JP6604258B2 - Thread shape measuring device for threaded tubes - Google Patents
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Description
本発明は、油井管など、端部にねじが形成されたねじ付き管のねじ形状を測定する装置に関する。特に、本発明は、従来の光投影法で測定できるねじ形状に加え、光投影法や接触プローブを用いる方法では測定が困難であるねじ形状(フランク面の角度、特に、フランク面のうちフック状フランク面の角度や、ねじ底R部の曲率半径など)を、ねじ付き管の製造ラインで測定可能とするねじ付き管のねじ形状測定装置に関する。 The present invention relates to an apparatus for measuring the thread shape of a threaded pipe having an end formed with a screw, such as an oil well pipe. In particular, the present invention is not limited to the screw shape that can be measured by the conventional light projection method, but also the screw shape that is difficult to measure by the method using the light projection method or the contact probe (the angle of the flank surface, particularly the hook shape of the flank surface). The present invention relates to a thread shape measuring device for a threaded tube that can measure a flank angle, a radius of curvature of a thread bottom R portion, and the like on a threaded tube manufacturing line.
従来、油井管等の管の端部同士を連結する方法として、管の端部の外周面にねじ(雄ねじ)を形成してねじ付き管とし、一対のねじ付き管の各ねじ(雄ねじ)を、内周面にねじ(雌ねじ部)が形成された継手(ボックス継手)にそれぞれ締結することで、管の端部同士を連結する方法が用いられている。
管の端部に形成されたねじの寸法精度が低いと、継手との締結状態が緩み、管同士の連結が解除されて脱落したり、管内部に流れる流体が外部に漏洩するおそれがある。特に油井管の場合には、近年の油井環境の過酷化に伴い、ねじの寸法精度や品質保証レベルに対する要求が年々厳格化している。
Conventionally, as a method of connecting the ends of pipes such as oil well pipes, a screw (male thread) is formed on the outer peripheral surface of the end of the pipe to form a threaded pipe, and each screw (male thread) of a pair of threaded pipes is used. A method is used in which the ends of the pipes are connected to each other by fastening them to a joint (box joint) in which a screw (female thread part) is formed on the inner peripheral surface.
If the dimensional accuracy of the screw formed at the end of the tube is low, the fastening state with the joint may be loosened, the connection between the tubes may be released, and the fluid flowing inside the tube may leak to the outside. In particular, in the case of oil well pipes, the demands on the dimensional accuracy and quality assurance level of screws are becoming stricter year by year as the oil well environment becomes severer in recent years.
図1は、油井管の端部形状の一例を模式的に示す端面図である。図1(a)は油井管の端部の径方向片側の端面図(ねじ軸を含む面で切断した端面図)を、図1(b)は図1(a)に示す符号Xで囲った領域の拡大端面図を示す。
図1に示すように、油井管Pの端部は、ねじ山P1及びねじ溝P2が設けられたねじ部と、ねじ部に隣接してねじ部よりも管端面側に設けられたベベル部と、ベベル部に隣接してベベル部よりも管端面側に設けられたリップ部とから構成されている。
そして、近年の油井環境の過酷化に伴い、油井管Pとしては、ねじ部の各ねじ山P1を区画する一対のフランク面P3(ねじ山P1の頂面P11とねじ溝P2の底面P21との間にある面)のうち、例えば、管端面側と反対側に位置するフランク面P3が、ねじ山P1の頂面P11からねじ溝P2の底面P21に向かうに従って管端面側に近づくように傾斜しているものが多く用いられている。逆に、管端面側に位置するフランク面P3が、ねじ山P1の頂面P11からねじ溝P2の底面P21に向かうに従って管端面と反対側に近づくように傾斜している場合もある。このように、ねじ山P1の頂面P11からねじ溝P2の底面P21に向かうに従ってフランク面P3が位置する側とは反対側に近づくフランク面を適宜「フック状フランク面P3h」と称する。図1に示す例では、管端面側と反対側に位置するフランク面P3がフック状フランク面P3hとなっている。
FIG. 1 is an end view schematically showing an example of an end shape of an oil well pipe. FIG. 1A is an end view of one end in a radial direction of an end portion of an oil well pipe (an end view cut by a surface including a screw shaft), and FIG. 1B is surrounded by a symbol X shown in FIG. An enlarged end view of the region is shown.
As shown in FIG. 1, the end portion of the oil well pipe P includes a screw portion provided with a screw thread P1 and a screw groove P2, and a bevel portion provided adjacent to the screw portion and closer to the pipe end surface than the screw portion. And a lip portion provided adjacent to the bevel portion and closer to the tube end surface than the bevel portion.
As the oil well environment becomes severer in recent years, the oil well pipe P includes a pair of flank surfaces P3 (a top surface P11 of the screw thread P1 and a bottom surface P21 of the screw groove P2) that define each screw thread P1 of the screw portion. For example, the flank surface P3 located on the side opposite to the tube end surface side is inclined so as to approach the tube end surface side from the top surface P11 of the thread P1 toward the bottom surface P21 of the thread groove P2. Many are used. Conversely, the flank surface P3 located on the tube end surface side may be inclined so as to approach the side opposite to the tube end surface from the top surface P11 of the screw thread P1 toward the bottom surface P21 of the thread groove P2. Thus, the flank surface that approaches the side opposite to the side on which the flank surface P3 is located as it goes from the top surface P11 of the screw thread P1 to the bottom surface P21 of the screw groove P2 is appropriately referred to as a “hook-like flank surface P3h”. In the example shown in FIG. 1, the flank surface P3 located on the side opposite to the tube end surface side is a hook-shaped flank surface P3h.
従来、フランク面P3の角度(ねじ軸Aの垂線Nと成す角度)βや、ねじ底R部(フランク面P3とねじ溝P2の底面P21とが交差する部分)P4の曲率半径は、公知の手法を用いてオフラインで評価され、許容範囲との比較によって合否判定される。
上記のような評価は、多大な時間と手間を要するため、同一製造ロットの最初と最後の油井管Pについて検査するなどの抜き取り検査とならざるを得ず、全数検査は困難である。
また、許容範囲との比較によって合否判定しているに過ぎないため、ねじ形状の定量的な評価が困難である。
Conventionally, the angle of the flank surface P3 (angle formed with the perpendicular N of the screw shaft A) β and the curvature radius of the screw bottom R portion (the portion where the flank surface P3 and the bottom surface P21 of the screw groove P2 intersect) P4 are known. It is evaluated off-line using a technique, and a pass / fail decision is made by comparison with an allowable range.
Since the evaluation as described above requires a lot of time and labor, it must be a sampling inspection such as inspecting the first and last oil well pipe P of the same production lot, and the total inspection is difficult.
Moreover, since the pass / fail determination is merely made by comparison with the allowable range, it is difficult to quantitatively evaluate the screw shape.
このような問題を解決するため、特許文献1〜3には、ねじ溝P2の底面P21に沿って光を照射し、ねじ部を通過する光を検出することで、ねじ軸方向に沿ったねじの外形(表面の凹凸形状。ねじプロファイル)を測定する方法(光投影法)が提案されている。この光投影法によってねじ部のねじプロファイルを精度良く測定できれば、そのねじプロファイルからフランク面P3の角度やねじ底R部P4の曲率半径も精度良く算出できると考えられる。
しかしながら、ねじプロファイルは曲線を描いているため、透過光を検出する光投影法では、フランク面P3がねじ山P1の稜線の影に隠れることで、フランク面P3を正確に検出できない場合がある。特に、フランク面P3がフック状フランク面P3hである場合には、光投影法では検出できない。フランク面P3とねじ溝P2の底面P21とが交差する部分に位置するねじ底R部P4についても同様である。
In order to solve such a problem,
However, since the screw profile draws a curve, in the light projection method for detecting transmitted light, the flank surface P3 may not be detected accurately because the flank surface P3 is hidden by the shadow of the ridge line of the screw thread P1. In particular, when the flank surface P3 is a hook-like flank surface P3h, it cannot be detected by the light projection method. The same applies to the thread bottom R portion P4 located at the portion where the flank surface P3 and the bottom surface P21 of the thread groove P2 intersect.
そこで、本発明者らは、特許文献4に記載のように、光投影法による測定に加えて、接触プローブを用いてねじ部のフランク面P3に関わる測定を行う方法を提案している。
しかしながら、接触プローブを順次移動させ、先端に取り付けられた球状の接触子をフランク面P3に接触させて測定を行うため、必然的に測定時間が長くなる。油井管Pの製造ラインで測定するためには測定時間を一定以下に短くする必要があるため、必然的に十分な測定点数が得られない。このため、測定装置を設置した雰囲気中に浮遊する粉塵等の微細なパーティクルが何れかの測定点に付着すると、少ない測定点数で直線近似したのでは誤差が大きくなり、フランク面P3の角度を精度良く測定できない場合がある。接触子にパーティクルが付着する場合も同様である。油井管Pのねじ部や接触プローブの接触子へのパーティクルの付着を抑制するには、測定装置を設置した雰囲気の浄化、ねじ部の洗浄、接触子の洗浄等が必要であり、場合によっては接触子の交換や校正も必要となるため、手間が掛かるという問題がある。また、接触子は繰り返し使用することで摩耗するため、摩耗に起因して測定精度が劣化する問題もある。
また、接触子の直径が0.1mm以上(特許文献4の段落0067)であるため、数百μm程度のねじ底R部P4の曲率半径を測定することは困難である。
Therefore, as described in
However, since the contact probe is sequentially moved and the spherical contact attached at the tip is brought into contact with the flank surface P3, the measurement time is inevitably increased. In order to measure in the production line of the oil well pipe P, it is necessary to shorten the measurement time to a certain value or less, so that a sufficient number of measurement points cannot be obtained. For this reason, if fine particles such as dust floating in the atmosphere in which the measuring device is installed adhere to any of the measurement points, a linear approximation with a small number of measurement points increases the error, and the angle of the flank surface P3 is accurate. May not be able to measure well. The same applies to the case where particles adhere to the contact. In order to suppress the adhesion of particles to the threaded portion of the oil well pipe P and the contact of the contact probe, it is necessary to purify the atmosphere in which the measuring device is installed, clean the threaded portion, clean the contactor, etc. Since it is necessary to exchange and calibrate the contact, there is a problem that it takes time and effort. Further, since the contact is worn by repeated use, there is a problem that the measurement accuracy is deteriorated due to wear.
In addition, since the diameter of the contact is 0.1 mm or more (paragraph 0067 of Patent Document 4), it is difficult to measure the radius of curvature of the thread bottom R portion P4 of about several hundred μm.
なお、上記の特許文献4や特許文献5には、ねじ軸の位置・方向を検出する方法が提案されている。
In
本発明は、上記従来技術の問題点を解決するべくなされたものであり、従来の光投影法で測定できるねじ形状に加え、従来の光投影法や接触プローブを用いる方法では測定が困難であるねじ形状を、ねじ付き管の製造ラインで測定可能とするねじ付き管のねじ形状測定装置を提供することを課題とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and in addition to the screw shape that can be measured by the conventional light projection method, it is difficult to measure by the conventional method using the light projection method or the contact probe. It is an object of the present invention to provide a thread shape measuring device for a threaded tube that can measure the thread shape on a production line of the threaded tube.
前記課題を解決するため、本発明者らは、鋭意検討した結果、いわゆる合焦法(Depth from Focus法)を測定原理とする3次元形状測定方法を適用し、照明手段や撮像手段の配置を工夫すれば、従来は測定が困難であったフランク面やねじ底R部を精度良く測定可能であることを見出した。
ただし、一般に、合焦法を測定原理とする3次元形状測定方法は、ねじ付き管の製造ラインで測定可能な程度に測定時間を短縮しようとすると、測定面積(撮像手段の撮像視野)を小さく制限せざるを得ない。このため、合焦法を測定原理とする3次元形状測定方法を用いて全てのねじ形状を測定することは困難である。
したがい、従来の光投影法で測定できるねじ形状については光投影法を用いて測定すると共に、光投影法で測定できないねじ形状については合焦法を測定原理とする3次元形状測定方法を適用して照明手段や撮像手段の配置を工夫すれば良いことに想到し、本発明を完成した。
In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have intensively studied, and as a result, applied a three-dimensional shape measurement method based on a so-called focusing method (Depth from Focus method), and arranged the illumination means and the imaging means. It has been found that if devised, it is possible to accurately measure flank surfaces and screw bottom R portions, which were difficult to measure in the past.
However, in general, in the three-dimensional shape measurement method based on the focusing method, the measurement area (imaging field of view of the imaging means) is reduced if the measurement time is shortened to such an extent that it can be measured on the threaded tube production line. I have to limit it. For this reason, it is difficult to measure all screw shapes using a three-dimensional shape measurement method that uses the focusing method as a measurement principle.
Therefore, the screw shape that can be measured by the conventional light projection method is measured using the light projection method, and the screw shape that cannot be measured by the light projection method is applied to the three-dimensional shape measurement method that uses the focusing method as the measurement principle. The present invention has been completed by conceiving that the arrangement of the illumination means and the image pickup means should be devised.
すなわち、前記課題を解決するため、本発明は、ねじ付き管の端部に形成されたねじの形状を測定する装置であって、前記ねじ付き管の端部を照明し、ねじから漏れ出た光を検出して撮像する第1光学系と、前記ねじ付き管の端部を照明し、該照明された端部を焦点位置を変更して複数回撮像する第2光学系と、前記第1光学系及び前記第2光学系によって撮像された撮像画像に基づき、前記ねじ付き管の端部に形成されたねじの形状を演算する演算手段とを備え、前記第1光学系は、前記ねじ付き管のねじ軸の方向から見て、前記ねじ軸を含む第1面に対して略直交する方向から前記ねじ付き管の端部を照明する第1照明手段と、前記ねじ軸を含む第1面に対して前記第1照明手段と反対側に対向配置され、ねじから漏れ出た光を検出して撮像する第1撮像手段とを具備し、前記第2光学系は、前記ねじ付き管の端部を照明する第2照明手段と、前記第2照明手段によって照明された前記ねじ付き管の端部を撮像する第2撮像手段とを具備し、前記第2撮像手段は、前記ねじ付き管のねじ軸を含む第2面に沿って配置され、前記ねじ軸及び前記ねじ軸の垂線の双方に対して傾斜した方向の視軸を有し、焦点位置を変更して前記ねじ付き管の端部を複数回撮像し、前記第2照明手段は、前記ねじ軸を含む第2面から離れた位置に配置され、前記ねじ軸の垂線及び前記第2撮像手段の視軸の双方に対して傾斜した方向の光軸を有し、前記演算手段は、前記第1撮像手段によって撮像された撮像画像に画像処理を施すことで、前記ねじ軸方向に沿ったねじの部分的な外形である第1外形を算出し、前記第2撮像手段によって撮像された複数の撮像画像にそれぞれ画像処理を施して各撮像画像の合焦状態を判定し、該判定結果に基づき前記ねじ付き管の端部の3次元形状を算出し、該算出した3次元形状に基づき、前記ねじ軸方向に沿ったねじの部分的な外形である第2外形を算出し、前記算出した第1外形及び第2外形に基づき、前記ねじ付き管のねじの形状を演算する、ことを特徴とするねじ付き管のねじ形状測定装置を提供する。 That is, in order to solve the above problem, the present invention is an apparatus for measuring the shape of a screw formed at an end of a threaded tube, and illuminates the end of the threaded tube and leaks from the screw. A first optical system for detecting and imaging light; a second optical system for illuminating an end of the threaded tube; and changing the focal position of the illuminated end for imaging a plurality of times; and the first And an arithmetic means for calculating a shape of a screw formed at an end of the threaded tube based on an image captured by the optical system and the second optical system, and the first optical system includes the threaded First illumination means for illuminating the end of the threaded tube from a direction substantially orthogonal to the first surface including the screw shaft as viewed from the direction of the screw shaft of the tube, and a first surface including the screw shaft Is opposed to the first illumination means, and detects light leaking from the screw. First imaging means for imaging, and the second optical system includes second illumination means for illuminating an end of the threaded tube, and an end of the threaded tube illuminated by the second illumination means. The second imaging means is disposed along a second surface including the screw shaft of the threaded tube, and is configured to both the screw shaft and the perpendicular of the screw shaft. The second illuminating means is located at a position away from the second surface including the screw shaft. And an optical axis in a direction inclined with respect to both the perpendicular of the screw shaft and the visual axis of the second imaging means, and the computing means displays an image on a captured image captured by the first imaging means. The first outer shape which is a partial outer shape of the screw along the screw axis direction by performing the processing Calculate and perform image processing on each of the plurality of captured images captured by the second imaging unit to determine the in-focus state of each captured image, and based on the determination result, the three-dimensional shape of the end of the threaded tube And calculating a second outer shape that is a partial outer shape of the screw along the screw axis direction based on the calculated three-dimensional shape, and calculating the screw based on the calculated first and second outer shapes. Provided is a thread shape measuring device for a threaded tube, wherein the thread shape of the threaded tube is calculated.
本発明に係るねじ形状測定装置が備える第1光学系は、従来と同様の光投影法を実行するための光学系であり、第2光学系は、合焦法を実行するための光学系である。
第1光学系が具備する第1照明手段でねじ付き管の端部を照明し、第1照明手段に対向配置された第1撮像手段でねじから漏れ出た光を検出して撮像すれば、得られる撮像画像は、ねじ付き管の端部で遮られた画素領域は暗くなり、遮られなかった画素領域は明るくなる。このため、演算手段で撮像画像に2値化等の画像処理を施すことで、ねじ軸方向に沿ったねじの部分的な外形である第1外形を算出することが可能である。この第1外形には、ねじ山の頂面やねじ溝の底面が含まれるが、フック状フランク面やねじ底R部は含まれない。
The 1st optical system with which the screw shape measuring device concerning the present invention is provided is an optical system for performing the same light projection method as the past, and the 2nd optical system is an optical system for performing the focusing method. is there.
If the first illumination means provided in the first optical system illuminates the end of the threaded tube, and the first imaging means disposed opposite the first illumination means detects and leaks light from the screw, In the obtained captured image, the pixel area blocked by the end of the threaded tube is darkened, and the pixel area not blocked is brightened. For this reason, it is possible to calculate the first outer shape, which is a partial outer shape of the screw along the screw axis direction, by performing image processing such as binarization on the captured image by the calculation means. The first outer shape includes the top surface of the thread and the bottom surface of the thread groove, but does not include the hook-shaped flank surface and the thread bottom R portion.
第2光学系が備える第2撮像手段は、ねじ付き管のねじ軸を含む第2面に沿って配置され、ねじ軸及びねじ軸の垂線の双方に対して傾斜した方向の視軸を有する。このため、第2撮像手段の撮像視野を適切に調整することで、ねじ軸に略平行なねじ溝の底面、及び、ねじ軸の垂線に略平行なフランク面の双方を撮像可能である。
なお、第2光学系が備える第2撮像手段の視軸は、必ずしもねじ軸を含む第2面内に厳密に位置する必要はなく、ねじ溝の底面及びフランク面の双方(ねじ軸を含む面におけるねじ溝の底面及びフランク面の断面形状)を撮像可能なように、ねじ軸を含む第2面に沿っていればよい。
また、第2光学系が備える第2撮像手段は、焦点位置を変更してねじ付き管の端部を複数回撮像する。この「焦点位置の変更」とは、第2撮像手段を視軸方向に移動させることと、第2撮像手段が具備するレンズの焦点距離を変更することの双方を含む概念であり、いずれであってもよい。
The 2nd imaging means with which a 2nd optical system is provided is arrange | positioned along the 2nd surface containing the screw axis | shaft of a threaded pipe | tube, and has a visual axis of the direction inclined with respect to both the screw axis | shaft and the perpendicular of a screw axis | shaft. Therefore, by appropriately adjusting the imaging field of view of the second imaging means, it is possible to image both the bottom surface of the thread groove substantially parallel to the screw shaft and the flank surface substantially parallel to the perpendicular of the screw shaft.
Note that the visual axis of the second imaging means provided in the second optical system does not necessarily have to be strictly positioned in the second surface including the screw shaft, and both the bottom surface of the screw groove and the flank surface (surface including the screw shaft). The bottom surface of the thread groove and the cross-sectional shape of the flank surface) may be along the second surface including the screw shaft.
Moreover, the 2nd imaging means with which a 2nd optical system is provided changes the focus position, and images the edge part of a threaded pipe | tube several times. This “changing the focal position” is a concept that includes both moving the second imaging means in the visual axis direction and changing the focal length of the lens provided in the second imaging means. May be.
ここで、油井管等のねじ付き管の端部表面は切削加工後の金属面であり光沢性が強い面であるため、第2撮像手段の同一の撮像視野内に照明光の金属光沢面での過度に強い正反射光が入射する領域と、逆に金属光沢面での反射光が殆ど入射しない領域とが存在すると、第2撮像手段が具備する撮像素子のダイナミックレンジには限界があるため、適正な撮像画像を撮像できず、後述の演算手段による撮像画像の合焦状態の判定に支障を来すおそれがある。上記のような反射光の入射光量の過大・過小の問題は、第2撮像手段の視軸と第2照明手段の光軸とが同じ面内(例えば、ねじ軸を含む第2面内)にある場合に特に顕著になると考えられる。
第2光学系が備える第2照明手段は、ねじ軸を含む第2面から離れた位置に配置され、ねじ軸の垂線及び第2撮像手段の視軸の双方に対して傾斜した方向の光軸を有する。換言すれば、第2光学系が備える第2照明手段の光軸は、第2撮像手段の視軸と同じ面内に位置しないため、ねじが形成された端部表面における反射光の入射光量の過大・過小の問題が低減され、適正な撮像画像を得ることが可能である。
Here, since the end surface of the threaded tube such as an oil well tube is a metal surface after cutting and is a highly glossy surface, the metal image surface of the illumination light is within the same imaging field of view of the second imaging means. If there is a region in which excessively strong specularly reflected light is incident and a region in which almost no reflected light is incident on the metallic glossy surface, the dynamic range of the image sensor provided in the second imaging means is limited. As a result, an appropriate captured image cannot be captured, and there is a risk of hindering the determination of the in-focus state of the captured image by the calculation means described later. The problem of the excessive or small incident light quantity of the reflected light as described above is that the visual axis of the second imaging means and the optical axis of the second illumination means are in the same plane (for example, in the second plane including the screw axis). In some cases, it will be particularly noticeable.
The second illumination unit included in the second optical system is disposed at a position away from the second surface including the screw shaft, and is an optical axis in a direction inclined with respect to both the perpendicular of the screw shaft and the visual axis of the second imaging unit. Have In other words, since the optical axis of the second illuminating means provided in the second optical system is not located in the same plane as the visual axis of the second imaging means, the incident light quantity of the reflected light on the end surface where the screw is formed is The problem of over / under size is reduced, and it is possible to obtain an appropriate captured image.
演算手段は、第2撮像手段によって撮像された複数の撮像画像(第2撮像手段が焦点位置を変更して複数回撮像したねじ付き管の端部の撮像画像)にそれぞれ画像処理を施して各撮像画像の合焦状態を判定し、該判定結果に基づきねじ付き管の端部の3次元形状を算出し、該算出した3次元形状に基づき、ねじ軸方向に沿ったねじの部分的な外形である第2外形を算出する。この第2外形には、フック状フランク面やねじ底R部を含めることが可能である。合焦法によれば、高分解能で3次元形状を算出可能であるため、従来の接触プローブを用いた測定と比較して、フランク面等の広い範囲を一度に測定することができる。このため、フランク面の3次元形状として多数の座標点を検出することができるので、パーティクルを異常点として検出し、異常点を除去するといった処理が可能となったり、除去した点をパーティクル近傍の座標点情報で補間するといった処理が可能となる。また、従来の接触プローブを用いた測定と異なり、接触子の直径の制約を受けないため、ねじ底R部を測定することも可能である。 The calculation means performs image processing on each of a plurality of captured images (captured images of the end of the threaded tube captured by the second imaging means at a plurality of times with the focal position changed) by the second imaging means. The in-focus state of the captured image is determined, the three-dimensional shape of the end of the threaded tube is calculated based on the determination result, and the partial outer shape of the screw along the screw axis direction is calculated based on the calculated three-dimensional shape. A second outer shape is calculated. The second outer shape can include a hook-like flank surface and a screw bottom R portion. According to the focusing method, since a three-dimensional shape can be calculated with high resolution, a wide range such as a flank surface can be measured at a time as compared with the measurement using a conventional contact probe. For this reason, since a large number of coordinate points can be detected as a three-dimensional shape of the flank surface, it is possible to perform processing such as detecting a particle as an abnormal point and removing the abnormal point. Processing such as interpolation using coordinate point information becomes possible. In addition, unlike the measurement using a conventional contact probe, the screw bottom R portion can be measured because the contact diameter is not limited.
演算手段は、算出した第1外形及び第2外形に基づき、ねじ付き管のねじの形状を演算する。例えば、演算手段は、第1外形に基づき、ねじ軸を検出できる他、ねじ軸方向のねじ山の位置に相当するねじ山の位相、管端面からねじ軸方向の所定位置におけるねじ山の外径であるねじ径、ねじ軸方向に沿ったねじ溝の底面の径変化であるテーパ等を演算可能である。また、例えば、演算手段は、第2外形に基づき、フランク面の角度やねじ底R部の曲率半径を演算可能である。 The computing means computes the thread shape of the threaded tube based on the calculated first and second contours. For example, the calculation means can detect the screw shaft based on the first outer shape, and also the phase of the screw thread corresponding to the position of the screw thread in the screw shaft direction, and the outer diameter of the screw thread at a predetermined position in the screw shaft direction from the pipe end surface. It is possible to calculate a screw diameter, a taper that is a change in the diameter of the bottom surface of the screw groove along the screw axis direction, and the like. Further, for example, the calculation means can calculate the angle of the flank surface and the radius of curvature of the screw bottom R portion based on the second outer shape.
以上のように、本発明に係るねじ形状測定装置によれば、第1光学系によって従来の光投影法で測定できるねじ形状を、第2光学系によって従来の光投影法や接触プローブを用いる方法では測定が困難であるねじ形状を、ねじ付き管の製造ラインで測定可能である。 As described above, according to the screw shape measuring apparatus according to the present invention, the screw shape that can be measured by the conventional optical projection method using the first optical system, and the conventional optical projection method or the contact probe using the second optical system. Thus, it is possible to measure the thread shape, which is difficult to measure, on the production line of the threaded tube.
好ましくは、前記演算手段は、前記第1外形に基づき、前記ねじ軸を検出すると共に、前記ねじ軸とねじ溝の底面との成す角度を演算し、前記第2外形に基づき、前記ねじ溝の底面とフランク面との成す角度を演算し、前記演算したねじ軸とねじ溝の底面との成す角度及び前記演算したねじ溝の底面とフランク面との成す角度に基づき、前記フランク面と前記ねじ軸の垂線との成す角度を演算する。 Preferably, the calculation means detects the screw shaft based on the first outer shape, calculates an angle formed by the screw shaft and a bottom surface of the screw groove, and calculates the angle of the screw groove based on the second outer shape. An angle formed between the bottom surface and the flank surface is calculated, and based on the calculated angle formed between the screw shaft and the bottom surface of the screw groove and the calculated angle formed between the bottom surface of the screw groove and the flank surface, the flank surface and the screw Calculate the angle formed by the axis perpendicular.
本来、フランク面の角度は、ねじ軸に対するねじ溝の底面の角度には加工誤差が含まれるため、第2外形に基づき演算可能なねじ溝の底面とフランク面との成す角度ではなく、フランク面とねじ軸の垂線との成す角度として品質管理されるものである(図1参照)。ねじ軸の位置・方向は、予め想定できるとしても、ねじ付き管を固定する機構とねじ付き管との芯ずれや、ねじ付き管の曲がり等に応じて微妙に変動するため、ねじ溝の底面とフランク面との成す角度のみでは、フランク面とねじ軸の垂線との成す角度を正確に演算することができない。ねじ溝の底面の径がねじ軸方向に沿って変化するテーパねじの場合も同様に、ねじ溝の底面とフランク面との成す角度のみでは、フランク面とねじ軸の垂線との成す角度を正確に演算することができない。
上記の好ましい構成によれば、第1外形に基づきねじ軸を実際に検出するため、ねじ付き管の芯ずれや曲がりが生じていたとしても、測定対象であるねじ付き管のねじ軸を正確に検出可能である。そして、第1外形に基づき演算したねじ軸とねじ溝の底面との成す角度と、第2外形に基づき演算したねじ溝の底面とフランク面との成す角度とを組み合わせて演算することにより、本来管理されるべきフランク面とねじ軸の垂線との成す角度を正確に演算可能である。
Originally, the angle of the flank surface is not the angle formed by the bottom surface of the thread groove and the flank surface that can be calculated based on the second external shape, because the angle of the bottom surface of the thread groove with respect to the screw shaft includes a machining error. The quality is controlled as an angle formed by the vertical axis of the screw shaft (see FIG. 1). Even if the position and direction of the screw shaft can be assumed in advance, the screw shaft bottom surface of the screw groove changes slightly depending on the misalignment of the threaded tube and the threaded tube, the bending of the threaded tube, etc. The angle formed between the flank surface and the perpendicular of the screw shaft cannot be accurately calculated only by the angle formed between the flank surface and the flank surface. Similarly, in the case of a taper screw where the diameter of the bottom surface of the thread groove changes along the screw axis direction, the angle formed by the bottom surface of the thread groove and the flank surface can be used to accurately determine the angle between the flank surface and the screw shaft perpendicular line. Can not be calculated.
According to the above preferred configuration, since the screw shaft is actually detected based on the first outer shape, the screw shaft of the threaded tube to be measured is accurately determined even if the threaded tube is misaligned or bent. It can be detected. Then, by combining the angle formed between the screw shaft calculated based on the first outer shape and the bottom surface of the screw groove and the angle formed between the bottom surface of the screw groove calculated based on the second outer shape and the flank surface, The angle between the flank surface to be managed and the perpendicular of the screw shaft can be calculated accurately.
また、好ましくは、前記演算手段は、前記第1外形及び前記第2外形の共通する部分をフィッティングさせることで、前記第1外形及び前記第2外形が合成された合成外形を算出し、前記算出した合成外形に基づき、ねじ山幅及びねじ谷幅を演算する。 Preferably, the calculation means calculates a combined outer shape obtained by combining the first outer shape and the second outer shape by fitting a common portion of the first outer shape and the second outer shape, and calculates the calculated outer shape. The thread width and the thread valley width are calculated based on the synthesized outer shape.
ねじ山幅及びねじ谷幅を演算するには、管端面側と反対側に位置するフランク面及び管端面側に位置するフランク面の双方の外形が必要である(図1参照)。一方のフランク面がフック状フランク面である場合、第1光学系を用いて算出された第1外形に他方のフック状ではないフランク面を含ませることは可能であるとしても、前記一方のフック状フランク面を含ませることはできない。一方、第2光学系を用いて算出された第2外形に前記一方のフック状フランク面を含ませることは可能である。
上記の好ましい構成によれば、第1外形及び第2外形の共通する部分(例えば、ねじ溝の底面、ねじ山の頂面及びねじ山R部(図1参照))をフィッティングさせることで、第1外形及び第2外形が合成された合成外形を算出するため、この合成波形には双方のフランク面が含まれる。このため、この合成外形に基づき、ねじ山幅及びねじ谷幅を演算することが可能である。
In order to calculate the thread width and the thread valley width, the outer shapes of both the flank surface located on the side opposite to the pipe end face side and the flank face located on the pipe end face side are required (see FIG. 1). When one flank surface is a hook-like flank surface, the first outer shape calculated using the first optical system can include the other non-hook-like flank surface, but the one hook No flank surface can be included. On the other hand, it is possible to include the one hook-shaped flank surface in the second outer shape calculated using the second optical system.
According to the preferable configuration described above, by fitting the common parts of the first outer shape and the second outer shape (for example, the bottom surface of the thread groove, the top surface of the thread, and the thread R portion (see FIG. 1)), In order to calculate a combined outer shape in which the first outer shape and the second outer shape are combined, this combined waveform includes both flank surfaces. For this reason, it is possible to calculate the thread width and the thread valley width based on this composite outer shape.
さらに、好ましくは、前記演算手段は、前記第1外形に基づき、ねじ山の位相を演算し、前記演算したねじ山の位相に基づき、前記ねじ軸方向についての前記第2光学系の位置を決定する。 Further preferably, the calculation means calculates a thread phase based on the first outer shape, and determines a position of the second optical system in the screw axis direction based on the calculated thread phase. To do.
前述のように、第2光学系は合焦法を実行するための光学系であるため、第2撮像手段の撮像視野をある程度小さく制限せざるを得ない。このため、第2光学系を用いてフランク面やねじ底R部を測定する場合には、第2撮像手段の撮像視野にフランク面及びねじ底R部が入るように、第2光学系を正確に位置決めする必要がある。
上記の好ましい構成によれば、第1光学系を用いて算出された第1外形に基づき、ねじ山の位相を演算するため、たとえ、第1光学系と第2光学系とが、ねじ付き管の周方向に離間した位置に配置されているとしても、フランク面及びねじ底R部が測定可能な位置に第2光学系を位置決め可能である。
As described above, since the second optical system is an optical system for executing the focusing method, the imaging field of view of the second imaging unit must be limited to a certain extent. For this reason, when the flank surface and the screw bottom R portion are measured using the second optical system, the second optical system is accurately set so that the flank surface and the screw bottom R portion enter the imaging field of the second imaging means. Need to be positioned.
According to the above preferred configuration, since the phase of the screw thread is calculated based on the first outer shape calculated using the first optical system, even if the first optical system and the second optical system are threaded tubes, The second optical system can be positioned at a position where the flank surface and the screw bottom R portion can be measured even if they are arranged at positions spaced apart in the circumferential direction.
本発明によれば、従来の光投影法で測定できるねじ形状に加え、従来の光投影法や接触プローブを用いる方法では測定が困難であるねじ形状を、ねじ付き管の製造ラインで測定可能である。 According to the present invention, in addition to a screw shape that can be measured by a conventional light projection method, a screw shape that is difficult to measure by a conventional light projection method or a method using a contact probe can be measured on a production line of a threaded tube. is there.
以下、添付図面を適宜参照しつつ、本発明の一実施形態に係るねじ付き管のねじ形状測定装置(以下、適宜、単に「ねじ形状測定装置」という)について説明する。
図2は、本発明の一実施形態に係るねじ形状測定装置の概略構成を示す模式図である。図2(a)はねじ軸Aを含む第2面Mに対して直交する方向から見た側面図であり、図2(b)はねじ軸Aの方向から見た正面図である。なお、説明の便宜上、図2に示す第2照明手段1及び第2撮像手段2は、ねじ付き管Pから離間した位置に図示されているが、実際には、もっとねじ付き管Pに近い位置に配置されている。本実施形態では、ねじ付き管Pの管端面側と反対側に位置するフランク面P3がフック状フランク面P3hとなっている場合を例に挙げて説明する。
図2に示すように、本実施形態に係るねじ形状測定装置100は、第1光学系10と、第2光学系20と、演算手段3とを備え、ねじ付き管Pの端部に形成されたねじの形状を測定する装置である。
なお、図2では、便宜上、ねじの図示を省略しているが、ねじ付き管Pのハッチングを施していない部分が、ねじ付き管Pの端部であり、図1を参照して前述したのと同様に、この端部に、ねじ部、ベベル部及びリップ部が形成されている。ねじ付き管Pは、本実施形態に係るねじ形状測定装置100によってねじ形状を測定する際に、チャック(図示せず)等によって固定されている。また、後述のように、ねじ付き管Pのねじ軸Aの位置・方向は、第1光学系10を用いて検出されている。
以下、ねじ形状測定装置100の構成要素について、順次説明する。
Hereinafter, a thread shape measuring device for a threaded tube according to an embodiment of the present invention (hereinafter, simply referred to as “screw shape measuring device” as appropriate) will be described with reference to the accompanying drawings as appropriate.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a screw shape measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. 2A is a side view seen from a direction perpendicular to the second surface M including the screw shaft A, and FIG. 2B is a front view seen from the direction of the screw shaft A. FIG. For convenience of explanation, the second illuminating means 1 and the second imaging means 2 shown in FIG. 2 are illustrated at positions separated from the threaded tube P, but in actuality, positions closer to the threaded tube P. Is arranged. In the present embodiment, the case where the flank surface P3 located on the side opposite to the tube end surface side of the threaded tube P is a hook-shaped flank surface P3h will be described as an example.
As shown in FIG. 2, the screw
In FIG. 2, the illustration of the screw is omitted for convenience, but the portion of the threaded tube P that is not hatched is the end of the threaded tube P, and has been described above with reference to FIG. 1. Similarly to this, a threaded portion, a beveled portion and a lip portion are formed at this end portion. The threaded tube P is fixed by a chuck (not shown) or the like when the thread shape is measured by the thread
Hereinafter, the components of the screw
<第1光学系10>
第1光学系10は、ねじ付き管Pの端部を照明し、ねじから漏れ出た光を検出して撮像するための光学系である。すなわち、第1光学系10は、光投影法を実行するための光学系である。
具体的には、第1光学系10は、第1照明手段4と、第1撮像手段5とを具備する。本実施形態では、ねじ付き管Pのねじ軸Aを挟んで対向する部位を照明・撮像するために、第1光学系10は、2組の第1照明手段4(4a、4b)及び第1撮像手段5(5a、5b)を具備している。
<First
The first
Specifically, the first
第1照明手段4は、ねじ付き管Pのねじ軸Aの方向から見て(図2(b)参照)、ねじ軸Aを含む第1面Qに対して略直交する方向からねじ付き管Pの端部を照明する手段である。第1照明手段4としては、例えば、LED照明、ハロゲンランプ、レーザ等が用いられる。本実施形態の第1照明手段4は、リニアステージ(図示せず)やゴニオステージ等の駆動機構に取り付けられており、その位置や光軸の方向を種々設定可能である。 The first illuminating means 4 is seen from the direction of the screw axis A of the threaded tube P (see FIG. 2B), and the threaded tube P from the direction substantially orthogonal to the first surface Q including the threaded axis A. It is a means to illuminate the edge part. As the 1st illumination means 4, LED illumination, a halogen lamp, a laser, etc. are used, for example. The 1st illumination means 4 of this embodiment is attached to drive mechanisms, such as a linear stage (not shown) and a gonio stage, The position and the direction of an optical axis can be set variously.
第1撮像手段5は、ねじ軸Aを含む第1面Qに対して第1照明手段4と反対側に対向配置され、ねじから漏れ出た光を検出して撮像する手段である。第1撮像手段5は、2次元配置されたCCDやCMOS等の撮像素子を具備する他、好ましくは、テレセントリックレンズを具備し、これにより撮像素子において平行光成分を容易に受光することが可能である。本実施形態の第1撮像手段5も、リニアステージ(図示せず)等の駆動機構に取り付けられており、その上下方向位置を種々設定可能である。
第1撮像手段5の上下方向位置は、第1撮像手段5の焦点がねじ付き管Pのねじの外縁に合うように調整される。これにより、ねじ付き管Pの端部で遮られた画素領域と遮られなかった画素領域との明暗の差がはっきりとした撮像画像を得ることが可能である。
The first imaging means 5 is a means that is arranged opposite to the first illumination means 4 with respect to the first surface Q including the screw axis A, and detects and images the light leaking from the screw. The first image pickup means 5 includes a two-dimensionally arranged image pickup device such as a CCD or a CMOS, and preferably a telecentric lens, whereby the parallel light component can be easily received by the image pickup device. is there. The first imaging means 5 of this embodiment is also attached to a driving mechanism such as a linear stage (not shown), and its vertical position can be set in various ways.
The vertical position of the
図3は、図2に示す第1面Q、第2面M、及びリード角の関係を示す模式図である。図3(a)は、ねじ付き管Pを第2面Mに沿った方向から見た平面図であり、ねじ山P1がリード角γを有していることを示している。なお、実際には、フック状フランク面P3hの高さ中心位置の軌跡を第2面Mに沿った方向から見ると(第1面Qに投影すると)、図3(a)に示すような直線状にはならず正弦波状になるが、図3(a)では簡略化して記載している。また、図3(a)では、便宜上、ねじを誇張すると共に、フランク面P3がねじ軸の垂線と平行であるように簡略化して図示している。また、図3(b)は、ねじ付き管Pをねじ軸Aの方向から見た正面図であり、第1光学系10(第1撮像手段5の撮像視野の位置)と第2光学系20(第2撮像手段2の撮像視野の位置)とが、ねじ付き管Pの周方向に角度δだけずらして配置されていることを示している。
図3(a)に示すように、ねじ山P1は、ねじ付き管Pの外周において螺旋状に設けられており、ねじ軸に垂直な面(第2面Mに対して垂直な面)に対して、一定の傾斜角(リード角γ)を有する。
FIG. 3 is a schematic diagram showing the relationship between the first surface Q, the second surface M, and the lead angle shown in FIG. FIG. 3A is a plan view of the threaded tube P viewed from the direction along the second surface M, and shows that the thread P1 has a lead angle γ. Actually, when the locus of the height center position of the hook-shaped flank surface P3h is viewed from the direction along the second surface M (projected onto the first surface Q), a straight line as shown in FIG. Although it does not become a sine wave shape, it is simplified in FIG. In FIG. 3A, for the sake of convenience, the screw is exaggerated, and the flank surface P3 is simplified so as to be parallel to the perpendicular of the screw shaft. FIG. 3B is a front view of the threaded tube P as viewed from the direction of the screw axis A. The first optical system 10 (the position of the imaging field of the first imaging means 5) and the second
As shown in FIG. 3A, the screw thread P1 is provided in a spiral shape on the outer periphery of the threaded tube P, and is perpendicular to the surface perpendicular to the screw axis (surface perpendicular to the second surface M). And has a constant inclination angle (lead angle γ).
<第2光学系20>
第2光学系20は、ねじ付き管Pの端部を照明し、該照明された端部を焦点位置を変更して複数回撮像するための光学系である。すなわち、第2光学系20は、合焦法を実行するための光学系である。具体的には、第2光学系20は、第2照明手段1と、第2撮像手段2とを具備する。
なお、本実施形態では、第2光学系20(第2撮像手段2の撮像視野の位置)は、第1光学系10(第1撮像手段5の撮像視野の位置)に対して、ねじ付き管Pの周方向に角度δだけずらして配置されている(図3(b)参照)。角度δは、第1光学系10及び第2光学系の配置の自由度の点から約90°であることが好適であるものの、これに限定されることなく自由に設定可能である。
<Second
The second
In this embodiment, the second optical system 20 (the position of the imaging field of the second imaging unit 2) is a threaded tube with respect to the first optical system 10 (the position of the imaging field of the first imaging unit 5). They are arranged so as to be shifted by an angle δ in the circumferential direction of P (see FIG. 3B). The angle δ is preferably about 90 ° from the viewpoint of the degree of freedom of arrangement of the first
第2照明手段1は、ねじ付き管Pの端部を照明する手段であり、例えば集光レンズ付きのLED照明が好適に用いられる。本実施形態の第2照明手段1は、リニアステージやゴニオステージ(図示せず)等の駆動機構に取り付けられており、その位置や光軸の方向を種々設定可能である。 The 2nd illumination means 1 is a means to illuminate the edge part of the threaded pipe | tube P, for example, LED illumination with a condensing lens is used suitably. The 2nd illumination means 1 of this embodiment is attached to drive mechanisms, such as a linear stage and a gonio stage (not shown), The position and the direction of an optical axis can be set variously.
第2照明手段1は、ねじ付き管Pのねじ軸Aを含む第2面M(本実施形態では、第1面Qから角度δだけずらして配置された面)から離れた位置に配置され、第2面Mに含まれるねじ軸Aの垂線N及び後述する第2撮像手段2の視軸21の双方に対して傾斜した方向の光軸11を有するように設定されている。換言すれば、第2照明手段1の光軸11は、第2撮像手段2の視軸21と同じ面内に位置しないため、ねじが形成された端部表面における反射光の入射光量の過大・過小の問題が低減され、適正な撮像画像を得ることが可能である。
なお、図2では、単一の第2照明手段1を図示しているが、本発明は、単一の第2照明手段1に限るものではなく、複数の第2照明手段1を備える構成とすることも可能である。
The second illuminating means 1 is disposed at a position away from the second surface M (in this embodiment, a surface that is shifted by an angle δ from the first surface Q) including the screw axis A of the threaded tube P. The
In FIG. 2, the single
第2撮像手段2は、第2照明手段1によって照明されたねじ付き管Pの端部を撮像する手段であり、2次元配置されたCCDやCMOS等の撮像素子を具備する。本実施形態の第2撮像手段2も、リニアステージやゴニオステージ(図示せず)等の駆動機構に取り付けられており、その位置や視軸の方向を種々設定可能である。
第2撮像手段2は、ねじ付き管Pのねじ軸Aを含む第2面Mに沿って配置され、ねじ軸A及びねじ軸Aの垂線Nの双方に対して傾斜した方向の視軸21を有するように設定されている(図2に示す例では、視軸21は、ねじ軸Aを含む第2面M内に位置している)。このため、第2撮像手段2の撮像視野を適切に調整することで、ねじ軸Aに略平行なねじ溝の底面P21、及び、ねじ軸Aの垂線Nに略平行なフランク面P3の双方を撮像可能である。ただし、各ねじ山P1を区画する一対のフランク面P3を同時に撮像することは困難である。図2(a)に示す例では、撮像手段2の視軸21は、ねじ軸Aの垂線Nに対して管端面側と反対側に傾斜しているため、管端面側と反対側に位置する一方のフランク面(本実施形態ではフック状フランク面P3h)しか撮像できない。このため、双方のフランク面の角度等を第2光学系20のみを用いて演算する場合には、図2に示すような一方のフランク面撮像用の第2撮像手段2と、視軸が管端面側に傾斜した他方のフランク面撮像用の第2撮像手段2との双方を配置すればよい。あるいは、第2撮像手段2で一方のフランク面を撮像した後、他方のフランク面を撮像できるように第2撮像手段2の位置及び視軸21の方向を変更すればよい。
第2撮像手段2は、その焦点位置を変更してねじ付き管Pの端部を複数回撮像する。本実施形態では、第2撮像手段2が視軸21の方向に移動することで焦点位置を変更する。
The
The second imaging means 2 is disposed along the second surface M including the screw axis A of the threaded tube P, and has a
The second imaging means 2 changes the focal position and images the end of the threaded tube P a plurality of times. In the present embodiment, the focal position is changed by moving the
<演算手段3>
演算手段3は、第1光学系10(第1撮像手段5)及び第2光学系20(第2撮像手段2)に接続されており(第1撮像手段5との接続線は図示省略)、第1光学系10及び第2光学系20によって撮像された撮像画像に基づき、ねじ付き管Pの端部に形成されたねじの形状を演算する手段であり、例えば、後述の演算処理を実行するためのプログラムがインストールされたパーソナルコンピュータから構成される。
なお、演算手段3を複数のパーソナルコンピュータから構成してもよい。この場合には、第1光学系10によって撮像された撮像画像の画像処理、第2光学系20によって撮像された撮像画像の画像処理、第1光学系10及び第2光学系20の測定順序や測定位置の制御など、各動作毎に各パーソナルコンピュータが役割分担して、相互に通信を行う機能を有するように構成すればよい。
<Calculation means 3>
The computing means 3 is connected to the first optical system 10 (first imaging means 5) and the second optical system 20 (second imaging means 2) (connection lines to the first imaging means 5 are not shown). Based on the captured images captured by the first
The computing means 3 may be composed of a plurality of personal computers. In this case, image processing of the captured image captured by the first
演算手段3は、第1光学系10が具備する第1撮像手段5によって撮像された撮像画像に画像処理を施すことで、ねじ軸A方向に沿ったねじの部分的な外形である第1外形を算出する。第1光学系10が具備する第1照明手段4でねじ付き管Pの端部を照明し、第1撮像手段5でねじから漏れ出た光を検出して撮像すれば、得られる撮像画像は、ねじ付き管Pの端部で遮られた画素領域は暗くなり、遮られなかった画素領域は明るくなる。このため、演算手段3で撮像画像に2値化等の画像処理を施すことで、ねじ軸A方向に沿ったねじの部分的な外形である第1外形を算出することが可能である。
The
図4は、演算手段3が算出する第1外形C1の一例を模式的に示す図である。第1外形C1は、第1外形C1aと第1外形C1bから構成されている。第1外形C1aは、第1照明手段4a及び第1撮像手段5aの組み合わせで撮像された撮像画像に基づき算出された外形である。第1外形C1bは、第1照明手段4b及び第1撮像手段5bの組み合わせで撮像された撮像画像に基づき算出された外形である。第1外形C1のうち、実線で示す部分は算出される外形であり、破線で示す部分は実際には存在するが算出されない外形である。この第1外形C1には、ねじ山P1の頂面P11やねじ溝の底面P21が含まれるが、フック状フランク面P3hやねじ底R部P4は含まれない。
FIG. 4 is a diagram schematically showing an example of the first outer shape C1 calculated by the calculation means 3. As shown in FIG. The first outer shape C1 includes a first outer shape C1a and a first outer shape C1b. The first outer shape C1a is an outer shape calculated based on a captured image captured by a combination of the
演算手段3は、算出した第1外形C1に基づき、ねじ付き管Pのねじの形状を演算する。例えば、演算手段3は、第1外形C1に基づき、ねじ軸Aを検出できる他、ねじ軸A方向のねじ山P1の位置に相当するねじ山の位相、管端面からねじ軸A方向の所定位置におけるねじ山P1の外径であるねじ径、ねじ軸A方向に沿ったねじ溝の底面P21の径変化であるテーパ等を演算可能である。
また、演算手段3は、算出した第1外形C1に基づき、ねじ山Pの外径とねじ溝の底面P21の径とを算出し、両半径の差であるねじ山Pの高さを演算可能である。
The calculating means 3 calculates the thread shape of the threaded tube P based on the calculated first outer shape C1. For example, the calculation means 3 can detect the screw axis A based on the first outer shape C1, and also includes a thread phase corresponding to the position of the screw thread P1 in the screw axis A direction, and a predetermined position in the screw axis A direction from the pipe end surface The thread diameter that is the outer diameter of the screw thread P1 and the taper that is the diameter change of the bottom surface P21 of the thread groove along the direction of the screw axis A can be calculated.
Further, the calculation means 3 can calculate the outer diameter of the screw thread P and the diameter of the bottom surface P21 of the screw groove based on the calculated first outer shape C1, and can calculate the height of the screw thread P which is the difference between the two radii. It is.
ねじ軸Aは、例えば、第1外形C1aのねじ溝の底面P21を構成する点群データに基づき近似直線L21aを算出し、第1外形C1bのねじ溝の底面P21を構成する点群データに基づき近似直線L21bを算出し、両近似直線L21a、L21bが成す角度の二等分線として検出可能である。 For the screw shaft A, for example, an approximate straight line L21a is calculated based on the point group data constituting the bottom surface P21 of the thread groove of the first outer shape C1a, and based on the point group data constituting the bottom surface P21 of the screw groove of the first outer shape C1b. An approximate straight line L21b can be calculated and detected as a bisector of the angle formed by both approximate straight lines L21a and L21b.
また、演算手段3は、第2撮像手段2によって撮像された複数の撮像画像にそれぞれ画像処理を施して各撮像画像の合焦状態を判定し、該判定結果に基づきねじ付き管Pの端部の3次元形状を算出し、該算出した3次元形状に基づき、ねじ軸A方向に沿ったねじの部分的な外形である第2外形を算出する。すなわち、演算手段3は、合焦法によってねじ付き管Pの端部の3次元形状を算出し、この算出した3次元形状に基づき、第2外形を算出する。
In addition, the
図5は、演算手段3が実行する合焦法の原理を説明する説明図である。
図5に示すように、第2撮像手段2は、視軸21の方向に一定量移動する毎に画像を撮像する。図5に示す状態では、ねじ付き管Pのフランク面P3(フック状フランク面P3h)にある点Eで焦点が合っており、点Eは第2撮像手段2の撮像素子e(画素e)に結像されている。この状態で撮像された撮像画像の局所空間周波数を画像処理によって抽出すれば、画素e周辺の画像領域における局所空間周波数は大きくなる。一方、ねじ溝の底面P21にある点Fでは焦点が合っていないため、仮に焦点が合っているとすれば点Fが結像される位置にある撮像素子f(画素f)周辺の画像領域における局所空間周波数は小さくなる。
そして、図5に示す状態から第2撮像手段2が視軸21の方向に移動し、図5に示す距離Hだけねじ付き管Pに近づけば、点Fで焦点が合うため、この状態で撮像された撮像画像の画素f周辺の画像領域における局所空間周波数は大きくなり、逆に画素e周辺の画像領域における局所空間周波数は小さくなる。
したがい、第2撮像手段2を一定量移動する毎に撮像した複数の撮像画像にそれぞれ局所空間周波数を抽出する画像処理を施し、局所空間周波数の大小に応じて各撮像画像を構成する各画素の合焦状態を判定すれば、各画素に対応するねじ付き管Pの端部の点の視軸21の方向の座標を算出することが可能である。すなわち、合焦状態の判定結果に基づき、ねじ付き管Pの端部の3次元形状を算出することができる。局所空間周波数を抽出する画像処理としては、2次元フーリエ変換など、公知の画像処理アルゴリズムを種々適用可能である。
なお、合焦法によって被写体の3次元形状を算出する装置として、撮像視野が4mm×4mm程度で移動スパンが25mm程度の装置が市販されている(例えば、アリコナ社製「光学式非接触三次元測定用センサーR25」)ため、本実施形態の第2撮像手段2及び演算手段3の一部として、市販されている装置を適用することも可能である。
FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining the principle of the focusing method executed by the calculation means 3.
As shown in FIG. 5, the
Then, if the second imaging means 2 moves in the direction of the
Accordingly, image processing for extracting a local spatial frequency is performed on each of the plurality of captured images captured each time the
In addition, as an apparatus for calculating the three-dimensional shape of a subject by the focusing method, an apparatus having an imaging field of view of about 4 mm × 4 mm and a movement span of about 25 mm is commercially available (for example, “Optical non-contact three-dimensional manufactured by Aricona Co., Ltd.). Therefore, it is also possible to apply a commercially available device as a part of the second imaging means 2 and the calculation means 3 of the present embodiment.
図6は、演算手段3が実行する第2外形C2の算出方法を説明する説明図である。
図6(a)に示すように、演算手段3は、まず前述のように合焦法によってねじ付き管Pの端部の3次元形状を算出する。なお、図6に示すX軸は、概ねねじ付き管Pのねじ軸Aに沿った方向である。Y軸は、X軸に直交し、概ね管周方向に沿った方向である。Z軸は、X軸及びY軸に直交し、概ね管径方向に沿った方向である。演算手段3が算出した3次元形状は、X軸座標、Y軸座標及びZ軸座標の組み合わせである点群データとして表わされる。
FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining a method of calculating the second outer shape C <b> 2 executed by the calculation means 3.
As shown in FIG. 6A, the calculation means 3 first calculates the three-dimensional shape of the end of the threaded tube P by the focusing method as described above. Note that the X axis shown in FIG. 6 is a direction substantially along the screw axis A of the threaded tube P. The Y axis is a direction orthogonal to the X axis and substantially along the tube circumferential direction. The Z axis is orthogonal to the X axis and the Y axis, and is generally along the tube diameter direction. The three-dimensional shape calculated by the calculation means 3 is represented as point group data that is a combination of X-axis coordinates, Y-axis coordinates, and Z-axis coordinates.
次に、図6(b)に示すように、演算手段3は、第2面M近傍の点群データを抽出する。具体的には、上記の3次元形状を構成する点群データのうち、いくつかのX軸座標(図6(b)に示す例では、X=X1〜X10の10点)を有するY軸座標及びZ軸座標の組み合わせを抽出する。換言すれば、各X軸座標を通るYZ平面の断面形状を抽出する。この断面形状を2次関数(Z=aY2+bY+c)、又は、円(Z=(R2−(Y−a)2)1/2+b)(a、b、c、Rは定数)で近似する。なお、この近似の際、近似誤差の大きいX=Xn(nは整数)の点群データは、ねじ山R部やねじ底R部等を含んだデータであるため、近似計算から除く必要がある。そして、各YZ平面の断面形状(各X軸座標を有するY軸座標及びZ軸座標の組み合わせ)について、近似した2次関数又は近似円におけるZ軸座標が最大となる点を抽出し、各最大点のY軸座標との差の2乗和が最小となる近似直線B(Y=Yc、Ycは定数)を算出する。 Next, as shown in FIG. 6B, the calculation means 3 extracts point cloud data in the vicinity of the second surface M. Specifically, among the point group data constituting the above three-dimensional shape, Y-axis coordinates having some X-axis coordinates (10 points in the example shown in FIG. 6B, X = X1 to X10). And a combination of Z-axis coordinates. In other words, the sectional shape of the YZ plane passing through each X-axis coordinate is extracted. This cross-sectional shape is approximated by a quadratic function (Z = aY 2 + bY + c) or a circle (Z = (R 2 − (Y−a) 2 ) 1/2 + b) (a, b, c, and R are constants) To do. In this approximation, X = Xn (n is an integer) point cloud data having a large approximation error is data including a thread R portion, a screw bottom R portion, and the like, and therefore needs to be excluded from the approximation calculation. . Then, for the cross-sectional shape of each YZ plane (a combination of the Y-axis coordinate and the Z-axis coordinate having each X-axis coordinate), a point where the Z-axis coordinate in the approximated quadratic function or approximate circle is maximum is extracted, and each maximum An approximate straight line B (Y = Yc, Yc is a constant) that minimizes the sum of squares of the difference between the point and the Y-axis coordinate is calculated.
上記の近似直線Bは、ねじ軸Aを含む第2面Mに含まれる直線であると考えてよいため、この近似直線B上のZ軸座標を抽出することにより、図6(c)に示すように、第2面Mで切断したねじ軸A方向に沿ったねじの部分的外形である第2外形C2を算出することが可能である。図6(c)に示す第2外形C2のうち、実線で示す部分は算出される外形であり、破線で示す部分は実際には存在するが算出されない外形である。この第2外形C2には、フック状フランク面P3hやねじ底R部P4を含めることが可能である。また、ねじ山の頂面P11を含めることも可能である。 Since the approximate straight line B may be considered as a straight line included in the second surface M including the screw axis A, by extracting the Z-axis coordinates on the approximate straight line B, it is shown in FIG. As described above, it is possible to calculate the second outer shape C2 which is a partial outer shape of the screw along the direction of the screw axis A cut by the second surface M. In the second outline C2 shown in FIG. 6C, the part indicated by a solid line is a calculated outline, and the part indicated by a broken line is an outline that actually exists but is not calculated. The second outer shape C2 can include a hook-shaped flank surface P3h and a screw bottom R portion P4. It is also possible to include a thread top surface P11.
以上に説明したように、演算手段3は、合焦法によってねじ付き管Pの端部の3次元形状を算出し、この算出した3次元形状に基づき、第2外形C2を算出する。合焦法によれば、高分解能で3次元形状を算出可能であるため、従来の接触プローブを用いた測定と異なり、ねじ付き管Pの製造ラインで測定する場合であっても、フック状フランク面P3h等の一定範囲の多数の3次元座標点を一度に検出することができる。このため、パーティクル付着の影響が抑制され、安定した測定が可能である。また、従来の接触プローブを用いた測定と異なり、接触子の直径の制約を受けないため、ねじ底R部P4を測定することも可能である。 As described above, the calculation means 3 calculates the three-dimensional shape of the end of the threaded tube P by the focusing method, and calculates the second outer shape C2 based on the calculated three-dimensional shape. According to the focusing method, a three-dimensional shape can be calculated with high resolution. Therefore, unlike a measurement using a conventional contact probe, a hook-like flank can be used even when measuring on a production line for a threaded tube P. A large number of three-dimensional coordinate points in a certain range such as the surface P3h can be detected at a time. For this reason, the influence of particle adhesion is suppressed and stable measurement is possible. In addition, unlike the measurement using the conventional contact probe, the screw bottom R portion P4 can be measured because the contact diameter is not limited.
演算手段3は、算出した第2外形C2に基づき、ねじ付き管Pのねじの形状を演算する。例えば、演算手段3は、第2外形C2に基づき、フック状フランク面P3hに相当する点群データを直線近似して、その近似直線の傾きを算出することにより、フック状フランク面P3hの角度を演算することが可能である。図6(c)に示す第2外形C2から直接演算できるフック状フランク面P3hの角度は、フック状フランク面P3hとねじ溝の底面P21との成す角度である。しかしながら、本実施形態では、前述のように、第1外形C1からねじ軸Aを検出可能であるため、フック状フランク面P3hとねじ軸Aの垂線Nとの成す角度β(図1参照)としてフック状フランク面P3hの角度を演算することも可能である。すなわち、第1外形C1に基づきねじ軸Aとねじ溝の底面P21との成す角度を演算し、第2外形C2に基づきねじ溝の底面P21とフック状フランク面P3hとの成す角度を演算し、両演算結果を組み合わせて演算することにより、フック状フランク面P3hとねじ軸Aの垂線Nとの成す角度を演算可能である。 The calculating means 3 calculates the thread shape of the threaded tube P based on the calculated second outer shape C2. For example, the calculation means 3 linearly approximates the point cloud data corresponding to the hook-shaped flank surface P3h based on the second outer shape C2, and calculates the inclination of the approximate straight line, thereby calculating the angle of the hook-shaped flank surface P3h. It is possible to calculate. The angle of the hook-shaped flank surface P3h that can be directly calculated from the second outer shape C2 shown in FIG. 6C is an angle formed by the hook-shaped flank surface P3h and the bottom surface P21 of the thread groove. However, in the present embodiment, as described above, since the screw shaft A can be detected from the first outer shape C1, the angle β formed by the hook-shaped flank surface P3h and the perpendicular N of the screw shaft A (see FIG. 1). It is also possible to calculate the angle of the hook-shaped flank surface P3h. That is, the angle formed between the screw shaft A and the bottom surface P21 of the screw groove is calculated based on the first outer shape C1, and the angle formed between the bottom surface P21 of the screw groove and the hook-shaped flank surface P3h is calculated based on the second outer shape C2. The angle formed by the hook-like flank surface P3h and the perpendicular N of the screw shaft A can be calculated by calculating the combination of both calculation results.
また、演算手段3は、第2外形C2におけるねじ底R部P4に相当する点群データを円近似して、その近似円の半径を算出することにより、ねじ底R部P4の曲率半径を算出することが可能である。 Further, the calculation means 3 calculates the radius of curvature of the screw bottom R portion P4 by circularly approximating point group data corresponding to the screw bottom R portion P4 in the second outer shape C2 and calculating the radius of the approximate circle. Is possible.
さらに、演算手段3は、第1外形C1及び第2外形C2の共通する部分をフィッティングさせることで、第1外形C1及び第2外形C2が合成された合成外形を算出することも可能である。 Furthermore, the calculation means 3 can also calculate a combined outer shape obtained by combining the first outer shape C1 and the second outer shape C2 by fitting a common part of the first outer shape C1 and the second outer shape C2.
図7は、演算手段3が実行する合成波形の算出方法を説明する説明図である。
図7に示すように、第1外形C1及び第2外形C2の共通する部分として、ねじ山の頂面P11、ねじ溝の底面P21及びねじ山R部P5を挙げることができる。これらのフィッティング方法としては、例えば、以下の手順を例示できる。
(1)第1外形C1のねじ山の頂面P11に相当する点群データを直線近似して、近似直線L11を算出する。同様に、第1外形C1のねじ溝の底面P21に相当する点群データを直線近似して、近似直線L21を算出する。
(2)近似直線L11と第2外形C2のねじ山の頂面P11に相当する点群データとの差の2乗和と、近似直線L21と第2外形C2のねじ溝の底面P21に相当する点群データとの差の2乗和とを加算した総和が最小となるように、第1外形C1に対して第2外形C2を回転・平行移動させる。
(3)第2外形C2のねじ山R部P5に相当する点群データを円近似して、近似円を算出する。
(4)上記(3)の近似円と第1外形C1のねじ山R部P5に相当する点群データとの差の2乗和が最小となるように、上記(2)で回転・平行移動した後の第2外形C2を近似直線21に沿って平行移動させる。
FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining a method of calculating a composite waveform executed by the calculation means 3.
As shown in FIG. 7, the common parts of the first outer shape C1 and the second outer shape C2 may include a thread top surface P11, a thread groove bottom surface P21, and a thread R portion P5. Examples of these fitting methods include the following procedures.
(1) The approximate straight line L11 is calculated by linearly approximating the point cloud data corresponding to the top face P11 of the thread of the first outer shape C1. Similarly, an approximate straight line L21 is calculated by linearly approximating point cloud data corresponding to the bottom surface P21 of the thread groove of the first outer shape C1.
(2) The sum of squares of the difference between the approximate straight line L11 and the point cloud data corresponding to the top surface P11 of the thread of the second outer shape C2, and the bottom surface P21 of the thread groove of the approximate straight line L21 and the second outer shape C2. The second outline C2 is rotated and translated with respect to the first outline C1 so that the sum total of the sum of squares of differences from the point cloud data is minimized.
(3) A point circle data corresponding to the thread R portion P5 of the second outer shape C2 is circularly approximated to calculate an approximate circle.
(4) Rotation / translation in (2) so that the sum of squares of the difference between the approximate circle in (3) and the point cloud data corresponding to the thread R portion P5 of the first outer shape C1 is minimized. The second outer shape C <b> 2 after being moved is translated along the approximate
上記(1)〜(4)の手順により、第1外形C1及び第2外形C2が合成された合成外形を算出可能である。この合成波形には双方のフランク面P3が含まれる。このため、演算手段3は、算出した合成外形に基づき、例えば、ねじ山幅及びねじ谷幅を演算することも可能である。 By the procedures (1) to (4), it is possible to calculate a combined outer shape in which the first outer shape C1 and the second outer shape C2 are combined. This composite waveform includes both flank surfaces P3. For this reason, the calculating means 3 can also calculate, for example, the thread width and the thread valley width based on the calculated composite outer shape.
なお、演算手段3は、第1外形C1に基づき、ねじ山の位相を演算し、演算したねじ山の位相に基づき、ねじ軸A方向についての第2光学系20の位置を決定することが好ましい。そして、光学系20がこの決定した位置となるように、第2照明手段1や第2撮像手段2が取り付けられた駆動機構を駆動すればよい。これにより、本実施形態のように、第1光学系10と第2光学系20とが、ねじ付き管Pの周方向に離間した位置に配置されているとしても、フック状フランク面P3h及びねじ底R部P4が測定可能な位置に第2光学系20を位置決め可能である。以下、上記の第2光学系20の位置決めについて、図8及び図9を参照しつつ、より詳細に説明する。
The calculating means 3 preferably calculates the phase of the screw thread based on the first outer shape C1, and determines the position of the second
図8は、第2光学系20(第2撮像手段2)の撮像視野の影響を説明する説明図である。図8(a)は適切な撮像画像が得られる場合の撮像視野の例を、図8(b)は不適切な撮像画像が得られる場合の撮像視野の例を示す。図8に実線で示す部分が撮像される部分であり、破線で示す部分が撮像されない部分である。
図8(a)に示す例では、撮像視野の中心がフック状フランク面P3hの高さ方向の中心位置にほぼ位置しており、これにより、ねじ溝の底面P21、フック状フランク面P3h及びねじ山の頂面P11を同時に撮像可能である。これに対して、図8(b)に示す例では、不連続な撮像画像になると共に、フック状フランク面P3hの一部しか撮像できない。したがい、図8(a)に示すような撮像視野が得られるように、第2光学系20(第2撮像手段2)を位置決めすることが好ましい。
FIG. 8 is an explanatory diagram for explaining the influence of the imaging field of view of the second optical system 20 (second imaging means 2). FIG. 8A shows an example of an imaging field when an appropriate captured image is obtained, and FIG. 8B shows an example of an imaging field when an inappropriate captured image is obtained. In FIG. 8, the part indicated by the solid line is the part to be imaged, and the part indicated by the broken line is the part that is not imaged.
In the example shown in FIG. 8A, the center of the imaging field is substantially located at the center position in the height direction of the hook-shaped flank P3h, whereby the bottom surface P21 of the thread groove, the hook-shaped flank P3h, and the screw The top surface P11 of the mountain can be imaged at the same time. On the other hand, in the example shown in FIG. 8B, the captured image is discontinuous and only a part of the hook-shaped flank surface P3h can be captured. Therefore, it is preferable to position the second optical system 20 (second imaging means 2) so that an imaging field of view as shown in FIG.
図9は、第2光学系20(第2撮像手段2)の位置決め方法を説明する説明図である。
演算手段3は、前述のように、第1外形C1に基づき、ねじ山の位相を演算する。具体的には、図9に示すように、第1撮像手段5bの撮像画像によって得られた第1外形C1aに基づき、第1撮像手段5bの撮像視野の中心A1から管端面側に位置するフック状ではないフランク面P3までのねじ軸A方向の距離FSを演算する。本実施形態では、この距離FSをねじ山の位相に相当するパラメータとして使用する。
ここで、予め設定した設定値としてのねじ山幅をPPとする。また、ねじ付き管Pの外半径をRとする。また、ねじのピッチをPTとする。さらに、フック状フランク面P3hの高さ方向の中心位置が、管周方向に角度δ(図3参照)だけずれると、ねじ軸A方向にSだけずれるとする。この場合、第2撮像手段2が図8(a)に示すような適切な撮像視野を得る(図9に示すように、撮像視野の中心A2がフック状フランク面P3hの高さ方向の中心位置にほぼ位置する)には、第2撮像手段の撮像視野の中心A2の位置を第1撮像手段5bの撮像視野の中心A1の位置に対して、ねじ軸A方向に以下の式で表わされるLだけずらせばよいことになる。
L=FS+PP−S
=FS+PP−R・tanγ
=FS+PP−R・(1−cosδ)・PT/(2・R)
演算手段3が上記の式に基づきLを演算することで、ねじ軸A方向についての第2光学系20(第2撮像手段2)の好適な位置を決定可能である。
FIG. 9 is an explanatory diagram for explaining a positioning method of the second optical system 20 (second imaging means 2).
As described above, the calculating means 3 calculates the thread phase based on the first outer shape C1. Specifically, as shown in FIG. 9, a hook located on the tube end face side from the center A1 of the imaging field of view of the
Here, PP represents the thread width as a preset set value. Further, let R be the outer radius of the threaded tube P. Moreover, let the pitch of a screw be PT. Furthermore, when the center position in the height direction of the hook-shaped flank surface P3h is shifted by an angle δ (see FIG. 3) in the pipe circumferential direction, it is assumed that it is shifted by S in the screw shaft A direction. In this case, the second imaging means 2 obtains an appropriate imaging field as shown in FIG. 8A (as shown in FIG. 9, the center A2 of the imaging field is the center position of the hook-shaped flank surface P3h in the height direction). The position of the center A2 of the imaging field of the second imaging unit with respect to the position of the center A1 of the imaging field of the
L = FS + PP-S
= FS + PP-R · tanγ
= FS + PP-R. (1-cos.delta.). PT / (2.R)
The
本実施形態に係るねじ形状測定装置100によれば、第1光学系10によって従来の光投影法で測定できるねじ形状を、第2光学系20によって従来の光投影法や接触プローブを用いる方法では測定が困難であるねじ形状を、ねじ付き管Pの製造ラインで測定可能である。
According to the screw
以下、本実施形態に係るねじ形状測定装置100を構成する第2撮像手段2の視軸21の角度及び第2照明手段1の光軸11の角度の好ましい設定例について説明する。
Hereinafter, a preferable setting example of the angle of the
<第2撮像手段2の視軸21の角度>
図10は、第2撮像手段2の視軸21の角度と、ねじ溝の底面P21及びフランク面P3の撮像分解能との関係の一例を示す図である。図10の横軸は、図2(a)に示すように、ねじ軸Aを含む第2面Mに対して直交する方向から見て、第2撮像手段2の視軸21とねじ軸Aの垂線Nとの成す角度αを示す。図10は、ねじ溝の底面P21がねじ軸Aと平行であり、なお且つ、ねじ溝の底面P21とフランク面P3とが90°の角度を成していると仮定した場合の視軸21の角度αと各面P21、P3の撮像分解能との関係である。
図10に示すように、α=45°のとき、ねじ溝の底面P21の撮像分解能と、フランク面P3の撮像分解能とが等しくなり(図10では、このときの撮像分解能を1としている)、この角度から外れるに従い、いずれか一方の撮像分解能が大きくなる。いずれか一方の撮像分解能が2倍以上劣化しない(大きくならない)ようにするには、20°≦α≦70°の範囲に設定する必要がある。
<An angle of the
FIG. 10 is a diagram illustrating an example of the relationship between the angle of the
As shown in FIG. 10, when α = 45 °, the imaging resolution of the bottom surface P21 of the thread groove is equal to the imaging resolution of the flank surface P3 (in FIG. 10, the imaging resolution at this time is 1). As it deviates from this angle, the imaging resolution of either one increases. In order to prevent any one of the imaging resolutions from deteriorating (not increasing) more than twice, it is necessary to set the range of 20 ° ≦ α ≦ 70 °.
しかしながら、実際の油井管等のねじ付き管Pでは、フランク面P3がフック状フランク面P3hである場合には、ねじ溝の底面P21に対するフック状フランク面P3hの角度は85〜87°程度である。また、ねじ溝の底面P21がねじ軸Aに対して傾斜(1.8°程度)しているテーパねじであったり、実際の測定の際にねじ軸Aが変動する(±3°)ことなどを考慮すると、いずれか一方の撮像分解能が2倍以上劣化しない(大きくならない)ようにするには、25°≦α≦65°程度の範囲に設定する必要がある。
さらに、合焦法を適用する場合、一般に、第2撮像手段2とねじ付き管Pとは、視軸21方向に数十mm程度の短い距離しか離れていないため、第2撮像手段2がねじ付き管Pに衝突するおそれを回避するには、αはできるだけ小さい方が好ましい。このため、ねじ溝の底面P21の撮像分解能とフランク面P3の撮像分解能との間に優先順位が無い場合には、25°≦α≦45°に設定することが好ましい。
However, in a threaded tube P such as an actual oil well tube, when the flank surface P3 is a hook-shaped flank surface P3h, the angle of the hook-shaped flank surface P3h with respect to the bottom surface P21 of the thread groove is about 85 to 87 °. . Further, the bottom surface P21 of the thread groove is a tapered screw inclined (about 1.8 °) with respect to the screw axis A, or the screw axis A fluctuates (± 3 °) during actual measurement. In view of the above, it is necessary to set a range of about 25 ° ≦ α ≦ 65 ° so that one of the imaging resolutions does not deteriorate (not increase) by more than twice.
Further, when the focusing method is applied, generally, the second imaging means 2 and the threaded tube P are separated by a short distance of about several tens of millimeters in the direction of the
<第2照明手段1の光軸11の角度>
図2(a)に示すように、ねじ軸Aを含む第2面Mに対して直交する方向から見て、第2照明手段1の光軸11は、ねじ軸Aの垂線Nに対して第2撮像手段2の視軸21と同じ側に位置する。図2(a)に示す例では、第2撮像手段2は管端面と反対側に位置するフック状フランク面を撮像するために、第2撮像手段2の視軸21は、ねじ軸Aの垂線Nに対して管端面側と反対側に傾斜している(図2(a)において反時計回りに傾斜している)。このため、第2照明手段1の光軸11も、ねじ軸Aの垂線Nに対して管端面側と反対側に傾斜している(図2(a)において反時計回りに傾斜している)。
ここで、ねじ軸Aを含む第2面Mに対して直交する方向から見て、第2照明手段1の光軸11とねじ軸Aの垂線Nとの成す角度をθとする。また、図2(b)に示すように、ねじ軸Aの方向から見て、第2照明手段1の光軸11とねじ軸Aの垂線Nとの成す角度をφとする。
<Angle of the
As shown in FIG. 2A, the
Here, when viewed from a direction orthogonal to the second surface M including the screw axis A, an angle formed by the
図11は、第2撮像手段2の角度α=30°とし、第2照明手段1の光軸11の角度θ、φを種々の値に変更したときの、欠損率を評価した結果の一例を示す図である。図11(a)は、図2(b)に示す第2照明手段1の光軸11をねじ軸Aの垂線Nに対して反時計回りに傾斜させた場合の結果を示す。図11(b)は、図2(b)に示す第2照明手段1の光軸11をねじ軸Aの垂線Nに対して時計回りに傾斜させた場合の結果を示す。図11では、時計回りと反時計回りとを区別するために、便宜上、反時計回りの角度φを正の値にし(図11(a))、時計回りの角度φを負の値(図11(b))で示している。また、欠損率とは、第2撮像手段2が具備する撮像素子(約400万画素)のうち、反射光の入射光量の過大・過小の問題で合焦状態を判定できず、3次元形状を算出できなかった画素の割合を示す。
FIG. 11 shows an example of the result of evaluating the defect rate when the angle α of the
図11から分かるように、40°≦θ≦65°であれば、角度φに関わらず、欠損率が2.0%以下となっている。
したがい、40°≦θ≦65°に設定することが好ましい。
また、図11(a)から分かるように、45°≦θ≦60°で、且つ、55°≦φ≦60°である場合には、欠損率が0.2%以下となっている。同様に、図11(b)から分かるように、45°≦θ≦60°で、且つ、−60°≦φ≦−55°である場合にも、欠損率が0.2%以下となっている。
したがい、45°≦θ≦60°の条件に加え、時計回りと反時計回りの区別なく角度φ(絶対値)を55°≦φ≦60°に設定することがより一層好ましい。
As can be seen from FIG. 11, when 40 ° ≦ θ ≦ 65 °, the defect rate is 2.0% or less regardless of the angle φ.
Therefore, it is preferable to set 40 ° ≦ θ ≦ 65 °.
As can be seen from FIG. 11A, when 45 ° ≦ θ ≦ 60 ° and 55 ° ≦ φ ≦ 60 °, the defect rate is 0.2% or less. Similarly, as can be seen from FIG. 11B, even when 45 ° ≦ θ ≦ 60 ° and −60 ° ≦ φ ≦ −55 °, the defect rate is 0.2% or less. Yes.
Therefore, in addition to the condition of 45 ° ≦ θ ≦ 60 °, it is more preferable to set the angle φ (absolute value) to 55 ° ≦ φ ≦ 60 ° without distinction between clockwise and counterclockwise.
図12は、本実施形態に係るねじ形状測定装置100によって、ねじ形状として、フランク面P3(フック状フランク面P3h)の角度、ねじ底R部P4の曲率半径に加え、ねじ山高さ、ねじ山R部の曲率半径を算出した結果の一例を示す。図12では、本実施形態に係るねじ形状測定装置100による測定結果を、針式形状計(ミツトヨ製コントレーサCV−1000N2:精度±約3.5μm)による測定値との差で評価した。なお、角度θ=55°、角度φ=60°、角度α=30°に設定した。
図12に示すように、本実施形態に係るねじ形状測定装置100によれば、上記いずれのねじ形状についても、実用に耐える精度の範囲内であることが分かった。
FIG. 12 shows a screw
As shown in FIG. 12, according to the screw
1・・・第2照明手段
2・・・第2撮像手段
3・・・演算手段
4・・・第1照明手段
5・・・第1撮像手段
10・・・第1光学系
11・・・光軸
20・・・第2光学系
21・・・視軸
100・・・ねじ形状測定装置
P・・・ねじ付き管
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記ねじ付き管の端部を照明し、ねじから漏れ出た光を検出して撮像する第1光学系と、
前記ねじ付き管の端部を照明し、該照明された端部を焦点位置を変更して複数回撮像する第2光学系と、
前記第1光学系及び前記第2光学系によって撮像された撮像画像に基づき、前記ねじ付き管の端部に形成されたねじの形状を演算する演算手段とを備え、
前記第1光学系は、前記ねじ付き管のねじ軸の方向から見て、前記ねじ軸を含む第1面に対して略直交する方向から前記ねじ付き管の端部を照明する第1照明手段と、前記ねじ軸を含む第1面に対して前記第1照明手段と反対側に対向配置され、ねじから漏れ出た光を検出して撮像する第1撮像手段とを具備し、
前記第2光学系は、前記ねじ付き管の端部を照明する第2照明手段と、前記第2照明手段によって照明された前記ねじ付き管の端部を撮像する第2撮像手段とを具備し、
前記第2撮像手段は、前記ねじ付き管のねじ軸を含む第2面に沿って配置され、前記ねじ軸及び前記ねじ軸の垂線の双方に対して傾斜した方向の視軸を有し、焦点位置を変更して前記ねじ付き管の端部を複数回撮像し、
前記第2照明手段は、前記ねじ軸を含む第2面から離れた位置に配置され、前記ねじ軸の垂線及び前記第2撮像手段の視軸の双方に対して傾斜した方向の光軸を有し、
前記演算手段は、
前記第1撮像手段によって撮像された撮像画像に画像処理を施すことで、前記ねじ軸方向に沿ったねじの部分的な外形である第1外形を算出し、
前記第2撮像手段によって撮像された複数の撮像画像にそれぞれ画像処理を施して各撮像画像の合焦状態を判定し、該判定結果に基づき前記ねじ付き管の端部の3次元形状を算出し、該算出した3次元形状に基づき、前記ねじ軸方向に沿ったねじの部分的な外形である第2外形を算出し、
前記算出した第1外形及び第2外形に基づき、前記ねじ付き管のねじの形状を演算する、
ことを特徴とするねじ付き管のねじ形状測定装置。 A device for measuring the shape of a screw formed at the end of a threaded tube,
A first optical system that illuminates an end of the threaded tube and detects and images light leaking from the screw;
A second optical system that illuminates an end of the threaded tube and images the illuminated end a plurality of times by changing a focal position;
Computation means for computing the shape of the screw formed at the end of the threaded tube based on the captured image captured by the first optical system and the second optical system,
The first optical system illuminates the end of the threaded tube from a direction substantially orthogonal to the first surface including the threaded shaft as viewed from the direction of the threaded shaft of the threaded tube. And a first imaging means that is disposed opposite to the first illumination means with respect to the first surface including the screw shaft and detects and leaks light leaking from the screw,
The second optical system includes second illuminating means for illuminating the end of the threaded tube, and second imaging means for imaging the end of the threaded tube illuminated by the second illuminating means. ,
The second imaging means is disposed along a second surface including the screw shaft of the threaded tube, has a visual axis in a direction inclined with respect to both the screw shaft and a perpendicular to the screw shaft, Change the position and image the end of the threaded tube multiple times,
The second illumination means is disposed at a position away from the second surface including the screw shaft, and has an optical axis inclined with respect to both the perpendicular of the screw shaft and the visual axis of the second imaging means. And
The computing means is
By performing image processing on the captured image captured by the first imaging unit, a first external shape that is a partial external shape of the screw along the screw axis direction is calculated,
Each of the plurality of captured images captured by the second imaging means is subjected to image processing to determine the in-focus state of each captured image, and the three-dimensional shape of the end of the threaded tube is calculated based on the determination result. , Based on the calculated three-dimensional shape, to calculate a second outer shape that is a partial outer shape of the screw along the screw axis direction,
Based on the calculated first outer shape and second outer shape, the thread shape of the threaded tube is calculated.
An apparatus for measuring the thread shape of a threaded tube.
前記第1外形に基づき、前記ねじ軸を検出すると共に、前記ねじ軸とねじ溝の底面との成す角度を演算し、
前記第2外形に基づき、前記ねじ溝の底面とフランク面との成す角度を演算し、
前記演算したねじ軸とねじ溝の底面との成す角度及び前記演算したねじ溝の底面とフランク面との成す角度に基づき、前記フランク面と前記ねじ軸の垂線との成す角度を演算することを特徴とする請求項1に記載のねじ付き管のねじ形状測定装置。 The computing means is
Based on the first outer shape, the screw shaft is detected, and an angle formed by the screw shaft and the bottom surface of the screw groove is calculated.
Based on the second outer shape, the angle formed by the bottom surface of the thread groove and the flank surface is calculated,
Based on the calculated angle formed between the screw shaft and the bottom surface of the screw groove and the calculated angle formed between the bottom surface of the screw groove and the flank surface, the angle formed between the flank surface and the perpendicular of the screw shaft is calculated. The thread shape measuring apparatus for a threaded tube according to claim 1, wherein
前記第1外形及び前記第2外形の共通する部分をフィッティングさせることで、前記第1外形及び前記第2外形が合成された合成外形を算出し、
前記算出した合成外形に基づき、ねじ山幅及びねじ谷幅を演算することを特徴とする請求項1又は2の何れかに記載のねじ付き管のねじ形状測定装置。 The computing means is
By fitting a common part of the first outer shape and the second outer shape, a combined outer shape obtained by combining the first outer shape and the second outer shape is calculated,
3. The thread shape measuring device for a threaded tube according to claim 1, wherein a thread width and a thread valley width are calculated based on the calculated composite outer shape.
前記第1外形に基づき、ねじ山の位相を演算し、
前記演算したねじ山の位相に基づき、前記ねじ軸方向についての前記第2光学系の位置を決定することを特徴とする請求項1から3の何れかに記載のねじ付き管のねじ形状測定装置。 The computing means is
Based on the first outer shape, the thread phase is calculated,
4. The thread shape measuring device for a threaded tube according to claim 1, wherein the position of the second optical system in the screw shaft direction is determined based on the calculated phase of the screw thread. 5. .
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