ボルトの組み合わせ荷重試験におけるリアルタイム AE モニタリングシステム

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"LabVIEWを用いることで3週間程度で完成させることができた。これはLabVIEWのプログラム作成時の直観性、ヘルプの充実さ、デバッグ修正の容易さなどの性質によるものだと思う。"

- 大西 正志 氏, 東京工業大学大学院 理工学研究科 機械物理工学専攻 黛・水谷研究室

The Challenge:
荷重試験ではボルトに負荷するトルクも計測することを試みたため、そのデータをどのように取得するかが課題となった。また従来の手法だと、波形の保存とリアルタイムな AE モニタリングを同時にできない、2台の PC を用いているため実験装置やデータ管理が煩雑になる、データの同期ができない、事後解析に時間がかかる、といった問題があった。

The Solution:
LabVIEW 7.1とPXIシステムを用いることで、ボルトの組み合わせ荷重試験におけるリアルタイムAEモニタリングシステムを開発できた。このシステムを用いた実験によってAEがボルトの塑性域締め管理に適用できる可能性を示せた。

Author(s):
大西 正志 氏 - 東京工業大学大学院 理工学研究科 機械物理工学専攻 黛・水谷研究室

【背景】
自動車業界ではボルトの緩みや疲労に関するトラブル防止のためにボルトの塑性域締めが行われている。塑性域締めとは、ボルトの初期締結力を塑性域まで高める締結法である。一般的に用いられている弾性域締めと比較すると、塑性域締めは、初期締結力が高く、ばらつきが小さいため、ボルトの緩みと疲労に有効だといわれている。現在、代表的なボルトの締結管理法として、トルク法、回転角法、トルク勾配法が知られている。しかし、最も多用されているトルク法は締結体の摩擦係数によって軸力が大きくばらつくため、トルク法は塑性域締めには適用できない。また、回転角法、トルク管理法を用いれば塑性域締めが可能であるが、装置が大掛かりで現場での使用に向いていない。そこでトルクレンチのような手軽な装置で簡単に塑性域締めできるシステムを開発することが望まれている。
一方、材料が外力を受け変形すると AE(アコースティック・エミッション)と呼ばれる弾性波が発生する。
そこで、ボルト締結中に発生する AE をモニタリングし、AE をボルトの塑性域締めの指標に応用できないか(特許出願済み)と考え、手軽でかつ安定したボルトの塑性域締めを可能とする新しいシステムの開発を本研究の目的とする。将来的な目標としては、トルクレンチに変わるようなAEレンチという工具の開発を目指している。


課題】
現在、AE を用いたボルトの塑性域締め管理法の実現のために基礎的研究を行っている。AE 法をボルトの締結管理に利用する際、様々な座面摩擦係数で適用できる必要がある。座面の摩擦が大きくなると、ボルトには軸力と同時に負荷されるトルクの割合が増大していく。そこで、ボルト締結を模擬してボルトに引張とねじりを同時に負荷できる組み合わせ荷重試験機を製作し、ボルトの引張-ねじり試験中に AE モニタリングを実施することを試みた。
これまでの研究では、ボルトの引張試験を実施し、破断までの過程で発生するAEのモニタリングを実施した。この従来の試験では、ボルトに負荷する荷重や伸びのデータは市販の引張試験機のソフトを用い、専用のPCでデータを取得した。一方、AE センサより取得した AE 波形は、AE 専用のアナライザを介して、別の PC で波形データや AE 累積数のデータを取り込んだ。そして、実験後にデータの統合を行った
今回の組み合わせ荷重試験ではボルトに負荷するトルクも計測することを試みたため、そのデータをどのように取得するかが課題となった。また従来の手法だと、波形の保存とリアルタイムな AE モニタリングを同時にできない、2台の PC を用いているため実験装置やデータ管理が煩雑になる、データの同期ができない、事後解析に時間がかかる、といった問題があった。


ソリューション】

1. システムの構成
本研究において設計・製作した組み合わせ荷重試験機の構成を Fig.1に、実験装置全体と試験片・センサ部の拡大写真を Fig.2に示す。この実験装置は、(株)島津製作所の引張試験機と自作ねじり試験機から構成されており、ボルトに引張とねじりの組み合わせ荷重を負荷することができる。
次に試験機の制御・計測系について述べる.複数のデータを同期させるために、測定装置には同期性能に優れている PXI システムを用いた。
ボルトの軸力、伸び、トルクは複数のデータ集録が可能な DAQ ボード(PXI-6070E)で収録した。ボルトの軸力と伸びは引張試験機の外部出力からのデータを DAQ ボードに取り込んだ。一方、ボルトに作用するトルクは自作した試験機の治具に装着したひずみゲージの電気抵抗変化を電気信号として DAQ ボードに取り込んだ。なお、取り込んだ電気信号は PXI 上のコントローラで解析され、ひずみのデータに変換される。また、軸力負荷の影響や、ひずみゲージ貼り付け誤差による影響もコントローラ内で補正を行い、実験後すぐに利用できるデータとして、画面表示やデータ保存を行った。
AE 波形はボルトの両端に取り付けられた2個の AE センサから AE アナライザを介して増幅後に PXI-5122で収録した。AE は周波数が高く、突発型波形であるため、高速で分解能の高い PXI-5122を選択した。AE アナライザには AE 取得時にパルスを発生させる外部出力が装備されている。このパルスを外部トリガとして使用し、2つの波形を同期し PXI-5122の Ch.0と Ch.1に収録した。
システム構築のためのプログラムには LabVIEW 7.1を用いた。ボルトのサイズや強度区分などの試験条件や、サンプリングの計測条件などを自由に設定できるようにした。計測したデータは解析の際に主に使用する、荷重-伸び線図、軸力-トルクの関係をモニタに表示した。また、AE 波形と AE の位置標定結果もリアルタイムで解析してモニタ上に表示できるようにした。なお、位置標定の際には、取得した AE の最大振幅の到達時間差を解析することによって、AE 発生場所を推定するようにした。




Fig.1 実験装置の構成




Fig.2 実験装置全体の写真




Fig.3 試験片、センサ部の拡大写真



2.結果
まず、試験方法を説明する。試験片には、M8、強度区分8.8、長さ60 [mm] のボルトを使用した。ボルトに引張とねじりを負荷させる経路として、今回は、まずボルトにトルク10 [Nm] を負荷し、その後、引張試験でボルトが破断するまで軸力を負荷することにした。他にもトルクを変化させて実験を行い AE 活動度、発生頻度を比較、検討した。
仮想計測器のフロントパネルをFig.4に示す。
左上のタブ制御器でAEセンサに関する実験条件とデータ集録の設定を行う。
右上のタブ制御器で引張試験機、自作試験機に関する実験条件とデータ集録の設定を行う。
左の2つのグラフ制御器では2つのAEセンサからの波形をAE計測ごとにリアルタイムで表示される。
中央のグラフ制御器では位置標定の結果が示され、AEの発生場所をリアルタイムで確認できる。なお1回の試験で計測したAEの評定結果をすべて表示する。
右上のグラフ制御器では試験機からの軸力とトルクのデータが示される。なお、ボルトの締結状態によって、締結手法は、弾性域締め、降伏点締め、塑性域締めの3つに分別される。この3つの領域を示す理論曲線も同時に計算して軸力-トルクの関係図に表示する。
右下のグラフ制御器では引張試験機からのデータを荷重伸び線図として表示する。



Fig.4 仮想計測器のフロントパネル



実験結果をFig.5、Fig.6に示す。

Fig.5 はボルトに負荷した軸力とトルクの負荷経路と、ボルトの締結手法別の締結領域を示す。負荷経路より試験開始からトルクが上昇し、トルク10[Nm]から引張試験を行った試験結果を正しく検出していることがわかる。

 


Fig.6 は、ボルトの荷重伸び線図と、AE累積数を示す。なおAEの各プロットの大きさは AE 信号の最大振幅に反映している。トルク負荷時とボルトが弾性域の領域で AE が多数発生していることがわかる。そして、変形が進行するにしたがって AE の振幅が小さくなる傾向にあった。トルクを変化させて実験した結果に関しても AE の発生傾向は同様な結果が得られた。したがって、AE の発生傾向はボルトの座面摩擦係数に影響しないといえる。したがって、本試験より AE 活動度の変化がボルトの塑性域締め管理に適用できる可能性があることを示せた。

 


まとめ】
LabVIEW 7.1とPXIシステムを用いることで、ボルトの組み合わせ荷重試験におけるリアルタイムAEモニタリングシステムを開発できた。このシステムを用いた実験によってAEがボルトの塑性域締め管理に適用できる可能性を示せた。
本システムを用いることで、実験で得られる複数のデータを最終的にPXI1つに統合することができた。そして、各計測データに合わせた計測器や制御器を購入せずに、従来の機器で計測システムを実現することで、低コストに抑えることができた。また、計測データを有効データとしてリアルタイムで解析することによって、計測データの処理に費やす無駄なルーチンワークの時間を極力削減でき、より能率的に研究を進めることができた。
私はプログラム初心者で今回のシステムを他の言語で作成していたなら実現困難であったと思われる。LabVIEWを用いることで3週間程度で完成させることができた。これはLabVIEWのプログラム作成時の直観性、ヘルプの充実さ、デバッグ修正の容易さなどの性質によるものだと思う。また、Express VIの利用も開発時間の短縮、簡潔なプログラムの実現につながった。
今後、研究を進めていく上で、センサの増設など実験装置の拡張においてシステムの開発がより短時間で行えるのではないか感じている。また将来的にAEを用いた締結システムを開発する場合、AEと環境に起因するノイズとの判別が問題となる。このような問題もNIのハードウェアやソフトウェアを利用することによって、周波数などの波形パラメータによる判別や、複雑な手法を用いた判別をリアルタイムで実施し、有効なデータのみを容易に抽出できるのではないかと考えている。

Author Information:
大西 正志 氏
東京工業大学大学院 理工学研究科 機械物理工学専攻 黛・水谷研究室
Japan

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