JPH0648172B2 - 鋼管端部のプロフィルおよび肉厚測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、鋼管の端部におけるプロフィルおよび肉厚を
測定する装置に関する。

＜従来の技術＞ 従来から材料の厚さを非接触で測定する方式としては、
例えば超音波厚さ計とか放射線厚さ計を用いるなど公知
の方法が数多くある。

また、平板のような形状の材料については、例えばレー
ザ距離計などを用いて、単純に表面と裏面の変位を測定
してその厚みを算出することもできる。

ところで、鋼管の端部の肉厚やプロフィルを測定する場
合は、例えば特開昭57−12307号公報に開示されている
ような放射線厚さ計を用いる方法や、特開昭61−219810
号公報に開示されているような超音波厚さ計を用いる方
法などが提案されているが、これらはいずれも設備が大
規模でかつ複雑となり、したがって高価になってしま
う。

そこで、人手によりマイクロメータなどを管端部に挿入
して実測するとか、あるいは、例えば実開昭61−131610
号公報に開示されているように、管の内外面に検出ロー
ラを接触させてロータリエンコーダで電気信号に変換す
る肉厚測定装置なども提案され、使用されている。

＜発明が解決しようとする課題＞ しかしながら、上記のような内挿式や接触式では、管が
連続して搬送される自動処理ラインなどにおいては、肉
厚を測定するのに例えば１本当たり３〜５秒程度の高速
性を要求されるにもかかわらず、実際にはより多くの時
間を要したり、あるいは搬送される管に衝突して故障す
るなど能率面や安全面などに問題がある。

また、本発明の目的の一つである管端部のプロフィルを
測定することは困難である。

本発明は、上記のような課題を解決すべくなされたもの
であって、非接触式でかつ安価な鋼管端部のプロフィル
および肉厚測定装置を提供することを目的とする。

＜課題を解決するための手段＞ 本発明の要旨とするところは、測定すべき鋼管の管壁内
部でその管軸面上に円弧の中心を有し、かつ管軸面に対
して45゜の角度で端部の外面に対向して位置させる第１
の円弧円錐帯ミラーと、この第１の円弧円錐帯ミラーに
対向して逆方向に45゜の角度で設けられる第２の円弧円
錐帯ミラーと、レーザビームを発光する投光部と、この
投光部からのレーザビームを45゜ハーフミラーおよび45
゜ミラーを介して前記第２の円弧円錐帯ミラーの円弧に
沿って走査可能に揺動回転して光切断ビームとする回転
ミラーと、前記第１の円弧円錐帯ミラーによって受光さ
れた前記端部の内外面からの光切断ビームの反射光を前
記45゜ハーフミラーに対向して配置される結像レンズ系
を介して検出する２次元位置検出素子からなる受光部
と、この受光部からの信号を演算処理する演算処理装置
と、この演算処理装置の演算結果を表示する表示装置
と、から構成されることを特徴とする鋼管端部のプロフ
ィルおよび肉厚測定装置である。

＜作 用＞ 通常、光学式変位センサでは、１次元の位置検出素子に
より例えばレーザスポットの位置を検出し、その位置よ
り三角測量方式を用いて変位を測定することができる。

その原理について、第６図を用いて以下に説明する。

図に示すように、例えば２個の光学式変位センサＡ，Ｂ
をＬの間隔で配置して、鋼管１の管端部１ａから内側に
向かって距離ｌの位置Ｃ，Ｄに、それぞれ内外面からθ
_１，θ_２の角度でレーザビームを照射して、そのレーザ
スポットから反射する反射光を検出する。

このときの光学式変位センサＡから点Ｃまでの距離をｒ
_１，光学式変位センサＢから点Ｄまでの距離をｒ_２とす
ると、測定すべき管壁１ｂの肉厚ｔは、下記(1)式で算
出することができる。

ｔ＝Ｌ−ｒ_１cosθ_１−ｒ_２cosθ_２……(1) しかし、実際には、角度θ_１，θ_２の適切な設定が困難
であり、変位センサのセッティングのわずかな誤差や管
端部のわずかな傾きによって誤差が生じ、このままでは
高精度な肉厚測定ができないのである。

そこで、本発明者は、種々研究を重ねた結果、この光学
式変位センサの位置検出素子を２次元のものとし、ま
た、円弧円錐帯ミラーを用いてレーザスポットを走査可
能とすることにより、管端部のプロフィルを高精度で測
定し、この結果、肉厚も測定することが可能になること
を見出したものである。

本発明によれば、反射ミラーとして対向した一対の円弧
円錐帯ミラーを採用するようにしたので、従来影となっ
て測定することができなかった裏面部のレーザスポット
も同時に測定することが可能となり、したがって、管端
部の肉厚を測定することができる。

また、円弧円錐帯ミラーの円弧中心が管壁内部となるよ
うに設置することにより、光学系を円弧方向に走査する
場合の光路長は、円弧中心点に対してすべて同一の長さ
とすることができるから、したがって、円弧中心点を原
点とする極座標（ｒ，θ）を求めることにより、管端部
のプロフィルを測定することができる。

＜実施例＞ 以下に、本発明の実施例について、図面を参照して詳し
く説明する。

第１図は、本発明の実施例を示す斜視図であり、第２図
はその平面図である。

図において、２は、一定の曲率半径を有する第１の円弧
円錐帯ミラーであり、測定すべき鋼管１の管壁１ｂ内部
でその管軸面上に円弧の中心点Ｏを有し、かつ管軸面に
対して45゜の角度で管端部１ａの外面に対向して位置さ
せるように設置される。

３は、第１の円弧円錐帯ミラー２と同じ曲率半径を有す
る第２の円弧円錐帯ミラーであり、第１の円弧円錐帯ミ
ラー２に対向して逆の45゜の角度で設けられる。

４は、レーザビームを発光するレーザ発光装置である。
このレーザ発光装置４から出力されるレーザビームLB_Ｏ
は、回転ミラー５によって揺動回転されて、45゜ハーフ
ミラー６，45゜ミラー７を介して前記第２の円弧円錐帯
ミラー３の円弧に沿って走査可能な光切断ビームLB_Ｃと
なり、さらに第１の円弧円錐帯ミラー２によって鋼管１
の管端部１ａの内外面に照射される。

８は、結像レンズ系であり、45゜ハーフミラー６に対向
して設けられる。

９は、反射光を検出する２次元位置検出素子であり、管
端部１ａに照射された光切断ビームLB_Ｃのレーザスポッ
トから反射される反射光LB_Ｈを、第１，２の円弧円錐帯
ミラー２，３、45゜ミラー７、45゜ハーフミラー６、結
像レンズ系８を介して２次元の信号として検出する。

なお、結像レンズ系８および２次元位置検出素子９は、
三角測量方式にによりプロフィル測定を行うことから、
レーザ発光装置４に対してわずかな角度αを有して配置
される。

10は、演算処理装置である、２次元位置検出素子８から
の信号を演算処理する。

11は、演算処理装置10における演算結果を表示する表示
装置である。

ここで、２次元位置検出素子８に結像される管端部１ａ
のプロフィルを求める際の信号処理の仕方について説明
する。

まず、鋼管１が水平な状態である場合の測定例について
説明する。

第３図(a)に示すように、鋼管１を水平状態に配置し、
一定の曲率半径を有する第１の円弧円錐帯ミラー２の円
弧中心点Ｏが管壁１ｂの内部の管軸線Ｆ上に位置するよ
うに設置する。そして、光切断ビームLB_Ｃを照射して、
その管端部１ａの内外面のレーザスポットから反射され
る反射光LB_Ｈを±ω_ｍの角度範囲で第１の円弧円錐帯ミ
ラー２で受光する。

そうすると、２次元位置検出素子８に結像される管端部
１ａのプロフィルは、その光路長が第１の円弧円錐帯ミ
ラー２の円弧中心点Ｏの位置ですべて同一の長さとなる
ため、その中心点Ｏの位置を、例えば２次元位置検出素
子８のｘ−ｙ軸平面のｘ軸上にあるように調整すれば、
ｘ軸方向にωの値として、またｙ軸方向にｒの値として
それぞれ出力され、第３図(b)で示すように、第１の円
弧円錐帯ミラー２の円弧中心点Ｏを原点とする左右対称
な極座標（ｒ，ω）の軌跡で投影される。

そこで、演算処理装置10において、下記(2)，(3)式で変
換することにより、プロフィルとして算出することがで
きる。

ｘ＝ｒcosω……(2) ｙ＝ｒsinω……(3) つぎに、鋼管１が傾いている場合の測定例について説明
する。

第４図(a)に示すように、鋼管１の管軸線Ｆが水平面よ
りθ_１だけ傾いている場合、その円弧中心点Ｏが管端部
１ａへの垂直線ＯＡを引いたときの点Ａでの極座標を
（ｒ_１，θ_１）、また、管壁１ｂの内外面への垂直線Ｏ
Ｂ，ＯＣを引いたときの点Ｂ，Ｃでの極座標をそれぞれ
（ｒ_２，θ_２），（ｒ_３，θ_３）とすると、これらの点
Ａ，Ｂ，Ｃから管端部１ａの任意の点Ｎにおける極座標
（ｒ，ω）までの距離ｒ_Ａ，ｒ_Ｂ，ｒ_Ｃはそれぞれ下記
(4)，(5)，(6)式により表すことができる。

ｒ_Ａ＝ｒ_１／cos（θ_１−ω）……(4) ｒ_Ｂ＝ｒ_２／cos（θ_２−ω）……(5) ｒ_Ｃ＝ｒ_３／cos（θ_３−ω）……(6) ここで、水平面に対する管軸線Ｆの傾斜角θ_１は測定す
ることができるから、このθ_１とθ_２，θ_３とは、下記
の関係がある。

θ_２＝θ_１＋π／２……(7) θ_３＝θ_１−π／２……(8) なお、このθ_１は、第４図(b)に極座標（ｒ，ω）の軌
跡で投影して示すように、ｒの極小値ｒ_１でのωの値θ
_１を求めるようにしてもよい。

これによって、管端部１ａのプロフィルを得ることがで
きる。

また、任意点Ｎの極座標（ｒ，ω）において、角度ωを
±ω_ｍとしたときの管端部１ａの内外面の点Ｂ，Ｃから
の距離ｒ_Ｂｍおよびｒ_Ｃｍは、それぞれ、下記(9)，(1
0)式の関係がある。

ｒ_Ｂｍ＝ｒ_２／cos（θ_２−ω_ｍ）……(9) ｒ_Ｃｍ＝ｒ_３／cos（θ_３＋ω_ｍ）……(10) したがって、このときの管壁１ｂの肉厚ｔは、下記(11)
で表すことができる。

ｔ＝ｒ_２＋ｒ_３ ＝ｒ_Ｂｍcos（θ_２−ω_ｍ） ＋ｒ_Ｃｍcos（θ_３＋ω_ｍ） ＝ｒ_Ｂｍsin（θ_１−ω_ｍ） −ｒ_Ｃｍsin（θ_１＋ω_ｍ）……(11) なお、上記(11)式におけるｒ_Ｂｍおよびｒ_Ｃｍ，θ_１，
ω_ｍはいずれも既知であるから、管壁１ｂの肉厚ｔは演
算処理装置10で求めることができる。

また、鋼管１を回転するようにすれば、管端部１ａ全周
のプロフィルおよび肉厚を連続してかつ高速で測定する
ことが可能である。

このように、本発明を用いて円弧円錐帯ミラーの円弧中
心点が管壁内に位置するように調整することにより、オ
ンラインでしばしば発生する管端部の端曲がりによるズ
レに影響されることなく、管壁の肉厚を測定することが
でき、また、例えば第５図に示すような管端部のふち取
りをしたベベルエンド面のプロフィルなどを精度よく測
定することが可能である。

なお、上記実施例は、鋼管の管端部のプロフィルおよび
肉厚の測定について説明したが、本発明はこれに限定さ
れるものではなく、例えば平板のエッジ部のプロフィル
や厚さ測定にも適用できることはいうまでもない。

＜発明の効果＞ 以上説明したように、本発明によれば、円弧円錐ミラー
を用いるようにしたので、オンラインで非接触式でかつ
管内部に挿入することなく、管端部のプロフィルおよび
肉厚を連続的にかつ高速で測定することができる。

また、これによって、従来の接触式や内挿式にありがち
な装置の破損などのトラブルを解消することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例を模式的に示す斜視図、第２
図は、第１図の平面図、第３図は、本発明の測定例の要
部を模式的に示す(a)側面図，(b)その特性図、第４図
は、他の測定例の要部を模式的に示す(a)側面図，(b)そ
の特性図、第５図は、本発明の適用例を示す側断面図、
第６図は、本発明の原理を示す説明図である。 １……鋼管，２……第１の円弧円錐ミラー，３……第２
の円弧円錐ミラー，４……レーザ発光装置（投光部），
５……回転ミラー，６……45゜ハーフミラー，７……45
゜ミラー，８……２次元位置検出素子（受光部），９…
…結像レンズ系，10……演算処理装置，11……表示装
置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】測定すべき鋼管の管壁内部でその管軸面上
   に円弧の中心を有し、かつ管軸面に対して45゜の角度で
   端部の外面に対向して位置させる第１の円弧円錐帯ミラ
   ーと、 この第１の円弧円錐帯ミラーに対向して逆方向に45゜の
   角度で設けられる第２の円弧円錐帯ミラーと、レーザビ
   ームを発光する投光部と、 この投光部からのレーザビームを45゜ハーフミラーおよ
   び45゜ミラーを介して前記第２の円弧円錐帯ミラーの円
   弧に沿って走査可能に揺動回転して光切断ビームとする
   回転ミラーと、 前記第１の円弧円錐帯ミラーによって受光された前記端
   部の内外面からの光切断ビームの反射光を前記45゜ハー
   フミラーに対向して配置される結像レンズ系を介して検
   出する２次元位置検出素子からなる受光部と、 この受光部からの信号を演算処理する演算処理装置と、 この演算処理装置の演算結果を表示する表示装置と、 から構成されることを特徴とする鋼管端部のプロフィル
   および肉厚測定装置。