JP2005305541A - 金型加工の監視制御方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 金型加工においてワークの成形状態の異常を監視し、最適な金型加工の運用を行う。
【解決手段】 コンピュータを使用して金型加工時の成形状態を監視する装置の構成として、前記金型加工時の形成に由来する信号を検知するセンサー及び当該センサーの出力を取出す信号入力手段と、前記信号入力手段により入力された信号をデジタル信号に変換する信号変換手段と、前記信号変換手段により出力されたデジタル信号を処理し、前記金型加工時の成型状態の良否を判定する判定手段と、前記判定結果を提示する結果提示手段と、を備える金型加工の監視制御方法において、
前記信号入力手段は、当該金型駆動装置の動作信号を受けて起動し、前記信号変換手段を経て、前記判定手段の判定結果および運用条件設定に基づき当該金型の駆動を制御する加工制御手段を有し、前記判定結果および前記加工制御結果を提示することを特徴とする金型加工の監視制御方法および装置である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、コンピュータを使用して金型加工時における製品形成の状態の健全性を監視する監視装置に関し、特に、ＡＥセンサーを用いて製品形成中に発生する信号を処理することにより、製品にネッキングという潜在的な欠陥から微小な亀裂などを検出できるのみならず、当該監視結果を基に金型加工の運用最適化を図る監視制御技術に関する。

金型加工等の塑性加工において、加工途中で製品に発生する亀裂等はその製品の致命的な欠陥になる。そこで、従来は、高度な熟練度を有する塑性加工の専門技術者によって製品の品質の確認を行い、その品質を保証しようとしているのが通常である。しかし、たとえ品質の確認を行う技術者が高度な熟練度を有するとしても、例えば自動車ボディのサイドフレームのような大型部品を金型加工する場合には亀裂等の加工不良の発生部位を総てチェックすることには限界があるため、製品に生じた欠陥の発見が遅れ、ひいては最終製品の製造工程に不具合を生じる場合がある。
そこで、製品のチェックをより完全に行うようにするための金型成形不良検出方法が開発されている（特開平３−１２４３２７号参照）。この方法は、金型加工によって成型されるパネルの一部に検査用のエンボスも同時に成型することとし、この検査用エンボスの成型量を最も加工不良の生じ易い製品部分の金型成型量に応じた量として、金型成型後にこのエンボスの成型状態を検査することにより、製品の成型状態の良、不良を判断する、というものである。
しかし、上述の金型成形不良検出方法では、被加工部材（以下、ワークという。）に検査用のエンボスを形成しなければならないから、このエンボスを形成するための領域をワークに確保しなければならない。よって、ワークの製品部分の設計自由度が減少する可能性がある。また、エンボスを検査するのは人であるから、エンボスの成型度合いから製品の良、不良を完全に判別することはできないばかりでなく、成型されたエンボスがかならずしも製品の成型状態を正確に表すというのもできない。更に、ワークの成型後、エンボスを検査するための工程が必要であるから、このエンボス検査工程の存在が生産性の向上を阻害する。

あるいは、特許公開平６−３２８１５６では、金型のうち、金型加工によって加工製品に加工不良が発生する可能性のある複数の部位にそれぞれ、振動センサが配設される。金型加工が正常に行われたときに発生する振動と振動センサによって検知された振動とを比較して、加工製品に加工不良が発生したか否かが判定される。
その効果として、金型に取り付けられた振動センサを使用して製品の加工不良を検知するから、加工不良を確実に検知することができる。また、振動センサは必要個数設置することができるから、例えば自動車ボディのサイドフレームのような大型部品を金型加工する場合にも亀裂等の加工不良の発生部位を総てチェックすることができる。しかも、このチェックは金型加工と同時に行われ、加工不良をチェックするための別の工程を必要としないから、金型加工の生産性を向上させることができる、というものである。

しかしながら、この従来技術では金型に設置した振動センサーによって、予め金型加工が正常時の振動共鳴周波数を記憶しておき、当該金型加工時に振動センサーにて検知した振動共鳴周波数とを比較して、その差異の大きさに基づき当該加工が不良であるか否かを判定するものであるため、ワークに発生する亀裂が小さい場合や亀裂に至る前の微小なワーク内部の塑性現象であるネッキングと呼ばれる不良を検出することが困難であった。特に、このネッキング現象では、表面には亀裂のような欠陥が現れないから目視や画像センシングでは検出が不可能であるばかりでなく、また、ネッキング現象においては、その発生周波数帯域は振動センサーが検知できる周波数範囲より非常に高い周波数帯域であるため、当該不良に起因する物理的なデータが得られない、という根本的な技術課題があった。
さらに、従来の技術では、金型加工の監視機能が不十分であったため、当該監視結果から当該金型駆動装置を制御する加工制御装置を実現できなかった。
特開平３−１２４３２７ 特開平６−３２８１５６

上記する従来の技術が有する種々の問題点を解決すべく、本発明は、金型加工時のワークに発生する微小な亀裂あるいはワーク内部に潜在的なネッキングが発生した場合においても、確実に異常検知を行い、さらに当該異常検知の結果に基づき、当該金型加工の生産ラインの最適な運用を可能とすることを目的とする。特に、ワークの表面検査や振動もしくは音響による検知が困難な微小な欠陥の発生を検出し、その監視結果から当該金型加工の駆動制御を行うことにより、当該金型加工の生産効率を向上するための金型加工の監視方法および監視装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本願第１の発明では、コンピュータを使用して金型加工時の成形状態を監視する装置の構成として、前記金型加工時の形成に由来する信号を検知するセンサー及び当該センサーの出力を取出す信号入力手段と、前記信号入力手段により入力された信号をデジタル信号に変換する信号変換手段と、前記信号変換手段により出力されたデジタル信号を処理し、前記金型加工時の成型状態の良否を判定する判定手段と、前記判定結果を提示する結果提示手段と、を備える金型加工の監視方法において、
前記信号入力手段は、当該金型駆動装置の動作信号を受けて起動し、前記信号変換手段を経て、前記判定手段の判定結果および運用条件設定に基づき当該金型の駆動を制御する加工制御手段を有し、前記判定結果および前記加工制御結果を提示することを特徴とする。

このような第１の発明によれば、当該金型加工の生産ラインにおいて金型加工の駆動側と、当該加工におけるワークの欠陥を検知する判定手段との連携、つまり金型加工における金型の動きと当該判定手段への信号入力の最適化および当該判定結果および運用条件設定に基づき前記金型の駆動制御を行うことができるので、当該金型加工の品質管理の維持と生産効率の向上とを満足した最適運用を達成することが可能となる。

また、本願第２の発明では、第１の発明において、前記信号入力手段のセンサーがＡＥ（Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎの略称）センサーであることを特徴とする。
このような第２の発明によれば、金型加工のワークの表面の亀裂発生より微小な内部欠陥から発せられる超音波領域の高い周波数の信号を検知することが可能となる。

また、本願第３の発明では、第１の発明における前記判定手段は、時間波形信号をある閾値の大きさで切出して得られたラインの長さおよび個数に基づく第１次異常判定と周波数分布の時間変化の特徴量に基づく第２次異常判定の２段階の判定を行うことを特徴とする。
このような第３の発明によれば、金型加工時の初期成形による塑性に起因する超音波領域の高周波信号の健全性判定のみならず、当該成形の後半部分での亀裂もしくはネッキングが発生しやすい成形時での判定が可能になり、当該金型加工におけるワークの異常判定の検知感度が飛躍的に向上し、監視機能の信頼性が確保できる。このことは、当該判定結果を当該金型駆動用モータの制御判断に適用することを可能とするものである。

また、本願第４の発明では、上記第１の発明における前記加工制御手段は、前記判定手段からの出力および運用条件設定器からの入力に基づき、金型加工の複数の運用形態を切り替えることを特徴とする。
このような第４の発明によれば、当該金型加工が、対象とするワークの品質管理上のレベルが最も厳しい、つまり前記判定手段からの判定結果は第１次判定と第２次判定との２種類存在するが、いずれの判定結果とも正常となった場合にのみ当該金型加工を続行し、他の条件では即座に当該金型加工を停止するといった運用方法を採用したり、あるいは前記２つの判定結果において明らかな異常もしくは正常ではなく、グレーな判定結果の場合には、現在の金型加工を数回続行して加工状態を監視するなどの運用を選択できるなどの運用形態を切り替えることができるので、ワークの品質管理レベルと生産スケジュールとの全体調整が可能となる。

また、本願第５の発明では、上記第３の発明において、前記判定手段の第１次異常判定は前記信号入力手段からの時間波形のピーク値の探知に基づきライン切出しの閾値を設定することを特徴とする。
このような第５の発明によれば、当該信号の時間波形の特徴として、前記金型加工初期からのワークの塑性加工に対応して比較的安定した信号形態をライン長という時間の長さとして抽出する方策として、当該金型加工の後半に現れるピーク値を自動検出し、それを基点として閾値を設定することにより、前記ライン長という特徴抽出が可能となる。

本発明によれば、コンピュータを使用して金型加工時のワークの成形状態を監視し、その監視結果に応じて当該金型装置を制御する方法および装置において、製品であるワークの表面には現れない微小な欠陥であるネッキングもしくは小さな亀裂を確実に検知でき、さらに当該金型加工の運用形態に応じた金型加工装置の制御を実現できるので、従来では不可能であった精度の高いワークの成形状態監視が可能になるだけでなく、金型加工による当該製品の品質管理と生産スケジュールを最適に調整できる。

添付図面を参照しつつ、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
＝＝＝全体構成＝＝＝
図１は、本発明の全体システムの構成を示す。
金型１は、上部と下部から成り、これらの間にワーク材料がセットされ、上下の金型がお互いに押し付けられて加工成形が行われる。また、金型１には金型を駆動する金型駆動用モータ７と当該駆動用モータの駆動に応じた金型の位置もしくは移動距離を知るためのエンコーダ信号が駆動用モータのエンコーダ８から出力されるようになっている。本発明では下部の金型に信号入力手段であるＡＥセンサー１を取り付ける。当該ＡＥセンサー用の電源は、カプラ３から供給され、ＡＥセンサー１からの電気信号は、当該カプラ３へ出力される。このカプラ３にはゲイン調整、フィルタ機能等が備えられている。当該カプラ３からの出力信号は、Ａ／Ｄ変換器４にてアナログの電気信号がデジタル信号に変換された後、判定装置５に入力される。当該判定装置５では、後ほど詳述する信号処理や判定アルゴリズムが実行され、当該金型加工の結果、ワークが正常に加工成形されたか否かを判定する。当該判定装置５での判定結果は、金型加工制御装置９に送られ、そこでは当該判定結果および運用条件設定器１０から設定された当該金型加工によるワーク生産の品質管理レベルや生産スケジュール等の条件を勘案した後、後続の金型加工の運用を判断した結果を当該金型１の駆動用モータに制御信号として送る。そして、当該判定装置５にて判定した判定結果および当該金型加工制御装置９での制御結果は、結果提示手段である結果提示装置６に送られモニタ等に表示されるとともに、必要に応じて警報を発する。

＝＝＝信号処理と判定アルゴリズム＝＝＝
次に、本発明による判定装置５における信号処理および判定アルゴリズムについて、図２に沿って詳細に説明する。まず、金型の動作信号２１を受けて、本判定装置５は、信号波形の取込み２２を行う。当該信号波形２２のピーク値（最大値）を自動にて探索２３し、その大きさＰｐを得る。その後、高周波ノイズを除去するためにエンベロープ処理２４を行った後、ライン切出し２６を行う。この際、当該ライン切出し２６の閾値として、外部パラメータである切出しレベル係数αを用いて α＊Ｐｐにて閾値を設定する２５。このライン切出し２６によりライン長ｍ、ライン数ｎを計測する２７。
このライン切出しについて図３に詳しく示す。判定装置に入力された時間波形全体を探索することによって、そのピーク値Ｐｐが求まる。そのピーク値Ｐｐに対して、１より小さい実数値αを、外部から予め設定しておき、ピーク値Ｐｐにこの係数αを乗じた値をライン長ｍやライン個数ｎの計測のための閾値とする。このライン長ｍは、当該金型加工の初期におけるワークの塑性に対応した時間帯を表す特性値である。次に、ライン個数ｎは、当該金型加工の後半におけるワークの突発的塑性に対応した時間帯での衝撃回数を表す特性値である。なお、これらの特性値であるライン長ｍ、ライン個数ｎを決定するための閾値は、それぞれＬｍａｘ、Ｌｍｉｎとして、予め外部から設定するもので、当該金型の型式、加工程度、あるいはワークの材料等によって決定する。

さて、図２の本発明の判定アルゴリズムに戻って第１次異常判定以降を説明する。この第１次異常判定は、上記したライン長ｍ、ライン個数ｎを用いて判定する。その判定する際の判定図を図８に示す。まず、ライン長ｍが、無し、つまり、０である場合には、ライン個数ｎの値には無関係に、ワークに大きな亀裂が発生しているものと判定する。その理由は、図７に大きな亀裂が発生する場合のＡＥセンサーからの時間波形を示しているが、本図から分かるように金型加工の初期に連続したワークの塑性に対応した時間波形が現れることなく、つまり、この初期の加工成形において材料に無理のない塑性を加えることなく、当該加工の後半に急激な塑性加工を行ったために、ワークに大きな亀裂が発生し、このことがＡＥセンサーが複数の突発的な信号を検知することに対応していることを発見した。
次に、ライン長ｍが、ライン長パラメータＬｍａｘより長い場合には、まず大きな亀裂は発生していないと判定し、正常な加工か、ネッキングか、小さな亀裂であるかの判定を行う。その判定は、図８に示すようにライン個数ｎによって判定を行い、ｎ＝１；不明、ｎ＝２もしくは３；正常、ｎ＝４〜６；ネッキング、ｎ≧７；小さな亀裂であると判定するものである。これらの理由は、図４の正常加工時のＡＥセンサーからの時間波形、図５のネッキング発生時のＡＥセンサーからの時間波形、図６の小さな亀裂発生時のＡＥセンサーからの時間波形を観察することによって判断ができる。つまり、正常時には２〜３個の突発性信号が存在する、ネッキング発生の時には４〜６個の突発性信号が発生する、そして小さな亀裂が発生するときには、７個以上の突発性信号が発生することを発見したことにある。また、ライン個数ｎが、１個の場合にはこれらの判定が明確ではなく、したがって不明との判定を下すこととし、次の第２次異常判定への処理にて判定を実施するものである。なお、図８に示す、これらのライン個数ｎの判定の閾値については、金型の型式、加工程度、ワークの材料などの条件によって適宜設定するものとする。
この第１次異常判定の結果が異常と判定されれば、その結果を加工制御装置１１に送る。正常もしくは不明と判定されれば、第２次異常判定を行う。

この第２次異常判定は、図９に示すようにＡＥセンサーからの時間波形において、当該金型加工の後半の加工成形時に由来する突発性波形部分を解析の対象に選定する。その理由は、前記第１次異常判定において正常もしくは不明と判定された、明らかな異常でない場合には、実際にネッキングもしくは亀裂が発生するのは、上記した加工成形の後半で起こることにあるからである。なお、この突発性波形部分の切出しについては、当該時間波形の中の最大値探索にて求めたピーク値Ｐｐを基本とした、第１次異常判定のおけるライン個数ｎに対応する部分を全て包含するように切出すことによって自動的に選定することができる。
この時間波形を解析対象として第２次異常判定を行うが、その手法については、「対象設備を診断する方法、コンピュータプログラム、および対象設備を診断するための装置」として既特許登録している登録番号特許第０３３８２２４０号に記載のワンショット法と称する手法を適用するもので、ここでは省略する。
そして、当該第２次異常判定の結果、正常もしくは異常の結果を前記加工制御装置１１に送る。
図１０に、本第２次異常判定によってネッキングの発生を検出した解析例を示す。
図中の白丸が正常時の特徴量を示し、黒丸が判定時の特徴量を示す。なお横軸は第１特徴量を、縦軸は第２特徴量を示す。正常時と判定時との２つの特徴量の分布が求まり、それらの分布間の乖離度合いに基づき異常判定を行う。具体的には、以下に示す

数１

で定義したＤ．Ｉ値（Ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｏｎ Ｉｎｄｅｘの略称）の大きさで判定を行うものである。

ここで μ_１，μ_２：集団１と２の各々の平均値
σ_１，σ_２：集団１と２の各々の標準偏差
これらの集団とは、正常時と判定時での各特徴量の集団を指す。
図１１には、この第２次異常判定によって、図４の正常時の波形を基準とし、図５のネッキング発生時の波形と、図６の小さな亀裂発生時の波形とを判定した場合の、上記したＤ．Ｉ値を縦軸にとって示したものである。
この図１１から正常な加工に比較して、微小なネッキングおよび小さな亀裂発生時ではＤ．Ｉ値が大きくなっており、十分な識別性能であることが検証できている。

＝＝＝金型加工制御装置からの制御指令＝＝＝
図１の全体システム構成に示すように、上記した判定装置５からの判定結果は、金型加工制御装置９に送られる。当該金型加工制御装置９では、本判定結果に加えて、外部の運用条件設定器１３より予め入力設定された運用条件を勘案して、複数の運用方式の切替機能を有しており、当該金型駆動用モータ７に対する総合的な制御信号を出力する。前記判定装置５からの判定結果を基に当該金型加工制御装置９内での具体的な処置の流れを図１２に示す。この図１２に沿って全体の処置の流れを説明する。前記判定装置５における第１次異常判定の結果が異常となった場合、その異常の程度が重度異常（例えば、大小の亀裂）の時には当該金型加工を停止する制御指令を金型駆動用モータ１２へ発する。当該第１次異常判定の結果が正常もしくは不明となった時には、第２次異常判定を行い、その結果が正常であれば現状での金型加工を続行することとし、その指令を金型駆動用モータ１２へ発する。次に、第１次異常判定の結果が軽度異常（例えば、ネッキング）のとき、あるいは第２次異常判定の結果が異常となったときは、以下に説明する複数の運用方式の切替に基づく金型加工の運用を行うように、金型駆動用モータ１２へ指令を発する。
本発明の実施形態では、４つの種類（Ａ方式〜Ｄ方式）の運用形態を適用した。
Ａ方式：当該金型加工において、品質管理を最優先とする場合、つまり１枚の加工製品でも加工不良の恐れが若干でもある場合には、即座に当該金型加工の自動運用を停止する。
Ｂ方式：上記Ａ方式と比較して、品質管理上、幾分かの軽度の加工不良の恐れがあっても、引き続きＮ回は当該金型加工を続行することが許される場合には、このＮ回の加工続行によりさらに加工成形の状態監視を行い、経過を観察する。この加工続行の回数Ｎは、外部の運用条件設定器１３から入力設定できる。
Ｃ方式：当該判定結果による軽度の加工不良の恐れがあった場合、予め当該加工不良の原因もしくは要因が推測でき、さらにその対応策としての金型加工に関する加工条件の調整法として、当該金型駆動用モータの制御方法が分かっている場合には、その予め決められた制御指令を当該金型駆動用モータ１２へ発する。当該制御指令等は運用条件設定器１３から入力できる。
Ｄ方式：手動操作に切り替える。この場合には、以降の金型加工の運用については熟練の加工員の判断に任せるものとし、金型駆動用モータ１２の運転は手動運転とする指令を発する。
上記した運用方式の選定は、運用条件設定器１３からの入力を受けて行う。
また、上記した４種類の運用方式を切り替えることにより、さまざまなワークの生産において、品質管理と生産スケジュールとを考慮した最適な金型加工を実現することができる。なお、上記した４種類の運用形態は、当該金型加工の運用に応じて増減してもよい。

上記した判定装置５からの判定結果および金型加工制御装置９による制御結果は、結果提示装置６のモニタ等へ表示されると同時に必要に応じて警報を発する。

本発明の一実施例に係る全体システム構成図 本発明の金型加工の判定アルゴリズム 本発明の判定アルゴリズムにおけるライン長、ライン個数の考え方 正常加工時のＡＥセンサーからの時間波形 ネッキング発生時のＡＥセンサーからの時間波形 小さな亀裂発生時のＡＥセンサーからの時間波形 大きな亀裂発生時のＡＥセンサーからの時間波形 第１次異常判定における判定図 第２次異常判定のための波形切出し 第２次異常判定の結果 第２次異常判定の識別結果 金型加工制御装置における全体処理の流れ

符号の説明

１・・・金型
２・・・ＡＥセンサー
３・・・カプラ
４・・・Ａ／Ｄ変換器
５・・・判定装置
６・・・結果提示装置
７・・・金型駆動用モータ
８・・・金型駆動用モータのエンコーダ
９・・・金型加工制御装置
１０・・運用条件設定器

Claims (10)

1. コンピュータを使用して金型加工時の成形状態を監視する装置の構成として、前記金型加工時の形成に由来する信号を検知するセンサー及び当該センサーの出力を取出す信号入力手段と、前記信号入力手段により入力された信号をデジタル信号に変換する信号変換手段と、前記信号変換手段により出力されたデジタル信号を処理し、前記金型加工時の成型状態の良否を判定する判定手段と、前記判定結果を提示する結果提示手段と、を備える金型加工の監視制御方法において、
   前記信号入力手段は、当該金型駆動装置の動作信号を受けて起動し、前記信号変換手段を経て、前記判定手段の判定結果および運用条件設定に基づき当該金型の駆動を制御する加工制御手段を有し、前記判定結果および前記加工制御結果を提示することを特徴とする金型加工の監視方法。
2. 請求項１において、前記信号入力手段のセンサーがＡＥ（Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）センサーであることを特徴とする金型加工の監視方法。
3. 請求項１において、前記判定手段は、時間波形信号をある閾値の大きさで切出して得られたラインの長さおよび個数に基づく第１次異常判定と周波数分布の時間変化の特徴量に基づく第２次異常判定の２段階の判定を行うことを特徴とする金型加工の監視方法。
4. 請求項１において、前記加工制御手段は、前記判定手段からの出力および運用条件設定器からの入力に基づき、金型加工の複数の運用形態を切り替えることを特徴とする金型加工の監視方法。
5. 請求項３において、前記判定手段の第１次異常判定は前記信号入力手段からの時間波形のピーク値の探知に基づきライン切出しの閾値を設定することを特徴とする金型加工の監視方法。
6. コンピュータを使用して金型加工時の成形状態を監視する装置の構成として、前記金型加工時の形成に由来する信号を検知するセンサー及び当該センサーの出力を取出す信号入力手段と、前記信号入力手段により入力された信号をデジタル信号に変換する信号変換手段と、前記信号変換手段により出力されたデジタル信号を処理し、前記金型加工時の成型状態の良否を判定する判定手段と、前記判定結果を提示する結果提示手段と、を備える金型加工の監視装置において、
   前記信号入力手段は、当該金型駆動装置の動作信号を受けて起動し、前記信号変換手段を経て、前記判定手段の判定結果および運用条件設定に基づき当該金型の駆動を制御する加工制御手段を有し、前記判定結果および前記加工制御結果を提示することを特徴とする金型加工の監視装置。
7. 請求項６において、前記信号入力手段のセンサーがＡＥ（Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）センサーであることを特徴とする金型加工の監視装置。
8. 請求項６において、前記判定手段は、時間波形信号をある閾値の大きさで切出して得られたラインの長さおよび個数に基づく第１次異常判定と周波数分布の時間変化の特徴量に基づく第２次異常判定の２段階の判定を行うことを特徴とする金型加工の監視装置。
9. 請求項６において、前記加工制御手段は、前記判定手段からの出力および運用条件設定器に基づき、金型加工の複数の運用形態を切り替えることを特徴とする金型加工の監視装置。
10. 請求項８において、前記判定手段の第１次異常判定は前記信号入力手段からの時間波形のピーク値の探知に基づきライン切出しの閾値を設定することを特徴とする金型加工の監視装置。

Images