LU87630A1

LU87630A1 - DEVICE FOR MEASURING THE ROUGHNESS OF THE SURFACE OF A METAL PRODUCT

Info

Publication number: LU87630A1
Application number: LU87630A
Authority: LU
Inventors: Pirlet Robert; Neumann Nicolas
Original assignee: Centre Rech Metallurgique
Priority date: 1988-12-05
Filing date: 1989-11-30
Publication date: 1990-03-13
Also published as: BE1002609A6

Description

Dispositif de mesure de la rugosité de la surface d'un produit métallique.Device for measuring the roughness of the surface of a metal product.

La présente invention concerne un dispositif de mesure de la rugosité de la surface d'un produit métallique, en particulier d'un produit métallique laminé à froid.The present invention relates to a device for measuring the roughness of the surface of a metal product, in particular a cold rolled metal product.

Pour fixer les idées, la description qui suit se référera particulièrement au cas d'une bande en acier laminée à froid, en raison de la large utilisation de ce type de produit dans des domaines très variés. Une autre raison de ce choix est l'importance que revêt la rugosité de la surface pour une bande d'acier laminée à froid. On sait en effet que cette rugosité influence notamment la mise en oeuvre de la bande par emboutissage ainsi que son aspect après peinture. Le dispositif de l'invention peut cependant être utilisé pour mesurer la rugosité de tout autre produit métallique ,y compris des produits en métaux non ferreux.To fix the ideas, the following description will refer particularly to the case of a cold-rolled steel strip, due to the wide use of this type of product in very varied fields. Another reason for this choice is the importance of the surface roughness for a cold rolled steel strip. It is known in fact that this roughness influences in particular the implementation of the strip by stamping as well as its appearance after painting. The device of the invention can however be used to measure the roughness of any other metallic product, including products made of non-ferrous metals.

Dans le brevet BE-A-905862, le présent demandeur a proposé un procédé de mesure de la rugosité d'une bande laminée, qui donne d'excellents résultats. Ce procédé est basé sur l'utilisation de deux rayonnements optiques, en l'occurrence deux faisceaux laser, frappant la surface de la bande, en un même point, mais sous des angles d'incidence différents. Un des rayonnements, dit principal, est le rayonnement de mesure et l'autre, dit auxiliaire, est un rayonnement de correction.In patent BE-A-905862, the present applicant has proposed a method for measuring the roughness of a laminated strip, which gives excellent results. This process is based on the use of two optical rays, in this case two laser beams, striking the surface of the strip, at the same point, but from different angles of incidence. One of the radiations, called main, is the measurement radiation and the other, said auxiliary, is a correction radiation.

La mesure de la rugosité par ce procédé nécessite l'emploi d'au moins un émetteur des rayonnements incidents et de deux récepteurs des rayonnements réfléchis; ces rayonnements incidents et réfléchis doivent cependant présenter une inclinaison appropriée en fonction de la grandeur de la rugosité à mesurer. On sait en effet qu'il existe, pour chaque rugosité, un angle d'incidence optimal, 3pour lequel la mesure de l'intensité réfléchie, et par conséquent la mesure de la rugosité arithmétique Ra, présente une erreur minimum. Tout écart par rapport à cet angle optimal entraîne une erreur croissante sur la rugosité mesurée.The roughness measurement by this method requires the use of at least one emitter of incident radiation and two receivers of reflected radiation; these incident and reflected radiations must however have an appropriate inclination as a function of the magnitude of the roughness to be measured. We know that there is, for each roughness, an optimal angle of incidence, 3 for which the measurement of the reflected intensity, and consequently the measurement of the arithmetic roughness Ra, presents a minimum error. Any deviation from this optimal angle results in an increasing error in the roughness measured.

Théoriquement, tout couple d'angles utilisé dans le procédé précité ne permet donc de mesurer avec précision qu'une seule rugosité. En pratique cependant, cette précision est maintenue de manière suffisante pour une certaine gamme de rugosités encadrant la valeur optimale. Néanmoins, pour mesurer la rugosité de produits sensiblement différents, il s'avère nécessaire de disposer d'une série d'appareils de mesure adaptés chacun à un type de produit. Une telle solution n'est pas économique; en outre, elle provoque un encombrement important résultant de la présence de ces appareils dans une installation industrielle telle qu'un laminoir à froid. Enfin, les manipulations qu'elle requiert, notamment pour changer d'appareil, multiplient les risques d'erreur et d'imprécision des mesures.Theoretically, any pair of angles used in the aforementioned process therefore only allows one roughness to be measured with precision. In practice, however, this precision is sufficiently maintained for a certain range of roughness framing the optimum value. However, to measure the roughness of significantly different products, it is necessary to have a series of measuring devices each adapted to a type of product. Such a solution is not economical; in addition, it causes significant bulk resulting from the presence of these devices in an industrial installation such as a cold rolling mill. Finally, the manipulations it requires, in particular to change the device, multiply the risks of error and inaccuracy of the measurements.

La présente invention propose un dispositif de mesure de la rugosité de la surface d'un produit métallique, qui ne présente pas les inconvénients précités.The present invention provides a device for measuring the roughness of the surface of a metal product, which does not have the aforementioned drawbacks.

Le dispositif de mesure conforme à l'invention peut être mis en place définitivement, il présente un encombrement réduit et il s'adapte simplement et rapidement à différents types de produits.The measuring device according to the invention can be permanently installed, it has a reduced bulk and it adapts simply and quickly to different types of products.

Conformément à la présente invention, un dispositif de mesure de la rugosité de la surface d'un produit métallique, comprenant un boîtier dans lequel sont logés un émetteur de rayonnement incident et des récepteurs de rayonnement réfléchi spéculairement par ladite surface, ledit boîtier ayant une paroi dans laquelle sont ménagés des orifices pour le passage desdits rayonnements, est caractérisé en ce qu'il comporte : - un premier modulateur comprenant un organe mobile pourvu de premiers moyens de réflexion destinés à dévier ledit faisceau incident vers la surface du produit métallique et de premiers moyens de transmission laissant passer le rayonnement incident; - un premier récepteur de rayonnement optique réfléchi recevant le rayonnement provenant desdits premiers moyens de réflexion et réfléchi spéculairement par ladite surface; - un second modulateur comprenant un organe mobile pourvu de deuxièmes moyens de réflexion destinés à dévier ledit rayonnement incident ayant traversé le premier modulateur vers la surface du produit métallique et de seconds moyens de transmission laissant passer ledit rayonnement incident; - un deuxième récepteur de rayonnement optique réfléchi recevant le rayonnement provenant desdits deuxièmes moyens de réflexion et réfléchi spéculairement par ladite surface; - des troisièmes moyens de réflexion destinés à dévier ledit rayonnement incident ayant traversé le premier et le second modulateurs vers la surface du produit métallique; - un troisième récepteur de rayonnement optique recevant le rayonnement provenant desdits troisièmes moyens de réflexion et réfléchi spéculairement par ladite surface.According to the present invention, a device for measuring the roughness of the surface of a metal product, comprising a housing in which are housed an emitter of incident radiation and receivers of radiation specularly reflected by said surface, said housing having a wall in which are provided orifices for the passage of said radiation, is characterized in that it comprises: - a first modulator comprising a movable member provided with first reflection means intended to deflect said incident beam towards the surface of the metal product and first transmission means allowing the incident radiation to pass through; - A first receiver of reflected optical radiation receiving radiation from said first reflection means and specularly reflected by said surface; - A second modulator comprising a movable member provided with second reflection means intended to deflect said incident radiation having passed through the first modulator towards the surface of the metal product and second transmission means allowing said incident radiation to pass; - A second receiver of reflected optical radiation receiving radiation from said second reflection means and specularly reflected by said surface; - Third reflection means intended to deflect said incident radiation having passed through the first and second modulators towards the surface of the metal product; - A third optical radiation receiver receiving radiation from said third reflection means and specularly reflected by said surface.

Selon une variante particulière, l'organe mobile d'au moins un desdits modulateurs est constitué par un disque rotatif incliné par rapport à la direction du rayonnement incident et présentant successivement des zones réfléchissantes et des zones transparentes à l'égard dudit rayonnement incident, celui-ci étant ainsi alternativement dévié vers la surface du produit métallique par une zone réfléchissante, et transmis à travers une zone transparente vers le modulateur et/ou les moyens de réflexion suivants.According to a particular variant, the movable member of at least one of said modulators consists of a rotary disc inclined relative to the direction of the incident radiation and successively having reflective zones and transparent zones with respect to said incident radiation, that -this being thus alternately deflected towards the surface of the metal product by a reflecting zone, and transmitted through a transparent zone towards the modulator and / or the following reflection means.

Egalement selon l'invention, l'émetteur de rayonnement incident est un émetteur laser, avec une longueur d'onde au moins égale à 5 p et une puissance inférieure à 25 W, par exemple un laser au CO^.Also according to the invention, the incident radiation emitter is a laser emitter, with a wavelength at least equal to 5 p and a power less than 25 W, for example a CO ^ laser.

Il est préférable d'utiliser un rayonnement de faible puissance afin de ne pas endommager la surface examinée. En outre, il est recommandé, suivant l'invention, de choisir un rayonnement dont la longueur d'onde est nettement supérieure à la rugosité maximale de la surface examinée.It is preferable to use low power radiation in order not to damage the surface under examination. In addition, it is recommended, according to the invention, to choose a radiation whose wavelength is significantly greater than the maximum roughness of the surface examined.

D'autres caractéristiques et avantages du dispositif de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre. Celle-ci est consacrée à une réalisation préférée du dispositif de l'invention, donnée à titre de simple exemple et illustrée par les dessins annexés, dans lesquels laOther characteristics and advantages of the device of the invention will appear on reading the description which follows. This is devoted to a preferred embodiment of the device of the invention, given by way of simple example and illustrated by the accompanying drawings, in which the

Figure 1 est un diagramme montrant l'évolution de la précision de la mesure de la rugosité pour différents angles d'incidence du rayonnement; et laFigure 1 is a diagram showing the evolution of the precision of the roughness measurement for different angles of incidence of the radiation; and the

Figure 2 illustre un dispositif de mesure de rugosité comportant deux gammes de mesure.Figure 2 illustrates a roughness measuring device comprising two measurement ranges.

Ces figures, et particulièrement la figure 2, constituent des représentations schématiques, dans lesquelles on n'a reproduit que les éléments nécessaires à la compréhension de l'invention. Les flèches indiquent les sens de propagation des rayonnements utilisés.These figures, and particularly FIG. 2, constitute schematic representations, in which only the elements necessary for understanding the invention have been reproduced. The arrows indicate the directions of propagation of the radiation used.

Comme on l'a indiqué dans l'introduction, il existe pour chaque rugosité un angle d'incidence assurant la meilleure précision de la mesure. Pour une rugosité Ra déterminée, l'erreur sur la mesure de l'intensité du rayonnement réfléchi est d'autant plus grande que l'angle d'incidence s'écarte davantage de sa valeur optimale. Considérée en valeur absolue, cette erreur sur la mesure de l'intensité réfléchie a un effet multiplicateur sur l'erreur de la valeur calculée de Ra. Cet effet mutiplicateur peut être exprimé par un coefficient M, qui représente le rapport entre l'erreur relative aur le calcul de Ra et l'erreur absolue sur la mesure de l'intensité réfléchie spéculairement par la surface.As indicated in the introduction, there is an angle of incidence for each roughness ensuring the best measurement accuracy. For a determined roughness Ra, the error on the measurement of the intensity of the reflected radiation is all the greater the more the angle of incidence deviates from its optimal value. Considered in absolute value, this error on the measurement of the reflected intensity has a multiplier effect on the error of the calculated value of Ra. This multiplier effect can be expressed by a coefficient M, which represents the ratio between the relative error on the calculation of Ra and the absolute error on the measurement of the intensity specularly reflected by the surface.

La Figure 1 montre l'évolution de ce coefficient M en fonction de la rugosité Ra, pour différents angles d'incidence a et pour une bande d’acier laminée à froid. Ces valeurs correspondent à l'emploi d'un rayonnement laser C02 ayant une longueur d'onde de 10,6/im.Figure 1 shows the evolution of this coefficient M as a function of the roughness Ra, for different angles of incidence a and for a strip of cold-rolled steel. These values correspond to the use of C02 laser radiation having a wavelength of 10.6 μm.

On constate, dans la Figure 1, que les angles d'incidence = 20°, a2 = 55° et a3 = 68° correspondent respectivement, de manière optimale, à des rugosités Ra = 0,7 μιη; 1,2 μιη et 1,8 μπι.It is noted, in Figure 1, that the angles of incidence = 20 °, a2 = 55 ° and a3 = 68 ° correspond respectively, optimally, to roughness Ra = 0.7 μιη; 1.2 μιη and 1.8 μπι.

Cette Figure 1 montre également que l'utilisation du couple d'angles (0^ = 20°; a2 = 55°) permet de mesurer avec une bonne précision les rugosités Ra comprises entre 0,4 μι et 1 μιη. De même, les angles (a2 = 55°; = 68°) assurent une mesure suffisam ment précise des rugosités Ra comprises entre 1 μιη et 3 μιη.This Figure 1 also shows that the use of the couple of angles (0 ^ = 20 °; a2 = 55 °) makes it possible to measure with good precision the roughnesses Ra of between 0.4 μι and 1 μιη. Similarly, the angles (a2 = 55 °; = 68 °) provide a sufficiently precise measurement of the roughness Ra of between 1 μιη and 3 μιη.

La gamme de rugosités Ra ainsi couverte, à savoir de 0,4 μιη, à 3 μιη, est généralement suffisante pour englober la majorité des produits métalliques, notamment des produits laminés. Il est d'ailleurs possible d'élargir cette gamme en utilisant des angles d'incidence a plus faibles ou plus élevés selon les cas. La seule condition à respecter est que l’angle d'incidence utilisé permette la réflexion spéculaire du rayonnement et la réception du rayonnement ainsi réfléchi.The range of roughness Ra thus covered, namely from 0.4 μιη to 3 μιη, is generally sufficient to encompass the majority of metallic products, in particular laminated products. It is also possible to widen this range by using lower or higher angles of incidence as the case may be. The only condition to be respected is that the angle of incidence used allows the specular reflection of the radiation and the reception of the radiation thus reflected.

La Figure 2 illustre un dispositif de mesure de la rugosité d'une bande d'acier en mouvement comportant les deux gammes de mesure résultant de la Figure 1. Dans un boîtier étanche 1, sont montés un émetteur laser 2 et trois récepteurs désignés globalement par les repères respectifs 3, 4 et 5. Le rayonnement laser provenant de l'émetteur 1 est d'abord dévié par un premier miroir 6, dont le seul but est de réduire l'encombrement du boîtier 1. Le rayonnement ainsi dévié arrive à un premier modulateur constitué essentiellement d'un disque rotatif 7 entraîné par un moteur 8. Le disque 7 est pourvu d'une série d'ouvertures disposées suivant une circonférence et séparées par des parties opaques réfléchissant le rayonnement laser. Pendant la rotation du disque 7, le rayonnement laser est alternativement transmis à travers les ouvertures et dévié par ces parties réfléchissantes. Le rayonnement dévié par le disque 7 vient frapper une bande d'acier au point 0 sous un premier angle d'incidence = 20° et le rayonnement réfléchi en direction spéculaire est capté par un premier récepteur 3 qui mesure son intensité. Le rayonnement transmis à travers les ouvertures du disque 7 vient frapper un second modulateur, analogue au premier, c'est-à-dire composé d'un disque rotatif 9 et d'un moteur d'entraînement 10. Le disque 9 est également percé d'ouvertures disposées suivant une circonférence et séparées par des parties réfléchissant le rayonnement laser. Le rayonnement dévié par ce second disque 9 vient frapper une bande d'acier 11 au même point 0 sous un deuxième angle d'incidence = 55°, et le rayonnement réfléchi en direction spéculaire est capté par un deuxième récepteur 4 qui mesure son intensité. Le rayonnement transmis à travers les ouvertures du disque 9 vient frapper un miroir fixe 12, qui renvoie le rayonnement vers le point 0 de la bande, sous un troisième angle d'incidence «3 = 68°. Le rayonnement réfléchi en direction spéculaire est capté par un troisième récepteur 5, qui mesure son intensité. Les rayonnements incidents et réfléchis traversent la paroi du boîtier par des hublots appropriés, montés de manière étanche et de préférence au fond de tubulures qui leur assurent une certaine protection contre l'encrassement. Ces tubulures sont orientées dans la direction des rayonnements qui les traversent.Figure 2 illustrates a device for measuring the roughness of a moving steel strip comprising the two measurement ranges resulting from Figure 1. In a sealed housing 1, are mounted a laser transmitter 2 and three receivers generally designated by the respective references 3, 4 and 5. The laser radiation coming from the emitter 1 is first deflected by a first mirror 6, the sole purpose of which is to reduce the size of the housing 1. The radiation thus deflected arrives at a first modulator essentially consisting of a rotary disc 7 driven by a motor 8. The disc 7 is provided with a series of openings arranged along a circumference and separated by opaque parts reflecting the laser radiation. During the rotation of the disc 7, the laser radiation is alternately transmitted through the openings and deflected by these reflecting parts. The radiation deflected by the disc 7 strikes a steel strip at point 0 at a first angle of incidence = 20 ° and the radiation reflected in the specular direction is picked up by a first receiver 3 which measures its intensity. The radiation transmitted through the openings of the disc 7 strikes a second modulator, similar to the first, that is to say composed of a rotary disc 9 and a drive motor 10. The disc 9 is also pierced openings arranged along a circumference and separated by parts reflecting the laser radiation. The radiation deflected by this second disc 9 strikes a steel strip 11 at the same point 0 at a second angle of incidence = 55 °, and the radiation reflected in the specular direction is picked up by a second receiver 4 which measures its intensity. The radiation transmitted through the openings of the disc 9 strikes a fixed mirror 12, which returns the radiation to the point 0 of the strip, at a third angle of incidence "3 = 68 °. The radiation reflected in the specular direction is received by a third receiver 5, which measures its intensity. Incident and reflected radiation pass through the wall of the housing through suitable portholes, mounted in leaktight manner and preferably at the bottom of pipes which provide them with some protection against fouling. These tubes are oriented in the direction of the radiation passing through them.

Le fonctionnement du dispositif de l'invention se comprend aisément par la Figure 2. Pour la mesure de rugosités comprises wntra 0,4 ßm et 1 fim, on utilise les angles = 20° et = 55°; à cet effet, le disque 7 du premier modulateur est en rotation et le disque 9 du second modulateur est bloqué en position de déviation du rayonnement laser. Le miroir 12 ne reçoit ainsi aucun rayonnement. Pour la mesure de rugosités comprises entre l j/m et 3 Mm, on utilise les angles «2 = 55° et «3 = 68°; à cet effet, le disque 7 du premier modulateur est bloqué en position de transmission du rayonnement et le disque 9 du second modulateur est en rotation. Le miroir 12 reçoit donc un rayonnement intermittent.The operation of the device of the invention is easily understood by FIG. 2. For the measurement of roughnesses comprised wntra 0.4 μm and 1 μm, the angles = 20 ° and = 55 ° are used; for this purpose, the disc 7 of the first modulator is in rotation and the disc 9 of the second modulator is locked in the deflection position of the laser radiation. The mirror 12 thus receives no radiation. For the measurement of roughness between l d / m and 3 Mm, the angles "2 = 55 ° and" 3 = 68 ° are used; for this purpose, the disc 7 of the first modulator is locked in the radiation transmission position and the disc 9 of the second modulator is in rotation. The mirror 12 therefore receives intermittent radiation.

Il convient de souligner que les valeurs des angles d'incidence, données ici et dans les revendications, ne constituent pas des valeurs impératives; les valeurs utilisées en pratique peuvent s'en écarter quelque peu sans nuire de façon sensible à la précision des mesures.It should be emphasized that the values of the angles of incidence, given here and in the claims, do not constitute imperative values; the values used in practice may deviate somewhat from this without significantly affecting the accuracy of the measurements.

L'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation qui vient d'être décrit et illustré. Il va de soi qu'un homme de métier pourrait envisager d'autres variantes, notamment en faisant varier les angles afin d'élargir la gamme de mesure des rugosités. De même, il ne sortirait pas du cadre de l'invention de mesurer la rugosité en plusieurs points de la largeur du produit métallique, en particulier lorsque celui-ci est une bande, en déplaçant le dispositif de mesure transversalement par rapport au sens du mouvement de ce produit.The invention is not limited to the embodiment which has just been described and illustrated. It goes without saying that a person skilled in the art could envisage other variants, in particular by varying the angles in order to widen the range of roughness measurement. Likewise, it would not depart from the scope of the invention to measure the roughness at several points of the width of the metallic product, in particular when the latter is a strip, by moving the measuring device transversely with respect to the direction of movement. of this product.

Claims

1 · device for measuring the roughness of the surface of a metal product (11), comprising a housing (1) in which are housed an emitter (2) of incident radiation and receivers of radiation specularly reflected by said surface, said housing having a wall in which 1 are provided orifices for the passage of said radiation, characterized in that it comprises: a first modulator (7,8) comprising a movable member (7) provided with first reflection means intended to deflect said radiation incident towards the surface of the metal product and first transmission means allowing the incident radiation to pass; - a first receiver (3) of reflected optical radiation receiving radiation from said first reflection means and specularly reflected by said surface; - a second modulator (9,10) comprising a movable member (9) provided with second reflection means intended to deflect said incident radiation having passed through the first modulator towards the surface of the metallic product and second transmission means allowing said incident radiation to pass ; - a second receiver (4) of reflected optical radiation receiving radiation from said second reflection means and specularly reflected by said surface; - third reflection means (12) intended to deflect said incident radiation having passed through the first and second modulators towards the surface of the metal product; - a third receiver (5) of optical radiation receiving radiation from said third reflection means (12) and specularly reflected by said surface.

2. Device according to claim 1, characterized in that the movable member of at least one of said modulators consists of a rotary plate inclined relative to the direction of the incident radiation and successively having reflective zones and zones transparent to the with regard to said incident radiation, the latter thus being alternately deflected towards the surface of the metal product by a reflecting zone, and transmitted through a transparent zone towards the modulator and / or the following reflection means.

3. Device according to either of Claims 1 and 2, characterized in that the emitter (2) of incident optical radiation is a CO ^ laser emitter, with a wavelength of the order of 10.6 μια and a power less than 25 W.

4. Device according to either of claims 1 to 3, characterized in that said first reflection means are oriented so as to deflect said incident radiation in a direction making an angle of the order of 20 ° relative to normal to the surface of the metal product.

5. Device according to either of claims 1 to 4, characterized in that said second reflection means are oriented so as to deflect said incident radiation in a direction making an angle of oc2 of the order of 55 ° compared to normal to the surface of the metal product.

6. Device according to either of claims 1 to 5, characterized in that said third reflection means are oriented so as to deflect said incident radiation in a direction making an angle of the order of 68 ° relative to normal to the surface of the metal product.

7. Device according to either of claims 1 to 6, characterized in that said first, second and third reflection means are arranged so as to direct the three reflected rays towards a same point on the surface of the metal product .

8. A method of measuring the roughness of the surface of a metal product by means of a device according to either of claims 1 to 7, characterized in that, for measuring roughness between 0.4 μια and 1 μιη, the second modulator is blocked in the position of reflection of the incident radiation and the movable member of the first modulator is rotated, which makes it possible to carry out the measurement by means of the angles = 20 ° and a2 = 55 °.

9. A method of measuring the roughness of the surface of a metal product by means of a device according to either of claims 1 to 7, characterized in that, for measuring roughness between 1 μπι and 3 μιη, the first modulator is blocked in the position of transmission of the incident radiation and the movable member of the second modulator is rotated, which makes it possible to perform the measurement by means of the angles a. = 55 ° and a = 68 °. w O