JP2014137367A - 砥粒の検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固定砥粒工具等に固着されるダイヤモンド微細砥粒群やＣＢＮ微細砥粒群の微細砥粒の形状や欠損の大きさなどを定量的に計測することで、母集団砥粒群の砥粒性能を検査できるようにする。
【解決手段】検査対象母集団砥粒群からサンプリングした微細砥粒群１を、可視光線透過率が良好な素材で構成されている平坦部を有する容器に入れ、圧縮空気６−ａ等により微細砥粒のかくはんを行う。その後、容器平坦部の外側に設置しているカメラ２により砥粒面の画像を取得する。同軸落射光を使用することにより、砥粒面からの正反射光だけが画像内で際立った領域として得られる。得られた画像の画像処理により、面積、円形度、欠損部面積等について定量的砥粒特性データとして記憶装置内に格納する。その後かくはんと解析を繰り返すことにより、複数回の定量的砥粒特性データを自動計測する。それらのデータから砥粒群の母集団砥粒群の推定砥粒特性分布を求める。
【選択図】図１

Description

研削用砥石や固定砥粒工具等に用いられる、例えば粒径５０μｍ〜３００μｍの微細なダイヤモンド砥粒やＣＢＮ砥粒（以下、「微細砥粒」という。）に関して、使用予定砥粒の母集団からサンプリングした微細砥粒群を拡大撮像し、その砥粒画像をもとにした画像処理により、砥粒特性（粒子形状、欠損等の状態など）を計測・解析することによって母集団の砥粒特性分布を推定するとともに、その推定砥粒特性分布を使って固定砥粒工具作業面上の微細砥粒の最適配置を決定するための検査装置に関する。

固定砥粒工具において、工具作業面に微細砥粒を均一間隔に固着させた工具が開発されている（例えば、特許文献１参照）。このような工具を使用して加工を行う場合には、例えばカップ型をなす固定砥粒工具を高速回転させた状態で、その工具作業面を被加工物としての工作物に当接させる。そして、工作物（若しくは工具回転軸）を工具回転軸とは直角の方向に一定速度で移動させることにより工作物の表面を加工するものとなっている。

この固定砥粒工具を用いることで、切り込み量が切削加工レベルの０．３ｍｍ〜１ｍｍ程度を実現し、併せて、研削（砥石）加工レベルの高い加工精度（Ｒｚで１μｍ〜４μｍ程度）を長時間維持できることから、産業界に広く普及している。

ところで、この種の加工では、工作物の加工面の仕上げ品位が工具作業面の状態に左右される。工具作業面の状態は、主として砥粒切れ刃として機能する微細砥粒の表面部分形状や大きさ、砥粒突出量などの砥粒特性により決まり、これら砥粒特性に対応して、工作物の加工面に加工条痕を形成することが知られている。したがって、高品位な加工を行う場合には、工具作業面に配置する素材段階での微細砥粒の砥粒特性を正しく認識するとともに、更にその微細砥粒の工具作業面上の実配置状態や砥粒特性を正確に把握することが重要である。

この課題のうち、微細砥粒の工具作業面上における実配置状態や砥粒特性を正確に把握することについては、工具作業面の全領域画像を用いて画像処理を行うことで、加工に関与する砥粒切れ刃などの砥粒特性値を３次元で計測・数値化する技術が確立されている（例えば、特許文献６を参照）。

特開２０００−３４３４３６号公報 特開２００３−１３０７８５号公報 特開２００４−０４２１５８号公報 特開２００４−０４５０７８号公報 特開２００７−２６０８５７号公報 特開２０１３−００２８１０号公報

ところが、素材段階における微細砥粒については、実際に工具に使われている微細砥粒がダイヤモンドの場合は、その破砕強度を区分要素とするなら強度の低いイレギュラータイプ（Ｇ１〜Ｇ３）、優れているブロッキータイプ（Ｇ４〜Ｇ６）に分類されており、また、大きさによる区分であればＪＩＳ Ｂ ４１３０（ダイヤモンド／ＣＢＮ工具−ダイヤモンド又はＣＢＮと（砥）粒の粒度）に規定されている。しかし、砥粒特性として重要なファクターであるはずの個々の微細砥粒における砥粒形状や砥粒内にある欠損等々は、計測されておらず、管理もされるようになっていない。すでに確立している砥粒切れ刃計測法により計測、解析すると、加工に関与する砥粒切れ刃の形状や砥粒表面上に形成されている欠損などには大きなバラツキがあり、加工面凹凸形状に大きな影響を及ぼしていることが知られている（例えば、特許文献６を参照）。

工作物加工面の凹凸形状は、主として砥粒切れ刃として機能する微細砥粒の砥粒特性（表面部分形状、欠損の有無や大きさ、砥粒突出量など）を転写することで生成されることから、このようにバラツキのある微細砥粒を用いると仕上げ面凹凸が均一に形成されないことが分かっている（例えば、特許文献６を参照）。
この課題を解決するためには、固定砥粒工具に固着される前の素材状態での微細砥粒の砥粒特性を、数値データとして計測する技術が必要になる。

粒子の形状計測方法についてはこれまでに、粉体を配置した平坦面と直交する上部方向から、その表層にある粉体粒子を撮影して原画像を取得し、その原画像を用いて画像処理を行うことで紛体の形状等を評価するシステムが提案されている（特許文献２参照）。
しかし、この方法では、図９に示すように、測定対象の粉体の上部面１０１−Ａが画像取得（カメラ１０２）方向に対して傾斜θを持つ場合、得られた原画像から画像処理により得られる幅ａは、面１−Ａの正確な幅の寸法になっていないことから、面積Ｓ１などを正確に計測することが不可能であった。
かつ、本発明が検査対象としている微細砥粒にくらべて、粒径が大きい粒子に適用する技術であり、本願発明には適用が出来ない。

上記目的を達成するためのこの発明の一つの観点は、微細砥粒素材を、平坦部が可視光線透過率の高い素材で構成されている容器内に適当な個数を入れ、エアーコンプレッサー等により制御された圧縮空気を任意の時間間隔で吹き付けることにより容器内の微細砥粒をかくはんすることにある。

この発明の他の一つの観点は、かくはん後に、容器内の透明平坦面を画像取得面として、その反対側に設置したカメラを用いて、平坦面に対して垂直に同軸落射光を照射する条件下で一画像内に複数個の砥粒面が入る領域で画像を取得する。そして、取得画像の画像処理を行うことで、画像内にある容器平坦部に接している砥粒面の形状や欠損部の大きさなどの砥粒特性を定量的に計測・解析することである。この方法では、平坦部に接している砥粒面は強い反射光として現われるので、砥粒面を際立たせた状態での画像取得が可能で、しかも測定対象の砥粒面は画像取得方向に対しての垂直面を形成することになり、前述したような粒子観察面の傾きの問題が解決できることにある。
この計測を繰り返すことにより、複数回の砥粒特性データからサンプリング集団の砥粒特性分布データを得る。更に、統計学に基づき数理的に確立されている、サンプリングデータから母集団の分布特性値の推定方法をもとに、砥粒特性についての母集団推定砥粒特性分布を得る。この母集団推定砥粒特性分布をもとに、この素材砥粒群（母集団）からの微細砥粒を配した砥粒工具使用時の加工仕上げ状態においての推定特性を解析することが可能となることにある。

この砥粒の検査装置により、微細砥粒を固着する砥石や工具などに用いられる微細砥粒の砥粒特性を砥石や工具製造の前段階で把握することができることから、その微細砥粒を用いて製作される砥石や工具の性能が予測可能になり、砥石や工具製造工程としての品質のバラツキを管理することができるようになる。また、微細砥粒を製造している製造工程では、製造された砥粒素材自体の製品検査装置として使用することができる。

この発明の一実施形態を示す図。 この発明の別の一実施形態を示す図。 砥粒面画像取得原理の実施形態を示す図。 計測処理の流れを示す図。 画像処理による計測面解析の一実施形態を示す図。 検査システムの処理の流れを示す一実施形態を示す図。 ダイヤモンド砥粒の画像処理解析結果の一例を示す図。 画像処理結果をデータ化した表の一例を示す図。 従来計測法の一実施形態を示す図。

以下に、図面を参照してこの発明に係わる実施形態を説明する。
図１に、この発明の一実施形態を示す砥粒の検査装置の構成図を示す。例えば、砥石や工具に用いられるダイヤモンド砥粒１を、平坦部が可視光線透過率が良好な強化ガラス３などで構成されている容器に一定量（母集団からのサンプリング量であり、統計学的に確立されている方法で、この検査量を定める）入れ、ダイヤモンド砥粒のかくはんを行う。なお、そのかくはん機構の一例としては、エアーコンプレッサーで圧縮された空気６−ａを、圧縮空気制御装置６−ｂ（流量制御装置、電磁弁など搭載）を介して、そのかくはん時間及び間隔をコンピュータ６−ｅのかくはん機構制御部６−ｅ−１で複数個の送風口及びその流量を制御する構成、また別の機構としては、図２のように、振動制御装置６−ｄを介して容器設置部に加振動構造６−ｃを持たせることでかくはんさせる構成などが考えられる。また、容器底部は可視光線透過率が良好な素材（例えば普通ガラスや透明アクリル等）であれば測定可能であるが、ここで強化ガラス３を実施例として挙げた理由は、ダイヤモンドのような超硬質の微細砥粒を連続的にかくはんするので、ガラス表面に傷が付き透過率低下による取得画像の低品質化を防ぐ目的からである。

容器の底面下部には、レンズ４及び撮像装置として例えば画像取得用カメラ２を配置する。なお、照明５は、底部強化ガラス３に対して垂直光、つまり同軸落射光のみを照射するようにする。
図３は、図１及び図２中のＡ部詳細図である。図３中の焦点深度７は、レンズ４の合焦点領域である。カメラ２から取得できる画像は、図３のように焦点深度７の領域内にある砥粒面である。さらに、強化ガラス３に接した砥粒面は、照明５に対して垂直面（図９におけるθ＝０°）を形成することから強い正反射光として得られる。したがって図３中下部の図に示すように、強化ガラス３に接する面を持つＡ砥粒１−ａ、Ｂ砥粒１−ｂのような砥粒面だけが、焦点が合いかつ正反射面として、取得画像内の他領域と比べ際立った領域（砥粒面）として得られることになり、正確な砥粒面の形態を表している。なおこの例では、強化ガラス３に砥粒面を密着させる力としては、砥粒面より上部にある砥粒群の自重により圧力を与えている。他の応用例として、任意の方向に一定の圧力を与えることができれば、この画像取得面（強化ガラス３）はその任意方向に対して垂直方向に配置することで、上述する事項と同じ原理で画像取得が実現できる。

図４に、計測処理の時間的な流れ８を示す。砥粒の検査装置はコンピュータ６−ｅを用いて制御を行い、図４のように、全工程を自動で、かくはん８−ａ後に画像処理８−ｂをあらかじめ定めた任意回数繰り返すことにより計測を行う。

図５は、取得した画像内にある砥粒面９を抽出した後に行う画像処理の解析内容例を示す。
抽出したすべての砥粒面９−ａに対して、例えば次の解析を行う。
（１）画像内における砥粒面９−ａの重心座標（Ｘ、Ｙ座標）
（２）砥粒面輪郭部面積９−ｂ及び凸多角形近似面積９−ｃ
（３）円形度
円形度＝４πＳ／Ｌ２ （Ｓ：面積、Ｌ：周囲長）と定義される。
（４）内部欠損及び外部欠損９−ｄ
内部欠損は、凸多角形近似の中で内部にある白色ではない黒い領域。
外部欠損は、凸多角形近似の辺に隣接した白色ではない黒い領域。
（５）面積及び欠損率
Ｓｔ＝凸多角形近似面積９−ｃ
Ｓｊ＝砥粒面輪郭部面積９−ｂ−内部欠損面積
欠損率＝１−（Ｓｊ／Ｓｔ）
これらの砥粒特性因子が加工面の仕上がり品質に寄与することは、特許文献６に示されている。
解析デ−タは、個々の砥粒面ごとに保存ファイルとして格納する。なお、この保存するファイル形式は、エクセル等のアプリケ−ションソフトウェアとの親和性を重視した形式を採用することで汎用性を高めておくことが望ましい。

図６は、これまで説明した砥粒の検査装置における全体の計測処理を流れ図として示したものである。微細砥粒が入っている容器をかくはんし、画像取得を行い画像処理により画像内にある砥粒面を抽出する。なお、砥粒面（１−ａ、１−ｂ）は、図３で示したように正反射光により画像内で際立った領域として得られるので、グレースケール化後、適切なしきい値を設定し、任意の画素数以下は除去するなどの補正を行うことで容易になり、正確に抽出できる。抽出後、原画像と前回画像と比較を行い、かくはんされていない砥粒面があれば解析から排除する。その処理は、画像内の同一場所で同一形状の砥粒面を排除する方法が一般的である。その後は、前述した（［００１８］及び図５）とおりの方法で個々の砥粒面の解析を行い、解析データを記憶装置部６−ｅ−３に保存ファイルとして格納する。なお、コンピュータ６−ｅは、これらの計測工程を総合的に管理している。

なお、計測中は、図６の下図 １０−ｄのように、累積砥粒面解析数から算出された円形度、Ｓｊ＝砥粒面輪郭部面積（９−ｂ）、内部欠損面積、欠損率などの平均値、標準偏差など、計測過程における解析結果過程を表示させる。なお、それらの表示内容は、計測者が任意に設定でき、例えば、１０−ｄ以外でも、ヒストグラム、デ−タ形式等と自由に選べるようになっている。そして、計測者は、それらの結果を鑑みて、統計学的にある程度収れんしたと判断されたら計測を終了する。

予備実験として、上記図１実施形態の方式により計測し確認を行った。図７−ａは、本システムにより得られた原画像である。図７−ａのように底部に配置したガラス面には、測定対象のダイヤモンド砥粒（この例の場合の平均砥粒径は７０μｍ）の計測面が際立った状態で得られる。その画像から画像処理により砥粒面として抽出したものが図７−ｂである。図中では、画像処理により各砥粒面には番号が割り振られている。また、図５で示したような処理も行われる。

図８は、図７−ｂにおいて解析された結果を表示させたものである。このように抽出したすべての砥粒面の形状、面積、欠損の大きさなどの砥粒特性を定量的に解析できることがわかる。なお、データは、エクセル等のアプリケ−ションソフトウェアとの親和性を考慮したファイル形式での保存が可能になっている。

１…ダイヤモンド微細砥粒またはＣＢＮ微細砥粒
１−ａ…Ａ砥粒（ガラス表面に面が接している微細砥粒）
１−ｂ…Ｂ砥粒（ガラス表面に面が接している微細砥粒）
２…カメラ部
３…強化ガラス
４…レンズ部
５…照明部
６−ａ…圧縮空気
６−ｂ…圧縮空気制御装置
６−ｃ…加振動構造
６−ｄ…振動制御装置
６−ｅ…パーソナルコンピュータ等
６−ｅ−１…かくはん機構制御部
６−ｅ−２…解析部
６−ｅ−３…記憶装置部
７…カメラの焦点深度（合焦点領域）
８…計測処理の流れ
８−ａ…かくはんモード
８−ｂ…画像取得および画像処理モ−ド
９…砥粒計測面
９−ａ…原画像
９−ｂ…砥粒面輪郭部面積
９−ｃ…凸多角形近似面積
９−ｄ…欠損面積
１０…砥粒画像からの砥粒面抽出
１０−ａ…同一砥粒面の繰り返し解析の排除
１０−ｂ…砥粒特性解析の実施
１０−ｃ…解析デ−タの格納およびグラフ表示
１０−ｄ…解析デ−タのグラフ表示実施一例を示す図
１０１…測定対象の粉体粒子
１０１−Ａ…測定対象の紛体の上部面
１０２…カメラ

Claims (5)

1. 工具に固着させる前のダイヤモンド微細砥粒群またはＣＢＮ微細砥粒群の砥粒特性を検査するための装置において、可視光線透過率が良好な素材で構成されている平坦部を有した容器と、容器内に入れた砥粒群をかくはんさせるためのかくはん機構を有し、容器平坦部の外側に、拡大レンズと画像取得領域に対する同軸落射光照明を具備した撮像装置を配置して、当該撮像装置で画像取得領域内の容器平坦面に接触している複数個の微細砥粒面の画像を取得し、当該画像の画像処理解析を行う画像処理部を有し、当該画像処理部で微細砥粒面の面積、凹部面積、円形度、欠損面積などを定量的砥粒特性データとし、その定量的砥粒特性データを記憶装置部に格納し、１画像処理解析終了ごとに容器内の微細砥粒群を撹拌して画像処理解析を繰り返す機能を有することを特徴とする砥粒の検査装置。
2. かくはん機構は、前記検査装置において、容器内の微細砥粒を、容器に複数個の送風口を設けた送風口から風を送ってかくはんさせる機構からなる請求項１記載の砥粒の検査装置。
3. かくはん機構は、容器加振動装置により振幅や周期を任意に変更可能な振動を与えることでかくはんさせる機能を具備していることを特徴とする砥粒の検査装置。
4. 請求項１の砥粒の検査装置において、画像処理解析中の取得した定量的砥粒特性データを累積して任意のグラフとして表示する機能を具備し、累積砥粒特性データを統計的に判断することによって解析動作を自動的に完了させる機能を有することを特徴とする砥粒の検査装置。
5. 請求項１の砥粒の検査装置において、画像処理解析過程でかくはんが十分でないことで発生する同一砥粒面の解析を避けるために、現取得画像と前取得画像を比較することで同一砥粒面を連続的に解析することを排除させる機能を具備させたことを特徴とする砥粒の検査装置。

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