JP4167841B2 - ニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システム - Google Patents
ニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システム Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、対象物の欠陥等を検査するシステムに係り、より詳細には検査対象物からの超音波のパルスエコー波形を分析することにより検査対象物の欠陥等を検査するニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムに関係する。
【０００２】
【従来の技術】
科学技術の発展に伴ない、従来の方法では加工困難な新材料や非常に高精度であることが要求される部品が出現している。
【０００３】
高精度な部品を製造するため、古くから天然の砥石を使用して手作業で刃物を研いだり、金属を磨いたりする作業が行われており、その後、天然の砥石を円盤状に形作り、手回しで回転させて能率を上げるように進歩した。
【０００４】
その後、砥石車を動力で駆動する研削盤が開発され、また、天然の砥石に代わる人造砥石が製造され、この両者の進歩が相俟って研削加工が重要な精密加工法として発展している。
【０００５】
上記人造砥石の一つである立方晶窒化ほう素(Cubic Boron Nitride：以下、ＣＢＮと称す)は、ダイヤモンド製造と同一の方法で合成された人工物であり、ダイヤモンド砥石と並び難削材の研削に多用されている。
【０００６】
ここで、研削加工時の砥石周速度は高速であり、回転による遠心力に加えて研削の負荷がかかり、砥石自体に大きな荷重が加わっている。
【０００７】
回転砥石は、砥石セグメントを金属製の台金に貼り付ける構造になっていることから、砥石と台金との接着面における剥離等の欠陥は大きな事故の原因となる可能性がある。
【０００８】
現在、その安全性を保障するため、標本抽出による回転試験が一般的に行われているが、高速回転で使用されるものに対して非破壊検査による全数検査の実施が求められている。
【０００９】
非破壊検査には様々な方法があるが、検査対象である材料の外部から超音波を照射し、材料からの超音波の反射波、或いは透過波を解析して欠陥の有無等を調べる超音波探傷法がその簡易性、安全性等の理由から広汎に用いられている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、超音波探傷法で得られた超音波波形による欠陥の評価は、現場の熟練した技術者によって行われ、該技術者の経験や勘に依るところが大きい。
【００１１】
しかし、熟練技術者の養成が困難である現状を考慮すると、技術者の勘や経験に依らず機械で自動的に欠陥を評価する方法が必要となっている。
【００１２】
超音波探傷法で得られたデータをもとに自動的に欠陥の評価を行う方法として、ニューラルネットワークを用いたものがあるが、ＣＢＮ砥石は、不規則な形状の砥粒、結合剤、気孔から成る不均質で複雑な構造であるため、超音波の乱反射や散乱等で内部欠陥からの反射波の判定は困難を極めている。
【００１３】
本発明は上記実状に鑑み、検査対象物からの超音波のパルスエコー波形の分析により、自動的に検査対象物の欠陥等を検査することが可能なニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムの提供を目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するべく、本発明の請求項１に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムは、検査対象物のモデルに作成された欠陥部の測定域および健常部の測定域に超音波を照射し両測定域からの超音波反射波の波形をニューラルネットワークを用いて学習することにより欠陥を同定するニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムであって、モデルの欠陥部および健常部からの反射波形の第１または第２ピークの何れか一つを用いて位相を合わせるステップと、ニューラルネットワークを用いてピーク近傍の波形のデータを学習し、欠陥を同定するステップとを実行することを特徴としている。
【００１５】
本発明の請求項２に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムは、請求項１に記載のニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムにおいて、ピーク近傍の波形は、ピーク近傍の約１０波長以下の数のピークを含む波形であることを特徴としている。
【００１６】
本発明の請求項３に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムは、請求項１または請求項２に記載のニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムにおいて、検査対象物の測定域を端部域と中央部域に分割し、それぞれ個別に欠陥部であるか健常部であるかを判定することを特徴としている。
【００１７】
本発明の請求項４に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムは、請求項１から請求項３のうちの何れか一項に記載のニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムにおいて、検査対象物は、ＣＢＮセグメント砥石であり、該ＣＢＮセグメント砥石のセグメントと台金との接着面が測定域であることを特徴としている。
【００１８】
本発明の請求項５に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムは、検査対象物の測定域に超音波を照射し測定域からの超音波反射波形をニューラルネットワークを用いて分析することにより欠陥部であるか健常部であるかを判定するニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムであって、反射波の波形のピークの何れか一つを用いて位相を合わせるステップと、ピーク近傍の波形のデータから予め同様な方法の学習で決定されたニューラルネットワークを用いて欠陥部であるか健常部であるかを判定するステップとを実行することを特徴としている。
【００１９】
本発明の請求項６に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムは、請求項５に記載のニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムにおいて、位相を合わせる波形のピークは、第１ピークまたは第２ピークの何れかであることを特徴としている。
【００２０】
本発明の請求項７に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムは、請求項５または請求項６に記載のニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムにおいて、ピーク近傍の波形は、ピーク近傍の約１０波長以下の数のピークを含む波形であることを特徴としている。
【００２１】
本発明の請求項８に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムは、請求項５から請求項７のうちの何れか一項に記載のニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムにおいて、検査対象物の測定域を端部域と中央部域に分割し、それぞれ個別に欠陥部であるか健常部であるかを判定することを特徴としている。
【００２２】
本発明の請求項９に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムは、請求項５から請求項８のうちの何れか一項に記載のニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムにおいて、検査対象物は、ＣＢＮセグメント砥石であり、該ＣＢＮセグメント砥石のセグメントと台金との接着面が測定域であることを特徴としている。
【００２３】
本発明の請求項１０に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムを内蔵する超音波探傷機は、検査対象物の測定域に超音波を照射し測定域からの超音波反射波の波形をニューラルネットワークを用いて分析することにより欠陥部であるか健常部であるかを判定するニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムを内蔵する超音波探傷機であって、反射波の波形のピークの何れか一つを用いて位相を合わせるステップと、ピーク近傍の波形のデータから予め同様な方法の学習で決定されたニューラルネットワークを用いて欠陥部であるか健常部であるかを判定するステップとを実行することを特徴としている。
【００２４】
本発明の請求項１１に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムを内蔵する超音波探傷機は、請求項１０に記載のニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムを内蔵する超音波探傷機において、位相を合わせる波形のピークは、第１ピークまたは第２ピークの何れかであることを特徴としている。
【００２５】
本発明の請求項１２に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムを内蔵する超音波探傷機は、請求項１０または請求項１１に記載のニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムを内蔵する超音波探傷機において、ピーク近傍の波形は、ピーク近傍の約１０波長以下の数のピークを含む波形であることを特徴としている。
【００２６】
本発明の請求項１３に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムを内蔵する超音波探傷機は、請求項１０から請求項１２のうちの何れか一項に記載のニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムを内蔵する超音波探傷機において、検査対象物の測定域を端部域と中央部域に分割し、それぞれ個別に欠陥部であるか健常部であるかを判定することを特徴としている。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、実施例を示す図面に基づいて、本発明を詳細に説明する。
【００２８】
本発明における検査対象物は、研削盤において高速回転駆動される砥石車であり、図１に示すように、外周部にＣＢＮ砥石であるセグメントチップ２が複数接着されるＣＢＮセグメント砥石(検査対象物)１である。
【００２９】
該ＣＢＮセグメント砥石１における外周部のセグメントチップ２の接着不良等の欠損が検査対象となる。
【００３０】
本発明においては、まず、ＣＢＮセグメント砥石１の外周部の接着部に人為的な剥離欠陥(図３参照)を有するＣＢＮセグメント砥石(モデル)１′を作成して、図５に示すように、超音波水浸垂直探傷法により、このＣＢＮセグメント砥石１′を水中に沈め、その外周面１ｄに超音波を照射して剥離欠陥部と健常部との超音波反射波形を取得し、その特徴を調べた。
【００３１】
次に、その特徴を基に剥離欠陥部と健常部との超音波反射波形の２つの教師波形を階層型ニューラルネットワークを用いて剥離欠陥部と健常部として学習させることで、ＣＢＮセグメント砥石１の剥離欠陥部の検査に最適な階層型ニューラルネットワークのプログラムを作成し、ニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムを実現したものである。
【００３２】
なお、本システムは、ＣＢＮセグメント砥石の欠陥部の検査に限定されず、その他の構成部材の欠陥部の検査にも適用可能である。
【００３３】
以下、本発明の導出過程から詳細に説明する。
【００３４】
図１、図２に示すように、検査対象物であるＣＢＮセグメント砥石１は、短円柱形状の台金３と台金３の外周面(測定域、接着面)３ｃ上に貼り付けられる１１枚のセグメントチップ２とを備え構成されている。
【００３５】
台金３は、スチール製であり、軸心部に回転駆動軸のフランジ(図示せず)に固着される軸孔３ｈが穿孔されている。
【００３６】
セグメントチップ２は、ＣＢＮ砥粒が入っていないコア層２ａとＣＢＮ砥粒が入りコア層２ａの外周面に接着されるリム層２ｂとから構成され、リム層２ｂとコア層２ａとを合わせてセグメントチップと呼称されている。
【００３７】
ＣＢＮセグメント砥石１は、図２に示すように、台金３の外周面３ｃに１１枚のセグメントチップ２のコア層２ａがそれぞれ接着されることにより、１１枚のセグメントチップ２が台金３に貼り付けられ製造される。
【００３８】
なお、セグメントチップ２のコア層２ａは、ＣＢＮ砥石の台金３への接着強度を確保するための緩衝材であり、ＣＢＮセグメント砥石１において、コア層２ａとリム層２ｂとの接着強度に比べ、コア層２ａと台金３との接着強度は格段に小さく、接着不良が発生し易い構成である。
【００３９】
ここで、ＣＢＮセグメント砥石１の寸法は、図１に示すように、外径１００ｍｍ、幅２０ｍｍ、軸孔３ｈの径が１５．８ｍｍのものを例に挙げて説明する。
【００４０】
また、ＣＢＮセグメント砥石１のＣＢＮ砥石の人為的剥離欠陥を作成するため、実際に想定し得る接着不良欠陥形状や検出分解能に関係する検出限界等を解析段階で検討することを考慮し、図３(ａ)に示す剥離の無いセグメントチップ２に対し、図３(ｂ)〜図３(ｇ)に示す６種類の剥離形状を有するセグメントチップ２を準備することとする。
【００４１】
そこで、図３(ｂ)〜図３(ｇ)に示す６種類の剥離形状に対応するマスク(図示せず)を用意し、台金３の外周面３ｃにそれぞれのマスクを適宜、貼り付けてマスク箇所には接着剤が塗布されないようにして、その上から離型用溶剤を薄く塗布して乾燥させた薄膜を作る。
【００４２】
さらに、その上から接着剤を塗布した後に、貼り付けたマスクを剥がしその上からセグメントチップ２を通常通り接着し、図３(ｂ)〜図３(ｇ)に示す６種類の剥離形状を有するＣＢＮセグメント砥石１′を作成した。すなわち、図３(ｂ)〜図３(ｇ)の暗色部は、マスクにより接着剤が塗布されず剥離形状を呈する欠陥部となる。
【００４３】
例えば、図３(ｄ)に示す剥離形状の場合は、図４に示すような欠陥部である剥離部ｋ１をもつセグメントチップ２1を具えるＣＢＮセグメント砥石１′となる。
【００４４】
このようにして作成されたＣＢＮセグメント砥石１′を、超音波垂直探傷法を用いることにより上記欠陥部を含む探傷データを取得し、欠陥の有無を解析する。
【００４５】
図５に示すように、ＣＢＮセグメント砥石１′の台金３の軸孔３ｈにステッピングモータ(図示せず)に固定された回動軸ｄを固着するとともに、ＣＢＮセグメント砥石１′を水槽ｓの水中に沈める。
【００４６】
さらに、プローブｐから超音波をＣＢＮセグメント砥石１′の外周面１ｄに対して照射できるように、プローブｐを水中のＣＢＮセグメント砥石１′の外周面１ｄに対向させて配置する。ここで、プローブｐはＣＢＮセグメント砥石１′の外周面１ｄの幅方向に移動自在である。
【００４７】
また、プローブｐは、超音波探傷機Ｕに接続され、さらに超音波探傷機Ｕがデジタルオシロスコープｄｏに接続され、さらにデジタルオシロスコープｄｏがデスクトップパソコンｄpに接続されている。
【００４８】
上記プローブｐの動作は、超音波をＣＢＮセグメント砥石１′の外周面１ｄの測定点に対して照射すると、続いて該外周面１ｄの測定点からの超音波反射波を受信する構成である。
【００４９】
上記構成により、プローブｐから超音波がＣＢＮセグメント砥石１′の外周面１ｄの測定点に対して照射されると、該測定点からの超音波反射波がプローブｐで受信され、該超音波反射波が超音波探傷機Ｕに出力される。
【００５０】
超音波反射波が超音波探傷機Ｕに入力されると、超音波探傷機Ｕから超音波反射波の測定データがデジタルオシロスコープｄｏに入力され、デジタルオシロスコープｄｏの測定データの出力波形がデスクトップパソコンｄpに入力され、デスクトップパソコンｄpにおいて測定データが解析される。
【００５１】
ここで、ＣＢＮセグメント砥石１′の外周面１ｄの欠陥部の測定は、測定点として外周面１ｄを円周方向、および幅方向に分割して計測を行うものである。
【００５２】
ＣＢＮセグメント砥石１′の各測定点がプローブｐに対向するように、前記ステッピングモータでＣＢＮセグメント砥石１′を間歇回転駆動することにより、測定が行われる。
【００５３】
すなわち、プローブｐが測定点に対向すると、前記ステッピングモータを停止し、プローブｐから該測定点に対し超音波を照射し、続いて該測定点からの超音波反射波をプローブｐで受信し、１つの測定点に対する測定を終了する。
【００５４】
次に、次の測定点がプローブｐに対向するように前記ステッピングモータでＣＢＮセグメント砥石１′を回転駆動し、次の測定点にプローブｐが対向すると停止させ、プローブｐから超音波を照射し、続いて該測定点からの超音波反射波をプローブｐで受信する。
【００５５】
この動作を繰り返し、ＣＢＮセグメント砥石１′の外周面１ｄの１周の測定点に対して測定を終了すると、プローブｐをＣＢＮセグメント砥石１′の外周面１ｄの幅方向に測定点に対し１ピッチ測定箇所をずらし、次の１周の測定点に対する測定を上述と同様な操作で行う。
【００５６】
次に、具体的な計測について説明を行う。
【００５７】
プローブｐからＣＢＮセグメント砥石１′の外周面１ｄの測定点に超音波を照射し、該測定点からの超音波反射波をプローブｐで受信し、該超音波反射波が超音波探傷機Ｕで得られると、超音波探傷機Ｕからの測定点のデータのＲＦ出力をデジタルオシロスコープｄｏにおいて１０nsec間隔でサンプリングし、ＣＢＮセグメント砥石１′の外周表面の反射波から、接着面である台金３の外周面３ｃの反射波を含む５μsecの時間間隔の各測定点のデータを記録し解析に用いる。
【００５８】
図６(ａ)は、ＣＢＮセグメント砥石１′において健常部の測定点の位置を１０箇所適宜、変えて計測した波形を示しており、図６(ｂ)は、ＣＢＮセグメント砥石１′において欠陥部の測定点の位置を１０箇所適宜変えて計測した波形を示している。
【００５９】
なお、他の種々の寸法のＣＢＮセグメント砥石等の他の検査対象物においても同様な波形が得られるものである。
【００６０】
図７には、上記欠陥部の測定点の平均波形を実線で、上記健常部の測定点の平均波形を破線で示している。
【００６１】
図８は、欠陥部の波形と健常部の波形の振幅を特徴的に示した図である。
【００６２】
第１ピークＡ、第２ピークＢ、第３ピークＣ、…は、図１、図２に示すように、ＣＢＮセグメント砥石１′の接着面(台金３の外周面３ｃ)からの超音波反射波である。
【００６３】
欠陥部の波形と健常部の波形の振幅の特徴は、図７、図８に示すように、第１ピークＡと第２ピークＢの絶対値の大きさにあり、第１ピークＡと第２ピークＢの絶対値の比の値を元に欠陥の有無を判定したところ７割程度の確率で正確に判定できた。
【００６４】
このような検討結果から、次に、接着面(台金３の外周面３ｃ)の反射波形の波頭(図８のＡ)近傍の波形を入力とし、３層型ニューラルネットワークを構成して学習させ判定を行ったところさらに良好な結果が得られることが判明した。
【００６５】
そこで、上述の知見に基づいてニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのソフトウェアを開発することに着手した。
【００６６】
本発明に用いた階層型ニューラルネットワークは、中間層が一つもないニューラルネットワークでは解けない問題が存在することが分かっており、一方、中間層のユニット数が十分用意されていれば、任意の関数を３層ニューラルネットワークで実現できることが証明されている。
【００６７】
例えば、図９には、入力層ｈのユニット数が６、中間層ｉのユニット数が４、出力層ｊのユニット数が５の全結合型の３層型ニューラルネットワークを例示している。
【００６８】
ここで、出力層ｊの５つの各ユニットは、中間層の４つの全てのユニットと結合され中間層の各ユニットからの入力値に対してそれぞれｗjｉ(j＝１〜５、ｉ＝１〜４)という結合荷重を有する。
【００６９】
例えば、出力層ｊのj＝１のユニットは、中間層ｉのｉ＝１のユニットからの入力値に対してｗ11という結合荷重を有し、中間層ｉのｉ＝２のユニットからの入力値に対してｗ12という結合荷重を有し、中間層ｉのｉ＝３からのユニットの入力値に対してｗ13という結合荷重を有し、中間層ｉのｉ＝４からのユニットの入力値に対してｗ14という結合荷重を有している。
【００７０】
また、中間層ｊの４つの各ユニットは入力層の６つの全てのユニットと結合され入力層の各ユニットからの入力値に対してそれぞれｗｉhという結合荷重を有する。
【００７１】
例えば、中間層ｉのｉ＝１のユニットは、入力層ｈのｈ＝１のユニットからの入力値に対してｗ11という結合荷重を有し、以下同様に、入力層ｈのｈ＝２のユニットからの入力値に対してｗ12という結合荷重を、入力層ｈのｈ＝３からのユニットの入力値に対してｗ13という結合荷重を、入力層ｈのｈ＝４からのユニットの入力値に対してｗ14という結合荷重を、入力層ｈのｈ＝５からのユニットの入力値に対してｗ15という結合荷重を、入力層ｈのｈ＝６からのユニットの入力値に対してｗ16という結合荷重をそれぞれ有している。
【００７２】
ニューラルネットワークの学習アルゴリズムにバックプロパゲーション法を用いる場合には下記の誤差関数の最小化の解析が行われる。
【００７３】
ここで、出力層ｊの各ユニットに出力層ｊの各ユニットから出力されるべき所望の教師信号ｄj(ｊ＝１〜５)を与え、実際の情報処理に際して出力層ｊの各ユニットから出力される信号ｙjとの差を示す誤差関数Ｅ
を定義する。
【００７４】
そして、学習に際して各結合荷重ｗjｉ、各結合荷重ｗｉhにそれぞれ初期値を与え、１回の学習の度に各結合荷重ｗjｉを誤差関数Ｅを小さくする変化分Δｗjｉ
ｎ：学習回数
だけ変化させ、また各結合荷重ｗｉhを誤差関数Ｅを小さくする変化分Δｗｉh
ｎ：学習回数
だけ変化させて学習を行い、この学習を繰り返し学習を重ねるに従い誤差関数Ｅを小さくしていき、学習が終了することにより、各結合荷重ｗjｉおよび各結合荷重ｗｉhの値が決定される。
【００７５】
すなわち、学習することによって得られた各結合荷重ｗjｉ、各結合荷重ｗｉhの値が学習対象の情報を有することになる。
【００７６】
こうして、決定された各結合荷重ｗjｉ、および各結合荷重ｗｉhを用いて、当該学習対象に対する階層型ニューラルネットワークの情報処理が行われる。
【００７７】
本発明においては、入力層ｈの各ユニットに超音波探傷機による測定点からの超音波反射波の出力波形からサンプリングした振幅値を入力し、出力層ｊのユニットから測定点が欠陥部の場合には１を出力し、測定点が健常部の場合には０を出力する。
【００７８】
入力層ｈのユニット数を７５(ｈ＝１〜７５)、中間層ｉのユニット数を３０(ｉ＝１〜３０)、出力層ｊのユニット数を１(ｊ＝１)の３層の全結合型の３層型ニューラルネットワークを適用する。
【００７９】
したがって、欠陥部の測定点を学習する場合には、教師信号ｄ1＝１を設定し、健常部の測定点を学習する場合には、教師信号ｄ1＝０を設定する。
【００８０】
そして、出力関数ｙ(ｘ)(ｘは入力値)に一般的に用いられているシグモイド関数
を用い、Ｍ＝１．０、Ｓ＝０．０、Ｔ＝０．３と設定する。
【００８１】
次に、実際の階層型ニューラルネットワークを用いるシステムの開発手順について説明を行う。
【００８２】
まず、ＣＢＮセグメント砥石１′の外周面１ｄの欠陥部の測定は、測定点として外周面１ｄを円周方向に５００分割、幅方向に４０分割し合計２万点を計測することとする。
【００８３】
探傷法は、前述の水浸垂直反射法を用い、プローブ(探触子)ｐは共振周波数５ＭＨz、焦点距離５０．８ｍｍ、焦点径０．５ｍｍを用いた。
【００８４】
前述のように、上記各測定点に対してプローブｐから超音波を照射し、該外周面１ｄの測定点からの超音波反射波をプローブｐで受信する。
【００８５】
該超音波反射波による受信波形は、超音波探傷機Ｕ(クラウトクレーマー社製：USI550)からのＲＦ出力をサンプリングし、ＣＢＮセグメント砥石１′の外周面１ｄの超音波反射波から接着面(台金３の外周面３ｃ)の反射波を含む５μsecを記録する。
【００８６】
そして、階層型ニューラルネットワークを用いるシステムの学習処理は、デスクトップパソコンｄｐに内蔵したＣ言語で書かれたプログラムによって行われ、学習処理手順は、図１０に示すように行われる。
【００８７】
すなわち、
(ステップ１)
探傷を行うＣＢＮセグメント砥石１′の外周面１ｄ上の次の測定点をプローブｐに対向する位置に、ステッピングモータを稼動しＣＢＮセグメント砥石１′を回動させて移動する。
【００８８】
なお、ＣＢＮセグメント砥石１′の外周面１ｄ上の測定点１周の探傷が終了すると、プローブｐをＣＢＮセグメント砥石１′の幅方向に測定点間を１ピッチ移動させ次の１周の測定点の探傷を行うことになる。
【００８９】
(ステップ２)
該測定点に対して、プローブｐから超音波を照射し、該測定点からの超音波反射波をプローブｐで受信し、超音波探傷機Ｕからデジタルオシロスコープｄｏに出力する。
【００９０】
(ステップ３)
デジタルオシロスコープｄｏでアナログ信号からデジタル信号へ変換されデスクトップパソコンｄpに入力される測定データに対して、デスクトップパソコンｄpにおいて、２０ｎsecの一定間隔で１０２４点をサンプリングし、砥石表面(ＣＢＮセグメント砥石１′の外周面１ｄ)からの超音波反射波を受信した時刻を０とする (図１１参照、但し図１１に示す時間軸０は超音波反射波を得るために任意に設定したもので上記時刻０とは一致するものではない) 。
【００９１】
(ステップ４)
上記時刻０から０．４μsec戻った時刻から接着面(台金３の外周面３ｃ)での超音波反射エコー(図１１におけるピークＡ以降の波形)を越えて４．５μsec経過した時刻迄の測定データを抽出する。
【００９２】
(ステップ５)
(ステップ４)で抽出した測定データの中で、反射波形とみなされる波の振幅のうち、接着面(台金３の外周面３ｃ)からの反射波形である第１ピーク (正)(図８のＡ、図１１のＡ)と第２ピーク(負)(図８のＢ、図１１のＢ)の時間軸の位置を弾性波速度を基に検出する。
【００９３】
(ステップ６)
第２ピーク(図８のＢ、図１１のＢ)を基準に位相を合わせ、第２ピークの反射波形位置より０．８μsec戻ったところから１．５μsec進んだところまでの反射波形(ピーク近傍の波形)を時系列に７５等分して、その７５の振幅値を時系列の順に入力データとする。
【００９４】
(ステップ７)
(ステップ５)で得られた入力データを正規化(｜振幅値｜＜１)する。
【００９５】
(ステップ８)
１回目の学習であるか判断する。
【００９６】
(ステップ９-1)
１回目(ｎ＝１)の学習の場合、出力層のユニットにおける各結合荷重ｗjｉ(ｊ＝１、ｉ＝１〜３０)、各結合荷重ｗｉh(ｉ＝１〜３０、h＝１〜７５)のそれぞれ初期値を
｜ｗjｉ｜＜１、 ｜ｗｉh｜＜１ ｗjｉ、ｗjｉ≠０
のランダムの値を設定する。
【００９７】
(ステップ９-2)
２回目以降(ｎ≧２)の学習の場合、
(ステップ１０)
欠陥部の測定点の探傷か、健常部の測定点の探傷か判断する。
【００９８】
(ステップ１１-1)
欠陥部の測定点の探傷の場合は、教師信号ｄ1＝１を設定する。
【００９９】
(ステップ１１-2)
健常部の測定点の探傷の場合は、教師信号ｄ1＝０を設定する。
【０１００】
(ステップ１２)
(ステップ６)で得られた正規化された７５の振幅値の入力データを時系列の順に階層型ニューラルネットワークの入力層に入れて、ニューラルネットワークの学習を行う。
【０１０１】
(ステップ１３)
ニューラルネットワークによる学習が終了したかを判断する。
【０１０２】
(ステップ１４)
終了の場合、学習により、
出力層ｊの結合荷重ｗjｉ(j＝１、ｉ＝１〜３０)
中間層ｉの結合荷重ｗｉh(ｉ＝１〜３０、ｈ＝１〜７５) が決定する。
【０１０３】
以上が、ニューラルネットワークによる学習の処理である。
【０１０４】
上述の学習処理によって決定したニューラルネットワークのシステムによって、欠陥部(図の暗色部)と健常部をもつセグメントチップ２(図３、図４参照)を貼り付けたＣＢＮセグメント砥石１′を探傷し欠陥部か健常部かの判定をしたところ、図１２(ａ)に示すように、セグメントチップ２の幅方向(図１２(ａ)のＹ方向)の中央部域(図１２(ａ)の領域II)に比較して両端部域(図１２(ａ)の領域I)において判定の誤りが生じ、中央部域と両端部域とで超音波反射波の波形の特徴が異なることが判明した。
【０１０５】
そこで、探傷した位置により波形の特徴が変わるか否かを調べるため、欠陥部の無いセグメントチップ２上の波形のエネルギー分布を調べることにした。
【０１０６】
ここで、エネルギーＥtは、
ｎ ：全サンプリング点数
ａｉ：ｉ番目にサンプリングされた波形振幅
ｔｉ：ｉ番目の時間
ｄt：サンプリング間隔
で表される。
【０１０７】
上式を用いて欠陥部の無いセグメントチップ２を探傷することによって得られた波形を代入しエネルギー分布を計算した。
【０１０８】
図１２(ｂ)は、上記ＣＢＮセグメント砥石１′の欠陥部の無いセグメントチップ２上のエネルギー分布を示しており、色の薄いところはエネルギーの値が低く、色が濃いほどエネルギーの値が高いことを表している。
【０１０９】
この理由は、ＣＢＮセグメント砥石１′のセグメントチップ２の両端部域ではプローブｐからの超音波の照射面積が中央部域と比較し小さく、反射も少ないので、反射波形のエネルギーの値が中央部域よりも低くなり、反射波形の特徴が中央部域と異なるものと考えられる。
【０１１０】
上記結果を踏まえ、ＣＢＮセグメント砥石１′のセグメントチップ２の探傷を繰り返し検討を重ねたところ、図１２(ａ)に示すように、セグメントチップ２の端縁部２ｅからそれぞれ幅方向(図１２(ａ)のＹ方向)に２．５ｍｍ迄の両端部域(図１２(ａ)の領域I)と端縁部２ｅから２．５ｍｍより内部の中央部域(図１２(ａ)の領域II)とに分けて、それぞれ別々にニューラルネットワークの学習を行い、欠陥部と健常部との判定を別々に行うと正確な判定が行えることが分かった。
【０１１１】
そこで、上記セグメントチップ２の端縁部２ｅからそれぞれ幅方向(図１２(ａ)のＹ方向)に２．５ｍｍ迄の両端部域をニューラルネットワークで学習を行い両端部域における出力層ｊの結合荷重ｗ1jｉ(j＝１、ｉ＝１〜３０)と中間層ｉの結合荷重ｗ1ｉh(ｉ＝１〜３０、ｈ＝１〜７５)とを決定する。
【０１１２】
また、両端部域とは別に、端縁部２ｅから２．５ｍｍより内部の中央部域をニューラルネットワークで学習を行い中央部域における出力層ｊの結合荷重ｗ2jｉ(j＝１、ｉ＝１〜３０)と中間層ｉの結合荷重ｗ2ｉh(ｉ＝１〜３０、ｈ＝１〜７５)とを決定し、両端部域と中央部域とを別々に欠陥部と健常部との判定を行うものとする。
【０１１３】
次に、上述の学習により決定された検査対象物のＣＢＮセグメント砥石１のセグメントチップ２の両端部域における結合荷重ｗ1jｉ、ｗ1ｉhと、中央部域における結合荷重ｗ2j、ｗ2ｉhを用いるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムによる検査対象のＣＢＮセグメント砥石１の欠陥の判定について説明を行う。
【０１１４】
図１３に、検査時の機器の接続構成を示す。
【０１１５】
超音波水浸垂直探傷法による検査のため、検査面であるＣＢＮセグメント砥石１の外周面１ｄに超音波が照射できるように対向して配置されたプローブをもつ超音波探傷機Ｕ1には、欠陥判定結果データが表示されるデスクトップパソコンｄｐ1等の出力装置が接続される。
【０１１６】
上記システムのプログラムは、ＲＯＭ等に格納され、該ＲＯＭ等が図１４に示す超音波探傷機Ｕ１内に内蔵される。
【０１１７】
上述以外の構成は、図５に示し前述した構成と同様であるので説明を省略する。
【０１１８】
以下のＣＢＮセグメント砥石１の欠陥部の検査処理は、超音波探傷機Ｕ１に内蔵されるシステムのプログラムが実行されることにより行われる。
【０１１９】
続いて、図１４を用いてＣＢＮセグメント砥石１の欠陥部の検査処理を説明する。
【０１２０】
ここで、検査の結果、測定点が欠陥部である場合には判定結果値を１、健常部である場合には判定結果値を０と設定する。
【０１２１】
(ステップ１)
検査対象のＣＢＮセグメント砥石１上の次の測定点を、プローブｐから超音波を照射できる位置にステッピングモータを稼動し、ＣＢＮセグメント砥石１を回動させ移動させる。
【０１２２】
(ステップ２)
該測定点に対して、プローブｐから超音波を照射し、該測定点からの超音波反射波をプローブｐで受信する。
【０１２３】
(ステップ３)
該測定点に対して、プローブｐから超音波を照射し、該測定点からの超音波反射波をプローブｐで受信し、超音波探傷機Ｕにおいて測定データをアナログ信号からデジタル信号へ変換し、２０ｎsecの一定間隔で１０２４点をサンプリングし、砥石表面(ＣＢＮセグメント砥石１の外周面１ｄ)からの超音波反射波を受信した時刻を０とする。
【０１２４】
(ステップ４)
上記時刻０から０．４μsec戻った時刻から接着面(台金３の外周面３ｃ)での超音波反射エコーを越えて４．５μsec経過した時刻迄の測定データを抽出する。
【０１２５】
(ステップ５)
(ステップ４)で抽出した測定データの中で、反射波形とみなされる波の振幅のうち、接着面(台金３の外周面３ｃ)からの反射波形である第１ピーク (正)(図８のＡ、図１１のＡ)と第２ピーク(負)(図８のＢ、図１１のＢ)の位置を弾性波速度を基に検出する。
【０１２６】
(ステップ６)
第２ピーク(図８のＢ、図１１のＢ)を基準に位相を合わせ、第２ピークの反射波形位置より０．８μsec戻ったところから１．５μsec進んだところまでの反射波形を時系列に７５等分して、その７５の振幅値を時系列の順に入力データとする。
【０１２７】
(ステップ７)
(ステップ６)で得られた入力データを正規化(｜振幅値｜＜１)する。
【０１２８】
(ステップ８)
ＣＢＮセグメント砥石１の幅方向の両端部域の検査であるか、中央部域の検査であるか判断する。
【０１２９】
(ステップ９-1)
両端部域の検査である場合、両端部域の出力層ｊの結合荷重ｗ1jｉ、結合荷重ｗ1ｉhを用いるニューラルネットワークによる判定処理を行う。
【０１３０】
(ステップ９-2)
中央部域の検査である場合、中央部域の出力層ｊの結合荷重ｗ2jｉ、結合荷重ｗ2ｉhを用いるニューラルネットワークによる判定処理を行う。
【０１３１】
(ステップ１０)
ニューラルネットワークによる判定処理において、出力層ｊからの出力値は０．５を基準に判断される。
【０１３２】
(ステップ１１-1)
出力層ｊからの出力値が０．５以上である場合、測定点は欠陥部であると判断し、判定結果値を１とする。
【０１３３】
(ステップ１１-2)
出力層ｊからの出力値が０．５未満である場合、測定点は健常部であると判断し、判定結果値を０とする。
【０１３４】
(ステップ１２)
検査が終了したか判断する。
【０１３５】
検査が終了しない場合、 (ステップ１)へ戻る。
【０１３６】
(ステップ１３)
検査が終了した場合、検査で収集された欠陥部であるかの判定データがデスクトップパソコンｄｐ1等の出力装置に出力され、ディスプレイ上に判定データを画像表示する等が行われる。
【０１３７】
以上がＣＢＮセグメント砥石１の欠陥部の検査処理である。
【０１３８】
上記構成によれば、超音波の反射波形を取得し第２ピークを基準に位相を合わせ第２ピークの反射波形位置より０．８μsec戻ったところから１．５μsec進んだところまでの反射波形を入力データとするので、ＣＢＮセグメント砥石１の欠陥部が人手によることなくニューラルネットワークを用いるシステムにより自動的に判定できる。
【０１３９】
また、超音波の反射波形を取得し、波形データに基づいてニューラルネットワークを用いて判定するので、精確な判定が可能であり、さらに、検査対象領域を中央部域と端部域とに分割して、それぞれ個別に検査を行うことにより精度の高い極めて精確な判定が可能となる。
【０１４０】
また、ニューラルネットワークを用いたソフトウェアの制御により判定が行われるので検査時間が短く、生産コストの低減が可能である。
【０１４１】
なお、上述の実施例では、ＣＢＮセグメント砥石１の欠陥部の判定のためのニューラルネットワークの学習に際し、第２ピークによって位相合わせを行ったが、第２ピークに替えて第１ピークによって位相合わせを行ってもよい。
【０１４２】
また、ＣＢＮセグメント砥石１の欠陥部の判定処理に際して、第２ピークによって位相合わせを行ったが、第１ピークによって位相合わせを行ってもよいし、超音波反射波形のピークの何れか一つを用いて位相合わせを行うことも可能である。
【０１４３】
また、上述の実施例では、第２ピーク近傍の１．５μsecの波形、すなわち位相合わせを行ったピーク近傍の約１０波長以下の数のピークを含む波形を入力値としたが、様々な検査対象物による検討の結果、ＣＢＮセグメント砥石以外の構成部材においても、位相合わせを行ったピーク近傍の約１０波長以下の数のピークを含む波形を入力とすれば、本実施例と同様な効果が得られる。
【０１４４】
なお、上述の実施例においては、ＣＢＮセグメント砥石の欠陥部の判定に本発明を適用した例を例示したが、その他の構成部材の欠陥部の判定においても上述の実施例と同様な方法によれば、実施例と同様な超音波反射波が得られるので、検査対象物に応じてニューラルネットワークの学習により結合荷重を決定し、本システムを用いて検査対象物を検査すれば、本実施例と同様な判定が行うことができ、その他の構成部材の欠陥部の判定に対しても本発明は適宜、適用可能である。
【０１４５】
したがって、本発明によれば、検査対象物からの超音波のパルスエコー波形の分析により、自動的に検査対象物の欠陥等を検査することが可能なニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムが実現できる。
【０１４６】
【発明の効果】
以上、詳述した如く、本発明の請求項１に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムによれば、作成したモデルの欠陥部および健常部からの反射波形の第１または第２ピークの何れか一つを用いて位相を合わせるステップと、ニューラルネットワークを用いてピーク近傍の波形のデータを学習し、欠陥を同定するステップとを有するので、検査対象物を検査して欠陥部と健常部を判別するニューラルネットワークを決定することが可能である。
【０１４７】
本発明の請求項２に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムによれば、ピーク近傍の波形は、ピーク近傍の約１０波長以下の数のピークを含む波形であるので、精確なニューラルネットワークの結合荷重を決定することが可能である。
【０１４８】
本発明の請求項３に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムによれば、検査対象物の測定域を端部域と中央部域に分割し、それぞれ個別に欠陥部であるか健常部であるかを判定するので、より精確なニューラルネットワークの結合荷重を決定することが可能である。
【０１４９】
本発明の請求項４に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムによれば、ＣＢＮセグメント砥石の研削面が欠陥部であるか健常部であるかを判定するためのニューラルネットワークの結合荷重を決定することが可能である。
【０１５０】
本発明の請求項５に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムによれば、反射波の波形のピークの何れか一つを用いて位相を合わせるステップと、ピーク近傍の波形のデータから予め同様な方法の学習で決定されたニューラルネットワークを用いて欠陥部であるか健常部であるかを判定するステップとを有するので、検査対象物の測定域が欠陥部であるか健常部であるかを判定することが可能である。
【０１５１】
本発明の請求項６に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムによれば、位相を合わせる波形のピークは、第１ピークまたは第２ピークの何れかであるので、検査対象物の測定域が欠陥部であるか健常部であるかを精確に判定することが可能である。
【０１５２】
本発明の請求項７に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムによれば、ピーク近傍の波形は、ピーク近傍の約１０波長以下の数のピークを含む波形であるので、検査対象物の測定域が欠陥部であるか健常部であるかを精確に判定することが可能である。
【０１５３】
本発明の請求項８に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムによれば、検査対象物の測定域を端部域と中央部域に分割し、それぞれ個別に欠陥部であるか健常部であるかを判定するので、検査対象物の測定域が欠陥部であるか健常部であるかをより精確に判定することが可能である。
【０１５４】
本発明の請求項９に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムによれば、検査対象物は、ＣＢＮセグメント砥石であり、該ＣＢＮセグメント砥石のセグメントと台金との接着面が測定域であるので、ＣＢＮセグメント砥石の研削面が欠陥部であるか健常部であるかを精確に判定することが可能である。
【０１５５】
本発明の請求項１０に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムを内蔵する超音波探傷機によれば、反射波形のピークの何れか一つを用いて位相を合わせるステップと、ピーク近傍の波形のデータから予め同様な方法の学習で決定されたニューラルネットワークを用いて欠陥部であるか健常部であるかを判定するステップとを有するニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムを内蔵するので、検査対象物の測定域が欠陥部であるか健常部であるかを精確且つ迅速に判定することが可能な超音波探傷機が得られる。
【０１５６】
本発明の請求項１１に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムを内蔵する超音波探傷機によれば、位相を合わせる波形のピークは、第１ピークまたは第２ピークの何れかであるので、検査対象物の測定域が欠陥部であるか健常部であるかを精確に判定することが可能な超音波探傷機が得られる。
【０１５７】
本発明の請求項１２に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムを内蔵する超音波探傷機によれば、ピーク近傍の波形は、ピーク近傍の約１０波長以下の数のピークを含む波形であるので、検査対象物の測定域が欠陥部であるか健常部であるかを精確に判定することが可能な超音波探傷機が得られる。
【０１５８】
本発明の請求項１３に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波傷システムのプログラムを内蔵する超音波探傷機によれば、検査対象物の測定域を端部域と中央部域に分割し、それぞれ個別に欠陥部であるか健常部であるかを判定するので、検査対象物の測定域が欠陥部であるか健常部であるかをより精確に判定することが可能な超音波探傷機が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 (ａ)および(ｂ)は、本発明に関わるＣＢＮセグメント砥石の正面図、および(ａ)図のＣＢＮセグメント砥石の側面図。
【図２】本発明に関わるＣＢＮセグメント砥石の製造過程を示す斜視図。
【図３】 (ａ)は本発明に関わる欠陥部の無いセグメントチップを示す図、および、(ｂ)、(ｃ)、(ｄ)、(ｅ)、(ｆ)、(ｇ)は、本発明に関わる作成したセグメントチップの６種類の剥離形状を示す図。
【図４】図３(ｄ)に示す剥離形状を有するセグメントチップが貼り付けられたＣＢＮセグメント砥石を示す斜視図。
【図５】本発明に関わるＣＢＮセグメント砥石の探傷時の機器構成を示す概念図。
【図６】 (ａ)および(ｂ)は、本発明に関わる１０箇所の健常部からの反射波形を示す図、および１０箇所の欠陥部からの反射波形を示す図。
【図７】図６(ａ)の健常部からの反射波形の平均値と図６(ｂ)の欠陥部からの反射波形の平均値とを示す図。
【図８】図７の欠陥部の波形と健常部の波形の振幅を特徴的に示した図。
【図９】入力層のユニット数が６、中間層のユニット数が４、出力層のユニット数が５の全結合型の３層型ニューラルネットワークを示す図。
【図１０】本発明に関わるニューラルネットワークのシステムの学習処理を示す図。
【図１１】 (ａ)および(ｂ)は、本発明に関わる欠陥部の超音波探傷波形を示す図、および健常部の超音波探傷波形を示す図。
【図１２】 (ａ)および(ｂ)は、本発明に関わるセグメントチップの計測領域を示す図、および (ａ)図のセグメントチップの超音波反射波のエネルギー分布を示す図。
【図１３】本発明に関わるニューラルネットワークのシステムの検査時の機器構成を示す概念図。
【図１４】本発明に関わるニューラルネットワークのシステムの検査処理を示す図。
【符号の説明】
１…ＣＢＮセグメント砥石(検査対象物)、
１′…ＣＢＮセグメント砥石(擬似モデル)、
２…セグメントチップ、
３…台金、
３ｃ…台金の外周面(測定域、接着面)、
I…端部域、
II…中央部域、
Ａ…第１ピーク(波形のピーク)、
Ｂ…第２ピーク(波形のピーク)、
Ｃ…第３ピーク(波形のピーク)、
Ｕ１…超音波探傷機。
【発明の属する技術分野】
本発明は、対象物の欠陥等を検査するシステムに係り、より詳細には検査対象物からの超音波のパルスエコー波形を分析することにより検査対象物の欠陥等を検査するニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムに関係する。
【０００２】
【従来の技術】
科学技術の発展に伴ない、従来の方法では加工困難な新材料や非常に高精度であることが要求される部品が出現している。
【０００３】
高精度な部品を製造するため、古くから天然の砥石を使用して手作業で刃物を研いだり、金属を磨いたりする作業が行われており、その後、天然の砥石を円盤状に形作り、手回しで回転させて能率を上げるように進歩した。
【０００４】
その後、砥石車を動力で駆動する研削盤が開発され、また、天然の砥石に代わる人造砥石が製造され、この両者の進歩が相俟って研削加工が重要な精密加工法として発展している。
【０００５】
上記人造砥石の一つである立方晶窒化ほう素(Cubic Boron Nitride：以下、ＣＢＮと称す)は、ダイヤモンド製造と同一の方法で合成された人工物であり、ダイヤモンド砥石と並び難削材の研削に多用されている。
【０００６】
ここで、研削加工時の砥石周速度は高速であり、回転による遠心力に加えて研削の負荷がかかり、砥石自体に大きな荷重が加わっている。
【０００７】
回転砥石は、砥石セグメントを金属製の台金に貼り付ける構造になっていることから、砥石と台金との接着面における剥離等の欠陥は大きな事故の原因となる可能性がある。
【０００８】
現在、その安全性を保障するため、標本抽出による回転試験が一般的に行われているが、高速回転で使用されるものに対して非破壊検査による全数検査の実施が求められている。
【０００９】
非破壊検査には様々な方法があるが、検査対象である材料の外部から超音波を照射し、材料からの超音波の反射波、或いは透過波を解析して欠陥の有無等を調べる超音波探傷法がその簡易性、安全性等の理由から広汎に用いられている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、超音波探傷法で得られた超音波波形による欠陥の評価は、現場の熟練した技術者によって行われ、該技術者の経験や勘に依るところが大きい。
【００１１】
しかし、熟練技術者の養成が困難である現状を考慮すると、技術者の勘や経験に依らず機械で自動的に欠陥を評価する方法が必要となっている。
【００１２】
超音波探傷法で得られたデータをもとに自動的に欠陥の評価を行う方法として、ニューラルネットワークを用いたものがあるが、ＣＢＮ砥石は、不規則な形状の砥粒、結合剤、気孔から成る不均質で複雑な構造であるため、超音波の乱反射や散乱等で内部欠陥からの反射波の判定は困難を極めている。
【００１３】
本発明は上記実状に鑑み、検査対象物からの超音波のパルスエコー波形の分析により、自動的に検査対象物の欠陥等を検査することが可能なニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムの提供を目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するべく、本発明の請求項１に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムは、検査対象物のモデルに作成された欠陥部の測定域および健常部の測定域に超音波を照射し両測定域からの超音波反射波の波形をニューラルネットワークを用いて学習することにより欠陥を同定するニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムであって、モデルの欠陥部および健常部からの反射波形の第１または第２ピークの何れか一つを用いて位相を合わせるステップと、ニューラルネットワークを用いてピーク近傍の波形のデータを学習し、欠陥を同定するステップとを実行することを特徴としている。
【００１５】
本発明の請求項２に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムは、請求項１に記載のニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムにおいて、ピーク近傍の波形は、ピーク近傍の約１０波長以下の数のピークを含む波形であることを特徴としている。
【００１６】
本発明の請求項３に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムは、請求項１または請求項２に記載のニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムにおいて、検査対象物の測定域を端部域と中央部域に分割し、それぞれ個別に欠陥部であるか健常部であるかを判定することを特徴としている。
【００１７】
本発明の請求項４に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムは、請求項１から請求項３のうちの何れか一項に記載のニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムにおいて、検査対象物は、ＣＢＮセグメント砥石であり、該ＣＢＮセグメント砥石のセグメントと台金との接着面が測定域であることを特徴としている。
【００１８】
本発明の請求項５に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムは、検査対象物の測定域に超音波を照射し測定域からの超音波反射波形をニューラルネットワークを用いて分析することにより欠陥部であるか健常部であるかを判定するニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムであって、反射波の波形のピークの何れか一つを用いて位相を合わせるステップと、ピーク近傍の波形のデータから予め同様な方法の学習で決定されたニューラルネットワークを用いて欠陥部であるか健常部であるかを判定するステップとを実行することを特徴としている。
【００１９】
本発明の請求項６に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムは、請求項５に記載のニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムにおいて、位相を合わせる波形のピークは、第１ピークまたは第２ピークの何れかであることを特徴としている。
【００２０】
本発明の請求項７に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムは、請求項５または請求項６に記載のニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムにおいて、ピーク近傍の波形は、ピーク近傍の約１０波長以下の数のピークを含む波形であることを特徴としている。
【００２１】
本発明の請求項８に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムは、請求項５から請求項７のうちの何れか一項に記載のニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムにおいて、検査対象物の測定域を端部域と中央部域に分割し、それぞれ個別に欠陥部であるか健常部であるかを判定することを特徴としている。
【００２２】
本発明の請求項９に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムは、請求項５から請求項８のうちの何れか一項に記載のニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムにおいて、検査対象物は、ＣＢＮセグメント砥石であり、該ＣＢＮセグメント砥石のセグメントと台金との接着面が測定域であることを特徴としている。
【００２３】
本発明の請求項１０に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムを内蔵する超音波探傷機は、検査対象物の測定域に超音波を照射し測定域からの超音波反射波の波形をニューラルネットワークを用いて分析することにより欠陥部であるか健常部であるかを判定するニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムを内蔵する超音波探傷機であって、反射波の波形のピークの何れか一つを用いて位相を合わせるステップと、ピーク近傍の波形のデータから予め同様な方法の学習で決定されたニューラルネットワークを用いて欠陥部であるか健常部であるかを判定するステップとを実行することを特徴としている。
【００２４】
本発明の請求項１１に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムを内蔵する超音波探傷機は、請求項１０に記載のニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムを内蔵する超音波探傷機において、位相を合わせる波形のピークは、第１ピークまたは第２ピークの何れかであることを特徴としている。
【００２５】
本発明の請求項１２に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムを内蔵する超音波探傷機は、請求項１０または請求項１１に記載のニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムを内蔵する超音波探傷機において、ピーク近傍の波形は、ピーク近傍の約１０波長以下の数のピークを含む波形であることを特徴としている。
【００２６】
本発明の請求項１３に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムを内蔵する超音波探傷機は、請求項１０から請求項１２のうちの何れか一項に記載のニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムを内蔵する超音波探傷機において、検査対象物の測定域を端部域と中央部域に分割し、それぞれ個別に欠陥部であるか健常部であるかを判定することを特徴としている。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、実施例を示す図面に基づいて、本発明を詳細に説明する。
【００２８】
本発明における検査対象物は、研削盤において高速回転駆動される砥石車であり、図１に示すように、外周部にＣＢＮ砥石であるセグメントチップ２が複数接着されるＣＢＮセグメント砥石(検査対象物)１である。
【００２９】
該ＣＢＮセグメント砥石１における外周部のセグメントチップ２の接着不良等の欠損が検査対象となる。
【００３０】
本発明においては、まず、ＣＢＮセグメント砥石１の外周部の接着部に人為的な剥離欠陥(図３参照)を有するＣＢＮセグメント砥石(モデル)１′を作成して、図５に示すように、超音波水浸垂直探傷法により、このＣＢＮセグメント砥石１′を水中に沈め、その外周面１ｄに超音波を照射して剥離欠陥部と健常部との超音波反射波形を取得し、その特徴を調べた。
【００３１】
次に、その特徴を基に剥離欠陥部と健常部との超音波反射波形の２つの教師波形を階層型ニューラルネットワークを用いて剥離欠陥部と健常部として学習させることで、ＣＢＮセグメント砥石１の剥離欠陥部の検査に最適な階層型ニューラルネットワークのプログラムを作成し、ニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムを実現したものである。
【００３２】
なお、本システムは、ＣＢＮセグメント砥石の欠陥部の検査に限定されず、その他の構成部材の欠陥部の検査にも適用可能である。
【００３３】
以下、本発明の導出過程から詳細に説明する。
【００３４】
図１、図２に示すように、検査対象物であるＣＢＮセグメント砥石１は、短円柱形状の台金３と台金３の外周面(測定域、接着面)３ｃ上に貼り付けられる１１枚のセグメントチップ２とを備え構成されている。
【００３５】
台金３は、スチール製であり、軸心部に回転駆動軸のフランジ(図示せず)に固着される軸孔３ｈが穿孔されている。
【００３６】
セグメントチップ２は、ＣＢＮ砥粒が入っていないコア層２ａとＣＢＮ砥粒が入りコア層２ａの外周面に接着されるリム層２ｂとから構成され、リム層２ｂとコア層２ａとを合わせてセグメントチップと呼称されている。
【００３７】
ＣＢＮセグメント砥石１は、図２に示すように、台金３の外周面３ｃに１１枚のセグメントチップ２のコア層２ａがそれぞれ接着されることにより、１１枚のセグメントチップ２が台金３に貼り付けられ製造される。
【００３８】
なお、セグメントチップ２のコア層２ａは、ＣＢＮ砥石の台金３への接着強度を確保するための緩衝材であり、ＣＢＮセグメント砥石１において、コア層２ａとリム層２ｂとの接着強度に比べ、コア層２ａと台金３との接着強度は格段に小さく、接着不良が発生し易い構成である。
【００３９】
ここで、ＣＢＮセグメント砥石１の寸法は、図１に示すように、外径１００ｍｍ、幅２０ｍｍ、軸孔３ｈの径が１５．８ｍｍのものを例に挙げて説明する。
【００４０】
また、ＣＢＮセグメント砥石１のＣＢＮ砥石の人為的剥離欠陥を作成するため、実際に想定し得る接着不良欠陥形状や検出分解能に関係する検出限界等を解析段階で検討することを考慮し、図３(ａ)に示す剥離の無いセグメントチップ２に対し、図３(ｂ)〜図３(ｇ)に示す６種類の剥離形状を有するセグメントチップ２を準備することとする。
【００４１】
そこで、図３(ｂ)〜図３(ｇ)に示す６種類の剥離形状に対応するマスク(図示せず)を用意し、台金３の外周面３ｃにそれぞれのマスクを適宜、貼り付けてマスク箇所には接着剤が塗布されないようにして、その上から離型用溶剤を薄く塗布して乾燥させた薄膜を作る。
【００４２】
さらに、その上から接着剤を塗布した後に、貼り付けたマスクを剥がしその上からセグメントチップ２を通常通り接着し、図３(ｂ)〜図３(ｇ)に示す６種類の剥離形状を有するＣＢＮセグメント砥石１′を作成した。すなわち、図３(ｂ)〜図３(ｇ)の暗色部は、マスクにより接着剤が塗布されず剥離形状を呈する欠陥部となる。
【００４３】
例えば、図３(ｄ)に示す剥離形状の場合は、図４に示すような欠陥部である剥離部ｋ１をもつセグメントチップ２1を具えるＣＢＮセグメント砥石１′となる。
【００４４】
このようにして作成されたＣＢＮセグメント砥石１′を、超音波垂直探傷法を用いることにより上記欠陥部を含む探傷データを取得し、欠陥の有無を解析する。
【００４５】
図５に示すように、ＣＢＮセグメント砥石１′の台金３の軸孔３ｈにステッピングモータ(図示せず)に固定された回動軸ｄを固着するとともに、ＣＢＮセグメント砥石１′を水槽ｓの水中に沈める。
【００４６】
さらに、プローブｐから超音波をＣＢＮセグメント砥石１′の外周面１ｄに対して照射できるように、プローブｐを水中のＣＢＮセグメント砥石１′の外周面１ｄに対向させて配置する。ここで、プローブｐはＣＢＮセグメント砥石１′の外周面１ｄの幅方向に移動自在である。
【００４７】
また、プローブｐは、超音波探傷機Ｕに接続され、さらに超音波探傷機Ｕがデジタルオシロスコープｄｏに接続され、さらにデジタルオシロスコープｄｏがデスクトップパソコンｄpに接続されている。
【００４８】
上記プローブｐの動作は、超音波をＣＢＮセグメント砥石１′の外周面１ｄの測定点に対して照射すると、続いて該外周面１ｄの測定点からの超音波反射波を受信する構成である。
【００４９】
上記構成により、プローブｐから超音波がＣＢＮセグメント砥石１′の外周面１ｄの測定点に対して照射されると、該測定点からの超音波反射波がプローブｐで受信され、該超音波反射波が超音波探傷機Ｕに出力される。
【００５０】
超音波反射波が超音波探傷機Ｕに入力されると、超音波探傷機Ｕから超音波反射波の測定データがデジタルオシロスコープｄｏに入力され、デジタルオシロスコープｄｏの測定データの出力波形がデスクトップパソコンｄpに入力され、デスクトップパソコンｄpにおいて測定データが解析される。
【００５１】
ここで、ＣＢＮセグメント砥石１′の外周面１ｄの欠陥部の測定は、測定点として外周面１ｄを円周方向、および幅方向に分割して計測を行うものである。
【００５２】
ＣＢＮセグメント砥石１′の各測定点がプローブｐに対向するように、前記ステッピングモータでＣＢＮセグメント砥石１′を間歇回転駆動することにより、測定が行われる。
【００５３】
すなわち、プローブｐが測定点に対向すると、前記ステッピングモータを停止し、プローブｐから該測定点に対し超音波を照射し、続いて該測定点からの超音波反射波をプローブｐで受信し、１つの測定点に対する測定を終了する。
【００５４】
次に、次の測定点がプローブｐに対向するように前記ステッピングモータでＣＢＮセグメント砥石１′を回転駆動し、次の測定点にプローブｐが対向すると停止させ、プローブｐから超音波を照射し、続いて該測定点からの超音波反射波をプローブｐで受信する。
【００５５】
この動作を繰り返し、ＣＢＮセグメント砥石１′の外周面１ｄの１周の測定点に対して測定を終了すると、プローブｐをＣＢＮセグメント砥石１′の外周面１ｄの幅方向に測定点に対し１ピッチ測定箇所をずらし、次の１周の測定点に対する測定を上述と同様な操作で行う。
【００５６】
次に、具体的な計測について説明を行う。
【００５７】
プローブｐからＣＢＮセグメント砥石１′の外周面１ｄの測定点に超音波を照射し、該測定点からの超音波反射波をプローブｐで受信し、該超音波反射波が超音波探傷機Ｕで得られると、超音波探傷機Ｕからの測定点のデータのＲＦ出力をデジタルオシロスコープｄｏにおいて１０nsec間隔でサンプリングし、ＣＢＮセグメント砥石１′の外周表面の反射波から、接着面である台金３の外周面３ｃの反射波を含む５μsecの時間間隔の各測定点のデータを記録し解析に用いる。
【００５８】
図６(ａ)は、ＣＢＮセグメント砥石１′において健常部の測定点の位置を１０箇所適宜、変えて計測した波形を示しており、図６(ｂ)は、ＣＢＮセグメント砥石１′において欠陥部の測定点の位置を１０箇所適宜変えて計測した波形を示している。
【００５９】
なお、他の種々の寸法のＣＢＮセグメント砥石等の他の検査対象物においても同様な波形が得られるものである。
【００６０】
図７には、上記欠陥部の測定点の平均波形を実線で、上記健常部の測定点の平均波形を破線で示している。
【００６１】
図８は、欠陥部の波形と健常部の波形の振幅を特徴的に示した図である。
【００６２】
第１ピークＡ、第２ピークＢ、第３ピークＣ、…は、図１、図２に示すように、ＣＢＮセグメント砥石１′の接着面(台金３の外周面３ｃ)からの超音波反射波である。
【００６３】
欠陥部の波形と健常部の波形の振幅の特徴は、図７、図８に示すように、第１ピークＡと第２ピークＢの絶対値の大きさにあり、第１ピークＡと第２ピークＢの絶対値の比の値を元に欠陥の有無を判定したところ７割程度の確率で正確に判定できた。
【００６４】
このような検討結果から、次に、接着面(台金３の外周面３ｃ)の反射波形の波頭(図８のＡ)近傍の波形を入力とし、３層型ニューラルネットワークを構成して学習させ判定を行ったところさらに良好な結果が得られることが判明した。
【００６５】
そこで、上述の知見に基づいてニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのソフトウェアを開発することに着手した。
【００６６】
本発明に用いた階層型ニューラルネットワークは、中間層が一つもないニューラルネットワークでは解けない問題が存在することが分かっており、一方、中間層のユニット数が十分用意されていれば、任意の関数を３層ニューラルネットワークで実現できることが証明されている。
【００６７】
例えば、図９には、入力層ｈのユニット数が６、中間層ｉのユニット数が４、出力層ｊのユニット数が５の全結合型の３層型ニューラルネットワークを例示している。
【００６８】
ここで、出力層ｊの５つの各ユニットは、中間層の４つの全てのユニットと結合され中間層の各ユニットからの入力値に対してそれぞれｗjｉ(j＝１〜５、ｉ＝１〜４)という結合荷重を有する。
【００６９】
例えば、出力層ｊのj＝１のユニットは、中間層ｉのｉ＝１のユニットからの入力値に対してｗ11という結合荷重を有し、中間層ｉのｉ＝２のユニットからの入力値に対してｗ12という結合荷重を有し、中間層ｉのｉ＝３からのユニットの入力値に対してｗ13という結合荷重を有し、中間層ｉのｉ＝４からのユニットの入力値に対してｗ14という結合荷重を有している。
【００７０】
また、中間層ｊの４つの各ユニットは入力層の６つの全てのユニットと結合され入力層の各ユニットからの入力値に対してそれぞれｗｉhという結合荷重を有する。
【００７１】
例えば、中間層ｉのｉ＝１のユニットは、入力層ｈのｈ＝１のユニットからの入力値に対してｗ11という結合荷重を有し、以下同様に、入力層ｈのｈ＝２のユニットからの入力値に対してｗ12という結合荷重を、入力層ｈのｈ＝３からのユニットの入力値に対してｗ13という結合荷重を、入力層ｈのｈ＝４からのユニットの入力値に対してｗ14という結合荷重を、入力層ｈのｈ＝５からのユニットの入力値に対してｗ15という結合荷重を、入力層ｈのｈ＝６からのユニットの入力値に対してｗ16という結合荷重をそれぞれ有している。
【００７２】
ニューラルネットワークの学習アルゴリズムにバックプロパゲーション法を用いる場合には下記の誤差関数の最小化の解析が行われる。
【００７３】
ここで、出力層ｊの各ユニットに出力層ｊの各ユニットから出力されるべき所望の教師信号ｄj(ｊ＝１〜５)を与え、実際の情報処理に際して出力層ｊの各ユニットから出力される信号ｙjとの差を示す誤差関数Ｅ
【００７４】
そして、学習に際して各結合荷重ｗjｉ、各結合荷重ｗｉhにそれぞれ初期値を与え、１回の学習の度に各結合荷重ｗjｉを誤差関数Ｅを小さくする変化分Δｗjｉ
だけ変化させ、また各結合荷重ｗｉhを誤差関数Ｅを小さくする変化分Δｗｉh
だけ変化させて学習を行い、この学習を繰り返し学習を重ねるに従い誤差関数Ｅを小さくしていき、学習が終了することにより、各結合荷重ｗjｉおよび各結合荷重ｗｉhの値が決定される。
【００７５】
すなわち、学習することによって得られた各結合荷重ｗjｉ、各結合荷重ｗｉhの値が学習対象の情報を有することになる。
【００７６】
こうして、決定された各結合荷重ｗjｉ、および各結合荷重ｗｉhを用いて、当該学習対象に対する階層型ニューラルネットワークの情報処理が行われる。
【００７７】
本発明においては、入力層ｈの各ユニットに超音波探傷機による測定点からの超音波反射波の出力波形からサンプリングした振幅値を入力し、出力層ｊのユニットから測定点が欠陥部の場合には１を出力し、測定点が健常部の場合には０を出力する。
【００７８】
入力層ｈのユニット数を７５(ｈ＝１〜７５)、中間層ｉのユニット数を３０(ｉ＝１〜３０)、出力層ｊのユニット数を１(ｊ＝１)の３層の全結合型の３層型ニューラルネットワークを適用する。
【００７９】
したがって、欠陥部の測定点を学習する場合には、教師信号ｄ1＝１を設定し、健常部の測定点を学習する場合には、教師信号ｄ1＝０を設定する。
【００８０】
そして、出力関数ｙ(ｘ)(ｘは入力値)に一般的に用いられているシグモイド関数
【００８１】
次に、実際の階層型ニューラルネットワークを用いるシステムの開発手順について説明を行う。
【００８２】
まず、ＣＢＮセグメント砥石１′の外周面１ｄの欠陥部の測定は、測定点として外周面１ｄを円周方向に５００分割、幅方向に４０分割し合計２万点を計測することとする。
【００８３】
探傷法は、前述の水浸垂直反射法を用い、プローブ(探触子)ｐは共振周波数５ＭＨz、焦点距離５０．８ｍｍ、焦点径０．５ｍｍを用いた。
【００８４】
前述のように、上記各測定点に対してプローブｐから超音波を照射し、該外周面１ｄの測定点からの超音波反射波をプローブｐで受信する。
【００８５】
該超音波反射波による受信波形は、超音波探傷機Ｕ(クラウトクレーマー社製：USI550)からのＲＦ出力をサンプリングし、ＣＢＮセグメント砥石１′の外周面１ｄの超音波反射波から接着面(台金３の外周面３ｃ)の反射波を含む５μsecを記録する。
【００８６】
そして、階層型ニューラルネットワークを用いるシステムの学習処理は、デスクトップパソコンｄｐに内蔵したＣ言語で書かれたプログラムによって行われ、学習処理手順は、図１０に示すように行われる。
【００８７】
すなわち、
(ステップ１)
探傷を行うＣＢＮセグメント砥石１′の外周面１ｄ上の次の測定点をプローブｐに対向する位置に、ステッピングモータを稼動しＣＢＮセグメント砥石１′を回動させて移動する。
【００８８】
なお、ＣＢＮセグメント砥石１′の外周面１ｄ上の測定点１周の探傷が終了すると、プローブｐをＣＢＮセグメント砥石１′の幅方向に測定点間を１ピッチ移動させ次の１周の測定点の探傷を行うことになる。
【００８９】
(ステップ２)
該測定点に対して、プローブｐから超音波を照射し、該測定点からの超音波反射波をプローブｐで受信し、超音波探傷機Ｕからデジタルオシロスコープｄｏに出力する。
【００９０】
(ステップ３)
デジタルオシロスコープｄｏでアナログ信号からデジタル信号へ変換されデスクトップパソコンｄpに入力される測定データに対して、デスクトップパソコンｄpにおいて、２０ｎsecの一定間隔で１０２４点をサンプリングし、砥石表面(ＣＢＮセグメント砥石１′の外周面１ｄ)からの超音波反射波を受信した時刻を０とする (図１１参照、但し図１１に示す時間軸０は超音波反射波を得るために任意に設定したもので上記時刻０とは一致するものではない) 。
【００９１】
(ステップ４)
上記時刻０から０．４μsec戻った時刻から接着面(台金３の外周面３ｃ)での超音波反射エコー(図１１におけるピークＡ以降の波形)を越えて４．５μsec経過した時刻迄の測定データを抽出する。
【００９２】
(ステップ５)
(ステップ４)で抽出した測定データの中で、反射波形とみなされる波の振幅のうち、接着面(台金３の外周面３ｃ)からの反射波形である第１ピーク (正)(図８のＡ、図１１のＡ)と第２ピーク(負)(図８のＢ、図１１のＢ)の時間軸の位置を弾性波速度を基に検出する。
【００９３】
(ステップ６)
第２ピーク(図８のＢ、図１１のＢ)を基準に位相を合わせ、第２ピークの反射波形位置より０．８μsec戻ったところから１．５μsec進んだところまでの反射波形(ピーク近傍の波形)を時系列に７５等分して、その７５の振幅値を時系列の順に入力データとする。
【００９４】
(ステップ７)
(ステップ５)で得られた入力データを正規化(｜振幅値｜＜１)する。
【００９５】
(ステップ８)
１回目の学習であるか判断する。
【００９６】
(ステップ９-1)
１回目(ｎ＝１)の学習の場合、出力層のユニットにおける各結合荷重ｗjｉ(ｊ＝１、ｉ＝１〜３０)、各結合荷重ｗｉh(ｉ＝１〜３０、h＝１〜７５)のそれぞれ初期値を
｜ｗjｉ｜＜１、 ｜ｗｉh｜＜１ ｗjｉ、ｗjｉ≠０
のランダムの値を設定する。
【００９７】
(ステップ９-2)
２回目以降(ｎ≧２)の学習の場合、
欠陥部の測定点の探傷か、健常部の測定点の探傷か判断する。
【００９８】
(ステップ１１-1)
欠陥部の測定点の探傷の場合は、教師信号ｄ1＝１を設定する。
【００９９】
(ステップ１１-2)
健常部の測定点の探傷の場合は、教師信号ｄ1＝０を設定する。
【０１００】
(ステップ１２)
(ステップ６)で得られた正規化された７５の振幅値の入力データを時系列の順に階層型ニューラルネットワークの入力層に入れて、ニューラルネットワークの学習を行う。
【０１０１】
(ステップ１３)
ニューラルネットワークによる学習が終了したかを判断する。
【０１０２】
(ステップ１４)
終了の場合、学習により、
出力層ｊの結合荷重ｗjｉ(j＝１、ｉ＝１〜３０)
中間層ｉの結合荷重ｗｉh(ｉ＝１〜３０、ｈ＝１〜７５) が決定する。
【０１０３】
以上が、ニューラルネットワークによる学習の処理である。
【０１０４】
上述の学習処理によって決定したニューラルネットワークのシステムによって、欠陥部(図の暗色部)と健常部をもつセグメントチップ２(図３、図４参照)を貼り付けたＣＢＮセグメント砥石１′を探傷し欠陥部か健常部かの判定をしたところ、図１２(ａ)に示すように、セグメントチップ２の幅方向(図１２(ａ)のＹ方向)の中央部域(図１２(ａ)の領域II)に比較して両端部域(図１２(ａ)の領域I)において判定の誤りが生じ、中央部域と両端部域とで超音波反射波の波形の特徴が異なることが判明した。
【０１０５】
そこで、探傷した位置により波形の特徴が変わるか否かを調べるため、欠陥部の無いセグメントチップ２上の波形のエネルギー分布を調べることにした。
【０１０６】
ここで、エネルギーＥtは、
ａｉ：ｉ番目にサンプリングされた波形振幅
ｔｉ：ｉ番目の時間
ｄt：サンプリング間隔
で表される。
【０１０７】
上式を用いて欠陥部の無いセグメントチップ２を探傷することによって得られた波形を代入しエネルギー分布を計算した。
【０１０８】
図１２(ｂ)は、上記ＣＢＮセグメント砥石１′の欠陥部の無いセグメントチップ２上のエネルギー分布を示しており、色の薄いところはエネルギーの値が低く、色が濃いほどエネルギーの値が高いことを表している。
【０１０９】
この理由は、ＣＢＮセグメント砥石１′のセグメントチップ２の両端部域ではプローブｐからの超音波の照射面積が中央部域と比較し小さく、反射も少ないので、反射波形のエネルギーの値が中央部域よりも低くなり、反射波形の特徴が中央部域と異なるものと考えられる。
【０１１０】
上記結果を踏まえ、ＣＢＮセグメント砥石１′のセグメントチップ２の探傷を繰り返し検討を重ねたところ、図１２(ａ)に示すように、セグメントチップ２の端縁部２ｅからそれぞれ幅方向(図１２(ａ)のＹ方向)に２．５ｍｍ迄の両端部域(図１２(ａ)の領域I)と端縁部２ｅから２．５ｍｍより内部の中央部域(図１２(ａ)の領域II)とに分けて、それぞれ別々にニューラルネットワークの学習を行い、欠陥部と健常部との判定を別々に行うと正確な判定が行えることが分かった。
【０１１１】
そこで、上記セグメントチップ２の端縁部２ｅからそれぞれ幅方向(図１２(ａ)のＹ方向)に２．５ｍｍ迄の両端部域をニューラルネットワークで学習を行い両端部域における出力層ｊの結合荷重ｗ1jｉ(j＝１、ｉ＝１〜３０)と中間層ｉの結合荷重ｗ1ｉh(ｉ＝１〜３０、ｈ＝１〜７５)とを決定する。
【０１１２】
また、両端部域とは別に、端縁部２ｅから２．５ｍｍより内部の中央部域をニューラルネットワークで学習を行い中央部域における出力層ｊの結合荷重ｗ2jｉ(j＝１、ｉ＝１〜３０)と中間層ｉの結合荷重ｗ2ｉh(ｉ＝１〜３０、ｈ＝１〜７５)とを決定し、両端部域と中央部域とを別々に欠陥部と健常部との判定を行うものとする。
【０１１３】
次に、上述の学習により決定された検査対象物のＣＢＮセグメント砥石１のセグメントチップ２の両端部域における結合荷重ｗ1jｉ、ｗ1ｉhと、中央部域における結合荷重ｗ2j、ｗ2ｉhを用いるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムによる検査対象のＣＢＮセグメント砥石１の欠陥の判定について説明を行う。
【０１１４】
図１３に、検査時の機器の接続構成を示す。
【０１１５】
超音波水浸垂直探傷法による検査のため、検査面であるＣＢＮセグメント砥石１の外周面１ｄに超音波が照射できるように対向して配置されたプローブをもつ超音波探傷機Ｕ1には、欠陥判定結果データが表示されるデスクトップパソコンｄｐ1等の出力装置が接続される。
【０１１６】
上記システムのプログラムは、ＲＯＭ等に格納され、該ＲＯＭ等が図１４に示す超音波探傷機Ｕ１内に内蔵される。
【０１１７】
上述以外の構成は、図５に示し前述した構成と同様であるので説明を省略する。
【０１１８】
以下のＣＢＮセグメント砥石１の欠陥部の検査処理は、超音波探傷機Ｕ１に内蔵されるシステムのプログラムが実行されることにより行われる。
【０１１９】
続いて、図１４を用いてＣＢＮセグメント砥石１の欠陥部の検査処理を説明する。
【０１２０】
ここで、検査の結果、測定点が欠陥部である場合には判定結果値を１、健常部である場合には判定結果値を０と設定する。
【０１２１】
(ステップ１)
検査対象のＣＢＮセグメント砥石１上の次の測定点を、プローブｐから超音波を照射できる位置にステッピングモータを稼動し、ＣＢＮセグメント砥石１を回動させ移動させる。
【０１２２】
(ステップ２)
該測定点に対して、プローブｐから超音波を照射し、該測定点からの超音波反射波をプローブｐで受信する。
【０１２３】
(ステップ３)
該測定点に対して、プローブｐから超音波を照射し、該測定点からの超音波反射波をプローブｐで受信し、超音波探傷機Ｕにおいて測定データをアナログ信号からデジタル信号へ変換し、２０ｎsecの一定間隔で１０２４点をサンプリングし、砥石表面(ＣＢＮセグメント砥石１の外周面１ｄ)からの超音波反射波を受信した時刻を０とする。
【０１２４】
(ステップ４)
上記時刻０から０．４μsec戻った時刻から接着面(台金３の外周面３ｃ)での超音波反射エコーを越えて４．５μsec経過した時刻迄の測定データを抽出する。
【０１２５】
(ステップ５)
(ステップ４)で抽出した測定データの中で、反射波形とみなされる波の振幅のうち、接着面(台金３の外周面３ｃ)からの反射波形である第１ピーク (正)(図８のＡ、図１１のＡ)と第２ピーク(負)(図８のＢ、図１１のＢ)の位置を弾性波速度を基に検出する。
【０１２６】
(ステップ６)
第２ピーク(図８のＢ、図１１のＢ)を基準に位相を合わせ、第２ピークの反射波形位置より０．８μsec戻ったところから１．５μsec進んだところまでの反射波形を時系列に７５等分して、その７５の振幅値を時系列の順に入力データとする。
【０１２７】
(ステップ７)
(ステップ６)で得られた入力データを正規化(｜振幅値｜＜１)する。
【０１２８】
(ステップ８)
ＣＢＮセグメント砥石１の幅方向の両端部域の検査であるか、中央部域の検査であるか判断する。
【０１２９】
(ステップ９-1)
両端部域の検査である場合、両端部域の出力層ｊの結合荷重ｗ1jｉ、結合荷重ｗ1ｉhを用いるニューラルネットワークによる判定処理を行う。
【０１３０】
(ステップ９-2)
中央部域の検査である場合、中央部域の出力層ｊの結合荷重ｗ2jｉ、結合荷重ｗ2ｉhを用いるニューラルネットワークによる判定処理を行う。
【０１３１】
(ステップ１０)
ニューラルネットワークによる判定処理において、出力層ｊからの出力値は０．５を基準に判断される。
【０１３２】
(ステップ１１-1)
出力層ｊからの出力値が０．５以上である場合、測定点は欠陥部であると判断し、判定結果値を１とする。
【０１３３】
(ステップ１１-2)
出力層ｊからの出力値が０．５未満である場合、測定点は健常部であると判断し、判定結果値を０とする。
【０１３４】
(ステップ１２)
検査が終了したか判断する。
【０１３５】
検査が終了しない場合、 (ステップ１)へ戻る。
【０１３６】
(ステップ１３)
検査が終了した場合、検査で収集された欠陥部であるかの判定データがデスクトップパソコンｄｐ1等の出力装置に出力され、ディスプレイ上に判定データを画像表示する等が行われる。
【０１３７】
以上がＣＢＮセグメント砥石１の欠陥部の検査処理である。
【０１３８】
上記構成によれば、超音波の反射波形を取得し第２ピークを基準に位相を合わせ第２ピークの反射波形位置より０．８μsec戻ったところから１．５μsec進んだところまでの反射波形を入力データとするので、ＣＢＮセグメント砥石１の欠陥部が人手によることなくニューラルネットワークを用いるシステムにより自動的に判定できる。
【０１３９】
また、超音波の反射波形を取得し、波形データに基づいてニューラルネットワークを用いて判定するので、精確な判定が可能であり、さらに、検査対象領域を中央部域と端部域とに分割して、それぞれ個別に検査を行うことにより精度の高い極めて精確な判定が可能となる。
【０１４０】
また、ニューラルネットワークを用いたソフトウェアの制御により判定が行われるので検査時間が短く、生産コストの低減が可能である。
【０１４１】
なお、上述の実施例では、ＣＢＮセグメント砥石１の欠陥部の判定のためのニューラルネットワークの学習に際し、第２ピークによって位相合わせを行ったが、第２ピークに替えて第１ピークによって位相合わせを行ってもよい。
【０１４２】
また、ＣＢＮセグメント砥石１の欠陥部の判定処理に際して、第２ピークによって位相合わせを行ったが、第１ピークによって位相合わせを行ってもよいし、超音波反射波形のピークの何れか一つを用いて位相合わせを行うことも可能である。
【０１４３】
また、上述の実施例では、第２ピーク近傍の１．５μsecの波形、すなわち位相合わせを行ったピーク近傍の約１０波長以下の数のピークを含む波形を入力値としたが、様々な検査対象物による検討の結果、ＣＢＮセグメント砥石以外の構成部材においても、位相合わせを行ったピーク近傍の約１０波長以下の数のピークを含む波形を入力とすれば、本実施例と同様な効果が得られる。
【０１４４】
なお、上述の実施例においては、ＣＢＮセグメント砥石の欠陥部の判定に本発明を適用した例を例示したが、その他の構成部材の欠陥部の判定においても上述の実施例と同様な方法によれば、実施例と同様な超音波反射波が得られるので、検査対象物に応じてニューラルネットワークの学習により結合荷重を決定し、本システムを用いて検査対象物を検査すれば、本実施例と同様な判定が行うことができ、その他の構成部材の欠陥部の判定に対しても本発明は適宜、適用可能である。
【０１４５】
したがって、本発明によれば、検査対象物からの超音波のパルスエコー波形の分析により、自動的に検査対象物の欠陥等を検査することが可能なニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムが実現できる。
【０１４６】
【発明の効果】
以上、詳述した如く、本発明の請求項１に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムによれば、作成したモデルの欠陥部および健常部からの反射波形の第１または第２ピークの何れか一つを用いて位相を合わせるステップと、ニューラルネットワークを用いてピーク近傍の波形のデータを学習し、欠陥を同定するステップとを有するので、検査対象物を検査して欠陥部と健常部を判別するニューラルネットワークを決定することが可能である。
【０１４７】
本発明の請求項２に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムによれば、ピーク近傍の波形は、ピーク近傍の約１０波長以下の数のピークを含む波形であるので、精確なニューラルネットワークの結合荷重を決定することが可能である。
【０１４８】
本発明の請求項３に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムによれば、検査対象物の測定域を端部域と中央部域に分割し、それぞれ個別に欠陥部であるか健常部であるかを判定するので、より精確なニューラルネットワークの結合荷重を決定することが可能である。
【０１４９】
本発明の請求項４に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムによれば、ＣＢＮセグメント砥石の研削面が欠陥部であるか健常部であるかを判定するためのニューラルネットワークの結合荷重を決定することが可能である。
【０１５０】
本発明の請求項５に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムによれば、反射波の波形のピークの何れか一つを用いて位相を合わせるステップと、ピーク近傍の波形のデータから予め同様な方法の学習で決定されたニューラルネットワークを用いて欠陥部であるか健常部であるかを判定するステップとを有するので、検査対象物の測定域が欠陥部であるか健常部であるかを判定することが可能である。
【０１５１】
本発明の請求項６に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムによれば、位相を合わせる波形のピークは、第１ピークまたは第２ピークの何れかであるので、検査対象物の測定域が欠陥部であるか健常部であるかを精確に判定することが可能である。
【０１５２】
本発明の請求項７に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムによれば、ピーク近傍の波形は、ピーク近傍の約１０波長以下の数のピークを含む波形であるので、検査対象物の測定域が欠陥部であるか健常部であるかを精確に判定することが可能である。
【０１５３】
本発明の請求項８に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムによれば、検査対象物の測定域を端部域と中央部域に分割し、それぞれ個別に欠陥部であるか健常部であるかを判定するので、検査対象物の測定域が欠陥部であるか健常部であるかをより精確に判定することが可能である。
【０１５４】
本発明の請求項９に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムによれば、検査対象物は、ＣＢＮセグメント砥石であり、該ＣＢＮセグメント砥石のセグメントと台金との接着面が測定域であるので、ＣＢＮセグメント砥石の研削面が欠陥部であるか健常部であるかを精確に判定することが可能である。
【０１５５】
本発明の請求項１０に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムを内蔵する超音波探傷機によれば、反射波形のピークの何れか一つを用いて位相を合わせるステップと、ピーク近傍の波形のデータから予め同様な方法の学習で決定されたニューラルネットワークを用いて欠陥部であるか健常部であるかを判定するステップとを有するニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムを内蔵するので、検査対象物の測定域が欠陥部であるか健常部であるかを精確且つ迅速に判定することが可能な超音波探傷機が得られる。
【０１５６】
本発明の請求項１１に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムを内蔵する超音波探傷機によれば、位相を合わせる波形のピークは、第１ピークまたは第２ピークの何れかであるので、検査対象物の測定域が欠陥部であるか健常部であるかを精確に判定することが可能な超音波探傷機が得られる。
【０１５７】
本発明の請求項１２に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムを内蔵する超音波探傷機によれば、ピーク近傍の波形は、ピーク近傍の約１０波長以下の数のピークを含む波形であるので、検査対象物の測定域が欠陥部であるか健常部であるかを精確に判定することが可能な超音波探傷機が得られる。
【０１５８】
本発明の請求項１３に関わるニューラルネットワークを利用した知能化超音波傷システムのプログラムを内蔵する超音波探傷機によれば、検査対象物の測定域を端部域と中央部域に分割し、それぞれ個別に欠陥部であるか健常部であるかを判定するので、検査対象物の測定域が欠陥部であるか健常部であるかをより精確に判定することが可能な超音波探傷機が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 (ａ)および(ｂ)は、本発明に関わるＣＢＮセグメント砥石の正面図、および(ａ)図のＣＢＮセグメント砥石の側面図。
【図２】本発明に関わるＣＢＮセグメント砥石の製造過程を示す斜視図。
【図３】 (ａ)は本発明に関わる欠陥部の無いセグメントチップを示す図、および、(ｂ)、(ｃ)、(ｄ)、(ｅ)、(ｆ)、(ｇ)は、本発明に関わる作成したセグメントチップの６種類の剥離形状を示す図。
【図４】図３(ｄ)に示す剥離形状を有するセグメントチップが貼り付けられたＣＢＮセグメント砥石を示す斜視図。
【図５】本発明に関わるＣＢＮセグメント砥石の探傷時の機器構成を示す概念図。
【図６】 (ａ)および(ｂ)は、本発明に関わる１０箇所の健常部からの反射波形を示す図、および１０箇所の欠陥部からの反射波形を示す図。
【図７】図６(ａ)の健常部からの反射波形の平均値と図６(ｂ)の欠陥部からの反射波形の平均値とを示す図。
【図８】図７の欠陥部の波形と健常部の波形の振幅を特徴的に示した図。
【図９】入力層のユニット数が６、中間層のユニット数が４、出力層のユニット数が５の全結合型の３層型ニューラルネットワークを示す図。
【図１０】本発明に関わるニューラルネットワークのシステムの学習処理を示す図。
【図１１】 (ａ)および(ｂ)は、本発明に関わる欠陥部の超音波探傷波形を示す図、および健常部の超音波探傷波形を示す図。
【図１２】 (ａ)および(ｂ)は、本発明に関わるセグメントチップの計測領域を示す図、および (ａ)図のセグメントチップの超音波反射波のエネルギー分布を示す図。
【図１３】本発明に関わるニューラルネットワークのシステムの検査時の機器構成を示す概念図。
【図１４】本発明に関わるニューラルネットワークのシステムの検査処理を示す図。
【符号の説明】
１…ＣＢＮセグメント砥石(検査対象物)、
１′…ＣＢＮセグメント砥石(擬似モデル)、
２…セグメントチップ、
３…台金、
３ｃ…台金の外周面(測定域、接着面)、
I…端部域、
II…中央部域、
Ａ…第１ピーク(波形のピーク)、
Ｂ…第２ピーク(波形のピーク)、
Ｃ…第３ピーク(波形のピーク)、
Ｕ１…超音波探傷機。
Claims (13)
- 検査対象物の擬似モデルに作成された欠陥部の測定域および健常部の測定域に超音波を照射し前記両測定域からの超音波反射波形をニューラルネットワークを用いて学習することにより欠陥を同定する知能化超音波探傷システムのプログラムであって、
前記擬似モデルの欠陥部または健常部からの反射波形の第１または第２ピークの何れか一つを用いて位相を合わせるステップと、
ニューラルネットワークを用いて前記ピーク近傍の波形のデータを学習し、欠陥を同定するステップと
を実行することを特徴とするニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラム。 - 前記ピーク近傍の波形は、前記ピーク近傍の約１０波長以下の数のピークを含む波形であることを特徴とする請求項１に記載のニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラム。
- 前記検査対象物の測定域を端部域と中央部域に分割し、それぞれ個別に欠陥部であるか健常部であるかを判定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラム。
- 前記検査対象物は、ＣＢＮセグメント砥石であり、該ＣＢＮセグメント砥石のセグメントと台金との接着面が測定域であることを特徴とする請求項１から請求項３のうちの何れか一項に記載のニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラム。
- 検査対象物の測定域に超音波を照射し前記測定域からの超音波反射波形をニューラルネットワークを用いて分析することにより欠陥部であるか健常部であるかを判定するニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムであって、前記反射波の波形のピークの何れか一つを用いて位相を合わせるステップと、前記ピーク近傍の波形のデータから予め前記ピーク近傍の波形のデータを学習し決定されたニューラルネットワークを用いて欠陥部であるか健常部であるかを判定するステップとを実行することを特徴とするニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラム。
- 前記位相を合わせる波形のピークは、第１ピークまたは第２ピークの何れかであることを特徴とする請求項５に記載のニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラム。
- 前記ピーク近傍の波形は、前記ピーク近傍の約１０波長以下の数のピークを含む波形であることを特徴とする請求項５または請求項６に記載のニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラム。
- 前記検査対象物の測定域を端部域と中央部域に分割し、それぞれ個別に欠陥部であるか健常部であるかを判定することを特徴とする請求項５から請求項７のうちの何れか一項に記載のニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラム。
- 前記検査対象物は、ＣＢＮセグメント砥石であり、該ＣＢＮセグメント砥石のセグメントと台金との接着面が測定域であることを特徴とする請求項５から請求項８のうちの何れか一項に記載のニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラム。
- 検査対象物の測定域に超音波を照射し前記測定域からの超音波反射波の波形をニューラルネットワークを用いて分析することにより欠陥部であるか健常部であるかを判定するニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムを内蔵する超音波探傷機であって、
前記反射波の波形のピークの何れか一つを用いて位相を合わせるステップと、
前記ピーク近傍の波形のデータから予め前記ピーク近傍の波形のデータを学習し決定されたニューラルネットワークを用いて欠陥部であるか健常部であるかを判定するステップとを実行することを特徴とするニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムを内蔵する超音波探傷機。 - 前記位相を合わせる波形のピークは、第１ピークまたは第２ピークの何れかであることを特徴とする請求項１０に記載のニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムを内蔵する超音波探傷機。
- 前記ピーク近傍の波形は、前記ピーク近傍の約１０波長以下の数のピークを含む波形であることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載のニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムを内蔵する超音波探傷機。
- 前記検査対象物の測定域を端部域と中央部域に分割し、それぞれ個別に欠陥部であるか健常部であるかを判定することを特徴とする請求項１０から請求項１２のうちの何れか一項に記載のニューラルネットワークを利用した知能化超音波探傷システムのプログラムを内蔵する超音波探傷機。
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