JP6287063B2 - 電縫鋼管の捩れ防止システム - Google Patents

Description

本発明は、電縫鋼管製造ラインにおいて生ずる電縫鋼管の捩れを防止するシステムに関するものである。

電縫鋼管は鋼帯を多数のロールによって徐々に湾曲させて断面が円形となるように変形させたうえ、その端部間をスクイズスタンドにおいて突合せ、溶接接合する方法により製造されている。スクイズスタンドには端部を通電加熱する加熱手段と、端部間を突き合わせて接合するスクイズロールが設けられている。このようにして溶接が行われた部分にはシームラインが形成される。

このシームラインは電縫鋼管の頂部に位置し、本来ならばそのまま直線的に延びるはずである。しかし実際には溶接点に作用する様々な外乱の影響によりわずかな捩じれを生じることがあり、そのまま放置するとシームラインがスパイラル状に捩じれた不良品が連続的に製造されることとなる。そこで従来からスクイズスタンドの後方位置に捩れ矯正用のスキューロールを配置し、作業員が目視により捩じれ量に応じてスキューロールを操作し、捩れ矯正を行なってきた。

スキューロールは一対の鼓型ロールを互いの回転軸をクロスさせて配置し、それらの間に電縫鋼管を挟みながら回転することで電縫鋼管に軸線周りの回転トルクを付与するものであり、スキューロールの角度（スキュー角度）を大きくすれば電縫鋼管をその軸線の周りに強く回転させることができる。上記したように、従来は作業員が手動によりスキュー角度を操作し、シームラインが直線を維持するように制御してきた。しかしこのような人手による制御は、作業員が現場を離れることができないこと、スキューラインとスクイズスタンド間に距離があり操作が反映されるまで時間がかかるため作業員の技量に多分に左右されること等の問題があった。

なお特許文献１には、ガイドロールと油圧シリンダを用いた電縫鋼管の捩れ矯正装置が開示されている。しかしこの装置も人手による制御を行なうものである。また特許文献２には切断後の電縫鋼管の捩れ矯正装置が開示されているが、製造ラインにおいて発生する捩じれ自体を無くするものではない。

実開昭６３−６６５１４号公報 特開２００８−１９４７４４号公報

従って本発明の目的は上記した従来の問題点を解決し、電縫鋼管製造ラインにおいて生ずる電縫鋼管の捩れを自動的に矯正することができる電縫鋼管の捩れ防止システムを提供することである。

上記の課題を解決するためになされた本発明は、電縫鋼管製造ラインのスクイズスタンドの後方に、捩れ矯正用のスキューロールとシーム位置センサとを配置し、シーム位置センサにより検出された電縫鋼管の捩れ角度がゼロとなるように、管径を溶接前の断面係数を用いて考慮し、スクイズスタンドとスキューロール間の遅れ時間、および溶接点における高周波外乱特性を、離散時間コントローラの動作周期以上の周波数特性で近似させるファストサンプル・ファストホールド手法を用いた離散時間コントローラを用いて、スキューロールのスキュー角度を自動制御することを特徴とするものである。

本発明によれば、スクイズスタンドの後方に配置されたシーム位置センサにより電縫鋼管の捩れ角度を検出し、検出された電縫鋼管の捩れ角度がゼロとなるように、管径を溶接前の断面係数を用いて考慮し、スクイズスタンドとスキューロール間の遅れ時間、および溶接点における高周波外乱特性を、離散時間コントローラの動作周期以上の周波数特性で近似させるファストサンプル・ファストホールド手法を用いた離散時間コントローラを用いてスキューロールのスキュー角度を自動制御するので、人手に頼ることなく電縫鋼管の捩れを防止することができる。従って無人運転を行なっても、捻じれのない電縫鋼管を安定的に製造することができる。

本発明のシステム構成を示す全体図である。 矯正トルクとスキュー角度φとの関係を示すグラフである。 捩じれ矯正モデルを示すブロック線図である。 スクイズロールの通過前後の断面形状を示す説明図である。 離散時間モデルを示すブロック線図である。 ファストサンプル・ファストホールド法導入前後のシステム概略図である。

以下に本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明のシステム構成を示す全体図であり、１は電縫鋼管製造ラインのスクイズスタンドに設けられた一対のスクイズロールである。鋼帯は図示を略した多数の予備成形ロールによって徐々に湾曲されて断面が円形となるように変形されたうえ、スクイズスタンドに入る。スクイズスタンドには端部を通電加熱する加熱手段（図示せず）が設けられており、鋼帯の端部を加熱したうえでスクイズロール１によって端部を突き合わせ、電縫鋼管Ｐが連続的に製造される。なお溶接点における外乱によって、溶接された電縫鋼管Ｐに捩じれが生ずることは前述のとおりである。

そこで本発明ではスクイズスタンドの後方位置に、捩れ矯正用のスキューロール２とシーム位置センサ３とを配置する。スキューロール２は電縫鋼管Ｐの進行方向に対して回転軸を傾斜させて配置した一対の鼓型のロールであり、回転軸の方向を操作してスキュー角度φを変化させることにより、捩れ矯正を行う。スキューロール２の駆動は低速の油圧モータやサイクロ減速機で行われる。なお電縫鋼管Ｐに加えられる矯正トルクとスキュー角度φとの間には、図２に示されるような比例関係があることが確認されている。ただし矯正トルクの絶対値は管径によって異なり、同一のスキュー角度φに対する矯正トルクは、小径の方が大きくなる。

シーム位置センサ３としては任意のセンサを使用することができ、例えばカメラを使用すれば電縫鋼管Ｐの捩れ角度θを容易に検出することができる。なお図１に示される４は矯正装置であって、電縫鋼管Ｐの断面形状が真円になるように形状矯正を行う。その後に電縫鋼管Ｐは熱処理炉に送られる。

本発明ではシーム位置センサ３により検出される電縫鋼管Ｐの捩れ角度θがゼロとなるようにスキューロール２のスキュー角度φを制御するのであるが、設備配置の関係上、スクイズスタンドとスキューロール２との距離Ａは約２０ｍであり、スクイズスタンドとシーム位置センサ３との距離Ｂは２５ｍ以上である。このため造管速度を例えば３０ｍ/ｓとすると、約５０秒の無駄時間を含む系となる。またスキューロール２により電縫鋼管Ｐに与えられる矯正トルクは上記の距離Ａだけ離れたスクイズスタンドに伝達されて溶接点における外乱をキャンセルするように作用する。このため、スキューロール２による矯正トルクが溶接点における捩じり角度に与える影響は、捩じり剛性Ｇ、断面係数Ｉ_ｐ、長さＬなどを考慮して決定する必要がある。

そこでスキュー角度φの補正値、シーム位置センサ３により検出された捩じれ角度θ、溶接点における高周波外乱特性ｗの関係を、図２に示された矯正トルクとスキュー角度φとの関係を用いてしてブロック線図で表すと、図３の通りとなる。図３中の左側の破線で囲んだブロックはスキュー角度φの補正値とスクイズスタンドの捩じれ角との関係を示し、右側の破線で囲んだブロックはスクイズスタンドの捩じれ角とシーム位置センサ３により検出された捩じれ角度θとの関係を示している。なおＫは図２に示された比例定数、Ｌは溶接点からスクイズロール１までの距離（例えば１００ｍｍ）であり、管径及び設備が決まればＫ・Ｌは定数となる。また右側ブロック中のνは、造管速度である。

図４に示すように、スクイズロールを通過する前と通過した後では断面形状が異なる。通過前の断面係数は２πｒｔ^３／３であり、通過後の電縫鋼管Ｐの断面係数はπ（Ｄ^４‐ｄ^４）／３２である。但しｒは半径、ｔは板厚、Ｄは外径、ｄは内径である。実際の数値を代入すると、スクイズロールを通過した溶接済みの電縫鋼管Ｐの断面係数は、溶接前の断面係数に比較して１００倍以上大きくなるので、捩じれ変形を無視できる剛体に近くなり、溶接前の断面係数のみを考慮すればよいことが分かる。

図３に示した制御モデルを用い、捩れ角度θを検出してスキューロール２のスキュー角度φを自動制御するに際し、通常行われているＰＩＤ制御では無駄時間の影響が大きく、制御が困難である。また無駄時間を持つコントローラは無限個のメモリが必要となり実装は不可能である。さらにスキューロール２の駆動は低速の油圧モータやサイクロ減速機で行うために応答時間が遅く、この応答遅れも考慮しなければならない。

しかし実際に発生している捩じれ現象の実績では、溶接点における高周波外乱特性はローパス特性をもつことから結果、外乱による蛇行量もローパス特性を持つ。このような場合ローパス特性を考慮したファストサンプル・ファストホールドと呼ばれる手法を用いて、図５に示す単純な離散時間モデルとすることができる。ファストサンプル・ファストホールド法とは図３のような連続時間システムと離散時間システムの混在するサンプル値制御系を近似的に評価する方法であり、コントローラの動作周期をhとするとき、このN倍の周期h/Nで動作するサンプラとホールドによって離散化することで連続時間信号を近似する方法である。図６にその概略を示す。ここでNの値は10以上であることが望ましい。この図５のモデルで得られた近似システムは単純な離散時間システムであるため一般的な離散時間コントローラとしてモデル予測制御理論を用いたコントローラやH∞制御理論によるコントローラを容易に設計することができる。

このように図５に示す制御モデルを用いれば、シーム位置センサ３により電縫鋼管Ｐの捩れ角度θを検出し、スキューロール２のスキュー角度φを自動制御することにより、人手に頼ることなく電縫鋼管Ｐの捩れを防止することができる。また図５に示す離散時間モデルを用いれば、標準的な制御装置によって安定した制御を行なわせることができる。

１ スクイズロール
２ スキューロール
３ シーム位置センサ
４ 矯正装置
Ｐ 電縫鋼管
φ スキュー角度
θ 捩れ角度

Claims (1)

1. 電縫鋼管製造ラインのスクイズスタンドの後方に、捩れ矯正用のスキューロールとシーム位置センサとを配置し、シーム位置センサにより検出された電縫鋼管の捩れ角度がゼロとなるように、管径を溶接前の断面係数を用いて考慮し、スクイズスタンドとスキューロール間の遅れ時間、および溶接点における高周波外乱特性を、離散時間コントローラの動作周期以上の周波数特性で近似させるファストサンプル・ファストホールド手法を用いた離散時間コントローラを用いて、スキューロールのスキュー角度を自動制御することを特徴とする電縫鋼管の捩れ防止システム。