KR101830461B1 - 기계 부품 내부에 존재하는 결함의 방향을 측정하기 위한 방법 및 그 장치 - Google Patents

기계 부품 내부에 존재하는 결함의 방향을 측정하기 위한 방법 및 그 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기계 부품(B) 내부에 존재하는 결함의 방향을 측정하기 위한 방법 그 장치에 관한 것으로, 상기 장치는, 여러 측정점(MP)을 출발점으로 하여 기계 부품(B)에 초음파 신호들을 인가하는 하나 이상의 초음파 헤드(2)를 포함하고, 이때 부품(B) 내부에 존재하는 검사 대상 지점(P)에서 측정점들(MP)로 다시 반사되는 초음파 에코 신호들이 동일한 초음파 헤드 또는 또 다른 초음파 헤드(2)에 의해 수신되며, 상기 장치는 또한, 결함의 방향을 결정하기 위해 각각의 측정점(MP)과 검사 대상 지점(P) 사이의 음향 방출 방향에 따라서 수신된 초음파 에코 신호들을 분석하는 데이터 처리 유닛(4)을 포함하고, 이때 각각의 측정점(MP)에 대해, 초음파 신호의 방출 시점과 결함에 의해 다시 반사되는 초음파 에코 신호의 수신 시점 사이의 검출되는 신호 전파 시간에 따라서 측정점(MP)과 검사 대상 지점(P) 사이의 거리(d)가 계산되며, 시간 오프셋 방식으로 여러 측정점(MP)에서 수신되는 검사 대상 지점(P)의 초음파 에코 신호들이 이들의 분석을 위해 동위상에서 합산된다.

Description

기계 부품 내부에 존재하는 결함의 방향을 측정하기 위한 방법 및 그 장치{METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING AN ORIENTATION OF A DEFECT PRESENT WITHIN A MECHANICAL COMPONENT}
본 발명은 초음파 검사를 이용하여 기계 부품 내부에 존재하는 결함의 방향을 측정하기 위한 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
초음파 검사는, 음향 전도성 재료, 예컨대 금속, 플라스틱, 세라믹 또는 콘크리트로 구성되는 부품에 대해 실시되는, 내적 및 외적 결함 및 모든 유형의 불균일성, 예컨대 균열, 슬래그 혼입, 공동 등의 유무를 분석하기 위한 비파괴 재료 검사 방법이다.
간단하면서도 보편적인 적용 가능성과, 검사자가 방사선 부하에 전혀 노출되지 않는다는 사실 때문에, 초음파 검사 방법은 가장 통상적으로 사용되는 비파괴 재료 검사 방법 중 하나이다.
초음파 검사 방법을 이용하여, 가령 작동 중에 높은 하중에 노출되는 휠 디스크, 샤프트 또는 중공 샤프트와 같은 예컨대 대형 단조 부품이 제조된 이후에, 경우에 따라서는 윤곽이 완전히 형성되지 않은 상태에서, 초음파로 검사된다. 초음파 검사 방법을 통해 결함이 지시되면, 지시되는 결함에 따라서 검사된 부품의 사용 여부가 판단될 수 있다.
결함의 인지 및 더 나은 특징화를 위해 부분적으로 이른바 SAFT(집속 신호 합성 기법) 방법이 이용된다. 측정된 초음파 신호들을 동위상에서 합산할 때, 분석할 부품의 체적 내 각각의 지점에 대해 국소화된 결함 지시가 획득된다. SAFT 방법의 변형, 즉 이른바 FT-SAFT 방법에서는 주파수 범위 이내에 더 신속한 계산을 위한 신호 분석이 이루어진다.
그러나 그로 인해 종래의 SAFT 방법의 경우, 특히 부품의 이용 여부에 대한 평가에 중요할 수 있는 부품 내부의 더 작은 결함들의 방향 또는 배열에 대해 어떠한 정보도 획득하지 못한다는 단점이 있다. 각각의 부품의 각각의 하중 및 기하구조에 따라, 존재하는 결함의 방향의 중요성이 달라질 수 있다. 부품이 예컨대 휠 디스크라면, 부품 내부에서 반경 방향으로 배향된 결함이 문제가 되는데, 그 이유는 접선 방향의 인장력이 결함 또는 균열의 성장을 촉진하기 때문이다. 그에 반해서 부품 내에서 접선 방향으로 배향된 결함 또는 균열들은 오히려 허용될 수 있다.
그러므로 본 발명의 과제는 기계 부품 내부에 존재하는 결함의 방향을 측정하기 위한 방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제는 본 발명에 따라 특허 청구항 제1항에 명시된 특징들을 갖는 측정 방법에 의해 해결된다.
본 발명은 기계 부품 내부에 존재하는 결함의 방향을 측정하기 위한 방법을 제공하며, 상기 측정 방법은,
a) 여러 측정점을 출발점으로 하여 기계 부품에 초음파 신호들을 인가하는 단계로서, 초음파 신호들은 측정점들에서 부품에 각각 초음파 신호를 방출하는 하나 이상의 초음파 헤드에 의해 생성되고, 이를 통해 생성되는 초음파 에코 신호 각각이 시간 지연 방식으로 상기 초음파 헤드 또는 또 다른 초음파 헤드에 의해 수신되는 단계와,
b) 결함의 방향을 결정하기 위해 각각의 측정점과 부품의 검사 대상 지점 사이의 음향 방출 방향에 따라서, 부품 내부에 존재하는 검사 대상 지점에서 측정점들로 다시 반사되어 수신되는 초음파 에코 신호들을 분석하는 단계를 포함하며,
c) 각각의 측정점에 대해, 초음파 신호의 방출 시점과 다시 반사되는 초음파 에코 신호의 수신 시점 사이의 검출되는 신호 전파 시간에 따라서 측정점과 검사 대상 지점 사이의 거리가 계산되고, 시간 오프셋 방식으로 여러 측정점에서 수신되는 검사 대상 지점의 초음파 에코 신호들이 이들의 분석을 위해 동위상에서 합산된다.
본 발명에 따른 방법의 일 실시예의 경우, 시간 오프셋 방식으로 여러 측정점에서 수신되는 초음파 에코 신호들은 초음파 헤드의 각도 특성의 고려하에 동위상에서 합산된다.
본 발명에 따른 방법의 한 가능한 실시예의 경우, 결함의 방향 결정을 위해 평균값 또는 중앙값이 계산된다.
본 발명에 따른 방법의 일 실시예의 경우, 결함의 방향성에 대한 척도, 특히 표준 편차가 계산된다.
본 발명에 따른 방법의 한 가능한 실시예의 경우, 여러 측정점에서 초음파 헤드에 의해 수신되는 다양한 초음파 에코 신호가, 각각의 측정점의 공간 좌표와 함께, 분석을 위해 메모리에 일시 저장된다.
본 발명에 따른 방법의 한 바람직한 실시예의 경우, 일시 저장된 초음파 에코 신호들에 대해 포락 곡선이 결정된다.
이를 위해, 본 발명에 따른 방법의 한 가능한 실시예의 경우, 일시 저장된 초음파 에코 신호들이 정류되어 저역 통과 필터링된다.
이를 위해, 본 발명에 따른 방법의 한 대체 실시예의 경우, 일시 저장된 초음파 에코 신호들이 힐버트 변환(Hilbert transformation) 및 절대값 산출 과정을 거친다.
본 발명에 따른 방법의 한 가능한 실시예의 경우, 음향 방출 방향에 따라서, 정류된 초음파 에코 신호들의 각도 특성이 통계적으로 분석된다.
본 발명에 따른 방법의 한 가능한 실시예의 경우, 수신된 초음파 에코 신호들의 분석은, 동위상에서 합산되는 초음파 에코 신호들의 신호 진폭이 설정 가능한 임계값을 초과할 때에만 이루어진다.
본 발명에 따른 방법의 한 가능한 실시예의 경우, 초음파 에코 신호들의 방향에 따르는 동위상 합산은 특히 사인 인수(sine factor) 또는 코사인 인수의 가중을 통해 이루어진다.
본 발명에 따른 방법의 가능한 실시예의 경우, 결함의 방향으로서 2차원 평면 방향각이 출력된다.
본 발명에 따른 방법의 한 대체 실시예의 경우, 결함의 방향으로서 결함의 3차원 입체 방향각이 출력된다.
본 발명에 따른 방법의 가능한 실시예의 경우, 부품 내에 존재하는 결함의 측정된 방향에 따라서, 그리고 부품의 저장된 기하구조 데이터에 따라서 부품의 향후 고장 확률이 계산된다.
본 발명에 따른 방법의 가능한 실시예의 경우, 부품의 고장 확률의 계산을 위해, 작동 중에 부품에 작용하는 기계적 하중력이 고려된다.
본 발명에 따른 방법의 가능한 실시예의 경우, 지시의 평가 시, 정확한 지시 변수를 검출하도록 하기 위해, 측정된 방향이 고려된다.
또한, 본 발명은 기계 부품 내부에 존재하는 결함의 방향을 측정하기 위한 장치를 제공하며, 상기 장치는,
- 여러 측정점을 출발점으로 하여 기계 부품에 초음파 신호들을 인가하는 하나 이상의 초음파 헤드를 포함하며, 이때 부품 내부에 존재하는 검사 대상 지점에서 측정점들로 다시 반사되는 초음파 에코 신호들이 동일한 초음파 헤드 또는 또 다른 초음파 헤드에 의해 수신되며,
- 상기 장치는 또한, 결함의 방향을 결정하기 위해 각각의 측정점과 검사 대상 지점 사이의 음향 방출 방향에 따라서 수신된 초음파 에코 신호들을 분석하는 데이터 처리 유닛을 포함하며, 이때 각각의 측정점에 대해, 초음파 신호의 방출 시점과 결함에 의해 다시 반사되는 초음파 에코 신호의 수신 시점 사이의 검출되는 신호 전파 시간에 따라서 측정점과 검사 대상 지점 사이의 거리가 계산되고, 시간 오프셋 방식으로 여러 측정점에서 수신되는 검사 대상 지점의 초음파 에코 신호들이 이들의 분석을 위해 동위상에서 합산된다.
본 발명에 따른 장치의 한 가능한 실시예의 경우, 초음파 신호들은, 기계 부품의 표면상에서 이동 가능하게 배치되어 측정점들을 출발점으로 하여 기계 부품에 초음파 신호들을 인가하는 하나 이상의 초음파 헤드에 의해 생성된다.
본 발명에 따른 장치의 한 가능한 실시예의 경우, 초음파 신호들은 복수의 초음파 헤드를 포함하는 어레이 검사 헤드에 의해 생성된다.
본 발명에 따른 장치의 한 가능한 실시예의 경우, 상기 장치는, 추가 분석을 위해 각각의 측정점의 공간 좌표와 함께 여러 측정점에서 수신되는 다양한 초음파 에코 신호를 일시 저장하는 메모리를 포함한다.
본 발명에 따른 장치의 한 가능한 실시예의 경우, 메모리에 일시 저장되는 초음파 에코 신호들은 변환 유닛에 의해 힐버트 변환 및 절대값 산출 과정을 거친다.
본 발명에 따른 장치의 한 대체 실시예의 경우, 메모리에 일시 저장된 초음파 에코 신호들은 변환 유닛에 의해 정류되고 저역 통과 필터링된다.
본 발명에 따른 장치의 한 가능한 실시예의 경우, 상기 장치는, 음향 방출 방향에 따라서 신호 진폭의 의존성을 나타내는 각도 특성을 통계 분석하는 분석 유닛을 포함한다.
본 발명에 따른 장치의 한 가능한 실시예의 경우, 분석 유닛은 부품 내에 존재하는 결함의 측정된 방향에 따라서, 그리고 부품의 저장된 기하구조 데이터에 따라서 부품의 향후 고장 확률을 계산한다.
본 발명은 그 밖에도 기계 부품 내부에 존재하는 결함의 방향을 측정하기 위한 장치를 포함하는 기계 장치를 제공하며, 상기 장치는,
- 여러 측정점을 출발점으로 하여 기계 부품에 초음파 신호들을 인가하는 하나 이상의 초음파 헤드를 포함하고, 이때 부품 내부에 존재하는 검사 대상 지점에서 측정점들로 다시 반사되는 초음파 에코 신호들이 동일한 초음파 헤드 또는 또 다른 초음파 헤드에 의해 수신되며,
- 상기 장치는 또한, 결함의 방향을 결정하기 위해 각각의 측정점과 검사 대상 지점 사이의 음향 방출 방향에 따라서 수신된 초음파 에코 신호들을 분석하는 데이터 처리 유닛을 포함하며, 이때 각각의 측정점에 대해, 초음파 신호의 방출 시점과 결함에 의해 다시 반사되는 초음파 에코 신호의 수신 시점 사이의 검출되는 신호 전파 시간에 따라서 측정점과 검사 대상 지점 사이의 거리가 계산되고, 시간 오프셋 방식으로 여러 측정점에서 수신되는 검사 대상 지점의 초음파 에코 신호들이 이들의 분석을 위해 동위상에서 합산되며,
상기 장치는 부품 내부에서 발생하는 결함의 방향을 측정하기 위해 기계 장치의 부품들을 모니터링한다.
하기에서는 기계 부품 내부에 존재하는 결함의 방향을 측정하기 위한 본 발명에 따른 장치 및 본 발명에 따른 방법의 가능한 실시예들이 첨부된 도면들과 관련하여 설명된다.
도 1은 기계 부품 내부에 존재하는 결함의 방향을 측정하기 위한 본 발명에 따른 장치의 한 가능한 실시예의 블록 회로도이다.
도 2는 기계 부품 내부에 존재하는 결함의 방향을 측정하기 위한 본 발명에 따른 방법의 한 가능한 실시예의 흐름도이다.
도 1에서 알 수 있듯이, 기계 부품(B) 내부에 존재하는 결함의 방향을 측정하기 위한 본 발명에 따른 장치(1)는 여러 측정점(MP)을 출발점으로 하여 기계 부품에 초음파 신호들을 인가하는 하나 이상의 초음파 헤드(2)를 포함한다. 이 경우 부품(B) 내부에 존재하는 검사 대상 지점(P)에서 측정점들(MP)로 다시 반사되는 초음파 에코 신호들은 동일한 초음파 헤드 또는 또 다른 초음파 헤드에 의해 수신된다.
한 가능한 실시예의 경우, 초음파 신호들은, 기계 부품(B)의 표면상에 이동 가능하게 배치되어 여러 측정점(MP)을 출발점으로 하여 기계 부품(B)에 초음파 신호들을 인가하는 초음파 헤드(2)에 의해 생성된다.
한 가능한 실시예의 경우, 초음파 신호들은 복수의 초음파 헤드(2)를 포함하는 어레이 검사 헤드에 의해 생성된다.
부품 내부의 음향 전파는 부품(B)의 재료에 결합되는 탄성파의 형태로 이루어진다. 재료는 고상, 액상 또는 기상 재료일 수 있다. 음향 전파 시 재료는 운반되지 않으며, 오히려 예컨대 각각의 전파 매질의 원자, 이온 또는 분자로 구성되는 부품(B)의 재료 입자들이 그 체류 지점에서 정지 위치를 중심으로 주기적으로 진동하며, 이때 그 운동을 인접한 입자들에 전달한다. 이와 같은 방식으로 진동 과정은 전파 매질 또는 부품 재료에 대한 특징을 나타내는 음속으로 전파된다. 일반적으로 20kHz 이상의 주파수를 갖는 음향이 초음파로서 지칭된다. 초음파 헤드(2)를 통한 초음파의 생성은 다양한 방식으로 이루어질 수 있다. 예컨대 압전 효과는 자왜 효과를 활용할 수 있다. 한 가능한 실시예의 경우, 초음파 헤드(2)는, 도 1에 도시된 것처럼, 초음파의 송신기뿐 아니라 수신기로서도 이용된다. 대체되는 방식으로, 검사 대상 지점(P)에서 반사되는 초음파 에코 신호는 또 다른 초음파 헤드에 의해 수신될 수 있다. 초음파는 직선으로 전파된다. 그러나 초음파들이 검사 대상 또는 부품(B)을 통과할 때 경계면들, 예컨대 기공, 공동, 균열, 또는 슬래그 혼입에 의해 야기되는 경계면들에 부딪히면, 초음파 신호들은 상기 결점 위치를 통과하는 것이 아니라, 그 결점 위치로부터 반사된다. 초음파 검사 시 통과되는 음향 성분 또는 반사되는 음향 성분이 측정될 수 있다. 이 경우 반사법 또는 초음파 에코법은 여러 가지 장점을 갖는데, 특히 결함 또는 결점의 깊이 위치가 측정될 수 있다. 또한, 초음파 에코법은 검사할 부품에 대해 한쪽에서만 접근할 수 있으면 된다.
또한, 송신기와 수신기 사이의 정확한 정렬을 필요로 하지 않는데, 그 이유는 초음파 헤드(2)를 위한 결합 표면만이 존재하기 때문이다.
도 1에서 알 수 있는 것처럼, 여러 측정점(MP)에서 수신되는 다양한 초음파 에코 신호는 추가 분석을 위해 데이터 메모리(3)에 일시 저장된다. 따라서 데이터 메모리(3) 내에는 각각의 측정점들(MPi)의 좌표들과 각각의 측정점들(MP)의 샘플링된 대응하는 초음파 에코 신호들이 위치한다. 또한, 본원의 장치(1)는 여러 측정점(MPi)에 대해 데이터 메모리(3)에 일시 저장된 초음파 에코 신호들을 분석하는 데이터 처리 유닛(4)도 포함한다. 데이터 처리 유닛(4)은 결함의 방향을 결정하기 위해 각각의 측정점(MPi)과 검사 대상 지점(P) 사이의 음향 전파 방향에 따라서 수신된 초음파 에코 신호들을 분석한다. 이 경우, 각각의 측정점(MPi)에 대해 초음파 신호의 방출 시점과 결함에 의해 다시 반사되는 초음파 에코 신호의 수신 시점 사이의 검출된 신호 전파 시간에 따라서, 측정점(MPi)과 검사 대상 지점(P) 사이의 거리(d)가 계산되고, 시간 오프셋 방식으로 여러 측정점(MPi)에서 수신되는 검사 대상 지점(P)의 초음파 에코 신호들은 이들의 분석을 위해 동위상에서 합산된다.
도 1에 도시된 실시예의 경우, 데이터 처리 유닛(4)은 각각의 측정점(MP)과 검사 대상 지점(P) 사이의 거리(d)를 계산하는 거리 계산 유닛(5)을 포함한다. 또한, 데이터 처리 유닛(4)은 방향 계산 유닛(6)을 포함하고, 이 방향 계산 유닛은 결함의 방향을 결정하기 위해 각각의 측정점(MP)과 부품(B)의 검사 대상 지점(P) 사이의 음향 방출 방향에 따라서 부품(B) 내부에 존재하는 검사 대상 지점(P)에서 측정점들(MPi)로 다시 반사되어 수신되는 초음파 에코 신호들을 분석한다.
또한, 데이터 처리 유닛(4)은 선택 사양인 신호 변환 유닛(7)을 포함한다. 상기 변환 유닛(7)은 일시 저장된 초음파 에코 신호들에 대해 각각의 포락 곡선을 계산한다. 한 가능한 실시예의 경우, 변환 유닛(7)에 의해서 일시 저장된 초음파 에코 신호들이 정류되고 저역 통과 필터링된다. 한 대체 실시예의 경우, 일시 저장된 초음파 에코 신호들은 변환 유닛(7)에 의해 힐버트 변환 및 절대값 산출을 거친다.
또한, 데이터 처리 유닛(4)은, 기여하는 초음파 에코 신호들의 동위상 합산을 허용하는 시간 변위 유닛들(8, 9)을 포함한다. 이 경우 시간 변위는, 거리 계산 유닛(5)에 의해 계산된 거리(d)에 따라서 이루어진다. 합산 회로 또는 가산 회로(10)를 통해서는 여러 측정점에 대해 데이터 메모리(3)로부터 판독되는 초음파 에코 신호들의 방향에 따른 동위상 합산이 이루어진다. 방향에 따르는 동위상 합산은 예컨대 측정된 방향에 대해 사인 또는 코사인 인수로 가중하는 것을 통해 실행될 수 있다. 이어서 합산되고 가중된 신호는 데이터 처리 유닛(4)의 저역 통과 필터(11)를 통해 평활화될 수 있다.
또한, 데이터 처리 유닛(4)은 분석 유닛(12)을 포함한다. 분석 유닛(12)은 음향 방출 방향에 따라 초음파 에코 신호들의 각도 특성을 통계 분석한다. 이 경우 각도 특성은 음향 방출 방향에 따르는 신호 진폭의 의존성을 나타낸다. 가능한 실시예의 경우, 분석 유닛(12)은 부품(B) 내에 존재하는 결함의 측정된 방향에 따라서, 그리고 부품(B)의 저장된 기하구조 데이터에 따라서 각각의 부품(B)의 가능한 향후 고장 확률을 계산한다. 이를 위해, 가능한 실시예의 경우, 분석 유닛(12)은 분석할 부품(B)의 기하구조 데이터가 저장되어 있는 데이터 메모리(13)에 액세스한다.
한 가능한 실시예의 경우, 분석 유닛(12)은 부품(B) 내에 존재하는 결함의 측정된 배향에 따라서, 그리고 데이터 메모리(13)에서 판독되는 부품의 기하구조 데이터에 따라서 부품의 향후 고장 확률을 계산한다. 이 경우 바람직하게는, 부품(B)의 작동 중에 부품(B)에 작용할 수 있는 기계적 하중력도 고려된다.
부품(B)의 결함 방향에 대해서는, 데이터 처리 유닛(4)에 의해, 가능한 실시예의 경우, 2차원 평면 방향각이 출력된다. 또한, 데이터 처리 유닛(4)은 결함의 3차원 입체 방향각도 출력할 수 있다. 가능한 실시예의 경우, 동위상 에코 합의 방향 정보가 색 암호화되어 표시될 수 있다.
결함 방향의 결정을 위해 평균값 또는 중앙값이 계산될 수 있다. 또한, 결함의 방향성에 대한 척도로서 표준 편차 또는 분산이 계산될 수 있다. 이 경우 평균값은 각도를 나타내는 한편, 표준 편차 또는 분산은 각도 범위를 나타낸다.
가능한 실시예의 경우, 도 1에 도시된 데이터 처리 유닛(4)은 기계 장치 내에 통합될 수 있고, 부품(B) 내부에서 발생하는 결함의 방향을 측정하기 위해 상기 기계 장치의 부품(B)을 모니터링할 수 있다.
도 2에는 기계 부품(B) 내부에 존재하는 결함의 방향을 측정하기 위한 본 발명에 따른 방법의 가장 중요한 단계들이 흐름도로 도시되어 있다.
우선 제1 단계 S1에서 기계 부품(B)은 여러 측정점(MP)을 출발점으로 하여 초음파 신호를 인가받는다. 이 경우 초음파 신호들은 측정점들(MP)에서 부품(B)에 각각의 초음파 신호를 방출하는 하나 이상의 초음파 헤드(2)에 의해 생성된다. 또한, 초음파 헤드에 의해서는 시간 지연 방식으로 각각 반사되는 초음파 에코 신호들이 수신된다.
추가의 단계 S2에서는, 부품(B) 내부에 존재하는 검사 대상 지점(P)에서 측정점들(MP)로 다시 반사되어 수신되는 초음파 에코 신호들이 결함의 방향의 결정을 위해 각각의 측정점(MP)과 부품(B)의 검사 대상 지점(P) 사이의 음향 방출 방향에 따라서 분석된다.
추가의 단계 S3에서는, 각각의 측정점에 대해 초음파 신호의 방출 시점과 다시 반사되는 초음파 에코 신호의 수신 시점 사이의 검출되는 신호 전파 시간에 따라서, 측정점(MP)과 검사 대상 지점(P) 사이의 거리(d)가 계산된다. 시간 오프셋 방식으로 여러 측정점(MP)에서 수신되는 검사 대상 지점(P)의 초음파 에코 신호들이 이들의 분석을 위해 동위상에서 합산된다.
가능한 실시예에 따라서, 검사 대상 또는 부품은 상이한 입사각을 갖는 초음파 헤드들(2)에 의해 1회 이상 스캐닝된다. 이 경우에 부품(B)의 관심 영역이 정의되며, 부품(B)의 관심 영역을 덮는 분석 격자(analysis grid)가 결정된다. 이 경우 격자는, 어떠한 결함도 간과될 수 없도록 정밀하게 분해되는 방식으로 제공된다. 격자 지점들의 경우, 모든 기여하는 측정 위치의 초음파 에코 신호들의 동위상 중첩이 이루어질 뿐 아니라, 기여하는 측정점(MP)과 검사 대상 지점(P) 사이의 방향 또는 배열이 신호 기여도의 진폭을 고려하면서 결함들의 방향의 계산도 이루어진다. 기계 부품(B) 내부에 존재하는 결함의 방향의 본 발명에 따른 측정은 가능한 실시예의 경우 종래의 SAFT 분석에 병행되어 실행될 수 있다. 대체되는 방식으로 본 발명에 따른 방법은 종래의 SAFT 계산 또는 분석에 이어서 실행될 수 있다. 가능한 실시예의 경우, 본 발명에 따른 방법은 부품(B)의 제조에 이어서 실행된다. 본 발명에 따른 방법의 추가의 가능한 실시예의 경우, 본원의 측정 방법은 부품(B)의 작동이 진행되는 동안 그 부품의 모니터링을 위해 실행된다.
한 가능한 실시예의 경우, 계산 단계들의 시퀀스를 변경하는 것을 통해, 데이터 처리 유닛(4)의 계산 시간 최적화가 달성될 수 있다. 예컨대 복합 초음파 신호들이 사전에 계산될 수 있다. 또 다른 가능한 실시예의 경우, 수신되는 초음파 에코 신호들의 분석은, 동위상에서 합산된 초음파 에코 신호들의 신호 진폭이 설정될 수 있는 신호 임계값을 초과하면 이루어진다. 또한, 추가의 후 신호 처리(subsequent signal processing)가 예컨대 방향 정보 데이터의 필터링 및 평활화를 통해 이루어질 수 있다. 또한, SAFT 결과는 측정된 방향에 따라서 반경 방향, 접선 방향 및 축 방향 성분들로 분리되고 분류될 수 있다.
한 가능한 실시예의 경우, 여러 측정점의 신호 기여도의 벡터 표시가 이루어진다. 이 경우 측정점(MP)의 기여도는 정류된 초음파 신호의 동위상 분석에 의해 결정된다. 절대값 합에 상대적으로, 방향, 즉 벡터 합의 방향과, 방향성, 즉 벡터 합의 값을 특징화하기 위한, 벡터 및 절대값 합의 결정이 이루어질 수 있다. 측정된 SAFT 결과와 측정된 방향은 휘도 부호화 또는 색 부호화되어 조작자를 위한 디스플레이 상에 표시될 수 있다. 한 가능한 실시예의 경우, 복수의 주 방향, 즉 평면에서는 2개, 그리고 공간에서는 3개의 주 방향이 고려될 수 있으며, 각각의 검사 대상 지점(P)에서 주 방향들은 서로 상이할 수 있다. 한 가능한 실시예의 경우, 각각의 주 방향에 대해 초음파 신호들의 동위상 합산이 분리되어 이루어질 수 있다. 이 경우 음향 전파 방향과 주 방향 간에 코사인 또는 사인 인수로 신호 기여도의 가중이 실행될 수 있다. 가능한 실시예들의 경우, 주 방향들은 서로 수직을 이룬다. 대체 실시예들의 경우 주 방향들은 서로 수직을 이루지 않는다. 주 방향의 개수는 가변될 수 있다. 가능한 실시예의 경우, 값 및 위상에 따라 다양한 주 방향의 결과들의 환산이 이루어진다. 본 발명에 따른 방법에 의해 측정된 계산 결과들은 검사된 부품(B)의 기계적 시뮬레이션 시 결함 위치들 및 결함 방향을 공급하기 위해, 예컨대 확인된 결함들을 평가하고 향후 고장 확률을 계산하도록 하기 위해 이용된다. 예컨대, 사용 또는 작동하는 데 있어 그 방향이 비임계적인 더 작은 결함을 가진 부품들(B)은 더 높은 하중이 허용될 수 있다. 본 발명에 따른 방법으로는 결함의 결함 방향이 특징화되는 동시에 거의 인접한 결함들의 원활한 분리 또는 분해도 이루어진다. 본 발명에 따른 방법에 의해서는, 초음파 신호의 노이즈 및 발산을 감소시키는 것을 통해 검출 감도가 증가된다. 결함 방향에 대한 획득된 정보는 설계 시에 고려되는 반경 방향, 접선 방향 또는 축 방향 응력 또는 그 힘과 함께 고려될 수 있으며, 그럼으로써, 특히 부품(B)이 주로 특정한 방향으로 하중을 받는다면, 결함들의 허용성을 더 잘 평가할 수 있다. 이와 같은 방식으로, 여타의 경우, 그 자체로 사용할 수 있음에도, 사용 안전 여유도를 바탕으로 불량 처리되어야 하는 제조된 부품들(B)도 허용될 수 있다. 본 발명에 따른 방법으로 검사된 부품들(B)은 작동 중에 더 높은 하중에 대해서도 허용될 수 있다. 본 발명에 따른 방법은 가능한 실시예의 경우 이른바 침지 기술 검사에서도 이용될 수 있다. 가능한 실시예의 경우, 데이터 처리 유닛(4)은 부품(A)에 대한 추가의 정보를 명시할 수 있게 하는 입력 장치 또는 인터페이스를 포함한다. 예컨대 인터페이스를 통해서는 부품 재료의 하나 이상의 재료 상수가 입력될 수 있다. 또한, 상기 인터페이스를 통해서는 분석할 부품(C) 내에서 초음파 신호들의 전파 속도를 입력하고 경우에 따라 대응하는 데이터 메모리에 상기 전파 속도를 저장할 수 있다. 또한, 추가의 가능한 실시예의 경우, 데이터 처리 유닛(4)은 부품(B)의 작동 중에 부품(B)에 작용하는 하중력을 측정하는 측정 센서들을 연결하기 위한 인터페이스도 포함한다. 가능한 실시예의 경우, 데이터 메모리(3)는 데이터 처리 유닛(4) 내에 통합되고 인터페이스를 통해서는 하나 이상의 초음파 헤드(2)와 연결된다. 초음파 신호들뿐 아니라 측정점들(MP)의 좌표의 수신은 데이터 처리 유닛(4)으로 향하는 무선 또는 유선 인터페이스를 통해 이루어질 수 있다. 초음파 헤드들(2)은 예컨대 데이터 네트워크를 통해 데이터 처리 유닛(4)과 연결될 수 있다. 또한, 측정점들(MP)의 좌표들뿐 아니라 대응하는 초음파 시간 신호들은 데이터 메모리(3) 내에 국소적으로 기록될 수 있다. 이와 같은 국소 데이터 메모리는 예컨대 휴대용 데이터 캐리어일 수 있다. 또한, 데이터 처리 유닛(4)의 여러 유닛들이 공동의 계산 유닛 내에 통합될 수 있다. 따라서 예컨대 방향 계산 유닛(6), 거리 계산 유닛(5) 및 변환 유닛(7)이 하나 이상의 마이크로 프로세서에 의해 구현될 수 있다. 또한, 한 가능한 실시예의 경우, 예컨대 분석할 검사 대상(B)의 표면상에서의 초음파 헤드(2)의 이동은 측정된 데이터에 따라서 제어될 수 있다. 초음파 헤드(2)에 의해 예컨대 부품(B) 내부의 관심 위치가 발견되면, 검출된 결함의 결함 방향에 대한 더 많은 데이터를 획득하기 위해, 초음파 헤드(2)는 목표한 바대로 데이터 처리 유닛(4)에 의해 적절한 측정점들(MPi) 쪽으로 이동될 수 있다. 부품(B) 내에서 발생하는 결합들은 특히 예컨대 균열 등과 같은 원하지 않는 결함들이다. 한 가능한 실시예의 경우, 부품(B) 내에 존재하는 결함들은 원하는 리세스들, 예컨대 공동 또는 보어들도 포괄할 수 있으며, 본 발명에 따른 방법으로는 결함의 방향 및 치수가 규정값 또는 설정값들에 상응하는지의 여부가 검사된다. 추가의 가능한 실시예들의 경우, 초음파 신호가 초음파 헤드(2)에 의해 분석할 부품(B) 내로 방사될 때 갖는 주파수가 설정될 수 있다. 이와 같은 방식으로 다양한 음향 주파수로 다양한 위치 또는 결함을 분석할 수 있다.

Claims (24)

  1. 기계 부품(B) 내부에 존재하는 결함의 방향을 측정하기 위한 방법이며, 상기 방법은,
    (a) 여러 측정점(MP)을 출발점으로 하여 기계 부품(B)에 초음파 신호를 인가하는 단계(S1)로서,
    초음파 신호는 측정점들(MP)에서 부품(B)에 각각의 초음파 신호를 방출하는 하나 이상의 초음파 헤드(2)에 의해 생성되고, 이를 통해 생성되는 초음파 에코 신호 각각이 시간 지연 방식으로 상기 초음파 헤드(2) 또는 또 다른 초음파 헤드에 의해 수신되는 단계와,
    (b) 각각의 측정점(MP)과 검사 대상 지점(P) 사이의 음향 방출 방향에 따라서, 수신된 초음파 에코 신호들의 각도 특성을 계산하는 단계로서, 상기 각도 특성은 음향 방출 방향에 따른 신호 진폭의 의존성을 보여주는 단계와,
    (c) 각각의 측정점(MP)에 대해, 초음파 신호의 방출 시점과 다시 반사되는 초음파 에코 신호의 수신 시점 사이의 검출되는 신호 전파 시간에 따라서 측정점(MP)과 검사 대상 지점(P) 사이의 거리(d)가 계산되고, 시간 오프셋 방식으로 여러 측정점(MP)에서 수신되는 검사 대상 지점(P)의 초음파 에코 신호들이 이들의 분석을 위해 동위상에서 합산되는 단계(S3)와,
    (d) 각도 특성은 결함의 방향을 결정하기 위해 통계 분석되는 단계를 포함하는, 결함 방향 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 결함의 각도를 나타내는 평균값 및/또는 중앙값이 계산되고 그리고/또는 결함의 방향성을 나타내는 표준 편차 및/또는 분산이 계산되는, 결함 방향 측정 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 시간 오프셋 방식으로 여러 측정점에서 수신되는 초음파 에코 신호들은, 초음파 헤드들의 각도 특성의 고려하에, 동위상에서 합산되는, 결함 방향 측정 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 결함의 방향을 결정하기 위해 평균값 또는 중앙값이 계산되는, 결함 방향 측정 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 결함의 방향성에 대한 척도가 계산되는, 결함 방향 측정 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 여러 측정점(MP)에서 초음파 헤드(2)에 의해 수신되는 다양한 초음파 에코 신호는, 각각의 측정점(MP)의 공간 좌표와 함께, 분석을 위해 메모리(3) 내에 일시 저장되는, 결함 방향 측정 방법.
  7. 제6항에 있어서, 일시 저장된 초음파 에코 신호들에 대해 포락 곡선이 결정되는, 결함 방향 측정 방법.
  8. 제7항에 있어서, 일시 저장된 초음파 에코 신호들이 정류되고 저역 통과 필터링되는, 결함 방향 측정 방법.
  9. 제7항에 있어서, 일시 저장된 초음파 에코 신호들이 힐버트 변환 및 절대값 산출으로 처리되는, 결함 방향 측정 방법.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 수신되는 초음파 에코 신호들의 분석은, 동위상에서 합산되는 초음파 에코 신호들의 신호 진폭이 설정 가능한 임계값을 초과할 때에만 이루어지는, 결함 방향 측정 방법.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 초음파 에코 신호들의 방향에 따른 동위상 합산은 사인 또는 코사인 인수의 가중을 통해 이루어지는, 결함 방향 측정 방법.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 결함의 방향으로서 결함의 2차원 평면 방향각 또는 3차원 입체 방향각이 출력되는, 결함 방향 측정 방법.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서, 부품(B) 내에 존재하는 결함의 측정된 방향에 따라서, 그리고 부품(B)의 저장된 기하구조 데이터에 따라서 상기 부품(B)의 향후 고장 확률이 계산되는, 결함 방향 측정 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 부품(B)의 고장 확률의 계산을 위해, 작동 중에 부품(B)에 작용하는 기계적 하중력이 고려되는, 결함 방향 측정 방법.
  15. 제1항 또는 제2항에 있어서, 각도 특성이 결함의 방향을 결정하기 위해 통계 분석된 후에, 지시의 평가 시에, 정확한 지시 변수를 검출하도록 하기 위해, 결정된 결함의 방향이 고려되는, 결함 방향 측정 방법.
  16. 기계 부품(B) 내부에 존재하는 결함의 방향을 측정하기 위한 장치이며, 상기 장치는,
    - 여러 측정점(MP)을 출발점으로 하여 기계 부품(B)에 초음파 신호들을 인가하는 하나 이상의 초음파 헤드(2)를 포함하고, 이때 부품(B) 내부에 존재하는 검사 대상 지점(P)에서 측정점들(MP)로 다시 반사되는 초음파 에코 신호들은 동일한 초음파 헤드 또는 또 다른 초음파 헤드(2)에 의해 수신되며,
    - 상기 장치는 또한, 각각의 측정점(MP)과 부품(B)의 검사 대상 지점(P) 사이의 음향 방출 방향에 따라서, 수신된 초음파 에코 신호들의 각도 특성을 계산하도록 형성된 데이터 처리 유닛(4)을 포함하고, 상기 각도 특성은 음향 방출 방향에 따른 신호 진폭의 의존성을 보여주며,
    이때 데이터 처리 유닛(4)은, 각각의 측정점(MP)에 대해, 초음파 신호의 방출 시점과 결함에 의해 다시 반사되는 초음파 에코 신호의 수신 시점 사이의 검출되는 신호 전파 시간에 따라서 측정점(MP)과 검사 대상 지점(P) 사이의 거리(d)가 계산되고, 시간 오프셋 방식으로 여러 측정점(MP)에서 수신되는 검사 대상 지점(P)의 초음파 에코 신호들이 이들의 분석을 위해 동위상에서 합산되도록 형성되며,
    - 상기 장치는 또한, 결함의 방향을 결정하기 위해 각도 특성을 통계 분석하도록 형성된 분석 유닛(12)을 포함하는, 결함 방향 측정 장치.
  17. 제16항에 있어서, 분석 유닛(12)은 결함의 각도를 나타내는 평균값 및/또는 중앙값을 계산하기 위해 형성되고 그리고/또는 결함의 방향성을 나타내는 표준 편차 및/또는 분산을 계산하기 위해 형성되는, 결함 방향 측정 장치.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서, 기계 부품(B)의 표면상에서 이동 가능하게 배치되고, 초음파 신호를 발생시키도록 형성되며, 측정점들(MP)을 출발점으로 하여 기계 부품(B)에 초음파 신호를 인가하도록 형성된 초음파 헤드(2)가 제공되는, 결함 방향 측정 장치.
  19. 제18항에 있어서, 복수의 초음파 헤드(2)를 이용하여 초음파 신호를 발생시키도록 형성된 어레이 검사 헤드가 제공되는, 결함 방향 측정 장치.
  20. 제16항 또는 제17항에 있어서, 추가 분석을 위해 각각의 측정점(MP)의 공간 좌표와 함께, 여러 측정점(MP)에서 수신되는 다양한 초음파 에코 신호를 일시 저장하는 메모리(3)를 포함하는, 결함 방향 측정 장치.
  21. 제20항에 있어서, 상기 메모리(3)에 일시 저장되는 초음파 에코 신호들이 힐버트 변환 및 절대값 산출 과정을 거치도록 형성된 변환 유닛이 제공되는, 결함 방향 측정 장치.
  22. 제20항에 있어서, 상기 메모리(3)에 일시 저장되는 초음파 에코 신호들이 정류되고 저역 통과 필터링되도록 형성된 변환 유닛이 제공되는, 결함 방향 측정 장치.
  23. 제16항 또는 제17항에 있어서, 분석 유닛(12)은 부품(B) 내에 존재하는 결함의 측정된 방향에 따라서, 그리고 부품(B)의 저장된 기하구조 데이터에 따라서 상기 부품(B)의 향후 고장 확률을 계산하도록 형성되는, 결함 방향 측정 장치.
  24. 제16항 또는 제17항에 따른 장치를 구비한 기계 장치이며, 상기 장치(1)는 부품(B) 내부에서 발생하는 결함의 방향을 측정하기 위해 기계 장치의 부품(B)을 모니터링하는, 기계 장치.
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