JP2010523959A - ゴニオメータ - Google Patents

Abstract

本発明はゴニオメータと、応力を測定し、小片の微細構造を特定する方法とに関する。前記ゴニオメータは、ベース（１）と、Ｘ線チューブと検出器用円弧（１１）とを備え三次元動作が可能なロボットによってベース（１）に可動可能で適応した測定ヘッド（１２）と、を備える。本発明によれば、前記ロボットは、測定中に、回動ジョイント（５，７，１５）と傾動ジョイント（３，１６，９）により、前記測定ヘッド（１２）を円弧状に移動させる手段を備える

Description

本発明はゴニオメータに関する。

本発明はまたゴニオメータの測定ヘッドを動かす方法にも関する。

本発明は、応力測定及び微細構造の特定用の可動式ゴニオメータ、又はいわゆる回折装置と呼ばれるものである。可動式とする主な目的は、クランク軸、数ｍｍから数ｍまでのギア、軸受、着陸装置などの大きくて複雑な部品又は構造体の測定を可能にするためである。

少なくとも、年ごとの刊行された関連する論文の数を検討すれば、残留応力の制御の必要性は近年において、ほとんど指数関数的に増大し続けている。この増大の主な原動力は、安全性のレベルの妥協を伴うことなくシステムを軽量化することの必要性である。残留応力は部品の疲労強度に相当する性能に有益あるいは有害な影響を有することがある。一般的に引張応力は良くない影響を有するが、圧縮応力は有益な影響を有する。そのことを考慮して、機械加工、研削、溶接等のような製造工程は残留引張応力が最小化するように策定（最適化）され、多くの場合は、さらに、熱的及び／又は化学的な表面硬化、ショットピーニング、バニシ仕上げ、超仕上げ等のような追加処理が加えられる。もたらされた残留応力の精密調査は、しばしば部品の品質仕様で厳正に規定される、さらに普通でない応力の数値の部品は不良品と判断される。この状況は迅速で信頼できる品質管理の必要性を生み出す。残留表面応力を測定するには多くの方法がある。最も一般的で実績のある方法の一つが、測定される原子間の距離である格子面間（ｄ）におけるＸ線回折である。圧縮応力は格子間距離を減少させ、それに対して、引張応力は増大させる。特定の格子面は、測定位置の表面の法線と比較される多方向で測定される。サンプル表面に加わる応力のため、格子距離は傾斜角の関数として変化する。異なる傾斜角において格子面の測定を可能にするため、測定表面の法線と比較される、入射し回折されるビームの角度は、既知量に置き換えられなければならない。研究用の回折装置では、サンプルを傾斜させることでこれを行っている。携帯式の回折装置では、Ｘ線チューブ及び検出器を備えたゴニオメータがそれぞれに傾斜される。位置感知型検出器の場合、検出器はＸ線チューブと共に固定され、単一チャンネル検出器システムの場合では、検出器はＸ線チューブに対して可動である。

米国特許第６，０６４，７１７号 ＰＣＴ／ＦＩ２００５／０００５０５

Ｘ線回折による残留応力測定において最も重要な２つの要素は、測定位置と検出器間の距離が一定に保たれていること、及び（特殊なケースにおいて）すべての傾斜位置において、入射ビームが正確に測定位置に当たっていることである。従来、測定ヘッド下に設置されたクレードル（円弧）によるか、または、リニア軸受と回動チューブによるより最新の構造を伴ってかのいずれか一方で、これが行われていた。この最新の解決法（ソリューション）は、クレードルタイプの解決法よりも自由を与えてくれる。応力とは方向を有するベクトルである。応力の測定を行うためには、システムの傾斜は様々な方向になされなければならない。一般的に研究用のシステムにおいては、サンプルが回転させられ、そのことはサンプルのサイズの最大値をわずかなｋｇに制限する。携帯式のシステムに共通して、同様に回転するゴニオメータがある。これらの解決法は共に、複雑な構造で、サンプルの複雑な形状が原因でしばしば必要となる修正が困難である。一般的に、一つの測定位置では不充分でもある。例えば、溶接線や分布のマトリクスタイプ全体なら、分布を測定することは必要とされる。これらは、最も多くの場合はＸＹテーブルを使ってサンプルをあちこち動かすことによって、そして、いくつかの場合にはＸＹテーブルを使ってゴニオメータをあちこち動かすことによってなされる。重ねて、これらの構成は共に、複雑で測定できる形状を制限する。

米国特許第６，０６４，７１７号により、Ｘ線チューブ及び検出器が２つの異なる回転するロボットアームに取り付けられた測定装置が知られている。この複雑な回転アームの構造は、複数の枢着部において避け難い緩みのせいで、Ｘ線回折測定装置にとって充分な正確さで組み立てるのが非常に難しい。お互いにそしてまた測定位置に対比して配置されるべき二つの個別の可動アームを正確に配置することはとても難しい。これらの問題を許容範囲内に最小化できたとしても、コストが非常に高くなってしまうだろう。この解決法は、携帯可能や移動可能ではない。

ＰＣＴ／ＦＩ２００５／０００５０５には、線形移動装置によって実行されるゴニオメータが記載されている。この解決法は、移動をある程度まで制限するリニア軸受けを有する。距離測定の調整もまたかなり限定される。測定方向と数個の測定位置の自動的な測定（マッピング）の回転のためには、追加の機械装置が備えられる必要がある。

本発明は、完全に新規なタイプのゴニオメータ、及び、ゴニオメータの制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、Ｘ線チューブ及び検出器が三次元動作の可能なロボットに配置され、測定対象が固定されたベースの上に配置される機器を使用することに基づいている。

本発明の好適な一実施例では、前記ロボットが、測定中に、回動ジョイントと傾動ジョイントにより、前記測定ヘッドを円弧状に移動させる手段を備える
本発明の好適な一実施例では、測定位置の法線は、測定領域の周囲の少なくとも三点を測定することによって自動的に決定される。好適な一実施例では、これはゴニオメータのコリメータで表面に接触することによってなされる。

本発明の好適な別の実施例では、前記三点は超音波測定や光学測定のような非接触の測定方法によって決定される。

さらに具体的には、本発明は、請求項１の特徴部分に記載されたことにより特徴づけられる。

本発明に係る方法は、請求項５の特徴の要部に記載されたことにより特徴づけられる。

この新しい発明の最も重要な７つの利点は、
１）測定ヘッド下の検出器としてのクレードル（円弧）又はその他の構造体がない。
２）動作を制限するリニア軸受（新規構造）がない。このことは複雑なサンプルに伴うふらつきがより少ないことを意味する。
３）ソフトウエアにより、自由に選択可能な測定距離。
４）ソフトウエアで測定方向を決定する別個の回転装置を必要としない。
５）ＸＹテーブルとその制御装置を必要としない。
６）入手可能な工業用ロボットで、多くの別々に作られる複雑な機械部品を代用できる。
７）部品の大部分が購入可能な簡潔な構造。簡潔ではあるが、性能的に極めて制限される米国特許第６，０６４，７１７号の構成を避けることができる。（複雑で、精密でなく、コストのかかる米国特許第６，０６４，７１７号の構成を避けることができる。）

本発明に係るゴニオメータの斜視図を示す。 図１のゴニオメータの正面図を示す。 別の方向で測定している図１のゴニオメータの正面図を示す。 図３の状態のゴニオメータの正面図を示す。 ３番目の方向で測定している図１のゴニオメータの正面図を示す。 図５の状態のゴニオメータの正面図を示す。 測定位置の法線の決定の概略図を示す。 測定対象としての溶接線の斜視図を示す。 測定結果の一例を示す。 測定結果の別の例を示す。

以下において、添付の図に従い、本発明の実施例に基づいて、本発明を説明する。

図１を参照すると、応力測定を行うゴニオメータ１は、三つの回動ジョイントと三つの傾動ジョイントの六つのジョイントを有するロボットを備える。したがって、Ｘ線チューブ筺体１０は、三次元空間を自由に動くことができる。

さらに詳細には、前記ゴニオメータはベースエレメント２が取り付けられたベース１を備える。前記ベースエレメント２は第１回動ジョイント越しに回動ベースエレメント１８を回動させるためのモータ（図示せず）を備える。第１アーム４は第１傾動ジョイント１５越しに前記回動ベースエレメントに接続され、そして、対応して、第２アーム６は第２傾動ジョイント５越しに前記第１アーム４に接続される。さらに、前記第２アーム６は第２回動ジョイント１６越しに第３アーム１７と接続される。前記第３アーム１７は第３傾動ジョイント越しに第４アーム８と接続され、前記第４アーム８は最終的に第３回動ジョイント９越しに測定ヘッド１２を形成する前記Ｘ線チューブ筺体１０と接続される。前記Ｘ線チューブ筺体１０はＸ線チューブと検出器用円弧１１とコリメータ１９とを備える。当然ながら、ジョイントは全て独立制御可能なモータを備える。

図１，２において、ゴニオメータは基本位置をとっている。測定ベース１３は、測定対象の位置を調整するための調整ハンドル１４を備える。この特徴は、しかしながら一つの選択肢である。なぜなら、ゴニオメータ自身が、ジョイントのモータでアームを制御することによって測定を選択することができるからである。

図２，３において、測定ヘッド１２は、測定中の１つの方向に傾けられ、図５，６においては、別の方向に対応している。

Ｘ線チューブヘッド１０は（１つ、あるいは、より一般的には２つの）検出器と共に、上述のロボットに取り付けられる。ロボットは、手動または命令によって導かれる一つのポイントを測定するように、プログラミングされている。ロボットは、コリメータで接するか、あるいは、レーザ測距システムのような他の方法によって、測定位置との的確な距離を見つけ出す。ロボットは軸としての規定された方向の測定を行い、そして、円周上の他の方向で測定を繰り返す。その後、ロボットは次のポイント、あるいは命令されたポイントを測定することができる。

本発明におけるゴニオメータは、測定ヘッドが測定位置の周囲を既定の円形の軌道を正確にたどることができるように働く。コリメータを通過して測定位置に向かわせられるＸ線ビームは、たとえ、上下にあるいは水平に動いても、また、傾けられても、常に厳密に正確な位置に達する。

測定ヘッドの精密な傾斜に加えて、測定位置と検出器の間の距離の精密さは、全ての傾斜位置において０.０５ｍｍよりも良好であるべきである。ロボットの動作は、チューブヘッドがずっと円形の軌道で動けるように制御されるべきである。本発明の一つの重要な実施例において、ゴニオメータの半径は、ロボットがとれる範囲で、ソフトウエアによって変化させることができる、そして、ゆえに、追加の回転装置を必要とせず、そして、ＸＹユニットを必要としない。

同様にシステムの独自な点は、測定位置の法線を自動的に見つけ出すことである。これは測定点の周囲の少なくとも三つの点を測定することによってなされる。測定位置を含むこれらの点の相対位置が判明している場合、これらの点を通る面の数式を数学的に求めることができ、そして、その数式から測定位置の法線を算出することができる。

ロボットゴニオメータはまた、レーザ・ポインタ、距離測定用のバネで留められたコリメータとオプションのレーザ測距システムを備えることができる。測距システムは、測定位置の位置を測定ヘッドとの関係として見つけ出すために使われる。レーザビームは鏡によってコリメータを通過するように導かれる。前記ゴニオメータは一般的なシャッター機構と安全機能もまた備えている。

以下において、図７を用いて測定位置２２の法線方向２０の決定を記載する。

測定点の近傍の少なくとも３つの較正点２３は、ロボットを使ってコリメータ１９の接触によってか、あるいは別のやり方によって測定される。ロボットの座標系に測定位置を含むそれらの点の相対位置を与える。

平面の公式の係数は線形や非線形の最小二乗法を使うことで見つけ出せる。これは測定位置が位置づけられた平面を示す平面を決定する。

平面の公式が判明している場合、測定位置２２の法線２０は次式によって決定される。

∇ｆは傾き
表面は、円筒形状等の平面以外のこともある。

本発明におけるゴニオメータは、測定ヘッド１２が測定位置２２の周囲を既定の円形の軌道を正確にたどることができるように働く。コリメータ１９を通過して測定位置２２に向かわせられるＸ線ビームは、たとえ、上下にあるいは水平に動いても、また、傾けられても、常に厳密に正確な位置に達する。

測定ヘッド１２の精密な傾斜に加えて、測定位置と検出器の間の距離は、０.０５ｍｍよりも良好な精密さで測定されるべきである。三つのモータ全てによる動作は、測定ヘッド１２がずっと円形の軌道で動けるように同期するべきである。その同期と制御は内部制御装置（図示せず）か、外部制御装置のどちらかによって実行され、前記外部制御装置は各動作装置のモータ制御のための適切な制御プログラムを装備した通常のデスクトップコンピュータのこともある。もちろん、同様に内部と外部の制御装置の組み合わせが制御目的で使用されてもよい。

本発明の一実施例の本質的要素は、ゴニオメータの半径が、ロボットがとれる範囲で、ソフトウエアによって自由に変化させることができることである。同様に、追加の回転装置を必要としない異なる方向からの測定、マッピングとしてでもある、もまた本発明の利点の一つでもある。

本発明におけるゴニオメータはまた、好適な実施例に、レーザ・ポインタ、距離測定用のバネで留められたコリメータとオプションのレーザ測距システムを備えていてもよい。

図８は代表的な測定物である溶接線を示し、そして、図９および図１０は、対応した二つの測定結果を示す。

１ ベース
２ ベースエレメント
３ 第１回動ジョイント
４ 第１アーム
５ 第２傾動ジョイント
６ 第２アーム
７ 第３傾動ジョイント
８ 第４アーム
９ 第３回動ジョイント
１０ Ｘ線チューブ筺体
１１ 検出器用円弧
１２ 測定ヘッド
１３ 測定台
１４ ベース調整部
１５ 第１傾動ジョイント
１６ 第２回動ジョイント
１７ 第３アーム
１８ 回転ベースエレメント
１９ コリメータ
２０ 測定面
２１ 測定面の法線
２２ 測定位置
２３ 較正点

Claims (8)

1. 応力測定と微細構造の特定を行うための、ゴニオメータであって
   ベース（１）と、
   三次元動作の可能なロボットにより可動可能にベース（１）に設けられた、Ｘ線チューブと検出器用円弧（１１）の両方を含む測定ヘッド（１２）とを備え、
   前記ロボットが、測定中に、回動ジョイント（５，７，１５）と傾動ジョイント（３，１６，９）により、前記測定ヘッド（１２）を円弧状に移動させる手段を備えることを特徴とするゴニオメータ。
2. 前記測定位置（２２）の周囲の少なくとも三点を測定することによって、測定位置（２２）の法線（２０）を決定する手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のゴニオメータ。
3. ゴニオメータのコリメータにより表面に接触することによって、前記法線（２０）を決定する手段を備えることを特徴とする請求項２に記載のゴニオメータ。
4. 前記測定位置（２２）の周囲の面（２１）を示す平面の式
   

   

   の係数を見出すために、線形や非線形の最小二乗法を使うための手段と、
   式
   

   

   ∇ｆは傾き
   から前記測定位置（２２）の前記法線（２０）を決定するための手段と、を有することを特徴とする請求項３に記載のゴニオメータ。
5. 応力測定及び粒子の微細構造の特定を行うゴニオメータの制御方法であって、
   Ｘ線チューブと検出器用円弧の両方とも含む測定ヘッド（１２）を、三次元空間中でロボットによって動かすためのステップを備え、
   測定中に、回動ジョイント（５，７，１５）と傾動ジョイント（３，１６，９）により、前記測定ヘッド（１２）の円弧状の移動を実行するためのステップを備えたことを特徴とするゴニオメータの制御方法。
6. 前記測定位置（２２）の周囲の少なくとも三点を測定することによって、測定位置（２２）の法線（２０）を決定することを特徴とする請求項５に記載のゴニオメータの制御方法。
7. ゴニオメータのコリメータを使って表面に接触することによって、前記法線（２０）を決定することを特徴とする請求項６に記載のゴニオメータの制御方法。
8. 前記測定位置（２２）の周囲の面（２１）を示す平面の式
   

   

   の係数を導き出すための線形や非線形の最小二乗法と、
   式
   

   

   ∇ｆは傾き
   から前記測定位置（２２）の前記法線（２０）を決定するための手段と、を使用することを特徴とする請求項７に記載のゴニオメータの制御方法。

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