JPH0465610A - 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、大口径鋼管などの管状体の管体における形状
、すなわち、内外径・内外周長・肉厚・溶接部ビード形
状などの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、製造される鋼管の形状精度が
公差内にあるか否かは品質管理上極めて重要な問題であ
る。

測定すべき形状寸法としては、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り、オ
ンラインで迅速に測定する装置の開発が難しいため、こ
れらの測定は人手で行われる場合が多く、例えば内外径
・肉厚はノギスで、内外周長は巻尺で、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の径方向変位を読み取って測定し
ている。しかし、上記のような測定方法はすべて手動測
定・目視読取りであるため、測定に時間と手間がかかる
とともに、再現性に乏しい、という問題点がある。

近年、上記問題に鑑み、自動化を目的とする装置が種々
開発されている。たとえば、特開昭５９９５０６号公報
においては、超音波探触子を用いて管体の外径・肉厚を
測定する方法が、また、特開昭５８−１０８４０６号公
報においては、透過した光束を用いて、外径を測定する
方法が開示されている。

本出願人においても、先に特開平１−２３２２０３号公
報において、第７図に示されるような管体形状測定装置
を開示している。

以下、前記管体形状測定装置３０について説明する。

前記装置３０においては、先ず台座３７上に図面左右方
向に進退自在のフレーム３６を取り付けられており、こ
のフレーム３６にフレーム３６内の駆動設備により駆動
され回転可能な旋回ヘッド３５が取付けられている。こ
の回転ヘッド３５には、モータ３４により回転する駆動
軸３３に螺合して測定ヘッド３１が設けられており、前
記モータ３４の駆動操作により前記測定ヘッド３１が半
径方向に移動自在となっている。前記測定ヘッド３１に
は、所定間隔だけ円周方向に離間して光学的変位計３２
ａ、３２ｂが固設されており、この光学的変位計３２ａ
、３２ｂを被測定管７端の内外面に対向するように前記
フレーム３６の進退調整およびモータ３４による測定ヘ
ット３１の円周方向位置の調整がなされた後、回転ヘッ
ド３５を回転させつつ、内外面までの距離を計測するこ
とで管体７の形状および肉厚を測定する装置である。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、前述した管体形状測定装置３０において
は、測定ヘッド３１に固設されるたとえばレーザー変位
計等の光学変位計は、集光位置のズレに基づいて距離を
測定する変位計であるため、計測範囲が制限される。し
たがって、たとえば第８図に示される測定結果のように
、管体の形状によっては、部分的にレーザー変位計の測
定可能範囲より逸脱し、この範囲については計測不能と
なってしまう問題点があった。

そこで本発明の目的は、上記問題点に鑑み、たとえ寸法
精度が悪く、光学的変位計の測定範囲を逸脱する管体形
状であっても、全周に渡って測定し得る形状測定装置を
提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題は、回転ヘットを実質的に管体の中心軸周りに
回転させる回転駆動手段と、 前記回転ヘッドに前記管体の半径方向に移動自在に配設
された測定ヘッドと、 この測定ヘッドに対して管体表面に対向して配設され管
体表面までの離間距離を非接触で光学的に検出する変位
計測手段と、 前記回転駆動手段による回転ヘッドの回転角検出手段と
、 前記測定ヘッドの半径方向現位置を検出する位置検出手
段と、 前記変位計測手段からの現変位信号を受けて、目標離間
距離に修正すべく前記位置検出手段からの現位置検出信
号との偏差に基づいて前記測定ヘッドを半径方向に位置
修正する位置修正手段と、この位置修正状態における前
記変位計測手段からの変位信号と、前記回転角検出手段
からの回転角と、前記位置検出手段からの測定ヘッドの
位置信号とに基づいて管体の形状を演算する形状演算装
置とを備えたことで解決できる。

この際、前記変位計測手段を被測定管体内外面にそれぞ
れ対向して配設し、前記変位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〕

本発明装置においては、非接触光学的変位計を管体面に
対向させた状態で、回転ヘッドを回転させて管体面ま゛
での距離を計測する。したがって、この計測値から各計
測点の平面座標を決定することが可能である。

なお、どの際、回転手段による回転中心は被計測管体の
中心からずれる場合があるが、以下のような演算処理で
補正することが可能である。

回転角検出手段で検出された回転角と、計測手段から得
られた半径ｊ同位置距離を用いれば、□回転中心を原点
とする各計測点の平面座標を算出することができ、各計
測点の平面座標が決定されれば、この測定点全体を最も
よ□′ぐ近似する円の方程式をたとえば最小２乗法によ
り決定することができる。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ため、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、非測定管体
の中心を原点とする座標が得られる。このようにして非
測定管体形状の座標が決定されれば、この平面座標から
必要な形状寸法の値を算出することは容易にできる。

従来装置においては、前記非接触光学的変位計は回転中
心からの距離を一定として回転させていたが、この場合
には被管体の形状によっては計測可能範囲を逸脱する場
合があった。

そこで本発明においては、前記変位計測手段からの現変
位信号を受けて、目標離間距離に修正すべく前記位置検
出手段からの現位置検出信号との偏差に基づいて前記測
定ヘッドを半径方向に位置修正する位置修正手段を備え
るものである。

したがって、非測定管体面が滑らかな連続面である限り
変位計と非測定管体との間の離間距離が常に測定可能範
囲内となるように移動補正されるため、被測定管体の形
状が、たとえ、寸法精度が悪く、公差を大きく外れるよ
うな管体形状であっても測定することが可能となる。

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、管体内外面までの距離を計測することで算出
することができる。

また、管体の肉厚の測定に際し、対向する一対の変位計
測手段の離間距離を固定にした場合に、測定不能となる
ような肉厚変化があったとしても、少なくとも一方の変
位計測手段に対し、現変位信号を受けて、目標離間距離
に修正すべく前記位置検出手段からの現位置検出信号と
の偏差に基づいそ前記変位計測手段を半径方向に位置修
正する位置修正手段を備えるようにすれば、肉厚が大き
く変化するような管体であっても全周に渡って肉厚を測
定することが可能となる。

〔発明の具体的な構成〕

以下、本発明に係る形状測定装置の具体例について第１
図〜第５図に基づき詳説する。

フレームｌはステージｌａ、上部板１ｂおよびこれらを
結ぶ複数の柱１ｃより構成される。ステージ１ａは、台
座２のレール２ａ上に摺動自在に取付けられ、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。後に詳説するように、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、被測定管体のサイズ（径）が変化した場合
には、粗調整の意味でＺ方向の位置合わせが必要となる
が、直線位置検出器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３ｂにより駆動される。

゛さらに、回転ヘッド４は、ステージ３に対して回動自
在に取り付けられ、タイミングベルト４ａを介してステ
ッピイングモータ４ｂにより矢印■の方向に回転駆動さ
れる。なお、前記ステッピイングモータ４ｂは、ステー
ジ３に固定されている。

光学的変位計５ａ、５ｂを搭載した測定ヘッド５は、回
転ヘッド４の軸方向に摺動自在に取り付けられ、ネジ状
の駆動軸５Ｃを介してモータ５ｄにより駆動される。測
定ヘッド５の側面には直線位置検出器５ｅが取り付けら
れており、測定ヘッド５の回転中心からの位置が測定で
きるようになっている。

前記変位計５ｂは、測定ヘッド５に対し回転中心方向に
向けて固設されているが、前記変位計５ａは、回転ヘッ
ド４の軸方向に摺動自在に取り付けられ、ネジ状の駆動
軸６ｂを介してモータ６Ｃにより駆動される。前記変位
計５ａの側面には、直線位置検出器６ａが取り付けられ
ており、変位計５ａと変位計５ｂとの距離が測定できる
ようになっている。

前記非接触式光学的変位計５ａ、５ｂの構成および測定
原理について第３図に基づき後述する。

半導体レーザー５１から照射されたレーザー光は、レン
ズ５ｆにより被測定管体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　（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ　５ｅｎｎｓｉｔｉｖｅ
　Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）　５　ｈ上に集光される。

測定原理は、管６の被測定面と変位計５ａ、５ｂとの距
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だけ変位する。したがって、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と被測定面間の距離を求
めることができる。

なお、前記変位計５ａ、５ｂは、非接触であること、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こと、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
の特徴を有する。

次に、本発明装置における測定手順について第４図に示
す非接触変位計の制御システム図に従い詳説する。

被測定管７は管端を測定装置に向けて停止させた状態で
行う。

前記被測定管７の中心および管径に合わせてステージ３
の高さ調整を行う。つまり、ステージ３の位置により回
転ヘッド４の回転中心の高さの調整を行う。このステー
ジ３の位置決めは、上位ＣＰＵｌ０より被測定管７の管
径の情報に従い行えばよく、前述のように管径の中心と
回転ヘッド４の回転中心のズレについては、測定後に演
算処理において、補正を行えばよいため完全に一致する
必要は無く、略一致しておればよい。

次に測定ヘッド５および変位計５ａの調整であるが、ま
ず最初にマルチウェア１１には、上位ＣＰＵｌ０より被
測定管７の公称管径および肉厚情報が取り込まれており
、シーケンサ１２の移動量要求指令に基づき、前記マル
チウェア１１では、前記公称肉厚情報に基づいて変位計
間距離の決定を行い、移動量の情報をシーケンサ１２に
送る。

シーケンサ１２においては、前記移動量の情報をパルス
信号に変換された後、肉厚用サーボアンプ１７を経てモ
ータ６Ｃに送られ、モータ６Ｃの駆動により変位計５ａ
の位置調整が成される。なお、前記パルス信号は、１パ
ルスの信号によりモータ６ｃが１／２５００°回転する
ようになっている。変位計５ａの位置は、この調整を終
えてロックされ、以後、不動となる。

次に、測定ヘット５についても、前述シーケンサ制御と
同様に、マルチウェア１１からの公称管径の情報に基づ
き、パルス信号が半径用サーボアンプ１８を経てモータ
５ｄに送られ、このモータ５ｄの駆動により駆動軸５Ｃ
が回転し、測定ヘット５が所定の位置に移動される。な
お、前記測定ヘッド５の位置は、半径用直線位置検出器
５ｅにより検出され、その値が直線位置検出器表示部１
３を経てマルチじエア１１に入力され、その持直が検知
されるようになっている。また、前記直線位置検出器表
示部１３から分岐して同指示値の情報がシーケンサ１２
にも送られるようになっており、マルチウェア１１より
シーケンサ１２に送られた移動量の情報が適性であるか
否かの判断が行うようになっている。

ここまでの調整が一旦終了したならば、フレームｌをモ
ータ２ｄによる駆動軸２ｂの回転により前進させ、変位
計５ａと変位計５ｂとの間に管端部を所定の位置まで進
入させる。なお、この際、変位計５ａ、５ｂの管端から
の進入深度を一定にするためには、変位計５ａ、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。

□さらに、この段階で外側変位計表示部１５（変位計５
ｂの計測値）の指示値に基づいて、モータ５ｄの駆動に
より前記外側変位計表示部１５の指示値が０となるよう
に前記測定ヘッド５の微調整を行う。なお、この際には
、内側変位計表示部１６の指示値もほぼ０となっている
。

以上の調整作業を終えたならば、スイッチ１９を測定特
例に切り換えて、この状態よりモータ４ｂを駆動させて
回転ヘッド４を回転させ、回転ヘッド４が微小回転角Δ
θを回転する毎に半径用直線位置検出器５ｅの検出値と
変位計５ｂの検出値との信号がマルチウェア１１に送ら
れる。測定ヘッド５と変位計５ｂの相対位置は固定とし
ているため、前記直線位置検出器５ｅの検出値と変位計
５ｂの検出値との和減算により被測定管７外面の座標が
決定される。

前記変位計５ｂの検出値は、前記したように、外側変位
計表示部１５を経てマルチウェア１１に送られるが、そ
れと同時に半径用サーボアンプ１８にも送られる。この
半径用サーボアンプ１８においては、前記検出値に基づ
き、この値が０となるようにモータ５ｄを駆動制御し、
測定ヘッド５の移動を行う。なお、前記モータ５ｄの駆
動制御はモータ５ｄにパルス・ジェネレーターを設備し
、このパルス・ジェネレーターに基づいて行われている
。このように、Δθ毎に前記モータ５ｄの駆動により測
定ヘッド５を移動制御することで、変位計５ｂと被測定
管体７外面との離間距離は逐次補正され、常に一定とな
るようになっている。

一方、変位計５ａの検出値についても、マルチウェア１
１へ送られる。前記変位計５ａと変位計５ｂとの離間距
離（Ｚ）は常に一定に保たれているため、前記離間距離
ｌから前記変位計５ａ１５ｂの検出値を減算すればΔθ
毎の肉厚を算出することができる。通常、管体の肉厚測
定に関しては、その公差も小さ・いため、前記変位計５
ａについては、管体７内面に対して追従させる必要はな
いと思われるが、仮に肉厚についても厚薄が激しく、測
定不能の事態が生じる場合には、前記変位計５ａについ
ても、回転半径方向に位置修正するようにすれば、全て
の範囲について測定できるようになる。

なお、前記Δθ毎の回転角の測定は、ロータリーエンコ
ーダなどを用いてもよいが、本実施例においては、ステ
ッピングモータ４ｂのパルス数をカウントすることによ
って測定するようにしている。

次に、上述のようにして得られたデータに基づく形状決
定のための演算処理について述べる。

前記Δθ＝３６０°／Ｎとするとき（Ｄ　ｉ　’ｅ　Ｏ
≦ｉ≦Ｎ−１の整数として、回転角θ１（＝ｉＸΔθ）
時の回転中心から被測定管体７外面までの距離をＲｉｌ
またその時の測定点をＰｉとした場合、直交座標系Ｘ−
ＹによるＰｉの平面座標は、第５図に示されるように、
上記のＸｌ、Ｙｉは、回転中心Ｏを原点とする座標系に
ついてのＰｉの座標であるが、一般に回転中心Ｏは管６
の中心０“から外れている。

ここで、被測定管７の中心Ｏ°のＸ−Ｙ座標を（α、β
）、・管７の平均半径をＲｏとじ、最小２乗法を用いて
、測定点Ｐｉ全全体０≦ｉ≦Ｎ−１）を最もよく近似す
る円のα、β、Ｒｏを決定する。

０°を原点とす・る座標ｘ’　−ｙ’　に関するＰｉの
座標は、 で与えられるから、 を最小とするα、β、Ｒｏを求めれば、これらが求める
０°の座標および平均半径である。

次に、前記変換式により、ＰｉのＸ−Ｙ座標（ＸｉｌＹ
ｉ）をｘ’−ｙ’座標（Ｘｉ’、Ｙｉ’）に変換して、
近似円が決定される。

以上の演算により、管７の中心Ｏ゛を原点とする各測定
点Ｐｉの座標Ｘｉ“、Ｙｌｏが決定されたならば、これ
らの隣接する測定点Ｐ１を順に直線で結べば管の外面形
状を多角形で近似することができる。したがって、管の
形状、寸法については比較的容易に算出することができ
る。

先ず、測定点Ｐｉにおける直径は、次のようにして求め
ることができる。

ＰｉとＯ゛を通る直線と、各Ｐｉ（０≦１≦Ｎ−１）を
直線で結んで得られる近似多角形の交点Ｑ１を求める。

このＰｉ、Ｑｉの間の距離が求める直径を与える。なお
、第５図におけるα、β、は十分に小さいと考えられる
から、測定点Ｐｉにおける直径は次のように近似的に求
めてもよい。

すなわち、Ｐ−ｉと１８００対角する角度を挟む２つの
データＰｉ、Ｐｉ−１を直線で結ぶことにより交点Ｑｉ
を求め、これから直径を求めることができる。

同様の処理を各測定点Ｐ１についてｉ８０°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Ｒ６とばば一致する。

周長は、各Ｐｉ（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を乗じて求めてもよ
い。両者の差もＮが十分に大きく、被測定管体７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、前述したように、前記変位計
５ａと変位計５ｂとの離間距離Ｃ１）は常に一定に保た
れているとともに、肉厚用直線位置検出器により距離の
測定が可能となっているため、前記離間距離ｌから前記
変位計５ａ、５ｂの検出値を減算すれば各Ｐｉについて
肉厚を算出することができる。

また、真円度については、前述のようにして求めた最大
径、最小径より下式により求めることができる。

以上詳説したように、本発明装置により上記の手法によ
り管体の形状を測定する場合には、たとえば、鋼管の形
状寸法が公差を大きく外れた場合、あるいは薄肉鋼管の
ため、静置の状態で偏平に撓んだ場合には測定不能とな
っていたが、本発明装置による場合には、鋼管形状に追
従して光学的変位計が移動するため、何ら問題無く測定
することが可能となる。

ところで、本発明は、第６図に示されるように、曲面加
工された鋼板の形状測定装置として応用し得る。

曲面加工された鋼板２０の近傍にガイドレール２２を配
設し、このガイドレール２２に沿って測定装置を走行さ
せる際に、光学変位計２１と鋼板２０との離間距離を一
定に保持するように、サーボモータ２３により光学変位
計２１を追従させつつ、測定することによって、いかな
る曲面を有する鋼板でも形状測定することが可能となる
。

〔発明の効果〕

以上詳説したように、本発明によれば、被測定管体の寸
法精度が悪く、公差を外れた管体であっても、全周に渡
って測定することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る形状測定装置の正面図、第２図は
本発明に係る形状測定装置の右正面図、第３図は第１図
の光学的変位計の構成を示す模式図、第４図は非接触変
位計の制御システム図、第５図は各測定点の座標を示す
図、第６図は本発明装置の応用例を示す図、第７図は先
に本畠願人が開示した形状測定装置を示す図、第８図は
第７図に示す形状測定装置によるｔ７ｉ！Ｉ定結果を示
したグラフ図である。 ■・・・フレーム、２・・・台座、３・・・ステージ、
４・・・回転ヘッド、５・・・測定ヘラ、ド、５ａ、５
ｂ・・・変位計、７・・・被測定管体、１０・・・上位
ＣＰＬＩ、１１・・・マルチウェア、１２・・・シーケ
ンサ 第 図 第 図 す 第 図 第 図 ｈ 第 図 ／）ス 第 図 第 図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）回転ヘッドを実質的に管体の中心軸周りに回転さ
   せる回転駆動手段と、 前記回転ヘッドに前記管体の半径方向に移動自在に配設
   された測定ヘッドと、 この測定ヘッドに対して管体表面に対向して配設され管
   体表面までの離間距離を非接触で光学的に検出する変位
   計測手段と、 前記回転駆動手段による回転ヘッドの回転角検出手段と
   、 前記測定ヘッドの半径方向現位置を検出する位置検出手
   段と、 前記変位計測手段からの現変位信号を受けて、目標離間
   距離に修正すべく前記位置検出手段からの現位置検出信
   号との偏差に基づいて前記測定ヘッドを半径方向に位置
   修正する位置修正手段と、この位置修正状態における前
   記変位計測手段からの変位信号と、前記回転角検出手段
   からの回転角と、前記位置検出手段からの測定ヘッドの
   位置信号とに基づいて管体の形状を演算する形状演算装
   置と、 を備えたことを特徴とする管体の形状測定装置。
2. （２）前記変位計測手段を被測定管体内外面にそれぞれ
   対向して配設し、この変位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。
3. （３）前記変位計測手段を被測定管体内外面にそれぞれ
   対向して配設し、少なくとも一方の変位計測手段に対し
   、現変位信号を受けて、目標離間距離に修正すべく前記
   位置検出手段からの現位置検出信号との偏差に基づいて
   前記変位計測手段を半径方向に位置修正する位置修正手
   段を備えたことを特徴とする請求項１記載の管体の形状
   測定装置。