JPH01232203A - 管体の形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、大口径鋼管など管状体の管端における形状、
すなわち、内外径・内外周長・肉厚・真円度・溶接部ビ
ード形状などを測定する管体の形状測定装置に関する。

（従来の技術） 鋼管製造ラインにおいて、製品を所定の寸法範囲内に収
めることは、品質管理上極めて重要である。しかし、測
定すべき形状・寸法として、内外径・内外周長・肉厚・
真円度・溶接部ビード形状、など多くの項目があるため
、オンラインで迅速に測定する装置の開発は難しい。従
ってこれらの測定は人手で行われる場合が多く、内外径
・肉厚はノギスで、内外周長は巻尺で、測定されている
。

また、真円度は、脚端で被測定体の周面の円周方向に２
点で接触するコードゲージを使用し、ゲージ中心点の径
方向変位を読み取って測定する。しかしこれらの方法は
手動測定・目視読取りであるため、時間がかかる、再現
性に乏しい、などの問題があった。

これに対し、自動化を目的とする装置も提案されている
。たとえば特開昭５９−９５０６号では超音波探触子を
用いて外径・肉厚を測定するが、■超音波の広がりによ
り溶接ビード近傍の局部形状が測定困難である、■外径
からは上述した真円度の判定の難しい、などの問題があ
る。また、特開昭５８−１０８４０６号では透過した光
束を用いて、外径を測定しているが、この場合も同じよ
うな問題がある。

また、真円度に関しては上に述べた手動測定法を機械的
に行う方法が特開昭５７−１１９２０８号で提案されて
いる。しかし、この公報の方法では、■接触ローラを用
いているため時間がかかる、■接触ローラの摩耗が無視
できない、などの問題がある。

また、■径・周長・肉厚を測定する装置が別に必要とさ
れる、など設備コストの問題もある。

（発明が解決しようとする課題） 従って本発明の目的は、鋼管等の品質管理において必要
とされる形状・寸法についての多数の必須測定項目を迅
速・正確に測定することができる管体の形状測定装置を
提供することである。

（課題点を解決するための手段） 本発明者はこの目的を達成するため研究を重ね、次の着
想を得た。即ち、非接触の光学的変位計を管体内外面に
対向させて管体内の１点を中心に回転させ、内外面まで
の距離を計測する。こうすれば、この計測値から各計測
点の平面座標位置を決定することが可能である。この際
、回転の中心点と管体の中心が正確に一致していなくて
も平面座標位置を決定することが可能であり、正確な位
置決めは不要であるから、計測は極めて迅速に完了する
。各計測点の平面座標位置が決定されれば、例えば最小
２乗法を用いてこれらの計測点全体を最も良く近似する
近似円を決定することは計算機で容易に行える。この近
似円の中心は管体の中心と考えることができるから、各
計測点の座標を、近似円の中心を原点とする座標に補正
すれば、管体内外面上の各計測点の、管の中心を原点と
する平面座標が計算される。これらの平面座標から必要
な寸法を算出することは容易である。

本発明者はさらに研究を重ね、以上の着想を具体化して
本発明を完成した。こうして本発明の要旨とするところ
は、 対向する被測定面までの距離を非接触で光学的に検出す
る計測手段と、 前記計測手段を被測定管体内の１点を中心にして管体の
外面ないし内面に対向させながら回転させる回転手段と
、 前記回転手段による回転角を検出する回転角検出手段と
、 前記回転手段による回転においてそれぞれ前記計測手段
および回転角検出手段により得られた距離および回転角
から被測定管体の外面ないし内面上の各測定点の平面座
標を算出する位置算出手段と、 前記位置算出手段により算出された各計測点の平面座標
を全体として最適に近似する近似円を決定し、各計測点
の平面座標を、前記近似円の中心を原点とする座標に補
正する補正手段と、前記補正手段により補正された各計
測点の平面座標を用い、被測定管体の形状を算出する形
状算出手段と、 を備えることを特徴とする管体の形状測定装置である。

この際、前記計測手段は、被測定管体内外面にそれぞれ
対向して管体内外面までの距離を検出する１対の手段を
備え、計測手段により計測された管体内外面までの距離
から管体肉厚を算出するように構成することもできる。

（作用） 回転手段による回転中心は一般に被計測管体の中心から
外れている。しかし回転角検出手段で検出された回転角
と、計測手段から得られた距離を用いれば、回転中心を
原点とする各測定点の平面座標を算出することができる
。

次に測定点全体を最もよく返信する円の方程式式を例え
ば最小２乗法により決定する。こうして得られた近似円
の中心は管体の中心と考えられるから、近似円の中心が
原点となるように測定点の各座標を補正すれば、被測定
管体の中心を原点とする座標が得られる。これらの補正
後の座標から必要な形状・寸法等の値を算出することは
容易である。

一方、管体の肉厚は、１対の計測手段を管体内外面に対
向させて回転させることにより、各回転角における内外
両面までのそれぞれの距離から算出することができる。

（実施例） 次に添付図面を参照しながら本発明の実施例について詳
しく説明する。

笠１■盪底 第１図［ａｌは、本発明にかかる形状測定装置の正面図
、第１図ｆｂｌは右側面図である。

装置全体の構成は、次の通りである。

フレームｌは、ステージ１ａ、上部板ｉｂおよびこれら
を結ぶ複数の柱１ｃより成る。ステージ１ａは、台座２
のレール２ａ上に摺動自在に取り付けられ、ネジ状の駆
動軸２ｂを介して、矢印■で示す前後方向にモーター２
ｄにより駆動される。また変位計１ｄは、回転中心のＺ
方向の高さを測定する。後に説明するように、回転中心
と管体中心のズレ量は、最小２乗法での計算で近似円中
心とのズレとして検出されるが、被測定管のサイズ（径
）が変化した場合には粗調製の意味でＺ方向の位置合わ
せが必要である。変位計１ｄはこのために具備されてい
る。

一方ステージ３は、フレーム１上を鉛直方向■に摺動で
きるように取り付けられ、ネジ状の駆動軸３ａを介して
モーター３ｂにより駆動される。

さらに旋回アーム４は、ステージ３に回動自在に取り付
けられ、タイミングベルト４ａを介してステッピングモ
ーター４ｂにより矢印■の方向に回転駆動される。モー
ター４ｂはステージ３に固定されている。

光学的変位計５ａ、５ｂを搭載したステージ５は、旋回
アームの軸方向Ｖに摺動自在にアーム４に取り付けられ
、ネジ状の駆動軸５Ｃを介してモーター５ｄにより駆動
される。変位計５８．５ｂは、旋回アーム軸方向Ｖに所
定間陥だけ離隔してステージ５に固定された１対の腕の
先端に取付けられている。

また変位計５８はステージ５の位置を測定する。

第２図は、本発明にかかる測定装置で用いる非接触式光
学的変位計５ａ、５ｂの構成・測定原理を示す模式図で
ある。半動体レーザー５ｅから照射されたレーザー光は
、レンズ５ｆにより被測定管６の内面ないし外面に集光
される。さらにその反射光はレンズ５ｇで半導体装置検
出素子ＰＳＤ　（ＰｏｓｉｔｉｏｎＳｅｎｓｉｔｉｖｅ
　Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）　５ｈ上に集光される。

変位計５８．５ｂの測定原理は次のとおりである。

管６の被測定面と変位計５ａ、５ｂの距離がΔｙだけ変
位すると、これに応じて素子５ｈ上の集光位置がΔｌた
け変位する。従って変位Δｌから距離変位Δｙを三角法
で求めることができる。また素子５ｈ上の集光位置から
変位計・被測定面間の距離を求めることができる。

これらの変位計５８．５ｂは、■非接触である、■光を
用いかつ電子回路での演算のみから測定値が求められる
ために高速応答である、■集光したレーザのスポット光
で測定するため微妙な形状が測定可能である、などの特
長を有する。なお、以下に述べるように管端位置の検出
に変化計５８．５ｂを用いる場合、素子５ｈ上で反射光
を受光した時点で管端を検出する。

なお本発明にかかる測定装置は、記ｔａ・演算を行う計
算機（図示せず）を備える。

北渾勤詐 以上の装置による計測は、被測定管６が管端を測定装置
に向けて停止した状態で行う。その動作は次の通りであ
る。

まず、被測定管６の中心および管径に合わせ、ステージ
３の高さおよびステージ５の旋回アーム軸方向位置を調
節する。すなわち、ステージ３の位置により旋回アーム
４の回転中心の高さを調節し、一方ステージ５の位置に
より変位計５８．５ｂの回転半径を調節する。これらの
ステージ３．５の位置決めは、例えば計算機（図示せず
）に記憶された被測定管の中心位置・管径および変位計
１ｄ。

５ｅの測定値にに基づいて行なわれるものであって、位
置決めの精度は、変位計５ａ、　５ｂがそれぞれ管６の
内面および外面に対向して回転することができる程度で
十分である。

次にフレーム１を前方に移動させ、変位計５ａ、５ｂの
間に管端を位置させる。変位計５ａ、５ｂの管端からの
侵入深度を一定にするためには、変位計５８．５ｂによ
る管端部検出後の移動距離が一定となるようにする。

ここでモーター４ｂを駆動して旋回アーム４を３６０°
回転させ、アーム４が微小回転角Δθを回転する毎に変
位計５ａ、５ｂと管内外面の間の各距離ｒいｒ、を測定
する。

この時の回転角の測定はロータリエンコーダなどを用い
ても良いが、この実施例ではステッピングモーター４ｂ
のパルス数をカウントすることによって測定している。

こうして得られた距離測定値ｒ０、「１．と回転角θ、
は計算機（図示せず）に記憶される。ここにｉは、Δθ
−３６０°／Ｎとするとき、０≦４５Ｉ’Ｊ　　１の整
数であって、ｒ□、ｒｂｉは回転角θｔ＝ｉ・Δθにお
ける測定値である。

朋バーゴ旧友遺算 管６の形状・寸法の演算は、１回転で得られた値ｒｍｉ
、ｒｂｉ、θ、を用いて計算機により行われる０次に計
算機による形状・寸法の演算手順について説明する。

■測定点の平面座標決定 第３図は、旋回アーム４の回転中心０と、管６の内面ま
たは外面上の各測定点Ｐ、の位置関係を示す。回転中心
Ｏと各変位計５８．５ｂの距離をそれぞれＲいＲ１とす
れば、回転中心○と測定点Ｐ。

の間の距離は、内面側であるか外面側であるかに従って
、 内面側：　Ｒａ　”ｒｍｉ・・・　（１ａ）外面側：Ｒ
ｂ−ら、・・・　（１ｂ） で与えられる　従って、内面側の測定点Ｐ、を例に採る
と、（Ｒａ　十ｒａｔ、０遍）は回転中心０を原点とす
るＰ、の極座標であり、直交座標系Ｘ−ＹによるＰ、の
平面座標は、次式で算出される：Ｙ　ｒ　＝　（Ｒａ　
”　ｒ　ａ；）　ｓ＋ｎ（ｉ　・Δθ）同様にして外面
側測定−点Ｐ、のＸ−Ｙ座標は、次のよに表わされる： Ｙ＋　＝（Ｒｂ　　ｒｂｔ）　５ｉｎ（ｉ−Δθ）■近
位置決定・座標補正 上で求めたＸ、　、Ｙ、は、回転中心○を原点とする座
標系についてのＰ、の座標であるが、一般に回転中心０
は管６の中心０゛から外れている。

ここで、被測定管の中心Ｏ゛のＸ−Ｙ座標を（α。

β）、管６の平均半径をＲｏとし、最小２乗法を用いて
、測定値Ｐ１全体（０≦ｉ≦１ｌ−１）を最も良く近似
する円のα、β、Ｒｏを決定する。即ち０°を原点とす
る座標ｘ’−ｙ’に関するＰ、の座標は、 Ｙ、’　　＝Ｙ、−β で与えられるから、 を最小とするα、β、Ｒｏを決定する。これらが求める
０゛の座標および平均半径である。

次に（３）式を用いてＰ、のＸ−Ｙ座標ｘ、、ｙ、をＸ
”−Ｙ゛座標Ｘ、１、ｙ、゛　に変換する。

なお、以上に述べた近位置の決定は、管外面側の測定値
のみを用いて行う。ただし管内面側と外面側について独
立に行うことも可能である。しかしこの場合、内面側測
定値を用いて決定された近位置の中心と外面側測定値を
用いて決定された近位置の中心とが一敗しない可能性が
ある。従って、管の中心０”のＸ−Ｙ座標を（α、β）
、管の平均内径をＲａｍ、平均外径をＲｏｂとして、Ｆ
ｏ　−Σ（（Ｘｉ、−α）”＋（Ｙｉａ−β）Ｚ−Ｒ６
，２）　！＋Σ　ｆ（Ｘｔｂ　　−α）”　＋　（Ｙｔ
ｂ−β）”　　ＲｏｂＪ　　”・　・　・（４゛） を最小とするα、β、Ｒｏｔ、Ｒｏｂを求めても良い。

ただしく４゛）式において Ｘｉｍ、Ｙ、、：　　内面側測定点Ｘ−Ｙ座標Ｘ、いＹ
、、：　　外面側測定点Ｘ−Ｙ座標である。

このように（４゛）式を用いる場合には管の内外両面の
近似円が同時に決定される。

■形状・寸法の算出 以上によって管６の中心Ｏ′を原点とする各測定点Ｐ８
の座標Ｘ、“、Ｙ、ｌが決定された。これらの隣接する
測定点Ｐ、を順にを直線で結べば管の内外両面の形状を
多角形で近似することができる。

従って管の形状・寸法についての各項目の算出は容易で
ある。以下これについて説明する。

測定点Ｐ、における直径は、次にように求められる。Ｐ
、とＯ”を通る直線と、各Ｐ、（０≦ｉ≦Ｎ−１）を直
線で結んで得られる近似多角形の交点Ｑ、を求める。こ
のＰ、Ｑ、の間の距離が求める直径を与える。なお、第
３図におけるα、βは十分に小さいと考えられるから、
測定値Ｐ、における直径は次のように近似的に求めても
良い。

即ち、Ｐ、と１８０°対角する角度をはさむ２つのゲー
ジＰｉ　、　Ｐｊ、、を直線で結ぶことにより交点Ｑ１
を求め、これから直径を求めるのである。

同様の処理を各測定点ｐｉについて１８０°分のデータ
について行えばΔθごとの直径が全て求められ、さらに
これらから最大径、最小径、平均径が求められる。ここ
で求めた平均径はＮが十分に大きければ先に最小２乗法
で求めた近似円半径Ｒ８とほぼ一致する。

周長は各Ｐ、（０≦ｉ≦Ｎ−１）を直線で結んで得られ
る近似多角形の辺の長さの総和として求められる。しか
し単純に平均径Ｒ０に円周率πを乗じて求めても良い。

両者の方法の差もＮが十分に大きく、被測定管体の真円
度が悪くなければ十分に小さい。

各測定点における肉厚は、次のように求められる。変形
計５ａ、５ｂの間の距離をＬとすると、肉厚は各回転角
０遍における変位計５８．５ｂと被測定面の間の距離ｒ
ｍｉｓ　ｐｂｔを用いて Ｌ　　　（ｒｉｉ”ｂｉ）　　・・・（５）により直接
求められる。しかしく５）式は内外面上の測定点Ｐ　ａ
Ｌ、Ｐｈｉの間の距離を与えるものであるから、回転中
心０°が管の中心０゛から大きく外れている場合、ｐ　
ｘｉ、ｐｂｔを結ぶ直線Ｐ　−＝　Ｐ　ｂｒの方向がＯ
゛を中心とする径方向からづれ、（５）式で計算した肉
厚は不正確となる可能性がある。従って、例えば外面側
の測定点Ｐｂｉと０゛を結ぶ直線と内面側の近似多角形
の交点を求め、この交点とＰｌ、の距離を求めることに
より肉厚を算出しても良い。

ところで管の真円度の定義はいくつかある０例えば最大
径と最小計の差がその１つであるが、全体の形状変化が
不明確である。ここでは、第５図に示す治具を用いて測
定する方法に基づいた真円度の求め方を説明する。第５
図の治具は真尺７の中央にダイヤルゲージ８を具備した
ものであり、この治具を管に押しあて測定した場合、真
円の場合にはダイヤルゲージの値は常に一定の値となる
。

このように定義された真円度の求め方を次に説明する。

まず、第４図に示すように各点Ｐ、について、Ｐ、を一
端とする一定長１０の弦を張る点Ｐ、゛を近イ以多角形
上に求める。この点Ｐ、′は、計算機に格納されている
データでＰＪ（ＩＪ＜Ｅｏ）、ＰＪ、ＩＣＩＪ＋、　＜
　　ｚｏ）を結ぶ直線ｌ゛上の点として求められる。さ
らに、Ｐ８とＰ、°を結ぶ直線の垂直二等分線ｌ”とそ
れをはさむデータＰｈ、Ｐｋ＊１の直線Ｐｋ、Ｐｋ、ｌ
の交点と１０の距離δ。

が求める真円度指数である。ここで、円弧を直線で近似
したことによる誤差はＮを大きくとることにより減少す
る。このＺｎを鋼のＮ点に対し求め、その最大値、最小
値で真円度が評価される。

（発明の効果） 本発明は以上のように構成されているので、管状体の品
質管理に必要な形状・寸法等に関する多数の測定項目を
迅速かつ正確に測定することができる。即ち、旋回アー
ム上に非接触光学変位計を取付は微小角度ごとの測定か
ら管体のプロフィールを測定し、非測定管の中心を求め
ているので、■高速測定であり、 ■段取り変更が容易であり、さらに ■プロフィールデータを基にしているため、径・周長・
真円度・溶接部ビード形状など多くの測定項目が検査可
能である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａｌは、本発明にかかる測定装置の正面図、第
１図＋ｂｌは右側面図： 第２図は、第１図の光学的変位計の構成を示す模式図； 第３図は、各測定点の座標を示す図： 第４図は、真円度算出方法を示す図；および第５図は、
真円度の定義を説明するための図である。 ｌ：　フレーム ２：　台座 ３：　ステージ ４；　旋回アーム ５：　ステージ ５ａ、５ｂ：　　変位計 ６：　被測定管 ７：　真尺 ８：　ダイヤルゲージ 出朝人　住友金属工業株式会社 代理人　弁理士　広　瀬　章　−（外１名）コ　　　　
　　　　　　　　　　　　（ｂ）Ｉ　　　　　　　２ Ｌ２凹 乙 尾３凹 堺、４図 １” ネ５図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）対向する被測定面までの距離を非接触で光学的に
   検出する計測手段と、 前記計測手段を被測定管体内の１点を中心にして管体の
   外面ないし内面に対向させながら回転させる回転手段と
   、 前記回転手段による回転角を検出する回転角検出手段と
   、 前記回転手段による回転においてそれぞれ前記計測手段
   および回転角検出手段により得られた距離および回転角
   から被測定管体の外面ないし内面上の各測定点の平面座
   標を算出する位置算出手段と、 前記位置算出手段により算出された各計測点の平面座標
   を全体として最適に近似する近似円を決定し、各計測点
   の平面座標を、前記近似円の中心を原点とする座標に補
   正する補正手段と、 前記補正手段により補正された各計測点の平面座標を用
   い、被測定管体の形状を算出する形状算出手段と、 を備えることを特徴とする管体の形状測定装置。
2. （２）前記計測手段は、被測定管体内外面にそれぞれ対
   向して管体内外面までの距離を検出する１対の手段を備
   え、計測手段により計測された管体内外面までの距離か
   ら管体肉厚を算出することを特徴とする請求項１記載の
   管体の形状測定装置。