JP5278347B2 - 材料試験機 - Google Patents

Description

この発明は、試験片に対して試験力を付与することにより材料試験を実行する材料試験機に関する。

このような材料試験機は、例えば、テーブル上に一対のねじ棹を互いに同期して回転自在に支持するとともに、それらのねじ棹にナットを介してクロスヘッドの両端部を支持した構成を有する。そして、モータの回転により一対のねじ棹を互いに同期して回転させることにより、クロスヘッドを一対のねじ棹に沿って移動させる。クロスヘッドとテーブルとには、それぞれつかみ具などの治具が連結されている。そして、これら一対のつかみ具などの治具により試験片の両端を把持した状態で、クロスヘッドを移動させることにより、試験片に対して試験力を加えるように構成されている。

このような材料試験機においては、試験片に作用する試験力はロードセル等によって検出される。また、試験片における標点間の距離の変位量は、変位測定部により測定される。そして、これらの試験力や変位量のデータに基づいて、材料試験が行われる。

この変位測定部として、ビデオカメラを使用した材料試験機も使用されている。このような材料試験機においては、試験片の変位を測定するために、試験片をビデオカメラにより撮影し、その撮影画像から試験片の変位量を演算している。より具体的には、ビデオカメラにより撮影される試験片の表面に対して、予め、標点や標線を形成しておき、この標点や標線の移動量を認識するようにしている。そして、この標点や標線は、試験片の表面にそれらをマーキングしたり、標点や標線が印刷されたシールを試験片に貼着したりすることにより形成されている（特許文献１参照）。

特許第３７９９４１９号公報

上述したような、ビデオカメラを利用した非接触変位測定方式を採用する場合においては、標点間や標線間の距離の正確性が材料試験の結果に大きな影響を与える。このとき、上述したように、試験片の表面に標点や標線をマーキングする場合には、マーカの点の大きさ、あるいは、線の太さや直線性を制御するのが困難となる。また、標点や標線が印刷されたシールを試験片に貼着する場合には、シール間の距離の制御や平行度の制御が困難となる。

このため、テレビカメラで撮影された試験片の画像における特徴部分を認識し、この特徴部分の移動距離に基づいて試験片の変位を認識する構成も考えられる。しかしながら、このような構成を採用した場合には、測定対象としうる点が限定されてしまうという問題がある。

この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、カメラで撮影した映像を使用して試験片の変位を測定する場合においても、試験片に対して標点等をマーキングすることが不要な材料試験機を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、試験力を付加された試験片をカメラで撮影することにより、試験片の変位量を測定する材料試験機において、前記カメラにより前記試験片を撮影して得た試験片の画像領域内の座標を測定点として指定する測定点指定手段と、試験片にし権力を付加した状態において、前記測定点を通過する試験片の移動量を、パターンマッチングにより測定する移動量測定手段と、前記移動量測定手段により測定した試験片の移動量を、前記カメラにより経時的に撮影した複数フレームの画像において積分することにより、試験片の変位量を演算する移動量演算手段とを備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記測定点指定手段は、前記画像領域内の複数の座標を測定点として指定する。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記移動量測定手段は、前記カメラにより撮影された画像とテンプレートとを比較するテンプレートマッチングにより、画像の移動量を測定する。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記移動量測定手段は、前記カメラにより経時的に撮影した複数フレームの画像に対して、あるフレームの画像をテンプレートとして、このテンプレートと次のフレームの画像とを比較する動作を繰り返す。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記移動量測定手段は、前記テンプレートを１ピクセルごとに移動させてカメラにより撮影された画像とテンプレートとを比較する。

請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記移動量測定手段は、前記テンプレートを１ピクセル以下の単位で移動させてカメラにより撮影された画像とテンプレートとを比較する。

請求項７に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記変位量演算手段は、最初に撮影したフレームの画像と最後に撮影したフレームの画像との間の画像の移動量に基づいて試験片の変位量を演算する。

請求項１に記載の発明によれば、カメラにより試験片を撮影して得た試験片の画像領域内の任意の座標を測定点として指定することにより、試験片に対して標点等をマーキングすることなく、正確に変位の測定を行うことができ、精度の高い材料試験を実行することが可能となる。

また、変位量演算手段が、経時的に撮影した複数フレームの画像において、移動量を積分することにより試験片の移動量を測定することから、材料試験を開始した直後の画像が移動量測定手段による画像処理範囲を超えて移動した場合においても、試験片の変位量を演算することが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、画像領域内の複数の座標を測定点として指定することから、複数点の変位量を同時に演算することができ、試験片を面として認識してその変位を認定することが可能となる。

請求項３に記載の発明によれば、テンプレートマッチングにより画像の移動量を測定することから、画像の移動量を正確かつ容易に測定することが可能となる。

請求項４に記載の発明によれば、前記移動量測定手段は、前記カメラにより経時的に撮影した複数フレームの画像に対して、あるフレームの画像をテンプレートとして、このテンプレートと次のフレームの画像とを比較する動作を繰り返すことから、試験片の変位を経時的に連続して認識することが可能となる。

請求項５に記載の発明によれば、テンプレートを１ピクセルごとに移動させてカメラにより撮影された画像とテンプレートとを比較することから、画像の移動量を短時間で測定することが可能となる。

請求項６に記載の発明によれば、テンプレートを１ピクセル以下の単位で移動させてカメラにより撮影された画像とテンプレートとを比較することから、画像の移動量を高精度に測定することが可能となる。

請求項７に記載の発明によれば、変位量演算手段が、最初に撮影したフレームの画像と最後に撮影したフレームの画像との画像の移動量に基づいて試験片の移動量を測定することから、経時的な誤差を生ずることなく試験片の変位量を正確に演算することが可能となる。

この発明に係る材料試験機の概要図である。 演算制御部２３の構成を模式的に示すブロック図である。 試験片１０の画像と複数の測定点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６との関係を示す概要図である。 パターンマッチングを模式的に示す説明図である。 テンプレートマッチングの動作を模式的に示す説明図である。 試験片１０の移動量の測定結果である移動軌跡４１を示す模式図である。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、この発明に係る材料試験機の概要図である。

この材料試験機は、テーブル１６と、このテーブル１６上に鉛直方向を向く状態で回転可能に立設された一対のねじ棹１１、１２と、これらのねじ棹１１、１２に沿って移動可能なクロスヘッド１３と、このクロスヘッド１３を移動させて試験片１０に対して負荷を付与するための負荷機構３０とを備える。

クロスヘッド１３は、一対のねじ棹１１、１２に対して、図示を省略したナットを介して連結されている。各ねじ棹１１、１２の下端部には、負荷機構３０におけるウォーム減速機３２、３３が連結されている。このウォーム減速機３２、３３は、負荷機構３０の駆動源であるサーボモータ３１と連結されており、サーボモータ３１の回転がウォーム減速機３２、３３を介して、一対のねじ棹１１、１２に伝達される構成となっている。サーボモータ３１の回転によって、一対のねじ棹１１、１２が同期して回転することにより、クロスヘッド１３は、これらのねじ棹１１、１２に沿って昇降する。

クロスヘッド１３には、試験片１０の上端部を把持するための上つかみ具２１が付設されている。一方、テーブル１６には、試験片１０の下端部を把持するための下つかみ具２２が付設されている。引っ張り試験を行う場合には、試験片１０の両端部をこれらの上つかみ具２１および下つかみ具２２により把持した状態で、クロスヘッド１３を上昇させることにより、試験片１０に試験力（引張荷重）を負荷する。

このときに、試験片１０に作用する試験力はロードセル１４によって検出され、演算制御部２３に入力される。また、試験片１０は、照明装置１７により照明されており、試験片１０の画像がビデオカメラ１５により測定される。試験片１０における標点間の距離の変位量は、ビデオカメラ１５により撮影した試験片１０の映像をもとに、演算制御部２３により演算される。

演算制御部２３はコンピュータやシーケンサーおよびこれらの周辺機器によって構成されており、ロードセル１４およびビデオカメラ１５からのデータを取り込んでデータ処理を実行する。また、サーボモータ３１は、この演算制御部２３により、フィードバック制御される。また、この演算制御部２３は、後述する測定点等のデータを入力するための入力部３４およびビデオカメラ１５による撮影画像等を表示するための表示部３５と接続されている。

図２は、上述した演算制御部２３の構成を模式的に示すブロック図である。

この演算制御部２３は、入力部３４により入力された測定点のデータを記憶する測定点記憶部２５と、ビデオカメラ１５により撮影された画像をフレームごとに一時的に記憶する画像記録部２６と、画像記録部２６に記録された画像を後述するパターンマッチングを利用して各フレーム間で比較する画像比較部２７と、画像比較部２７での比較結果から試験片１０の移動量を測定する移動量測定部２８と、移動量測定部２８で測定した移動量に基づいて試験片１０の変位量を演算する変位量演算部２９とを備える。

次に、上述した材料試験により材料試験を実行するときの動作について説明する。材料試験を行う場合には、最初に測定点を指定する。この測定点は、試験片１０における変位を測定すべき点である。この測定点を指定するときには、図１に示すビデオカメラ１５により試験片１０の画像を撮影するとともに、この画像を表示部３５に表示する。そして、オペレータが入力部３４を使用して、試験片１０の画像において変位を測定すべき測定点を指定する。

図３は、試験片１０の画像と複数の測定点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６（これらを総称するときには、単に「測定点Ｐ」と呼ぶ）との関係を示す概要図である。

この図に示すように、測定点Ｐは、複数個指定される。これにより、試験片１０の表面を面としてとらえたときに、各部分の移動量を総括的に測定することが可能となる。この測定点Ｐの座標位置は、図２に示す測定点記憶部２５に記憶される。

測定点Ｐの指定が完了すれば、図１に示す負荷機構３０のサーボモータ３１の駆動によりクロスヘッド１３を上昇させて試験片１０に試験力を負荷する。このときに、試験片１０に作用する試験力はロードセル１４によって検出され、演算制御部２３に入力される。また、このときには、試験片１０は照明装置１７により斜め上方から照明されており、試験片１０の表面における微細な凹凸等を浮かび上がらせた状態で、試験片１０の画像がビデオカメラ１５により撮影される。そして、試験片１０の模様や特徴部分を認識し、測定点Ｐの下方を通過する試験片１０の移動量を、パターンマッチングにより測定する。

図４は、パターンマッチングを模式的に示す説明図である。

この発明に係る材料試験機においては、このパターンマッチングとして、ビデオカメラ１５により撮影された画像とテンプレートとを比較するテンプレートマッチングを利用する。すなわち、図４に示すように、ビデオカメラ１５により撮影された、現在のフレームの全体の画像５２のうち、画像処理を実行することが可能な計算範囲５１内に配置可能なテンプレート５０を設定する。このテンプレート５０は、現在の画像の１フレーム前の画像から選択される。そして、テンプレート５０を移動させることにより、テンプレート５０と計算範囲５１の画像とが最も近似する位置を求めることにより、１フレーム前の画像から現在の画像までの間の試験片１０の移動量を測定する。すなわち、ビデオカメラ１５により経時的に撮影した複数フレームの画像に対して、あるフレームの画像をテンプレートとして、このテンプレートと次のフレームの画像とを比較する動作を繰り返すことにより、試験片１０の移動量を測定することになる。

図５は、このテンプレートマッチングの動作を模式的に示す説明図である。なお、図５における多数の矩形状の領域は、１ピクセルの画像を表現している。

図５（ａ）に示す実施形態においては、計算範囲５１内において、テンプレート５０をビデオカメラ１５により撮影された画像における１ピクセルごとに移動させてスキャンすることにより、そのテンプレート５０の画像と、計算範囲５１内の画像との類似度、相違度を、図２に示す画像比較部２７において計算し、その両者が最も類似するテンプレート５０の位置を認定する。そして、この動作を、ビデオカメラ１５により撮影されたフレーム毎に繰り返すことにより、ビデオカメラ１５により撮影された画像の経時的な移動量、すなわち、試験片１０の経時的な移動量を測定する。この移動量の測定は、図２に示す移動量測定部２８により実行される。

なお、上述した類似度、相違度の計算には、ＳＳＤ（Ｓｕｍ ｏｆ Ｓｑｕａｒｅｄ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）、ＳＡＤ（Ｓｕｍ ｏｆ Ａｂｓｏｌｕｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）、ＮＣＣ（Ｎｏｒｍａｌｉｓｅｄ Ｃｒｏｓｓ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）等の公知の手法が利用される。そして、テンプレート５０によるスキャン完了後に、相互相関法や最小二乗法によるピーク検出処理を実行することにより、二次元補正を行い、１ピクセル以下の位置情報を得る。

この実施形態においては、テンプレート５０を１ピクセルごとに移動させてビデオカメラ１５により撮影された計算範囲５１内の画像とテンプレート５０とを比較することから、パターンマッチングを迅速に行うことができ、画像の移動量を短時間で測定することが可能となる。

図５（ｂ）に示す実施形態においては、計算範囲５１内において、テンプレート５０をビデオカメラ１５により撮影された画像における１ピクセル以下の単位で移動させてスキャンすることにより、そのテンプレート５０の画像と、計算範囲５１内の画像との類似度、相違度を、図２に示す画像比較部２７において計算し、その両者が最も類似するテンプレートの位置を認定する。この場合には、図５（ａ）に示す実施形態のように、スキャン完了後に二次元補正を行う必要はない。

この実施形態においては、テンプレート５０を１ピクセル以下の単位で移動させてビデオカメラ１５により撮影された計算範囲５１内の画像とテンプレート５０とを比較することから、パターンマッチングに要する時間は長くなるが、画像の移動量を高精度に測定することが可能となる。

図６は、このようにして経時的に測定した試験片１０の移動量の測定結果である移動軌跡４１を示す模式図である。

この図に示すように、試験片１０の移動が、計算範囲５１内である場合には、最初に撮影したフレームの画像と最後に撮影したフレームの画像との間の移動量に基づいて、試験片１０の変位量を演算する。この変位量の演算は、図２に示す変位量演算部２９により実行される。このように、最初に撮影したフレームの画像（試験開始直後の画像）と最後に撮影したフレームの画像（現在の画像）との間の移動量に基づいて変位量を演算する場合には、経時的な誤差を生ずることなく試験片の移動量を正確に測定することが可能となる。

なお、最初に撮影したフレームの画像（試験開始直後の画像）が最後に撮影したフレームの画像（現在の画像）における計算範囲を超える場合には、上述した方法では、試験片１０の変位量を演算することができない。このため、このような場合には、各フレームごとの移動量を積分すればよい。すなわち、経時的に撮影した複数フレームの画像において、移動量を積分することにより試験片１０の変位量を演算する。これにより、材料試験を開始した直後の画像が画像処理範囲である計算範囲５１を超えて移動した場合においても、試験片１０の移動量を演算することが可能となる。

以上のような試験片１０の移動量の測定と変位量の演算は、測定点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６の各々について実行される。これにより、複数点の変位量を同時に演算することができることから、試験片１０を面として認識してその変位を認定することが可能となる。

この発明に係る材料試験機においては、試験片１０の画像における任意の複数の点を測定点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６として指定し、これらの測定点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６の下方を通過する試験片の移動量を、パターンマッチングにより測定することにより試験片１０の変位量を測定することから、試験片１０に対して標点等をマーキングすることなく、正確に変位の測定を行うことが可能となる。

１０ 試験片
１１ ねじ棹
１２ ねじ棹
１３ クロスヘッド
１４ ロードセル
１５ ビデオカメラ
１７ 照明装置
２１ 上つかみ具
２２ 下つかみ具
２３ 演算制御部
２５ 測定点記憶部
２６ 画像記憶部
２７ 画像比較部
２８ 移動量測定部
２９ 変位量演算部
３４ 入力部
３５ 表示部
Ｐ 測定点

Claims (7)

1. 試験力を付加された試験片をカメラで撮影することにより、試験片の変位量を測定する材料試験機において、
   前記カメラにより前記試験片を撮影して得た試験片の画像領域内の座標を測定点として指定する測定点指定手段と、
   試験片に試験力を付加した状態において、前記測定点を通過する試験片の移動量を、パターンマッチングにより測定する移動量測定手段と、
   前記移動量測定手段により測定した試験片の移動量を、前記カメラにより経時的に撮影した複数フレームの画像において積分することにより、試験片の変位量を演算する移動量演算手段と、
   を備えたことを特徴とする材料試験機。
2. 請求項１に記載の材料試験機において、
   前記測定点指定手段は、前記画像領域内の複数の座標を測定点として指定する材料試験機。
3. 請求項２に記載の材料試験機において、
   前記移動量測定手段は、前記カメラにより撮影された画像とテンプレートとを比較するテンプレートマッチングにより、画像の移動量を測定する材料試験機。
4. 請求項３に記載の材料試験機において、
   前記移動量測定手段は、前記カメラにより経時的に撮影した複数フレームの画像に対して、あるフレームの画像をテンプレートとして、このテンプレートと次のフレームの画像とを比較する動作を繰り返す材料試験機。
5. 請求項４に記載の材料試験機において、
   前記移動量測定手段は、前記テンプレートを１ピクセルごとに移動させてカメラにより撮影された画像とテンプレートとを比較する材料試験機。
6. 請求項４に記載の材料試験機において、
   前記移動量測定手段は、前記テンプレートを１ピクセル以下の単位で移動させてカメラにより撮影された画像とテンプレートとを比較する材料試験機。
7. 請求項４に記載の材料試験機において、
   前記変位量演算手段は、最初に撮影したフレームの画像と最後に撮影したフレームの画像との間の画像の移動量に基づいて試験片の変位量を演算する材料試験機。

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