(57)【要約】【課題】対向する配管端部の相対的な位置関係を、作業環境によらず迅速に計測することができる配管開口部の位置計測装置及び位置計測方法を提供する。【解決手段】対向する配管１２、１４の配管開口部の相対的な位置関係を把握する配管開口部の位置計測装置１０であって、一方の配管１２開口部の配管端面に設けられ、前記一方の配管の軸心と同一方向にレーザを射出するように固定されたレーザ距離計２０と、他方の配管１４開口部の配管端面に設けられ、前記レーザを反射面で反射する反射ターゲット４０と、からなるユニットが少なくとも３組設けられ、前記反射ターゲット４０には、前記他方の配管端面に平行であって前記レーザが垂直に入射する垂直反射面と、前記レーザがある角度で入射する傾斜反射面と、を含み、前記レーザ距離計２０と前記垂直反射面及び前記傾斜反射面の２つの反射面との距離を計測する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する配管の配管開口部の相対的な位置関係を把握する配管開口部の位置計測装置であって、
一方の配管開口部の配管端面に設けられ、前記一方の配管の軸心と同一方向にレーザを射出するように固定されたレーザ距離計と、他方の配管開口部の配管端面に設けられ、前記レーザを反射面で反射する反射ターゲットと、からなるユニットが少なくとも３組設けられ、
前記反射ターゲットには、前記他方の配管端面に平行であって前記レーザが垂直に入射する垂直反射面と、前記レーザがある角度で入射する傾斜反射面と、を含み、
前記レーザ距離計と前記垂直反射面及び前記傾斜反射面の２つの反射面との距離を計測することを特徴とする配管開口部の位置計測装置。
【請求項２】
前記レーザ距離計には、前記一方の配管の半径方向に一定距離伸縮可能な伸縮機構を持ち、
前記反射ターゲットには、前記垂直反射面と、前記傾斜反射面と、が前記他方の配管の半径方向に直列に配置される構造を持つことを特徴とする請求項１に記載の配管開口部の位置計測装置。
【請求項３】
前記反射ターゲットには、１つの反射面が傾斜することで前記垂直反射面と前記傾斜反射面とする傾斜機構を備えることを特徴とする請求項１に記載の配管開口部の位置計測装置。
【請求項４】
前記レーザ距離計は、それぞれが前記一方の配管円周に沿って略均等な間隔で設置され、前記反射ターゲットは、それぞれが前記他方の配管であって、前記レーザが当たる位置に設けられることを特徴とする請求項１〜３の何れか１に記載の配管開口部の位置計測装置。
【請求項５】
請求項２に記載の配管開口部の位置計測装置を用いる位置計測方法であって、
前記少なくとも３組のユニットにおいて、前記レーザ距離計の半径方向への伸縮機構を伸縮させることで前記２つの反射面までの距離差を求め、
その距離差から、対向する配管の配管開口部の段違いの量及びその方向を検出することを特徴とする配管開口部の位置計測方法。
【請求項６】
請求項３に記載の配管開口部の位置計測装置を用いる位置計測方法であって、
前記少なくとも３組のユニットにおいて、前記反射ターゲットの傾斜機構で傾斜させることで、傾斜前と傾斜後とでの前記反射面までの距離差を求め、
その距離差から、対向する配管の配管開口部の段違いの量及びその方向を検出することを特徴とする配管開口部の位置計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は配管開口部の位置計測装置及び位置計測方法に係り、特に、対向する配管の配管開口部の相対的な位置関係を把握する配管開口部の位置計測装置及び位置計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電設備あるいはその他プラント設備の建設等における配管敷設工事では、異なる方向から取り回されてきた配管の間に機器（例えば伸縮継手など）あるいは配管を接続するために、対向する配管開口部の位置をジャッキ装置などで調節して位置ずれや面間距離を許容される据付誤差範囲内に収める必要がある。
【０００３】
対向する配管開口部の相対的なずれ量や面の傾きを計測する従来方法としては、光波距離計と２軸の雲台を組み合わせたトータルステーションなどの既存の三次元計測装置を用いる方法が挙げられる。
【０００４】
また、橋のたわみ量の計測ではあるが、レーザ距離計と距離計のレーザ射出方向に対して傾斜した面で反射する手法を用いた計測技術として特許文献１がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＷＯ０６／０１１３８６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、対向する配管の配管開口部の相対的な位置関係を把握して位置合せを行う場合には、ジャッキ装置などによる位置調整のために、開口部の相対的位置関係を把握する必要がある。
【０００７】
トータルステーションを用いて一端面あたり３箇所以上の計測を行えば、配管端面を三次元空間上の円として表現できることから、対向する開口部の軸心ずれ等を評価できる。しかしながら、トータルステーションは、計測点に設置した反射ターゲットを視準する作業が必要なため、計測者の技量にもよるが、一般に計測に時間を要する（例えば１点当り１分程度を要する）という問題があった。そのため、ジャッキ操作後の位置関係の確認、次の移動方向及び移動量の評価が作業時間の律速要因となってしまう。また、トータルステーションは全ての計測点を見渡せる箇所に設置しなければならないことから、狭隘部などでの配管の位置合せ作業において、しばしば適用が困難な場合がある。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、対向する配管端部の相対的な位置関係を、作業環境によらず迅速に計測することができる配管開口部の位置計測装置及び位置計測方法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】
【０００９】
本発明は、前記目的を達成するために、対向する配管の配管開口部の相対的な位置関係を把握する配管開口部の位置計測装置であって、一方の配管開口部の配管端面に設けられ、前記一方の配管の軸心と同一方向にレーザを射出するように固定されたレーザ距離計と、他方の配管開口部の配管端面に設けられ、前記レーザを反射面で反射する反射ターゲットと、からなるユニットが少なくとも３組設けられ、前記反射ターゲットには、前記他方の配管端面に平行であって前記レーザが垂直に入射する垂直反射面と、前記レーザがある角度で入射する傾斜反射面と、を含み、前記レーザ距離計と前記垂直反射面及び前記傾斜反射面の２つの反射面との距離を計測することを特徴とする。
【００１０】
配管開口部の位置ずれを評価するためには、単純な距離計測の他に、対向する配管の段違い量を把握する必要がある。そこで、本発明に係るレーザ距離計と反射ターゲットとの間の距離を２点計測するための垂直反射面及び傾斜反射面の２つの反射面が必要となる。そのレーザ距離計と反射ターゲットとのユニットを少なくとも３組備えることで、対向する配管の面間距離及び軸心のズレの情報を得ることができる。
【００１１】
本発明によれば、トータルステーションなどの三次元計測装置によるダクト端面形状計測において問題となった、計測装置操作のスキルを不要とし、ジャッキアップによるダクト位置補正作業に必要な面間距離及び軸心のズレの情報をリアルタイムに近いかたちで得ることができる。また、計測装置を直接ダクト開口部に取り付けるため、トータルステーションなどによる離れた位置からの計測で問題となる懸念があった障害物による干渉も問題ない。
【００１２】
したがって、対向する配管端部の相対的な位置関係を、作業環境によらず迅速に計測することができる配管開口部の位置計測装置を提供することができる。
【００１３】
本発明において、前記レーザ距離計には、前記一方の配管の半径方向に一定距離伸縮可能な伸縮機構を持ち、前記反射ターゲットには、前記垂直反射面と、前記傾斜反射面と、が前記他方の配管の半径方向に直列に配置される構造を持つことが好ましい。この場合には、前記少なくとも３組のユニットにおいて、前記反射ターゲットの傾斜機構で傾斜させることで、傾斜前と傾斜後とでの前記反射面までの距離差を求め、その距離差から、対向する配管の配管開口部の段違いの量及びその方向を検出する。
【００１４】
または、前記反射ターゲットには、１つの反射面が傾斜することで前記垂直反射面と前記傾斜反射面とする傾斜機構を備えることが好ましい。この場合には、前記少なくとも３組のユニットにおいて、前記レーザ距離計の半径方向への伸縮機構を伸縮させることで前記２つの反射面までの距離差を求め、その距離差から段違いの量およびその方向を検出する。
【００１５】
これらのように、２つの反射面までの距離を求めることで、対向する配管の距離、段違い量、軸心のズレを好適に計測することができる。
【００１６】
本発明において、前記レーザ距離計は、それぞれが前記一方の配管円周に沿って略均等な間隔で設置され、前記反射ターゲットは、それぞれが前記他方の配管であって、前記レーザが当たる位置に設けられることが好ましい。
【００１７】
このように、少なくとも３組備えたユニットのレーザ距離計及び反射ターゲットが略均等の間隔で設置されていることで、更に好適に、対向する配管の距離、段違い量、軸心のズレを計測することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の配管開口部の位置計測装置及び位置計測方法によれば、対向する配管端部の相対的な位置関係を、作業環境によらず迅速に計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る配管開口部の位置計測装置を示す図
【図２】本発明に係る配管開口部の位置計測装置の反射ターゲットの一例を示す図
【図３】本発明に係る配管開口部の位置計測装置のレーザ距離計と反射ターゲットとの一例を示す図
【図４】本発明に係る配管開口部の位置計測装置の構成を示す図
【図５】本発明に係る配管開口部の位置計測装置の動作を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付図面に従って本実施の形態に係る配管開口部の位置計測装置の好ましい実施の形態について詳説する。
【００２１】
図１は、本実施の形態に係る配管開口部の位置計測装置の一例を示す図である。
【００２２】
本実施の形態では、レーザ距離計２０を、対向する配管１２の開口部の一方の端面に少なくとも３台取り付け、反対側の配管１４の端面に反射ターゲット４０を設ける装置構成としている。なお、図１では、１台のレーザ距離計について図示しているが、他のレーザ距離計についても同様である。ここで、レーザ距離計の測長時間は一般に数秒であり、レーザ距離計２０と反射ターゲット４０とを配管に直接取り付けることで、トータルステーションによる計測で問題となった計測時間及び計測装置設置場所の問題を解消する。
【００２３】
図１に示すように、配管１２の軸心と同一方向にレーザを射出するように固定されたレーザ距離計２０と、配管１４に設けられたレーザを反射面で反射する反射ターゲット４０と、で位置計測を行う。なお、レーザ距離計２０と反射ターゲット４０は、それぞれ固定ジグ２２、４２で配管１２、１４に固定されている。
【００２４】
配管開口部の位置ずれを評価するためには、先ず、図１（Ａ）に示すように、反射ターゲット４０の反射面４１でレーザを反射させ、レーザ距離計２０から反射面４１までの距離Ｌの計測を行う。次に、配管１２と配管１４の段違い量ａを把握する必要がある。そこで、図１（Ｂ）に示すように、反射ターゲット４０の反射面４１を所定の角度θ傾斜させて、傾斜した反射面４１でレーザを反射させ、レーザ距離計２０から反射面４１までの距離Ｌ’の計測を行う。なお、反射面４１を傾斜させる角度θは、例えば、３０°が好ましい。これにより、段違い量ａは、（Ｌ−Ｌ’）／ｔａｎθで求められる。
【００２５】
なお、本実施の形態の場合においては、配管１２と配管１４とに段違いがないときには、図１（ｃ）に示すように、反射面４１を用いた測距値が傾斜前と傾斜後とで等しくなるようにしておく。これにより、測距差（Ｌ−Ｌ’）と反射面の傾斜角度θから、段違いの量と方向が三角関数で求めることができる。
【００２６】
上記のようなレーザ距離計２０と反射ターゲット４０とからなるユニットが少なくとも３組設けられていることで、対向する配管１２と配管１４との距離、段違い量、軸心のズレを好適に計測することができる。
【００２７】
ここで、反射ターゲット４０の反射面４１を傾斜させるためには、反射ターゲットには反射面を傾斜させる傾斜機構を持つ。図２は、反射ターゲットの構造の一例を示したものである。本実施の形態では、配管１４のフランジ１４’にあるボルト穴に固定ジグ４２で固定している。反射ターゲット４０には、反射面４１を自動又は手動で傾斜可能な傾斜機構４４を備えている。
【００２８】
図３は、他の本実施の形態を示したものである。図３（ａ）はレーザ距離計２０、図３（ｂ）は反射ターゲット４０を示しており、左に側面図、右に正面図を示している。
【００２９】
レーザ距離計２０には、距離計位置決め用のリニアアクチュエータ２４、配管への取付け用磁石２６とそれらを固定するフレーム２８で構成される。磁石は正面についたレバー２７で磁力の入／切ができる永久磁石、または電磁石など自重を支える吸着力が得られればどのようなものでもよい。但し、磁石２６の下面は、レーザ距離計２０のレーザを配管１２軸心方向に正確に射出させるために谷型形状にし、両端のエッジの部分で配管１２と接する構造が望ましい。
【００３０】
そして、レーザ距離計２０は、リニアアクチュエータ２４の移動テーブル２５に固定され、移動テーブル２５はモータを駆動力として図示しないボールねじ等によって上下方向に精密に移動可能となっている。
【００３１】
また、リニアアクチュエータ２４によるレーザ距離計２０の移動範囲は、下記の反射ターゲット４０とレーザ距離計２０を同一平面上に設置したときに、配管端面に平行な（垂直）反射面４１ａと、配管端面に対してある角度をなす（傾斜）反射面４１ｂと、のそれぞれ中心部分にレーザが当たるよう正確に調整される必要がある。
【００３２】
反射ターゲット４０は、配管１４端面に平行な反射面４１ａ、配管１４端面に対してある角度をなす反射面４１ｂ、配管１４への取付け用磁石４６、それらを固定するフレーム４８で構成される。磁石については計測装置と同様である。反射ターゲット４０は上半分がレーザに対して平面な反射面４１ａ、下半分がレーザに対して傾斜した反射面４１ｂとなっており、レーザの反射が良好な材質を用いる必要がある。反射面の表面に反射シートを貼っても良い。
【００３３】
反射面４１ｂの傾斜角度は、図３においては３０°としているが、レーザの反射が良好であればこれ以上でもこれ以下でも良い。反射面４１ｂの中心線は、反射面４１ａと同じ平面内にあるよう正確に加工される必要がある。
【００３４】
図４に本実施の形態の位置計測装置のシステム全体構成の一例を示す。なお、図４において、図３に示したレーザ距離計２０と反射ターゲット４０を示しているがこの限りではない。
【００３５】
図３に示したレーザ距離計２０は、対向する配管１２開口部の一方の円周上に等間隔、あるいは既知の間隔で取り付けられている。そして、反射ターゲット４０は他方の配管１４開口部の円周上に取り付けられている。レーザ距離計２０はＩ／Ｆ（インターフェース）６０を介して演算装置６２へ接続されており、レーザ距離計の制御（計測指令、計測結果の取込み）と、リニアアクチュエータ２４の動作指令信号を送受信する。演算装置６２では、レーザ距離計２０の測定結果をもとに演算処理を実施し、結果を表示する。
【００３６】
図５に本実施の形態の位置計測装置のシステムの動作フローの一例を示す。動作フローを具体的に説明する。
（１）反射面４１ａでの計測（ステップ１０２）
演算装置６２を操作し、レーザ距離計２０のリニアアクチュエータ２４を駆動させ、レーザ距離計２０を反射面４１ａの測定位置に移動させる。レーザ距離計２０の移動完了後、測距を実行し、結果を演算装置６２に取り込む。
（２）反射面４１ｂでの計測（ステップ１０４）
演算装置６２を操作し、レーザ距離計２０のリニアアクチュエータ２４を駆動させ、レーザ距離計２０を反射面４１ｂの測定位置に移動させる。レーザ距離計２０の移動完了後、測距を実行し、結果を演算装置６２に取り込む。
（３）演算処理（ステップ１０６）
上記の反射面４１ａ及び反射面４１ｂの測距値を用いて、各計測点での配管端面の段違い量ａを計算する。
【００３７】
ａ(ｉ) ＝ { Ｌ(ｉ)−Ｌ'(ｉ) } ／ ｔａｎθ ＝ ΔＬ(ｉ) ／ ｔａｎθ
(レーザ距離計と反射ターゲットとからなるユニットが３組の場合、ｉ＝１,２,３)
但し、ａ(ｉ)：段違い量、Ｌ(ｉ)：平面ターゲットの測距値、Ｌ'(ｉ)：傾斜ターゲットの測距値、ΔＬ(ｉ)：平面ターゲットと傾斜ターゲットの測距差、θ：傾斜ターゲットの傾斜角度。
【００３８】
上記計測結果を用いて距離計設置側配管端面に対する反射ターゲット側配管端面の相対的な位置関係を三次元的に表す。
【００３９】
まず、レーザ距離計２０が備えられた配管１２の端面中心を原点とし、その端面をｘ−ｙ平面、原点をｘ−ｙ平面に垂直なベクトルをｚ軸とする座標系を設定する。
【００４０】
配管１２中心からレーザ距離計２０の測距部までの高さをｒ、レーザ距離計のある１台（距離計１と記す）を基準としたときの、他のレーザ距離計（距離計２、距離計３と記す）の取り付け角度をθ1、θ２とおくと、距離計１〜３の設置位置座標Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３は、例えば以下の式で表される。
【００４１】
距離計１の設置位置座標Ｋ１＝（ｘ１、ｙ１、０）＝（０、ｒ、０）
距離計２の設置位置座標Ｋ２＝（ｘ２、ｙ２、０）＝ −ｒ×（ｃｏｓθ１、ｓｉｎθ１、０）
距離計３の設置位置座標Ｋ３＝（ｘ２、ｙ２、０）＝−ｒ×（ｃｏｓθ２、ｓｉｎθ２、０）
但し  θ1＜θ２  とする。
【００４２】
また、反射面４１ａでの測距結果Ｌ(ｉ)を用いると、反射面４１ａ設置位置座標は以下の式で表される。なお、距離計１に対向する反射面４１ａをターゲット１、距離計２に対向する反射面４１ａをターゲット２、距離計３に対向する反射面４１ａをターゲット３と記す。
【００４３】
ターゲット１の設置位置座標Ｔ１＝（ｘ１、ｙ１、Ｌ(１) ）
ターゲット２の設置位置座標Ｔ２＝（ｘ２、ｙ２、Ｌ(２) ）
ターゲット３の設置位置座標Ｔ３＝（ｘ３、ｙ３、Ｌ(３) ）
よって、ターゲット側配管の端面を含む平面の法線ベクトルＶは、以下となる。
【００４４】
Ｖ＝（Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚ）
＝(Ｔ３−Ｔ１)×(Ｔ２−Ｔ１)／｜(Ｔ３−Ｔ１)×(Ｔ２−Ｔ１)｜
ターゲット側配管端面の中心座標値（ｘ０、ｙ０、ｚ０）は、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３を含む平面上にあり、且つ、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３からのそれぞれの距離がｒ＋ａ(１)、ｒ＋ａ(２)、ｒ＋ａ(３)を満たす位置である。よって、中心座標値（ｘ０、ｙ０、ｚ０）は下記式を満たす。
【００４５】
(ｘ１−ｘ０)２＋(ｙ１−ｙ０)２＋(ｚ１−ｚ０)２＝(ｒ＋ａ(１))２
(ｘ２−ｘ０)２＋(ｙ２−ｙ０)２＋(ｚ２−ｚ０)２＝(ｒ＋ａ(２))２
(ｘ３−ｘ０)２＋(ｙ３−ｙ０)２＋(ｚ３−ｚ０)２＝(ｒ＋ａ(３))２
さらに下記の平面の方程式も同時に満たす。
【００４６】
Ｖｘ×ｘ０＋Ｖｙ×ｙ０＋Ｖｚ×ｚ０＋Ｄ＝０
但し、Ｄは平面の方程式の定数。
【００４７】
なお、距離計の計測誤差等のために上記方程式を全て満足する一意な解が得られない場合は、最小二乗法を用いるなどして最適な中心座標の近似解を求める。
（４）結果表示（ステップ１０８）
演算処理（ステップ１０６）での演算処理結果（面間距離、段違い量、軸心位置のずれ）を演算装置６２に表示する。
【００４８】
以上によって、配管１２と配管１４との軸心のズレ量を把握することができる。
【００４９】
本発明によれば、トータルステーションなどの三次元計測装置によるダクト端面形状計測において問題となった、計測装置操作のスキルを不要とし、ジャッキアップによるダクト位置補正作業に必要な面間距離及び軸心のズレの情報をリアルタイムに近いかたちで得ることができる。また、計測装置を直接ダクト開口部に取り付けるため、トータルステーションなどによる離れた位置からの計測で問題となる懸念があった障害物による干渉も問題ない。
【符号の説明】
【００５０】
１０…配管開口部の位置計測装置、１２…配管（レーザ距離計側）、１４…配管（反射ターゲット側）、２０…レーザ距離計、２２…固定ジグ、２４…リニアアクチュエータ、２５…移動テーブル、２６…磁石、２８…フレーム部分、４０…反射ターゲット、４１…反射面、４１ａ…反射面（垂直反射面）、４１ｂ…反射面（傾斜反射面）、４２…固定ジグ、４４…傾斜機構、４６…磁石、４８…フレーム、６０…Ｉ／Ｆ、６２…演算装置
【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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