2021 Fiscal Year Research-status Report
Development of quantitative evaluation method applying information entropy for abrasive grain distribution on tool surface
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21K03805
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| Research Institution | University of Yamanashi |
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Principal Investigator |
孕石 泰丈 山梨大学, 大学院総合研究部, 准教授 (10402489)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
清水 毅 山梨大学, 大学院総合研究部, 准教授 (40293443)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 研削加工 / 情報量エントロピー / 砥粒分布 / 画像処理 / 偏光カメラ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
研削加工において，実際に材料を削り取る工具表面に存在する砥粒の切れ刃の状態を計測・評価することは重要である．切れ刃の状態では，切れ刃そのものの形状も加工に影響するが，その分布状況も影響する．従ってこれらの分布の分散性（複雑さ，ばらつき）を定量的に評価する手法が必要となる．本研究では，分散性を定量評価する手法として、情報量エントロピーを適用する方法を提案する．
本研究ではまず研削ベルトにおいて砥粒分布状態の評価を行い，その有効性を確認し，その結果を基に切れ刃形状など含めた計測・評価を検討する．初年度には，研削ベルト工具作業面の3次元的な砥粒切れ刃分布の推定と分散性評価として，撮影装置を開発した．これは感圧紙を用いた2次元的な計測から，加圧していく際の発色を連続で撮影するための撮影装置で，この装置で撮影した結果を基に3次元的な分布計測に拡張する手法を検討する．この撮影した画像に関して，画像処理により砥粒分布の評価，またその分布の情報量エントロピーの計算をするプログラムは本年度に開発した．これらの結果に関しては，2021年度砥粒加工学会学術講演会にて発表を行った．一方で砥粒分布の評価手法については，従来手法における問題点が明らかになり，それら欠点を修正する検討を行い，これらの結果については日本機械学会第28期関東支部総会講演会にて発表を行った．
次に偏光度画像，偏光角画像，偏光方向などを利用した砥粒の状態評価の検討を行うため偏光カメラ（Baumer社VCXU-50MP）一式を本助成金にて購入し，ベルト研削において撮影するシステムを構築した。偏光カメラにより得られる情報により，付着物，立体形状模様の抽出や人工物などの平滑などの特徴が区別できると言われている．従ってこれらが砥粒の状態の評価に用いられないか研削ベルトにて検討を行った．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研削ベルト工具作業面の3次元的な砥粒切れ刃分布の推定と分散性評価では，感圧紙を用いた転写痕を連続的に撮影する装置を完成し，これを用いて3次元形状的な砥粒分布の推定を実施する予定であった．このうちベルト研削における撮影装置は完成し，連続的な撮影を行い，それぞれの負荷についての情報エントロピーを評価した．加圧していく際の発色を連続で撮影はできたが，撮影部分の明暗や負荷ごとの画像を比較するための位置合わせなど予定外の画像処理が必要となった．このうち，画像の明暗については，画像の合成や適応的しきい値処理などの画像処理を行い，すでに解決している．位置合わせについては現在検討中である．また情報量エントロピーによる評価手法において，従来手法では人の見た目でのばらつきと求めたエントロピーの数値の傾向が一致しない場合があることが明らかになった．これらの問題に対しては分割領域の選定方法を見直し，砥粒分布のばらつきを見た目通りに情報量エントロピーで数値化できることを明らかにした。すでに実験による計測データを収集しており，今後は有効切れ刃の推定を行い，3次元的な分布において単位体積当たりに有効切れ刃が存在する確率として比エントロピーの計算を行う方法などを研究分担者と検討し，当初の予定通り2022年度前半に研削ベルトにおける砥粒分散性評価手法の構築を目指す．
次に偏光カメラを用いた研削砥石の砥粒／結合剤／空孔などの分布計測と分散性評価を検討するため，ベルト研削において偏光カメラによる撮影システムを構築した．実際に研削実験に伴う作業面の砥粒の状態変化を観察し，反射除去，偏光度画像から砥粒の割れと摩耗を判別できること，輝度画像からは脱落を判別できることを明らかにした．また偏光方向，偏光度画像から，定性的に作業面上の砥粒の摩耗を確認することができた．こちらは予定通りに順調に進んでいる．
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| Strategy for Future Research Activity |
研削ベルト工具作業面の3次元的な砥粒切れ刃分布の推定と分散性評価において次の課題は，濃淡のある2次元的な砥粒分布転写痕から，砥粒形状を含めた3次元的な分布計測に拡張する手法の検討となる．加圧していく際の発色を連続で撮影する装置は完成し，実際に加工実験を行い画像データ等は取得している．問題として加工時間ごと，負荷ごとの画像を比較するために画像の位置合わせが必要となった．これは現在，画像相関法などの画像処理を導入し，精度よく位置合わせができるか検討中である．位置合わせの問題が解決した後は，有効切れ刃の推定を行い，3次元的な分布において単位体積当たりに有効切れ刃が存在する確率として比エントロピーの計算を行う方法などを研究分担者と検討し，当初の予定通り2022年度前半に研削ベルトにおける砥粒分散性評価手法の構築を目指す．
次に偏光カメラを用いた研削砥石の砥粒／結合剤／空孔などの分布計測と分散性評価では，偏光カメラから研削ベルトにおいて砥粒の割れ、摩耗、脱落を判別できることを明らかにした．しかしこれはまだ1種類の研削ベルトにて確認したのみであるため，他の種類・番号の砥粒を用いた検討を行う．併せて，現在判別できているのは定性的な評価であるため，定量的な評価を行う．このために機械学習のうち，オブジェクト検出に用いられるR-CNNを導入し，作業面上のどの位置にどのような状態の砥粒が存在するのかの評価の構築を目指す．これには，砥粒の割れ、摩耗、脱落の学習データが多数必要であるが，現在はこれを取得中であり，また足らない学習データについては学習データを増加させるData Augmentationの手法を導入する準備を進め，偏光カメラによる砥粒分布計測を行う予定である．
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| Causes of Carryover |
当初申請時に予定していたデジタル画像記録ソフトウエア（Norpix製SteamPix）はMathWorks製MatlabとToolboxなどのソフトウエアから自作のプログラムで対応することとしたため使用額が減額した．またエントロピー評価の計算手法や画像処理など実際の実験データを必要としない検討が当初の予定より多くなったため，加工実験のための消耗品（感圧紙プレスケール，研削ベルト，砥石，加工用材料）等を必要とせず，使用額が減額した．併せて砥粒分布をレプリカ法で取得するために試行したが，うまくいかず，3次元砥粒分布は３D計測装置を用いて直接計測する方法をとったため，レプリカにかかる費用が大幅に減額した．
2021年度中は上記理由により加工実験が十分にできなかったため，次年度ではこれを遂行する．このために加工実験のための消耗品（感圧紙プレスケール，研削ベルト，砥石，加工用材料）に前年度の繰り越し分を使用する予定である．
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Research Products
(2 results)
