JPH08145636A - 外径測定機を用いた形状測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】外径測定機を用いて被測定物の３次元的形状を
測定するに際し、被測定物の断面が真円、若しくは真の
楕円で無い場合でも、高精度に断面形状を測定する方法
を提供する。 【構成】外径測定機と被測定物の何れかを平面上で回転
する。回転中の一定角度間隔毎に回転角θと外径測定機
の明暗の境界の位置Ｄ1 、Ｄ2 とを測定・記録する。外
径測定機あるいは被測定物の何れかを移動して、回転中
心を回転軸に沿って回転平面に垂直（Ｚ軸）方向に移動
する。回転角θおよび明暗の境界の位置Ｄ1 、Ｄ2 を任
意Ｚ軸断面上で測定・記録する。測定値（θ，Ｄ1 ，Ｄ
2 ，Ｚ）から、被測定物に対する接線の式を演算する。
前記接線の式が構成する包絡線の式を演算する。これか
ら任意の断面の断面形状を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、外径測定機を用いて被
測定物の３次元的形状を測定する方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来パイプ、棒鋼、クランク軸等の外径
（直径）測定には、走査レーザー、若しくは蛍光灯、そ
の他の点光源を平行光線化することで作った平行偏光を
被測定物に照射し、照射光が被測定物により遮られるこ
とで生じる陰影の位置を、光源と対向して設けた受光器
で検出する方法が多く用いられる。

【０００３】また、外径測定機を固定し被測定物を回転
させながら、若しくは外径測定機を回転させ被測定物を
固定したまま、外径測定を行うことで、被測定物の断面
形状を測定する方法が報告されている。例えば、特開平
２−２２２８０３号公報には、回転装置に投光部及び受
光部を取付けた光透過型の回転光学系を用いて、被測定
物の全周測定を行う提案がされている。

【０００４】図２は回転型の外径測定装置の一例で、被
測定物の全周外径測定装置の斜視図である。被測定物の
軸方向に対して垂直な断面の径を測定するべく各々平行
光線の投光部２と受光部３を備えた外径測定器１０は被
測定物１の外径を測定するように一体に設置されてい
る。回転装置４は、被測定物１を回転中心を中心軸とし
て回転させる。また、外径測定部が軸方向に移動可能な
ように１軸移動装置５を設けている。この装置では、被
測定物１を回転させ、なおかつ軸方向に被測定物１を移
動させながら測定を行うことにより、被測定物１の全周
囲の測定が可能である。この装置では回転中に外径と同
時にその時の回転角度を測定することで、図３のように
断面形状を表示する。また、被測定物１がパイプの様に
真円に近いものを想定し、各回転角θ毎に得られた外径
Ｄの半分の値Ｄ／２を基準点に対して均等に配分するこ
とで、断面上の測定点３０を求め、断面形状３１を求め
る方法が取られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述の方法は、被測定
物であるパイプ等が円、若しくは楕円に近い断面を有す
るという仮定に基づいている。しかしながら、実際には
完全に真円断面のパイプは稀であり、また図４に示すよ
うに、被測定物３２が四角の断面形状（図４（ａ））を
有する場合、測定結果として得られる断面形状３３は、
真の断面とは全く異なるものになる（図４（ｂ））。ま
た、被測定物断面が円、若しくは楕円であった場合で
も、真円、若しくは真の楕円形状で無い場合は、やはり
正しい断面形状は得られない。

【０００６】本発明は、係る問題点に鑑みてなされたも
のであり、被測定物の断面が真円、若しくは真の楕円で
無い場合でも、高精度に断面形状を測定する方法を提供
することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、レーザー光に
代表される平行光を被測定物に照射し、被測定物を通過
した後の平行光を受光し、被測定物の影により生じた平
行光の明暗の境界の位置を外径測定機の持つ原点からの
距離として表したＤ1 およびＤ2 から、被測定物の外径
を測定する外径測定機を用いる形状測定方法であり、次
の手順で行うことを要旨とする。

【０００８】外径測定機と被測定物の何れかを同一平
面（Ｘ−Ｙ平面）上で相対的に回転させる。

【０００９】回転中の一定角度間隔毎に回転角θと明
暗の境界の位置Ｄ1 、Ｄ2 とを組み合わせ測定・記録す
る。

【００１０】外径測定機あるいは被測定物の何れかを
移動させて、上記の回転中心を回転軸に沿って前記回
転平面に垂直（Ｚ軸）方向に移動する。

【００１１】上記〜を繰り返し、回転角θおよび
明暗の境界の位置Ｄ1 、Ｄ2 を任意Ｚ軸断面上で測定・
記録する。

【００１２】上記の測定値（θ，Ｄ1 ，Ｄ2 ，Ｚ）
から、回転平面をＸ，Ｙ座標面、軸移動方向をＺ軸とし
て得られるＸ−Ｙ−Ｚ座標系上に於ける被測定物に対す
る接線の式を任意の断面毎に演算する。

【００１３】上記で任意の断面毎に求めた全ての前
記接線の式が構成する包絡線の式、または包絡線上の点
の座標を演算する。

【００１４】上記から任意の断面の断面形状を求め
る。

【００１５】

【作用】以下に、本発明方法を、図１に示す本発明方法
を実施した形状測定装置の一実施例の構成図に基づき詳
細に説明する。

【００１６】外径測定機には、被測定物の外径（棒状物
体の場合、直径）値のみを出力するものと、装置が持つ
座標原点を基準に、照射光を投影して生じた光と蔭の境
界の位置を出力するものの２種類があるが、本発明方法
では後者の外径測定機を用いる。外径測定機の出力する
光と蔭の境界位置を外径測定機の持つ原点からの距離と
してＤ1 、Ｄ2 と表すものとする。この場合、外径は｜
Ｄ1 −Ｄ2 ｜で表すことができる。

【００１７】外径測定機２２は、被測定物１の周囲を回
転する回転機構４に取り付けられる。この時、外径測定
機の回転中心が変動しない様に、高精度、かつ高度に安
定な回転機構４が用意されることが望ましい。また、こ
の場合、回転装置は０〜１８０゜の範囲で回転する。回
転機構は、回転面と直交する方向に外径測定機を移動さ
せるための１軸移動装置５の上に設けられる。回転機構
には、その回転角度θを測定する、例えばロータリーエ
ンコーダ等の回転角度測定器２５が付加される。同じ
く、１軸移動装置５には、移動距離Ｚを測定する、例え
ばマグネスケール等の測長器２６が付加される。

【００１８】測定はデータ処理装置２７で以下に示す手
順で行われる。

【００１９】断面Ｚ1 を測定する際の各装置の配置を示
す図５に基づき説明する。被測定物１を測定装置上に固
定し、外径測定機２２を測定すべき断面位置Ｚ1 まで１
軸移動装置５で移動させる。次に外径測定機２２を被測
定物周囲に回転させながら、180/n ゜の一定間隔毎に回
転角度θi,1 と、外径測定機出力Ｄ1(θi,1 、Ｚ1)とＤ
2(θi,1 、Ｚ1)(i=1..n)を同時に測定・記録する。半回
転（０゜から１８０゜まで）測定後、次の測定すべき断
面位置Ｚ2 まで１軸移動装置で外径測定機２２を移動さ
せる。その後、同じ手順で、θi,2 とＤ1(θi,2 、Ｚ
2)、Ｄ2(θi,2 、Ｚ2)を同時に測定・記録する。以下、
ｍ個の全ての測定すべき断面に対して、同様の測定を行
う。この様にして得たθi,j 、Ｄ1(θi,j 、Ｚj)、Ｄ2
(θi,j 、Ｚj)（i=1..n、j=1..m）から、各々の断面形
状を演算により求める。

【００２０】ここでは、装置の回転平面内に回転軸２１
を座標原点として座標系Ｘ−Ｙを仮定し、断面形状を
（Ｘ、Ｙ）座標として求める。なお、前記Ｄ1 、Ｄ2 は
回転軸を通過する光の位置を装置が持つ座標原点２３と
して得られるものとする。実際には、このようにして、
Ｄ1 とＤ2 を得られない場合もありうるが、その場合に
は外径測定機の座標原点２３と回転軸２１との関係を補
正することにより、Ｄ1とＤ2 の値を求めることが可能
である。

【００２１】図６の模式図を用い、断面Ｚj について求
めたθi,j 、Ｄ1(θi,j 、Ｚj)、Ｄ2(θi,j 、Ｚj)（i=
1..n）から、断面形状を（Ｘ、Ｙ）座標として求める方
法を説明する。この時、各々のθi,j に付いて、θ、Ｄ
1 、Ｄ2 から測定断面に対する２本の接線Ｌ1i,j、Ｌ2
i,j1 の式が、被測定物により生じた平行光の明暗の境
界の軌跡として、前記Ｘ−Ｙ座標系上で定義できる。こ
の２本の直線は、１つの断面につき、各々ｎ組定義され
る。これら２×ｎ本の直線群の包絡線が、被測定物の断
面形状を与える。包絡線上の点座標を求める方法の一例
を以下の（１）〜（３）および図６に示す。ここでは、
隣合う直線同士の交点座標を算出し、更に隣合う交点同
士の中点座標を算出することで、測定断面上の一点の座
標（断面形状座標データ）を算出する。

【００２２】（１）Ｄ1 とＤ2 から、次の〜の場合
に分けて直線の式を求める。

【００２３】θi,j ≠０゜、９０゜、１８０゜である
場合、 Ｙ＝ａi,j ・Ｘ＋ｂi,j ａi,j ＝ｔａｎ（θi,j ） ｂi,j ＝Ｄk(θi,j 、Ｚj)／ｃｏｓ（θi,j ）（k=1 叉
は 2） θi,j ＝０゜である場合、 Ｙ＝ＤK(θi,j 、Ｚj) （k=1 叉
は 2） θi,j ＝９０゜である場合、 Ｘ＝−Ｄk(θi,j 、Ｚj) （k=1 叉
は 2） θi,j ＝１８０゜である場合、 Ｙ＝−Ｄk(θi,j 、Ｚj) （k=1 叉
は 2） （２）隣接する直線同士の交点座標（ｘ、ｙ）を〜
の手順で求める。

【００２４】直線Ｌ1i,jと直線Ｌ1i+1,j(i=1〜n-1)の
交点座標（ｘi,j 、ｙi,j ）を求める。

【００２５】直線Ｌ1n,jと直線Ｌ2 1,j の交点座標
（ｘn,j 、ｙn,j ）を求める。

【００２６】直線Ｌ2i,jと直線Ｌ2i+1,j(i=1〜n-1)の
交点座標（ｘn+i,j 、ｙn+i,j ）を求める。

【００２７】直線Ｌ2n,jと直線Ｌ1 1,j の交点座標
（ｘ2n,j、ｙ2n,j）を求める。

【００２８】（３）隣接する交点同士の中点座標（ｘ
ｃ、ｙｃ）を求める。

【００２９】ｘｃi,j ＝（ｘi,j ＋ｘi+1,j ）／２ (i
=1〜2n-1の場合) ｙｃi,j ＝（ｙi,j ＋ｙi+1,j ）／２ (i=1〜2n-1の場
合) ｘｃi,j ＝（ｘ2n,j＋ｘ1,j ）／２ (i=2n の場
合) ｙｃi,j ＝（ｙ2n,j＋ｙ1,j ）／２ (i=2n の場
合) 本発明方法では、180 ／ｎ゜の回転角度間隔毎に測定デ
ータ取り込みを行う。

【００３０】測定原理から考えて、演算により得られる
断面形状の精度を向上するためには、回転角度間隔をで
きるだけ小さくすることが望ましい。

【００３１】また、回転機構の回転面に垂直な方向に、
外径測定機または被測定物を移動可能な構造とすること
で、被測定物全ての位置に於ける断面形状を計測するこ
とができる。このとき、得られる全ての断面形状を表す
座標データは、外径測定機上に固定された共通のＸ−Ｙ
−Ｚ座標系上の座標値として得られるので、測定結果は
単なる断面形状のみならず、Ｚ軸方向に連続的に断面測
定を行っていけば、３次元的な形状測定結果として使用
できる特徴を有す。なお、前述の説明では、図１に示す
ように投光部および受光部からなる一対の外径測定機を
使用する方式を例示したが、本発明方法に係わる外径測
定機の個数は、これに限定されるものでは無く、被測定
物周囲に設けられる装置数が多ければ、回転角度範囲が
少なくてすむ利点がある。

【００３２】更に、前述の説明では、外径測定機が０〜
１８０゜範囲で回転する方式、ならびに被測定物を固定
し外径測定機を回転・移動させる方式を例示したが、そ
れ以上回転測定する場合でも、また外径測定機固定で、
被測定物を回転・移動させる場合も、被測定物を移動さ
せ外径測定機を回転させる場合も、或いは被測定物を回
転させ外径測定機を移動させる場合でも同様の効果を発
揮することは云うまでもない。

【００３３】

【実施例】前述の本発明方法を適用した図１の形状測定
装置により、図７（ａ）に示すような棒状体の断面の形
状測定結果を図７（ｂ）に示す。図中の小黒丸点が本方
法による測定点で、比較のために、高測定精度とされて
いる他の接触式３次元測定機による同断面形状測定結果
を中白丸点で印している。更に、断面形状の変化を判り
易くするために、直径７０mm、６６mm、６２mmの同心円
の補助線を付している。

【００３４】図７（ｂ）で明かなように、上下の断面形
状が急峻に変化している付近でも、両測定点は良く一致
していることから、本発明方法の有効性が理解されよ
う。

【００３５】

【発明の効果】上述のように、本発明方法によると、測
定した外径と回転角度を演算処理することで、正確な被
測定物の断面上の位置を算出するため、被測定物の断面
形状が歪んだ円、若しくは楕円形状であった場合、或い
は三角・四角等の多角形の断面形状である場合でも高精
度な断面形状計測が可能である。また、複数の断面の断
面形状を測定した場合、得られる断面形状データの座標
値は、各断面共に共通の座標系を用いて表されるので、
正確な３次元形状の測定が、例えば、パイプ等の軸方向
の曲がり量の高精度な測定が可能である。

【００３６】更に、従来から用いられているレーザー透
過型等の外径測定機ならびに回転装置を流用しやすく、
各々の測定値を演算処理する演算処理装置のみを用意す
ることで実現可能であることから、低コストで高精度な
計測装置を実現できる効果も有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法を適用した形状測定装置の一実施例
の装置構成図である。

【図２】従来の全周囲回転型の外径測定装置例の斜視図
である。

【図３】従来方法の原理説明図である。

【図４】従来方法での形状測定結果の模式図である。

【図５】本発明方法で断面Ｚ1 を測定する際の、装置配
置関係の説明図である。

【図６】本発明における、断面形状を算出する方法の模
式説明図である。

【図７】本発明方法を適用した図１の形状測定装置によ
る断面形状測定結果の例および他の３次元測定機による
同断面形状測定結果との比較図である。

【符号の説明】

１ 被測定物 ２ 投光部 ３ 受光部 ４ 回転装置 ５ １軸移動装置 ２１ 回転軸かつＺ軸 ２２ 外径測定機 ２３ 外径測定機の座標原点 ２４ 被測定物断面 ２５ 回転角度測定器 ２６ 測長器 ２７ データ処理装置 ２８ 表示装置 ３０ 従来の方法による測定点 ３１ 従来の方法による測定断面 ３２ 四角の断面を有する被測定物の断面 ３３ 従来の方法による四角断面の測定結果

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 矢野 直樹 大阪府大阪市此花区島屋５丁目１番109号 住友金属工業株式会社関西製造所製鋼品事 業所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】平行光を被測定物に照射し、被測定物を通
   過した後の平行光を受光し、被測定物の影により生じた
   平行光の明暗の境界の位置を外径測定機の持つ原点から
   の距離として表したＤ1 およびＤ2 から、被測定物の外
   径を測定する外径測定機を用いる形状測定方法であっ
   て、前記外径測定機と被測定物とを同一平面（Ｘ−Ｙ平
   面）上で相対的に回転し、回転中の一定角度間隔毎に回
   転角θと前記明暗の境界の位置Ｄ1 、Ｄ2 とを組み合わ
   せ測定・記録し、外径測定機と被測定物との回転中心を
   回転軸に沿って前記回転平面に垂直（Ｚ軸）方向に移動
   し、上記回転角θおよび明暗の境界の位置Ｄ1 、Ｄ2 を
   任意Ｚ軸断面上で測定・記録し、前記測定値（θ，Ｄ1
   ，Ｄ2 ，Ｚ）から、回転平面をＸ，Ｙ座標面、軸移動
   方向をＺ軸として得られるＸ−Ｙ−Ｚ座標系上に於ける
   被測定物に対する接線の式を任意の断面毎に演算し、任
   意の断面毎に求めた全ての前記接線の式が構成する包絡
   線の式、または包絡線上の点の座標を演算し、その値か
   ら任意の断面の断面形状を求めることを特徴とする外径
   測定機を用いた形状測定方法。