(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
既設の機械部品の形状を計測する形状計測装置と、前記形状計測装置により生成された計測データを処理して前記機械部品の形状データを作成するデータ処理装置と、前記形状データを処理するコンピュータとを備えたシステムによる機械部品のリプレイス用情報提供方法において、
前記コンピュータが、前記形状データを数値解析に活用できる表面形状データに変換し、この表面形状データを基にして性能評価を実施し、前記機械部品の評価データを作成する第１手順と、
前記コンピュータが、前記機械部品の表面形状データを用いて、前記機械部品の制約部分の寸法を固定した状態で前記機械部品の形状を変化させて性能を評価し、前記第１手順で作成した評価データよりも性能が高い形状を得ることで、前記機械部品の性能向上のための形状を新設計し、その新設計した機械部品の性能評価データを作成する第２手順とから構成される機械部品のリプレイス用情報提供方法。
【請求項２】
請求項１記載の機械部品のリプレイス用情報提供方法において、前記コンピュータは、前記第２手順において、前記機械部品を新設計した後、三次元造形装置によりモデルを製作し性能評価結果を検証するプロセスを実施することを特徴とする機械部品のリプレイス用情報提供方法。
【請求項３】
請求項２記載の機械部品のリプレイス用情報提供方法において、前記コンピュータは、前記第２手順において、三次元造形装置によりモデルを製作し性能評価結果を検証するプロセスにおいて、モデル性能評価結果を基に新設計した機械部品形状を再び修正し、性能再評価、モデルの再製作と性能試験を実施することを特徴とする機械部品のリプレイス用情報提供方法。
【請求項４】
請求項１記載の機械部品のリプレイス用情報提供方法において、前記コンピュータは、前記第１手順において、前記形状計測装置により測定された機械部品形状の点群データから、性能評価に必要な３次元形状を再定義する処理を実施することを特徴とする機械部品のリプレイス用情報提供方法。
【請求項５】
請求項４記載の機械部品のリプレイス用情報提供方法において、前記コンピュータは、前記第１手順において、前記形状計測装置により測定された機械部品形状の点群データから、性能評価に必要な３次元形状を再定義する処理を実施した後に、性能評価に必要な機械部品部分とそれ以外の部分に領域分割を実施することを特徴とする機械部品のリプレイス用情報供方法。
【請求項６】
請求項１記載の機械部品のリプレイス用情報提供方法において、前記形状測定装置として高エネルギーＸ線ＣＴを使用することを特徴とする機械部品のリプレイス用情報提供方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、既設の機械部品のリプレイス用情報提供方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
既設の機械部品に関する情報の提供方法については、特開平８−４４４２１号公報に記載の技術がある。この公知例では、機器の劣化状況や運転状況に関するデータを基に、保守管理に必要なコストや時期等の情報を提供する方法が開示されている。
【０００３】
また、廃棄製品の有効利用に関する技術については、特開平６−１７１４７７号公報や特開平６−１６５９７７号公報に記載のものがある。これらの公知例では部品分解、部品検査、部品修理の工程を経て再使用するとしている。
【０００４】
更に、製品ライフサイクル全体での低コストを実現する技術として、特開平１０−２２２５６８号公報に記載のものがある。この公知例では、製品開発・改善、再使用部品利用、メンテナンス、回収、中古販売、処理の合理化を実現するシステムが開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
産業機械等の機械製品の中には使用期間が長期に及ぶものがある。例えば、水力機械（例えば、水車やポンプ）では、使用期間が20-30年と長期に及ぶ。このため、運転中の機械には最新の技術に基づいて設計された機械と比較すると効率が高くない場合や、長期の使用による摩耗等により設計当初の性能が保持されていない場合が多い。
【０００６】
特開平８−４４４２１号公報に記載の技術は、製品の保守管理に必要なコストや時期等の情報を提供するだけであり、特開平６−１７１４７７号公報や特開平６−１６５９７７号公報に記載の技術は使用中の製品でなく廃棄物の再利用に関するものであり、いずれも長期間使用する機械部品の性能評価や、それに基づく機械部品の再設計、再設計により形状が既設より変化した機械部品の再設置については、検討されていない。特開平１０−２２２５６８号公報でも、使用中の製品の上記事項に関しては同様に検討されていない。
【０００７】
本発明の目的は、既設の機械の一部部品、あるいは全体を新設計品にリプレースする場合の、性能改善の程度を示す情報を提供する機械部品のリプレイス用情報提供方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、既設の機械部品の形状を計測する形状計測装置と、前記形状計測装置により生成された計測データを処理して前記機械部品の形状データを作成するデータ処理装置と、前記形状データを処理するコンピュータとを備えたシステムによる機械部品のリプレイス用情報提供方法において、前記コンピュータが、前記形状データを数値解析に活用できる表面形状データに変換し、この表面形状データを基にして性能評価を実施し、前記機械部品の評価データを作成する第１手順と、前記コンピュータが、前記機械部品の表面形状データを用いて、前記機械部品の制約部分の寸法を固定した状態で前記機械部品の形状を変化させて性能を評価し、前記第１手順で作成した評価データよりも性能が高い形状を得ることで、前記機械部品の性能向上のための形状を新設計し、その新設計した機械部品の性能評価データを作成する第２手順とから構成されるものとする。
【００１０】
（２）また、上記（１）において、好ましくは、前記コンピュータは、前記第２手順において、前記機械部品を新設計した後、三次元造形装置によりモデルを製作し性能評価結果を検証するプロセスを実施する。
【００１１】
（３）上記（２）において、好ましくは、前記コンピュータは、前記第２手順において、三次元造形装置によりモデルを製作し性能評価結果を検証するプロセスにおいて、モデル性能評価結果を基に新設計した機械部品形状を再び修正し、性能再評価、モデルの再製作と性能試験を実施する。
【００１２】
（４）更に、上記（１）において、好ましくは、前記コンピュータは、前記第１手順において、前記形状計測装置により測定された機械部品形状の点群データから、性能評価に必要な３次元形状を再定義する処理を実施する。
【００１３】
（５）上記（４）において、好ましくは、前記コンピュータは、前記第１手順において、前記形状計測装置により測定された機械部品形状の点群データから、性能評価に必要な３次元形状を再定義する処理を実施した後に、性能評価に必要な機械部品部分とそれ以外の部分に領域分割を実施する。
【００１４】
（６）また、上記（１）において、好ましくは、前記形状測定装置として高エネルギーＸ線ＣＴを使用する。
【００１６】
【発明の実施形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００１７】
本発明の一実施の形態を図１〜図７により説明する。
【００１８】
図１は、本実施の形態に係わる機械部品のリプレイス用情報提供方法の全体プロセスを示すフローチャートであり、図２は本実施の形態で本発明が適用される水力発電用プロペラ水車の設置状況を示す部分断面図である。
【００１９】
まず、図２において、水車部分１は渦巻き状ケーシング２、ガイドベーン３、ランナ４、ドラフトチューブ５で構成される。図示しない水圧管から送り込まれた水は、渦巻き状ケーシング２、ガイドベーン３を経てランナ４に至り、これを高速で回転させ、直結された発電機６に動力を伝える。ランナ４に衝突した水は、ドラフトチューブ５から排出される。
【００２０】
長期間使用されたランナ４はキャビテーション、摩耗等により翼厚みが変化し、設計当初の性能保持が難しくなる。
【００２１】
図３は計測情報の処理方法を示す。定期点検時等に分解されたランナ４は、ロープ７を介してクレーン７により保持される。形状計測装置８は接触プローブ式測定装置に代表される三次元計測装置であって、測定プローブ９でランナ４の表面を操作することにより得られる計測データをデータ処理装置１０に送り、当該装置により形状データを作成し、記憶装置１１に格納する。この時点でのデータは、計測結果の生データであり、対象物の形状を表す点群の集まりである（図５参照）。
【００２２】
翼のエネルギー変換効率やキャビテーション特性、圧力損失などの性能評価を、数値解析を用いて実施するためには、この点群データから対象物の表面形状を表現するデータに変換する必要がある。そのため、コンピュータ１２では、形状データを数値解析に活用できる表面形状データに変換する（図５参照）。このとき、測定された機械部品形状の点群データから、性能評価に必要な３次元形状を再定義する処理を実施した後に、性能評価に必要な機械部品部分とそれ以外の部分に領域分割を実施する。次いで、そのデータを基にした数値流体解析（図６参照）により、既設機の効率、キャビテーション特性、圧力損失などの性能評価を行い、既設機の評価データ（既設機の性能評価表）１３を作成し、このデータをコンピュータ１２の記憶装置に格納する。
【００２３】
次いで、制約部分、例えば図２に示したランナ４の外径及びランナ４が取り付けられているハブ部分４ａの外径、ガイドベーン３などの寸法を固定した状態で、ランナ形状の最適設計を行うと共に効率、キャビテーション特性、圧力損失などの性能評価を行い、新設計機の性能評価データ（新設計機の性能評価表）１４を作成し、このデータをコンピュータ１２の記憶装置に格納する。
【００２４】
性能評価のフローチャートを図１により説明する。
ステップ１０１：水力機械の使用者から性能評価依頼を受ける。
ステップ１０２：既設のランナの形状を三次元測定装置により測定する。
ステップ１０３：測定結果の点群データを、表面形状を表す形状データに変換する。
ステップ１０４：得られた形状データを元に、数値流体解析により性能評価を行う。
ステップ１０５：制約部分の寸法を固定した状態で、ランナの形状の最適設計を行う。
ステップ１０６：得られた最適形状データを元に、再設計ランナー形状の性能評価を行う。
ステップ１０７：既設機、及び新設計機の性能比較表を作成する。
ステップ１０８：水力機械の使用者に性能比較表を提出する。
各プロセスでの実施内容を、以下に詳細に説明する。
【００２５】
既設のランナの形状を三次元測定装置により測定するステップ１０２では、実プラントから取り出した水力機械の回転翼部分の翼形状を３次元形状測定装置で測定する。３次元形状測定装置としては、接触探針式、非接触レーザー式、Ｘ線ＣＴ装置などを使用する。図３は接触プローブ式測定装置を使用する場合である。
【００２６】
形状測定にＸ線ＣＴ装置を使用する場合を図４に示す。
【００２７】
図４において、Ｘ線ＣＴ装置１５のターンテーブル１６上に置かれたランナ（被検体）１７にＸ線１８が照射される。データ処理装置１９によって形状データが作成され、記憶装置２０に格納される。Ｘ線ＣＴ装置による測定では測定可能な最大寸法に制限があるが、接触プローブ式測定装置では測定できない、内部測定が可能という特長がある。
【００２８】
測定結果の点群データを、表面形状を表す形状データに変換するステップ１０３では、図５に示すように測定により翼表面の点群データが得られ、これらの点群を結ぶ自由曲面をソフト処理により生成させ、３次元形状を完成させる。
【００２９】
得られた形状データを元に、数値流体解析により性能評価を行うステップ１０４では、得られた翼形状からなる翼間流路の流動状態を解析し、図６に示すよう翼間内での流速分布、圧力分布が任意の流量条件で求められる。図６中、３′はランナ４の翼である。これらの解析結果から翼の性能評価を実施する。評価する性能としては、エネルギー変換効率ηとキャビテーション特性及び流量ＱとヘッドＨの関係を表すＱ−Ｈカーブなどがある。
【００３０】
ランナの形状の最適設計を行うステップ１０５では、測定した翼形状に基づく性能評価から、より効率が高く、キャビテーションが発生しにくく、Ｑ−Ｈカーブの変化率が小さい翼形状を求めて行く。そのプロセスでは、制約部分の寸法を固定した状態で、翼形状を変化させながらこれらの性能を評価し、最終的に、これら複数の性能を最も満足させる形状を選定する。
【００３１】
得られた最適形状データを元に、再設計ランナー形状の性能評価を行うステップ１０６では、最終的に、複数の性能を最も満足させる翼形状での性能評価を実施する。この場合、流体解析のみでなく、最適化された翼形状に基づきモデルランナーを作成し、モデル性能試験によっても翼の性能評価できる。この場合の評価プロセスは後述する。
【００３２】
既設機、及び新設計機の性能比較表を作成するステップ１０７では、既設のランナの形状を元に評価した結果と最適設計により得られた新設計機の性能評価結果を比較してまとめる。設計性能比較表としては、エネルギー変換効率ηとキャビテーション特性及び流量ＱとヘッドＨの関係を表すＱ−Ｈカーブを、測定結果に基づく翼形状と新設計で得られた翼形状の両者に対して数値の比較表として整理する。また、図７に示すような形式のグラフで表示しても良い。
【００３３】
上記のプロセスにより既設ランナーを保有する顧客に対して既設機の性能評価結果及び既設機を改良した性能の高い新設計機の情報を、提供する。この場合、提供する情報に対しては、通常の機器メインテナンス費用及び新設計に対するコンサルテーション費用として対価を徴収する。
【００３４】
本発明の他の実施の形態を図８〜図１１により説明する。
【００３５】
図８は、新設計形状の翼を製作し、それを既存の翼と置き換えるプロセス（機械部品のリプレイス用部品提供方法）の一実施の形態である。図８のステップ１０１〜１０８までは図１と同じである。その後、提供した情報に基づき顧客から翼の交換を受注すると（ステップ１０８′）、実際に最適設計した形状でリプレイス用の新設計翼を製作し（ステップ１０９）、顧客に設計情報と製作した翼を納入し（ステップ１１０）、それを組み立て据え付ける（ステップ１１１）。つまり、
ステップ１０８′：顧客から翼の交換を受注する。
ステップ１０９：最適設計した形状でリプレイス用の新設計翼を製作する。
ステップ１１０：製作した翼を顧客に送付する。
ステップ１１１：送付した翼を組み立て据え付ける。
【００３６】
図９はリプレイス用情報の作成にモデルランナを用いる実施の形態である。
【００３７】
図９において、翼を再設計した後（ステップ１０５）、数値解析の替わりに新しい設計翼形状モデルをＲＰ（ラピッツドプロトタイピング）と呼ばれる三次元造形装置で製作し（ステップ２０６）、その後で性能試験を実施し（ステップ２０７）、既設機及び新設計機の性能比較表を作成し（ステップ２０８）、その情報を顧客に提供する（ステップ１０６）。つまり、
ステップ２０６：新設計によるモデルランナを三次元造形装置により作成する。
ステップ２０７：モデルランナを性能試験装置に組込み、性能試験を実施する。
ステップ２０８：既設機、及び新設計機の性能比較表を作成する。
ステップ２０９：水力機械の使用者に性能比較表を提出する。
【００３８】
図１０は、図９のプロセスで提供したリプレイス用情報に基づき部品の交換を受注した後のリプレイス用部品提供方法の一実施の形態である。図８に示したプロセスと同様、提供した情報に基づき顧客から翼の交換を受注すると（ステップ１０８′）、実際に最適設計した形状でリプレイス用の新設計翼を製作し（ステップ１０９）、顧客に設計情報と製作した翼を納入し（ステップ１１０）、それを組み立て据え付ける（ステップ１１１）。
【００３９】
本実施の形態のように三次元造形装置によりモデルを作成し、性能試験を実施すれば、さらに正確な性能評価が可能となる。
【００４０】
図９及び図１０のプロセスにおいて、数値解析の替わりに新しい設計翼形状モデルをＲＰ（ラピッツドプロトタイピング）で製作する方法を図１１に示す。本実施の形態では、新設計されたランナ翼のモデル、つまりモデルランナ２１を三次元造形装置２２により作成する。作成されたモデルランナ２１は模型試験装置２３に組み込まれ、データ処理装置２４により試験データが作成され記憶装置２５に格納される。並行して性能評価表２６が作成される。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、既設の機械の一部部品、あるいは全体を新設計品にリプレースした場合の性能改善の程度を示す情報を提供できる。
【００４２】
また、本発明によれば、その情報に基づいて新設計品を受注製作し、製作した部品を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施の形態に係わる機械部品のリプレイス用情報の提供方法を示すフローチャートである。
【図２】  本発明の一実施の形態において適用される水車の横断面図である。
【図３】  本発明の一実施の形態における計測情報の処理方法（接触式プローブ計測器使用）を示す概略図である。
【図４】  本発明の一実施の形態における他の計測情報の処理方法（Ｘ線ＣＴ装置使用）を示す概略図である。
【図５】  本発明の一実施の形態における計測情報による形状作成方法の説明図である。
【図６】  本発明の一実施の形態における性能評価方法の説明図である。
【図７】  本発明の一実施の形態における性能評価結果の表示方法の一例を示す図である。
【図８】  本発明の他の実施の形態に係わる機械部品のリプレイス用部品の提供方法を示すフローチャートである。
【図９】  本発明の他の実施の形態に係わる機械部品のリプレイス用情報の提供方法を示すフローチャートである。
【図１０】  本発明の他の実施の形態に係わる機械部品のリプレイス用部品の提供方法を示すフローチャートである。
【図１１】  図９及び図１０のプロセスにおいて、設計翼形状モデルをＲＰ（ラピッツドプロトタイピング）で製作する方法を示す図である。
【符号の説明】
１：水車システム
２：渦巻き状ケーシング
３：ガイドベーン
４：ランナ
５：ドラフトチューブ
６：発電機
７：クレーン
８：三次元計測装置
９：測定プローブ
１０：データ処理装置
１１：記憶装置
１２：コンピュータ
１３：既設機の性能評価表
１４：新設計機の性能評価表
１５：Ｘ線ＣＴ装置
１６：ターンテーブル
１７：被検体
１８：Ｘ線
１９：データ処理装置
２０：記憶装置
２１：モデルランナ
２２：三次元造形装置
２３：模型試験装置
２４：データ処理装置
２５：記憶装置
２６：性能評価表
【図１】
0003859453.tif 000002
【図２】
0003859453.tif 000003
【図３】
0003859453.tif 000004
【図４】
0003859453.tif 000005
【図５】
0003859453.tif 000006
【図６】
0003859453.tif 000007
【図７】
0003859453.tif 000008
【図８】
0003859453.tif 000009
【図９】
0003859453.tif 000010
【図１０】
0003859453.tif 000011
【図１１】
0003859453.tif 000012