JP5603231B2 - 雄ねじを光学計測するための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１および請求項４に記載した雄ネジ、特に管の雄ネジを光学計測するための方法および装置に関する。

本発明の雄ネジは、例えばガスまたは石油等の特に高圧流体を輸送するパイプライン用の管に用いることが考えられる。その際に、管の末端側に雄ネジが設けられ、管は雌ネジを設けたソケット要素に螺合される。

このような高圧のパイプラインでは螺合部、すなわちネジの品質に厳しい要求がなされる。

このような管は、例えば石油やガスの採掘時にケーシング（保護管）、およびチュービング（立上り管）として用いられている。

これらの管の一般的な外径は６０．３ｍｍ〜１７７．８ｍｍとなっており、これらの管には４８以下のネジ溝を有するネジが切削されている。

切削された管ネジの品質検査は、目標設定値と比較可能にするためにネジの断面を幾何学的に計測することを必要とする。特に以下の値を測定する：
‐ 各ネジ溝（Gewindegang）の直径、
‐ インチ当りのネジのピッチ、
‐ 管端とネジの始端との間の自由端部の幅、
‐ ミリ（ｍｍ）オーダーのネジの長さ、
‐ ネジ面の高さ、
‐ ネジの輪郭、
‐ ネジの未切断部分。

品質検査について、製造ラインではネジを切削する間、例えば１５秒〜２５秒の周期時間にて手動による抜き取り（サンプリング）検査を実施できるにすぎない。

ネジの手動による計測は、時間を要し、費用がかかり、かつ総合的な品質検査としては不十分である。さらに、単なる抜き取り検査ではネジ品質の劣化が適時に検出されず、不良品および苦情が増加するおそれがある。

例えば、ボルト等の締結要素にてネジの破損を自動で検査するための光学方法および装置が特許文献１により公知となっている。

この装置は検査対象のボルトを照明するための機構を備えており、照明装置が、ネジのフランク（Flanke）に対してほぼ垂直に光線を照射するように、ボルトに対して位置合せされている。

この装置はさらにネジのフランクで反射した光線を捕捉するための捕捉光学系を備えており、捕捉光学系は、ネジのフランクに垂直に反射する光線を実質的に捕捉するように、締結要素に対して位置合せされている。

しかしながら、この装置ではネジの断面が検出されないので、管ネジの計測が実施できなくなっている。

独国特許出願公開第１０３５９８３７号明細書

本発明の課題は、安価で、かつ周期的なネジの製造中にてネジを１００％検査可能とする、雄ネジの断面、特に管の雄ネジの断面を光学計測するための方法を提供することである。さらなる課題は、この方法に対応する装置を提供することである。

これらの課題は、請求項１の前文と特徴部分に記載された構成とを合わせて解決されることとなる。有利な諸構成は従属請求項の対象となっている。

本発明によれば、事前に製造されたネジの断面を、逆光内に配置される照明装置およびカメラを備える少なくとも１つの計測ユニットと管との間における回転と直進とから成る相対運動によって、ネジの始端からネジの終端まで管の横断面に対して接線方向で照明し、または走査する。

ネジの輪郭の画像をカメラによって連続的に検出し、それに直接続いて光学信号を評価するとともに目標設定値と比較する。

本発明によれば、ネジの断面の走査時間を所要のカメラ空間分解能を考慮して後続のネジの製造用に必要な周期時間内とするように、走査速度を調節する。

有利には、本発明に係る方法によってネジの光学計測に不可欠なネジの断面のパラメータが完全に検出かつ評価可能となるということが、徹底的な実機試験によって実証されている。

主として自動化された方法によって、生産を中断することを必要とせずに１００％のネジの検査、すなわち完全な品質検査がネジの切断中に実施可能となっている。

ネジに対応したインラインの測定によって、ネジ切断プロセス中における品質変化に直ちに対応することができる。このようにしてネジおよび不良品の再加工が、ごく僅かとなり、検出されないネジ欠陥による苦情のおそれが著しく減少し、または排除可能となる。

有利には、ネジの断面の光学検出に高分解能ＣＣＤカメラが用いられ、このカメラによって複数のネジ溝の同時評価が可能となる。

有利な一実施形態において、照明は、テレセントリック光と、テレセントリック対物レンズを備えかつ相応に設計されたカメラとによって実施される。

テレセントリック構成要素を利用することには、測定系が太陽光や屋内光による外部光入射の影響を受けないという利点がある。この方法では、ネジの輪郭が明るい背景の前側に位置する暗い物体のように高コントラストで浮かび上がることとなる。

測定結果を所定の目標値と比較することによって、ネジの品質についての判断が得られることとなる。

管の直径またはネジの直径が大きい場合、有利には、ネジの計測が少なくとも２台のカメラを用いて管に対して向かい合う２箇所で同時に実施される。なぜならば、カメラ画像における断面の輪郭のズレが、ネジの欠陥に基づくものなのか、または計測ユニットに対する管の位置決め誤差に基づくものなのかを検出できないからである。

テレセントリック光路によって、位置偏差が小さい場合には目盛係数は一定したままとなり、測定精度には悪影響がない。

適用する光学系によっては、２つの計測ユニットを使用した場合には、管の半回転中で、相応するネジ溝を有する管の全周を検出することができる。

本発明によれば、性能を高めるために、ネジの断面の撮影と評価とを並行して実施するように他の計測ユニットを設置することもできる。

本発明によれば、計測ユニットの構成要素における幾何学的な設計、または検査すべきネジ直径に対応して、管と計測ユニットとの間における相対運動を様々な手法で実現できる。

一方で、ネジの連続計測のために管は回転可能であり、計測ユニットはネジ上で管長手方向に直進移動可能となっている。

他の可能性には、計測ユニットを管のネジの周りで回転させて、同時に管長手方向に直進移動させることがある。

加えて、ネジを連続計測するために計測ユニットを固定して位置決めし、計測ユニットの下で管を回転させ、かつ直進移動させる可能性がある。

他の可能性には、管を固定して位置決めし、計測ユニットを回転させ、かつ直進移動させることがある。

特定の管形のネジ断面における有利な自動シリーズ測定を適用する前には、学習モードにて目標のパラメータを調節する必要がある。これらは、主に、遵守すべき公差値の他にも、ネジのパラメータおよび管のパラメータの仕様を含んでいる。

本発明によれば、目標となる輪郭が、数学的曲線として表現されるか、または標準サンプル（ゴールデンサンプル）を採用することによって表現される。この標準サンプルは画像としてシステム内に記憶され、一連の測定用の基準として役立つこととなる。さらに有利には、標準サンプルをカメラの校正にも利用できる。

管が回転可能に支承され、計測ユニットが直進可能に支承されている場合には、支承部が厳密に位置合せされていないことに伴って、時として回転時に長手方向で管の意図しない「遊動」が生じることがある。

このような位置変化によって、測定中にネジ長さを厳密に定めることができなくなる場合があり、この測定は、計測ユニットの出発位置への復動中にはじめて実施できる。

ネジの長さを定めることに対するこの影響を検出するために、他の有利な特徴によれば、計測ユニットの位置を基準に管端の位置が管長手方向で連続的に定められ、計測中に発生する管の長さのズレを考慮してネジの長さが連続的に計算され、ネジの長さを計測ユニットの往動時に既に定めておくことができる。

有利には、軸線方向での管端の位置合わせはレーザ三角測量の原理によって定められる。その際、例えば管軸線に対して約３０°〜４０°の角度でＣＣＤカメラが管端に位置合せされる。管または管軸線の直接的な延長線上にラインレーザが配置されており、このレーザがレーザラインを管に投影する。カメラはレーザラインの位置を撮影する。

回転中に管の長手方向のズレが生じると、カメラ画像内でレーザラインが下方または上方に動くこととなる。これによって管端の軸線方向位置を直接判定できる。

カメラ画像内でのレーザラインの高さ位置から、管に対するラインレーザの距離または位置変化、つまり長手方向における管位置を測定することができる。測定の分解能は約０．５ｍｍの範囲内となっている。

加えて有利なこととしては、管端になお保護キャップまたはソケットが存在するか否かが検出される。ある場合では、レーザラインの長さが長くなり、警報信号が発生される。この信号によって、測定系がその基本位置から進出して機械的に破損することは防止される。

本発明に係る位置検出により提供される本質的利点：
‐ ネジの長さが、移動ユニットの復動時に管を立てた状態で測定されるのでなく、往動時に直接他のすべての測定値と一緒に測定されるが、このときに発生する長さズレの値だけ修正される。
‐ 移動ユニットの復動を高速で行うことができる。

本発明のその他の特徴、利点および詳細は以下の明細書から明らかとなる。

（Ａ）は、管の雄ネジの輪郭を光学計測するための２つの計測ユニットを備えた本発明に係る装置の原理図である。（Ｂ）は、ネジ山の逆光図である。 計測中に管の長手方向位置を検出するための本発明に係る測定ユニットを示す。

管の雄ネジのネジ輪郭を計測するための本発明に係る装置が図１（Ａ）に原理図で示してある。

性能を高めるために、すなわち測定時間を短縮するために、装置が２つの計測ユニット２を備えており、計測ユニットは管の横断面を基準として向かい合って配置されている。

計測ユニット２は、それぞれ１つの支持体３に取付けられる照明装置５，５’とカメラ４，４’とを備えており、管１の被計測ネジ６が管の横断面に対して接線方向で照明し、または走査され、かつネジ輪郭の画像がカメラによって検出されるように、照明装置およびカメラが逆光配置で配置されている。

本発明によれば照明装置５，５’およびカメラ４，４’がテレセントリック光用に設計されている。

光学信号は引き続きここでは図示しない評価ユニットにより評価され、引き続き遵守すべき目標設定値と比較される。

ネジ計測に不可欠な管１と計測ユニット２，２’との間の相対運動は、本発明によれば、管１を回転可能とし、計測ユニット２，２’を管１の長手方向で直進移動可能とすることによって実現される。

２つの向き合うテレセントリック計測ユニット２，２’によって、カメラ４，４’にて使用される光学系に依存した相当数のネジ溝を有する管の全周が、管の半回転中に検出される。同時に、ここでは図示しない直線駆動装置によって、計測ユニット２，２’が管１の長手方向に移動させられて、ネジ６が始端から終端まで完全に計測されることとなる。

本発明によれば、計測時の走査速度は、ネジの断面の走査時間を所要のカメラ空間分解能を考慮して次のネジの製造周期時間内とするように調節される。

図１（Ｂ）は計測時に欠陥のあるネジ山７の輪郭の逆光像を示す。ネジ山７の左フランクに、右フランクと比較してネジの目標となる輪郭からの明確な偏差を認めることができる。こうして後続ネジのネジ切断の製造プロセスに直接介入し、欠陥のあるネジを再加工することができる。

図２は、計測中における管の長手方向位置を検出するための本発明に係る測定ユニットを示している。

本発明によれば測定系８はラインレーザ１０とカメラ９とを含んでいる。ラインレーザ１０は管端から距離を置いて管軸線１２の直線上に配置され、カメラ９は管軸線１２に対して角度を持って配置されている。

ラインレーザ１０はレーザラインを管１に投影する。カメラ９がレーザラインの位置を撮影する。回転中に管１がその長手方向位置を変えると、カメラ画像内ではレーザラインが下方または上方に動くこととなる。これによって、管端の軸線方向位置が直接判定可能となる。

カメラ画像内でのレーザラインの高さ位置から、管に対するラインレーザの距離または位置変化、つまり長手方向における管位置が定められることとなる。カメラ９を管軸線に対して約３０°〜４０°の角度で管端に位置合せすると好ましいことが判明した。

計測ユニット２，２’（図１（Ａ））によって確定されたネジ長さは管長手方向のズレ値だけ修正され、ネジ長さは測定の往動時に既に厳密に定められることとなる。

１ 管
２，２’ 計測ユニット
３ 支持体
４，４’ テレセントリックカメラ
５，５’ テレセントリック照明装置
６ ネジ
７ ネジ山の輪郭
８ 管位置測定システム
９ 位置測定用カメラ
１０ 位置測定用ラインレーザ
１１ 管の端面
１２ 管軸線

Claims (15)

1. ネジを事前に製造ラインで周期的に製造して、続けて加工する前に、前記ネジの始端から終端までを直線的に連続計測するステップを含む、管端の雄ネジの断面を光学計測する方法において、
   前記事前に製造されたネジの断面を、逆光内に配置される照明装置およびカメラを備える少なくとも１つの光学計測ユニットと前記管との間における回転および直進から成る相対運動によって、前記管の横断面に対して接線方向に照明し、または走査し、前記ネジの断面を走査する時間を所要のカメラ空間分解能を考慮して後続のネジの製造周期時間内とするように、走査速度を調節し、前記ネジの輪郭の画像を前記カメラによって検出し、引き続き光学信号を評価するとともに目標設定値と比較するステップであって、前記管端の位置を、前記計測ユニットの位置を基準として管長手方向で連続的に定め、前記ネジの長さを前記計測の間に位置変化を考慮して計算し、かつ前記管端の位置を定めることをレーザ三角測量によって行うステップを含んでおり、
   前記相対運動のうち直進が前記管長手方向の往復移動になっており、前記直進の往動時における計測中にのみ前記ネジの長さが、前記計測中に発生する前記管の長さのズレに基づいて連続的に計算されて、前記ネジの長さが前記往動時に当該計算の結果に基づいて修正かつ設定されることを特徴とする、方法。
2. 前記照明がテレセントリック光によって行われることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 少なくとも２つの計測ユニットを用いることによって、前記管の横断面を基準として向かい合う２箇所で同時に計測を行なうことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記ネジを連続計測するために前記管を回転させ、前記計測ユニットを前記ネジ上で管長手方向に直進移動させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記ネジを連続計測するために前記計測ユニットを前記管のネジの周りで回転させ、同時に管長手方向に直進移動させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記ネジを連続計測するために前記計測ユニットを固定して位置決めし、前記管を計測ユニットの下で回転させ、かつ直進移動させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記照明装置および前記カメラを含む少なくとも１つの計測ユニットと前記光学信号を評価する評価ユニットとを備えている請求項１に記載の方法を実施するための装置において、
   前記照明装置（５，５’）および前記カメラ（４，４’）が、逆光配置で前記管（１）の横断面に対して接線方向で支持体（３）に位置決めされており、前記計測ユニット（２、２’）または前記管（１）が、互いに相対的に回転可能かつ直進移動可能に支承されていることを特徴とする、装置。
8. 前記計測ユニット（２，２’）がテレセントリック照明装置（５，５’）とテレセントリックカメラ（４，４’）とを備えていることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
9. 平行に計測する少なくとも２つの計測ユニット（２，２’）が、前記管（１）の横断面を基準として向かい合う２箇所に配置されていることを特徴とする、請求項７または８に記載の装置。
10. 前記カメラ（５，５’）がＣＣＤカメラとなっていることを特徴とする、請求項７〜９のいずれか一項に記載の装置。
11. 前記管（１）が回転可能に支承され、前記計測ユニット（２，２’）が直進移動可能に支承されていることを特徴とする、請求項７〜１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 前記管（１）が固定位置決めされ、前記計測ユニット（２，２’）が回転可能かつ直進移動可能に支承されていることを特徴とする、請求項７〜１０のいずれか一項に記載の装置。
13. 前記計測ユニット（２，２’）が固定して位置決めされ、前記管（１）が回転可能かつ直進移動可能に支承されていることを特徴とする、請求項７〜１０のいずれか一項に記載の装置。
14. 前記計測ユニット（２，２’）の位置に対して相対的に前記管（１）の長手方向位置を検出するための光学測定ユニット（８）を有する、請求項１に記載の方法を実施するための装置において、
    前記測定ユニット（８）が前記管端の端面（１１）を照射するラインレーザ（１０）と、前記管（１）の端面（１１）で反射したレーザ（１０）の光線を撮影するカメラ（９）とを備え、前記ラインレーザ（１０）が前記管端から距離を置いて管軸線（１２）の直線上に配置され、前記カメラ（９）が前記管軸線（１２）に対して角度を持って配置されていることを特徴とする、装置。
15. 前記カメラ（９）がＣＣＤカメラとなっていることを特徴とする、請求項１４に記載の装置。

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