(57)【要約】【課題】断面外径が円形の計測対象物の真円度をリアルタイムで計測できる真円度計測システムを提供すること。【解決手段】  断面外形が円形の連続的に移動する計測対象物Ｔの表面に、移動方向Ｐに対して直角な方向に線状の光を照射する光源Ｕ１ａ〜Ｕ４ａと、前記測定対象物Ｔにおける前記光の照射領域を、前記搬送方向Ｐに対して直角で無い角度方向から撮像する撮像手段とＵ１ｂ〜Ｕ４ｂ、前記各撮像手段Ｕ１ｂ〜Ｕ４ｂからの画像情報に基づいて、前記計測対象物Ｔの断面外形の真円度を計算する計算手段Ｃを備え、前記光源Ｕ１ａ〜Ｕ４ａと撮像手段Ｕ１ｂ〜Ｕ４ｂとが少なくとも２組設けられ、これら２組の光源Ｕ１ａ〜Ｕ４ａと撮像手段Ｕ１ｂ〜Ｕ４ｂは前記計測対象物Ｔの移動方向Ｐの上流から下流に向かう方向から見た場合に、前記測定対象物Ｔの中心軸に関して相互に等角度間隔に配置されている。【選択図】図１
2012093268.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面外形が円形の連続的に移動する計測対象物の表面に、移動方向に対して直角な方向に線状の光を照射する光源と、
前記測定対象物における前記光の照射領域を、前記搬送方向に対して直角で無い角度方向から撮像する撮像手段と、
前記各撮像手段からの画像情報に基づいて、前記計測対象物の断面外形の真円度を計算する計算手段を備え、
前記光源と撮像手段とが少なくとも２組設けられ、これら２組の光源と撮像手段は前記計測対象物の移動方向の上流から下流に向かう方向から見た場合に、前記測定対象物の中心軸に関して相互に等角度間隔に配置されている、ことを特徴とする真円度計測システム。
【請求項２】
前記光源と撮像手段は４組設けられており、相互に９０°の角度間隔で配置されていることを特徴とする請求項１に記載の真円度計測システム。
【請求項３】
前記光源と撮像手段の各組は、前記移動方向に沿って相互の所定距離だけ隔てて配置されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の真円度計測システム。
【請求項４】
前記計算手段は、各撮像手段から得られた画像情報から部分円形状を算出し、この部分円形状を結合して円形状を算出し、この算出された円形状に基づいて真円度を決定する、各機能を有することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の真円度計測システム。
【請求項５】
前記計算手段が、前記円形状の算出に当たり、前記各部分円形状を所定の二次元座標系にプロットすると共に、前記部分円形状における各点の座標値に基づいて部分円形状の平均曲率半径を算出し、前記平均曲率半径に基づいて各部分円形状の各中心点座標を算出し、算出された各中心点座標を整合させることで円形状を算出する機能を有することを特徴とする請求項４に記載の真円度計測システム。
【請求項６】
請求項１〜５に記載の真円度計測システムと、
前記真円度計測システムの上流側に配置されて前記測定対象物を製造する造管機とを備える造管装置であって、
前記造管機は、前記真円度計測システムによって計算された真円度情報に基づき成形条件を修正する成形条件修正機能を有する、ことを特徴とする造管装置。
【請求項７】
前記成形条件修正機構は、前記造管機に装備されている成型金型の位置を修正することにより行われることを特徴とする、請求項６に記載の造管装置。
【請求項８】
前記成形金型は、前記計測対象物を上下方向、左右方向、上下左右方向、斜め４５°方向から狭持することを特徴とする、請求項７に記載の造管装置。
【請求項９】
前記成形金型は、前記計測対象物の中心軸に関して回転するような位置修正が可能であることを特徴とする、請求項７又は８に記載の造管装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真円度計測システムおよびこれを備えた造管装置に係り、特に、断面の外形が円形の部材の真円度を計測するシステムおよびこれを用いて造管時の加工条件を変更できる造管装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業界において、断面外形が精密に円形の部材（長尺部材）に関する要望がある。例えば、プリンタ等で使用されるローラの素材は、現在中実の鉄棒が主に使用されている。但し、加工時の省エネルギー化、省資源化などの観点から、中実の鉄棒から中空パイプへの置換の要望がある。このため、板状の金属素材を円形に成形するチューブミルラインによる造管装置で中空パイプ状のローラを作成することが考えられる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、プリンタ等で使用されるローラに求められる精度は非常に高い（真円度2/100ミリ以内）のに対し、一般的なチューブミルラインによる成形では、ここまでの精度を実現することは事実上不可能である。このため、特に長尺のパイプ状部材の全長にわたる真円度の精密計測システムおよび真円度向上が可能な造管装置を実現する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題に鑑みて、本発明は、断面外形が円形の連続的に移動する計測対象物の表面に、移動方向に対して直角な方向に線状の光を照射する光源と、前記測定対象物における前記光の照射領域を、前記搬送方向に対して直角で無い角度方向から撮像する撮像手段と、前記各撮像手段からの画像情報に基づいて、前記計測対象物の断面外形の真円度を計算する計算手段を備え、前記光源と撮像手段とが少なくとも２組設けられ、これら２組の光源と撮像手段は前記計測対象物の移動方向の上流から下流に向かう方向から見た場合に、前記測定対象物の中心軸に関して相互に等角度間隔に配置されている。以上のような構成をとることにより、リアルタイムで計測対象物の全周にわたる円形状を計測することができる。
【０００５】
また、本発明は、前記光源と撮像手段は４組設けられており、相互に９０°の角度間隔で配置されている、という構成を採っている。
【０００６】
また、本発明は、前記光源と撮像手段の各組は、前記移動方向に沿って相互の所定距離だけ隔てて配置されている、という構成を採っている。
【０００７】
また、本発明は、前記計算手段は、各撮像手段から得られた画像情報から部分円形状を算出し、この部分円形状を結合して円形状を算出し、この算出された円形状に基づいて真円度を決定する、各機能を有する、という構成を採っている。
【０００８】
また、本発明は、前記計算手段が、前記円形状の算出に当たり、前記各部分円形状を所定の二次元座標系にプロットすると共に、前記部分円形状における各点の座標値に基づいて部分円形状の平均曲率半径を算出し、前記平均曲率半径に基づいて各部分円形状の各中心点座標を算出し、算出された各中心点座標を整合させることで円形状を算出する機能を有する、という構成を採っている。
【０００９】
また、本発明は、上記真円度計測システムと、前記真円度計測システムの上流側に配置されて前記測定対象物を製造する造管機とを備える造管装置であって、前記造管機は、前記真円度計測システムによって計算された真円度情報に基づき成形条件を修正する成形条件修正機能を有する、という構成を採っている。このような構成を採ることで、真円度計測システムによって計算された真円度情報に基づき、より真円度を高めるために成形条件をリアルタイムで修正することができる、という構成を採っている。
【００１０】
また、本発明は、前記成形条件修正機構は、前記造管機に装備されている成型金型の位置を修正することにより行われる、という構成を採っている。
また、本発明は、前記成形金型は、前記計測対象物を上下方向、左右方向、上下左右方向、斜め４５°方向から狭持する、という構成を採っている。
更に、本発明は、前記成形金型は、前記計測対象物の中心軸に関して回転するような位置修正が可能である、という構成を採っている。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係る真円度計測システムの概略斜視図である。
【図２】４つの光学ユニットから得られた部分楕円状計上から円形状を算出ことを説明する説明図である。
【図３】第１組の光学ユニットと、これによって得られる画像情報を示す概略図である。
【図４】各撮像手段による画像情報に基づいて算出された部分円形状を示す図である。
【図５】図４に開示した各部分円形状におけるそれぞれの角度位置での曲率半径の変動を示す図である。
【図６】真円度の定義を説明する図である。
【図７】本発明の真円度計測システムを備える造管装置を示す図であり、図７（Ａ）は平面図を示し、図７（Ｂ）は側面図を示し、図７（Ｃ）は真円度を高めるためのサイジング工程を説明する図であり、図７（Ｄ）は溶接工程を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、図面を参照しながら、本願発明の一実施形態に係る真円度計測システムについて説明する。
【００１３】
［全体概要］
図１は、本実施形態に係る真円度計測システム１の全体概要図である。この図において、測定対象物Ｔは円形パイプであり、図の左方から右方に向かう方向（図中の矢印Ｐ方向）に連続的に移動している。すなわち、この真円度計測システム１の上流側に造管機が配置されている。
【００１４】
この真円度計測システム１は、４組の光学ユニットＵ１〜Ｕ４と、各光学ユニットＵ１〜Ｕ４から出力される画像情報を受け取って真円度を計算する計算手段Ｃ、具体的にはコンピュータとを備えている。各光学ユニットＵ１〜Ｕ４は、計測対象物Ｔの表面に向けて線状光を出力する光源Ｕ１ａ〜Ｕ４ａと、計測対象物Ｔの表面から反射する光を撮像する撮像手段Ｕ１ｂ〜Ｕ４ｂとを備えている。ここで、光源Ｕ１ａ〜Ｕ４ａはレーザ光源であり、撮像手段Ｕ１ｂ〜Ｕ４ｂはＣＣＤカメラである。ただし、光源Ｕ１ａ〜Ｕ４ａや撮像手段Ｕ１ｂ〜Ｕ４ｂはこれらに限定されるものではない。
【００１５】
［光源］
次に、光源Ｕ１ａ〜Ｕ４ａについて詳しく説明する。上記したように、光源Ｕ１ａ〜Ｕ４ａはレーザ光を出力するものである。実際に出力されるレーザ光は扇状であるが、計測対象物Ｔに照射された場合には線状となる。ここで、レーザ光は計測対象物Ｔの断面を切断するような方向に向けられる。すなわち、レーザ光の光軸が計測対象物Ｔの移動方向Ｐに対して直角で且つ線状光の長手方向も計測対象物Ｔの移動方向Ｐと直角となるような向きとなっている。図１におけるＸ，Ｙ，Ｚ軸座標系を用いて説明すると、例えば第１組の光学ユニットＵ１の光源Ｕ１ａの光軸はＺ軸と平行になっており、線状光の長手方向がＹ軸と平行になっている。このような光源Ｕ１ａの設定を用いて計測対象物Ｔの外形を計測する技術を光切断法という。
【００１６】
［撮像手段］
次に、撮像手段Ｕ１ｂ〜Ｕ４ｂについて説明する。撮像手段Ｕ１ｂ〜Ｕ４ｂはＣＣＤカメラであり、レーザ光が照射されている領域を画像として撮像できるものである。撮像手段Ｕ１ｂ〜Ｕ４ｂの光軸は、光源Ｕ１ａ〜Ｕ４ａの光軸から計測対象物Ｔの移動方向Ｐに向かってα°（４５°）傾いた角度位置となるように配置されている。すなわち、計測対象物Ｔの表面に形成される線状光を斜め４５°の方向から撮像するような位置関係となっている。光源Ｕ１ａ〜Ｕ４ａと同様に、図１におけるＸ，Ｙ，Ｚ座標系を用いて説明すると、第１組の光学ユニットＵ１の撮像手段Ｕ１ｂの光軸は、Ｚ軸からＸ軸に向かって４５°傾いた角度位置にあり、且つＸ軸と平行になっている。このような光学ユニットＵ１を用いて計測対象物Ｔを撮像した場合、撮像手段Ｕ１ｂでは図２に示すような部分楕円の反射光画像を撮像することができる。
【００１７】
［他の光学ユニット］
その他の光学ユニットＵ２〜Ｕ４も、第１組の光学ユニットＵ１と基本構造は同じである。ただし、第２組の光学ユニットＵ２の光源Ｕ２ａの光軸はＹ軸と平行で、第３組の光学ユニットＵ３の光源Ｕ３ａの光軸はＺ軸と平行で第１組の光軸と反対方向、さらに第４組の光学ユニットＵ４の光源Ｕ４ａの光軸はＹ軸と平行で第２組の光学ユニットＵ２の光源Ｕ２ａの光軸と反対方向となっている。すなわち、各光学ユニットＵ１〜Ｕ４は、円管である計測対象物Ｔを異なる角度位置の４方向から撮像するような構造となっており、計測対象物Ｔの全表面の計測が可能となる。なお、本実施形態では、各組の光学ユニットＵ１〜Ｕ４の配置上の制限に起因し、第１組の光学ユニットＵ１から第４組の光学ユニットＵ４まで、順に計測対象物Ｔの上流側から下流側に向かって所定間隔で相互に離間して配置されている。このため、特定の断面における真円度を計測するために、各光学ユニットＵ１〜Ｕ４での計測結果を計測対象物Ｔの移動に合わせて同期させる必要がある。なお、この点の詳細は後述する。
【００１８】
上記した実施形態では、４組の光学ユニットＵ１〜Ｕ４を用いているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、理論的には、２組の光学ユニットを用いて、計測対象物に対して上下方向あるいは左右方向の２か所から光を照射し、撮像手段で２つの画像を撮像するような構成でも、ある程度の真円度を計測することは可能である。この場合、２組の光学ユニットは相互に１８０°隔てた角度位置に配置される。しかし、特に画像の部分円形状における両端近傍には誤差が多く含まれているおそれもあるので、この誤差を打ち消すような補正計算処理が必要になる。また、３組の光学ユニットを用いる場合には、相互に１２０°隔てた角度位置に光学ユニットが配置されることとなる。更には、６組の光学ユニットを用いる場合には、相互に６０°隔てた角度位置に配置される。すなわち、３６０°を等分に分割できる数であれば、光学ユニットの数は特に限定されるものではない。
【００１９】
［計算手段］
次に、真円度を計算する計算手段Ｃについて説明する。計算手段Ｃは、もっとも一般的な例としてはコンピュータである。この計算手段Ｃは、図２に示すように、各撮像手段Ｕ１ｂ〜Ｕ４ｂから送信される４つの画像情報（例えば、部分楕円形状）１１ａ〜１１ｄを受け取り、これを部分円形状のデータに変換する機能と、変換された各部分の部分円形状を合成して円形状データ１２に変換する機能とを、少なくとも有している。
【００２０】
以上のことをより詳細に説明する。図３は、第１組の光学ユニットＵ１を示す図である。この図に示すように、光源Ｕ１ａは計測対象物Ｔの上方に配置され、その光軸はＺ軸に平行となっている。一方、撮像手段Ｕ１ｂはその光軸がＸＺ平面内でＸ軸あるいはＺ軸から約４５°の角度位置となるように設置されている。そして、撮像手段Ｕ１ｂはＣＣＤイメージセンサ１３を具備しており、図のような部分楕円形状のような画像データ１１ａを取得することができる。
【００２１】
図のような画像データ１１ａが得られたら、次に画像上にＸ座標軸およびＹ座標軸を設定する。図示の例では、計測対象物の再頂部に相当する位置を原点Ｏとしている。そして、部分楕円形状の任意の点の座標値をＸｃ、Ｙｃと定義しておく。その上で、下記の数式１，２に従って部分円形に変換した場合のｙ座標値およびｚ座標値を計算する。
【００２２】
【数１】
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【００２３】
【数２】
2012093268.tif 000004
【００２４】
ここで、ｙ座標とｚ座標は、部分円形状に変換した後の座標系における各座標値であり、数式中の各パラメータの定義は以下のとおりである。
ｆ＝３５ｍｍ（レンズの焦点距離）
α＝４５°（撮像手段の光軸の角度）
ａ＝０．００５２ｍｍ
Ｈ＝１２０ｍｍ（計測対象物ＴからのＣＣＤイメージセンサの高さ）
Ｃ＝Ｈ／cosα・Ｔ／（１＋Ｔ）−ｆ
Ｔ＝倍率（ＣＣＤイメージセンサ上の寸法と実際の寸法との比）
【００２５】
以上の計算によって計測対象物の略１／４円の形状を求めることができる。そして、この形状から曲率半径を求めることができる。
【００２６】
曲率半径が求められたら、次にこの部分円形状の中心座標を求める。具体的には、部分円の各点から等距離にある点である。但し、計算された部分円形状には誤差が含まれている場合もあるので、例えば、部分円形状のうちの３点を選択して、この３点の座標値から中心座標を算出するようにしてもよい。但し、より多くの点の座標値を用いて、近似計算処理等を施すことで、より精度を高めるようにしてもよい。以上のような処理により、第１組の光学ユニットによる部分円形状とその中心に関する結果が得られる。
次に、第２組の光学ユニットＵ２による計測について説明する。第２組の光学ユニットＵ２による計測も、上記計測手法と実質的に同一である。但し、第１組の光学ユニットＵ１が計測した断面と同じ断面位置を計測する必要がある。このため、第１の光学ユニットＵ１の計測から所定時間遅らせた時点で計測を行う必要がある。具体的には、例えば、第１組と第２組の光学ユニットＵ１，Ｕ２間の距離が0.1ｍで計測対象物の搬送速度が１ｍ／秒であると仮定する。その場合、第１組の光学ユニットＵ１で計測された断面が第２組の光学ユニットＵ２まで到達するのに計算上0.1秒かかることとなる。このため、第２組の光学ユニットＵ２での計測は第１組の光学ユニットＵ１による計測から0.1秒遅れのタイミングで行う必要がある。
【００２７】
但し、実際の撮像手段Ｕ１〜Ｕ４（ＣＣＤカメラ）では、毎秒20フレーム程度の撮像が可能である。このため、第１組の光学ユニットＵ１によって撮像された20フレームのそれぞれの画像と、それぞれ0.1秒遅れで第２組の光学ユニットＵ２によって撮像された20フレームのそれぞれの対応する画像を組み合わせることで、２つの光学ユニットＵ１，Ｕ２による１秒当たり20個の断面の部分円形状のデータを取得することが可能である。そして、以上のような画像データの取得および部分円形状の計算を第３組及び第４組の光学ユニットＵ３、Ｕ４についても行う。
【００２８】
図４に、ある断面に関して得られた画像データを基に計算して得られた各部分円形状を示す。ここで、４台のカメラは、上記したように同一時刻に同一の断面位置の計測を行っている訳ではないので、カメラの三次元アライメントが難しい。特にこの問題は、計測対象物Ｔの搬送時に振動が加わるため、大きな問題となる。そのため、本実施形態では、算出された部分円形状には振動などに伴う計測対象物Ｔの相対的な位置ずれが発生するものと考え、各撮像手段Ｕ１ｂ〜Ｕ４ｂから見た絶対座標に基づいて算出した三次元位置によって最終的な断面形状を算出する代わりに、計測対象物Ｔの外形断面が常に真円であると仮定した上で、図中の各部分円形状から算出できる各点ごとの曲率半径に基づき、その平均半径を推定することにより、計測対象物Ｔの位置ずれに対するロバストな計測をおこなった。この手法に基づいて算出された半径分布を図５に示す。本実施形態で用いた計測対象物Ｔの実際の直径は9.9ｍｍであるが、図５に示されるように、部分円形状の位置によって曲率半径に変動はあるものの、概ね半径4.95ｍｍ付近の半径が推定される。
【００２９】
次に、得られた４つの部分円形状の半径分布から、連続した円形状を算出する手法について説明する。本実施形態では、(1)計測対象物Ｔの表面粗さなどによる誤差の影響を抑えるために、部分円形状の円周方向に沿って5°単位の荷重平均計算をする、(2)撮像手段Ｕ１〜Ｕ４のレンズ歪みに対する三次元位置補正処理をする、(3)算出された４つの部分円形状の位置を整合させるための連結処理をする、という手段を用いた。
【００３０】
(1)の処理については、表面粗さや微小な疵などの影響を排除するために、5°単位での曲率半径の平均値を算出することで、半径分布の推定精度を向上させている。また、(2)の処理では、光切断法に基づく三次元形状計測における計算式は、撮像手段のレンズ系がテレセントリックであることを仮定した上で、ある基準平面の高さに基づいた計算を行うものである一方で、本実施形態における計算処理では、レンズと計測対象物Ｔとの距離が短いため、テレセントリック性が仮定できず、そのことによる歪み補正を簡易的に行うために、レンズに対応した形でのルックアップテーブルを用いたオフセット補正を行った。更に、(3)の処理においては、４台の撮像手段からの画像情報に基づいて計算される４つの部分円形状が、その境界部分で不連続とならないように、断面形状の連続性を仮定することにより、それぞれの撮像手段による画像から推定される半径に対してオフセット補正を行った。
【００３１】
図６には、計測対象物Ｔの形状評価用の真円度についての定義を説明するための図が示されている。この図では、実際の計測対象物Ｔが上下方向に大きな外径を有する楕円形状になっている場合を示している。そして、計測対象物Ｔの外径目標値をＤとした場合、真円度は計測対象物Ｔの実際の外径最大値ｄmaxと外径最小値ｄminとの差として定義される。例えば、プリンタに用いられるローラーなどの場合には、直径が10〜30ｍｍ程度であり、真円度は0.05〜0.02ｍｍ程度を想定している。
【００３２】
図７は、上記した真円度計測システム１を備えた造管装置１００を示す図である。ここで、図７（Ａ）は平面図を示し、図７（Ｂ）は側面図を示し、図７（Ｃ）は真円度を高めるためのサイジング工程を説明する図であり、図７（Ｄ）は溶接工程を説明する図である。図に示すように、造管装置１００は材料の搬送方向における上流側（図中の右方）から下流側（図中の左方）へ向かって、アンコイラー１０３、フォーミングセクション１０５、溶接部１０７、クーリングセクション１０９、サイジングセクション１１１、真円度計測システム１、そして走行切断機１１３が配置されている。アンコイラー１０３は、コイル状に巻かれた帯状の金属材料を巻き戻して送り出すものであり、フォーミングセクション１０５は、帯状の金属材料をパイプ状に成形するものである。また、溶接部１０７はパイプ状にされた金属材料の合わせ目を溶接して円筒にするものであり、サイジングセクション１１１は、断面の真円度を高めるためのものである。そして、走行切断機１１３は、成形された計測対象物Ｔと同速度で移動しながら、所定の長さに切断するものである。このうち、本発明では、真円度計測システム１とサイジングセクション１１１が重要である。
【００３３】
すなわち、真円度計測システム１において、上記したような手法によって計測対象物Ｔの真円度を計測する。そして、リアルタイムで真円度に基づく修正パラメータを算出し、サイジングセクション１１１における成形金型である成形ロールの成形条件を制御するものである。具体的には、図７（Ｃ）に示されるように、計測対象物Ｔに対して上下左右の４方向から成形ロールを接触させて成形したり、あるいは水平ロールによる左右２方向および垂直ロールによる上下２方向の組合せによって成形する。このとき、各成形ロールは真円度に基づく修正パラメータによってその位置が修正されるようになっており。これにより、真円度計測システム１により得られた真円度情報から、オンラインで成形条件を動的に制御することが可能となる。ここで言う位置修正とは、各成形ロールを上下左右に移動させることの他、これらの成形ロールを計測対象物Ｔの中心軸に関して回転させるような位置修正も含む趣旨である。このため、場合によっては、４つの成形ロールが斜め４５°の方向から計測対象物を狭持するような状態も想定される。尚、真円度を高めるためには、サイジングセクション１１１の成形ロールだけではなく、フォーミングセクション１０５やその他のセクションに装備されている成形ロールも位置修正することが望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本願発明は、連続的に断面円形の長尺部材を成形する加工ラインに利用することができる。
【符号の説明】
【００３５】
１  真円度計測システム
Ｕ１〜Ｕ４  光学ユニット
Ｕ１ａ〜Ｕ４ａ  光源
Ｕ１ｂ〜Ｕ４ｂ  撮像手段
Ｃ  計算手段
１１ａ〜１１ｄ  部分楕円状画像
１２  円形状
Ｔ  計測対象物
１００  造管装置
１０３  アンコイラー
１０５  フォーミングセクション
１０７  溶接部
１０９  クーリングセクション
１１１  サイジングセクション
１１３  走行切断機
【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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