JP5282853B2 - 材料試験機 - Google Patents

Description

この発明は、標線認識レベル表示機能を備えた材料試験機に関する。

試験片に引張荷重を付与して、その伸びを計測する材料試験機は、例えば、テーブル上にモータの回転により同期して回転自在に立設された一対のねじ棹と、それらのねじ棹にナットを介して上下動可能に支持されたクロスヘッドと、テーブルとクロスヘッドのそれぞれに連結されたつかみ具等の治具とから構成される。そして、試験片の両端をつかみ具に把持させた状態でクロスヘッドを移動させることにより、引張荷重を試験片に与える試験が実行されるとともに、試験片の伸びが変位測定手段により測定される。

このような材料試験機における変位測定手段の一つとして、ビデオ式非接触伸び計が知られている。先ず、ビデオ式非接触伸び計により変位測定を行う前には、予め標線マークを印刷等した標線シール等を、試験片表面の所定の位置に貼着している。そして、試験実行中には、予め試験片の表面の所定の上下位置に付された標線マークをビデオカメラで撮影することで、得られた画像データから標線位置および標線間距離の変位量を算出している（特許文献１参照）。

このようなビデオ式非接触伸び計で伸びを測定するときには、つかみ具に把持された試験片の所定の上下位置に貼着した標線シールの両方が、１つのカメラの視野内に納まるようにビデオカメラを配置している。このビデオカメラによる標線マークの認識は、標線マークに対して設定したデータ領域の画像データを試験片への負荷軸と直交する方向に積分して作成された、プロファイルを利用して行われている。そして、そのプロファイルを基に、試験実行前の標線の位置がさらに計算されている（特許文献２参照）。

特開平１１−０９４７１９号公報 特開平１１−２９５０４２号公報

ところで、標線マークのプロファイルから標線位置を求める場合には、試験実行前の標線マークのプロファイルが適正である必要がある。そうでなければ、その後の試験実行中の標線位置の捕捉および変位測定に影響を及ぼすこととなるためである。そして、その標線マークのプロファイルが適正であるためには、試験片に貼着されている標線マークをビデオカメラが的確に捉え、正確に認識できていることが必要である。

図６は、従来の標線マークＭのプロファイルＰ１を作成する手法の説明図である。まず、画像データを収集するため、所望の焦点距離を有するレンズ２７を装着したビデオカメラ２８により試験片１０を撮影する。ここで、予め標線マークＭ周辺の所定の範囲を、標線位置計算に使用する画像データ範囲である計算範囲Ｅとして指定している。この計算範囲Ｅの画像データについて、紙面横方向の色濃度の積分値、すなわち、紙面横方向に列設する計算範囲Ｅ内の各画素の階調値の積算値を負荷軸側の画素位置毎にプロットしてグラフ化し、プロファイルＰ１を得ている。プロファイルＰ１は撮影画像とともに表示部に表示され、オペレータがプロファイルＰ１の形状を目視で確認できるようになっている。

従来、標線マークＭがビデオカメラ２８に的確に捉えられているかどうかの判断は、オペレータが標線マークＭのプロファイルＰ１の形状を目視確認することにより行っている。プロファイルＰ１の形状は、試験片１０への照明のあて方、レンズ２７の絞り、標線の計算範囲Ｅ等の設定により変化する。例えば、試験片１０にあてる照明が強すぎる場合には、撮影画像ではグレーから白の色成分が多くなるため、図６に示すプロファイルＰ１の形状は、ベースラインＬ１が上がり、標線マークＭの色濃度分布のピークが低いものとなる。また、引張荷重を受けた試験片１０が伸びるのに伴って、標線マークＭの図柄等が負荷軸方向に伸びることにより標線マークの色濃度も薄くなる。このため、ベースラインＬ１（プロファイルの最小値）と標線マークＭの色濃度の最大値の差が小さいプロファイルは、標線マークＭがビデオカメラ２８に的確に捉えられているときのプロファイルではないとオペレータは判断することになる。そして、オペレータがプロファイルＰ１の形状から、ビデオカメラ２８が標線マークを的確に捉えていないと判断した場合には、試験片１０への照明のあて方、レンズ２７の絞り、標線の計算範囲Ｅ等が、適正なプロファイルが得られるまで調整される。

このように、オペレータがプロファイルの形状を見て、ビデオカメラが標線マークを的確に捉えているか否かを判断する場合には、各オペレータの感性の違いから判断に差が生じることがある。このような判断の差は、試験結果に影響を及ぼすため、可能な限り生じないようにすることが好ましい。しかし、実際には、このような判断の差が生じないようにするため、どのようなプロファイルが測定結果に影響を与えるのかを的確に読み取ることができる程度に、材料試験および装置の操作に慣れることを、オペレータに要求している。

また、材料試験および装置の操作に慣れたオペレータであっても、装置の設計側が、ビデオカメラが標線マークを的確に捉えているときのプロファイルとして想定しているものとはかけ離れたプロファイルを、ビデオカメラが標線マークを的確に捉えていると判断している場合もある。この場合には、正確な測定結果を得ることが困難となる。

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、ビデオカメラの標線認識レベルを表示部に表示可能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、標線を付した試験片に試験力を付与するとともに、前記標線をビデオカメラで撮影することにより、試験片の伸びを測定する材料試験機において、試験実行前の前記標線のプロファイルを画像データから作成するプロファイル作成手段と、前記プロファイルからビデオカメラの標線認識レベルを判定する認識レベル判定手段と、前記認識レベル判定手段による判定に応じた認識レベルを表示する表示部と、を備えることを特徴とする。

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、前記認識レベル判定手段は、認識レベルに応じて複数の段階に判定し、前記認識レベルは、前記認識レベル判定手段により判定された段階により色分けされたバーグラフとして前記表示部に表示される。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記認識レベル判定手段は、前記プロファイルが、前記試験片の測定に適した理想的なプロファイルの特徴に近いか否かに基づいて前記認識レベルを判定する。

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、前記理想的なプロファイルの特徴は、前記プロファイルの最大値が試験実行中に変動してもフルスケールに到達しないと想定されるフルスケールに対する割合Ａに近いか否かである。

請求項５に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記理想的なプロファイルの特徴は、前記プロファイルの平均値が、プロファイルにおける標線の分布範囲が標線位置を計算するための負荷軸方向の計算範囲の３０〜５０％の範囲内となるフルスケールに対する割合Ｂに近いか否かである。

請求項６に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記理想的なプロファイルの特徴は、前記プロファイルの最小値がフルスケールの０％に近いか否かである。

請求項７に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記認識レベル判定手段は、前記プロファイルの最大値をａ、前記プロファイルの平均値をｂ、前記プロファイルの最小値をｃとすると、認識レベルＳを下記式により計算して、認識レベルを判定する。

式：Ｓ＝（１−｜ａ−Ａ｜）・（１−｜ｂ−Ｂ｜）・（１−｜ｃ−０．０｜）
ただし、ａ、ｂ、ｃは０以上、１以下の値であり、Ａは、前記プロファイルの最大値が試験実行中に変動してもフルスケールに到達しないと想定されるフルスケールに対する割合であり、Ｂは、前記プロファイルの平均値が、プロファイルにおける標線の分布範囲が標線位置を計算するための負荷軸方向の計算範囲の３０〜５０％の範囲内となるフルスケールに対する割合である。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の発明において、前記認識レベル判定手段は、前記認識レベルＳの値に応じて認識レベルを複数の段階に判定し、前記認識レベルＳは、前記認識レベル判定手段により判定された段階により色分けされたバーグラフとして表示部に表示される。

請求項１に記載の発明によれば、ビデオカメラによる標線の認識レベルを判定する標線認識レベル判定手段を備え、その判定に応じた認識レベルを表示部に表示することから、ビデオカメラが標線を的確に捉えているか否かの客観的な指標をオペレータに提供することが可能となる。このため、各オペレータによる判断の差を低減することができる。

請求項２および請求項８に記載の発明によれば、認識レベルを、認識レベル判定手段により判定された段階により色分けされたバーグラフとして表示部に表示することから、オペレータはビデオカメラによる標線の認識レベルの程度を容易に把握することができる。

請求項３乃至請求項７に記載の発明によれば、認識レベル判定手段は、作成されたプロファイルが変位測定に影響を及ぼすことのない理想的なプロファイルの特徴に近いか否かを判定することから、経験の浅いオペレータでも、認識レベルの表示を見ることで、変位測定への影響の有無を容易に知ることができる。

この発明に係る材料試験機の概要図である。 試験片１０、ビデオカメラ２８および照明装置３７の位置関係を説明するための平面概略図である。 この発明の主要な構成を示すブロック図である。 認識レベル判定部４２におけるプロファイルＰの判定の説明図である。 認識レベルの表示例である。 従来の標線マークＭのプロファイルＰ１を作成する手法の説明図である。

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。図２は、試験片１０、ビデオカメラ２８および照明装置３７の位置関係を説明するための平面概略図である。

この材料試験機は、テーブル１８と、床面に立設された一対の支柱１９と、各支柱１９の内部におけるテーブル１８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と、これらのねじ棹に沿って移動可能なクロスヘッド２３と、このクロスヘッド２３を移動させて試験片１０に対して試験力を付与するための負荷機構３０とを備える。

クロスヘッド２３は、一対のねじ棹に対して、図示を省略したナットを介して連結されている。各ねじ棹の下端部は、負荷機構３０に連結されており、負荷機構３０の動力源からの動力が、一対のねじ棹に伝達される構成となっている。一対のねじ棹が同期して回転することにより、クロスヘッド２３は、これら一対のねじ棹に沿って昇降する。

クロスヘッド２３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１８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２３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２４によって検出され、制御回路３１を介して制御部３３に入力される。また、試験片１０は、ビデオカメラ２８により撮影され、その画像は制御部３３に入力される。

ビデオカメラ２８は、着脱可能なレンズ２７を備え、支柱１９に配設されたアーム２９に支持されている。また、ビデオカメラ２８は、上つかみ具２１および下つかみ具２２を同一視野に収めるように、支柱１９におけるアーム２９の固定位置およびアーム２９の屈曲度を調整することで位置決めされる。そして、図２に示すように、ビデオカメラ２８は、約斜め４５度傾いた状態で上つかみ具２１および下つかみ具２２に把持された試験片１０の表面に対してレンズ２７の正面が正対する位置に配設される。

ビデオカメラ２８の上方には、ＬＥＤ照明等の照明装置３７が配設されている。照明装置３７は、支柱１９に配設されたアーム３９に支持されるとともに、ビデオカメラ２８の視野に入らないように配置される。照明装置３７は、試験片１０の上方側から試験片１０の表面に対し光を照射することで、ビデオカメラ２８による撮影に必要な光量を供給している。

制御部３３は、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶装置およびＣＰＵ等を備えるコンピュータ等によって構成される。制御部３３には、液晶ディスプレイ等の表示装置である表示部３５、マウスおよびキーボード等を有する入力部３４およびビデオカメラ２８、制御回路３１が接続される。制御回路３１は、ロードセル１４からの試験力データ、クロスヘッド２３の位置情報を制御部３３に送信する。そして、制御部３３は、ビデオカメラ２８の撮影画像データを取り込んでデータ処理を実行し、試験片１０における標線間の距離の変位量を演算するとともに、その結果を試験片１０の伸びとして、試験力やクロスヘッド２３の位置情報等とともに表示部３５に表示する。また、制御部３３は、後述するプロファイル作成部４１と認識レベル判定部４２とを備える。

このような材料試験機において、上つかみ具２１および下つかみ具２２に把持された状態の試験片１０に対して試験を実行する前には、オペレータが試験片１０に標線を付し、さらに、ビデオカメラ２８および照明装置３７の位置、標線の計算範囲の調整等が行われる。なお、この実施形態では、標線マークＭが予め印刷された標線シールを試験片１０に貼着することにより標線を付している。

図３は、この発明の主要な構成を示すブロック図である。

ビデオカメラ２８で撮影して得られた画像データは制御部３３に送られる。先に図６を参照して説明したように、画像データのうち標線位置計算に使用する計算範囲Ｅの画像データを利用して、標線マークＭのプロファイルＰが作成される。これらは、制御部３３におけるプロファイル作成部４１によって実行される。

作成されたプロファイルＰは、認識レベル判定部４２において、以下の３つの項目について、理想的なプロファイルの特徴に近いか否かが評価される。図４は、認識レベル判定部４２におけるプロファイルＰの評価の説明図である。

第１の項目は、プロファイルＰの最大値ａが試験実行中に変動してもフルスケールに到達しないと想定されるフルスケールに対する割合Ａに近いか否かの評価である。この実施形態におけるフルスケールとは、プロファイルＰが計算範囲Ｅの横方向の各画素の階調値（０〜２５５）の積算値をプロットしたものであることから、１画素の階調値の最大値２５５に計算範囲Ｅの横方向の画素数を乗じた値がフルスケールとなる。一方で、計算範囲Ｅの設定等によりフルスケールの数値は変動するため、図４に示すように、フルスケールを１００％として表示している。

ところで、図４に示すプロファイルＰのピークが、試験が実行されて測定を行っている間に飽和すると、プロファイルＰの負荷軸方向の画素位置において最大値ａ（ここではフルスケールと同じ値）をとる範囲が広くなるため、標線位置計算の精度が損なわれることになる。このため、プロファイルＰの最大値ａが試験実行中に変動してもフルスケールに到達しないことが望まれる。一方で、試験実行により試験片１０の伸びに伴って標線マークＭも移動し、標線マークＭ部分の色濃度が全体的に薄くなることもある。このような場合にも、標線位置計算の精度を一定以上に保つためには、図４に示すプロファイルＰのピーク位置が低くなっても、ベースラインＬとの差が十分にあることが望まれる。

したがって、プロファイルＰの最大値aが試験実行中に変動してもフルスケールに到達しないと想定されるフルスケールに対する割合Ａは、フルスケールに近い値ではあるが、フルスケールに近すぎる値でないことが好ましい。すなわち、この割合Ａは、例えば７０〜９０％であることが好ましい。なお、この実施形態では、割合Ａは８０％としている。この割合Ａは試験片１０の性質や試験片１０に貼着する標線シールの図柄の違い等により変更される。

第２の項目は、プロファイルＰの平均値ｂが、プロファイルＰにおける標線マークＭの分布範囲が標線位置を計算するための負荷軸方向の計算範囲の３０〜５０％の範囲内となるフルスケールに対する割合Ｂに近い否かの評価である。試験を実行すると、試験片１０の伸びに伴って標線マークＭも移動するため、照明装置３７からの光の照射角度の変化等により、図４に示すプロファイルのピーク形状が変形することがある。また、試験片１０に直接標線を標している場合には、試験片１０の伸びに伴って標線の形状が変化し、プロファイルのピーク形状がなだらかな形状へと変形していくこともある。そして、このようなプロファイルの変形においては、プロファイル上の標線マークＭの分布範囲が、標線位置を計算するための負荷軸方向の計算範囲を越える場合がある。そうすると、標線位置計算に必要なプロファイルＰのベースラインＬの数値（プロファイルの最小値）が正しく求められなくなり、標線位置計算の精度が損なわれることになる。プロファイルＰにおける標線マークＭの分布範囲が、標線位置を計算するための負荷軸方向の計算範囲の３０〜５０％の範囲内に収まっていれば、標線マークＭのプロファイルＰが変形しても、標線位置計算に必要なプロファイルのベースラインの数値（プロファイルの最小値）を正しく収集できる。

標線位置を計算するための負荷軸方向の計算範囲の３０〜５０％の範囲内に標線マークＭの分布範囲が収まっているかどうかは、プロファイルＰの平均値ｂ（プロファイルＰ全体の色濃度の平均値でもある）がフルスケールに対する割合Ｂに近い否かを評価することによって判断できることが経験的に見出されている。ここで割合Ｂは１０〜３０％であることが好ましい。なお、この実施形態では、割合Ｂは２０％としている。この割合Ａは試験片１０の性質や試験片１０に貼着する標線シールの図柄の違い（標線マークＭの違い）等により変更される。

第３の項目は、プロファイルＰの最小値ｃがフルスケールの０％に近いか否かの評価である。これは、標線位置計算の信頼性の観点から、その計算の基礎となるデータであるプロファイルのバックグラウンドノイズが可能な限り低いことが好ましいからである。

上述した３つの項目の評価は、具体的には以下に式により実行され、認識レベルＳが算出される。

ａ、ｂ、ｃのそれぞれが目標値Ａ、Ｂ、０に近いほど、各項の値が１に近づき、かつ、ａ、ｂ、ｃのすべての条件がそろわなければ、認識レベルＳの値は大きくならない。そして、認識レベルＳは値が大きいほど認識レベルが安定している。すなわち、ビデオカメラ２８により標線マークＭがより的確に捉えられていることを示す。なお、この実施形態では、上述したように、割合Ａを８０％、割合Ｂを２０％と設定していることからＡ＝０．８、Ｂ＝０．２として認識レベルＳを算出している。

図５は、認識レベルの表示例である。図５（ａ）は、認識レベル不足と判定された場合の表示例、図５（ｂ）は、認識レベル不安定と判定された場合の表示例、図５（ｃ）は、認識レベル安定と判定された場合の表示例である。なお、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）における上側のバーグラフは、試験片１０の上方に付された標線の認識レベルを、下側のバーグラフは、試験片１０の下方に付された標線の認識レベルを、それぞれ示している。

数式１により得られた認識レベルＳは、図３に示す認識レベル判定部４２において、認識レベルＳの値に応じて３段階に分けて判定される。この実施形態では、認識レベルＳが０以上０．３未満の場合は「認識レベル不足」、認識レベルＳが０．３以上０．６未満の場合は「認識レベル不安足」、認識レベルＳが０．６以上１以下の場合は「認識レベル安定」、と判定される。なお、これらの数値範囲は一例であって、これに限定されるものではない。また、判定も３段階の判定だけでなく、単に「不足」「安定」の２段階判定や、さらに細分化した判定を行ってもよい。

認識レベル判定部による判定が終わると、標線の認識レベルは、表示部３５に表示される。表示部３５には、標線の認識レベルが認識レベルＳの値に応じたバーグラフとして表示されるとともに、それぞれのバーは、「認識レベル不足」、「認識レベル不安足」、「認識レベル安定」の３段階の判定結果に応じて色分け表示される。「認識レベル不足」と判定された場合には、図５（ａ）に示すように、認識レベルＳの値に応じた短いバーが、例えば「認識レベル不足」と対応づけられた赤色で表示される。「認識レベル不安定」と判定された場合には、図５（ｂ）に示すように、認識レベルＳの値に応じた中程度の長さのバーが、例えば「認識レベル不安定」と対応づけられた黄色で表示される。さらに、「認識レベル安定」と判定された場合には、図５（ｃ）に示すように、認識レベルＳの値に応じた長いバーが、例えば「認識レベル安定」と対応づけられた青色で表示される。なお、図５においては、認識レベルＳの判定の色分けに代えて、異なるハッチングを付している。

表示が「認識レベル不足」および「認識レベル不安足」を示す色等で表示された場合には、オペレータは、照明装置３７の位置やその光量、標線の計算範囲等の再調整を行う。そして、再調整後に再度上述したプロファイル作成および認識レベル判定等の演算が制御部３３で実行される。しかる後、標線の認識レベルの表示が「認識レベル安定」を示す表示となれば、オペレータは試験実行の指示を入力部３４を操作して制御部３３に与える。

なお、この実施形態では、標線の認識レベルをバーグラフとして表示しているが、認識レベルＳの数値をそのまま表示し、「認識レベル不足」、「認識レベル不安足」、「認識レベル安定」の３段階の判定結果に応じた色分け表示を省略してもよい。また、認識レベルＳの数値のバーグラフの表示を省略し、「認識レベル不足」、「認識レベル不安足」、「認識レベル安定」の３段階の判定結果を色分け信号として表示してもよい。

１０ 試験片
１８ テーブル
１９ 支柱
２１ 上つかみ具
２２ 下つかみ具
２３ クロスヘッド
２４ ロードセル
２７ レンズ
２８ ビデオカメラ
２９ アーム
３０ 負荷手段
３１ 制御回路
３３ 制御部
３４ 入力部
３５ 表示部
３７ 照明装置
３９ アーム
４１ プロファイル作成部
４２ 認識レベル判定部

Claims (8)

1. 標線を付した試験片に試験力を付与するとともに、前記標線をビデオカメラで撮影することにより、試験片の伸びを測定する材料試験機において、
   試験実行前の前記標線のプロファイルを画像データから作成するプロファイル作成手段と、
   前記プロファイルからビデオカメラの標線認識レベルを判定する認識レベル判定手段と、
   前記認識レベル判定手段による判定に応じた認識レベルを表示する表示部と、
   を備える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、
   前記認識レベル判定手段は、認識レベルに応じて複数の段階に判定し、
   前記認識レベルは、前記認識レベル判定手段により判定された段階により色分けされたバーグラフとして前記表示部に表示される材料試験機。
3. 請求項１に記載の材料試験機において、
   前記認識レベル判定手段は、前記プロファイルが、前記試験片の測定に適した理想的なプロファイルの特徴に近いか否かに基づいて前記認識レベルを判定する材料試験機。
4. 請求項３に記載の材料試験機において、
   前記理想的なプロファイルの特徴は、前記プロファイルの最大値が試験実行中に変動してもフルスケールに到達しないと想定されるフルスケールに対する割合Ａに近いか否かである材料試験機。
5. 請求項３に記載の材料試験機において、
   前記理想的なプロファイルの特徴は、前記プロファイルの平均値が、プロファイルにおける標線の分布範囲が標線位置を計算するための負荷軸方向の計算範囲の３０〜５０％の範囲内となるフルスケールに対する割合Ｂに近いか否かである材料試験機。
6. 請求項３に記載の材料試験機において、
   前記理想的なプロファイルの特徴は、前記プロファイルの最小値がフルスケールの０％に近いか否かである材料試験機。
7. 請求項１に記載の材料試験機において、
   前記認識レベル判定手段は、前記プロファイルの最大値をａ、前記プロファイルの平均値をｂ、前記プロファイルの最小値をｃとすると、認識レベルＳを下記式により計算して、認識レベルを判定する材料試験機。
   式：Ｓ＝（１−｜ａ−Ａ｜）・（１−｜ｂ−Ｂ｜）・（１−｜ｃ−０．０｜）
   ただし、ａ、ｂ、ｃは０以上、１以下の値であり、Ａは、前記プロファイルの最大値が試験実行中に変動してもフルスケールに到達しないと想定されるフルスケールに対する割合であり、Ｂは、前記プロファイルの平均値が、プロファイルにおける標線の分布範囲が標線位置を計算するための負荷軸方向の計算範囲の３０〜５０％の範囲内となるフルスケールに対する割合である。
8. 請求項７に記載の材料試験機において、
   前記認識レベル判定手段は、前記認識レベルＳの値に応じて認識レベルを複数の段階に判定し、
   前記認識レベルＳは、前記認識レベル判定手段により判定された段階により色分けされたバーグラフとして表示部に表示される材料試験機。

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