JP2623899B2 - 横断面積測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、鍛造や切削加工等により製造した製品
や、その製品に即した、すなわちそれと実質的に同一の
寸法形状のモデルの寸法や体積配分を非破壊で求める場
合に用いて好適な、横断面積測定装置に関するものであ
る。

（従来の技術） 長手方向位置によって横断方向の断面積（横断面積）
が大きく変化するような製品を鍛造により製造する場合
は通常、欠肉の発生や、過度のバリによる材料歩留りの
悪化を防止すべく、製品の長手方向の体積配分（横断面
積分布）に対応させて、鍛造素材をその長手方向に体積
配分する。

例えば、上記製品の一つである第５図（ｃ）に示す如
きクランクシャフトを鍛造する場合には、角棒状の素材
を、先ず、同図（ａ）に示す様にクランクシャフトの長
手方向の体積配分に対応させてロール成形により長手方
向に体積配分してから同図（ｂ）に示す様にジャーナル
部に対するウエイト部の位置ずれ方向に応じて曲げ加工
するというように予備成形し、その後その素材を鍛造型
内に供給して、同図（ｃ）に示す様に所定の寸法および
形状のクランクシャフトに鍛造成形するという工程を経
る。

しかして、上述した鍛造素材の体積配分を行うに際し
従来は、第６図に示す様に、製品であるクランクシャフ
ト１の、長手方向軸線に沿う横断面積の分布を示す断面
線図を、図面寸法形状から割り出した横断面積に基づい
て作成し、その断面線図から、横断面積が異なる部分毎
にその部分の横断面積と長さを求めてその部分の体積を
計算し、それらの体積に基づいて素材の長手方向の体積
配分を定めるという方法がとられていた。

また、軸対称製品の一つである例えば第７図に示すド
ライブシャフト21を鍛造や切削加工等により製造する場
合には、従来は通常、製造した製品を、軸部21a,21b,21
cの径方向寸法についてはノギス等の測定器具を同図に
矢印で示す如く当てて用いて、またテーパー部等の径方
向寸法が変化する部分の位置については第８図に示す如
きゲージ22を当てて、それぞれ人手により測定し、ある
いはレーザー光でその製品を走査する光学式測定装置等
を用いて自動的に測定して、製品の寸法検査を行ってい
た。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、鍛造製品の体積配分を求める上記前者
の場合にあっては、鍛造製品には通常各部に抜き勾配や
角部の面取り、曲面等が設けられるので、製品の図面寸
法形状から横断面積を精度良く求めるのは極めて困難で
あり、これがため従来は素材の体積配分を充分良好には
行い得なかった。

そして、この問題の解決のためには、鍛造型を用いて
鋼材を試し打ちし、あるいは、図面寸法形状に基づき軟
質材料を成形や切削して、製品に即した寸法形状の鍛造
用モデルを制作し、その鍛造用モデルを切断等して直接
各部の横断面積を求めることも考えられるが、このよう
にしても従来は、製品形状が複雑な場合にはその体積配
分である長手方向の横断面積分布を求めるのに適当な方
法がなかった。

また製造した軸対称製品の寸法を測定する上記後者の
場合にあっては、人手で行うと工数がかかるため抜取り
検査しかできず、しかも目視によるため個人差が生ずる
という問題があり、一方光学式測定装置を用いたのでは
装置が高価で検査コストが嵩むとともに測定可能範囲等
の制約が大きいという問題があった。

そしてこの問題の解決のためには、ここでの測定対象
物は軸対称製品であるので、横断面積の軸線方向分布を
非破壊で計測し得る適当な装置があれば良いことにな
る。

この発明は、かかる課題を有利に解決した横断面積測
定装置を提供するものである。

（課題を解決するための手段） この発明の横断面積測定装置は、所定比重の液体を貯
留する容器と、測定対象物を、その長手方向を垂直方向
として、前記容器内の前記液体に対し入れ出しする測定
対象物入出手段と、前記容器内の前記液体への前記測定
対象物の浸入長さを測定する浸入長さ測定手段と、前記
容器内の前記液体の見掛けの重量もしくはその液体中に
浸入している前記測定対象物の見掛けの重量を測定する
見掛け重量測定手段と、前記液体の比重と、前記測定し
た浸入長さおよび見掛けの重量とに基づき、前記測定対
象物の、前記液体の液面付近における横断面積を演算に
よって求める横断面積演算手段と、を具えてなることを
特徴とするものである。

（作用） 測定対称物を容器内の液体中にその長手方向を垂直方
向として任意の長さだけ浸しておき、その位置から液面
に対しさらに減少長さだけ入れ、もしくは引き出すと、
その測定対称物の、液体中に浸されている体積の変化量
に液体の比重を乗じた分だけ、その測定対称物に加わる
浮力が変化し、ひいては前記液体およびその液体中に浸
入している測定対称物の見掛けの重量がそれぞれ変化す
る。

従って、液面に対する測定対称物の微小出し入れ長さ
と液体もしくは測定対称物の見掛けの重量の変化量と液
体の比重とが判明すれば、測定対称物の、液面付近にお
ける横断面積が求まる。

かかる原理に基づきここでは、測定対称物入出手段
が、測定対称物をその長手方向を垂直方向として容器内
の液体中に浸入させてゆき、もしくはそこから引き出し
てゆき、その間に、浸入長さ測定手段が、その液体への
測定対称物の浸入長さを測定し、それとともに、重量測
定手段が、液体もしくは測定対称物の見掛けの重量を測
定し、それらの測定結果とあらかじめ求めた液体の比重
とから、横断面積演算手段が、測定対称物の各部の横断
面積を演算によって求める。

従ってこの発明の装置によれば、測定対称物の横断面
積分布を簡単な装置で自動的に非破壊で精度良く測定す
ることができるので、この装置を鍛造用モデルに適用す
れば、その長手方向の体積配分を高精度に求め得て鍛造
素材の体積配分を充分良好ならしめることができ、ま
た、この装置を軸対称製品に適用すれば、その各部寸法
を広い測定可能範囲で安価にかつ高精度に測定して検査
することができる。

（実施例） 以下に、この発明の実施例を図面に基づき詳細に説明
する。

第１図は、この発明の横断面積測定装置を鍛造用モデ
ルの測定に適用した一実施例を示す構成図であり、図中
２はフレーム、３は容器をそれぞれ示し、この容器３内
には、例えば水等の、所定比重の液体４が貯留されてい
る。

また、図中５は測定対象物入出手段としてのねじ式昇
降機構を示し、この昇降機構５は、フレーム２に昇降自
在に支持された二本のガイドロッド６の下端部に基板７
が固着されるとともに、フレーム２に螺合するねじ軸８
の下端部がその基板７に枢支され、そのねじ軸８の、フ
レーム２の上側の部分にハンドル９が螺合され、さら
に、基板７の下側に、測定対象物としての鍛造用モデル
を把持し得るグリッパ10が設けられて構成されてる。

そして、そのグリッパ10と基板７との間には、グリッ
パ10に加わる荷重を測定し得る、見掛け重量測定手段と
してのロードセル11が介挿され、またフレーム２には、
一方のガイドロッド６の側面に設けられたラック6aと噛
合するピニオン12aを具える、侵入長さ測定手段として
のロータリエンコーダ12が取りつけられており、それら
ロードセル11およびロータリエンコーダ12は、インタフ
エース13を介し、横断面積演算手段としての中央処理ユ
ニット（cpu）14に接続され、そのcpu14にはさらに、入
力された文字等を画像で表示するディスプレイ装置15
と、入力された文字等を紙面に印刷するプリンタ16とが
接続されている。

かかる横断面積測定装置にあっては、例えば鍛造型を
用いて鋼材を試し打ちして、製品に即した寸法形状の鍛
造用モデルとしてのクランクシャフト（製品と同一のも
のであるので、それと同一の符号１で示す。）を制作
し、そのクランクシャフト１の一端部をグリッパ10で把
持してハンドル９を所定方向へ手動で回転させることに
より、例えば第２図（ａ）に示す様に容器３内にその上
端まで一杯に満たした液体４中に、そのクランクシャフ
ト１を、その長手方向を垂直方向として図中矢印で示す
様に入れてゆくと、ロータリエンコーダ12が、液体４へ
のクランクシャフト１の侵入長さを、ガイドロッド６の
下降長さから測定して、その侵入長さを示す信号をイン
タフエース13を介しcpu14に入力し、これとともに、ロ
ードセル11が、その液体４中に侵入しているクランクシ
ャフト１の、浮力が加わった見掛けの重量を、グリッパ
10に加わる荷重から測定して、その見掛けの重量を示す
信号をインタフエース13を介しcpu14に入力する。

尚この場合には、液体４が当初から容器３内にその上
端まで一杯に満たされているので、クランクシャフト１
の浸入によって排除された液体４は容器３の上端から外
部にこぼれ落ち、この結果として液面の高さは常に一定
に保たれ、ガイドロッド６の下降長さはそのまま、液体
４へのクランクシャフト１の浸入長さとなる。

しかしてこれら入力された信号から、cpu14は以下の
如くしてクランクシャフト１の横断面積を演算する。

すなわち、ガイドロッド６の、クランクシャフト１の
下端面と液面とが同一高さとなる位置からの下降長さを
ｘ、クランクシャフト１の見掛けの重量をｆ（ｘ）、ク
ランクシャフト１の本来の重量をW_m、クランクシャフト
１の全体積をV_m、クランクシャフト１の全長をＬ、クラ
ンクシャフト１の液体４への侵入分の体積をＶ（ｘ）、
クランクシャフト１の密度をσ_ｍ、液体４の密度をσ_Ｌ
（但し、W_m＝ｆ（０）、Ｖ（０）＝０、σ_ｍ＝W_m/V_m、V
_m＝Ｖ（Ｌ）となる。）とすると、上記ｆ（ｘ）は、 ｆ（ｘ）＝｛V_m−Ｖ（ｘ）｝σ_ｍ＋Ｖ（ｘ）（σ_ｍ−σ
_Ｌ） ＝σ_ｍ・V_m−σ_Ｌ・Ｖ（ｘ） ＝W_m−σ_Ｌ・Ｖ（ｘ） …（１） となり、両辺をｘで微分すると、 となる。

従って、液面付近におけるクランクシャフト１の横断
面積Ｓ（ｘ）は、 となり、液体４の密度σ_Ｌは予め判明しているので、例
えば、ガイロッド６を断続的に下降させながら、その停
止毎に前回の停止位置からの下降長さと前回の停止時か
らの見掛けの重量の減少量とを入力信号から求めること
にて、あるいは例えば、ガイドロッド６を連続的に下降
させながら、入力信号に基づき一定距離下降する毎に見
掛けの重量の減少量を求めることにて、ガイドロッド６
の下降長さｘの変化量dxに対するクランクシャフト１の
見掛けの重量ｆ（ｘ）の変化量df（ｘ）の比を求めれ
ば、それを上式（２）に代入することにて、クランクシ
ャフト１の各部の横断面積Ｓ（ｘ）、ひいては横断面積
分布が求まる。

また、例えば第２図（ｂ）に示す様に容器３内にその
中間まで満たした液体４中に、上記と同様にしてクラン
クシャフト１を、その長手方向を垂直方向として図中矢
印で示す様に入れてゆき、それに伴ってロータリエンコ
ーダ12とロードセル11とからcpu14に信号を入力しても
良く、この場合には、クランクシャフト１の浸入によっ
て排除された液体４は容器３の上端から外部にこぼれ落
ちるのでなく液面の高さを上昇させるので、ガイドロッ
ド６の下降長さｘはそのまま液体４へのクランクシャフ
ト１の浸入長さとはならないが、次式を用いることに
て、そのガイドロッド６の下降長さｘの変化量dxに対す
る液体４へのクランクシャフト１の侵入長さｕの変化量
duの比を求めることができる。

すなわち、ガイドロッド６の、クランクシャフト１の
下端面と当初の液面とが同一高さとなる位置からの下降
長さがｘのときの、液面が上昇した液体４へのクランク
シャフト１の浸入長さをｕ、クランクシャフト１の液体
４への浸入分の体積をＶ（ｕ）、容器３の内側の横断面
積をS_Cとすると、 （１）式と同様にして、 ｆ（ｘ）＝W_m−σ_Ｌ・Ｖ（ｕ） …（３） となり、両辺をｘで微分すると、 となる。

この一方、クランクシャフト１を入れていない当初の
液体４の深さＨとすると、液体の全体積（Ｈ・S_C）と上
記体積Ｖ（ｕ）との合計が、上昇した液面下の全体積と
なるから、 Ｈ・S_C＋Ｖ（ｕ）＝｛（ｕ−ｘ）＋Ｈ｝S_C であり、従って、 Ｖ（ｕ）＝S_C（ｕ−ｘ） となり、両辺をｘで微分すると、 となる。

この（５）式に（４）式を代入すると、 となって、 となり、従って、 となる。

ところで、液面付近におけるクランクシャフト１の横
断面積Ｓ（ｕ）は、 となる。

この（７）式に（６）式を代入すると、 となって、 となり、従って、液体４の密度σ_Ｌと容器３の内側の横
断面積S_Cとは予め判明しているので、先に述べたと同様
にして、ガイドロッド６の下降長さｘの変化量dxに対す
るクランクシャフト１の見掛けの重量ｆ（ｘ）の変化量
df（ｘ）の比を入力信号から求めれば、それを上式
（８）に代入することにて、クランクシャフト１の各部
の横断面積Ｓ（ｕ）、ひいては横断面積分布が求まる。

しかして、上述の如くして演算により求めたクランク
シャフト１の横断面積分布をcpu14は、ディスプレイ装
置15やプリンタ16により、画像や印字として出力する。

従って、この実施例の装置によれば、鍛造用モデルと
してのクランクシャフト１の横断面積分布を容易にかつ
精度良く測定し得るので、クランクシャフト１の長手方
向の体積配分を高精度に求めることができ、ひいては素
材の体積配分を充分良好ならしめることができる。

尚、上記実施例の装置によれば、鍛造用モデルの、横
断面積が異なる部分毎に、その部分での下降長さと見掛
けの重量の変化量とから直接的にその部分の体積を求め
ることもでき、この様にしても、従来よりは正確に体積
配分を求めることができる。

第３図は、この発明の横断面積測定装置を軸対称製品
の測定に適用した他の実施例を示す構成図であり、図中
23は容器を示し、この容器23内には、例えば水等の、所
定比重の液体24が貯留されている。

また、図中25は測定対象物入出手段としての直角座標
型ロボットを示し、このロボット25は通常のマイクロコ
ンピュータを具えるロボット制御装置26により作動を制
御されて、その手首部に取り付けられたグリッパ27で、
測定対象物としての軸対称製品であるドライブシャフト
21を把持および開放し、またそのグリッパ27を移動させ
て、そこに把持したドライブシャフト21を、容器23内の
液体24に対し入れ出しすることができる。

一方、図中28は見掛け重量測定手段としての精密ばね
秤を示し、上記容器23はその精密ばね秤28の台28a上に
載置されており、この精密ばね秤28は、内蔵するばねの
反力で台28aを押し上げて容器23を支持するとともに、
内蔵するエンコーダで容器23および液体24の見掛けの重
量による上記ばねの撓みに基づく台28aの下降量を検出
し、それを信号として出力することができる。

そして、上記精密ばね秤28の出力信号は、通常のマイ
クロコンピュータを具える信号変換制御装置29に入力さ
れ、この信号変換制御装置29は、精密ばね秤28の出力信
号を演算により容器23内の液体24の見掛けの重量の増分
に変換して、その値を精密ばね秤28の表示装置28bに表
示させるとともに、その値を示す信号と台28aの下降量
を示す信号とを横断面積演算手段としての通常のパーソ
ナルコンピュータ30へ出力する。

この信号変換制御装置29の出力信号に加えてここにお
けるパーソナルコンピュータ30はさらに、ロボット25が
内蔵するロータリエンコーダの出力信号に基づきロボッ
ト制御装置26が出力する、グリッパ27が把持したドライ
ブシャフト21の位置を示す信号を入力し、またそれらの
入力信号に基づく演算結果をディスプレイ装置31や図示
しないプリンタにより出力する。

かかる横断面積測定装置にあっては、ロボット25の作
動に基づき、例えば鍛造により製造したドライブシャフ
ト21の一端部をグリッパ27で把持して、先ず第４図
（ａ）に示す様に容器23内の液体24の液面とドライブシ
ャフト21の下端とが同一高さとなる位置までそのドライ
ブシャフト21を移動させ、次いで液体24中にそのドライ
ブシャフト21を、図中矢印で示す様にその長手方向であ
る軸線方向を垂直方向として入れてゆくと、パーソナル
コンピュータ30が、ロボット25のロータリエンコーダの
出力信号からロボット制御装置26が変換した第４図
（ｂ）に示す液体24へのドライブシャフト21の下降長さ
ｘを示す信号を逐次入力するとともに、精密ばね秤28の
エンコーダの出力信号から信号変換制御装置29が変換し
た同図に示す容器23内の液体24の見掛けの重量の増分値
を示す信号と台28aの下降量ｙを示す信号とを逐次入力
する。

しかしてこれら入力された信号から、パーソナルコン
ピュータ30は以下の如くしてドライブシャフト21の横断
面積を演算する。

すなわち、上記の如くドライブシャフト21の、その下
端と液面とが同一高さとなる位置からの下降長さをｘ、
液体24内へのドライブシャフト21の浸入に伴う台28aひ
いては容器23の下降量をｙとするとともに、液体24の見
掛けの重量の増分値をＷ（ｘ）、ドライブシャフト21の
下端の液面からの浸入長さをｕ（ドライブシャフト21の
下端と液面とが同一高さとなる状態ではｘ＝０かつｕ＝
０となり、またドライブシャフト21が液体24に浸入して
いない状態ではｙ＝０かつＷ（ｘ）＝０となる）、液体
24の密度をσ_Ｌ、ドライブシャフト21の液体24への浸入
分の体積をＶ（ｕ）、容器23の内側の横断面積をS_C、精
密ばね秤28のばね定数をＫとすると、上記Ｗ（ｘ）は、 Ｗ（ｘ）＝Ｖ（ｕ）・σ_Ｌ …（１） となり、ここで、Ｖ（ｕ）は見掛けの液体増加量に等し
いため、 Ｖ（ｕ）＝（ｕ−ｘ）Sc＋ｙ・S_C …（２） となり、さらに容器23の下降量ｙはばね定数Ｋに基づき
次式により定まる。

従って、（２）式と（３）式とから、 となり、これを整理して、 とし、この（４）式を（１）式に代入すると、 Ｗ（ｘ）＝Ａ（ｕ−ｘ） …（５） となる。

但し、 とする。

次いで、（１）式をｘで微分すると、 となり、また（５）式をｘで微分すると、 となる。

一方、液面からの浸入長さがｕのドライブシャフト21
の液面付近での横断面積Ｓ（ｕ）は、液体24へのドライ
ブシャフト21の浸入分の体積Ｖ（ｕ）をｕで微分したも
のに等しいので、 となり、ここでＢ＝dW（ｘ）/dxとおくと、（６）式、
（７）式および（８）式から、 となる。

従って、液体24の密度σ_Ｌも、容器23の内側の横断面
積S_Cも、精密ばね秤28のばね定数Ｋも予め判明している
ので、例えば、ドライブシャフト21を連続的に下降させ
ながら、入力信号に基づき一定距離下降する毎に見掛け
の重量の減少量を求めることにて、ドライブシャフト21
の下降長さｘの変化量dxに対する液体24の見掛けの重量
Ｗ（ｘ）の変化量dW（ｘ）の比Ｂを求めれば、それを上
記（９）式に代入することにて、ドライブシャフト21の
各部の横断面積Ｓ（ｕ）が求まり、また（５）式にＷ
（ｘ）およびｘを代入することにてｕが求まるので、そ
れらから横断面積の軸線方向分布が容易にかつ高精度に
求まり、ここでドライブシャフト21は軸対称であるの
で、その横断面積分布から、各部の外径と、径方向寸法
が変化する部分の位置とが求まる。

ちなみに、Ｋ＝σ_Ｌ・S_Cとなるようにばね定数Ｋを選
べば、液面の高さを一定に保ち得るため、（４）式から
ｕ＝ｘとなり、また、（９）式は、Ｓ（ｕ）＝B/σ_Ｌと
簡単になるので、ドライブシャフト21の下降長さｘと横
断面積Ｓ（ｕ）との関係を直接的に求めることができ
る。

パーソナルコンピュータ30は、このようにして求めた
ドライブシャフト21の各部の外径および、径方向寸法が
変化する部分の位置の値をディスプレイ装置31や図示し
ないプリンタにより出力し、併せて、あらかじめ入力し
たそれらの外径および位置の誤差許容範囲と求めた各値
とを比較して、それらの値が誤差許容範囲内であれば合
格、誤差許容範囲外であれば不合格の判定結果もそれら
のディスプレイ装置31や図示しないプリンタにより出力
する。

従って、この実施例の装置によれば、軸対称製品とし
てのドライブシャフト21の各部寸法を、大きさが自由に
設定可能な容器23内の液体24に入れるのみで測定可能で
あることから広い測定可能範囲で、安価にかつ高精度に
測定して検査することができる。

以上、図示例に基づき説明したが、この発明は上述の
例に限定されるものでなく、例えば、測定対象物入出手
段は、先の昇降機構５においてハンドル９の替わりにモ
ータ駆動のナットを螺合したものでも良く、かかる場合
には、そのモータの作動をcpu14で測定と連動するよう
適宜制御することにて自動計測も可能となる。

さらにこの発明は、上記クランクシャフト以外の製品
についての鍛造用モデルや上記ドライブシャフト以外の
軸対称製品の横断面積の測定にも用い得ることはもちろ
んである。

（発明の効果） かくしてこの発明の装置によれば、測定対称物の横断
面積分布を簡単な装置で自動的に非破壊で精度良く測定
することができるので、この装置を鍛造用モデルに適用
すれば、その長手方向の体積配分を高精度に求め得て鍛
造素材の体積配分を充分良好ならしめることができ、ま
た、この装置を軸対称製品に適用すれば、その各部寸法
を広い測定可能範囲で安価にかつ高精度に測定して検査
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の横断面積測定装置を鍛造用モデルの
測定に適用した一実施例を示す構成図、 第２図（ａ）および（ｂ）は上記実施例の装置を用いた
横断面積測定方法を示す説明図、 第３図はこの発明の横断面積測定装置を軸対称製品の測
定に適用した他の実施例を示す構成図、 第４図（ａ）および（ｂ）は上記他の実施例の装置を用
いた横断面積測定方法を示す説明図、 第５図（ａ）〜（ｃ）は鍛造製品の一例としてのクラン
クシャフトの鍛造工程を示す説明図、 第６図は上記クランクシャフトの、図面寸法形状から割
り出した横断面積分布を示す断面線図、 第７図は軸対称製品の径方向寸法の従来の測定方法を示
す説明図、 第８図は軸対称製品の径方向寸法が変化する部分の位置
の従来の測定方法を示す説明図である。 １……クランクシャフト、3,23……容器 4,24……液体、５……昇降機構 11……ロードセル、12……ロータリエンコーダ 14……cpu、21……ドライブシャフト 25……ロボット、26……ロボット制御装置 28……精密ばね秤、29……信号変換制御装置 30……パーソナルコンピュータ

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定比重の液体（４）を貯留する容器
   （３）と、 測定対象物（1,21）を、その長手方向を垂直方向とし
   て、前記容器内の前記液体に対し入れ出しする測定対象
   物入出手段（5,25）と、 前記容器内の前記液体への前記測定対象物の浸入長さを
   測定する浸入長さ測定手段（12,25）と、 前記容器内の前記液体の見掛けの重量もしくはその液体
   中に浸入している前記測定対象物の見掛けの重量を測定
   する見掛け重量測定手段（11,28）と、 前記液体の比重と、前記測定した浸入長さおよび見掛け
   の重量とに基づき、前記測定対象物の、前記液体の液面
   付近における横断面積を演算によって求める横断面積演
   算手段（14,30）と、 を具えてなる横断面積測定装置。