(57)【要約】      （修正有）【課題】  機械加工や機械試験の状態、切削・研削・その他エネルギー加工などの機械加工の状態、標準の物質や材料を用いた試験機の状態、標準の試験機械を用いた被加工物の状態を、連続した同一場所の観察・画像記録を行い、画像解析することで評価する方法を提供する。【解決手段】試験評価中の被試験評価物の表面状態変化を、被試験物の同一場所において観察・画像記録を間歇的に行い、画像解析し、特徴抽出を行う方法において、実際の機械における観察・画像記録及び画像解析・特徴抽出を行った結果と、試験機における同項目の結果について、少なくとも１つの画像の特徴または特徴の時間変化について相互関係の変化を求め、比較することによる試験状態の評価方法。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験評価中の被試験評価物の表面状態変化を、被試験物の同一場所において観察・画像記録を間歇的に行い、画像解析し、特徴抽出を行う方法において、実際の機械における観察・画像記録及び画像解析・特徴抽出を行った結果と、試験機における同項目の結果について、少なくとも１つの画像の特徴または特徴の時間変化について相互関係の変化を求め、比較することによる試験状態の評価方法。
【請求項２】
複数の試験機で請求項1に記載した評価方法を行い、相互関係の変化が一致したものを、複数の試験機から選び出す試験機の評価方法。
【請求項３】
画像の特徴が、少なくとも１画素の明るさの強弱または強弱変化の周期性である請求項２に記載した試験機の評価方法。
【請求項４】
複数の試験条件で請求項１に記載した評価方法を行い、相互関係の変化が一致したものを、複数の試験条件から選び出す試験条件の評価方法。
【請求項５】
画像の特徴が、少なくとも１画素の明るさの強弱または強弱変化の周期性である請求項４に記載した試験条件の評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、切削や研削やその他エネルギー加工における試験状態の評価方法、摩擦や摩耗の試験状態の評価方法及びそれを反映した加工機械と試験機械の特徴評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ストロボライトでブレーキ材表面の一定場所に来るたびに照射することにより、摩擦中のブレーキ材の表面を直接観察することが行われていた（特許文献１参照）。
また、加工中のロール表面にストロボ光及び特定波長の光を各々照射して表面の凸凹パターンの演算、計測結果を求め、それに基づいて表面加工条件を調整することにより、加工精度と製品歩留まりの向上を図ることも知られている（特許文献２参照）。
さらに、すべり摩擦実験のその場観察システムを用いて、摩耗形態の時系列変化を観察することも行われていた（非特許文献１参照）。また、摩擦にともない発生する摩耗粉の形態を数値解析する手法とその計算結果を報告することも行われている（非特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開昭56-14529号公報
【特許文献２】特開平01-162584号公報
【非特許文献１】加藤照子、堀切川一男、福田努、篠岡正規、高橋仁：ブロックとプレートの片当たり接触におけるすべり摩耗機構の解明、トライボロジスト、42,6（1997）454
【非特許文献２】杉村丈一、梅田彰彦、山本雄二：摩耗粉の形態識別におけるニューラルネットワークの適用、日本機械学会論文集（C編）、61,590（1995）4055
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、加工や試験の状態を直接評価する方法では、特定の加工方法や試験方法、加工条件や試験条件、使用する材料に依存した評価しかできなかった。このため、試験機械間の特徴比較や機械そのものの評価は、実際に特定の加工や試験を実施しなければできなかった。一般には、実際の機械で材料を評価した結果と、試験機械で試験した結果は、実施条件や装置特性の差など複雑なパラメーターの相互作用のため、一致しなかった。
これまでにも、運動する固体表面をストロボ法(レーザーストロボ法を含む)によって観察する方法や機械（加筆）装置が提案されてきたが、固体表面の一定微小領域を静止画像として記録・蓄積しつづける方法はない。また、取得した画像やその他運動物の静止画像の解析は、エラーを抽出するためのパターン認識が中心で、加工や試験の評価に応用した例はない。画像解析では、形状解析が中心で状態変化の特徴抽出や時系列変化の特徴抽出やこれらを用いた評価を扱う解析例はない。
本発明では、新たな材料や試験装置を開発した際に、実際の機械を模擬した試験装置を用いて加速試験を行うが、試験結果が実機試験の結果と一致する例は少なく、このような不一致の原因を考察する上でも、加工面や試験面の経時変化を記録・蓄積し解析する必要が生じてきていることに注目した。
これを実現するためには、運動と同期した照明による静止画像撮影（ストロボ撮影）技術と、ミクロな表面解析のための高倍率観察技術、取得した画像の経時変化に伴なう特徴抽出を扱う解析の必要が生じている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために本発明は、機械加工や機械試験の状態、切削・研削・その他エネルギー加工などの機械加工の状態、標準の物質や材料を用いた加工機械の状態、標準の加工機械を用いた被加工物の状態を、連続した同一場所の観察・画像記録を行い、画像解析することで評価する。
例えば、機械要素材料の評価を実際の機械で使用する前に行う試験の評価を行う。実際の機械や加工で現れる画像の特徴を抽出するで、実際の機械や加工で現れる画像の特徴と試験機での画像の特徴を比較し、試験機械の評価を行う。      
加工や試験で得られる時間的連像画像の特徴の変化から、加工や試験の状態を評価する。
加工方法や試験方法、加工条件や試験条件、使用する試験材料に依存しない、画像の特徴から、加工・試験の状態を評価する。
加工や試験の運動に同期した照明を行うとともにCCDカメラで観察面を結像するシステムを用いて、同一場所の画像を時間的に連続して観察・記録する方法で、記録した画像をもとに計算機処理して画像の特徴及び特徴の時間変化を抽出し、比較することによって加工や試験の状態を評価する。実際に使用する加工や機械の状態を模倣した試験機械に現れる特徴を、その他の試験装置に現れる特徴と比較し、その他の試験機械の評価を行う。
すなわち、本発明は、試験評価中の被試験評価物の表面状態変化を、被試験物の同一場所において観察・画像記録を間歇的に行い、画像解析し、特徴抽出を行う方法において、実際の機械における観察・画像記録及び画像解析・特徴抽出を行った結果と、試験機における同項目の結果について、少なくとも１つの画像の特徴または特徴の時間変化について相互関係の変化を求め、比較することによる試験状態の評価方法を見出した。
【発明の効果】
【０００６】
従来技術では、加工や試験の評価は実際の加工や試験を実施しなければ評価できなかったばかりでなく、装置間の比較ができなかったため、装置の評価を行うことが困難であった。本発明では、機械加工や機械試験の状態、切削・研削・その他エネルギー加工などの機械加工の状態を、連続した同一場所の観察・画像記録を行い、画像解析することで状態の評価を行う。機械要素材料の評価を実際の機械で使用する前に行う試験の評価を行う。実際の機械や加工で現れる画像の特徴を抽出するで、実際の機械や加工で現れる画像の特徴と試験機での画像の特徴を比較し、試験機の評価を行う。加工や試験で得られる時間的連像画像の特徴の変化から、加工や試験の状態を評価する。加工方法や試験方法、加工条件や試験条件、使用する試験材料に依存しない、画像の特徴から、加工・試験の状態を評価する。加工や試験の運動に同期した照明を行うとともにCCDカメラで観察面を結像するシステムを用いて、同一場所の画像を時間的に連続して観察・記録する方法で、記録した画像をもとに計算機処理して画像の特徴及び特徴の時間変化を抽出し、比較することによって加工や試験の状態を評価する。実際に使用する加工や機械の状態を模倣した試験機に現れる特徴を、その他の試験装置に現れる特徴と比較し、その他の試験装置の評価を行う。このため、機械分野、精密機械加工分野、切削・研削・エネルギー加工分野、トライボロジー分野、機械装置・摩擦試験機等に応用、材料試験にも応用、高速で運動する粒子の観察や解析などにも適応可能。その他時間変化を伴なう試験の評価が可能。機械装置の電気的・機械的むらや、接触面の状態変化を評価可能。切削加工の工具形状の最適化や潤滑剤の選択、接合・切断における欠陥検査にも応用可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明を具体化する一例を図１に示す。試験機に固定された材料20は、往復運動または回転運動する。これに、所定の荷重10をかけたピン15を押し付け、試験を行う。試験装置の形式は問わないが、顕微鏡45及びトリガーセンサー25が取り付けられるスペースの確保が必須条件となる。材料20の運動にレーザー発振器55からのパルス光とCCDカメラ70のシャッターを同期させるため、材料20の運動を検出するトリガーセンサー25からの信号をケーブル30を介して、パルスジェネレーター35で受け、レーザー発振器55のジッターを考慮した信号をケーブル80を通してレーザー発振器55に送るとともに、CCDカメラ70のシャッター開閉時間と開放時間を考慮した信号をケーブル75を通してCCDカメラ70に送る。レーザー発振器55から発振された光は光ファイバー50を通って、顕微鏡45に入りプローブ光40として摩擦面の一定の位置に集光される。加工面で反射した光は同一の光路を通って顕微鏡45にもどるが、プローブ光と分けられてCCDカメラ70に入り結像する。画像は電気信号としてケーブル65を通ってコンピューター60には入り、静止画像として逐次記録・蓄積される。試験終了後、記録・蓄積された画像群を解析用コンピューター90に転送し、位置補正や明るさの補正を行った後に、特徴抽出のための処理を行う。この処理は、例えば次の表１を示すことができる。
【表１】
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このような特徴比較を、実際の機械及び複数の試験機において行い、特徴マッチングの工程において、それぞれを比較する。
【０００８】
本発明について実施例を用いてさらに詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
２−１  レーザーストロボ応用摩擦面観察システム
摩擦面の観察システムの構成を紹介する。本システムの特徴は、摩擦面観察に必要なプローブ光にパルスYAGの2倍高調波（波長：532nm、パルス幅：5nsec）を用いた点にある。この光を顕微鏡に導入し、摩擦面からの反射光を顕微鏡内に戻しCCDカメラによって画像をコンピューターに取り込んでいる。試験片の運動からトリガー信号をとり、パルスジェネレーターを介してレーザー発振器及びCCDカメラに送っている。これによってレーザーは試験片の運動に連動して光を照射し、CCDカメラのシャッターが開く機構となっている。レーザー光は光ファイバーによって伝送している。光は顕微鏡の対物レンズを出た後直接またはミラーを通して荷重方向（試験片の運動方向と垂直な方向）から摩擦面に照射され、摩擦面から反射した光が顕微鏡内に戻り、CCDカメラに到達する。このシステムでは顕微鏡を取り替えることにより、観察倍率は5倍から250倍まで可変である。
２−２  実験条件
摩擦試験機には高速往復動摩擦試験機を用いた。試験片往復速度は600rpm（10Hz）、ストローク50ｍｍである。試験片形状は14x17x70mmのブロックで、相手材形状は直径8mm長さ23mmの円柱である。材料にはSS400,FC250,S45Cをそれぞれ対で用いた。試験片はエメリー紙により仕上げ研摩をした後、アセトンと石油ベンジンの混合液で3回超音波洗浄し、デシケーターで保管した。摩擦試験では、潤滑油を25ml用いた。所定の荷重にて60rpmで10分間のならし運転を行った後回転数を上げ600rpmにして画像の取り込みと摩擦係数の記録を行った。試験時間を30分間としこの間連続して10Hzで画像を640ｘ480画素256階調で記録蓄積した。これは静止画像18000枚分である。荷重は30分後の摩擦面の違いを考え、SS400とS45Cでは24.5, 49, 98Nの3条件で、FC25に対しては49, 73.5, 98Nの3条件とした。観察結果の画像の倍率は、5倍または35倍とした。
【０００９】
（実施例２）
FC250の試験片に対しFC250のピンで荷重98Nの条件で摩擦試験を行った場合の画像を結果の一例として示す。図2は30分間の試験後の試験片表面である。
試験片は激しく摩耗し筋や凸凹が形成された。このような摩耗形態にいたる過程を低倍率で観察した結果の一部を試験開始からの経過時間順に図3(a)〜(f)に示す。図3(a)には画像取り込み時の試験片運動方向を、図3（f）にはスケールを入れた。またそれぞれの画像には特徴的な筋を白抜きで示した。
【００１０】
摩擦試験開始直後（図3(a)）には無数の線が運動方向と平行に存在することが認められる。比較的特長的な線（図3(a) の[1]と[2]）が170秒後の画像（図3(b)）では、幅が広くはっきりとした線として認められた。また、この図には新たに[3]で示した線が現れた。この直後に摩擦面は大きく変化した。
図3(c)にはこれまでに無い線が現れた。その後摩擦面は試験終了（図3(f)：1800秒後）まで大きな変化は無かった。図3(c)から図3(f)では注目すべきポイントや線に共通のマークをつけた（[4][5][6]）。まず図3(c)の[4]のポイントであるが、この時点ではうすい数本の線のみが観察できる。5秒後の図3(d)ではこのポイントに1mm程度の大きさの黒い影が認められる。画面上の黒い影は反射光が周りに比べて少なかったところであり、その原因の一つとして摩擦面にできたくぼみが考えられる。この影は図3(e)では観察できたが、図3(f)ではほとんど認められなかった。
図3(c)の[5][6]の線は[4]とは逆に明るく見える。これはその周辺と比べ光の反射が多かったところで、回りに比べ高くなっている、または平らになっている、などの理由が考えられる。この場合も[4]のポイント同様時間的に変化し、幅が広がったり連続的な線になったりといった挙動を示した。
また、取り込んだ画像を1枚1枚見比べていくことも重要であるが、全体の画像の変化や画像に現れる特徴的な変化を追跡・解析することも重要であると考えられる。そこで、これらの画像の初期の変化に注目し、大きな変化の認められた20〜200secまでの2000枚の画像のうち10sec毎の180枚の画像を用いて、初期50枚の画像の平均像を基準とした画像間の相互相関を計算した結果を図4に示す。
【００１１】
相互相関の計算には次式を用いた。
【式１】
【００１２】
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ただし、ｒxyは相互相関係数、Sは分散を示しそれぞれ次式で表される。
【式２】
【００１３】
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ここで、Sxは平均画像の各ピクセルに対応した階調列の分散、Syは各画像の各ピクセルに対応した階調列の分散、Sxyは平均画像と各画像の各ピクセルに対応した階調列の共分散を示す。
この相関係数計算式を用いて画像を解析した結果が図４である。図４(上段)は、実画像の相関を示している。この相関係数の変化を見ると安定した変化を示した後、ゆっくりとした相関係数の低下があり、急激な低下へと発展した。これは摩擦係数の変化と極めて類似の変化を示している。
相関係数の変化からも、摩擦開始から175秒後の画像に現れた変化がはっきりと認められる。30秒後までの相関が悪い原因は平均画像がぼやけた画像であったためで、本質的ではないと考えられる。注目すべき点は、100秒後付近から相関が少しずつ落ち始め170秒後付近で大きく落ち込む点である。図3(a) と図3(b)の変化はわずかではあるが、[1]や[2]の線がシャープになり、[3]の線が現れるなどの変化があった。これらの変化が相関の緩やかな低下につながったと考えられる。
一方、図４(下段)は、同じ画像群をそれぞれフーリエ変換し周期性の変化を調べた結果である。フーリエ変換後の実部の相関係数変化を「○」で、虚部を「X」でプロットして示した。相関係数の変化は、実部と虚部、さらには実画像の係数変化ともほぼ同じであるが、フーリエ変換後の相関係数の時間変化には、実画像の相関係数の時間変化で見られたゆっくりとした低下の間に、急激な相関係数の低下が認められ、この間に画像の周期性に乱れがあったことがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施に用いたレーザーストロボ応用摩擦面観察システムの概要。
【図２】ＦＣ２５０を用いた摩擦試験片の表面写真。
【図３】本発明で用いた観察システムにより取り込んだＦＣ２５０摩擦面の画像。
【図４】摩擦面画像の相関関係変化図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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