JP6820949B2 - ねじ山測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載されたねじ山測定装置に関する。

欧州特許出願公開第２２５９０１５号明細書（EP 2 259 015 A1）には、第１光学測定装置も、第２機械センサ測定装置も共に移動可能に台に配置されている、管端部におけるねじ山の測定装置が記載されている。光学測定装置には、１つの測定区間だけが含まれている。この測定区間は、互いに垂直な３つの空間方向に直線的に運動可能であり、さらに、管軸線に対してほぼ垂直な方向に延在する１つの傾斜軸線周りに回動可能である。
特開２０１０−０３８５５４号公報（JP-A-2010038554）には、測定対象のねじ山の様々な位置に複数の測定区間が配置されているねじ測定装置が記載されている。
特開昭６３−１９１００７号公報（JP-A-S63 191007）には、測定対象のねじ山にただ１つの測定区間を備えた光学測定装置が配置されているねじ山測定装置が記載されている。
米国特許第５２９１２７２号明細書(US-A-5 291 272)には、測定対象のねじ山のそれぞれ反対の２つの側に２つの測定区間を備えた光学測定装置が配置されているねじ山測定装置が記載されている。

欧州特許出願公開第２２５９０１５号明細書

本発明の課題は、特に正確な品質管理を可能にするねじ山測定装置を提供することである。

この課題は、冒頭に述べた装置に対し、本発明により、請求項１の特徴部分に記載した特徴によって解決される。少なくとも２つの光学測定区間を１つの測定チャネルに組み合わせることにより、管のそれぞれ反対の側でねじ山を同時に測定することができる。これにより、ねじ条の構成に加え、同時に、位置決め誤り、変形および他の誤りを直径全体にわたって特定することができる。

特に、１つの測定チャネルの少なくとも２つの測定区間が、互いに正確に位置決めされ、これにより、反対の側の管領域について、測定した誤差を、ねじ山それ自体にフィードバックすることができる。

本発明において、測定区間とは、所定の領域の物体を光学式に測定可能な光学センサを備えた任意の光学検出システムのことであると理解される。したがって、少なくとも２つの測定区間は、対象体の空間的に異なる２つの領域を検出する。既知のように測定区間を互いに配向することにより、全体として、測定される２つの領域の相対位置についての測定情報も獲得される測定チャネルが得られる。

本発明において、ねじ山付きの管とは、好適には、雄ねじ山を有しかつ２０ｍｍと６００ｍｍとの間の直径を有する管のことである。このような管は、例えば、石油およびガス探鉱に使用される。多くの場合に、管は、圧延の後、少なくとも一方の端部に切削加工によりねじ山が加工される高品質のシームレス圧延管である。このような管のねじ山の精度についての要求は高い。ねじ山の寸法安定性についての要求を規定する一般的な標準は、アメリカ石油協会のＡＰＩ ５Ｂ規格である。

本発明における調整軸線は、幾何学的な軸線である。調整軸線は、具体的な軸線と一致してもよいが、必ずしも一致しなくてもよい。調整軸線周りの傾斜は、特に、並進運動に合成して行うことが可能である。

本発明におけるマニピュレータは、測定区間または測定チャネルを、１つまたは複数の空間方向に並進運動させ、さらに調整軸線周りに傾斜させることができる。マニピュレータの運動は、好適には、すべて原動機を介して生ぜしめられ、電子式制御ユニットを介して制御可能である。

本発明におけるねじ山軸線は、管端部に切削加工されるねじ山の幾何学的構造により、その中心軸線として定義される。ねじ山軸線は、特に、許容される公差に起因して管の中心軸線から偏差してよく、または許容されない公差に起因して管の中心軸線から偏差してもよい。

本発明では、測定チャネルは、マニピュレータにより、少なくとも１つの第２調整軸線周りに、ねじ山軸線に対して相対的に傾斜させることが可能であり、これにより、測定チャネルが、所定の空間角度間隔内で自由に配向可能であるように規定される。したがって、配向が、せいぜいのところ、ただ１つの面内で１つの角度だけで行われる既知のシステムとは異なり、測定チャネルに対して正確な配向で、空間方向についての任意の、ねじ山軸線が傾いている状態を設定することができる。ねじ山軸線が傾いている状態は、例えば、管のたわみ、ねじ山軸線および管軸線の誤差、管の保持部における公差などのさまざまな原因にも起因し得る。好適には、調整軸線を介する配向に、既知のサイズとして、ねじ山のピッチを一緒に組み入れることが可能である。

有利な発展形態では、調整軸線周りの傾斜によって、ねじ条の光学的な幅の極値が設定されることにより、ねじ山を測定するための測定チャネルの配向が行われる。これは、ねじ山形状および要求に応じて、ねじ条の谷底の投影幅の最大化および／またはねじ条の山頂の投影幅の最小化であってよい。いずれの場合も、極値の測定により、高い精度と同時に高速の配向が可能である。

一般に有利には、測定チャネルを、調整軸線周りに可動な支持体に配置することができ、支持体が、リニアガイドを介し、主方向に沿って移動可能である。これにより、機械的に容易に保証されるのは、後でねじ山を測定するために、支持体を主方向に沿って運動させる場合に、一度設定した配向が正確に維持されることである。ねじ山ピッチは、有利には、支持体と測定チャネルとの間で相応に調整可能であることにより、既知のサイズとして、あらかじめ選択することが可能である。

高速かつ効率的な、ねじ山の測定のために規定されるのは、測定チャネルが、第１ステップにおいて、マニピュレータにより、ねじ山を覆うように移動させられ、ねじ山軸線に対して測定チャネルが配向され、測定チャネルが、第２ステップにおいて、覆っている状態を脱するように逆向きに移動させられ、その際にねじ山の測定が行われることである。

考えられ得る一実施形態では、汎用かつコスト的に有利な実現のために規定されるのは、マニピュレータが、自由に運動可能な産業用ロボットを含むことである。本発明での産業用ロボットとは、市場において一般的であり、プログラム可能かつ汎用の課題に対して設計された任意のマニピュレータのことであると理解される。

有利な実施形態では、少なくとも１つの第２測定チャネルが、マニピュレータに配置されており、測定チャネルが、ねじ山の周方向の、ねじ山の種々異なる領域に配向される。これによって周にわたる複数の位置において分散されて同時にねじ山の測定が可能になり、これにより、測定が大幅に加速される。特に、測定チャネルの個数が十分であるときには、管も測定機器も、ねじ山軸線周りに回動させる必要がないようにすることが可能である。このような回動の後には、発生する公差に起因して、測定チャネルを新たに配向しなければならないことが多い。

測定チャネルの個数は、有利には、製造時の予想される偏差に適合させることが可能である。したがって、例えば、２ローラ方式による管の圧延は、場合によっては、不所望の大きな２点・楕円率を生じさせるが、これは、９０°だけ回動させた２つの測定チャネルによって良好に検出可能である。３ローラ方式による管の圧延は、場合によっては、不所望の大きな３点・楕円率を生じさせるが、これは、それぞれ６０°だけ回動させた測定チャネルによって良好に検出可能である。

本発明の有利な一発展形態において、少なくとも１つの光切断センサが、マニピュレータに付加的に配置されており、光切断センサにより、好適にはアンダーカットされたねじ山フランクの表面を測定可能である。これにより、例えば、ねじ山切削時の工具の破損によって生じ得る、表面の欠陥を容易に検出することができる。少なくともアンダーカットされた領域において、このような欠陥は、光学測定区間には不可視であり、これにより、簡単な手段で、改善された測定が行われる。好適には、光切断センサは、マニピュレータにおいて測定チャネルと同じ収容部内に配置され、これにより、測定チャネルを配向することは、光切断センサを配向することと同義になる。

特に好適な発展形態では、さらに、少なくとも１つの第２光切断センサが、マニピュレータに配置されており、第２光切断センサにより、ねじ条の反対側のフランクを測定可能である。これにより、高い速度でねじ条の２つのフランクを管理することができる。

好適には、複数の光学測定区間のうちの少なくとも１つに、テレセントリック光学系、レーザスキャナおよびレーザ三角測量器またはＬＣＤライドバンドスキャナ（μメータ）からなるグループから選択される光学測定機器が含まれている。本発明でのレーザスキャナは、レーザマイクロメータまたはレーザスキャンマイクロメータとも称される。本発明でのテレセントリック光学系は、結像すべき物体の領域において、実質的に平行なビーム路を有し、これにより、物体の歪みの少ない結像および測定が可能である結像光学系のことである。

一般に有利であるのは、本発明による装置において、管が、全測定の間、動かされないことである。これにより、測定チャネルに対する相対的なねじ山の位置決めにおいて、さらなる偏差が入り込むことがない。この場合に測定中の運動は、可動の測定チャネルだけによって行われる。

高速かつ障害のない工程および装置のメンテナンスコストを少なくするために、好適に規定されるのは、測定センサが機械的に全く接触することなく、ねじ山の測定が行われることである。

別の利点および特徴は、以下で説明する実施例および従属請求項から得られる。

以下では、本発明の好適な実施形態を示し、添付の図面に基づいて詳しく説明する。

本発明による装置の第１実施例の概略全体図である。 図１の装置の詳細側面図である。 図１の装置の光学測定区間の図である。 図１の装置の測定チャネルの平面図である。 ２つの測定チャネルを有する、本発明の第２実施例の詳細図である。 図１の装置による配向過程を説明するための概略図である。 アンダーカットされたねじ山の図である。 ２つの光切断センサを備えた、本発明の第３実施例の概略図である。

図１に示した装置は、先行する製造ステップにおいて管２の端部に切削加工されたねじ山１を測定するために使用される。この測定は、品質管理に使用される。測定は、要求に応じて、抜き取り検査方式で行ってよい。好適には、製造されるすべてのねじ山が、この装置によって検査される。

管２は、測定の間、空間位置固定の保持部（図示せず）に把持される。管は、測定中、運動または回動させられることはない。

本発明による装置には、２つの光学測定区間５を備えた測定チャネル４を空間内で運動させることが可能なマニピュレータ３が含まれている。この実施例においてマニピュレータ３に含まれるのは、例えば汎用の産業用ロボット６である。ロボットのアームには、関節６ｂを介して互いに回動可能な複数のセグメント６ａが含まれている。アームの端部には、マニピュレータの別の部分として、測定チャネル４を支持する支持体７が取り付けられている。

支持体７を直線的に案内（図示せず）することにより、高い精度で直線的に主方向Ｈに沿って測定チャネル４を往復移動させることができる。図１による描画において、主方向Ｈは、図平面に対して垂直に延在している。ねじ山１により、ねじ山１の中心の対称軸線として、ねじ山軸線Ａが定められる。

支持体７は、産業用ロボット６により、空間内で自由に運動可能である。特に、これには、並進運動だけでなく、空間角度間隔における自由な設定も含まれる。これにより、支持体の主方向Ｈは、空間角度間隔内で任意に向けられて傾いている状態においても、ねじ山軸線Ａに対して平行に配向可能である。

この配向は、汎用の産業用ロボットを使用する際には、複数のセグメントおよび関節を同時に操作することによって行うことも可能である。方向が自由に設定可能であることを概略的に説明するために、図２では２つの調整軸線Ｓ１、Ｓ２が示されている。調整軸線Ｓ１およびＳ２ならびにねじ山軸線Ａは、それぞれ互いに平行にすべきでない。３つの軸線は、好適には実質的に互いに垂直である。

これにより、２つの調整軸線Ｓ１、Ｓ２周りの傾斜によって、主方向Ｈまたは測定チャネル４の方向を任意に向けることが可能である。この実施例において、少なくとも２つの調整軸線Ｓ１、Ｓ２周りの傾斜と、測定チャネル４を自由に方向設定すること（空間方向の２自由度）とは同義であると理解される。傾斜の実現については、任意の個数の運動する関節、ガイドなどおよびこれらの組み合わせをマニピュレータに設けることができ、このことは、汎用の産業用ロボット６によって具体的に示されている。

図３には、光学測定区間５の設定のいくつかの可能性が具体的に示されている。この実施例において、光学測定区間５は、それぞれ、物体側で平行なビーム路が光学センサ５ａに結像されるテレセントリック光学系である。

まず、支持体７に対して相対的に、および／または、同じ測定チャネル４の第２光学測定区間に対して相対的に、所定の角度だけ測定区間５の光軸を事前調整することができる。これにより、例えば、切削加工されるねじ山の目標ピッチを設定可能である。

さらに、光学測定区間の光学センサ５ａと光源５ｂとの間の間隔を設定することができる。さらに、測定区間の位置を、その光軸に沿って設定することができる。これにより、全体として、種々異なる管直径および管保持部への適合を行うことができる。ねじ山ピッチに従った事前調整と同様に、これらの設定を、同じ工程の管の、連続した一連の測定の前に、一回行うことができる。有利であるのは、このために、設定可能な保持部（図示せず）を支持体７に配置することである。

図３の右側の図では、主方向Ｈに沿って支持体７を移動させることによる、測定チャネル４の運動が示されている。

図４には、本発明の第１実施形態に従い、ねじ山１の上に配向される測定チャネル４の概略図が示されている。

図５には、第２測定チャネル８が、支持体７に配置されている、本発明の第２実施例が示されている。第２測定チャネル８は、第１測定チャネル４に対し、９０°だけ主方向Ｈ周りに回動させられて配置されているが、その他の点で構造は同じである。これにより、ねじ山１の周囲に沿って種々異なる領域を測定することができる。さらに、これにより、保持部において管２を回動させなくても、管２またはねじ山１の楕円率についての情報を得ることができる。構造上の理由から、第１測定チャネルとは異なる面内において主方向Ｈに、第２測定チャネル８を配置することができる。

別の複数の実施例（図示せず）では、３つの測定チャネルの場合には約６０°の、対応する角度だけ、互いに回動させることができる３つまたはそれ以上の測定チャネル４を設けることも可能である。

図６には、ねじ山軸線Ａに対して相対的に、測定チャネル４または主方向Ｈを配向する過程が示されている。

直線Ａと直線Ｈとが傾いている状態またはこれらの間に角度があるとき（図のＮＧの場合）、測定区間５の光軸に沿った、ねじ条１ａの投影は陰を作る。光学センサによって測定される、ねじ条の輪郭は、破線で記入した経過ＮＧに対応する。ねじ条の見かけ上の幅は、増大し、光が自由に通過する幅は、減小する。

ねじ山軸線Ａに対して平行に主方向Ｈを最適に配置するとき、ねじ条の輪郭幅は、最小であり、光が自由に通過する幅は、最大である。配向された状態は、測定した輪郭が、対応する極値を有するまで、２つの調整軸線Ｓ１、Ｓ２周りに傾斜させることによって得られる。

図７には、片側がアンダーカットされたねじ条の概略輪郭が示されている。アンダーカットされたねじ山フランクは、破線で描画されており、純粋に幾何学的に見れば、光学測定区間によって不十分にしか検出することができない。

第１光切断センサ９は、第１実施形態（図２を参照されたい）によれば、測定チャネル４に加えて、支持体７に配置されており、幾何学的に適切な角度で、アンダーカットされたねじ山フランクに向けられている。光切断センサにより、ねじ山フランクの表面の経過を、断面として結像して測定することができる。これにより、例えば、ねじ山の作製中の工具の破損によって、変形した表面が生じたか否かを検出することができる。

図８に示した第３実施例では、第１光切断センサ９に加えて、反対の側のねじ山フランクに向けられた第２光切断センサ１０が設けられている。これにより、２つのねじ山フランクの表面を高速かつ確実に検査することができる。測定チャネル４は、図８には描画されていない。

要求に応じ、個々の実施例の特別な特徴的構成を、要求に応じて互いに組み合わせられることは明らかである。

本発明は、次のように機能する。

まず、管２およびねじ山１の目標サイズおよび目標幾何学形状に従い、支持体７上で光学測定区間５を位置調整する。マニピュレータ３を、ホームポジションに移動させる。

次に、作製された管が、保持部に受け渡されて固定される。次に、産業用ロボット６は、ねじ山１の上にこれを覆うように管の内側へ（図２の描画では左向きに）、支持体７を測定チャネル４と共に移動させる。

この操作中に調整軸線Ｓ１、Ｓ２周りの傾斜が行われ、同時に、テレセントリック光学系５によって記録した、ねじ条の画像が測定される。その際、支持体７は、ねじ条の光学的な幅の極値が設定されるように空間内で配向される（図６についての前の説明も参照されたい）。これにより、ねじ山軸線Ａおよび支持体の主方向Ｈが、測定のために、互いに平行に配向される。

次に、産業用ロボット６が停止され、支持体７だけがリニアガイドを介して移動させられる。このときにねじ山の測定が行われる。測定時には、１つまたは複数の測定チャネル４、８および第１光切断センサ９の配置が行われ、または第２光切断センサ１０の配置も行われる。好適にはかつ全体フローを高速化するために、測定チャネル４が、再度、管２に対して相対的に、管の外側に向かって（図２の描画では右向きに）移動させられる間に測定が行われる。

有利な実施例では、ねじ山１を測定するための測定機器による機械的な接触は行われない。管２の運動または回動は、全測定の間、行われない。

１ 測定すべきねじ山
１ａ ねじ条
２ 管
３ マニピュレータ
４ 測定チャネル
５ 光学測定区間
５ａ 光学センサ
５ｂ 照明
６ 産業用ロボット
６ａ 産業用ロボットのセグメント
６ｂ 産業用ロボットの関節
７ 支持体
８ 第２測定チャネル
９ 第１光切断センサ
１０ 第２光切断センサ
Ａ ねじ山軸線
Ｓ１ 第１調整軸線
Ｓ２ 第２調整軸線
Ｈ 主方向

Claims (10)

1. ねじ山（１）測定装置であって、
   ねじ山（１）が管（２）の一方の端部に形成されている前記管（２）を解放可能に保持する保持部と、
   光学センサ（５ａ）を備えた第１光学測定区間（５）と、を含み、
   前記第１光学測定区間（５）を前記管（２）に対して相対的に運動させるために、前記第１光学測定区間（５）がマニピュレータ（３）に取り付けられており、前記第１光学測定区間（５）は、前記ねじ山（１）のねじ山軸線（Ａ）に対して相対的に設定可能に、第１調整軸線（Ｓ１）周りに傾斜させることが可能であり、
   第２光学センサ（５ａ）を備えた第２光学測定区間（５）が、前記マニピュレータ（３）に配置されており、前記第１および第２光学測定区間（５）は、全体として、前記ねじ（１）の両側の面を同時に測定する測定チャネル（４）を形成し、
   前記測定チャネル（４）は、前記マニピュレータ（３）により、少なくとも１つの第２調整軸線（Ｓ２）周りに、前記ねじ山軸線（Ａ）に対して相対的に傾斜させることが可能であり、これにより、前記測定チャネル（４）が、所定の空間角度間隔内で自由に配向可能であり、
   前記測定チャネル（４）は、前記調整軸線（Ｓ１、Ｓ２）周りに可動な支持体（７）に支持されて配置されており、かつ、前記測定チャネル（４）は、前記支持体（７）がリニアガイドを介して主方向（Ｈ）に沿って移動させられることにより、前記主方向（Ｈ）に沿って往復移動可能であり、前記主方向（Ｈ）は、前記ねじ山軸線（Ａ）に対して平行に配向可能である、ことを特徴とする、ねじ山（１）測定装置。
2. 前記調整軸線（Ｓ１、Ｓ２）周りの傾斜によって、ねじ条（１ａ）の光学的な幅の極値が設定されることにより、前記ねじ山（１）を測定するための前記測定チャネル（４）の配向が行われる、ことを特徴とする、請求項１記載の装置。
3. 前記測定チャネル（４）が、第１ステップにおいて、前記マニピュレータ（３）により、前記ねじ山（１）を覆うように移動させられ、前記ねじ山軸線（Ａ）に対して前記測定チャネル（４）が配向され、
   前記測定チャネル（４）が、第２ステップにおいて、覆っている状態を脱するように逆向きに移動させられ、その際に前記ねじ山（１）の測定が行われる、ことを特徴とする、請求項１または２記載の装置。
4. 前記マニピュレータ（３）が、自由に運動可能な産業用ロボット（６）またはこれに類するロボットを含む、ことを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. 少なくとも１つの第２測定チャネル（８）が、前記マニピュレータ（３）に配置されており、前記第１および第２測定チャネル（４、８）が、前記ねじ山（１）の周方向の、前記ねじ山（１）の種々異なる領域に配向される、ことを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
6. 少なくとも１つの光切断センサ（９）が、前記マニピュレータに付加的に配置されており、前記光切断センサ（９）により、特にアンダーカットされたねじ山フランク（１ａ）の表面を測定可能である、ことを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
7. 少なくとも１つの第２光切断センサ（１０）が、前記マニピュレータ（３）に配置されており、前記第２光切断センサ（１０）により、前記ねじ条（１ａ）の反対側のフランクを測定可能である、ことを特徴とする、請求項６記載の装置。
8. 複数の前記光学測定区間（５）のうちの１つに、テレセントリック光学系、レーザスキャナおよびレーザ三角測量器またはＬＥＤライトバンドスキャナ（μメータ）からなるグループから選択される光学測定機器が含まれている、ことを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。
9. 前記管（２）が、全測定の間、動かされない、ことを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。
10. 測定センサが機械的に全く接触することなく、前記ねじ山（１）の前記測定が行われる、ことを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項記載の装置。

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