JPH08240414A

JPH08240414A - 直径測定装置

Info

Publication number: JPH08240414A
Application number: JP7441895A
Authority: JP
Inventors: Osamu Keyakida; 理欅田
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1995-03-06
Filing date: 1995-03-06
Publication date: 1996-09-17

Abstract

(57)【要約】【目的】環状体や円盤体の内外径を短時間で高精度に
自動測定する。【構成】原点位置で測定ヘッド２０によりエッジモデ
ル４０のエッジ位置を検出する。測定ヘッド２０を測定
位置に進出させ、回転テーブル３０により被測定物１０
を周方向に回転させながら、測定ヘッド２０により被測
定物１０のエッジ位置を周方向各点について検出する。
これらの検出データから、原点位置を基準とした被測定
物１０の周方向各点についてのエッジ位置を求め、それ
らのエッジ位置から被測定物１０のエッジ直径を求め
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、円盤、リングのような
円形エッジを有する物体の外径・内径を非接触測定する
直径測定装置に関し、特に、熱間押出製品の外径を規制
するダイスの内径測定に適した直径測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱間押出加工による管材や棒材の製造で
は、複数のダイスを準備しておき、１回の押出し毎にダ
イスを交換して循環使用する。これは、押出しによって
ダイス内面にガラス潤滑剤やビルドアップと呼ばれる焼
付金属が付着する他、ダイス内面のダイス材料が出側へ
流動してベアリング部に盛り上がり、この部分のダイス
内径が小さくなる現象のために、ダイスの連続使用がで
きないことによる。そして、１回の押出し毎に交換され
たダイスは、内面に付着する異物やダイス材料の流動に
よる金属盛り上がり部分が除去されて繰り返し再使用さ
れる。

【０００３】従来このダイス内面の手入れは、ハンドグ
ライダーによる手作業で行われていた。しかし、ハンド
グライダーによる手作業では、精度、能率の両面から対
応が困難な状況になってきた。すなわち、最近の傾向と
しては、管を押出ままで製品化する所謂ホット仕上げの
導入があるが、その場合、ハンドグライダーによる手作
業では必要な手入れ精度が得られないのである。また、
最近の製管能率の上昇に伴い、熱間押出し製管での押出
サイクルが大幅に短縮され、最も押出しサイクルの短い
場合、従来用いていたダイスの数では、ダイス手入れの
ために確保できる時間が２０秒程度に制限されることも
ある。そのため、入念な作業を行うのが一層困難にな
り、既に一部工場では、押出しサイクルにダイス手入れ
が追い付かないために、循環使用するダイスの数を増や
さざるを得ないという状況も生じ始めている。

【０００４】このような状況に鑑みて本出願人は、ダイ
ス内面手入れの自動化を進めており、既に有効な手入れ
ロボットを開発している。この手入れロボットでは、手
入れ作業を始める前にダイス内径を測定し、測定された
ダイス内径に基づいて手入れモードを決定する。そのた
め、高精度かつ高能率な内径測定装置が必要となる。

【０００５】ダイスのような環状体の内径を測定する装
置としては、接触式と非接触式の２種類があるが、接触
式は接触子の摩耗、機械的ながたつきを避け得ないた
め、精度上の問題がある。また、測定に時間がかかり、
サイクルタイム上の問題も発生する。そのため、ダイス
内径の測定には、接触式は適さず、非接触式が望ましい
ということになる。

【０００６】そして、非接触式の内径測定装置として、
例えば特開昭５５−８５２０８号には、両側を向いた一
対の投光部および受光部を有する移動体を、スケールに
移動可能に取り付け、そのスケールをワーク内の径方向
に配置し、投光部から投射された光がワーク内面で複数
回反射して反対側の受光部に入射する移動体の位置を数
回測定することにより、ワークの内径を求める光学的装
置が開示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来装置は、検出部をワークの内側にセットする必要があ
るため、小径ワークに適用できない制限がある。また、
真円のワークを前提とし、ワークが真円と仮定して測定
を行うものであるため、周方向についての内径平均値を
求めるような場合は、スケールの角度を変えて多数回測
定を繰り返す必要があり、手数および時間がかかる。更
に、ワーク内面からの反射光を用いるため、内面粗さが
粗いワークには適用できない制約もある。

【０００８】本発明の目的は、これらの問題点を解決
し、ワークのサイズや表面粗さに関係なく、その内外径
を短時間で高精度に自動測定できる直径測定装置を提供
することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の直径測定装置
は、水平方向に移動可能に設けられ、下方に照明光を出
射すると共に、移動方向の反射光量分布を測定する測定
ヘッドと、前記測定ヘッドを原点位置を起点に進退駆動
する駆動機構と、前記測定ヘッドの進出領域下方に配置
され、反射面からなる上面に載置された円形エッジを有
する被測定物を中心回りに回転させる回転テーブルと、
被測定物のエッジ部を想定したブロックを反射面上に配
置し、前記測定ヘッドが原点位置へ後退したときにこれ
らが測定ヘッドの下方に位置するように配置されたエッ
ジモデルと、原点位置および前方進出位置で測定ヘッド
が測定する反射光量分布を処理してエッジモデルおよび
被測定物についてのエッジ位置データを取り出す第１処
理部と、原点位置で得たエッジモデルのエッジ位置デー
タを記憶すると共に、前方進出位置で回転テーブルを回
転させながら得た被測定物の周方向各点についてのエッ
ジ位置データを記憶し、それぞれの記憶データから原点
位置を基準とした被測定物の周方向各点についてのエッ
ジ位置を求め、求めた周方向各点のエッジ位置から被測
定物のエッジ直径を求める第２処理部とを具備する。

【００１０】請求項２に記載の直径測定装置は、前記測
定ヘッドが、水平方向を向くラインセンサーカメラと、
ラインセンサーカメラの前方に前面および後面が４５°
傾斜して上方および下方を向くように配置されたハーフ
ミラーと、その更に前方にハーフミラーと平行に傾斜配
置された全反射ミラーと、ハーフミラーを上方から照明
する光源とを有するものである。

【００１１】

【作用】原点位置で測定ヘッドによりエッジモデルを照
明し、その反射光の光量分布を測定することにより、エ
ッジモデルについてのエッジ位置データが得られる。同
様に、前方進出位置では、被測定物についてのエッジ位
置データが得られ、被測定物を回転させた場合は、周方
向各点についてのエッジ位置データが得られる。そし
て、エッジモデルについてのエッジ位置データと、被測
定物の周方向各点についてのエッジ位置データを処理す
ることにより、原点位置を基準とした被測定物の周方向
各点についてのエッジ位置が求まり、それらのエッジ位
置から被測定物のエッジ直径が精度よく自動的に求ま
る。

【００１２】

【実施例】以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１は本発明を実施した直径測定装置の一例につ
いて機械部分の基本構成を示す側面図、図２は同機械部
分の実機構成を示す側面図、図３は同実機構成を示す平
面図、図４は測定フロー図、図５は演算処理の説明図で
ある。

【００１３】本測定装置は、図１に示すように、熱間押
出加工に使用されるダイス１０の内径を測定するもので
あって、実線図示の原点位置を起点に水平方向に進退駆
動される測定ヘッド２０と、測定ヘッド２０の進出路下
方に設けた回転テーブル３０と、原点位置で測定ヘッド
２０の直下に位置するエッジモデル４０と、前述した第
１処理部および第２処理部を含み、測定ヘッド２０で得
た信号を演算処理してダイス１０の内径を求める演算器
５０とを具備する。

【００１４】測定ヘッド２０は、光軸を水平方向に向け
たラインセンサーカメラ２１を有する。ラインセンサー
カメラ２１の前方には、マイクロレンズ２５を介してハ
ーフミラー２２が傾斜配置され、その更に前方には、全
反射ミラー２３が傾斜配置されている。ハーフミラー２
２および全反射ミラー２３は、いずれも前面が４５°の
角度で上方を向き、後面が４５°の角度で下方を向いて
いる。全反射ミラー２３の反射面は、斜め下方を向いた
後面である。

【００１５】ハーフミラー２２の上方には光源２４が設
けられている。光源２４は、ハーフミラー２２に上方か
ら照明光を投射する。その照明光は、一部がハーフミラ
ー２２で前方に反射し、全反射ミラー２３で下方に反射
して、いわゆる落射照明を行う。反射光は、全反射ミラ
ー２３で後方に反射し、一部がハーフミラー２２を透過
してラインセンサーカメラ２１に入射する。

【００１６】カメラ内のラインセンサー２１ａは、当該
測定ヘッド２０の下方を向いた視野内の明度を、測定ヘ
ッド２０の移動方向について二次元検出するようになっ
ている。従って、視野内において、測定ヘッド２０の移
動方向にステップ的な明度差が存在すると、その明暗境
界位置が検出される。

【００１７】回転テーブル３０は、回転中心を鉛直方向
に向け、上面３１にダイス１０を同心状に保持固定し
て、これを周方向に回転させる。測定ヘッド２０の移動
中心線と回転テーブル３０の回転中心とは直交してお
り、測定ヘッド２０は、ダイス１０の手前側の内面エッ
ジをその視野中央部に収める測定位置まで、前方に進出
する。回転テーブル３０の上面３１は、鏡面である。

【００１８】エッジモデル４０は、回転テーブル３０の
後方にあり、測定ヘッド２０が原点位置に存在するとき
に、全反射ミラー２３の直下に位置し、測定ヘッド２０
の視野内に入る。このエッジモデル４０は、ダイス１０
の手前側の内面エッジ近傍を想定したものであって、反
射鏡４１の上に前方に空間を残してブロック４２を取り
付けた構造になっている。

【００１９】次に、測定ヘッド２０の支持駆動機構を図
２および図３に基づいて説明する。

【００２０】測定ヘッド２０は、架台２ａ上にあって、
連結具２ｂを介して支持具２ｃに取り付けられている。
支持具２ｃは、架台２ａの上に設けたアーム２ｄの先端
に片持ち支持されている。アーム２ｄは、架台２ａの前
部上に設置された左右一対のガイドレール２ｅ，２ｅに
沿って転動する一対のローラ２ｆ，２ｆを介して先端部
が支持され、後端部が、架台２ａの後部上に設置された
ＬＭガイド２ｇの移動部２ｈに結合されている。

【００２１】ＬＭガイド２ｇの駆動源であるＡＣサーボ
モータ２ｉを作動させることにより、アーム２ｄは架台
２ａ上を前後進し、これにより、アーム２ｄの先端側に
支持された測定ヘッド２０は、架台２ａ上の原点位置か
ら架台２ａの前方の測定位置まで進出し、また原点位置
に戻る。

【００２２】測定ヘッド２０の前方には、障害物を検知
するための検知板２ｊが設けられている。検知板２ｊは
支持具２ｃに前後方向可動に取り付けられ、スプリング
２ｋにより前方に付勢されている。測定ヘッド２０の前
進中に検知板２ｊが前方の障害物に当たると、リミット
スイッチ２ｔが作動し、ＡＣサーボモータ２ｉが停止す
る。これにより、測定ヘッド２０の破損が防止される。

【００２３】架台２ａ上の測定ヘッド２０、アーム２
ｄ、ＡＣサーボモータ２ｉ等は、防塵カバー２ｍにより
覆われている。カバー２ｍの前面には、測定ヘッド２０
を前方に進出させるために、窓２ｎが設けられている。
窓２ｎは、シリンダー２ｏにより昇降駆動される昇降式
のシャッター２ｐにより開閉される。カバー２ｍ内を排
気するために、架台２ａの最後部上にはファン２ｑが設
置されている。

【００２４】架台２ａの前方には、前述した回転テーブ
ル３０が設置されており、また、架台２ａの最前部上に
は、前述したエッジモデル４０が設けられている。そし
て、前述した通り、測定ヘッド２０は、測定位置まで前
進したときに、回転テーブル３０上にセットされたダイ
ス１０の手前側の内面エッジ部を視野中央部に収め、原
点位置でエッジモデル４０を視野中央部に収める。測定
位置の直前で回転テーブル３０の上面３１（鏡面）上の
粉塵を吹き飛ばすために、測定ヘッド２０の側方には、
エアノズル２ｒが下向きに設けられている。２ｓはエア
ノズル２ｒに加圧空気を供給するためのチューブであ
る。

【００２５】次に、図４および図５を参照して上述した
機械部分の動作を説明し、合わせて演算器５０の機能を
説明する。

【００２６】回転テーブル３０の上面３１上にダイス１
０を同心状にセットする。

【００２７】測定ヘッド２０が原点位置にある状態で、
下方のエッジモデル４０を落射照明する。エッジモデル
４０は、反射鏡４１の上に前方に空間を残してブロック
４２を取り付けた構造であるので、照明光の反射はブロ
ック４２で小、その前方で大となる。これにより、ブロ
ック４２前側のエッジ位置のところで反射光量がステッ
プ的に変化し、その変化位置がラインセンサーカメラ２
１で検出される。カメラ内のラインセンサー２１ａのビ
ット数が１０２１であるとすると、ラインセンサーカメ
ラ２１によりエッジモデル４０のエッジ位置が２００ビ
ットというように検出されるわけである。演算器５０は
この原点位置での検出データを記憶する。

【００２８】ＡＣサーボモータ２ｉを作動させて、測定
ヘッド２０を測定位置まで進出させる。測定ヘッド２０
の視野中央部にダイス１０の手前側のエッジが位置す
る。エッジモデル４０の場合と同様に、測定ヘッド２０
によりダイス１０のエッジ位置を検出する。演算器５０
はこの測定位置での検出データを記憶する。

【００２９】原点位置での検出データ（ビット量）をｄ
₀（＝２００）、測定位置での検出データ（ビット量）
をｄ（＝２５０）、ラインセンサーの分解能をｇ（＝9.
３μｍ／ビット）、原点位置から測定位置までの測定ヘ
ッド２０の移動量をＳ（＝１５０ｍｍ既知）、原点位置
から回転テーブル３０の回転中心までの距離をＬ（＝３
００ｍｍ既知）とすれば、原点位置からエッジ位置まで
の距離ｌはＳ＋（ｄ−ｄ₀）ｇとなり、ダイス内径ＲはＲ＝２ｒ＝２（Ｌ−ｌ）＝２｛Ｌ−〔Ｓ＋（ｄ−ｄ₀）ｇ〕｝＝３０0.９３（ｍｍ）となる（図１参照）。

【００３０】このような一次元測定処理によりダイス内
径は一応求まるが、回転テーブル３０に対してダイス１
０が偏心しているような場合には、不正確となる。そこ
で、演算器５０は次のような手順で二次元的な測定処理
を行う。

【００３１】ダイス１０を周方向に回転させ、ダイス１
０が１回転する間にＮ点（ここでは４００点とする）に
ついてエッジデータ（Ｄ₁…Ｄ₄₀₀）をサンプリングす
る。エッジデータ（Ｄ₁…Ｄ₄₀₀）とは、原点位置から
エッジ位置までの距離ｌより求めたエッジ位置（Ｘ−Ｙ
座標）である。

【００３２】サンプリングされたエッジデータ（Ｄ₁…
Ｄ₄₀₀）をつないでダイス内面のエッジプロフィールを
決定する。これには座標変換、補間法等を用いる。

【００３３】ダイス内面のエッジプロフィールが決定さ
れると、Ｄ_nと回転テーブル３０の回転中心Ｏを通る直
線がプロフィールと交わる交点Ｄ_n′を求める。Ｄ₁か
らＤ₄₀₀までについてこの交点（Ｄ₁′…Ｄ₄₀₀′）を
求める。

【００３４】１つの円上の２つの円弧の各弦の垂直二等
分線は必ずその円の中心を通過することから、直線Ｄ_n
Ｄ_n′と直線Ｄ_n+1Ｄ_n+1′の各垂直二等分線の交点Ｘ
_n,n+1を求める。直線Ｄ₁Ｄ₁′から直線Ｄ
₄₀₀Ｄ₄₀₀′までについてこの交点（Ｘ_1,2…Ｘ
_399,400）を求める。

【００３５】各交点の平均座標を算出することにより、
上記エッジプロフィールの中心Ｏ′（仮想中心）を求め
る。

【００３６】仮想中心Ｏ′が求まると、Ｄ_nからＯ′ま
での距離ａ_nとＯ′からＤ_n+200までの距離ｂ_nとを加
算し、Ｄ_n,n+200についてプロフィール直径を求める。
これをＤ_1,201からＤ_200,400まで行い、上記エッジプ
ロフィールの直径最大値および最小値を決定する。これ
はダイス１０の内径最大値および内径最小値である。

【００３７】求めたダイス内径の最大値および最小値か
ら内径異常等を判定する。また、平均値からダイス内面
手入れにおける手入量、手入れモード等を決定する。

【００３８】３種類の基準ワークに対してそれぞれ６０
回の内径測定を行った。測定ごとにワークを回転テーブ
ルにセットし直した。各測定ではＤ_1,201からＤ
_200,400までについて求めたプロフィール直径の平均値
をダイス内径とした。結果を表１に示すが、再現性、リ
ニアリティともに良好である。

【００３９】

【表１】

【００４０】内径が１４9.９９５ｍｍの基準ワークに振
動（0.２Ｇ）を与えて６０回の測定を行った。測定内径
のばらつきを、振動を与えなかった場合と比較して図６
に示す。振動時の測定では、ばらつきが若干大きくなる
が、実操業上は問題のない程度である。

【００４１】上記実施例は熱間押出加工に使用するダイ
スの内径測定に本発明を適用したものであるが、ダイス
以外の環状体の内径測定や環状体、円盤体の外径測定に
も本発明を適用することができる。

【００４２】

【発明の効果】以上に説明した通り、本発明の直径測定
装置は、ワーク（被測定物）の上方からワーク内径を非
接触測定するので、小径ワークにも適用できる。原点位
置を基準としてワークのエッジデータをサンプリング
し、しかも、そのデータサンプリングをワークの周方向
各点について行うので、高精度である。複数点のデータ
サンプリングをワークの自動回転により行うので、高精
度であるにもかかわらず測定時間が短く、しかも、その
測定に手間がかからない。ワーク内周面や外周面に光を
照射することなくその周径を求めるので、周面の粗さに
関係なく高精度の測定を行い得る。更には、測定ヘッド
が一軸駆動のため、構造が簡単で安価でもある。

【００４３】請求項２に記載の直径測定装置は、ワーク
内周面での光量レベルの変化を精度よくラインセンサー
で検知することができると共に、スペースの限られた部
分でコンパクトな設備とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施した直径測定装置の一例について
機械部分の基本構成を示す側面図である。

【図２】同機械部分の実機構成を示す側面図である。

【図３】同実機構成を示す平面図である。

【図４】測定フロー図である。

【図５】演算処理の説明図である。

【図６】測定内径のばらつきを示すグラフである。

【符号の説明】

１０ダイス（被測定物）２０測定ヘッド３０回転テーブル４０エッジモデル５０演算部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水平方向に移動可能に設けられ、下方に
照明光を出射すると共に、移動方向の反射光量分布を測
定する測定ヘッドと、前記測定ヘッドを原点位置を起点に進退駆動する駆動機
構と、前記測定ヘッドの進出領域下方に配置され、反射面から
なる上面に載置された円形エッジを有する被測定物を中
心回りに回転させる回転テーブルと、被測定物のエッジ部を想定したブロックを反射面上に配
置し、前記測定ヘッドが原点位置へ後退したときにこれ
らが測定ヘッドの下方に位置するように配置されたエッ
ジモデルと、原点位置および前方進出位置で測定ヘッドが測定する反
射光量分布を処理してエッジモデルおよび被測定物につ
いてのエッジ位置データを取り出す第１処理部と、原点位置で得たエッジモデルのエッジ位置データを記憶
すると共に、前方進出位置で回転テーブルを回転させな
がら得た被測定物の周方向各点についてのエッジ位置デ
ータを記憶し、それぞれの記憶データから原点位置を基
準とした被測定物の周方向各点についてのエッジ位置を
求め、求めた周方向各点のエッジ位置から被測定物のエ
ッジ直径を求める第２処理部とを具備することを特徴と
する直径測定装置。
【請求項２】前記測定ヘッドが、水平方向を向くライ
ンセンサーカメラと、ラインセンサーカメラの前方に前
面および後面が４５°傾斜して上方および下方を向くよ
うに配置されたハーフミラーと、その更に前方にハーフ
ミラーと平行に傾斜配置された全反射ミラーと、ハーフ
ミラーを上方から照明する光源とを有することを特徴と
する請求項１に記載の直径測定装置。