JP2023087779A - 金属材の自動切断方法及び自動切断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧延後の金属材を熱切断するに際し、切断対象の金属材の端面に凹凸が存在する場合にも、金属材の切断が不可になることを防止して、人手を介さずに自動で金属材から製品を切り出す。【解決手段】 本発明に係る金属材の自動切断方法は、金属材を熱切断する自動切断方法であって、前記金属材の少なくとも切断開始位置において前記金属材の端面の凹凸を検出する検出工程と、前記検出工程で凹凸が検出された場合に凸部を切断する予備切断工程と、前記予備切断工程での凸部の切断後に前記端面を予熱して前記金属材を本切断する本切断工程と、を有する。【選択図】 図５

Description

本発明は、金属材を熱切断する自動切断方法及び自動切断装置に関し、特に、金属材の一例としての鉄鋼、アルミニウム、チタンなどの厚板を製品寸法に切り出す際の自動切断方法及び自動切断装置に関する。

例えば、金属材としての鉄鋼厚板（厚鋼板）を製造する製鉄所の厚板精製工程では、圧延後の厚板（以下、圧延後の厚板を、製品の厚板と区別するために「厚板素材」と記す）を指定された製品寸法に切り出す作業を実施している。切り出し方法としては、ガス切断、レーザー切断またはプラズマ切断などの熱切断が採用されている。

切断作業自体は、門型の数値制御切断機や自走式切断機を使用しているので、自動化が進んでいる。しかしながら、製品寸法が圧延後の厚板素材から切り出し可能かを判断する板取可否判定や、切断位置の罫書き作業、切断位置を教示するティーチング作業、切断開始点の予熱作業といった付帯作業は、以前として人手による作業が多い。このような切断前の付帯作業は、重筋作業や、ノロ飛散による作業者の負傷の恐れがある危険作業である上に、作業ミスによる手直しによって、作業工程が増加するという課題がある。

この問題を解決するために、近年、自動で切断位置を決定して切断作業を行う切断装置が提案されている。

例えば、特許文献１には、被切断材と予め設置した基点（模様）とを上方からＣＣＤカメラで撮影し、撮影した基点に基づいて被切断材の表面形状及び座標を算出し、切断すべき図形を割り当てて切断機を制御する切断方法及び切断装置が提案されている。また、特許文献２には、非接触型の距離センサによって被切断材の外形を認識し、被切断材の切断位置を算出する切断線（切断データ）を作成し、自動で切断ヘッドを制御する切断機が提案されている。

特許第５６２０８９０号公報 特開２０００－１５８１６９号公報

しかしながら、上記従来技術には以下の問題がある。

即ち、特許文献１及び特許文献２に提案されている切断装置では、上方から見た金属材（被切断材）の位置及び外形を検出して金属材の切断位置を算出することで、切断開始位置、即ち予熱位置を決定し、金属材を自動で切断している。しかしながら、上方から見ているので、金属材の端面形状（特に、厚み方向の凹凸の有無）について測定することができない。このため、切断開始位置において金属材の端面に凹凸（特に、厚み方向の凹凸）がある場合、予熱位置の調整ができずに切断不可になる虞があるという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、圧延後の金属材を熱切断するに際し、切断対象の金属材の端面に凹凸が存在する場合にも、金属材の切断が不可になることを防止して、人手を介さずに自動で金属材から製品の切り出しを行うことができる、金属材の自動切断方法及び自動切断装置を提供することである。

上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。

［１］ 金属材を熱切断する自動切断方法であって、
前記金属材の少なくとも切断開始位置において前記金属材の端面の凹凸を検出する検出工程と、
前記検出工程で凹凸が検出された場合に凸部を切断する予備切断工程と、
前記予備切断工程での凸部の切断後に前記端面を予熱して前記金属材を本切断する本切断工程と、
を有する、金属材の自動切断方法。

［２］ 前記検出工程では、前記端面の板厚方向における凹凸を検出する、上記［１］に記載の金属材の自動切断方法。

［３］ 前記検出工程の前に、前記金属材の位置及び外形を検出し、前記金属材の切断位置を設定する切断位置決定工程を更に有する、上記［１］または上記［２］に記載の金属材の自動切断方法。

［４］ 前記切断位置決定工程では、撮像装置によって前記金属材の位置を検出し、その後、外形測定センサによって前記金属材の外形を測定する、上記［３］に記載の金属材の自動切断方法。

［５］ 金属材を熱切断する自動切断装置であって、
前記金属材の少なくとも切断開始位置における端面の形状を測定する外形測定センサと、
前記外形測定センサで測定された前記端面の形状に基づいて、前記端面の板厚方向における凹凸の有無を判定する判定部と、
前記端面の凸部を予備切断するとともに、前記金属材を本切断する切断トーチと、
を有する、金属材の自動切断装置。

本発明によれば、切断開始位置において金属材の端面形状（凹凸）を検出し、金属材の本切断の前に端面の凸部を予備切断することで、予熱位置を適切に設定することができ、金属材が切断不可になることを防止することができる。その結果、人手を介さずに自動で金属材から製品の切り出しを行うことができる。特に、上記［３］及び上記［４］の発明によれば、金属材の位置及び外形を検出する工程を更に有することで、金属材の自動寸法測定、目標寸法の金属材確保の判断、切断位置の自動割り当てを実施することができる。

本発明の実施形態の一例の自動切断装置の概略側面図である。 本発明の実施形態において、距離センサが、ｘ軸回り及びｚ軸回りに傾動する状態を示す概略図である。 本発明の実施形態の切断位置決定工程の一部を示す概略図である。 本発明の実施形態の切断位置決定工程の一部を示す概略図である。 本発明の実施形態の予備切断工程を示す概略図である。 本発明の実施形態の本切断工程を示す概略図である。 本発明の他の実施形態の切断位置決定工程の一部を示す概略平面図である。

以下、本発明に係る金属材の自動切断方法及び自動切断装置の実施形態の一例を説明する。本実施形態では、鋼鋳片を熱間圧延して製造した圧延後の厚板素材から、指定された製品寸法の鉄鋼厚板（厚鋼板）を切り出す、製鉄所の厚板精製工程における切断処理について説明する。

＜切断装置の構成＞
本実施形態の一例の自動切断装置の概略側面図を図１に示す。本発明に係る自動切断装置１は、門型切断機２を備えている。門型切断機２は、ｘ軸方向（水平方向）に敷設された一対のレール３の上を、車輪（図示せず）を介して走行可能な門型の台車４を備えている。台車４には、台車４の側面をｙ軸方向（ｘ軸方向と直交する水平方向）に直動可能なツール５が設けられている。また、ツール５には、距離センサ６（外形測定センサの一例）及び切断トーチ７が、ｚ軸方向（鉛直方向）に直動可能に取り付けられている。距離センサ６及び切断トーチ７は、双方が同期して、または、それぞれ独立して、ｚ軸方向に直動可能となっている。

自動切断装置１は、更に、門型切断機２の上方に設けられた天井クレーン９を備えている。天井クレーン９は、建屋の架台１６に取り付けられた一対の相対するレール１５の上を、車輪（図示せず）を介してｙ軸方向に移動するクレーン本体１０と、クレーン本体１０に取り付けられた一対のレール（図示せず）の上を、車輪１１ａ、１１ｂを介してｘ軸方向に移動可能な吊り部１１と、を備えている。天井クレーン９は、金属材の一例としての圧延後の厚板素材１４（厚板）及び厚板素材１４から切り出された製品の鉄鋼厚板を搬送するためのものである。

また、吊り部１１の車輪１１ａには、吊り部１１のｘ座標を取得可能なエンコーダ１３が設置されており、同様に、レール１５の上を移動するクレーン本体１０の車輪（図示せず）には、吊り部１１のｙ座標を取得可能なエンコーダ（図示せず）が具備されている。つまり、これらの２つのエンコーダによって、天井クレーン９の吊り部１１のｘ座標及びｙ座標が取得できるようになっている。また、吊り部１１には、厚板素材１４の位置（切断作業場での置き場所）を撮影するカメラ１２（撮像装置の一例）が具備されている。尚、天井クレーン９によって搬送された厚板素材１４は、一対のレール３の間に設けられた切断作業場である定盤（図示せず）の上に載置される。天井クレーン９としては、例えば、吊り部１１に磁力によって厚板素材１４を吊り上げるマグネットが備えられたクレーンを用いることができる。

切断トーチ７は、一例として、ガス切断トーチである。ガス切断トーチとは、ガスを用いてトーチから予熱炎を噴射して厚板素材１４を予熱するとともに、予熱された厚板素材１４に切断酸素気流を吹き付けて厚板素材１４を切断するトーチである。尚、切断トーチ７は、レーザー切断トーチやプラズマ切断トーチでも構わない。

切断トーチ７は、門型切断機２のｘ軸方向への走行、及び、ツール５の台車４に対するｙ軸方向への移動により、ｘ軸方向及びｙ軸方向に移動し、厚板素材１４を熱切断（本切断）するように構成されている。切断トーチ７によって厚板素材１４を熱切断することで、厚板素材１４には切断溝が形成され、切断が進行する。

距離センサ６は、一例として、光切断法による非接触式の距離センサであり、レーザー光を用いて厚板素材１４と距離センサ６との間の距離を計測することにより、厚板素材１４のエッジ（周縁）を検出する。また、距離センサ６は、図２に示すように、ツール５に対して傾動可能となっている。例えば、距離センサ６を、ｘ軸回り（ｘ軸を中心）に２０～７０°の範囲で傾斜させ、更に、ｚ軸回り（ｚ軸を中心）に０～２０°の範囲で傾斜させることにより、厚板素材１４の上面形状だけではなく、厚板素材１４の端面形状（特に、切断開始位置の端面形状）を測定・検出することが可能になる。図２中の符号６ａは、切断作業場である定盤の上に載置される厚板素材１４の端面に向けて、距離センサ６から照射されるレーザー光束である。尚、厚板素材１４の外形を測定する外形測定センサとして、レーザー光を用いた距離センサ６の代わりに、物体の三次元形状を測定可能であるステレオカメラ、光のＴＯＦ方式、超音波のＴＯＦ方式などのセンサを用いてもよい。

天井クレーン９の吊り部１１のｘ軸方向の位置を検出するエンコーダ１３は、一例として、ロータリーエンコーダであり、吊り部１１の車輪１１ａの回転量を計測し、車輪１１ａの回転量の累積値を算出することで、吊り部１１のｘ軸方向の位置を認識する。同様に、クレーン本体１０の車輪に取り付けられた、吊り部１１のｙ軸方向の位置を検出するエンコーダも、ロータリーエンコーダであり、クレーン本体１０の車輪の回転量を計測し、車輪の回転量の累積値を算出することで、吊り部１１のｙ軸方向の位置を認識する。

また、門型切断機２には、制御装置８（判定部の一例）が設けられている。この制御装置８は、門型切断機２の各部材（台車４、ツール５、距離センサ６、切断トーチ７など）の動作を制御するとともに、後述するように、厚板素材１４から製品である所定寸法の鉄鋼厚板の切り出し可否や、切断位置の自動設定、厚板素材１４の端面の切断開始位置における厚み方向での凹凸の有無などを判定（判断）する。

＜自動切断方法＞
厚板素材１４の自動切断方法を図３から図６に示す。自動切断方法は、大きく分けて、（１）切断位置決定工程、（２）検出工程、（３）予備切断工程、（４）本切断工程の４つの工程を有しており、図３及び図４は、切断位置決定工程を示す概略図、図５は、予備切断工程を示す概略図、図６は、本切断工程を示す概略図であり、図３、図４、図６において、（Ａ）は概略側面図で、（Ｂ）は概略平面図である。具体的な手順を以下に示す。

（１）切断位置決定工程
まず、切断対象である厚板素材１４を天井クレーン９によって切断作業場に搬入し、定盤上に設置する。このとき、厚板素材１４の定盤の設置位置（ｘ座標、ｙ座標）は、天井クレーン９に備え付けられた２つのエンコーダにより記録される。次いで、図３に示すように、天井クレーン９に備え付けられたカメラ１２によって厚板素材１４の設置位置（定盤上）を撮影する。カメラ１２で撮影した撮影画像を画像解析することで厚板素材１４の外形を検出・取得し、前述のエンコーダで取得した厚板素材１４の設置位置とともに、厚板素材１４の設置位置・外形の座標を門型切断機２の制御装置８に送信する。

次に、図４に示すように、カメラ１２によるカメラ画像により得られた厚板素材１４の四周のエッジ（周縁）に倣うように門型切断機２を走査させ、ツール５に取り付けた距離センサ６によって厚板素材１４の外形を精密測定し、精密測定した厚板素材１４の外形データ（ｘ座標、ｙ座標）を制御装置８に送信する。制御装置８は、厚板素材１４の外形データと切り出す予定の製品である鉄鋼厚板の図形とを比較し、鉄鋼厚板の切り出し可否判断を実施する。制御装置８は、鉄鋼厚板を切り出し可能と判断した場合、厚板素材１４の切断線（切断位置）を自動設定する。このとき、切断線の一端が切断開始位置に設定される。尚、図４では、距離センサ６をｘ軸周り及びｚ軸周りに傾斜させているが、四周のエッジ（周縁）を走査して厚板素材１４の外形を精密測定する際には、傾斜させなくともよい。

（２）検出工程
上記の切断位置決定工程で厚板素材１４の切断位置を自動設定した後、ツール５に取り付けた距離センサ６をｘ軸周り及びｚ軸周りに傾斜させ、切断開始位置における厚板素材１４の端面の板厚方向の形状を測定・検出し（図２を参照）、端面の板厚方向の形状データを制御装置８に送信する。尚、端面の板厚方向の形状を測定する場合、四周全面の板厚方向の形状を測定・検出してもよいが、必ずしも四周全面の形状を測定・検出する必要はなく、少なくとも、切断開始位置（予熱位置）の板厚方向の形状を測定・検出すればよい。

制御装置８は、厚板素材１４の切断開始位置の端面の板厚方向の形状データに基づいて、端面での凹凸の有無、特に、板厚方向における凹凸の有無を判定する。具体的には、端面の板厚方向において、最も出っ張っている箇所と最もへこんでいる箇所の差が閾値以上か否か判断し、閾値以上である場合は、端面に凹凸が有ると判定する。尚、閾値は例えば５．０ｍｍとする。

（３）予備切断工程
上記の検出工程で、切断開始位置の端面に凹凸が有ると判定した場合は、厚板素材１４の端面の凸部を切断し、切断開始位置の端面の凹凸を実質的に除去する予備切断を実施する。予備切断工程の概略を図５に示す。図５（Ａ）は、予備切断開始前に切断開始位置の端面を予熱する状態を示す斜視図であり、図５（Ｂ）は、予備切断工程を時系列に示す概略図（平面図及び側面図）である。

予備切断工程では、まず、切断トーチ７を切断開始位置の端面に設置し、切断開始位置の端面を予熱炎で予熱し（図５（Ａ）を参照）、その後、端面の凹凸の量（位置や高さ）に応じて、図５（Ｂ）に示すように、切断トーチ７から切断酸素気流７ａを噴射させながら、切断トーチ７を、端面の最も出っ張っている箇所から最もへこんでいる箇所へと走行させ、端面の上面側の凸部を切断（溶断）する。

上面側の凸部の切断後、切断トーチ７を端面の最も出っ張っている箇所に戻し、切断トーチ７から切断酸素気流７ａを噴射させながら、再度、切断トーチ７を、端面の最も出っ張っている箇所から最もへこんでいる箇所へと走行させ、下面側の凸部を切断（溶断）する。具体的な切断方法としては、予め、切断酸素気流７ａの噴射時間と端面凸部の切断量との関係を求めておき、端面の凹凸の量（位置や高さ）に応じて切断酸素気流７ａの噴射時間を調整することで、端面の凸部を切断（溶断）する。

切断トーチ７の１回の走行で上面側または下面側の凸部を切断できない場合は、端面の最も出っ張っている箇所から最もへこんでいる箇所への切断トーチ７の走行を繰り返し、上面側または下面側の凸部を完全に切断する。尚、図５（Ａ）において、符号１７は、切断位置決定工程で自動設定した切断線（切断位置）であり、図５（Ｂ）において、符号１４ａは、厚板素材１４の未切断の断面部位で、符号１４ｂは、厚板素材１４の切断された断面部位を示す。

このとき、端面全面の凸部を切断する（切り落とす）必要はなく、図５（Ｂ）に示すように、少なくとも切断開始位置において切断トーチ７の幅（直径）分だけ凸部を切断すれば、本切断の際に予熱位置を適切に設定することが可能となる。尚、切断開始位置の端面に凹凸が無い場合には、予備切断工程は不要である。

（４）本切断工程
切断開始位置において、端面の凸部を切り落として端面が実質的に平坦になったら、平坦な端面に切断トーチ７を位置決めし、平坦な端面を切断トーチ７で予熱し、予熱後、図６に示すように、上記切断位置決定工程で自動設定した切断線１７に沿って厚板素材１４の本切断を実施する。

以上説明した本発明に係る切断方法によれば、厚板素材１４を本切断する前に予熱位置（切断開始位置）の端面の凸部を切り落とすことで、本切断の際に予熱位置を適切に設定することができ、厚板素材１４の切断不良、すなわち厚板素材１４が切断不可になることを防止することができる。

また、本実施形態では、天井クレーン９などの厚板素材１４の上方に備え付けたカメラ１２（撮像装置）によって厚板素材１４の位置を測定した後に、門型切断機２に備え付けた非接触式の距離センサ６（外形測定センサ）で厚板素材１４の外形を精密測定している。このように、２段階で厚板素材１４の位置・外形を検出することで、厚板素材１４の外形を短時間で精密に測定することが可能となり、切断前の厚板素材１４の寸法測定作業、要求する図形（製品寸法）の切り出し可否判定、切断位置の自動設定、高精度な位置決めが必要な予熱位置合わせを自動で達成することが可能になる。

上記説明は、本発明に係る金属材の自動切断方法及び自動切断装置を厚板素材１４から鉄鋼厚板（厚鋼板）を切り出す工程に適用した場合を例として説明したが、アルミニウム及びチタンなどの厚板を製品寸法に切り出す際も、上記に準じて本発明を適用することができる。

尚、上記の実施形態では、厚板素材１４の位置を測定するカメラ１２（撮像装置の一例）が、天井クレーン９の吊り部１１に具備されていたが、カメラ１２の設置位置は吊り部１１に限らない。例えば、図７に示すように、吊り部１１に加えて、または、吊り部１１に代えて、定盤の周囲における建屋の架台１６にカメラ１２を複数台設置し、カメラ１２によって切断作業場である定盤全体を撮影することで、定盤上の厚板素材１４の位置を測定する構成としてもよい。

端面の中央部に凹みがある厚板素材の自動切断方法を示す。ガス切断などの熱切断においては、アセチレン・プロパンなどの燃焼炎で厚板素材の端面を、鉄の発火温度である約９００℃まで予熱し、予熱後、高純度の酸素ガスを切断酸素気流として吹き付け、酸化反応により生じた熱で厚板素材を溶融させると同時に溶融した鉄を切断酸素ガスの気流で吹き飛ばすことで、連続的な切断が行われる。

従来、厚板素材端面の切断開始位置において、例えば、端面の板厚方向の上部及び下部に凸部があって中央部にへこみがあり、最も出っ張っている箇所と最もへこんでいる箇所の差が５．０ｍｍ以上の場合も、端面を所定時間予熱した後、設定した切断線に沿って切断トーチを移動させ、厚板素材の本切断を実施していた。

しかしながら、従来、端面の板厚方向の上下に５．０ｍｍ以上の凹凸が有る条件では、端面の断面が不連続であることから、下面側の凸部を自動で切断することが難しく、下面側の凸部が切り残り、切断不可となっていた。このため、作業員が切断トーチの火口位置を手動で微調整させ、上面側凸部と下面側凸部とをそれぞれ切り離した後に、本切断を開始する必要があった。

これに対し、本発明に係る金属材の自動切断方法を適用して、距離センサによって切断開始位置の板厚方向の端面形状を測定・検出することで、端面の板厚方向の凹凸（凹み位置・凸部位置）を計測し、図５（Ｂ）に示すように、切断トーチの火口を、端面の最も出っ張っている箇所から最もへこんでいる箇所へと走行させて上面側凸部を切断し、その後、端面の最も出っ張っている箇所に切断トーチの火口を移動させ、再度、切断トーチの火口を、端面の最も出っ張っている箇所から最もへこんでいる箇所へと走行させて下面側凸部を切断することで、端面の上面側凸部及び下面側凸部を自動で予備切断することができた。これにより、端面の板厚方向に５．０ｍｍ以上の凹凸が有る条件であっても、本切断の予熱位置を適切に設定することができ、本切断を良好に実施できることが確認された。

１ 自動切断装置
２ 門型切断機
３ レール
４ 台車
５ ツール
６ 距離センサ（外形測定センサの一例）
７ 切断トーチ
８ 制御装置（判定部の一例）
９ 天井クレーン
１０ クレーン本体
１１ 吊り部
１１ａ、１１ｂ 車輪
１２ カメラ（撮像装置の一例）
１３ エンコーダ
１４ 厚板素材（金属材の一例）
１５ レール
１６ 架台

Claims (5)

1. 金属材を熱切断する自動切断方法であって、
   前記金属材の少なくとも切断開始位置において前記金属材の端面の凹凸を検出する検出工程と、
   前記検出工程で凹凸が検出された場合に凸部を切断する予備切断工程と、
   前記予備切断工程での凸部の切断後に前記端面を予熱して前記金属材を本切断する本切断工程と、
   を有する、金属材の自動切断方法。
2. 前記検出工程では、前記端面の板厚方向における凹凸を検出する、請求項１に記載の金属材の自動切断方法。
3. 前記検出工程の前に、前記金属材の位置及び外形を検出し、前記金属材の切断位置を設定する切断位置決定工程を更に有する、請求項１または請求項２に記載の金属材の自動切断方法。
4. 前記切断位置決定工程では、撮像装置によって前記金属材の位置を検出し、その後、外形測定センサによって前記金属材の外形を測定する、請求項３に記載の金属材の自動切断方法。
5. 金属材を熱切断する自動切断装置であって、
   前記金属材の少なくとも切断開始位置における端面の形状を測定する外形測定センサと、
   前記外形測定センサで測定された前記端面の形状に基づいて、前記端面の板厚方向における凹凸の有無を判定する判定部と、
   前記端面の凸部を予備切断するとともに、前記金属材を本切断する切断トーチと、
   を有する、金属材の自動切断装置。

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