JP7438001B2 - 計測装置、計測システム、計測方法及びプログラム - Google Patents

計測装置、計測システム、計測方法及びプログラム Download PDF

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Description

本発明は、硬度の計測装置、計測システム、計測方法及びプログラムに関する。
蒸気タービンのロータ翼溝の硬度は、ロータの余寿命と関係性があることが知られている。図１１、図１２を用いて、ロータ翼溝の硬度を計測する方法について説明する。図１１、図１２に蒸気タービン１のロータ２の概略図を示す。図１１に示すようにロータ２には、複数の翼列３（例えば、１段目の翼列３ａ，２段目の翼列３ｂ，３段目の翼列３ｃ，４段目の翼列３ｄなど）が設けられている。図１２にロータ２を軸線方向から見たときの翼列３の一部の拡大図を示す。図１２に示すようにロータ２は、軸線Ｏに沿って延びる略円柱状のロータ本体１０と、このロータ本体１０の外周を囲むようにして設けられたディスク２０と、ディスク２０の外周面に沿って周方向に配列された複数の動翼３０と、を備えている。ロータ本体１０の外周面には、ディスク２０を介して複数の動翼３０がロータ２の周方向に沿って設けられている。複数の動翼３０は、図１１に示す１段分の翼列３をなす。図１２に示すように、ディスク２０の外周面には、その周方向に沿って間隔をあけて配列された複数の翼溝４０が形成されている。それぞれの翼溝４０は、ディスク２０の外周面から径方向内側に向かって凹没するように形成され、翼溝４０はディスク２０を軸線Ｏ方向に貫通している。翼溝４０には、鋸刃状に連続する複数の歯が形成され、全体としてクリスマスツリー形状を成している。動翼３０の翼根３１は、翼溝４０のクリスマスツリー形状に対応した形状を成している。即ち、翼溝４０の歯と、翼根３１とが互いに噛み合うことによって、動翼３０はディスク２０を介してロータ２上で固定され、ロータ２が回転しているときに動翼３０に対して遠心力が加わっても脱落せずに支持される。
ロータ２のクリープ余寿命評価では、１つの翼溝４０に対して複数の計測点を設定して硬度の計測を行う。計測の際には、翼列３をディスク２０から抜かずに翼溝４０の硬度を計測することが望まれている。例えば、ロータ２を車室（図示せず）から吊りだして架台に載せた後、図１１の矢印に示すように半径方向外側の翼列３と翼列３の間の隙間から、人が硬度計を挿入して、硬度計を翼溝４０の計測点に押しつけて検査を行うニーズがある。
関連する技術として特許文献１には、タービンの動翼全体の形状について定量的に検査する技術が開示されている。
特開２０１４－２０２５３４号公報
図１１に示す１段目の翼列３ａに係る翼溝４０については、人が硬度計を取り付ける作業空間が確保されている。しかし、２段目の翼列３ｂ～４段目の翼列３ｄに係る翼溝４０については、翼列３と翼列３の間隔が狭隘隙間となる。そのため、計測点への硬度計先端のセッティング、計測等を人手で行うことが困難となる。
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。
そこでこの発明は、上述の課題を解決することのできる計測装置、計測システム、計測方法及びプログラムを提供することを目的としている。
本開示の一態様によれば計測装置は、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、前記硬度計と前記計測対象との間の距離を計測する距離計と、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、前記距離計および前記カメラが固定されたヘッダを備え、前記ヘッダ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、前記固定部材によって前記移動機構を前記計測対象に固定したときの前記硬度計と前記計測対象との間の距離を調整する高さ調整機構と、を備える。
本開示の一態様によれば計測システムは、上記の計測装置と、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、前記距離計を前記移動機構によって移動させて２つの位置で計測した前記距離の差と前記２つの位置の間の距離とに基づいて、前記２つの位置を結ぶ方向における前記計測対象と前記距離計の移動の軌跡によって形成される線とがなす角度を算出する処理制御部と、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、前記処理制御部が算出した角度及び前記重畳画像を出力する表示制御部とを備える。
本開示の一態様によれば、計測方法は、上記の計測装置による計測方法であって、前記距離計を前記移動機構によって移動させて２つの位置で計測した前記距離の差と前記２つの位置の間の距離とに基づいて、前記２つの位置を結ぶ方向における前記計測対象と前記距離計の移動の軌跡によって形成される線とがなす角度を算出するステップと、前記角度を表示するステップと、前記角度に基づいて高さ調整機構を調節するステップと、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。
本開示の一態様によれば、プログラムは、上記の計測装置を制御するコンピュータに、前記距離計を前記移動機構によって移動させて２つの位置で計測した前記距離の差と前記２つの位置の間の距離とに基づいて、前記２つの位置を結ぶ方向における前記計測対象と前記距離計の移動の軌跡によって形成される線とがなす角度を算出するステップと、前記角度を表示するステップと、前記角度に基づいて高さ調整機構を調節するステップと、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。
本開示によれば、ロータに翼が装着された状態で、翼溝の硬度計測を行うことができる。
本開示の一実施形態における計測システムの一例を示すブロック図である。 本開示の計測システムをロータに取り付けた様子を示す第１の図である。 本開示の計測システムをロータに取り付けた様子を示す第２の図である。 本開示の一実施形態に係る硬度計測処理の一例を示すフローチャートである。 本開示の一実施形態に係る硬度計測処理のＳ１の説明に用いる図である。 本開示の一実施形態に係る硬度計測処理のＳ２の説明に用いる図である。 本開示の一実施形態に係る硬度計測処理のＳ５の説明に用いる図である。 本開示の一実施形態に係る硬度計測処理のＳ６の説明に用いる図である。 本開示の一実施形態に係るＣＡＤデータの一例を示す図である。 本開示の一実施形態に係る硬度計測処理のＳ８、Ｓ９の説明に用いる図である。 本開示の一実施形態に係る硬度計測処理後の翼溝画像の一例を示す図である。 蒸気タービンのロータの側断面の概略図である。 蒸気タービンのロータの正面の概略図である。 本開示の一実施形態における制御装置のハードウェア構成の一例を示す図である。
＜実施形態＞
（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。
（計測装置本体の機能構成）
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。
計測装置１１０をロータ２へ取り付けたときの様子を図２Ａ、図２Ｂに示す。
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。
（制御装置の機能構成）
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。
＜硬度計測処理＞
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。
次に試験用平板２１０上での長さと画素の感度を確認する（ステップＳ２）。
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。
次に硬度計１０４とカメラ１０３の中心のズレ量を取得する（ステップＳ３）。
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。
次に計測装置１１０をロータ２へ取り付ける（ステップＳ４）。
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。
次に翼溝４０の全体画像を取得する（ステップＳ５）。
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。
次に翼溝座標系を生成する（ステップＳ６）。
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。
なお、ステップＳ６の（１）～（５）の作業員による処理は、画像処理部１２７が自動的に行ってもよい。例えば、（１）であれば、画像処理部１２７は、全体画像から翼溝４０の輪郭を検出して、翼溝接線６１を引く。
（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。
次に翼溝４０の全体画像の角度補正を行う（ステップＳ７）。
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。
次に計測目標点の表示を行う（ステップＳ８）
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。
次に計測目標点の確認を行う（ステップＳ９）。
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。
全ての計測点が適切な位置に配置されることが確認できると、硬度計測を実行する（ステップＳ１０）。
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。
１番目の計測点の計測が終了すると、作業員は２番目の計測を行うよう制御装置１２０に指示する。処理制御部１２１は、２番目の計測目標点の翼溝座標系における座標位置と、先に計算したＸＹステージの座標系と翼溝座標系の相対的な位置関係に基づいて、ヘッダ１０８（カメラ１０３の中心）を２番目の計測目標点まで移動させるよう移動制御部１２２に指示する。移動制御部１２２は、この指示に従って２番目の計測目標点とカメラ１０３の中心が揃う位置にカメラ１０３を移動させる。以降は、１番目の計測点と同様の手順で２番目の計測点における硬度を計測する。つまり、作業員は、２番目の計測目標点を撮影した画像を確認し、問題なければ計測を指示する。すると、移動制御部１２２が、硬度計１０４をカメラ１０３の位置に移動させ、センサ制御部１２３は硬度計１０４を用いて２番目の計測点における硬度を計測する。移動制御部１２２は、再びカメラ１０３を２番目の計測目標点の位置に移動し、センサ制御部１２３はカメラ１０３に圧痕画像を撮影させる。データ取得部１２４は、硬度の計測結果と圧痕画像を取得し、記憶部１２５に記録する。記憶部１２５には、２番目の計測点の座標位置、計測した硬度データ、圧痕画像が記録される。３番目以降の計測点についても同様である。処理制御部１２１は、最後の計測点における硬度計測が完了するまで、移動制御部１２２とセンサ制御部１２３に指示を行い、各計測点への移動、硬度の計測、圧痕画像の撮影を順次実行させる。
全ての計測目標点で硬度計測、圧痕画像の撮影が完了すると処理制御部１２１は、現在の翼溝４０に対する硬度計測処理を終了する。画像処理部１２７は、例えば、全体画像に圧痕画像を合成して、計測処理を終了後の翼溝４０の全体画像を生成してもよい。図１０に、硬度計測処理終了後の全体画像の一例を示す。例えば、枠９１内の印は、実際の硬度計測により生じた圧痕である。また、画像処理部１２７は、実際の圧痕に対してさらにＣＡＤデータで定義された計測目標点を示す印を重畳させた画像を生成してもよい。この場合、カメラの収差により画像の中央から離れるに従って、圧痕と計測点を示す印に乖離が生じがちになるが、これを防ぐため、画像処理部１２７は、生成した画像に対して収差補正を行ってもよい。
続けて他の翼溝４０に対する計測を行う場合、作業員は、計測装置１１０を次の計測対象の翼溝４０へ移動させ、ステップＳ４以降の処理を実行する。
以上説明したように、本実施形態によれば、翼列３と翼列３の間に計測装置１１０を挿入して取り付けることにより、蒸気タービン１のロータ２から翼列３を外すことなく、翼溝４０の硬度計測を行うことができる。翼溝４０の硬度計測では、１つの翼溝４０に対し、数十個の計測点で硬度計測を行う必要がある。本実施形態の計測システム１００によれば、計測対象とする翼溝４０の位置に合わせて、計測装置１１０を取り付けるだけで、半自動的に数十個の計測点で精度の良い硬度計測を行うことができる。例えば、作業員は、硬度計測の前に翼溝４０に計測目標点を表示させた重畳画像を見て、全体的に計測点の位置が適切かどうかを確認することができる（ステップＳ８）。計測点の位置が適切ではない場合、作業員は、重畳画像上で計測目標点を正しい位置に設定することができる（ステップＳ９）。また、作業員は、実際に計測を行う直前の位置決め時に、今回の計測目標点が適切かどうかの最終確認を行うことができる（ステップＳ１０）。これらにより、精度の高い硬度計測が可能である。また、これらの確認作業以外は、硬度計測作業を自動化し、手作業では困難な箇所でも高速に硬度計測を行うことができる。つまり、限られた検査時間の中で、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、硬度分布データを取得することができる。
図１３は、本開示の一実施形態における制御装置のハードウェア構成の一例を示す図である。
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。
制御装置１２０の全部または一部の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより各機能部による処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、ＣＤ、ＤＶＤ、ＵＳＢ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。また、このプログラムが通信回線によってコンピュータ９００に配信される場合、配信を受けたコンピュータ９００が当該プログラムを主記憶装置９０２に展開し、上記処理を実行しても良い。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよい。また、制御装置１２０は、複数のコンピュータ９００によって構成されていても良い。記憶部１２５は、コンピュータ９００とは別体の外部記憶装置に記憶されていても良い。
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。また、この発明の技術範囲は上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
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。
＜付記＞
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。
（１）第１の態様に係る計測装置１１０は、硬度を計測する硬度計１０４と、前記硬度計を計測対象に押し付けるアクチュエータ１０４ａ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１０３と、前記硬度計１０４および前記カメラ１０３を前記計測範囲内の所望の位置に移動する移動機構（アクチュエータ１０１，１０２）と、前記移動機構を前記計測対象に固定する固定部材１０７ａ～１０７ｄと、を備える。
（２）第２の態様に係る計測システム１００は、（１）の計測装置１１０と、前記計測装置１１０の制御装置１２０と、を備え、前記制御装置１２０は、前記移動機構を制御する移動制御部１２２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（計測目標点）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１２７と、前記重畳画像を出力する表示制御部１２６と、を備える。
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。
（３）第３の態様に係る計測システム１００は、（２）の計測システム１００であって、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（処理制御部１２１が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計算し、その相対的な位置関係に基づいて、ヘッダ１０８を次の計測点まで移動させるよう移動制御部１２２に指示すること）、をさらに備え、前記移動制御部１２２は、前記第２の座標情報が示す位置へ前記硬度計１０４を移動させる。
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。
（４）第４の態様に係る計測システム１００は、（３）の計測システム１００であって、前記移動制御部１２２は、前記第２の座標情報が示す位置へ前記カメラ１０３を移動し、前記画像処理部１２７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１２６は、前記重畳画像を出力する。
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。
（５）第５の態様に係る計測システム１００は、（２）～（４）の計測システム１００であって、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１２８、をさらに備え、前記画像処理部１２７は、前記受付部１２８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。
これにより、これから計測点の修正を行うことができる。
（６）第６の態様に係る計測システム１００は、（３）～（５）の計測システム１００であって、前記カメラ１０３が撮影した画像と前記硬度計１０４の計測結果を取得するデータ取得部１２４、をさらに備え、前記カメラ１０３は、前記第２の座標情報が示す位置で前記硬度計１０４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１２４は、前記硬度計１０４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。
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。
（７）第７の態様に係る計測システム１００は、（２）～（６）の計測システム１００であって、前記計測対象は、蒸気タービンのロータの翼溝である。
（８）第８の態様に係る計測システム１００は、（２）～（７）の計測システム１００であって、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。
（９）第９の態様に係る計測方法は、（１）の計測装置１１０による計測方法であって、前記カメラ１０３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（計測目標点）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１０４による計測を行うステップと、を有する。
（１０）第１０の態様に係る計測方法は、（９）の計測方法であって、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。
（１１）第１１の態様に係るプログラムは、（１）の計測装置１１０を制御するコンピュータに、前記カメラ１０３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（計測目標点）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。
１・・・蒸気タービン
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)

  1. 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、
    前記硬度計と前記計測対象との間の距離を計測する距離計と、
    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、前記距離計および前記カメラが固定されたヘッダを備え、前記ヘッダ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、
    前記固定部材によって前記移動機構を前記計測対象に固定したときの前記硬度計と前記計測対象との間の距離を調整する高さ調整機構と、
    を備える計測装置。
  2. 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、
    前記距離計を前記移動機構によって移動させて２つの位置で計測した前記距離の差と前記２つの位置の間の距離とに基づいて、前記２つの位置を結ぶ方向における前記計測対象と前記距離計の移動の軌跡によって形成される線とがなす角度を算出する処理制御部と、
    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、
    前記処理制御部が算出した角度及び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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 請求項１に記載の計測装置による計測方法であって、
    前記距離計を前記移動機構によって移動させて２つの位置で計測した前記距離の差と前記２つの位置の間の距離とに基づいて、前記２つの位置を結ぶ方向における前記計測対象と前記距離計の移動の軌跡によって形成される線とがなす角度を算出するステップと、
    前記角度を表示するステップと、
    前記角度に基づいて高さ調整機構を調節するステップと、
    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。
  10. 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。
  11. 請求項１に記載の計測装置を制御するコンピュータに、
    前記距離計を前記移動機構によって移動させて２つの位置で計測した前記距離の差と前記２つの位置の間の距離とに基づいて、前記２つの位置を結ぶ方向における前記計測対象と前記距離計の移動の軌跡によって形成される線とがなす角度を算出するステップと、
    前記角度を表示するステップと、
    前記角度に基づいて高さ調整機構を調節するステップと、
    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。
JP2020070314A 2020-04-09 2020-04-09 計測装置、計測システム、計測方法及びプログラム Active JP7438001B2 (ja)

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