JP2021179351A - 軸力計算装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 測定対象の締結要素に偏心があっても、その偏心を原因とする誤差を軽減した軸力を非接触で簡便かつ高精度に繰返し長期間の測定も可能にした軸力計算装置を提供する。【解決手段】 測定対象である締結要素の画像を撮像するデジタルカメラと、画像を処理する計算機と、を備えて、締結要素の軸力を算出する軸力計算装置であって、デジタルカメラは締結要素の表面に形成されたランダムパターンの変化を検出する画像を撮像し、計算機は、変化を検出する画像に基づいて画像相関分析することによりひずみ分布を算出する画像相関分析部と、ひずみ分布から締結要素の偏心量を算出する偏心量計算部と、ひずみ分布及び偏心量に基づいて締結要素の軸力を算出する軸力計算部と、を備え、軸力計算部は締結要素の偏心を原因とする軸力の誤差を偏心量に基づいて校正する。【選択図】 図１

Description

本発明は、締結要素の軸力を算出する軸力計算装置に関する。

締結要素は複数の部材を締結させるための機構部品であり、具体的には、ボルト、座金、ナット、リベット、スリーブ等が知られている。締結要素が被締結部材に適用されると、締結要素の軸力によって、複数の被締結体どうしが締め付固定される。したがって、締結要素は、機械や建築物の組み立て等において重要な要素又は部品である。

締結要素の軸力を把握し管理することは、被締結部材の締結部に対する強度の設計やその管理において重要である。軸力が弱いと振動による緩みの原因になる。反対に、軸力が強すぎると被締結部材の破壊を引き起こすほか、被締結体の座面陥没による緩みや、ねじが塑性伸びを起こすことによる緩みの原因となる。軸力の測定装置として、ひずみゲージ、超音波軸力計、ロードセル式軸力計、そして、油圧式軸力計がある。

ところで、ひずみゲージでは、例えば、ボルトの偏心等の初期不整の影響を受けるため、ボルトの頂部に張り付けると、ボルト軸部に貼り付けたひずみゲージに比べて軸力の測定精度が低いことが知られている。そして、超音波軸力計は塑性域締め付けに不向きで、ボルトの追加工が必要な場合がある。ロードセル式軸力計と油圧式軸力計は校正用で、実製品への適用には不向きである。

一方、軸力を測定する代わりに、締め付けトルクを管理することによって間接的に軸力を管理することも行われている。しかしながら、例えば、インパクトレンチの締め付けトルクの精度は±２０％〜±４０％程度で、これに摩擦係数のばらつきの影響が重畳されるため、トルク管理による、締結要素の軸力の管理精度は低い。

さらに、油圧テンショナや機械式テンショナによって機械的張力を管理することにより、締め付けトルクよりも高い精度で軸力を管理できるものの、大型の締め付け工具が必要となる。そこで、軸力をより確かに管理するために、例えば、特許文献１には、ボルト頭部の縞模様の変化を撮像し、モアレ縞からボルト頭部の変位を求め、その変位程度に対するボルト軸力の関係からボルト軸力を算出する手法が記載されている。

特開２０１９−１９７０２５号公報

しかしながら、特許文献１に記載された締結要素の変位測定方法では、縞模様の形成のために一定の面積が必要であるため、その面積を確保し難いナットや六角穴付きボルトの軸力測定に不向きである。

また、特許文献１の方法では、ボルト締結している最中の偏心量をリアルタイムに測定することが容易でなく、偏心の影響による誤差を軽減できない。本発明は、これらの課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、測定対象の締結要素に偏心があっても、その偏心を原因とする誤差を軽減した軸力を非接触で簡便かつ高精度に繰返し長期間の測定も可能にした軸力計算装置を提供することにある。

上記課題を解決する本発明は、測定対象である締結要素の画像を撮像するデジタルカメラと、画像を処理する計算機と、を備えて、締結要素の軸力を算出する軸力計算装置であって、デジタルカメラは締結要素の表面に形成されたランダムパターンの変化を検出する画像を撮像し、計算機は、変化を検出する画像に基づいて画像相関分析することによりひずみ分布を算出する画像相関分析部と、ひずみ分布から締結要素の偏心量を算出する偏心量計算部と、ひずみ分布及び偏心量に基づいて締結要素の軸力を算出する軸力計算部と、を備え、軸力計算部は締結要素の偏心を原因とする軸力の誤差を偏心量に基づいて校正する。

本発明によれば、測定対象の締結要素に偏心があっても、その偏心を原因とする誤差を軽減した軸力を非接触で簡便かつ高精度に繰返し長期間の測定も可能にした軸力計算装置を提供する。

本発明の実施例１に係る軸力計算装置（以下、「実施例１の装置」ともいう）の機能ブロック図、及びその適用例を説明するための斜視図である。 ランダムパターンの様々な塗布位置を例示する六角ボルトの斜視図及び正面図である。 ランダムパターンの様々な塗布位置を例示するナットの斜視図である。 測定対象の締結要素として例示する座金の斜視図である。 本発明の実施例２に係る軸力計算方法（以下、「実施例２の方法」ともいう）を説明するために例示する六角穴付きボルトの斜視図である。 実施例３の方法についての説明図と、それによると、それによる評価ライン位置対ひずみ分布のグラフである。 実施例４の方法をタイヤのホイール締結へ適用した例の説明図である。 実施例５の方法を回転ゆるみとすべりの検出に適用した例の説明図である。

実施例１の装置は図１を用い、実施例２の方法は図２から図５を用い、実施例３の方法は図６を用い、実施例４の方法は図７を用い、実施例５の方法は図８を用いて説明する。また、実施例２〜５の方法は、軸力計算装置４０を用いて実施する。なお、これらの実施例１〜５は、あくまで例示に過ぎず、発明内容を限定するものではない。

第１の実施形態を図１に基づいて説明する。図１の左上は、本発明の実施例１に係る軸力計算装置４０の機能ブロック図であり、図１の右下は、締結要素によって複数の被締結体が締結された構造を示す斜視図である。図１に示す適用例は、軸力計算装置４０のデジタルカメラ６により、測定対象の締結要素のボルト２を締結前後で撮像して軸力を算出する様子である。

締結構造は、ランダムパターン１を施した締結要素である六角ボルト（以下、単に「ボルト」ともいう）２と、座金３と、被締結体４とを備えて構成されている。符号５は締め付け工具である。被締結体４それぞれを２枚重ね、これら被締結体４の穴中心に共通して貫通する六角ボルト２の首下に座金３を嵌め、ボルト２の先端にナット１９（図３）を螺着し、締め付け工具５を用いてねじ締めされる。あるいは、ナット１９に相当する雌螺子が、下側の被締結体４の穴中心に螺設されていてもよい。

軸力計算装置４０は、デジタルカメラ６と、計算機７と、を備える。デジタルカメラ６（撮像手段、撮像モジュール、撮像装置、撮像回路、又は、撮像ユニットと言い換えてもよい。）は、ボルト２の平面部に形成されたランダムパターン１の画像を撮像する。

ランダムパターン１は、締結要素の測定部位、例えば、ボルト頭部の表面に形成され、当該部位の位置ひずみを視覚的に顕在化させて観測し易くする人工的な模様であればよい。ランダムパターン１は、六角ボルト２が締結されている最中にも、締め付け工具５の穴等から見えれば、デジタルカメラ６で撮像することが可能である。ランダムパターン１は、パターンの変位測定に適したものであればよく、例えば、規則的な縞模様の他、不規則な模様であってもよい。

計算機７は、デジタルカメラ６が撮像したランダムパターン１の変位に基づいて、ひずみ分布を算出する画像相関分析部８と、ひずみ分布から締結要素の偏心量を算出する偏心量計算部１０と、校正データベース９を参照しながら、ひずみ分布に基づいて軸力１４を算出する軸力計算部１１と、を備える。“部”は、回路、手段、機能、ユニット、又は、モジュールと言い換えてもよい。

これらの部は、ソフトウェア、及び/又は、ハードウェアによって実現される。計算機７は、パソコン（画像相関分析部８、偏心量計算部１０）とストレージ（内部データベース１２）とを備える。校正データベース９は内部データベース１２内に存在する。軸力計算部１１は、ひずみ分布に基づいて大まかな軸力１４を算出可能であるが、それに偏心を原因とする誤差が含まれるならば、それを校正データベース９の校正データを参照して低減する。その結果、軸力１４の算出値をより高精度に算出することが可能となる。

計算機７が利用可能なデータベースは、外部データベース１３と内部データベース１２とから構成されている。画像相関分析部８は、ランダムパターン１の位置の変位を画像相関分析するが、画像相関分析の一例として、有限要素解析して解析データを生成し、これを内部データベース１２に記録する。校正データベース９には、校正データが保存される。

有限要素解析が利用する、有限要素法（Finite element method, ＦＥＭ）は、荷重による位置ひずみのほか、振動、熱などの物理的な付加により測定対象の構造がどのような挙動を示すかを予測する数値計算手法である。

校正データは、主にランダムパターン１のひずみ分布に基づいて算出された大まかな軸力から、偏心量を原因とする誤差を軽減するために偏心量に基づいて校正するため、予め作成され、利用可能に保存された実験データ等であってよい。外部データベース１３が校正データを保存するようにしてもよい。軸力は、ねじ締結時に、ねじの軸方向にかかる力である。

画像相関分析部８は、一例としてデジタル画像相関法を適用可能である。このデジタル画像相関法では、測定対象である締結要素の表面に形成されたランダムパターン１の画像をサンプルとし、このサンプルが負荷を受ける前後でデジタル画像として取り込み、そのランダムパターン１を追跡し、サンプルの変形を推測する。

実際には、無負荷状態で取り込んだ画像の小領域を、変形後の画像の中から正規化された相関係数の最適値となる領域を探し出すことによって、サンプルの変形を推測する。この処理を全ての小領域で繰り返すことによって、全視野の変形データを取得できる。

校正データは、ロードセル式軸力計、及び油圧式軸力計、トルクと軸力の関係を検証する機能により校正データを作成する。このような機械的張力法による精密な実測値を参照することにより、校正データを作成できる。

締結要素の偏心は４種類に分類される。１つ目は、締結要素の軸心と被締結体の穴中心のずれている偏心締結である。偏心締結は、組立品質の不具合等に限ったことでなく、正しい設計どおりの組立態様であっても、そして、被締結体の長穴への締結要素の適用の場合にも生じ得る。

２つ目は、被締結体の縁の近傍に締結位置があって、締結要素の機械的コンプライアンス（mechanical compliance）が締結要素中心に対する周方向で不均一な縁側締結である。３つ目は、偏心クランプボルトのようにボルト頭部の中心がボルト軸部の中心とずれている態様である。製造公差によってリベット又はボルト頭部の中心と軸部の中心にずれがある場合も同じである。

４つ目は、締結要素によって受け止められる外力に起因して、負荷中が偏心する態様である。既述の偏心は、初期締め付けに起因している。

偏心締結によって、被締結体の穴縁と締結要素の軸部が接触すると、接触面でフレッティング（fretting）疲労損傷が発生するため、偏心量の検出は重要である。この偏心量を検出する変位測定方法は、縞模様を形成するための一定の面積が必要であることから、ナットや六角穴付きボルトの軸力測定に不向きであるとされていた。

ボルト頭部に縞模様を形成できる場合でも、レンチによりボルト頭部が覆い隠される。したがって、ボルト頭部の縞模様を用いた変位測定方法では、ボルト締結の最中にリアルタイムで偏心量を測定することができず、偏心の影響による誤差を校正できないため軸力の測定精度は低い。

このような点を改善する本発明の実施例１に係る軸力計算装置４０及び実施例２〜５に係る軸力計算方法によれば、測定対象の締結要素に偏心があっても、その偏心を原因とする誤差を軽減した軸力１４を非接触で簡便かつ高精度に繰返し長期間の測定も可能にできる。より詳しくは、つぎのとおりである。

締め付け工具５を用いて、六角ボルト２を被締結体４に締結すると、六角ボルト２に軸力１４が発生すると同時に、ランダムパターン１にひずみが発生する。このように、ランダムパターン１に顕在化されたひずみをデジタルカメラ６が撮像し、その撮像データを計算機７の画像相関分析部８が画像相関分析する。

軸力計算装置４０において、画像相関分析部８は、ランダムパターン１の変化を検出する画像で顕在化された位置ひずみを定量的に把握し、それに基づいて画像相関分析し、ひずみ分布を算出する。軸力計算部１１は、ひずみ分布に基づいて六角ボルト２の大まかな軸力１４を算出できて、さらに校正データを用いて校正することにより精度を高めることができる。このほか、偏心量計算部１０は、ひずみ分布に基づいて偏心量を算出できる。

すなわち、軸力計算装置４０は、ランダムパターン１の位置ひずみを画像相関分析して得られた数値に基づいて、校正データベース９を参照しながら、偏心量計算部１０で六角ボルト２の偏心量を算出するとともに、軸力計算部１１で軸力１４を算出する。

軸力計算部１１は、ひずみ分布に基づいて締結要素の軸力を大まかに算出可能であるが、締結要素に偏心があれば、それを原因として算出された軸力に誤差が含まれていることがある。そこで、軸力計算部１１は、ひずみ分布に基づいて大まかに算出された軸力を偏心量に基づいて校正する。その結果、軸力計算装置４０は、より正確に軸力を算出することが可能となる。

このとき、軸力計算装置４０は、センサの着脱を要せずして、より正確な軸力を算出することが可能である。したがって、軸力計算装置４０は、実製品化に向けて締結要素を締結している最中ばかりか、締結後の長期間にわたって継続的に軸力１４を測定できる。

また、軸力計算装置４０は、被締結体４に外力１５が加わったときの軸力１４の変化を軸力計算部１１で計算し、偏心量計算部１０で偏心量の変化を計算し、これらの計算結果を閾値等と比較する。その結果、軸力計算装置４０は、除荷後の軸力１４と偏心量の変化より六角ボルト１のゆるみの発生を判定できるほか、すべりの発生、あるいは外力１５負荷時の被締結体４の締結面の口開きの発生も判定できる。

なお、六角ボルト１のゆるみを判定する機能は、実製品化の初期における六角ボルト１の締め忘れを判定する機能にも用いられる。これらの計算結果及び判定結果は、内部データベース１２又は外部データベース１３に保存される。また、軸力計算装置４０は、長期継続的な保守監視にも好適であり、内部データベース１２又は外部データベース１３の軸力１４及び偏心量のデータを参照しながら、任意の時期にランダムパターン１で顕在化された位置ひずみを画像相関分析して得られた数値に基づいて、六角ボルト２の経年的なゆるみも検出できる。

すなわち、軸力計算装置４０は、位置ひずみを画像相関分析して得られた数値と、データベースに規定された閾値と、を対比することにより、六角ボルト２の経年的なゆるみについて、許容範囲を超えたか否かを判定し、適宜に警報信号等を出力することも可能である。以下、軸力計算装置４０を用いた、実施例２〜５の方法について説明する。

実施例２の方法を説明するため、図２から図５を用いてランダムパターン１の塗布位置について例示する。図２は、ランダムパターン１の様々な塗布位置を例示する六角ボルト２の斜視図及び正面図である。軸力計算装置４０を適用するにあたって、各種の締結要素の任意の位置にランダムパターン１の塗布することができる。図２に例示するように、六角ボルト２の頭頂面１６に塗布する場合と、頭部とは反対側の先端面１７に塗布する場合と、頭部の首下のねじの無い円筒面１８に塗布する場合と、を示した。

図３は、ランダムパターン１の様々な塗布位置を例示するナット１９の斜視図である。図３において、ナット１９の端面２０に塗布する場合、あるいはナット１９の側面２１に塗布する場合を示した。図４は、測定対象の締結要素として例示する座金２２の斜視図である。図４において、座金２２の端面２３に塗布する場合、あるいは座金側面２２の側面２４に塗布する場合を示した。

図５は、実施例２の方法を説明するために例示する六角穴付きボルトの斜視図である。図５において、六角穴付きボルト２５の頭部の穴２６に塗布する場合と、頭部と反対側の先端面２７に塗布する場合と、頭部の首下のねじの無い円筒面２８に塗布する場合と、を示した。

実施例３の方法を説明するため、図６を用いて偏心量の評価事例を示す。図６は、本発明の実施例３に係る軸力計算方法（実施例３の方法）の説明図と、それによる評価ライン位置対ひずみ分布のグラフ２９，３０である。図６において、六角ボルト３の頭頂面に形成されたランダムパターン１上において、仮想する３本の評価ライン２８を示す。

締結要素である六角ボルト３に偏心が無い場合、３本の評価ライン２８のひずみ分布グラフ２９のように合致する。偏心が発生した場合、グラフ３０に示すように、３本の評価ライン２８それぞれによって、異なる分布となり合致しない。

グラフ３０に示した３本の評価ライン２８それぞれに対するひずみ分布のずれは、被締結体４の寸法と、締結要素の寸法と、配置と、外力１５の偏心負荷と、被締結体４の口開きと、少なくとも何れかによって変化する。このような、寸法と偏心とひずみ分布との関係が紐づけられた校正データは、軸力計算装置４０における校正データベース９に保存されて適宜参照される。

実施例４について、図７を用いて説明する。図７は、本発明の実施例４に係る軸力計算方法（実施例４の方法）をタイヤのホイール締結へ適用した例の説明図である。なお、軸力計算装置４０と重複する構成及び効果について、ここでの説明を省略する。

図７において、ランダムパターン１を塗布した複数のボルト３３を用い、タイヤ３１のホイール３２が締結される。ボルト３３に塗布されたランダムパターン１をデジタルカメラ６で撮像する。その撮像データは、軸力計算装置４０において、計算機７の画像相関分析部８によって画像相関分析される。

さらに計算機７は、ボルト３３の軸力１４を算出する。その結果、軸力計算装置４０を用いた実施例４の方法によれば、複数のボルト３３の全てに対し、規定軸力を満足するか否かについて非接触に判定できる。

実施例５について、図８を用いて説明する。図８は、本発明の実施例５に係る軸力計算方法（実施例５の方法）を説明するための、回転ゆるみとすべりの検出に関する説明図である。なお、実施例５の方法を実行するために軸力計算装置４０を用いるが、軸力計算装置４０について重複する説明は省略する。

図８に示す実施例５の方法では、締結要素が六角ボルト３であり、その頭頂部にランダムパターン１を塗布するほか、被締結体４又は座金３にもランダムパターン１を塗布する。被締結体４に対する六角ボルト３の回転角又は相対変位（すべり）をランダムパターン１の移動量から求める。同様に、被締結体４に対する六角ボルト３の回転ゆるみ、及びすべりも、ランダムパターン１の移動量から判定できる。

これに対し、特許文献１の変位測定方法では、軸力の代用に締結要素の回転角度を管理する回転角法は適用できなかった。すなわち、特許文献１の変位測定方法において、縞模様の形成には一定の面積が必要で、ナットや六角穴付きボルトの軸力測定にも不向きであった。その簡易代用として締め付けトルク管理法が一般的に用いられていた。

これに対し、軸力計算装置４０を用いた実施例５の方法によれば、締結要素である六角ボルト３と被締結体４の回転角又は相対変位（すべり）をランダムパターン１の移動量より求める。これにより、実施例５の方法は、締め付けトルク管理法に限らず、回転角を管理した締め付けにも適用できる。

［比較例］
つぎに、比較例を１つ目〜５つ目にわたって列挙し、図面は省略して簡略に説明する。本発明の実施例１〜５より以前に一般的とされていた軸力の測定方法として、ひずみゲージ、超音波軸力計、ロードセル式軸力計、あるいは油圧式軸力計等を用いた手法が知られている。これら各種の測定方法は、性質に違いによって、つぎのように適応対象を区別される。

比較例の１つ目に列挙するひずみゲージは、測定対象がボルトである場合、そのボルトに対してひずみゲージを貼付できるように、貼り付け位置を設けるための加工が必要である。当然のことながら、ひずみゲージは、測定時に装着したセンサを取り外してから、製品化する際の本締めをやり直すといった手間を要する。このひずみゲージの貼り付け場所は、ボルト頭部の首下の円筒部、ボルト頭部の表面に設定するほか、埋設する場所を穴加工して確保する手法もある。

このような貼り付け場所に貼付されたひずみゲージから、測定値認識処理部までの間に敷設する配線処理にも工数を要する。したがって、ひずみゲージは、多数のボルトに対する軸力測定には不向きである。一般的に、ひずみゲージをボルト頭部の表面に貼り付けた場合、ボルトの偏心等、初期不整の影響を受けるため、ひずみゲージをボルト軸部に貼り付けた場合に比べて、軸力の測定精度が低い。

また、比較例の２つ目に列挙する超音波軸力計は、塑性域締め付けに不向きで、ボルトの追加工が必要な場合がある。また、比較例の３つ目に列挙するロードセル式軸力計、及び油圧式軸力計は、トルクと軸力の関係を検証する機能により校正データを作成する用途に好適であるが、実製品への適用には不向きである。不向きな理由は、測定後にセンサその他の計測装置を取り外すためにボルト締結を緩める必要がある等による。

管理対象とする締結要素に対し、軸力管理を主目的とし、締め付けトルクを管理することで間接的に主目的を達成させる管理手法が一般的に用いられている。しかし、一般的に、締め付けトルクの精度は、比較例の４つ目に列挙するインパクトレンチだけで±２０％〜±４０％程度のバラツキ範囲内とされ、これに摩擦係数のバラツキの影響も重畳される。

その結果、主目的とする軸力管理の実力は、より低精度となる。したがって、管理対象とする締結要素に対し、インパクトレンチによる高精度な軸力管理は困難である。一方、比較例の５つ目に列挙する機械的張力法によれば、締め付けトルクによる間接的な管理法よりも高い精度で軸力管理できる。

また、機械的張力法には、油圧テンショナや機械式テンショナ等のボルトテンショナを用いて、正確な軸力値でボルトを締め付ける方法が知られる。このボルトテンショナは、油圧でボルトを引っ張り、引張荷重により直接ボルトに軸力をかけて締め付けるため、非常に正確な軸力値でボルトを締め付けられる。なお、この機械的張力法は、校正用に好適であるが、実製品への適用に不向きな点で、比較例の３つ目に列挙したものと同様である。

このボルトテンショナは、フランジ面やボルトのねじ面を傷めずナット座面との摩擦の影響がない。このようにボルトテンショナは、摩擦の影響がなく、トルク管理よりも正確な軸力管理ができる。そのためトルク管理よりも正確な軸力管理によりボルト締め付けできるが、大型の締め付け工具が必要となる欠点もある。

比較例の１つ目に列挙したひずみゲージは、１枚で１点のひずみを測定する機能にとどまる。これに対し、軸力計算装置４０で用いた画像相関法は、測定対象物の表面に描かれたランダムパターン１を撮像した画像の変化を比較し、変位を算出する手法であり、つぎの点で優れている。

まず、軸力計算装置４０に適用する画像相関法は、ひずみ分布を非接触に測定可能である点で優れている。この画像相関法は、複数のカメラを用いることで、３次元表面の変位及びひずみまでも、非接触に測定できる。この軸力計算装置４０のように、締結要素の偏心を原因とする軸力の誤差を、偏心量に基づいてリアルタイムに校正しながら、より高精度な軸力を算出できるように、その画像相関法を利用した従来例はない。

実施例１に係る締結要素の偏心量による誤差を軽減可能な軸力計算装置４０は、つぎのように総括できる。
［１］軸力計算装置４０は、測定対象である締結要素の画像を撮像するデジタルカメラ６と、画像を処理する計算機７と、を備えて、締結要素の軸力を算出する装置である。

デジタルカメラ６は締結要素の表面に形成されたランダムパターン１の変化を検出する画像を撮像する。ランダムパターン１は、締結要素の位置ひずみを顕在化させるため、測定対象である締結要素の表面に形成される。変化を検出する画像は、一例として、変化する前後の画像をそれぞれ撮像して比較し、その変位に基づいて画像相関分析を可能にする。

計算機７は、画像相関分析部８と、偏心量計算部１０と、軸力計算部１１と、を備えている。画像相関分析部８は、ランダムパターン１の変化を検出する画像に基づいて画像相関分析することによりひずみ分布を算出する。偏心量計算部１０は、画像相関分析の結果として取得されたひずみ分布から締結要素の偏心量を算出する。

軸力計算部１１は、ひずみ分布に基づいて締結要素の軸力を大まかに算出可能であるが、締結要素に偏心があれば、それを原因として算出された軸力に誤差が含まれていることがある。そこで、軸力計算部１１は、大まかに算出された軸力に対し、ひずみ分布から算出された偏心量に基づいて校正する。その結果、軸力計算装置４０は、より正確に軸力を算出することが可能となる。

このように、軸力計算装置４０は、センサの着脱を要するような比較例の１つ目に説明したひずみゲージと違って、実製品化に向けて締結要素を締結している最中ばかりか、締結後の長期間にわたって継続的に偏心量を測定しながら、その偏心の影響による軸力の誤差を校正することが可能である。

つまり、締結要素の締結初期から、その後、長期保存段階のいつの時点であるかを問わず、軸力の測定精度を向上させられる。したがって、軸力計算装置４０によれば、測定対象の締結要素に偏心があっても、その偏心を原因とする誤差を軽減した軸力を非接触で簡便かつ高精度に繰返し長期間測定できる。

［２］ランダムパターン１は、塗布、吹き付け、シールの接着、転写、印字の少なくとも何れかによって形成される。ランダムパターン１の多くは無作為な模様であるが、規則性を有する縞模様も含める。このランダムパターン１は、締結要素の測定対象とする部位に作成され、その部位の位置ひずみを視覚的に顕在化させて観測し易くする。

［３］軸力計算装置４０は、解析データと、校正データと、を保存したデータベース１２を備えた。解析データは、締結要素についてランダムパターン１で顕在化した位置の変位を有限要素解析して生成される。校正データは、締結要素の軸力について、軸力計算装置４０での計算値を校正試験による実験値で軸力を校正するためのデータである。

［４］軸力計算装置４０は、データベース１２を備えている。そのデータベース１２には、機械的張力法による所定の軸力にて締結要素を締結した条件の下に取得された、つぎの２種類の情報が保存される。１つ目の情報は、位置の変位データである。この変位データは、締結要素の観測部位に作成されたランダムパターン１により顕在化された変位模様をカメラ６で撮像し、画像相関分析部８により処理されて利用可能にされたデータである。

２つ目の情報は、締結要素について、変位データを基に算出された軸力に対する校正データである。機械的張力法の条件の下に取得された２種類の情報は、締め付けトルク管理法条件の下に取得される軸力及び偏心量の情報よりも格段に高精度である。したがって、この軸力計算装置４０は、簡便な締め付けトルク管理法で取得される情報と、上述した２種類の情報と、に基づいて締結要素の軸力及び偏心量をより高精度に算出できる。

［５］軸力計算装置４０は、データベース１２を備えている。そのデータベース１２には、つぎの３種類の情報が保存される。１つ目の情報は、上記［４］で説明した変位データである。２つ目の情報は、締め付けトルク管理法において、締結要素に加えたトルクである。３つ目の情報は、加えたトルクに対する軸力の関係を校正するトルク校正データである。

このトルク校正データには、締め付けトルク管理法で適用可能な既知の摩擦係数も含まれる。この軸力計算装置４０は、軸力計算部１１が、変位データと、締結要素に加えたトルクと、上述の摩擦係数を含むトルク校正データと、を用いて締結要素の軸力及び偏心量をより高精度に算出する。

［６］軸力計算装置４０は、校正データベース９を備えている。その校正データベース９には、つぎの２種類の情報が保存される。１つ目の情報は、締結要素の校正試験又は有限要素解析によって生成された締結要素の軸心に対する被締結体の穴中心のずれ量である。

２つ目の情報は、ランダムパターン１が作成された位置の変位に対する位置変位校正データである。この軸力計算装置４０において、校正データベース９に保存された穴中心のずれ量と、位置変位校正データと、を用いて締結要素の軸力を校正し、その校正された軸力に基づいて、締結要素の軸心と被締結体の穴中心とのずれ量を算出する。

［７］軸力計算装置４０は、校正データベース９を備えている。その校正データベース９には、つぎの２種類の情報が保存される。１つ目の情報は、締結要素の校正試験又は有限要素解析により生成される情報であり、締結要素の軸の中心に対し周方向に及んで、被締結体の縁との距離や形状の不均一さを捉えたデータである。

２つ目の情報は、ランダムパターン１における位置に対する位置変位校正データである。この軸力計算装置４０において、校正データベース９に保存された不均一さのデータと、位置変位校正データと、を用いて締結要素の軸力を校正し、その校正された軸力に基づいて、締結要素の軸心とその被締結体の穴中心とのずれ量を算出し、被締結体の不均一さを算出する。

［８］軸力計算装置４０は、校正データベース９を備えている。その校正データベース９には、つぎの２種類の情報が保存される。１つ目の情報は、締結要素の校正試験又は有限要素解析によって生成された締結要素の頭部の中心と軸心とのずれ量である。

２つ目の情報は、ランダムパターン１が作成された位置の変位に対する位置変位校正データである。この軸力計算装置４０において、校正データベース９に保存された位置変位校正データを用いて締結要素の軸力を校正し、その校正された軸力に基づいて、締結要素の頭部の中心と軸心とのずれ量を算出する。

［９］軸力計算装置４０は、校正データベース９を備えている。その校正データベース９には、つぎの２種類の情報が保存される。１つ目の情報は、締結要素の締結後に外力を負荷した負荷外力に対する校正試験による実験値と、被締結体の締結面の口開き量を有限要素解析によって求めた数値と、の少なくともいずれかである。

２つ目の情報は、締結要素にかけた負荷外力により発生した軸力に対する校正データである。この軸力計算装置４０において、校正データベース９に保存された校正データを用いて締結要素の軸力を校正し、その校正された軸力に基づいて、口開き量を算出する。

［１０］本発明の実施例５に係る軸力計算方法（実施例５の方法）は、図８に示すように、締結要素がボルト２であり、そのボルト２及び被締結体４の両方にランダムパターン１を作成し、校正試験又は有限要素解析によってボルト２と座金３又は被締結体４の回転角をランダムパターン１の移動量より求める。

実施例５の方法では、軸力計算装置４０を用いるが、それには校正データベース９が備えられている。この校正データベース９には、締結要素について、回転角に応じた軸力に対する校正データが保存されている。実施例５の方法では、この校正データを利用して、回転角に応じた軸力をより正確に算出できる。

［１１］実施例５の方法は、つぎの工程を実行する。まず、締結要素のボルト２及び被締結体４にランダムパターン１を作成する工程を実行する。つぎに、被締結体４に対し、締結要素であるボルト２の相対変位を算出する工程を実行する。つぎに、被締結体４に対し、締結要素であるボルト２の回転ゆるみ又は相対すべり、あるいは被締結体４の相互間における相対すべりを検出する工程を実行する。

［１２］軸力計算装置４０を用いて実行する実施例２〜５の方法において、締結要素の形状は、つぎの少なくとも何れかに該当する。ボルト頭部の高さを（例えばＪＩＳやＩＳＯの）規格値よりも低くした形状とする。ボルトの座面外径を規格値よりも拡大した形状とする。ボルト頭部の中心に凹部を設けた形状とする。このような加工により、わざと剛性を低下させたボルト頭部に形成されたランダムパターン１は、位置ひずみを増幅して表示する作用がある。この作用により、軸力と偏心量の検出を高精度化する効果が得られる。

［１３］軸力計算装置４０を用いて実行する実施例２〜５の方法は、つぎの工程を有する。まず、測定対象である締結要素の表面にランダムパターン１を形成する工程を実行する。つぎに、ランダムパターン１の画像を撮像する工程を実行する。つぎに、撮像された画像のひずみ分布に関して画像相関分析することにより偏心量を算出する工程を実行する。つぎに、ひずみ分布から締結要素の偏心を算出する工程を実行する。つぎに、ひずみ分布と偏心量より締結要素の軸力を算出する工程を実行する。

１ ランダムパターン、２ 六角ボルト、３ 座金、４ 被締結体、５ 締め付け工具、６ デジタルカメラ、７ 計算機、８ 画像相関分析部、９ 校正データベース、１０ 偏心量計算部、１１ 軸力計算部、１２ 内部データベース、１３ 外部データベース、１４ 軸力、１５ 外力、１６ 六角ボルトの頭頂面、１７ 六角ボルトの先端面、１８ 六角ボルトの頭部の首下の円筒面、１９ ナット、２０ ナットの端面、２１ ナットの側面、２２ 座金、２３ 座金の端面、２４ 座金の側面、２５ 六角穴付きボルト、２６ 六角穴付きボルトの頭部の穴、２７ 六角穴付きボルトの先端面、２８ 六角穴付きボルトの首下の円筒面、２９ 偏心が無いときのひずみ分布グラフ、３０ 偏心があるときのひずみ分布グラフ、３１ タイヤ、３２ ホイール、３３ （ランダムパターン１を塗布した）締結要素、３４ 被締結体又は座金のランダムパターン、４０ 軸力計算装置

Claims (12)

1. 測定対象である締結要素の画像を撮像するデジタルカメラと、前記画像を処理する計算機と、を備えて、前記締結要素の軸力を算出する軸力計算装置であって、
   前記デジタルカメラは前記締結要素の表面に形成されたランダムパターンの変化を検出する画像を撮像し、
   前記計算機は、
   前記変化を検出する画像に基づいて画像相関分析することによりひずみ分布を算出する画像相関分析部と、
   前記ひずみ分布から前記締結要素の偏心量を算出する偏心量計算部と、
   前記ひずみ分布及び前記偏心量に基づいて前記締結要素の軸力を算出する軸力計算部と、
   を備え、
   前記軸力計算部は前記締結要素の偏心を原因とする前記軸力の誤差を前記偏心量に基づいて校正する、
   軸力計算装置。
2. 前記ランダムパターンは、塗布、吹き付け、シールの接着、転写、印字の少なくとも何れかによって形成される、
   請求項１に記載の軸力計算装置。
3. 前記締結要素について前記ランダムパターンで顕在化された位置の変位を有限要素解析した解析データと、
   校正試験に基づく前記締結要素の軸力に対する軸力校正データと、
   を保存したデータベースを備えた、
   請求項１又は２に記載の軸力計算装置。
4. 機械的張力法による所定の軸力にて前記締結要素を締結した条件において、
   前記締結要素について前記ランダムパターンで顕在化された位置の変位データと、
   校正試験に基づく前記締結要素の軸力に対する軸力校正データと、
   を保存したデータベースを備えた、
   請求項１又は２に記載の軸力計算装置。
5. 締め付けトルク管理法で所定のトルクにて前記締結要素を締結した条件において、
   前記締結要素について前記ランダムパターンで顕在化された位置の変位データと、
   前記締結要素のトルクに対するトルク校正データと、
   を保存したデータベースと、
   を備え、
   前記軸力計算部は、前記トルク校正データと、前記締め付けトルク管理法で適用可能な既知の摩擦係数と、を用いて前記締結要素の軸力を算出する、
   請求項１又は２に記載の軸力計算装置。
6. 前記締結要素の校正試験又は有限要素解析によって生成された前記締結要素の軸心に対する被締結体の穴中心のずれ量と、
   前記ランダムパターンが作成された位置の変位に対する位置変位校正データと、
   を保存した校正データベースを備え、
   該校正データベースに保存された前記ずれ量と、前記位置変位校正データと、を用いて前記締結要素の軸力を校正し、前記締結要素の軸心と前記被締結体の穴中心とのずれ量を算出する、
   請求項５に記載の軸力計算装置。
7. 締結要素の校正試験又は有限要素解析により生成され、締結要素の軸の中心に対し周方向に及んで、被締結体の縁との距離や形状の不均一さを捉えたデータと、
   前記ランダムパターンにおける前記位置変位校正データと、
   を保存した校正データベースを備え、
   前記位置変位校正データを用いて前記締結要素の軸力を校正し、前記ずれ量を算出し、前記被締結体の不均一さを算出する、
   請求項６に記載の軸力計算装置。
8. 前記締結要素の校正試験又は有限要素解析によって生成された前記締結要素の頭部の中心と軸心とのずれ量と、
   前記ランダムパターンにおける位置の変位の校正データと、
   を保存した校正データベースを備え、
   前記校正データを用いて前記締結要素の軸力を校正し、前記締結要素の頭部の中心と軸心とのずれ量を算出する、
   請求項６に記載の軸力計算装置。
9. 前記締結要素の締結後に外力を負荷した負荷外力に対する校正試験又は有限要素解析によって被締結体の締結面の口開き量と前記負荷外力と前記締結要素の軸力の校正データを保存した校正データベースを備え、
   前記校正データを用いて前記締結要素の軸力を校正し、前記口開き量を算出する、
   請求項５に記載の軸力計算装置。
10. 前記締結要素及び被締結体の両方にランダムパターンを作成し、校正試験又は有限要素解析によってボルトと座金又は被締結体の回転角をランダムパターンの移動量より求め、前記回転角と前記締結要素の軸力の校正データを保存した校正データベースを備えた、
    請求項１に記載の軸力計算装置。
11. 前記締結要素及び被締結体にランダムパターンを作成し、前記締結要素と前記被締結体の相対変位を算出し、前記締結要素と前記被締結体の回転ゆるみ又は相対すべり、あるいは複数の前記被締結体が締結された両者間の相対すべりを検出する、
    請求項１に記載の軸力計算装置。
12. 前記締結要素の形状は、
    ボルト頭部の高さを規格値よりも低くした形状と、
    ボルトの座面外径を規格値よりも拡大した形状と、
    ボルト頭部の中心に凹部を設けた形状と、
    少なくとも何れかに該当することにより、前記軸力と前記偏心量の検出を高精度化させるように前記ランダムパターンから取得される位置ひずみ出力を増大させた、
    請求項１に記載の軸力計算装置。

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