JP2011220978A - 孔傾斜計測治具及び孔傾斜計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】計測対象孔の傾斜状態を計測する場合に、計測対象孔の加工作業の効率低下を防止すると共に、計測対象孔の細径化にも対応することが可能な孔傾斜計測治具を提供する。
【解決手段】孔傾斜計測治具の構成として、平面に形成された計測対象孔に挿入自在な棒状部材と、該棒状部材の中心軸線に直交するように当該棒状部材に設けられた直交部材と、該直交部材において前記中心軸線から離間した位置に設けられた光反射部材とを具備するという構成を採用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、孔傾斜計測治具及び孔傾斜計測方法に関する。

従来は、例えば原子力発電所等で使用される熱交換器として、管板と称される円盤状の板材に立設された複数の伝熱管の内外に流体を流し、それら内外の流体の温度差によって熱交換を行うシェル＆チューブ型の熱交換器が知られている。これらの伝熱管は、熱交換器の性能を決定付ける部品であると共に、熱交換効率を高めるために細径化及び薄厚化が進む傾向にあるため、伝熱管の製作管理には細心の注意を払う必要がある。

これらの伝熱管は、管板の厚さ方向に貫通するように形成された複数の管孔に１本ずつ挿入された後、溶接によって管板に固定されるため、管孔が管板の厚さ方向に対して傾斜した状態で形成されてしまった場合、管孔に対する伝熱管の挿入作業を阻害すると共に、伝熱管に変形を与えたり、隣接する伝熱管同士の接触を招くなど、熱交換器の運転寿命に悪影響を与える虞がある。そこで、従来は、管孔の形成後に管孔の入口座標と出口座標を計測し、その計測結果を基に管孔の傾斜状態を確認することが一般的であった。

また、下記特許文献１には、深穴の加工精度を計測する技術として、深穴の形成方向に回転しながら移動可能な深穴評価プローブを用い、回転軸方向に対する垂直な平面上に位置する２点において、深穴評価プローブの正常位置からの位置ずれと、回転軸を中心とする円方向における正常位置からの傾きとを検出する技術が開示されている。
また、下記特許文献２には、同じく深穴の加工精度を計測する技術として、深穴に挿入された深穴計測プローブの端部において、深穴計測プローブの回転軸方向に対して交差する方向に突出し、且つその先端が穴壁に接触するように針状部材を設け、その針状部材へレーザ光を照射することで当該針状部材の動きを検出する技術が開示されている。

特許第４３０２３８０号公報 特許第４２３０４０８号公報

管孔の傾斜状態の確認は、全ての管孔を形成した後に行ったのでは加工機械の加工条件にフィードバックできないため、１つ或いは一定数の管孔を形成する度に行うことが好ましい。しかしながら、管孔の加工作業を行う間、管板の背面は支持部材によって支持されているため、上記のような管孔の入口座標と出口座標を計測する手法を採用すると、出口座標を計測するために管板の背面にアクセスすることが困難となり、加工作業中であるにも関わらず、一旦、管板を支持部材から外す必要がある等、加工作業の効率低下を招くことになる。

一方、上記特許文献１或いは２の技術を採用した場合、複雑な構成の深穴評価プローブ（深穴計測プローブ）を管孔に挿入する必要があるが、伝熱管の細径化に伴って管孔の細径化も進んでいるため、上記のように複雑な構成の深穴評価プローブを管孔に挿入することは困難である。また、径の小さな管孔に挿入可能な深穴評価プローブを作製すること自体困難である。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、計測対象孔の傾斜状態を計測する場合に、計測対象孔の加工作業の効率低下を防止すると共に、計測対象孔の細径化にも対応することが可能な孔傾斜計測治具及び孔傾斜計測方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明では、孔傾斜計測治具に係る第１の解決手段として、平面に形成された計測対象孔に挿入自在な棒状部材と、該棒状部材の中心軸線に直交するように当該棒状部材に設けられた直交部材と、該直交部材において前記中心軸線から離間した位置に設けられた光反射部材とを具備する、という手段を採用する。

また、本発明では、孔傾斜計測治具に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記直交部材は、前記棒状部材の中心軸線に直交するように、且つ該中心軸線を回転軸線として回転自在に前記棒状部材に設けられており、前記光反射部材は、前記直交部材において前記棒状部材の中心軸線から離間した位置に固定配置されている、という手段を採用する。

また、本発明では、孔傾斜計測治具に係る第３の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記直交部材は、前記棒状部材の中心軸線に直交するように、且つ固定的に前記棒状部材に設けられており、前記光反射部材は、前記直交部材において前記棒状部材の中心軸線から離間した位置に移動自在に配置されている、という手段を採用する。

一方、本発明では、孔傾斜計測方法に係る第１の解決手段として、計測対象孔が形成された平面を基準面とし、当該基準面の傾斜状態をレーザ計測法によって予め計測する第１の工程と、前記計測対象孔に対し前記基準面側から上記第１〜第３のいずれかの解決手段を有する孔傾斜計測治具を挿入する第２の工程と、前記孔傾斜計測治具の前記直交部材に対して平行な面を計測面とし、当該計測面の傾斜状態をレーザ計測法によって計測する第３の工程と、前記基準面の傾斜状態と前記計測面の傾斜状態との関係に基づいて、前記計測対象孔の傾斜状態を判断する第４の工程とを含む、という手段を採用する。

本発明によれば、計測対象孔の傾斜状態を計測する場合に、孔傾斜計測治具の棒状部材を計測対象孔に挿入すれば良いため、計測対象孔が管孔であっても、従来のように管板の背面にアクセスする必要がなくなる。つまり、本発明に係る孔傾斜計測治具を用いることにより、計測対象孔（管孔）の加工作業途中に、一旦、管板を支持部材から外す必要がなくなり、加工作業の効率低下を防止することができる。
また、本発明における孔傾斜計測治具は、棒状部材、直交部材及び光反射部材という極めてシンプルな部材によって構成されているため、上記特許文献１或いは２で用いられる深穴評価プローブ（深穴計測プローブ）よりはるかに安価であり、且つ計測対象孔の細径化にも対応することができる（棒状部材の径を小さくするだけで良い）。

本発明の第１実施形態における孔傾斜計測治具Ａの構成概略図である。 第１実施形態における孔傾斜計測治具Ａを用いて管孔Ｗａの傾斜状態を計測する孔傾斜計測方法に関する説明図である。 本発明の第２実施形態における孔傾斜計測治具Ｂの構成概略図である。 第２実施形態における孔傾斜計測治具Ｂを用いて管孔Ｗａの傾斜状態を計測する孔傾斜計測方法に関する説明図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
図１は、第１実施形態における孔傾斜計測治具Ａの構成概略図である。本実施形態における孔傾斜計測治具Ａは、例えば熱交換器における管板Ｗの厚さ方向に貫通するように形成された管孔Ｗａを計測対象孔とし、当該管孔Ｗａの厚さ方向に対する傾斜状態を計測するために用いられる治具であり、挿入棒１と、回転棒２と、レーザ反射器３とから構成されている。

なお、図１中において、管板Ｗの厚さ方向をＺ軸とし、当該Ｚ軸に直交する２つの軸をＸ軸及びＹ軸とする。また、図１では、説明の便宜上、Ｚ軸（厚さ方向）に対してＹＺ平面内で傾斜した状態（傾斜角θ１）の管孔Ｗａを図示している。

孔傾斜計測治具Ａにおいて、挿入棒１は、管板Ｗの管孔加工面Ｗｂに形成された管孔Ｗａに挿入自在な棒状部材である。この挿入棒１の直径は、管孔Ｗａの直径に応じて挿入作業に支障がない程度に適宜設定すれば良いが、挿入後の挿入棒１と管孔Ｗａとの間のクリアランスが大きすぎると、管孔Ｗａの傾斜状態の計測精度が低下するため、可能な限り挿入棒１の直径を管孔Ｗａの直径に近い値とすることが好ましい。

また、図１では、挿入棒１の一端が管板Ｗの背面（管孔加工面Ｗｂの反対側の面）から突出するように図示しているが、必ずしも挿入棒１の一端が管板Ｗの背面から突出する程度に挿入棒１の長さを設定する必要はない。但し、管孔Ｗａの傾斜状態の計測精度低下を防ぐためには、図１のように、挿入棒１を管孔Ｗａの内周面と当接した状態で保持することが好ましいため、挿入棒１の長さは少なくとも管孔Ｗａの長さ（管板Ｗの厚さ）以上とすることが好ましい。

回転棒２は、上記の挿入棒１の中心軸線１ａに直交するように当該挿入棒１に設けられた直交部材であり、より詳細には、挿入棒１の中心軸線１ａに直交するように、且つ該中心軸線１ａを回転軸線として回転自在に当該挿入棒１に設けられている。この回転棒２の長さは、回転棒２を回転させた場合に管板Ｗの管孔加工面Ｗｂに接触しない程度に適宜設定すれば良いが、挿入棒１の長さと比べて長くなり過ぎると、回転棒２を回転させた場合に挿入棒１が管孔Ｗａ内で動きやすくなる（管孔Ｗａの傾斜状態の計測精度低下を招く）ため、挿入棒１の長さより短くすることが好ましい。

レーザ反射器３は、上記の回転棒２において挿入棒１の中心軸線１ａから離間した位置に固定配置された球状の光反射部材である。図１では、レーザ反射器３が、上記の回転棒２において挿入棒１の中心軸線１ａから最も離れた位置、つまり回転棒２の端部に配置された状態を図示しているが、必ずしもこの位置にレーザ反射器３を配置する必要はなく、挿入棒１の中心軸線１ａから離間した位置であれば良い。但し、レーザ反射器３の配置位置が挿入棒１の中心軸線１ａに近づく程、管孔Ｗａの傾斜状態の計測精度が低下するため、可能な限り挿入棒１の中心軸線１ａから離れた位置にレーザ反射器３を配置することが好ましい。

以上が第１実施形態における孔傾斜計測治具Ａの構成に関する説明であり、以下ではこの孔傾斜計測治具Ａを用いて管孔Ｗａの傾斜状態を計測する孔傾斜計測方法について、図１及び図２を参照しながら具体的に説明する。

＜第１の工程＞
まず、孔傾斜計測方法における第１の工程として、孔傾斜計測治具Ａの挿入棒１を管孔Ｗａに挿入する前に、管孔Ｗａが形成された管孔加工面Ｗｂを基準面とし、管板Ｗの設置面（ＸＹ平面）に対する当該基準面の傾斜状態をレーザ計測法によって予め計測する。具体的には、管孔加工面Ｗｂの少なくとも３箇所にレーザ反射器３と同様の光反射部材を配置しておくと共に、管孔加工面Ｗｂの直上にレーザ計測器Ｍ（図１参照）を設置しておく。

レーザ計測器Ｍは、作業者による操作に応じて、管孔加工面Ｗｂ上の各光反射部材に対してレーザ光を照射する一方、各光反射部材によって反射されたレーザ光を受光し、レーザ光の照射タイミングと受光タイミングを基にレーザ計測器Ｍから各光反射部材までの距離を算出し、その算出結果（距離情報）を傾斜状態解析装置Ｄに出力する。

傾斜状態解析装置Ｄは、例えばパーソナルコンピュータであり、レーザ計測器Ｍから得られた距離情報に基づいて、管板Ｗの設置面（ＸＹ平面）に対する基準面（管孔加工面Ｗｂ）の傾斜状態を算出する（なお、この算出方法については公知であるため詳細な説明は省略する）。これにより、ＸＹＺ直交座標系における３次元的な基準面（管孔加工面Ｗｂ）の傾斜状態を計測することができる。

＜第２の工程＞
続いて、孔傾斜計測方法における第２の工程として、図１に示すように、孔傾斜計測治具Ａの挿入棒１を管孔Ｗａに挿入する。この時、図１に示すように、管孔Ｗａの傾斜状態の計測精度低下を防ぐために、挿入棒１を管孔Ｗａの内周面と当接した状態で保持することが好ましい。このような状態で挿入棒１を保持するために専用の治具を用いても良いし、或いは作業者の手によって保持しても良い。

＜第３の工程＞
続いて、孔傾斜計測方法における第３の工程として、孔傾斜計測治具Ａの回転棒２に対して平行な面を計測面とし、管板Ｗの設置面（ＸＹ平面）に対する計測面の傾斜状態をレーザ計測法によって計測する。具体的には、図２に示すように、回転棒２を、挿入棒１の中心軸線１ａを回転軸線として１２０°ずつ回転させ、１回転につき合計３箇所の位置（図２中のＰ１、Ｐ２、Ｐ３）でレーザ反射器３が停止するようにする。つまり、これら３つの位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は、回転棒２に対して平行な面（計測面）上に存在することになる。

まず、レーザ反射器３が位置Ｐ１に停止している時に、第１の工程と同様な手法によってレーザ計測器Ｍからレーザ反射器３（つまり位置Ｐ１）までの距離を求める。そして、回転棒２を１２０°回転させて、レーザ反射器３が位置Ｐ２に停止している時に、同じくレーザ計測器Ｍからレーザ反射器３（つまり位置Ｐ２）までの距離を求める。さらに、回転棒２を１２０°回転させて、レーザ反射器３が位置Ｐ３に停止している時に、同じくレーザ計測器Ｍからレーザ反射器３（つまり位置Ｐ３）までの距離を求める。

これら位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の距離情報はレーザ計測器Ｍから傾斜状態解析装置Ｄに送られ、傾斜状態解析装置ＤによってＸＹ平面に対する計測面の傾斜状態が算出される。これにより、ＸＹＺ直交座標系における３次元的な計測面の傾斜状態を計測することができる。なお、回転棒２を、挿入棒１の中心軸線１ａを回転軸線として９０°ずつ回転させ、１回転につき合計４箇所の位置でレーザ反射器３が停止するようにするなど、停止位置数（距離の計測数）を増やすことにより、計測面の傾斜状態、ひいては管孔Ｗａの傾斜状態を高精度に計測することができる。

＜第４の工程＞
最後に、孔傾斜計測方法における第４の工程として、第１の工程で計測した基準面の傾斜状態と、第３の工程で計測した計測面の傾斜状態との関係に基づいて、管孔Ｗａの傾斜状態を判断する。具体的には、傾斜状態解析装置Ｄは、基準面のＸＹ平面に対する傾斜角と計測面のＸＹ平面に対する傾斜角との差分を、管孔ＷａのＺ軸（厚さ方向）に対する傾斜角として算出する。

例えば、図１に示すように、管孔ＷａがＺ軸に対してＹＺ平面内で傾斜した状態（傾斜角θ１）で形成されている場合において、基準面（管孔加工面Ｗｂ）のＸＹ平面に対する傾斜角が０°であると仮定すると、計測面（回転棒２に対して平行な面）のＸＹ平面に対する傾斜角θ２が管孔Ｗａの傾斜角θ１として算出されることになる。傾斜状態解析装置Ｄは、上記のような管孔Ｗａの傾斜角θ１の算出結果を、管孔Ｗａの傾斜状態の計測結果として表示装置に表示したり、或いはプリントアウトするなどして作業者に報知する。

以上説明したように、本第１実施形態によれば、管板Ｗに形成された管孔Ｗａの傾斜状態を計測する場合に、孔傾斜計測治具Ａの挿入棒１を管孔Ｗａに挿入し、回転棒２を回転させれば良いため、従来のように管板Ｗの背面にアクセスする必要がなくなる。つまり、本実施形態における孔傾斜計測治具Ａを用いることにより、管孔Ｗａの加工作業途中に、一旦、管板Ｗを支持部材から外す必要がなくなり、加工作業の効率低下を防止することができる。

また、本第１実施形態における孔傾斜計測治具Ａは、挿入棒１、回転棒２及びレーザ反射器３という極めてシンプルな部材によって構成されているため、特許文献１或いは２で用いられる深穴評価プローブ（深穴計測プローブ）よりはるかに安価であり、且つ管孔Ｗａの細径化にも対応することができる（挿入棒１の径を小さくするだけで良い）。

〔第２実施形態〕
図３は、第２実施形態における孔傾斜計測治具Ｂの構成概略図である。なお、この図３において、図１（第１実施形態）と同様の構成要素には同一符号を付している。従って、以下では、説明の簡略化のため、第２実施形態の孔傾斜計測治具Ｂについて、第１実施形態の孔傾斜計測治具Ａと異なる点にのみ着目して説明し、一致する点の説明は省略する。

図３に示すように、第２実施形態の孔傾斜計測治具Ｂにおいて、第１実施形態の孔傾斜計測治具Ａと異なる点は、回転棒２に替えて、挿入棒１の中心軸線１ａに直交するように、且つ固定的に挿入棒１に設けられた円板４を備えている点と、レーザ反射器３が円板２上において挿入棒１の中心軸線１ａから離間した位置に移動自在に配置されている点である。

つまり、第１実施形態では、孔傾斜計測治具Ａの回転棒２を回転させながら、計測面（回転棒２に対して平行な面）のＸＹ平面に対する傾斜状態を計測するのに対し、第２実施形態では、孔傾斜計測治具Ｂの円板４上におけるレーザ反射器３の配置を変えながら、計測面（円板４に対して平行な面）のＸＹ平面に対する傾斜状態を計測する点で大きく異なっている。従って、孔傾斜計測治具Ｂを用いて管孔Ｗａの傾斜状態を計測する孔傾斜計測方法については、第１実施形態で説明した第３の工程の内容のみが異なるため、以下では、第２実施形態における第３の工程について説明する。

第２実施形態の孔傾斜計測方法における第３の工程としては、孔傾斜計測治具Ｂの円板４に対して平行な面を計測面とし、管板Ｗの設置面（ＸＹ平面）に対する計測面の傾斜状態をレーザ計測法によって計測する。具体的には、図４に示すように、円板４上におけるレーザ反射器３の配置位置を、挿入棒１の中心軸線１ａを中心として１２０°ずつ変えながら、合計３箇所の位置（図４中のＰ１、Ｐ２、Ｐ３）でレーザ計測器Ｍによる距離測定を行うようにする。

まず、レーザ反射器３を位置Ｐ１に配置した時に、第１の工程と同様な手法によってレーザ計測器Ｍからレーザ反射器３（つまり位置Ｐ１）までの距離を求める。そして、レーザ反射器３を移動させて位置Ｐ２に配置した時に、同じくレーザ計測器Ｍからレーザ反射器３（つまり位置Ｐ２）までの距離を求める。さらに、レーザ反射器３を移動させて位置Ｐ３に配置した時に、同じくレーザ計測器Ｍからレーザ反射器３（つまり位置Ｐ３）までの距離を求める。

第１実施形態と同様に、これら位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の距離情報はレーザ計測器Ｍから傾斜状態解析装置Ｄに送られ、傾斜状態解析装置ＤによってＸＹ平面に対する計測面（円板４に対して平行な面）の傾斜状態が算出される。なお、円板４上におけるレーザ反射器３の配置位置を、挿入棒１の中心軸線１ａを中心として９０°ずつ変えながら、合計４箇所の位置でレーザ計測器Ｍによる距離測定を行うようにするなど、配置位置数（距離の計測数）を増やすことにより、計測面の傾斜状態、ひいては管孔Ｗａの傾斜状態を高精度に計測することができる。

以上説明したように、本第２実施形態によれば、管板Ｗに形成された管孔Ｗａの傾斜状態を計測する場合に、孔傾斜計測治具Ｂの挿入棒１を管孔Ｗａに挿入し、円板４上におけるレーザ反射器３の配置位置を変えれば良いため、従来のように管板Ｗの背面にアクセスする必要がなくなる。つまり、本第２実施形態における孔傾斜計測治具Ｂを用いることにより、管孔Ｗａの加工作業途中に、一旦、管板Ｗを支持部材から外す必要がなくなり、加工作業の効率低下を防止することができる。

また、本第２実施形態における孔傾斜計測治具Ｂは、挿入棒１、円板４及びレーザ反射器３という極めてシンプルな部材によって構成されているため、特許文献１或いは２で用いられる深穴評価プローブ（深穴計測プローブ）よりはるかに安価であり、且つ管孔Ｗａの細径化にも対応することができる（挿入棒１の径を小さくするだけで良い）。

なお、本発明は上記実施形態に限定されず、以下のような変形例が挙げられる。
（１）上記第１及び第２実施形態では、計測対象孔として、熱交換器における管板Ｗに形成された管孔Ｗａを想定して説明したが、本発明がこれ以外の計測対象孔の傾斜状態を計測するために適用可能であることは勿論である。

（２）上記第１実施形態では、挿入棒１の中心軸線１ａに直交するように、且つ該中心軸線１ａを回転軸線として回転自在に当該挿入棒１に設けられた直交部材として、回転棒２を例示したが、この直交部材の形状は棒形状に限らず、十字形状や円形状、多角形状等の部材を直交部材として用いても良い。つまり、挿入棒１の中心軸線１ａを回転軸線として回転可能な直交部材であれば、特に形状に制限はない。

（３）上記第２実施形態では、挿入棒１の中心軸線１ａに直交するように、且つ固定的に当該挿入棒１に設けられた直交部材として、円板４を例示したが、この直交部材の形状は円形状に限らず、十字形状や多角形状等の部材を直交部材として用いても良い。つまり、レーザ反射器３の配置位置を自由に変えることができる直交部材であれば、特に形状に制限はない。

Ａ、Ｂ…孔傾斜計測治具、１…挿入棒（棒状部材）、２…回転棒（直交部材）、３…レーザ反射器（光反射部材）、４…円板（直交部材）、Ｗ…管板、Ｗａ…管孔、Ｗｂ…管孔加工面（基準面）、Ｍ…レーザ計測器、Ｄ…傾斜状態解析装置

Claims (4)

1. 平面に形成された計測対象孔に挿入自在な棒状部材と、
   該棒状部材の中心軸線に直交するように当該棒状部材に設けられた直交部材と、
   該直交部材において前記中心軸線から離間した位置に設けられた光反射部材と、
   を具備することを特徴とする孔傾斜計測治具。
2. 前記直交部材は、前記棒状部材の中心軸線に直交するように、且つ該中心軸線を回転軸線として回転自在に前記棒状部材に設けられており、
   前記光反射部材は、前記直交部材において前記棒状部材の中心軸線から離間した位置に固定配置されていることを特徴とする請求項１に記載の孔傾斜計測治具。
3. 前記直交部材は、前記棒状部材の中心軸線に直交するように、且つ固定的に前記棒状部材に設けられており、
   前記光反射部材は、前記直交部材において前記棒状部材の中心軸線から離間した位置に移動自在に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の孔傾斜計測治具。
4. 計測対象孔が形成された平面を基準面とし、当該基準面の傾斜状態をレーザ計測法によって予め計測する第１の工程と、
   前記計測対象孔に対し前記基準面側から請求項１〜３のいずれか一項に記載の孔傾斜計測治具を挿入する第２の工程と、
   前記孔傾斜計測治具の前記直交部材に対して平行な面を計測面とし、当該計測面の傾斜状態をレーザ計測法によって計測する第３の工程と、
   前記基準面の傾斜状態と前記計測面の傾斜状態との関係に基づいて、前記計測対象孔の傾斜状態を判断する第４の工程と、
   を含むことを特徴とする孔傾斜計測方法。

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