JPH0711412B2 - 管体の形状測定装置 - Google Patents

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、上記問題点に鑑み、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59−9506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が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32a、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
り測定ヘッド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、測定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、 前記回転ヘッドに沿って前記管体の半径方向に移動自在
とされた測定ヘッドと、 前記管体の外表面および内表面に対向しており、前記管
体表面までの離間距離を非接触で光学的に検出し、前記
測定ヘッドに固定された固定変位計、および前記測定ヘ
ッドに沿って前記半径方向に移動可能とされた可動変位
計と、 前記回転ヘッドの前記中心軸周りの回転角を検出する回
転角検出手段と、 前記測定ヘッドの前記半径方向の現位置を検出する半径
方向位置検出手段と、 前記管体の半径に基づいて、固定変位計の前記管体表面
からの離間距離を目標の離間距離に修正すべく前記測定
ヘッドを前記半径方向に位置修正する測定ヘッド位置修
正手段と、 前記管体の肉厚に基づいて、可動変位計の前記管体表面
からの離間距離を目標の離間距離に修正すべく前記可動
変位計を前記半径方向に位置修正する可動変位計位置修
正手段と、 前記測定ヘッド位置修正手段による測定ヘッドの位置修
正、ならびに可動変位計位置修正手段による可動変位計
の位置修正が終了した後における測定段階において、前
記回転ヘッドの回転に伴う前記回転角検出手段からの前
記中心軸周りの微小回転角ごと、前記固定変位計の前記
管体表面からの離間距離が一定となるように、前記測定
ヘッド位置修正手段を介して、測定ヘッドを追従移動さ
せるサーボ制御系と、 前記固定変位計および可動変位計からの変位信号と、前
記回転角検出手段からの回転角と、半径方向位置検出手
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。

〔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。

この際、回転駆動手段による回転ヘッドの回転中心は、
被測定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できる。

すなわち、回転角検出手段で検出された回転角と、半径
方向位置検出手段からの測定ヘッドの位置と、たとえば
固定変位計からの離間距離とから、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く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、被測定管体の中心を原点とする座標が得ら
れる。このようにして被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
には被測定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、前記回転ヘッドの回転に伴
う前記回転角検出手段からの前記中心軸周りの微小回転
角ごと、前記固定変位計の前記管体表面からの離間距離
が一定となるように、前記測定ヘッド位置修正手段を介
して、測定ヘッドを追従移動させるサーボ制御系を設け
た。

したがって、被測定管体面が滑らかな連続面である限
り、固定変位計と被測定管体表面との間の離間距離が常
に一定となるので、被測定管体の形状に関してたとえ寸
法精度が悪く、公差を大きくはずれるものであったとし
ても、被測定管体の全周にわたって形状測定が可能とな
る。

さらに、本発明においては、被測定管体の外表面および
内表面に対向して２つの変位計を設ける。そして、その
うちの一方を測定ヘッドに固定する固定変位計とし、他
方を被測定管体の半径方向に移動可能とする可動変位計
とする。これらの各変位計の離間距離と各変位計からの
管体の外内表面までの離間距離とにより管体の肉厚の測
定が可能となる。

しかも、本発明では、測定ヘッドに２つの変位計を固定
するのではなく、一方の変位計を測定ヘッドに沿って移
動させるようにしてある。したがって、管体ごと肉厚が
異なる場合や、一つの管体内において、肉厚のばらつき
が大きい場合においても、高い精度で肉厚の測定を行う
ことができる利点がある。

〔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図に基づき説明する。

フレーム１はステージ1a、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Ｉで示す前後方向にモータ2d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III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
ングモータ4bにより矢印IVの方向に回転駆動される。な
お、前記ステッピングモータ4bは、ステージ３に固定さ
れている。５は測定ヘッドであり、この測定ヘッド５に
は、管体７の外表面および内表面に対向しており、管体
７の外表面および内表面までの離間距離を非接触で光学
的に検出する、固定変位計5bが固定されているととも
に、測定ヘッド５に沿って半径方向（第１図左右方向
Ｖ）に移動可能とされた可動変位計5aが配設されてい
る。この測定ヘッド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の側面には半径方向
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、可動変位計直線位置検出器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5i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７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で半導体位置検出素子PSD
（Position Sennsitive Detector）5h上に集光される。

測定原理は、被測定管体７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。

被測定管体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CUP10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
最初にマルチウエア11には、上記CPU10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、前記マルチウエア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1/25000゜回転するようになっている。変位計5
a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、測定ヘッド５についても、前述シーケンサ制御と
同様に、マルチウエア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、測定ヘッド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13を経てマ
ルチウエア11に入力され、その位置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、マルチウエア11よりシーケンサ12に送ら
れた移動量の情報が適正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１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5b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を測定時側
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Δθ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エア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を経てマルチウエア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、Δ
θ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、マルチウエア11へ
送られる。前記変位計5aと変位計5bとの離間距離（ｌ）
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5a、5b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5a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とするときのｉを０≦ｉ≦Ｎ−１の
整数として、回転角θｉ（＝ｉ×Δθ）時の回転中心か
ら被測定管体７外面までの距離をRi、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Xi、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Ｏ′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R₀とし、最小２乗法を用いて、
測定点Pi全体（０≦ｉ≦Ｎ−１）を最もよく近似する円
のα、β、R₀を決定する。

Ｏ′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、R₀を求めれば、これらが求める
Ｏ′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（Xi、Yi）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′、Yi′が決定されたならば、これらの隣
接する測定点Pi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≦ｉ≦Ｎ−１）を直線
で結んで得られる近似多角形の交点Qiを求める。このP
i、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、Piと180゜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
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R₀とほぼ一致する。

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（ｌ）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。

以上詳述したように、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８図は先
に本出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測定結果を示したグラ
フ図である。 １……フレーム、２……台座、３……ステージ、４……
回転ヘッド、５……測定ヘッド、5a,5b……変位計、７
……被測定管体、10……上位CPU、11……マルチウエ
ア、12……シーケンサ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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、 前記回転ヘッドに沿って前記管体の半径方向に移動自在
   とされた測定ヘッドと、 前記管体の外表面および内表面に対向しており、前記管
   体表面までの離間距離を非接触で光学的に検出し、前記
   測定ヘッドに固定された固定変位計、および前記測定ヘ
   ッドに沿って前記半径方向に移動可能とされた可動変位
   計と、 前記回転ヘッドの前記中心軸周りの回転角を検出する回
   転角検出手段と、 前記測定ヘッドの前記半径方向の現位置を検出する半径
   方向位置検出手段と、 前記管体の半径に基づいて、固定変位計の前記管体表面
   からの離間距離を目標の離間距離に修正すべく前記測定
   ヘッドを前記半径方向に位置修正する測定ヘッド位置修
   正手段と、 前記管体の肉厚に基づいて、可動変位計の前記管体表面
   からの離間距離を目標の離間距離に修正すべく前記可動
   変位計を前記半径方向に位置修正する可動変位計位置修
   正手段と、 前記測定ヘッド位置修正手段による測定ヘッドの位置修
   正、ならびに可動変位計位置修正手段による可動変位計
   の位置修正が終了した後における測定段階において、前
   記回転ヘッドの回転に伴う前記回転角検出手段からの前
   記中心軸周りの微小回転角ごと、前記固定変位計の前記
   管体表面からの離間距離が一定となるように、前記測定
   ヘッド位置修正手段を介して、測定ヘッドを追従移動さ
   せるサーボ制御系と、 前記固定変位計および可変変位計からの変位信号と、前
   記回転角検出手段からの回転角と、半径方向位置検出手
   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。