JPS6058536A - 切削加工面の性状検査方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、切削加工面の性状検査方法及び装置に係り、
特に、油井用等の使用目的で製造される鋼管等のねじ切
削部の品質検査を自動的に行う際に用いるのに最適な、
切削加工面の性状検査り法及び装置に関する。

石油掘削等の使用目的で製造される５Ｎ管には、通常、
その管長手方向両端にねじが切削加工されており、使用
時には、一般に、両端の普外周面に雄ねじが形成された
管と管のねじ部同士を、両端の内周面に雌ねじが切削加
工されたカップリングと称づる継手で接続して使用する
が、或いは、片端づ゛つに、管外周面に雄ねじが切削加
工されたねじ部と管内周面に雌ねじが切削加工されたね
じ部をそれぞれ有する管と管とを直接ねじ込み接続して
使用するようにされている。

このように油井用鋼管は、管と管とを連続的に接続して
地中深く吊下げて実用に供せられるものであるが、この
場合、管には大ぎな引張り力が作用しており、特にその
ねじ接続部には一層苛酷な応力が集中づることになる。

従って、このような苛酷な用途に用いられる鋼管のねじ
接続部分の欠陥は重大な事故を招く危険性があり、ねじ
切削加工に際しては、充分な品質検査が要求される。

このため従来は、鋼管のねじ切削工程において、ねじ切
削後に、各種のねじ要素ゲージを用０て、ねじ有効径、
デーパ、リード、ねじ山高さ、ねじ山形状等の各種ねじ
要素を検査するねじ要素検査と、人間の目視により、ね
じ要素検査では発見づることかできない、ねじ切削仕上
げ面のびびり等の微細な品質欠陥を検査Ｊる外観検査と
が一般的に行われている。しかしながら、人間の目視に
よる外観検査では、ねじ切削仕上げ面における微細な品
質欠陥を発見することかできないことがあるという問題
点を有していた。

又、従来人手に頼っていたねじ要素検査は、近年、ねじ
部に直接センサプローブを接触さゼて、ねじ形状を三次
元測定することによって、各種ねじ要素の自動検査が可
能になりつつあり、この分野での自動化は忌速に進歩し
つつある。しかしながら、このようなねじ要素の計測に
関する分野での自動化の進歩に比較して、ねじ切削仕上
げ面の品質検査の分野においては、適当な検査方法や装
置が開発又は実用化されておらず、その自動化が著しく
遅れてＪ５す、依然として熟練を要づる人間の目視によ
る外観検査に頼らざるを得ないという問題点を有してい
た。

本発明は、前記従来の問題点を解消するｌ＼くなされた
もので、切削加工面におけるびびり等の品質欠陥の有無
又は程度を確実に検出することができ、自動化も可能な
切削加工面の性状検査′ｈ払を提供づることを第１の目
的とする。

本発明は、又、前記第１の目的に加え“Ｃ１切削加工面
の品質欠陥を一層確実に検出Ｊることができる切削加工
面の性状検査装置を提供づることを第２の目的とづる。

本発明は、切削加工面の性状検査す法にＪ５いて、切削
加工面に、その切削むらの周期間隔より太きなスボツ１
〜状の光線を照射し、前記切削加工面力＼ら反射される
散乱光の空間的な輝度の明暗を検出して、前記散乱光が
織りなづ縞状の濃淡模様の有無又は濃淡強度の空間的な
変化から、びびり等の品質欠陥の有無又は程度を検出す
るようにして、前記第１の目的を）辛酸したものである
。

本発明は、又、切削加工面の性状検査装置において、切
削加工面に、その切削むらの周期間隔より大きなスポッ
ト状の光線を照射するための投光手段と、前記切削加工
面から反射される散乱光の空間的な輝度の明暗を検出づ
るための受光手段と、少くとも前記切削加工面及び受光
手段に外部光線が侵入りるのを防止づるための遮蔽手段
と、前記受光手段出力を処理して、前記散乱光が織りな
す縞状の濃淡模様の有無又は濃淡強度の空間的な変化か
ら、びびり等の品質欠陥の有無又は程度を検出づるため
の信号処理手段と、を備えることにより、前記第２の目
的を達成したものである。

以下本発明の詳細な説明りる。

一般に、ねじのびびりは、その切削過程における工作握
械本体、切削工具もしくは被加工１カの撮動によって引
き起こされて発生することが解つＣいる。即ち、びびり
の原因は、工作醗懺本体く切削工具）と被加工物間の相
対振動であるか、びびりは、工作例械本体と被加工物系
の自助振動に原因しているので、一旦発生し始めると止
めることができない。このような時、被加工物、例えば
油井用鋼管には、ねじ山に治ってねし切削方向に周期的
な切削むらが発生し、その周期は、工作）歿（戊本体と
被加工物間の相対振動数と切削速度によって変化する。

又、切削むらの大ぎざも、工作に機本体と被加工物間の
相対振動や振幅の大きさによって変化づる。更に、びび
り以外にも、ねし切削仕上げ面の品質に影響を及ばずも
のとして、切削工具の幾何学的形状と送り運動から定ま
る仕上げ面の幾何学的形状や、切削工具切刃の稜の持つ
微妙な粗さや欠損により仕上げ面に形成される粗さ曲線
等もある。

従って、本発明においては、前記のような切削加工面の
品質欠陥の有無又は程度を検出づるに際して、第１図及
び第２図に示づような原理を用（１ている。即ち、例え
ば片端もしくは両端に切削加工されたねじ切削ＩＩを石
づる鋼管１０のねし切削部１０Ａに対して、検出しよう
とする切削むらの周Ｗ」間隔より大きなスボツ１〜状の
光線、例えば可視光域のレーザ光線を、その発振源であ
るレーザ光発振器１２から照射せしめ、ねじ切削表面か
ら反射ツる散乱光を、例えば白色のスクリーン１４に映
写させる。づると、レーザ光が照射されたねじ切削部に
びびり等の品質欠陥が存在すれば、スクリーン１４には
、第１図に示づ如く、レーザ光の色調に応じた色で縞状
の濃淡模様が現れる。しかしながら、品質欠陥が存在し
なければ、第２図に示づ如く、レーザ光の色調に応じた
色で帯状の均一な模様が現れる。ここで、レーザ光が照
射された位置のねし切削仕上げ面にびびり等の品質欠陥
がある時に、スクリーン１４に縞状の濃淡模様が現れる
のは、仕上げ面の周期的な切削むらによる光の散乱と干
渉に起因している。

従って、スクリーン１４に映写された縞模様の存在の有
無もしくは縞模様の濃淡強度の空間的な変化から、ねじ
切削仕上げ而の品質欠陥の何無もしくは程度が認識可能
である。本発明は、このような原理に基づいている。

尚、前記スクリーン１４に写った縞模様を人間が見て切
削加工面の品質を判定してもかまわないが、スクリーン
１４の彩色１をテレヒカメラ等で為し、画像処理して品
質の自動判定を行ったり、スクリーン１４の代わりに）
Ａトセンサを用いたりニアアレイ等によって電気信号で
縞模様の濃淡を自動的に検出して、品質の自動判定を行
うことし可能である。

又、使用づる光源としては、必ずしも司祝光域のレーザ
光線である必要はなく、縞状の濃淡模様を検知Ｊるセン
サの特性に応じて、赤外領域の波長を有づるレーザ光線
を用いたり、紫外領域の波長を右づるレーザ光線を用い
ることが可能である。

更に、レーザ光線以外の光線、例えば、発光ダイオード
等から発生される通常光を使用づることｂできる。

尚、前記ねじ切削部１０Ａの表面にスポット状に照射さ
れる光線の大きさは、検知しようとする切削表面上の周
期的な切削むらの周期間隔より大きければよく、その断
面形状は、円形、楕円形、長方形等いずれの形状であっ
てもかまわない。

又、前記ねじ切削部１０Ａの全長にわたってねじ検査を
行う場合には、被検査体である鋼管１０を回転及び管長
手方向に移動させて検査するか、レーザ光発振器１２と
スクリーン１４もしくは該スクリーン１４に代わる光検
知センサを一体化構造にして、ねじ切削部１０Ａの回り
に回転させると共に、鋼管１０の管長手方向に移動させ
て検査官るか、レーザ光発振器１２から発振するレーザ
光の方向を順次変化させると共に、鋼管１０を回転して
検査づる等、いずれの方法を採用してもかまわない。

以下図面を参照して、本発明が採用された鋼管菅端部の
ねじ検査装置の実施例を詳細に説明Ｊる。

本実施例は、第３図及び第４図に示す如く、鋼管１０の
ねし切削部１０Ａに、その切削むらの周期間隔より大ぎ
なスポット状のレーザ光線を、鋼管１０の長手方向に走
査しながら照射づるためのレーザ光投光装置２０と、前
記ねし切削部１０Ａの表面から反射される散乱光の空間
的な輝度の明暗を検出づるためのレーザ光受光装置２２
と、前記ねじ切削部１０Ａ、レーザ光投光装置２０及び
レーザ光受光装置２２に外部光線が侵入づるのを防止−
４るための、下側暗箱２４及び上側暗箱２６と、前記上
側暗箱２６を、鋼管１０の外径の大小に応じて上下に移
＃Ｊｌツるための上側暗箱昇降装置２８と、検査時にＩ
管１０の先端のねじ切削部１０Ａを暗箱の中に挿入づ−
るための入側チーゾルローラ３０と、前記暗箱内にｄ）
りる５７４管１０の先端位置を検出して、前記入側デー
プルローラ３０を制御づるための、投受光型の２組の位
置検出センサ３２Ａ、Ｂ及び３４ＡＳＢと、検Ｍｌに１
１’ｔａ１０を所定の回転速度で回転づるためのターー
ング臼−ラ３６と、前記レーザ光受光装置２２出力を処
理して、前記散乱光が織りなず縞状の濃淡模様の有無又
は濃淡強度の空間的な変化から、びびり等の品質欠陥の
有無又は程度を検出覆るための信号処理装置３８とから
構成されている。

前記レーザ光投光装置２０は、第５図に詳細に示ず如く
、出力１０ＩＩＩ］Ｗ程度のｌ−１ｅ−Ｊｌｅガスレー
ザ光発光器止器２ＯＡ該１−１ｅ−Ｎｅガスレーザ発振
器２ＯＡで発振されたレーザ光を反射するための反射ミ
ラー２０Ｂと、該反射ミラー２０Ｂで反射されたレーザ
光をｉｉ！’Ｂ　１０の管長手方向に走査りるための回
転ミラー２０Ｇと、該回転ミラー２０Ｃ駆動用の同期モ
ータ２０Ｄと、前記回転ミラー２０Ｇで反射されたレー
ザ光の一部を反則ターるためのハーフミラ−２ＯＥと、
該ハーフミラ−２ＯＦ４！：透過したレーザ光を所定の
スポット形状に整形づるための、切削表面上の周期的な
切削むらの周期間隔より大きなスリット幅を有づるスリ
ット２０Ｆと、前記ハーフミラ−２ＯＥで反射された光
を集光づるための集光レンズ２０Ｇと、該集光レンズ２
０Ｇを通過したレーザ光を絞るための絞り２０Ｈと、該
絞り２０Ｈを通過した光を検出して、レーザ光の照射基
準点を検出するためのフォトダイオード２０Ｊとから構
成されている。

従って、前記＠ｅ−Ｎｅガスレーザ光発振器２０Ａから
発掘されたレーザ光は、反θ寸ミラー２０Ｂによって反
射され、回転ミラー２０Ｇによつ（その進行方向が時間
的に変化づるレーザ光束となる。このレーザ光束の一部
は、ハーフミラ−２ＯＥにＪ、つ−Ｃ反則されるが、そ
の出力パワーの大ｂ１；分は、スリット２０Ｆを経て所
定のスポット形状に整形され、入射レーザ光束２１とな
って、ねし切削部１０Ａの表面上の１点に照射される。

このねじ切削部１０Ａ上のレーザ光照用位置は、回転ミ
ラー２０Ｃの作用により、帽「Ｏの長手方向、即もねじ
山に対して直角方向に、矢印Ａに示Ｊ如く時間的に変化
する。この走Ｍ速度は、回転ミラー２０Ｃを駆動づる同
期モータ２０Ｄの回転ｊ＊反で決定され、はぼ５０市程
度が望ましい。このようにして、入射レーザ光束２１を
鋼管１０のｈ字方向に走査することによって、ねし切削
部１０Ａの全長にわたる検査が可能となる。

一方、ハーフミラ−２ＯＥによって反射されｉニ一部の
レーザ光は、集光レンズ２０Ｇ及び絞り２０Ｈを経て、
フォトダイオード２０Ｊの方向に進む。フオトダイオー
ド２０Ｊは、回転ミラー２０Ｃが特定の回転角の位置に
ある時のみ、レーザ光を検知するようにされているので
、レーザ光投光装置２０から出力されるレーザ光束の基
準となる方向を検知することが可能である。

前記レーザ光受光装置２２は、同じく第５図に詳細に示
づ如り、８１１１管１０のねじ切削部１０Ａから発生す
る散乱光を集光するための対物レンズ２２Ａと、該対物
レンズ２２Ａで集光された散乱光の空間的な暉度の明暗
、即ち、縞模様パターンを検出するためのフォトダイオ
ードアレイ２２Ｂとから構成されている。

従って、ある瞬間に、ある照射角度を持ってレーザ光投
光装置２０から投光された入射レーザ光束２１がねじ切
削部１０Ａの上のある点を照射した詩、そのねじ切削仕
上げ面の性状に応じて、反射光が織りなす空間的な縞模
様パターンは、対物レンズ２２Ａによって集光され、フ
オＩ−ダイオードアレイ２２Ｂの上に結像する。ある瞬
間にレーザ光投光装置２０から発振される入用レーザ光
束２１の照射角度は、フォトダイオード２０Ｊの光検出
信号と同期モータ２０Ｄの回転速度から演算づることが
でき、フォトダイオードアレイ２２Ｂの上に結像する空
間的な縞模はパターンは、）第１ヘダイオードアレイ２
２Ｂを構成する各々のフォトダイオードの光検出レベル
を）貞會処理Ｊることによって得られる。

前記上側暗箱昇降装置２８は、ｌ１ｉＪ出第３図に詳細
に示した如く、前記上側暗箱２６の側面に置物されたギ
ヤボックス２８Ａと、上端が該ギアボックス２８Ａ内の
ギヤと噛合するようにされたスクリュ２８Ｂと、該スク
リュ２８Ｂ七回転Ｊるためのギヤボックス２８Ｃと、該
ギヤボックス２８Ｃ内のギヤを回転駆動覆るための昇降
用モータ２８Ｄとから構成されＣいる。

従って、ｍ管ｉｏの外径の大小に応じて上側暗箱２６が
上下に移動され、侵入光が極ノＪ減されると共に、ねじ
切削部１０Ａの上面とレーザ光投光装＠２０及びレーザ
光受光装置２２との距離が一定に保たれるようにされて
いる。

萌配信号処理装置３８は、第６図に詳細に示づ如く、ク
ロックパルスを発生ずるためのタロツクパルス発生回路
３８Ａと、該クロックパルス発生回路３８Ａによって生
成されるクロックパルスを積算ツると共に、前記フオ］
〜ダイＡ−ド２０Ｊの出力によってその積算値が零リセ
ットＪ−るようにされたパルスカウンタ３８Ｂと、前記
フォトダイオードアレイ２２Ｂの出力を増幅でるだめの
増幅器３８Ｃと、鋼ｆｆ１１０の外径を予め設定づるた
めの外径設定器３８Ｄと、前記ターニングローラ３６の
回転軸に結合された、鋼管１０の回転変位を検出−Ｊる
ためのパルスジェネレータ３８Ｅと、各種演算処理を行
うための演算装置３８Ｆと、該演痺装＠３８Ｆにおける
演算処理結果を測定点毎に記ｉ１づるための記憶装置３
８Ｇと、該記憶装置３８Ｇに記憶された演算処理結果を
表示Ｊるための表示器３８１−（とから構成されている
。

従って、この信号処理装置３８においては、パルスカウ
ンタ３８Ｌ３のパルレス抽鋒（泊、パルスジェネレータ
３８Ｅの出力及び外径設定器３８Ｄの外径設定データＤ
）ら、被検査体であるねし切削部分の被測定点を計痺・
し、それと同時にンオＩ〜ダイオードアレイ２２Ｂによ
って検出された鳴模保パターン信号を読み取って演算処
理Ｊることにより、各々の被測定点と１対１に対応した
晶ｑｌレベルの判定を行う。更に、被測定点に番地付け
を行い、各番地毎にその品質レベル、例えば縞模様パタ
ーン（Ｍ号の最大値と極小値の差を定置的に記Ｉ！装置
３８Ｇに記憶蓄積Ｊる。又、記憶装置３８Ｇに記憶され
た演算処理結果を表示器３８Ｈに表示して、ねじ検査と
ほぼ同時に、その品買検査結果の情報を運転員に提示−
づる。

以下作用を説明づる。

ねじ検査装置の被倹盃体である内管１０は、上流側搬送
装置（図示省略）によって、当該ねし検査装置の入側テ
ーブルローラ３０上に搬入され、テーブルローラ駆動モ
ータ（図示省略）にょっ−Ｃ１暗箱の中に送り込まれる
。暗箱の中には、ｍｅｌｏの先端部を倹知りる位置検出
センサ３２Ａ、Ｂ及び３４Ａ、Ｂが配設されており、ま
ず位置検出センサ３２Ａ、Ｂによる先端部検知により、
入側テーブルローラ３０が減速制御され、更に、位置検
出センサ３４Ａ、８による先端部検知により、入側テー
ブルローラ３０が停止制御される。このようにして、ｆ
Ａ普１０の最先端部が所定の位置にあるように鋼管１０
が停止されると、鋼管１０の下面が入側テーブルローラ
３０に接触しない高さまで、ターニングローラ３６が上
昇して、鋼管１０を所定の回転速度で回転せしめるべく
、ターニングローラ３６が回転する。ターニングローラ
３６の回転と１０］時に、レーザ光投光装置２０から入
射レーザ光束２１がねじ切削部１０Ａに投光され、その
反射光がレーザ光受光装置２２によって受光され、信号
処理装置３８によってねじ切削表面の自動検査が行われ
る。

レーザ光投光装置２０から投光される入射レーザ光束２
１は、その方向が、鋼管１０の長手方向に沿って５０臣
程度の高速で変化するようになつこおり、これにより′
ｆ１．検査部の全長のねじ検査が行われる。又、ターニ
ングローラ３６によるｆｆｉ’ｔ１０の回転によつ−Ｃ
，被検査８１ｉの全周のねじ検査が行われる。ｆ１４　
’８１０の１回転に要づる時間は５秒程度となるように
、ターニングローラ３６の速ｒ！ｉ設定がなされており
、従って、消色１０の回転速度に比べＣ人別レーザ光束
２１の力１〜変１ヒが高速であるので、被検査部の全面
のねじ４？、査が可能である。

上記のようにしＣ１ねじ切削部１０Ａの表面検査が行わ
れ、ねじ表面の各部につい−Ｃ他号処理装置３８によつ
゛Ｃ合否判定がなされる。即ら、前記フォトダイオード
アレイ２２Ｂによつで検出されたＭ模様に対応りる電気
的パターンは、ねじ付上げ面にびびり等の品質欠陥が存
在°りる場合には、第７図に承り如くとなる。これに対
して、品質欠陥が存在しない場合には、第８図に承り如
くどなる。第７図及び第８図おいて、横軸はりニアアレ
イの並びの方向、縦軸は、リニアアレイを構成する各フ
ォトダイオードによって検出された光電気（５号の電圧
レベルを表わす。従って、例えば第７図における最大値
Ｖｐと極小１直ｖｂの差（Ｖｐ−Ｖｌ））等を信号処理
によって演綽処理してめれば、その大きさか、ねじ仕上
げ面の品質欠陥の程度を表わづことになる。

上記のようにして、ねじ切削部１０Ａの表面検査が行わ
れ、ねじ表面の各部について合否判定がなされたなら、
鋼管１０が入側テーブルローラ３０の逆転によって暗箱
の外側に搬出され、他の搬出装置（図示省略）によって
、入側テーブルローラ３０より下流側の搬送ラインに搬
出される。

本実施例においては、回転ミラー２０Ｃを用いたレーザ
走査方式によって、入側レーザ光束２１を鋼管１０の長
手方向に走査するようにしていたので、走査装置の構成
が比較的単純である。尚、入側レーザ光束２１を鋼管１
０の長手方向に走査づる方法はこれに限定されず、例え
ば、音叉等の振動子を用いた走査方式により走ｉ−する
ことも可能である。

尚、前記実施例においては、本発明が、鋼管管端部のね
じ仕上げ面の性状検査に通用されていたが、本発明の適
用範囲はこれに限定されず、一般の切削加工面の性状検
査にも同様に適用−（ぎることは明らかである。

以上説明した通り、本発明によれば、切削加工面の品質
欠陥の有無又は程度を確実に検出覆ることができ、自助
１ヒが可能である。又、鴻ｔｄ手段を備えた場合には、
より一層確実に品質欠陥の有無又は程度を検出づること
か可能となるという俣ねた効果を有Ｊる。

【図面の簡単な説明】 第１図及び第２図は、本発明に係る切削加工面の性状検
査方払の原理を説明づるための斜視図、第３図は、本発
明が採用された鋼答筈端部のねし検査装置の実施例の構
成を示づ断面図、第４図は、第３図のｒＶ−ｒＶ線に沿
う断面図、第５図は、Ｉ′１１）記実施例で用いられて
いるレーザ光投光装置及び受光装置の構成を示す斜視図
、第６図は、同じく、信号処理装置の構成を示づブロッ
ク線図、第７図及び第８図は、６１′Ｊ記実施例におけ
るノオトダイオードアレイの出力波形の例を示づ線図で
ある。 １０・・・ＷＩ菅、　ＩＯＡ・・・ねじ切削部、１２・
・・レーザ光発振器、　１４・・・スクリーン、２０・
・・レーザ光投光装置、２１・・・入射レーザ光束、２
２・・・レーザ光受光装置、２４・・・下側暗箱、２６
・・・上側暗箱、　３８・・・信号処理装＠。 代理人　高　矢　論 （ほか１名） 第１図 第２図 ＩＵハ 第６図 第７図 第８図 ル　リニアアしイの並ｖ３何

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）切削加工面に、その切削むらの周期間隔より大き
   なスポット状の光線を照射し、前記切削加工面から反則
   される散乱光の空間的な輝度の明暗を検出して、前記散
   乱光が織りなす縞状の濃淡模様の有無又は濃淡強度の空
   間的な変化から、びびり等の品質欠陥の有無又は程度を
   検出することを特徴とづる切削加工面の性状検査方法。
2. （２）切削加工面に、その切削むらの周期間隔より大ぎ
   なスポット状の光線を照ＤＡツるための投光手段と、前
   記切削加工面から反射される散乱光の空間的な輝度の明
   暗を検出するための受光手段と、少くとも前記切削加工
   面及び受光手段に外部光線が侵入づるのを防止づるため
   の遮蔽手段と、前記受光手段出力を処理して、前記散乱
   光が織りなす縞状の濃淡模様の有無又は濃淡強度の空間
   的な変化から、びびり等の品質欠陥の）有無又は程度を
   検出するための信号処理手段と、を瀬えたことを特徴と
   −ｆる切削加工面の性状倹斎装置。