JP2023025055A - 試験対象材料の応力緩和を可能にする解析 - Google Patents

Abstract

【課題】材料を別の施設に移す必要なしに、実験室または現場での材料サンプルの自動残留応力測定を容易にする方法および装置を提供する。【解決手段】機械加工専用装置と試験対象コンポーネントとを適切な相対位置に配置して、試験対象コンポーネントの表面に切り込みを入れ、１つ以上のひずみゲージの配置によって決定される点を特定し、その近くにある材料を除去して、その点での既存の残留応力を変え、ひずみゲージが取り付けられている表面に対して所定の角度で追加の応力を導入することなく複数の軽い切削加工を行い、その結果、残留応力が遮断された状態で、ひずみの変化を測定する。【選択図】なし

Description

製造の結果として、何らかの方法または手法で金属が形成されると、材料内に残留応力
が発生し、その残留応力は材料の性能に影響を及ぼし、その定量化が困難である可能性が
ある。残留応力の大きさを低減するために使用される方法、例えば熱処理などを見つけ出
すことが一般的であるが、一般に、プロセスまたは処理が完了した後、ほとんどの場合、
何かしらの残留応力が存在する。一部の製造プロセスでは、残留応力が意図的に生成され
る場合がある。例えば、スチールショットやレーザピーニングを使用したショットピーニ
ングなど、疲労性能を改善するために使用される機械的表面処理により、材料の表面に残
留応力が発生する。窒素が拡散された表面を構築するために、窒素の豊富な雰囲気で窒化
、または肌焼き、加熱などの化学処理が一般的なプロセスである。表面処理は金属の非常
に薄い層にのみ影響するが、これは、破損の起点となるクラックの形成を低減または防止
するために頼りにされており、通常、クラックは極端な応力、またはストレスライザーの
領域であり、時間の経過とともに伝播し、最終的にはコンポーネントの破壊的な破損につ
ながる。

材料の残留応力の実際的な特性評価は困難であるため、日常的なエンジニアリングソリ
ューションは、統計的に有意な基準で故障モードまたは寿命が確実に達成されるプロセス
を開発することである。この一つの結果は、プロセスは、事実上、しばしば確率論的であ
り、実験的に決定されるということである。低品質のデータでサポートされている安全係
数を組み込むことはコストがかかり、不確かさに満ちていることは明らかであり、実験室
で代表的なサンプルであると考えられているものだけを使用することは、疑わしいデータ
につながる不確かさの一例である。そのため、使用中または使用予定のコンポーネントパ
ーツに対して正確な残留応力測定を行うことができるように、このようなプロセスを改善
するシステムおよび方法に関して喫緊の必要性が存在することは明らかである。また、経
済的な価格の点で解析作業に通常使用される機械加工機器の精度を大幅に向上させる必要
もある。現場で解析作業を行うことができることには利点があり、パーツを遠隔施設に搬
出する必要がある場合のコストと遅延を回避できる。これは、高価値システムの重要なコ
ンポーネントが検討されている場合に特に当てはまる。例えば、タービンブレードの故障
の結果は破滅的となる可能性があるが、現在のプロセスでは故障開始の検出は困難である
。コンポーネントパーツを処理のために遠隔施設に移動する必要がある場合に発生する遅
延により、開発速度が低下するため、解析プロセスを当該パーツに導入できる機会は直ぐ
に有益になる。さらなる利点は、パーツが保管されている施設を離れる必要がないため、
パーツを追跡するタスクが簡略化されることである。場合によっては、例えば、掘削が必
要になる可能性のある大きな配管などの大型パーツを移動する作業は、単に非現実的であ
り、解析をパーツに導入できる方がはるかに優れたソリューションである。

本発明は、試験中の材料の応力緩和を可能にするために機械加工プロセスを使用してコ
ンポーネントおよび構造物の材料特性を解析するためのシステムおよび方法に関する。

コンポーネントの残留応力状態を解析するための固定された実験施設は、優れた測定結
果を生み出すことができるが、これらは通常、実装するのに費用がかかり、さまざまな顧
客をサポートするために恒久的な住居と費用のかかる処理および文書化プロセスが必要で
ある。

材料サンプルの表面残留応力の測定は、材料を局所的に機械的に除去してから、残留応
力に関連するパラメータを測定することによって実行でき、通常、ひずみまたは変形の変
化は、除去された材料の関数として測定される。これの実施は、通常、ひずみゲージアレ
イを対象領域に取り付け、パーツに小さな穴を開け、穴に近接して放射状に配置されたひ
ずみゲージを使用してひずみの変化を測定することにより、この残留応力解放の影響を測
定する。これには通常、３つ以上のひずみゲージを材料に適用し、その配置の正確な位置
と角度のデータを記録し、材料の所定の軸に対して、結果として生じるひずみによる残留
応力を数学的に導出する必要がある。現在の技術では、これらの３つのひずみゲージを、
単一の基板に組み込んで単一のパーツとして取り付けることができ、アレイには、通常、
直交して配置された２つのゲージと、他の２つに対して４５°の位置にある３つ目のゲー
ジがある。通常の慣行と同様に、各ゲージ要素には中心線のマーキングが組み込まれてお
り、これにより位置合わせが容易になり、よく知られた数学を使用して平面上の任意の方
向の残留応力を計算できる。

表面近くの残留応力を測定するためのよく知られ、広く使用されている手法の１つでは
、ひずみゲージアレイの中心に小さな穴を正確に穿ける必要があり、これは局所的残留応
力を緩和し、測定された結果としてのひずみは残留応力の変化に関連している。「中心」
という用語は、ゲージアレイ要素のマークされた軸の交点を指し、この場合、ひずみゲー
ジはロゼットと呼ばれることもある。この場合の要素は、全円の中心の周りに放射状に配
置されるか、または全円の１つの象限に放射状に配置される。穴は一般的にその直径の半
分に等しい深さを有するように作られる。別の手法では、材料の代表的な面に沿って所定
の深さのスリットを切削し、スリットによるひずみの変化を測定し、測定されたひずみか
ら残留応力を計算する。

一般的には、コンポーネントパートは、実験室で受け取られた後、穿孔またはスリット
切削に使用される機械に対象の要素を正確に配置できるように、分割または切断される。
パーツの取り扱いが多いほど、試験対象パーツの残留応力が変化する可能性が高くなる。
さらに、サンプルの治具切削および締め付けにより、パーツに応力を加えることになる他
の力が導入される。機械加工の前に、解析する要素にひずみゲージを使用する必要があり
、これは通常、ゲージまたはゲージアレイの固定に使用する接着剤が有効になるように、
ゲージが使用される場所をクリーニングする必要があることを意味する。次に、基準値を
測定および記録できるようにワイヤを接続する。一般的な測定では、ひずみゲージ要素を
、測定技術でよく知られているホイートストンブリッジアレイの一部として使用する。

最初の基準値が確立されたら、切削の準備としてパーツを位置合わせしてもよい。機械
加工が完了したら、パーツを機械から取り外し、新しいひずみゲージの読み取り値を取得
してもよく、場合によっては、この測定は現場で行われることがある。これらの新しいひ
ずみ値と以前に確立された基準値との差は、機械加工プロセスにより最初に存在していた
残留応力が解放される前の残留応力値に対応する。

非常に高品質の結果を得るために、実験室環境に完全に依存していない専用装置が必要
であることは明らかである。また、既存の機器の精度を向上させる必要があることも明ら
かである。本発明の目的は、現在利用可能な精度を超えて精度を向上させること、残留応
力緩和フィーチャ切削用機械に取り付けられるように、より大きな試験片を切削する必要
性を軽減すること、単一の一体型専用装置の開発を通じて残留応力測定の品質を向上させ
ること、スリット加工またはスロット加工、穿孔、アニュラス（環帯）またはより複雑な
フィーチャ、例えば、スロットの交差（プラス記号）などのリングコアカットを実行する
専用装置を開発すること、または測定手順を簡素化または高速化することである。調査対
象パーツに移動できる専用装置を創出するためにコンピュータ技術の進歩と高度な材料を
活用して、かなりの恩恵が得られる。専用装置は、試験片に直接取り付けるために携帯性
に優れたものにすることも、仮の場所でベンチマシンとして使用することもできる。

上述の本発明の様々な特徴は、単独でまたは組み合わせて実施することができることに
注意すべきである。本発明のこれらおよび他の特徴は、以下の本発明の詳細な説明におい
て、および以下の図と併せて、より詳細に説明される。

本発明をより明確に確認できるようにするために、いくつかの実施形態を、例として、
添付の図面を参照してここで説明する。

位置合わせマークを備えた単一のひずみゲージの平面図を示す。 ひずみゲージの単一象限ロゼットバージョンを示す。 一般的な簡略化されたホイートストンブリッジを示す。 試験片に取り付けられたひずみゲージを示し、ここで、アニュラスが機械加工されて、ゲージ領域とバルク材料とが分離されている。 図１Ｄのアニュラスの側面図を示す。 ひずみゲージが試験片に取り付けられ、線形スロットが機械加工されて残留応力を解放した場合を示す。 チップの除去を容易にするために線形の階段の外観を有する切削プロファイルを示す。 また、非線形の階段の外観を有する切削プロファイルを示す。 本発明による、機械の一実施形態を示し、対象領域を識別する。 単一の調整軸を有する一般的なプローブアセンブリの簡略図を示す。 機械およびその駆動機構の可動部分の１つを示す。 取付けおよび冷却設備、ならびにカメラシステムを含む、切削用モータの概略詳細を示す。 空気を冷却するためのポンプとフィルタを含む単純な空気供給を示す。 カメラ、そのシュラウド、レチクルおよび照明デバイスを示す。 カメラ、そのシュラウド、レチクルおよび照明デバイスを示す。 切削工具に近接して配置された照明システムと一緒に、光ファイバ技術に基づく代替の視覚システムを示す。 機械のパーツの相互接続を示す専用装置のブロック図である。 機械の一般的な保護筐体を示す。

次に、本発明を、添付の図面に示されているそのいくつかの実施形態を参照して詳細に
説明する。以下の説明では、本発明の実施形態の完全な理解を与えるために、多数の特定
の詳細が示されている。しかしながら、当業者にとって、これらの特定の詳細の一部また
は全部がなくても実施形態を実施できることは明らかであろう。他の例では、本発明を不
必要に不明瞭にしないために、周知のプロセスステップおよび／または構造は詳細には説
明されていない。実施形態の特徴および利点は、以下の図面および議論を参照してよりよ
く理解され得る。

本発明の例示的な実施形態の態様、特徴、および利点は、添付の図面に関連する以下の
説明に関してよりよく理解されるであろう。本明細書で提供される本発明の説明された実
施形態は、例示のみを目的として提示されており、限定ではなく例示にすぎないことは当
業者には明らかであろう。この説明で開示されている全てのフィーチャは、特に明記され
ていない限り、同じまたは類似の目的に役立つ代替のフィーチャで置き換えてもよい。し
たがって、その修正の多数の他の実施形態は、本明細書で定義される本発明の範囲および
その均等物に含まれると考えられる。したがって、本明細書に開示される実施形態は単な
る例示であるので、絶対的および／または連続的な用語、例えば、「常に（ａｌｗａｙｓ
）」、「するであろう（ｗｉｌｌ）」、「しないであろう（ｗｉｌｌ ｎｏｔ）」、「す
べきである（ｓｈａｌｌ）」、「すべきでない（ｓｈａｌｌ ｎｏｔ）」、「する（ｍｕ
ｓｔ）」、「しない（ｍｕｓｔ ｎｏｔ）」、「最初の（ｆｉｒｓｔ）」、「最初に（ｉ
ｎｉｔｉａｌｌｙ）」、「次へ（ｎｅｘｔ）」、「その後（ｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔｌｙ）
」、「前に（ｂｅｆｏｒｅ）」、「後に（ａｆｔｅｒ）」、「最後に（ｌａｓｔｌｙ）」
、および「最後に（ｆｉｎａｌｌｙ）」などの使用は、本発明の範囲を限定することを意
味しない。逆に、「できる（ｃａｎ）」または「かもしれない（ｍａｙ）」などの用語は
交換可能に使用され、開示された実施形態では、代替的なおよび／またはオプションとし
ての特徴を説明することを意図し、すなわち、必要でない場合、または好ましくない場合
がある。

材料を別の施設に移す必要なしに、実験室または現場での材料サンプルの自動残留応力
測定を容易にする方法および装置について説明する。

測定を行う１つ以上の場所を選択してもよい。ひずみゲージを使用する場合、ひずみゲ
ージまたはひずみゲージアレイをクリーニングして、意図した測定に適した１つ以上の測
定場所に取り付けた後、１つ以上のひずみゲージまたはアレイを、開始ひずみを記録でき
る測定デバイスに接続できる。新しく適用されたひずみゲージは抵抗の開始値から変位し
ないため、これは実質的にゼロ点であり、そこから後続の測定結果を参照できる。一実施
例では、ひずみゲージをアナログ・デジタル変換器に結合して、測定データを機械可読フ
ァイルとして記録し、１つ以上の機械加工プロセスの完了後に使用して、関連するひずみ
のセットを生成することができる。材料の残留応力状態は、１つ以上の機械加工ステップ
のそれぞれに対応して計算することができ、結果は数値またはグラフ形式で提示される。
光学技術を使用する他の方法を使用して、ひずみ測定を行ってもよい。

いくつかの実施形態では、小さなスロット（切り込み）を材料の表面に切り込むことが
できる。このスロットは、所定の形状を有し、フィーチャの点において表面に垂直に切削
してもよい。単一のゲージが使用される場合、スロットの平面は、ひずみゲージの感度の
高い方向に直角に位置合わせされることが好ましいが、ロゼットアレイが使用される場合
、これはそれほど問題ではない。曲率が大きい領域では、検査員が解析に指定する補正ル
ールに従って、機械加工フィーチャは角度的に少しオフセットされる場合がある。

単純な実施例では、装置は、ひずみゲージに対して、または試験材料上の特定のフィー
チャに対して正確に配置され得るベースプレートに取り付けられた、直線スライドを備え
る。スライドは、ベースプレートに対してスライドの方向に沿って高精度で移動できる。
この位置決めは、好ましくは、線形アクチュエータを使用して行ってもよいが、当業者に
知られている他の方法を使用してもよい。

機械加工工具がスライドに取り付けられており、作業面に平行に移動するのが好ましい
スライドに垂直な位置を調整することができる。一実施例では、機械加工工具は高速モー
タであり、切断工具がモータスピンドルに結合され、工具は、サンプル材料を適切に切削
するように選択される。モータは垂直スライド上に取り付けられる場合があり、その位置
は線形アクチュエータによって制御されるため、自動制御で段階的な切削を行うことがで
きる。したがって、切削幅は、モータが取り付けられているスライドを前進させることに
よって、切削工具の直径と切削深さのセットを選択することによって設定できる。ベース
プレートに取り付けられているスライドを移動し、このようにして、所定の幅と変更可能
な深さと長さの直線スロットを材料に切り込み、ゲージまたはゲージアレイの近傍に存在
する残留応力は、バルク材料の残留応力から遮断される。材料の除去には、放電加工（Ｅ
ＤＭ）など他の方法を使用してもよく、ＥＤＭ技術によれば非常に細かいフィーチャの侵
食が可能になる。

ベースプレートと同じ平面で移動する第２のスライドを追加し、第１のスライドの代わ
りにモータスライドをこれに結合することにより切削工具を三次元で移動することができ
、作動ステップが十分に小さければ、複雑なプロファイル（外観形状）を持つスロット（
切り込み）を切削することができる。一実施例では、ひずみゲージが取り付けられ、円形
または環状スロットが切削されて、今や結果として得られたアイランド上にひずみゲージ
アレイが取り付けられ、バルク材料から分離される。注目すべきことに、この方法でアニ
ュラスを切削すると、材料の切りくずを適切に除去できないことによって起きる環状切削
部の底での工具のびびりが大幅に減少し、高速フライスカッタを使用すると切りくずの残
留物を効果的に除去できる。スロット（切り込み）またはスリット（細長い穴、溝）の交
差、またはより複雑な形状など他のフィーチャを材料に切り込んでもよい。一実施例では
、切削形状は、対称的な一対の交差する切削から形成されており、「プラス」記号のよう
な形状のフィーチャをもたらす。

正確な位置決めを容易にするために、光学コンポーネントを使用してもよい。一実施態
様では、カメラは、その視軸が切削スピンドルの平面内にありスピンドルとほぼ平行にな
るように配置される。このようにして、カメラに取り付けられた光学的グラチクルによっ
て定義された点と切削工具の中心との間の距離オフセットが決定され、このオフセット較
正係数が制御電子機器に適用されるため、ある点の位置が決められると、工具は同じ点に
移動して、それを参照して切削を実行できる。単純な三角法を使用して、この決定を行う
ためのテストクーポンを使用してミスアライメントエラーを補正できる。切削工具は、オ
ペレータによって、または自動化されたフィーチャ検出を使用して自動的に、ひずみゲー
ジまたは試験片上のフィーチャに位置合わせすることができる。

第２の実施形態では、カメラ要素を遠隔に配置することができるように、光ファイバコ
ンポーネントが使用される。最新のカメラコンポーネントは非常に小型化されており、観
察レンズが工具の切削アクションによって生じる金属の破片から保護され、または覆われ
ているのであれば、モデムカメラコンポーネントを切削軸の近くに配置してもよい。第２
のカメラを取り付けて、切削時に切削をライブで監視してもよい。

第３の実施例は、機械加工するパーツの正確なプロファイルを機械が作成できるように
する倣い加工工具が組み込まれているため、フィーチャの機械加工は複雑であってもよく
、Ｚ軸の単純な切削に限定しなくてもよい。参考までに、ｘ軸とｙ軸は機械のベースプレ
ートの平面内にあると定義され、ｚ軸はその平面に直交する軸である。デカルト（ｘ、ｙ
、ｚ）座標の使用は、単に説明を簡単にするためのものであり、円（ｒ、ｑ、ｆ）座標も
使用できることは明らかである。倣い加工工具は、従来の機械工具であってもよいし、専
用装置に取り付けられたカメラの自動焦点機能を使用して実装されてもよい。この後者の
機能により、特定のフィーチャまたは隣接する表面プロファイルのいずれかに対して、切
削深さを非常に正確に制御でき、例えば、湾曲した表面を有する試験サンプルでは、切削
部の底を表面下に正確な寸法で配置することができる。１つのアプリケーションでは、滑
らかに傾斜した遷移部に近づくように、ひずみゲージが配置されている側と反対側の材料
が階段状に除去されてスロットが切削される。同様の態様により、スロットの両端を先細
にすることができる。どちらの場合も、遷移部は線形であってもよいし、勾配に対して指
数関数的な特性を有してもよい。

まず、一般的なひずみゲージ１００を示す図１Ａを参照する。この例では、ひずみゲー
ジは、変位を測定する軸に沿って縦方向に配置されている。２つの接触パッド１０５への
電気的接続が行われ、これらの間のトラックの抵抗が測定される。ひずみ、すなわち材料
の動きが長手方向に加えられると、これらのパッドを接合する導体１０７が伸び、その抵
抗が増加する。同様に、導体を圧縮することによって導体を短くするひずみは、抵抗の減
少をもたらす。これらの変化は小さく、肉眼ではほとんど感知できないが、電子的に測定
できる。この抵抗の変化は、較正曲線を使用して伸縮に関連しても、または試験対象材料
に加えられた既知の力を使用して較正してもよい。

図１Ｂは、位置合わせされた３つのひずみゲージ１２０、１３０、および１４０のアレ
イを示し、それぞれの延長軸は０度、９０度、４５度の線、それぞれひずみゲージ１２０
、１４０、１３０のいずれかに沿っている。このタイプのアレイを使用して、３つの独立
したゲージを正確に配置すると、任意の方向のひずみを数学的に解決できる。ひずみゲー
ジは、材料が伸びるにつれて、材料が薄くなるのに応じて抵抗が大きくなるという特性に
依存している。逆も真なりで、ゲージ要素が圧縮されると、抵抗が小さくなる。したがっ
て、材料に応力が加えられると、対応する変位（ひずみ）が生じ、この変位は、ひずみゲ
ージの抵抗変化として測定できる。典型的なアプリケーションでは、これらの変化は実際
には非常に小さな変化であり、発生する小さな変位に見合ったものであることに注意する
ことが重要である。

従来、ホイートストンブリッジは、ブリッジ要素の抵抗が変化したときに発生する不均
衡を測定することにより、ひずみゲージの抵抗を決定するために使用される。図１Ｃは、
単一の可変要素１７０を有するそのようなブリッジを示す。名目上等しい２つの抵抗分割
器のそれぞれに電圧１５０が印加される。印加電圧の極性は動作に影響を与えないはずで
あるが、過剰な電流が流れないようにすることが理想的であり、電流が流れると熱が発生
し、要素の温度が上昇して、要素の抵抗が変化する。この影響により本技術の精度が低下
するため、ブリッジを形成する要素間の温度の変化を最小限に抑えることが重要であり、
これは、要素間の温度を一定に保つためのいくらかの努力とともに駆動電圧を過度のドリ
フトなしに十分な感度を提供する値に維持することにより、最もよく達成される。抵抗器
Ｒ_１１５５のＲ_３１６０に対する比は、抵抗器Ｒ_２１６５のひずみゲージＲ_Ｇ１７０の抵
抗に対する比に等しくなるように設定される。Ｒ_１１５５およびＲ_３１６０の接合部にお
ける電圧は、Ｒ_２１６５およびＲ_Ｇ１７０の接合部における電圧に等しくなるため、測定
された電圧Ｖｍｅａｓ１８０はゼロになるが、実際には、製造公差とひずみゲージの接続
に使用されるワイヤの抵抗とによる不一致を考慮して、変更可能または調製可能な固定抵
抗器の１つを用意するのが一般的である。ゲージの抵抗値が変化すると、ブリッジのバラ
ンスが崩れるため、ゼロでない電圧が１８０に存在するであろう。増幅器を使用して、ブ
リッジをひずみの変化によるゲージ抵抗の変化に対して非常に敏感にすることもできる。
非常に優れた分解能を実現できる可能性があり、これは電気工学の初期の頃からの標準的
な測定手法であった。

この実施形態では、１つ以上のひずみゲージを、解析を目的とするコンポーネント上の
試験部位に適用してもよい。ひずみゲージは、通常、高品質の接着剤を使用して、試験中
の材料の洗浄領域に適用されるが、ひずみゲージのメーカーは、どの接着剤が好ましいか
についてのガイダンスを提供するが、完全に適切な結果は通常、速乾性のシアノアクリレ
ート接着剤を使用して得られる。

図１Ｄを参照すると、ゲージスロット１８７に近接して機械加工された環状スロット１
８５が示されている。見やすくするために、図は代表的な単一ゲージを示しているが、こ
れは任意の方向のひずみの解決を可能にするゲージアレイであってもよい。この機械加工
により材料表面に蓄積された残留応力が解放されるが、これは、バルク材料１８４から本
質的に切り離されてゲージが取り付けられる小さなアイランド１８３が形成されたためで
あり、今や、ここは自由である。図１Ｅは、図１Ｄの構造を断面図として示しており、垂
直方向の寸法は明確にするために誇張されており、実際のサンプルの寸法を表すものでは
ない。図１Ｆは、線形スロット１９０が切削される場合、測定される領域の応力をバルク
の応力から遮断する第２の機械加工の方法を示し、ひずみゲージ１９５またはゲージアレ
イは、スロット近くの残留応力がバルク材料から遮断されるとき、ひずみの変化を記録す
る。従来、残留応力の解放は、ひずみゲージアレイの３つの軸の交点に穴をあけるだけで
実現されていたが、この機械でもこの操作を実行できるが、これは、当技術分野で十分に
文書化されているため、図示されていない。

図１Ｇおよび図１Ｈは、ひずみゲージ１８７に最も近い切削部の縁部でのみ遷移が急勾
配である切削部を示す。切削部の反対側は徐々に遷移し、２つ以上の段がある階段の外観
１８８または１８９は、機械加工が簡単で、段のサイズを適切に選択すればスムーズな遷
移部に非常に近くなる。ステップサイズは、等間隔１８８であってもよいし、またはその
他の方法、例えば、図１Ｈに示すような単純化された指数関数的関係１８９であってもよ
い。同様の方法で、図示されていないが、スロットの端部もこのように切削してもよい。
大きな利点は、切りくずの除去が容易になり、特に柔らかい材料を使用する場合に、切削
工具が切削部内で固着したり砕けたりする傾向が大幅に減少することである。この図は、
遷移部に近づくにつれて段の切削深さが増加する凸状の形状を示しているが、ステップの
切削深さを小さくして、凹状の形状を与えることも同様に実用的であることは明らかであ
る。指数関数的に漸進的な遷移部を生成するどちらの方法も受け入れ可能である。

一実施例では、ひずみ測定は、レーザまたはレーザのアレイなどの明確な光源および１
つ以上の検出器を備えた光学システムを使用して行われる。他の実施例は、デジタル画像
相関のシステムを使用し、ひずみまたは変位の変化を決定してもよく、そうでなければ、
電子スペックルパターン干渉を使用してもよい。他のひずみ測定方法または変位測定方法
を使用してもよい。試験中のサンプルの温度は、サーミスタ、熱電対の特性を使用して測
定してもよいし、光学的に検出して、専用装置に取り付けられたカメラの機能として組み
込んでもよい。

図２Ａは、本発明による機械加工器具の一実施形態を示す。機械コンポーネントは、ほ
とんどの構成で安定するように、通常３つの脚２１０を備えたベースプレート２０５に組
み立てられる。一実施例では、３つの取り付け脚２１０の全てが調整可能であり得、その
結果、ベースプレートは、機械加工されることになるパーツまたは試験サンプルに対して
平行にされ得る。これは厳密には必要ないが、別の実施例では、機械はパーツの表面を正
確に追跡できるため、複雑なカーブがほとんどない単純なタスクにとっては役立つ。機械
が機械加工されるパーツの表面をマッピングすることができる場合、脚２１０のうちの２
つ以上は、所望の機械加工領域に対して機械を平行にするように適切なアクチュエータを
使用して自動的に調整してもよい。

Ｘ軸駆動モータが２１５に示されている。これは線形アクチュエータであり、いくつか
の形式のいずれかを想定してもよい。通常、これは、ボールねじまたは送りねじを回転さ
せるステッピングモータまたはサーボモータであり、次に、機械の可動部分を支えるプラ
ットフォームをｘ方向に沿って駆動する。駆動モータ２１５は、正確な位置決めと相まっ
て高トルクを発生させるその能力のために選択される。モータ２１５がステッピングモー
タである場合、電子制御装置は、適切に位相調整された電力を供給して、モータを所定の
速度および方向で駆動し、それにより、可動プラットフォームを必要に応じて配置するこ
とができる。ｘ、ｙ、またはｚ方向の動きのいずれかで使用される高精度作動メカニズム
を保護するために、このようなメカニズムを囲みに入れておくことが好ましい。自由な動
きを可能にするために、２１８に示すようなスライドパネルまたはベローズがこの目的に
効果的であることがわかる。

この図には詳細は示されていないが、機械をｙ方向とｚ方向に駆動するモータがある。
線形精密スライドを使用して、パーツが互いに対して移動できるようにする。一般的には
、これらを、滑り摩擦を最小化するために、そして小さな変位の精度を損なうので望まし
くないスティクションすなわち静止摩擦を低減するために、ボールベアリングで支持して
もよい。十分に潤滑されたジブは、スライドに剛性が必要な場合によく使用され、調整ポ
イントが摩耗を吸収できるようにするが、小型専用装置では一般的に負荷が非常に小さい
ため、それほど必要ではない。実際には、この専用装置は工場で適切に調整されていれば
、潤滑以外の追加のメンテナンスはほとんど必要ない。ｙ軸スライド２２０のコンポーネ
ントは、部分的にのみ示されている。一般的なスライドの部分は、後で図３に示される。

機械加工コンポーネントを三次元可動プラットフォームに取り付ける取付けアセンブリ
２２５は、一連の所定のステップで調整することができる。これにより、取付けアセンブ
リをｚ軸で延長またはオフセットできるため、ｚ軸の移動距離を長くする必要がない。連
続可変マウントも使用できるが、ずれやミスアライメントのリスクを制限するための対策
を講じる必要があり、これを達成するための１つの方法は、この位置を調整するためにね
じアセンブリを使用するか、取付けアセンブリがそれ以上移動しないように止め具を調整
することである。これは、そうでなければ、機械加工される材料のフィーチャがＺ軸の動
きの障害となり、それを制限する可能性がある場合に、特に有益である。マウントはさま
ざまな方向に取り付けることができるため、通常の位置以外で機械加工を行うことができ
、図４Ａに詳細が示されている。これにより、例えば、サンプルの向きを変えることなく
、試験サンプルの垂直部分にフィーチャを切削することができる。さまざまなマウント構
成が可能であり、機械の駆動メカニズムに負担がかかるほど大きくなければ、機械の到達
範囲を広くすることができる。

カメラ２３０は、それが機械加工位置から規定された距離になるように取り付けられる
。電力と信号はケーブル２３３を介して供給される。機械加工点からオフセットされたカ
メラ位置は、ある点を機械加工し、次に機械加工されたその点の画像がグラチクルの中心
に来るように手動制御でカメラを移動することで調整できる。機械加工アクションに対応
するカメラの開始位置と、カメラの視野内で外観が中央に配置される位置との差は、カメ
ラのオフセットを表す。このオフセットはコンピュータ定数として保存され、フィーチャ
が視覚的に識別されると、必要に応じて、この保存された定数を単純に加算または減算す
ることにより、工作機械工具をその点に移動できる。カメラのレンズを保護し、画像のコ
ントラストを改善するために、レンズフードまたはシュラウド２３５を取り付けてもよい
。必要に応じて、照明源をシュラウドと同じ場所に配置するか、外部から追加してもよい
。光源は単色でも多色でもよい。さまざまな色の発光ダイオードを使用することにより、
画質を最適化してもよい。

２４７に設置された切削工具を駆動する高速モータ２４０が可動プラットフォームに取
り付けられているので、切削工具はサンプルまで移動し、切削はプログラムされており意
図されたフィーチャ（機構、外観）に従って行われる。スピンドル速度は高速であること
が望ましく、１つの実施例において、この速度は、１０，０００～１００，０００ｒｐｍ
の範囲であり、その結果、最適な切削速度が達成され得る。コレットまたは他の工具取付
けデバイス２４５がスピンドルの端部に配置されている。ほとんどのアプリケーションに
おいて、機械加工アクションを実行するのに超硬チップのエンドミルで十分であり、切削
工具は通常、アプリケーションと切削する材料によって決まる。モータ電力は接続２４３
を介して供給される。

切削点でクーラントまたは潤滑剤を不要にするために、切削パス当り数万分の１インチ
～数千分の１インチの近辺で非常に軽い切削が行われる場合がある（１つのアプリケーシ
ョンでは、最適な切削は約０．００４インチ即ち約１００μｍ）。もちろん、これは十分
に正確な情報を提供する妥当な深さを実現するために、多数のパスが必要になることを意
味する。スロットや穴の深さは、通常、約５ｍｍの作業深さで十分であるが、これは材料
やその他の関連情報を考慮して決定される場合がある。切削アクションから発生する破片
である切りくずは、クーラントがない場合、またはクーラントに加えて、ノズルから切削
工具に吹き付けるエアブラストを使用して除去できるが、このことは、例証で図面が乱雑
になるのを避けるために、図２Ａには示されていない。

この実施形態で使用される高いスピンドル速度では、負荷がかかっているときにかなり
の電流がモータに加えられる。これにより、巻線のＩ^２Ｒ損失と渦電流または鉄損の両方
からモータ自体に熱が発生する。この熱は、モータに特に有害ではないが、オペレータに
潜在的な火傷の危険をもたらすので、モータには、気流が向けられるシュラウド２４２を
取り付けてもよい。この冷却空気２５０は、存在する可能性があるあらゆる汚染物質を除
去するためにフィルタ２５５に配管されてもよい。ドライクリーンエア以外のものがモー
タの上を通過すると、残留物は、モータハウジングに捕捉されたり堆積したりして、モー
タの動作温度を大幅に上昇させて加速故障を引き起こす可能性のある絶縁バリアとして機
能する場合がある。圧縮空気からの一般的な汚染物質には、水、油、破片が含まれるが、
これらは全て除去するのが最適である。工場の圧縮空気を利用できることがよくあるが、
一般的に簡便な空気ポンプでも十分であるが、これらも正常な動作を妨げる可能性のある
ほこりや汚れの粒子を含むため、簡単なクリーニングアクションが好ましい。冷却空気は
、モータシュラウドの周囲から簡単に排出することができ、方向を定めたり、どこかに導
いたりする必要はない。

図１Ａおよび図１Ｂに示すようなひずみゲージアレイは、１つまたは複数のゲージ要素
を測定機器に接続するためのワイヤの取付けを容易にする大きな接続パッドを有する。通
常、この接続は、ワイヤをパッドにはんだ付けして行われる。ゲージの材料とユーザが測
定システムに接続する点との間の良好な電気接続を容易にし、また腐食を防ぐためにも、
製造中、接続パッドに酸化を防ぐ金の薄いコーティングを施してもよい。このようなコー
ティングは特に耐久性がなく、過酷な処理に耐えることはできないが、十分な注意を払え
ば、自動プロービング（検査、調査）機器での使用に適している可能性がある。これによ
り、プローブステーションが図２Ａの機械に取り付けられる機会が生まれ、機械加工が進
むにつれて、プローブがゲージに適用され、測定値が機械加工の中間点で取得および記録
される。機械加工が進むにつれて、測定されたひずみは、さらに機械加工してもひずみに
大きな変化が生じない値に向かって漸近的に変化する。この時点で、機械加工が中止され
てもよく、これは他では見られない効率の向上につながる。高速で実行される非常に細か
い切削は最小限に抑えられ、従来の方法で見られる重い切削とは対照的に、パーツに追加
の応力がほとんど発生しないため、これは優れた戦略になる。さらに、この方法でのアニ
ュラス切削は、コアリングドリルを使用した切削よりも煩わしくないことが分かっている
。コアリングドリルは、キューブエッジに相当なクリアランスがある場合でも、切りくず
が工具本体と加工される材料との間に閉じ込められるため、切削部の側面で剥離するとい
うリスクがあることに加えて、切削の結果として生成される切りくずを除去するのに非常
に非効率的であるため、機械加工中の工具のびびりが大幅に減少する。

測定プローブは、任意の適切なタイプであってよい。半導体産業および測定産業はその
ようなプローブの消費者であり、これらは容易に入手できる。
理想的には、プローブは、金メッキ、パラジウムメッキ、クロムメッキなどの腐食の問
題を軽減するためにコーティングされており、損傷したパーツを交換できるように交換可
能な接点要素を備えている。プローブステーションに、カメラ２３０およびモータ２４０
と同じマウント２２５に取り付けてもよい。図２Ｂは、単一のプローブ接続用の例示的な
プローブアセンブリを示す。接触コンポーネント２７０は、パラジウム合金または金めっ
き導体などの耐腐食の材料で作られる。スプリングは通常、ひずみゲージ上の接触パッド
とピンとを接触させて保持するために圧力をかけることができる接触ピンアセンブリに組
み込まれている。ピン保持具２７５は、非導電性材料で作られ、ねじ２８５によって取付
け具２８０に保持される。スプリング２７７は、プローブシステムの動作が安全であるこ
とを保証する。ピン２７０は、ワイヤ２７２によって測定装置に接続される。後退システ
ムは図示されていないが、これは、機械加工の実行中に、プローブアセンブリ（通常、作
られるひずみゲージ接続の数に応じて２つ以上のプローブが使用される）をひずみゲージ
から持ち上げることができる。使用中、プローブ接触システムはゲージ接触パッドと接触
するように移動され、ゲージの開始値または複数の開始値の開始測定を行う。相対位置が
細かく調整されている間、可動プラットフォームの位置の記録が作成されるが、これは、
このシステムの最も単純な実施例になる手動調整であってもよい。次に、プローブが後退
し、カメラを使用してゲージの基準点が中央に配置される。これで、カメラと１つまたは
複数のプローブ位置との間のオフセットを記録して保存できる。前述のように機械加工を
行うことができ、所定の数の切削パスの後で、プローブステーションをゲージまたはゲー
ジアレイ上の接触位置に戻し、プローブを延長して１つまたは複数のゲージと接触させ、
測定を行うことができる。汚染がなければ、繰り返し測定を行うことができ、プローブの
繰り返し接触によるゲージの接続パッドの摩耗の結果として発生する測定における偶発エ
ラーは、接触パッドの別の部分に触れるようにプローブの位置に少量のインデックスを付
けることで簡単に処理される。

図３は、スライド３００および駆動機構３１０の構造を示す。スライドは、１つの軸で
自由に移動し、他の２つの軸では動かないように設計されている。スライド３００は、溝
に嵌合するタングを使用してレール３０５に係合しており、スライドの両側にタングがあ
り、レール溝が両側にあってもよい。これらは、摩耗を吸収できる調整可能なコンポーネ
ントで補強することができるが、このような精密機械では、摩耗したパーツを新しいパー
ツと交換することが好ましい。一実施例では、駆動機構３１０は、１回転当り２００ステ
ップに対応する１．８度のステップを有するように選択されたステッピングモータ３２０
によって操作される。スライド機構を駆動する送りねじ３２５のピッチは、完全に１回転
するとスライド３２０が１．２１９２ｍｍ即ち０．０４８インチ移動するように選択され
る。駆動ナット３３０は、スライドアセンブリに取り付けられ、一方、駆動モータ３２０
は、機械本体に取り付けられる。駆動ねじを位置または推力のいずれかまたは両方で安定
させるために取り付けることができるベアリングは、表示されていない。駆動モータ３２
０は、かなり大きなスラスト荷重を支持することができるベアリングを有するように選択
することができ、したがって、駆動ねじの遠端は、追加の支持をほとんど必要としない場
合がある。Ｘ方向とＹ方向の両方で同じドライブコンポーネントを使用してもよいが、こ
れらは同じである必要はない。垂直方向即ちＺ方向は、インクリメンタル切削を正確に管
理できるようにファインピッチであることが望ましい場合を除いて、異なる性質にするこ
ともできる。

図４Ａは、図２Ａに示した電気切削モータとそのコンポーネントの取付けの詳細を示す
。マウント２２５は、いくつかの方法のうちの１つで三次元可動プラットフォームに取り
付けられるように設計されている。マウントは、２つのスロット４０５によってインデッ
クス付けされ、その結果、一実施例では、２つの方法のうちの１つで取り付けられ、それ
により、フィーチャ（機構、外観）を下からだけでなく、従来方式で上から切削すること
ができる。インデックスピンが使用され、正確に配置されているため、可動プラットフォ
ームに対するマウント位置は常に繰り返し可能である。別の実施例では、マウントは、垂
直面に切り込むことができるように、９０°ずらしたいくつかの位置に取り付けることが
できる。さらに別の実施例では、マウントは、任意の向きを機械加工できるように、選択
した任意の角度を使用可能とするシステムによって駆動してもよい。後者は、検査対象サ
ンプルの範囲で切削を行う必要がある場合に特に役立つが、そうしないと、区分されたパ
ーツのセットアップおよび治具研削をかなりの回数しなければ、検査対象サンプルにアク
セスできなくなるであろう。

モータシュラウド４２０は、空気供給部を取り付けることを可能にする入口接続部４２
５を有する。空気の流れはモータからいくらかの熱を除去するのに役立つが、主な効果は
シュラウドの温度上昇を制限することである。これにより、オペレータが誤って高温のパ
ーツに触れて怪我をすることがなくなる。空気は、図２Ａに示すように圧縮空気の供給源
から取り込んでも、図４Ｂに示すように専用装置の近くにある小型ポンプから取り出して
もよい。この空気は、図２Ａに見られるようにフィルタ２５５によって濾過され、水分、
油および粒子が除去される。フィルタ出口は、可撓性パイプ４２０によって入口４２５で
シュラウドに接続してもよいし、高圧接続である必要はない。大流量は必要とされず、空
気はシュラウドの基部から単純に排出される。専用装置が使用中でないときに破片や昆虫
の進入を防ぐために、シュラウド基部にスクリーン（図示せず）が取り付けられていると
有効な場合がある。専用装置が重力下での粒子の蓄積に有利な向きで使用される場合、こ
のスクリーンまたはスクリーンアセンブリはこれを防ぐのに役立つ。専用装置の他所で使
用するために、可撓性パイプまたはチューブに取り付けられた簡単なＴフィッティングを
使用して、濾過空気供給部から空気を取り出してもよい。一実施例は、この供給部から空
気を抽気し、ノズル（図示せず）を使用して、カメラに取り付けられたレンズシュラウド
２３５を横切って空気を吹き付けて、破片および汚染物質をレンズ表面から遠ざける。モ
ータ２４０用電力はケーブル２４３を通じて供給される。

図４Ａを続けると、カメラ２３０を含む光学システムを使用して、切削されるフィーチ
ャ（機構、外観）の機械加工点または開始点を見つけることができる。電力および信号伝
送は、ケーブル２３３を使用して供給される。単純なシュラウドまたはレンズフード２３
５を光学システムに取り付けてもよい。このフードは単純で、影やコントラスト喪失を引
き起こす可能性のある外来光を減らすための遮蔽にすぎない。レチクル（網線、十字線）
をフードに物理的に取り付けて、測定を行うことができる。代替的に、コンピュータで生
成されたレチクルは、コンピュータ画面上の解像された画像を直接操作することができる
。フード２３５は、照明コンポーネントを備えてもよく、一実施例では、照明は、様々な
放出波長または色の１つ以上の発光ダイオードによって提供され、次いで、ダイオードへ
の電力を切り替えることにより、照明のスペクトルを、近赤外線の比較的長い波からスペ
クトルの青端の比較的短い波長まで変更できる。これは、照明される材料とその仕上げに
応じて有利に使用できる。このように、照明は単色または多色であってもよく、これは、
最新のイメージセンサは十分に赤外線スペクトルに及ぶ動作帯域幅を有しているため、カ
メラの画像にとって有益であり、試験サンプルの一部のまたは全ての領域の温度および温
度プロファイルが測定され、解析測定データの一部として使用してもよい。

図４Ｂは、モータにクリーンな冷却空気を供給し、カメラの光学システムを保護するた
めのエアブラストを供給するために使用される補助空気システムを示す。空気ポンプ４５
５は、チューブ４５０を介して周囲空気を引き込み、それをフィルタ２５５に送り込み、
その後、空気は、チューブ４２０を介して専用装置に分配される。ポンプ４５５は、電気
モータ４６０によって駆動され、モータ用電力は、ケーブルグランド４７０を介してモー
タに入るケーブルを使用して供給される。

図５Ａは、カメラ２３０、その電源および信号ケーブル２３３、シュラウド２３５およ
びレチクル５１０を示す。このレチクルは、正確な測定基準であり、図示の通り加工対象
物に投影されるか、またはシュラウド内に配置されたインサートに刻印されて、画像の正
確な距離測度を与える。これは、顕微鏡検査で使用される比較的一般的な方法であるが、
冶金アプリケーションでは、鏡面反射処理などの方法も役立つ。一実施例では、コンピュ
ータで生成されたレチクルが表示画面に表示され、加工対象物画像を重ね合わせる。図５
Ｂは、カメラシュラウドに取り付けることができる照明デバイスを示す。本体５７５は、
照明コンポーネント５８０用のハウジングを提供する。これらは発光ダイオードであって
もよく、単色光、多色光、または選択可能な範囲の波長さえ生成するように選択すること
ができる。電力は、本体に取り付けられたコネクタ５８５を介して印加される。このこと
は、この照明コンポーネントは、アプリケーションによって必要とされる通り、バージョ
ンごとに簡単に変更できることを意味する。最新のカメラコンポーネントは非常に小型化
されているため、照明要素をカメラセンサ自体に埋め込むことが実用的であることは明ら
かである。カメラの解像度は、照明方法と同様に設計上の選択である。カメラの清潔さは
、機械加工用電気モータシュラウドに供給された空気の一部を取り込み、これをカメラの
レンズ領域を横切るジェットとして向かわせることによって保証される。これは、専用装
置が試験片の下部から逆向きの切削に使用される場合のように、粒子と破片がカメラの近
くに落ちるように専用装置を位置合わせしている場合に有利である。

さらに別の実施例では、図６は、コレット２４５によって固定された切削工具６１０の
ごく近くに配置され、オペレータが専用装置を直接配置できるように、光ファイバケーブ
ル６００がどのように使用され得るかを示す。図５Ａのカメラシュラウド２３５に照明源
が使用されたのと同じ方法で、ユーザが選択可能な単色または多色の光源が、標的観察部
位に提供され得る。カメラの低照度操作では、被写界深度を制限する効果があるレンズ構
造に広い開口部が必要になることを理解することが重要である。適切な照明レベルを使用
することにより、レンズの開口部を小さくすることができ、その結果、被写界深度が改善
されるか、または大きくなる。ＬＥＤを照明源として使用することにより、一般的な白熱
光源によって示される散逸なしに、良好な強度を達成することができる。さらに、ＬＥＤ
は非常に堅牢であるという大きな利点を提供し、機械的な衝撃や乱用に対して比較的耐性
がある。

光ファイバケーブルの使用はまた、カメラセンサを含むことができる照明源６３０を遠
隔に配置する機会でもある。部分的に銀メッキされたミラー配置を使用して照明を反射す
ることにより、光ファイバケーブルは照明を直接視点に当て、一方、カメラセンサはミラ
ーを通して直接視点を観察する。これの１つの利点は、軸外の影が減少することであり、
この方法は、検査デバイスとして当技術分野の他の場所で見られるボアスコープの使用に
匹敵する。機械加工が行われている場所に電子制御装置や余分な配線を配置する必要がな
いため、高照度をリモートで提供する機能は有益である。可動プラットフォームの動作点
での質量が減少すれば、操作性と応答性がさらに向上する。カメラは図２Ａおよび図５Ａ
のコンポーネント２３０であり得るが、ハウジング６３０内に囲まれた図６のカメラは、
好ましくは、カメラコンポーネントの一体化された部分として部分的に銀メッキされたミ
ラーを有する。切削工具６１０は、コレット２４５によってモータ２４０にしっかり保持
される。ノズル６０５は、切削工具６１０の周囲の領域から機械加工の破片を除去するこ
とを目的とするエアブラストを誘導する。光ファイバケーブルは、カメラ機能がハウジン
グ６３０に含まれる場合、カメラの代わりに取り付けてもよく、あるいは、従来のカメラ
と組み合わせて照明のみを提供する場合、必要な領域を照明するように固定してもよい。

システムのブロック図は、可動プラットフォーム７１０用の駆動モータを管理する制御
電子機器７０５に接続されたコンピュータ７００を示す。カメラインタフェース７１５は
、図２Ａのカメラシステム２３０（または一体型カメラおよび光ファイバケーブルの場合
は図６の５００）に結合するので、視覚情報を格納および表示することができる。精密測
定電子機器７２０は、コンピュータをプローブステーション７２５に接続し、位置決め機
構７３０も設けられているのでプローブ７３５を伸長または後退させることができる。プ
ローブは、調整可能であり、解析に使用されているひずみゲージまたはゲージアレイ７４
０に接続するように配置できる。

一実施例では、倣いシステム７５０が提供される。この実施例では、線形可変差動トラ
ンスデューサ７５５などの位置センサを使用して、試験片、クーポンまたはサンプルの表
面を追跡し、この情報を、解析の過程で後にコンピュータが使用するために記録してもよ
い。例として、プロファイルの機械的な違いを残留応力の違いと組み合わせて使用して、
重要なパーツに対する形状の影響を判断してもよい。ユーザインタフェースの必要性から
、ディスプレイ７６０およびキーボード７６５を提供してもよい。マウスやトラックボー
ルなどのポインティングデバイスや、ジョイスティック、タッチスクリーン、触覚コント
ローラなどの特殊なインタフェースコンポーネントも、特定のアプリケーションの顧客ニ
ーズに応じて提供してもよい。

ラップトップやデスクトップマシンなどの汎用コンピューティングプラットフォームを
使用してもよいが、アプリケーション固有のコンピュータは、専用装置を完全にカスタマ
イズおよび最適化する機能を提供する。一実施例では、コンピュータ制御、測定、および
処理は、ディスプレイモニタおよびユーザインタフェース要素用の外部接続を使用して、
埋め込まれた単一カードコンピュータで実行される。コンピュータソフトウェアまたはフ
ァームウェアは、ユーザ情報の入力方法と、それを使用して専用装置自体の態様の制御方
法を決定する。

専用装置の別の態様では、困難なまたは汚れた作業条件からシステムを保護するために
筐体を提供することができる。さらに、筐体は、専用装置の近くにいるユーザと担当者に
安全バリアを提供する。図８は、一般的な筐体を示す。筐体フレーム８００は、筐体の基
本的な強度を与える。１つ以上のドア８１０によって、専用装置へのアクセスが容易にな
る。一実施例では、半透明のポリカーボネートシート８２０が筐体の壁に使用されるが、
これらは不透明な金属壁で置き換えることができる。筐体は通常、現場での可搬使用のた
めに２つ以上の主要な部分に分割されるので、専用装置へのアクセスが容易になるが、実
験室環境での固定使用では、この取り外し可能性はそれほど重要ではない。筐体はモジュ
ール式であるため、設計を簡単に変更して、他の方法では不便である可能性のある大型構
造に対応できる。

要約すると、本発明は、機械加工プロセスを使用してコンポーネントおよび構造物の材
料特性を解析し、試験中の材料の応力緩和を可能にするシステムおよび方法を提供する。
このようなシステムの利点には、固定された実験室での使用に対する機械加工精度に関し
て最新の技術を改善し、ツールの交換を必要とせずに、単一のツールを使用して、穴、ア
ニュラス（環帯）、スロット、スリットの全てを含む残留応力緩和フィーチャを切削し、
材料のひずみ状態の自動測定を可能にし、装置の性能を大幅に変更することなく、離れた
場所で使用できる能力が含まれる。

本発明をいくつかの実施形態に関して説明してきたが、本発明の範囲内に含まれる変更
、修正、置換、および同等の代替物が存在する。サブセクションのタイトルは、本発明の
説明を助けるために提供されているが、これらのタイトルは、単なる例示であり、本発明
の範囲を限定することを意図していない。

また、本発明の方法および装置を実装する多くの代替方法があることにも注意すべきで
ある。したがって、以下の添付の特許請求の範囲は、本発明の真の精神および範囲に含ま
れる全てのそのような変更、修正、置換、および同等の代替物を含むものとして解釈され
ることが意図されている。

Claims (35)

1. 所定の軸に沿って取り付けられた１つ以上のひずみゲージを有し、試験対象コンポーネ
   ントの応力状態が変化するとひずみの変化に比例する出力を生成するひずみ測定システム
   に動作可能に接続された前記試験対象コンポーネントの残留応力を測定する方法であって
   、
   機械加工専用装置と前記試験対象コンポーネントとを適切な相対位置に配置して、前記
   試験対象コンポーネントの表面に切り込みを入れるステップと、
   前記１つ以上のひずみゲージの配置によって決定される点を特定し、その近くにある材
   料を前記試験対象コンポーネントから除去して、その点での前記既存の残留応力を変える
   ステップと、
   前記点から開始して、前記１つ以上のひずみゲージが取り付けられている表面に対して
   所定の角度でフィーチャを前記試験対象コンポーネントの上に機械加工するステップであ
   って、前記機械加工は前記機械加工プロセスから追加の応力を導入することなく複数の軽
   い切削を含み、その結果、前記フィーチャに近接する領域内の前記残留応力が前記バルク
   内のそれから遮断されるステップと、
   計算に使用するために、機械加工から生じるひずみの変化を測定するステップとを含む
   、方法。
2. 前記意図された切削の前記領域に近接する前記表面の検査、記録される前記領域のプロ
   ファイルの作成をさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 検査は線形可変差動変換器を使用した検査を含む、請求項２に記載の方法。
4. 検査は光学的に使用可能で、デジタル的にコード化されたプローブを使用した検査を含
   む、請求項２に記載の方法。
5. 前記切削フィーチャは前記ひずみ測定コンポーネントを取り巻くアニュラスである、請
   求項１に記載の方法。
6. 前記切削フィーチャは前記ひずみ測定コンポーネントに沿ったスロット切削である、請
   求項１に記載の方法。
7. 前記測定システムはホイートストンブリッジを含む、請求項１に記載の方法。
8. ひずみの変化の測定は光源および１つ以上の検出器を使用する光学システムを含む、請
   求項１に記載の方法。
9. 前記光源の周波数は単色または多色であるように選択可能である、請求項８に記載の方
   法。
10. 前記ひずみ測定システムは、カメラを使用し、デジタル画像相関を実行し前記ひずみの
    変化を決定する光学システムを含む、請求項１に記載の方法。
11. 試験対象コンポーネント（ＣＵＴ）の残留応力解析に使用する専用装置であって、
    ２つ以上の相互に直交する運動軸を有する可動プラットフォームと、
    制御システムに結合された各運動軸の駆動機構と、
    前記制御システムに結合された機械加工工具とを備え、前記工具は、前記機械加工プロ
    セスから追加の応力を導入することなく、試験対象コンポーネント（ＣＵＴ）に複数の軽
    い切削を機械加工するように構成されており、前記試験対象コンポーネントの機械加工フ
    ィーチャに近接する領域の残留応力が、前記バルク内のそれから遮断され、それにより、
    前記バルク内の残留応力から遮断される前記残留応力に応答して、試験対象コンポーネン
    トの前記機械加工フィーチャに近接する前記領域のひずみまたは変位を測定するように構
    成されたセンサを配置するために前記機械加工フィーチャに近接する前記領域を準備し、
    また前記機械加工工具の前記最小切削高さを位置決めするための調整可能なモータマウ
    ントと、
    前記切削軸に直交し、この軸に対して固定された表示領域を有するカメラとを備え、
    前記制御システムは、操作命令およびパラメータの入力および実行、カメラ画像の表示
    、ならびに測定および導出された情報の計算および記憶を可能にするプロセッサおよびイ
    ンタフェースを含む、専用装置。
12. 前記表示領域における距離を測定するためのレチクルを有する、請求項１１に記載のシ
    ステム。
13. 前記レチクルが電子的に生成され、表示された画像に重ね合わせる、請求項１２に記載
    のシステム。
14. 前記カメラレンズに取り付けられるフードは、前記視野領域を単色光または多色光で照
    明するための１つ以上の選択可能な光源を含む、請求項１１に記載のシステム。
15. 前記光源は発光ダイオードであり、近赤外の波長を含む、請求項１４に記載のシステム
    。
16. １つの軸が切削深さを制御する、請求項１１に記載のシステム。
17. ひずみゲージまたはゲージアレイへの自動接続を可能にするプローブステーションを有
    する、請求項１１に記載のシステム。
18. 前記プローブステーションの前記プローブは、前記可動プラットフォームの操作とは無
    関係に後退し得る、請求項１７に記載のシステム。
19. 前記機械加工フィーチャはスロットである、請求項１１に記載のシステム。
20. 前記機械加工フィーチャは、寸法データの入力が条件付けられた予めプログラムされた
    操作に対応する１つ以上の選択可能な形状を含む、請求項１１に記載のシステム。
21. 前記１つ以上の選択可能な形状は、穴、アニュラス、スロット、スリット、楕円、長方
    形、またはプラス記号を含む、請求項２０に記載のシステム。
22. 機械加工される前記領域に対する前記切削工具の角度調節のために調節可能な脚が提供
    される、請求項１１に記載のシステム。
23. 倣いプローブが取り付けられているため、前記試験対象コンポーネントを自動的にマッ
    ピングできる、請求項１１に記載のシステム。
24. 前記マッピングされたプロファイルを使用して、前記駆動機構を調整または指示し、前
    記試験対象コンポーネントの表面の前記プロファイルに基づいて前記機械加工フィーチャ
    を調整できるようにする、請求項２３に記載のシステム。
25. 前記機械加工工具は、穿孔用工具、フライス用工具または切削工具を保持するためのコ
    レットまたはチャックアセンブリが取り付けられた高速モータを含む、請求項１１に記載
    のシステム。
26. 前記機械加工工具は放電加工を利用する、請求項１１に記載のシステム。
27. 前記機械加工ツールはレーザアブレーションを利用する、請求項１１に記載のシステム
    。
28. 前記カメラおよび前記機械加工工具は、永久的に固定されており、試験中に手動での調
    整を必要としない、請求項１１に記載のシステム。
29. 前記センサはひずみゲージである、請求項１１に記載のシステム。
30. 前記センサは変位計である、請求項１１に記載のシステム。
31. 前記センサは、デジタル画像相関および干渉法のうちの１つ以上を含むひずみ測定また
    は変位測定のための光学的方法を使用する、請求項１１に記載のシステム。
32. 前記機械加工フィーチャは前記センサに対して配置される、請求項１１に記載のシステ
    ム。
33. 前記機械加工フィーチャは垂直軸に沿った少なくとも２つのステップを含む、請求項１
    １に記載のシステム。
34. 前記少なくとも２つのステップは、互いに対して寸法的に非線形である、請求項１１に
    記載のシステム。
35. 前記機械加工フィーチャは光学的フィーチャ認識を使用して配置される、請求項１１に
    記載のシステム。

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