JP2010256277A - 被測定物の外形測定方法及び外形測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】表面に凹面が生じているような被測定物にも対応でき、外部の基準原器を用いることなく被測定物の外形情報を得る。
【解決手段】被測定物２を回転台１の上にのせロータリーエンコーダ４により回転台１の回転角を計測しつつ外部に設置した非接触距離センサ５により被測定物２の表面までの距離を計測して１回目の計測結果を得、被測定物２を任意に移動させた後に同じ計測を行って２回目の計測結果を得、パーソナルコンピュータ７で１回目と２回目の計測結果から得られる被測定物２のそれぞれの外形形状が一致するように１回目と２回目の計測結果を演算処理して被測定物２の外形情報を求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、鋼管等の被測定物の外形測定方法及び外形測定装置に関するものである。

従来、鋼管の外径の測定は小径のものであればノギスやマイクロメータあるいは光切断法によっている。また大径のものであればノギスによっている。
また、基準原器を用い、予め基準原器の中心と非接触距離センサとの距離を測定しておき、形状を測定する鋼管を基準原器の後に装着して非接触距離センサと鋼管との距離を測定し、その測定結果から鋼管の半径を測定するようにしたものもある（特許文献１参照）。

特開平１０−３８５５５号公報

ノギスやマイクロメータを用いる従前の方法では鋼管の断面の真円度と形状を同時に正確に計測しようとすると大変な労力と時間がかかるうえ、表面に凹面が生じているような場合には上述した方法では対応できないことがある。また、特許文献１に記載のものでは、鋼管の半径を測定するのに外部の基準原器を必要とする。

本発明は上記点に鑑みて、表面に凹面が生じているような被測定物にも対応でき、外部の基準原器を用いることなく被測定物の外形情報を得ることができる被測定物の外形測定方法及び外形測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、被測定物を回転台の上にのせ角度センサにより前記回転台の回転角を計測しつつ外部に設置した非接触距離センサにより前記被測定物の表面までの距離を計測し、前記被測定物と前記非接触距離センサとの相対的な位置を変えて前記計測と同様の計測を実施し、これら複数の計測結果から得られる前記被測定物のそれぞれの外形形状が一致するように前記複数の測定結果を演算処理して前記被測定物の外形情報を求めることを特徴としている。

この発明によれば、被測定物に対して計測条件の異なる複数回の測定を行い、これら複数の計測結果から得られる被測定物のそれぞれの外形形状が一致するように複数の測定結果を演算処理して被測定物の外形情報を求めているから、表面に凹面が生じているような被測定物にも対応でき、外部の基準原器を用いることなく被測定物の外形情報を得ることができる。なお、「外形形状が一致するように」とは、外形形状が完全に一致することを意味するのではなく、後述する実施形態に示すように、外形形状が許容値以内の関係になるようにとの意を含むものである。

上記した非接触距離センサとしては、後述する実施形態のように光学的に被測定物の表面までの距離を計測するものが好ましいが、光学的に測定できるもの以外のものを用いてもよい。
請求項２に記載の発明では、被測定物を回転台の上にのせ角度センサにより前記回転台の回転角を計測しつつ外部に設置した非接触距離センサにより前記被測定物の表面までの距離を光学的に計測し、前記非接触距離センサをその光軸に対して平行に移動させて前記計測と同様の計測を実施し、これら複数の計測結果から得られる前記被測定物のそれぞれの外形形状が一致するように前記複数の計測結果を演算処理して前記被測定物の外形情報を求めることを特徴としている。
この発明によれば、被測定物ではなく非接触距離センサを移動することによって被測定物の外形情報を求めることができる。
請求項３、４に記載の発明では、請求項１、２に記載の方法を実施するのに適した被測定物の外形測定装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態における被測定物外形測定装置の構成を示す図である。 外形形状測定の原理を説明するための図である。 被測定物を移動させた測定法を説明するための図である。 測定データの一例を示す図である。 外形形状の比較法を説明するための図である。 外形形状決定の処理を示すフローチャートである。 第１実施形態を用いた計測例を示す図である。 第２実施形態の測定器具の設定を示す図である。 第２，第３実施形態における諸量の関係を示す図である。

（第１実施形態）
図１に本発明の第１実施形態における外形測定装置の構成を示す。図１において、１はサーボモーター付き回転台、２は鋼管等の被測定物、３はサーボモーターをコントロールするモーターコントローラー、４は角度センサとしてのロータリーエンコーダ、５は光学的に被測定物の表面までの距離を計測するレーザー変位計等の非接触距離センサ、６はロータリーエンコーダ４、非接触距離センサ５からの電圧信号を読み取るデータロガー、７はデータロガー６からの信号に基づき被測定物２の外形情報を求める演算処理手段としてのパーソナルコンピュータである。

被測定物２の外形を測定する場合、まずサーボモーターおよびロータリーエンコーダ４のついた回転台１の上に被測定物２を設置する。計測のための座標系を図２のように回転台１の中心に原点をとり非接触距離センサ５の位置を(ｘ_L,0)、非接触距離センサ５の光軸とｘ軸とのなす角をφとする。このとき被測定物２の回転台１上の位置は任意でよい。回転台１に対して任意の位置に非接触距離センサ５を任意の位置に設置する。サーボモーターにより回転台１を回転させ、ロータリーエンコーダ４による回転角θと非接触距離センサ５よる距離ｌを同期させながらデータロガー６を介して読み取りパーソナルコンピュータ７のメモリに記録することにより１回目の計測が完了する。
次に回転台１上で被測定物２を任意に移動させた後に同じ計測を行い２回目の計測とする。このとき被測定物２の移動量を測定する必要はないが、１回目の測定における被測定物２上の測定開始点(P₀ ¹)と２回目の測定開始点(P₀ ²)は同一点とする（図３参照）。例えば、被測定物２の表面にマーキング等を行って測定開始点を一致させる。
１回の計測により回転角と同期した非接触距離センサ５の出力が得られる（図４参照）。この測定結果より１回目あるいは２回目の被測定物２上の計測点の位置ｘ_j ⁱ（j=1,…,n:i=1,2）（ｘ_j ⁱはベクトル）は数式１のように表現することができる。

ここに添字jはj番目の測定値を表す。これにより被測定物２の形状をｘ_Lとφを含んだ形式で表すことができる（図２参照）。ただしこの段階では接触距離センサ５の変位測定用の参照点の位置(ｘ_L)やその光軸の偏角(φ)は未知量のままである。そこで、本実施形態ではこれらの量も被測定量として取り扱い、解析的手法によりこれらの量を決定する。
ｉ回目の測定値によって得られた測定点ｘ_j ⁱ（j=1,…,n:i=1,2）（ｘ_j ⁱはベクトル）の集合は被測定物２の形状を表すがそれを形式的に数式２のように表現する。

同じ対象物を測定しているのであるから１回目と２回目の測定に対して結果として得られる形状S₁とS₂が等しくなければならない．したがってそのような条件を満たすように未知量であるｘ_Lとφを決定すればよい。これは次のような手順で行う。図５に示す指標r_m ⁱを用いて数式３でS₁とS₂の相互間の差Wを表現する。図５からわかるようにS_i における測定点がすべて一致するときにはW=0となる。S_iは離散的な点から構成されるので、比較される測定点が対応した位置関係になるようにするためr_m ⁱは線形補間等で決定する。

現実には測定誤差や補間による誤差のためにW=0となるようなｘ_Lとφを求めることはできないので、このWを最小化するようなｘ_Lとφを適切な最適化手法によって求める。こうして求められたｘ_Lとφを用いて被測定物２の形状Siを求めることができる。
図６にパーソナルコンピュータ７よる外形形状決定の処理を示す。パーソナルコンピュータ７のメモリに上記した１回目と２回目の測定結果が記憶された後、図６に示す処理が実行される。まず、ｘ_Lとφの初期値を任意に設定する。この初期値を用いて数式１によりi回目（i=1,2）の測定による鋼管断面の形状Siを決定する。次に計測毎のS₁とS₂の差Wを数式３により計算する。同一のものを計測しているのであるからS_iは等しくなければならない。もっとも初期値で設定したｘ_Lとφは真値とは限らずまた測定誤差もありS₁とS₂は一致せずWは0になるとは限らない。そこでWが許容値をよりも大きいときは、次回以降にWが0に近づく（つまり収束していく）ように適切な手段（例えば最急降下法等）でｘ_Lとφの値を修正(更新)し、再度S₁とS₂を計算する。そしてWが許容値以内におさまるまで上記した処理を繰り返す。Wが許容値以内におさまると、そのときのS₁（もしくはS₂）を出力する。
つまり、パーソナルコンピュータ７では、１回目と２回目の計測結果から得られる被測定物２のそれぞれの外形形状S₁とS₂が一致するように１回目と２回目の計測結果を演算処理して被測定物２の外形情報を求める。被測定物２の外形を示す外形情報としては、上記したS₁（もしくはS₂）に限らず、他の情報(例えば、中心と半径等)としてもよい。
なお、上記した実施形態では、被測定物２の位置を変えた測定を２回行うものを示したが、３回以上の測定を行っても上記手法は一般性を失うことなく適用することができる。また、被測定物２としては鋼管等の円筒状物体に限らず、表面が断面円形状の物体に広く適用が可能である。
（実施例）
上述した第１実施形態において、公称直径約34mmのステンレスパイプに対して測定を行った結果と、ノギスの結果との比較を図７に示す。１回目の測定は被測定物２の中心と回転中心をほぼ一致させ、２回目の測定では１回目から約10mm移動させたものである。ノギスを使った測定方法との差は大きくても0.05mm以下である。そして本計測手法では多数の点での計測が容易であり形状を正確に把握することができる。この例での観測点の個数は約270個である。なお、ノギスの計測対象と図７のDとは厳密には一致しないがほぼ真円に近い形状での差は無視できる。
（第２実施形態）
上記した第１実施形態ではn回(n≧2)の計測を被測定物２の位置を移動させて行わなければならない。これは被測定物２が特に大型の場合には困難を生じる。また高い測定精度を得るためには移動距離を大きくとらなければならないのでレンジの深い非接触距離センサ５が必要になる。このような不都合が発生した場合に次のような実施形態を取ることが有効である。
本実施形態では、第１実施形態で示した構成に加え、図８に示すように非接触距離センサ５がリニアレール上で移動できるように構成したものとしている。リニアレール上の移動距離は付属するリニアエンコーダで測定できるようになっている。被測定物２は回転台１の任意の位置に置けばよく未知でよく、また非接触距離センサ５の光軸とリニアレールの軸のなす角もまた任意かつ未知でよい。
本実施形態では、まず非接触距離センサ５をリニアレール上の任意の位置におき、第１実施形態と同様に測定し被測定物２の形状S₁を求める。次に、非接触距離センサ５をリニアレール上で平行移動させて計測を行いi回目の測定とする（図９参照）。ただし、非接触距離センサ５の移動距離diはリニアエンコーダで測定し、被測定物２の計測開始点P₀ ¹とP₀ ^ｉはすべての場合で一致させる。i回目の測定の非接触距離センサ５の位置は数式４で与えられるので、 i回目の形状は結局、数式２と同様にｘ_Lとφを未知量として表すことができる。

ここでβは非接触距離センサ５の動線がｙ軸となす角度である（図９参照）。βは図９に示した幾何学的関係からｘ_Lとφを用いて表すことができる。
n回の計測から得られた外形形状Si(ｘ_L,φ)、(i=1、2、…、n)は同一であるとの数学的要件から第１実施形態と同様にｘ_Lとφを数学的に決定することができる。
（第３実施形態）
上記した第２実施形態ではそれぞれの測定で被測定物２上の観測開始点を一致させて行うものを示した。しかし観測開始時の回転台１の回転角度を同一にして実施することも可能である。これは被測定物２の表面にマーキングが困難な場合には有効な手段である。
このため、本実施形態は、以下の形状計測の原理を用いる。すなわち、第２実施形態では非接触距離センサ５の動線とｙ軸のなす角度β（図９参照）は被測定物２上の観測開始点が同一であるとの条件より図９に示す方法により求めていた。しかしβをｘ_Lとφと同様の未知量とすればSi(xL，φ，β)、(i=1、2、…、n)を決定するのに測定開始点を一致させる要件は不要となる。この場合、数式１の代わり数式５を用い、そのうえでSi(xL，φ，β)を決定する。

ただしω_jは図９より数式６で与えられる．

図６に示した最適化のプロセスはｘ_L,φおよびβに対して行うように修正される。つまり、ｘ_L,φおよびβを未知量とし、ｘ_L,φおよびβを更新していってS₁とS₂の相互間の差Wが許容値以内におさまるようにする。

１：サーボモーター付き回転台
２：被測定物
３：モーターコントローラー
４：ロータリーエンコーダ
５：非接触距離センサ（レーザー変位計等）
６：データロガー（電圧信号を読み取る機器）
７：パーソナルコンピュータ

Claims (4)

1. 被測定物を回転台の上にのせ角度センサにより前記回転台の回転角を計測しつつ外部に設置した非接触距離センサにより前記被測定物の表面までの距離を計測し、前記被測定物と前記非接触距離センサとの相対的な位置を変えて前記計測と同様の計測を実施し、これら複数の計測結果から得られる前記被測定物のそれぞれの外形形状が一致するように前記複数の測定結果を演算処理して前記被測定物の外形情報を求めることを特徴とする被測定物の外形測定方法。
2. 被測定物を回転台の上にのせ角度センサにより前記回転台の回転角を計測しつつ外部に設置した非接触距離センサにより前記被測定物の表面までの距離を光学的に計測し、前記非接触距離センサをその光軸に対して平行に移動させて前記計測と同様の計測を実施し、これら複数の計測結果から得られる前記被測定物のそれぞれの外形形状が一致するように前記複数の計測結果を演算処理して前記被測定物の外形情報を求めることを特徴とする被測定物の外形測定方法。
3. 被測定物をのせる回転台と、
   前記回転台の回転角を計測する角度センサと、
   前記被測定物の表面までの距離を計測する非接触距離センサと、
   前記角度センサによる前記回転角の計測値と前記非接触距離センサによる前記距離の計測値とを同期をとりながら取り込む計測を、前記被測定物と前記非接触距離センサとの相対的な位置が異なる状態にて複数実施し、これら複数の計測結果から得られる前記被測定物のそれぞれの外形形状が一致するように前記複数の計測結果を演算処理して前記被測定物の外形情報を求める演算処理手段と、を備えたことを特徴とする被測定物の外形測定装置。
4. 被測定物をのせる回転台と、
   前記回転台の回転角を計測する角度センサと、
   光学的に前記被測定物の表面までの距離を計測する非接触距離センサと、
   前記非接触距離センサをその光軸に対して平行に移動させる手段と、
   前記角度センサによる前記回転角の計測値と前記非接触距離センサによる前記距離の計測値とを同期をとりながら取り込む計測を、前記非接触距離センサの前記移動により前記被測定物と前記非接触距離センサとの相対的な位置が異なる状態にて複数実施し、これら複数の計測結果から得られる前記被測定物のそれぞれの外形形状が一致するように前記複数の計測結果を演算処理して前記被測定物の外形情報を求める演算処理手段と、を備えたことを特徴とする被測定物の外形測定装置。