JP3557765B2 - 硬度測定装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、硬度測定装置に関し、特にビッカース硬さ試験法、ヌープ硬さ試験法などの押し込み式の硬さ試験法に準じた硬度測定をコンピュータによる画像処理によって行う硬度測定装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
ビッカース硬さ試験法、ヌープ硬さ試験法など、平面形状が多角形の圧子を試験片の表面に押し付け、試験片表面に生じる多角形の圧痕の対角線長さより硬度を測定する押し込み式の硬さ試験法はよく知られており、これは金属材料の機械的性質の評価に多く用いられている。
【0003】
周知のようにビッカース硬さ試験法は、ダイヤモンド正四角錘による圧子を使用し、試験片表面に生じる正四角錘形状の圧痕の二つの対角線長さの平均値と圧子の試験片に対する押し付け荷重との関係において硬度を示し、ヌープ硬さ試験法は、ダイヤモンド長四角錘による圧子を使用し、試験片表面に生じる長四角錘形状の圧痕の長い方の対角線長さと圧子の試験片に対する押し付け荷重との関係において硬度を示す。
【0004】
このような試験法による硬度測定をコンピュータによる画像処理によって行う押し込み型硬度測定装置が既に提案されている。この押し込み型硬度測定装置は、例えば特開平1−312441号公報、特開平7−218410号公報などに示されているように、圧子の押し付けにより試験片表面に生じた圧痕を顕微鏡に接続されたCCDカメラなどの撮像手段により撮像し、この撮像画像データに対して二値化などの前処理を行って圧痕の各辺を示す境界(点列データ)あるいは圧痕の角部を抽出し、抽出された境界あるいは角部の座標値から試験片の硬度を算出する。
【0005】
【発明が解決しようする課題】
しかしながら、研磨処理に時間をかけないことにより試験片表面に無数の傷があったり、また硬度測定部(溶接部など)を特定し易くするために試験片表面にエッジング処理を施して試験を行う場合などにおいては、圧痕が認識しにくく、圧痕のデータを正確に読み取ることができなかった。このような場合、試験片表面を研磨して傷などを除去することが考えられるが、研磨を行うことは非常に面倒であった。
【0006】
本発明の目的は試験片に傷があったり、エッジング処理を施してある場合であっても、圧痕のデータを正確に読み取ることができる硬度測定装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
一実施の形態を示す図1および図2を参照して説明すると、本発明による硬度測定装置は、平面形状が多角形の圧子1を試験片Tの表面に押し付け、試験片表面に生じる多角形の圧痕から硬度を測定する硬度測定装置において、圧痕を付ける前および圧痕を付けた後の試験片表面を撮像する撮像手段5と、撮像手段5により撮像された試験片表面に圧痕を付ける前の試験前画像データD0に基づいて試験片表面が鏡面であるか否かを判断する判断手段6と、判断手段6により鏡面であると判断されると、撮像手段により撮像された試験片表面に圧痕を付けた後の試験後画像データD1に基づいて圧痕の輪郭を抽出し、この輪郭抽出データと圧子押し付け荷重値などに基づいて試験片Tの硬度を演算し、判断手段6により鏡面でないと判断されると、撮像手段5により撮像された試験片表面に圧痕を付ける前の試験前画像データD0と圧痕を付けた後の試験後画像データD1との差分画像データD2を算出し、差分画像データD2に基づいて圧痕の輪郭を抽出し、この輪郭抽出データと圧子押し付け荷重値などに基づいて試験片Tの硬度を演算する硬度演算手段6とを具備することにより、上述した目的を達成する。
【0008】
平面形状が多角形の圧子1を試験片Tの表面に押し付けることにより試験片表面には多角形の圧痕が形成される。圧痕が形成される前の試験前画像データD0と圧痕が形成された後の試験後画像データD1とが撮像手段5により撮像され、得られた各画像データの差分を求めて差分画像データを得、この差分画像データに基づいて、圧痕の輪郭を抽出して例えば対角長さを算出し、この対角長さと押し付け荷重値との関係から試験片Tの硬度を演算する。
【0009】
なお、本発明の構成を説明する上記課題を解決するための手段の項では、本発明を分かり易くするために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本発明が実施の形態に限定されるものではない。
【発明の実施の形態】
【0010】
以下図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図1は本発明による硬度測定装置の一実施の形態を示す図である。硬度測定装置は、所定荷重をもって正四角錘の圧子1をステージ2上の試験片Tの表面に押し付けるビッカース試験機3と、ビッカース試験機3の圧子1が試験片Tの表面に押し付られたことにより試験片表面に生じる正四角輪郭の圧痕を顕微鏡4によって拡大撮像するCCDカメラ(撮像手段)5と、CCDカメラ5により撮像された試験片表面の画像データを取り込んで画像処理により硬度(ビッカース硬さ)を検出するコンピュータによる画像処理装置6とを有している。
【0011】
図2に示されているように画像処理装置6は、CCDカメラ5が出力するアナログ画像信号をディジタル画像信号に変換するA/D変換部11と、A/D変換部11からのディジタル画像信号、即ち撮像画像データを格納する第1および第2の画像メモリ12A,12Bと、後述するような処理を行って試験片の硬度を算出するCPU13と、CPU13に種々のデータを入力するキーボード14と、撮影画像データを表示するためのCRT15とからなる。
【0012】
次いで、図3に示すフローチャートを参照して本発明の動作について説明する。まず、ステップS1において初期画像データD0の読込みを行う。これは試験片Tを試験機3のステージ2上に載置し、載置された試験片Tの表面を顕微鏡4によって拡大し、それをCCDカメラ5により撮像することにより行われる。そしてCCDカメラ5が出力するアナログ画像信号をA/D変換部11によりディジタルの初期画像データD0に変換し、これを第1の画像メモリ12Aに取り込む。
【0013】
初期画像データD0の取り込みが終了すると、ステップS2において、試験片Tに圧痕が形成される。これは試験機3のステージ2上に載置した試験片Tに圧子1を所定の荷重をもって押し付けることにより行う。これにより試験片Tの表面に圧子1による正四角形の輪郭による圧痕が付く。試験片Tの表面に付いた圧痕を顕微鏡4によって拡大し、それをCCDカメラ5により撮像する。CCDカメラ5が出力するアナログ画像信号をA/D変換部11によりディジタルの圧痕画像データD1に変換し、これを第2の画像メモリ12Bに取り込む。
【0014】
次いで、ステップS4において、試験片Tの表面が鏡面であるか否かの判断がなされる。ここで、鏡面であるか否かの判断は以下のようにして行う。まず、図4に示すような初期画像データD0のヒストグラムを求める。例えば横軸は画素の輝度値を、縦軸はその個数である頻度を示す。試験片Tの表面が鏡面である場合は、ヒストグラム20のようにある一定の輝度値を有する部分の頻度が大きくなるが、鏡面でない場合は試験片Tの表面の傷などによりヒストグラム21のように広い範囲の輝度値に亘って頻度を有するものとなる。したがって、作成されたヒストグラムの輝度値の分布から、試験片Tの表面が鏡面であるか否かを判断する。
【0015】
そしてステップS4において、試験片Tの表面が鏡面でないと判断された場合は、ステップS5において、圧痕画像データD1から初期画像データD0を減算して差分画像データD2を得る。図5(a)は圧痕画像データD1により表される画像を示す図、図5(b)は初期画像データD0により表される画像を示す図、図5(c)は差分画像データD2により表される画像を示す図である。図5(a)に示すように、試験片Tの表面が鏡面でない場合には、試験片Tの表面には圧痕とは関係のない多数の傷が付いている。また、図5(b)に示すように圧痕を形成する前にもこれと同一の傷が試験片Tの表面に付いている。したがって、圧痕画像データD1から初期画像データD0を減算することにより、圧痕画像データD1からは傷などのデータが除去されるため、差分画像データD2により表される画像は、図5(c)に示すように、傷などが除去された圧痕のみが現れるものとなる。
【0016】
このようにして差分画像データD2が得られると、ステップS6において、圧痕サイズの演算処理がなされる。
【0017】
次いで、図6(a),(b)により圧痕サイズ演算処理について説明する。試験片表面の圧痕の輪郭形状は正四角形であり、圧痕の対角線がCPU13における画像処理座標系(直角座標)の座標軸に整合するよう、CCDカメラ5による試験片表面の撮像姿勢が定められており、図6(a)に示す通り、CPU13に取り込まれる圧痕画像データは圧痕の対角線が画像処理座標系の座標軸に整合したものになる。
【0018】
CPU13において、差分画像データは縮小処理がなされるとともに、平滑化処理がなされてデータ中のノイズが除去され、さらに二値化処理がなされる。この二値化により図6(b)に示すように、撮像対象物である圧痕Aとその他の部分(背景)Bとが分離され、圧痕Aの各片がなす境界Cが明確になる。
【0019】
次に二値化された差分画像データD2に基づいて圧痕Aの角部小領域を特定する。この圧痕Aの角部小領域の特定は、図7(a)に示すように、圧痕Aの領域内の任意の一点pから圧痕境界に属する点であって画像処理座標系の各座標軸方向、即ち+X軸方向と−X軸方向と+Y軸方向と−Y軸方向の各々において最も離れた位置にある点Px1、Px2、Py1、Py2を抽出し、図6(a)に示すようにこれら各点を中心した正方形状の角部小領域Ex1、Ex2、Ey1、Ey2をCPU13上の座標値として設定することにより行う。
【0020】
次に差分画像データD2のうち、角部小領域Ex1、Ex2、Ey1、Ey2のデータについて画像処理を行い、圧痕の角部の座標値を算出する。この圧痕角部の座標値算出は、まず各角部小領域Ex1、Ex2、Ey1、Ey2の差分画像データD2を二値化し、二値化した差分画像データD2より各角部小領域Ex1、Ex2、Ey1、Ey2について二つの圧痕境界の点列を抽出する。次に抽出した各圧痕境界の点列を最小二乗法、ハフ変換などにより直線近似変換し、この直線近似変換により図7(b)〜(e)に示されているように、各角部小領域Ex1、Ex2、Ey1、Ey2について二つの直線L1−L2、L3−L4、L5−L6、L7−L8を算出し、その各組の二つの直線の交点P1〜P4の各々の座標値(x,y)を算出し、これを圧痕Aの各角部の座標値とする。
【0021】
この各角部の座標値(x,y)より圧痕Aの対角線長さを算出し、さらにその対角線長さに基づいて硬度を演算し、ステップS7において演算結果を出力する。
【0022】
一方、ステップS4において試験片表面が鏡面であると判断された場合は、試験片表面には傷などは付いていないため、上述した差分画像データD2と同様に、ステップS6において圧痕画像データD1に基づいて圧痕サイズの演算処理がなされ、ステップS7において演算結果が出力される。
【0023】
なお、上述の実施の形態はビッカース硬さ試験法によるものであるが、本発明による硬度測定装置はこれに限定されることはなく、ヌープ硬さ試験法、その他、これら硬さ試験法と等価の圧子押し込み方式の硬さ試験法に同様に適用されるものである。
【0024】
さらに、本発明による硬度測定装置は、エッジング処理が施された試験片表面の硬度の測定を行う場合にも適用することができる。すなわち、エッジング処理により試験片表面に被測定部を周囲と識別するエッジング部を形成して溶接部などを特定し易くする場合、このエッジング部により圧痕が認識しにくくなる。本発明の硬度測定装置によれば、上述したように圧痕画像データから初期画像データを減算することによりエッジング部のデータが除去されるため、エッジング部により圧痕が認識しずらくなることがなくなり、圧痕のデータを正確に読み取ることができる。
【0025】
以上の実施の形態と請求項との対応において、CCDカメラ5が撮像手段を、画像処理装置6が硬度演算手段および判断手段をそれぞれ構成する。
【0026】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明による硬度測定装置によれば、圧痕形成前の画像データと圧痕形成後の画像データとの差分を求めるようにしたため、試験片表面に傷があったり、エッジング処理が施されていても、その傷やエッジング部のデータは除去される。したがって、傷やエッジングに影響されない正確なデータを読み込むことができ、これにより測定精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による硬度測定装置の一実施の形態を示す全体構成図
【図2】本発明による押し込み型硬度測定装置の画像処理装置の一実施の形態を示すブロック線図
【図3】CPUにおける処理を示すフローチャート
【図4】初期画像データのヒストグラム
【図5】初期画像データ、圧痕画像データおよび差分画像データにより表される画像を示す図
【図6】(a)は差分画像データの原寸画像データを示す図、(b)は縮小画像データを示す図
【図7】本発明による硬度測定装置における画像処理手順を示す説明図
【符号の説明】
3 ビッカース試験機
5 CCDカメラ
6 画像処理装置
12A,12B 画像メモリ
13 CPU
Claims (1)
- 平面形状が多角形の圧子を試験片の表面に押し付け、該試験片表面に生じる多角形の圧痕から硬度を測定する硬度測定装置において、圧痕を付ける前および圧痕を付けた後の試験片表面を撮像する撮像手段と、前記撮像手段により撮像された試験片表面に圧痕を付ける前の試験前画像データに基づいて試験片表面が鏡面であるか否かを判断する判断手段と、前記判断手段により鏡面であると判断されると、前記撮像手段により撮像された試験片表面に圧痕を付けた後の試験後画像データに基づいて前記圧痕の輪郭を抽出し、この輪郭抽出データと圧子押し付け荷重値などに基づいて前記試験片の硬度を演算し、前記判断手段により鏡面でないと判断されると、前記撮像手段により撮像された試験片表面に圧痕を付ける前の試験前画像データと圧痕を付けた後の試験後画像データとの差分画像データを算出し、該差分画像データに基づいて前記圧痕の輪郭を抽出し、この輪郭抽出データと圧子押し付け荷重値などに基づいて前記試験片の硬度を演算する硬度演算手段とを具備することを特徴とする硬度測定装置。
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