JP6163342B2

JP6163342B2 - 開先形状計測方法及び装置

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Publication number: JP6163342B2
Application number: JP2013077066A
Authority: JP
Inventors: 山名　成彦; 成彦山名; 徹池▲崎▼; 正志鳥井
Original assignee: Nippon Steel Engineering Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Engineering Co Ltd
Priority date: 2013-04-02
Filing date: 2013-04-02
Publication date: 2017-07-12
Anticipated expiration: 2033-04-02
Also published as: JP2014202533A

Description

本発明は、平面板状または曲面板状のワークを溶接するためにワークの端面に加工された開先の形状を光切断法を原理とする変位センサによって計測する開先形状計測方法及び装置に係り、例えば、鋼管端部に加工された開先の形状計測に有用な開先形状計測方法及び装置に関する。

ワークを溶接するためにワークの端面に加工された開先の形状を管理する項目として、例えばＪ形の開先の場合、ルート面（ワークの板面に垂直なワークの端面の一部が相当）の高さ、表面側の開先のベベル面（ベベル角を有する開先面）の形状、表面側の開先の深さ、裏面側の開先の形状、裏面側の開先の深さ、等の項目がある。

従来では、それらの項目に該当する寸法を、ノギスや目盛付きのルーペ等を使用して肉眼で読み取り計測していた。

しかし、ノギスやルーペ等により人が読み取る計測方法は、計測者毎に読み取り値がバラついたり、加工した開先形状が実際には管理値外であるにも拘わらず管理値内であると判断してしまったりする懸念があった。

それらの問題を解消する開先形状計測方法の例として、特許文献１に、光学式の２次元変位センサを用いて開先形状を計測する方法が記載されている。この特許文献１に記載された方法は、配管端面の軸方向の変位及び半径方向の変位のうち少なくとも一方を２次元変位センサで計測し、その２次元変位センサを配管端面に沿って回転させることで、全周の開先形状を計測するようにしたものである。

この場合の２次元変位センサとして、例えば、光切断法を原理とする２次元変位センサを使用することができる。光切断法は、投光手段からワークの端面に検査光（スリット光）を照射し、この照射により開先の表面に形成される反射像つまり光切断像を、投光手段からある距離だけ離れた位置に配された撮像手段で撮像し、撮像した光切断像から開先の形状を検出するという手法である。光切断法を原理とする２次元変位センサは、前記投光手段と撮像手段とを一定の位置関係を保った状態で共に含むものとして構成されている。

特開２０００−３４６６３７号公報

ところで、光切断法を原理とする２次元変位センサでワークの端面の開先の形状を計測する場合、開先を加工したワークの端面に対して垂直な位置に２次元変位センサを配置し、ワークの端面に垂直に検査光（スリット光）を照射するのが一般的である。しかしそうした場合、開先形状に含まれるエッジ（角部）の位置を正確に計測できない場合があることが分かった。

即ち、開先形状に含まれるエッジは、ワークの厚さ方向に隣接する２面によって構成されているが、そのうちの一方の面が、検査光の照射方向に対して小さな角度しか持たずに急勾配となっている場合は、急勾配の面の反射光を検出できない可能性があり、エッジの位置を正確に割り出すことできない。

例えば、光切断法では一般的に７０°を超えるような急勾配になる部分の反射光は捕らえることが難しいため、エッジの位置を正確に検出することができず、そのために、開先形状を算出するための変曲点付近（エッジ付近）のデータが欠落する懸念があった。そうした場合、開先形状を正確に計測することができないという結果になる。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、開先形状に含まれるエッジの位置を正確に検出することができ、それにより、開先形状を正確に計測することのできる開先形状計測方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、以下の手段を採用する。
即ち、請求項１の発明に係る開先形状計測方法は、平面板状または曲面板状のワークを溶接するためにワークの端面に加工された開先の形状を光切断法を原理とする変位センサによって計測する開先形状計測方法であって、前記ワークの端面の垂線の方向をＸ軸方向、該Ｘ軸方向と直交する前記ワークの板厚方向をＹ軸方向とするとき、前記ワークの端面の垂線に対し、Ｙ軸方向におけるワークの表面方向及びワークの裏面方向の両側にそれぞれ所定の角度α１、α２だけ振り分けて、斜め方向から検査光を前記ワークの端面に照射して、それぞれ検査光を照射する方向を基準座標軸とする座標系における前記開先の光切断像データを取得するように、第１及び第２の２台の前記変位センサを配置し、前記２台の変位センサの取得した、それぞれ検査光を照射する方向を基準座標軸とする各座標系における開先の光切断像データを、前記Ｘ軸方向を基準座標軸とする座標系のデータに変換して、変換した両変位センサのデータを合成することで、前記開先形状を割り出し、前記各変位センサが取得した、それぞれ検査光を照射する方向を基準座標軸とする各座標系における開先の光切断像データの中から、それぞれ前記開先のルート面のワークの表面側のエッジの座標を抽出し、それら各座標系における前記エッジの座標を共通の座標点として、両変位センサの光切断像データを重ねた後、ワークの表面方向から取得した前記第１の変位センサの光切断像データについては、ワークの表面位置が前記Ｘ軸方向と一致するように座標軸を回転補正し、ワークの裏面方向から取得した前記第２の変位センサの光切断像データについては、ワークの裏面位置が前記Ｘ軸方向と一致するように座標軸を回転補正し、回転補正した両変位センサのデータを合成して１つの光切断像データとすることを特徴とする。

これにより、各変位センサの分担する計測範囲内に急勾配となる部分が無くなり、変曲点付近（エッジ付近）のデータが欠落せずに各変位センサによって収集されるようになる。そのため、エッジの位置を正確に検出することができるようになり、両変位センサのデータを合成して１つの光切断像データとすることにより、開先形状を規定する項目（ルート面の高さや開先のベベル面の形状や開先の深さなど）の計測精度を高めることができる。

また、請求項２の発明に係る開先形状計測方法は、管材のワークを溶接するためにワークの端面に加工された開先の形状を光切断法を原理とする変位センサによって計測する開先形状計測方法であって、前記ワークの端面の垂線の方向をＸ軸方向、該Ｘ軸方向と直交する前記ワークの板厚方向をＹ軸方向とするとき、前記ワークの端面の垂線に対し、Ｙ軸方向におけるワークの表面方向及びワークの裏面方向の両側にそれぞれ所定の角度α１、α２だけ振り分けて、斜め方向から検査光を前記ワークの端面に照射して、それぞれ検査光を照射する方向を基準座標軸とする座標系における前記開先の光切断像データを取得するように、第１及び第２の２台の前記変位センサを配置し、前記２台の変位センサの取得した、それぞれ検査光を照射する方向を基準座標軸とする各座標系における開先の光切断像データを、前記Ｘ軸方向を基準座標軸とする座標系のデータに変換して、変換した両変位センサのデータを合成することで、前記開先形状を割り出し、前記各変位センサが取得した、それぞれ検査光を照射する方向を基準座標軸とする各座標系における開先の光切断像データの座標軸を、それぞれに各変位センサの前記角度α１、α２だけ回転補正した後、各変位センサの光切断像データの中に共通して含まれる前記開先のルート面とルート面に対して角度を有するベベル面とがそれぞれ互いに一致するように平行移動補正して座標を共有化し、共有化した座標で表される両変位センサのデータを合成して１つの光切断像データとすることを特徴とする。

これにより、異なる方向から検出した各変位センサの光切断像データを回転補正した上で平行移動するだけで、１つの光切断像データに容易に合成できるようになる。

また、請求項３の発明に係る開先形状計測方法は、管材のワークを溶接するためにワークの端面に加工された開先の形状を光切断法を原理とする変位センサによって計測する開先形状計測装置であって、前記ワークの端面の垂線の方向をＸ軸方向、該Ｘ軸方向と直交する前記ワークの板厚方向をＹ軸方向とするとき、前記ワークの端面の垂線に対し、Ｙ軸方向におけるワークの表面方向及びワークの裏面方向の両側にそれぞれ所定の角度α１、α２だけ振り分けて、斜め方向から検査光を前記ワークの端面に照射して、それぞれ検査光を照射する方向を基準座標軸とする座標系における前記開先の光切断像データを取得するように配置された第１及び第２の２台の前記変位センサと、前記２台の変位センサの取得した、それぞれ検査光を照射する方向を基準座標軸とする各座標系における開先の光切断像データを、前記Ｘ軸方向を基準座標軸とする座標系のデータに変換して、変換した両変位センサのデータを合成することで、前記開先形状を割り出し、前記各変位センサが取得した、それぞれ検査光を照射する方向を基準座標軸とする各座標系における開先の光切断像データの中から、それぞれ前記開先のルート面のワークの表面側のエッジの座標を抽出し、それら各座標系における前記エッジの座標を共通の座標点として、両変位センサの光切断像データを重ねた後、ワークの表面方向から取得した前記第１の変位センサの光切断像データについては、ワークの表面位置が前記Ｘ軸方向と一致するように座標軸を回転補正し、ワークの裏面方向から取得した前記第２の変位センサの光切断像データについては、ワークの裏面位置が前記Ｘ軸方向と一致するように座標軸を回転補正し、回転補正した両変位センサのデータを合成して１つの光切断像データとするデータの処理装置と、を備えることを特徴とする。

これにより、１つのエッジの座標を基準にして、異なる方向から検出した各変位センサの光切断像データを１つの光切断像データに容易に合成できるようになる。

また、請求項４の発明に係る開先形状計測装置は、管材のワークを溶接するためにワークの端面に加工された開先の形状を光切断法を原理とする変位センサによって計測する開先形状計測装置であって、前記ワークの端面の垂線の方向をＸ軸方向、該Ｘ軸方向と直交する前記ワークの板厚方向をＹ軸方向とするとき、前記ワークの端面の垂線に対し、Ｙ軸方向におけるワークの表面方向及びワークの裏面方向の両側にそれぞれ所定の角度α１、α２だけ振り分けて、斜め方向から検査光を前記ワークの端面に照射して、それぞれ検査光を照射する方向を基準座標軸とする座標系における前記開先の光切断像データを取得するように配置された第１及び第２の２台の前記変位センサと、前記２台の変位センサの取得した、それぞれ検査光を照射する方向を基準座標軸とする各座標系における開先の光切断像データを、前記Ｘ軸方向を基準座標軸とする座標系のデータに変換して、変換した両変位センサのデータを合成することで、前記開先形状を割り出し、前記各変位センサが取得した、それぞれ検査光を照射する方向を基準座標軸とする各座標系における開先の光切断像データの座標軸を、それぞれに各変位センサの前記角度α１、α２だけ回転補正した後、各変位センサの光切断像データの中に共通して含まれる前記開先のルート面とルート面に対して角度を有するベベル面とがそれぞれ互いに一致するように平行移動補正して座標を共有化し、共有化した座標で表される両変位センサのデータを合成して１つの光切断像データとするデータの処理装置と、を備えることを特徴とする。

これにより、各変位センサの計測範囲内に急勾配になる部分が無くなり、変曲点付近（エッジ付近）のデータが欠落せずに各変位センサによって収集されるようになる。そのため、エッジの位置を正確に検出することができるようになり、両変位センサのデータを処理装置で処理して１つの光切断像データとすることにより、開先形状を規定する項目（ルート面の高さや開先のベベル面の形状や開先の深さなど）の計測精度を高めることができる。

また、請求項５の発明に係る開先形状計測装置は、前記２台の変位センサを前記ワークの端面に対する計測姿勢を保った状態で保持するセンサ支持部材と、該センサ支持部材を前記ワークの端面の延在方向に沿って案内しながら移動させる案内移動機構と、を備えることを特徴とする。

これにより、ワークの端面の開先形状を連続して精度良く計測することができる。

また、請求項６の発明に係る開先形状計測装置は、前記案内移動機構は、前記センサ支持部材を前記管材の周方向に沿って案内しながら移動させることを特徴とする。

これにより、鋼管等の管材の開先形状を精度良く計測することができる。

請求項１及び請求項４に係る発明によれば、光切断法の原理で形状を計測する２台の変位センサを、開先を加工したワークの端面に対して斜め２方向にそれぞれ配置し、斜め２方向から開先の光切断像データを取得するようにしているので、ワークの端面に垂直な方向から計測する場合には検査光の照射方向に対して急勾配になっていた部分を、いずれかの変位センサにより、急勾配でない状態で計測できるようになる。つまり、各方向の変位センサの計測できる範囲を敢えて分担することにより、急勾配であった部分を、急勾配でない状態で計測できるようになる。従って、変曲点付近（エッジ付近）のデータを欠落せずに各変位センサによって収集することができ、エッジの位置を正確に検出することができるようになる。その結果、両変位センサのデータを合成して１つの光切断像データとすることにより、開先形状を規定する項目（ルート面の高さや開先のベベル面の形状や開先の深さなど）の寸法を精度良く計測することができる。また、変位センサによる計測であるから、計測者が変わっても、常に同じ精度で計測することができる。

請求項２に係る発明によれば、各変位センサが取得した光切断像データを、１つのエッジの座標を基準にして重ね合わせた上で、座標軸を回転補正して１つの光切断像データとして合成するので、容易に精度の良い開先形状を割り出すことができる。

請求項３に係る発明によれば、各変位センサが取得した光切断像データの座標軸を回転補正した上で平行移動して重ねることで、各変位センサの光切断像データを、１つの光切断像データとして合成するので、容易に精度の良い開先形状を割り出すことができる。

請求項５に係る発明によれば、ワークの端面の開先形状を精度良く計測することができる。

請求項６に係る発明によれば、鋼管等の管材の開先形状を精度良く計測することができる。

本発明の実施形態の説明図で、ワークの端面に対する２台の２次元変位センサの配置を模式的に示す斜視図である。実施形態の方法で計測する開先形状の加工管理のための計測項目を示す断面図である。実施形態の方法で開先を計測している状態を示す側面図である。各２次元変位センサの計測データの処理法の第１例の説明図で、（ａ）はワークの表面側の２次元変位センサで計測したデータによりエッジの位置を割り出す手順の説明図、（ｂ）は（ａ）のＩＶｂ部分の拡大図、（ｃ）はワークの裏面側の２次元変位センサで計測したデータにより同じエッジの位置を割り出す手順の説明図、（ｄ）は（ｃ）のＩＶｄ部分の拡大図である。各２次元変位センサの計測データの処理法の第２例の説明図で、（ａ）はワークの端面と２台の２次元変位センサの関係を示す側面図、（ｂ）は２台の２次元変位センサのデータを合成処理する手順の説明図、（ｃ）は合成した結果として得られる開先形状の断面図である。ワークである鋼管の端部の開先形状を計測するための開先形状計測装置の第１の構成例を示す断面図である。図６の装置の鋼管内部に位置する部分の断面図である。ワークである鋼管の端部の開先形状を計測するための開先形状計測装置の第２の構成例を示す断面図である。比較例として、ワークの端面に垂直に２次元変位センサを配置した場合の例を示す側断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１は実施形態の説明図で、ワークの端面に対する２台の２次元変位センサの配置を模式的に示す斜視図である。

実施形態の開先形状計測方法は、図１に示すように、鋼板や鋼管などの平面板状または曲面板状のワークＷの端面に加工された開先Ｋの形状を計測するためのものであり、第１及び第２の２台の２次元変位センサＭ１、Ｍ２と、これら２台の２次元変位センサＭ１、Ｍ２のデータを処理する処理装置（図示せず）とを備えた開先形状計測装置により実施される。

２台の２次元変位センサＭ１、Ｍ２は、光切断法の原理で計測対象部位（本実施形態では開先）の外形形状を計測する変位センサである。これら２次元変位センサＭ１、Ｍ２は、センサに内蔵された投光手段から計測対象部位に検査光（スリット光）を照射し、その検査光が計測対象部位の外表面に当たることで形成される光切断像（開先の断面形状に相当する像）を、投光手段からある距離だけ離れた位置に配されて同じくセンサに内蔵された撮像手段で撮像することにより、計測対象部位の形状データを取得するものである。

図２は本実施形態で計測対象とする開先形状の加工管理のための計測項目を示している。
図２に示す開先Ｋは、互いに平行なワークＷの表面Ｐ１と裏面Ｐ２に垂直な端面に削り加工して形成されており、ワークの端面の一部として残されたルート面Ｋ１と、表面側開先であるベベル面Ｋ２と、斜めにカットされた裏側開先面Ｋ３と、を有している。ベベル面Ｋ２は、ルート面Ｋ１に対して角度β（ベベル角度）だけ開いており、ルート面Ｋ１と交わる部分は、ルート半径で規定されるアール曲面となっている。

この開先Ｋには、４つのエッジ（面と面が交わった角）Ｅ１〜Ｅ４が存在する。ワークＷの表面Ｐ１側から順に述べると、ワークＷの表面Ｐ１とベベル面Ｋ２との交わる部分に第１のエッジＥ１があり、ベベル面Ｋ２の図中下端の曲面とルート面Ｋ１との交わる部分に第２のエッジＥ２があり、ルート面Ｋ１と裏面Ｐ２側の開先面Ｋ３との交わる部分に第３のエッジＥ３があり、裏面Ｐ２側の開先面Ｋ３とワークＷの裏面Ｐ２との交わる部分に第４のエッジＥ４がある。

いま、開先Ｋの形状は、ワークＷの端面（ルート面Ｋ１が該当）の垂線の方向をＸ軸方向、Ｘ軸方向と直交するワークＷの板厚方向をＹ軸方向とするＸ−Ｙ座標系の座標として最終的に表されるように規定されている。この開先Ｋの形状の場合、ａで示す寸法であるルート面Ｋ１の高さ、ｂで示す寸法である表面側の開先幅、ｃで示す寸法である裏面側の開先の高さが、管理値とされており、これらのａ、ｂ、ｃの値が許容値内にあるか否かを管理し、許容値から外れる場合は再加工を促す。

本実施形態の計測方法では、２台の２次元変位センサＭ１、Ｍ２で計測した開先の断面形状データ（光切断像データ）から、最終的に、第１〜第４のエッジＥ１〜Ｅ４のＸ・Ｙ座標値を求める。そして以下の式により、各計測項目の値ａ、ｂ、ｃを算出する。いま、第１〜第４のエッジＥ１〜Ｅ４のＸ・Ｙ座標値がそれぞれ、Ｅ１（Ｘ_１、Ｙ_１）、Ｅ２（Ｘ_２、Ｙ_２）、Ｅ３（Ｘ_３、Ｙ_３）、Ｅ１（Ｘ_４、Ｙ_４）である場合、ａ、ｂ、ｃの値は以下のようになる。
ａ＝Ｙ_２−Ｙ_３
ｂ＝Ｘ_１−Ｘ_２
ｃ＝Ｙ_３−Ｙ_４
従って、エッジＥ１〜Ｅ４の座標値を正確に求めることが重要である。

ところで、光切断法を計測原理とする２次元変位センサでワークの端面の開先の形状を計測する場合、図９の比較例を示すように、開先を加工したワークＷの端面に対して垂直な位置に２次元変位センサＭを配置し、ワークＷの端面に垂直に検査光（スリット光）１０を照射するのが一般的であるが、そうした場合、開先形状に含まれるエッジＥ１〜Ｅ４の位置を正確に計測できない場合がある。

即ち、開先形状に含まれるエッジＥ１〜Ｅ４は、ワークＷの厚さ方向に隣接する２面によって構成されているが、そのうちの一方の面が、検査光１０の照射方向に対して小さな角度しか持たずに急勾配となっている場合は、急勾配の面の反射光を検出できない可能性があり、エッジＥ１〜Ｅ４の位置を正確に割り出すことできない。

この図示例の場合、第１のエッジＥ１を構成する２面のうちの１面は板状のワークＷの表面Ｐ１であり、この面Ｐ１は検査光１０の照射方向に対して角度を持たない（つまり検査光１０に対してほぼ平行である）ので、７０°を超える急勾配の部分に相当し、この面からの反射光は捕らえることができない。従って、エッジＥ１の位置を正確に検出することができない。他のエッジＥ２〜Ｅ４についても同様のことが言える。

そのために、開先形状を算出するための変曲点付近（エッジ付近）のデータが欠落する懸念があり、結果的に、開先形状を正確に計測することができないことになる。

それに対し、本実施形態では、図３に示すように、ワークＷの端面の垂線Ｔに対し、Ｙ軸方向におけるワークＷの表面Ｐ１方向及びワークＷの裏面Ｐ２方向の両側にそれぞれ所定の角度α１、α２だけ振り分けて、斜め方向から検査光１０をワークＷの端面に照射して、それぞれ検査光１０を照射する方向を基準座標軸とする座標系における開先Ｋの光切断像データを取得するように、第１及び第２の２台の２次元変位センサＭ１、Ｍ２を配置している。

つまり、１台目の第１の２次元変位センサＭ１は、ワークＷの端面の垂線Ｔに対し角度α１＝２０°〜６０°の範囲で図中斜め上方から、開先Ｋを計測することができるように配置してある。また、２台目の第２の２次元変位センサＭ２は、ワークＷの端面の垂線Ｔに対し角度α２＝２０°〜６０°の範囲で図中斜め下方から、開先Ｋを計測することができるように配置してある。

このように２台の２次元変位センサＭ１、Ｍ２をワークＷの端面に対して斜め方向に配置することで、エッジＥ１〜Ｅ４の検出範囲をそれぞれ分担している。つまり、一方の２次元変位センサＭ１（Ｍ２）では検出できない範囲を他方の２次元変位センサＭ２（Ｍ１）で検出できるようにしており、いずれか一方の２次元変位センサＭ１、Ｍ２が必ず急勾配の無い状態でエッジＥ１〜Ｅ４の検出を行えるようにしてある。

例えば、表面Ｐ１側（図３中上側）の第１の２次元変位センサＭ１は、第１のエッジＥ１と第２のエッジＥ２を急勾配の無い状態で検出することができる。また、裏面Ｐ２側（図３中下側）の第２の２次元変位センサＭ２は、第３のエッジＥ３と第４のエッジＥ４を急勾配の無い状態で検出することができる。なお、裏面Ｐ２側（下側）の第２の２次元変位センサＭ２は、ルート面Ｋ１の上側の第２のエッジＥ２の位置を、急勾配の無い状態で正確に検出することはできないが、検出データに対し後でデータ処理を施すことにより、第２のエッジＥ２の位置を精度よく算出することができるようになる。

そして、２台の２次元変位センサＭ１、Ｍ２の取得した、それぞれ検査光１０を照射する方向を基準座標軸とする各座標系における開先の光切断像データを、図示略の処理装置でデータ処理することによって、即ち、Ｘ軸方向を基準座標軸とする座標系のデータに変換して、変換した両２次元変位センサＭ１、Ｍ２のデータを合成することによって、開先形状を割り出すことができる。

次に、両２次元変位センサＭ１、Ｍ２の取得したデータを処理する方法について述べる。
図４は各２次元変位センサＭ１、Ｍ２の計測データの処理法の第１例の説明図で、（ａ）はワークの表面側の２次元変位センサＭ１で計測したデータにより第２のエッジＥ２の位置を割り出す手順の説明図、（ｂ）は（ａ）のＩＶｂ部分の拡大図、（ｃ）はワークの裏面側の２次元変位センサＭ２で計測したデータにより同じ第２のエッジＥ２の位置を割り出す手順の説明図、（ｄ）は（ｃ）のＩＶｄ部分の拡大図である。

この第１例の処理法では、まず、各２次元変位センサＭ１、Ｍ２が取得した、それぞれ検査光を照射する方向を基準座標軸とする各座標系における開先Ｋの光切断像データの中から、それぞれ開先Ｋのルート面Ｋ１のワークＷの表面側の第２のエッジＥ２の座標を抽出する。

まず、図４（ａ）及び（ｂ）に示す要領で、第１の２次元変位センサＭ１の光切断像データ（断面データともいう）の中の第２のエッジＥ２−ａの座標を抽出する。

それには、
（１）断面データ内で最も２次元変位センサＭ１に近い位置（点Ａ）を検出する。
最も２次元変位センサＭ１に近い点Ａの検出は、２次元変位センサＭ１の距離測定用基準線Ｍ１−ｍからの距離Ｓが一番小さい点を探すことで検出する。
（２）次に断面データ内の一番端の位置（点Ｂ）を検出する。
一番端の位置とは、取得した断面データのうち、検査光の照射方向と直交する方向（スリット光の幅方向）における一番端の位置を指し、点Ｂは、点Ａから見て第２のエッジＥ２がありそうな位置（第２のエッジの位置はまだ未確定）よりも遠い側の端の位置である。
（３）次に線分ＡＢから引いた垂線２３が、ルート面Ｋ１の上側エッジ（第２のエッジＥ２）付近の形状を表す外形線（外形形状の計測データとして既に取得している）と交わる点のうち、線分ＡＢから最も遠い位置にある点Ｅ２−ａを、ルート面Ｋ１の上側のエッジの位置であると判定する。そして、その点Ｅ２−ａを結合点とする。

次に、図４（ｃ）及び（ｄ）に示す要領で、第２の２次元変位センサＭ２の光切断像データ（断面データともいう）の中の第２のエッジＥ２−ｂの座標を抽出する。

それには、
（１）断面データ内で最も２次元変位センサＭ２に近い位置（点Ａ）を検出する。
最も２次元変位センサＭ２に近い点Ａの検出は、２次元変位センサＭ２の距離測定用基準線Ｍ２−ｍからの距離Ｓが一番小さい点を探すことで検出する。
（２）次に断面データ内の一番端の位置（点Ｂ）を検出する。
一番端の位置とは、取得した断面データのうち、検査光の照射方向と直交する方向（スリット光の幅方向）における一番端の位置を指し、点Ｂは、点Ａから見て第２のエッジＥ２がありそうな位置（第２のエッジの位置はまだ未確定）よりも遠い側の端の位置である。
（３）次に線分ＡＢ３１から引いた垂線３３が、ルート面Ｋ１の上側エッジ（第２のエッジＥ２）付近の形状を表す外形線（外形形状の計測データとして既に取得している）３２と交わる点のうち、線分ＡＢ２１から最も遠い位置にある点Ｅ２−ｂを、ルート面Ｋ１の上側のエッジの位置であると判定する。そして、その点Ｅ２−ｂを結合点とする。

次に、第１、第２の２次元変位センサＭ１、Ｍ２の計測データをそれぞれ規定する各座標系における第２エッジＥ２の座標Ｅ２−ａ、Ｅ２−ｂを共通の座標点として、図４（ａ）及び（ｂ）にそれぞれ示す両２次元変位センサＭ１、Ｍ２の光切断像データを平行移動して重ねる。

次に、ワークＷの表面Ｐ１方向から取得した第１の２次元変位センサＭ１の光切断像データについては、
ワークＷの表面Ｐ１の位置がＸ軸方向と一致するように回転補正する。つまり、結合点Ｅ２−ａを支点として、点Ｅ２−ａから引いたワークの表面Ｐ１の平行線２４とＸ軸２５とを一致させるように、２次元変位センサＭ１の計測データの座標軸を回転補正（角度θａの回転補正）する。

また、ワークＷの裏面Ｐ２方向から取得した第２の２次元変位センサＭ２の光切断像データについては、ワークＷの裏面Ｐ２の位置がＸ軸方向と一致するように回転補正する。つまり、結合点Ｅ２−ｂを支点として、点Ｅ２−ｂから引いたワークの表面Ｐ１の平行線３４とＸ軸３５とを一致させるように、２次元変位センサＭ２の計測データの座標軸を回転補正（角度θｂの回転補正）する。次に回転補正した両２次元変位センサＭ１、Ｍ２の光切断像データを合成して１つの光切断像データとする。

図５は各２次元変位センサＭ１、Ｍ２の計測データの処理法の第２例の説明図で、（ａ）はワークの端面と２台の２次元変位センサの関係を示す側面図、（ｂ）は２台の２次元変位センサのデータを合成処理する手順の説明図、（ｃ）は合成した結果として得られる開先形状の断面図である。

この第２例の処理法では、まず、図５（ｂ）の「回転」の部分に示すように、各２次元変位センサＭ１、Ｍ２が取得した、それぞれ検査光を照射する方向を基準座標軸とする各座標系における開先Ｋの光切断像データの座標軸を、それぞれに各２次元変位センサＭ１、Ｍ２の設置角度α１、α２〔図５（ａ）参照〕だけ回転補正して、Ｘ−Ｙ座標系のＸ・Ｙ座標軸に平行となるようにする。

次に、各２次元変位センサＭ１、Ｍ２の光切断像データの中に共通して含まれる開先のルート面Ｋ１とルート面Ｋ１に対して角度βを有するベベル面Ｋ２とが互いに一致するように（つまり重なるように）平行移動補正して座標を共有化する。そして、共有化した座標で表される両２次元変位センサＭ１、Ｍ２のデータを合成して１つの光切断像データとする。

そして、以上の第１例や第２例のようにして結合した光切断像データ（断面データ）から、計測した面の角度変化の割合（面の位置を示す曲線を微分した場合の傾きに相当）がしきい値を超える部分をエッジＥ１〜Ｅ４とし、それらの座標を求め、エッジＥ１〜Ｅ４のＸ・Ｙ座標から評価のための項目値ａ（ルート面Ｋ１の高さ）、ｂ（表面側の開先幅）、ｃ（裏面側の開先の深さ）を求める。

従って、上述した実施形態の開先形状計測方法によれば、光切断法の原理で形状を計測する２台の２次元変位センサＭ１、Ｍ２を、開先Ｋを加工したワークＷの端面に対して斜め２方向にそれぞれ配置し、斜め２方向から開先Ｋの光切断像データを取得するようにしているので、図９に示すように、ワークＷの端面に垂直な方向から計測する場合には検査光１０の照射方向に対して急勾配になっていた部分を、いずれかの２次元変位センサＭ１、Ｍ２により、急勾配でない状態で計測できるようになる。

つまり、各方向の２次元変位センサＭ１、Ｍ２の計測できる範囲を敢えて分担することにより、急勾配であった部分を急勾配でない状態で計測できるようになる。従って、変曲点付近（エッジＥ１〜Ｅ４付近）のデータを欠落せずに各２次元変位センサＭ１、Ｍ２によって収集することができ、エッジＥ１〜Ｅ４の位置を正確に検出することができるようになる。

その結果、両２次元変位センサＭ１、Ｍ２のデータを合成して１つの光切断像データとすることにより、開先形状を規定する項目（ルート面の高さや開先のベベル面の形状や開先の深さなど）ａ、ｂ、ｃの寸法を精度良く計測することができる。また、２次元変位センサＭ１、Ｍ２による計測であるから、計測者が変わっても、常に同じ精度で計測することができる。

また、データ処理の第１の例によれば、各２次元変位センサＭ１、Ｍ２が取得した光切断像データを、１つのエッジＥ２の座標を基準にして重ね合わせた上で、座標軸を回転補正して１つの光切断像データとして合成するので、容易に精度の良い開先形状を割り出すことが可能となる。

また、データ処理の第２の例によれば、各２次元変位センサＭ１、Ｍ２が取得した光切断像データの座標軸を回転補正した上で平行移動して重ねることで、各２次元変位センサＭ１、Ｍ２の光切断像データを１つの光切断像データとして合成するので、容易に精度の良い開先形状を割り出すことができる。

次に実際の使用に供される具体的な構成の開先形状計測装置について述べる。
図６はワークＷである鋼管の端部の開先形状を計測するための開先形状計測装置の第１の構成例を示す断面図、図７は図６の装置の鋼管内部に位置する部分の断面図である。

図６及び図７に示すように、この開先形状計測装置１００では、鋼管（ワークＷであるから以下符号Ｗで示す）の内部に装置本体１１０を配置している。円管状の装置本体１１０の外周には、円周方向にバランスよく離間させて、鋼管Ｗの周壁Ｗａの内周に先端が当接する３つの支持脚１１４、１１４、１１５が設けられている。

装置本体１１０の真上に位置する支持脚１１５は、鋼管Ｗの周壁Ｗａの内周に向けて突っ張り力を発揮できる構造になっており、突っ張り力を発揮することで、全部の支持脚１１４、１１４、１１５の先端を装置本体１１０を鋼管Ｗの内周に押し付け、それにより装置本体１１０を鋼管Ｗの断面中心に位置させている。突っ張り力を解除すると、装置本体１１０はフリーになり、キャスタ１１２を用いて移動できるようになっている。

装置本体１１０の先端には、回転機構１２０を介して鋼管Ｗの軸線に直交する旋回面で回転可能な回転フレーム１２２が設けられており、その回転フレーム１２２の半径方向の一端に、前記２台の２次元変位センサＭ１、Ｍ２を鋼管Ｗの端面に対する計測姿勢を保った状態で保持するセンサ支持部材１２５が取り付けられている。また、回転フレーム１２２の半径方向の他端には、鋼管Ｗの端面に沿って回転できるようにセンサ支持部材１２５を案内するガイド１２６が取り付けられている。

この開先形状計測装置１００においては、回転機構１２０や回転フレーム１２２やガイド１２６などによって、センサ支持部材１２５を鋼管Ｗの端面の延在方向（つまり鋼管Ｗの周方向）に沿って案内しながら移動させる案内移動機構が構成されている。

この開先形状計測装置１００を使用する場合は、センサ支持部材１２５を鋼管Ｗの端面に沿って３６０°回転させる。そうすることで、２台の２次元センサＭ１、Ｍ２が、鋼管Ｗの周壁Ｗａに対して直角な旋回面で回転する。そして、管理したい角度ピッチごとに、２次元センサＭ１、Ｍ２により開先Ｋの断面形状を計測することにより、鋼管Ｗの端面の開先形状のデータを収集することができる。

図８は、ワークである鋼管の端部の開先形状を計測するための開先形状計測装置の第２の構成例を示す断面図である。

図８に示すように、この開先形状計測装置では、鋼管Ｗの端部を外周側と内周側から挟むようにコ字状に装置本体２１０が構成されており、装置本体２１０の内底部にブラケット２２０を介して２次元変位センサＭ１、Ｍ２が固定されている。この例では、装置本体２１０そのものが、２台の２次元変位センサＭ１、Ｍ２を保持するセンサ支持部材を兼ねている。また、装置本体２１０の開口側の内周には、鋼管Ｗの周壁Ｗａを挟持する複数の脚２１２が設けられており、各脚２１２の先端の転動体２１３が、鋼管Ｗの周壁Ｗａの外周と内周にそれぞれ転動自在に接している。

これにより、２次元変位センサＭ１、Ｍ２を内装した装置本体２１０が、鋼管Ｗの端面に沿って円周方向に自在に移動できるようになる。この場合は、脚２１２および転動体２１３が、センサ支持部材である装置本体２１０を、鋼管Ｗの端面の延在方向（つまり鋼管Ｗの周方向）に沿って案内しながら移動させる案内移動機構２３０に相当する。

この開先形状計測装置２００を使用する場合は、装置本体２１０を鋼管Ｗの端面に沿って３６０°回転させる。そうすることで、２台の２次元センサＭ１、Ｍ２が、鋼管Ｗの周壁Ｗａに対して直角な旋回面で回転する。そして、管理したい角度ピッチごとに、２次元センサＭ１、Ｍ２により開先Ｋの断面形状を計測することにより、鋼管Ｗの端面の開先形状のデータを収集することができる。

また、この開先形状計測装置２００は、図７に示した開先形状計測装置１００に比べて構成が簡単であり、持ち運びが簡便なタイプがあるから、一周あたりの計測箇所が少ない場合に、計測したい場所だけにセットして使用することもできる。

なお、本発明は、図面を参照して説明した上述の実施形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において様々な変形例が考えられる。

例えば、図８に示した開先形状計測装置２００を平面板状の鋼板の端部に装着して、鋼板の端面の開先を計測してもよい。

また、上記実施形態では、２台の２次元変位センサＭ１、Ｍ２を設けた場合を示したが、３台以上の２次元変位センサを配置して開先形状を計測するようにしてもよい。その場合、３台目以降の２次元変位センサは、最初の２台の２次元変位センサＭ１、Ｍ２の計測性能を補強する位置及び角度に設けるのがよい。

Ｗワーク
Ｐ１表面
Ｐ２裏面
Ｋ開先
Ｋ１ルート面
Ｋ２ベベル面
Ｅ１〜Ｅ４エッジ
Ｍ１第１の２次元変位センサ
Ｍ２第１の２次元変位センサ
１０検査光
１００開先形状計測装置
１２５センサ支持部材
１３０案内移動機構
２００開先形状計測装置
２３０案内移動機構

Claims

管材のワークを溶接するためにワークの端面に加工された開先の形状を光切断法を原理とする変位センサによって計測する開先形状計測方法であって、
前記ワークの端面の垂線の方向をＸ軸方向、該Ｘ軸方向と直交する前記ワークの板厚方向をＹ軸方向とするとき、前記ワークの端面の垂線に対し、Ｙ軸方向におけるワークの表面方向及びワークの裏面方向の両側にそれぞれ所定の角度α１、α２だけ振り分けて、斜め方向から検査光を前記ワークの端面に照射して、それぞれ検査光を照射する方向を基準座標軸とする座標系における前記開先の光切断像データを取得するように、第１及び第２の２台の前記変位センサを配置し、
前記２台の変位センサの取得した、それぞれ検査光を照射する方向を基準座標軸とする各座標系における開先の光切断像データを、前記Ｘ軸方向を基準座標軸とする座標系のデータに変換して、変換した両変位センサのデータを合成することで、前記開先形状を割り出し、
前記各変位センサが取得した、それぞれ検査光を照射する方向を基準座標軸とする各座標系における開先の光切断像データの中から、それぞれ前記開先のルート面のワークの表面側のエッジの座標を抽出し、それら各座標系における前記エッジの座標を共通の座標点として、両変位センサの光切断像データを重ねた後、ワークの表面方向から取得した前記第１の変位センサの光切断像データについては、ワークの表面位置が前記Ｘ軸方向と一致するように座標軸を回転補正し、ワークの裏面方向から取得した前記第２の変位センサの光切断像データについては、ワークの裏面位置が前記Ｘ軸方向と一致するように座標軸を回転補正し、回転補正した両変位センサのデータを合成して１つの光切断像データとすることを特徴とする開先形状計測方法。
管材のワークを溶接するためにワークの端面に加工された開先の形状を光切断法を原理とする変位センサによって計測する開先形状計測方法であって、
前記ワークの端面の垂線の方向をＸ軸方向、該Ｘ軸方向と直交する前記ワークの板厚方向をＹ軸方向とするとき、前記ワークの端面の垂線に対し、Ｙ軸方向におけるワークの表面方向及びワークの裏面方向の両側にそれぞれ所定の角度α１、α２だけ振り分けて、斜め方向から検査光を前記ワークの端面に照射して、それぞれ検査光を照射する方向を基準座標軸とする座標系における前記開先の光切断像データを取得するように、第１及び第２の２台の前記変位センサを配置し、
前記２台の変位センサの取得した、それぞれ検査光を照射する方向を基準座標軸とする各座標系における開先の光切断像データを、前記Ｘ軸方向を基準座標軸とする座標系のデータに変換して、変換した両変位センサのデータを合成することで、前記開先形状を割り出し、
前記各変位センサが取得した、それぞれ検査光を照射する方向を基準座標軸とする各座標系における開先の光切断像データの座標軸を、それぞれに各変位センサの前記角度α１、α２だけ回転補正した後、各変位センサの光切断像データの中に共通して含まれる前記開先のルート面とルート面に対して角度を有するベベル面とがそれぞれ互いに一致するように平行移動補正して座標を共有化し、共有化した座標で表される両変位センサのデータを合成して１つの光切断像データとすることを特徴とする開先形状計測方法。
管材のワークを溶接するためにワークの端面に加工された開先の形状を光切断法を原理とする変位センサによって計測する開先形状計測装置であって、
前記ワークの端面の垂線の方向をＸ軸方向、該Ｘ軸方向と直交する前記ワークの板厚方向をＹ軸方向とするとき、前記ワークの端面の垂線に対し、Ｙ軸方向におけるワークの表面方向及びワークの裏面方向の両側にそれぞれ所定の角度α１、α２だけ振り分けて、斜め方向から検査光を前記ワークの端面に照射して、それぞれ検査光を照射する方向を基準座標軸とする座標系における前記開先の光切断像データを取得するように配置された第１及び第２の２台の前記変位センサと、
前記２台の変位センサの取得した、それぞれ検査光を照射する方向を基準座標軸とする各座標系における開先の光切断像データを、前記Ｘ軸方向を基準座標軸とする座標系のデータに変換して、変換した両変位センサのデータを合成することで、前記開先形状を割り出し、前記各変位センサが取得した、それぞれ検査光を照射する方向を基準座標軸とする各座標系における開先の光切断像データの中から、それぞれ前記開先のルート面のワークの表面側のエッジの座標を抽出し、それら各座標系における前記エッジの座標を共通の座標点として、両変位センサの光切断像データを重ねた後、ワークの表面方向から取得した前記第１の変位センサの光切断像データについては、ワークの表面位置が前記Ｘ軸方向と一致するように座標軸を回転補正し、ワークの裏面方向から取得した前記第２の変位センサの光切断像データについては、ワークの裏面位置が前記Ｘ軸方向と一致するように座標軸を回転補正し、回転補正した両変位センサのデータを合成して１つの光切断像データとするデータの処理装置と、を備えることを特徴とする開先形状計測装置。
管材のワークを溶接するためにワークの端面に加工された開先の形状を光切断法を原理とする変位センサによって計測する開先形状計測装置であって、
前記ワークの端面の垂線の方向をＸ軸方向、該Ｘ軸方向と直交する前記ワークの板厚方向をＹ軸方向とするとき、前記ワークの端面の垂線に対し、Ｙ軸方向におけるワークの表面方向及びワークの裏面方向の両側にそれぞれ所定の角度α１、α２だけ振り分けて、斜め方向から検査光を前記ワークの端面に照射して、それぞれ検査光を照射する方向を基準座標軸とする座標系における前記開先の光切断像データを取得するように配置された第１及び第２の２台の前記変位センサと、
前記２台の変位センサの取得した、それぞれ検査光を照射する方向を基準座標軸とする各座標系における開先の光切断像データを、前記Ｘ軸方向を基準座標軸とする座標系のデータに変換して、変換した両変位センサのデータを合成することで、前記開先形状を割り出し、前記各変位センサが取得した、それぞれ検査光を照射する方向を基準座標軸とする各座標系における開先の光切断像データの座標軸を、それぞれに各変位センサの前記角度α１、α２だけ回転補正した後、各変位センサの光切断像データの中に共通して含まれる前記開先のルート面とルート面に対して角度を有するベベル面とがそれぞれ互いに一致するように平行移動補正して座標を共有化し、共有化した座標で表される両変位センサのデータを合成して１つの光切断像データとするデータの処理装置と、を備えることを特徴とする開先形状計測装置。
前記２台の変位センサを前記ワークの端面に対する計測姿勢を保った状態で保持するセンサ支持部材と、該センサ支持部材を前記ワークの端面の延在方向に沿って案内しながら移動させる案内移動機構と、を備えることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の開先形状計測装置。
前記案内移動機構は、前記センサ支持部材を前記管材の周方向に沿って案内しながら移動させることを特徴とする請求項５に記載の開先形状計測装置。