JP3770232B2 - Waveform inspection device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、波形検査装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
自動車や家電製品などには、モータが組み込まれた回転機器が非常に多く用いられている。例えば自動車を例にとってみると、エンジン,パワーステアリング,パワーシート,ミッションその他の至る所に回転機器が実装されている。また、家電製品では、冷蔵庫,エアコン,洗濯機その他各種の製品がある。そして、係る回転機器が実際に稼働すると、モータ等の回転に伴って音が発生する。
【0003】
係る音は、正常な動作に伴い必然的に発生するものもあれば、不良に伴い発生する音もある。その不良に伴う異常音の一例としては、ベアリングの異常,内部の異常接触,アンバランス,異物混入などがある。より具体的には、ギヤ1回転について1度の頻度で発生するギヤ欠け,異物かみ込み,スポット傷,モータ内部の回転部と固定部が回転中の一瞬だけこすれ合うような異常音がある。また、人が不快と感じる音としては、例えば人間が聞こえる20Hzから20kHzの中で様々な音があり、例えば約15kHz程度のものがある。そして、係る所定の周波数成分の音が発生している場合も異常音となる。もちろん、異常音はこの周波数に限られない。
【0004】
係る不良に伴う音は、不快であるばかりでなく、さらなる故障を発生させるおそれもある。そこで、それら各製品に対する品質保証を目的とし、生産工場においては、通常検査員による聴覚や触覚などの五感に頼った「官能検査」を行ない、異常音の有無の判断を行っている。具体的には、耳で聞いたり、手で触って振動を確認したりすることによって行っている。なお、官能検査は、官能検査用語JIS Z8144により定義されている。
【0005】
ところで、係る検査員の五感に頼った官能検査では、熟練した技術を要するばかりでなく、判定結果に個人差や時間による変化などのばらつきが大きい。さらには、判定結果のデータ化,数値化が難しく管理も困難となるという問題がある。そこで、係る問題を解決するため、定量的かつ明確な基準による安定した検査を目的とした異音検査装置がある。この異音検査システムは、「官能検査」工程の自動化を目的とした装置であり、製品駆動部の振動や音をセンサで測定し、そのアナログ信号をFFTアルゴリズムなどを応用した周波数解析装置を使って周波数成分を調べて検査するものである(特許文献1,2,3)。アナログ信号の解析は、他にバンドパスフィルタを応用したものでもよい。
【0006】
この特許文献1〜3に開示された技術を簡単に説明すると、FFTアルゴリズムを応用した周波数解析装置は、時間領域信号を高速フーリエ変換アルゴリズムにより、周波数領域の分析をすることができる。一方、異常音の周波数領域もある程度決まっている。従って、分析により抽出された周波数成分のうち、異常音の発生領域に該当する成分を抽出することができるので、係る抽出した成分の特徴量を求める。そして、特徴量から異常の有無やその原因などをファジィ推論などを用いて推定するようにしている。
【0007】
上記した異音検査システムでは、一度定めた基準に従った自動判定ができるとともに、検査した結果(実績)と、そのときの波形データを、異音検査システム内の記憶装置に保存することができる。
【0008】
【特許文献1】
特開平11−173956号
【特許文献2】
特開平11−173909号
【特許文献3】
特開2001−91414号
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の装置では、モータ,エンジンなどの回転機器から発する異音の検査は比較的正しく行うことができる。しかし、例えばスピーカの品質検査のように、スイープ信号をスピーカに与え、スピーカから出力される音に歪みがあるか否かを判断するものに対し上記の異音検査システムを適用すると、正確な判定を行うことができなかった。
【0010】
つまり、スピーカ品質検査等に用いられるスイープ音は、低周波数から高周波数まで徐々に周波数を変化させたものであり、係る音をマイクで検出し、FFT変換を行うと実施の形態でも説明するように連続した特異な形状波形となる。従って、従来の所定の周波数のスペクトルが不連続に出現することを前提としたシステムの特徴量では、良否判断ができなかった。そのため、スピーカ品質検査等では、依然として検査員の五感に頼った検査が主流となり、判定結果に個人差や時間による変化などのばらつきが大きい。
【0011】
この発明は、検査対象がスイープ信号であっても正確に歪みの有無・良否判定を行うことのできる波形検査装置を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
この発明による波形検査装置は、入力されたスイープ波形信号に基づく波形信号に対してFFT処理を行うFFT処理手段と、FFT処理されて生成されたFFT波形の所定周波数範囲に対して回帰直線を求め、その回帰直線に対する適合度に基づく情報を特徴量として求める特徴量演算手段と、前記求めた特徴量をもとに正常,異常を判定する判定手段を備えて構成する。適合度は、実施の形態では、決定係数r2に対応するが、FFT波形を構成する各データの回帰直線からのずれの程度,ばらつきを求めるものがあれば、決定係数以外でも良い。
【0013】
また、別の解決手段としては、入力されたスイープ波形信号に基づく波形信号に対してFFT処理を行うFFT処理手段と、FFT処理されて生成されたFFT波形の各周波数の微分値を求めるとともに、求めた微分値のばらつきの度合いを特徴量として求める特徴量演算手段と、前記求めた特徴量をもとに正常,異常を判定する判定手段を備えて構成することもできる。微分値のばらつきは、実施の形態ではピーク−ピーク値により求めたが、本発明はこれに限ることはなく、分散その他各種のものを用いることができる。
【0014】
そして、上記した各発明において、FFT処理は、前記スイープ波形信号のピーク位置から所定量ずらした位置から一定期間の部分に対して行うことができる。なお、所定量ずらすとは、正方向と負方向のいずれも含まれる。
【0015】
さらに別の実施の形態としては、入力されたスイープ波形信号に基づく波形信号のうち、平坦な領域に対してFFT処理を行うFFT処理手段と、FFT処理されて生成されたFFT波形の所定周波数範囲に対し、周波数の増加に伴いずれ量が大きくなる補正値を加算して得られる補正FFT波形に対して回帰直線を求め、その回帰直線に対する適合度に基づく情報を特徴量として求める特徴量演算手段と、前記求めた特徴量をもとに正常,異常を判定する判定手段を備えて構成することもできる。補正値は、実施の形態では、ずらし量kに対応する。実施の形態では、kを正とし、徐々に上昇させるようにしたが、負の値を採ってももちろん良い。
【0016】
スイープ信号に対するFFT波形の場合、各周波数に値が存在するため、連続した波形となる。正常な場合には、なだらかに変化し、その変化量はほぼ一定となるが、歪みを生じるとその歪み部分で変化量が大きくなる。
【0017】
そこで、FFT波形に対して回帰直線を求めると、正常な場合には、各データは回帰直線付近に存在するが、不良・異常の場合には、歪み部分で回帰直線から大きくずれる。従って、回帰直線の適合度(決定係数)を求めることで、良否判定をすることができる。これが、第1の発明であり、第1の実施の形態により実現される。
【0018】
但し、回帰直線の傾きが小さくなると、たとえ正常であっても、適合度がばらつくので、補正を行い回帰直線を強制的に傾かせることにより、正しく判定することができる。これが第3の発明であり、第3の実施の形態により実現されている。
【0019】
また、上記したように、歪みを生じている部分でFFT波形の変化が大きいので、FFT波形の微分を求め、その微分値のばらつきが大きいほどひずみが生じていて、不良・異常であるといえる。
【0020】
【発明の実施の形態】
図1,図2は、本発明の第1の実施の形態を示している。図1に示すように、低周波数から高周波数に連続的に徐々に変化させたスイープ信号を生成するスイープ信号発生器1の出力をスピーカ2に入力する。スイープ信号は、好ましくはsin波形であって、一定振幅のまま波長が連続的に短く変化してゆくような波形信号がよい。これにより、スピーカ2からは、低周波数(低音)から徐々に周波数が高くなる(高音になる)スイープ音が出力される。
【0021】
このスピーカ2から発生される音をマイク3で収集するとともに、アンプ4で信号レベルを増幅後、検査装置10に入力する。この検査装置10にて、スイープ音に歪みがあるか否かの良否判定を行う。
【0022】
検査装置10は、図2に示すように、アンプ4を介して増幅されたアナログのスイープ信号をデジタル信号に変換するA/D変換部11と、A/D変換部11から出力される信号からノイズ成分等の不要な成分を除去するフィルタ処理部12と、フィルタ処理後の波形から、所定期間(1フレーム:約0.1秒)の波形を抽出する波形抽出部13と、波形抽出部13で抽出された波形に対し、時間領域信号を高速フーリエ変換アルゴリズムにより、周波数領域の分析を行うFFT部14と、FFT部14で生成されたFFT波形から所定の特徴量を算出する特徴量演算部15と、特徴量演算部15にて抽出された特徴量に基づいて良否判定を行う判定部16とを備えている。この検査装置10は、例えばパソコンに上記各種の機能を組み込むことで実現できる。そして、A/D変換部11は、パソコンにすでに実装されているものがあればそれを利用することができる。そして、その他の機能を備えたソフトウエアプログラム(アプリケーション)をパソコンにインストールすることにより構成することができる。また、それら全てをソフトウェアで実現するのではなく、一部をハードウエアで実現することももちろんできる。
【0023】
次に、各部の機能を説明する。但し、A/D変換部11並びにFFT部14における内部処理アルゴリズムは、従来公知のものであるとともに、パラメータの調整等もないので、その詳細な説明を省略する。
【0024】
まず、フィルタ処理部12は、本実施の形態ではバンドパスフィルタにより構成し、例えば500から1500Hzの周波数範囲を通過させるようにしている。これにより、例えば図3に示すような入力波形は、図4に示すような波形に変換される。なお、フィルタ処理部12のパラメータとなる通過帯域の上限値並びに下限値は、検査装置10に設けた入力装置(図示せず)を介して変更可能としている。
【0025】
図3および図4で示すグラフについて説明すると、どちらのグラフも縦軸が入力波形の電圧であり(つまり波形信号の振幅である。換言すると信号の強さである)、横軸が時間である。図3について言うと、例えば、t=3000の時刻あたりからスピーカに10Hzの信号を与えられ、その後徐々に周波数をあげてゆき、t=4000付近で500Hz,t=6500付近で1500Hz,t=15000付近で50kHzの信号が与えられていたとする。その結果、図3のように、t=4000付近からスピーカから音が鳴り始めてt=11000付近で音が出なくなったことが分かる。この図3は、スピーカの音再生特性を表していると言える。
【0026】
波形抽出部13は、フィルタ通過後の全体波形から分析対象となる部分的な波形を抽出する機能をもつ。これは、検査対象のスピーカが良品か不良品かを検査するのに、検査しやすいように適切な部分だけを抜き出すためのものである。図4でいうと、tの幅で図示した部分を検査対象とするべく抽出するのである。この抽出する領域は、良品と不良品との差が出る部分を予め解析しておき、その差が出る部分を含む領域と決めておく。ここでの例は、図6で説明するが、スピーカが800Hz〜900Hzで異音を発する可能性があると事前分析で傾向を把握しているので、その周辺の特性を検査することが良/不良の判別に適していると言える。そこで、スピーカが異音を再生する可能性がある期間を含む波形を抽出する。そして、スピーカが800Hz〜900Hzを音再生している期間を含めようとすると、特性グラフのピーク値Pから少し後から取り込めばよいということが、特性上で分かっている。よって、図4で示しているピーク値Pを発した少し後から期間tの波形を抽出すればよいと事前に分かっているので、その部分の波形を取り込むように、波形抽出部の抽出する領域の規定値として、開始位置として「α」、期間を「t」と決定しておく。実際には、図4上では、開始位置αは時刻4600、tは300(実際値は0.1秒程度)と設定する。この設定は、例えば歪みが生じやすい周波数(異音が発生する可能性がある周波数帯)がわかっている場合には、その周波数がフレームの中央に来るような中央位置αとし、その前期間t1,後期間t2(つまり前後の期間)を取り込むようにしてもよい。また、歪みの発生位置が予めわかっていないような場合には、良品/不良品のサンプルデータなどがあれば、それに基づいてαを変えながら判定処理を行い、判定結果の正確度が基準に達するように調整することにより決定することができる。
【0027】
FFT部14は、波形抽出部13で抽出した波形をフーリエ変換処理するものである。つまり、図4中の期間tの部分の波形をフーリエ変換し、図6のようにするものである。この図6の横軸は周波数であり、これは正にスピーカが再生している音の周波数を示している。縦軸は、スピーカの再生音の振幅であり、音の強さである。
【0028】
特徴量演算部15は、図5に示すフローチャートを実施する機能を有する。このフローチャートは、パラメータ設定時の学習機能と、実際の不良判定(検査)時に行う機能をあわせて示している。
【0029】
まず、取得したFFT波形に対する中心周波数を設定する(ST1)。すなわち、FFT波形の一例を示すと、図6に示すようになっている。ここで、図6(a)が良品のFFT波形であり、図6(b)が不良品のFFT波形である。なお、図6における縦軸がスペクトルパワーであり(つまり、スピーカの再生音の強さ、換言すると波形振幅である)、横軸が周波数である。
【0030】
図6から明らかなように、いずれのFFT波形も、周波数が高くなるにつれて、一旦上昇し、その後下降する連続した山形の波形となっており、良品のFFT波形は下降する際の一定区間がほぼ線形となっているのに対し、不良品のFFT波形は、上記一定区間で歪み(図の例では窪み)が生じている。具体的に言うと、周波数820Hzあたりを中心にその前後10Hz(810Hz〜830Hzあたり)の音再生特性が良品と異なっていることが分かる。なお、ここで示す特性グラフの縦軸は振幅(再生音の強さ)であり、良品と比べてグラフ上では窪んでいるが、人間の耳には異音または不快に聞こえるのである。
【0031】
そこで、上記した一定区間の中間になるような周波数を中心周波数に設定する。具体的には、例えば図6に示したFFT波形を表示装置に出力させ、ユーザが中心周波数を決定し、数値で入力するようにしてもよいし、図示するように縦軸方向に伸びるガイドバーを重ねて表示し、入力装置を操作してガイドバーを左右に移動し、所定位置で決定することにより、中心周波数を設定することもできる。さらには、予め歪みが生じる周波数がわかっている場合には、その値を中心周波数に設定することができる。なお、本実施の形態では、中心周波数を900Hzに設定している。
【0032】
次に、計算に使用するデータ数を決定する(ST2)。本実施の形態では、中心周波数fに対して、前後等幅としているため、入力装置を介して「β」を代入し、これを受けて「f−β」と「f+β」を算出することにより、前後幅を決定する。このとき入力するβが調整パラメータとなる。
【0033】
そして、「f−β」〜「f+β」の範囲内のデータに対し、横軸(周波数)X:横軸(周波数)とY:縦軸(パワースペクトル)を下記式に代入し、回帰直線の決定係数r2を算出する(ST3)。
【0034】
【数1】
【0035】
決定係数r2は、回帰直線の適合度を示し、0以上1以下の値をとる。そして、r2=1が完全な適合を意味する。従って、図6(a)に示す良品のFFT波形のように、周波数が増加するにつれてパワースペクトルがほぼ直線状に下降している場合には、r2は1に近い値をとり、図6(b)に示す不良品のFFT波形のように、歪んだ箇所があると、r2は1から離れた値となる。
【0036】
そこで、ステップ3で求めた良品と不良品のr2が、両者を弁別できるだけ差があるか否かを判断する(ST4)。そして、弁別できるほど差がない場合には、ステップ2に戻り、βの値を変更し、前後幅の再設定を行う。
【0037】
そして、ステップ4の分岐判断でYesとなると、求めた決定係数r2を特徴量値に変換する(ST5)。つまり、上記したように、決定係数は、良品の方が1に近い大きい値をとるが、本実施の形態では、他の特徴量(説明を省略)との関係から良品の場合の特徴量値の数値が小さく、不良品の場合が大きくなるようにしているので、それにあわせるべく決定係数を下記の変換式により特徴量値に変換する。
特徴量値=1000−(r2×1000)
そして、求めた特徴量を出力する(ST6)。図6のFFT波形の場合の特徴量としては、例えば図7に示すようになり、良品と不良品とを確実に弁別できる。
【0038】
なお、図5に示すフローチャートの各処理ステップのうち、ステップ5における変換は、上記したものに限ることはなく、例えば、単に決定係数r2に所定の定数を乗算したりする他、各種の変換を行うことが可能となる。さらに、決定係数をそのまま用いる場合には、ステップ5の処理自体をなくしてもよい。
【0039】
また、ステップ4の分岐判断は、学習機能の時に実行され、調整によりステップ2で行った前後幅が決定され、実際の検査時においては、中心周波数や前後幅を初期設定値として持ち、特徴量演算部15における実際の処理は、ステップ3,5,6を実行するようになる。
【0040】
判定部16は、特徴量演算部15から出力された特徴量に基づいて判定処理を行うもので、例えば閾値処理により良否判定を行うことができる。また、特徴量が複数種出力される場合には、それらを総合的に判断することももちろんできる。
【0041】
特徴量演算部15の処理アルゴリズムとしては、上記した第1の実施の形態のものに限ることはなく、各種の変更実施が可能である。例えば、第2の実施の形態である図8に示すフローチャートを実施する機能にすることができる。このフローチャートも、学習機能を含んだものである。
【0042】
まず、取得したFFT波形を微分する(ST11)。すなわち、上記したように良品の場合のFFT波形は、ほぼ直線状となっているため、変形量のばらつきは小さい。これに対し、不良品の場合のFFT波形は、歪み・窪みがあるため、変化量のばらつきが大きくなる。そこで、微分値に基づいて特徴量を抽出するようにした。そして、係る処理を実行することにより、例えば、図6(a),(b)に示すFFT波形は、それぞれ図9(a),(b)に示すようになる。この図9における横軸は周波数、縦軸はスピーカの音再生のスペクトルパワーの微分値である。
【0043】
次に、取得したFFT波形の微分波形に対する中心周波数を設定する(ST12)。この中心周波数も、上記した実施の形態と同様に、入力装置を操作してパラメータとして設定する。つまり、予め歪みが生じる周波数がわかっている場合には、その値を中心周波数に設定することができる。なお、本実施の形態では、中心周波数を900Hzに設定している。また、本実施の形態では、不良品の場合にFFT波形が下降している区間に対して歪みが発生するので、例えば図9に示した微分波形を表示装置に出力させるとともに、それをみて全体として微分値が負になっている区間における適当な位置を中心周波数に決定する。そして、決定した値を数値で入力するようにしてもよいし、図示するように縦軸方向に伸びるガイドバーを重ねて表示し、入力装置を操作してガイドバーを左右に移動し、所定位置で決定することにより、中心周波数を設定することもできる。
【0044】
次に、計算に使用するデータ数を決定する(ST13)。本実施の形態では、中心周波数f1に対して、前後等幅としているため、入力装置を介して「γ」を代入し、これを受けて「f1−γ」と「f1+γ」を算出することにより、前後幅を決定する。このとき入力するγが調整パラメータとなる。
【0045】
そして、「f1−γ」〜「f1+γ」の対象範囲におけるピーク−ピーク値を求める(ST14)。すなわち、上記したように良品の場合のFFT波形の微分値のばらつきは小さいが、不良品の場合のFFT波形の微分値は、歪み・窪み部分で正負が生じ、変化量のばらつきが大きくなる。従って、ピーク−ピーク値は、良品ほど小さく、不良品ほど大きくなる。
【0046】
そこで、ステップ14で求めたピーク−ピーク値が、良品と不良品を弁別できるだけ差があるか否かを判断する(ST15)。そして、弁別できるほど差がない場合には、ステップ13に戻り、γの値を変更し、前後幅の再設定を行う。
【0047】
そして、ステップ15の分岐判断でYesとなると、ステップ14で求めたピーク−ピーク値を特徴量して出力する(ST16)。図9のFFT波形の微分波形に対する特徴量としては、例えば図10に示すようになり、良品と不良品とを確実に弁別できる。
【0048】
なお、図8に示すフローチャートでは、ピーク−ピーク値をそのまま特徴量として使用したが、図5に示したフローチャートのステップ5と同様に、適宜の変換処理をしてももちろんよい。
【0049】
また、ステップ15の分岐判断は、学習機能の時に実行され、調整によりステップ13で行った前後幅が決定され、実際の検査時においては、中心周波数や前後幅を初期設定値として持ち、特徴量演算部15における実際の処理は、ステップ11,14,16を実行するようになる。なお、その他の構成並びに作用効果は、上記した第1の実施の形態と同様であるので、その詳細な説明を省略する。
【0050】
図11以降は、第3の実施の形態の要部を示している。上記した各実施の形態では、いずれも、波形データのピーク付近のデータを抽出し、それに基づいて各処理を行うようにしたが、本実施の形態では、それと相違して、高周波帯域を検査対象範囲としている。従って、波形抽出部13は、良品サンプルにおける平坦な領域(図3中、R参照)を抽出する。なお、この様に抽出する周波数帯域が異なることから、フィルタ処理部12における上限値,下限値も適宜変更するのはもちろんである。
【0051】
そして、このように平坦部分について波形抽出された波形に対し、FFT部14でFFT処理すると、図12に示すFFT波形が得られる。図12(a)が良品についてのFFT波形であり、図12(b)が不良品についてのFFT波形である。
【0052】
特徴量演算部15は、図11に示すフローチャートを実施する機能を有する。すなわち、まず良品サンプルにおけるFFT波形の平坦部を対象範囲に設定する(ST21)。
【0053】
よく知られているように、回帰直線の決定係数r2は、フラット(傾きがない)な波形では、ばらつくため、良品と不良品の判定が行いにくい。そこで、データのずらし量kを設定する(ST22)。このずらし量kは、傾きであり、周波数が大きくなるにつれて、実際のデータに対し、徐々に大きな値を加算するようにした。つまり、本来であれば、回帰直線は、X軸に平行になるところ、ずらし量kの傾きを持った直線となる(図13参照)。
【0054】
次いで、ずらしデータに対して、回帰直線の決定係数r2を計算する(ST23)。そして、良品のr2が1に近いかを判断する(ST24)。実際には、閾値を設け、閾値以上の場合にはYesと判断するようにする。そして、1から離れている場合には、ずらし量kが十分ではなかったと判断し、ステップ22に戻り再度ずらし量の設定を行う。
【0055】
また、良品についてのr2が1に近い場合には、良品と不良品のr2に差があるか否かを判断する。両者を弁別できるに十分な差がない場合には、ステップ22に戻り、再度ずらし量を設定する。
【0056】
そして、ステップ24とステップ25のいずれもが、Yesの場合に、そのときのずらし量kを正規のものに設定し、求めた決定係数r2を特徴量値に変換する(ST26)。この変換処理は、図5に示したステップ5と同様であるので、その詳細な説明を省略する。
【0057】
そして、求めた特徴量を出力する(ST27)。図12のFFT波形の場合の特徴量としては、例えば図14に示すようになり、良品と不良品とを確実に弁別できる。なお、その他の構成並びに作用効果は、上記した各実施の形態と同様であるので、その詳細な説明を省略する。
【0058】
【発明の効果】
以上のように、この発明では、FFT波形に対して回帰直線の決定係数などの適合度を求めたり、FFT波形の微分値を求めることにより、FFT波形に含まれる歪みの有無・程度を特徴量として抽出することができ、入力された波形信号に対し正確に歪みの有無・良否判定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態を示す図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態を示す図である。
【図3】入力されたスイープ信号の一例を示す波形図である。
【図4】フィルタ処理後のスイープ信号を示す波形図である。
【図5】特徴量演算部の機能を示すフローチャートである。
【図6】作用を説明する図である。
【図7】抽出された特徴量値の一例を示す図である。
【図8】第2の実施の形態の要部となる特徴量演算部の機能を示すフローチャートである。
【図9】作用を説明する図である。
【図10】抽出された特徴量値の一例を示す図である。
【図11】第3の実施の形態の要部となる特徴量演算部の機能を示すフローチャートである。
【図12】作用を説明する図である。
【図13】作用を説明する図である。
【図14】抽出された特徴量値の一例を示す図である。
【符号の説明】
10 検査装置
11 A/D変換部
12 フィルタ処理部
13 波形抽出部
14 FFT部
15 特徴量演算部
16 判定部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a waveform inspection apparatus.
[0002]
[Prior art]
In automobiles and home appliances, a rotating device incorporating a motor is very often used. For example, taking an automobile as an example, rotating equipment is mounted everywhere in the engine, power steering, power seat, mission and others. Household appliances include refrigerators, air conditioners, washing machines and various other products. When the rotating device is actually operated, a sound is generated with the rotation of the motor or the like.
[0003]
Some of these sounds are inevitably generated along with normal operations, and other sounds are generated due to defects. Examples of abnormal sounds associated with the failure include bearing abnormalities, internal abnormal contact, imbalance, and foreign matter contamination. More specifically, there are gear chipping, foreign object biting, spot flaws, and abnormal noise such that the rotating part and the fixed part inside the motor rub for a moment during rotation. Further, as sounds that people feel uncomfortable, for example, there are various sounds from 20 Hz to 20 kHz that humans can hear, for example, about 15 kHz. And when the sound of the predetermined frequency component is generated, it becomes an abnormal sound. Of course, abnormal sounds are not limited to this frequency.
[0004]
The sound associated with such a defect is not only unpleasant, but may cause further failure. Therefore, for the purpose of quality assurance for each of these products, production factories usually perform “sensory inspection” that relies on the five senses such as hearing and tactile sensation, and determine the presence or absence of abnormal sounds. Specifically, it is done by listening with the ear or touching it with the hand to check the vibration. The sensory test is defined by the sensory test term JIS Z8144.
[0005]
By the way, in the sensory test that relies on the five senses of such an inspector, not only skill is required, but also the determination results vary widely such as individual differences and changes with time. Furthermore, there is a problem that it is difficult to convert the determination results into data and numerical values and to manage them. Therefore, in order to solve such a problem, there is an abnormal sound inspection apparatus for the purpose of stable inspection based on a quantitative and clear standard. This abnormal sound inspection system is a device for the purpose of automating the “sensory inspection” process, and measures vibration and sound of the product drive unit with a sensor, and uses a frequency analysis device that applies the analog signal to the analog signal. Thus, the frequency component is examined and inspected (
[0006]
The technology disclosed in Patent Documents 1 to 3 will be briefly described. A frequency analysis apparatus to which the FFT algorithm is applied can analyze a frequency domain of a time domain signal by a fast Fourier transform algorithm. On the other hand, the frequency range of abnormal sounds is also determined to some extent. Accordingly, since the component corresponding to the abnormal sound generation region can be extracted from the frequency components extracted by the analysis, the feature amount of the extracted component is obtained. Then, the presence / absence of the abnormality and the cause thereof are estimated from the feature amount using fuzzy inference.
[0007]
In the abnormal sound inspection system described above, automatic determination can be made in accordance with a predetermined standard, and the inspection result (actual result) and waveform data at that time can be stored in a storage device in the abnormal sound inspection system. .
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-11-173756
[Patent Document 2]
JP-A-11-173909
[Patent Document 3]
JP 2001-91414 A
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-described conventional apparatus, it is possible to inspect abnormal noises emitted from rotating devices such as motors and engines relatively correctly. However, when the above abnormal sound inspection system is applied to a device that applies a sweep signal to a speaker and determines whether or not the sound output from the speaker is distorted, for example, as in a quality inspection of a speaker, an accurate determination Could not do.
[0010]
In other words, the sweep sound used for speaker quality inspection or the like is obtained by gradually changing the frequency from a low frequency to a high frequency, and the sound will be detected by a microphone and FFT conversion will be described in the embodiment. It becomes a unique shape waveform continuously. Therefore, it has been impossible to judge whether or not the feature amount of the system is based on the assumption that the spectrum of the conventional predetermined frequency appears discontinuously. For this reason, in speaker quality inspections and the like, inspections still relying on the five senses of the inspector are still mainstream, and there are large variations in judgment results such as individual differences and changes with time.
[0011]
It is an object of the present invention to provide a waveform inspection apparatus that can accurately determine the presence / absence / non-defectiveness of distortion even if the inspection target is a sweep signal.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The waveform inspection apparatus according to the present invention obtains a regression line for an FFT processing means for performing FFT processing on a waveform signal based on an input sweep waveform signal, and a predetermined frequency range of the FFT waveform generated by the FFT processing. And a feature amount calculation means for obtaining information based on the degree of fitness for the regression line as a feature amount, and a determination means for judging normality / abnormality based on the obtained feature amount. In the embodiment, the fitness is a coefficient of determination r. 2 However, any coefficient other than the determination coefficient may be used as long as the degree of deviation and variation of each data constituting the FFT waveform from the regression line can be obtained.
[0013]
Further, as another solution means, an FFT processing means for performing FFT processing on the waveform signal based on the input sweep waveform signal, and obtaining a differential value of each frequency of the FFT waveform generated by the FFT processing, A feature amount calculation unit that obtains the degree of variation of the obtained differential value as a feature amount and a determination unit that determines normality or abnormality based on the obtained feature amount may be provided. The variation of the differential value is obtained from the peak-peak value in the embodiment, but the present invention is not limited to this, and various other dispersions can be used.
[0014]
And in each above-mentioned invention, FFT processing can be performed with respect to the part of a fixed period from the position shifted predetermined amount from the peak position of the said sweep waveform signal. Note that shifting by a predetermined amount includes both positive and negative directions.
[0015]
As another embodiment, FFT processing means for performing FFT processing on a flat region of the waveform signal based on the input sweep waveform signal, and a predetermined frequency range of the FFT waveform generated by the FFT processing On the other hand, a feature amount calculation means that obtains a regression line from a corrected FFT waveform obtained by adding a correction value that increases with increasing frequency, and obtains information based on the degree of fitness for the regression line as a feature amount And determination means for determining normality / abnormality based on the obtained feature amount. In the embodiment, the correction value corresponds to the shift amount k. In the embodiment, k is positive and is gradually increased. However, a negative value may be used.
[0016]
In the case of the FFT waveform for the sweep signal, since there is a value at each frequency, the waveform is continuous. When normal, it changes gently and the amount of change becomes almost constant. However, when distortion occurs, the amount of change increases at the distortion part.
[0017]
Therefore, when the regression line is obtained for the FFT waveform, each data exists in the vicinity of the regression line when it is normal, but when it is defective / abnormal, it greatly deviates from the regression line at the distortion portion. Accordingly, it is possible to determine whether the regression line is good or bad by determining the goodness of fit (decision coefficient). This is the first invention, which is realized by the first embodiment.
[0018]
However, when the slope of the regression line becomes small, the degree of fitness varies even if it is normal, so correctness can be determined by forcibly tilting the regression line after correction. This is the third invention, which is realized by the third embodiment.
[0019]
Further, as described above, since the change of the FFT waveform is large in the portion where the distortion is generated, the derivative of the FFT waveform is obtained, and the larger the variation of the differential value, the more the distortion occurs and it can be said that the defect is abnormal. .
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
1 and 2 show a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, an output of a sweep signal generator 1 that generates a sweep signal that is gradually and gradually changed from a low frequency to a high frequency is input to a
[0021]
The sound generated from the
[0022]
As shown in FIG. 2, the
[0023]
Next, the function of each part will be described. However, the internal processing algorithms in the A /
[0024]
First, the
[0025]
The graphs shown in FIGS. 3 and 4 will be described. In both graphs, the vertical axis represents the voltage of the input waveform (that is, the amplitude of the waveform signal, in other words, the strength of the signal), and the horizontal axis represents time. . Referring to FIG. 3, for example, a signal of 10 Hz is given to the speaker from the time around t = 3000, and then the frequency is gradually increased to 500 Hz near t = 4000, 1500 Hz near t = 6500, t = 15000. Assume that a 50 kHz signal is given in the vicinity. As a result, as shown in FIG. 3, it can be seen that sound starts to be heard from the speaker at around t = 4000 and no sound is produced at around t = 11000. FIG. 3 can be said to represent the sound reproduction characteristics of the speaker.
[0026]
The
[0027]
The
[0028]
The feature
[0029]
First, the center frequency for the acquired FFT waveform is set (ST1). That is, FIG. 6 shows an example of the FFT waveform. Here, FIG. 6A shows a non-defective FFT waveform, and FIG. 6B shows a defective FFT waveform. Note that the vertical axis in FIG. 6 is the spectrum power (that is, the intensity of the reproduced sound of the speaker, in other words, the waveform amplitude), and the horizontal axis is the frequency.
[0030]
As is clear from FIG. 6, each FFT waveform has a continuous mountain-shaped waveform that rises once and then descends as the frequency increases, and the non-defective FFT waveform has almost a certain interval when descending. In contrast to the linear shape, the FFT waveform of a defective product is distorted (indented in the example in the figure) in the above-mentioned fixed interval. More specifically, it can be seen that the sound reproduction characteristics of 10 Hz (around 810 Hz to 830 Hz) around the frequency around 820 Hz are different from the non-defective products. It should be noted that the vertical axis of the characteristic graph shown here is the amplitude (reproduction sound intensity), which is depressed on the graph as compared with the non-defective product, but sounds abnormally or uncomfortable to the human ear.
[0031]
Therefore, a frequency that is in the middle of the above-described fixed interval is set as the center frequency. Specifically, for example, the FFT waveform shown in FIG. 6 may be output to the display device, and the user may determine the center frequency and input it numerically, or a guide bar extending in the vertical axis direction as shown in the figure. The center frequency can also be set by displaying them in a superimposed manner, operating the input device to move the guide bar to the left and right, and determining it at a predetermined position. Furthermore, when the frequency at which distortion occurs is known in advance, the value can be set as the center frequency. In the present embodiment, the center frequency is set to 900 Hz.
[0032]
Next, the number of data used for the calculation is determined (ST2). In the present embodiment, since the center frequency f is equal to the front and rear, “β” is substituted via the input device, and “f−β” and “f + β” are calculated in response thereto. Determine the front and rear width. Β input at this time is an adjustment parameter.
[0033]
For the data in the range of “f−β” to “f + β”, the horizontal axis (frequency) X: horizontal axis (frequency) and Y: vertical axis (power spectrum) are substituted into the following formula, Coefficient of determination r 2 Is calculated (ST3).
[0034]
[Expression 1]
[0035]
Coefficient of determination r 2 Indicates the fitness of the regression line and takes a value between 0 and 1. And r 2 = 1 means perfect fit. Accordingly, as in the case of a non-defective FFT waveform shown in FIG. 6A, when the power spectrum decreases almost linearly as the frequency increases, r 2 Takes a value close to 1, and if there is a distorted part like the FFT waveform of the defective product shown in FIG. 2 Becomes a value away from 1.
[0036]
Therefore, r of good product and defective product obtained in
[0037]
Then, when the branch determination at
Feature value = 1000− (r 2 × 1000)
Then, the obtained feature amount is output (ST6). The feature quantity in the case of the FFT waveform in FIG. 6 is, for example, as shown in FIG.
[0038]
Of the processing steps in the flowchart shown in FIG. 5, the conversion in step 5 is not limited to the above-described one. 2 In addition to multiplying by a predetermined constant, various conversions can be performed. Further, when the determination coefficient is used as it is, the processing in step 5 itself may be omitted.
[0039]
Further, the branch determination in
[0040]
The
[0041]
The processing algorithm of the feature
[0042]
First, the acquired FFT waveform is differentiated (ST11). That is, as described above, since the FFT waveform in the case of a non-defective product is substantially linear, variation in the deformation amount is small. On the other hand, since the FFT waveform in the case of a defective product has distortion and depression, variation in the amount of change becomes large. Therefore, the feature amount is extracted based on the differential value. By executing such processing, for example, the FFT waveforms shown in FIGS. 6A and 6B become as shown in FIGS. 9A and 9B, respectively. In FIG. 9, the horizontal axis represents the frequency, and the vertical axis represents the differential value of the spectrum power of the sound reproduction of the speaker.
[0043]
Next, the center frequency for the differentiated waveform of the acquired FFT waveform is set (ST12). This center frequency is also set as a parameter by operating the input device, as in the above-described embodiment. That is, if the frequency at which distortion occurs is known in advance, the value can be set as the center frequency. In the present embodiment, the center frequency is set to 900 Hz. Further, in the present embodiment, in the case of a defective product, distortion occurs in the section where the FFT waveform is falling. For example, the differential waveform shown in FIG. As a center frequency, an appropriate position in a section where the differential value is negative is determined. Then, the determined value may be input as a numerical value, or as shown in the figure, a guide bar extending in the vertical axis direction is displayed in an overlapping manner, and the input bar is operated to move the guide bar to the left and right, and a predetermined position. The center frequency can also be set by determining in step (1).
[0044]
Next, the number of data used for calculation is determined (ST13). In the present embodiment, the center frequency f1 is equal to the front and rear, so that “γ” is substituted via the input device, and “f1−γ” and “f1 + γ” are calculated by receiving this. Determine the front and rear width. Γ input at this time is an adjustment parameter.
[0045]
Then, the peak-peak value in the target range of “f1−γ” to “f1 + γ” is obtained (ST14). That is, as described above, the variation in the differential value of the FFT waveform in the case of a non-defective product is small, but the differential value of the FFT waveform in the case of a defective product is positive or negative at the distortion / dent portion, and the variation in the variation is large. Accordingly, the peak-peak value is smaller for non-defective products and larger for defective products.
[0046]
Therefore, it is determined whether or not the peak-peak value obtained in
[0047]
When the branch determination in
[0048]
In the flowchart shown in FIG. 8, the peak-to-peak value is used as it is as the feature quantity, but an appropriate conversion process may be performed as in step 5 of the flowchart shown in FIG.
[0049]
Further, the branch determination in
[0050]
FIG. 11 and subsequent figures show the main part of the third embodiment. In each of the above-described embodiments, data near the peak of the waveform data is extracted and each processing is performed based on the extracted data. However, in this embodiment, unlike the above, the high frequency band is inspected. The range. Therefore, the
[0051]
Then, when the FFT processing is performed on the waveform extracted in this way for the flat portion by the
[0052]
The feature
[0053]
As is well known, the coefficient of determination r of the regression line 2 However, it is difficult to determine whether the product is non-defective or defective because the waveform varies with a flat waveform (having no inclination). Therefore, a data shift amount k is set (ST22). This shift amount k is an inclination, and as the frequency increases, a larger value is gradually added to the actual data. That is, originally, the regression line is a straight line having an inclination of the shift amount k in parallel with the X axis (see FIG. 13).
[0054]
Next, a regression line determination coefficient r is applied to the shift data. 2 Is calculated (ST23). And good r 2 Is determined to be close to 1 (ST24). Actually, a threshold value is provided, and if it is equal to or greater than the threshold value, Yes is determined. If it is away from 1, it is determined that the shift amount k is not sufficient, and the process returns to step 22 to set the shift amount again.
[0055]
Also, r for good products 2 When r is close to 1, r for good and defective products 2 To determine whether there is a difference between If there is not a sufficient difference to discriminate the two, the process returns to step 22 and the shift amount is set again.
[0056]
If both Step 24 and Step 25 are Yes, the shift amount k at that time is set to a normal one, and the obtained determination coefficient r 2 Is converted into a feature value (ST26). Since this conversion process is the same as step 5 shown in FIG. 5, detailed description thereof is omitted.
[0057]
Then, the obtained feature amount is output (ST27). The feature quantity in the case of the FFT waveform of FIG. 12 is as shown in FIG. 14, for example, and it is possible to reliably discriminate between good products and defective products. Since other configurations and operational effects are the same as those of the above-described embodiments, detailed description thereof is omitted.
[0058]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the presence / absence / degree of distortion included in the FFT waveform is obtained by obtaining the degree of conformity such as the coefficient of determination of the regression line with respect to the FFT waveform or by obtaining the differential value of the FFT waveform. And the presence / absence / non-defectiveness of the distortion can be accurately determined for the input waveform signal.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a waveform diagram showing an example of an input sweep signal.
FIG. 4 is a waveform diagram showing a sweep signal after filter processing.
FIG. 5 is a flowchart illustrating functions of a feature amount calculation unit.
FIG. 6 is a diagram illustrating an operation.
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of extracted feature value.
FIG. 8 is a flowchart illustrating functions of a feature amount calculation unit that is a main part of the second embodiment;
FIG. 9 is a diagram illustrating an operation.
FIG. 10 is a diagram illustrating an example of extracted feature value.
FIG. 11 is a flowchart illustrating a function of a feature amount calculation unit that is a main part of the third embodiment;
FIG. 12 is a diagram illustrating an operation.
FIG. 13 is a diagram illustrating an operation.
FIG. 14 is a diagram illustrating an example of extracted feature value.
[Explanation of symbols]
10 Inspection equipment
11 A / D converter
12 Filter processing section
13 Waveform extraction unit
14 FFT section
15 Feature value calculator
16 Judgment part
Claims (4)
FFT処理されて生成されたFFT波形の所定周波数範囲に対して回帰直線を求め、その回帰直線に対する適合度に基づく情報を特徴量として求める特徴量演算手段と、
前記求めた特徴量をもとに正常,異常を判定する判定手段を備えたことを特徴とする波形検査装置。FFT processing means for performing FFT processing on the waveform signal based on the input sweep waveform signal;
A feature amount computing means for obtaining a regression line with respect to a predetermined frequency range of the FFT waveform generated by the FFT processing, and obtaining information based on the degree of fitness for the regression line as a feature amount;
A waveform inspection apparatus comprising a determination means for determining normality or abnormality based on the obtained feature amount.
FFT処理されて生成されたFFT波形の各周波数の微分値を求めるとともに、求めた微分値のばらつきの度合いを特徴量として求める特徴量演算手段と、
前記求めた特徴量をもとに正常,異常を判定する判定手段を備えたことを特徴とする波形検査装置。FFT processing means for performing FFT processing on the waveform signal based on the input sweep waveform signal;
A feature amount computing means for obtaining a differential value of each frequency of the FFT waveform generated by the FFT processing and obtaining a degree of variation of the obtained differential value as a feature amount;
A waveform inspection apparatus comprising a determination means for determining normality or abnormality based on the obtained feature amount.
FFT処理されて生成されたFFT波形の所定周波数範囲に対し、周波数の増加に伴いずれ量が大きくなる補正値を加算して得られる補正FFT波形に対して回帰直線を求め、その回帰直線に対する適合度に基づく情報を特徴量として求める特徴量演算手段と、
前記求めた特徴量をもとに正常,異常を判定する判定手段を備えたことを特徴とする波形検査装置。FFT processing means for performing FFT processing on a flat region of the waveform signal based on the input sweep waveform signal;
A regression line is obtained for a corrected FFT waveform obtained by adding a correction value that increases with increasing frequency to a predetermined frequency range of the FFT waveform generated by the FFT processing, and conformity to the regression line is obtained. A feature amount calculating means for obtaining information based on the degree as a feature amount;
A waveform inspection apparatus comprising a determination means for determining normality or abnormality based on the obtained feature amount.
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