JP7244179B2 - Looseness detection system for axial force member and looseness detection method for axial force member - Google Patents
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本発明は、外力が加えられた軸力部材から発生する振動によって軸力を判定する軸力部材の緩み検知システム、及び軸力部材の緩み検知方法に関するものである。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to an axial force member loosening detection system and an axial force member loosening detection method for determining an axial force by vibration generated from an axial force member to which an external force is applied.
特許文献1に開示されているように、ボルトをハンマで打撃した際に発生する打音からボルトの緩みを判定する装置が知られている。この特許文献1のボルトの緩み判定装置では、マイクロホンで打音を検出し、アナログ帯域フィルタにより各周波数帯の時系列信号に分離し、その時系列信号を整流してピークホールドすることによって、各周波数帯における瞬間的な最大値を抽出する。
As disclosed in Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2002-100022, there is known a device for determining looseness of a bolt from a hammering sound generated when the bolt is struck with a hammer. In the bolt looseness determination device of
一方、ハンマで打撃した際の加振力は、加振力センサで検出して、比率演算器により外力基準値との比率を求める。そして、打音から抽出された最大値を比率演算器にて算出した比率を基に補正し、比較器において予め設定された振動基準値と比較して、所定の関係から外れたときの比較結果信号を出力する。 On the other hand, the excitation force when struck by the hammer is detected by the excitation force sensor, and the ratio of the excitation force to the external force reference value is obtained by the ratio calculator. Then, the maximum value extracted from the hammering sound is corrected based on the ratio calculated by the ratio calculator, compared with the preset vibration reference value in the comparator, and the comparison result when it deviates from the predetermined relationship. Output a signal.
さらに警報器によって、比較結果信号の数が例えば3個以上の場合に、異常としての警報を行う。要するにこの装置では、入力信号の大きさと、各周波数帯の最大値とを比較することで緩みを検知して、緩みが検知された場合に警報を行う。 Furthermore, when the number of comparison result signals is, for example, three or more, an alarm is issued as an abnormality by an alarm device. In short, this device detects looseness by comparing the magnitude of the input signal with the maximum value of each frequency band, and issues an alarm when looseness is detected.
しかしながら、上記した特許文献1のボルトの緩み判定装置は、ボルトが緩んだことを警報器によって報知させる装置であるため、初期や中期の緩みは検出されず、警報しなければならない状態まで緩みが進行しないと、検査員は気付くことができない。
However, since the bolt looseness determination device of
また、検査員がハンマで打撃を行い、緩みを判断する方法では、検査対象が、検査員の接近できるボルトに限られる。さらに、打撃時の加振力や打音などを複数のセンサでそれぞれ検知させて、それらの入力信号を用いて判定を行う場合には、計測機器が増え、信号処理が複雑となる。 Further, in the method in which the inspector hits the bolt with a hammer to determine the looseness, the inspected object is limited to the bolts that the inspector can approach. Furthermore, if a plurality of sensors are used to detect the excitation force and the hitting sound at the time of hitting, and the input signals thereof are used for determination, the number of measuring devices increases and the signal processing becomes complicated.
そこで、本発明は、振動検知装置の測定結果に基づいて軸力部材の緩みを段階的に判定することが可能な軸力部材の緩み検知システム及び軸力部材の緩み検知方法を提供することを目的としている。 Accordingly, it is an object of the present invention to provide an axial force member looseness detection system and an axial force member looseness detection method capable of stepwise determining looseness of an axial force member based on the measurement results of a vibration detection device. purpose.
前記目的を達成するために、本発明の軸力部材の緩み検知システムは、外力が加えられた軸力部材から発生する振動によって軸力を判定する軸力部材の緩み検知システムであって、軸力が既知の軸力部材から発生する振動によって得られた複数の固有振動数に基づいて軸力推定式を作成する推定式作成部と、検査対象軸力部材に外力を加えるための加振装置と、前記加振装置によって加えられた外力によって発生した前記検査対象軸力部材の軸力部材振動を測定する振動検知装置と、前記振動検知装置によって検知された前記軸力部材振動を周波数分析することで取得されたピーク振動数及び振幅の中から、複数の値を前記軸力推定式に入力することで前記検査対象軸力部材の軸力を推定する軸力推定部と、前記軸力推定部の推定結果に基づいて前記検査対象軸力部材の緩みを判定する緩み判定部とを備えたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, a looseness detection system for an axial force member of the present invention is a looseness detection system for an axial force member that determines an axial force by vibration generated from the axial force member to which an external force is applied, comprising: An estimating formula creating unit that creates an axial force estimating formula based on a plurality of natural frequencies obtained by vibration generated from an axial force member whose force is known, and a vibrating device for applying external force to the axial force member to be inspected. a vibration detection device for measuring axial force member vibration of the axial force member to be inspected generated by the external force applied by the vibration excitation device; and frequency analysis of the axial force member vibration detected by the vibration detection device. an axial force estimating unit for estimating the axial force of the axial force member to be inspected by inputting a plurality of values from the peak frequency and amplitude obtained by the above into the axial force estimation formula; and a looseness determination unit that determines looseness of the axial force member to be inspected based on the estimation result of the unit.
ここで、前記軸力部材としては、ボルトが適用できる。また、前記軸力推定式の作成には、500Hzから6kHzの範囲に発生する2個から4個のピーク振動数が固有振動数として使用されることが好ましい。また、前記加振装置は、前記検査対象軸力部材の頭部を打撃する打鍵装置、又はYAGレーザを照射する加振用レーザ装置である構成とすることができる。 Here, a bolt can be applied as the axial force member. Further, it is preferable that two to four peak frequencies occurring in a range of 500 Hz to 6 kHz are used as natural frequencies for creating the axial force estimation formula. Further, the vibrating device may be a keying device for striking the head of the axial force member to be inspected, or a vibrating laser device for irradiating a YAG laser.
さらに、前記振動検知装置は、外力が加えられたことにより前記検査対象軸力部材から発生する音を測定する集音装置、又は振動を測定するレーザ振動計である構成とすることができる。 Further, the vibration detection device may be a sound collector that measures sound generated from the axial force member to be inspected by applying an external force, or a laser vibrometer that measures vibration.
また、軸力部材の緩み検知方法の発明は、外力が加えられた軸力部材から発生する振動によって軸力を判定する軸力部材の緩み検知方法であって、軸力が既知の軸力部材を使用して、発生する振動から取得された複数の固有振動数に基づいて軸力推定式を作成するステップと、検査対象軸力部材に対して外力を与えるステップと、前記外力によって発生した前記検査対象軸力部材の軸力部材振動を測定するステップと、測定された前記軸力部材振動を周波数分析することで取得されたピーク振動数及び振幅の中から、複数の値を前記軸力推定式に入力することで前記検査対象軸力部材の軸力を推定するステップと、前記軸力の推定結果に基づいて前記検査対象軸力部材の緩みを判定するステップとを備えたことを特徴とする。ここで、前記軸力部材としては、ボルトが適用できる。また、前記軸力推定式の作成には、500Hzから6kHzの範囲に発生する2個から4個のピーク振動数及び振幅を使用することが好ましい。 Further, the invention of a method for detecting looseness of an axial force member is a method for detecting looseness of an axial force member for determining the axial force by vibration generated from the axial force member to which an external force is applied, wherein the axial force is a known axial force member. is used to create an axial force estimation formula based on a plurality of natural frequencies obtained from the generated vibration; applying an external force to the axial force member to be inspected; A step of measuring the axial force member vibration of the axial force member to be inspected; estimating the axial force of the axial force member to be inspected by inputting it into a formula; and determining looseness of the axial force member to be inspected based on the result of estimating the axial force. do. Here, a bolt can be applied as the axial force member. Moreover, it is preferable to use 2 to 4 peak frequencies and amplitudes generated in the range of 500 Hz to 6 kHz to create the axial force estimation formula.
このように構成された本発明の軸力部材の緩み検知システムは、軸力が既知の軸力部材から発生する振動によって得られた複数の固有振動数に基づいて軸力推定式を作成する推定式作成部を備えている。 The looseness detection system of the axial force member of the present invention configured as described above is an estimation method that creates an axial force estimation formula based on a plurality of natural frequencies obtained by vibration generated from an axial force member whose axial force is known. It has an expression generator.
そして、加振装置によって検査対象軸力部材に外力を加えたことで発生した軸力部材振動を振動検知装置で測定し、その軸力部材振動を周波数分析することで取得されたピーク振動数及び振幅の中から複数の値を軸力推定式に入力することで、軸力推定部によって検査対象軸力部材の軸力を推定するとともに、検査対象軸力部材の緩みを緩み判定部で判定する。 Then, the vibration of the axial force member generated by applying an external force to the axial force member to be inspected by the vibrating device is measured by the vibration detection device, and the peak frequency and the peak frequency obtained by analyzing the frequency of the axial force member vibration are measured. By inputting multiple values from the amplitude into the axial force estimation formula, the axial force estimator estimates the axial force of the axial force member to be inspected, and the looseness of the axial force member to be inspected is determined by the looseness determination unit. .
このように複数の固有振動数に基づいて作成された軸力推定式を使用することで、軸力部材の緩みを段階的に判定することができるようになる。また、検査対象軸力部材の検査時に検知させる入力データは、振動検知装置の測定結果だけでよいので、比較的簡単な構成にすることができる。 By using the axial force estimation formula created based on a plurality of natural frequencies in this way, it becomes possible to determine the looseness of the axial force member step by step. In addition, since the input data to be detected when inspecting the axial force member to be inspected is only the measurement result of the vibration sensing device, the configuration can be made relatively simple.
また、軸力部材の緩み検知方法の発明では、軸力が既知の軸力部材から発生する振動によって得られた複数の固有振動数に基づいて軸力推定式を作成してから、検査対象軸力部材から発生した軸力部材振動を周波数分析し、前記軸力推定式によって検査対象軸力部材の軸力を推定する。そして、その軸力の推定結果から検査対象軸力部材の緩みを判定する。 Further, in the invention of the looseness detection method of the axial force member, after creating the axial force estimation formula based on a plurality of natural frequencies obtained by the vibration generated from the axial force member whose axial force is known, The axial force member vibration generated from the force member is frequency-analyzed, and the axial force of the axial force member to be inspected is estimated by the axial force estimation formula. Then, looseness of the axial force member to be inspected is determined from the result of estimation of the axial force.
このように複数の固有振動数に基づいて作成された軸力推定式を使用して、上記したステップで検査対象軸力部材の緩みを判定することで、軸力部材の緩みを段階的に把握することができるようになる。 Using the axial force estimation formula created based on a plurality of natural frequencies in this way, the looseness of the axial force member to be inspected is determined in the above steps, so that the looseness of the axial force member is grasped step by step. be able to
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1は、本実施の形態の軸力部材の緩み検知システムであるボルトの緩み検知システムの構成を説明するブロック図、図2は本実施の形態の軸力部材の緩み検知方法であるボルトの緩み検知方法の処理の流れを説明する図である。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram for explaining the configuration of a bolt looseness detection system that is a looseness detection system for an axial member according to the present embodiment. FIG. It is a figure explaining the flow of processing of a looseness detection method.
本実施の形態のボルトの緩み検知システムは、外力が加えられた軸力部材であるボルトから発生する振動によって軸力(ボルトの締結力)を判定するためのシステムである。このボルトの緩み検知システムは、図1に示すように、検査対象軸力部材である検査対象ボルトに外力を加えるための加振装置2と、加振装置2によって加えられた外力によって発生した検査対象ボルトの軸力部材振動であるボルト振動(応答振動)を測定する振動検知装置3と、処理演算部4と、入力部11及び出力部12とによって主に構成される。
The bolt looseness detection system of the present embodiment is a system for determining the axial force (bolt fastening force) by vibration generated from the bolt, which is an axial force member to which an external force is applied. As shown in FIG. 1, this bolt looseness detection system includes a vibrating
入力部11は、軸力推定式の作成やボルト緩みを判定する際に必要となる各種設定や、後述する入力データ以外のデータなどの入力を行うための手段である。入力部11には、キーボード、マウス、入力データが記録された記憶媒体などが該当する。
The
一方、出力部12は、作成された軸力推定式や軸力の推定値や緩みの判定結果などを出力する手段である。ディスプレイ、プリンタ、出力データを記録する記憶媒体などが該当する。入力部11及び出力部12の記憶媒体には、SDメモリーカードやUSBメモリなどのフラッシュメモリ、ソリッドステートドライブ(SSD)、ハードディスクなどが使用できる。
On the other hand, the
加振装置2は、ボルトに外力を加えることができる装置であれば、いずれの形態であってもよい。例えば、ハンマや錘などの鍵20で直接、ボルトを打撃する打鍵装置2A(図4参照)を加振装置2として使用することができる。この打鍵装置2Aは、モータとカムとバネなどを組み合わせることで、鍵20を一定時間間隔で動かすことができる装置である。
The vibrating
また、可視光のYAGレーザを照射する加振用レーザ装置2B(図6参照)を加振装置2として使用することもできる。YAGレーザ(Yttrium Aluminum Garnetを用いた固体レーザ)をボルト面に当てると、表面材料のアブレーション(イオン化)により衝撃が発生するので、これによってボルトに振動を生じさせることができる。
A vibrating
一方、振動検知装置3は、打鍵装置2Aや加振用レーザ装置2Bによってボルトに与えられた打撃によって発生した振動(ボルト振動)を測定できる装置であれば、いずれの形態であってもよい。
On the other hand, the
例えば、ボルトを打撃した際に発生する打音を検知する集音装置3A(図4参照)を振動検知装置3として使用することができる。集音装置3Aは、打音を電気信号に変換するマイクロホンと、変換された電気信号を増幅する増幅器とを備えている。
For example, a
また、振動を遠方から検知することが可能なドップラーレーザを利用したレーザ振動計3B(図6参照)を振動検知装置3として使用することもできる。レーザ振動計3Bは、レーザ光を照射するセンサヘッドと、反射されたレーザ光を受光する受光素子とを備えている。例えば、ボルト面が打撃によって振動していれば、振動するボルト面から反射されたレーザ光はドップラーシフトしたレーザ光となっており、周波数(速度)の変化が電圧に変換されて振動現象として検出することができる。
A
処理演算部4は、ノートパソコンなどのパーソナルコンピュータ(PC)やタブレット端末などによって構成される。処理演算部4には、各種制御を行う制御部40と、周波数分析などを行う波形分析部41と、軸力推定式を作成する推定式作成部42と、ボルトの軸力を推定する軸力推定部43と、ボルトの緩みを判定する緩み判定部44とを備えている。
The
制御部40は、入力部11から入力された信号を各演算部に送ったり、加振装置2に打撃動作の指示信号を送ったり、振動検知装置3の検知データ(測定データ)を各演算部に送ったりするなどの制御を行う。
The
また、波形分析部41は、後述するように、振動検知装置3で測定された信号波形の分割処理をしたり、周波数分析をしたりする演算部である。波形分析部41による分析結果は、推定式作成部42と軸力推定部43との両方で利用される。
Also, the
続いて、図2を参照しながら推定式作成部42の処理について説明する。推定式作成部42では、検査対象とする継手のボルトBと同様の形態のボルトBを使用して、軸力推定式を作成する。ここで、ボルトBは、取付部材Mの穴に通されて、ナットB2を使って締結される。そして、ボルトBの頭部B1を打撃することで、ボルトBの締結力、すなわち軸力(トルク)を推定する。
Next, the processing of the estimation
軸力推定式の作成にあたっては、ボルトBの軸力を変化させながら、加振時のボルト軸ひずみ及び軸方向振動加速度を測定する。要するに、このボルトBは、軸ひずみが測定できるようになっているため、軸力が既知のボルトと言える。軸ひずみは、ボルトBの軸部にひずみゲージを貼り付けることで測定できる。なお、ボルトBが細径の場合は、トルクレンチによる締め付けトルクを測定することで、軸力を既知にすることもできる。 In creating the axial force estimation formula, the axial strain of the bolt B and the axial vibration acceleration during vibration are measured while changing the axial force of the bolt B. In short, this bolt B can be said to be a bolt with a known axial force since the axial strain can be measured. Axial strain can be measured by attaching a strain gauge to the shaft portion of the bolt B. If the bolt B has a small diameter, the axial force can be known by measuring the tightening torque with a torque wrench.
軸力推定式の作成の際には、例えば、軸力を4パターン程度で変化させ、各パターンで5回程度の加振をし、軸力及び振動の測定を繰り返すキャリブレーション実験を行う。そして、得られた計測波形に対して、以下の処理を行う。 When creating the axial force estimation formula, for example, a calibration experiment is performed in which the axial force is changed in about four patterns, vibration is applied about five times in each pattern, and the measurement of the axial force and vibration is repeated. Then, the following processing is performed on the obtained measured waveform.
まず、振動検知装置3によって検知されて入力された信号波形(測定データ)から、複数回ある打音による振動を、1回(1打撃)分毎に切り出す。続いて、切り出された各振動波形に対して、フィルタリングと高域補正(強調)処理とを行う。
First, from the signal waveform (measurement data) detected and input by the
さらに、AR法(ユールウォーカー法)により、ピーク振動数の抽出を行う。例えば、特定周波数範囲(500Hz-6kHz)に発生したピーク振動数を例えば6個抽出し、それらの周波数をそれぞれf1-f6とし、それらの周波数に対応するピークスペクトル(ピーク振幅)を、最大ピークを1として正規化した値であるp1-p6とする。 Furthermore, peak frequencies are extracted by the AR method (Yule-Walker method). For example, extract 6 peak frequencies generated in a specific frequency range (500 Hz-6 kHz), set those frequencies to f1-f6, respectively, peak spectrum (peak amplitude) corresponding to those frequencies, the maximum peak Let p1-p6 be values normalized to 1.
そして、各周波数の分布等を見て、軸力推定用の振動数を3つから4つ(ここでは4つ)選定する。以上で説明した周波数範囲や抽出する周波数の数は、検査対象となるボルトBの形態により変わる。このようにして選定した8個のパラメータ(f1-f4,p1-p4)のうちのいくつかは、ボルトBの軸力との間に相関関係が現れることが分かっており、キャリブレーション実験の結果から、それぞれの相関関係を見い出す。 Then, looking at the distribution of each frequency, etc., three to four (here, four) frequencies for axial force estimation are selected. The frequency range and the number of frequencies to be extracted as described above vary depending on the form of the bolt B to be inspected. It is known that some of the eight parameters (f1-f4, p1-p4) selected in this way have a correlation with the axial force of the bolt B, and the results of the calibration experiment , find the respective correlations.
図3に、ボルト振動を周波数分析した結果を例示した。図3(a)は軸力が無い場合(既定値の0%)の周波数スペクトル図、図3(b)は軸力が既定値の20%の場合の周波数スペクトル図を示している。この図に示すように、軸力が0%の場合と20%の場合とでは、異なるピーク振動数と異なるピーク振幅を示すことがわかる。すなわち、ピーク振動数とピーク振幅とを、軸力を推定する際の特徴量にすることができる。 FIG. 3 illustrates the results of frequency analysis of bolt vibration. FIG. 3(a) shows a frequency spectrum diagram when there is no axial force (0% of the default value), and FIG. 3(b) shows a frequency spectrum diagram when the axial force is 20% of the default value. As shown in this figure, different peak frequencies and different peak amplitudes are exhibited when the axial force is 0% and when the axial force is 20%. That is, the peak frequency and the peak amplitude can be used as feature quantities when estimating the axial force.
そこで、周波数と振幅をパラメータfi,piに用いて、以下の式で軸力推定式を作成する。ここでは、軸ひずみの分かっている計測データを用いるため、軸ひずみ推定式とも言える。なお、以下の式では、説明を簡略にするために、推定に用いるピーク振動数の数(i)を2つとし、軸ひずみ推定式を1次式とした場合を示す。
εN=Σ(vi(aifi+bi)+wi(cipi+di)) ;i=1,2
ここで、εNは軸方向ひずみ、fiはi番目のピーク振動数、aifi+biとcipi+diはi次振動パラメータによる軸ひずみ推定式、vi,wiは重みを示す。
Therefore, using the frequency and amplitude as parameters f i and p i , an axial force estimating formula is created using the following formula. Since the measurement data for which the axial strain is known is used here, it can also be said to be an axial strain estimation formula. In order to simplify the explanation, the following equations show a case where the number of peak frequencies (i) used for estimation is two and the axial strain estimation equation is a linear equation.
ε N =Σ(v i (a i f i +b i ) + w i (c i p i +d i )); i=1,2
where εN is the axial strain, f i is the i-th peak frequency, a i f i +b i and c i p i +d i are the axial strain estimation formulas based on the ith order vibration parameter, v i and w i are Indicates weight.
なお、実際に軸力推定式を作成する際のピーク振動数の数(i)は、2つから4つとし、各パラメータに対する軸ひずみ推定式は2次式とする。軸ひずみ推定式(軸力推定式)の決定には、上記式のεNの誤差を最小とする重み(vi,wi)を決定することが必要となるが、パラメータ数が増えると計算が煩雑となるため、機械学習により重みを決定することとする。 Note that the number of peak frequencies (i) when actually creating the axial force estimation formula is set to 2 to 4, and the axial strain estimation formula for each parameter is a quadratic formula. In order to determine the axial strain estimation formula (axial force estimation formula), it is necessary to determine the weights (v i , w i ) that minimize the error of ε N in the above formula. is complicated, the weights are determined by machine learning.
そして、推定精度の高い軸力推定式を作成する(図2のステップS11)には、予めボルトBに対する打撃実験を行う必要がある(ステップS12)。例えば、ボルトBの軸力を、既定値の0%,20%,50%,80%としたボルトBに対して、打撃を与えて発生する振動の測定を行う実験を複数回実施する。 In order to create an axial force estimation formula with high estimation accuracy (step S11 in FIG. 2), it is necessary to perform a hammering experiment on the bolt B in advance (step S12). For example, multiple experiments are conducted to measure the vibration generated by impacting the bolt B with the axial force of the bolt B set to 0%, 20%, 50%, and 80% of the default value.
打撃実験の流れと検査対象ボルトに対する検査とは、同様の処理となるため、図2を参照しながら引き続き説明する。ボルトBの頭部B1を加振装置2で打撃することで発生した打音を、振動検知装置3で収録して増幅器31で増幅させて記録する。
Since the flow of the impact experiment and the inspection of the bolt to be inspected are the same processes, the description will be continued with reference to FIG. 2 . Hitting sound generated by hitting the head B1 of the bolt B with the vibrating
この記録(測定)された信号波形は、1回分毎の打音による振動に波形分割される(ステップS1)。分割された振動波形は、周波数分析(ステップS2)され、周波数と振幅を示す8つの変量(f1-f4、p1-p4)が取り出される(ステップS31-S34)。 The recorded (measured) signal waveform is waveform-divided into vibrations caused by each hammering sound (step S1). The divided vibration waveform is subjected to frequency analysis (step S2), and eight variables (f1-f4, p1-p4) indicating frequency and amplitude are taken out (steps S31-S34).
そして、一旦決定された軸力推定式(ステップS13)を組み込んだ判定プログラムに、その8つの変量を与えて、軸力を推定させる(ステップS4)。この推定作業を、軸力が既知(ひずみゲージで同時測定も含む)のボルトBにおいて、何度か繰り返して実施する。 Then, the eight variables are given to the determination program incorporating the once determined axial force estimation formula (step S13) to estimate the axial force (step S4). This estimation work is repeated several times for the bolt B whose axial force is known (including simultaneous measurement with a strain gauge).
判定プログラム内では、機械学習により、軸力判定が不正解だった場合には、正解を導きだせるように軸力推定式の係数(重み(vi,wi))の修正を行う。これを繰り返すことで、判定プログラムの軸力判定精度を向上させることができる。診断に用いる変量を適切に選択すれば、後述するようにほぼ100%の正解率が得られるようになる。 In the determination program, machine learning corrects the coefficients (weights (v i , w i )) of the axial force estimation formula so that the correct answer can be derived when the axial force determination is incorrect. By repeating this, it is possible to improve the axial force determination accuracy of the determination program. If the variables used for diagnosis are appropriately selected, an accuracy rate of almost 100% can be obtained as described later.
この判定プログラムでは、推定された軸力の値に基づいて、最終的に緩み判定(ステップS5)の結果を出力する。緩み判定は、例えば検査対象ボルトの降伏ひずみに対する軸方向ひずみ量の割合(R)で示すことができる。 This determination program finally outputs the result of looseness determination (step S5) based on the estimated value of the axial force. The looseness determination can be indicated, for example, by the ratio (R) of the amount of axial strain to the yield strain of the bolt to be inspected.
要するに、検査対象ボルトの導入軸力の降伏ひずみをrN0とし、検査時の軸方向ひずみ量をrNとすると、緩み判定結果となる割合(R)は、R=rN/rN0として算出することができる。 In short, if the yield strain of the introduced axial force of the bolt to be inspected is r N0 and the amount of axial strain during inspection is r N , the ratio (R) that becomes the looseness judgment result is calculated as R = r N /r N0 can do.
次に、本実施の形態のボルトの緩み検知システム1の具体的な構成について、図面を参照しながら説明する。まず、図4,5を参照しながら、打鍵音収録装置5を使用する場合について説明する。
Next, a specific configuration of the bolt
打鍵音収録装置5は、図4に模式的に示すように、加振装置である打鍵装置2Aと、振動検知装置である集音装置3Aとが、一体になっている。この打鍵音収録装置5は、2m程度の近距離にある検査対象ボルト(ボルトB)に対して使用される。
As schematically shown in FIG. 4, the keystroke
この打鍵音収録装置5は、延長ポール51の先端に取り付けられ、磁石などで取付部材Mに固定される。打鍵装置2Aには、モータとカムとバネが組み込まれており、ボルトBの頭部B1の周面を、一定時間間隔で動く鍵20で打撃することができる。
The tapping
打鍵装置2Aの打撃によって発生した音は、近接して設けられた集音装置3Aのマイクロホンによって収録される。このような構成であれば、図5に示すように、例えばトンネルTの天井から吊り下げられた道路標識M1の取付部材Mを固定するボルトBを、検査員Nが手に持った延長ポール51の先端の打鍵音収録装置5によって、検査することができる。
A sound generated by striking with the
続いて、図6,7を参照しながら、加振用レーザ装置2Bとレーザ振動計3Bとを組み合わせた構成について説明する。図6に模式的に示した構成は、加振装置である加振用レーザ装置2Bと、振動検知装置であるレーザ振動計3Bとを使用する場合を示している。
Next, a configuration in which the
この構成は、検査員Nが接近することが難しい3m-20m程度の遠方にあるボルトBに対して適用する。加振を行うための加振用レーザ装置2Bは、可視光のYAGレーザ21を照射する。例えば、波長532nmのYAGレーザ21を、220mJの出力で5nsecの照射時間で照射する。
This configuration is applied to a bolt B located at a distance of about 3 m to 20 m, which is difficult for an inspector N to approach. A vibrating
YAGレーザ21の緑色の輝点をボルトBの頭部B1の表面に当てると、表面材料のアブレーション(イオン化)により衝撃が発生する。これにより、ボルトBに振動を生じさせることができるので、その振動をドップラーレーザー振動計であるレーザ振動計3Bで遠隔から測定する。
When the green luminescent spot of the
このような構成であれば、図7に示すように、移動式の台車N1に加振用レーザ装置2Bとレーザ振動計3Bとを搭載して、トンネルT内を移動しながら検査を行うことができる。すなわち、台車N1を道路標識M1の取付部材Mを固定するボルトBが照準できる位置に移動させ、逐次、検査をしていくことができる。このため、足場を設置したり、長時間の交通規制をしたりしなくても、高所にあるボルトBの検査(緩み判定)を迅速に行うことができる。
With such a configuration, as shown in FIG. 7, the
次に、本実施の形態のボルトの緩み検知システム及びボルトの緩み検知方法の効果を確認するために行った、精度確認実験について説明する。従来の手法では、ボルトに緩みがあるか否かの判定しか行えなかったが、本実施の形態のボルトの緩み検知システム及びボルトの緩み検知方法であれば、例えば軸力が既定値の50%程度に低下しているというような検知ができるようになることを説明する。 Next, an accuracy confirmation experiment conducted to confirm the effects of the bolt looseness detection system and the bolt looseness detection method of the present embodiment will be described. In the conventional method, it was only possible to determine whether or not the bolt was loose. It will be explained that it is possible to detect that the level is lowered to a certain extent.
実験には、重ね継ぎ手をボルトBで締め付けた試験体を用い、トルクレンチによる締め付けトルク(ボルトBの軸力)を、既定値の0%,20%,50%,80%の4種類に変えて行った。ボルトBの打撃は、金属製のテストハンマーで頭部B1を軽くたたくことで行い、その振動を3mの距離から集音装置3Aのマイクロホンで収録した場合と、20mの距離からレーザ振動計3Bで測定した場合との2パターンの実験を行った。
In the experiment, a test piece in which the lap joint was tightened with bolt B was used, and the tightening torque (axial force of bolt B) by a torque wrench was changed to 4 types of the default value of 0%, 20%, 50%, and 80%. went. The bolt B was struck by lightly tapping the head B1 with a metal test hammer, and the vibration was recorded from a distance of 3 m with the microphone of the
集音装置3A及びレーザ振動計3Bで測定した振動データは、判定プログラムが実行されている処理演算部4の波形分析部41に入力される。波形分析部41では、入力された信号波形を波形分割し、分割された振動波形の特徴量(ピーク振動数,ピーク振幅)を決定して、判定プログラムの訓練(機械学習)を行った。
Vibration data measured by the
そして、訓練済みの推定式作成部42によって作成された軸力推定式を用いて、振動データから緩み判定を行う実験をし、判定結果の正解率を計算した。図8(a)は集音装置3Aによる測定データを使用した場合の判定結果を示しており、図8(b)はレーザ振動計3Bによる測定データを使用した場合の判定結果を示している。
Then, using the axial force estimation formula created by the trained estimation
そして、判別手法としては、2次判別法とk最近傍法(kNN)との2つの手法を適用して、精度の比較を行った。ここで、2次判別法及びk最近傍法(kNN)は、データを複数のクラス(グループ)に分類する手法の一つで、2次判別法は楕円などのの2次関数による判別を行う手法で、k最近傍法(kNN)は非線形の判別を行う手法で、いずれもパターン認識でよく用いられる。 Then, as the discrimination method, two methods, the quadratic discrimination method and the k-nearest neighbor method (kNN), were applied to compare the accuracies. Here, the quadratic discriminant method and the k-nearest neighbor method (kNN) are one of methods for classifying data into a plurality of classes (groups), and the quadratic discriminant method performs discrimination by a quadratic function such as an ellipse. The k-nearest neighbor method (kNN) is a method for performing non-linear discrimination, and both of them are often used in pattern recognition.
図8(a)の集音装置3Aによる測定データを用いた診断結果では、特徴量として抽出した4つのピーク振動数(f1-f4)及び4つのピーク振幅(p1-p4)の中から、2つから5つを選定して正解率を比較した。
In the diagnosis result using the measurement data by the
その結果、全データ(軸力0%,20%,50%,80%)の正解率は、最大で89%(2次判別法)となり、軸力20%以下の場合でも、最大で86%(kNN)の正解率が得られた。
As a result, the accuracy rate for all data (
一方、図8(b)のレーザ振動計3Bによる測定データを用いた診断結果では、全データ(軸力0%,20%,50%,80%)の正解率は、2次判別法で100%となり、軸力20%以下の場合では、2次判別法とkNNの両方の判別手法で100%の正解率が得られた。
On the other hand, in the diagnosis result using the measurement data by the
このように、振動検知装置3の構成が集音装置3Aであるかレーザ振動計3Bであるかに関わらず、4段階の軸力(既定値の0%,20%,50%,80%)を正解率80%以上で判別できることが確認できた。要するに、本実施の形態のボルトの緩み検知システム及びボルトの緩み検知方法を適用することで、ボルト緩みが80%なのか50%なのかといった違いが判別できることが確認された。
In this way, regardless of whether the configuration of the
次に、本実施の形態のボルトの緩み検知システム及びボルトの緩み検知方法の作用について説明する。
このように構成された本実施の形態のボルトの緩み検知システムは、軸力が既知のボルトBから発生する振動によって得られた複数の固有振動数(ピーク振動数、ピーク振幅)に基づいて軸力推定式を作成する推定式作成部42を備えている。
Next, the operation of the bolt looseness detection system and the bolt looseness detection method according to the present embodiment will be described.
The bolt looseness detection system of the present embodiment configured as described above detects the axial force based on a plurality of natural frequencies (peak frequency, peak amplitude) obtained by vibration generated from the bolt B having a known axial force. An estimation
そして、加振装置2によって検査対象ボルト(B)に外力を加えたことで発生したボルト振動を振動検知装置3で測定し、そのボルト振動を波形分析部41で周波数分析することで取得されたピーク振動数及びピーク振幅の中から、複数の値を軸力推定式に入力することで、軸力推定部43によって検査対象ボルト(B)の軸力を推定するととともに、検査対象ボルトの緩みを緩み判定部44で判定する。
Then, the bolt vibration generated by applying an external force to the bolt (B) to be inspected by the vibrating
このように複数の固有振動数に基づいて作成された軸力推定式を使用することで、ボルトBの緩みを、緩みの有無だけでなく、段階的に判定することができるようになる。また、検査対象ボルトの検査時に検知させる入力データは、振動検知装置3の測定結果だけでよいので、比較的簡単な構成にすることができる。
By using the axial force estimation formula created based on a plurality of natural frequencies in this way, it becomes possible to determine the looseness of the bolt B step by step as well as the presence or absence of looseness. In addition, since the input data to be detected when inspecting the bolt to be inspected is only the measurement result of the
ボルトBの緩み判定が段階的に把握できるようになれば、脱落の危険性が高いものだけでなく、数か月後から数年後にはボルトBの締め直しや交換が必要になるなどの現状を高精度で把握できるようになるため、検査の頻度を減らすことができるようになる。また、修繕の時期や規模などの計画の立案もしやすくなる。 If it becomes possible to grasp the looseness of bolt B in stages, it will be necessary not only for items with a high risk of falling off, but also for bolt B to be re-tightened or replaced after several months to several years. can be grasped with high accuracy, the frequency of inspection can be reduced. In addition, it becomes easier to formulate plans such as the timing and scale of repairs.
また、ボルトの緩み検知方法の発明では、軸力が既知のボルトBから発生する振動によって得られた複数の固有振動数(ピーク振動数、ピーク振幅)に基づいて軸力推定式を作成(図2のステップS11)してから、検査対象ボルト(B)から発生したボルト振動を周波数分析し(ステップS2)、作成された軸力推定式によって検査対象ボルト(B)の軸力を推定する(ステップS4)。そして、その軸力の推定結果から検査対象ボルト(B)の緩みを判定する(ステップS5)。 In addition, in the invention of the bolt looseness detection method, an axial force estimation formula is created based on a plurality of natural frequencies (peak frequency, peak amplitude) obtained from vibrations generated from a bolt B with a known axial force (Fig. 2 step S11), frequency analysis is performed on the bolt vibration generated from the inspection target bolt (B) (step S2), and the axial force of the inspection target bolt (B) is estimated by the created axial force estimation formula ( step S4). Then, looseness of the inspected bolt (B) is determined from the estimated axial force (step S5).
このように複数の固有振動数に基づいて作成された軸力推定式(ステップS13)を使用して、上記したステップで検査対象ボルト(B)の緩みを判定することで、ボルトBの緩みを段階的に把握することができるようになる。 By using the axial force estimation formula (step S13) created based on a plurality of natural frequencies in this way, the looseness of the bolt B to be inspected is determined in the above steps, and the looseness of the bolt B is determined. You will be able to understand step by step.
以上、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。
例えば、前記実施の形態では、軸力部材として道路標識M1などを取り付けるボルトBを例に説明したが、これに限定されるものではなく、高力ボルト、普通ボルト、アンカーボルト、吊りボルト、PC鋼線等の軸力部材に対して本発明を適用することができる。
Although the embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings, the specific configuration is not limited to this embodiment. Included in the invention.
For example, in the above-described embodiment, the bolt B for attaching the road sign M1 etc. as the axial force member has been described as an example, but it is not limited to this, and high strength bolts, ordinary bolts, anchor bolts, suspension bolts, PC bolts, etc. The present invention can be applied to axial force members such as steel wires.
また、前記実施の形態では、打鍵装置2A又は加振用レーザ装置2BによってボルトBの頭部B1を打撃する構成について説明したが、これに限定されるものではなく、振動波形から特徴量が抽出できるような振動をボルトBから発生させることができるような加振装置であればよい。
Further, in the above-described embodiment, the configuration in which the head B1 of the bolt B is hit by the
さらに、振動検知装置3についても、集音装置3A又はレーザ振動計3Bに限定されるものではなく、ボルトBから発生した振動を測定できるものであればよい。このため、加振装置2と振動検知装置3との組み合わせも、前記実施の形態で説明した組み合わせに限定されるものではなく、打鍵装置2Aとレーザ振動計3B、加振用レーザ装置2Bと集音装置3Aという組み合わせであってもよい。
Furthermore, the
1 :ボルトの緩み検知システム(軸力部材の緩み検知システム)
2 :加振装置
2A :打鍵装置(加振装置)
2B :加振用レーザ装置(加振装置)
3 :振動検知装置
3A :集音装置(振動検知装置)
3B :レーザ振動計(振動検知装置)
41 :波形分析部
42 :推定式作成部
43 :軸力推定部
44 :緩み判定部
B :ボルト(軸力部材)
1: Bolt looseness detection system (Axial member looseness detection system)
2:
2B: Vibration laser device (vibration device)
3:
3B: Laser vibrometer (vibration detector)
41: Waveform analysis unit 42: Estimation formula creation unit 43: Axial force estimation unit 44: Looseness determination unit B: Bolt (axial force member)
Claims (8)
軸力が既知の軸力部材から発生する振動によって得られた複数の固有振動数に基づいて軸力推定式を作成する推定式作成部と、
検査対象軸力部材に外力を加えるための加振装置と、
前記加振装置によって加えられた外力によって発生した前記検査対象軸力部材の軸力部材振動を測定する振動検知装置と、
前記振動検知装置によって検知された前記軸力部材振動を周波数分析することで取得されたピーク振動数及び振幅の中から、複数の値を前記軸力推定式に入力することで前記検査対象軸力部材の軸力を推定する軸力推定部と、
前記軸力推定部の推定結果に基づいて前記検査対象軸力部材の緩みを判定する緩み判定部とを備えたことを特徴とする軸力部材の緩み検知システム。 A looseness detection system for an axial force member that determines an axial force by vibration generated from the axial force member to which an external force is applied,
an estimation formula creating unit for creating an axial force estimation formula based on a plurality of natural frequencies obtained by vibration generated from an axial force member having a known axial force;
a vibrating device for applying an external force to an axial force member to be inspected;
a vibration detection device for measuring axial force member vibration of the axial force member to be inspected generated by the external force applied by the vibration excitation device;
By inputting a plurality of values into the axial force estimation formula from the peak frequency and amplitude obtained by frequency analysis of the axial force member vibration detected by the vibration detection device, the axial force to be inspected an axial force estimation unit that estimates the axial force of the member;
A looseness detection system for an axial force member, comprising: a looseness determination unit that determines looseness of the axial force member to be inspected based on an estimation result of the axial force estimation unit.
軸力が既知の軸力部材を使用して、発生する振動から取得された複数の固有振動数に基づいて軸力推定式を作成するステップと、
検査対象軸力部材に対して外力を与えるステップと、
前記外力によって発生した前記検査対象軸力部材の軸力部材振動を測定するステップと、
測定された前記軸力部材振動を周波数分析することで取得されたピーク振動数及び振幅の中から、複数の値を前記軸力推定式に入力することで前記検査対象軸力部材の軸力を推定するステップと、
前記軸力の推定結果に基づいて前記検査対象軸力部材の緩みを判定するステップとを備えたことを特徴とする軸力部材の緩み検知方法。 A looseness detection method for an axial force member for determining an axial force by vibration generated from the axial force member to which an external force is applied, comprising:
creating an axial force estimation formula based on a plurality of natural frequencies obtained from the generated vibration using an axial force member with a known axial force;
a step of applying an external force to the axial force member to be inspected;
measuring axial force member vibration of the axial force member to be inspected generated by the external force;
By inputting a plurality of values into the axial force estimation formula from the peak frequency and amplitude obtained by frequency analysis of the measured axial force member vibration, the axial force of the axial force member to be inspected is calculated. an estimating step;
and determining looseness of the axial force member to be inspected based on the axial force estimation result.
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