JP2016078044A - Processing state determination device and processor - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、加工機の加工状態を判定する技術に関するものである。 The present invention relates to a technique for determining a processing state of a processing machine.
発射体を加工対象(被加工材)に投射することで加工を行う非接触型の加工機(非接触加工機)、例えば、レーザ加工機やウォータージェット加工機は、加工機自身が被加工材に直接接触しないため、切削や切断に伴う被加工材の歪みなどを回避できると言う利点がある。
しかし、その反面、被加工材と加工機が直接接触しないため、加工中の被加工材や加工機自体がどのような状態になっているかを検出することができない。このため、加工作業が終了したか否かの判定は、予め予測した加工作業にかかる時間を十分長く取るほかなく、効率が悪い問題点がある。
A non-contact type processing machine (non-contact processing machine) that performs processing by projecting a projectile onto a processing target (processing material), for example, a laser processing machine or a water jet processing machine, the processing machine itself is the processing material. Therefore, there is an advantage that distortion of the workpiece due to cutting or cutting can be avoided.
However, on the other hand, since the workpiece and the processing machine are not in direct contact, it is impossible to detect the state of the workpiece being processed or the processing machine itself. For this reason, the determination of whether or not the machining operation has been completed has a problem that the time required for the machining operation predicted in advance must be sufficiently long and the efficiency is poor.
例えばレーザ加工機にはピアス加工と呼ばれる工程が存在し、この工程に掛かる時間を短縮し加工効率を改善することが課題のひとつになっている。ピアス加工は、被加工材にレーザを集中的に照射し穴を開ける工程である。
本来、レーザ照射を実施する時間は、被加工材を貫通するまでの間だけで十分だが、レーザが貫通したことを検出する手段が確立されていないため、多くの場合は十分長い一定の時間レーザを照射し続けることで対応している。
For example, a laser processing machine has a process called piercing, and one of the problems is to reduce the time required for this process and improve the processing efficiency. Piercing is a process in which a workpiece is irradiated with a laser intensively to form a hole.
Originally, the laser irradiation time is sufficient until it penetrates the workpiece. However, since there is no established means for detecting that the laser has penetrated, in many cases the laser is long enough. We cope by continuing to irradiate.
この照射時間は、安全性を考慮して貫通に要する平均的な時間の倍程度の長さに設定されることが一般的であり、貫通に時間が掛かる厚い材料ほど、無駄な時間が多くなる。
このような問題に対応するため、光センサやマイク(集音器)など、被加工材と直接接触せずにセンシング可能なセンサを用い、非接触加工機においても被加工材の状態を検出できるようにする加工状態判定装置がこれまで種々開示されている。
This irradiation time is generally set to a length approximately twice the average time required for penetration in consideration of safety, and the thicker material that takes time for penetration, the more time is wasted. .
In order to deal with such problems, it is possible to detect the state of the workpiece even in a non-contact processing machine using a sensor capable of sensing without directly contacting the workpiece, such as an optical sensor or a microphone (sound collector). Various processing state determination devices have been disclosed so far.
例えば、特許文献1では前述したピアス加工に要する時間を短縮するため、レーザ加工機にマイクを取り付け、その観測信号に基づきピアス加工の貫通を判定し加工効率を改善する技術が開示されている。
また、特許文献2においてもマイク等を用いて被加工材の加工状態を検出する技術が開示されている。
For example, Patent Document 1 discloses a technique for improving the processing efficiency by attaching a microphone to a laser processing machine, determining penetration of piercing processing based on the observation signal, and reducing the time required for the piercing processing described above.
従来の加工状態判定装置は、単一のマイクのみを用いて観測信号を音色情報として収集し、どの加工状態における音に近いかを判定している。このため、高精度な加工状態の判定ができないという問題があった。 A conventional machining state determination device collects observation signals as timbre information using only a single microphone, and determines in which machining state the sound is close. For this reason, there was a problem that the machining state could not be determined with high accuracy.
本発明の加工状態判定装置は、被加工材に対し、加工機が加工を施すための発射体を投射する際の加工音を観測し、観測信号として出力する集音器を複数有する集音器群と、前記集音器群が出力する複数の観測信号を入力とし、前記複数の観測信号を空間的な特徴を用いた特徴量に変換して出力する特徴抽出器と、前記特徴量を入力とし、前記加工機の加工状態を判定する加工状態判定部とを備える。 The processing state determination apparatus of the present invention observes a processing sound when projecting a projectile for a processing machine to perform processing on a workpiece, and has a plurality of sound collectors that output as an observation signal A group, a plurality of observation signals output from the sound collector group as inputs, a feature extractor that converts the plurality of observation signals into feature amounts using spatial features, and outputs the feature amounts And a machining state determination unit that determines a machining state of the processing machine.
本発明によれば、空間情報を含む特徴量を用いることにより、加工機の加工状態を高い精度で判定することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to determine a machining state of a processing machine with high accuracy by using a feature amount including spatial information.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る全体構成を示すブロック図である。なお、本実施の形態1では、加工状態判定装置1が、被加工材2に対する加工機3の加工状態を判定するものとする。
本実施の形態における加工状態判定装置1は、マイク群10、特徴抽出部20、加工状態判定部30で構成される。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a block diagram showing an overall configuration according to Embodiment 1 of the present invention. In the first embodiment, the processing state determination device 1 determines the processing state of the
The processing state determination apparatus 1 in the present embodiment is configured by a
本実施の形態では、図1における加工機3の具体例としてレーザ加工機を用いて説明を行うが、ほかの加工機、例えばウォータージェット加工機やプラズマ加工機であってもよい。
なお、レーザ加工機による材料加工には種々の工程が含まれるが、ここでは前述のピアス加工に注目して、ピアス加工における加工状態として「ピアス貫通」状態と「ピアス未貫通」状態を扱い、加工機3の加工音から現在の加工状態がどちらの状態であるかを判定する場合について述べる。
ただし、本発明の適用対象は、上述の加工機や加工工程に限定されるものではない。
In the present embodiment, a laser processing machine will be described as a specific example of the
In addition, although various processes are included in the material processing by the laser processing machine, paying attention to the above-described piercing processing, the processing state in the piercing processing is treated as a “pierce through” state and a “pierce non-pierce” state, A case will be described in which the current machining state is determined from the machining sound of the
However, the application target of the present invention is not limited to the above-described processing machine and processing steps.
マイク群10は、少なくとも2個以上のマイク(集音器)で構成される。図1では、マイクがm個(10a〜10m)の場合の例を示している。マイク10a〜10mは、加工機2の加工音を観測し、観測信号を特徴抽出部20に出力する。マイクが観測する加工音は、可聴音だけではなく、超音波などの非可聴音でもよい。
The
図2は、本実施の形態1の加工状態判定装置1におけるマイク配置の一例である。
図2では、被加工材2の周囲に、被加工材2を隔てて2個のマイクを配置する場合を示している。レーザ加工機によってレーザが照射される面(以下、照射面と呼ぶ)の側に配置されたマイクを10a、照射面の裏面側に配置されたマイクを10bとする。
FIG. 2 is an example of microphone arrangement in the machining state determination apparatus 1 according to the first embodiment.
FIG. 2 shows a case where two microphones are arranged around the
これらのマイク10aとマイク10bは、加工機3の加工音を観測し、その観測信号を図1における特徴抽出部20に出力する。
図3および図4は、図2のマイク配置におけるピアス加工中の加工音の音波伝搬を模式化したものである。
These
3 and 4 schematically show the sound wave propagation of the processing sound during the piercing processing in the microphone arrangement of FIG.
図3は、加工機3のレーザが被加工材2を貫通していない「ピアス未貫通」状態を示している。
図3では、レーザの照射点から発生する加工音が被加工材2により遮断される。そのため、照射面側とその裏面側の空間を比較すると、照射面側の空間において、より大きな加工音が観測される。
FIG. 3 shows a “pierce not penetrated” state in which the laser of the
In FIG. 3, the processing sound generated from the laser irradiation point is blocked by the
図4は、加工機3のレーザが被加工材2を貫通した「ピアス貫通」状態を示している。
図4では、レーザが被加工材2を貫通しており、レーザが貫通した穴から加工音が漏洩するため、照射面側と裏面側の音圧差は、図3で示した未貫通の状態の場合と比較して、小さくなる。
このように、図2のようにマイク10a及び10bを配置することで、被加工材2の照射面側と裏面側の音圧差の大小を検出することが可能になる。
FIG. 4 shows a “piercing penetration” state in which the laser of the
In FIG. 4, since the laser penetrates the
As described above, by arranging the
本実施の形態では、マイク10a及びマイク10bのみを配置する例について説明したが、このほかにもマイクを配置してもよい。
以上のように、マイク群10で観測された加工機3の加工音は、観測信号として特徴抽出部20に出力される。
In the present embodiment, the example in which only the
As described above, the processing sound of the
特徴抽出部20は、特徴抽出器200と、特徴抽出器群210で構成される。
特徴抽出器200は、前記マイク群10から出力される観測信号を少なくとも2個以上入力として受け取り、空間情報を用いた特徴量に変換して加工状態判定部30へ出力する。
なお、本実施の形態では、特徴抽出器200がマイク10aとマイク10bの観測信号を入力として受け取り、空間情報を用いた特徴量に変換し、加工状態判定部30へ出力する場合の例を示している。
The
The
In the present embodiment, an example is shown in which the
特徴抽出器200が出力する空間情報を用いた特徴量は、照射面側と裏面側の音圧の比を表すものである。
そのため、この特徴量は、レーザが被加工材2を貫通した状態では前述のように照射面側と裏面側の音圧差が小さいため、1に近い値となる。
また、この特徴量は、未貫通の状態では音圧差が大きいため、1から離れた値になる。 つまり、マイク10aおよびマイク10bから出力される観測信号の大きさの比は、ピアス貫通状態とピアス未貫通状態で異なる値となるため、加工状態の判定において有益な特徴量となる。
The feature amount using the spatial information output by the
For this reason, this characteristic amount is close to 1 because the difference in sound pressure between the irradiation surface side and the back surface side is small as described above in a state where the laser penetrates the
Further, this feature value is a value away from 1 because the sound pressure difference is large in the unpenetrated state. That is, the ratio of the magnitudes of the observation signals output from the
特徴抽出器群210は、任意の数の特徴抽出器で構成される。
図1では、特徴抽出器群210内の特徴抽出器がn個(210a〜210n)の場合の例を示している。
特徴抽出器210a〜210nは、前記マイク群10から出力される観測信号を1個以上入力として受け取り、特徴量に変換して加工状態判定部30へ出力する。
特徴抽出器群210内の特徴抽出器210a〜210nが観測信号から変換する特徴量は、特徴抽出器200の場合に説明した空間情報である必要はなく、音色情報を用いても良い。
なお、マイクの総数と特徴抽出器の総数は異なる値であっても同じ値であっても良い。
The
FIG. 1 shows an example in which the number of feature extractors in the
The
The feature quantity converted from the observation signal by the
The total number of microphones and the total number of feature extractors may be different values or the same value.
加工状態判定部30は、特徴抽出部20から出力される特徴量に基づいて、加工機の加工状態を判定し、加工機3へ出力する。
The processing
加工状態判定部30は、特徴抽出部20から出力された特徴量に基づき、加工状態を判定する。
具体的には、特徴抽出部20から出力された特徴量からなる多次元ベクトルを識別し、加工機3の加工状態を判定する。
多次元ベクトルの識別には、例えばニューラルネットワークやサポートベクターマシンなどを用いることができる。
The processing
Specifically, a multidimensional vector composed of feature amounts output from the
For identification of a multidimensional vector, for example, a neural network or a support vector machine can be used.
加工機3は、加工状態判定部30から出力された加工状態に基づき動作する。
加工機3は、ピアス加工中、加工状態判定部30から出力された加工状態が「ピアス未貫通」状態である間は、ピアス加工を続行し、加工状態判定部30から出力された加工状態が「ピアス貫通状態」であった場合には、ピアス加工を終了し、次の工程に移行する。
The
During the piercing process, the
また、レーザ加工機の加工ヘッドは、加工中時々刻々と位置が変化するため、マイクの位置が固定されている場合、観測信号の信号レベルは加工ヘッドの位置に応じて変化してしまう。
しかし、本実施の形態で説明した図2のようなマイク配置の場合、加工ヘッドの位置が変化したとき、各マイクにおいて同じ比率で信号レベルが上下することが期待できる。
したがって、特徴抽出器200が2個以上の入力信号の大きさの比に基づき特徴量を出力することにより、加工ヘッドの移動に伴う信号レベルの変化量は、相殺されるため、加工音の発生地点の変化による影響を減らすことができ、加工機3に対する加工状態判定の頑健性が向上する。
Further, since the position of the processing head of the laser processing machine changes every moment during processing, the signal level of the observation signal changes according to the position of the processing head when the position of the microphone is fixed.
However, in the case of the microphone arrangement as shown in FIG. 2 described in the present embodiment, it can be expected that the signal level increases and decreases at the same ratio in each microphone when the position of the machining head changes.
Therefore, since the
なお、特徴抽出部20や加工状態判定部30は、例えばパーソナルコンピュータやマイコン上のソフトウェアとして実現することができる。
The
本実施の形態によれば、少なくとも2個以上のマイクで構成されるマイク群10の観測信号に基づき、特徴抽出器200が空間情報を含む特徴量を抽出して、それらの特徴量に基づき加工状態判定部30が加工機3の加工状態を判定することにより、音色情報のみに基づく方法と比較してより高精度な加工状態の判定が可能になる。
According to the present embodiment, the
また、マイク群10を構成する少なくとも2個以上のマイクを、被加工材2を隔てて配置することにより、被加工材2により隔てられた複数の空間が被加工材2に貫通した穴を通じて繋がっているかどうかを音波の伝搬のしやすさに基づいて検出することができ、これにより加工機3が被加工材2に穴を開ける等の加工工程が完了しているかどうかを高精度に検知することが可能になる。
Further, by arranging at least two or more microphones constituting the
加工状態判定部30が特徴抽出部20から出力された複数の特徴量からなる多次元ベクトルに基づき加工状態を判定することで、音色情報や空間情報等を統合的に加工状態の判定に利用することができ、高精度な判定が可能になる。
以上、本実施の形態では、図1における加工機3の具体例としてレーザ加工機を用いて説明を行ったが、ほかの加工機、例えばウォータージェット加工機やプラズマ加工機であってもよい。
The processing
As described above, in the present embodiment, the laser processing machine has been described as a specific example of the
実施の形態2.
実施の形態1では、特徴抽出器200が、マイク群10から出力される少なくとも2個以上の観測信号の大きさの比を、空間情報を用いた特徴量として、加工状態判定部30へ出力する場合について説明した。
本実施の形態2では、特徴抽出器200が、マイク群10から出力される少なくとも2個以上の観測信号の大きさの差を、空間情報を用いた特徴量として、出力する場合について説明する。
In the first embodiment, the
In the second embodiment, a case will be described in which the
本実施の形態では、実施の形態1と同様、図2のように被加工材2を隔てて2個のマイク(マイク10a、マイク10b)を配置し、ピアス加工の加工状態を判定する場合を具体例として説明する。
レーザが被加工材2を貫通した状態では、前述のように照射面側と裏面側の音圧差が小さいため、マイク10aと、マイク10bの観測信号の大きさの差は0に近い値となることが期待できる。
一方、未貫通の状態では音圧差が大きいため、0から離れた値になることが期待できる。
つまり、マイク10aと、マイク10bの観測信号の大きさの差は、ピアス貫通状態とピアス未貫通状態で異なる値となるため、加工状態の判定において有益な特徴量となる。
In the present embodiment, as in the first embodiment, a case where two microphones (
In the state in which the laser penetrates the
On the other hand, since the sound pressure difference is large in the non-penetrated state, it can be expected that the value is away from zero.
That is, the difference in the magnitude of the observation signal between the
本実施の形態2において、加工機3や加工状態判定装置1の外部から到来する騒音が観測信号に混入するような場合、マイク10aと、マイク10bで観測される騒音は、ほぼ同じ音圧レベルになることが期待できる。
したがって、特徴抽出器200がマイク10aと、マイク10bの観測信号の大きさの差を計算することにより、外部から到来する騒音の影響が相殺された特徴量が出力されるため、加工状態判定の雑音に対する頑健性が向上する。
In the second embodiment, when noise coming from outside the
Therefore, the
実施の形態3.
実施の形態1及び実施の形態2では、特徴抽出器200が、マイク群10から出力される少なくとも2個以上の観測信号の大きさの比及び差を、空間情報を用いた特徴量として、加工状態判定部30へ出力する場合について説明した。
本実施の形態3では、特徴抽出器200が、マイク群10から出力される少なくとも2個以上の観測信号の相関を特徴量として出力する場合について説明する。
相関は、複数の信号が互いにどの程度の関連性を持っているかを表す量である。例えば、ふたつの信号のフーリエ変換から得られる周波数スペクトルX(ω)、Y(ω)を用いて、次式のように相関の度合いを計算することができる。
ただし、ωは周波数、Z(ω)はY(ω)の複素共役、E[・]は期待値を表す。このとき、C(ω)はコヒーレンス関数と呼ばれ、ふたつの信号の関連性が高いときは1、低いときは0に近い値となる。
In the first embodiment and the second embodiment, the
In the third embodiment, a case will be described in which the
The correlation is a quantity representing how much a plurality of signals are related to each other. For example, using the frequency spectra X (ω) and Y (ω) obtained from the Fourier transform of two signals, the degree of correlation can be calculated as in the following equation.
However, ω represents a frequency, Z (ω) represents a complex conjugate of Y (ω), and E [•] represents an expected value. At this time, C (ω) is called a coherence function, and is a value close to 1 when the relevance of the two signals is high, and close to 0 when the relevance is low.
実施の形態1及び実施の形態2では、加工機3が被加工材2に対し、加工作業を行った結果、被加工材2に開けられた穴の有無による音波伝搬の差異を利用して加工状態を判定するものだが、気流の差異を利用することも可能である。
本実施の形態3では、実施の形態1と同様、図2のように被加工材2を隔てて2個のマイク(マイク10a及びマイクb)を配置し、ピアス加工の加工状態を判定する場合を具体例として説明する。
In the first embodiment and the second embodiment, as a result of the
In the third embodiment, as in the first embodiment, two microphones (
レーザ加工機は、加工を行っている間は常時アシストガスと呼ばれる気体をレーザの照射点に吹き付けている。
アシストガスには、溶融した被加工材2の切屑を吹き飛ばしたり、酸化燃焼反応を促進したりするなどの効果がある。
レーザ加工機の加工中におけるアシストガスの流れを模式化したものを図5及び図6に示す。
A laser processing machine constantly blows a gas called assist gas to a laser irradiation point while processing.
The assist gas has effects such as blowing away chips of the melted
FIG. 5 and FIG. 6 schematically show the flow of the assist gas during the processing of the laser processing machine.
なお、実施の形態1で説明した、レーザの照射点から発生する加工音の音波伝搬の場合と同様、ピアス未貫通状態では、加工ヘッドから放出されるアシストガスが被加工材により遮断されるため、裏面側の空間にアシストガスは流入しない。
このとき、マイク10aの観測信号とマイク10bの観測信号の相関は低くなることが期待できる。
As in the case of the sound wave propagation of the processing sound generated from the laser irradiation point described in the first embodiment, the assist gas released from the processing head is blocked by the workpiece in the non-piercing state. The assist gas does not flow into the space on the back side.
At this time, the correlation between the observation signal of the
一方、ピアス貫通状態では被加工材の穴からアシストガスが裏面側の空間に流入するようになり、マイク10aとマイク10bの観測信号の相関が未貫通状態と比較して高くなることが期待できる。
つまり、マイク10aとマイク10bの観測信号の相関は、ピアス貫通状態とピアス未貫通状態で異なる値となるため、加工状態の判定において有益な特徴量となる。
On the other hand, in the piercing through state, the assist gas flows into the space on the back side from the hole of the workpiece, and it can be expected that the correlation between the observation signals of the
That is, since the correlation between the observation signals of the
観測信号の相関はマイクやアンプ、AD変換器等のセッティングや個体差の影響を回避して計算することができる。そのため、マイクやアンプ、AD変換器等の補正に掛かる作業コストを削減することができる。 The correlation of the observation signal can be calculated while avoiding the influence of the setting of the microphone, the amplifier, the AD converter, and the individual difference. Therefore, it is possible to reduce the work cost required for correcting the microphone, the amplifier, the AD converter, and the like.
1 加工状態判定装置、2 被加工材、3 加工機、10 マイク群、10a〜10m マイク、20 特徴抽出部、30 加工状態判定部、200 特徴抽出器、210 特徴抽出器群、210a〜210n 特徴抽出器 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Processing state determination apparatus, 2 Work material, 3 Processing machine, 10 Microphone group, 10a-10m microphone, 20 Feature extraction part, 30 Processing state determination part, 200 Feature extractor, 210 Feature extractor group, 210a-210n Extractor
Claims (8)
前記集音器群が出力する複数の観測信号を入力とし、前記複数の観測信号を空間的な特徴を用いた特徴量に変換して出力する特徴抽出器と、
前記特徴量を入力とし、前記加工機の加工状態を判定する加工状態判定部と、
を有することを特徴とする加工状態判定装置。 A sound collector group having a plurality of sound collectors for observing the processing sound when projecting a projectile for processing by the processing machine to the workpiece, and outputting as an observation signal;
A feature extractor that receives a plurality of observation signals output from the sound collector group, converts the plurality of observation signals into feature quantities using spatial features, and outputs them.
With the feature quantity as an input, a machining state determination unit that determines the machining state of the processing machine,
A machining state determination apparatus characterized by comprising:
前記特徴抽出器は、前記投射側の空間に配置される集音器が出力する観測信号と、前記投射側と反対側の空間に配置される集音器が出力する観測信号と、を入力とすることを特徴とする前記請求項1に記載の加工状態判定装置。 The sound collector group includes a sound collector disposed in a projection side space on which the projectile of the workpiece is projected, and a collector disposed in a space opposite to the projection side of the workpiece. A sound device,
The feature extractor receives an observation signal output from a sound collector disposed in the projection-side space and an observation signal output from a sound collector disposed in a space opposite to the projection side. The machining state determination apparatus according to claim 1, wherein
前記加工状態判定部は、複数の前記特徴抽出器が出力する特徴量を入力とすることを特徴とする請求項1および2に記載の加工状態判定装置。 A plurality of the feature extractors;
The machining state determination apparatus according to claim 1, wherein the machining state determination unit receives feature amounts output from a plurality of the feature extractors.
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