JP2004325403A - 材料試験機 - Google Patents

Abstract

【課題】破断面形状を問わず正確な断面積や絞り値が算出できる材料試験機を提供すること。
【解決手段】材料試験機は、破断させた試験片１００の破断面１００ａを撮像し、その画像から画像処理によって破断面の断面積を算出し、破断面の断面積と負荷前の試験片の断面積とに基づいて試験片の絞り値を算出する。計測系１０は、破断面１００ａの対向位置にデジタルカメラ１１を移動させ、撮像する。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試験片の絞り値を測定する材料試験機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
日本工業規格ＪＩＳ Ｚ２２４１によれば、絞り値は、負荷前の試験片の断面積から破断後の断面積を差し引いた値を負荷前の断面積で除算してパーセント換算した値と規定されている。従来、破断後の断面積は、試験片の切断部分を突き合わせてその箇所の径をノギスやマイクロメーターで測定し、この値から算出していた。（例えば、非特許文献１参照）。また、負荷前の試験片の破断予想領域の径もノギスやマイクロメーターで測定していた。
【０００３】
【非特許文献１】
ＪＩＳ Ｚ２２４１（金属材料引張試験方法）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来の断面積算出法では、破断面が円形や矩形等の単純な形状である場合には、比較的容易に正確な断面積を算出できる。しかし、例えば、負荷前の試験片の断面形状が円形であっても、破断面形状が円形から逸脱している場合や、試験片が異形材の場合などは、ノギスやマイクロメーターによる寸法測定が煩雑であり、正確な測定をしようとすると多大の時間を要した。破断面形状が複雑になるほどこの傾向は強く、測定された寸法から正確な断面積と絞り値を算出するのは困難であった。
【０００５】
本発明は、破断面形状を問わず正確な断面積や絞り値が算出できる材料試験機を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
（１）請求項１の材料試験機は、一対のつかみ具に把持した試験片を負荷して該試験片を破断させる負荷手段と、試験片の破断面を撮像する撮像手段と、撮像手段で撮像した画像から画像処理によって破断面の断面積を算出し、破断面の断面積と負荷前の試験片の断面積とに基づいて試験片の絞り値を算出する算出手段とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
（２）破断面の対向位置に撮像手段を移動して撮像する移動手段を更に備えることが好ましい。
破断面と撮像手段との距離を計測する距離計測手段を更に設けてもよい。この場合、算出手段は、予め定められた基準撮影距離で基準試料を撮像した画像に基づいて１ピクセル当りの長さを算出し、距離計測手段で計測された計測距離と前記基準撮影距離との比に基づいて、計測距離で撮像した画像から算出された破断面の断面積を補正することができる。
また、距離計測手段で計測された計測距離が予め定められた基準撮影距離と等しくなるように撮像手段をその光軸方向に移動させる直線移動手段を更に設けてもよい。この場合、算出手段は、上述した１ピクセル当りの長さに基づいて、基準撮影距離で撮像した画像から破断面の断面積を算出することができる。
【０００８】
（３）破断後の試験片を載置する試験片載置台を有し、撮像手段により試験片載置台に載置した試験片の破断面を撮像し、撮像した画像を用いて破断面の断面積を算出することもできる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による材料試験機について図面を参照しながら説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態による材料試験機の本体の構成を模式的に示す正面図である。試験機本体１は、モータＭ、減速機２、ねじ棒３、クロスヘッド４、ヨーク５、上つかみ部６、下つかみ部７およびロードセル８を備えている。基台９上には、後述する計測系１０が設けられている。
【００１０】
図２は、第１の実施の形態による材料試験機における、破断面の断面積を計測する計測系の構成を模式的に示す構成図である。図２（ａ）は正面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＩ−Ｉ線から見た平面図である。破断した試験片１００の一方は、上つかみ部６に把持され、図示を省略したが、破断した試験片１００の他方は、下つかみ部７に把持されている。
【００１１】
計測系１０は、デジタルカメラ１１、レーザ距離計１２、第１アーム１３、連結軸１４、第２アーム１５、回転軸１６およびＣＰＵ１７を備えている。デジタルカメラ１１は、例えばＣＣＤ１１ａを有している。デジタルカメラ１１とレーザ距離計１２は一体化され、第１アーム１３の先端に連結部材１３ａを介して取り付けられている。第１アーム１３、連結部材１３ａ、連結軸１４、第２アーム１５および回転軸１６はリンク機構をなしている。このリンク機構は、試験機本体１の基台に固定されている回転軸１６に回動可能に支持されるとともに、回転軸１６に沿って矢印Ｈ方向に昇降することができる。デジタルカメラ１１とレーザ距離計１２は、ＣＰＵ１７に接続されている。ディスプレイ１８は、出力機器としてＣＰＵ１７に接続されている。
【００１２】
図１において、試験機本体１は、モータＭの回転力を減速機２により減速し、１対のねじ棒３を回転させ、クロスヘッド４を昇降させる。固定側のヨーク５にはロードセル８を介して上つかみ部６が連結されており、可動側のクロスヘッド４には下つかみ部７が連結されている。試験片１００の両端を上つかみ部６と下つかみ部７で把持し、クロスヘッド４を下降させると、試験片１００には荷重が徐々に加わり、やがて破断に至る。
【００１３】
図２により、破断面の断面積を計測する手順について説明する。
（１）試験片１００の破断を確認した後、クロスヘッド４を下降させて、上つかみ部６と下つかみ部７の間隔を拡げる。破断した試験片１００は、上つかみ部６に把持されたままである。
（２）その間隔部分に、レーザ距離計１２が一体化されたデジタルカメラ１１をリンク機構により挿入する。このリンク機構により、デジタルカメラ１１とレーザ距離計１２のいずれの光軸も試験片１００の破断面１００ａの直下となるように位置決めできる。
（３）デジタルカメラ１１と破断面１００ａの距離、すなわち計測距離Ｌをレーザ距離計１２で計測する。レーザ光が破断面１００ａで反射されてレーザ距離計１２に戻る時間により、計測距離Ｌが求められる。
【００１４】
破断面の断面積Ｓを算出するには、二通りの方法がある。
第１の方法は、レーザ距離計１２で測った計測距離Ｌで破断面１００ａを撮像する。第２の方法は、レーザ距離計１２で測った計測距離Ｌが基準撮影距離Ｌ_０に等しい位置で破断面１００ａを撮像する。
【００１５】
ここで、１ピクセル当たりの長さのキャリブレーションを説明する。基準撮影距離Ｌ_０で長さが既知の基準試料を撮像する。この画像に対して周知の濃淡画像処理とエッジ検出処理を施し、画像の輪郭を抽出する。基準試料の長さは長手方向に既知であるとすると、既知の長さを長手方向のピクセル数で除算することより、１ピクセル当たりの実際の長さを算出することができる。１ピクセル当たりの実際の面積ｓ_０も算出することができる。
【００１６】
第１の方法は、計測距離Ｌで撮像した画像について上記と同様の画像処理を施し、画像の輪郭を抽出し、この輪郭線で囲まれたＣＣＤのピクセル数を求める。上記のキャリブレーションにより算出されている１ピクセル当たりの長さを利用して、破断面１００ａの断面積Ｓ_Ｐを算出する。計測距離Ｌと基準撮影距離Ｌ_０との比をαとすると、計測距離Ｌで撮像した破断面１００ａの実際の断面積Ｓは、断面積Ｓ_Ｐに係数αの二乗を乗じて補正することにより、算出できる。
【００１７】
負荷前の試験片１００の破断予想領域の断面積Ｓ_０は、予め算出しておく。例えば、試験片が丸棒であれば、ノギスで直径を計測して断面積Ｓ_０を算出すればよい。丸パイプの一部をカットした弧状輪体試料では、試料の切断面をデジタルカメラ１１で撮像し、撮影した画像に基づいて上述した手法で断面積Ｓ_０を算出することができる。
【００１８】
断面積ＳおよびＳ_０を式１に代入すれば、絞り値Ｒが算出できる。上記のキャリブレーション、画像処理、断面積と絞り値の算出は、ＣＰＵ１７にて実行される。
【数１】
Ｒ＝１００×（Ｓ_０−Ｓ）／Ｓ_０・・・（１）
【００１９】
第２の方法は、レーザ距離計１２で測った計測距離Ｌが基準撮影距離Ｌ_０に等しくなる位置までデジタルカメラ１１を上下動し、Ｌ＝Ｌ_０になった地点で破断面１００ａを撮影する。デジタルカメラ１１とレーザ距離計１２は、回転軸１６に沿って不図示の駆動装置により、矢印Ｈ方向に上下動することによって、計測距離Ｌを変化させることができる。基準撮影距離Ｌ_０で撮影された画像から画像処理によりピクセル数を求め、断面積Ｓを算出し、式１により、絞り値Ｒを算出することができる。
【００２０】
第１の方法は、回転軸１６に沿ってデジタルカメラ１１等を上下動する駆動装置は不要であるが、補正演算が必要である。第２の方法は、逆に、補正演算は不要であるが、デジタルカメラ１１等を上下動する駆動装置が必要である。
【００２１】
（第２の実施の形態）
図３は、第２の実施の形態による材料試験機における、破断面の断面積を計測する構成を模式的に示す構成図である。
試験片載置台２０は、試験片１００を載置する架台２１と試験片１００の転倒を防止するホルダ２２から構成される。架台２１の上板２１ａは、少なくとも破断面１００ａが当接する部分は透明である。デジタルカメラ１１は、架台２１の内側に設置されている。試験片載置台２０は、試験機本体１に設置されていても離れた場所に設置されていてもよい。
【００２２】
第２の実施の形態により、破断面の断面積を計測する手順について説明する。
（１）長さが既知の基準試料を架台２１の上面２１ａに載置して、デジタルカメラ１１で撮像する。撮像した画像をＣＰＵ１７に取り込み、上述した周知の画像処理演算により１ピクセル当たりの長さを算出する。
（２）図１の試験機本体１で破断させた試験片１００を上つかみ部６から外して、ホルダ２２内に立設させ、デジタルカメラ１１で破断面１００ａを撮影し、その画像をＣＰＵ１７に取り込む。ＣＰＵ１７は、取得した画像に対して上述したと同様の画像処理演算を行い、破断面画像の輪郭内のピクセル数を算出する。ＣＰＵ１７は、基準試料について求めた１ピクセル当たりの長さを用いて、破断面１００ａの断面積Ｓを算出し、式１により、絞り値Ｒを算出する。
【００２３】
第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態のようなリンク機構を備えた計測系１０が不要となり、低コストで正確に破断面の断面積を計測することができる。
【００２４】
第１および第２の実施の形態の材料試験機は、ディスプレイ１８を備え、ディスプレイ１８は、負荷前の試験片の断面積、破断面１００ａの断面積、絞り値Ｒ、破断面１００ａの画像、荷重−変形量曲線、試験条件等の情報を表示することができる。なお、荷重は、ロードセル８により電気信号に変換されてＣＰＵ１７へ入力される。試験片１００の変形量、すなわちクロスヘッド４の移動距離もＣＰＵ１７へ入力される。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、破断面形状を問わず正確な断面積や絞り値が算出できる材料試験機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る材料試験機の本体の構成を模式的に示す正面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る材料試験機における、破断面の断面積を計測する計測系の構成を模式的に示す構成図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る材料試験機における、破断面の断面積を計測する構成を模式的に示す構成図である。
【符号の説明】
１：試験機本体
６：上つかみ部
７：下つかみ部
１０：計測系
１１：デジタルカメラ
１２：レーザ距離計
１７：ＣＰＵ
１８：ディスプレイ
２０：試験片載置台
２１：架台
１００：試験片
１００ａ：破断面

Claims (5)

1. 一対のつかみ具に把持した試験片を負荷して破断させる負荷手段と、
   前記試験片の破断面を撮像する撮像手段と、
   前記撮像手段で撮像した画像から画像処理によって前記破断面の断面積を算出し、前記破断面の断面積と負荷前の前記試験片の断面積とに基づいて前記試験片の絞り値を算出する算出手段とを備えたことを特徴とする材料試験機。
2. 請求項１の材料試験機において、
   前記破断面の対向位置に前記撮像手段を移動する移動手段を備え、前記撮像手段により前記一方のつかみ具に把持した試験片の破断面を撮像し、撮像した画像を用いて前記破断面の断面積を算出することを特徴とする材料試験機。
3. 請求項１の材料試験機において、
   前記破断後の試験片を載置する試験片載置台を有し、前記撮像手段により前記試験片載置台に載置した試験片の破断面を撮像し、撮像した画像を用いて前記破断面の断面積を算出することを特徴とする材料試験機。
4. 請求項２の材料試験機において、
   前記破断面と撮像手段との距離を計測する距離計測手段を更に有し、
   前記算出手段は、予め定められた基準撮影距離で基準試料を撮像した画像に基づいて１ピクセル当りの長さを算出し、前記距離計測手段で計測された計測距離と前記基準撮影距離との比に基づいて、前記計測距離で撮像した画像から算出された破断面の断面積を補正することを特徴とする材料試験機。
5. 請求項２の材料試験機において、
   前記破断面と撮像手段との距離を計測する距離計測手段と、前記距離計測手段で計測された計測距離が予め定められた基準撮影距離と等しくなるように前記撮像手段をその光軸方向に移動させる直線移動手段とを更に有し、
   前記算出手段は、前記基準撮影距離で基準試料を撮像した画像に基づいて１ピクセル当りの長さを算出し、前記基準撮影距離で撮像した画像から破断面の断面積を算出することを特徴とする材料試験機。

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