JP2021074821A - Machine tool and display device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、工作機械および表示装置に関する。 The present invention relates to machine tools and display devices.
上記技術分野において、特許文献1には、加工によって生じる工具近辺の切粉の飛散方向や飛散範囲、飛散速度などの動的情報を用いて機械学習を行って学習モデルを構築し、学習モデルから工具の摩耗や欠損などを推定する技術が開示されている。
In the above technical field, in
しかしながら、上記文献に記載の技術では、加工時の状態判断を支援することができなかった。 However, the technique described in the above document has not been able to support the determination of the state at the time of processing.
本発明の目的は、上述の課題を解決する技術を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a technique for solving the above-mentioned problems.
上記目的を達成するため、本発明に係る工作機械は、
加工時の、前記加工のために投入されるエネルギー、振動、音、熱、光および加工時に発生する動力のうちの少なくともいずれか一つの検知値を検知する検知部と、
前記検知部で検知した前記検知値から第1特徴量と第2特徴量とを抽出する特徴量抽出部と、
前記第1特徴量に係る数値を第1軸とし前記第2特徴量に係る数値を第2軸とした平面上に、前記検知値をプロットした点と、前記加工中において異常が発生する可能性を表すために等高線状に配置された少なくとも2つの境界線と、を表示する表示部と、を備えた。
In order to achieve the above object, the machine tool according to the present invention
A detector that detects at least one of the energy, vibration, sound, heat, light, and power generated during processing during processing.
A feature amount extraction unit that extracts a first feature amount and a second feature amount from the detected value detected by the detection unit, and a feature amount extraction unit.
The point where the detected value is plotted on a plane with the numerical value related to the first feature amount as the first axis and the numerical value related to the second feature amount as the second axis, and the possibility that an abnormality may occur during the processing. It is provided with at least two boundary lines arranged in a contour line to represent, and a display unit for displaying.
上記目的を達成するため、本発明に係る表示装置は、
加工時の、前記加工のために投入されるエネルギー、振動、音、熱、光および加工時に発生する動力のうちの少なくともいずれか一つの検知値を検知する検知部を有する工作機械から検出された検知値から第1特徴量と第2特徴量とを抽出し、前記工作機械の加工の状態を表示する表示装置であって、
前記第1特徴量に係る数値を第1軸とし前記第2特徴量に係る数値を第2軸とした平面上に、前記検知値をプロットした点と、前記加工中において異常が発生する可能性を表すために等高線状に配置された少なくとも2つの境界線と、を表示する。
In order to achieve the above object, the display device according to the present invention is
Detected from a machine tool having a detection unit that detects a detection value of at least one of energy, vibration, sound, heat, light, and power generated during processing during processing. A display device that extracts the first feature amount and the second feature amount from the detected values and displays the machining status of the machine tool.
The point where the detected value is plotted on a plane with the numerical value related to the first feature amount as the first axis and the numerical value related to the second feature amount as the second axis, and the possibility that an abnormality may occur during the processing. At least two borders arranged in contour lines to represent.
本発明によれば、加工時の状態判断を支援することができる。 According to the present invention, it is possible to support the determination of the state at the time of processing.
以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して、例示的に詳しく説明記載する。ただし、以下の実施の形態に記載されている、構成、数値、処理の流れ、機能要素などは一例に過ぎず、その変形や変更は自由であって、本発明の技術範囲を以下の記載に限定する趣旨のものではない。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail, exemplarily, with reference to the drawings. However, the configuration, numerical values, processing flow, functional elements, etc. described in the following embodiments are merely examples, and modifications and changes thereof are free, and the technical scope of the present invention is described below. It is not intended to be limited.
[第1実施形態]
第1実施形態に係る工作機械100について、図1を用いて説明する。図1は、本実施形態に係る工作機械100の構成を説明するための図である。
[First Embodiment]
The
工作機械100は、検知部101、特徴量抽出部102および表示部103を備える。検知部101は、加工時の、加工のために投入されるエネルギー、振動、音、熱、光および加工時に発生する動力のうちの少なくともいずれか一つの検知値を検知する。特徴量抽出部102は、検知部101で検知した検知値から第1特徴量と第2特徴量とを抽出する。表示部103は、第1特徴量に係る数値を第1軸134とし第2特徴量に係る数値を第2軸135とした平面上に、検知値をプロットした点(図中、T1〜T16)と、加工中において異常が起こる可能性を表すために等高線状に配置された少なくとも2つの境界線132,133と、を表示する。
The
表示部103に表示された境界線132の内側に表示された点(図中、T1〜T10)は、工作機械100が正常に稼働していることを示している。また、境界線132および境界線133の間に表示された点(T11〜T14)は、正常に稼働しているが、加工に影響のない軽微な異常(折損の予兆と考えられる異常)が発生する可能性があることを示している。さらに、境界線133の外側に表示された点(T15〜T16)は、加工に影響のある異常(工具折損・欠け、加工ワークの損傷)が発生する可能性があることを示している。
The points (T1 to T10 in the figure) displayed inside the
本発明における工作機械100は、材料を付着することで加工する付加加工(Additive Manufacturing)の機械、材料を除去する除去加工(Subtractive Manufacturing)の機械、レーザなどの光を照射して加工する機械でもよい。具体的には、旋盤、ボール盤、中ぐり盤、フライス盤、歯切り盤、研削盤、多軸加工機、レーザ加工機、積層加工機等が含まれる。これらは、金属、木材、石材、樹脂等のワークに対して、旋削、切断、穿孔、研削、研磨、圧延、鍛造、折り曲げ、成形、微細加工、積層加工等の各種の加工を施すものである。これらの加工を組み合わせた複合機も含まれる。
The
本実施形態によれば、加工の状態を2次元マップとして表示するので、加工時の状態判断を支援することができる。また、加工中の状態を的確に判断することができるので、工具の折損等を未然に防ぐことができ、例えば、工具が折れることにより加工時間が長くなるといった生産性の低下を防止できる。 According to this embodiment, since the machining state is displayed as a two-dimensional map, it is possible to support the state determination at the time of machining. In addition, since the state during machining can be accurately determined, it is possible to prevent breakage of the tool and the like, and for example, it is possible to prevent a decrease in productivity such as a long machining time due to the breakage of the tool.
[第2実施形態]
次に、第2実施形態に係る工作機械200について、図2乃至図7を用いて説明する。図2は、本実施形態に係る工作機械の外観および工具保持部の概略構成を示す図である。第2実施形態の工作機械200について、複合機を用いて説明する。工作機械200は、工具保持部201を有し、工具保持部201には工具202が取り付けられる。工具202は、テーブル204に載置されたワーク203を加工する。本実施形態では、工具202の折損を予め防止することを目的とする。
[Second Embodiment]
Next, the
図3Aは、本実施形態の前提技術としての1次元グラフの一例を示す図である。図3Aには、縦軸356に工具主軸へ印加された電流値、横軸357に時間T1〜T16を設定したグラフ351が表示されている。このようなグラフを用いる場合、折損のタイミングをT16とすると、実際にはT15のタイミングが、適正なアラートのタイミングである。しかし、T15のタイミングを検出しようとすると、閾値358をあらかじめ定める必要がある。そうすると、閾値358を超えたT9のタイミングで、工具202の交換を促すことになる。このため、まだ工具を使用できるのにも関わらず、工具202を交換することになり、T9〜T15の時間分だけ、無駄が生じてしまう。つまり、工具の交換頻度が多くなるため、全体の加工時間が長くなり、加工時間あたりの工具コストが上昇する。また、図3Bに示すように、小径工具では閾値方式での判別がしにくく、工具交換のタイミングを間違えやすいという問題もあった。例えば、主軸回転をさせただけでも電流値は20A程度になり、ばらつきが大きく、φ3.3の工具を回転させて電流値を測定しても、切削中かどうかの見分けがつかなかった。つまり、単純な閾値方式では、小径工具について折損の予兆を判定することはできなかった。なお、図3Bの下段の一次元グラフは、上段の一次元グラフの部分拡大図である。
FIG. 3A is a diagram showing an example of a one-dimensional graph as a prerequisite technique of the present embodiment. In FIG. 3A, a
図3Cは、工作機械200の内部構成を示す図である。工作機械200は、検知部301、特徴量抽出部302、表示部303、補正部304、操作部305、境界データ保持部306、異常判定部308および境界データ生成部309を有する。工作機械200は、検知部301が検知した検知値に基づいて、表示部303において、工具の折損の可能性を判断するための2次元マップ331を表示する。
FIG. 3C is a diagram showing an internal configuration of the
検知部301は、加工のために工作機械200に印加されるエネルギーの一例として、工具202を回転させるために工具主軸に印加される電流値を検知し、検知値(sensed value)として出力する。検知部301は、三相交流のUVW相に設けられた電流センサと、電流センサで検知した電流値をデジタルデータに変換するADコンバータとを含む。例えば、ADコンバータにより、サンプリング周波数を2kHzとして、16bit、つまり、256点の時系列データを取得し、128msecごとの入力データとすることができる。
The
検知部301は、ADコンバータから出力されたデジタル電流値に対し、以下の変換式(1)を用いて、Q軸電流iqとD軸電流idとを算出する。
特徴量抽出部302は、周波数分解部321、正規化部322および次元圧縮部323を有する。周波数分解部321は、例えばフーリエ変換などを用いて、検知部301から受け取った検知値から周波数成分を抽出する。正規化部322は、周波数分解された後の周波数成分データを正規化する。次元圧縮部323は、正規化された周波数成分データの次元を圧縮して2次元の特徴量(第1特徴量成分と第2特徴量成分を有するデータ)を生成する。特徴量抽出部302は、所定のプログラムを実行するためのプロセッサである。
The feature
表示部303は、次元圧縮部323で抽出した2次元の特徴量データに基づいて、工具の折損の可能性を表わす2次元マップ331を表示する。2次元マップ331は、次元圧縮部323で生成される第1特徴量を第1軸332とし、第2特徴量を第2軸333とした平面を含む。その平面上に、検知値の特徴量をプロットする(T1〜T16)。さらに表示部303は、加工中に異常が発生する可能性の違いを表すために等高線状に配置された境界線(この例では3つの境界線334〜336)を画面に表示する。本実施形態で「異常」とは、工具の折損を意味する。
The
2次元マップ331は、プロットされる検知値の特徴量が、最も内側の境界線334の中心から外側に遠ざかれば遠ざかるほど異常が発生する可能性が高くなることを示している。
The two-
例えば、境界線334の内側にプロットされた検知値の特徴量(T1,T8,T9・・・)は、異常が発生する可能性が極めて低いため正常であると判断できる。つまり、ユーザが2次元マップ331を見たユーザは、境界線334の内部にのみ検知値の特徴量を表わす点が表示されていれば、安心して加工を続けることができる。
For example, the feature quantities (T1, T8, T9 ...) Of the detected values plotted inside the
検知値の特徴量を表わす点が、境界線334および境界線335の間にあれば、ユーザは異常が発生する可能性は低いが所定値以上あると判断し、注意深く加工を行なえばよい。例えば、工具202の回転数を折損の発生し難い回転数に設定し加工を継続することができる。また、ユーザは、境界線334および境界線335の間に検知値の特徴量があれば、工具202の交換などを検討し始めるべきである。
If the point representing the feature amount of the detected value is between the
例えば、2次元マップ331を参照すると、T11〜T14は境界線334の外側の点であるため、加工において異常が発生する予兆である可能性が高い。点T15は、境界線335の外側であるため、即座に工具202の交換が必要であることが分かる。このように、2次元マップ331を表示することにより、1次元グラフ351よりも正確に、工具202の交換のタイミングを判断できる。
For example, referring to the two-
また、点の軌跡を見ることにより、工作機械200に長期的に発生する異常の兆候などを容易に把握することができるので、ユーザは工作機械200の中長期的なメンテナンス計画や消耗品の調達計画を立てることができる。
In addition, by looking at the locus of points, it is possible to easily grasp signs of abnormalities that occur in the
さらに、例えば、検知値の特徴量が、境界線336の外側にプロットされていれば、即座に工具202の折損が発生する可能性が高いと考えられるため、工具202の交換を迅速に行なうべきである。
Further, for example, if the feature amount of the detected value is plotted outside the
表示部303は、検知部301が検知値を検知する度に、検知値の特徴をプロットした点を追加的に表示し、同時に正常異常の判定基準となる境界線を表示する。
Each time the
表示部303は、例えば工作機械200の一部として設けられたディスプレイでもよいし、工作機械200の外部にあるディスプレイでもよい。また、プロジェクタを用いてスクリーンに2次元マップ331を投影してもよい。この場合、表示装置は、機械加工時の検知値として検知された振動、音、光、工具202に負荷される電流、熱および動力値の少なくとも一つから抽出された特徴量に基づいて、機械加工の状態を2次元マップ331として表示する。2次元マップ331に関する情報は、表示装置側が保持していてもよい。
The
補正部304は、ユーザからの指示に従い表示部303により表示された2次元マップの補正を行う。具体的には、図3Dに示したように、補正部304は、左下側に広げる方向に、2次元マップ331の境界線336の形状の補正を行う。ユーザは、境界線334を広げることにより、正常な検知値の範囲を広くすることができる。正常、異常の判定ができるベテランユーザなどが境界線334の形状を補正することにより、その機械を使う他のユーザが、ベテランユーザの判断に準ずることができる。図3Dでは、点T12〜T14が境界線334の内部に収まるように、境界線334を広げるように補正した例を示している。
The
工作機械200の工場出荷時に取得した検知値と、工作機械200をユーザの工場などに配置した状態で取得した検知値とでは、描画される2次元マップ331の境界線334〜336に違いが生じる場合がある。すなわち、工作機械200による加工条件が常に同じになるとは限らない。
There is a difference in the
境界線334〜336は、例えば、被削材の硬さはそれぞれ異なるため、どの被削材を用いたかにより、工具の折損可能性を示す2次元マップ331の境界線334〜336の形状が異なる。工具も、ワークごとに、異なる挙動を示す。そこで、描画された2次元マップ331の境界線334〜336の形状に補正を加えることができる構成とすることにより、ユーザの使用環境に合わせた2次元マップを表示できる。
Since the hardness of the work material is different for the
なお、補正の方法は、例えば、ユーザが、マウスなどの操作部305を用いて、境界線334〜336の一部をドラッグして、境界線334〜336の形状を変更させてもよい。また、キーボードなどの操作部305を用いて、数値を入力することにより境界線334〜336の形状を変更させてもよい。また、補正後の境界線に関するデータをクラウド上に保存して、他の工作機械と共有してもよい。
As a correction method, for example, the user may change the shape of the
異常判定部308は、特徴量抽出部302が抽出した検知値の特徴に基づいて、異常であるか否かを判定する。異常判定部308は、判定結果を境界データ生成部309に渡す。
The
境界データ生成部309は、異常判定部308において、正常と判定された点と、異常と判定された点との間に境界線を生成する。
The boundary
境界データ保持部306は、表示部303に表示される2次元マップ331の境界線334〜336のデータを保持している。補正部304は、境界データ保持部306が保持する境界線334〜336のデータを変更することで、境界線334〜336の形状の補正を行う。
The boundary
(特徴量抽出処理)
ここで、図3Eを参照して、特徴量抽出部302による特徴量の抽出方法について詳細に説明する。周波数分解部(図中FFT)321は、工作機械200による加工中に検知部301が検知した電流値の周波数成分を抽出して、周波数スペクトルを生成する。周波数分解は、例えば、FFT(Fast Fourier Transform;高速フーリエ変換)により行われるが、これには限定されない。
(Feature amount extraction process)
Here, with reference to FIG. 3E, a method of extracting the feature amount by the feature
一般に任意の周期的な時系列データytは、様々な周期の三角関数の和として考えることができる。これをフーリエ級数展開と呼び、基本周期がT0[s]の観測値ytのフーリエ級数は、複素数を用いると式(2)のように表せる。
ここで、ω0は、基本角周波数であり、ω0=2πf0[rad/s]であらわされる。f0は基本周波数であり、f0=1/T0[Hz]で表わされる。 Here, ω 0 is a fundamental angular frequency and is represented by ω 0 = 2πf 0 [rad / s]. f 0 is the fundamental frequency and is represented by f 0 = 1 / T 0 [Hz].
一方、複素フーリエ係数cnは、以下の式(3)で求められる。
電流データのサンプリングタイムをd、ウインドウ長さをnとしたとき、最大周波数fmaxと周波数分解能Δfは以下の式(4)および(5)で表される。
例えば、サンプリング周波数が2kHzでウインドウ長さが256点の場合、FFT後の最大周波数fmaxは、1kHzとなり、周波数分解能Δfは、7.8125Hzとなる。つまり、256点の時系列データは、FFTすると128点のベクトルで表現することができ、このベクトルが次のオートエンコーダ(図中AE)に対する入力となる。なお、128点のベクトルは、正規化部322において、正規化され、次元圧縮部323へ送られる。
For example, when the sampling frequency is 2 kHz and the window length is 256 points, the maximum frequency f max after FFT is 1 kHz, and the frequency resolution Δf is 7.8125 Hz. That is, the 256-point time-series data can be represented by a vector of 128 points when FFT is performed, and this vector becomes an input to the next autoencoder (AE in the figure). The 128-point vector is normalized by the
次元圧縮部323は、オートエンコーダ361、PCA(Principal Component Analysis、主成分分析)362を用いて、次元圧縮を行う。オートエンコーダ361は、機械学習におけるニューラルネットワークを使用した次元圧縮のためのアルゴリズムであり、入力サンプルの次元数よりも圧倒的に少ない次元数の特徴を抽出することができるアルゴリズムである。
The
本実施形態では、主軸電流値を周波数分解部321により、複数次元のベクトル(ここでは128次元)で表現したデータに周波数分解する。そして、周波数分解された複数次元のベクトル(128次元)を次元圧縮部323の入力としている。次元圧縮部のオートエンコーダ361の中間層を低次元に設定することで、複数次元のベクトル入力を低次元に次元圧縮している。オートエンコーダ361は、一般的に、3層ニューラルネットにおいて、入力層と出力層に同じデータを用いて、入力層から中間層に圧縮した後、出力層に復元することを繰り返し、再現率の高い中間層を導き出すものである。ここでは、中間層を64次元に設定している。つまり、次元圧縮部323に入力された128次元のベクトルは、特徴をできるだけ維持したまま64次元に圧縮される。例えば、FFT後のベクトルが128次元の場合、オートエンコーダ361により64次元や10次元にすることができる。以下にオートエンコーダ361の学習と学習済みのモデルとを用いた処理について説明する。
In the present embodiment, the spindle current value is frequency-decomposed by the
(i)オートエンコーダの学習
実験番号βの主軸電流波形のFFTデータxβは、以下の式(6)のようにR次元のベクトルの集合で表わされる。
は、実験番号βのr番目の区間のベクトルを表わしており、Rは区間総数である。
(I) FFT data x beta of the spindle current waveform learning experiment numbers beta of Autoencoder is represented by a set of R-dimensional vector by the following equation (6).
Represents the vector of the r-th interval of the experiment number β, and R is the total number of intervals.
すると、エンコーダ部は、以下の式(7)で表わされる。
このように、
は、元信号
に類似したものとなる。
in this way,
Is the original signal
Will be similar to.
例えば、最適化手法にAdam(Adaptive moment estimation)を用いると、直前のステップt−1までの勾配の2乗の移動平均νt=E[g2]tと勾配の移動平均mt=E[g]tは、以下の式(9)のように表わすことができる。
β1=0.9
β2=0.999
β 1 = 0.9
β 2 = 0.999
ここで、ν0=0で初期化したとすると、以下の式(10)が得られる。
つまり、2次モーメントνtの移動平均E[νt]と真の2次モーメントE[g2 t]の関係性は、以下の式(11)で表わされる。
(ii)オートエンコーダの処理
学習したオートエンコーダのエンコーダを次元圧縮に用いる。
から次元圧縮された64次元の
が出力される。
(Ii) Autoencoder processing The learned autoencoder encoder is used for dimensional compression.
64 dimensional compressed from
Is output.
PCA(Principal Component Analysis;主成分分析)は、主成分を用いてデータをより低い次元で表現する手法である。入力の任意の次元数のデータに次元圧縮して出力することが可能である。 PCA (Principal Component Analysis) is a method of expressing data in a lower dimension using principal components. It is possible to compress the data of any number of input dimensions and output it.
(i)学習
入力のデータ行列をX、単一のデータ点を含む列ベクトルをxとする。データの分散最大化問題を定式化すると、
W=Vk
である。ここで、kは、主成分Vに含まれる相関のない変数群の個数である。よって、次元圧縮後のベクトルをZとすると、射影座標のベクトルは、
Z=XVk
と表される。
(I) Let X be the data matrix of the learning input, and x be the column vector containing a single data point. When we formulate the data distribution maximization problem,
W = V k
Is. Here, k is the number of uncorrelated variable groups included in the principal component V. Therefore, assuming that the vector after dimensional compression is Z, the vector of the projected coordinates is
Z = XV k
It is expressed as.
(ii)処理
学習により求めた主成分Vを用いて、次元圧縮を行う。例えば、オートエンコーダ処理後のベクトル次元が64次元の場合、64次元の入力X64を2次元のベクトルZ2に次元圧縮するように設定できる。
(Ii) Processing Dimension compression is performed using the principal component V obtained by learning. For example, when the vector dimension after the autoencoder processing is 64 dimensions, the 64-dimensional input X 64 can be set to be dimensionally compressed into the two-dimensional vector Z 2.
Z2=X64V2
より、64次元のX64を入力すると主成分V2により2次元ベクトルZ2が出力される。ベクトルZ2の2つのベクトル成分が第1特徴量および第2特徴量に相当する。ベクトルZ2の2つの成分を第1軸および第2軸として2次元マップへプロットする。
Z 2 = X 64 V 2
Therefore, when a 64-dimensional X 64 is input, the two-dimensional vector Z 2 is output by the principal component V 2. The two vector components of the vector Z 2 correspond to the first feature quantity and the second feature quantity. The two components of the vector Z 2 are plotted on a two-dimensional map as the first and second axes.
SVM(Support Vector Machine)363は、本来2クラス分類を目的としたパターン認識手法であり、SVM363ではマージンを最大化する最適な分離超平面を求める。ここで、マージンとは分離超平面に最も近いサンプルと分離超平面との距離である。最大化されたマージン(距離)は、f(x)で表わされる。
The SVM (Support Vector Machine) 363 is a pattern recognition method originally intended for two-class classification, and the
SVM363は、One Class SVM(One Class SVM)であり、通常のSVMを拡張したもので、正常データを非負値に、異常データを負値に写像するモデルを構築する。すなわち、One Class SVMは、大多数が正常であるようなデータの集合をもとに学習をおこない、未知のデータが正常であるのか、異常であるのかを判定する手法である。一般には正常に作られた製品や正常な状態のデータは多く入手できても、異常な製品や異常な状態のデータはあまり入手できない。そのようなケースに対してOne Class SVMを適用することが可能である。 The SVM363 is a One Class SVM (One Class SVM), which is an extension of a normal SVM, and constructs a model that maps normal data to a non-negative value and abnormal data to a negative value. That is, One Class SVM is a method of performing learning based on a set of data in which the majority is normal, and determining whether the unknown data is normal or abnormal. In general, although a lot of data on normally made products and normal conditions can be obtained, data on abnormal products and abnormal conditions cannot be obtained very much. It is possible to apply One Class SVM to such cases.
(i)学習
モデル構築用データが線型分離不可能な場合、SVMでは非線形関数を用いてモデル構築用データを高次元空間に写像し、高次元空間内で分離超平面を求める。これは、オリジナルの低次元空間において、非線形な分離境界を求めることに等しい。高次元空間へはカーネル関数Kを用いて写像される。
ここで、wは重みベクトルであり、bはバイアスである。ここで新しいサンプルxは、f(x)の符号によって識別することができる。One Class SVMにおけるモデル構築は、モデル構築用の正常データを同一クラスに、そして原点を他方のクラスとみなした場合のSVMとして定式化される。つまり、One Class SVMにおけるマージンとは、原点と原点に最も近いサンプルとの距離として定義され、そのマージン最大化問題は以下の式(19)のように定式化される。
ここでξi(i=1,・・・,N)は、スラック変数であり、ν∈(0,1)は構築したOne Class SVMモデルでモデル構築用データを識別した場合のエラー率である。ここで、Lagrange乗数αi≧0およびηi≧0を導入すると、この最適化問題は、以下の式(20)のように書き直される。
この最適化問題は標準的な2次計画問題として解くことができる。最終的にOne Class SVMモデルによって決まる距離f(x)は、以下の式(23)で表わされる。
上述したようにOne Class SVMは、超平面との距離f(x)を出力する。距離f(x)に基づいて、正常、異常を判定できる。距離f(x)は異常なデータほど負に大きな値をとり、正常なデータほど正に大きな値をとる。 As described above, the One Class SVM outputs the distance f (x) from the hyperplane. Normal or abnormal can be determined based on the distance f (x). The distance f (x) has a negatively large value for abnormal data and a positively large value for normal data.
ここで、境界データ生成部309は、距離f(x)が小さいデータ、つまり、異常なデータを外れ値とし、境界線を生成する。
Here, the boundary
例えば、学習データの中に0.2%の異常値が含まれると仮定した場合、異常判定部308は、距離f(x)の小さい順に上位0.2%を外れ値とし、正常範囲を作成することができる。
For example, assuming that the training data contains an abnormal value of 0.2%, the
(ii)処理
学習させたOne Class SVMにPCAで次元圧縮したデータを入力することで、上記の式(23)より、出力f(x)が得られる。
(Ii) Processing By inputting the dimensionally compressed data by PCA into the trained One Class SVM, the output f (x) can be obtained from the above equation (23).
異常判定部308は、異常度スコアg(x)として、出力f(x)を正負逆転させたものを用いており、
g(x)=−f(x)
と表される。つまり、異常判定部308は、異常度スコアg(x)が負の値の場合は正常、0以上の場合は異常と判定する。
The
g (x) = −f (x)
It is expressed as. That is, the
境界データ生成部309は、異常度スコアg(x)により正常と判定された点と、異常と判定された点との間に境界線を生成し、境界データとして、境界データ保持部306に保存する。
The boundary
このように、本実施形態においては、検知した検知値の次元を一旦圧縮して(128次元→64次元→2次元)、正常か異常かを判断し易くして、正常と異常の線引きをしている。もちろんこれに限定されるものではなく、128次元のデータをもとにOne Class SVMを用いて、正常か異常かの判断をさせ、それとは別に次元の圧縮(128次元→64次元→2次元)をして2次元平面にプロットしてもよい。この場合、処理時間がかかるが正常か異常かの判断は、2次元データを用いるよりも精度がよくなる。 In this way, in the present embodiment, the dimension of the detected detection value is once compressed (128 dimension → 64 dimension → 2 dimension) to make it easier to judge whether it is normal or abnormal, and a line between normal and abnormal is drawn. ing. Of course, it is not limited to this, and One Class SVM is used to judge whether it is normal or abnormal based on 128-dimensional data, and separately, dimension compression (128-dimensional → 64-dimensional → 2-dimensional). And plot on a two-dimensional plane. In this case, although it takes a long time to process, the determination of whether it is normal or abnormal is more accurate than using two-dimensional data.
また、次元圧縮の手法として、PCA362を用いたが、PCA362の代わりに、例えば、VAE(Variational AutoEncoder)を用いてもよい。また、PCA362を用いないでオートエンコーダ361のみを用いて2次元まで圧縮してもよい。
Further, although PCA362 is used as the dimensional compression method, for example, VAE (Variational AutoEncoder) may be used instead of PCA362. Further, the compression may be performed up to two dimensions using only the
なお、次元圧縮の手法はここに示した手法には限定されず、様々な手法を組み合わせて用いてもよい。また、ここに示した例は、工具202の折損についての2次元マップの作成についての例であるが、工具主軸のびびりについても、最初に取得する検知値が異なるだけで、その後の処理は、同様に行うことができ、同様の2次元マップを作成できる。例えば、びびりを検知したい場合には、機械加工時に発生する音や振動のデータを検知値として取得すればよい。
The dimensional compression method is not limited to the method shown here, and various methods may be used in combination. Further, the example shown here is an example of creating a two-dimensional map for the breakage of the
ここで、びびりとは、工具と被削物との間で継続的に発生する振動である。びびりが発生すると、被削物上にびびりに対応した痕跡(びびりマーク)が残り、仕上げ面が悪くなる。また、この時異常な振動音が発生し、工具や工具を把持するホルダを損傷させたり、工作機械の一部を破損させたりすることがある。びびりは、発生原因から強制びびりと自励びびりとに大別される。強制びびりは、切削系のどこかに振動源があり、その影響を受けて発生する。振動源としては、工作機械内部にある駆動装置の振動、フライス加工における断続的な切削力、工作機械の外から伝わってくる振動などがある。一方、自励びびりは、特定の振動源がなくても工作機械の動特性と切削過程とが重なってある条件を満たしたときに発生する。例えば、重切削や高速切削のときに発生しやすい。 Here, chatter is vibration that is continuously generated between the tool and the work piece. When chatter occurs, traces (chatter marks) corresponding to chatter remain on the work piece, and the finished surface deteriorates. Further, at this time, an abnormal vibration noise may be generated, which may damage the tool or the holder holding the tool, or damage a part of the machine tool. Chatter is roughly divided into forced chatter and self-encouragement chatter according to the cause of occurrence. Forced chatter occurs when there is a vibration source somewhere in the cutting system and it is affected by it. Vibration sources include vibration of the drive device inside the machine tool, intermittent cutting force in milling, and vibration transmitted from the outside of the machine tool. On the other hand, self-excited chatter occurs when a certain condition is satisfied in which the dynamic characteristics of the machine tool and the cutting process overlap even if there is no specific vibration source. For example, it tends to occur during heavy cutting and high-speed cutting.
図4は、2次元マップ331における点の軌跡を説明するための図である。上、中、下、いずれの2次元マップ331も、正常範囲内に点が存在しているが、軌跡411、421に比べて、軌跡431は、徐々に境界線の中心から離れる方向に移動しているため注意が必要である。
FIG. 4 is a diagram for explaining the locus of points in the two-
すなわち、2次元マップ331によれば、従来の1次元の表示に比べて、加工状況の変化をより正確に把握することが可能となる。
That is, according to the two-
図5は、本実施形態に係る工作機械200が有するテーブル501の一例を示す図である。テーブル501は、2次元マップとしてマッピングしたいマッピング対象511に関連付けて検知値512を記憶する。マッピング対象511、工具折損、主軸びびり、切削状態のそれぞれについて、取得分析すべき検知値512として、主軸に印加される電流や、音や、振動や、トルクなどが記憶されている。工作機械200は、テーブル501を参照して2次元マップ331を表示するために取得すべきデータを判定する。
FIG. 5 is a diagram showing an example of a table 501 included in the
以上説明したような工作機械200は、ハードウェアとして、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)およびストレージを有する。工作機械200は、RAMに本実施形態の実現に必要なデータを読み出し、CPUにより実行する。ストレージには、データベースや各種のパラメータ、データ、プログラム、モジュールが記憶される。
The
図6は、本実施形態に係る工作機械200の処理手順を説明するフローチャートである。このフローチャートに従ったプログラムを、CPUが実行することにより、図3Cに示した各機能構成が実現される。
FIG. 6 is a flowchart illustrating a processing procedure of the
ステップS601において、検知部301は、各種センサから検知値として、印加される電流値、振動、音、熱、光および加工時に発生する動力の少なくともいずれか一つの検知値を検知する。次に、ステップS603において、特徴量抽出部302は、検知した検知値の特徴量の次元を減らし、第1特徴量と第2特徴量を抽出する。ステップS605において、表示部303は、第1特徴量を第1軸332とし、第2特徴量を第2軸333とした平面上に、検知値をプロットした2次元マップ311の画面を生成する。さらに、表示部303は、加工において異常が発生する可能性を表すために等高線状に配置された3つの境界線334〜336を生成する。
In step S601, the
ステップS607において、表示部303は、作成された2次元マップ331をディスプレイに表示する。ステップS609において、補正部304は、境界線形状の補正を行うか否かを判断する。境界線形状の補正を行わない場合(ステップS609のNO)、工作機械200は、処理を終了する。境界線形状の補正を行う場合(ステップS609のYES)、ステップS611へ進む。ステップS611において、表示部303は、境界線形状を補正した2次元マップ331を表示する。
In step S607, the
なお、本実施形態の説明においては、検知部301が、電流値を検知する例で説明したが、検知部301が検知するのは電流値には限定されず、例えば、振動、音、熱、光および加工時に発生する動力のそれぞれの値であってもよい。
In the description of this embodiment, the
本実施形態によれば、ユーザは、工具の折損やびびりの発生などの加工時の異常の予兆を直感的に把握することができる。それにより、工具202が折損する前に工作機械を停止させて、工具202を交換することができ、工具の折損等を未然に防ぐことができる。例えば、工具が折れることにより加工時間が長くなるといった生産性の低下を未然に防止できる。
According to the present embodiment, the user can intuitively grasp a sign of an abnormality during machining such as breakage of a tool or occurrence of chatter. As a result, the machine tool can be stopped and the
また、工作機械のユーザは、2次元マップを見ながら工具主軸の回転数を調整できる。さらに、びびりの発生しない工具主軸の回転数に調整できる。また、検知値を蓄積しておけば、将来的な主軸の折損などを予測することができる。また、工作機械のユーザは、リアルタイムに機械加工の状態を把握することができる。通常入手が困難な失敗(正常でない)データがなくても、正常(成功)データがあれば、精度の高い予測モデルを生成でき、精度の高い予測が可能となる。また、正常データ(教師データ)のない部分であっても、近傍の正常データがあれば、近傍の正常データを用いて精度の高い予測モデルを生成でき、精度の高い予測が可能となる。さらに、工作機械から一方的に異常の予兆や発生をユーザに知らせるのではなく、ユーザが、2次元マップを見て直感的に判断したり、考えたりする余地があり、何が原因で異常が報知されたのかの理由をユーザが判断できる。 Further, the user of the machine tool can adjust the rotation speed of the tool spindle while looking at the two-dimensional map. Furthermore, the rotation speed of the tool spindle that does not cause chatter can be adjusted. In addition, by accumulating the detected values, it is possible to predict future breakage of the spindle. In addition, the user of the machine tool can grasp the state of machining in real time. Even if there is no failure (unnormal) data that is usually difficult to obtain, if there is normal (success) data, a highly accurate prediction model can be generated, and highly accurate prediction becomes possible. Further, even if there is no normal data (teacher data), if there is normal data in the vicinity, a highly accurate prediction model can be generated using the normal data in the vicinity, and highly accurate prediction becomes possible. Furthermore, instead of unilaterally notifying the user of the sign or occurrence of an abnormality from the machine tool, there is room for the user to intuitively judge or think by looking at the two-dimensional map, and what causes the abnormality. The user can determine the reason for the notification.
また、例えば、ユーザが、ある加工製品の量産に向けて、工具や工具主軸、ワークなどの組み合わせについて、どの組み合わせが効率的かについて試験を行うことを考える。試験結果について、複数の境界線を有する2次元マップを表示させることにより、ユーザは、境界線とマップ上の点との位置関係から、工具や工具主軸、ワークなどの組み合わせについて、どの程度まで負荷をかけられるかの判断ができる。これにより、ユーザは、効率よく、低コストで加工製品を量産できる。 Further, for example, consider that a user tests which combination of tools, tool spindles, workpieces, etc. is efficient for mass production of a certain processed product. By displaying a two-dimensional map with multiple boundaries for the test results, the user can load the combination of tools, tool spindles, workpieces, etc. from the positional relationship between the boundaries and points on the map. You can judge whether you can call. As a result, the user can mass-produce processed products efficiently and at low cost.
なお、表示部303は、1画面に複数の2次元マップを並列に表示してもよい。例えば、表示部303は、1つの画面に工具折損についての2次元マップおよび主軸のびびりについての2次元マップを同時に表示してもよい。そのように、複数の2次元マップを同時に表示すれば、各種の異常の発生の可能性を1つの画面上で確認することができる。
The
[第3実施形態]
次に本発明の第3実施形態に係る工作機械700について、図7および図8を用いて説明する。本実施形態に係る工作機械は、上記第2実施形態と比べると、食いつきデータ削除部701を有する点で異なる。
[Third Embodiment]
Next, the
食いつきデータ削除部701は、検知した電流値などの検知値に食いつきデータがあるか否かを、カルマンフィルタを用いて判定する。そして、食いつきデータがあると判定した場合、食いつきデータ削除部701は、検知した検知値の加工開始点から数秒間のデータを削除し、食いつきデータを削除した検知値を特徴量抽出部302に送る。
The bite
本実施形態での表示部703は、タッチスクリーンを備え、表示された2次元マップ331の点「T10」をタッチ(またはマウス等でクリック)すると、点T10に関する情報(日時、検知値、工具種、使用可能時間、加工条件など)が表示される。このように、検知値をプロットした点を選択することにより、その検知値に関連する情報をスクリーン上に表示して、より詳細な加工の状態を知ることができる。これにより、数秒前や数分前の加工状態を把握することができる。また、2次元マップにおける過去の加工状態を示す点の位置と、その点の検知値や加工条件などを参考にして、次の加工の加工条件を選択することができる。
The
図8は、本実施形態に係る工作機械による食いつきデータ削除を説明する図である。グラフ801に示したように、工作機械による加工開始部分である食いつき時のデータが含まれた状態で、2次元マップを生成する場合には、2次元マップ生成の元となる検知値に食いつきによるノイズが含まれる。そのため、精度の高い2次元マップを生成することができない。そこで、グラフ802に示したように、検知した検知値の始めの何秒間かのデータを削除して、2次元マップを生成すると、ノイズを含まない検知値により2次元マップを生成できるので、精度の高い2次元マップを生成できる。
FIG. 8 is a diagram illustrating the deletion of biting data by the machine tool according to the present embodiment. As shown in Graph 801 when a two-dimensional map is generated in a state where the data at the time of biting, which is the machining start part by the machine tool, is included, the detection value that is the source of the two-dimensional map generation is due to the bite. Noise is included. Therefore, it is not possible to generate a highly accurate two-dimensional map. Therefore, as shown in
ここでは、グラフ801の始めの部分に、検知した電流値に食いつき部分がみられ、大きな低周波が発生していることが分かる。そのため、この食いつき部分の存在が、異常の有無の検知を妨げる要因となる。そこで、グラフ802に示したように、工作機械による加工開始点から、例えば、600点分のデータ(1/2000×600=0.3[s])を削除する。なお、グラフ801に食いつきデータが含まれるか否かの判定は、カルマンフィルタを用いて行われる。
Here, at the beginning of the graph 801 there is a bite to the detected current value, and it can be seen that a large low frequency is generated. Therefore, the presence of this biting portion becomes a factor that hinders the detection of the presence or absence of an abnormality. Therefore, as shown in
本実施形態によれば、食いつき部分がある場合に食いつきデータを削除するので、余分なノイズの少ない検知値を用いて、精度の高い2次元マップを生成することができる。 According to the present embodiment, since the bite data is deleted when there is a bite portion, it is possible to generate a highly accurate two-dimensional map by using the detection value with less extra noise.
[他の実施形態]
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明の技術的範囲で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、それぞれの実施形態に含まれる別々の特徴を如何様に組み合わせたシステムまたは装置も、本発明の技術的範囲に含まれる。
[Other Embodiments]
Although the invention of the present application has been described above with reference to the embodiment, the invention of the present application is not limited to the above embodiment. Various changes that can be understood by those skilled in the art can be made to the structure and details of the present invention within the technical scope of the present invention. Also included in the technical scope of the present invention are systems or devices in any combination of the different features contained in each embodiment.
また、本発明は、複数の機器から構成されるシステムに適用されてもよいし、単体の装置に適用されてもよい。さらに、本発明は、実施形態の機能を実現する情報処理プログラムが、システムあるいは装置に供給され、内蔵されたプロセッサによって実行される場合にも適用可能である。したがって、本発明の機能をコンピュータで実現するために、コンピュータにインストールされるプログラム、あるいはそのプログラムを格納した媒体、そのプログラムをダウンロードさせるWWW(World Wide Web)サーバも、プログラムを実行するプロセッサも本発明の技術的範囲に含まれる。特に、少なくとも、上述した実施形態に含まれる処理ステップをコンピュータに実行させるプログラムを格納した非一時的コンピュータ可読媒体(non-transitory computer readable medium)は本発明の技術的範囲に含まれる。 Further, the present invention may be applied to a system composed of a plurality of devices, or may be applied to a single device. Further, the present invention is also applicable when an information processing program that realizes the functions of the embodiment is supplied to a system or an apparatus and executed by a built-in processor. Therefore, in order to realize the functions of the present invention on a computer, the program installed on the computer, the medium containing the program, the WWW (World Wide Web) server for downloading the program, and the processor for executing the program are also included in the present invention. Included in the technical scope of the invention. In particular, at least a non-transitory computer readable medium containing a program that causes a computer to execute the processing steps included in the above-described embodiment is included in the technical scope of the present invention.
Claims (6)
前記検知部で検知した前記検知値から第1特徴量と第2特徴量とを抽出する特徴量抽出部と、
前記第1特徴量に係る数値を第1軸とし前記第2特徴量に係る数値を第2軸とした平面上に、前記検知値をプロットした点と、前記加工中において異常が発生する可能性を表すために等高線状に配置された少なくとも2つの境界線と、を表示する表示部と、を備えた工作機械。 A detector that detects at least one of the energy, vibration, sound, heat, light, and power generated during processing during processing.
A feature amount extraction unit that extracts a first feature amount and a second feature amount from the detected value detected by the detection unit, and a feature amount extraction unit.
The point where the detected value is plotted on a plane with the numerical value related to the first feature amount as the first axis and the numerical value related to the second feature amount as the second axis, and the possibility that an abnormality may occur during the processing. A machine tool comprising at least two borders arranged in contour lines to represent, and a display for displaying.
前記検知部は、前記工具が前記ワークを機械加工する際の前記検知値を検知する請求項1乃至3のいずれか1項に記載の工作機械。 Equipped with a holding part for holding tools for machining workpieces
The machine tool according to any one of claims 1 to 3, wherein the detection unit detects the detected value when the tool machins the work.
前記第1特徴量に係る数値を第1軸とし前記第2特徴量に係る数値を第2軸とした平面上に、前記検知値をプロットした点と、前記加工中において異常が発生する可能性を表すために等高線状に配置された少なくとも2つの境界線と、を表示する表示装置。 Detected from a machine tool having a detection unit that detects a detection value of at least one of energy, vibration, sound, heat, light, and power generated during processing during processing. A display device that extracts the first feature amount and the second feature amount from the detected values and displays the machining status of the machine tool.
The point where the detected value is plotted on a plane with the numerical value related to the first feature amount as the first axis and the numerical value related to the second feature amount as the second axis, and the possibility that an abnormality may occur during the processing. A display device that displays at least two borders arranged in contour lines to represent.
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