JP2007010393A - ねじ形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ねじの形状を短時間にかつ高精度に測定することができるねじ形状測定方法及び装置を提供する。
【解決手段】 被測定対象物のねじ部に照射光を照射する照射手段と、ねじ部を通過した光とねじ部で遮蔽された光とで形成されるねじ部のシルエット像を投影可能な投影面が被測定対象物のねじ部と対向させて配置された投影板と、該投影板上に投影されたねじ部のシルエット像を撮像する撮像手段とを具備した光学式ねじ形状測定装置であって、照射手段は光源からの光を平行光とし、その光軸がねじの巻き線と平行に設定成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ねじピッチ、ねじ高さ、ねじテーパー等のねじの形状特性値を求めるためのねじ形状測定装置にかかり、特に、大口径油井管等の管端の外周に加工されたねじの２次元形状又は３次元形状を測定するねじ形状測定装置に関する。

油井管等のパイプの管端に形成されたねじの検査方法として、測定子をねじの底に沿って移動させつつ、ねじ形状を測定する接触式ねじ形状検査装置が知られている。しかし、この接触式ねじ形状検査装置では、測定子をねじの溝底に接触させつつ、ねじのつる巻き線に沿って移動させる必要があるため、短時間でかつ高精度にねじの２次元形状を測定するのが困難であるという欠点があった。

近年では、測定子を用いず、光を用いた光学式ねじ形状検査装置が注目されている（特許文献１）。特許文献１の光学式ねじ形状検査装置２０は、図１３（ａ）、（ｄ）に示すように、レーザーの光路Ｔをねじの巻き線と平行に設定し、図１３（ｂ）、（ｃ）に示すように、走査面２３内でレーザーを走査することによりねじ形状を測定する方式としている。なお、投光器２１及び受光器２２は、ベース２４上に搭載されており、ねじ形状測定器の移動方向２５に向かって移動させつつ、２次元形状を測定する。図１３、中、Ｓは、管端の外周に加工されたねじを示す。

また特許文献２には、ねじ形状測定器を移動させることなく、一度に、ねじの２次元形状を測定することができる光学式ねじ形状検査装置が提案されている。この光学式ねじ形状検査装置は、図１４に示すように、被測定対象物のねじ切りされた油井鋼管Ｗの一側方に、光軸３３Ａをその管軸Ｗ１を通る水平面に合わせてテレビカメラ３３を鋼管Ｗと正対させて配置し、またテレビカメラ３３と管Ｗとの間に鏡を設置して、テレビカメラ３３でねじ部を撮像している。その際、撮像視野をねじ外縁部に制限するようにしている。

図１４中、３１は照射手段、３１Ａは照射手段３１からの照射光を示す。また３４は、撮像手段で撮像したねじの２次元形状を表示する画像表示装置を示す。テレビカメラ３３で撮像した画像が、縦長となるように視野の水平、垂直を実際の水平、垂直と逆になるよう使用している。３５はねじ形状演算装置で演算したねじの形状特性値の測定結果プリントを示す。
特開昭６３−１９１００７号公報 特開昭５８−６２５０５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の光学式ねじ形状検査装置２０では、ベース２４上に搭載された投光器２１及び受光器２２を移動方向２５に向けて移動させる必要があるので、ねじの２次元形状を測定するのに時間がかかるという問題があった。
また特許文献２に記載の光学式ねじ形状検査装置では、ねじ部を照射する照射光３１Ａに平行光を用いておらず、しかも、鏡を介してねじ部のシルエット像をテレビカメラ３３で撮像するようにしているので、撮像したねじ画像の輪郭が不鮮明となって、高精細、高分解能のＣＣＤ素子を有するカメラを用いても、数μm〜数十μmの測定精度を得るのが困難であるという問題がある。

本発明は、上記従来技術の問題点を解消し、ねじの形状を短時間でかつ高精度に測定することができるねじ形状測定装置を提供することを目的とする。

本発明は、投影板に、ねじ部を通過した光とねじ部で遮蔽された光とで形成されるねじ部のシルエット像を投影し、投影板上に投影したねじ部のシルエット像を撮像することで、ねじ画像の分解能を高くできるとの知見に基づいて、成したものである。
本発明は、以下のとおりある。
１．被測定対象物のねじ部に照射光を照射する照射手段と、ねじ部を通過した光とねじ部で遮蔽された光とで形成されるねじ部のシルエット像を投影可能な投影面がねじ部と対向させて配置された投影板と、該投影板上に投影されたねじ部のシルエット像を撮像する撮像手段とを具備した光学式ねじ形状測定装置であって、前記照射手段は光源からの光を平行光とし、その光軸がねじの巻き線と平行に設定され、かつ、前記投影板を、ねじピッチ方向に平行な管軸を通る水平面に対して傾け可能にしたことを特徴とするねじ形状測定装置。

２．前記ねじ部と、前記投影板との間にテレセントリック光学系を配置したことを特徴とする上記１．に記載のねじ形状測定装置。
３．前記撮像手段がラインセンサカメラとされ、前記ねじ部のシルエット像を投影する投影板に対して垂直方向の反射光が、放物面鏡で反射され、スキャナーのミラーに導かれ、ミラーで反射されて前記ラインセンサカメラのＣＣＤ素子に導かれるようになっていることを特徴とする上記１．または２．に記載のねじ形状測定装置。

なお、被測定対象物のねじ部に照射光を照射する照射手段と、ねじ部を通過した光とねじ部で遮蔽された光とで形成されるねじ部のシルエット像を投影可能な投影面がねじ部と対向させて配置された投影板と、該投影板上に投影されたねじ部のシルエット像を撮像する撮像手段とを具備し、前記照射手段は光源からの光を平行光とし、その光軸がねじの巻き線と平行に設定可能に構成されているとともに、照射手段、投影板及び撮像手段からなる光学系の組を１ユニットとし、前記被測定対象物の外周に１ユニットもしくは複数ユニット配置し、前記被測定対象物の外周回りに回転可能な構成としたねじ形状測定装置は、３次元ねじ形状を短時間でかつ高精度に測定することができる。

本発明によれば、ねじの形状を短時間にかつ高精度に測定することができる。

本発明を、管端の外周に形成したねじの２次元形状を測定するねじ形状測定装置とした場合について説明する。図１に、本発明の実施の形態に係るねじ形状測定装置の構成を示す。
図１中、Ｗ１は、被測定対象物である油井管などの管Ｗの管軸を示す。ねじＳはつる巻き線状に管端の外周に形成されている。

本発明の実施の形態に係るねじ形状測定装置は、被測定対象物である管Ｗのねじ部に照射光１Ａを照射する照射手段１と、ねじ部を通過した光とねじ部で遮蔽された光とで形成されるねじ部のシルエット像を投影可能な投影面がねじ部と対向させて配置された投影板２と、該投影板２上に投影されたねじ部のシルエット像を撮像する撮像手段３とを具備している。管Ｗのねじ部が、照射手段１と投影板２の間に配置される。

照射手段１は、光源からの光を平行光とし、かつその光軸がねじの巻き線と平行に設定され、図１に示すように、管Ｗのねじ部に照射光１Ａを照射することができるように構成されている。平行光は、公知の平行光作成光学系、例えば、放物面鏡、コリメータレンズ、テレセントリック光学系等をもつ照射手段１により容易に作成することができる。照射光１Ａは、上記公知の平行光作成光学系によって照射手段１の光軸に対して平行とされた平行光を示す。なお、このような平行光作成光学系をもつ照射手段１から照射される平行光には、照射手段の光軸に対して僅かにずれた平行光１Ｂが含まれる場合もある（図６（ｂ）参照）。平行光源の平行度に歪みがあり、投影像ににじみが発生し、精度的に問題となる場合には、投影板とねじの間にテレセントリック光学系を入れるのが好ましい。テレセントリック光学系とすることで平行光源の平行度の悪い光を除き、平行度の良い平行光のみを抽出することができる。照射光１Ａで照射するねじ部の範囲は、被測定対象物である管Ｗのねじピッチ、ねじ高さｈ１、ねじテーパーなどのねじの形状特性値を求めるために十分な範囲とする。

ここで撮像手段３は、この場合、ラインセンサカメラとされ、撮像手段３で撮像した撮像データが画像入力装置４を介して、ねじ形状演算装置５に入力されるように構成されている。ねじ形状演算装置５には、スキャナードライバー６が接続されており、スキャナードライバー６で駆動されるスキャナー７のミラー８の角度情報が入力される。なお、このねじ形状演算装置５では、撮像データに基づいて管Ｗのねじの形状特性値を求めることができる。

また、放物面鏡９は、投影板２上に投影されたねじ部のシルエット像をミラー８上に映し出すことができるようにされている。上記の投影板２は、管軸Ｗ１を通る水平面に対して投影面の傾斜角度θを調整することができ、ねじ形状の測定時、投影面の傾斜角θを設定する。なお、管軸Ｗ１を通る水平面と照射手段１の光軸は平行な関係にある。
上記した本発明の実施の形態に係るねじ形状測定装置の作用について図２〜図６を用いて説明する
図２（ａ）には、投影面の傾斜角θを９０°に設定した場合、同図２（ｂ）には、投影面の傾斜角θを０＜θ＜９０°に設定した場合における投影板上に投影されたねじ部のシルエット像の模式図を示した。投影面の傾斜角θを９０°に設定した場合には、投影板２上に投影されたねじ部のシルエット像の形状は、実際のねじの２次元形状と同じとなる。一方、投影面の傾斜角θを０＜θ＜９０°に設定した場合には、投影板２上に投影されたねじ部のシルエット像の形状は、ねじ高さ方向にｈ２＝ｈ１／ｓｉｎθ（ｈ１：実際のねじ高さ、ｈ２：投影板２上でのねじ高さ）だけ、実際のねじより拡大される（図３参照）。

すなわち、図１のように投影面を、管軸Ｗ１を通る水平面に対して傾斜角θだけ傾けると、照射手段１の光軸がねじの巻き線と平行に設定されているので、ねじピッチ方向に対しては、投影板２上に投影されたねじ部のシルエット像の寸法と、実際のねじ部の寸法とが同じであるが、ねじ高さ方向に１／ｓｉｎθ倍だけ拡大される。
この投影板２上に対して垂直方向の反射光が、放物面鏡９で反射され、スキャナー７のミラー８（ガルバノミラーなど）に導かれ、ミラー８で反射されてラインセンサカメラのＣＣＤ素子に導かれるようになっている。そこで、ミラー８をスキャナードライバー６でスキャンすることで、投影板２上に投影されたねじ部のシルエット像を撮像することができ、２次元の画像を得ることができる。

このとき、ねじ高さ方向に、投影板２上に投影されたねじ部のシルエット像が実際より拡大されているため、ラインセンサカメラで捕らえる１ライン高さ方向の分解能を高くすることができる。通常、撮像手段の画素分解能以上の分解能でねじの形状を測定することは困難である。実際のねじ高さｈ１が同じ場合でも、走査ライン数を増やすことができるために、ねじ高さ方向の分解能を高くできる（図４参照）。

したがって、図３に示す関係より、原理的には投影面の傾斜角θを小さく設定すれば、ねじ高さ方向の分解能を高くできるが、必要とされる分解能、すなわち拡大率にもとづき、前述の式から決定するのが望ましい。投影板２としては、白色のアクリル板、または白色のセラミックス板などの材料を用い、その材料表面を研磨し、歪みのない鏡面状の平面（表面）とする必要がある。投影板２の材料は、上記に限定されず、被測定対象物のねじ部を歪みなく投影できるものであれば用いることができる。

本発明では、投影板に、ねじ部を通過した光とねじ部で遮蔽された光とで形成されるねじ部のシルエット像を投影し、投影板上に投影したねじ部のシルエット像を撮像することで、撮像手段で撮像したねじ画像の輪郭が鮮明となり、ねじ画像の分解能を高くできるため、ねじの２次元形状を短時間でかつ高精度に測定することができる。
ところで、実際に図１に示したような構成により、油井管などの管Ｗのねじ部の形状測定を行った場合、図５（ｂ）に模式的に示すように、投影板２上に投影されたねじ部のシルエット像に滲み部が生じることがある。図５（ａ）は、滲み部がない、ねじ部のシルエット像を示す。このような滲み部が生じる原因は、平行光作成光学系をもつ照射手段１から照射される平行光には、照射手段の光軸に対して僅かにずれた平行光１Ｂが含まれる場合もあるため、ねじ部で遮蔽された光と、ねじ部を通過した光とで形成されるねじ部のシルエット像の中間に滲み部が形成されてしまうためである。図６（ａ）、（ｂ）には、被測定対象物のねじ部表面が平滑な鏡面状である場合に、照射手段の光軸に対して僅かにずれた平行光１Ｂのねじ部表面での反射光１Ｃの一部が、投影板２上、照射手段の光軸に対してずれのない平行光１Ａのねじ高さ方向上方位置に到達している状態を示した。勿論、照射手段の光軸に対して僅かにずれた平行光のうち一部のものは、ねじ部表面の直上を通過して直接、投影板２上の平行光１Ａのねじ高さ方向下方位置に到達する。

そこで、本発明に係るねじ形状測定装置においては、投影板２と管Ｗのねじ部との間に、テレセントリック光学系１０を配置し、投影板２上で、ねじ部のシルエット像に滲み部が生じるのを防止するのが好ましい（図７参照）。この理由は、投影板２上で、ねじ部のシルエット像に滲み部がない場合には、撮像手段で撮像したねじ画像の輪郭が鮮明となり、高精細、高分解能のＣＣＤ素子を有するカメラを用いることで、数μm〜数十μmの測定精度が得られるようになるからである。

以下には、投影板２上で、ねじ部のシルエット像に滲み部が生じるのを防止した実施例に係るねじ形状測定装置について説明する。

本発明の第１実施例を図８に示す。図１に示したねじ形状測定装置において、投影板２と管Ｗのねじ部との間に、テレセントリック光学系１０を配置したものである。投影板２と管Ｗのねじ部との間に、テレセントリック光学系１０を配置したねじ形状測定装置であるから、投影板２上で、ねじ部のシルエット像に滲み部が生じるのを防止でき、図１に示したねじ形状測定装置に比較して、より高精度なねじ形状の測定を行うことができる。

本発明の第２実施例を図９に示す。この第２実施例のねじ形状測定装置は、被測定対象物である管Ｗのねじ部に照射光１Ａを照射する照射手段１と、ねじ部を通過した光とねじ部で遮蔽された光とで形成されるねじ部のシルエット像を投影可能な投影面がねじ部と対向させて配置された投影板２と、該投影板２上に投影されたねじ部のシルエット像を撮像する撮像手段３とを具備し、撮像手段３として２次元ＣＣＤカメラ１１具備した装置である。照射手段は光源からの光を平行光とし、その光軸がねじの巻き線と平行に設定されている。２次元ＣＣＤカメラ１１は、高精細、高分解能のＣＣＤ素子を有し、投影面に対して受光軸が垂直となるように配置され、２次元ＣＣＤカメラ１１には、画像入力装置４を介してねじ形状演算装置５が接続されている。

このようなねじ形状測定装置によれば、図１に示したような撮像手段３をラインセンサカメラとしたねじ形状測定装置に比べて、簡単な構成とすることができ、しかも短時間にかつ高精度にねじの断面形状を測定することができる。

本発明の第３実施例を図１０に示す。この第３実施例のねじ形状測定装置は、被測定対象物である管Ｗのねじ部に照射光１Ａを照射する照射手段１と、ねじ部を通過した光とねじ部で遮蔽された光とで形成されるねじ部のシルエット像を投影可能な投影面がねじ部と対向させて配置された投影板２と、該投影板２上に投影されたねじ部のシルエット像を撮像する撮像手段３とを具備し、更に、投影板２と管Ｗのねじ部との間に、テレセントリック光学系１０を配置し、投影板２上に投影されたねじ部のシルエット像を別な投影板１２に投影し、投影板１２上に投影された投影像を２次元ＣＣＤカメラ１１で撮像するように構成している。

照射手段は光源からの光を平行光とし、その光軸がねじの巻き線と平行に設定されている。また２次元ＣＣＤカメラ１１は、高精細、高分解能のＣＣＤ素子を有し、画像入力装置４を介してねじ形状演算装置５が接続されている。別の投影板１２は、ねじのピッチ方向（長手方向）に対するねじ部のシルエット像を実際のねじ形状より拡大もしくは縮小するように角度θ２を付けて設置する。角度θ２は、ねじのピッチ方向（長手方向）において分解能や精度を考慮して拡大率または縮小率に決定し、その拡大率または縮小率が得られる角度に設定される。

このようなねじ形状測定装置によれば、図１に示したような撮像手段３をラインセンサカメラとしたねじ形状測定装置に比べて、簡単な構成とすることができ、短時間にかつ高精度にねじの断面形状を測定することができる。

本発明の第４実施例を図１１に示す。この第４実施例のねじ形状測定装置は、被測定対象物である管Ｗのねじ部に照射光１Ａを照射する照射手段１と、ねじ部を通過した光とねじ部で遮蔽された光とで形成されるねじ部のシルエット像を投影可能な投影面がねじ部と対向させて配置された投影板２と、該投影板２上に投影されたねじ部のシルエット像を撮像する撮像手段３とを具備している。

そして、照射手段１、投影板２及び撮像手段３からなる光学系の組を１ユニットとし、被測定対象物である管Ｗの外周に、１ユニットもしくは複数ユニット配置し、管軸Ｗ１回りに回転可能な構成とした装置である。照射手段は光源からの光を平行光とし、その光軸がねじの巻き線と平行に設定されている。図１２には、本発明の第４実施例の装置構成で得た、ねじの３次元画像の模式図を示した。１４は、各ユニットの回転方向を示し、１５は、３次元画像の回転中心を示す。

このような構成のねじ形状測定装置によれば、短時間にかつ高精度にねじの３次元形状を測定することができる。

本発明の実施の形態を説明する構成図である。 投影板上に投影されたねじ部のシルエット像の模式図である。 投影板上に投影されたねじ部のシルエット像の拡大率の説明図である。 高さ方向の計測ライン数 滲みのないねじ画像と、滲みのあるねじ画像の説明図 滲みのないねじ画像に対し、滲みのあるねじ画像が発生する原因の説明図 滲みのないねじ画像を得るための光学系の例 本発明の第１実施例の装置構成を示す図である。 本発明の第２実施例の装置構成を示す図である。 本発明の第３実施例の装置構成を示す図である。 本発明の第４実施例の装置構成を示す図である。 本発明の第４実施例の装置構成で得た、ねじの３次元画像の模式図である。 従来技術の説明図である。 従来技術の他の説明図である。

符号の説明

Ｗ 管（被測定対象物）
Ｗ１ 管軸
Ｓ ねじ
１ 照射手段
１Ａ、１Ｂ 照射光
２ 投影板
３ ラインセンサカメラ（撮像手段）
４ 画像入力装置
５ ねじ形状演算装置
６ スキャナードライバー
７ スキャナー
８ ミラー
９ 放物面鏡
１０ テレセントリック光学系
１１ ２次元ＣＣＤカメラ（撮像手段）
１２ 他の投影板
１３ 本発明の光学系
１４ 回転方向
１５ ３次元画像の回転中心
２１ 投光器
２２ 受光器
２３ 走査面
２４ ベース
２５ ねじ形状測定器の移動方向
Ｔ レーザーの光路
α 光路のねじり角
３１ 投光手段
３１Ａ 照射光
３３ テレビカメラ
３３Ａ 光軸
３４ 画像表示装置
３５ 測定結果プリント

Claims (3)

1. 被測定対象物のねじ部に照射光を照射する照射手段と、ねじ部を通過した光とねじ部で遮蔽された光とで形成されるねじ部のシルエット像を投影可能な投影面がねじ部と対向させて配置された投影板と、該投影板上に投影されたねじ部のシルエット像を撮像する撮像手段とを具備した光学式ねじ形状測定装置であって、前記照射手段は光源からの光を平行光とし、その光軸がねじの巻き線と平行に設定され、かつ、前記投影板を、ねじピッチ方向に平行な管軸を通る水平面に対して傾け可能にしたことを特徴とするねじ形状測定装置。
2. 前記ねじ部と、前記投影板との間にテレセントリック光学系を配置したことを特徴とする請求項１に記載のねじ形状測定装置。
3. 前記撮像手段がラインセンサカメラとされ、前記ねじ部のシルエット像を投影する投影板に対して垂直方向の反射光が、放物面鏡で反射され、スキャナーのミラーに導かれ、ミラーで反射されて前記ラインセンサカメラのＣＣＤ素子に導かれるようになっていることを特徴とする請求項１または２に記載のねじ形状測定装置。

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