(57)【要約】【要  約】【課  題】油井管の管端部の軸芯が、ねじ形状測定基準位置を通る直線からずれた状態で油井管の搬送設備でセットされた場合、あるいは油井管の管端部に曲がりがある場合でも、油井管の管端部の軸芯とカメラの受光レンズ間の距離を合焦点距離に設定することができる油井管ねじ形状全周測定装置を提供する。【解決手段】カメラの撮像素子で油井管のねじ部のシルエット像を撮像し、得られたシルエット像の画像情報に基づき、油井管の管端部における軸芯が、光学系の回転中心であるねじ形状測定基準位置を通る直線からずれているずれ量を求めるずれ量演算手段と、該ずれ量演算手段で求めたずれ量を補正する４軸駆動の光学系焦点ずれ補正調整機構と、を具備した。【選択図】図２
2010038554.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光を平行光として被測定対象物の油井管のねじ部に照射する照射手段と、被測定対象物の周囲を通過した平行光と被測定対象物で遮蔽された平行光とで形成されるシルエット像を撮像する撮像素子を有するカメラとからなる少なくとも１対の光学系を、前記油井管のねじ部周りに回転させ、前記油井管のねじ形状を測定するように構成した油井管ねじ形状全周測定装置において、
前記カメラの撮像素子で前記油井管のねじ部のシルエット像を撮像し、得られたシルエット像の画像情報に基づき、前記油井管の管端部における軸芯が、前記光学系の回転軸中心からずれているずれ量を求めるずれ量演算手段と、少なくとも１対の光学系を搭載する回転架台とベース間に配置された前記ずれ量演算手段で求めたずれ量を補正する４軸駆動の光学系焦点ずれ補正調整機構と、を具備したことを特徴とする油井管ねじ形状全周測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油井管の管端部の軸芯が、ねじ形状測定基準位置を通る直線からずれた状態でセットされた場合、あるいは油井管の管端部に曲がりがある場合でも、油井管の管端部の軸芯とカメラの受光レンズ間の距離を合焦点距離に設定することができる油井管ねじ形状全周測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
油井管の管端に形成されたねじは、ねじ継ぎ手とねじ結合される。ねじ継ぎ手で接続された油井管は厳しい条件下で使用されるので、継ぎ手部でのシール性能は重要である。
そこで、ねじ形状を測定し、ねじ山高さ、テーパ量、シール部径Ｄｓ等を求め、品質保証を実施している（図３参照）。図３（ａ）中のテーパ基準長さは、ねじ部における耐シール性能を示すねじテーパ量を求める際の基準値であり、シール部径Ｄｓは、シール部における耐シール性能を示す代表値である。図３（ｂ）中のＤは、ねじ山高さを求める際のねじ谷の外径を示す。
【０００３】
これらのうち、たとえばシール部径Ｄｓを測定するには、メカゲージを用いて測定員が測定していたが、このような測定器具を用いてねじ形状を全周にわたり測定すると、時間がかかり、測定員も必要となる。このことから、ねじ形状全周測定装置が提案されている（たとえば特許文献１）。
特許文献１に記載のねじ形状全周測定装置は、図５（ａ）に示したように、平行光２ａを被測定対象物の油井管Ｗのねじ部に照射する照射手段２と、ねじ部を通過した光とねじ部で遮蔽された光とで形成されるねじ部のシルエット像を投影板上に投影し、該シルエット像を撮像する撮像手段であるカメラ１とからなる光学系を４対有し、４対の光学系を油井管Ｗのねじ部回りに回転可能な構成とし、撮像手段がＣＣＤ素子を有するラインセンサカメラとされている。このねじ形状全周測定装置によれば、高精細、高分解能のＣＣＤ素子を用いることで、数μm〜数十μmの測定精度を得ることが達成できる。また、カメラ出力として、図５（ｂ）に示した２次元シルエット像14が得られ、図５（ｃ）に示した３次元ねじ形状を短時間でかつ高精度に測定することができる。
【０００４】
またさらに、１対の光学系を構成する照射手段２、カメラ１の好適例を図４に示した。
光源からの光を平行光２ａとするテレセントリック投光レンズ系２ｂが組み込まれた照射手段２と、受光レンズ１ａ、テレセントリック受光レンズ系１ｂ、撮像素子（リニアアレイＣＣＤ）１ｃ、回転ミラー１ｄが組み込まれたカメラ１とからなり、カメラ１に画像入力装置４、ねじ形状演算装置５が接続されている。
【特許文献１】特開2007-10393号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、図４、図５（ａ）に示したように、少なくとも１対の光学系を油井管Ｗのねじ部回りに回転しつつ、シルエット像を撮像素子で撮像する受光光学系は、自動焦点合わせ機構を設けるのは光学的に難しい。そこで、ねじ形状の全周測定開始前に、被測定対象物とカメラ１の受光レンズ１ａ間の距離を合焦点距離Ｌに設定しておく必要がある。
しかし、少なくとも１対の光学系を油井管Ｗのねじ部回りに回転しつつ、シルエット像を撮像素子で撮像するねじ形状測定装置で、多数の油井管のねじ形状を測定した場合、焦点が合わなくなり、シルエット像14ににじみ部が生じることがあった。図６（ａ）は、シルエット像14の輪郭が鮮明なケースであり、図６（ｂ）はシルエット像14ににじみ部があるケースである。この現象は、下記（１）、（２）によって、光学系の回転軸中心と、油井管の管端部の軸芯が一致していない場合に起こることがわかった。
（１）油井管の搬送設備の停止位置誤差によって、油井管Ｗの管端部の軸芯Ｗ１が、ねじ形状測定の基準位置Ｏからずれてセットされた場合（図７参照）。
【０００６】
実線で示す円が、ねじ形状測定基準位置Ｏからずれてセットされた油井管Ｗの長手方向断面形状を示し、破線で示す円が、ねじ形状測定基準位置Ｏにずれなくセットされた油井管Ｗの長手方向断面形状を示す。この油井管の搬送設備では、ねじ形状測定基準位置Ｏからのずれ量は最大で１ｍｍであった。
（２）油井管の管端部に曲がりがある場合（図８参照）。
【０００７】
曲がり測定長さ300ｍｍあたり、油井管Ｗの管端部における軸芯Ｗ１のまがり量は最大でδ＝３ｍｍであった。
このような場合、シルエット像14ににじみ部が生じるのは、合焦点距離Ｌに対し、ΔＬだけ管端部における軸芯Ｗ１とカメラ１の受光レンズ１ａ間の距離がずれてしまうからである。
【０００８】
なお、受光光学系において、光学的な分解能と焦点深度とは相反する関係があり、分解能を優先すると、焦点深度は狭くなることが公知である。一方ねじ形状測定においては数μｍの測定精度が要求されるために、分解能を十分高くする必要がある。そこで、分解能を優先し、ねじ形状測定精度を数μｍに確保しようとした場合、シルエット像を撮像素子で撮像する受光光学系では、焦点深度の10倍程度、すなわち焦点ずれ量を１ｍｍ以内とする必要がある。焦点が合わなくなる距離ΔＬは、合焦点距離Ｌからの隔たり量で決まる。
【０００９】
そこで、本発明は、上記従来技術の問題点を解消し、油井管の管端部の軸芯が、ねじ形状測定基準位置を通る直線からずれた状態でセットされた場合、あるいは油井管の管端部に曲がりがある場合でも、油井管の管端部の軸芯とカメラの受光レンズ間の距離を合焦点距離に設定することができる油井管ねじ形状全周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】
【００１０】
本発明者は、従来の油井管ねじ形状全周測定装置について鋭意検討した結果、被測定対象物とカメラの受光レンズ間の距離を合焦点距離に設定することができる４軸駆動の光学系焦点ずれ補正調整機構を回転架台とベース間に配置することで、上記課題を解決できることを見出し、この知見に基づいて本発明をなすに至った。
すなわち本発明は、以下のとおりである。
【００１１】
１．光源からの光を平行光として被測定対象物の油井管のねじ部に照射する照射手段と、被測定対象物の周囲を通過した平行光と被測定対象物で遮蔽された平行光とで形成されるシルエット像を撮像する撮像素子を有するカメラとからなる少なくとも１対の光学系を、前記油井管のねじ部周りに回転させ、前記油井管のねじ形状を測定するように構成した油井管ねじ形状全周測定装置において、前記カメラの撮像素子で前記油井管のねじ部のシルエット像を撮像し、得られたシルエット像の画像情報に基づき、前記油井管の管端部における軸芯が、前記光学系の回転軸中心からずれているずれ量を求めるずれ量演算手段と、少なくとも１対の光学系を搭載する回転架台とベース間に配置された前記ずれ量演算手段で求めたずれ量を補正する４軸駆動の光学系焦点ずれ補正調整機構と、を具備したことを特徴とする油井管ねじ形状全周測定装置。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、油井管の管端部の軸芯が、ねじ形状測定基準位置を通る直線からずれた状態でセットされた場合、あるいは油井管の管端部に曲がりがある場合でも、４軸駆動の光学系焦点ずれ補正調整機構でずれ量だけ補正した直線を、新たな光学系の回転軸中心とすることができる。したがって、油井管の管端部の外周に形成されたねじ形状を全周にわたり短時間でかつ精度よく測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明について図を用いて説明する。
図１は、本発明におけるねじ形状全周測定の前処理に関する説明図であり、図２は、本発明の実施の形態にかかる油井管ねじ形状全周測定装置の構成図である。
回転架台９に搭載されている１対の光学系３は、回転架台９と一緒に油井管Ｗの周りに回転する。１対の光学系３を回転方向に向けて回転させるには、回転角度センサ８で回転架台９の回転角を検出しつつ、制御手段６で回転用サーボモータ７の回転を制御する。
【００１４】
なお、図２には、カメラ１と照射手段２とからなる１対の光学系３を、回転架台９に搭載した場合を示したが、複数対の光学系を回転架台９に搭載し、ねじ形状を全周にわたり測定することも本発明に含む。クランプ装置13は、油井管Ｗの搬送設備で搬送されてきた油井管Ｗの、前側である管端部が装置内に収まったときに、その後側をクランプする装置である。
【００１５】
本発明の特徴は、制御手段６に、カメラ１で油井管Ｗのねじ部のシルエット像を撮像し、得られたシルエット像の画像情報に基づき、油井管Ｗの管端部における軸芯Ｗ１が、光学系の回転軸中心からずれているずれ量を求めるずれ量演算手段６ａが備えられており、このずれ量演算手段６ａで求めたずれ量を補正する４軸駆動の光学系焦点ずれ補正調整機構12を具備したことである。この光学系焦点ずれ補正調整機構12は、少なくとも１対の光学系を搭載する回転架台９とベース10間に配置される。画像入力装置４、ねじ形状演算装置５、ずれ量演算手段６は、図２に示したように、測定用コンピュータ内に設けることができる。
【００１６】
まず、ずれ量演算手段６ａについて説明し、４軸駆動の光学系焦点ずれ補正調整機構12については後述する。
（ずれ量演算手段６ａについて）
ずれ量演算手段６ａは以下のようにして、油井管Ｗの管端部における軸芯Ｗ１が、光学系の回転軸中心からずれているずれ量を求める。なお、光学系の回転軸中心は、ずれ量を補正していない場合、ねじ形状測定基準位置Ｏ（０，０，０）を通る直線と一致している（図７、図８参照）。
【００１７】
図1を用い、油井管Ｗの管端部の軸芯が、ねじ形状測定基準位置Ｏ（０，０，０）を通る直線からずれた状態でセットされ、かつ油井管Ｗの管端部における軸芯Ｗ１の曲がりがある場合において、軸芯Ｗ１の曲がり量を求め、軸芯曲がりの式を決定する前処理に関して説明する。
すなわち、ねじ形状演算装置５は、カメラ１と画像入力装置４を介して接続されているから、撮像素子で撮像して得られた2次元シルエット像の画像情報に基づき、ねじ部の輪郭を検出する。その際、2次元シルエット像にある程度のにじみ部があっても、求めるずれ量は数ミリ以下であるので、問題にならない。
【００１８】
そこで、以下のステップによって、管端部における軸芯Ｗ１曲がり量を表わす式を決める。なお、図1中、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は、油井管Ｗの管端部におけるねじ部の長手方向断面の円を示す。
ステップ（１）：１対の光学系３をその回転軸中心周りに１回転させ、90度ごとに油井管Ｗの管端部におけるねじ部の2次元シルエット像を撮像し、周方向４箇所の2次元シルエット像の画像情報を得る（ある箇所での2次元シルエット像14の例：図５（ｂ）参照）。
ステップ（２）：周方向４箇所での2次元シルエット像の画像情報に基づき、ねじ部の輪郭を検出することができるから、円の形状Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４が決定でき、各円の中心をそれぞれ求めることができる。次いで、各円の中心（ｘ１、ｙ１、ｚ１）、（ｘ２、ｙ２、ｚ２）、（ｘ３、ｙ３、ｚ３）、（ｘ４、ｙ４、ｚ４）の近くをとおる回帰直線を決定し、この回帰直線をａｘ＋ｂｙ＋ｃｚ＝０とする。
ステップ（３）：この回帰直線：ａｘ＋ｂｙ＋ｃｚ＝０と、光学系の回転軸中心である、ねじ形状測定基準位置Ｏ（０，０，０）を通る直線との間のずれ量は、数学的にずれ量演算手段６ａで演算して求める。また、油井管の搬送設備の停止位置誤差によって生じるずれ量Ｏ’（α、β、γ）も、同様に求めることができる。
【００１９】
このずれ量演算手段６ａで演算して求めたずれ量を、１対の光学系を搭載する回転架台とベース間に配置された４軸駆動の光学系焦点ずれ補正調整機構12で補正する。
ステップ（４）：４軸駆動の光学系焦点ずれ補正調整機構12によってずれ量だけ補正した直線を、新たな光学系の回転軸中心とする。この光学系焦点ずれ補正調整機構12で補正され、設定した新たな光学系の回転軸中心は、回帰直線：ａｘ＋ｂｙ＋ｃｚ＝０に一致する。
（４軸駆動の光学系焦点ずれ補正調整機構12について）
回転架台９は、光学系焦点ずれ補正調整機構12と、ｘ軸方向にスライドするメインスライド11を介してベース1上に搭載されている。光学系焦点ずれ補正調整機構12の４軸駆動とは、上下位置調整、左右位置調整、前後傾斜調整、水平面回転調整である。
【００２０】
各位置調整の内容（図２参照）は以下である。
（ａ）上下位置調整：ｚ軸方向へ回転架台９を移動する量の調整、（ｂ）左右位置調整：ｙ軸方向へ回転架台９を移動する量の調整、（ｃ）前後傾斜調整：ねじ形状測定基準位置Ｏ（０，０，０）を通る直線はｘ軸に平行であり、ｘ-ｙ平面に対して傾いていないため、回帰直線：ａｘ＋ｂｙ＋ｃｚ＝０のｘ-ｙ平面に対する傾き角に合うように回転架台９の前後の高さ位置を変更する調整、（ｄ）水平面回転調整：ねじ形状測定基準位置Ｏ（０，０，０）を通る直線はｘ軸に平行であり、ｘ-ｚ平面に対して傾いていないため、回帰直線：ａｘ＋ｂｙ＋ｃｚ＝０のｘ-ｚ平面に対する傾き角に合うように回転架台９を水平面（ｘ-ｙ面）内で回転する角度の調整。
【００２１】
以上の説明では、回転架台９に１対の光学系３を搭載したとして示したが、2対の光学系３を回転架台９に搭載した場合、ねじ形状全周測定の前処理はそれらを回転させて行い、
３対以上の光学系３を回転架台９に搭載した場合、周方向３箇所以上でねじ部の輪郭を検出することができ、円の形状を決定できるから、それらを回転せずともよい。
【００２２】
本発明によれば、油井管の管端部における軸芯が、ねじ形状測定基準位置Ｏ（０，０，０）を通る直線からずれているずれ量を求めるずれ量演算手段と、ずれ量演算手段で求めたずれ量を補正する４軸駆動の光学系焦点ずれ補正調整機構とを具備したから、油井管のねじ部とカメラの受光レンズ間の距離を合焦点距離に設定することができる。
このねじ形状全周データを用いることで、製造された油井管のシール性能の厳格保証、およびシール性能の向上のための、ねじ形状の最適設計が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明におけるねじ形状全周測定の前処理に関する説明図である。
【図２】本発明の実施の形態にかかる油井管ねじ形状全周測定装置の構成図である。
【図３】ねじの形状特性値を示す断面図である。
【図４】１対の光学系の内部構成を示す構成図である。
【図５】（ａ）は4対の光学系を用いたねじ形状測定装置の構成図、（ｂ）はそれで得られるシルエット像の模式図、（ｃ）はシルエット像に基づいて作成したねじ形状の３次元画像の斜視図である。
【図６】（ａ）はにじみ部がない場合のシルエット像の模式図、（ｂ）はにじみ部がある場合のシルエット像の模式図である。
【図７】焦点ずれの原因を説明する模式図である。
【図８】他の焦点ずれの原因を説明する模式図である。
【符号の説明】
【００２４】
Ｗ  油井管（被測定対象物）
Ｗ１  管端部における軸芯
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４  長手方向断面の円形状の輪郭
Ｄ  ねじ谷の外径
Ｄｓ  シール部径
Ｏ  ねじ形状測定の基準位置
Ｌ  合焦点距離
ΔＬ  焦点が合わなくなる距離
１  カメラ
１ａ  受光レンズ
１ｂ  テレセントリック受光レンズ系
１ｃ  撮像素子（リニアアレイＣＣＤ）
１ｄ  回転ミラー
２  照射手段
２ａ  平行光
２ｂ  テレセントリック投光レンズ系
３  １対の光学系
４  画像入力装置
５  ねじ形状演算装置
６  制御手段
６ａ  ずれ量演算手段
７  回転用サーボモータ
８  回転角度センサ
９  回転架台
10  ベース
11  メインスライド
12  光学系調整機構
13  クランプ装置
14  2次元シルエット像
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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