KR20180125285A

KR20180125285A - 볼트 축력 측정방법

Info

Publication number: KR20180125285A
Application number: KR1020170059991A
Authority: KR
Inventors: 권재수; 도경민; 이재홍; 박준홍
Original assignee: 현대자동차주식회사; 한양대학교 산학협력단; 기아자동차주식회사
Priority date: 2017-05-15
Filing date: 2017-05-15
Publication date: 2018-11-23
Also published as: CN108871647A; CN108871647B; DE102018102236A1; KR102323514B1; US20180328797A1; US10352785B2

Abstract

볼트 축력 측정방법이 개시된다. 본 발명에 따른 축력 측정방법은, 조인트을 체결공구를 이용하여 체결하는 단계; 센서부에 의해 진동신호를 수신하는 단계; 수신된 진동신호를 다수 개의 프레임을 갖는 주파수 영역 데이터로 변환하는 단계; 상기 주파수 영역 데이터로 변환된 신호를 분석하는 분석단계; 및 축력을 예측하여 예측값을 표시하는 단계;를 포함한다.

Description

볼트 축력 측정방법{METHOD FOR MEASURING THE AXIAL FORCE OF BOLTS}

본 발명은 볼트 축력 측정방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 조인트을 체결기구를 이용하여 체결할 때 발생하는 진동특성을 이용하여 볼트의 축력을 측정할 수 있는, 볼트 축력 측정방법에 관한 것이다.

각종 산업분야에 있어서, 첨단 기계 및 구조물이 대형화됨에 따라 건설 기계나 플랜트, 발전소 터빈 분야에서 안정성 있는 볼트의 체결력 관리가 요구되고 있다.

또한, 자동차의 엔진은 내연기관이 운동할 수 있는 에너지를 출력하는 가장 핵심적인 구성으로 내연기관의 생산에 있어서 엔진의 체결력 관리는 필수적 요소이다.

엔진 체결불량의 원인은 다양하나 체결불량을 알 수 있는 대표적인 징후는 엔진구동시 진동과 소음이 동반된다는 것이다. 종래의 경우, 숙련된 작업자가 완성된 엔진을 구동시키고, 구동엔진에서 발견되는 떨림을 촉감으로 느끼거나 소음을 귀로 감지하여 엔진의 체결불량을 검출함으로써 체결기구의 체결력 및 이에 따른 엔진의 조립불량을 추정한다는 한계가 있었다.

이러한 인간의 감각에 의한 볼트의 체결력(축력)을 추정하는 것의 대안으로, 초음파를 이용하여 볼트의 체결력(축력)을 측정하였다. 이러한 초음파를 이용한 볼트의 체결력(축력) 측정방법은, 볼트가 축력에 의해 발생하는 길이 변화(변형)를 초음파의 비행시간(time-of-flight)을 이용하여 측정함으로써 재료 탄성 물성치로부터 축력을 계산하는 방법이다.

초음파를 이용하여 볼트의 축력을 측정하는 방법은 작업이 불편하고 시간과 비용이 많이 소요되는 기계적 방법들에 비해 축력 측정을 표준화 할 수 있는 장점이 있다.

그러나, 초음파를 이용하여 볼트의 축력을 측정하는 방법은 볼트 헤드부나 단부의 표면이 비평면이어서 반사 신호에 에러가 발생하거나 체결 전의 볼트의 길이를 정확하게 측정해야 하는 한계점이 있어, 현장에서 제대로 활용되지 못하고 있는 실정이다.

이에, 실제 현장에서의 활용성이 높으면서도 축력 측정의 정확도/정밀도를 높일 수 있는 볼트의 축력 측정방법이 필요한 실정이다.

대한민국 공개특허 제10-2015-0095643호

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 볼트의 축력을 측정하기 위한 방법 중 동적 특성인 볼트 체결 시 발생하는 진동이나 음향을 이용함으로써 볼트의 축력을 직접적으로 측정할 수 있어 측정 정확도를 높일 수 있는, 볼트 축력 측정방법을 제공하기 위한 것이다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제1 실시예에 따른 볼트 축력 측정방법은, 조인트을 체결공구를 이용하여 체결하는 단계; 센서부에 의해 진동신호를 수신하는 단계; 수신된 진동신호를 다수 개의 프레임을 갖는 주파수 영역 데이터로 변환하는 단계; 상기 주파수 영역 데이터로 변환된 신호를 분석하는 분석단계; 및 축력을 예측하여 예측값을 표시하는 단계;를 포함한다.

상기 주파수 영역 데이터로 변환하는 단계는, 수신된 진동신호가 미리 설정된 시간을 기준으로 미리 설정된 오버랩 비율을 가지면서 주파수 영역 변환(Fast Fourier Transform)을 거치는 것을 특징으로 한다.

상기 미리 설정된 시간은 100ms이며, 상기 미리 설정된 오버랩 비율은 50%~90%인 것을 특징으로 한다.

상기 분석단계는, 캡스트럼(Cepstrum) 계수를 도출하는 단계; 기준값을 설정하는 단계; 및 유클리드 거리를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 캡스터럼 계수를 도출하는 단계는, 주파수 영역 데이터쌍에 고주파대역만을 포함하도록 하이패스 필터를 적용하는 단계; 각각의 프레임에 대하여 고주파수 구간의 magnitude 값을 대표값으로 산출하는 단계; 및 다수의 계수들을 갖는 데이터쌍으로 캡스트럼 계수를 도출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 고주파수 구간의 magnitude 값을 대표값으로 산출하는 단계는 설정한 주파수 대역폭을 하모닉 성분의 배수 간격만큼 나누어 대표값을 산출하는 것을 특징으로 한다.

상기 기준값을 설정하는 단계는, 축력이 미리 알려진 진동신호 중 가장 큰 체결력 값을 가지는 신호에 대해 산출되는 캡스트럼 계수를 기준값으로 정하는 것을 특징으로 한다.

상기 유클리드 거리를 산출하는 단계는, 상기 기준값 데이터의 centroid와 각 체결력 데이터 샘플의 centroid간 유클리드 거리를 산출하는 것을 특징으로 한다.

상기 축력을 예측하여 예측값을 표시하는 단계는, 체결력 별로 산출된 유클리드 거리값들을 일차 혹은 이차 다항함수로 fitting하여 축력을 판별할 수 있는 식으로 결정하고, 측정한 진동 신호의 유클리드 거리를 상기 식에 대입하여, 축력을 예측하는 것을 특징으로 한다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제2 실시예에 따른 볼트 축력 측정방법은, 조인트을 체결공구를 이용하여 체결하는 단계; 센서부에 의해 진동신호를 수신하는 단계; 체결시 발생하는 진동신호를 합성하여 특정 시간의 토크를 산출하는 단계; 및 수신된 진동신호를 다수 개의 프레임을 갖는 주파수 영역 데이터로 변환하여, RPM과 체결시간을 도출하여 산출된 토크와의 연산을 통해 축력을 예측하여 예측값을 표시하는 단계;를 포함한다.

상기 토크를 산출하는 단계는, 수신된 신호를 경험적 모드 분해를 통해 볼트 특성에 따라 선택적으로 모드를 합성하는 단계; 및 캡스트럼(Cepstrum) 계수를 도출하고, 기준값을 설정한 후, 유클리드 거리를 산출하는 과정을 거쳐 토크를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 축력을 예측하여 예측값을 표시하는 단계는, 수신된 진동신호를 주파수 영역 데이터로 변환하는 단계; RPM을 도출하여 상기 토크와 상기 RPM에 따라 정해지는 k 값을 형성하는 단계; 및 체결시간을 도출하여 상기 k와 상기 체결시간을 이용하여 축력을 예측하여 표시하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 RPM은 주파수 변환을 이용하여 진동 신호에서 도출된 Modulation을 이용하여 특정되는 것을 특징으로 한다.

상기 체결시간은 미리 설정된 토크를 도출한 시점(t1)과 신호가 가장 큰 시점(t2)의 차이인 것을 특징으로 한다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제3 실시예에 따른 볼트 축력 측정방법은, 조인트을 체결공구를 이용하여 체결하는 단계; 센서부에 의해 진동신호를 수신하는 단계; 캡스트럼(Cepstrum) 계수를 도출하는 단계; 수신된 진동신호를 다수 개의 프레임을 갖는 주파수 영역 데이터로 변환하는 단계; 상기 캡스트럼 계수와 상기 주파수 영역 데이터와 인공 신경망을 이용하여 weight vector matrix를 산출하는 단계; 및 측정 대상 신호와 학습된 상기 weight vector matrix를 통해 축력을 예측하여 예측값을 표시하는 단계;를 포함한다.

상기 weight vector matrix를 산출하는 단계는, 상기 캡스트럼 계수와 상기 주파수 영역 데이터가 미리 측정된 축력값을 index로 가지는 진동신호인 Supervised signal로 입력되는 단계; 비용함수를 이용한 경사하강법을 통해 다층으로 형성된 weight vector matrix를 형성하는 단계; 및 다수의 입력값을 학습시켜 최적화 시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 볼트 헤드부의 형상에 따라 에러가 발생하여 현장에서 제대로 활용되지 못하는 초음파를 이용하여 볼트의 축력을 측정하는 방법의 문제점을 해결한 것으로, 볼트 헤드부의 형상에 구애됨 없이 볼트 체결력을 정확하게 측정하여 실제 볼트 체결 공정에서 적용이 가능하며, 측정을 위한 예비 공정을 최소화 할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 측정하고자 하는 볼트의 특성 주파수 대역이 실제 공정에 비하여 높아 간섭을 받지 않으며, 볼트의 축력의 특성과 직접적으로 연관된 방법을 통해 측정하므로 측정 정확도가 높다.

또한, 본 발명에 따르면, 종래에 사용하는 고가의 체결 측정 장비에 비하여 필요한 장치가 적어 비용적 측면에서 유리하며 양산 과정에 적용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 볼트 축력 측정방법을 나타내는 순서도,
도 2a 및 2b는 주파수 영역 변환을 실시한 것을 나타낸 도면,
도 2c는 주파수 대역에 따라 적용된 분할된 Triangle Filter를 나타내는 도면,
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 볼트 축력 측정방법을 나타내는 순서도,
도 4는 경험적 모드 분해를 나타내는 도면,
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 볼트 축력 측정방법을 나타내는 순서도,
도 6은 경사하강법을 예시적으로 나타낸 도면,
도 7은 본 발명에 따른 볼트 축력 측정장치를 나타내는 블록도이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 다만, 하기의 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 동일한 구성 요소들은 가능한 한 동일한 도면 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다.

이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위한 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 또한 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하기 위해 사용하는 것으로, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 뿐, 상기 구성요소들을 한정하기 위해 사용되지 않는다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 볼트 축력 측정방법을 나타내는 순서도이며, 도 2a 및 2b는 주파수 영역 변환을 실시한 것을 나타낸 도면이며, 도 2c는 주파수 대역에 따라 적용된 분할된 Triangle Filter를 나타내는 도면이다.

도 1 내지 도 2c를 참조할 때, 본 발명의 제1 실시예에 따른 볼트 축력 측정방법은, 조인트을 체결공구를 이용하여 체결하는 단계(S10); 센서부에 의해 진동신호를 수신하는 단계(S20); 수신된 진동신호를 다수 개의 프레임을 갖는 주파수 영역 데이터로 변환하는 단계(S30); 상기 주파수 영역 데이터로 변환된 신호를 분석하는 분석단계(S40); 및 축력을 예측하여 예측값을 표시하는 단계(S50);를 포함한다.

조인트(10)을 체결공구(20)를 이용하여 체결하는 단계(S10)는, 볼트에 대해 너트를 회전시키는 단계이다. 체결공구(20)는 파워공구 또는 수동공구를 포함한다.

조인트(10)을 체결공구(20)를 이용하여 체결할 때, 체결공구(20)에 의해 볼트가 가진되어 진동(음향)이 발생하며, 발생한 진동신호는 볼트의 체결력을 반영하게 된다.

센서부(30)에 의해 진동신호를 수신하는 단계(S20)는, 볼트의 체결력을 반영하는 진동신호를 마이크로폰과 같은 센서부(30)에 의해 신호를 수신한다.

센서부(30)에 의해 취득된 신호는 제어부(40)에 의해 신호처리되어 분석된다.

즉, 수신된 진동신호는 수신된 진동신호를 다수 개의 프레임을 갖는 주파수 영역 데이터로 변환하는 단계(S30)와 주파수 영역 데이터로 변환된 신호를 분석하는 분석단계(S40)를 거치게 된다.

수신된 진동신호를 다수 개의 프레임을 갖는 주파수 영역 데이터로 변환하는 단계(S30)는 수신된 진동신호가 미리 설정된 시간을 기준으로 미리 설정된 오버랩 비율을 가지면서 주파수 영역 변환(Fast Fourier Transform)을 거치게 된다.

여기서, 미리 설정된 시간은 100ms이며, 상기 미리 설정된 오버랩 비율은 50%~90%이다.

도 2a 및 2b를 참조할 때, 미리 설정된 시간(100ms)에 대해 각각 주파수 영역 변환을 하게 된다.

예를 들어 0.10s~0.20s 구간은 첫번째 윈도우로, 0.12s~0.22s는 두번째 영역으로 설정되어, 각 영역을 점차적으로 증가시켜 데이터의 끝까지 오버랩(overlap)하면서 주파수 영역 변환을 하게 된다. 도 2b에서 오버랩 비율은 0.10s~0.20s 사이에서 0.80s가 오버랩되므로 오버랩 비율은 80%이다.

주파수 영역 데이터로 변환된 신호를 분석하는 분석단계(S40)는, 캡스트럼(Cepstrum) 계수를 도출하는 단계(S41); 기준값을 설정하는 단계(S43); 및 유클리드 거리를 산출하는 단계(S45);를 포함한다.

즉, 주파수 영역 데이터로 변환된 신호를 분석하는 분석단계(S40)는 linear triangle filter를 사용하여 캡스트럼을 도출하고, 기준값을 설정하여, 기준값과 체결력 데이터간 유클리드 거리를 산출하는 것이다.

캡스터럼 계수를 도출하는 단계는, 주파수 영역 데이터쌍에 고주파대역만을 포함하도록 하이패스 필터를 적용하는 단계, 각각의 프레임에 대하여 고주파수 구간의 magnitude 값을 대표값으로 산출하는 단계 및 다수의 계수들을 갖는 데이터쌍으로 캡스트럼 계수를 도출하는 단계를 포함한다.

하이패스 필터를 적용하는 이유는 필터 설계의 대역폭을 결정하고, 작업환경이나 소음이 영향을 미치지 않도록 고주파대역만을 포함하도록 하기 위한 것이다.

또한, 고주파수 구간의 magnitude 값을 대표값으로 산출하는 것은 설정한 주파수 대역폭을 하모닉 성분의 배수 간격만큼 나누어(예를 들어, 50개) 대표값을 구하는 과정이다. 즉, 도 2c와 같이 주파수 대역에 따라 적용된 50개의 분할된 triangle filter를 적용한다.

이에, 각 영역에 대한 한 개의 manitude 값을 산출하여, 산출된 값에 다시 log를 취하고 Discrete Cosine Transform(DCT)을 거쳐 캡스트럼을 도출한다. 도출된 캡스트럼은 다수개의 계수를 갖는 데이터의 쌍으로 표현된다.

기준값을 설정하는 단계(S43)는, 축력이 미리 알려진 진동신호 중 가장 큰 체결력 값을 가지는 신호에 대해 산출되는 캡스트럼 계수를 기준값으로 정하는 것이다.

즉, Load cell 등이 장치를 통해 취득한 미리 축력이 알려진 진동신호 중 가장 큰 체결력값을 가지는 것에 대해서 상기 S10 내지 S41의 과정을 거쳐 산출되는 캡스트럼 계수를 기준값으로 정하게 된다.

유클리드 거리를 산출하는 단계(S45)는 기준값 데이터의 centroid와 각 체결력 데이터 샘플의 centroid간 유클리드 거리를 산출하는 것이다.

즉, Load cell 등의 장치를 통해서 체결력값을 미리 알고 있는 진동신호 샘플을 다수개 취득하고, 이에 대해서 상기 S10 내지 S43의 과정을 반복하여 캡스트럼 계수들을 도출하고, 각각의 알려진 체결력을 갖는 캡스트럼 계수들의 데이터 쌍들을 기준값 데이터와 k-means algorithm을 이용해 정해진 centroid 개수에 따라 centroid와의 분산을 최소화 하도록 값의 분포를 재구성한다.

이후, 기준값 데이터의 centroid와 각 체결력 데이터 샘플의 centroid간 유클리드 거리를 산출하게 된다.

축력을 예측하여 예측값을 표시하는 단계(S50)는, 체결력 별로 산출된 유클리드 거리값들을 일차 혹은 이차 다항함수로 fitting하여 축력을 판별할 수 있는 식으로 결정하고, 측정한 진동 신호의 유클리드 거리를 상기 식에 대입하여, 축력을 예측하여 디스플레이부(50)에 축력을 표시하는 것이다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 볼트 축력 측정방법을 나타내는 순서도이며, 도 4는 경험적 모드 분해를 나타내는 도면이다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 볼트 축력 측정방법은 본 발명의 제1 실시예에 따른 볼트 축력 측정방법과 대응되며, 제2 실시예에 따른 볼트 축력 측정방법에서는 제1 실시예와 상이한 방법 위주로 설명한다.

도 3을 참조할 때 본 발명의 제2 실시예에 따른 볼트 축력 측정방법은, 조인트을 체결공구를 이용하여 체결하는 단계(S110); 센서부에 의해 진동신호를 수신하는 단계(S120); 체결시 발생하는 진동신호를 합성하여 특정 시간의 토크를 산출하는 단계(S130, S140); 및 수신된 진동신호를 다수 개의 프레임을 갖는 주파수 영역 데이터로 변환하여(S160), RPM과 체결시간을 도출하여 산출된 토크와의 연산을 통해 축력을 예측하여 예측값을 표시하는 단계;를 포함한다.

즉, 본 발명의 제2 실시예에 따른 볼트 축력 측정방법은, 조인트을 일정한 회전속도를 갖는 파워공구를 이용하여 체결시 발생하는 진동신호를 수신하여 토크, RPM, 체결시간을 도출하여, 이들을 선형적으로 연산하여 축력을 산출하는 것이다.

조인트을 체결공구를 이용하여 체결하는 단계(S110)는, 볼트에 대해 너트를 회전시키는 단계이다.

센서부에 의해 진동신호를 수신하는 단계(S120)는, 볼트의 체결력을 반영하는 진동신호를 마이크로폰과 같은 센서부(30)에 의해 신호를 수신한다.

체결시 발생하는 진동신호를 합성하여 특정 시간의 토크를 산출하는 단계(S130, S140)는, 수신된 신호를 경험적 모드 분해를 통해 볼트 특성에 따라 선택적으로 모드를 합성하는 단계(S130); 및 캡스트럼(Cepstrum) 계수를 도출하고, 기준값을 설정한 후, 유클리드 거리를 산출하는 과정을 거쳐 토크를 산출하는 단계(S140);를 포함한다.

도 4를 참조할 때, 경험적 모드 분해(EMD, Empirical Mode Decomposition)는 점선으로 표현되는 원신호에서 모든 극값들을 3차 함수로 곡선 맞춤하여 추세선들(Envelopes)을 구한 뒤, 추세선들의 중간값들을 연결한 일점쇄선을 구하는 것이다.

이때, 점선으로 표현되는 원신호에서 일점쇄선을 뺀 곡선이, 1) 신호 전체의 극댓값과 극솟값의 개수가 0을 교차하는 수와 같거나 1개까지 차이가 나거나, 2) 극댓값과 극솟값의 추세선의 평균값은 신호 전체에서 0이 되는 조건을 만족하면, IMF(Intrinsic Mode Functions)를 도출하였다고 한다.

다만, 상기 두 개의 조건을 만족하지 않으면, 점선으로 표현되는 원신호에서 일점쇄선을 뺀 곡선을 원 신호로 하여 위의 과정을 반복하게 된다.

EMD를 통해 추출되는 볼트, 마찰, 체결 공구, 체결부 등의 진동(소음) 특성을 각각 갖고 있다. 그 중 IMF1, IMF2, IMF3 등과 같은 낮은 IMF들은 주로 고주파 성분을 포함하고 있어 볼트의 굽힘 진동 모드(Bending Vibration Mode)를 반영한다. 이러한 IMF들은 원 신호와 동일한 시간에서 동일한 Data 수를 갖고 있어 각각 시간의 모든 점에서 선형적인 덧셈이 가능하다.

하기 수학식 1과 같이 선형적으로 더하여진 IMF를 합성신호라고 하고, 캡스트럼(Cepstrum) 계수를 도출하고, 기준값을 설정한 후, 유클리드 거리를 산출하는 과정을 거쳐 토크를 정확하게 산출할 수 있다.

축력을 예측하여 예측값을 표시하는 단계는, 수신된 진동신호를 주파수 영역 데이터로 변환하는 단계(S160); RPM을 도출하여 상기 토크와 상기 RPM에 따라 정해지는 k 값을 형성하는 단계(S171, S173, S191); 및 체결시간을 도출하여 상기 k와 상기 체결시간을 이용하여 축력을 예측하여 표시하는 단계(S181, S183, S193, S195);를 포함한다.

여기서, RPM(Revolution Per Minute)은 주파수 변환을 이용하여 진동 신호에서 도출된 Modulation을 이용하여 특정된다.

즉, 체결 시 발생하는 신호를 취득하여 FFT(Fast Fourier Transform)을 이용하여 주파수 변환을 하면 체결 공구의 제어 주파수 성분이 검출된다. 체결 신호에는 제어 주파수 성분뿐 아니라 RPM 주파수 성분도 포함이 되어있는데 RPM 주파수가 상대적으로 낮아 제어 주파수 부근의 Frequency Modulation이 발생하게 되는데 주파수 변환을 이용하여 진동(음향) 신호에서 도출된 Modulation을 이용하면 RPM을 특정할 수 있다.

여기서, Frequency Modulation은 저주파신호와 고주파신호를 동시에 갖고 있는 신호의 주파수를 분석하면 고주파신호 주변 양 옆으로 저주파신호의 배수 성분만큼 차이가 나는 주파수들이 검출되는 현상을 의미한다.

또한, 체결시간은 미리 설정된 토크를 도출한 시점(t1)과 신호가 가장 큰 시점(t2)의 차이이다.

즉, 체결이 진행될수록 토크로 인한 부하가 커져 진동(음향)의 진폭이 증가하게 된다. 따라서 체결이 완료되는 시점의 진폭이 가장 크다. 미리 설정한 Threshold 토크를 도출한 시점을 t1, 신호가 가장 큰 시점을 t2라 하면 t2-t1은 체결시간 Δt로 도출된다.

이에, 도출된 토크(T)와 RPM을 통해 매개변수 k 값을 산출하며, 산출된 매개변수 k값과 체결시간 Δt를 곱하여 축력을 산출하게 된다.

도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 볼트 축력 측정방법을 나타내는 순서도이며, 도 6은 경사하강법을 예시적으로 나타낸 도면이다.

본 발명의 제3 실시예에 따른 볼트 축력 측정방법은 본 발명의 제1 실시예에 따른 볼트 축력 측정방법과 대응되며, 제3 실시예에 따른 볼트 축력 측정방법에서는 제1 실시예와 상이한 방법 위주로 설명한다.

본 발명의 제3 실시예에 따른 볼트 축력 측정방법은, 조인트을 체결공구를 이용하여 체결하는 단계(S210); 센서부에 의해 진동신호를 수신하는 단계(S220); 캡스트럼(Cepstrum) 계수를 도출하는 단계(S230); 수신된 진동신호를 다수 개의 프레임을 갖는 주파수 영역 데이터로 변환하는 단계(S240); 캡스트럼 계수와 상기 주파수 영역 데이터와 인공 신경망을 이용하여 weight vector matrix를 산출하는 단계(S250); 및 측정 대상 신호와 학습된 상기 weight vector matrix를 통해 축력을 예측하여 예측값을 표시하는 단계(S260);를 포함한다.

여기서, weight vector matrix는 인공신경망 이론에서 학습하도록 입력된 신호로 도출하기 위해 사용되는 가중치들의 집합이다.

조인트을 체결공구를 이용하여 체결하는 단계(S210)는, 볼트에 대해 너트를 회전시키는 단계이다.

센서부에 의해 진동신호를 수신하는 단계(S220)는, 볼트의 체결력을 반영하는 진동신호를 마이크로폰과 같은 센서부(30)에 의해 신호를 수신한다.

weight vector matrix를 산출하는 단계(S250)는, 캡스트럼 계수와 상기 주파수 영역 데이터가 미리 측정된 축력값을 index로 가지는 진동신호인 Supervised signal로 입력되는 단계를 거쳐,

비용함수를 이용한 경사하강법을 통해 다층으로 형성된 weight vector matrix를 형성하는 단계(S251, S253, S255) 및 다수의 입력값을 학습시켜 최적화 시키는 단계를 포함한다.

여기서, Supervised signal은 미리 측정된 축력값을 index로 가지는 진동신호이며, 비용함수는 인공 신경망에서 알맞은 산출값에 대해서 얼마나 큰 오차를 보이는지를 나타내는 함수이다.

경사하강법은 국소적인 최소값을 찾기 위해 현재 지점에서 음수의 기울기 값에 비례하여 값을 추적하거나, 국소적인 최대값을 찾기 위해 현재 지점에서 가장 큰 양수의 기울기 값에 비례하는 방향을 추적하는 일련의 과정이다.

도 6은 경사하강법을 도식화한 예로서, 데이터 값을 일련의 함수로 가정하고 이 함수 값의 기울기를 이용하여 국지적 최저값 또는 최대값을 찾는 방법을 나타낸다.

도 7은 본 발명에 따른 볼트 축력 측정장치를 나타내는 블록도이다.

도 7을 참조할 때, 본 발명에 따른 볼트 축력 측정장치는, 조인트(10), 체결공구(20), 센서부(30), 제어부(40), 디스플레이부(50) 및 저장매체(60)를 포함한다.

체결공구(20)는 파워공구 또는 수동공구를 포함한다.

센서부(30)는 볼트의 체결력을 반영하는 진동신호를 수신하는 것으로, 마이크로폰 등이 신호 측정 센서로 활용될 수 있다.

제어부(40)는 센서부(30)에 의해 수신된 신호를 취득하여 신호처리를 하고 분석하는 것이다.

디스플레이부(50)는 축력값을 표시하는 것이다.

저장매체(60)는 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 볼트 축력 측정방법이 저장된다.

앞서 살펴본 실시 예는 본 발명이 속분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하 '당업자'라 한다)가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하는 바람직한 실시 예일 뿐, 전술한 실시 예 및 첨부한 도면에 한정되는 것은 아니므로 이로 인해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 당업자에게 있어 명백할 것이며, 당업자에 의해 용이하게 변경 가능한 부분도 본 발명의 권리범위에 포함됨은 자명하다.

10: 조인트
20: 체결공구
30: 센서부
40: 제어부
50: 디스플레이부
60: 저장매체

Claims

조인트을 체결공구를 이용하여 체결하는 단계;
센서부에 의해 진동신호를 수신하는 단계;
수신된 진동신호를 다수 개의 프레임을 갖는 주파수 영역 데이터로 변환하는 단계;
상기 주파수 영역 데이터로 변환된 신호를 분석하는 분석단계; 및
축력을 예측하여 예측값을 표시하는 단계;를 포함하는 볼트 축력 측정방법.
제1항에 있어서,
상기 주파수 영역 데이터로 변환하는 단계는,
수신된 진동신호가 미리 설정된 시간을 기준으로 미리 설정된 오버랩 비율을 가지면서 주파수 영역 변환(Fast Fourier Transform)을 거치는 것을 특징으로 하는 볼트 축력 측정방법.
제2항에 있어서,
상기 미리 설정된 시간은 100ms이며, 상기 미리 설정된 오버랩 비율은 50%~90%인 것을 특징으로 하는 볼트 축력 측정방법.
제1항에 있어서,
상기 분석단계는,
캡스트럼(Cepstrum) 계수를 도출하는 단계;
기준값을 설정하는 단계; 및
유클리드 거리를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 볼트 축력 측정방법.
제4항에 있어서,
상기 캡스터럼 계수를 도출하는 단계는,
주파수 영역 데이터쌍에 고주파대역만을 포함하도록 하이패스 필터를 적용하는 단계;
각각의 프레임에 대하여 고주파수 구간의 magnitude 값을 대표값으로 산출하는 단계; 및
다수의 계수들을 갖는 데이터쌍으로 캡스트럼 계수를 도출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 볼트 축력 측정방법.
제5항에 있어서,
상기 고주파수 구간의 magnitude 값을 대표값으로 산출하는 단계는 설정한 주파수 대역폭을 하모닉 성분의 배수 간격만큼 나누어 대표값을 산출하는 것을 특징으로 하는 볼트 축력 측정방법.
제4항에 있어서,
상기 기준값을 설정하는 단계는,
축력이 미리 알려진 진동신호 중 가장 큰 체결력 값을 가지는 신호에 대해 산출되는 캡스트럼 계수를 기준값으로 정하는 것을 특징으로 하는 볼트 체결력 측정방법.
제4항에 있어서,
상기 유클리드 거리를 산출하는 단계는, 상기 기준값 데이터의 centroid와 각 체결력 데이터 샘플의 centroid간 유클리드 거리를 산출하는 것을 특징으로 하는 볼트 축력 측정방법.
제8항에 있어서,
상기 축력을 예측하여 예측값을 표시하는 단계는,
체결력 별로 산출된 유클리드 거리값들을 일차 혹은 이차 다항함수로 fitting하여 축력을 판별할 수 있는 식으로 결정하고, 측정한 진동 신호의 유클리드 거리를 상기 식에 대입하여, 축력을 예측하는 것을 특징으로 하는 볼트 축력 측정방법.
조인트을 체결공구를 이용하여 체결하는 단계;
센서부에 의해 진동신호를 수신하는 단계;
체결시 발생하는 진동신호를 합성하여 특정 시간의 토크를 산출하는 단계; 및
수신된 진동신호를 다수 개의 프레임을 갖는 주파수 영역 데이터로 변환하여, RPM과 체결시간을 도출하여 산출된 토크와의 연산을 통해 축력을 예측하여 예측값을 표시하는 단계;를 포함하는 볼트 축력 측정방법.
제10항에 있어서,
상기 토크를 산출하는 단계는,
수신된 신호를 경험적 모드 분해를 통해 볼트 특성에 따라 선택적으로 모드를 합성하는 단계; 및
캡스트럼(Cepstrum) 계수를 도출하고, 기준값을 설정한 후, 유클리드 거리를 산출하는 과정을 거쳐 토크를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 볼트 축력 측정방법.
제11항에 있어서,
상기 축력을 예측하여 예측값을 표시하는 단계는,
수신된 진동신호를 주파수 영역 데이터로 변환하는 단계;
RPM을 도출하여 상기 토크와 상기 RPM에 따라 정해지는 k 값을 형성하는 단계; 및
체결시간을 도출하여 상기 k와 상기 체결시간을 이용하여 축력을 예측하여 표시하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 볼트 축력 측정방법.
제12항에 있어서,
상기 RPM은 주파수 변환을 이용하여 진동 신호에서 도출된 Modulation을 이용하여 특정되는 것을 특징으로 하는 볼트 축력 측정방법.
제12항에 있어서,
상기 체결시간은 미리 설정된 토크를 도출한 시점(t1)과 신호가 가장 큰 시점(t2)의 차이인 것을 특징으로 하는 볼트 축력 측정방법.
조인트을 체결공구를 이용하여 체결하는 단계;
센서부에 의해 진동신호를 수신하는 단계;
캡스트럼(Cepstrum) 계수를 도출하는 단계;
수신된 진동신호를 다수 개의 프레임을 갖는 주파수 영역 데이터로 변환하는 단계;
상기 캡스트럼 계수와 상기 주파수 영역 데이터와 인공 신경망을 이용하여 weight vector matrix를 산출하는 단계; 및
측정 대상 신호와 학습된 상기 weight vector matrix를 통해 축력을 예측하여 예측값을 표시하는 단계;를 포함하는 볼트 축력 측정방법.
제15항에 있어서,
상기 weight vector matrix를 산출하는 단계는,
상기 캡스트럼 계수와 상기 주파수 영역 데이터가 미리 측정된 축력값을 index로 가지는 진동신호인 Supervised signal로 입력되는 단계;
비용함수를 이용한 경사하강법을 통해 다층으로 형성된 weight vector matrix를 형성하는 단계; 및
다수의 입력값을 학습시켜 최적화 시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 볼트 축력 측정방법.