JP5011215B2

JP5011215B2 - 非接触寸法計測方法および装置

Info

Publication number: JP5011215B2
Application number: JP2008148454A
Authority: JP
Inventors: 香苗千葉; 宏之遠藤; 大輔五十嵐; 正美黒沢
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2008-06-05
Filing date: 2008-06-05
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2028-06-05
Also published as: JP2009294108A

Description

本発明は、非接触寸法計測方法および装置に係り、特に、光沢面で曲面を有する物体の光学的な非接触寸法計測方法および装置に関する。

従来から、金属やプラスチック等の光沢面の有無に関わらず、物体の形状寸法計測には非接触方式が用いられているが、なかでも計測対象物に対してレーザ光線を照射する方法やモアレ縞を投影する方法、その他計測対象物の画像を撮像して距離を計測する方法などあるが、いずれの方法も計測対象物から発せられる反射光を解析し、物体との距離を光学的に計測する方法である。

しかしながら、光学的計測方法においては、光線の照射角度が鏡面反射となる場合、計測するために十分な光量が得られず、計測が困難となる。

また、計測対象物の表面状態が光沢且つ曲面である寸法計測の場合、計測装置が発する計測光と計測対象物のなす角度は様々となるため、測定部位毎の反射係数も異なり、特に凹面などは多重散乱に起因する虚像が生じるため、実態寸法と全く異なる計測結果となるため、計測は困難である。

そこで、前述のような計測対象物を計測するために、計測装置もしくは計測対象物の位置や計測光の照射角度などを様々に変化させ、計測する方法が考えられるが、計測位置毎の計測データを繋ぎ合わせる作業が煩雑になり、さらには計測精度が低下する。

また、光沢面については、測定対象物の表面に対し、つや消し塗料や欠陥検出用の探傷スプレーやその他の粉末を塗布することで表面処理を施し、解決することができる。しかしながら、この方法は、計測終了後に前述表面処理を除去するなどの洗浄作業が必要となるため、極めて非効率的である。また、塗布材もしくは洗浄作業が計測対象物の品質に影響を与える場合などは、この方法を用いることはできないものである。

それに対して、特定の分野では、光沢面を有する物体に対し、表面結露を生じさせることにより計測対象物表面の光沢を一時的に除去し、表面形状を計測する方法として、加湿室である密閉空間において、ペルチェ素子を用いて計測対象物を冷却した上で、高温多湿エアーを計測対象物への吹きつけることで表面結露を生じさせ、光学的に形状を計測する方法（例えば、特許文献１参照）や、密閉容器内を−３０℃まで冷却した後、計測対象物を容器内にある程度の時間をかけて入れておき、表面結露を生じさせ、光学的に形状を計測する方法（例えば、特許文献２参照）が知られている。

特開２００５―２４９４８７号公報特開平８―２７１２３９号公報

しかしながら、特許文献１記載のものでは、冷却室と加温室を設ける必要があることや、ペルチェ素子への供給電力などから、計測対象物はレンズのような小型部品には適用の可能性はあるが、それ以上の大きさの計測対象物や、金属などのように冷却するために大量の熱量が必要となる材質の計測対象物に対しては、表面結露を発生させるための設備もワークの大きさ、材質により規模を大型にしなければならず、不経済である。

また、特許文献２記載のものでは、−３０℃という低温状態を維持可能で且つ計測対象物が投入可能な空間が必要となるため、この方法が適用可能な計測対象物は、現実的には小型部品に限られる。

したがって、特許文献１，２記載の方法では、例えば発電プラントなどに用いる機器で、タービンブレードやタービンロータなど大型部品には適用できず、これらの大型部品の光沢且つ曲面に対する寸法計測が困難であるという問題があった。

本発明の目的は、大型部品の光沢且つ曲面に対する寸法計測が可能な非接触寸法計測方法および装置を提供することにある。

（１）また、上記目的を達成するために、本発明は、光沢曲面を有する物体の光学的な非接触により寸法を計測する非接触寸法計測装置であって、大気中に配置された計測対象物に対して、前記計測対象物の計測部位を冷却する冷却装置と、前記計測部位を加湿する加湿装置と、前記計測部位の冷却中の温度を監視する放射温度計と、前記計測部位を含む計測環境の気温を計測する気温センサと、前記計測環境の湿度を計測する湿度センサと、前記計測対象物の形状を計測する非接触センサと、該非接触センサによる計測結果を処理する計測結果処理装置と、前記冷却装置により冷却された前記計測部位の表面温度を前記放射温度計により計測し、前記計測部位の温度が、前記気温センサ及び前記湿度センサの検出結果に基づく前記計測環境の露点温度以下且つ近傍となると、前記計測結果処理装置に対する計測トリガを与えるＭＰＵを備えるようにしたものである。
かかる構成により、大型部品の光沢且つ曲面に対する寸法計測が可能となる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記非接触センサのセンシング部と、前記冷却装置のノズルと、前記放射温度計のセンシング部と、前記加湿装置のノズルとが一体化された計測ヘッドと、前記非接触センサと、前記冷却装置と、前記放射温度計と、前記加湿装置と、前記気温センサと、前記湿度センサと、前記計測結果処理装置と、前記ＭＰＵとが一体化された計測制御装置本体とから構成されるものである。

本発明によれば、大型部品の光沢且つ曲面に対する寸法計測が可能となる。

以下、図１〜図４を用いて、本発明の一実施形態による非接触寸法計測装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による非接触寸法計測装置の全体構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による非接触寸法計測装置の全体構成を示すシステム構成図である。

図１は、本実施形態の非接触寸法計測装置を、火力発電プラント部品のパイプとフランジの溶接開先形状寸法の非接触計測に適用した場合を示している。計測対象物１は、パイプ１ａとフランジ１ｂが溶接されたものである。計測対象物１の材質はステンレスである。溶接開先は、溶接後に、工作機械による切削加工により形成されている。従って、切削加工面は、光沢面であるとともに、リング状の凹断面形状の曲面である。

計測対象物１は、大気中，すなわち、密閉空間のような閉じた空間ではなく、開放環境下に置かれている。従って、計測対象物１の周囲温度は常温であり、また、湿度はそのときの雰囲気の湿度となっている。また、計測対象物１の内、計測対象部分の寸法は、５〜１０ｃｍ四方である。

本実施形態の非接触寸法計測装置は、計測ヘッド１０と、計測装置本体１１とから構成されている。計測装置本体１１は、２次元レーザ変位センサ２と、気温センサ３と、湿度センサ４と、冷却装置５と、放射温度計６と、加湿装置７と、ＭＰＵ８と、計測結果処理手段９とを備えている。気温センサ３のセンシング部３ａと、湿度センサ４のセンシング部４ａは、計測部位の近傍に配置される。

計測ヘッド１０には、２次元レーザ変位センサ２のセンシング部２ａと、冷却装置５のノズル５ａと、放射温度計６のセンシング部６ａと、加湿装置７のノズル７ａとが一体化されている。

溶接開先形状寸法を計測するため非接触センサとしては、２次元レーザ変位センサ２を用いる。これにより、効率良く開先形状寸法を得ることができる。なお、非接触センサとしては、１次元の変位センサや３次元センサ、撮像式立体センサなどを用いることもできる。２次元レーザ変位センサ２から取得される寸法計測結果は、計測結果処理手段９に転送され、自動的に溶接開始位置の特定や溶接条件などの生成が行われる。

また、計測部位の表面結露の発生条件となる露点温度を決定するため、計測雰囲気の気温と湿度を計測するための気温センサ３と湿度センサ４が設置される。なお、気温計測は、冷却前の計測対象物１の表面温度を放射温度計６を用いることもできる。

さらに、計測対象物１の計測部位に表面結露を発生させるため、冷却装置５と、加湿装置７が配置されている。冷却装置５について、好ましくは、圧縮エアーを利用した熱交換機能型冷風発生器が良く、その他、電気的な冷却装置でも良い。また、加湿装置７について、好ましくは、圧縮エアーを利用した、水噴霧型の加湿器が良く、電気的な水蒸気発生装置でも良い。

ＭＰＵ８は、計測対象物１の計測部位において、表面結露の発生を制御するため、気温センサ３と湿度センサ４とから計測雰囲気の気温および湿度を自動的に随時取り込み、これら情報と図３にて示す湿り空気線図データから、露点温度を割り出し、冷却装置５の起動や放射温度計６からの計測部位の表面温度を取り込み、計測部位の表面温度が露点温度以下且つ近傍に制御され、目標温度に達した時、冷却装置５を停止し、加湿装置７を起動した後、計測結果処理装置９に対する計測トリガ８ａを与える。

ちなみに露点温度とは、水蒸気を含む空気を冷却したとき、凝結が始まる温度をいう。また、表面結露の初期状態とは、結露した水の粒子同士が、融合し水滴状態になる前の状態をいう。

これにより、計測対象物１の計測部位の付近の表面に結露が生じる。計測部位が光沢面の場合、その表面では鏡面反射となるため、２次元レーザ変位センサ２から照射光は、計測部位で鏡面反射され、２次元レーザ変位センサ２に戻らない場合があるため、計測が不可能となる。それに対して、表面結露が生じることで、計測対象物１の計測部位は、光沢面ではなく、拡散面となるため、鏡面反射を回避でき、２次元レーザ変位センサ２により非接触計測が可能となる。また、曲面の点についても、拡散面とすることで、２次元レーザ変位センサ２からのから照射光は、計測部位で拡散反射され、２次元レーザ変位センサ２に戻るため、計測が可能となる。

なお、計測対象物１の計測部位の温度は、表面露点温度よりも下げすぎると、計測対象物表面に付着した結露の粒子が互いに結合し、水滴となるため、計測が不可能となる。それに対しては、計測部位の表面温度が露点温度以下且つ近傍に制御することで、水滴化することを回避できる。計測部位の大きさは、５〜１０ｃｍ四方程度である。従って、計測部位の全体の温度を放射温度計６で計測し、計測範囲の中で一番温度が高いところの温度を、露点温度となるように制御した場合、計測部位の中で最も温度が低いところとの温度差は、せいぜい１〜２℃程度である。従って、このような温度分布であれば、計測部位全体について表面結露を生じさせることができるとともに、水滴化するのも防止できる。

計測部位表面に表面結露の初期状態を生じさせるには、例えば図３にて後述する湿り空気線図を用い、計測雰囲気の乾球温度（気温）を測定し、絶対湿度を割り出し、その時の露点温度を求め、計測対象物１の計測部位の表面温度を露点温度になるよう制御する。

なお、露点温度は、露点温度計により直接測定を行っても良く、その他、気温と相対湿度から水蒸気圧を求め、その水蒸気圧を飽和水蒸気圧とする温度を求めることにより得ることもできる。また、計測対象物１に表面結露を発生させる方法として、計測部位の表面温度を露点温度とする、高温の蒸気吹き付ける方法でも良い。

次に、図２及び図３を用いて、本実施形態による非接触寸法計測装置による計測方法について説明する。
図２は、本発明の一実施形態による非接触寸法計測装置による計測方法を示すフローチャートである。図３は、本発明の一実施形態による非接触寸法計測装置による計測時に用いる湿り空気線図である。

計測が開始すると、ステップＳ１０において、ＭＰＵ８は、気温センサ３を用いて、計測部位の雰囲気の気温を計測する。

次に、ステップＳ２０において、ＭＰＵ８は、湿度センサ４を用いて、計測部位の雰囲気の湿度を計測する。

次に、ステップＳ３０において、ＭＰＵ８は、図３に示す湿り空気線図を用いて目標冷却温度を決定する。すなわち、図３において、横軸は乾球温度を示し、縦軸は絶対湿度を示している。ステップＳ１０で計測された測定部位の雰囲気温度をＴ１とし、ステップＳ２０で計測された計測部位の雰囲気の湿度をＨ１とすると、ＭＰＵ８は、図３に示す湿り空気線図を用いて、温度Ｔ１と湿度Ｈ１の交点Ａ１を求める。その上で、点Ａ１の絶対湿度を維持した状態で、相対湿度１００％の曲線Ｈ２との交点Ａ２を求め、さらに、そのときの温度Ｔ２を露点温度として求める。露点温度Ｔ２が目標冷却温度となる。

次に、ステップＳ４０において、ＭＰＵ８は、冷却装置５を起動し、冷却ヘッド１０から冷風を測定部位に吹き付ける。これにより、測定部位の冷却が開始する。

そして、ステップＳ５０において、ＭＰＵ８は、放射温度計６を用いて、計測部位の表面温度を検出し、ステップＳ４０で設定した目標冷却温度に到達したか否かを判定する。

目標冷却温度に到達すると、ステップＳ６０において、ＭＰＵ８は、冷却装置５を停止する。冷却装置５を用い計測部位を冷却し、計測部位の表面温度が露点温度以下且つ近傍に達するまで、放射温度計６で監視し、冷却を継続することで、計測部位が表面結露する。

そして、ステップＳ７０において、ＭＰＵ８は、加湿装置７を起動し、冷却ヘッド１０から水を噴霧して、測定部位を加湿する。なお、加湿は必ずしも必要ではなく、計測対象物１の計測部位を露点温度以下に冷却するのみで、表面結露を発生させることができる。しかし、加湿装置７を用いることにより、短時間で表面結露を発生させることができ、計測工程を容易に生産工程に組み込むことができる。

次に、ステップＳ８０において、ＭＰＵ８は、計測結果処理装置９に対する計測トリガ８ａを与えることで、計測結果処理装置９は２次元レーザ変位センサ２の出力により、開先部分の２次元計測を開始する。

次に、図４を用いて、本実施形態による非接触寸法計測装置による計測結果について説明する。
図４は、本発明の一実施形態による非接触寸法計測装置による計測結果の説明図である。

図４（Ａ）は、本実施形態による非接触寸法計測装置を用いて、表面結露する前の状態での計測結果を示している。一方、図４（Ｂ）は、本実施形態による表面結露状態での計測結果を示している。図４（Ｂ）から理解されるように、図１に断面形状を示したフランジ１ｂの寸法が、本実施形態の装置を用いることで、正確に計測できる。

なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。例えば、計測対象物として発電プラントで用いる蒸気タービンやガスタービンの構成部品である、タービンブレードの翼形状寸法測定や根部の寸法検査およびタービンロータの寸法計測などに適用することができる。また、原子力発電プラントの炉内構造部品である、制御棒の中間寸法検査、最終寸法検査や制御棒駆動機構部品の溶接開先形状計測、圧力容器など光沢面の多い部品には好適である。

なお、以上の説明では、雰囲気温度を制御しているが、圧力調整可能なチャンバを用い、計測雰囲気の圧力を制御し、計測対象物の表面に結露を生じさせることもできる。

以上説明したように、本実施形態によれば、計測対象物の材質、大きさに関わらず、大気中において、洗浄作業を伴う表面処理が不要な光沢曲面の光学的な非接触寸法計測が可能となる。

本発明の一実施形態による非接触寸法計測装置の全体構成を示すシステム構成図である。本発明の一実施形態による非接触寸法計測装置による計測方法を示すフローチャートである。本発明の一実施形態による非接触寸法計測装置による計測時に用いる湿り空気線図である。本発明の一実施形態による非接触寸法計測装置による計測結果の説明図である。

符号の説明

１…計測対象物
２…２次元レーザ変位センサ
２ａ…照射光
２ｂ…反射光
３…気温センサ
４…湿度センサ
５…冷却装置
６…放射温度計
７…加湿装置
８…ＭＰＵ
９…計測結果処理手段
１０…計測ヘッド
１１…計測装置本体

Claims

光沢曲面を有する物体の光学的な非接触により寸法を計測する非接触寸法計測装置であって、
大気中に配置された計測対象物に対して、前記計測対象物の計測部位を冷却する冷却装置と、
前記計測部位を加湿する加湿装置と、
前記計測部位の冷却中の温度を監視する放射温度計と、
前記計測部位を含む計測環境の気温を計測する気温センサと、
前記計測環境の湿度を計測する湿度センサと、
前記計測対象物の形状を計測する非接触センサと、
該非接触センサによる計測結果を処理する計測結果処理装置と、
前記冷却装置により冷却された前記計測部位の表面温度を前記放射温度計により計測し、前記計測部位の温度が、前記気温センサ及び前記湿度センサの検出結果に基づく前記計測環境の露点温度以下且つ近傍となると、前記計測結果処理装置に対する計測トリガを与えるＭＰＵを備えることを特徴とする非接触寸法計測装置。
請求項１記載の非接触寸法計測装置において、
前記非接触センサのセンシング部と、前記冷却装置のノズルと、前記放射温度計のセンシング部と、前記加湿装置のノズルとが一体化された計測ヘッドと、
前記非接触センサと、前記冷却装置と、前記放射温度計と、前記加湿装置と、前記気温センサと、前記湿度センサと、前記計測結果処理装置と、前記ＭＰＵとが一体化された計測制御装置本体とから構成されることを特徴とする非接触寸法計測装置。