JP6098571B2 - パイプ真円度測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、外径の異なるパイプの真円度を測定することが可能なパイプ真円度測定装置に関し、特に直径が４６０ｍｍを超える大径のパイプの真円度測定に好適なものである。

このようなパイプの真円度を測定する方法としては、例えば下記特許文献１に記載されるものがある。この特許文献１に記載されるパイプ真円度測定は、アンビル固定側と寸法測定端子をパイプ外周の直径方向両端部に当接し、パイプを回転させながら寸法測定端子に接続されたデジタル表示ダイヤルゲージで寸法を測定し、その寸法変動からパイプの真円度を測定する。また、下記特許文献２に記載されるパイプ真円度測定は、パイプの軸方向端面加工機にレーザ距離計を取付け、このレーザ距離計をパイプの外周に沿って回転させることでパイプ外周との距離を検出し、その距離変動からパイプの真円度を測定する。また、下記特許文献３に記載されるパイプ真円度測定は、凸面鏡を介して、軸方向に搬送されるパイプを径方向からＣＣＤカメラで撮影し、ＣＣＤカメラの各受光素子の光の信号レベルを閾値と比較し、閾値相当の信号レベル位置をパイプの外周位置とし、その外周位置変動からパイプの真円度を測定する。なお、前記特許文献３では、パイプの温度に応じて閾値を変更することが記載されている。

特開平７−３５５３６号公報 特開平６−１８５９２４号公報 特開２００６−２９７４５７号公報

ところで、近年、パイプ真円度の要求がますます厳しくなっており、呼称外径の０．５％以下の厳格製品もある。直径が４６０ｍｍを超える大径のパイプでは、パイプを拡管する拡管工程があり、真円度品質を確保するためには、この拡管工程の直後にパイプの真円度を測定することが望ましい。しかしながら、拡管工程の直後では、パイプの内周面に水や油等の汚れが残留しており、また周囲環境に水が飛散しているため、前記特許文献１のような接触式の真円度測定は勿論、非接触式であっても、前記特許文献２のようにレーザなどを用いる真円度測定では外乱の影響を受けやすく、高精度の測定が困難である。また、これらの真円度測定では、パイプを一旦静止しなければならないため、工程として追加した場合、生産ラインに影響を及ぼす。また、前記特許文献３に記載される真円度測定は、パイプの外径が１６０ｍｍ〜４６０ｍｍの場合に適用されるものであるから、パイプの外径が４６０ｍｍを超える大径のパイプでは適用しにくい。また、測定される真円度のバラツキが大きく、２σ（標準偏差の２倍）で１．１ｍｍ程度もあり、真円度厳格製品では適用することができない。

本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、パイプを静止することなく、非接触で高精度な真円度測定を可能とし、その結果、生産ラインにおける拡管工程の直後でも真円度測定を可能とする真円度測定装置を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明のある態様に係るパイプ真円度測定装置は、外径の異なるパイプの真円度を測定することが可能なパイプ真円度測定装置であって、パイプの軸方向端面を撮影する撮影装置と、前記撮影装置によって撮影されるパイプの軸方向端面に対し、予め設定された位置を照明する照明装置と、前記パイプの径方向中心位置に前記撮影装置を移動するための撮影装置用移動装置と、前記パイプの軸方向端面の前記予め設定された位置に前記照明装置を移動するための照明装置用移動装置と、前記パイプの径方向中心位置を求めると共に前記パイプの軸方向端面の前記予め設定された位置を求める位置算出部と、前記位置算出部で算出された前記パイプの径方向中心位置に前記撮影装置用移動装置によって前記撮影装置を移動すると共に前記位置算出部で算出された前記パイプの軸方向端面の前記予め設定された位置に前記照明装置用移動装置によって前記照明装置を移動する移動部と、前記撮影装置によって撮影された前記パイプの軸方向端面の画像から前記パイプの外周輪郭を求め、当該パイプの外周輪郭から当該パイプの真円度を算出する真円度算出部とを備えたことを特徴とするものである。

また、このパイプ真円度測定装置において、前記パイプの軸方向端面の予め設定された位置が当該パイプの軸方向端面の中心を通る鉛直線と当該パイプの軸方向端面との交点から当該パイプの周方向に中心角で４５°±５°の範囲内の角度で傾斜した位置であり、前記照明装置用移動装置は、前記パイプの軸方向端面に対向して配置された照明装置用ガイドレールに沿って前記照明装置を移動することが望ましい。

また、このパイプ真円度測定装置において、前記撮影装置用移動装置は、前記パイプの軸方向端面に対向して配置された鉛直向きの撮影装置用ガイドレールに沿って前記撮影装置を移動することが望ましい。

而して、本発明のパイプ真円度測定装置によれば、大径のパイプの真円度を測定する場合に、パイプの軸方向端面を撮影装置で撮影すると共に、撮影装置によって撮影されるパイプの軸方向端面の予め設定された位置を照明装置で照明する。外径の異なるパイプでは径方向中心位置が異なるので、夫々のパイプの径方向中心位置に撮影装置用移動装置で撮影装置を移動する。同様に、外径の異なるパイプでは、夫々のパイプの軸方向端面の予め設定された位置が異なるので、夫々のパイプの軸方向端面の予め設定された位置に照明装置用移動装置で照明装置を移動する。その場合、位置算出部は、パイプの径方向中心位置を求めると共にパイプの軸方向端面の予め設定された位置を求める。また、移動部は、算出されたパイプの径方向中心位置に撮影装置用移動装置によって撮影装置を移動すると共に算出されたパイプの軸方向端面の予め設定された位置に照明装置用移動装置によって照明装置を移動する。そして、真円度算出部は、撮影装置によって撮影されたパイプの軸方向端面の画像から当該パイプの外周輪郭を求め、当該パイプの外周輪郭から当該パイプの真円度を算出する。撮影装置によるパイプの軸方向端面の撮影は極めて短時間であるから、パイプを静止させる必要がなく、照明装置によってパイプの軸方向端面の予め設定された位置を照明することで、外径の異なるパイプでも軸方向端面を安定して撮影することができ、画像処理などによって求めるパイプの外周輪郭が安定し、算出されるパイプの真円度の精度を高く維持することができる。その結果、生産ラインにおける拡管工程の直後でもパイプの真円度測定を行うことができる。

また、パイプの軸方向端面の予め設定された位置が当該パイプの軸方向端面の中心を通る鉛直線と当該パイプの軸方向端面との交点から当該パイプの周方向に中心角で４５°±５°の範囲内の角度で傾斜した位置であり、照明装置用移動装置は、パイプの軸方向端面に対向して配置された照明装置用ガイドレールに沿って照明装置を移動する。この場合のパイプの軸方向端面の予め設定された位置は、外径の異なるパイプの軸方向端面の予め設定された位置が直線上に並ぶ。そこで、この直線上を照明装置が移動するように照明装置用ガイドレールを設置することで、照明装置を外径の異なるパイプの軸方向端面の予め設定された位置に速やかに且つ正確に移動させることができる。

また、撮影装置用移動装置は、パイプの軸方向端面に対向して配置された鉛直向きの撮影装置用ガイドレールに沿って撮影装置を移動することにより、撮影装置を外径の異なるパイプの径方向中心位置に速やかに且つ正確に移動させることができる。

本発明のパイプ真円度測定装置が適用されたパイプ搬送工程の一実施形態を示す概略構成図である。 図１のパイプ真円度測定装置の詳細図である。 本実施形態で設定されたパイプの軸方向端面の予め設定された位置の説明図である。 図２のコンピュータで行われるパイプ真円度算出のための演算処理を示すフローチャートである。 カメラで撮影されたパイプの軸方向端面の説明図である。 図５のパイプの軸方向端面の詳細図である。

次に、本発明のパイプ真円度測定装置の一実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態のパイプ真円度測定装置が適用されたパイプの搬送工程を示すものであり、例えば鋼製のパイプＰは図の右方から左方に、軸方向端面を紙面手前側に向けて搬送される。この搬送工程は、図示しない拡管工程の出側のものであり、この後、パイプＰは例えば熱処理工程に搬送される。この搬送工程では、拡管工程の出側で外径が４６０ｍｍ〜１４２２ｍｍの大径のパイプが搬送される。それらのパイプＰはダッキングロールと呼ばれる搬送装置１で、搬送台２上を静かにゆっくり回転しながら搬送される。つまり、パイプＰは、外径が異なっても、その下端部が常に搬送台２に接触して搬送される。なお、パイプＰの搬送は、パイプ製造ライン全体を制御するプロセスコンピュータ１３によって制御されている。

図２は、図１に示すパイプ真円度測定装置３の詳細図である。このパイプ真円度測定装置３は、搬送台２上を搬送されるパイプＰの軸方向端面を撮影するための撮影装置としてカメラ４を備えている。このカメラ４は、ＣＭＯＳセンサなどの撮像素子を用いた所謂デジタルカメラであり、集積されている素子の個々が画素として輝度や色合いを検出して記録する。本実施形態のカメラ４は、フレームスピードが１０００枚以上／秒の高速撮影が可能である。また、本実施形態では、前記カメラ４によるパイプＰの軸方向端面の撮影を安定化するために、パイプＰの軸方向端面をＬＥＤライトなどの照明装置５で照明する。本実施形態では、同等の照度の照明装置５を４つ用い、パイプＰの軸方向端面の中心を通る鉛直線と当該パイプＰの軸方向端面との交点（交線）から当該パイプＰの周方向に中心角で４５°傾斜した位置を４カ所（以下、対角４点とも記す）照明する。また、カメラ４は、パイプＰの軸方向端面の中心位置から当該パイプＰの軸方向端面を撮影する。

パイプＰの外径が変わると軸方向端面の対角４点の位置も変わる。本実施形態では、パイプＰは外周面下端部が搬送台２の上面に接触しているので、パイプＰの軸方向端面の径方向中心はパイプＰの外周面下端部の鉛直上方に存在している。搬送されるパイプＰの軸方向端面の径方向中心がカメラ４の設置位置に来たとき、つまりパイプＰの軸方向端面の下端部がカメラ４の前方に位置したとき、カメラ４でパイプＰの軸方向端面を撮影することにすると、図３に示すように、外径の異なるパイプＰの軸方向端面の対角４点Ｌ１〜Ｌ４は、夫々、直線上に並ぶ。本実施形態では、照明装置５が直線上に並ぶ対角４点Ｌ１〜Ｌ４を移動するように照明装置用ガイドレール６を４本、パイプＰの軸方向端面に対向するように配置し、それらの照明装置用ガイドレール６の夫々に沿って照明装置５を移動することで、４つの照明装置５の夫々が対角４点Ｌ１〜Ｌ４の夫々に対向するようにしてパイプＰの軸方向端面の照明を安定させる。夫々の照明装置用ガイドレール６には、駆動源である電動モータなどのアクチュエータ７と、図示しないボールねじなどの駆動機構が配置され、これらによって照明装置用移動装置８が構成される。

上記の４ヵ所の照明装置５の位置は、パイプＰの軸方向端面の中心を通る鉛直線と当該パイプＰの軸方向端面との交点（交線）から当該パイプＰの周方向に中心角で４５°傾斜した位置であることが好ましいが、傾斜角が４５°±５°以内であれば、許容される。パイプＰの軸方向端面における照度の均一性の観点からは、４５°±３°の範囲内であることがより好ましく、４５°±１°以内であることがさらに好ましい。

また、外径の異なるパイプＰの外周面下端部が同じ位置に来たときにカメラ４でパイプＰの軸方向端面を撮影する場合、図３に示すように、外径の異なるパイプＰの軸方向端面の径方向中心位置Ｏは鉛直方向に変化するので、この鉛直向きに撮影装置用ガイドレール９をパイプＰの軸方向端面と対向するように配置し、この撮影装置用ガイドレール９に沿ってカメラ４を移動させることで、常に外径の異なるパイプＰの軸方向端面の径方向中心位置Ｏにカメラ４を対向させて撮影を行う。この撮影装置用ガイドレール９にも、駆動源である電動モータなどのアクチュエータ１０と、図示しないボールねじなどの駆動機構が配置され、これらによって撮影装置用移動装置１１が構成される。

前記照明装置用移動装置８や撮影装置用移動装置１１は、門型のフレーム１２に搭載されてパイプＰの搬送工程の側方に配置されている。照明装置用移動装置８のアクチュエータ７による照明装置５の移動状態、撮影装置用移動装置１１のアクチュエータ１０によるカメラ４の移動状態、照明装置５の照明状態、カメラ４によるパイプＰの軸方向端面の撮影状態は、パイプＰの搬送状態と共に、プロセスコンピュータ１３によって制御・管理される。また、カメラ４によって撮影されたパイプＰの軸方向端面の画像はプロセスコンピュータ１３に読込まれる。

図４は、プロセスコンピュータ１３で行われるパイプ真円度算出のための演算処理を示すフローチャートである。この演算処理は、例えばオペレータによるパイプ真円度算出開始入力によって開始され、まずステップＳ１で、次にカメラ４の前方に移動されるパイプＰの外形寸法を例えば製造計画から読込む。
次に、ステップＳ２に移行して、ステップＳ１で読込んだパイプＰの外形寸法から、次のパイプＰにおけるカメラ４のカメラ目標位置（パイプＰの軸方向端面の径方向中心位置Ｏ）及び照明装置５の照明目標位置（対角４点位置Ｌ１〜Ｌ４）を算出する。

次にステップＳ３に移行して、照明装置用移動装置８のアクチュエータ７及び撮影装置用移動装置１１のアクチュエータ１０を駆動制御してカメラ４及び照明装置５を、夫々、前記ステップＳ２で算出したカメラ目標位置及び照明目標位置に移動する。
次にステップＳ４に移行して、次のパイプＰが撮影位置に到達したか否かを判定し、次のパイプＰが撮影位置に到達したらステップＳ５に移行し、そうでない場合には待機する。なお、本実施形態では、カメラ４のズームを自動調整することで、外径の異なるパイプＰの軸方向端面全体がカメラ４の画像内に設定された円（以下、パイプ到達円と呼ぶ）の内部に収まったとき、パイプＰが撮影位置に到達したものと見なす。

前記ステップＳ５では、カメラ４のシャッターを制御してパイプＰの軸方向端面を撮影する。
次にステップＳ６に移行して、カメラ４で撮影された画像の輝度を強調する画像処理を行い、画像処理された画像から後述するようにしてパイプＰの外周輪郭を検出する。
次にステップＳ７に移行して、ステップＳ６で検出されたパイプＰの外周輪郭とカメラ４のズームからパイプＰの外径を求め、その最大値と最小値との差からパイプＰの真円度を算出してから復帰する。

図５は、カメラ４で撮影されたパイプＰの軸方向端面の画像の模式図であり、図６は、図５のＡ部詳細図である。図５に二点鎖線で示す円が、前述したパイプ到達円であり、この円の中にパイプＰの軸方向端面全体が収まったときにパイプＰが撮影位置に到達したものと見なしてシャッターが切られる。パイプＰの外径については、読込まれた外形寸法からカメラ４のズームを自動調整して円内に収まるようにする。図５及び図６の最も明るい部分、つまり輝度の高い部分が照明装置５で照明されているパイプＰの軸方向端面であり、その外側はパイプＰの外部、その内側はパイプＰの内部である。このうち、輝度の高いパイプＰの軸方向端面と外部の境界を図６のように画像処理によって求め、それらを結んだ線をパイプＰの外周輪郭と見なす。そして、このようにパイプＰの外周輪郭が算出されたら、外周輪郭の中心を求め、外周輪郭の中心を通る直径を算出し、その最大値と最小値との差からパイプＰの真円度を算出する。このとき、パイプＰの軸方向端面が照明装置５によって照明され、ほぼ均一な輝度となり、且つ外部との輝度差が大きいので、パイプＰの外周輪郭を正確に算出することができ、その結果、高精度の真円度が得られる。

表１は、呼称外径２０”、即ち外径５０８ｍｍのパイプＰのカメラ画像から画像処理によって求めた外径の最大値（Ｍａｘ）及び最小値（Ｍｉｎ）及び真円度と、接触式自動寸法計測器で計測した外径の最大値（Ｍａｘ）及び最小値（Ｍｉｎ）及び真円度を示す。自動寸法計測では、パイプＰの外径を２０００カ所にわたって計測しているので、真円度の精度は極めて高い。この自動寸法計測によるパイプ真円度と、カメラ画像から画像処理によって求めたパイプ真円度の差は０．４７ｍｍであり、目標とする±０．５ｍｍ内に収まっていることから、画像処理によるパイプ真円度の精度は十分に高い。

表２は、様々な呼称外径のパイプＰについて、画像処理によって求めた外径と接触式自動寸法計測で求めた外径の最大値及び最大値の差、最小値及び最小値の差を示す。呼称外径が３０”、即ち７６２ｍｍとか、４８”、即ち１２１９．２ｍｍになると、真円度そのものの数値は大きくなるが、画像処理によって求めたパイプ外径と自動寸法計測で求めたパイプ外径との実差は小さく、画像処理によるパイプ外径の精度は十分に高いといえる。

表３は、カメラ４の角度（水平面に対する角度）を０°から上向きに１°まで変えて呼称外径４８”のパイプＰの外径最大値（Ｍａｘ）及び外径最小値（Ｍｉｎ）及び真円度を画像処理によって求めた。実測中のカメラ４の角度が変わることはないので、この試験は、実質的に搬送中のパイプＰの軸角度が変化したことと等価である。表から明らかなように、パイプＰの軸角度のずれが１°以下であれば、画像処理による外径及び真円度の精度を確保することができている。カメラ４の角度を水平から下向き１°まで変えた場合も、同様の結果が得られた。搬送中のパイプＰの軸角度のずれは±１°の範囲に収まっているので、画像処理で求めたパイプＰの外径及び真円度の精度は保証できる。

更に、本実施形態の画像処理によるパイプ真円度測定の繰り返し精度を求めるために、カメラ４を固定した状態で１００回画像処理によるパイプ真円度測定を行った。その結果、繰り返し精度は０．０８ｍｍ以下となり、２σでも０．１ｍｍ以下のバラツキ精度を達成することができた。

このように本実施形態のパイプ真円度測定装置では、大径のパイプＰの真円度を測定する場合に、パイプＰの軸方向端面をカメラ（撮影装置）４で撮影すると共に、カメラ４によって撮影されるパイプＰの軸方向端面の予め設定された位置、即ち対角４点Ｌ１〜Ｌ４を照明装置５で照明する。外径の異なるパイプＰでは径方向中心位置Ｏが異なるので、夫々のパイプＰの径方向中心位置Ｏに撮影装置用移動装置１１でカメラ４を移動する。同様に、外径の異なるパイプＰでは、夫々のパイプＰの軸方向端面の対角４点Ｌ１〜Ｌ４が異なるので、夫々のパイプＰの軸方向端面の対角４点Ｌ１〜Ｌ４に照明装置用移動装置８で照明装置５を移動する。その場合、プロセスコンピュータ１３で行われる位置算出ステップは、パイプＰの径方向中心位置Ｏを求めると共にパイプＰの軸方向端面の対角４点Ｌ１〜Ｌ４を求める。また、移動ステップは、算出されたパイプＰの径方向中心位置Ｏに撮影装置用移動装置１１によってカメラ４を移動すると共に算出されたパイプＰの軸方向端面の対角４点Ｌ１〜Ｌ４に照明装置用移動装置８によって照明装置５を移動する。そして、真円度算出ステップは、カメラ４によって撮影されたパイプＰの軸方向端面の画像から当該パイプＰの外周輪郭を求め、当該パイプＰの外周輪郭から当該パイプＰの真円度を算出する。カメラ４によるパイプＰの軸方向端面の撮影は極めて短時間であるから、パイプＰを静止させる必要がなく、照明装置５によってパイプＰの軸方向端面の対角４点Ｌ１〜Ｌ４を照明することで、外径の異なるパイプＰでも軸方向端面を安定して撮影することができ、画像処理などによって求めるパイプＰの外周輪郭が安定し、算出されるパイプＰの真円度の精度を高く維持することができる。その結果、生産ラインにおける拡管工程の直後でもパイプＰの真円度測定を行うことができる。

また、パイプＰの軸方向端面の予め設定された位置が当該パイプＰの軸方向端面の中心を通る鉛直線と当該パイプＰの軸方向端面との交点から当該パイプＰの周方向に中心角で４５°傾斜した位置、即ち対角４点Ｌ１〜Ｌ４である場合、照明装置用移動装置８は、パイプＰの軸方向端面に対向して配置された照明装置用ガイドレール６に沿って照明装置５を移動する。この場合のパイプＰの軸方向端面の対角４点Ｌ１〜Ｌ４は、外径の異なるパイプＰの軸方向端面の対角４点Ｌ１〜Ｌ４が直線上に並ぶ。そこで、この直線上を照明装置５が移動するように照明装置用ガイドレール６を設置することで、照明装置５を外径の異なるパイプＰの軸方向端面の対角４点Ｌ１〜Ｌ４に速やかに且つ正確に移動させることができる。

また、撮影装置用移動装置１１は、パイプＰの軸方向端面に対向して配置された鉛直向きの撮影装置用ガイドレール９に沿ってカメラ４を移動することにより、カメラ４を外径の異なるパイプＰの径方向中心位置Ｏに速やかに且つ正確に移動させることができる。

１ 搬送装置
２ 搬送台
３ パイプ真円度測定装置
４ カメラ（撮影装置）
５ 照明装置
６ 照明装置用ガイドレール
７ アクチュエータ
８ 照明装置用移動装置
９ 撮影装置用ガイドレール
１０ アクチュエータ
１１ 撮影装置用移動装置
１２ フレーム
１３ プロセスコンピュータ
Ｐ パイプ

Claims (3)

1. 外径の異なるパイプの真円度を測定することが可能なパイプ真円度測定装置であって、
   パイプの軸方向端面を撮影する撮影装置と、
   前記撮影装置によって撮影されるパイプの軸方向端面に対し、予め設定された位置を照明する照明装置と、
   前記パイプの径方向中心位置に前記撮影装置を移動するための撮影装置用移動装置と、
   前記パイプの軸方向端面の前記予め設定された位置に前記照明装置を移動するための照明装置用移動装置と、
   前記パイプの径方向中心位置を求めると共に前記パイプの軸方向端面の前記予め設定された位置を求める位置算出部と、
   前記位置算出部で算出された前記パイプの径方向中心位置に前記撮影装置用移動装置によって前記撮影装置を移動すると共に前記位置算出部で算出された前記パイプの軸方向端面の前記予め設定された位置に前記照明装置用移動装置によって前記照明装置を移動する移動部と、
   前記撮影装置によって撮影された前記パイプの軸方向端面の画像から前記パイプの外周輪郭を求め、当該パイプの外周輪郭から当該パイプの真円度を算出する真円度算出部と
   を備えたことを特徴とするパイプ真円度測定装置。
2. 前記パイプの軸方向端面の予め設定された位置が当該パイプの軸方向端面の中心を通る鉛直線と当該パイプの軸方向端面との交点から当該パイプの周方向に中心角で４５°±５°の範囲内の角度で傾斜した位置であり、前記照明装置用移動装置は、前記パイプの軸方向端面に対向して配置された照明装置用ガイドレールに沿って前記照明装置を移動することを特徴とする請求項１に記載のパイプ真円度測定装置。
3. 前記撮影装置用移動装置は、前記パイプの軸方向端面に対向して配置された鉛直向きの撮影装置用ガイドレールに沿って前記撮影装置を移動することを特徴とする請求項１又は２に記載のパイプ真円度測定装置。

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