JP5251617B2

JP5251617B2 - ねじ形状測定装置およびねじ形状測定方法

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Publication number: JP5251617B2
Application number: JP2009054183A
Authority: JP
Inventors: 俊文児玉; 秀行湯澤; 博之松井
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2009-03-06
Filing date: 2009-03-06
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2029-03-06
Also published as: JP2010210292A

Description

この発明は、ねじ、例えば鋼管の管端に加工されたねじの形状、さらには、ねじ高さ、リード、テーパ等のねじパラメータを測定するねじ形状測定装置およびねじ形状測定方法に関するものである。

従来から、油井管等の鋼管製品では、出荷前に端部を接続するため、管端部にねじ切り加工を行うものがあるが、このねじ部に切削不良があるとねじ嵌合が不足して搬送媒体の漏出などのトラブルが発生するため、出荷前あるいはねじ切り加工ラインでのねじ形状の検査は重要な品質管理項目である。このため、従来から、種々のねじ検査方法や装置が考案、提案され、例えば、API Spec 5B,” Specification for Threading, Gauging, and Thread Inspection of Casing, Tubing, and Line Pipe Threads “、などの規格や、各製造者が独自に策定する検査基準として公開あるいは鋼管の使用者に提示されている。

ここで、前記管端部のねじ切りは、「特殊ねじハンドブック」等で規定されているとおり、鋼管の太さや用途によりさまざまな形状が規定されているが、通例、鋼管長手、数十ｍｍ〜百数十ｍｍの長さ、かつねじ高さは２ｍｍ弱〜５，６ｍｍであるが、測定結果の精度としては、一般的な機械工作公差相当、即ち数十μｍ程度の高精度計測が求められる。このような背景から、従来より、広く用いられまた前記規格等で推奨されている検査方法は、測定子をねじ溝に沿って移動させながら形状の測定を行う接触式形状検査技術や、ダイヤルゲージやマイクロメーターといった機械的測定手段と測定項目毎に特化した形状の冶具を組み合わせた機械的ねじ検査技術であった。ここでダイヤルゲージやマイクロメーターのよみは１０μｍ台のものを用いることで、前記測定精度の要請に応えている。

また、一方では光学式のねじ形状検査技術の提案もなされている（特許文献１参照）。この特許文献１に記載されたものは、ねじの形状を透過光式で測定するもので、レーザーの光路をねじの巻き線と平行に設定し、かつレーザーの走査光が作る走査面をねじの軸に対して傾斜させながら、ねじの形状を測定する方式である。具体的には、レーザーの走査方向をねじの高さ方向とし、レーザーの走査タイミングと光量の変化の関係より、ねじの軸方向の、ある１点でのねじ高さ情報を得るもので、この装置をねじの長手方向に移動させることで、ねじの断面形状を測定するようにしている。

また、特許文献２には、ねじの一方に光源を、他方にテレビカメラを設け、光軸がその管軸を通る水平面に合わせて正対させてあり、その撮像視野が縦長となるような向きにセットし、テレビカメラと鋼管との間に鏡を設置してテレビカメラの撮像視野をねじの上下外縁部のみとし、このような配置とすることでカメラの視野には水平に置かれた鋼管の上下の外縁にあるねじ部分の形状がシルエット映像として映し出されるようにしている。

さらに、特許文献３には、ねじ溝に平行に照射した光が、ねじ溝を通過した光を拡大光学系通すか、前記のようなねじ溝の透過光を投影板に投射してできるシルエット画像を撮像するか、あるいは前記の投影板を斜めに傾けて投影してシルエット像を拡大しこれを撮像する、などの原理に基づき、各光学要素としては、光源として平行光源を用いたり、投影板に投影されたシルエット像の撮像手段として放物面鏡とミラー走査装置を用いたり、ねじと投影スクリーンとの間の光学系としてテレセントリック光学系を用いて平行光に投影板に投影するようにする、などを組み合わせたものが記載されている。

特開昭６３−１９１００７号公報特開昭５８−６２５０５号公報特開２００７−１０３９３号公報

しかしながら、上述したAPI Spec 5B等の機械式変位測定による方法では、ねじに測定子あるいは冶具を当接させて測定を行うため、接触させる力の大きさや向きが測定値に影響を与えるという精度上の問題があった。また、この方法では、数１０ｍｍ〜百数十ｍｍの長手方向に分布するねじプロフィールの特定の数点でのねじ径やねじ高さ、長手スパンといった代表点のみの測定であるので、局所的なねじ形状の不良が検査結果に反映しないという問題があった。さらに、この方法では、測定時間がかかるため数十秒〜数分毎に加工させる鋼管の全数を検査できない場合があるという運用上の問題もあった。

また、特許文献１に記載されたレーザー走査式では、ねじの長手方向での測定ピッチ毎にレーザーを走査させて計測し、次の測定点に測定装置を移動するという計測手順を繰り返すが、ねじの測定ピッチを細かくするとそれに応じて測定時間がかかるという問題があった。

さらに、特許文献２に記載された方法では、ねじの形状をテレビカメラで映し出すことになっているが、上述したとおり、測定範囲が長手方向に百ｍｍ程度、高さ方向に数ｍｍ程度であって、且つ必要な測定精度は数十μｍであるから、シルエットを映像として測定する場合の画素数（走査線数）は、長手方向で１万程度の大きな数が必要であるのに対し、テレビカメラの走査線数、あるいは２次元カメラの画素数は高々、千程度で精度不足であり、カメラを長手方向に複数台並べるように構成する、あるいは長手方向に移動させる、という手法でこの問題点を補う対策が容易に想起されるが、一回のねじ形状を得るための手順や装置構成が複雑になる、もしくはレーザー走査式の場合と同様に測定時間がかかる、といった問題点があった。

また、特許文献３では、投影スクリーンを介したシルエット映像を撮像すると、スクリーンの汚れや撓み等の平面度不良がねじ形状測定上の誤差になるばかりか、投影スクリーン表面粗さに起因してシルエット境界に発生する細かな凹凸（ぎざぎざ状）がねじ形状プロフィールのノイズになるという問題点や、投影スクリーンを傾けてシルエット像を拡大した場合もCCDカメラで撮像する画素分解能は向上するものの、測定対象であるねじの形状の測定の分解能はねじとスクリーンの間の光学系の光学的解像度で決定されるために本質的な計測の精度向上にはつながらないばかりか、投影板を斜めにすることにより必然的に投影板と対象物の間の光路長に差が生じ、結果として投影される映像はフォーカスがずれた部位が発生して逆に計測の精度が悪化するという問題点があった。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ねじなどの軸方向が長い測定対象物であっても、簡易な構成で高精度にねじ形状を測定することができるねじ形状測定装置およびねじ形状測定方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかるねじ形状測定装置は、光源からの光をねじの螺旋に平行に照射する投光手段と、前記投光手段と同一の受光光軸を有する受光光学系と、前記受光光学系の経路内に配置され、前記ねじの管軸方向に走査する走査手段と、前記ねじの管軸に直交する方向の１次元画像を検出する検出手段と、を備え、前記走査手段による走査に伴って得られる１次元画像を管軸方向に合成することによって前記ねじの形状を測定することを特徴とする。

また、この発明にかかるねじ形状測定装置は、上記の発明において、前記光源は、平行光源であることを特徴とする。

また、この発明にかかるねじ形状測定装置は、上記の発明において、前記ねじと前記走査手段との間の受光光学系は、テレセントリック光学系であり、前記走査手段は、角度可変の反射鏡であり、前記受光光学系の画角と結像高さとの関係の逆関数に比例した角度指令値の時間波形を生成して前記反射鏡に該角度指令値を出力する波形発生器を備え、前記検出手段は、一定時間間隔で、前記管軸方向に対する一次元画像を順次検出することを特徴とする。

また、この発明にかかるねじ形状測定装置は、上記の発明において、前記受光光学系は、前記ねじと前記走査手段との間の受光光学系に受像軸と画角との関係が比例関係となるｆ−θレンズを用い、前記走査手段は、角度可変の反射鏡であり、時間の１次関数となる角度指令値の時間波形を生成して前記反射鏡に該角度指令値を出力する波形発生器を備え、前記検出手段は、一定時間間隔で、前記管径方向に対する一次元画像を順次検出することを特徴とする。

また、この発明にかかるねじ形状測定装置は、上記の発明のいずれか一つに記載のねじ形状測定装置を、前記ねじの管軸周りに等角度分割された各角度境界位置の螺旋部分のねじ形状を測定する位置に複数配置し、前記ねじを等角度分割された角度分、回転させて前記ねじの形状を測定することを特徴とする。

また、この発明にかかるねじ形状測定方法は、光源からの光をねじの螺旋に平行に照射し、ねじ螺旋の空隙部を通過した通過光を、前記光源と同一の受光光軸を有する受光光学系を経由させて前記ねじのシルエット画像を検出手段によって検出して前記ねじの形状を測定するねじ形状測定方法において、前記受光光学系の経路内に配置された走査手段によって前記通過光を前記ねじの管軸方向に走査し、前記ねじの管軸に直交する方向の１次元画像を検出する検出手段が該走査された通過光を検出し、前記走査手段による走査に伴って得られる１次元画像を管軸方向に合成することによって前記ねじの形状を測定することを特徴とする。

また、この発明にかかるねじ形状測定方法は、上記の発明において、前記光源は、平行光源であることを特徴とする。

また、この発明にかかるねじ形状測定方法は、上記の発明において、前記ねじと前記走査手段との間の受光光学系は、テレセントリック光学系であり、前記走査手段は、角度可変の反射鏡であり、前記受光光学系の画角と結像高さとの関係の逆関数に比例した角度指令値の時間波形を生成して前記反射鏡に該角度指令値を出力し、前記検出手段が、一定時間間隔で、前記管軸方向に対する一次元画像を順次検出することを特徴とする。

また、この発明にかかるねじ形状測定方法は、上記の発明において、前記受光光学系は、前記ねじと前記走査手段との間の受光光学系に受像軸と画角との関係が比例関係となるｆ−θレンズを用い、前記走査手段は、角度可変の反射鏡であり、１次関数となる角度指令値の時間波形を生成して前記反射鏡に該角度指令値を出力し、前記検出手段が、一定時間間隔で、前記管径方向に対する一次元画像を順次検出することを特徴とする。

また、この発明にかかるねじ形状測定方法は、上記の発明のいずれか１つのねじ形状測定方法を実現するねじ形状測定装置を、前記ねじの管軸周りに等角度分割された各角度境界位置の螺旋部分のねじ形状を測定する位置に複数配置し、前記ねじを等角度分割された角度分、回転させて前記ねじの形状を測定することを特徴とする。

この発明によれば、光源からの光をねじの螺旋に平行に照射する投光手段と、前記投光手段と同一の受光光軸を有する受光光学系とを備え、走査手段が、前記受光光学系の経路内に配置され、前記ねじの管軸方向に走査し、検出手段が、前記ねじの管軸に直交する方向の１次元画像を検出し、前記走査手段による走査に伴って得られる１次元画像を管軸方向に合成することによって前記ねじの形状を測定するようにしているので、ねじなどの軸方向が長い測定対象物であっても、簡易な構成で高精度にねじ形状を測定することができる。

図１は、この発明の実施の形態１であるねじ形状測定装置の概要構成を示す模式図である。図２は、一般のレンズにおける画角と結像高さとの関係を示す模式図である。図３は、この発明の実施の形態２であるねじ形状測定装置の概要構成を示す模式図である。図４は、ｆ−θレンズにおける画角と結像高さとの関係を示す模式図である。図５は、この発明の実施の形態３であるねじ形状測定装置の概要構成を示す模式図である。

以下、添付図面を参照して、この発明に係るねじ形状測定装置およびねじ形状測定方法の好適な実施の形態について説明する。なお、実施の形態により、この発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分又は相当する部分には同一の符号を付している。

（実施の形態１）
まず、この発明の実施の形態１について説明する。図１は、この発明の実施の形態１であるねじ形状測定装置の概要構成を示す模式図である。図１において、投光手段としての光源１は、測定対象であるねじ１０の管軸に対して概垂直な向きから、ねじ１０に対して光を照射する。光源１は、ねじ溝に沿って平行光を照射するのが好ましい。さらに、光源１は、撮像装置５の受光感度に足り、かつ測定視野範囲内で概均一な照度を有するものが好ましく、具体的には、ハロゲンランプやメタルハライドランプと拡散板、およびテレセントリック光学系などで構成するものが好ましい。

受光光学系２は、ねじ１０のねじ溝部を透過した光を、撮像装置５のラインセンサ５ａに結像させるもので、光軸に平行な成分のみを結像させるため平行光源と同一の光軸位置に配置したテレセントリック特性を有するものであることが好ましい。

反射鏡３は、走査手段として機能し、ねじ１０と受光光学系２とを通過してきた光のうち、撮像装置５に投影するねじ１０の長手位置、すなわち管軸方向位置を変更するものである。反射鏡３は、ポリゴンミラーや回転鏡などで構成してもよいが、好適には角度制御に柔軟性を有するガルバノモーターと平面鏡とにより構成するのが好ましい。

波形発生器６は、反射鏡３に対して、ラインセンサ５ａによる測定タイミング毎の角度指令値を出力するための角度指令値の時間波形（時間に関する角度指令値の波形）を生成し、反射鏡３の回転位置調整を行うものである。この波形発生器６は、反射鏡３の駆動機構に応じて信号発生器やディジタル通信器等を用いて実現され、角度指令値を出力する時間波形は、受光光学系２の画角特性の逆関数となるような時間波形とすればよい。

すなわち、図２に示すように、一般にレンズＬ１の結像高さｆは入射角θの関数関係、例えば理想レンズにおいてはｆ∝tan（θ）で表される関数関係にあるので、角度指令値の時間波形φ（t)としては、F(φ）の逆関数Ｇ(ｆ)を用いて、Ｇ（ｆ）の結像高さｆを時間ｔに置き換えてφ（ｔ）＝Ｇ（ｔ）の波形とすれば、合成される１次元画像の長手方向（管径方向）がほぼ等間隔となる。この結果、反射鏡３の角度が、受光光学系２内の対物レンズへの入射角θと結像高さｆとの関係であるｆ＝F(θ）の逆関数に比例した時間波形として出力されることによって調整され、撮像装置５が一定時間間隔で順次撮像した１次元画像である光強度波形を合成する際、管径方向の間隔がほぼ等間隔となる。

結像レンズ４は、回転鏡３を経由した光を撮像装置５の受光部であるラインセンサ５ａに結像させるための光学系である。なお、受光光学系４のみで撮像装置５に結像できるのであれば、結像レンズ４は削除してもよい。

撮像装置５は、上述したように、ねじ１０のねじ溝を通過して結像された光の強度分布を、それに対応した電気信号あるいは数値に変換するもので、ＣＣＤ型のラインセンサ５ａが用いられる。このラインセンサ５ａは、Ｚ方向の１次元センサである。なお、反射鏡３は、ねじ１０の管軸方向を走査するもので、ＸＹ平面上を走査する。ラインセンサ５ａは、５０００〜１００００画像程度の画素数を有し、１０ｋＨｚ〜３０ｋＨｚ程度の測定周波数が、必要な測定分解能、測定速度に応じて選定され、検出した電気信号あるいは数値データは、制御部１１内の画像処理部１２に出力される。

画像処理部１２は、撮像装置５によって撮像され、順次送られた１次元画像、すなわち、ねじ１０の管径方向の１次元画像を、管軸方向に沿って合成し、ねじ１０のシルエット画像を生成し、さらにこのシルエット画像からエッジ処理などによって形状プロフィールを生成する。この形状プロフィールなどは、記憶部１３あるいは表示部１４に出力される。なお、制御部１１は、反射鏡３および撮像装置５を制御し、入力部１５は、所望の指示信号などを制御部１１に入力する。

ここで、光源１からねじ１０のねじ溝に平行な平行光が照射されると、ねじ１０あるいはねじ溝部分のシルエット画像が受光光学系２を介して反射鏡３に入力される。反射鏡３に入力された光は、波形発生器６からの角度指令値をもとに回転制御される反射鏡３によって反射される。この反射によって走査された反射光を、結像レンズ４を介して撮像装置５のラインセンサ５ａに出力する。ラインセンサ５ａは、一定時間間隔で、反射鏡３の１走査によって管軸方向のねじ１０あるいはねじ溝の複数の１次元画像を順次検出出力し、画像処理部１２は、管軸方向に対してほぼ等間隔で取得された１次元画像をもとに、ねじ１０あるいはねじ溝の２次元画像を生成し、さらに形状プロフィールを生成する。

ところで、上述したように光源１からねじ１０に平行光を照射し、同一の光軸を有するテレセントリック受光系の受光光学系２でねじ１０のシルエット画像を結像させるが、高さ方向（管径方向）の光強度分布を数μｍ程度の細かい分解能で計測するためにラインセンサ５ａを用いている。そして、管軸方向の視野を可変として計測するために、受光光学系２と撮像装置５との間に角度可変の反射鏡３を設置している。この場合、管軸方向の分解能を高めるためには、反射鏡３の走査速度を遅くすればよい。換言すれば、波形発生器６が発生する時間波形の時間を大きくすればよい。

なお、光源１として、通常の光学測定装置で用いられる拡散光源を用いると、ねじ１０の切り立った面（ねじ面、あるいはフランク面）、ねじ山や谷底、鋼管外面などでは光の経路方向に奥行きがあって、そこで反射してから結像部に到達する光路が存在しうるために、計測されるシルエット像にゴーストが重なってしまい正確なプロフィールが得られなくなる。したがって、ゴーストの原因となる非平行な光線成分を抑制することが必要であり、この実施の形態１では、光源１からは平行光を照射し、受光光学系２側も光軸に平行な成分のみを結像させるテレセントリックレンズを用い、またねじ面の反射抑制に関しては投光の光軸をねじの螺旋の向きと一致させるようにしている。

この実施の形態１では、ねじの管軸方向および管径方向に関する二次元形状を一度の測定動作で計測するようにしたので、短時間でねじ形状の測定を行うことができる。この場合、管径方向には、高解像度のラインセンサによって一次元画像を取得し、管軸方向に走査することによって二次元画像を取得するようにしているので、簡易な構成で高精度の形状測定を実現することができる。換言すれば、管径方向に延びるラインセンサを管軸方向に走査したことに相当する。さらに、測定は、非接触、かつ管軸方向の測定ピッチを稠密にしたので、従来の機械的手法のような測定子の当たり具合や押し付け力による測定誤差や代表点のみの検査に比べ稠密なねじ形状検査が可能となる。さらに、ねじの高さ方向（管径方向）の測定分解能を高めることも容易なので、従来のＴＶモニタ方式などに比較して高い分解能での検査が可能となる。また、反射スクリーン等を用いない構造としたので、スクリーンの汚れや変形、表面粗さ等の外乱因子や、傾けることに夜フォーカスずれ等の問題がなくなり、より正確なねじ形状検査が可能である。

（実施の形態２）
つぎに、この発明の実施の形態２について説明する。この実施の形態２では、受光光学系２に対応する受光光学系２２内に、画角θと結像高さｆとの関係がｆ−θ特性となるｆ−θレンズ２２ａを用いている。また、これに関連して、波形発生器６に対応する波形発生器１６は、反射鏡３への角度指令値の時間波形（時間に関する角度指令値の波形）を時間に比例した一次関数（直線）としている。

すなわち、図４に示すように、ｆ−θレンズＬ２、結像高さｆが画角θに比例した関数関係、すなわちｆ∝θの関係をもつため、波形発生器２６は、角度指令値の時間波形を単純な直線となる。

ここで、撮像装置５は、実施の形態１と同様に、一定時間間隔で、ラインセンサ５ａによる一次元画像を取得する。そして、波形発生器２６の時間波形も一次関数（直線）なので、反射鏡３の回転速度も一定となる。

この実施の形態２では、ｆ−θレンズ２２ａとこれに対応する波形発生器２６とを設けるのみで、さらに簡易な構成のねじ形状測定装置を実現することができる。

（実施の形態３）
この発明の実施の形態３では、複数のねじ形状測定装置を用いて、高速測定を行うようにしている。

すなわち、図５に示すように、４つのねじ形状測定装置３１ａ，３１ｂ、３２ａ，３２ｂ、３３ａ，３３ｂ、３４ａ，３４ｂを、ねじ１０の管軸周りに９０度分割された各角度境界位置の螺旋部分のねじ形状を測定する位置に配置し、ねじ１０を９０度回転させることによって、ねじ１０の三次元形状を取得するようにしている。

なお、上述した実施の形態１〜３では、ねじ１０を固定させてねじ形状を測定するようにしていたが、これに限らず、ねじ１０を回転させて、ねじ１０の周方向の３次元形状を得るようにしてもよい。さらには、ねじ１０を固定配置し、その周方向に、１以上のねじ形状測定装置を回転させるようにしてもよい。

１光源
２，２２受光光学系
３反射鏡
４結像レンズ
５撮像装置
５ａラインセンサ
６，２６波形発生器
１０ねじ
１１制御部
１２画像処理部
１３記憶部
１４表示部
１５入力部
２２ａｆ−θレンズ

Claims

光源からの光をねじの螺旋に平行に照射する投光手段と、
前記投光手段と同一の受光光軸を有する受光光学系と、
前記受光光学系の経路内に配置され、前記ねじの管軸方向に走査する走査手段と、
前記ねじの管軸に直交する方向の１次元画像を検出する検出手段と、
を備え、前記走査手段による走査に伴って得られる１次元画像を管軸方向に合成することによって前記ねじの形状を測定することを特徴とするねじ形状測定装置。
前記光源は、平行光源であることを特徴とする請求項１に記載のねじ形状測定装置。
前記ねじと前記走査手段との間の受光光学系は、テレセントリック光学系であり、
前記走査手段は、角度可変の反射鏡であり、
前記受光光学系の画角と結像高さとの関係の逆関数に比例した角度指令値の時間波形を生成して前記反射鏡に該角度指令値を出力する波形発生器を備え、
前記検出手段は、一定時間間隔で、前記管軸方向に対する一次元画像を順次検出することを特徴とする請求項１または２に記載のねじ形状測定装置。
前記受光光学系は、前記ねじと前記走査手段との間の受光光学系に受像軸と画角との関係が比例関係となるｆ−θレンズを用い、
前記走査手段は、角度可変の反射鏡であり、
時間の１次関数となる角度指令値の時間波形を生成して前記反射鏡に該角度指令値を出力する波形発生器を備え、
前記検出手段は、一定時間間隔で、前記管径方向に対する一次元画像を順次検出することを特徴とする請求項１または２に記載のねじ形状測定装置。
請求項１〜４のいずれか一つに記載のねじ形状測定装置を、前記ねじの管軸周りに等角度分割された各角度境界位置の螺旋部分のねじ形状を測定する位置に複数配置し、前記ねじを等角度分割された角度分、回転させて前記ねじの形状を測定することを特徴とするねじ形状測定装置。
光源からの光をねじの螺旋に平行に照射し、ねじ螺旋の空隙部を通過した通過光を、前記光源と同一の受光光軸を有する受光光学系を経由させて前記ねじのシルエット画像を検出手段によって検出して前記ねじの形状を測定するねじ形状測定方法において、
前記受光光学系の経路内に配置された走査手段によって前記通過光を前記ねじの管軸方向に走査し、前記ねじの管軸に直交する方向の１次元画像を検出する検出手段が該走査された通過光を検出し、前記走査手段による走査に伴って得られる１次元画像を管軸方向に合成することによって前記ねじの形状を測定することを特徴とするねじ形状測定方法。