JP2021015120A

JP2021015120A - 破面形状評価方法、破面形状データ格納方法、及び破面形状評価装置

Info

Publication number: JP2021015120A
Application number: JP2020113991A
Authority: JP
Inventors: 久和田近; Hisakazu Tachika
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2019-07-11
Filing date: 2020-07-01
Publication date: 2021-02-12
Anticipated expiration: 2040-07-01
Also published as: JP7327299B2

Abstract

【課題】破面を形成する点群データの座標の補正作業を容易にすることによって破面形状を評価する際の労力を軽減可能な破面形状評価方法、破面形状データ格納方法、及び破面形状評価装置を提供すること。【解決手段】本発明に係る破面形状評価方法は、試験体の破面の形状、及び試験体の特定位置に設けられた、基準座標方向に対応する座標軸を備え、破面と明確に区別可能な形状を有する座標化補助具の形状を示す点群データを計測するステップを含むことを特徴とする。なお、点群データの中から座標化補助具の形状を示す点群データを抽出し、抽出された点群データに基づいて基準座標方向を特定するステップと、特定された基準座標方向に基づいて破面の形状を示す点群データの座標値を補正するステップと、座標値が補正された破面の形状を示す点群データを用いて破面の形状を評価するステップと、を含むとよい。【選択図】図１

Description

本発明は、破面形状評価方法、破面形状データ格納方法、及び破面形状評価装置に関する。

鋼材、プラスチック、木材等の素材の安全性を評価するために、破壊実験によって素材の破壊特性を評価することにより破壊に繋がる因子を評価する必要がある。具体的には、破壊はある部位が引きちぎれる、いきなり割れる等の現象を伴い、破壊された部位である破面には破壊に至った履歴等が残されている。このため、破面形状の評価を行うことが重要である。従来、破面形状はその分野の専門家によって評価され、脆性破壊や延性破壊が発生した、疲労が発生して最終的に引きちぎれた等の評価が目視又は写真に基づいてなされていた。このため、破面形状の評価は単一の写真、又は、複数角度から撮影された写真でなされることが多い。事実、破面写真集によって破面の形態は写真により体系的にまとめられており、破面写真集が破面の種類の判別のために引用されている。

ところが、写真は破面の色や形を評価するのには適しているが、問題として破面の３次元形状情報が無くなることが挙げられる。複数の写真であれば、そこから破面の３次元形状情報をイメージできるが直接的ではない。また、破壊の特性には未だ解明されていない要素もあり、写真を撮影した試験体を廃棄した場合、後世にある因子に着目して評価するにも情報量としては足らない可能性がある。さらに、写真だけでは後々別の形状要素を対象にまとめたくなる場合には、データが足らなくなることがある。例えば亀裂部の小さな凹凸の分布等は写真では評価が難しく、破面形状が３次元形状である場合には評価することができない。

これに対して、従来より、破面の３次元形状情報を精度良く、且つ、高速にある程度の密度で計測可能な手段が提供されている（特許文献１参照）。例えば高精度な写真測量機や多関節型アーム式レーザ測量機等を用いることにより、高精度、且つ、高速に破面の３次元座標を特定することができる。この種の計測機器は、レーザ測量を多点で実施した結果を自らのアームから決定できる位置座標とその測距距離で計算し、レーザが当たった表面の３次元形状をデータ化する。また、複数のレーザ測量を同時に実行できるので、破面の３次元形状を高速に計測することができる。

また、昨今、計算機の能力が高まり、データストレージに必要な費用も大幅に低減している。このため、破面の３次元形状情報を計測しておき、それをデータベースとしてデータストレージに貯蔵し、それを永続化させた上で、形状解析技術により評価することができる。これは、例えば現在発見されている破壊の特性を評価した後で、別の要素についての調査が必要になった際に、再び破面の貴重なサンプルを評価して例えばさらなる性能を模索することに使えることを意味する。これにより、旧来の写真で保存していたものと比して、プロセスを改良することができる。

特開平４−１３１７４１号公報

しかしながら、従来の計測機器により得られる破面の３次元形状情報は、主としてレーザ計測を行った表面の点群データである。そして、点群データは主に多関節型アーム式レーザ測量機の基礎部座標を原点としており、多関節型アームの関節の位置にある角度計測器でレーザ測量機及び計測点の情報を得ている。但し、原点はあくまでもアーム位置であることが多く、角度は計測機器自体の座標系とゼロ点位置で決まる。他の手段では、移動式のカメラ等での単一あるいは連続的な写真測量をベースとするものもあるが、この場合にも計測システム独自の座標系、ゼロ点位置となることに変わりはない。さらに、原点は試験体の置き方でも変わってくる。このため、試験体及び計測機器の取り付け方によって基準座標系が変化する。

このような背景から、オペレータは、基準座標系が変わる度毎に回転や平行移動によって破面形状の点群データの座標を補正しなければならない。ところが、座標の補正作業は主として計測結果を目視で評価して手で行う場合が多く、とりわけ破面は平坦ではないので基準座標系の合せ方が困難である。また、この種類の作業は検品中に実物を対象にすれば容易であるが、破面形状の点群データ単体であれば、基準座標系を明確にすることは難しい。これは、破面形状の点群データは、基本的にはランダムな点の集合であり、特定の平面上にあるものでもないためである。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、破面を形成する点群データの座標の補正作業を容易にすることによって破面形状を評価する際の労力を軽減可能な破面形状評価方法、破面形状データ格納方法、及び破面形状評価装置を提供することにある。

本発明に係る破面形状評価方法は、試験体の破面の形状、及び該試験体の特定位置に設けられた、基準座標方向に対応する座標軸を備え、前記破面と明確に区別可能な形状を有する座標化補助具の形状を示す点群データを計測するステップを含むことを特徴とする。

本発明に係る破面形状評価方法は、上記発明において、前記点群データの中から前記座標化補助具の形状を示す点群データを抽出し、抽出された点群データに基づいて前記基準座標方向を特定するステップと、特定された基準座標方向に基づいて破面の形状を示す点群データの座標値を補正するステップと、座標値が補正された破面の形状を示す点群データを用いて破面の形状を評価するステップと、を含むことを特徴とする。

本発明に係る破面形状評価方法は、上記発明において、前記座標軸を前記基準座標方向に合わせて前記座標化補助具を前記試験体に取り付けるステップを含むことを特徴とする。

本発明に係る破面形状評価方法は、上記発明において、前記座標化補助具は、半球体を一部に含み、ｘｙ平面、ｙｚ平面、及びｚｘ平面が共に９０°の関係にある治具であることを特徴とする。

本発明に係る破面形状評価方法は、上記発明において、前記座標化補助具は、磁石によって前記試験体に取り付けられることを特徴とする。

本発明に係る破面形状評価方法は、上記発明において、前記座標化補助具は、形状を評価する対象としない前記試験体の表面に取り付けられることを特徴とする。

本発明に係る破面形状データ格納方法は、試験体の破面の形状、及び該試験体の特定位置に設けられた、基準座標方向に対応する座標軸を備え、前記破面と明確に区別可能な形状を有する座標化補助具の形状を示す点群データを計測するステップと、前記点群データを格納するステップと、を含むことを特徴とする。

本発明に係る破面形状データ格納方法は、上記発明において、前記点群データの中から前記座標化補助具の形状を示す点群データを抽出し、抽出された点群データに基づいて前記基準座標方向を特定するステップと、特定された基準座標方向に基づいて破面の形状を示す点群データの座標値を補正するステップと、座標値が補正された破面の形状を示す点群データを破面の形状データとして格納するステップと、を含むことを特徴とする。

本発明に係る破面形状評価装置は、試験体の破面の形状、及び該試験体の特定位置に設けられた、基準座標方向に対応する座標軸を備え、前記破面と明確に区別可能な形状を有する座標化補助具の形状を示す点群データを計測する手段を備えることを特徴とする。

本発明に係る破面形状評価装置は、上記発明において、前記点群データの中から前記座標化補助具の形状を示す点群データを抽出し、抽出された点群データに基づいて前記基準座標方向を特定し、特定された基準座標方向に基づいて破面の形状を示す点群データの座標値を補正し、座標値が補正された破面の形状を示す点群データを用いて破面の形状を評価する手段を備えることを特徴とする。

本発明に係る破面形状評価方法、破面形状データ格納方法、及び破面形状評価装置によれば、破面を形成する点群データの座標の補正作業を容易にすることによって破面形状を評価する際の労力を軽減することができる。

図１は、本発明の一実施形態である破面形状評価処理の流れを示すフローチャートである。図２は、破面形状の点群データの一例を示す図である。図３は、図２に示す破面形状の点群データから抽出された破面及び座標化補助具の点群データの一例を示す図である。図４は、座標化補助具の点群データの一例を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である破面形状評価方法及び破面形状評価装置について説明する。

図１は、本発明の一実施形態である破面形状評価処理の流れを示すフローチャートである。図１に示すフローチャートは、破面形状を測定する計測機器に破面を有する試験体を設置したタイミングで開始となり、破面形状評価処理はステップＳ１の処理に進む。

ステップＳ１の処理では、オペレータが、試験体が有する破面の点群データの座標補正作業を補助する座標化補助具を基準座標方向に合わせて試験体に設置する。ここで、座標化補助具とは、基準座標方向に対応する座標軸を備え、破面の形状との相互相関性が低い形状（例えば球体、立方体、直方体）、換言すれば、破面と明確に区別可能な形状を有する構造体である。本実施形態では、オペレータは、試験での載荷方法又は破壊の進行方向を考慮して、半球体を一部に含み、ｘｙ平面，ｙｚ平面，及びｚｘ平面が共に９０°の関係にある座標化補助具をデータ採取の必要がない試験体の位置に取り付ける。なお、試験体が鋼等の磁石がつくものであれば座標化補助具を磁石により貼り付けてもよい。また、亀裂の初期導入位置にある機械ノッチの中心点を座標のゼロ点としたい場合には、計測時にはその位置に相当する試験体の表面に座標化補助具を取り付けるとよい。また、特定位置に座標化補助具が設けられた試験体を用いることによりステップＳ１の処理を省略してもよい。これにより、ステップＳ１の処理は完了し、破面形状評価処理はステップＳ２の処理に進む。

ステップＳ２の処理では、計測機器が、周知の方法により座標化補助具を含む試験体の破面形状の点群データを測定し、測定された破面形状の点群データを保存する。これにより、ステップＳ２の処理は完了し、破面形状評価処理はステップＳ３の処理に進む。

ステップＳ３の処理では、画像処理装置が、ステップＳ２の処理において保存された破面形状の点群データを解析することにより、破面形状の点群データの中から座標化補助具の形状の点群データを抽出する。具体的には、画像処理装置は、予め記憶されている座標化補助具の形状の点群データをリファレンスとして、座標化補助具の形状の点群データと破面形状の点群データとの相互相関値（座標の一致度を示す指数）を算出し、相互相関値が最も大きい点群を座標化補助具の領域として抽出する。これにより、ステップＳ３の処理は完了し、破面形状評価処理はステップＳ４の処理に進む。

ステップＳ４の処理では、画像処理装置が、ステップＳ３の処理において抽出された座標化補助具の点群データに基づいて基準座標方向を特定し、特定した基準座標方向に基づいて破面形状の点群データの座標を補正する移動・回転移動マトリクスを計算する。そして、画像処理装置は、移動・回転移動マトリクスにより破面形状の点群データの座標を補正し、座標補正後の破面形状の点群データを破面の形状データとして保存（格納）する。これにより、ステップＳ４の処理は完了し、破面形状評価処理はステップＳ５の処理に進む。

ステップＳ５の処理では、オペレータが、座標補正後の破面形状の点群データを用いて試験体の破面形状を評価する。これにより、ステップＳ５の処理は完了し、一連の破面形状評価処理は終了する。

以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態である破面形状評価方法及び破面形状評価装置は、試験体の破面及び座標化補助具の形状を示す点群データを計測し、点群データの中から座標化補助具の形状を示す点群データを抽出する。これにより、破面を形成する点群データの座標の補正作業が容易となり、破面形状を評価する際の労力を軽減することができる。

具体的には、脆性破壊を伴う実験において、予め試験体に座標化補助具を取り付けておくことにより、ランダム性の高い破面形状とその座標を明確にすることができる。また、パイプライン、鋼管杭／鋼管矢板基礎、油井管等の深海や大深度土圧により圧壊の可能性のある製品についても、形状計測前にその土圧の作用方向、パイプのシーム溶接の位置、圧痕等からデータがあるべき基準座標系に基づいて座標化補助具を取り付けておけば、原型から大きく変形してｘｙｚ座標が存在しないものに対して容易に座標補正をかけることができる。

本実施例では、図２に示す破面形状を評価することを考える。図２に示す破面形状には複数の破面があり、座標補正を行っていない破面形状の点群データでは基準軸が合わないために破面の比較評価をすることは困難である。このため、本実施例では、まず、球形の座標化補助具を試験体に接続した後に破面形状の点群データを測定した。図２に示すように、破面形状データの中で球形の座標化補助具領域Ｒがあることがわかる。次に、図３に示すように、破面形状のある断面に沿って破面及び座標化補助具の座標を抽出した。図３に示す例では、左端に座標化補助具の断片を確認できる。次に、計測点間の距離を計算すると同じ距離で離れている点群を探すことができたので、この中心位置を球形の座標化補助具の中心位置として抽出した。次に、この中心位置から座標化補助具の±直径分だけ離れた点群を抽出した。これにより、図４に示すような座標化補助具の表面が多く含まれる点群データを抽出できた。なお、断面の切り方によっては座標化補助具の断片を抽出できない場合があるので、その場合には繰り返して座標化補助具の位置を探すとよい。結果として、破面形状の点群データの計測時点に取り付けて、破面形状と同時期に計測した座標化補助具を用いることにより、破面形状の点群データの計測後に３次元形状情報を揃えたい座標系に容易に変換することができた。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。例えば、座標化補助具を立方体形状とした場合、座標化補助具の一面から得られる３次元形状データは破面とは明らかに傾向が異なる。このため、点群データを平面で回帰した場合、回帰した平面との残差は極めて少なく、理論的には計測エラー程度となり、座標化補助具を検出することができる。破面を評価対象とする場合には、破面はランダムであるが、座標化補助具を人工物として設計する限りにおいては、上記のように特徴を利用した分類が可能である。座標化補助具の形状毎に抽出アルゴリズムは変わると考えられるが、本発明の目的に使用できると考えられる。このように、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

Ｒ座標化補助具領域

Claims

試験体の破面の形状、及び該試験体の特定位置に設けられた、基準座標方向に対応する座標軸を備え、前記破面と明確に区別可能な形状を有する座標化補助具の形状を示す点群データを計測するステップを含むことを特徴とする破面形状評価方法。
前記点群データの中から前記座標化補助具の形状を示す点群データを抽出し、抽出された点群データに基づいて前記基準座標方向を特定するステップと、
特定された基準座標方向に基づいて破面の形状を示す点群データの座標値を補正するステップと、
座標値が補正された破面の形状を示す点群データを用いて破面の形状を評価するステップと、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の破面形状評価方法。
前記座標軸を前記基準座標方向に合わせて前記座標化補助具を前記試験体に取り付けるステップを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の破面形状評価方法。
前記座標化補助具は、半球体を一部に含み、ｘｙ平面、ｙｚ平面、及びｚｘ平面が共に９０°の関係にある治具であることを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか１項に記載の破面形状評価方法。
前記座標化補助具は、磁石によって前記試験体に取り付けられることを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか１項に記載の破面形状評価方法。
前記座標化補助具は、形状を評価する対象としない前記試験体の表面に取り付けられることを特徴とする請求項１〜５のうち、いずれか１項に記載の破面形状評価方法。
試験体の破面の形状、及び該試験体の特定位置に設けられた、基準座標方向に対応する座標軸を備え、前記破面と明確に区別可能な形状を有する座標化補助具の形状を示す点群データを計測するステップと、
前記点群データを格納するステップと、
を含むことを特徴とする破面形状データ格納方法。
前記点群データの中から前記座標化補助具の形状を示す点群データを抽出し、抽出された点群データに基づいて前記基準座標方向を特定するステップと、
特定された基準座標方向に基づいて破面の形状を示す点群データの座標値を補正するステップと、
座標値が補正された破面の形状を示す点群データを破面の形状データとして格納するステップと、
を含むことを特徴とする請求項７に記載の破面形状データ格納方法。
試験体の破面の形状、及び該試験体の特定位置に設けられた、基準座標方向に対応する座標軸を備え、前記破面と明確に区別可能な形状を有する座標化補助具の形状を示す点群データを計測する手段を備えることを特徴とする破面形状評価装置。
前記点群データの中から前記座標化補助具の形状を示す点群データを抽出し、抽出された点群データに基づいて前記基準座標方向を特定し、特定された基準座標方向に基づいて破面の形状を示す点群データの座標値を補正し、座標値が補正された破面の形状を示す点群データを用いて破面の形状を評価する手段を備えることを特徴とする請求項９に記載の破面形状評価装置。