JPH0271107A - 鋼管端部のプロフィルおよび肉厚測定装置 - 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、鋼管の端部におけるプロフィルおよび肉厚を
測定する装置に関する。

〈従来の技術〉 従来から材料の厚さを非接触で測定する方式としては、
例えば超音波厚さ計とか放射＆９１Ｈさ計を用いるなど
公知の方法が数多くある。

また、平板のような形状の材料については、例えばレー
ザ距離計などを用いて、単純に表面と裏面の変位を測定
してその厚みを算出することもできる。

ところで、鋼管の端部の肉厚やプロフィルを測定する場
合は、例えば特開昭５７−１２３０７号公報に開示され
ているような放射線厚さ計を用いる方法や、特開昭６１
−２１９８１０号公報に開示されているような超音波厚
さ計を用いる方法などが提案されているが、これらはい
ずれも設備が大規模でかつ複雑となり、したがって高価
になってしまう。

そこで、人手によりマイクロメータなどを管端部に挿入
して実測するとか、あるいは、例えば実開昭６１−１３
１６１０号公報に開示されているように、管の内外面に
検出ローラを接触させてロークリエンコーダで電気信号
に変換する肉厚測定装置なども提案され、使用されてい
る。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかしながら、上記のような内挿式や接触式では、管が
連続して搬送される自動処理ラインなどにおいては、肉
厚を測定するのに例えば１本当たり３〜５秒程度の高速
性を要求されるにもかかわらず、実際にはより多くの時
間を要したり、あるいは搬送される管に衝突して故障す
るなど能率面や安全面などに問題がある。

また、本発明の目的の一つである管端部のプロフィルを
測定することは困難である。

本発明は、上記のような課題を解決すべくなされたもの
であって、非接触式でかつ安価な鋼管端部のプロフィル
および肉厚測定装置を提供することを目的とする。

く課題を解決するための手段〉 本発明の要旨とするところは、測定すべき鋼管の管壁内
部でその管軸面上に円弧の中心を有し、かつ管軸面に対
して４５°の角度で端部の外面に対向して位置させる第
１の円弧円錐帯ミラーと、この第１の円弧円錐帯ミラー
に対向して逆方向に４５゜の角度で設けられる第２の円
弧円錐帯ミラーと、レーザビームを発光する投光部と、
この投光部からのレーザビームを４５′ハーフミラ−お
よび４５６ミラーを介して前記第２の円弧円錐帯ミラー
の円弧に沿って走査可能に揺動回転して光切断ビームと
する回転ミラーと、前記第１の円弧円錐帯ミラーによっ
て受光された前記端部の内外面からの光切断ビームの反
射光を前記４５°ハーフミラ−に対向して配置される結
像レンズ系を介して検出する２次元位置検出素子からな
る受光部と、この受光部からの信号を演算処理する演算
処理装置と、この演算処理装置の演算結果を表示する表
示装置と、から構成されることを特徴とする鋼管端部の
プロフィルおよび肉厚測定装置である。

く作　用〉 通常、光学式変位センサでは、１次元の位置検出素子に
より例えばレーザスポットの位置を検出し、その位置よ
り三角測量方式を用いて変位を測定することができる。

その原理について、第６図を用いて以下に説明する。

図に示すように、例えば２個の光学式変位センサＡ、　
ＢをＬの間隔で配置して、鋼管ｌの管端部１ａから内側
に向かって距離２の位置Ｃ，Ｄに、それぞれ内外面から
θ１．８ｇの角度でレーザビームを照射して、そのレー
ザスポットから反射する反射光を検出する。

このときの光学式変位センサＡから点Ｃまでの距離をｒ
＋、光学式変位センサＢから点りまでの距離をｒ！とす
ると、測定すべき管壁１ｂの肉厚ｔは、下記（１）式で
算出することができる。

ｔ＝Ｌ−ｒ、ｃｏｓ　θ＋　　　ｒｚｅｏ！＋　８ｇ　
−−−（１）しかし、実際には、角度θ１．θ２の適切
な設定が困難であり、変位センサのセツティングのわず
かな誤差や管端部のわずかな傾きによって誤差が生じ、
このままでは高精度な肉厚測定ができないのである。

そこで、本発明者は、種々研究を重ねた結果、この光学
式変位センサの位置検出素子を２次元のものとし、また
、円弧円錐帯ミラーを用いてレーザスポットを走査可能
とすることにより、管端部のプロフィルを高精度で測定
し、その結果、肉厚も測定することが可能になることを
見出したものである。

本発明によれば、反射ミラーとして対向した一対の円弧
円錐帯ミラーを採用するようにしたので、従来形となっ
て測定することができなかった裏面部のレーザスポット
も同時に測定することが可能となり、したがって、管端
部の肉厚を測定することができる。

また、円弧円錐帯ミラーの円弧中心が管壁内部となるよ
うに設置することにより、光学系を円弧方向に走査する
場合の光路長は、円弧中心点に対してすべて同一の長さ
とすることができるから、したがって、円弧中心点を原
点とする極座標（ｒ。

θ）を求めることにより、管端部のプロフィルを測定す
ることができる。

〈実施例〉 以下に、本発明の実施例について、図面を参照して詳し
く説明する。

第１図は、本発明の実施例を示す斜視図であり、第２図
はその平面図である。

図において、２は、一定の曲率半径を有する第１の円弧
円錐帯ミラーであり、測定すべき鋼管１の管壁１ｂ内部
でその管軸面上に円弧の中心点０を有し、かつ管軸面に
対して４５°の角度で管端部１ａの外面に対向して位置
させるように設置される。

３は、第１の円弧円錐帯ミラー２と同じ曲率半径を有す
る第２の円弧円錐帯ミラーであり、第１の円弧円錐帯ミ
ラー２に対向して逆の４５°の角度で設けられる。

４は、レーザビームを発光するレーザ発光装置である。

このレーザ発光装置４から出力されるレーザビームＬ１
１．は、回転ミラー５によって揺動回転されて、４５°
ハーフミラ−６，４５°ミラー７を介して前記第２の円
弧円錐帯ミラー３の円弧に沿って走査可能な光切断ビー
ムＬＢｃどなり、さらに第１の円弧臼ｆｆｉ帯ミラー２
によって鋼管１の管端部１ａの内外面に照射される。

８は、結像レンズ系であり、４５＠ハーフミラ−６に対
向して設けられる。

９は、反射光を検出する２次元位置検出素子であり、管
端部１ａに照射された光切断ビームＬＢｃのレーザスポ
ットから反射される反射光ＬｎＮを、第１．２の円弧円
錐帯ミラー２．３．４５°ミラー７．４５６ハーフミラ
ー６、結像レンズ系８を介して２次元の信号として検出
する。

なお、結像レンズ系８および２次元位置検出素子９は、
三角測量方式にによりプロフィル測定を行うことから、
レーザ発光装置４に対してわずかな角度αを有して配置
される。

１０は、演算処理装置であり、２次元位置検出素子８か
らの信号を演算処理する。

１１は、演算処理装置１０における演算結果を表示する
表示装置である。

ここで、２次元位置検出素子８に結像される管端部１ａ
のプロフィルを求める際の信号処理の仕方について説明
する。

まず、鋼管ｌが水平な状態である場合の測定例について
説明する。

第３図（ａ）に示すように、鋼管ｌを水平状態に配置し
、一定の曲率半径を有する第１の円弧円錐（ｊＦミラー
２の円弧中心点０が管壁１ｂの内部の管軸線Ｆ上に位置
するように設置する。そして、光切断ビームＬＢｃを照
射して、その管端部１ａの内外面のレーザスポットから
反射される反射光ＬＢ、を±ω、の角度範囲で第１の円
弧円錐帯ミラー２で受光する。

そうすると、２次元位置検出素子８に結像される管端部
１ａのプロフィルは、その光路長が第１の円弧円錐帯ミ
ラー２の円弧中心点Ｏの位置ですべて同一の長さとなる
ため、その中心点Ｏの位置を、例えば２次元位置検出素
子８のｘ−ｙ軸平面のＸ軸上にあるように調整すれば、
Ｘ軸方向にωの値として、またｙ軸方向にｒの値として
それぞれ出力され、第３図（ロ）で示すように、第１の
円弧円錐帯ミラー２の円弧中心点０を原点とする左右対
称な極座標（ｒ、　ω）の軌跡で投影される。

そこで、演算処理袋Ｗ１０において、下記（２）、　（
３）式で変換することにより、プロフィルとして算出す
ることができる。

ｘ　　””　　ｒ　ｃｏｓ　　ω Ｖ　−ｒ　ｓｉｎ　ω　　　　　　　−・−・・・・・
−・−・−・−（３）つぎに、鋼管ｌが傾いている場合
の測定例について説明する。

第４図（ａ）に示すように、鋼管１の管軸線Ｆが水平面
より０１だけ傾いている場合、その円弧中心点０が管端
部１ａへの垂直線ＯＡを引いたときの点Ａでの極座標を
（ｒ５．θ、）、また、管壁１ｂの内外面への垂直ｖＡ
ＯＢ、ＱＣを引いたときの点Ｂ、Ｃでの極座標をそれぞ
れ（ｒ２．θ２）。

（ｒ３．θ、）とすると、これらの点Ａ、Ｂ、Ｃから管
端部１ａの任意の点Ｎにおける極座標（ｒ。

ω）までの距ｆ％Ｉ　ｒＡｌ　　’ｌ　＋　　ｒｃはそ
れぞれ下記（４）、　（５）、　（６１式により表すこ
とができる。

ｒＡｌｗｊ、／ｃｏｓ　　（θ、−ω）　−−−−−−
曲・−（４）ｒ　＠　＝ｒ　ｔ　／　ＣＯ５（θ２−ω
）−・・−・−・−・・−（５）「。＝ｒ、　／ｃｏｓ
　　（θ、−ω）−・・−・−・・−・−・・−（６）
ここで、水平面に対する管軸線Ｆの傾斜角θ１は測定す
ることができるから、このθ１と０２゜θ、とは、下記
の関係がある。

θ２＝θ１＋π／２　・−・・−・・・・・・・・−・
・・・・・・・−・−（７）θ３＝θ１−π／２−・・
−・・−−−一−−・・・−・−・・・・・−（８）な
お、このθ１は、第４図（ｂ）に極座標（ｒ、　　ω）
の軌跡で投影して示すように、ｒの極小値ｒ＋でのωの
値θ１を求めるようにしてもよい。

これによ−、て、管端部１ａのプロフィルを得ることが
できる。

また、任意点Ｎの極座標（ｒ、　ω）において、角度ω
を±ω、とじたときの管端部１ａの内外面の点Ｂ、Ｃか
らの距離ｒ□およびｒｃ＋ａは、それぞれ下記（９）、
　０［Ｄ式の関係がある。

ｒ□−ｒ＝　／ｃｏｓ　　（θ２−ωａ）−・−・−・
−（９）ｒｃ１１１！ｒ、　／ｃｏｓ　　（θ、＋ω、
　＞−−−−−＝−θ■したがって、このときの管壁１
ｂの肉厚りは、下記００式で表すことができる。

ｔ＝ｒｌ　＋ｒコ ー　ｒ露−ｃｏｓ　　（θ寞　−ω、　）＋　ｒ　ｃｍ
　ｃｏａ　（θ３＋ωｍ）＝　ｒ　ｍｅ　ｓｉｎ　（θ
１　　（ｄ＠）−ｒｃａ　ｓｉｎ　（θ、＋ω、）・・
・−・凹曲（１１）なお、上記００式におけるｒｌ＋ｓ
および’ＣＭ＋　　θ１゜ωヨはいずれも既知であるか
ら、管壁１ｂの肉厚ｔは演算処理装置ｌＯで求めること
ができる。

また、鋼管１を回転するようにすれば、管端部１ａ全周
のプロフィルおよび肉厚を連続してかつ高速で測定する
ことが可能である。

このように、本発明を用いて円弧円錐ミラーの円弧中心
点が管壁内に位置するように調整することにより、オン
ラインでしばしば発生する管端部の端曲がりによるズレ
に影響されることな（、管壁の肉厚を測定することがで
き、また、例えば第５図に示すような管端部のふち取り
をしたベベルエンド面のプロフィルなどを精度よく測定
することが可能である。

なお、上記実施例は、鋼管の管端部のプロフィルおよび
肉厚の測定について説明したが、本発明はこれに限定さ
れるものではなく、例えば平板のエツジ部のプロフィル
や厚さ測定にも適用できることはいうまでもない。

〈発明の効果〉 以上説明したように、本発明によれば、円弧円錐ミラー
を用いるようにしたので、オンラインで非接触式でかつ
管内部に挿入することなく、管端部のプロフィルおよび
肉厚を連続的にかつ高速で測定することができる。

また、これによって、従来の接触式や内挿式にありがち
な装置の破…などのトラブルを解消することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例を模式的に示す斜視図、第２
図は、第１図の平面図、第３図は、本発明の測定例の要
部を模式的に示す（ａ）側面図、う）その特性図、第４
図は、他の測定例の要部を模式的に示す（ａ）側面図、
Φ）その特性図、第５図は、本発明の適用例を示す側断
面図、第６図は、本発明の原理を示す説明図である。 １・・・鋼管、　　２・・・第１の円弧円錐ミラー、　
　３・・・第２の円弧円錐ミラー、　　４・・・レーザ
発光装置（投光部）、　　５・・・回転ミラー、　　６
・・・４５゜ハーフミラ−９７・・・４５１　ミラー、
　　８・・・２次元位置検出素子（受光部）、　　９・
・・結像レンズ系、　　１０・・・演算処理装置、１１
・・・表示装置。 特許出願人　　川崎製鉄株式会社 第 図 第 図 第 図 ＜ａ＞ （ｂ） 第 図 ＜ａ＞ （ｂ＞ 第 図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 測定すべき鋼管の管壁内部でその管軸面上に円弧の中心
   を有し、かつ管軸面に対して４５°の角度で端部の外面
   に対向して位置させる第１の円弧円錐帯ミラーと、 この第１の円弧円錐帯ミラーに対向して逆方向に４５°
   の角度で設けられる第２の円弧円錐帯ミラーと、レーザ
   ビームを発光する投光部と、 この投光部からのレーザビームを４５°ハーフミラーお
   よび４５°ミラーを介して前記第２の円弧円錐帯ミラー
   の円弧に沿って走査可能に揺動回転して光切断ビームと
   する回転ミラーと、 前記第１の円弧円錐帯ミラーによって受光された前記端
   部の内外面からの光切断ビームの反射光を前記４５°ハ
   ーフミラーに対向して配置される結像レンズ系を介して
   検出する２次元位置検出素子からなる受光部と、 この受光部からの信号を演算処理する演算処理装置と、 この演算処理装置の演算結果を表示する表示装置と、 から構成されることを特徴とする鋼管端部のプロフィル
   および肉厚測定装置。