JP4052110B2 - 振動波判定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば組付作動など対象物の作動時に生ずる振動波に基いて、対象物の状態、例えば複数個所にある嵌合状態を判定する振動波判定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば特許文献１の実施形態３には、対象物をハンマーなどで軽くたたき、そのとき発生する音または振動をウエーブレット変換演算手段により周波数分離して、周波数帯域毎の時系列信号を形成し、この時系列信号の判定に基いて、対象物の内容の判別、構造物の割れの検査などを行う技術が記載されている。なお、本明細書では、音と振動を総称して振動波という。
【０００３】
特許文献１によれば、対象物の特定個所より生ずる振動波に的を絞って判定処理することは可能と思われる。しかしながら、対象物の複数個所より同時もしくは連続して振動波が生じ、それらの振動波が重なるようにして発生する場合には、重なった複数の振動波の個々の作動状態まで判定することは難しい。
【０００４】
そこで、本出願人は、特願２００２−２５７５６４において、対象物からの振動波（音圧信号）をウエーブレット変換演算手段により周波数分離して第１の時系列信号を形成し、この第１の時系列信号から、対象物の所定作動状態（ここでは嵌合状態）を示す目的作動音（ここでは嵌合音）が生じる予め定めた周波数帯域毎の第２の時系列信号を取出し、この第２の時系列信号を利用して対象物より生じる目的作動音（嵌合音）の個数を判定することを提案した。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−３００７３０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、対象物に複数の嵌合個所がある製品（部品）の組付けに際し、各嵌合個所が略同時に嵌合する場合もあるし、組付ける製品形状のばらつきや組付け治具による組付け動作のばらつき等により、各嵌合個所が時間的に僅かにずれて嵌合する場合もある。
【０００７】
その場合、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、略同時の場合と僅かにずれている場合とでは時間軸上において嵌合音である音圧信号の大きさが異なり、例えば（ｂ）に示す僅かにずれて嵌合する分離音の方が音圧信号のレベルが大きくなり、両者を一律に判定できないことが分かってきた。
【０００８】
本発明は、上記点に鑑みてなされたものであって、対象物の作動時に生ずる振動波の大きさに応じてこの振動波の検出処理レベルを調整し、対象物の複数箇所より振動波が生じる場合でもそれらの状態を精度良く判定することが可能な振動波判定装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１ないし請求項６に記載の技術的手段を採用する。
【００１０】
請求項１記載の発明によれば、対象物の複数個所を嵌合する際に生ずる振動波を検出入力する振動波入力手段と、入力された振動波を周波数分離して所定の周波数帯域毎の第１の時系列信号を形成するウエーブレット変換演算手段と、第１の時系列信号から、対象物の嵌合音が生じる予め定めた周波数帯域毎の第２の時系列信号を取出す信号処理手段と、
対象物の複数個所の嵌合音が略同時に発生したか、ずれて発生したかによって異なる第２の時系列信号の大きさに応じて、補正係数を設定する補正係数設定手段と、補正係数に基づいて、予め定めた周波数帯域毎の第２の時系列信号のレベルを補正して、対象物の複数個所の嵌合音が略同時に発生した場合と、ずれて発生した場合とで、大きさを揃えた第３の時系列信号を生ずる補正手段と、第３の時系列信号に基づいて、対象物より生じる嵌合音の個数を、対象物の複数個所の嵌合音が略同時に発生した場合と、ずれて発生した場合とで同様の判定値を用いて判定する判定手段とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
それにより、対象物の複数個所の嵌合音が略同時に発生したか、ずれて発生したかによって対象物より生じる嵌合音の大きさが変化する場合でも、第２の時系列信号の大きさに応じて補正係数を設定し、判定手段に与える第３の時系列信号の大きさを補正できる。その結果として、第３の時系列信号の大きさを揃えることができるので、対象物より生じる嵌合音の個数を、対象物の複数個所の嵌合音が略同時に発生した場合と、ずれて発生した場合とで同様の判定値を用いて精度良く判定することが可能になる。
【００１２】
請求項２記載の発明によれば、信号処理手段は、第１の時系列信号のノイズ除去を行うフィルタ処理手段を設けたことにより、対象物の嵌合音以外の信号を縮小もしくはカットして、判定処理の精度を向上させることが可能となる。
【００１３】
請求項３記載の発明によれば、補正係数設定手段は、基本補正係数を設定した基本補正テーブルと、第２の時系列信号の大きさに応じて調整係数を求める調整係数算出手段とを有し、調整係数に基いて基本補正係数を求めることで、基本補正テーブルを共通利用して種々の補正係数を設定でき、少ないメモリ容量で柔軟な対応が可能となる。
【００１４】
請求項４記載の発明によれば、補正手段は、補正係数に基いて、フィルタ手段から生じる予め定めた周波数帯域毎の第２の時系列信号のレベルを補正して第３の時系列信号を生ずるようにしたことで、対象物の複数個所の嵌合音が略同時に発生したか、ずれて発生したかによって異なる第２の時系列信号の大きさに応じて判定手段に与える第３の時系列信号の大きさを補正可能になる。
【００１５】
請求項５記載の発明によれば、判定手段は、予め定めた周波数帯域毎の第３の時系列信号の波形形状に基く面積相当値を加算する音量算出手段を有し、この加算した値に基いて、対象物より生じる嵌合音の個数を判定している。それにより、対象物の作動環境が異なり嵌合音の生じ方がばらつく場合でも、加算した値、つまりトータル音量を用いることで判定精度を向上させることが可能となる。特に、対象物の複数箇所より生じる嵌合音の判定処理に有効である。
【００１６】
請求項６記載の発明によれば、音量算出手段は、第３の時系列信号の包絡線もしくはピーク値に従って、第３の時系列信号の波形形状に基く面積相当値を求めることで、比較的容易に面積相当値の算出が可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態について図を用いて説明する。
【００１８】
以下の説明では、対象物として部品（もしくは製品）の組付作業時に発生する組付音（嵌合音）を検出することにより部品の組付（嵌合）不良を判定する例について説明する。しかしながら、本発明の振動波判定装置１００は、この用途に限定されず、その他の用途にも適用可能である。また、音の代わりに振動の検出にも適用できる。
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態におけるシステム構成を示す。
【００２０】
ここで、対象物１として本例では樹脂製部品の自動組付、特に組付時に大きな音が生じる例として、図２、３に示すようなスナップフィット機構を用い、図示してない組付設備等により両部品１１０、１２０を組付ける作業工程からの音発生例を挙げている。図２は、有底筒状上蓋部品１１０における複数の嵌合部１０１に開けた各孔部１０２に、有底筒状下蓋部品１２０における複数の嵌合部１０３に設けた各突部１０４を嵌合させる状態を示している。この場合、下蓋部品１２０が上蓋部品１１０内に挿入されると共に、各突部１０４が各孔部１０２内に略同時に嵌合し、スナップフィット機構により固定されることになる。
【００２１】
図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、両部品１１０、１２０の組付時に発生する振動波の一例であり、（ａ）が組付け動作状態を示し、（ｂ）が組付け良好時、（ｃ）が組付け不良時の振動波を示す。図３（ｂ）、（ｃ）中の組付け音レベルから分かるように組付良否に応じて嵌合音の音圧レベルが変化する。
【００２２】
組付時の音発生の特徴として、組付設備等の動きに伴なう機械作動音と嵌合状況を伝える嵌合音（つまり判定したい目的作動音）とが発生し、両音は部品の組付スピード等の大きさに応じた音圧レベルを有すると共に、両音の音圧レベルは互いに相関して変化することである。
【００２３】
マイクロホン２は、振動波判定の対象物１に発生した振動を音波として検出して電気信号に変換する。マイクロホン２から入力された音圧の電気信号は、振動波判定装置１００の増幅器３に入力されて、A／D変換器４に出力される。このA／D変換器４では音圧信号をデジタル信号に変換して、後段の記憶装置５に出力され記憶処理される。
【００２４】
ウエーブレット変換（Wavelet Transform）演算器６は、所定のタイミングにて記憶装置５に記憶されたデジタル音圧信号Ｓ０を取込み、このデジタル音圧信号Ｓ０を、予め設定された周波数帯域毎に分離し、時系列信号Ｓ１に変換する。一般にウエーブレット変換演算器６は、基底関数（ウエーブレット関数）を拡大あるいは縮小することにより、デジタル音圧信号Ｓ０を各周波数帯域毎の時系列信号Ｓ１に分離する演算器である。本例では、組付音として１つ以上のスナップフィット機構より発生する目的作動音である嵌合音に合わせた周波数帯域が設定されている。なお、この周波数帯域は、対象とする嵌合音の特性に応じてそれぞれ１つまたは複数の周波数帯域の集合帯域からなる。
【００２５】
フィルタ処理器７は、信号処理手段を構成し、周波数帯域毎の時系列信号Ｓ１から嵌合音以外の周波数帯域の信号を縮小もしくはカットし、時系列信号Ｓ２として出力する。
【００２６】
補正係数設定器８は、補正係数設定手段を構成し、嵌合音に対応する時系列信号Ｓ２の信号レベルの大きさに応じて後述する補正器９に与える補正係数を設定する。つまり、対象物１の複数箇所より生じる嵌合音が略同時に発生による同時音か、もしくは僅かに遅れて生じる分離音かによって、その音圧信号Ｓ０の大きさが異なり、ひいては時系列信号Ｓ１、Ｓ２の大きさも異なってくる。そのような場合でも後段の判定器１０では同様の閾値を用いて嵌合音個数の判定処理を可能とするために、時系列信号Ｓ２のレベル調整を行う。それにより、後述する判定器１０において、嵌合音個数の判定に基く嵌合良否の判定精度を向上させることができる。
【００２７】
ここで、時系列信号Ｓ２の信号レベルの大きさとは、ノイズ等をマスクできる所定レベル以上の時系列信号Ｓ２部分の波形形状に基く面積相当値、もしくは複数の周波数帯域に嵌合音が存在する場合には、上記所定レベル以上の各時系列信号Ｓ２部分の波形形状に基く面積相当値の合計値が相当する。
【００２８】
補正係数設定器８の一例としては、図１に示すように、各時系列信号Ｓ２部分の波形形状に基く面積相当値ｓｓ１、ｓｓ２、・・・の合計値ＳＳを求め、この合計値ＳＳと基準値ＳＳ０との比より調整係数ｋを求める調整係数算出手段８１と、周波数帯域ｆ１、ｆ２、・・・毎の基本補正係数ａ０、ｂ０、・・・を設定した基本補正テーブル８２と、この基本補正係数ａ０、ｂ０、・・・を上記調整係数ｋにて調整（例えばａ０×ｋ、・・・）して、周波数帯域ｆ１、ｆ２、・・・毎の補正係数ａ１、ｂ１、・・・を求める設定手段８３とを備えている。
【００２９】
なお、時系列信号Ｓ２部分の波形形状に基く面積相当値ｓｓ１を求めるには、時系列信号Ｓ２の包絡線もしくは各ピーク値を検出して音圧信号レベルを把握し、この音圧信号レベルと時系列信号Ｓ２の発生期間の積による面積相当値に換算する。この処理を嵌合音が存在する周波数帯域毎に実施し、合計値ＳＳを求める。
【００３０】
補正器９は、補正手段を構成し、時系列信号Ｓ２を入力とする通常１つ以上の補正器９ａ、９ｂ・・・の集合体である。各補正器９ａ、９ｂは、補正係数設定器８から所定の周波数帯域毎に設定された補正係数ａ１、ｂ１、・・・（もしくは補正量か、ゲイン）を受けて、周波数帯域毎の時系列信号Ｓ２の重み付けを行い時系列信号Ｓ３を形成する。これは予め想定した嵌合音以外の周波数帯域の時系列信号Ｓ２はノイズと見なしてレベルを下げ、他方、嵌合音の中でもノイズの少ない周波数帯域を増幅してＳ／N比を向上させると共に、嵌合音が同時音か分離音かにより時系列信号Ｓ２の大きさが異なる場合にはその大きさを略そろえるためである。
【００３１】
判定器１０は、対象物１内の複数の嵌合箇所から生じる各嵌合音（目的作動音）が時間軸上で重なったり、あるいは僅かに遅れたりした場合にも、嵌合音の個数を判定する必要がある。そのために、嵌合箇所が重なった場合の重なり個数に応じた音圧信号の基準値（これは音圧信号レベルと発生期間の積による面積相当値を予め定めた周波数帯域毎に加算した値、いわゆる音量相当値）を予め求め、閾値テーブル１３に、嵌合音の重なり個数毎に定めた閾値として設定してある。
【００３２】
判定器１０の一例としては、補正器９より生じる周波数帯域毎の時系列信号Ｓ３部分の面積相当値、もしくは複数の周波数帯域に嵌合音が存在する場合には、各時系列信号Ｓ３部分の面積相当値の合計値を求める嵌合音音量算出手段１１と、これらの値と閾値テーブル１３に設定される所定の閾値との比較により嵌合音の個数を判定する判定処理手段１２とを備えている。
【００３３】
ここで嵌合音の重なり個数の判定要領について説明する。マイクロホン２が捕らえる振動波（音圧信号）には予め想定された嵌合音の他に、組付設備等の動きに伴なう機械作動音や設備周囲音等が含まれる。そこで、予め想定された嵌合音以外の音をカットした振動波（音圧信号）とすれば、重なった嵌合音の個数に応じて音圧レベルが変化する。その変化の仕方は、マイクロホン２の位置と各嵌合個所の環境その他が同じであれば重なった嵌合音の個数に比例して音圧レベルが増加する。ただ、各嵌合個所の環境その他が同じでないことが多いため、判定器１０の閾値としては、嵌合音の重なり個数毎に予め設定しておく方が望ましい。
【００３４】
しかも、嵌合音の重なり個数が同じであっても、各嵌合個所における嵌合タイミングが僅かに変動し、例えば図７（ａ）に示すような同時嵌合（同時音）の場合と、（ｂ）に示すような時間的に僅かに遅れた分離嵌合（分離音）する場合とでは、トータル音量（トータル音エネルギー量）が異なってくる。そのため、それを補正するために補正係数設定器８において予め嵌合音のトータル音量を把握し、判定器１０に与える時系列信号の大きさを補正器９にて補正することで、上記嵌合タイミングの変動の影響を抑制するようにしている。
【００３５】
また、各時系列信号Ｓ２の信号レベルとその発生期間の積による面積相当値の合計値は、嵌合音のトータル音量、もしくは嵌合音の重なり個数に相関している。
【００３６】
そこで、補正器９にて補正した各時系列信号Ｓ３の波形形状に基く面積相当値の合計値（トータル音量）と閾値とを比較することで、対象物より生ずる嵌合音の重なり個数を判定することができる。
【００３７】
判定器１０は、全ての嵌合が適切になされた場合には正常（合格）と判定し、嵌合されないものがある場合には異常（不合格）と判定し、表示器２１に判定結果を表示させる。また異常（不合格）の場合には警報器２２に出力し警報を発生させる。
【００３８】
次に、上記構成からなる振動波判定装置１００の判定フローをまとめると、図５のとおりである。図６は振動波の信号波形図である。
【００３９】
装置１００に判定開始が指示されると、対象物１から発生する振動波を、マイクロホン２〜記憶装置５によりデジタル音圧信号Ｓ０（図６（ａ））として録音（ステップ２０１）する。ウエーブレット変換演算器６では、このデジタル音圧信号Ｓ０を目的作動音である嵌合音に合わせた周波数帯域（図６（ｂ））をもつ時系列信号Ｓ１に分離、抽出（ステップ２０２）する。図６の例では、デジタル音圧信号Ｓ０のサンプリング周波数を４４KHzとし、周波数帯域１１が１１〜２２KHz、周波数帯域１０が５．５〜１１KHz、周波数帯域９が２．８〜５．５KHzで嵌合音が顕著に表れている。また機械作動音は２．８KHzから下の周波数帯域８〜６で現れており、周波数帯域毎のデータを区別することで分離が可能なことが分かる。次にフィルタ処理器７で、これらの時系列信号Ｓ１から嵌合音以外の周波数帯域を縮小もしくはカットし、嵌合音を抽出する（ステップ２０３）。図６（ｃ）は嵌合音以外の周波数帯域の信号をフィルタリングした時系列信号S２を示す。
【００４０】
次に補正係数設定器８で、所定レベル以上の時系列信号Ｓ２部分の波形形状に基く面積相当値ｓｓ１を求めると共に、この処理を嵌合音が存在する周波数帯域毎に実施し、合計値ＳＳを求める（ステップ２０４）。この合計値ＳＳと基準値ＳＳ０との比に基いて調整係数ｋを求め、基本補正テーブル８２にある基本補正係数ａ０、ｂ０、・・・を係数倍して補正係数ａ１、ｂ１、・・・を求める（ステップ２０５）。
【００４１】
次に補正器９で、補正係数ａ１、ｂ１、・・・を用いて、嵌合音に対応する時系列信号S２を補正して嵌合タイミングの変動による影響を抑制すると共に、S／N比を向上させる（ステップ２０６）。
【００４２】
次に判定器１０で、補正した時系列信号Ｓ３の波形形状に基く面積相当値を求めると共に、この処理を嵌合音が存在する周波数帯域毎に実施して合計値（トータル音量）を求め、それと閾値と比較することにより、対象物から生じる嵌合音の個数（つまり嵌合個所数）を求める。その個数と閾値テーブル１３で予め設定した嵌合個所数（閾値L）とを比較し、部品の組付（嵌合）良否を判定する（ステップ２０９）。閾値L以上であれば合格表示（全数嵌合良好）、閾値Ｌより小であれば不合格表示（嵌合不良あり）かつ警報出力を行う（ステップ２１０、２１１）ことになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態のシステム構成を示す構成図である。
【図２】図１の部品の組付工程の一部を示す説明図である。
【図３】（ａ）は図２の部品の組付工程の要部を示す説明図である。（ｂ）、（ｃ）は部品の組付工程において検出される音圧波形を示す図である。
【図４】図１の基本補正テーブル８２の内容を示す図である。
【図５】図１に示す振動波判定装置１００の処理フローを示すフローチャートである。
【図６】図１に示す振動波判定装置１００の信号波形図である。
【図７】（ａ）、（ｂ）は嵌合タイミングによる嵌合音の音圧レベルの変化を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 対象物
２ マイクロホン(振動波入力手段)
５ 記憶装置
６ ウエーブレット変換演算器
７ フィルタ処理器(信号処理手段)
８ 補正係数設定器（補正係数設定手段)
９ 補正器(補正手段)
１０ 判定器（判定手段）
１１ 嵌合音音量算出手段
１２ 判定処理手段
１３ 閾値テーブル
８１ 調整係数算出手段
８２ 基本補正テーブル
８３ 設定手段

Claims (6)

1. 対象物の複数個所を嵌合する際に生ずる振動波を検出入力する振動波入力手段と、
   入力された前記振動波を周波数分離して所定の周波数帯域毎の第１の時系列信号を形成するウェーブレット変換演算手段と、
   前記第１の時系列信号から、前記対象物の嵌合音が生じる予め定めた周波数帯域毎の第２の時系列信号を取出す信号処理手段と、
   前記対象物の複数個所の嵌合音が略同時に発生したか、ずれて発生したかによって異なる前記第２の時系列信号の大きさに応じて、補正係数を設定する補正係数設定手段と、
   前記補正係数に基づいて、予め定めた周波数帯域毎の前記第２の時系列信号のレベルを補正して、前記対象物の複数個所の嵌合音が略同時に発生した場合と、ずれて発生した場合とで、大きさを揃えた第３の時系列信号を生ずる補正手段と、
   前記第３の時系列信号に基づいて、前記対象物より生じる嵌合音の個数を、前記対象物の複数個所の嵌合音が略同時に発生した場合と、ずれて発生した場合とで同様の判定値を用いて判定する判定手段とを備えたことを特徴とする振動波判定装置。
2. 前記信号処理手段は、前記第１の時系列信号のノイズ除去を行うフィルタ処理手段を有することを特徴とする請求項１に記載の振動波判定装置。
3. 前記補正係数設定手段は、基本補正係数を設定した基本補正テーブルと、前記第２の時系列信号の大きさに応じて調整係数を求める調整係数算出手段とを有し、前記調整係数に基いて前記基本補正係数を修正して前記補正係数を求めることを特徴とする請求項１に記載の振動波判定装置。
4. 前記補正手段は、前記補正係数に基づいて、前記フィルタ手段から生じる予め定めた周波数帯域毎の前記第２の時系列信号のレベルを補正して第３の時系列信号を生ずることを特徴とする請求項３に記載の振動波判定装置。
5. 前記判定手段は、予め定めた周波数帯域毎の前記第３の時系列信号の波形形状に基く面積相当値を加算する音量算出手段を有し、この加算した値に基いて、前記対象物より生じる嵌合音の個数を判定することを特徴とする請求項１に記載の振動波判定装置。
6. 前記音量算出手段は、前記第３の時系列信号の包絡線もしくはピーク値に従って、前記第３の時系列信号の波形形状に基く面積相当値を求めることを特徴とする請求項５に記載の振動波判定装置。

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