관의 진행 방향(z축 방향)을 포함하는 수평면의 패스 라인(x축 방향)과 이것에 대하여 수직면인 라인 센터(y축 방향)를 정했을 때, 패스 라인면에 보이는 양 엣지 위치와 미가공관의 폭 치수, 라인 센터면에 있는 미가공관의 높이로 얻어지는 외주면 또는 내주면 형상, 또는 추가로 안팎 둘레면 형상에 성형 하중을 가한 것인 금속관의 제조 방법이다.
본 발명은, 상기 제조 방법에 있어서,
미가공관의 변형 형태값이, 미리 설정한 미가공관의 진행 방향(z축 방향)을 포함하는 수평면의 패스 라인(x축 방향)과 이것에 대하여 수직면인 라인 센터(y축 방향)를 정했을 때, 패스 라인면에 보이는 양 엣지 위치와 미가공관의 폭 치수, 라인 센터면에 있는 미가공관의 높이로 얻어지는 수직 단면 형상, 또는 추가로 수직 단면 형상에 성형 하중을 가한 것인 금속관의 제조 방법이다.
본 발명은, 상기 제조 방법에 있어서,
측정한 성형 도중의 미가공관의 변형 형태값에 기초하여, 상기 기억 수단의 데이터와의 비교, 미가공관의 성형 프로세스의 예측을 행하는 연산 수단은,
상정한 고유의 성형 프로세스의 미가공관에 대하여, 근사하는 이상적인 모델에 의한 상관 관계값의 데이터에 근사시키기 위해서 필요한 변형 형태값과 성형 공구의 위치 정보와의 상관 관계값의 데이터를 갖는 수정 모델을 산출하여, 위치 조정이 필요한 스탠드의 성형 공구의 위치 조정을 행하는 라인 자동 제어 수단을 사용하는 금속관의 제조 방법이다.
본 발명은, 상기 제조 방법에 있어서,
수정 모델의 산출 방법으로, 기계 학습 수법을 사용하는 금속관의 제조 방법이다.
본 발명은, 상기 제조 방법에 있어서,
수정 모델의 산출 방법으로, 심층 학습 수법을 사용하는 금속관의 제조 방법이다.
본 발명은, 상기 제조 방법에 있어서,
연산 수단이 산출한 수정 모델의 변형 형태값과 성형 공구의 위치 정보와의 상관 관계값의 데이터를, 새로운 고유의 치수 또는 추가로 품종의 금속판에 의한 학습화 모델의 상관 관계값의 데이터로서 기억 장치에 기억하고, 기억 데이터로서 사용하는 금속관의 제조 방법이다.
본 발명은,
성형 공구에 의한 조관 공정, 용접 공정, 사이징/리쉐이핑 공정을 거쳐 금속판을 금속관으로 만드는 금속관의 제조 장치에 있어서,
제조 장치는, 상기 각각의 공정에서 사용하는 성형 공구가 스탠드 내에서 피성형 금속판(미가공관)에 대하여 그 위치 조정을 행하는 위치 조정 수단을 통하여 유지된 구성의 스탠드 어레이 라인을 갖고,
미리 시뮬레이션 해석에 의한 상기 성형 공구를 사용했을 때의 금속판에서 금속관으로의 성형 프로세스를 해석한 해석 결과로부터, 여러가지 금속판의 치수 또는 추가로 품종 차이에 기초한 전체 또는 특정 성형 공구 스탠드에서의 스탠드 근방 또는 성형 공구의 근방의 미가공관의 변형 형태값과 각각의 스탠드 내의 성형 공구의 위치 정보를 얻고, 상기 여러가지 성형 프로세스를 여러가지 이상적인 모델에 의한 미가공관의 변형 형태값과 성형 공구 위치와의 상관 관계값의 데이터로서 미리 기억한 기억 수단을 갖고,
상기 각 행정 중에 성형 도중의 미가공관의 변형 형태값의 측정을 가능하게 하는 계측 센서를 갖고,
측정한 성형 도중의 미가공관의 변형 형태값에 기초하여, 상기 기억 수단의 데이터와 비교, 미가공관의 성형 프로세스의 예측을 행하는 연산 수단을 갖고,
조관 행정 중의 미가공관에 고유의 성형 프로세스를 상정하여 그 성형 프로세스에 필요한 성형 공구의 위치 정보를 선택하고, 위치 조정을 필요로 하는 스탠드 내의 성형 공구의 위치 조정을 행하는 상기 위치 조정 수단을 제어하는 라인 자동 제어 수단을 갖는 금속관의 제조 장치이다.
본 발명에 있어서, 성형 시뮬레이션 해석에 의한 롤 성형 프로세스를 얻는 것은, 파이프 밀의 개성, 즉 밀의 설계에서 채용한 롤 스탠드 구성을 전제로 하여, 각 롤 스탠드를 통과하여 롤 성형을 받는 금속 미가공판 전체의 변형 형태를 해석한 결과이며, 미가공판의 성형 프로세스에는 파이프 밀의 개성은 반영되어 있다고 할 수 있고, 그 후에는 사용하는 금속판의 개성의 확인을 행함으로써, 사용하는 금속판에 따른 초기 통판, 연속 조업의 조작이 가능해져, 조업의 자동화가 가능해진다.
요약하면, 파이프 밀이 엔트리 가이드 스탠드(EG)에서 턱스 헤드 스탠드(TH)까지 예를 들어 20단의 롤 스탠드를 구비하고 있다고 한다면, 20단 전체의 롤 포지션과 20단분의 길이에 걸친 미가공판의 변형 형태값, 예를 들어 엣지 위치와 폭이나 높이ㆍ둘레 길이 등이, 상기 파이프 밀로 성형한 이상적인 모델에 의한 성형 시뮬레이션 해석에 의한 롤 성형 프로세스대로인지 아닌지, 실제 조업 모델에서는 이상적인 모델과의 차가 검출되면, 그것은 라인 위의 어느 스탠드에서의 어느 롤 포지션이며, 그것은 어느 정도인가를 비교ㆍ예측하는 조작에 기초하여, 실제 조업 모델의 미가공판으로서의 개성을 상정하여, 이상적인 모델에 의한 그것에 근사시키는 수정 모델에서의 성형 프로세스를 파악할 수 있다.
전술한 측정 데이터에 기초하여 수정화 모델의 채용을 결정하고, 예를 들어 그 측정점의 상류 측이거나 또는 하류 측, 또한 라인 위의 복수의 어느 특정의 성형 공구의 위치 조정을 행함으로써 이상의 성형 프로세스에 근사시킬 수 있고, 다수의 측정점에서의 측정 결과에 기초하여 특정의 성형 공구의 위치 조정을 행한다고 하는, 이러한 기계 학습 수법을 반복함으로써 파이프 밀 전체의 조업, 성형 공구의 위치 제어의 자동화를 도모할 수 있다.
또한, 기계 학습 성과에 더하여, 심층 학습 수법을 사용하여, 다층 구조의 뉴럴 네트워크에 전술한 데이터를 학습시키고, 실장업을 반복함으로써, 얻어진 데이터 등으로부터 상정 외의 개성화 모델을 파악하고, 그 수정화 모델을 안출하는 등의 인공 지능 AI 학습 기능을 갖는 것이 가능해진다.
도 1은, 실시예 1의 파이프 밀의 상류 측 절반을 패스 라인 방향(도면 좌측에서 우측으로 미가공판 강판이 진행된다)의 조작 측에서 본 측면 설명도이며, 입구측 테이블의 엔트리 가이드 스탠드(EG), 초기 성형부의 브레이크 다운 롤 스탠드(BD), 중간 성형부의 클러스터 롤 스탠드(CL)를 나타낸다.
도 2는, 도 1의 파이프 밀에 이어지는 부분을 패스 라인 방향의 조작 측에서 본 측면 설명도이며, 핀 패스 롤 스탠드(FP)와 스퀴즈 롤 스탠드(SQ)를 나타낸다.
도 3은, 실시예 1의 파이프 밀의 하류 측 절반을 패스 라인 방향의 조작 측에서 본 측면 설명도이며, 치수 형상을 교정하는 사이징 공정의 사이징 롤 스탠드(SZ)와 턱스 헤드 롤 스탠드(TH)를 나타낸다.
도 4는, 도 1의 브레이크 다운 롤 스탠드(BD)에서의 성형 롤의 위치 조정 기구의 기능을 설명하는 설명도이며, 스탠드를 패스 라인 방향의 상류 측에서 하류 측으로 본 정면 설명도이다.
도 5는, 도 1의 브레이크 다운 롤 스탠드(BD), 클러스터 롤 스탠드(CL)에서의 피성형 금속판과 성형 롤과의 위치 상관 관계를 나타내는, 패스 라인의 상류 측에서 하류 측으로 본 정면 설명도이며, 금속판 폭이 넓은 대경관(大徑管) 성형의 경우를 나타낸다.
도 6은, 도 1의 브레이크 다운 롤 스탠드(BD), 클러스터 롤 스탠드(CL)에서의 피성형 금속판과 성형 롤의 위치 관계를 나타내는, 패스 라인의 상류 측에서 하류 측으로 본 정면 설명도이며, 금속판 폭이 좁은 소경관(小徑管) 성형의 경우를 나타낸다.
도 7은, 도 1 내지 도 3에 나타내는 실시예 1의 파이프 밀과 동일한 스탠드 배치의 밀을 대상으로 시뮬레이션 해석을 행한 결과로부터, 피성형 금속판과 성형 롤의 위치 상관 관계로서, 패스 라인 방향으로 조감하여 본 이미지 사시 설명도이다.
도 8은, 도 1 내지 도 3에 나타내는 실시예 1의 파이프 밀과 동일한 스탠드 배치의 밀을 대상으로 시뮬레이션 해석을 행한 결과로부터, 피성형 금속판과 성형 롤의 위치 상관 관계로서, 패스 라인 방향의 조작 측에서 본 이미지 측면 설명도이다.
도 9는, 도 7의 스퀴즈 롤(SQ)에서 브레이크 다운 1번(BD1)의 부분을, 하류 측의 스퀴즈 롤 측에서 상류 측으로 본 시뮬레이션 해석 결과의 이미지 사시 설명도이다.
도 10은, 실시예 2의 파이프 밀의 상류 측 부분을 패스 라인 방향의 조작 측에서 본 측면 설명도이며, 입구측 테이블의 엔트리 가이드 스탠드(EG), 핀치 롤 스탠드(ER)를 나타낸다.
도 11은, 실시예 2의 파이프 밀의 상류 측 부분을 패스 라인 방향의 조작 측에서 본 측면 설명도이며, 초기 성형부의 브레이크 다운 롤 스탠드(BD1 내지 BD5)를 나타낸다.
도 12는, 실시예 2의 파이프 밀의 상류 측 부분의 뒤 절반을 패스 라인 방향의 조작 측에서 본 측면 설명도이며, 중간 성형부의 클러스터 롤 스탠드(CL), 핀 패스 롤 스탠드(FP)와 스퀴즈 롤 스탠드(SQ)를 나타낸다.
도 13은, 실시예 2의 파이프 밀의 하류 측 부분의 앞 절반을 패스 라인 방향의 조작 측에서 본 측면 설명도이며, 소정의 치수 형상으로 하기 위한 사이징/리쉐이핑 공정에서의 사이징 롤 스탠드(SZ), 각관으로 성형하는 롤 박스 스탠드(RB), 턱스 헤드 롤 스탠드(TH)를 나타낸다.
도 14는, 실시예 2의 파이프 밀의 하류 측 부분의 뒤 절반을 패스 라인 방향의 조작 측에서 본 측면 설명도이며, 소정의 치수 형상으로 하기 위한 사이징/리쉐이핑 공정에서의 사이징 롤 스탠드(SZ), 턱스 헤드 롤 스탠드(TH)를 나타낸다.
도 15a는, 실시예 3의 파이프 밀을 패스 라인 방향의 조작 측에서 본 측면 설명도이며, 입구측 테이블의 엔트리 가이드 스탠드(EG), 초기 성형부와 중간 성형부를 연속하는 금형의 성형 공구를 가진 성형기(ODF)와 핀 패스 롤 스탠드(FP)와 스퀴즈 롤 스탠드(SQ)를 나타낸다.
도 15b는, 실시예 3의 파이프 밀을 패스 라인 방향의 조작 측에서 본 측면 설명도이며, 입구측 테이블의 엔트리 가이드 스탠드(EG), 초기 성형부와 중간 성형부를 연속하는 금형의 성형 공구를 가진 성형기(ODF)와 핀 패스 롤 스탠드(FP)와 스퀴즈 롤 스탠드(SQ)를 나타낸다.
도 16은, 실시예 3에 있어서, 미가공관의 내면 형상을 가시화하여 계측하는 방법을 나타내는 설명도이다.
도 17은, 실시예 1, 2, 3의 파이프 밀에서 사용한 인공 지능 AI의 코어 엔진과 파이프 밀의 센서나 스탠드의 위치 조정 장치와의 연계의 상관을 나타내는 개념 설명도이다.
본 발명에서의 구성 요건을 설명한다.
성형 대상 금속판은, 철계나 비철계 금속의 연속 띠 재료 외에, 이들의 필요 길이의 판재이다. 통상, 재료는 코일 형상의 띠재로 제공되기 때문에, 이것을 접속하여 연속시키는 것이 행해져 왔다. 본 발명에 있어서는, 코일 형상 재료를 차례로 접속시켜 연속으로 공급할 필요는 없고, 코일 단위의 조관을 행할 수 있다.
성형 공구는, 특허문헌 1(US6212925B1)이나 특허문헌 2에 나타나는 성형 롤 외에, 특허문헌 8(EP2261014B1), 특허문헌 9, 특허문헌 10(EP2636463A1)에 나타나는 성형 공형이 연속되는 무한 궤도를 구성한 성형 공구 등을 사용할 수 있다.
스탠드는, 성형 공구가 스탠드 내에서 피성형 금속판, 성형 도중의 미가공관에 대하여 그 위치 조정을 행하는 위치 조정 수단을 통하여 유지된 구성이 가능해지는 모든 기계 형태의 것을 채용할 수 있다.
위치 조정 수단은, 예를 들면 성형 롤을 조관 라인에 직교하는 수직 단면에 대하여 수평동(水平動)(확대 축소), 수직동(垂直動)(상승 하강), 요동 기능을 부여하는 잭, 액추에이터 등의 여러가지 기계 요소를 사용하고, 전동기, 유압기 등의 동력원과 함께 조합하여 적절히 구성된다.
조관 공정은, 예를 들면 금속판의 양단부(엣지부)를 굽힘 성형하기 시작하는 브레이크 다운 롤 스탠드(BD)에 의한 초기 성형 공정과, 금속판 단면 형상이 원호 형상에서 점차 원형 형상의 미가공관으로 굽힘 성형하는 클러스터 롤 스탠드(CL)에 의한 중간 성형 공정과, 미가공관의 맞대기 예정의 엣지부 형상을 조정하여 필요한 환관 형상으로 하기 위한 핀 패스 롤 스탠드(FP)에 의한 최종 성형 공정을 말한다.
핀 패스 섹션은 굽힘과 좁힘 성형이 혼재하고, 미가공관의 단면 형상이나 엣지 끝면 형상을 조정하여, 용접에 적합한 형상으로 형상 마무리를 행하기 위해, 스퀴즈 롤로 안정된 업셋을 실시하기 위한 둘레 길이 마무리 등을 행하기 위해, 종래에는, 초기 통판시나 조업의 일시 정지시에 스틸 테이프를 사용하여 재료의 외주 길이를 측정하고, 필요한 둘레 길이가 얻어지도록, 롤의 위치 조정을 행하여 좁힘량을 조정한다.
그러나, 통상의 조업 중 등은 둘레 길이 측정을 할 수 없기 때문에, 롤 위치 조정을 행하기 위한 잭 등의 이동 위치로부터 예측할 수 있는 현재의 롤 갭량으로 대략의 롤 위치 관리를 행하고 있었다. 따라서 종래에는, 라인 오퍼레이터들의 경험칙이 중요했다.
용접 공정은, 예를 들면 고주파 용접의 경우, 스퀴즈 롤 스탠드는, 고주파 저항 용접기에 의해 가열된 이음부(seam portion)(미가공판의 양 가장자리부)를 압착하는 것으로, 엣지를 맞대는 것 뿐만 아니라, 좌우의 엣지의 높이(랩)를 미세 조정하는 등, 두께가 두꺼운 제품을 제조하는 중ㆍ대경 밀에서는 맞대기 상태(I개선(開先), V개선 등)를 조정하는 것이 행해진다.
용접 방법에는, 유도식, 직접 급전식의 고주파 용접 외에, TIG 용접, 플라즈마 용접, 레이저 용접 등의 공지된 용접법을, 치수를 비롯한 금속 재질, 관의 용도, 사양 등의 품질에 따라 적절하게 선택 또는 조합하여 사용된다.
스퀴즈 롤 스탠드의 하류역에서는, 용접관의 내외면으로 배출된 용강(비드)을 연속적으로 절제(切除)하는 내ㆍ외면 비드 스카퍼가 배치되고, 용접 심의 상황을 보기 위해서 온도ㆍ온도 분포 측정이나 초음파 탐상이 행해진다.
또한, 상기 용접부의 국부 담금질 어닐링을 행하는 중주파 유도 전류식 심 어닐러, 또한 공냉존/수냉존 등의 열처리 섹션을, 요구되는 조관의 사양 등에 따라 적절히 배치되거나 한다. 특히 유정관의 경우에는, 이음부의 상기의 조사 조정이 공들여 행해진다.
건재용 관의 경우 등의 조관에서, 내면 비드 절삭이나 열처리가 행해지지 않는 경우, 상기의 밀 섹션은 기능을 휴지하고, 관의 이송 구동 등이 행해져 단지 상기 섹션을 통과하는 것 뿐이다.
사이징 공정은, 환관의 정경화(定徑化)를 행하는 사이징 롤 스탠드(SZ)와, 진직도(眞直度)의 교정을 행하는 턱스 헤드 롤 스탠드(TH) 외에, 비틀림을 교정하는 오목 롤을 사용한 디트위스트 롤 스탠드를 적절히 배치할 수 있다.
환관을 각관으로 하기 위한 리쉐이핑 공정은, 사이징, 리쉐이핑, 턱스 헤드 섹션을 필요로 한다. 또한 리쉐이핑 섹션의 가동의 유무로 동 라인에서의 환관, 각관의 관 형상을 선택할 수 있다.
전술한 핀 패스 롤, 스퀴즈 롤, 사이징/리쉐이핑 섹션에서는, 성형 공구로 조관하는 제품관 치수에 따른 2방향 내지 4방향 롤 구성의 롤 스탠드를 채용하기 때문에, 롤의 겸용화를 도모하는 것이 불가능하고, 소위 치수 변경으로 피성형 미가공관 치수가 상이한 경우, 롤 교환이 필요해진다.
롤 교환에는, 소경관의 경우에는 비교적 경량인 롤 스탠드째 오프라인에서 조정한 것으로 교환하는 경우가 있지만, 중대경관의 경우에는 교환에 시간과 품을 요하기 때문에, 롤의 위치 조정을 행하는 액추에이터나 잭류를 남기고 스탠드 내의 롤만을 교환하는, 특허문헌 4(EP2700457B1), 특허문헌 5(EP2520380B1), 특허문헌 6(PCT), 특허문헌 13에 나타내는 바와 같이, 롤 퀵 체인지 기구를 갖는 롤 스탠드를 채용함으로써, 생산성의 향상을 도모할 수 있다.
환관에서 각관으로의 리쉐이핑 수단으로서는, 공지된 4방향 롤 스탠드를 복수단 배치하는 방법이 있다. 그러나, 제품(금속판) 치수를 변경할 때마다 4방향 모든 롤 교환을 행할 필요가 생긴다. 따라서, 생산성의 저하를 부인할 수 없기 때문에, 특허문헌 7(EP1815921B1), 특허문헌 12와 같이 롤의 겸용화를 진행시키기 위해, 2방향 롤을 상하, 좌우 방향으로 교대로 복수단 배치하고, 롤 서페이스에 특수한 형상을 사용하는 등, 플랫 롤을 사용하여 압하량 분포를 특수한 분포로 하는 등, 2방향 롤을 다단으로 배치하는 롤 박스 기구를 사용한 롤 스탠드를 사용하면, 롤 교환이 불필요해진다.
본 발명의 제조 방법은, 대상으로 하는 파이프 밀에 사용하는 모든 성형 공구를 사용한 상태에서의 금속판이 환관 또는 각관으로 성형되는 성형 프로세스를, 미리 시뮬레이션 해석법으로 해석해 두는 것을 특징으로 한다.
미리 설정한 롤 플라워에 기초한 탄소성 변형의 시뮬레이션 해석에 의해, 상기 파이프 밀에서의 소정의 수많은 성형 공구를 사용했을 때의 금속판에서 금속관으로의 성형 프로세스를 해석하는 것이다. 예를 들면, 도 7, 도 8의 시뮬레이션 해석 결과의 이미지 사시 설명도에 나타내는 바와 같이, 어느 치수, 재질의 금속판을 대상으로, 파이프 밀 전체의 성형 공구를 사용하여 금속판에서 금속관으로의 미가공관의 변형 형태 상태와, 미가공관에 접촉하고 있는 성형 롤의 포지셔닝의 상관 관계로서 성형 프로세스를 해석한다. 해석 시간을 단축하려면, 파이프 밀의 섹션마다 시뮬레이션 해석을 행하면 좋다.
어떤 파이프 밀에서 상정되는, 성형 공구의 겸용 범위 내의 여러가지 치수(판 폭, 두께)의 금속판, 또는 추가로 그 치수와 금속판의 재질ㆍ용도나 사양 등의 품종 차이에 기초한 여러가지 치수ㆍ품질이 상이한 각종 금속판에 대해서, 각각의 성형 프로세스를 해석한다.
롤 플라워에 의한 성형 프로세스는 성형 롤 바로 아래의 미가공관의 상태를 상정하고 있다. 그러나, 성형 롤 바로 아래의 미가공관의 변형 형태값은 측정할 수 없다.
상기 여러가지 성형 프로세스의 해석 결과로부터, 모든 성형 공구 스탠드에서의 각각의 스탠드 근방, 예를 들면 스탠드의 가장 가까운 상류 측 또는 하류 측에서의 미가공관의 변형 형태값, 또는 각각의 스탠드 내의 성형 공형 등의 성형 공구 근방에서의 미가공관의 변형 형태값과, 각각의 스탠드 내의 성형 공구의 위치 정보를 얻을 수 있다.
이러한 여러가지 성형 프로세스의 해석 결과를, 상기에 상정한 어느 치수ㆍ품질을 갖는 금속판마다, 즉, 어느 종의 금속판, 어느 이상적인 모델에 의한 미가공관의 변형 형태값과 성형 공구 위치와의 상관 관계값의 데이터라고 상정할 수 있다.
또는, 파이프 밀의 패스 라인 위의 어느 범위나 특정 위치의 성형 공구 스탠드에서의 스탠드 근방 또는 성형 공구의 근방에서의 미가공관의 변형 형태값과 상기 특정 스탠드 내의 성형 공구의 위치 정보와의 상관 관계값의 데이터로 할 수도 있다.
어느 금속판을 어느 성형 공구, 예를 들면 성형 롤로 금속관으로 성형하는 과정의 성형 프로세스의 해석 방법으로서는, 설계시에 상정 채용하는 롤 플라워와 롤 서페이스 형상 설계에 기초하여, 공지의 여러가지 해석법을 사용하여 행하는 시뮬레이션 해석을 채용할 수 있다. 예를 들어 기계 설계에는 CAE 해석이 사용되고, 유한 요소법이 불가결하며, 그 모델의 준비와 형상의 간소화가 필요해지고, 3차원 CAD를 이용하여 형상 데이터와 여러가지 해석법을 적절히 조합하는 해석법도 채용할 수 있고, 또한 3차원 탄소성 FEM 해석을 더하여 이러한 해석을 행할 수도 있다.
또한, 컴퓨터로 3차원 CAD 데이터 및 3차원 탄소성 FEM 해석법을 사용하는 경우에는, 해석의 정밀도 향상이나 시간 단축을 위해 다수의 CPU, GPU를 사용하여 병렬 처리하는 프로그램을 채용할 수 있다.
이러한 시뮬레이션 해석에 의해, 다종 다양한 성형 프로세스의 해석 결과를, 다종 다양한 미가공관의 변형 형태값과 성형 공구 위치와의 상관 관계값의 데이터로서 얻을 수 있다.
단순히 수치 데이터로서 추가로 해석에 이용할 수도 있지만, 예를 들면, 어느 파이프 밀에서의 어느 이상적인 모델에 의한 이러한 상관 관계값 데이터와, 상기 밀에서의 실제 조업 모델의 측정에 의한 상관 관계값 데이터의 비교를 행할 때, 사람 또는 인공 지능에 인지할 수 있도록, 특정 좌표 위의 위치 정보 등으로의 변환, 나아가서는 2차원화 또는 3차원 영상화가 가능하도록 상관 관계값의 데이터를 가시화 데이터화하는 프로그램을 정하여 채용하는 것이 바람직하다.
실장업에서의 파이프 밀에서 계측 센서에 의한 계측이 가능한 미가공관 형태를 고려하여, 미가공관의 변형 형태값은, 예를 들면 외주면 형상, 내주면 형상, 수직 단면 형상, 외주 길이, 성형 공구 스탠드 어레이의 각각의 스탠드에서의 성형 하중 중 어느 하나, 또는 상기 요소를 여러가지 조합에 의해, 가시화 데이터화하는 것을 생각할 수 있다.
예를 들면, 미가공관의 변형 형태값으로서는, 미리 설정한 미가공관의 진행 방향인 패스 라인을 포함하는 수직면의 라인 센터면에 수평으로 직교하는 방향에 있는 양 엣지 위치와 미가공관의 폭 치수, 라인 센터면에 나타나는 미가공관의 높이로 얻어지는 외주면 형상, 내주면 형상, 수직 단면 형상 중 어느 하나 또는 그 모두를, 수치화, 좌표 위나 가상 공간에 가시화 또는 화상화하여 사용할 수 있다.
조관, 용접, 쉐이핑 등의 각 행정 중에, 성형 도중의 미가공관의 변형 형태값의 측정을 가능하게 하는 계측 센서로서는, 여러가지 접촉자ㆍ근접자에 의한 기계적 계측이나 자기 계측, 나아가서는 레이저 광선이나 카메라 등을 조합한 비접촉식의 광학적 스캐닝, 비접촉식의 자기적 스캐닝 등의 공지된 계측 방법을 적절히 채용할 수 있다.
전술한 미리 설정된 미가공관의 진행 방향인 패스 라인을 포함하는 수직면의 라인 센터면에 수평으로 직교하는 방향에 있는 양 엣지 위치와 미가공관의 폭 치수, 라인 센터면에 나타나는 미가공관의 높이를 측정하는 방법으로서, 전술한 공지 중 어느 방법도 채용할 수 있다. 또한, 각각의 스탠드에서의 성형 하중의 측정에는, 예를 들면, 롤 축으로의 하중을 측정하는 로드셀 등의 공지의 모든 하중 센서를 이용할 수 있다.
조관에는, 보통 강 등과 같이, 굽힘에 의해 박리된 스케일에 의한 흠집이나 오염의 방지를 위해, 수용성 윤활제가 사용되고, 필요한 롤 스탠드에서 미가공관이나 롤에 대해서 이것을 분사, 분무하는 것이 행해지고 있다. 따라서, 이러한 용제를 대량으로 분사ㆍ분무하는 분위기에 의해, 미가공관이 수용성 윤활제 등으로 덮여, 젖어 있는 등, 미가공관의 변형 형태값의 측정이 불능, 곤란한 경우가 있다.
그래서 예를 들면, 오프라인에서 산세 등의 케미컬 디스케일링 처리나 기계적 디스케일링 처리로 미리 디스케일링 처리된 금속판을 사용할 수 있다. 또한, 성형 전의 소재 금속판의 전면 또는 외주 예정면, 내주 예정면 중 어느 하나 또는 그 일부에 기계적인 디스케일링 처리를 실시한 후에 조관을 개시할 수 있다.
그 조관 공정 중에는, 수용성 윤활제를 사용하지 않고, 필요에 따라 금속판 또는 성형 공구에 비수용성 윤활제 소량을 소요부에 분무하는 부분적 윤활을 행하는 것이 바람직하다.
예를 들면, 조관 행정을 개시하기 전에 행하는 기계적 디스케일링 방법으로서는, 공지의 어느 방법도 채용할 수 있지만, 예를 들어, 미세 지립을 필요한 금속판 표면에 쇼트 블라스트하거나, 고속 유체로 슬러리를 투사하거나, 조면 롤을 사용하여 반복 굽힘 처리하거나, 나아가서는 브러싱 처리를 병용하는 등의 방법을 적절히 채용할 수 있다.
본 발명에서의 성형 방법의 개념을 설명한다.
예를 들면, 성형 공구를 소정 배치한 어느 파이프 밀에 있어서, 어느 금속 재질ㆍ치수ㆍ열 이력을 갖는 금속판을 성형하는 경우, 이 밀의 핀 패스 롤 스탠드나 스퀴즈 롤 스탠드 근방, 즉 상기 스탠드의 직전, 직후 등의 성형 롤의 입구측 직전이나 출구 측의 직후에서의 미가공관의 변형 형태값, 예를 들면 그 변형태값에 기초한 미가공관의 외면 형상과, 미가공관에 접촉하고 있는 성형 롤의 포지셔닝과의 상관 관계값의 데이터로서, 핀 패스 롤 스탠드나 스퀴즈 롤 내에 있는 미가공관의 성형 상태를 파악하고 있다.
즉, 측정을 행한 스탠드에서의 변형 형태값의 측정값과, 이상적인 모델에 의해 미리 설정되어 있는 상기 스탠드에서의 성형 롤의 위치 정보로, 측정한 위치에서의 측정시 현재의 미가공관의 성형 상태가 파악되고 있다.
미리 설정된 이상적인 모델에서의 상기 스탠드의 측정점에서의 실제 조업 모델과의 비교가 행해지고, 이 상관 관계값 데이터에서의 비교에 기초하여, 향후 필요로 하는 수정 정도, 예를 들면 향후 일어날 수 있는 성형 프로세스 상황을 기계적 학습 데이터로부터 예측하여, 측정점의 상류 측 스탠드에서의 롤 위치 조정, 또는 측정점의 하류 측 스탠드에서의 롤 위치 조정, 또는 둘 다, 나아가서는 측정점의 스탠드에서의 롤 위치 조정 등의 수정 플랜을 선택하고, 상기 측정에 수반하는 롤 위치 조정을 필요로 하는 스탠드에 특정 롤의 그 위치 조정량을 지시한다.
그 지시시, 초기 통과시와 조업시, 나아가서는 건재용 관, 유정관 등의 용도 차이에서는, 미가공관의 통과 속도에 큰 차가 있어, 어느 스탠드에서의 조작인지, 피드백과 피드 포워드의 선택, 조작량 등은, 상기 스탠드에서의 측정에 더해, 다른 측정 스탠드에서의 측정값 등과의 비교 연계를 행하는 등, 어떠한 측정 방법을 취할지, 어떠한 측정 데이터에 기초한 비교 예측을 행할지, 측정, 비교, 예측 방법 등의 프로그램을, 미리 어느 정도, 기계적 학습을 행해 둘 필요가 있다.
미가공관의 변형 형태값은, 외주면 형상, 내주면 형상, 수직 단면 형상, 외주 길이, 성형 공구 스탠드 어레이의 각각의 스탠드에서의 성형 하중 중 어느 하나, 또는 상기 요소를 여러가지 조합하지만, 추가로, 스탠드 어레이 라인 전체의 성형 프로세스의 성과를 판단하기 위해서, 라인 속도를 결정하는 각 전동기의 구동력, 토크의 상황이나 변동 등을 계측하여, 상기 요소의 데이터에 더하여 판단 재료로 사용할 수 있다.
이러한 기계적 학습 수법의 성과에 더하여, 심층 학습 수법을 사용하여, 다층 구조의 뉴럴 네트워크에 전술한 데이터를 학습시키고, 실장업을 반복함으로써, 얻어진 데이터 등으로부터 상정 외의 개성화 모델을 파악하고, 그 수정화 모델을 안출하는 등의 인공 지능 AI 학습 기능을 갖는 것이 가능해진다.
측정한 성형 도중의 미가공관의 변형 형태값에 기초하여, 상기 기억 수단의 데이터와의 비교, 미가공관의 성형 프로세스의 예측을 행하는 연산 수단은, 상정한 고유의 성형 프로세스의 미가공관에 대하여, 근사하는 이상적인 모델에 의한 상관 관계값의 데이터에 근사시키기 위해 필요한 변형 형태값과 성형 공구의 위치 정보와의 상관 관계값의 데이터를 가진 수정 모델을 산출하고, 이것을 실행시키기 위해 위치 조정이 필요한 스탠드의 성형 공구의 위치 조정을 행하도록 라인 자동 제어 수단을 사용하여 제어를 행한다.
또한, 연산 수단이 산출한 수정 모델의 변형 형태값과 성형 공구의 위치 정보와의 상관 관계값의 데이터는, 새로운 고유의 치수 또는 추가로 품종의 금속판에 의한 학습화 모델의 상관 관계값의 데이터로서 기억 장치에 기억하고, 기억 데이터로서 사용할 수 있다.
연산 수단으로서는, 공지의 컴퓨터를 이용할 수 있다. 예를 들어, 각종 연산 전반과 통합적인 판단을 다루는 메인 엔진(ME)을 중심으로, 여러가지 기능을 담당하는 코어 엔진(CE)을 갖는 인공 지능화된 컴퓨터를 사용할 수 있다.
구성예를 도 14에 기초하여 설명한다. 연산 수단(컴퓨터)은, 각종 연산 전반과 통합적인 판단을 취급하는 메인 엔진(ME)을 중심으로, 여러가지 기능, 예를 들면,
1) 스탠드 어레이 라인 전체의 성형 공구 전반의 제어를 행하는 라인 제어 수단에, 오퍼레이터에 의해 입력된 조업 계획ㆍ조건을 받아들여 데이터화 등의 처리ㆍ판단을 담당하는 조업 코어 엔진(OEC),
2) 계측 센서로부터의 측정 데이터의 인식ㆍ처리를 담당하는 인지 코어 엔진(RCE),
3) 측정된 변형 형태값을 기억 데이터의 변형 형태값과 비교하는 비교 코어 엔진(CCE),
4) 비교된 데이터 값의 차이로부터 현재의 조업에서의 성형 프로세스를 예측하고, 수정 프로그램을 예측하는 등 향후의 조업 조건 등의 예측을 담당하는 예측 코어 엔진(ECE),
5) 예측된 성형 프로세스로부터 향후의 조업 조건의 변경이나 수정 모델, 각각의 스탠드에서의 성형 공구의 위치 정보와 조업 중인 성형 공구의 위치 정보의 차이로부터, 수정해야 할 성형 공구의 선택 등의 판단을 담당하는 선택 코어 엔진(SCE),
6) 필요한 계측 센서에 계측 지시를 행하는, 선택된 성형 공구의 위치 조정을 지시하는 등의 계측 지시, 위치 제어 지시를 담당하는 지시 코어 엔진(DCE),
7) 시뮬레이션 해석 결과로부터 얻어진 이상적인 모델의 성형 프로세스에 따라, 각각의 성형 공구의 위치 조정을 행하는 등의 조업 전반의 프로그래밍을 학습하는 등의 기계적 학습을 담당하는 기계적 학습 코어 엔진(MLCE),
8) 실제 조업 결과인 센서 계측 결과, 성형 공구의 위치 정보로 이루어진 제어 결과 등의 데이터로부터 실제 조업 모델의 성형 프로세스를 예측하여 새로운 실기 예측 모델인 수정 모델을 안출하는 등의 심층 학습을 담당하는 심층 학습 코어 엔진(DLCE),
9) 기계적 학습 코어 엔진(MLCE)과 심층 학습 코어 엔진(DLCE)을 통합하여 취급하는 통합 학습 코어 엔진(ILCE),
10) 기억 수단으로서
이상적인 모델 시뮬레이션 해석 결과
수정 모델
실기 모델 조업 결과(측정 결과ㆍ위치 제어 결과) 등의 데이터의 기억을 담당하는 기억 코어 엔진(SCE) 등의 코어 엔진(CE)을 갖는 인공 지능화된 컴퓨터를 사용할 수 있다.
센서 제어 수단은, 라인의 스탠드나 스탠드 사이 등 설치한 센서의 작동 제어나 데이터의 송신ㆍ수신 등을 행한다.
롤 위치 제어 수단은, 각각의 스탠드 등에 설치되는 잭, 액추에이터의 작동 제어나 작동 상태, 솔(sole) 위치 정보 등을 송수신한다.
라인 제어 수단은 조업 조건 입력에 수반하여, 조업 스탠드 선택, 롤 위치 조정, 롤 교환 등의 조업 준비를 행한다.
실시예
실시예 1
도 1 내지 도 3에 나타내는 5인치 밀 라인(mill line)은, 2000년 설계의 기설(旣設)의 것이다. 제품 구경은 42.7 내지 127 mm를 예정하고 있다. 건재용, 배관용 등의 환관을 성형하고, 온라인에서의 고품질화를 위한 열처리를 행하지 않는 밀이며, 피성형 금속판의 치수와 재질의 차이를 조업 조건으로 하고 있다.
강판에는, 건재용, 배관용의 여러가지의 보통 강을 사용하고, 디스케일링 처리는, 기계적 굽힘의 반복과 브러싱으로 행했다.
성형 롤에 의한 조관 공정, 용접 공정, 사이징 공정을 거쳐 환관을 이루는 밀 라인은, 상기 각각의 공정에서 사용하는 성형 롤이 스탠드 내에서 피성형 금속판(미가공관)에 대하여 그 위치 조정을 행하는 위치 조정 수단을 통해 유지된 구성의 스탠드 어레이를 갖는다. 이하에 상세히 설명한다.
입구측 테이블의 엔트리 가이드 스탠드(EG)는, 도입을 위한 2쌍의 사이드 롤 스탠드(EG1, EG2), 상하의 핀치 롤 스탠드(PR)로 구성된다. 핀치 롤 스탠드(PR)는 피성형 금속판에 추력을 부여하기 위해 구동되고 있다.
수동의 구성을 도시하고 있지만, 모두 상기 사이드 롤은 조관 라인에 직교하는 수직 단면에 대하여 수평동(확대 축소) 가능하게 하기 위해, 롤 베어링이 스탠드에 수평동 가능하게 지지되어 전동화된 스크류 잭을 통해 수평 이동한다. 핀치 롤도 수직동(상승 하강) 가능하게 마찬가지로 잭을 전동화하는 개량을 행했다.
초기 성형부는 5단의 브레이크 다운 롤 스탠드(BD1 내지 BD5)로 구성된다. 또한, 도시한 BD1과 BD2의 사이에는, 추력을 보강하기 위한 핀치 롤 스탠드가 배치되어 있지만, 실시예 1에서는 후술하는 바와 같이 센서를 설치하기 위해서 제거했다.
초기 성형부는, 특허문헌 1에 기재된 바와 같이 상하 롤로 1개소를 핀치하여 상하 중 어느 하나의 롤의 표면을 따르게 하여 굽힘 성형하는 방법으로, 상기의 제품 구경 범위에서 성형 롤을 겸용하는 기술(FFX)을 채용하고 있다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 1단째의 브레이크 다운 롤 스탠드(BD1)는, 미가공판에 당접(當接)하는 개소를 변경하는 요동 롤 기능을 갖는 상부 롤(톱 롤), 상부 롤과 미가공판의 양 엣지부 근방을 핀치하여 가장자리 굽힘 성형을 행하는 하부 롤(사이드 롤), 한 쌍의 하부 롤 사이에 배치되어 미가공판 중앙부를 밀어 올리는 중앙 롤(센터 롤)로 구성된다.
도 5, 도 6에 나타내는 바와 같이, 2단째의 브레이크 다운 롤 스탠드(BD2)는, 양 엣지부보다 더욱 내측을 성형하기 위한 한 쌍의 상부 롤, 이 상부 롤과 미가공판을 끼우기 위한 한 쌍의 하부 롤과, 한 쌍의 하부 롤 사이에 배치되어 미가공판의 중앙부를 밀어 올리는 중앙 롤로 구성된다.
3단째와 4단째의 브레이크 다운 롤 스탠드(BD3, BD4)는, 가장자리 굽힘 성형된 양 엣지부에 당접하는 사이드 롤, 양 엣지부보다 추가로 내측을 성형하기 위한 한 쌍의 상부 롤, 이 상부 롤과 미가공판을 사이에 끼우기 위한 폭 넓은 하부 롤을 구비하고 있다.
5단째의 브레이크 다운 롤 스탠드(BD5)는, 미가공판의 단부 굽힘부와 그 내측 만곡부에 당접하는 한 쌍의 사이드 롤과, 미가공판의 중앙부를 만곡시키기 위한 상하부 롤로 이루어진다.
중간 성형부는 3단의 클러스터 롤 스탠드(CL1 내지 CL3)로 구성된다.
1단째의 클러스터 롤 스탠드(CL1)는 미가공판의 가장자리 굽힘부와 그 내측 만곡부에 당접하여 더욱 둥근 굽힘 성형을 행하기 위한 한 쌍의 사이드 롤로 구성된다.
2단째와 3단째의 클러스터 롤 스탠드(CL2, CL3)는, 미가공판 중앙부 측을 둥근 굽힘 성형하기 위한 한 쌍의 사이드 롤과 하부 롤로 구성되고, 3단째에서 거의 환관답게 성형된다.
또한, 상세하게 도시하고 있지 않지만, 각각의 성형 롤을 조관 라인에 직교하는 수직 단면에 대하여 수평동(확대 축소), 수직동(상승 하강), 요동 기능을 부여하도록 스탠드 내에서 각 롤 베어링 박스가 지지되어 있고, 전동화된 잭, 액추에이터를 통해 위치 조정이 행해지는 구성으로 했다.
상술한 초기 성형부와 중간 성형부는, 예정되어 있는 구경 범위 내에서 항상 겸용되어 교환되는 것은 아니다. 도 4 내지 도 6에 나타내는 바와 같이, 미가공판에 대하여, 상부 롤의 요동, 판 폭 방향의 수평 이동, 상하 방향의 수직 이동, 하부 롤의 판 폭 방향의 수평 이동, 사이드 롤의 판 폭 방향의 수평 이동, 중앙 롤의 상하 방향의 수직 이동에 의해, 미가공판과의 접촉이 행해져 성형을 가능하게 하고 있다.
따라서, 각각의 성형 롤의 위치는 스탠드 내에서 여러가지로 이동하게 된다. 도 5는, 예정되어 있는 구경 범위에서 최대 지름(판 폭이 최대)의 성형시의 각각의 성형 롤 위치를 나타내고, 도 6은 최소 지름(판 폭이 최소)의 성형시의 롤 위치를 나타낸다.
전술한 제품 치수의 차이에 수반하는 겸용 성형 롤의 위치의 차이를 나타내는 도 5, 도 6에 있어서, 예를 들면, 판 폭 치수 차이가 13종, 판 두께 치수 차이가 12종이라고 하면 156종의 사이즈 차이가 있다. 극단적인 소경 후육(小徑厚肉), 대경 박육(大徑薄肉)은 성형할 수 없기 때문에 제외해도, 성형 롤 포지션은 적어도 백수십 종 존재하게 된다.
후기 성형부는, 3단의 핀 패스 롤 스탠드(FP1, FP2, FP3)와 스퀴즈 롤 스탠드(SQ)로 구성된다.
핀 패스 롤 스탠드(FP1, FP2, FP3)는, 각각 미가공관의 맞대기 예정의 엣지부의 단면 형상을 조정하기 위한 핀 롤과, 필요한 환관 형상으로 하기 위한 사이드 롤과 하부 롤로 구성된다. 여기서는 굽힘과 좁힘 성형이 혼재하고, 미가공관의 단면 형상이나 엣지 끝면 형상을 조정하여, 용접에 적합한 상태로 형상 마무리를 행한다. 따라서, 제품 치수가 상이한 성형을 행하는 경우에는, 제품 치수에 따른 성형 롤로 교환된다.
도면에서는, 수동의 구성을 도시하고 있지만, 상, 하, 사이드 롤 모두 잭을 전동화하는 개량을 행했다.
스퀴즈 롤 스탠드(SQ)는, 여기에서 고주파 용접하기 위해 스퀴즈 롤은 저항 용접용의 고주파 유도 코일로 가열된 이음부를 압접할 뿐만 아니라, 좌우의 엣지의 높이(랩)를 미세 조정한다.
도시를 생략하지만, 스퀴즈 롤 스탠드의 하류 측에서 사이징 공정까지의 유역에는, 관의 내외면으로 배출된 용강(비드)을 연속적으로 절제하는 내ㆍ외면 비드 스카퍼가 배치되고, 용접 심의 상황을 보기 위해 온도ㆍ온도 분포 측정이나 초음파 탐상, 와류 탐상이 행해진다. 여기서는 건재용 라인이며, 상기 용접부의 국부 담금질 어닐링을 행하는 중주파 유도 전류식 심 어닐러는 배치되어 있지 않다.
도 3에 나타내는 사이징 공정은, 환관의 정경화를 행하는 2단의 사이징 롤 스탠드(SZ1, SZ2)와 진직도의 교정을 행하는 2단의 턱스 헤드 롤 스탠드(TH1, TH2)로 구성된다. 어느 스탠드도 제품 관 치수에 따른 2방향 롤, 4방향 롤 구성의 롤 스탠드를 채용하기 때문에, 롤의 겸용화를 도모할 수 없고, 피성형 미가공관 치수가 상이하면 구경에 따른 롤 교환을 행한다.
또한, 도 3에서는 롤을 도시하지 않고 스탠드 구성 뿐이지만, 조관 라인에 직교하는 수직 단면에 대하여 수평동(확대 축소), 수직동(상승 하강)을 부여하는 잭, 액추에이터 등을 사용하고, 롤 위치 조정을 위해 모두 전동화되어 있다.
요컨대, 상기 각각의 성형 공정에서 사용하는 모든 성형 롤이, 피성형 금속판(미가공판/미가공관)에 대하여 그 위치 조정이 가능한 위치 조정 수단, 여기에서는 전동화된 잭, 액추에이터를 통하여 각각의 스탠드 내에서 기계적으로 유지된 구성으로 이루어진 스탠드 어레이를 갖는 파이프 밀 라인을 사용했다.
이 파이프 밀 라인은, 각각의 스탠드의 성형 롤이 상술한 위치 조정 수단으로 위치 조정 가능하게 하기 위해, 전동화된 잭, 액추에이터 등은 모두, 전용의 컴퓨터(라인ㆍ스탠드 제어 코어 엔진(CE))에 의해 제어된다. 도 17에 나타내는 바와 같이, 라인ㆍ스탠드 제어 CE에는, 실제 조업시의 조업 데이터가 남기 때문에, 이것을 실제 조업 결과의 해석을 행하는 전용의 컴퓨터(조업 코어 엔진(CE))로 보낸다. 또한, 피성형 금속판의 치수와 금속판의 재질ㆍ용도나 사양 등의 품종의 데이터는, 실제 조업 전에 라인ㆍ스탠드 제어 코어 엔진(CE)에 입력되어, 조업 CE와 공유한다.
라인ㆍ스탠드 제어 코어 엔진(CE)은, 다른 컴퓨터(조업 CE, 지시 CE)로부터의 제어 지시에 따라 필요한 성형 롤의 위치 제어를 자동적으로 행할 수 있다. 또한, 매뉴얼 모드도 구비하고 있어, 예를 들면, 성형 공정마다, 성형 롤 스탠드마다 제어 지시 내용을 지시 화면에 표시하여, 오퍼레이터에게 필요한 스탠드의 특정 성형 롤의 위치 조정을 행하도록 촉구하고, 지시마다 위치 조정의 완료를 확인할 수 있다.
이러한 파이프 밀 라인을 대상으로, 상기 성형 공구를 사용했을 때의 금속판에서 금속관으로의 성형 프로세스를 해석한다. 즉, 미리 설정한 롤 플라워에 기초한 성형 롤의 배치, 계획한 공형 형상을 사용한 경우의 금속판의 3차원 탄소성 변형의 시뮬레이션 해석법, 여기서는 공지의 3차원 탄소성 변형 해석 수법을 기초로 발명자들이 개발한 3차원 탄소성 변형 해석 소프트웨어에, 추가로 발명자들의 독자적인 여러가지 해석 수법 소프트웨어를 더한 시뮬레이션 해석법에 의해, 상기 밀 라인에서의 19단의 각각의 스탠드 내의 성형 롤을 사용했을 때, 금속판에서 금속관으로의 단계적이고 연속된 성형 프로세스를, 전술한 성형 공정마다 해석하고, 판에서 관이 되는 연속된 일체물의 탄소성 변형의 성형 프로세스로서 해석했다.
얻어진 어느 치수와 품질을 갖는 금속판의 해석예를, 도 7, 도 8의 시뮬레이션 해석 결과의 이미지 사시 설명도에 나타낸다. 도면의 좌측에서 우측으로 피성형 재료는 보내져 성형 롤 그룹으로 순차 성형되는 것이다. 띠 형상의 금속판이 환관이 될 때까지의 미가공판과 성형 롤의 당접 상태를 나타내고 있고, 양자의 당접에 대한 상관 관계가 나타나진다. 또한, 도시의 해석 결과의 이미지에서는, 핀 패스 롤 스탠드가 2단인 경우를 나타내고 있다.
또한, 스퀴즈 롤(SQ)을 나온 후, 첫번째의 사이징 롤(SZ1)과의 사이는 도시하지 않지만, 전술한 내ㆍ외면 비드 스카퍼와 심 어닐러의 섹션이다.
해석한 성형 프로세스는, 파이프 밀로 예정된 겸용 범위 내의 여러가지 치수(판 폭, 두께)의 금속판, 또한 그 치수와 금속판의 재질ㆍ용도나 사양 등의 품종 차이에 기초한 여러가지 치수ㆍ품질이 상이한 다종의 금속판을 대상으로, 파이프 밀 라인 전체의 성형 롤을 사용하여 금속판에서 금속관으로의 미가공관의 상기의 변형 형태 상태와, 미가공관에 접촉하고 있는 성형 롤의 스탠드 내에서의 포지셔닝(위치 정보)의 상관 관계로서 해석했다.
또한, 사용한 해석법에서의 미가공관의 상기 변형 형태 상태는, 미가공관의 외주면 형상, 내주면 형상, 단면 형상으로서 파악할 수 있고, 성형 롤로 판에서 판 폭 끝(幅端)의 엣지부가 가장자리 굽힘되어, 순차적으로, 중앙부 측으로 만곡부가 형성되어 가는 과정에서, 예를 들면 2차원 단면에서 보면 미가공관의 단면 형상과 성형 롤의 당접 위치가 상류 측에서 하류 측으로의 성형 롤마다 각각 특정되어 있다. 또한, 상기 성형 프로세스의 시뮬레이션 해석에서는, 각각의 성형 롤 스탠드에서의 성형에 필요한 성형 하중도 판명된다.
초기 성형부의 브레이크 다운 롤 스탠드에서는, 전술한 롤 겸용화를 위한 FFX 성형 기술을 사용하기 때문에, 여러가지 성형 롤의 스탠드 내에서의 그 위치는 피성형 재료의 치수 차이만으로도 다양하다는 것은 여러 번 기술했다.
도 7에 나타내는 3차원 좌표는, 미가공관(미가공판)의 변형 형태값을 나타내기 위한 것으로, 미리 설정한 미가공관의 진행 방향(z축 방향)을 포함하는 수평면의 패스 라인(x축 방향)과 이것에 대하여 수직면인 라인 센터(y축 방향)를 정했을 때, 예를 들면, BD1과 BD2의 스탠드 사이나 BD4와 BD5의 스탠드 사이, 클러스터 스탠드의 상방 등의 필요한 측정 예정 위치(z축 좌표)에서의 미가공관의 변형 형태값으로서, 측정 수직면(x-y축 좌표)의 패스 라인면에 보이는 미가공관의 외주면 형상, 내주면 형상, 단면 형상이 파악된다.
3차원 CAD에서 사용되는 x-y-z축 좌표와 동일하며, 띠 형상의 금속판이 환관이 될 때까지의 미가공판과 성형 롤의 당접 상태가 좌표 위에서 특정되고, 그 성형 스탠드에서 필요한 성형 하중도 특정된다.
이러한 해석으로 얻어지는 성형 롤의 미가공관과의 당접 위치, 즉 초기 성형부의 성형 롤의 스탠드 내에서의 위치는, 피성형 재료에 소정의 성형력을 가하기 위해 필수 불가결하다. 따라서, 어느 치수 품질의 금속판을 환관으로 성형하는 롤 성형 프로세스는, 성형 중의 미가공관의 변형 형태 상태와 미가공관에 접촉하고 있는 성형 롤의 스탠드 내에서의 포지셔닝의 상관 관계로 하여, 이상적인 모델화할 수 있었다.
이상적인 모델에서의 미가공관의 변형 형태 상태는, 미가공관의 외주면 형상, 내주면 형상, 단면 형상, 성형 롤 스탠드에서의 성형 하중으로서, 성형 롤의 미가공관과의 당접 위치 정보, 즉 성형 롤의 스탠드 내에서의 위치 정보와 함께 데이터화했다.
이와 같이 여러가지 치수(판 폭, 두께)의 금속판, 추가로 그 치수와 금속판의 재질ㆍ용도나 사양 등의 품종 차이에 기초한 여러가지 치수ㆍ품질이 상이한 다종의 금속판에 대한 다수의 이상적인 모델을 작성했다.
따라서, 피성형 예정인 금속판의 치수, 또는 치수와 품질이 판명되면, 그 초기 통판시에, 파이프 밀의 스탠드 어레이의 각각의 스탠드 내의 성형 롤을, 그 치수와 품질의 이상적인 모델에서의 미가공관과의 당접 위치 정보대로 위치 조정하면, 미가공판은 시뮬레이션된 이상적인 모델과 같이 성형되게 된다.
한편, 전술한 바와 같이, 제품 치수의 차이에 수반하는 겸용 성형 롤의 롤 포지션의 차이는 상당한 수이지만, 롤 플라워 설계 하에서 미리 판명되어 있다. 그러나, 사용하는 실제 파이프 밀의 롤 스탠드 구성에 따른 기계적인 개성과, 제철소에서의 제강, 압연, 열 이력 등, 또한 폭이 넓은 재료에서 필요한 치수폭으로의 절단 슬릿 조건 등 가공 이력 등의 피성형 금속판의 고유한 개성과의 복합, 나아가서는 파이프 밀이 설치되는 지역의 기후ㆍ지리적인 특징 등의 지역적 조건에 의해, 용이하게 상정할 수 없을 정도의 다종 다양한 조건의 차이가 생겨나고 있는 것을, 지금까지의 실제 조업으로부터 경험하여 인지되고 있다.
그러나, 이러한 실제 조업에서의 다양한 조건 내용과 성형 효과의 사이에는 상당한 인과관계가 있는 것으로 상정되고 있지만, 실제로 인과관계가 판명되어 있는 것은 극히 적고 미지의 것이 압도적으로 많이 존재하며, 그 결과, 롤 플라워 설계 하에서 상정하고 있는 롤 포지션 위치에 피형성 재료가 전혀 없거나, 오지 않거나, 지나치고 있는 등의 현상이 많이 발생한다.
그래서, 지금까지의 조업 경험으로부터 얻어지고 있는 예외, 예를 들면 치수의 허용 오차 범위를 벗어나는 경우, 경도가 크게 상이한 경우, 진행과 함께 롤링을 일으키는 경우 등의 통상이 아닌 상정에 의한 조건을 갖는 금속판을 사용했을 때의 성형 프로세스를 해석했다.
이러한 기지의 번외 모델의 해석에는, 완전한 의미에서의 정답이 되는 모델은 없고, 롤링을 일으키는 극단적인 예로는, 브레이크 다운 BD1에서의 가장자리 굽힘만은 확실히 행하여, 이상적인 모델에서는 벗어나지만 다른 스탠드에서는 통상의 허용 범위를 초과하는 상태로도 어떻게든 통과시켜, 클러스터 롤 스탠드에서는 예를 들면, 허용 범위 외의 단면 U자 형상이라도 추가로 최소한의 성형을 행하고, 핀 패스 롤 스탠드를 다단으로 해서 여기에서 성형을 단번에 완료시키려고 하는 조작을 행하는 변칙적인 상정 모델이지만, 이것도 이상적인 모델의 일례로 하여, 미가공관의 외주면 형상, 내주면 형상, 단면 형상, 성형 롤 스탠드에서의 성형 하중과 함께, 성형 롤의 미가공관과의 당접 위치 정보, 즉 성형 롤의 스탠드 내에서의 위치 정보와 함께 데이터화했다.
브레이크 다운 BD1에서의 가장자리 굽힘의 조작에는, 요동 롤 기능을 갖는 상부 롤의 미가공판과의 당접을 위한 요동 각도의 선정 등이 금속판의 경도 조건의 차이로 여러가지 상정되는 경우가 있고, 다음 단의 스탠드에서의 성형에 대비하여, 스프링백을 예측해서 이전 단에서 굳이 예정보다도 오버밴드시키는 경우도 있어, 몇가지의 변칙적인 상정 모델을 작성하여, 이상적인 모델의 일례로 했다.
또한, 기지의 번외 모델은 적기 때문에, 예를 들면 어느 스탠드의 앞의 스탠드에서의 성형 하중이 부족했던 경우 등, 미리 상정 조건에 의한 변칙적인 모델에 기초하여 상정 모델을 작성하고, 이상적인 모델의 일례로 했다.
실측정한 변형 형태값과 금속판의 치수, 또는 치수와 품질에 따른 이상적인 모델의 변형 형태값의 비교에 의해, 성형 프로세스의 수정이 필요한 경우에는, 이상적인 모델의 상관 관계값의 데이터에 근사시키기 위해 수정된 성형 프로세스를 선택할 필요가 생긴다.
수정한 성형 프로세스에 필요한 변형 형태값과 성형 공구의 위치 정보와의 상관 관계값의 데이터를 가진 수정 모델을 창출하기 위한 교사 모델로서, 이러한 상정 모델의 성형 프로세스의 해석으로부터 얻어지는 결과도 필요하고, 기지 또는 상정에 의한 번외 모델에 기초하여 다종의 변칙적인 예측 모델을 작성하여, 이상적인 모델의 일례로 했다.
상술한 여러가지 해석으로 얻어진 데이터는, 예측 모델도 포함하는 이상적인 모델의 데이터로서, 공지의 컴퓨터의 기억 장치에 기억되고, 후술하는 실제 조업시의 실측 데이터와의 비교에 이용된다. 여기서는 기억 장치로 SSD를 사용한 데이터의 읽기/쓰기 연산 전용의 컴퓨터(기억 코어 엔진(CE))를 사용했다.
전술한 변칙적인 예측 모델도 포함하는 이상적인 모델의 데이터는, 우선, 기계 학습과 심층 학습을 각각 행하는 전용의 컴퓨터(학습 코어 엔진(CE))에 입력되어, 상기의 기억 CE에 기억된다.
실시예 1에서는, 조업시에 실측되는 미가공관의 변형 형태값으로서, 상기 좌표축 위에 있는 양 엣지 위치, 폭 치수, 높이의 3종의 좌표값을 계측한다. 그 계측기에는, 레이저광에 의한 위치와 길이를 측정할 수 있는 시판의 레이저 센서를 사용했다.
구체적으로는, 성형 롤 스탠드 사이에서 미가공관이 노출되어 관찰 가능한 공간에 있어서, 상측으로부터 미가공관의 폭 방향에 있는 양 엣지부의 위치, 수평 방향으로부터의 양 엣지부의 높이 방향에 있는 위치, 수평 방향으로부터 미가공관 바닥의 위치를 각각 측정할 수 있도록, 필요 범위 내를 측정할 수 있도록 센서를 배치했다.
또한, 계측기에 의한 변형 형태값의 측정 및 단면 형상의 화상 처리화, 이상적인 모델과의 비교 등의 각 처리가 어떻게 행해지고 있는지의 검증을 위해, 레이저에 의한 선 광원을 피검사물에 조사하여 반사광으로 그 표면을 스캐닝하는 광 절단법을 채용한 시판의 일체형 프로파일 센서 유닛, 즉 광원과 수광 카메라 및 측정과 화상 처리 등의 제어 컨트롤러, 컴퓨터를 일체화한 블록 형상의 센서 유닛을, 상기 3종의 변형 형태값을 측정하는 계측기 근방에 배치했다.
일체형 프로파일 센서 유닛은, 예를 들면 이것을 수평 배치한 경우, 유닛 하면 끝으로부터 수직으로 조사하는 레이저선 광이 피측정물 표면에서 반사된 반사광을 유닛 하면 다른 쪽 끝의 수광 센서가 수광하여, 유닛에 내장된 컴퓨터가 측정, 화상 처리를 행함으로써, 피측정물 표면을 스캐닝하는 것이다.
여기에서는, 센서 유닛이 고정되고, 미가공관이 이동함으로써 미가공관 표면을 스캔하게 되고, 전술한 x-y-z축 좌표를 사용하여 미가공관의 내면 형상, 외주면 형상, 단면 형상을 화상 처리하여, 미가공관의 각종 치수나 외주 길이를 계측할 수 있다.
구체적으로는, 스탠드 사이에서 미가공관이 노출되어 관찰 가능한 공간에 있어서, 블록 형상의 상기 프로파일 센서 유닛을, 상측으로부터 미가공판의 폭 방향의 내면을 1 내지 3등분으로 부감할 수 있는 위치, 또한 상방, 수평 방향, 하방으로부터의 미가공관의 외주면을, 외주를 3등분 또는 4등분하여 볼 수 있는 위치에 1기 내지 4기의 센서 유닛을 배치했다.
미가공판의 양 엣지 위치, 폭 치수, 높이의 3종의 좌표값을 인식하기 위한 레이저 센서와 프로파일 센서 유닛에서 얻어지는 좌표값이 일치하는 것을 확인했다.
또한, 이미 설치된 파이프 밀 라인이지만, 필요한 스탠드에는 성형 하중을 측정하기 위해, 로드셀을 잭과 접속되는 베어링, 기대(基臺)와 베어링 사이 등에 설치했다.
파이프 밀 라인 위의 필요한 스탠드 사이에 설치한 레이저 위치 센서, 프로파일 센서 유닛 및 로드셀은, 센서의 작동을 제어하여 얻어진 계측 데이터를 취급하기 위한 전용 컴퓨터(계측 센서 제어 CE)에 접속했다.
또한, 상기의 계측기에 의한 3종의 변형 형태값을 취급하여 3차원 좌표에서의 그 위치를 가시화하기 위해, 또한 그 값으로부터 미가공관의 단면 형상 화상을 상정하는 화상 처리 소프트웨어를 갖는 전용 컴퓨터(인식 CE)를 사용했다.
이 인식 CE에 의해 상정할 수 있는 미가공관의 단면 형상과, 상기 해석에 의한 이상적인 모델에서의 모델 미가공관의 단면 형상의 비교를 행하기 위해서, 화상 비교를 행하는 소프트웨어를 가진 전용 컴퓨터(비교 CE)를 사용했다.
실시예에서는, 도 17에 나타내는 바와 같이, 계측 센서의 계측 데이터를 코어 엔진(CE)이라고 부르는 전용 컴퓨터(계측 센서 제어 CE)에 입력하여 처리하고, 또한 그 데이터를 인식 처리하는 전용 컴퓨터(인식 CE)에 입력하고, 이어서 이상적인 모델과의 비교를 행하기 위한 전용 컴퓨터(비교 CE)에 접속하지만, 전술한 데이터를 기억하는 기억 CE, 학습 CE, 조업 CE, 라인ㆍ스탠드 제어 CE를 포함하여 어느 코어 엔진(CE)도 이들을 통괄 제어하고 또한 개별로 지시 제어하기 위한 전용 컴퓨터(메인 엔진(ME))에 직접 또는 다른 코어 엔진을 통해 간접적으로 접속되어 있다.
어느 쪽의 컴퓨터도 동등한 구성, 성능을 갖고, 이들을 고속 이더넷으로 접속하고 있다. 물론, 메인 엔진을 포함하여 전부 또는 필요한 코어 엔진, 추가로 기억 장치를 동일 기판 위 또는 기판 구성과 동등한 기능을 갖는 랙형으로 배치한 일체형의 구성으로 하는 것도 가능하다.
또한, 여기에서는 미가공관의 단면 형상을 취급한다는 취지를 설명했지만, 전술한 바와 같이, 해석 결과로부터의 이상적인 모델은, 외주면 형상, 내주면 형상, 수직 단면 형상, 외주 길이, 성형 공구 스탠드 어레이의 각각의 스탠드에서의 성형 하중의 정보를 갖고 있기 때문에, 실측의 변형 형태값으로부터 비교 대상을 창출할 때, 예를 들면, 성형 공정마다 외주면 형상, 단면 형상 등, 비교 처리하기 쉽도록 적절히 선정할 수 있다.
다음으로, 전술한 계측 센서로 측정한 성형 도중의 미가공관의 변형 형태값에 기초하여, 상기 기억 CE의 데이터와의 비교를 비교 CE에서 행한 후, 미가공관의 성형 프로세스의 예측을 행하지만, 이것도 동일한 전용 컴퓨터(예측 CE)로 실시한다.
성형 도중의 미가공관의 성형 프로세스의 예측에는 여러가지 방법을 상정할 수 있다. 여기에서는 우선, 조업 개시의 초기 통판을 행할 때의 성형 프로세스의 예측을 설명한다. 라인ㆍ스탠드 제어 CE를 통해 조업 CE에는, 조업 조건으로서, 피성형 금속판의 치수와 품종 정보가 입력되고, 이어서 메인 엔진(ME)는, 조업 조건의 치수와 품종에 따라 기억 CE로부터 이상적인 모델의 상관 관계 데이터를 검색하여 조업 CE에 기억하도록 지시한다. 또한, 동시에 다른 코어 엔진의 각각에, 현재의 조업 조건과 그 조건에 맞는 이상적인 모델의 정보를 전달한다.
조업 CE는, 피성형 금속판의 이상적인 모델의 상관 관계 데이터를 가지기 때문에, 라인ㆍ스탠드 제어 CE에 지시하고, 라인ㆍ스탠드 제어 CE는 파이프 밀의 스탠드 어레이의 각각의 스탠드 내의 성형 롤을, 그 치수와 품질의 이상적인 모델에서의 미가공관과의 당접 위치 정보와 같이 위치 조정할 수 있다.
초기 통판에 있어서는, 엔트리 가이드(EG), 브레이크 다운 스탠드(BD), 클러스터 스탠드(CL)와 같은, 순차 공정마다 통과 전에 먼저 각각의 스탠드의 성형 롤의 위치 조정을 행하고 스탠바이시키는 시퀀스 조작을 행하는 것으로 했다.
우선, 조업 CE는, 피성형 금속판의 이상적인 모델의 상관 관계 데이터에 따라, 엔트리 가이드(EG)의 각각의 롤류를 스탠바이시키고, 이어서 브레이크 다운 스탠드(BD)의 각각의 스탠드의 성형 롤을 스탠바이시키는 조작을 지시한다.
인식 CE에서는, 조업 CE로부터의 피성형 금속판의 치수와 품종의 정보와 함께, 초기 통판시에, 계측 센서 제어 CE에 수집되는 각각의 스탠드를 순차 통과하는 미가공판의 양 엣지 위치, 폭 치수, 높이의 3종의 좌표값을 인식하고, 그 좌표값으로 이루어지는 변형 형태값으로부터 데이터화한 화상을 출력한다.
비교 CE에서는, 피성형 금속판의 치수와 품종에 따른 이상적인 모델과 인식 CE에서 얻어진 데이터의 비교를 행하여, 동일 또는 근사하는 모델을 그 근사의 정도를 나타내어 복수의 모델을 선택한다. 동시에, 이상적인 모델과 근사 모델의 데이터의 이동(異同)도 출력한다.
비교 CE에서 선택한 복수의 모델에는, 시뮬레이션에서 상정한 동일 치수의 이상적인 모델 외에, 동일 치수의 품종 차이의 이상적인 모델, 추가로 전술한 예측 모델 유래의 이상적인 모델, 과거의 조업시에 모델 창출 코어 엔진(CE)에서 얻어진 수정 모델이 선택되는 경우가 있다.
다음으로, 예측 CE에서는, 비교 CE에서 든 모델을 바탕으로 미가공관의 성형 프로세스의 예측을 행한다. 비교 CE에서 선택된 모델이 동일 치수ㆍ품종의 이상적인 모델이라면, 앞으로도 동일한 성형 프로세스를 따를 것으로 예측한다. 또한, 동일한 치수의 품종 차이의 이상적인 모델이 선택되면, 선택된 모델의 품종의 무엇이 상이한지, 그 항목으로부터 어떻게 성형 프로세스에 차이가 발생하고 있는지의 시뮬레이션이 이미 행해지고 있는 경우에는 학습 완료이며, 품종의 차이 내용으로부터 성형 프로세스의 차이를 미리 예측할 수 있고, 당연히 어느 모델에 근사시켜 성형 프로세스를 구성할지를 용이하게 예측할 수 있다.
또한, 품종 차이 내용이 학습되어 있지 않거나, 인과 관계가 판명되어 있지 않은 등의 시뮬레이션이 행해져 있지 않은 경우라도, 판명되어 있는 동일 치수의 이상적인 모델과 근사하는 다른 동일 치수의 품종 차이의 이상적인 모델과 데이터의 차이를 사용하여 성형 프로세스를 예측한다. 과거의 수정 모델, 실제 조업 결과의 해석 데이터, 성형 프로세스 데이터가 많이 축적되면 보다 용이하게 예측이 행해진다.
한편, 비교 CE에서는 복수의 근사도를 설정하여 유사한 모델을 선택하지만, 선택지가 없어 근사도가 낮은 모델을 선택할 수밖에 없는, 상정 외의 새로운 변칙적인 모델에 상당하는 경우도 있다.
예를 들어, 예측 CE에서, 향후, 미가공판의 롤링이 커져 성형이 곤란해질 것으로 예측되면, 초기 통판을 즉시 중단하고, 강판 코일의 선단에 상당하는 미가공판을 절단하여 초기 통판을 다시 하는 조작 지시를, 메인 엔진(ME)에 보내고, 메인 엔진은, 제어/표시를 행하는 지시 CE를 통해 라인ㆍ스탠드 제어 CE에, 미가공판을 절단하여 초기 통판을 다시 하기 위한 루틴 지시를 행하고, 동시에 조업 CE에 실제 조업 결과 해석을 행하게 하여, 해석 결과를 학습 CE로 보내 학습, 기억시킨다.
초기 통판에서, 엔트리 가이드(EG), 브레이크 다운 스탠드(BD), 클러스터 스탠드(CL), 핀 패스 스탠드(FP), 스퀴즈 스탠드(SQ), 순차 공정마다 통과 전에 이상적인 모델에 기초하여, 먼저 각각의 스탠드의 성형 롤의 위치 조정을 행하고, 계측 센서 제어 CE에 수집되어 오는 각각의 스탠드를 순차 통과하는 미가공판의 양 엣지 위치, 폭 치수, 높이의 3종의 좌표값을 인식하고, 인식 CE, 비교 CE, 예측 CE의 각 연산 공정을 거쳐 각 행정 중의 미가공관에 고유의 성형 프로세스를 상정할 수 있었다.
선택 CE에서는, 인식 CE, 비교 CE, 예측 CE의 각각의 결과를 받아, 예측한 성형 프로세스에 따라 어느 모델을 사용할지 선택하지만, 추가로 선택한 모델과 같이 조업시킬지, 수정을 가할지를 선택한다.
선택 CE에서 수정 모델이 필요하다고 판단했을 때에는, 모델 창출 CE에서는 선택한 이상적인 모델을 바탕으로 예측한 성형 프로세스에 따라 새롭게 수정 모델을 만들어 내어, 외주면 형상, 내주면 형상, 수직 단면 형상, 외주 길이, 스탠드 어레이의 각각의 스탠드에서의 성형 하중의 정보, 성형 롤의 위치 정보를 갖게 한다.
이와 같이 예측 CE, 선택 CE, 모델 창출 CE에 의해, 상정한 고유의 성형 프로세스의 미가공관에 대해, 근사하는 이상적인 모델에 의한 상관 관계값의 데이터에 근사시키기 위해서 필요한 변형 형태값과 성형 롤의 위치 정보와의 상관 관계값의 데이터를 가진 수정 모델이 창출된다.
이상의 조업은, 미가공판의 양 엣지 위치, 폭 치수, 높이의 3종의 좌표값을 인식하기 위한 레이저 센서에 의한 변형 형태값의 측정만으로 행했다. 프로파일 센서 유닛으로부터 얻어지는, 스캐닝 데이터, 즉 미가공관의 내면 형상, 외주면 형상, 단면 형상, 미가공관의 각종 치수나 외주 길이의 데이터는, 계측기에 의한 변형 형태값의 측정 및 단면 형상의 화상 처리화, 이상적인 모델과의 비교, 예측, 선택, 모델 창출 등의 각 연산 처리가 어떻게 행해지고 있는지의 검증을 위해서 사용했다.
실측되는 미가공판의 양 엣지 위치, 폭 치수, 높이의 3종의 좌표값으로부터 얻어지는 미가공관의 변형 형태값은, 수직 단면 형상으로서 사용한 각각의 공정에서의 조작 내용은, 상기 광 절단법에 의한 스캐닝 데이터로 확인되고, 마찬가지로, 외주면 형상, 내주면 형상, 외주 길이에서도 유효한 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 저렴하고 설치가 용이한 레이저 위치 센서만으로 자동 조업을 실현할 수 있었다.
고가이고 설치에 스페이스가 필요하지만, 프로파일 센서 유닛을 사용하면, 미가공관의 내면 형상, 외주면 형상, 단면 형상, 미가공관의 각종 치수나 외주 길이의 데이터를 직접 계측할 수 있다. 또한, 인식 CE 또는 추가로 비교 CE의 연산 공정을 센서 유닛의 컴퓨터로 행하게 하는 것이 가능했다.
또한, 미가공관의 변형 형태값에, 수직 단면 형상으로 성형 공구 스탠드 어레이의 각각의 스탠드에서의 성형 하중을 가하면, 인식 CE, 비교 CE, 예측 CE의 각각의 연산 공정에서의 각각의 정밀도가 크게 향상되는 것을 확인했다.
실시예 2
20인치 밀 라인은 신설의 밀이며, 건재용에서 유정관까지의 환관 및 각관의 제조를 동일한 스탠드 라인에서 행할 수 있다. 광범위한 치수와 품종, 형상의 관의 제조를 예정하고, 고품질화를 위한 용접 비드부 또는 나아가서 관 전체의 열처리를 행할 수 있다.
즉, 치수에 대하여, 환관은 외경이 177.8 ㎜ 내지 508.0 ㎜, 두께가 4 ㎜ 내지 15.9 ㎜의 138종류, 정사각형 관은 150 ㎜ 내지 400 ㎜, 두께가 4 ㎜ 내지 15.9 ㎜의 78종류, 직사각형 관은 200×100, 175×125, 200×120 내지 300×100, 250×200, 300×200 내지 400×200, 400×300, 450×350, 두께가 4 ㎜ 내지 15.9 ㎜의 116종류를 예정하고, 재질은 건재용에서 유정관까지의 다양한 강종을 예정하고 있다.
스탠드 어레이는, 도 10 내지 도 12에 나타내는 바와 같이, 상류 측으로부터 순서대로, 엔트리 가이드 스탠드(EG1, EG2), 핀치 롤 스탠드(PR1, PR2), 브레이크 다운 스탠드(BD1 내지 BD5), 클러스터 롤 스탠드(CL1, CL2, CL3), 핀 패스 롤 스탠드(FP1, FP2), 스퀴즈 롤 스탠드(SQ)로 환관까지 성형, 용접이 행해지고, 도시하지 않았지만, 스퀴즈 롤 스탠드(SQ)의 하류 측은 열처리 섹션으로, 라인은 가열 존과 냉각 존을 합해 약 80 m의 길이이다.
열처리 섹션 후에는, 도 13, 도 14에 나타내는 바와 같이, 사이징 스탠드(SZ1), 환관을 각관으로 성형하기 위한 롤 박스 스탠드(RB1 내지 RB9), 사이징 스탠드(SZ2), 턱스 헤드 스탠드(ST1, ST2), 그 후의 하류 측은 관을 필요한 길이로 주행 절단하는 컷오프 섹션이 된다.
여기에서는, 각각의 스탠드 내에서의 성형 롤의 위치 제어가 전동 또는 유압 등으로 행해지고, 롤 위치 정보가 라인 스탠드 제어 CE에 입출 가능하게 구성된다.
상기의 스탠드 어레이를 사용하여, 제품 치수, 재질, 환관뿐만 아니라, 정사각형 관, 직사각형 관, 열처리의 유무 등을 종합하여, 성형 프로세스의 해석은 다양하게, 수많은 모델을 해석하고 있다.
스탠드 라인에는 적절하게 변형 형태값의 측정기를 설치했다. 변형 형태값의 계측 센서는, 레이저와 카메라를 사용하여, 양 엣지 위치, 미가공관의 폭, 높이의 측정으로부터 미가공관의 외면 형상을 얻는다. 또한, 로드셀을 설치하여 각각의 스탠드에서의 성형 하중을 측정했다.
변형 형태값으로는, 미가공관의 외면 형상과 각각의 스탠드에서의 성형 하중을 사용하여, 기본적으로 실시예 1과 동일한 조업을 행하고, 브러시에 의한 디스케일링을 실시한 보통강을 사용하여, 환관을 제조했다.
완전히 스케일을 제거한 소재를 사용하고 있지 않기 때문에, 필요한 스탠드에서는 용해수(soluble water)를 사용하여, 필요에 따라 성형 롤에 미스트 분무를 행했다. 그 결과, 용해수의 영향에 의해 미가공관의 외주면 형상을 측정할 수 없는 스탠드가 생기기 때문에, 모든 스탠드에는 로드셀을 설치하여 성형 하중을 측정했다.
제조하는 관 제품 치수 등이 변경될 때에, 초기 통판이 행해지지만, 각각의 스탠드 내의 성형 롤은, 관 제품 치수, 품질에 따라 미리 필요한 위치로 이동 제어되어 소재, 미가공관이 도달하는 것을 기다리고 있고, 적절히, 미가공관의 외주면 형상의 측정과, 모든 스탠드에서의 성형 하중의 측정이 행해져, 상기 제품의 이상적인 모델의 외주면 형상과 성형 하중의 비교가 행해지고, 자동적으로 수정되기 때문에, 초기 통판이 용이하게 완료되고, 순차적으로, 조업 속도가 끌어올려져 양산을 위한 자동 조업이 행해진다.
환관 그대로 제품화하는 경우에는, 롤 박스 스탠드(RB1 내지 RB9)는, 환관의 반송 통로로서 기능한다.
도 13에 나타내는, 환관을 각관으로 성형하기 위한 롤 박스 스탠드(RB1 내지 RB9)는, 특허문헌 7(EP1815921B1)로 공지이고, 롤의 겸용화를 진행시키기 위해 2방향 롤을 상하, 좌우 방향으로 교대로, 여기에서는 9단으로 배치하고, 롤 서페이스에 특수한 형상을 사용하여, 제품 치수 변경에 있어서의 롤 교환을 불필요하게 하고 있다.
즉, 환관을 미가공관으로 하여 그 미가공관의 단면을 포함하는 평면 내에 회전축이 배치되는 상하 성형 롤 쌍 및 좌우 성형 롤 쌍에 의해, 순차적으로 정사각형 단면 또는 직사각형 단면의 각관으로 성형할 때에, 성형 롤에는, 각관의 모서리부 예정 부위에 인접한 미가공관 부위(어깨부 예정 부위)의 직선화가, 다른 미가공관 부위(다른 변부 예정 부위)에 대하여 선행되도록 상기 성형 롤 표면의 회전축 방향의 곡률을 구성하고, 상기 성형 롤 표면의 회전축 방향의 곡률은, 상기 변부 중앙이 되는 미가공관 부위를 구속하는 위치로부터 그 양 외측을 향해 연속 또는 단계적으로 작아지는 것이며, 상이한 제품 사이즈의 성형에 롤을 겸용해도 항상 어깨부가 되는 미가공관 부위의 직선화를 다른 부위보다 선행시킬 수 있다.
성형 롤의 롤 서페이스에 특수한 형상을 채용하기 때문에, 환관의 필요 부위를 롤 표면의 필요 위치에 당접시키는 것이 중요하고, 그 때, 소정의 성형력이 발휘되고, 필요한 성형 왜곡이 발생하도록 소정의 하중이 필요해진다.
따라서, 롤 박스 스탠드(RB1 내지 RB9)의 9쌍의 2방향 롤을 사용한, 환관에서 각관으로의 성형 프로세스의 시뮬레이션 해석에 있어서는, 미가공관의 치수와 품종에 따라, 필요한 성형력을 발휘시키기 위한 성형 롤의 위치와, 성형 롤의 위치 조정으로 발생한 성형 왜곡에 의한 성형 반력이 성형 롤에 가해지는 것이 해석된다.
또한, 성형 롤에 가해지는 성형 반력은, 예를 들면 롤 스탠드 내의 롤축 등에 로드셀을 설치하여, 성형 하중으로서 측정할 수 있다. 이것은 전술한 브레이크 다운 스탠드에서도 마찬가지이다.
한편, 롤 박스 스탠드에서의 성형은, 판에서 환관으로의 성형과는 비교가 되지 않을 정도로, 환관에서 각관으로의 성형시에 미가공관의 표면의 스케일이 대량으로 박리되기 때문에, 성형 롤의 마모나 롤 표면에 부착된 스케일이 미가공관에 오목한 부분을 형성하는 것 등을 방지할 목적으로 다량의 용해수를 사용하여 스케일 제거가 행해지기 때문에, 레이저광과 카메라를 사용한 미가공관의 표면 형상의 측정은 극히 곤란 또는 측정 정밀도가 나빠진다.
그래서, 롤 박스 스탠드에서의 각관으로의 성형시에, 로드셀로 측정한 9쌍의 수평, 수직의 2방향 롤의 성형 하중의 값으로, 미가공관의 형상을 예측하는 방법을 채용했다.
롤 박스 스탠드를 사용하여 여러가지 치수와 품질의 환관에서 필요한 각관으로의 성형 프로세스의 시뮬레이션 해석이 사전에 행해져, RB1 내지 RB9의 각각의 스탠드의 이상적인 모델에서의 관 외주면 형상 및 전술한 성형 롤의 위치 정보와 그 성형 하중과의 상관 관계값의 데이터가 사전에 기지이고, 실제 성형시의 그것과 비교할 수 있기 때문에, 실측의 성형 하중으로 미가공관의 형상 추측이 가능해진다. 형상을 추측하는 방법으로는 미리 형상 추측을 다수 행한 심층 학습 CE를 사용하여 이것을 행했다.
롤 박스 스탠드에서의 각관으로의 성형을, 9쌍의 수평, 수직의 2방향 롤의 성형 하중의 값으로, 미가공관의 형상을 예측하고, 이상적인 모델의 성형 도중의 형상과 비교하여, 미가공관의 성형 프로세스를 예측하여, 이상적인 모델에 근사시키는 수정 모델을 작성하고, 그 성형 프로세스를 실현하기 위해 필요한 성형 롤의 위치 조정을 행할 수 있었다. 또한, 최종 치수 결정은, 터크 헤드 스탠드에서 행해진다.
실시예 3
도 15a, 도 15b에 나타내는 스탠드 라인에는, 특허문헌 10에 개시되는 성형 장치(Orbiter Die Forming Machine(ODF))를 중심으로 구비한 것으로, ODF 유닛은, 실시예 2에서 브레이크 다운 스탠드, 클러스터 롤 스탠드에서 행하는 성형을 하나의 장치로 완결할 수 있다.
ODF 유닛은, 성형 공형을 바깥 방향이며 또한 요동 가능하게 설치한 다이를 복수개 선회 방향으로 연결하여 무단열(無端列)을 형성한 다이열을, 무한궤도부 위를 선회 이동 가능하게 하고, 각각의 다이의 성형 공형의 요동 각도를 변화시키고 유지하는 각도 제어 기구를 구비한 선회 유닛을 갖고,
이 선회 유닛 한 쌍을 대향 배치하고, 그 대향하는 성형 공형 사이에 피성형 소재를 진입 가능하게 하고, 각각의 성형 공형이 연속해서 상기 소재의 폭 방향의 양 끝부를 구속하여 동기 이동하는 소요 길이의 직선 또는 거의 직선의 궤도 구간을 성형 구간으로 하는 구성을 갖고,
피성형 소재가 이 성형 구간을 통과하는 동안, 상기 제어 기구가 상기 궤도에 병설된 모방 궤도를 따름으로써, 각각의 다이의 성형 공형은 피성형 소재의 엣지부에 당접하는 상기 요동 각도를, 예를 들면 미리 설정된 성형 공정에 따른 각도 변화 패턴(전후의 다이의 공형이 매끄럽게 이어지도록 하기 위해서) 등의 변화율로 변화시키면서 피성형 소재의 성형을 행하는 기구를 가진 성형 장치이다.
선회 유닛의 한 쌍을 대향 배치하고, 피성형 소재의 양 엣지를 구속하여 굽힘 성형을 행할 때의 성형 반력을 받기 위해, 나아가서는 선회 유닛의 진행 방향에서의 각각의 다이의 선회 각도에 따른 성형량의 배분을 적절히 제어하기 위해, 성형 구간에 있는 피성형 소재의 폭 중앙부를 하측으로부터 당접하여 지지하는 서포트 롤로서의 다수의 하부 롤은 필요하고, 하부 롤은 관 바닥측의 곡률에 따른 오목면을 가진 다수의 소경 롤, 또는 폭 방향으로 2분할하여 당접 방향을 바꾼 소경 롤로 이루어진 2분할 롤을 진행 방향에 배치하고, 각각의 하부 롤은 그 위치 조정이 가능하게 되어 있다.
따라서, 한 쌍의 선회 유닛의 대향 위치나 경사 각도와 하부 롤의 위치를 조정함으로써, 여러가지 구경의 환관을 제조할 수 있다.
도 15a에 나타내는 조관 라인의 스탠드 구성은, 더블 벤딩 성형 방식에 의한 경우이며, 도면의 우측이 들어가는 측이며, 우선 미가공판 상태의 피성형 소재를 보내기 위한 홈이 형성된 사이드 롤로 이루어진 엔트리 가이드 스탠드(EG), 피성형 소재의 양 엣지부를 필요한 원호 형상으로 성형하는 상하 롤로 이루어진 엣지 벤드 스탠드(EB), 엣지 벤드 스탠드(EB)로 들어올려진 판 폭 중앙부를 굽혀 되돌리는 상하 롤로 이루어진 리버스 벤드 스탠드(RVS), 판 형상에서 대략 원형까지 성형하는 브레이크 다운 공정을 행하는 한 쌍의 선회 유닛으로 이루어진 성형 장치 ODF 스탠드, 브레이크 다운 공정을 완료하여 용접에 대비하여 엣지 단면이나 단면 전체의 형상을 조정하기 위한 상하 롤로 이루어진 핀 패스 롤 스탠드(FP), 및 그 앞단의 사이드 롤로 이루어진 핀 패스 사이드 롤 스탠드(FPS)를 구비하고, 종단은 용접을 행하는 스퀴즈 롤 스탠드(SQ)이며, TIG 용접을 채용했다.
ODF 스탠드에는 다수의 하부 롤 유닛과 출구 측의 사이드 롤 유닛을 구비하고 있다.
도 15b에 나타내는 조관 라인의 스탠드 구성은, 서큘러 벤딩 성형 방식에 의한 경우로, 도면의 우측이 들어가는 측이며, 우선 미가공판 상태의 피성형 소재를 보내기 위한 상하 핀치 롤과 홈이 난 사이드 롤로 이루어진 엔트리 가이드 스탠드(EG), 브레이크 다운 공정을 모두 행하는 한 쌍의 선회 유닛으로 이루어진 성형 장치 ODF 스탠드, 브레이크 다운 공정을 완료하여 피성형 소재의 양 엣지부를 필요한 원호 형상으로 성형하고 또한 용접에 대비하여 엣지 단면이나 단면 전체의 형상을 조정하기 위한 상하 롤로 이루어진 핀 패스 롤 스탠드(FP), 및 그 앞단의 사이드 롤로 이루어진 핀 패스 사이드 롤 스탠드(FPS)를 3세트, 총수 6단을 구비하고, 종단은 용접을 행하는 스퀴즈 롤 스탠드(SQ)이며, 고주파 용접을 채용했다. 또한, ODF 스탠드에는 하측 롤 유닛과 사이드 롤 유닛을 마찬가지로 구비하고 있다.
성형 장치 ODF 스탠드는, 기본적으로 용해수를 사용하지 않는, 산세한 보통강, 스테인리스 강재를 비롯해 특수한 재질, 티타늄, 구리재, 알루미늄 합금 등의 광범위한 치수와 품종, 형상의 관의 제조를 행한다.
상술한 ODF를 주체로 하는 조관 라인의 스탠드 구성으로, 상기의 소재를 대상으로 하는 성형 프로세스의 시뮬레이션 해석을 다수 행했다. ODF 스탠드는 특히 미가공관의 엣지부를 구속하는 한 쌍의 공형 다이와 하부 롤로 서포트되는 만곡부 단면에서의 하부 롤의 위치와 미가공관 단면 형상은 중요한 파라미터가 된다.
한 쌍의 선회 유닛으로 이루어진 성형 장치 ODF 스탠드 내의 성형 소재의 형상 측정은, 특허문헌 11에서 개시된 미가공관 내주면의 형상 측정 방법을 채용했다.
계측 센서는, 링 형상 레이저광 조사기, CCD 카메라를 사용하여, 미가공판으로부터 양 엣지부가 한 쌍의 선회 유닛의 다이 열에 구속되어 만곡해 가는 만곡부 내를 동일 수직 단면의 링 광(ring light)을 조사하여 만곡부 내주면으로부터의 반사광을 링 광의 조사 위치로부터 상류 측에 위치하는 CCD 카메라로 촬영하여 촬영 데이터를 화상 처리하여 내주면 형상을 측정하고, 또한 그 측정 데이터로부터 도 16에 나타내는 바와 같이 미가공관 단면 형상을 추측하는 것이다.
도 15b에 나타내는 조관 라인의 스탠드 구성은 전술한 바와 같고, 성형 프로세스의 시뮬레이션은, 엔트리 가이드 스탠드(EG), ODF 스탠드, 핀 패스 사이드 롤 스탠드(FPS), 핀 패스 롤 스탠드(FP), 스퀴즈 롤 스탠드(SQ)까지의 모든 스탠드에 있어서, 연속한 미가공관이 일체의 성형물, 이상적인 모델로서, 여러가지의 성형 공구의 위치 정보와 각각의 성형 공구의 위치에서의 미가공관의 안팎 둘레면 형상, 성형 공구가 받는 성형 반력이 해석되어 판명되어 있다.
실제 조업에 있어서, ODF 스탠드에서는 전술한 미가공관의 내면 형상 측정을 행하여 화상 처리로 미가공관 단면 형상을 측정하고, ODF 스탠드 이후의 하류 측에서는, 각각의 스탠드에서 로드셀에 의한 성형 하중을 측정하고, 하중값으로부터 미가공관의 외주면 형상을 추정하고, 또한, 핀 패스 사이드 롤 스탠드(FPS)와 핀 패스 롤 스탠드(FP) 사이에서 레이저 광에 의해, 미가공관의 엣지 위치, 폭, 높이를 측정하여 외주면 형상을 측정했다.
한 쌍의 선회 유닛으로 이루어진 ODF 스탠드는, 미가공판의 양단을 연속해서 구속하여 프레스와 같이 굽힘 성형할 수 있는 장치이기 때문에, 형상이나 품질이 이상적인 미가공판이면 성형이 용이하게 완결되지만, 현실적으로는 소재에 따라 양단의 구속이 부족한 경우 등이 발생하여, 하측 롤이나 출구 측의 사이드 롤의 위치 조정이 필요해진다.
이 작업을 조작자가 내면 형상 측정에 의한 화상을 보면서 행하고 있었던 것으로는, 조정에 장시간을 요하고, 소재가 바뀔 때마다 조정이 필요하여 생산성이 향상되지 않는다.
도 15b에 나타내는 조관 라인을 사용했을 때의 성형 프로세스를, 제품 치수, 품질 차이로 미리 시뮬레이션하여, 이상적인 모델의 ODF 스탠드에서 성형 중인 미가공관 단면 형상, 핀 패스 롤 스탠드(FP)에서의 외주면 형상이 얻어지고, 또한, 소재의 개성의 차이를 상정한 개성 모델의 성형 프로세스의 시뮬레이션을 행하여, 이상적인 모델에 근사시키는 수정 모델의 데이터도 취득해 두었다.
이러한 데이터의 축적에는, 미리 수정 모델의 창출을 다수 행한 심층 학습 CE를 사용하여 이것을 행했다.
따라서, 실제의 조업시에, ODF 스탠드에서 성형 중인 미가공관 단면 형상, 핀 패스 롤 스탠드(FP)에서의 외주면 형상의 측정을 행함으로써, 성형 프로세스의 예측이 행해지고, 필요에 따라 ODF 스탠드에서의 하측 롤이나 출구 측의 사이드 롤의 위치 조정을 자동으로 행할 수 있었다.
본 발명에 의해, 금속판(띠)로부터 롤 등의 성형 공구에 의한 성형으로 금속관을 제조하는 제조 장치로의 금속판의 초기 통판이나 금속판의 치수를 변경했을 때에, 성형시의 소재의 엣지 위치나 높이, 폭, 나아가서는 성형 스탠드에서의 성형 하중을 측정하는 것만으로, 성형에 사용하는 성형 공구 위치를 자동적으로 최적화하여 성형을 할 수 있는 스마트 밀(Smartmill)이 얻어진다.
EG 엔트리 가이드 스탠드
PR 핀치 롤 스탠드
BD 브레이크 다운 롤 스탠드
CL 클러스터 롤 스탠드
FP 핀 패스 롤 스탠드
SQ 스퀴즈 롤 스탠드
SZ 사이징 롤 스탠드
TH 턱스 헤드 롤 스탠드
CE 코어 엔진

Claims (14)

  1. 성형 공구에 의한 조관 공정, 용접 공정, 사이징/리쉐이핑 공정을 거쳐 금속판을 금속관으로 만드는 금속관의 제조 방법에 있어서,
    상기 각각의 공정에서 사용하는 성형 공구의 일부 또는 전부가, 피성형 금속판(미가공판/미가공관에 대하여 그 위치 조정이 가능한 위치 조정 수단을 통하여 각각의 스탠드 내에서 유지된 구성으로 이루어지는 스탠드 어레이 라인을 사용하고,
    이 스탠드 어레이 라인의 일부 또는 전체를 대상으로, 상기 성형 공구를 사용했을 때의 금속판에서 금속관으로의 성형 프로세스를, 미리 여러가지 금속판의 치수 또는 추가로 품종 차이에 기초하여 시뮬레이션 해석하는 공정과,
    상기 여러가지 성형 프로세스의 시뮬레이션 해석 결과로부터, 상기 라인의 해석 대상의 전체 또는 특정 성형 공구 스탠드에서의 스탠드 근방 또는 성형 공구의 근방에 있는 미가공관의 변형 형태값과 각각의 스탠드 내의 성형 공구의 위치 정보와의 상관 관계값의 데이터를 얻는 공정을 거쳐,
    상기 여러가지 성형 프로세스를 여러가지 이상적인 모델에 의한 미가공관의 변형 형태값과 성형 공구 위치와의 상관 관계값의 데이터로서 미리 기억한 기억 수단을 사용하고,
    상기 해석 대상의 행정 중에 계측 센서로 성형 도중의 미가공관의 변형 형태값의 측정을 행하는 공정에 의해,
    피성형 금속판의 치수 또는 치수와 품종의 정보와 함께 측정한 성형 도중의 미가공관의 변형 형태값에 기초하여, 상기 기억 수단의 데이터와의 비교, 미가공관의 성형 프로세스의 예측을 행하는 연산 수단을 사용하여,
    해석 대상의 행정 중인 미가공관에 고유의 성형 프로세스를 상정하여 그 성형 프로세스에 필요한 성형 공구의 위치 정보를 선택하고,
    조정을 필요로 하는 스탠드 내의 성형 공구의 위치 정보를 출력하는 출력 수단을 사용하는 금속관의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 성형 공구의 위치 정보의 출력을 받아, 위치 조정을 필요로 하는 스탠드 내의 성형 공구의 위치 조정을 행하는 상기 위치 조정 수단을 제어하는 라인 자동 제어 수단을 사용하는 금속관의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 성형 전의 소재 금속판의 전면 또는 외주 예정면, 내주 예정면 중 어느 하나 또는 그 일부분에 기계적인 디스케일링 처리를 실시한 후에 조관을 개시하고,
    그 조관 공정 중에는, 윤활제를 사용하지 않고, 필요에 따라 금속판 또는 성형 공구에 윤활제의 부분적 분무에 의한 윤활을 행하는 금속관의 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    시뮬레이션 해석에 3차원 탄소성 FEM 해석법을 사용하는 금속관의 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 미가공관의 변형 형태값이, 외주면 형상, 내주면 형상, 수직 단면 형상, 외주 길이, 및 성형 공구 스탠드 어레이의 각각의 스탠드에서의 성형 하중 중 적어도 하나인 금속관의 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 미가공관의 변형 형태값이, 미리 설정한 미가공관의 진행 방향(z축 방향)을 포함하는 수평면의 패스 라인(x축 방향)과 이것에 대하여 수직면인 라인 센터(y축 방향)를 정했을 때, 패스 라인면에 보이는 양 엣지 위치와 미가공관의 폭 치수, 라인 센터면에 있는 미가공관의 높이로 얻어지는 외주면 또는 내주면 형상인 금속관의 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 미가공관의 변형 형태값이, 미리 설정한 미가공관의 진행 방향(z축 방향)을 포함하는 수평면의 패스 라인(x축 방향)과 이것에 대하여 수직면인 라인 센터(y축 방향)를 정했을 때, 패스 라인면에 보이는 양 엣지 위치와 미가공관의 폭 치수, 라인 센터면에 있는 미가공관의 높이로 얻어지는 수직 단면 형상인 금속관의 제조 방법.
  8. 제 6 항에 있어서, 미가공관의 변형 형태값이, 추가로 성형 공구 스탠드 어레이의 각각의 스탠드에서의 성형 하중을 더한 값인 금속관의 제조 방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 미가공관의 변형 형태값이, 추가로 성형 공구 스탠드 어레이의 각각의 스탠드에서의 성형 하중을 더한 값인 금속관의 제조 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 측정한 성형 도중의 미가공관의 변형 형태값에 기초하여, 상기 기억 수단의 데이터와의 비교, 미가공관의 성형 프로세스의 예측을 행하는 연산 수단은,
    상정한 고유의 성형 프로세스의 미가공관에 대해, 근사하는 이상적인 모델에 의한 상관 관계값의 데이터에 근사시키기 위해 필요한 변형 형태값과 성형 공구의 위치 정보와의 상관 관계값의 데이터를 가진 수정 모델을 산출하여, 위치 조정이 필요한 스탠드의 성형 공구의 위치 조정을 행하는 라인 자동 제어 수단을 사용하는 금속관의 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 수정 모델의 산출 방법으로, 기계 학습 수법을 사용하는 금속관의 제조 방법.
  12. 제 10 항에 있어서, 수정 모델의 산출 방법으로, 심층 학습 수법을 사용하는 금속관의 제조 방법.
  13. 제 10 항에 있어서, 연산 수단이 산출한 수정 모델의 변형 형태값과 성형 공구의 위치 정보와의 상관 관계값의 데이터를, 새로운 고유의 치수 또는 추가로 품종의 금속판에 의한 학습화 모델의 상관 관계값의 데이터로서 기억 장치에 기억하여, 기억 데이터로서 사용하는 금속관의 제조 방법.
  14. 성형 공구에 의한 조관 공정, 용접 공정, 사이징/리쉐이핑 공정을 거쳐 금속판을 금속관으로 만드는 금속관의 제조 장치에 있어서,
    제조 장치는, 상기 각각의 공정에서 사용하는 성형 공구가 스탠드 내에서 피성형 금속판(미가공관)에 대하여 그 위치 조정을 행하는 위치 조정 수단을 통하여 유지된 구성의 스탠드 어레이 라인을 가지며,
    미리 시뮬레이션 해석에 의한 상기 성형 공구를 사용했을 때의 금속판에서 금속관으로의 성형 프로세스를 해석한 해석 결과로부터, 여러가지 금속판의 치수 또는 추가로 품종 차이에 기초한 전부 또는 특정 성형 공구 스탠드에서의 스탠드 근방 또는 성형 공구 근방의 미가공관의 변형 형태값과 각각의 스탠드 내의 성형 공구의 위치 정보를 얻고, 상기 여러가지 성형 프로세스를 여러가지 이상적인 모델에 의한 미가공관의 변형 형태값과 성형 공구 위치와의 상관 관계값의 데이터로서 미리 기억한 기억 수단을 갖고,
    상기 각 행정 중에 성형 도중의 미가공관의 변형 형태값의 측정을 가능하게 하는 계측 센서를 갖고,
    측정한 성형 도중의 미가공관의 변형 형태값에 기초하여, 상기 기억 수단의 데이터와의 비교, 미가공관의 성형 프로세스의 예측을 행하는 연산 수단을 갖고,
    조관 행정 중의 미가공관에 고유의 성형 프로세스를 상정하여 그 성형 프로세스에 필요한 성형 공구의 위치 정보를 선택하고, 위치 조정을 필요로 하는 스탠드 내의 성형 공구의 위치 조정을 행하는 상기 위치 조정 수단을 제어하는 라인 자동 제어 수단을 갖는 금속관의 제조 장치.
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