CN115824473A - 超声波发送接收装置以及计算机可读介质 - Google Patents

Abstract

提供超声波发送接收装置以及计算机可读介质。不依赖于操作员的熟练度来判定探头与螺栓的接触状态是否正常。超声波发送接收装置具备探头控制部、辅助存储装置以及接触状态判断部。探头控制部使得从探头向螺栓发送超声波，并使探头接收所发送的超声波的回波。辅助存储装置存储有用于与表示探头接收到的回波的回波数据进行比较的1个以上的比较数据。接触状态判断部对回波数据和比较数据进行比较，基于比较结果来判断探头与螺栓的接触状态。

Description

超声波发送接收装置以及计算机可读介质

技术领域

本公开涉及使探头发送接收超声波的超声波发送接收装置。

背景技术

存在使用发出超声波的探头来测定螺栓的轴向力的螺栓轴向力测定装置(例如，专利文献1)。利用超声波而通过轴向力值本身进行螺栓的紧固管理，能够降低轴向力值的偏差。通过降低轴向力值的偏差，能够实现螺栓的轻量化、低成本化、紧固物的性能提高。

然而，为了使用探头来测定螺栓的轴向力，需要确定探头与螺栓的接触状态是否正常。以往，探头与螺栓的接触状态是否正常的判定依赖于熟练的操作员的判断。

专利文献1：日本特开2020-20763号公报

发明内容

本发明的目的在于提供一种不依赖于操作员的熟练度来判定探头与螺栓的接触状态的超声波发送接收装置。

本发明所涉及的超声波发送接收装置具备：

探头控制部，其使得从探头向螺栓发送超声波，并使所述探头接收所发送的所述超声波的回波；

比较数据存储部，其存储有用于与如下回波数据进行比较的1个以上的比较数据，该回波数据是基于由所述探头接收到的所述回波的数据；

接触状态判断部，其对所述回波数据和所述比较数据进行比较，并基于比较结果来判断所述探头与所述螺栓的接触状态。

发明效果

本发明的超声波发送接收装置具备比较数据存储部和接触状态判断部，因此，能够提供不依赖于操作员的熟练度就能够判定探头与螺栓的接触状态的超声波发送接收装置。

附图说明

图1是实施方式1的图，是表示超声波发送接收装置100的硬件结构的图。

图2是实施方式1的图，是表示通过超声波测定的螺栓的轴向力的原理的图。

图3是实施方式1的图，是超声波发送接收装置100的动作的流程图。

图4是实施方式1的图，是表示回波数据111A的测定的图。

图5是实施方式1的图，是表示图4的测定结果的图。

图6是实施方式1的图，是倾斜角度θ＝0度时的FFT分析结果的频谱的图。

图7是实施方式1的图，是表示倾斜角度θ＝3度时的FFT分析结果的频谱的图。

图8是实施方式1的图，是表示倾斜角度θ＝4度时的FFT分析结果的频谱的图。

图9是实施方式1的图，是表示倾斜角度θ＝6度时的FFT分析结果的频谱的图。

图10是实施方式1的图，是表示倾斜角度θ＝0度时的增益值71.5dB的原始波形的图。

图11是实施方式1的图，是表示倾斜角度θ＝6度时的增益值101.5dB的原始波形的图。

图12是实施方式1的图，是表示探头200的设置位置的变化的图。

标号说明

100：超声波发送接收装置、101：超声波发送接收程序、110：处理器、111：探头控制部、111A：回波数据、112：接触状态判断部、112A：比较结果信号、120：主存储装置、130：辅助存储装置、131：比较数据、140：发送接收装置、200：探头、210：接触介质、300：螺栓、310：螺栓头、320：螺栓轴、321：螺栓底部、410：第一部件、420：第二部件、500、510：螺母、610：螺母扳手、620：螺母扳手控制装置、700：螺栓、720：螺栓轴、810：试验用探头、820：试验用螺栓。

具体实施方式

以下，使用附图对实施方式进行说明。此外，在各图中，对相同或相当的部分标注相同的标号。在实施方式的说明中，对于相同或相当的部分，适当省略或简化说明。

在以下的实施方式中，“部”可以适当地理解成“电路”、“工序”、“步骤”、“处理”、或者“电子线路”。

实施方式1.

参照图1至图12，对实施方式1的超声波发送接收装置100进行说明。超声波发送接收装置100作为使用超声波来计算螺栓的轴向力的螺栓轴向力测定装置来实现。超声波发送接收装置100使用设置于螺栓的探头200发出的超声波的回波来判定用于测定螺栓的轴向力的探头200自身是否与螺栓正常地接触，并输出判定结果。由此，通过超声波发送接收装置100，能够与操作螺栓轴向力测定装置的操作员的熟练度无关地高精度地测定螺栓的轴向力。以下详细说明超声波发送接收装置100。

***结构的说明***

图1示出了超声波发送接收装置100的硬件结构。超声波发送接收装置100是计算机。超声波发送接收装置100具备处理器110。超声波发送接收装置100除了处理器110之外，还具备主存储装置120、辅助存储装置130以及发送接收装置140这样的其他硬件。处理器110经由信号线150与其他硬件连接，控制其他硬件。

超声波发送接收装置100具备探头控制部111以及接触状态判断部112来作为功能要素。探头控制部111以及接触状态判断部112的功能通过超声波发送接收程序101来实现。接触状态判断部112与螺母扳手控制装置620连接，向螺母扳手控制装置620发送比较结果信号112A。螺母扳手控制装置620根据比较结果信号112A来控制螺母扳手610。超声波发送接收程序101存储在辅助存储装置130中。处理器110是执行超声波发送接收程序101的装置。处理器110是进行运算处理的IC(Integrated Circuit：集成电路)。处理器110的具体例是CPU(Central Processing Unit：中央处理单元)、DSP(Digital Signal Processor：数字信号处理器)、GPU(Graphics Processing Unit：图形处理单元)。

主存储装置120是存储装置。主存储装置120的具体例是SRAM(Static RandomAccess Memory：静态随机存取存储器)、DRAM(Dynamic Random Access Memory：动态随机存取存储器)。主存储装置120保存处理器110的运算结果。

主存储装置120存储处理器110从辅助存储装置130读出的比较数据。主存储装置120与后述的辅助存储装置130同样，是比较数据存储部。

辅助存储装置130是非易失性地保管数据的存储装置。辅助存储装置130是比较数据存储部。辅助存储装置130的具体例是HDD(Hard Disk Drive：硬盘驱动器)。另外，辅助存储装置130也可以是SD(注册商标)(Secure Digital：安全数字)存储卡、NAND闪存、软盘、光盘、光碟、蓝光(注册商标)盘、DVD(Digital Versatile Disk)这样的可移动记录介质。

辅助存储装置130是与SD存储卡不同的其他存储器。

辅助存储装置130存储有超声波发送接收程序101。另外，辅助存储装置130存储有用于与基于由探头200接收到的回波的回波数据111A进行比较的1个以上的比较数据131。回波数据111A以及比较数据131在后面叙述。

此外，作为比较数据存储部的辅助存储装置130存储有表示探头与螺栓的正常的接触状态的正常数据和表示探头的不正常的接触状态的非正常数据中的至少任一方作为比较数据131。例如，后述的图5的倾斜角度θ＝0度时的{上限频率、中心频率、波峰频率以及下限频率}是表示探头与螺栓的正常的接触状态的正常数据。另外，图5的倾斜角度θ＝4度时的{上限频率、中心频率、波峰频率以及下限频率}是表示探头与螺栓的不正常的接触状态的非正常数据。

发送接收装置140使探头200发送超声波，从探头200接收探头200接收到的回波。发送接收装置140由探头控制部111控制，以使得探头200发送超声波，并且从探头200接收由探头200发送的超声波的回波。

超声波发送接收程序101是使计算机执行将探头控制部111以及接触状态判断部112那样的“～部”替换为“～处理”、“～步骤”或者“～工序”后的各处理、各步骤或者各工序的程序。

另外，超声波发送接收方法是由作为计算机的超声波发送接收装置100执行超声波发送接收程序101来实施的方法。另外，超声波发送接收程序101也可以存储在计算机可读取的记录介质中来提供。

如图1所示，探头200经由接触介质210设置于螺栓300的螺栓头310。接触介质210是用于提高超声波的传递的介质。在图1中，螺母500通过焊接固定于第二部件420。需要说明的是，焊接是一个例子。例如，也可以在后述的第一部件410和第二部件420上形成内螺纹。第一部件410与第二部件420重叠。在第一部件410和第二部件420上开设的各贯通孔被连通，螺栓300的螺栓轴320穿过连通的各贯通孔。螺母扳手610套在螺栓头310上。在图1中，设置成螺栓300嵌入螺母500但未拧入螺母500的状态。即，设在图1的状态下在螺栓300未产生轴向力。探头200发出的超声波被螺栓底部321反射，成为回波而被探头200接收。

图2表示通过超声波对螺栓的轴向力进行测定的原理。参照图2对通过超声波测定螺栓的轴向力的原理进行简单说明。图2的左侧的尺寸L是螺栓300未产生轴向力时的长度。图2的右侧表示在螺栓300上产生了轴向力的状态。当在螺栓300产生轴向力时，螺栓轴320从未产生轴向力的图2的左侧的状态伸长ΔL。使用了超声波的螺栓轴向力测定装置通过探头200发出的超声波来测定“L+ΔL”，通过从“L+ΔL”减去已知的L来求出ΔL。螺栓轴向力测定装置将求出的△L换算为轴向力。此时，为了高精度地求出轴向力，探头200需要与螺栓300正确地接触。因此，超声波发送接收装置100通过探头200发出的超声波的回波来判定探头200是否与螺栓300正确地接触。

***动作的说明**

图3是表示超声波发送接收装置100的动作的流程图。参照图3，对超声波发送接收装置100的动作进行说明。图3的各步骤中的括号表示该步骤的动作主体。

＜步骤S11＞

在步骤S11中，在螺栓头310设置探头200。探头200安装于螺母扳手610。当将螺母扳手610连接于螺栓300的螺栓头310时，同时，探头200被安装于螺栓头310上。

＜步骤S12＞

在步骤S12中，探头控制部111使得从探头200向螺栓300发送超声波，使探头200接收所发送的超声波的回波。

在后述的步骤S14中，接触状态判断部112对回波数据111A与比较数据131进行比较，基于比较结果来判断探头200与螺栓的接触状态，但“接触状态”还包括探头200没有与螺栓300接触的情况。探头200没有与螺栓300接触的情况例如包括探头200没有与接触介质210接触的情况、或者虽然探头200与接触介质210接触但接触介质210没有与螺栓300接触的情况。

探头控制部111经由发送接收装置140使探头200发送超声波，经由探头200以及发送接收装置140接收该超声波的回波。

＜步骤S13＞

在步骤S13中，探头控制部111对接收到的回波的信号波形进行FFT(Fast FourierTransform：快速傅里叶变换)分析。以下，将针对回波的信号波形的FFT分析的结果表述为回波数据111A。探头控制部111将回波数据111A存储在辅助存储装置130中。

＜步骤S14＞

在步骤S14中，接触状态判断部112将回波数据111A与比较数据131进行比较，基于比较结果来判断探头200与螺栓的接触状态。具体而言，以如下方式进行判断。

作为比较数据存储部的辅助存储装置130存储对超声波的回波进行FFT分析而得到的FFT分析数据作为比较数据131。此外，探头控制部111对由探头200接收到的回波进行FFT分析，并且生成分析结果作为回波数据111A。

具体而言，接触状态判断部112从辅助存储装置130读入回波数据111A和比较数据131，对回波数据111A和比较数据131进行比较。比较数据131是对超声波的回波进行FFT分析而得到的数据。比较数据131主要是以下的(A)至(D)那样的数据。(A)至(D)的各比较数据131能够表示为作为要素而具有FFT分析的频谱中的上限频率、中心频率、波峰频率以及下限频率的集合。比较数据131以FFT分析结果的数据库的形式存储在辅助存储装置130中。

(A)比较数据131是探头与螺栓的接触状态为正常的回波的FFT分析结果的数据。

(B)比较数据131是磨损的探头振荡出的超声波的回波的FFT分析结果的数据。

(C)比较数据131是在探头与螺栓之间存在异物的情况下，该探头振荡出的超声波的回波的FFT分析结果的数据。

(D)在螺栓存在异常的情况下，设置于该螺栓的探头振荡出的超声波的回波的FFT分析结果的数据。

＜步骤S15＞

在步骤S15中，接触状态判断部112根据回波数据111A与比较数据131的比较结果，判定探头200与螺栓300的接触状态是否正常。在接触状态判断部112判定为正常的情况下，处理进入步骤S16。在接触状态判断部112判定为不正常的情况下，处理进入步骤S17。

＜步骤S16＞

在步骤S16中，接触状态判断部112将正常信号作为比较结果信号112A发送至螺母扳手控制装置620。当螺母扳手控制装置620接收到正常信号作为比较结果信号112A，使螺母扳手610继续螺栓300的紧固处理。在这种情况下，探头200用于测定螺栓300的轴向力。

＜步骤S17＞

在步骤S17中，接触状态判断部112在判定为探头200与螺栓300的接触状态不正常的情况下，将表示比较结果的比较结果信号112A输出到对螺栓进行紧固的螺母扳手610。具体而言，接触状态判断部112将异常信号作为比较结果信号112A发送至螺母扳手控制装置620。螺母扳手控制装置620在接收到异常信号作为比较结果信号112A时，使螺母扳手610中止螺栓300的紧固处理。

＜比较数据131的具体例＞

参照图4至图11具体说明比较数据131。

图4表示以1度间距改变试验用螺栓820的端面821与试验用探头810的超声波的射出面811之间的角度θ，取得回波的信号波形及其回波数据111A的测定。以下，将角度θ称为倾斜角度θ。

图5表示图4的测定结果。横轴为倾斜角度θ，单位为度。纵轴表示FFT分析中的各频率，单位为MHz。在图5的右侧示出了曲线图的种类。单点划线表示上限频率。实线表示中心频率。虚线表示波峰频率。双点划线表示下限频率。

图6表示倾斜角度θ＝0度时的FFT分析结果的频谱。图6的结果是图5的倾斜角度θ＝0度的值。图6的右侧是作为FFT分析结果的基础的原始波形。

图7表示倾斜角度θ＝3度时的FFT分析结果的频谱。图7的结果是图5的倾斜角度θ＝3度的值。图7的右侧是作为FFT分析结果的基础的原始波形。

图8表示倾斜角度θ＝4度时的FFT分析结果的频谱。图8的结果是图5的倾斜角度θ＝4度的值。图8的右侧是作为FFT分析结果的基础的原始波形。

图9表示倾斜角度θ＝6度时的FFT分析结果的频谱。图9的结果是图5的倾斜角度θ＝6度的值。图9的右侧是作为FFT分析结果的基础的原始波形。

图10表示作为倾斜角度θ＝0度时的FFT分析的基础的增益值71.5dB的原始波形。

图11表示作为倾斜角度θ＝6度的FFT分析的基础的增益值101.5dB的原始波形。

如图5所示，若倾斜角度θ从零度逐渐变大，则频率下降。特别是，上限频率下降。因此，作为判定探头与螺栓的接触状态是否正常的方法，能够利用FFT分析结果中的频率的下降。

另外，观察示出倾斜角度θ＝0度、倾斜角度θ＝3度、倾斜角度θ＝4度、倾斜角度θ＝6度的图6、图7、图8、图9，若倾斜角度θ从零度起逐渐变大，则如图7至图9中的圆的虚线所示，在功率谱的两侧出现频带。能够将该两侧的频带用作判定探头与螺栓的接触状态是否正常的判定方法。

另外，观察表示倾斜角度θ＝0度、倾斜角度θ＝6度的原始数据的图10、图11，如圆的虚线所示，若倾斜角度θ从零度逐渐变大，则反射波的电平下降，通过提高增益值，噪声电平上升。图10的增益值为71.5dB，图11的增益值为101.5dB。能够将伴随着该倾斜角度θ的增大的噪声电平的上升用作判定探头与螺栓的接触状态是否正常的判定方法。

另外，也能够将回波高度用作判定探头与螺栓的接触状态是否正常的判定方法。

并且，接触状态判断部112能够采用以下的判定方法作为判定探头与螺栓的接触状态是否正常的判定方法。接触状态判断部112针对在步骤S14中叙述的(A)至(D)的比较数据131，能够采用以下的(1)至(3)的判定方法。

(1)接触状态判断部112对回波数据111A与比较数据131的{上限频率、中心频率、波峰频率以及下限频率}进行比较来判定。

(2)将图5中的“波峰频率与上限频率之差、以及波峰频率与下限频率之差”用作判定探头与螺栓的接触状态是否正常的判定方法。即，接触状态判断部112对回波数据111A与比较数据131的“波峰频率与上限频率之差、以及波峰频率与下限频率之差”进行比较来判定。

(3)接触状态判断部112对回波数据111A的频谱和比较数据131的频谱进行比较以进行判定。

由于是由实施方式1的超声波发送接收装置100来判定探头与螺栓的接触状态是否正常的，因此不需要熟练的操作员手动进行判定。因此，不依靠手动就能够进行稳定的螺栓的轴向力管理。

另外，超声波发送接收装置100在判定为探头与螺栓的接触状态不正常的情况下向螺母扳手控制装置620发送异常信号，因此能够防止探头与螺栓的接触状态不正常的状态下的螺栓紧固。

图12示出探头200的设置位置的变化。虽然在图1中探头200设置于螺栓头310，但如图12的设置位置1所示，也可以在螺栓底部321设置探头200。在该情况下，探头200检测的回波是被螺栓头310反射的回波。另外，在图1中判定了探头200与螺栓头310的接触状态，但也可以如设置位置2所示，在不存在螺栓头310的螺栓700上设置探头200。在设置位置2处，探头200设置在螺栓轴720的一个端部的端面上。螺栓700由螺母500和螺母510紧固。另外，如设置位置3所示，相对于设置位置2，探头200也可以设置于螺栓轴720的另一个端部的端面。

实施方式1的超声波发送接收装置100使用如以上那样对回波波形进行FFT分析的结果。接触状态判断部112使用作为数据库化后的FFT分析结果的比较数据131，通过回波数据111A与比较数据131的比较来判定探头200的接触状态。

另外，在超声波发送接收装置100中，不仅在轴向力测定前的探头设置时，在螺栓的轴向力测定过程中，接触状态判断部112也实施判定。即，图3的步骤S12以后的步骤不仅在轴向力测定前的探头设置时实施，在螺栓的轴向力测定过程中也实施。

Claims (6)

1.一种超声波发送接收装置，其具有：

探头控制部，其使得从探头向螺栓发送超声波，并使所述探头接收所发送的所述超声波的回波；

比较数据存储部，其存储有用于与如下回波数据进行比较的1个以上的比较数据，该回波数据是基于由所述探头接收到的所述回波的数据；以及

接触状态判断部，其对所述回波数据与所述比较数据进行比较，并基于比较结果来判断所述探头与所述螺栓的接触状态。

2.根据权利要求1所述的超声波发送接收装置，其中，

所述接触状态判断部在判断出所述探头与所述螺栓的接触状态不正常的情况下，将表示所述比较结果的比较结果信号输出到对所述螺栓进行紧固的螺母扳手。

3.根据权利要求1或2所述的超声波发送接收装置，其中，

所述比较数据存储部存储表示所述探头与螺栓的正常的接触状态的正常数据和表示所述探头的不正常的接触状态的非正常数据中的至少任意一个来作为所述比较数据。

4.根据权利要求1或2所述的超声波发送接收装置，其中，

所述比较数据存储部存储有通过快速傅里叶变换对超声波的回波的频率特性进行分析而得到的快速傅里叶变换分析数据作为所述比较数据，

所述探头控制部通过快速傅里叶变换对所述探头所接收到的所述回波的频率特性进行分析，生成分析结果作为所述回波数据。

5.根据权利要求3所述的超声波发送接收装置，其中，

所述比较数据存储部存储有通过快速傅里叶变换对超声波的回波的频率特性进行分析而得到的快速傅里叶变换分析数据，

所述探头控制部通过快速傅里叶变换对所述探头接收到的所述回波的频率特性进行分析，生成分析结果作为所述回波数据。

6.一种计算机可读介质，其记录有超声波发送接收程序，该超声波发送接收程序使计算机执行以下处理；

探头控制处理，使得从探头向螺栓发送超声波，并使所述探头接收所发送的所述超声波的回波；

比较数据存储处理，存储用于与如下回波数据进行比较的1个以上的比较数据，该回波数据是基于由所述探头接收到的所述回波的数据；以及

接触状态判断处理，其对所述回波数据与所述比较数据进行比较，并基于比较结果来判断所述探头与所述螺栓的接触状态。

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