(57)【要約】【課題】高い信頼性が要求される燃焼器ノズル、エンジンシリンダー、モーター、発電機のローター、ステーター等の断面が円状の部材の表面あるいは内部形状を短時間で高精度に分析できる形状分析方法を提供する。【解決手段】分析対象は、略円筒形状の軸と垂直な断面の複数画像として分析装置に取り込まれ、画像中に存在する略円形状の領域を２値化処理により抽出し、領域内の画素と画素座標から略円形状の内外半径、中心画素番号を計算する内外径計算機能と、指定した円周方向分割角度において画素と画素座標から内外径及び、内部に放射状に存在する溝の状態、特に内外径からの肉厚分析機能を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
部材の有無を判定する２値化閾値、及び周方向の分析間隔角度を含む画像分析条件を入力するステップ１、検査対象の略円筒状画像データを保存する記憶装置から画像を読み込み２値化するステップ２、及び画像の左右及び上下のいずれかから外径内に存在する画素数に基づいて外径を求め、外径中心を図心に基づいて求めるステップ３の各処理を、分析装置によって実施し、これらの処理を実施して得られる、外径中心及び外径の数値データを前記分析装置から出力する形状分析方法。
【請求項２】
外径中心を用いて内径内に存在する画素数から内径を、内径中心を図心により求めるステップ４の処理を前記分析装置で実施し、得られた前記内径中心及び前記内径の数値データを前記分析装置から出力する請求項１に記載の形状分析方法。
【請求項３】
分析間隔毎の内径値及び前記ステップ３で求めた外径中心のいずれか及び前記ステップ４で求めた内径中心を用いて、前記分析装置で、分析間隔毎の外径値を分析し、分析角度、内径値或いは外径値を数値データとして前記分析装置から出力する請求項２に記載の形状分析方法。
【請求項４】
分析対象部材内部に溝が存在するとき、前記ステップ３で求めた外径中心を用いた、外径から溝までの肉厚値の分析を前記分析装置で実施し、前記肉厚値を数値データとして前記分析装置から出力する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の形状分析方法。
【請求項５】
分析対象部材内部に溝が存在するとき、前記ステップ４で求めた内径中心を用いた、内径から溝までの肉厚値の分析を前記分析装置で実施し、前記肉厚値を数値データとして前記分析装置から出力する請求項２または３に記載の形状分析方法。
【請求項６】
分析対象部材内に略円筒状部材及び異材質で構成される部材が含まれるとき、複数の閾値を用いて、異材質で構成される部材を略円筒状部材と判別できるよう前記分析装置によって２値化し、前記ステップ３で求めた外径中心を用いて、外径から異材質部材までの肉厚値を前記分析装置で分析し、前記肉厚値を数値データとして前記分析装置から出力する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の形状分析方法。
【請求項７】
分析対象部材内に略円筒状部材及び異材質で構成される部材が含まれるとき、複数の閾値を用いて、異材質で構成される部材を略円筒状部材と判別できるよう前記分析装置によって２値化し、前記ステップ４で求めた内径中心を用いて、内径から異材質部材までの肉厚値を前記分析装置で分析し、前記肉厚値を数値データとして前記分析装置から出力する請求項２または３に記載の形状分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、形状分析方法に係り、特に、画像データから、断面が同心円上に製造されたものの形状を分析するのに好適な形状分析方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在の先端産業部門、例えば航空、宇宙、自動車及び産業機械等では、その機能と安全性を確保するために、時間と共に変化する環境条件、使用条件の変化による力及び熱等によるによる形状変化を定量的に計測する必要がある。航空、宇宙関連では高温状態にさらされる燃焼器、自動車ではエンジン等の計測が、産業部門ではモーター、発電機等の回転体のローター形状計測が特に重要となる。これら燃焼器及びエンジンの高熱にさらされる部分は、例えば、燃焼器では、ノズル、エンジンではシリンダーと、断面が円から構成されるものが多い。さらに、高温にさらされる材料部分には材料内部に気体、液体等を流すことによる冷却溝を付与した形式となっていることが多い。発電機及びモーター等も、ローター、ステーター等に通電することにより磁力を得る形式では、電流が流れることに起因した発熱による温度上昇を抑えるための冷却溝が設けられている場合がある。このような部材の健全性を分析するためには、真円度がどの程度変形しているか、内部の溝がどの程度変化しているか、或いは、溝と高温にさらされる部材表面の厚みがどの程度減少しているかを部材全体、例えば、ノズル等では、数１００から数１０００×数１００から数１０００の画素数の画像を数１００から数１０００枚規模で定量的に分析する必要がある。このような多量の画像データを用いて、ＣＴ（Computer Tomography）で３次元形状を作成し、コンピュータ上で形状計測を行えば良いが、例えば、ノズルの冷却溝は数１０から数１００のオーダーで存在するために、時間及び労力を要する。断面の画像から真円度を調べる方法の一例が、特開２０１３−７５０１５号公報に記載されている。この特開２０１３−７５０１５号公報は、円形物体、ここではメダルを画像化し、画像の数点から得られる半径と真値である半径との比較で正しいメダルであるかを判断する方法を提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−７５０１５号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】「代表的な数値計算を用いた組み込み向けＣＰＵの演算性能の評価」川村ら、石巻専修大学研究紀要  第２２号、２９頁〜３７頁、２０１１／３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特開２０１３−７５０１５号公報で提案された方法は、円周上の数点から判断するために、計算負荷が非常に少なくなる。しかしながら、基準半径との差で判断するために、形状分析の点では、例えば円周方向の真円からの歪み等の評価が行えず、形状変化の分析、或いは冷却溝等の内部構造の形状変化の分析への適用が困難である。
【０００６】
本発明の目的は、高い信頼性が要求される燃焼器ノズルやエンジンシリンダー、回転機のローター、ステーター等の断面が円状の部材の表面あるいは内部形状を短時間で高精度に分析できる形状分析方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記した目的を達成する本発明の特徴は、分析対象が略円筒形状の軸と垂直な断面の複数画像として分析装置に取り込まれ、画像中に存在する略円形状の領域を２値化処理により抽出し、領域内の画素と画素座標から略円形状の内外半径、中心画素番号を計算する内外径計算機能、及び指定した円周方向分割角度において画素と画素座標から内外径、及び内部に放射状に存在する溝の状態、特に内外径からの肉厚分析機能を有する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、分析において、２値化された画素、画素座標という整数の加算から対象部材の面積を求め、その値から半径を、画素、画素座標という整数の積算後の加算値と面積から図心の考えで中心座標を計算するために、略円周上の画素の探索による半径の計算等が不要となり、高速化が図れる。内部形状に対しても指定した径範囲において、同様の手法を用いることで同様の効果が得られる。さらに内径から溝までの周方向の肉厚分析では、内径から溝までの初期厚み範囲で内径中心座標からの距離を重みとした半径を用いることで、内径の微細な変形と肉厚変化を同時に分析できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の好適な一実施例である実施例１の形状分析方法における分析の流れを示す説明図である。
【図２】本発明の好適な他の実施例である実施例２の形状分析方法における、実施例１の分析を周方向分析に拡張した流れを示す説明図である。
【図３】検証対象部材の画像を示す説明図である。
【図４】半径方向探索結果を示す説明図である。
【図５】周方向角度θの画素値の求め方を示す説明図である。
【図６】画素を再分割した周方向角度θの画素値の求め方を示す説明図である。
【図７】本発明の好適な他の実施例である実施例３の形状分析方法において用いられる、検証対象部材の画像を示す説明図である。
【図８】周方向探索結果を示す説明図である。
【図９】検証対象部材の画像を示す説明図である。
【図１０】重み付き方で分析した周方向探索結果を示す説明図である。
【図１１】本発明の好適な他の実施例である実施例３の形状分析方法において用いられる、部材が埋め込まれている画像を示す説明図である。
【図１２】２値化による埋め込み部材の抽出結果を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施例を以下に説明する。
【実施例１】
【００１１】
本発明の好適な一実施例である実施例１の形状分析方法を以下に説明する。本実施例の形状分析方法は、図１に示される、記憶装置１及び分析装置３を有する形状分析装置を用いて実施される。
【００１２】
以下、図１を参照しながら、本実施例の分析方法における処理の流れを説明する。記憶装置１に保存された略円筒状画像データである、分析条件で指定された断面の情報２が、分析装置３に読み込まれる。分析装置３は、指定された断面画像２を、分析条件で指定された部材の有無を判定する２値化閾値を用いて２値化し、２値化された画像４の情報を生成する。画像４では、部材が存在する部分が白で、部材が存在しない部分が黒で表示されている。しかしながら、表示色は、領域を識別できればよく、黒、白である必要はない。２値化された画像４の、画像の上下端、あるいは左右端から内側に、黒から白に代わる画素の画像中の座標を探索することによって、部材の外筒内に含まれる画素５の数を分析装置３によって計算することができる。分析装置３で実施される具体的な画素の計算方法例は、上下方向にＩｍａｘ個の画素があり、左右方向にＪｍａｘ個の画素がある場合、上下方向の１からＩｍａｘにおいて、それぞれのＩにおける外筒内に含まれる画素は、左右方向に１、Ｊｍａｘからそれぞれ白画素に到達するまで探索し、１からの探索Ｊ１、Ｊｍａｘからの探索Ｊ２を用いて、Ｊ２−Ｊ１＋１となる。この手順をＩ＝１からＩｍａｘまで行い、総和を取れば外筒内に含まれる画素５の数を計算することができる。計算された画素数をＮoとした場合、外筒を略円形とすることで、画素数Ｎｏは円の面積となり、半径ｒoは、下記の式（１）で求められる。
【００１３】
【数１】
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【００１４】
さらに、画素数の総和をとる際に、上下、左右の画素座標値Ｉ，Ｊの総和Ｘ，Ｙを計算しておくことで、それらを画素数Ｎoで割ることで、画像上の外筒の概略中心座標（Ｘo、Ｙo）６のＸoが下記の式（２）により、また、Ｙoが下記の式（３）により求められる。
【００１５】
【数２】
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【００１６】
次に、外筒の概略中心座標から左右、あるいは上下に黒が白に代わる座標Ｉ１、Ｉ２を探索することにより、内筒に囲まれる画素７数Ｎｉを求めることができる。外筒と同様に、内筒を略円形とすることで、画素数Ｎｉは円の面積となり、半径ｒiは下記の式（４）で求められる。
【００１７】
【数３】
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【００１８】
さらに、画素数の総和をとる際に、上下、左右の画素座標値Ｉ，Ｊの総和Ｘ，Ｙを予め計算しておき、総和Ｘ，Ｙのそれぞれを画素数Ｎiで割ることによって、画像上の内筒の概略中心座標（Ｘi、Ｙi）８のＸiが下記の式（５）により、Ｙiが下記の式（６）により求められる。
【００１９】
【数４】
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【００２０】
Ｘo、Ｙo６が求まる。
【００２１】
このようにして、画素の加算と画素座標の加算、及び画素座標の加算値を画素の加算で除算するといった単純な計算により、画像を用いることにより円筒の半径及び円筒の中心座標をそれぞれ求めることができる。コンピュータの演算速度は、「代表的な数値計算を用いた組み込み向けＣＰＵの演算性能の評価」川村ら、石巻専修大学研究紀要  第２２号、２９頁〜３７頁、２０１１／３によると、整数加算に対して、浮動小数点加算は２倍から４倍の時間がかかる。さらに、除算は加算の倍近い時間を要する。本実施例で用いる演算は主として整数の加算であり、除算のみが実数の計算となっているために、コンピュータでの演算は高速に行うことができる。
【００２２】
さらに、演算速度だけでなく、従来の例として、特開２０１３−７５０１５号公報に記載された方法、及び円周上の３点から半径及び中心を求める方法を用いた場合、３点の決め方は任意であり、半径及び中心座標は３点の多くの組み合わせから平均化するか、最小二乗法などで、近似円を求める必要がある。これに対して、画素の加算だけで求める本実施例の形状分析方法は、２値化の閾値だけを与えれば良く、２値化した後は、恣意的な条件が入ることがなく、一意に半径及び中心座標を求めることができるという利点も有する。
【実施例２】
【００２３】
本発明の好適な他の実施例である実施例２の形状分析方法を以下に説明する。本実施例の形状分析方法は、記憶装置１及び分析装置３を有する形状分析装置を用いて実施される。
【００２４】
前述の実施例１では、断面画像を用いて平均的な半径や中心座標を求めた。本実施例の形状分析方法では、分析装置３を用いて、実施例１の方法を複数枚の画像に対して実施する。これにより、部材の軸方向中心のずれ（曲りなどの変形）及びその部材に生じている歪みのそれぞれが分る。
【００２５】
例えば、部材は伸びずに、つまり周長は同じで長径と短径の比が１３０％の楕円にゆがんだ場合、楕円の面積は同じ周長の円の面積より１５％程度大きくなり、変形前の半径に対して７％大きくなることが予想される。
【００２６】
このような分析に加え、図２に示すように分析条件で与えられる周方向に対する分析間隔毎に、対応する角度θに対して、例えば内筒中心を用いて、２値化画像で最初に白くなる画素９を探索すれば、分析装置３により、角度θにおける内筒径の分布を、さらに、内筒表面から溝すなわち２値化された場合黒となる画素１０までの画素数を数えることで、溝までの肉厚を求めることができる。
【００２７】
図３に示す円筒周方向角度３１及び３２の半径方向の画素探索と画素値の半径方向分布のイメージを、図４に示す。３１では、溝内内側に切欠きが存在するために、内径、すなわち画素値が１になる半径が大きくなる。３２では切欠きが存在しないために、画素値が１に達する半径が大きくなる。求めたい円周方向角度θ上の画素値を求める最も簡単な方法は、図５に示すように、内径中心５１、左右方向画素座標上の画素５２をθだけ回転した場所の画素５３の値を用いる方法である。さらに、高精度に部材の境界を求めたい場合は、図６に示すように内径中心６１、左右方向画素座標上の画素の周囲の画素群を細分化６４した画素群をθだけ回転した場所の細分化された画素群６５の値を用いればよい。
【実施例３】
【００２８】
本発明の好適な他の実施例である実施例３の形状分析方法を、以下に説明する。本実施例の形状分析方法は、記憶装置１及び分析装置３を有する形状分析装置を用いて実施される。
【００２９】
図７は、○で示す内筒の位置７１及び７２のそれぞれに切欠きがある場合の試験片の断面画像を示す。この画像を図５に示した手法で内径の周方向（θ）変化を求めたイメージを図８に示す。図８では、横軸は周方向角度θ、縦軸は内径である。図７では、切欠きが存在する位置７１と貫通切欠きが存在する位置７２では、内筒から溝までの肉厚が変化している。しかし、内筒の半径計測だけでは、肉厚の情報は入らず、肉厚の変化の検知は難しい。
【００３０】
そこで、肉厚の影響を考慮する形状分析方法として、本実施例では、円筒中心からの距離を重みとして用いた重み付半径の変化分析する分析装置３を用いた形状分析方法を説明する。円筒中心からの距離を重みに用いることで、厚み及び径の変化を同時に分析することができる。円筒中心からの距離を重みとして用いた場合でも、厚みや径がともに変化しない場合は、一定の重み付半径となる。径の変化は比較的連続であるが、溝による肉厚の変化は不連続であり、双方の変化を同時に分析することが可能となる。
【００３１】
分析装置３による重み付半径の求め方を説明する。
【００３２】
半径方向の面積は、分析間隔δθ、ピクセルサイズδｐ及び半径ｒを用いたとき、ｒ×δθ×δｐで求められる。これに画素の値δ（この例では、部材がない場合を０、ある場合を１としている）と半径の重みをつけることで重み付半径Ｒθが下記の式（７）で求められる。この演算は、分析装置３で行われる。
【００３３】
【数５】
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【００３４】
ただし、δｒは微小半径である。なお、式（７）に示されたδｒｒはδｒ×ｒを意味している。
【００３５】
分析間隔δθ及びピクセルサイズδｐが一定であるので、式（７）は下記の式（８）に簡略化することができる。
【００３６】
【数６】
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【００３７】
この式（８）は、分母は整数の加算、分子は整数の積の加算で有り、実施例１で示したように高速な演算が期待される。分析装置３では、この式（８）を用いて、各周方向角度θにおける内径から内径＋δＬ（δＬは入力データ）までの重み付半径が求められる。図９に示す２か所に深さを変えた切欠きを有する部材の断面データを分析した結果を図１０に示す。
【００３８】
図９における９１の部分は、９２の部分と比べ、内径は略同一であるが肉厚が大きくとってある。９３は内径＋δＬの位置である。図１０にθ方向の重み付半径を示す。１０３は、実施例１の形状分析方法で求めた内径にδＬを足した位置まで部材が存在するとした重み付半径である。１０５は、実施例１の形状分析方法で求めた内径に切り欠き９２のある手前の溝までの設計厚みを足した位置まで部材が存在するとした重み付半径である。１０６は実施例１の形状分析方法で求めた内径に切り欠き９２の溝までの設計厚みを足した位置まで部材が存在するとした重み付半径である。
【００３９】
図９の９４，９５，９６、９７といった溝の無い部分に対応する１０７，１０８，１０９，１１０は、１０３と略同一の値を示し、切り欠き９１の前後では１０５と略同一、切り欠き９２の前後では、１０６と略同一の値を示す。切り欠き９１に対応する１０１は、周囲に比べ、切り欠きの分、重み付半径は大きくなり、切り欠き９２は貫通しているために、式６の分母分子が０となり、値は存在しない。
【００４０】
また、１０８と１０９の間隔１０４は、溝の幅を表している。
【００４１】
このように、領域を限定した重み付半径分析を行うことで、溝の有無、溝幅、切欠きの有無、切欠き深さ等単に径分布を探索する以上の情報が得られることがわかる。
【実施例４】
【００４２】
本発明の好適な他の実施例である実施例２の形状分析方法を以下に説明する。本実施例の形状分析方法は、記憶装置１及び分析装置３を有する形状分析装置を用いて実施される。
【００４３】
実施例１から３のそれぞれの形状分析方法は、溝すなわち画素としては周囲の材質（一般的には空気）と同じ値を持つ画像を用いた形状分析方法である。誘導電動機等のローター断面画像は、図１１に示すように、略円筒状に積層されたケイ素鋼鈑１１１とこれらを貫通するように設けられたアルミ部分１１０がある。このような場合、閾値を1つ或いは複数、アルミ部分１１０の画素値をケイ素鋼鈑１１１と異なる値になるように設ければ、図１２の２値化画像と成り、実施例で扱ってきた溝と同様な分析が可能となる。
【００４４】
以上の実施例における分析は、画像上の座標値を扱っており、得られた値に画素サイズを積算することで、実際の寸法となる。
【符号の説明】
【００４５】
１…記憶装置、２…断面画像、３…分析装置、４…２値化された画像、５，５２，５３…画素、１１０…アルミ部分、１１１…ケイ素鋼板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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