(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源ランプから光をねじ溝に平行に照射してねじ面を通過する光を検出してねじ形状を測定する光学式センサを用いてねじ要素を測定する方法であって、
前記光学式センサで測定されたねじ形状の線図に接触式センサのゲージに用いられるコンタクトチップのイメージを仮想的に内接するように重ね合わせてその接点の２次元座標データを所定の間隔ごとに求め、それらの２次元座標データからねじ要素を演算することを特徴とするねじ要素の測定方法。
【請求項２】
所定の間隔ごとに得られる測定値から外径変化量を演算・比較してシール部付近の異物付着の有無を判定することを特徴とする請求項１記載のねじ要素の測定方法。
【請求項３】
光をねじ溝に平行に照射する光源ランプと、この光源ランプに対向した位置に設けられてねじ面を通過する光を検出する受光素子とからなる光学式センサを用いてねじ要素を測定する装置であって、
前記光学式センサで測定されたねじ形状の線図を演算・記憶する演算処理装置と、前記ねじ形状の線図を入力して、このねじ形状の線図に予め記憶された接触式センサのゲージに用いられるコンタクトチップのイメージを仮想的に内接するように重ね合わせて、その接点の２次元座標データを所定の位置ごとに求め、それらの２次元座標データからねじ要素を演算する計算機と、からなることを特徴とするねじ要素の測定装置。
【請求項４】
前記光源ランプにハロゲンランプを、また前記受光素子にＣＣＤカメラを用いることを特徴とする請求項３記載のねじ要素の測定装置。
【請求項５】
管端部にねじの長手方向座標の基準となる管端位置を検出する管端位置検出器を取り付けたことを特徴とする請求項３または４記載のねじ要素の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば油井管の両端に加工された大口径のねじの形状やピッチ、ねじ高さ、テーパ等のねじ要素を測定する方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、油井管等のパイプの管端に接続のために刻み込まれるねじの検査方法として、測定子をねじ溝に沿って移動させながら形状の判別を行う接触式ねじ要素検査装置（以下、接触式センサと略称する）を用いた測定方法が採用されている。
【０００３】
図８は、ＡＰＩ（アメリカ石油協会）規格に定められている油井管のバットレスねじ、ラウンドねじのねじ部でのリード測定とテーパ測定の原理を示したものである。
リード測定の場合は図８（ａ）  に示すように、最初のねじ谷１ａに所定の半径ｒのリードゲージのコンタクトチップ２を嵌め込んで、その接点Ｐ１  ，Ｐ１  への垂直線Ｓ，Ｓと接点Ｐ１  ，Ｐ１  間の弦３ａとのなす角度がいずれもθ（例えばねじの角度が６０°の場合はθ＝３０°）となるような中心線４ａの位置を求めておき、このねじ谷１ａから管軸方向に１インチ離れた位置におけるねじ谷１ｂにおける接点Ｐ２  ，Ｐ２  での弦３ｂと中心線４ｂを求め、この中心線４ａ−４ｂ間の距離Ｌをリードとする。
【０００４】
そして、油井管のねじ部のリードＬを測定する場合は、図９に示すように、ねじ部５でのＡ−Ｂ間の全ねじ長さＬ１  に対して完全なねじ谷を有するＡ−Ｃ間の長さ（Ｌ１  −ｇ）（ｇ；不完全ねじ長さ）において１インチごとに測定することにより、ねじ谷のピッチを検査するのである。
また、テーパ測定の場合は図８（ｂ）  に示すように、同様にして中心線４ａ−４ｂ間が１インチ離れた位置のねじ谷１ａ，１ｂの弦３ａ，３ｂの高さの差ΔＨ１  を求め、同様にねじの反対側でΔＨ２  を求め、下記（１）  式でテーパＴを得る。
【０００５】
Ｔ＝ΔＨ１  ／Ｌ１  ＋ΔＨ２  ／Ｌ２                    ………………（１）
しかし、上記のような接触式センサの場合は、管の外径およびねじの種類によって、あるいはセンサを保持する治具によってその位置を変更する必要があるなど、測定するのにかなりの工数がかかるという欠点がある。また、接触式の機械的な手段による測定面の限界やオペレータの個人差による誤差も大きいことから、精度の点で好ましくない結果を招くことも避けられない。
【０００６】
ところで、接触式センサに代えて、例えば光学式ねじ形状検査装置（以下、光学式センサと略称する）を用いてねじ要素を測定する方法が最近注目されつつある。この光学式センサの場合は、被測定物に光束を照射した後にこれを撮像装置によって映像信号としてこれを計算機に入力することにより、被測定物の形状を測定しようとするものである。いま、例えばねじのテーパを測定する場合は、ねじ谷の径に相当する区間を取り出し、この間の径の測定値の平均値を求め、ねじ谷の径として算出するのである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の光学式センサでねじ要素を測定する方法では、前記した接触式センサでのコンタクトチップとねじ表面の接触状態の検出とは異なることから、光学式センサと接触式センサの測定値の間には差を生じることがままあり、そのため光学式センサの測定値を接触式センサの測定値に代えて使用することは、ねじ要素の品質管理を統一して実施するうえで問題であった。
【０００８】
なお、例えば特開昭６３−２１２８０８号公報には光学式センサを用いたネジ形状測定装置が提案されている。その内容は、外周にネジが形成された円柱状の測定対象のネジ形状測定装置において、測定対象の軸長方向に相対移動可能な架台と、該架台に装着された測定ヘッドと、前記架台と測定対象との相対位置を測定する位置検出センサと、前記測定ヘッドに装着され、測定対象の軸長方向に沿ってその外径を検出する光学式センサとを備え、前記架台と測定対象とを相対移動させることにより前記測定ヘッドを測定対象の軸長方向に沿って移動させつつ前記光学式センサにて測定対象の外径を検出し、また前記位置検出センサにて前記架台と測定対象との相対位置を検出し、両検出結果を関連付けることにより測定対象のネジ形状を測定すべくなしたことを特徴とするものであるが、ネジ形状の認識がたとえ正確にできたとしても、ＡＰＩゲージ等による測定を再現することができないため、ＡＰＩゲージ等による測定値との間に差が生じてしまうという問題が潜在していたのである。
【０００９】
本発明は、上記のような従来技術の有する課題を解決すべくしてなされたもので、光学式センサと接触式センサとの測定値間の差が生じる原因を取り除き、光学式センサの測定値を接触式センサの測定値の代替として使用可能なねじ要素の測定方法および装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光源ランプから光をねじ溝に平行に照射してねじ面を通過する光を検出してねじ形状を測定する光学式センサを用いてねじ要素を測定する方法であって、前記光学式センサで測定されたねじ形状の線図に接触式センサのゲージに用いられるコンタクトチップのイメージを仮想的に内接するように重ね合わせてその接点の２次元座標データを所定の間隔ごとに求め、それらの２次元座標データからねじ要素を演算することを特徴とするねじ要素の測定方法である。なお、所定の間隔ごとに得られる測定値から外径変化量を演算・比較してシール部付近の異物付着の有無を判定することができる。
【００１１】
また、本発明は、光をねじ溝に平行に照射する光源ランプと、この光源ランプに対向した位置に設けられてねじ面を通過する光を検出する受光素子とからなる光学式センサを用いてねじ要素を測定する装置であって、前記光学式センサで測定されたねじ形状の線図を演算・記憶する演算処理装置と、前記ねじ形状の線図を入力して、このねじ形状の線図に予め記憶された接触式センサのゲージに用いられるコンタクトチップのイメージを仮想的に内接するように重ね合わせて、その接点の２次元座標データを所定の位置ごとに求め、それらの２次元座標データからねじ要素を演算する計算機と、からなることを特徴とするねじ要素の測定装置である。
【００１２】
なお、前記光源ランプにハロゲンランプを、また前記受光素子にＣＣＤカメラを用いるのがよい。また、管端部にねじの長手方向座標の基準となる管端位置を検出する管端位置検出器を取り付けるのがよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して詳しく説明する。
図１は本発明に係わるねじ要素測定装置の全体構成を示す概要図であり、図２はそのＡ−Ａ矢視正面図である。まず、図１において、１０は光学式センサ、２０は演算処理装置、３０は計算機、４０はＣＲＴなどのディスプレイ装置、５０はプリンタ、６１は上下方向の昇降装置、６２は管長手方向の駆動装置である。
【００１４】
光学式センサ１０は、図２に示すように、ねじ部５の周囲に４個のハロゲンランプなどの光源ランプ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄと、それらに対向した位置にそれぞれ４個のＣＣＤカメラなどの受光素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄとが配置される。光源ランプ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄからの光線は第１のレンズ１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄで平行光とされてねじ溝に平行に照射され、ねじ面を通過した光線は第２のレンズ１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄによって集光されて受光素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄでそれぞれ受光される。１５ａ，１５ｂは光学式センサ１０の左右方向の移動位置を検出するマグネスケールなどの位置検出器である。
【００１５】
１６は管端部に取り付けられる管端位置検出器で、ねじの長手方向座標の基準となる管端位置Ｐ０  を検出するものである。この管端位置検出器１６は図３に示すように、管端に形状が例えば円柱状のピース１７を押し当てて、その端面座標をＣＣＤカメラなどの光学装置１８によって読み取って、管端位置Ｐ０  とする。なお、端面座標を検出する際、光学装置１８を管長手方向軸に対して垂直とならないでやや斜めになるように取り付けるのが望ましい。また、ピース１７と光学装置１８の数は管端円周方向に９０°配置とした４個が望ましいが、１２０  °配置の３個あるいは６０°配置の６個など複数配置でもかまわない。
【００１６】
演算処理装置２０は、受光素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄからの受光信号と位置検出器１５ａ，１５ｂからの位置検出信号を入力して、ねじ部５の４箇所におけるねじ形状を例えば図４に示すように、位置検出器１５ａ，１５ｂによるねじ軸方向位置ｘと受光素子１２ａ〜１２ｄによるねじ径方向の値ｙとして演算して、連続した線図を描いて記憶する。
【００１７】
計算機３０は、演算処理装置２０で認識されたねじ形状の線図に例えばリードゲージのコンタクトチップのイメージを仮想的に内接するように重ね合わせた状態をソフトウェア内でつくり出し、その接点座標からねじ要素であるリードやテーパを求め、その結果をディスプレイ装置４０に表示させるとともにプリンタ５０に出力する。また、この計算機３０は、昇降装置６１および駆動装置６２を操作して光学式センサ１０の位置決めをする機能も有する。
【００１８】
以下に、計算機３０での処理手順を説明する。
▲１▼予めＡＰＩ規格ねじおよびプレミアムジョイントねじの測定に用いられる接触式センサのコンタクトチップの径（例えば表１参照）を、イメージとしてプログラム内定数テーブルに登録しておく。
【００１９】
【表１】
0003552440.tif 000002
【００２０】
▲２▼昇降装置６１および駆動装置６２を操作して光学式センサ１０がねじ軸のほぼ延長線上になるように位置決めして、管端位置検出器１６で管端位置Ｐ０  を検出した後最初の完全なねじ形状を測定し、その位置における演算処理装置２０で演算・記憶された線図を順次２次元座標データ（ｘｉ  ，ｙｉ  ）として入力し、図５に示すように、径ｒなるコンタクトチップのイメージ２Ａがねじ谷１ａに仮想的に内接するように重ね合わせて、その接点の管端側の位置Ｐ１  （ｘ１  ，ｙ１  ）を求める。
▲３▼つぎに、駆動装置６２を操作して光学式センサ１０をほぼ１インチ移動させ、その位置におけるねじ谷１ｂのねじ形状を測定し、同様にしてコンタクトチップのイメージ２Ａがねじ谷１ｂに仮想的に内接する接点の管端側位置Ｐ２  （ｘ２  ，ｙ２  ）を求める。
▲４▼ねじの反対側において前記Ｐ１  に対応する点Ｐ３  （ｘ３  ，ｙ３  ）と、Ｐ２  に対応する点Ｐ４  （ｘ４  ，ｙ４  ）を求める。
▲５▼そして、ねじ要素であるリードＬおよびテーパＴを下記式（２）  ，  （３）  式によってそれぞれ求める。
【００２１】
0003552440.tif 000003
また、必要に応じてねじ山高さを求めることもできる。
ここで、ねじ軸方向位置ｘを測定する際に、位置検出器１５ａ，１５ｂに異物付着や摩耗、曲がりなどの異常事態によって測定誤差が発生する場合があるので、これを防止するためには以下のような処置を講ずるのがよい。
イ．２個の位置検出器１５ａ，１５ｂの測定値Ｌａｉ，Ｌｂｉ（ｉ＝１，２…ｎ）を例えば１ｍｓｅｃ毎に逐次比較して、両者の差Δｓを算出する。
【００２２】
この差Δｓは、下記（４）  式で表される。
Δｓ＝｜Ｃｅ  −Ｓｅ  ｜                            ………………（４）
ここで、Ｃｅ  ；光学系移動時の蛇行により生じる位置検出器１５ａ，１５ｂの移動量の差、Ｓｅ  ；位置検出器１５ａ，１５ｂの測定異常により生じる両者の読みの差である。
ロ．その差Δｓが例えば４０μｍ  の許容値を超えたらどちらか一方に異常が発生したとみなして測定値を無効にするとともに、警報を出力させる。
ハ．また、位置検出器１５ａ，１５ｂの測定異常によって生じる両者の差Ｓｅ  の検出能を高めるために、移動量が例えば５ｍｍ毎に（４）  式のΔｓをリセットする。これによって、Ｃｅ  の影響を小さくすることができる。
【００２３】
また、管端位置検出器１６で管端位置を検出するピース１７に摩耗が生じたり異物が付着したりして誤検出を行う場合がある。そこで、そのようなときの誤検出を防ぐためには、図６に示すように、管端位置検出器１６で採取したデータＤから最小自乗法により算出したベストフィットラインＢＦＬ  と個々のねじ長手方向座標の距離Ｘ，Ｙ，Ｚを測定毎にチェックし、その値が別に定められた許容値を超えた場合はエラーが発生したとして無効にするのである。
【００２４】
ここで、ＸはデータＤのＭＡＸ  点とＭＩＮ  点の管軸方向の距離（μｍ）で平面度を表し、ＹはベストフィットラインＢＦＬ  とＭＩＮ  点の距離の管軸方向の距離（μｍ）で摩耗度合いを表し、ＺはベストフィットラインＢＦＬ  とＭＡＸ  点の距離の管軸方向の距離（μｍ）で異物付着を表す指標である。
また、図７に示すようなプレミアムジョイントのシール部付近に異物が付着して測定精度を損なうおそれがある。すなわち、シール部に異物付着があるとシール径ＤＳ  が実際よりも大きく測定されて外径変化量ｒが小さくなり、一方管端基準径ＤＢ  の付近に異物付着があると外径変化量ｒが大きくなる傾向があることが知られている。そこで、異物付着のチェックを行うために、前出図７に示したように、各測定毎に４つの測定方向の外径変化量ｒ１  ，ｒ２  ，ｒ３  ，ｒ４  を比較し、その最大値ｒＭＡＸ  と最小値ｒＭＩＮ  の差Ｗを下記（５）  式で演算する。
【００２５】
Ｗ＝｜ｒＭＡＸ  −ｒＭＩＮ  ｜                          ………………（５）
そして、この差Ｗが許容値（例えば０．１０μｍ）を超えた場合、シール部付近に異物が付着したとみなして、警報を発するようにするのである。
なお、上記の説明において、光源ランプと受光素子を組み合わせたものを４組用いるとして説明したが、本発明はこれに限るものではなく、少なくとも１組を用いることによって実現することが可能である。
【００２６】
【実施例】
本発明法を用いてラウンドねじのリードＬを測定したときの測定値の接触式センサでの測定値（基準値）との差の平均およびその標準偏差を表２に示した。このとき、光源ランプ１１ａ〜１１ｄにはハロゲンランプを用い、受光素子１２ａ〜１２ｄにはＣＣＤカメラを用いた。なお、比較のために、従来の光学式センサでのそれぞれのデータも併せて示した。
【００２７】
【表２】
0003552440.tif 000004
【００２８】
この表からわかるように、測定値の差の平均が従来法に比較して１／３と大きく減少しており、測定誤差の軽減に寄与することは明らかである。
なお、上記の実施例ではラウンドねじのリード測定について述べたが、本発明はそれに限るものではなく、バットレスねじやその他のプレミアムジョイントねじなどのテーパやねじ山高さ、シール部外径などの測定にも用いることができることはいうまでもない。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、従来の接触式センサで実施されているねじ要素測定方法を光学式センサに取り入れて、ねじ形状に例えばリードゲージのコンタクトチップを仮想的に内接させた状態をソフトウェア内でつくり出してリードやテーパ等のねじ要素を求めるようにしたので、光学式センサを用いても誤差の少ない測定を行うことができる。また、ＡＰＩ規格ねじばかりでなく、特殊なプレミアムジョイントねじ等のねじ要素を測定することができるから、検査作業の効率化や省力化を実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の全体構成を示す概要図である。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視正面図である。
【図３】本発明に用いられる管端位置検出器の概要図である。
【図４】本発明によるねじ要素の測定例の説明図である。
【図５】本発明によるねじ形状の測定例の説明図である。
【図６】本発明での管端位置の測定誤差の説明図である。
【図７】本発明での外径変化量の説明図である。
【図８】従来法によるねじ要素での（ａ）  リード、（ｂ）  テーパの測定原理の説明図である。
【図９】従来法によるラウンドねじのねじ部のリード測定の説明図である。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ  ねじ谷
２  コンタクトチップ
２Ａ  コンタクトチップのイメージ
３ａ，３ｂ  弦
４ａ，４ｂ  中心線
５  ねじ部
１０  光学式センサ（光学式ねじ形状検査装置）
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ  光源ランプ
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ  受光素子
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ  第１のレンズ
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ  第２のレンズ
１５ａ，１５ｂ  位置検出器
１６  管端位置検出器
１７    ピース
１８    光学装置
２０  演算処理装置
３０  計算機
４０  ディスプレイ装置
５０  プリンタ
６１  昇降装置
６２  駆動装置
Ｌ  リード
Ｔ  テーパ
【図１】
0003552440.tif 000005
【図２】
0003552440.tif 000006
【図３】
0003552440.tif 000007
【図４】
0003552440.tif 000008
【図５】
0003552440.tif 000009
【図６】
0003552440.tif 000010
【図７】
0003552440.tif 000011
【図８】
0003552440.tif 000012
【図９】
0003552440.tif 000013