JP4211704B2

JP4211704B2 - 鋳巣計測方法

Info

Publication number: JP4211704B2
Application number: JP2004218727A
Authority: JP
Inventors: 隆哉直野; 博史前田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-07-27
Filing date: 2004-07-27
Publication date: 2009-01-21
Anticipated expiration: 2024-07-27
Also published as: JP2006038625A

Description

本発明は、鋳造品の内部欠陥である鋳巣を計測する鋳巣計測方法に関する。より詳しくは、Ｘ線ＣＴにより得られた鋳造品の鋳巣データの計測精度を評価することができる鋳巣の計測方法に関する。

Ｘ線ＣＴ（コンピュータ断層）により鋳造品内部の断面を画像化することで、引け巣やガス巣などの内部欠陥の状況を視覚的に捉える非破壊検査方法が知られている。この様なＸ線ＣＴを用いた検査は、検査対象品の断面画像が得られるので、内部欠陥の有無や位置、大きさなどを視覚的に確認しやすいという利点がある。

空気と鋳物金属（例えばアルミニウムや鋳鉄など）とでは、Ｘ線の吸収率が大きく異なるため、ＣＴ断層画像では両者の画素値（ＣＴ値）に大きい差が出る。従って、ＣＴ断層画像群からマーチング・キューブ法などの手法でポリゴンモデルを作成すると、鋳造金属部分と空気との境界面がポリゴンデータ化され、鋳造品と外部の境界面だけでなく、鋳造品内部の鋳巣などの内部欠陥による空洞部分の内面も表現され、鋳巣の分布や各鋳巣の大きさなどを知ることができる。

近年、鋳造品における鋳巣などの内部欠陥の検査を容易にする鋳造品内部欠陥検査支援装置などが提案されている（特許文献１参照）。この検査支援装置は、検査対象の鋳造品を実測して形成した鋳造品の複数の断面の断層画像を受け取り、それら複数の断面画像に基づいて鋳造品の三次元形状モデルを形成する実測モデル形成手段と、形成された三次元形状モデルから、鋳造品内の空洞に該当する部分を識別する欠陥識別手段と、鋳造品内の空洞に該当する部分を三次元表示するための表示画像手段とを備えている。そして、この装置を用いて得られた内部欠陥の分布と、鋳造品の形状情報及び鋳造パラメータに基づき、所定の鋳造シミュレーションを実行して得られた内部欠陥分布とを比較してシミュレーションの良否を判定することができる。シミュレーションの良否は、例えば、予め判定基準として定めた内部欠陥についての量的評価値を用いることができる。内部欠陥についての量的評価値としては、例えば、内部欠陥の総数、総体積、総表面積、最大体積（全ての内部欠陥の中で体積が最大のものの体積）、最大表面積など様々なものが考えられる。

ところが、これら内部欠陥の量的評価を実施するに当たって、三次元モデルから量的評価値を得ることはできるが、各評価値の計測精度を定量的に評価する方法は知られていなかった。例えば、二次元空間における鋳巣の大きさについては、基準となる大きさの分かった穴を有する人工欠陥試料（基準試料）をＸ線ＣＴ測定して断面画像を形成し、断面画像の穴径を基準試料の穴径と比較することにより計測精度を評価することができる。しかし、三次元空間におけるＣＴ計測データの精度評価は、基準となる大きさの分かった空洞（鋳巣に対応）を含む基準試料の作成が困難なために、二次元空間における計測精度評価をもとに三次元空間の計測精度を予測していた。このため、検査対象の鋳造品の鋳巣などの内部欠陥の状態を適切に判断することができず、精度の高い効果的なシミュレーションを行うことができなかった
特開２００４−３４１４４号公報

本発明はこの様な問題に鑑みてなされたものであり、鋳造品のＸ線ＣＴ測定による鋳巣計測方法で、三次元鋳巣モデルにおける鋳巣の大きさや体積などの計測精度を評価することのできる鋳巣計測方法を提供することである。

本発明者らは、画像処理により仮想ボクセル空間内に大きさが既知の仮想鋳巣を形成してその断面画像を作成し、現状では作製困難な既知の大きさの空洞を含む基準試料の断面画像に代替すれば、三次元鋳巣モデルの体積や表面積などの計測精度を定量的に評価できることに想到し本発明を完成した。

すなわち、本発明の鋳巣計測方法は、所定形状をもつ鋳造品をＸ線ＣＴで実測し鋳造品の内部欠陥である鋳巣を計測する鋳巣計測方法であって、Ｘ線ＣＴで実測して得られるＸ線ＣＴ画像群における仮想ボクセル空間内に所定の大きさの複数の仮想鋳巣を三次元的に作成する仮想鋳巣作成工程と、この仮想鋳巣の体積を基準体積として、実測により得られた鋳巣の体積とこの基準体積とを比較することにより、実測により得られた鋳巣の計測精度を評価する評価工程とを含み、仮想鋳巣作成工程は、大きさが既知の複数の基準穴を有する鋳造品をＸ線ＣＴで実測して各基準穴ごとの輝度値プロファイルを取得し、この輝度値プロファイルに基く輝度値テーブルを作成するステップと、前記仮想ボクセル空間内に仮想鋳巣の中心座標を決定し、この仮想鋳巣に対応する全てのボクセル座標に対して中心座標からの距離を計算するステップと、得られた中心座標からの距離と輝度値テーブルとに基づいて各ボクセル座標の輝度値を算出し仮想鋳巣の断面画像を作成するステップと、この断面画像を用いて仮想鋳巣の三次元モデルを作成するステップと、を含むことを特徴とする。

本発明の好適な態様では、仮想鋳巣は球形であることが望ましい。

また、本発明の好適な態様における仮想鋳巣の作成工程では、各ボクセル座標に対する輝度値を輝度値テーブルに基づいて線形補間して算出することが好ましい。

本発明の鋳巣計測方法によれば、鋳造品の内部欠陥である鋳巣の体積や表面積などの計測誤差を鋳巣毎に定量的に評価することができる。従って、計測誤差を補正した三次元鋳巣モデルを用いることで、鋳造品の鋳造条件の検討やシミュレーションによる予測の精度を向上することができる。このため、開発品などの試作・検査・設計調整（鋳造パラメータや設計形状の調整・変更）などに要するサイクルの短縮と開発効率の向上に対して大きな貢献が期待できる。

本発明の鋳巣計測方法は、所定形状を有する鋳造品をＸ線ＣＴで実測し、得られたＣＴ断面画像を再構築して内部欠陥の三次元モデルを形成し、この三次元モデルに基づいて個々の内部欠陥の位置や体積あるいは表面積などを計測する方法であり、特許文献１で提案した鋳造品内部欠陥検査装置とその検査支援方法とを用いることができる。

本発明は、所定形状をもつ鋳造品をＸ線ＣＴで実測し鋳造品の内部欠陥である鋳巣を計測する鋳巣計測方法であって、Ｘ線ＣＴで実測して得られるＸ線ＣＴ画像群における仮想ボクセル空間内に所定の大きさの複数の仮想鋳巣を三次元的に作成し、この仮想鋳巣に基づいて実測により得られた鋳巣の計測精度を評価する工程を含むことを特徴とする鋳巣の計測方法である。すなわち、画像処理で作成可能な既知の大きさをもつ仮想鋳巣を、実際には作製困難な大きさの分かった基準空洞に代替して、鋳巣の計測精度を評価する鋳巣計測方法である。

このような本発明の好適な態様にける計測精度を評価する仮想鋳巣の作成方法を図に沿って説明する。

図１は、仮想鋳巣の作成手順を示すフローチャートである。まず、ステップＳ１では、図２に示すような大きさが既知の複数の基準穴Ｈを有する鋳造品（以後基準試料という。）１０をＸ線ＣＴで実測して各基準穴Ｈごとの輝度値プロファイルを取得し、この輝度値プロファイルに基いて輝度値テーブル（基準穴の中心からの距離とその距離における輝度値とを示す表）を作成する。基準試料１０の材質は対象とする鋳造品と同材質、例えばエンジンブロック用のアルミニウム（ＪＩＳＡＣ４Ｂ）などであり、基準穴Ｈの径は、想定される鋳巣の大きさの範囲で（例えば、直径が０．８〜５ｍｍ）適宜に設定すればよい。

これらの基準穴Ｈを有する基準試料１０を所定のＸ線ＣＴで測定してＣＴデータを採取し、各基準穴の中心を通過するように（例えば、図２の線Ｌに沿って）輝度値のプロファイルを取得する。その一例を図３に示す。図３は直径が５ｍｍの基準穴における輝度値のプロファイルを例示しており、横軸は位置座標であり縦軸はその位置における輝度値である。輝度値は金属部分では約３５００で一定であるが、穴部に接近するに従って低下し、基準穴の中心Ｐでは最低値（空気の輝度値約１５０）となっている。この様な輝度値のプロファイルは、基準穴の大きさによって異なり、輝度値の変化量（金属部分の輝度値−最低値）は基準穴の径が小さいほど小さく、大きければ大きくなる。この例ではボクセルのサイズが０．４（Ｘ）×０．４（Ｙ）×０．５（Ｚ）ｍｍであるので中心Ｐから０．４ｍｍの整数倍の位置でプロット（◆）されている。

ある大きさの基準穴について輝度値のプロファイルを複数（例えばＬ方向とＬに直交する方向などで）取得し、中心Ｐから等しい距離にある各輝度値を平均して表１のような輝度値テーブルを作成する。表１は直径５ｍｍの基準穴に対する輝度値テーブルであり、このような輝度値テーブルを大きさの異なる各基準穴について作成する。

次に、ステップＳ２では、Ｘ線ＣＴ画像群における仮想ボクセル空間内に仮想鋳巣の中心座標を決定し、仮想鋳巣に対応する全てのボクセル座標に対して中心座標からの距離を算出する。

仮想ボクセル空間は図４の概念図に示すように、各辺がそれぞれａ、ｂ、ｃの長さを持つ直方体のボクセル（画素）が三次元的に配列された空間であり、各ボクセルに対応する輝度値を設定することで三次元画像を形成することができる。なお、Ｏ（ｘ₀，ｙ₀，ｚ₀）は仮想鋳巣の中心座標であり、Ｂ（ｘ、ｙ、ｚ）はボクセルＢのボクセル座標である。なお、ボクセル座標は各ボクセルの立体中心とすることが好ましい。

図５に仮想鋳巣Ｃを半径ｒ＝２．５ｍｍの球形と仮定して、中心Ｏを通る仮想ボクセル空間（ボクセルサイズ：０．４×０．４×０．５ｍｍ）の断面を模式的に示す。円で示される仮想鋳巣Ｃは、ＣＴ断面画像では太線で囲った多角形Ｃ’として表示される。つまり、各ボクセル、（例えば、Ｂ１、Ｂ２などの）輝度値を設定できれば、仮想鋳巣Ｃの断面画像Ｃ’を作成できるわけである。このため、仮想鋳巣Ｃの中心Ｏから全てのボクセルの立体中心までの距離ｄ₁，ｄ₂・・・ｄ_nを算出し、ステップＳ３でそれぞれの距離ｄに対応する輝度値Ｖ_dを輝度値テーブルに基づいて設定する。

各ボクセル座標に対する輝度値Ｖ_dは、輝度値テーブルに基づいて線形補間して算出することができる。輝度値テーブルは前記のようにボクセルの大きさを単位として作成されているが、各ボクセル座標Ｂの仮想鋳巣Ｃの中心Ｏからの距離ｄは必ずしもボクセルサイズの整数倍とはならないので線形補間して求めるとよい。

例えば、直径が５ｍｍの仮想鋳巣において、中心からの距離ｄが２．１ｍｍであるボクセル座標Ｂの輝度値Ｖ_dは、表１の輝度値テーブルを用いて以下のようにして求める。まず、２．０ｍｍ〜２．４ｍｍにおける１ｍｍ当りの輝度値の変化量は、（１７００−９００）／（２．４−２．０）=２０００となるので、ｄ=２．１ｍｍのボクセルの輝度値Ｖ_dは、９００＋（２．１−２．０）×２０００=１１００として得ることができる。このようにして、全てのボクセル座標の輝度値Ｖ_dを決定し、基準穴の大きさに対応する仮想鋳巣のＣＴ断面画像群を作成する。なお、作成する断面画像の断面間隔は通常のＸ線ＣＴ測定と同様の間隔とすればよい。

ステップＳ４では、得られたＣＴ断面画像群に基づいて仮想鋳巣の三次元モデルを作成する。仮想鋳巣の三次元モデルは通常の方法を用いて基準穴の大きさごとに作成することがでる。

ステップＳ５では、得られた各大きさの三次元仮想鋳巣モデルの体積を計測して対応する既知の大きさの球体である仮想鋳巣の体積（真値）と比較することでその誤差を算出し、鋳巣計測方法の精度を評価する。

図６にその一例を示す。図６は仮想鋳巣の径に対する三次元仮想鋳巣モデルの体積誤差を示すグラフである。図中（○）は計測誤差を補正した場合の体積誤差の変化を示し、（◆）は補正しない場合の体積誤差の変化を示している。図６から計測誤差を補正した三次元仮想鋳巣モデルでは、比較的体積誤差が安定しているのに対し、計測誤差を補正しない三次元仮想鋳巣モデルでは、径が大きくなるに従って体積誤差が拡大することが分かる。

以上のように本発明の鋳巣計測方法によれば、仮想鋳巣の径による体積誤差の変化を定量的に知ることができる。

図６は、仮想鋳巣の径に対する三次元仮想鋳巣モデルの体積誤差を示すグラフであるが、本発明の方法によれば、計測値としては体積に限らず表面積についても同様にその誤差を鋳巣毎に定量的に評価することができる。従って、計測誤差を補正した三次元鋳巣モデルを用いることで精度の高い鋳巣解析を実施することができる。

本発明の鋳巣計測方法は、エンジンブロックやミッションケースなどの鋳造品の鋳巣解析に用いて好適である。特に、鋳巣の大きさや体積の誤差を三次元空間で定量的に評価することできるので、シミュレーション結果と対比することにより、鋳造方案の検討、設計変更の検討などのシミュレーション精度を大幅に向上することができる。その結果、鋳造品の開発期間を短縮することができ、産業上極めて有益な方法である。

本発明の鋳巣計測方法における仮想鋳巣の作成手順を説明するフローチャートである。大きさの異なる複数の基準穴Ｈを有する基準試料の概略図である。基準試料をＣＴ測定して得られる輝度値プロファイルの一例を示すグラフである。ボクセル空間を説明する概念図である。仮想鋳巣とＣＴ断面画像との関係を説明する説明図である。仮想鋳巣の径に対する三次元仮想鋳巣モデルの体積誤差の変化を示すグラフの一例である。

符号の説明

１０：基準試料Ｈ：基準穴Ｂ：ボクセル座標Ｃ：仮想鋳巣Ｃ’：ＣＴ画像に表示される仮想鋳巣

Claims

所定形状をもつ鋳造品をＸ線ＣＴで実測し鋳造品の内部欠陥である鋳巣を計測する鋳巣計測方法であって、
Ｘ線ＣＴで実測して得られるＸ線ＣＴ画像群における仮想ボクセル空間内に所定の大きさの複数の仮想鋳巣を三次元的に作成する仮想鋳巣作成工程と、該仮想鋳巣の体積を基準体積として、実測により得られた鋳巣の体積と該基準体積とを比較することにより、実測により得られた前記鋳巣の計測精度を評価する評価工程とを含み、
前記仮想鋳巣作成工程は、大きさが既知の複数の基準穴を有する鋳造品をＸ線ＣＴで実測して各基準穴ごとの輝度値プロファイルを取得し、該輝度値プロファイルに基く輝度値テーブルを作成するステップと、
前記仮想ボクセル空間内に前記仮想鋳巣の中心座標を決定し、該仮想鋳巣に対応する全てのボクセル座標に対して前記中心座標からの距離を計算するステップと、
得られた前記中心座標からの距離と前記輝度値テーブルとに基づいて前記各ボクセル座標の輝度値を算出し前記仮想鋳巣の断面画像を作成するステップと、
該断面画像を用いて前記仮想鋳巣の三次元モデルを作成するステップと、を含むことを特徴とする鋳巣計測方法。
前記仮想鋳巣は球形である請求項１に記載の鋳巣計測方法。
前記各ボクセル座標の輝度値は、前記輝度値テーブルに基づいて線形補間して算出する請求項１または２に記載の鋳巣計測方法。