JP5146180B2 - 油井管ねじ形状全周測定装置 - Google Patents

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Description

本発明は、油井管の管端部の軸芯が、ねじ形状測定基準位置を通る直線からずれた状態でセットされた場合、あるいは油井管の管端部に曲がりがある場合でも、油井管の管端部の軸芯とカメラの受光レンズ間の距離を合焦点距離に設定することができる油井管ねじ形状全周測定装置に関する。
油井管の管端に形成されたねじは、ねじ継ぎ手とねじ結合される。ねじ継ぎ手で接続された油井管は厳しい条件下で使用されるので、継ぎ手部でのシール性能は重要である。
そこで、ねじ形状を測定し、ねじ山高さ、テーパ量、シール部径Ds等を求め、品質保証を実施している(図3参照)。図3(a)中のテーパ基準長さは、ねじ部における耐シール性能を示すねじテーパ量を求める際の基準値であり、シール部径Dsは、シール部における耐シール性能を示す代表値である。図3(b)中のDは、ねじ山高さを求める際のねじ谷の外径を示す。
これらのうち、たとえばシール部径Dsを測定するには、メカゲージを用いて測定員が測定していたが、このような測定器具を用いてねじ形状を全周にわたり測定すると、時間がかかり、測定員も必要となる。このことから、ねじ形状全周測定装置が提案されている(たとえば特許文献1)。
特許文献1に記載のねじ形状全周測定装置は、図5(a)に示したように、平行光2aを被測定対象物の油井管Wのねじ部に照射する照射手段2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板上に投影し、該シルエット像を撮像する撮像手段であるカメラ1とからなる光学系を4対有し、4対の光学系を油井管Wのねじ部回りに回転可能な構成とし、撮像手段がCCD素子を有するラインセンサカメラとされている。このねじ形状全周測定装置によれば、高精細、高分解能のCCD素子を用いることで、数μm〜数十μmの測定精度を得ることが達成できる。また、カメラ出力として、図5(b)に示した2次元シルエット像14が得られ、図5(c)に示した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。
またさらに、1対の光学系を構成する照射手段2、カメラ1の好適例を図4に示した。
光源からの光を平行光2aとするテレセントリック投光レンズ系2bが組み込まれた照射手段2と、受光レンズ1a、テレセントリック受光レンズ系1b、撮像素子(リニアアレイCCD)1c、回転ミラー1dが組み込まれたカメラ1とからなり、カメラ1に画像入力装置4、ねじ形状演算装置5が接続されている。
特開2007-10393号公報
ここで、図4、図5(a)に示したように、少なくとも1対の光学系を油井管Wのねじ部回りに回転しつつ、シルエット像を撮像素子で撮像する受光光学系は、自動焦点合わせ機構を設けるのは光学的に難しい。そこで、ねじ形状の全周測定開始前に、被測定対象物とカメラ1の受光レンズ1a間の距離を合焦点距離Lに設定しておく必要がある。
しかし、少なくとも1対の光学系を油井管Wのねじ部回りに回転しつつ、シルエット像を撮像素子で撮像するねじ形状測定装置で、多数の油井管のねじ形状を測定した場合、焦点が合わなくなり、シルエット像14ににじみ部が生じることがあった。図6(a)は、シルエット像14の輪郭が鮮明なケースであり、図6(b)はシルエット像14ににじみ部があるケースである。この現象は、下記(1)、(2)によって、光学系の回転軸中心と、油井管の管端部の軸芯が一致していない場合に起こることがわかった。
(1)油井管の搬送設備の停止位置誤差によって、油井管Wの管端部の軸芯W1が、ねじ形状測定の基準位置Oからずれてセットされた場合(図7参照)。
実線で示す円が、ねじ形状測定基準位置Oからずれてセットされた油井管Wの長手方向断面形状を示し、破線で示す円が、ねじ形状測定基準位置Oにずれなくセットされた油井管Wの長手方向断面形状を示す。この油井管の搬送設備では、ねじ形状測定基準位置Oからのずれ量は最大で1mmであった。
(2)油井管の管端部に曲がりがある場合(図8参照)。
曲がり測定長さ300mmあたり、油井管Wの管端部における軸芯W1のまがり量は最大でδ=3mmであった。
このような場合、シルエット像14ににじみ部が生じるのは、合焦点距離Lに対し、ΔLだけ管端部における軸芯W1とカメラ1の受光レンズ1a間の距離がずれてしまうからである。
なお、受光光学系において、光学的な分解能と焦点深度とは相反する関係があり、分解能を優先すると、焦点深度は狭くなることが公知である。一方ねじ形状測定においては数μmの測定精度が要求されるために、分解能を十分高くする必要がある。そこで、分解能を優先し、ねじ形状測定精度を数μmに確保しようとした場合、シルエット像を撮像素子で撮像する受光光学系では、焦点深度の10倍程度、すなわち焦点ずれ量を1mm以内とする必要がある。焦点が合わなくなる距離ΔLは、合焦点距離Lからの隔たり量で決まる。
そこで、本発明は、上記従来技術の問題点を解消し、油井管の管端部の軸芯が、ねじ形状測定基準位置を通る直線からずれた状態でセットされた場合、あるいは油井管の管端部に曲がりがある場合でも、油井管の管端部の軸芯とカメラの受光レンズ間の距離を合焦点距離に設定することができる油井管ねじ形状全周測定装置を提供することを目的とする。
本発明者は、従来の油井管ねじ形状全周測定装置について鋭意検討した結果、被測定対象物とカメラの受光レンズ間の距離を合焦点距離に設定することができる4軸駆動の光学系焦点ずれ補正調整機構を回転架台とベース間に配置することで、上記課題を解決できることを見出し、この知見に基づいて本発明をなすに至った。
すなわち本発明は、以下のとおりである。
1.光源からの光を平行光として被測定対象物の油井管のねじ部に照射する照射手段と、被測定対象物の周囲を通過した平行光と被測定対象物で遮蔽された平行光とで形成されるシルエット像を撮像する撮像素子を有するカメラとからなる少なくとも1対の光学系を、前記油井管のねじ部周りに回転させ、前記油井管のねじ形状を測定するように構成した油井管ねじ形状全周測定装置において、
前記カメラの撮像素子で前記油井管のねじ部の周方向3箇所以上でシルエット像を撮像し、得られたシルエット像の画像情報に基づき検出したねじ部の輪郭から求めた管端部長手方向4箇所の断面の円の中心近くを通る回帰直線を決定し、該回帰直線とねじ形状測定基準位置を通る直線とのずれ量を演算することにより、前記油井管の管端部における軸芯が、前記光学系の回転軸中心からずれているずれ量を求めるずれ量演算手段と、
前記少なくとも1対の光学系を搭載する回転架台とベース間に配置された前記ずれ量演算手段で求めたずれ量を補正する上下位置調整、左右位置調整、前後傾斜調整、水平面回転調整である4軸駆動の光学系焦点ずれ補正調整機構と、を具備したことを特徴とする油井管ねじ形状全周測定装置。
本発明によれば、油井管の管端部の軸芯が、ねじ形状測定基準位置を通る直線からずれた状態でセットされた場合、あるいは油井管の管端部に曲がりがある場合でも、4軸駆動の光学系焦点ずれ補正調整機構でずれ量だけ補正した直線を、新たな光学系の回転軸中心とすることができる。したがって、油井管の管端部の外周に形成されたねじ形状を全周にわたり短時間でかつ精度よく測定することができる。
本発明について図を用いて説明する。
図1は、本発明におけるねじ形状全周測定の前処理に関する説明図であり、図2は、本発明の実施の形態にかかる油井管ねじ形状全周測定装置の構成図である。
回転架台9に搭載されている1対の光学系3は、回転架台9と一緒に油井管Wの周りに回転する。1対の光学系3を回転方向に向けて回転させるには、回転角度センサ8で回転架台9の回転角を検出しつつ、制御手段6で回転用サーボモータ7の回転を制御する。
なお、図2には、カメラ1と照射手段2とからなる1対の光学系3を、回転架台9に搭載した場合を示したが、複数対の光学系を回転架台9に搭載し、ねじ形状を全周にわたり測定することも本発明に含む。クランプ装置13は、油井管Wの搬送設備で搬送されてきた油井管Wの、前側である管端部が装置内に収まったときに、その後側をクランプする装置である。
本発明の特徴は、制御手段6に、カメラ1で油井管Wのねじ部のシルエット像を撮像し、得られたシルエット像の画像情報に基づき、油井管Wの管端部における軸芯W1が、光学系の回転軸中心からずれているずれ量を求めるずれ量演算手段6aが備えられており、このずれ量演算手段6aで求めたずれ量を補正する4軸駆動の光学系焦点ずれ補正調整機構12を具備したことである。この光学系焦点ずれ補正調整機構12は、少なくとも1対の光学系を搭載する回転架台9とベース10間に配置される。画像入力装置4、ねじ形状演算装置5、ずれ量演算手段6は、図2に示したように、測定用コンピュータ内に設けることができる。
まず、ずれ量演算手段6aについて説明し、4軸駆動の光学系焦点ずれ補正調整機構12については後述する。
(ずれ量演算手段6aについて)
ずれ量演算手段6aは以下のようにして、油井管Wの管端部における軸芯W1が、光学系の回転軸中心からずれているずれ量を求める。なお、光学系の回転軸中心は、ずれ量を補正していない場合、ねじ形状測定基準位置O(0,0,0)を通る直線と一致している(図7、図8参照)。
図1を用い、油井管Wの管端部の軸芯が、ねじ形状測定基準位置O(0,0,0)を通る直線からずれた状態でセットされ、かつ油井管Wの管端部における軸芯W1の曲がりがある場合において、軸芯W1の曲がり量を求め、軸芯曲がりの式を決定する前処理に関して説明する。
すなわち、ねじ形状演算装置5は、カメラ1と画像入力装置4を介して接続されているから、撮像素子で撮像して得られた2次元シルエット像の画像情報に基づき、ねじ部の輪郭を検出する。その際、2次元シルエット像にある程度のにじみ部があっても、求めるずれ量は数ミリ以下であるので、問題にならない。
そこで、以下のステップによって、管端部における軸芯W1曲がり量を表わす式を決める。なお、図1中、S1,S2,S3,S4は、油井管Wの管端部におけるねじ部の長手方向断面の円を示す。
ステップ(1):1対の光学系3をその回転軸中心周りに1回転させ、90度ごとに油井管Wの管端部におけるねじ部の2次元シルエット像を撮像し、周方向4箇所の2次元シルエット像の画像情報を得る(ある箇所での2次元シルエット像14の例:図5(b)参照)。
ステップ(2):周方向4箇所での2次元シルエット像の画像情報に基づき、ねじ部の輪郭を検出することができるから、円の形状S1,S2,S3,S4が決定でき、各円の中心をそれぞれ求めることができる。次いで、各円の中心(x1、y1、z1)、(x2、y2、z2)、(x3、y3、z3)、(x4、y4、z4)の近くをとおる回帰直線を決定し、この回帰直線をax+by+cz=0とする。
ステップ(3):この回帰直線:ax+by+cz=0と、光学系の回転軸中心である、ねじ形状測定基準位置O(0,0,0)を通る直線との間のずれ量は、数学的にずれ量演算手段6aで演算して求める。また、油井管の搬送設備の停止位置誤差によって生じるずれ量O’(α、β、γ)も、同様に求めることができる。
このずれ量演算手段6aで演算して求めたずれ量を、1対の光学系を搭載する回転架台とベース間に配置された4軸駆動の光学系焦点ずれ補正調整機構12で補正する。
ステップ(4):4軸駆動の光学系焦点ずれ補正調整機構12によってずれ量だけ補正した直線を、新たな光学系の回転軸中心とする。この光学系焦点ずれ補正調整機構12で補正され、設定した新たな光学系の回転軸中心は、回帰直線:ax+by+cz=0に一致する。
(4軸駆動の光学系焦点ずれ補正調整機構12について)
回転架台9は、光学系焦点ずれ補正調整機構12と、x軸方向にスライドするメインスライド11を介してベース1上に搭載されている。光学系焦点ずれ補正調整機構12の4軸駆動とは、上下位置調整、左右位置調整、前後傾斜調整、水平面回転調整である。
各位置調整の内容(図2参照)は以下である。
(a)上下位置調整:z軸方向へ回転架台9を移動する量の調整、(b)左右位置調整:y軸方向へ回転架台9を移動する量の調整、(c)前後傾斜調整:ねじ形状測定基準位置O(0,0,0)を通る直線はx軸に平行であり、x-y平面に対して傾いていないため、回帰直線:ax+by+cz=0のx-y平面に対する傾き角に合うように回転架台9の前後の高さ位置を変更する調整、(d)水平面回転調整:ねじ形状測定基準位置O(0,0,0)を通る直線はx軸に平行であり、x-z平面に対して傾いていないため、回帰直線:ax+by+cz=0のx-z平面に対する傾き角に合うように回転架台9を水平面(x-y面)内で回転する角度の調整。
以上の説明では、回転架台9に1対の光学系3を搭載したとして示したが、2対の光学系3を回転架台9に搭載した場合、ねじ形状全周測定の前処理はそれらを回転させて行い、
3対以上の光学系3を回転架台9に搭載した場合、周方向3箇所以上でねじ部の輪郭を検出することができ、円の形状を決定できるから、それらを回転せずともよい。
本発明によれば、油井管の管端部における軸芯が、ねじ形状測定基準位置O(0,0,0)を通る直線からずれているずれ量を求めるずれ量演算手段と、ずれ量演算手段で求めたずれ量を補正する4軸駆動の光学系焦点ずれ補正調整機構とを具備したから、油井管のねじ部とカメラの受光レンズ間の距離を合焦点距離に設定することができる。
このねじ形状全周データを用いることで、製造された油井管のシール性能の厳格保証、およびシール性能の向上のための、ねじ形状の最適設計が可能である。
本発明におけるねじ形状全周測定の前処理に関する説明図である。 本発明の実施の形態にかかる油井管ねじ形状全周測定装置の構成図である。 ねじの形状特性値を示す断面図である。 1対の光学系の内部構成を示す構成図である。 (a)は4対の光学系を用いたねじ形状測定装置の構成図、(b)はそれで得られるシルエット像の模式図、(c)はシルエット像に基づいて作成したねじ形状の3次元画像の斜視図である。 (a)はにじみ部がない場合のシルエット像の模式図、(b)はにじみ部がある場合のシルエット像の模式図である。 焦点ずれの原因を説明する模式図である。 他の焦点ずれの原因を説明する模式図である。
符号の説明
W 油井管(被測定対象物)
W1 管端部における軸芯
S1,S2,S3,S4 長手方向断面の円形状の輪郭
D ねじ谷の外径
Ds シール部径
O ねじ形状測定の基準位置
L 合焦点距離
ΔL 焦点が合わなくなる距離
1 カメラ
1a 受光レンズ
1b テレセントリック受光レンズ系
1c 撮像素子(リニアアレイCCD)
1d 回転ミラー
2 照射手段
2a 平行光
2b テレセントリック投光レンズ系
3 1対の光学系
4 画像入力装置
5 ねじ形状演算装置
6 制御手段
6a ずれ量演算手段
7 回転用サーボモータ
8 回転角度センサ
9 回転架台
10 ベース
11 メインスライド
12 光学系焦点ずれ補正調整機構
13 クランプ装置
14 2次元シルエット像

Claims (1)

  1. 光源からの光を平行光として被測定対象物の油井管のねじ部に照射する照射手段と、被測定対象物の周囲を通過した平行光と被測定対象物で遮蔽された平行光とで形成されるシルエット像を撮像する撮像素子を有するカメラとからなる少なくとも1対の光学系を、前記油井管のねじ部周りに回転させ、前記油井管のねじ形状を測定するように構成した油井管ねじ形状全周測定装置において、
    前記カメラの撮像素子で前記油井管のねじ部の周方向3箇所以上でシルエット像を撮像し、得られたシルエット像の画像情報に基づき検出したねじ部の輪郭から求めた管端部長手方向4箇所の断面の円の中心近くを通る回帰直線を決定し、該回帰直線とねじ形状測定基準位置を通る直線とのずれ量を演算することにより、前記油井管の管端部における軸芯が、前記光学系の回転軸中心からずれているずれ量を求めるずれ量演算手段と、
    前記少なくとも1対の光学系を搭載する回転架台とベース間に配置された前記ずれ量演算手段で求めたずれ量を補正する上下位置調整、左右位置調整、前後傾斜調整、水平面回転調整である4軸駆動の光学系焦点ずれ補正調整機構と、を具備したことを特徴とする油井管ねじ形状全周測定装置。
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