硬度の画像解析

硬度画像解析

硬度試験は、構成要素特性解析の基本的特色です。この決定的な要因は、重要な材料試験ツールとして、数多くの方式と技術によって達成および測定できます。Rockwell 試験のような、いくつかの硬度試験タイプでは、圧痕奥行きを基礎として迅速で単一の処理結果が得られます。しかし、Vickers、Knoop、Brinell のような、一般に使用されている試験タイプの多くでは圧痕のサイズを決定するのに二次処理が必要です。これらの二次処理には、時間がかかります。また、非効率的で、主観的なエラーを起こしがちです。処理の一貫性を保ちながら生産性を向上させる方法の 1 つは、画像解析を利用した自動圧痕および痕跡示度を使用します。ハードウェア、電子工学、画像アルゴリズム、ソフトウェア機能は過去数年間において劇的に向上しています。このため、かつてよりはるかに迅速に結果を出す、極度に正確で信頼性の高い試験処理への道が開かれています。これらの技術は、今まで達成されたことのないレベルにまで、効率性、速度、正確さを向上させており、大きな希望を示しています。

自動硬度試験

最も一般的な硬度試験を 2 つ挙げると、Knoop と Vickers です。これらは指定の力のアプリケーションから残されたダイヤモンド形の痕後のサイズ測定に基づいて、材料硬度を決定するマイクロ試験とマクロ試験に使用されています。試験の性質から、比較的軽い力が要求されます。その結果、極度に小さい痕隻になり、これはマイクロレベルで測定する必要があります。従来の技術は現在でもいまだに広く採用されています。これには硬度計に必須のさまざまな目標のあるマイクロスコープが含まれます。これら硬度計は人間の解釈に基づいた接眼レンズによって手動で測定します。予想されるように、これには時間がかかり、非効率的で、現在の高速できわめて厳しい環境においては、ますます受け入れ難くなるでしょう。技術員が、た多数の圧痕を 1 日の間に視覚によって製造および測定するのはまともではありません。圧痕の量が増大するにつれ、疲労のために測定処理が損なわれると考えられます。それぞれ 16 以上の圧痕で構成されることの多い硬度トラバースの完全分析を生成するニーズをこれに追加してください。通常、1 つのサンプルに数回です。高度な自動テクニックのニーズが明瞭になります。

過去数年間に渡り、そして将来的にはさらに増加するでしょうが、これらの手動処理は、処理の各局面において、自動化への道を迅速に開き続けてきていますし、またこれからも開き続けるでしょう。新規テクニックは材料調製、ステージ移動、結果解釈と分析、および報告においてさえ開発途上にあります。世界中の多数の研究所で実現中のこのような技術の 1 つは、Knoop、Vickers、Brinell 圧痕の自動ステージトラバースと画像分析です。

自動ヌープまたはビッカーズ試験システムは一般的に自動回転タレットと、圧痕と試料に自動的に焦点を合わせる方法をどちらも適用するためのZ軸の作動を含む、完全制御可能な試験機からなります。この試験機に専用のソフトウェアを搭載した一般的な性能のPCと、自動XY移動電動ステージと、USBビデオカメラを組み合わせると、完全に自動化された硬さ試験システムになり、最初に試料と保存されているプログラムを設定すると、圧痕のトラバース量の制限がほとんどなく後は自動的に作成、測定、報告が行われます。

最新の技術によって、過去において操作上の難題を引き起こし、ワークスペースを混乱状態に陥らせていたハードウェアの多くが不要になります。たとえば、ステージは仮想ジョイスティックによって移動されます。システムによっては、ステージコントローラーはステージハウジングに統合されます。ステージ移動アルゴリズムと機械設計の進歩によって、XY の正確さと再現性がこれまでになく良好になりました。これはケース奥行き分析のような精度トラバース要件における頂点です。

画像分析

画像分析は新しいものではありません。しかし、この技術は進歩し続け、著しく向上している処理です。たとえば、カメラ技術はフレーム取り込み装置から IEEE ファイヤワイヤーへ、USB へと発展しています。ハードウェアの追加を不要にしつつ、同時にカメラ解像度と視野の可能性を増大させています。現在および開発中のカメラの機能は、今日のPCの処理能力と向上し続けるソフトウェアパッケージと相まって、自動圧痕読取りの正確性、反復性、信頼性を大幅に改善しています。どのデジタルカメラにもピクセル配列があります。各ピクセルはオンまたはオフのどちらかになります。白黒画像がピクセル配列に投影された場合、暗い領域のピクセルはオフになり、明るい領域のピクセルはオンになります。オフの数を数えることで、画像上の暗いスポットのサイズが決定でき、続いて画像領域が決定できます。圧痕のサイズは、圧子と組み合わせて使用され、力に適用され硬度値を決定します。

自動トラバース

生産性をさらに向上させている要因は、2 個、4 個、さらには 6 個のサンプルを 1 つのフィクスチャーの作成タイプで保持できる大規模 XY ステージが利用できることです。プログラム済みトラバースおよび保存済みトラバースが開かれ、サンプルはホルダーに整列されます。1 回のクリックで、各サンプルでの多数のトラバースの圧痕、示度、および報告が開始されます。自動焦点合わせにより、Z位置の偏りのため圧痕の鮮明さの問題を軽減します。さらに、最新ソフトウェアでは、トラバースの内部およびトラバースの間で、さまざまなスケール、力、および顕微鏡対物レンズが使用できます。

また、自動化試験は Rockwell 硬度試験においてますます有益なものになっています。特に、Jominy 試験のような繰り返しパターン要求においては有益です。Jominy 試験では、マウスを 1 回クリックするだけで、あとは無人で多数のバーが十分に試験および報告してくれます。

その他のアプリケーション

ヌープ試験やビッカース試験と同じように、ブリネル試験は本来、骨の折れる、手動で行う試験であり、従来の方法では、人が絶えず介入して進める必要があります。これまでのブリネル試験は、決められた直径を持つ炭化タングステン球を使って、制御しながら試験力を一度加えるもので、試料の硬さを得るには、生じたくぼみ(mm単位の直径)を光学的に測らなければなりません。測定には、倍率の低い、携帯型の顕微鏡がよく使われますが、主観が入りやすく、かつ手がかかります。ヌープ試験およびビッカース試験と同様に、測定を繰り返し行ったため生じる疲労から間違いが頻繁に起こり、作業そのものが、効率の悪い、時間が無駄にかかるものになりえます。全数検査を必要とする工程は数多くあり、すぐに試験結果がわかることが生産性を左右するため、試験作業の速度を上げ、かつ手動での試験による間違いを減らす方法が求められている点に不思議はありません。試験の所要時間、試料の形状、荷重をかける方法と離す方法、材料の特性、米国材料試験協会(ASTM)規格基準と適合性、そしてもちろん予算内に納まるかといった、さまざまな要因により、最も適した方法が決まります。

押し込み力の負荷のみを行う、従来からある床置き型またはベンチ型ブリネル試験機を用いる場合、携帯型の機器による手作業の代わりとして、携帯型なデジタルカメラを用いて、画像解析技術で自動的にくぼみの直径を正確かつ効率よく測定する方法があります。この方法により、ブリネル試験のくぼみ測定が、カメラで、比較的容易にできるようになりました。手作業が必要な携帯型の画像システムでは生産性の条件を満たせない場合、全自動の光学式ブリネル試験システムを使えば、ASTME-10規格を満足する光学試験が、完全自動で実施できます。

すべての機能を備えた光学式自動ブリネル試験システムなら、ASTME10規格に従い、ブリネル試験を最初から最後まで、素早く正確に実行できます。これには、押し込み試験力の負荷から、自動焦点合わせ、くぼみ判別、くぼみサイズと硬度測定の記録まで行う画像解析システムまで含まれます。多様な条件に対応する使いやすいソフトウェアも付属しており、作業者には、試験の実行から分析の完全実施、レポート作成において、広範囲にわたる、多様な機能が提供されます。作業者がしなければならないのは、試験機に試料を置き、スタートボタンを押すことだけです。自動で試験力が加えられ、測定対象および顕微鏡を正しい位置に回転させるリボルバー型またはタレット型のシステムも自動で回転します。自動焦点合わせと画像プロセスが続いて起動し、試験結果はたった20秒間のうちに戻ってきます。

かつてあった、表面仕上げや照明、前較正、画素サイズ設定に関する条件は、ゆるくなって、日々改善されています。その結果、性能が向上し、より信頼して「機械に仕事をまかせられる」ようになったため、作業量や一貫性が大幅に改善し、その一方作業者は他の仕事にかかれるようになりました。機能をすべて備えているシステムを使えば、手がかかり主観がまじる、間違いが起こりやすい作業は事実上なくなり、作業は非常に正確で生産性の高いものとなります。