JP2021167734A - 計測装置、計測システム、計測方法及びプログラム - Google Patents
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Abstract
Description
また、硬度計先端を翼溝の計測したい点に対し、正確に位置決めして、限られた検査時間の中で、硬度分布データを取得することは人手では困難である。
(システム構成)
以下、本開示の一実施形態による計測システムについて図1〜図13を参照して説明する。
図1に計測システム100の一例を示す。計測システム100は、蒸気タービンのロータ2における翼溝40の硬度を計測するシステムである。計測システム100は、計測装置の本体である計測装置110と、計測装置110を制御する制御装置120とを備える。
図1に計測装置110の平面図を示す。計測装置110は、例えば、枠部材106a〜106dで4辺が構成され、中心部が開口した矩形をなしている。4辺のうちの直交する2辺には、それぞれの辺方向に移動可能なスライダが設けられたアクチュエータ101と、アクチュエータ102が設けられている。例えば、アクチュエータ101は、Y軸方向の1辺をなす枠部材106aに並行に設けられ、アクチュエータ102は、X軸方向の1辺をなす枠部材106bに固定して設けられる。アクチュエータ101は、アクチュエータ102のスライダに固定され、このスライダが移動することにより、X軸方向に移動可能である。アクチュエータ101のスライダには、硬度計測に用いるセンサ類を備えるヘッダ108が固定され、ヘッダ108には、カメラ103と、硬度計104と、レーザ距離計105が設けられている。カメラ103および硬度計104は、アクチュエータ101のスライダに固定されたヘッダ108が移動することにより、Y軸方向に移動することができる。即ち、アクチュエータ101,102のスライダを駆動することにより、カメラ103と硬度計104は、図示する領域αの範囲を自在に移動することができる。カメラ103、硬度計104およびレーザ距離計105は、紙面奥行き方向に向けて設置されている。カメラ103は、翼溝40の画像を撮影する。硬度計104は、翼溝40の硬度を計測する。硬度計104は、超音波式又は画像計測式の硬度計である。硬度計104はアクチュエータ104a(例えば、エアシリンダ)を備え、アクチュエータ104aを駆動することにより、硬度計104の先端部を翼溝40へ押し当てるように構成されている。レーザ距離計105は、ディスク20との距離を計測する。例えば、ヘッダ108を領域αの各頂点に移動させ、各頂点でレーザ距離計105からディスク20までの距離を計測する。これにより、ヘッダ108の移動により形成される平面(XYステージ)と、計測装置110が取り付けられたディスク20との傾きを算出することができる。枠部材106aには、計測装置110をディスク20へ取り付けるための固定部材107a、107bが設けられている。同様に枠部材106cには、固定部材107c、107dが設けられている。固定部材107a〜107dには、例えば、永久磁石や電磁石等が設けられ、これらの磁石によって計測装置110をロータ2へ吸着させ、固定する。また、固定部材107a〜107dには、計測装置110の吸着先(ロータ2等)と計測装置110との距離を調整できるような高さ調整機構が設けられている。
図2Aに示すように計測装置110は、2段目以降の翼列3と翼列3の狭隘部であっても挿入することができ、硬度計測対象の翼列3bに固定部材107a〜107dによって固定させることができる。また、図2Bに示すように計測対象の翼溝40Aが領域αに含まれるように計測装置110を取り付けることで翼溝40Aの所望の位置に硬度計104を位置決めして、硬度計測を行うことができる。
制御装置120は、処理制御部121と、移動制御部122と、センサ制御部123と、データ取得部124と、記憶部125と、表示制御部126と、画像処理部127と、受付部128と、を備える。
処理制御部121は、硬度計測処理を制御する。例えば、処理制御部121は、硬度計測処理を手順どおりに実行したり、カメラ103が撮影した画像に設けられた座標系、後述するCADデータの座標系、XYステージ(カメラ103や硬度計104が動く平面)について設けられた座標系、の間で座標変換等を行う。(なお、XYステージについて設けられた座標系とは、例えば、後述する図4のステージ原点を原点とし、図示するステージX軸、ステージY軸方向をそれぞれX軸、Y軸とする座標系である。)
移動制御部122は、アクチュエータ101とアクチュエータ102を制御し、ヘッダ108を所望の位置へ移動させる。
センサ制御部123は、カメラ103、硬度計104、レーザ距離計105の動作を制御する。例えば、センサ制御部123は、カメラ103へ撮影の指示を行う。センサ制御部123は、硬度計104に設けられたアクチュエータ104aを駆動する等して、硬度計104による計測を行う。
データ取得部124は、カメラ103が撮影した画像や、硬度計104が計測した硬度の計測結果などを取得する。
記憶部125は、データ取得部124が取得した各種データや、CADデータを記憶する。CADデータは、ロータ2の設計データ(ロータ2の形状の座標データ)および硬度を計測する計測点の座標データを含む。
表示制御部126は、計測作業を行う作業員に提示する各種画像を作成し、表示装置130にその画像を表示する。
画像処理部127は、カメラ103が撮影した画像に計測目標点を重畳させた重畳画像を生成したり、作業員の変更指示に基づいて計測目標点を補正(重畳表示した計測目標点の位置を移動させる。)したりする。
受付部128は、作業員の制御装置120に対する操作を受け付け、その操作に対応する所定の制御信号を処理制御部121等へ出力する。
次に図3〜図10を用いて、計測システム100を用いた硬度計測処理について説明する。
図3は、本開示の一実施形態における硬度計測処理の一例を示すフローチャートである。
まず試験用平板に対する平行調整を行う(ステップS1)。
図4上図にヘッダ108の移動方向を、図4下図にXYステージ200と、計測装置110の取り付け先(試験用平板210)の関係を示す。まず、作業員が、計測装置110を試験用平板210へ取り付ける。次に、作業員の制御装置120への操作により、処理制御部121が以下の処理を実行する。まず、センサ制御部123が、レーザ距離計105をオンにする。また、移動制御部122が、図4上図に示すようにヘッダ108を、P1、P2、P3、P4の順に移動させる。P1、P2、P3、P4にて、レーザ距離計105は、レーザ距離計105から試験用平板210までの距離を計測する。データ取得部124は、P1〜P4で計測された距離を取得し、処理制御部121へ出力する。処理制御部121は、P1とP2、P2とP3、P3とP4、P4とP1のそれぞれの位置におけるレーザ距離計の出力差に基づいてXYステージ200の試験用平板210に対する傾き角度θ1〜θ4を計算する。例えば、傾き角度θ1はP1とP2における出力差に基づく角度、傾き角度θ2はP2とP3における出力差に基づく角度、傾き角度θ3はP3とP4における出力差に基づく角度、傾き角度θ4はP4とP1における出力差に基づく角度である。処理制御部121は、計算した傾き角度θ1〜θ4を表示制御部126へ出力する。表示制御部126は、傾き角度θ1〜θ4を表示装置130に表示する。作業員は、傾き角度θ1〜θ4が何れも許容される傾斜角以内となるように固定部材107a〜107dの調整機構を調節して取り付け高さを調整する。
まず、図5に示すように、作業員が、試験用平板210にガラススケール220をカメラ103の視野内に設置する。ガラススケール220は、透明で例えば1mm単位で目盛りが刻まれている。次に作業員の制御装置120への操作により、処理制御部121が以下の処理を実行する。センサ制御部123が、カメラ103に撮影させる。データ取得部124は、カメラ103が撮影した画像を取得し、処理制御部121へ出力する。処理制御部121は、カメラ103が撮影した画像を構成する画素と、ガラススケールの目盛りの関係を計算する。例えば、処理制御部121は、1mmあたりN画素、つまり、1画素は1/Nmmの大きさに相当することを計算する。
作業員が制御装置120へ硬度計104とカメラ103の位置関係の計算を指示する所定の操作を行う。受付部128はこの操作を受け付け、処理制御部121が以下の処理を実行する。センサ制御部123が硬度計104を動作させて試し打ちする。試し打ちにより、硬度計104の先端が試験用平板210に押し当てられ、試験用平板210の表面には圧痕ができる。移動制御部122は、試し打ちを行ったときのカメラ103のXYステージ200におけるX座標とY座標の情報を記憶部125に記憶させる。次に移動制御部122がカメラ103を圧痕ができた位置に移動させ、センサ制御部123がカメラ103に撮影させる。画像処理部127は、カメラ103の撮影する画像の中心に圧痕が写っているかどうかを判定する。画像の中心に圧痕が写るまで、処理制御部121は、移動制御部122とセンサ制御部123に、カメラ103の移動と圧痕の撮影を繰り返し実行させる。画像の中心に圧痕が写ると、移動制御部122は、このときのカメラ103のXYステージにおける座標情報を記憶部125に記憶させる。処理制御部121は、XYステージの移動量から、硬度計104の位置とカメラ103の中心位置のズレ量(ΔX,ΔY)を求める。具体的には、処理制御部121は、画像の中心に圧痕が写ったときの座標情報と、試し打ちを行った時の座標情報の差(ΔX、ΔY)を計算する。
作業員は、計測装置110をロータ2へ取り付ける。作業員は、固定部材107a〜107dの磁石とロータ2の吸着面との間にギャップやガタツキのないことを目視確認する。作業員は、計測装置110をロータ2へ取り付けると、ステップS1と同様の手順で傾き角度θ1〜θ4が所定の角度以内となることを確認する。
カメラ103とロータ2の距離が近くカメラの倍率が高い為、一度に翼溝40全体を映した画像を撮影することができない。その為、局所画像を複数撮影し、局所画像を合成して全体画像を得る。
作業員が制御装置120へ翼溝40の全体画像の取得を指示する所定の操作を行う。受付部128はこの操作を受け付け、処理制御部121が以下の処理を実行する。移動制御部122はカメラ103を所定の位置に移動させ、センサ制御部123がカメラ103に翼溝40の局所画像を撮影させる。局所画像の一例を図6(a)、図6(b)に示す。データ取得部124は、局所画像を取得する。局所画像の撮影位置は、複数の局所画像を合成すると翼溝40全体の画像となるように予め定められている。例えば、撮影位置は、XYステージの座標データとして与えられ、移動制御部122は、座標データが示す位置にカメラ103を移動させてセンサ制御部123に撮影を行わせる。局所画像が撮影できると、画像処理部127は、局所画像を合成して、全体画像を生成する。例えば、画像処理部127は、XYステージにおける撮影位置の座標データと、ステップS2で計算した1画素当たりの長さに基づいて、局所画像を適切に組み合わせ、全体画像を生成する。全体画像の一例を図6(c)に示す。表示制御部126は、全体画像を表示装置130へ表示する。
作業員は表示装置130に表示された全体画像を見て、以下の作業により、翼溝座標系の生成を行う。図7を参照しながらステップS6の手順を説明する。図7の(1)〜(4)は、以下の(1)〜(4)に対応している。
(1)作業員は、全体画像に対し、翼溝接線61を手動で引く。受付部128は、この操作を受け付け、画像処理部127は、全体画像上に翼溝接線61を表示した画像を生成する。
(2)作業員は、翼溝接線61と、翼溝40との接点62を手動で設定する。受付部128は、この操作を受け付け、画像処理部127は、(1)で生成した画像上に接点62を表示した画像を生成する。
(3)作業員は、接点62を結ぶ線分の中点63を設定する。受付部128は、この操作を受け付け、画像処理部127は、(2)で生成した画像上に中点63を表示した画像を生成する。
(4)作業員は、中点63をつなぐ近似直線(Y軸64)を引く。受付部128は、この操作を受け付け、画像処理部127は、(3)で生成した画像上にY軸64を表示した画像を生成する。
(5)作業員は、Y軸64と翼溝40の頂部との交点を原点Oとし手動で設定する。受付部128は、この操作を受け付け、画像処理部127は、(4)で生成した画像上に、設定された原点Oを通り、Y軸64に直交するX軸65を表示した画像を生成する。
なお、前記のような処理が困難な場合は、翼溝の形状(プロファイル)をテンプレートとして、テンプレート画像の全体画像上に重畳表示して、翼溝画像座標とCAD座標(翼溝座標)とのキャリブレーションを実施してもよい。
(2)〜(3)であれば、画像処理部127は、接点62を検出して、紙面高さ方向(後に設定するY軸方向)の座標位置が近い接点62同士を結んで中点63を設定する。(4)〜(5)であれば、画像処理部127は、中点63を結んでY軸64を設定し、頂部周辺のスペース(黒色)等に基づいて翼溝40の頂部を検出し、X軸65を設定する。
ステップS6によって作成した画像上の座標系を翼溝座標系と呼ぶ。
画像処理部127は、翼溝座標系の傾き(垂直方向又は水平方向に対する傾き)が0°となるように全体画像の傾きを調節する。
画像処理部127は、記憶部125からCADデータを読み出して、全体画像に重畳させる。CADデータには、硬度計測対象の翼溝40の形状を示す設計データと翼溝40における計測点の座標データとが含まれている。画像処理部127は、CADデータにおけるステップS6で定めた原点に対応する位置を特定し、CADデータ空間上に、特定した位置を原点とするXY座標軸を翼溝座標系と同様に設定する。そして、画像処理部127は、CADデータに含まれる複数の計測点の位置を、翼溝座標系における座標データに変換し、全体画像上の対応する座標位置に計測目標点を示す印を表示した画像を生成する。CADデータの一例を図8に示す。符号71を一部に付した丸印が、予め定められた計測目標点である。全体画像上に計測目標点を示す印を重畳表示した重畳画像の例を図9に示す。符号81を一部に付した丸印が、重畳表示された計測目標点を示す印である。表示制御部126は、計測目標点を示す印を表示した重畳画像を表示装置130に表示する。
作業員は、図9に例示する重畳画像を確認する。作業員は、CADデータに示された計測点の通りに印が正しい位置に表示されているかを目視により確認する。例えば、作業員は、計測目標点の全体的な左右、上下の偏りや傾きが許容範囲内に収まっているかどうかを確認する。また、作業員は、計測目標点が翼溝40の縁、面取り部に掛かっていないかどうかを確認する。図9に例示する重畳画像では、計測目標点を示す印が面取り部に重なって表示されている(領域82)。面取り部に硬度計104による圧痕を残すことは好ましくない為、作業員は、領域82内に表示された印を1つずつマウス等で選択し、例えば、矢印83に示す方向へ移動させる移動指示を行う。受付部128は、この操作を受け付け、画像処理部127は、作業員が移動させた位置へ計測目標点を示す印を移動させて表示する。画像処理部127は、移動後の計測目標点を示す印の翼溝座標系における座標位置を計算する。作業員は、修正対象の計測目標点が見つからなくなるまで、計測目標点を示す印の移動を行う。
硬度計測の実行順は予め定められている。作業員は、1番目の計測目標点にカメラ103を移動させる操作を行う。移動制御部122は、アクチュエータ101,102を制御してカメラ103を1番目の計測目標点に移動させる。センサ制御部123は、カメラ103に撮影させる。画像処理部127は、カメラ103が撮影した画像に計測目標点を示す印を重畳表示させる。表示制御部126は、計測目標点を示す印を重畳表示された画像を表示装置130に表示する。作業員は、カメラの中心と計測目標点を示す印が揃っているかどうかを確認する。カメラ103の中心と計測目標点を示す印が揃っていない場合、作業員は、所定の操作を行ってカメラ103を移動させ、カメラ103の位置を調整する。あるいは、作業員は、計測目標点を示す印の位置をステップS9と同様の手順により修正してもよい。計測目標点を示す印が所望の位置にあり、カメラ103の中心と計測目標点を示す印が揃うと、作業員は、硬度計測の実行を制御装置120に指示する。処理制御部121は、1番目の計測目標点の翼溝座標系における座標位置を1番目の計測点の識別情報と対応付けて記憶部125に記録する。また、処理制御部121は、このときのヘッダ108のXYステージにおける座標位置と、翼溝座標系における計測点の座標位置との差を計算する。この差は、XYステージの座標系と翼溝座標系の相対的な位置関係を示す。また、処理制御部121は、ステップS3で計算したズレ量の分だけヘッダ108を移動するように移動制御部122に指示する。移動制御部122は、ステップS3で計算したズレ量の分だけヘッダ108を移動させて硬度計104の先端位置を計測目標点に合わせる。センサ制御部123は、アクチュエータ104aを動作させて硬度計104を押し付けて計測する。データ取得部124は、硬度計104が計測した硬度データを1番目の計測点の識別情報と対応付けて記憶部125に記録する。次に移動制御部122は、カメラ103の中心が硬度計104の先端部を打ち付けた位置となるように、ステップS3で計算したズレ量の分だけヘッダ108を移動させる。ヘッダ108が移動すると、センサ制御部123は、硬度計104を打ち付けたことによってできた圧痕を、カメラ103に撮影させる。データ取得部124は、カメラ103が撮影した圧痕画像を1番目の計測点の識別情報と対応付けて記憶部125に記録する。1番目の計測点に対する計測が完了すると、記憶部125には、1番目の計測点の翼溝座標系における座標位置と、硬度データの計測値と、圧痕画像とが保存される。圧痕画像は、正しい位置で硬度計測を行ったエビデンスとして取得される。また、圧痕画像を取得すると、後に圧痕画像を分析することにより、目標としていた計測点から乖離しない位置で硬度計測ができたかどうかを検証することができる。
コンピュータ900は、CPU901、主記憶装置902、補助記憶装置903、入出力インタフェース904、通信インタフェース905を備える。
上述の制御装置120は、コンピュータ900に実装される。そして、上述した各機能は、プログラムの形式で補助記憶装置903に記憶されている。CPU901は、プログラムを補助記憶装置903から読み出して主記憶装置902に展開し、当該プログラムに従って上記処理を実行する。また、CPU901は、プログラムに従って、記憶領域を主記憶装置902に確保する。また、CPU901は、プログラムに従って、処理中のデータを記憶する記憶領域を補助記憶装置903に確保する。
例えば、上記の実施形態では、計測システム100を用いて、蒸気タービン1のロータ2における翼溝40の硬度を計測することとしたが、他の機械や設備の硬度の計測に用いることができる。
各実施形態に記載の計測装置110、計測システム100、計測方法、プログラムは、例えば以下のように把握される。
これにより、計測前に全体的な計測点の位置確認を行うことができる。
これにより、自動的に計測点へ硬度計を移動させることができる。
これにより、これから計測を行う計測点に対する最終的な確認を行うことができる。
これにより、これから計測点の修正を行うことができる。
これにより、これから計測点における硬度計による計測結果とともに、計測を行った証拠として計測後の圧痕が写った画像を取得することができる。
2・・・ロータ
3、3a、3b、3c、3d・・・翼列
10・・・ロータ本体
20・・・ディスク
30・・・動翼
31・・・翼根
40・・・翼溝
100・・・計測システム
110・・・計測装置
101・・・アクチュエータ
102・・・アクチュエータ
103・・・カメラ
104・・・硬度計
104a・・・アクチュエータ(エアシリンダ)
105・・・レーザ距離計
106a、106b、106c、106d・・・枠部材
107a、107b、107c、107d・・・固定部材
108・・・ヘッダ
120・・・制御装置
121・・・処理制御部
122・・・移動制御部
123・・・センサ制御部
124・・・データ取得部
125・・・記憶部
126・・・表示制御部
127・・・画像処理部
128・・・受付部
900・・・コンピュータ
901・・・CPU
902・・・主記憶装置
903・・・補助記憶装置
904・・・入出力インタフェース
905・・・通信インタフェース
Claims (11)
- 硬度を計測する硬度計と、
前記硬度計を計測対象に押し付けるアクチュエータと、
前記計測対象における計測範囲の画像を撮影するカメラと、
前記硬度計および前記カメラを前記計測範囲内の所望の位置に移動する移動機構と、
前記移動機構を前記計測対象に固定する固定部材と、
を備える計測装置。 - 請求項1に記載の計測装置と、
前記計測装置の制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記移動機構を制御する移動制御部と、
前記カメラによって撮影された前記計測範囲の画像に、目標とする計測点の位置を重畳して示した重畳画像を生成する画像処理部と、
前記重畳画像を出力する表示制御部と、
を備える計測システム。 - 前記重畳画像に設定された第1の座標系における前記計測点の位置を示す第1の座標情報を、前記移動機構が移動する範囲について設定された第2の座標系における第2の座標情報に変換するキャリブレーション部、をさらに備え、
前記移動制御部は、前記第2の座標情報が示す位置へ前記硬度計を移動させる、
請求項2に記載の計測システム。 - 前記カメラが撮影した画像と前記硬度計の計測結果を取得するデータ取得部、をさらに備え、
前記カメラは、前記第2の座標情報が示す位置で前記硬度計を前記計測対象に押し付けたことによって生じた圧痕を撮影した画像を撮影し、
前記データ取得部は、前記硬度計による計測結果と、前記圧痕を撮影した画像とを取得する、
請求項3に記載の計測システム。 - 前記移動制御部は、前記第2の座標情報が示す位置へ前記カメラを移動し、
前記画像処理部は、前記第2の座標情報が示す位置で前記カメラが撮影した画像に前記計測点の位置を重畳して示した重畳画像を生成し、
前記表示制御部は、前記重畳画像を出力する、
請求項3または請求項4に記載の計測システム。 - 前記重畳画像に重畳して表示された前記計測点の移動指示を受け付ける受付部、
をさらに備え、
前記画像処理部は、前記受付部が受け付けた前記移動指示に基づいて、前記計測点の位置を変更した前記重畳画像を生成する、
請求項2から請求項5の何れか1項に記載の計測システム。 - 前記計測対象は、蒸気タービンのロータの翼溝である、
請求項2から請求項6の何れか1項に記載の計測システム。 - 前記計測装置は、蒸気タービンのロータに翼が取り付けられた状態で、任意の前記翼に対して前記固定部材によって固定することが可能である、
請求項2から請求項7の何れか1項に記載の計測システム。 - 請求項1に記載の計測装置による計測方法であって、
前記カメラによって撮影された前記計測範囲の画像に目標とする計測点の位置を重畳して示した重畳画像を生成するステップと、
前記重畳画像を表示するステップと、
前記重畳画像に設定された第1の座標系における前記計測点の位置を示す第1の座標情報を、前記移動機構が移動する範囲について設定された第2の座標系における第2の座標情報に変換するステップと、
前記重畳画像に対する確認結果を取得するステップと、
前記確認結果に前記計測点の移動が含まれていない場合、前記第2の座標情報が示す位置へ前記硬度計を移動させるステップと、
前記硬度計による計測を行うステップと、
を有する計測方法。 - 前記確認結果に前記計測点の移動が含まれている場合、前記重畳画像における前記計測点の位置を変更するステップと、
変更後の前記重畳画像を表示するステップと、
をさらに有する請求項9に記載の計測方法。 - 請求項1に記載の計測装置を制御するコンピュータに、
前記カメラによって撮影された前記計測範囲の画像に目標とする計測点の位置を重畳して示した重畳画像を生成するステップと、
前記重畳画像を表示するステップと、
前記重畳画像に設定された第1の座標系における前記計測点の位置を示す第1の座標情報を、前記移動機構が移動する範囲について設定された第2の座標系における第2の座標情報に変換するステップと、
前記重畳画像に対する確認結果を取得するステップと、
前記確認結果に前記計測点の移動が含まれていない場合、前記第2の座標情報が示す位置へ前記硬度計を移動させるステップと、
前記硬度計による計測を行うステップと、
を実行させるプログラム。
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