JP2015160281A - ばねのカバレージ測定方法及びカバレージ測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 撮影した撮影画像を用いてカバレージを適切に測定することを可能とする。【解決手段】 この測定方法では、光源からの光をばねの表面に投射してばねの表面からの反射像を撮影する撮影工程（Ｓ１２）と、撮影工程で得られた反射像に含まれる画素のうち設定輝度以上となる画素の数をカウントするカウント工程（Ｓ１６）と、基準データと、カウント工程で得られたカウント数とから、カバレージを特定するカバレージ特定工程（Ｓ２０）を有している。基準データは、反射像に含まれる画素のうち設定輝度以上となる画素数とカバレージとの関係を規定するデータであり、カバレージが１００％を超える範囲においても、画素数の変化に従ってカバレージが変化するように設定されている。【選択図】図４

Description

本明細書に開示の技術は、ばねのカバレージを測定する技術に関する。ここで、「カバレージ」とは、ショットピーニング量を定量的に評価するための指標である。カバレージの定義には２種類あり、一般的には、加工面に投射材が衝突することにより形成される投射痕面積と、加工面の面積との比（すなわち、投射痕面積／加工面面積）で表され、この場合のカバレージの上限値は１００％である。一方、カバレージが１００％を超える場合では、ショットピーニング処理を行った時間と、カバレージが９５％となるまでの時間（基準時間）の比（すなわち、ショットピーニング処理時間／基準時間）で表される。

機械部品（例えば、歯車、ばね等）の疲労強度を向上するために、機械部品の表面にショットピーニング処理が施されることがある。ショットピーニング処理では、投射材（例えば、鋼球）を機械部品の表面に投射し、機械部品の表面に圧縮残留応力を付与する。機械部品の表面に圧縮残留応力が付与されることで、機械部品の疲労強度が向上する。機械部品の表面に付与される圧縮残留応力は、ショットピーニング量によって変化する。このため、機械部品の表面に付与される圧縮残留応力を制御するためには、ショットピーニング量を定量的に評価する必要がある。そこで、従来からショットピーニング量を定量的に評価するための指標としてカバレージが用いられている。特許文献１には、カバレージを測定する装置が開示されている。特許文献１の測定装置では、ショットピーニングされた表面を撮影装置で撮影し、その撮影画像から投射痕面積を算出し、その算出した投射痕面積と撮影装置で撮影される撮影面積からカバレージを算出する。

特開２０１１−１５２６０３号公報

従来技術では、試験片であるアルメンストリップを利用してカバレージを測定している。すなわち、アルメンストリップの表面にショットピーニングを行い、ショットピーニングされたアルメンストリップの表面を撮影してカバレージを測定している。アルメンストリップを利用すると、撮影画像から算出される投射痕面積が実際の投射痕面積と一致する。このため、従来技術では、カバレージが１００％を超えると、撮影画像から算出される投射痕面積も一定となって変化しなくなる。その結果、カバレージが１００％までの範囲でしかカバレージを測定できないという問題があった。本明細書は、撮影した撮影画像を用いて、カバレージが１００％を超える範囲まで測定することができる技術を提供することを目的とする。

本明細書に開示のカバレージ測定方法は、ばねのカバレージを測定する方法である。この測定方法は、光源からの光をばねの表面に投射してばねの表面からの反射像を撮影する撮影工程と、撮影工程で得られた反射像に含まれる画素のうち設定輝度以上となる画素の数をカウントするカウント工程と、基準データと、カウント工程で得られたカウント数とから、カバレージを特定するカバレージ特定工程と、を有している。基準データは、反射像に含まれる画素のうち設定輝度以上となる画素の数とカバレージとの関係を規定するデータであり、カバレージが１００％を超える範囲においても、画素数の変化に従ってカバレージが変化することを特徴とする。

この測定方法では、光源からの光をばねの表面（ショットピーニング処理が行われた面）に投射し、ばねの表面からの反射像を撮影装置で撮影する。すなわち、アルメンストリップではなく、ばねの表面から反射される反射像を撮影する。本願発明者等が検討したところ、ばねの表面から反射される反射像に含まれる画素のうち設定輝度以上となる画素の数は、カバレージが１００％を越える範囲でも変化することが判明した。この測定方法では、設定輝度以上となる画素数とカバレージとの関係を規定する基準データを、カバレージが１００％を超える範囲にも設定する。そして、撮影された撮影画像からカウントしたカウント数と、基準データとからカバレージを特定する。基準データが、カバレージが１００％を超える範囲にも設定され、かつ、カバレージが１００％を超える範囲においても、画素数の変化に応じてカバレージが変化するようになっている。このため、ばねの表面を撮影した撮影画像から、カバレージが１００％を超える範囲までカバレージを測定することができる。

また、本明細書は、上記のカバレージ測定方法を好適に実施することができるカバレージ測定装置を開示する。すなわち、カバレージ測定装置は、ばねのカバレージを測定する装置であり、光源と、撮影装置と、光源からの光をばねの表面に投射すると共に、ばねの表面からの反射像を撮影装置に導く光学系と、反射像に含まれる画素のうち設定輝度以上となる画素の数とカバレージとの関係を規定する基準データを記憶するメモリと、撮影装置で撮影された反射像から特定される設定輝度以上となる画素数と基準データからカバレージを算出する演算装置と、を有している。そして、基準データは、カバレージが１００％を超える範囲においても、画素数の変化に従ってカバレージが変化することを特徴とする。

このカバレージ測定装置では、基準データを記憶するメモリを有している。そして、メモリに記憶される基準データは、カバレージが１００％を超える範囲にも設定され、かつ、カバレージが１００％を超える範囲においても、画素数の変化に応じてカバレージが変化するようになっている。このため、ばねの表面を撮影した撮影画像からカバレージが１００％を超える範囲までカバレージを測定することができる。

実施例に係るカバレージ測定装置の全体の構成図。 実施例に係るカバレージ測定装置の制御系の構成を示すブロック図。 撮影装置の光学系の構成の概略図。 カバレージを算出する手順を示すフローチャート。 ばねの表面に形成された投射痕を撮影した画像内における、投射痕と輝度の関係を模式的に示す図。 ショットピーニング処理されたばねの表面を撮影したときの設定輝度以上となる画素数（ピクセル数）と、投射時間と、目視によるカバレージ（％）の関係を示す図。

最初に、以下に説明する実施例の特徴を列記する。なお、ここに列記する特徴は、何れも独立して有効なものである。

（特徴１） 本明細書で開示されるカバレージ測定方法では、反射像に含まれる設定輝度以上となる画素数をＰとし、カバレージをＣとし、係数をｋ１としたときに、カバレージが１００％を以下の範囲では、基準データがＣ＝１−ｅｘｐ（−ｋ１×Ｐ）で与えられてもよい。本願発明者等が鋭意検討したところ、画素数ＰとカバレージＣとの関係は、上記の指数関数を用いることで良好に近似できることが判明した。したがって、基準データを上記の式で与えることで、カバレージを良好に算出することができる。なお、係数ｋ１は実験によって設定することができる。

（特徴２） 本明細書で開示されるカバレージ測定方法では、反射像に含まれる設定輝度以上となる画素数をＰとし、カバレージをＣとし、係数をｋ２，ｋ３としたときに、カバレージが１００％を超える範囲では、基準データがＣ＝ｋ２×ｌｎ（１−ｋ３×Ｐ）で与えられてもよい。本願発明者等が鋭意検討したところ、画素数ＰとカバレージＣとの関係は、上記の対数関数を用いることで良好に近似できることが判明した。したがって、基準データを上記の式で与えることで、カバレージを良好に算出することができる。なお、係数ｋ２、ｋ３は実験によって設定することができる。

本実施例に係るカバレージ測定装置１０について説明する。カバレージ測定装置１０は、ばねの表面のカバレージを測定する。すなわち、カバレージ測定装置１０は、アルメンストリップのような板材の表面（すなわち、平坦な平面）のカバレージを測定するのではなく、ショットピーニング処理されたばねの表面のカバレージを実際に測定する。ばねの表面には、スケールや成形時の傷等が形成されており、その表面粗さがアルメンストリップの表面粗さよりも大きい。カバレージ測定装置１０は、アルメンストリップよりも表面粗さが大きい機械部品（ばね）のカバレージを測定する。

カバレージ測定装置１０は、オペレータによって測定対象となる加工面の近傍まで携帯されて使用される。図１，２に示すように、カバレージ測定装置１０は、本体１２と撮影装置１４を備えている。本体１２と撮影装置１４はコード１３により接続されている。

本体１２は、電源スイッチ２３や測定開始スイッチ２２等のスイッチ類と、表示器２０と、カバレージ測定装置１０の各部を制御するコンピュータ２４を備えている。電源スイッチ２３は、カバレージ測定装置１０を起動するためのスイッチである。電源スイッチ２３が操作されると、本体１２内に収容されているバッテリ（図示しない）から本体１２の各部や撮影装置１４へ電源供給が開始される。測定開始スイッチ２２は、カバレージの測定を開始するためのスイッチである。なお、測定開始スイッチ２２を設ける代わりに表示器２０をタッチパネルとし、表示器２０内の画面の所定箇所をタッチすることで、カバレージの測定を開始するようにしてもよい。

表示器２０は、撮影装置１４で撮影された画像や測定されたカバレージ等を表示する。カバレージ測定装置１０によってカバレージが複数回計測されたときは、計測されたカバレージの推移や平均値等も表示器２０に表示される。

コンピュータ２４は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えている。コンピュータ２４は、撮影装置１４と表示器２０と各種スイッチ２２，２３とメモリ２５に接続されている（図２参照）。コンピュータ２４は、撮影装置１４を制御して加工面を撮影する処理、撮影した画像に基づいてカバレージを算出する処理、算出したカバレージを表示器２０に表示する処理等を行う。コンピュータ２４の処理については、後で詳述する。

メモリ２５は、基準データを記憶する。基準データは、コンピュータ２４がカバレージを算出する際に用いられる。具体的には、基準データは、撮影装置１４で撮影される画像に含まれる画素のうち設定値（設定輝度）以上となる画素数とカバレージとの関係を規定するデータである。すなわち、処理対象であるばねの表面に投射材が衝突すると、ばねの表面に投射痕が形成される。ばねの表面に投射痕が形成されると、投射痕によって、ばねの表面からの反射光の向きが変化する。その結果、撮影装置１４で撮影される画像内においては、投射痕が形成された位置の画素の輝度が変化する。このため、ショットピーニング処理が進んで投射痕が増加してゆくと、画像内において輝度が変化した画素数も変化していくことになる。本実施例では、輝度が予め設定した設定値（設定輝度）以上となる画素数とカバレージとの関係を規定する基準データを用いることで、設定輝度以上となった画素の数によってカバレージを算出する。なお、設定値（設定輝度）は、予め実験等に基づいて設定することができる。

ここで、測定対象となるばねの表面は、アルメンストリップのような平坦な平面ではなく、スケールや傷によって表面粗さが大きくなっている。このため、ばねの表面を撮影した画像内においては、投射痕が形成されていない位置の画素の輝度は低く、投射痕が形成された位置の画素の輝度が高くなる。図５を参照して具体的に説明する。図５は、ばねの表面を撮影した画像３４と、その画像３４のＡ−Ａ線に沿った画素群の輝度の変化を模式的に示している。図５に示すように、画像３４の中央には投射痕３６が形成されている。図から明らかなように、投射痕３６が形成された位置では輝度が高くなり、投射痕３６が形成されていない領域３８では輝度が低くなっている。すなわち、投射痕３６が形成されていない領域３８では、光が乱反射されるため輝度が低くなる。一方、投射痕３６が形成された部分では、スケール及び／又は傷が除去され、光が乱反射される程度が低下して輝度が高くなる。このため、輝度が予め定めた設定値（設定輝度）を超えた画素をカウントすることで、投射痕が形成された部分の面積を推定することができる。

また、ばねの表面を実際に撮影した画像では、既に投射痕が形成されている状態で別の投射痕が形成されるときに、既に形成されていた投射痕の形状が変化し、その部分の輝度が低下する現象が生じることがある。このため、図６に示すように、実際のばねの表面を撮影した撮影画像では、カバレージが１００％を超える範囲（すなわち、撮影面の全体に投射痕が形成された状態となった後）においても、設定輝度以上となる画素の数が変化する。したがって、メモリ２５に記憶される基準データは、カバレージが１００％を超える範囲にも設定される。例えば、図６に示す例では、投射時間が約２０秒となるとカバレージが１００％となり、投射時間が約４０秒となるとカバレージが２００％となり、投射時間が約６０秒となるとカバレージが３００％となる。撮影画像内の画素数（すなわち、設定輝度以上となる画素数）は、カバレージが１００％を超えた後も変化し、カバレージが３００％を超えた後も変化している。このため、基準データをカバレージが１００％を超える範囲にも設定することで、カバレージが１００％を超える範囲においても、撮影した画像からカバレージを客観的に算出している。

基準データについて具体的に説明する。本実施例では、指数関数と対数関数を用いて画素数ＰとカバレージＣとの関係を規定している。具体的には、カバレージが１００％以下の範囲では、Ｃ＝１−ｅｘｐ（−ｋ１×Ｐ）で規定する（すなわち、基準データは、Ｃ＝１−ｅｘｐ（−ｋ１×Ｐ）となる）。また、カバレージが１００％を超える範囲では、Ｃ＝ｋ２×ｌｎ（１−ｋ３×Ｐ）で規定する（すなわち、基準データは、Ｃ＝ｋ２×ｌｎ（１−ｋ３×Ｐ）となる）。なお、パラメータｋ１、ｋ２、ｋ３は定数であり、予め実験によって求められる。例えば、次の方法で求めることができる。まず、ばねの表面に実際にショットピーニング処理を行い、次いで、目視によるカバレージの測定と、撮影した画像内の設定輝度以上となる画素数のカウントを行う。目視によるカバレージの測定と画素数のカウントは、ショットピーニング処理量を変化させ、異なるショットピーニング処理量において行う。これによって、図６に示す結果が得られる。図６に示す結果が得られると、その実験結果を上記の指数関数と対数関数にフィッティングし、係数ｋ１，ｋ２，ｋ３を求める。なお、フィッティング可能な関数は、上記の関数以外にも種々の関数（例えば、多項式を用いた関数、べき乗関数等）があり、これらの関数についても検討し、上記の指数関数と対数関数が実験結果に近似できることが確認できた。そこで、本実施例では、上記の指数関数と対数関数を用いて基準データを設定している。

上述したように、基準データとしては、カバレージが１００％以下の範囲では指数関数（Ｃ＝１−ｅｘｐ（−ｋ１×Ｐ））を用い、カバレージが１００％を超える範囲では対数関数（Ｃ＝ｋ２×ｌｎ（１−ｋ３×Ｐ））を用いる。上述したようにカバレージには２種類が存在し、それぞれでカバレージの算出方法が異なる。すなわち、投射痕面積／加工面面積でカバレージを算出する場合（カバレージの上限値が１００％の場合）は、指数関数を基準データとして用いる。一方、ショットピーニング処理時間／基準時間でカバレージを算出する場合（カバレージが１００％を超える場合）では、対数関数を基準データとして用いる。基準データの切替えは、オペレータによって手動で行われる。

なお、測定対象となるばねの種類（例えば、品番等）が変わると、パラメータｋ１，ｋ２，ｋ３を調整した方がよい場合がある。このような場合に対応するために、本実施例のカバレージ測定装置１０では、パラメータｋ１，ｋ２，ｋ３の調整が可能となっている。これによって、ばねの種類に応じて適切にカバレージを測定することができる。なお、調整したパラメータｋ１，ｋ２，ｋ３へのアクセスは、パスワードで保護することが好ましい。パスワードで保護することで、オペレータが誤ってパラメータを変更してしまうことが防止できる。

撮影装置１４は、光源として機能するＬＥＤ１６と、画像を撮影するカメラ１８と、ＬＥＤ１６からの光を加工面に投射すると共に加工面からの反射像をカメラ１８に導く光学系２８を備えている。カメラ１８は、コンピュータ２４によってオン／オフ制御される。また、カメラ１８で撮影された画像データは、コンピュータ２４に入力されるようになっている。

図３に示すように、光学系２８は第１光軸２８ａと、第１光軸２８ａと直交する第２光軸２８ｂを有している。第１光軸２８ａ上にはカメラ１８が配置され、光軸２８ｂ上にはＬＥＤ１６が配置されている。光学系２８は、ハーフミラー２６を備えており、ハーフミラー２６は第１光軸２８ａと第２光軸２８ｂが交差する位置に配置されている。このため、ＬＥＤ１６から照射された光は、ハーフミラー２６で反射されて加工面３０に照射されるようになっている。ハーフミラー２６で反射されて加工面３０に照射されるＬＥＤ１６からの光の光軸は、カメラ１８の光軸（すなわち、光軸２８ａ）と同軸となっている。すなわち、光学系２８は同軸落射照明系となっている。また、光学系２８は、図示しない物体側テレセントリックレンズを備えている。このため、加工面３０に照射される光の主光線は光軸２８ａと平行となる。すなわち、光学系２８は物体側テレセントリック光学系とされている。

なお、図１，３に示すように、ＬＥＤ１６とカメラ１８と光学系２８はケーシング２９内に収容されている。ケーシング２９は、直径がφ１２ｍｍの細い管状に形成されている。カバレージ測定時（画像撮影時）には、ケーシング２９の先端が加工面（測定対象となるばねの表面）に突き当てられる（図３に示す状態）。これによって、ＬＥＤ１６からの光が垂直に加工面３０に照射されるようになっている。また、ケーシング２９の先端を加工面３０に突き当てて画像を撮像することで、カメラ１８で撮像される範囲が所定の領域に制限される。このため、カメラ１８で撮像される撮像面積が略一定となる。ここで、ケーシング２９が細い管状であるため、カメラ１８で撮像される面積も狭くなる。その結果、カメラ１８で鮮明な画像を撮像することができ、その後の解析を適切に行うことができる。

上述したカバレージ測定装置１０によりカバレージを測定する手順を図４を用いて説明する。カバレージを測定する際は、まず、オペレータは撮影装置１４の先端を加工面３０（ショットピーニング処理された面）に突き当てる。次いで、測定開始スイッチ２２をオンする（Ｓ１０）。測定開始スイッチ２２がオンされると、コンピュータ２４はＬＥＤ１６及びカメラ１８を作動させる（Ｓ１２）。これによって、ＬＥＤ１６から照射される光が加工面３０に照射され、加工面３０からの反射像がカメラ１８で撮像される。カメラ１８で撮像された撮像データはコンピュータ２４に入力される。なお、撮影装置１４の先端が加工面３０に突き当てられ、また、光学系２８が同軸落射照明系で物体側テレセントリック光学系であるため、加工面３０に対して垂直に光が照射される。

次いで、コンピュータ２４は、カメラ１８で撮像された画像データを二値化する（Ｓ１４）。具体的には、コンピュータ２４は、画像データを構成する各画素の輝度を設定値（設定輝度）と比較し、輝度が設定値以上の画素を「１」とし、輝度が設定値未満の画素を「０」とする。

次いで、コンピュータ２４は、輝度が設定値以上となった画素（「１」とした画素）の数をカウントする（Ｓ１６）と共に、メモリ２５より基準データを読み出し（Ｓ１８）、Ｓ１６のカウント数とＳ１８で読み出した基準データを用いてカバレージを算出する（Ｓ２０）。上述したように、基準データは、輝度が設定値以上となる画素数とカバレージとの関係を規定している。したがって、コンピュータ２４は、ステップＳ１６でカウントしたカウント数を基準データ（関数）に代入することで、カバレージを算出する。上述したように、投射痕面積／加工面面積でカバレージを算出する場合（カバレージの上限値が１００％の場合）は、指数関数（Ｃ＝１−ｅｘｐ（−ｋ１×Ｐ））が基準データとして用いられる。ショットピーニング処理時間／基準時間でカバレージを算出する場合（カバレージが１００％を超える場合）では、対数関数（Ｃ＝ｋ２×ｌｎ（１−ｋ３×Ｐ））が基準データとして用いられる。このため、コンピュータ２４は、まず、オペレータによっていずれの種類のカバレージが選択されているかを判断し、選択されたカバレージの種類に応じた基準データを用いてカバレージを算出する。

ステップＳ２０でカバレージが算出されると、コンピュータ２４は、表示器２０に算出したカバレージを表示する（Ｓ２２）。これによって、オペレータは加工面３０のカバレージを確認することができる。

上述したように本実施例のカバレージ測定装置１０によると、カメラ１８で撮影された画像データに基づいてカバレージを算出する。このため、測定者の違いによってカバレージが変化することはなく、客観的にカバレージを測定することができる。

また、本実施例では、アルメンストリップではなく実際のばねの表面（ショットピーニング処理された加工面）をカメラ１８で撮影するため、その撮影画像では、カバレージが１００％を超えた後も、輝度が設定値以上となる画素数が変化（増加）する。本実施例のカバレージ測定装置１０では、カバレージが１００％を超える範囲にも基準データを設定することで、撮影した画像に基づいてカバレージが１００％を超える範囲までカバレージを測定することができる。すなわち、ショットピーニング処理の時間を計測しなくても、カバレージが１００％を超える範囲まで測定することができる。

以上、本願の技術を具現化した具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は、複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０ カバレージ測定装置
１２ 本体
１３ コード
１４ 撮影装置
１８ カメラ
２０ 表示器
２２ 測定開始スイッチ
２３ 電源スイッチ
２４ コンピュータ
２６ ハーフミラー
２８ 光学系
２８ａ 光軸
２８ｂ 光軸
２９ ケーシング
３０ 加工面

Claims (4)

1. ばねのカバレージを測定する方法であり、
   光源からの光をばねの表面に投射してばねの表面からの反射像を撮影する撮影工程と、
   撮影工程で得られた反射像に含まれる画素のうち設定輝度以上となる画素の数をカウントするカウント工程と、
   基準データと、カウント工程で得られたカウント数とから、カバレージを特定するカバレージ特定工程と、を有しており、
   基準データは、反射像に含まれる画素のうち設定輝度以上となる画素数とカバレージとの関係を規定するデータであり、カバレージが１００％を超える範囲においても、画素数の変化に従ってカバレージが変化することを特徴とするカバレージ測定方法。
2. 反射像に含まれる設定輝度以上となる画素数をＰとし、カバレージをＣとし、係数をｋ１としたときに、カバレージが１００％以下の範囲では基準データがＣ＝１−ｅｘｐ（−ｋ１×Ｐ）で与えられることを特徴とする請求項１に記載のカバレージ測定方法。
3. 反射像に含まれる設定輝度以上となる画素数をＰとし、カバレージをＣとし、係数をｋ２，ｋ３としたときに、カバレージが１００％を超える範囲では基準データがＣ＝ｋ２×ｌｎ（１−ｋ３×Ｐ）で与えられることを特徴とする請求項１又は２に記載のカバレージ測定方法。
4. ばねのカバレージを測定する装置であり、
   光源と、
   撮影装置と、
   光源からの光をばねの表面に投射すると共に、ばねの表面からの反射像を撮影装置に導く光学系と、
   反射像に含まれる画素のうち設定輝度以上となる画素数とカバレージとの関係を規定する基準データを記憶するメモリと、
   撮影装置で撮影された反射像から特定される設定輝度以上となる画素数と基準データからカバレージを算出する演算装置と、を有しており、
   基準データは、カバレージが１００％を超える範囲においても、画素数の変化に従ってカバレージが変化することを特徴とするカバレージ測定装置。

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