JP3759881B2 - 加工診断監視システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、制御に応じて動作して材料の加工を行なう加工機械を制御する加工制御装置と、その加工制御装置に組み込まれあるいはその加工制御装置と連携してその加工機械による材料の加工を監視し、その加工機械により加工された材料の加工の良、不良を診断する加工診断監視装置とを備えた加工診断監視システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より機器や設備から発せられる音や振動をピックアップしそれらに基づいて機器や設備の異常の有無を判定する様々な設備診断手法が知られている。ここでは、これを材料の加工に応用し、材料加工中の加工機械の音や振動からその材料の加工が正しく行なわれているか否かを診断することを考える。
【０００３】
設備診断手法の典型例としては、例えばその機器や設備が正常状態にあるときの音響振動波形を得、その音響振動波形をスペクトル解析してその特徴を調べておき、異常の有無を検出する際にその機器や設備の音響振動波形を得てスペクトル解析を行い、そのスペクトル中に、正常時には見られない特定の周波数成分のピークが存在するか否か、あるいはピークの組合せが正常時のそれと同じであるか否か等により異常の検出を行なうことが知られている。
【０００４】
また、特開平７−４３２５９号公報には、その機器や設備が正常状態にあるときの音響振動波形を得、その音響振動波形に基づいて逆フィルタを作成しておき、異常の有無を検出する際にその機器や設備の音響振動波形を得、その音響振動波形にあらかじめ求めておいた逆フィルタを作用させて残差信号を求め、この残差信号を解析することによって機器や設備の異常を検出することが提案されている。
【０００５】
さらに、特開平８−３０４１２４号公報には、その機器や設備が正常状態にあるときの複数の音響振動波形を得、それら複数の音響振動波形のうちの例えば１つの音響振動波形に基づいて逆フィルタを作成して、その逆フィルタを例えば残りの複数の音響振動波形に作用させることにより複数の残差信号を求め、それら複数の残差信号それぞれに基づいて統計的変量を複数求めておき、異常の有無を検出する際においても、その機器や設備の複数の音響振動波形を得、あらかじめ求めておいた上記の逆フィルタをそれら複数の音響振動波形に作用させて複数の残差信号を求め、それら複数の残差信号に基づいて複数の統計的変量を求め、正常状態にあるときに求めた複数の統計的変量と異常の有無の検出の際に求めた複数の統計的変量との間で、例えばＦ検定やｔ検定等の手法による検定あるいは推定を行なうことにより、その機器や設備の異常の有無を検出することが提案されている。
【０００６】
上記のスペクトル解析を行なうことによって機器や設備の異常を検出する手法も、その診断対象機器や設備の性質によってはかなり有効な手法であり、上記の逆フィルタを作成しておく手法や統計的検定等を行なう手法はさらに有効な手法である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
例えば上記のような様々な設備診断手法を材料加工に応用して材料加工の良否の診断を行なおうとしたとき、そのような加工機械の中には、ＮＣマシンや加工ロボットなど複雑な動作を行なうものが多く、音や振動に異常があったからといって必ずしも材料が正しく加工されたか否かの判定には直結せず、確度の低い判定しか行なうことができない恐れがある。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑み、材料加工の良、不良を高い確度で判定することのできる加工診断監視システムを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の加工診断監視システムは、制御に応じて動作して材料の加工を行なう加工機械を制御する加工制御装置と、その加工制御装置に組み込まれあるいはその加工制御装置と連携して加工機械による材料の加工を監視し、その加工機械により加工された材料の加工の良、不良を診断する加工診断監視装置とを備えた加工診断監視システムにおいて、
上記加工制御装置は、加工機械を材料加工用に動作させる加工動作制御モードと、加工機械を材料加工用に動作させている時間以外の時間に動作させる非加工動作制御モードとの２つの制御モードで加工機械の動作を制御するものであって、
上記加工診断監視装置は、
加工機械から得られる、所定の物理量を担持する時系列信号を取得する信号取得部と、
信号取得部で得られる、加工機械が加工動作制御モードによる制御を受けて動作しているタイミングにおける基準用時系列信号と加工機械が非加工動作制御モードによる制御を受けて動作しているタイミングにおける基準用時系列信号とのそれぞれについて各制御モードそれぞれに対応する各基準波形情報を求める基準演算部と、
基準演算部で求められた各基準波形情報を、各制御モードに対応づけて記憶しておく基準記憶部と、
信号取得部で得られる、加工機械が加工動作制御モードによる制御を受けて動作しているタイミングにおける診断用時系列信号と、基準記憶部に記憶されている、加工動作制御モードに対応する基準波形情報とに基づいて異常を検出する加工動作異常検出モードと、信号取得部で得られる、加工機械が非加工動作制御モードによる制御を受けて動作しているタイミングにおける診断用時系列信号と、基準記憶部に記憶されている、非加工動作制御モードに対応する基準波形情報とに基づいて異常を検出する非加工動作異常検出モードとを有し、加工動作異常検出モードにおいて異常が検出されるとともに非加工動作異常検出モードにおいて異常が検出されなかった場合に、その加工機械により加工された材料の加工が不良であると判定する加工不良有無判定部とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
本発明の加工診断監視システムは、加工設備が材料加工のために稼動しているときの異常検出する加工動作異常検出モードと、その加工機械の空き時間（材料加工のために稼動していないとき）に動作させて異常を検出する非加工動作異常検出モードとを有し、加工動作異常検出モードで異常が検出され非加工動作異常検出モードでは異常が検出されなかった場合に材料の加工が不良であると判定するものであり、材料加工の良、不良を、その加工機械そのものの異常と分離して高い確度で判定することができる。
【００１１】
ここで、上記の所定の物理量を担持する時系列信号は、その加工機械近傍で音を収録して得た信号であってもよく、あるいはその加工機械自体やその加工機械の設置場所の床や壁等から振動や加速度をピックアップして得た信号であつてもよく、特定の物理量を担持する信号に限定されるものではない。
【００１２】
ここで、上記本発明の加工診断監視システムにおいて、上記加工不良有無判定部は、非加工動作異常検出モードによる異常検出を所定のタイミングごとに繰り返し実行するものであって、上記加工不良有無判定部は、加工動作異常検出モードによる異常が検出されたときにおいて、直前の非加工動作異常検出モードにおいて異常が検出されていなかった場合に、加工機械により加工された材料の加工が不良であると判定するものであってもよく、あるいは、上記加工不良有無判定部は、加工動作異常検出モードによる異常が検出されたことを受けて非加工動作異常検出モードによる異常検出を実行し、その非加工動作異常検出モードにおいて異常が検出されなかった場合に、加工機械により加工された材料の加工が不良であると判定するものであってもよい。
【００１３】
また、上記本発明の加工診断監視システムにおいて、上記加工制御装置は、非加工動作制御モードによる制御を行なうにあたり、加工されるべき材料の有無の相違を除き、加工機械に、加工動作制御モードによる制御における加工機械の動作と同一の動作を含む動作を行なわさせるものであることが好ましい。
【００１４】
非加工動作制御モードにおいて加工動作制御モードによる加工機械の動作と同一の動作を含む動作を行なわせることにより、異常が検出されたときに材料加工によるものなのか加工機械自体によるものなのかを一層明確に識別することができる。
【００１５】
さらに、上記本発明の加工診断監視システムにおいて、上記加工不良有無判定部は、加工機械により加工された材料の加工の良、不良の判定を行なうと共に非加工動作異常検出モードによる異常検出結果に基づいて、加工機械自体の正常、異常を判定するものであることが好ましい。
【００１６】
本発明の加工診断監視システムを採用すれば材料加工の良、不良の判定とともに、加工機械自体の正常、異常も判定することができ、別々のシステムを採用する場合と比べ、コスト低減、設置スペースの削減となる。
【００１７】
また、上記本発明の加工診断監視システムにおいて、上記基準演算部は、基準用時系列信号に基づいて、その基準用時系列信号を得たときの制御モードに対応する逆フィルタを求める演算を含む演算により、基準波形情報を求めるものであり、
上記加工不良有無判定部は、診断用時系列信号に、その診断用時系列信号を得たときの制御モードと同一の制御モードに対応する逆フィルタを作用させることにより、残差信号を求める演算を含む演算を行ない、その演算の結果に基づいて、材料加工の良、不良を判定するものであることが好ましい。
【００１８】
ここで、上記の「逆フィルタを求める演算を含む演算」は、逆フィルタを求める演算のみで構成されている場合を含む概念であり、その場合は、逆フィルタを上記の基準波形情報とすることができる。また、「逆フィルタを求める演算を含む演算」は、逆フィルタを求める演算が含まれていればよく、前述のように複数の基準用時系列信号のうちの例えば１つの時系列信号に基づいて逆フィルタを作成し、その逆フィルタを他の複数の時系列信号に作用させて複数の統計的変量を求める演算であってもよい、その場合は、そのようにして求めた複数の統計的変量が基準波形情報となり得る。
【００１９】
また、上記の「逆フィルタを作用させることにより残差信号を求める演算を含む演算」も上記と同様であり、残差信号を求める演算のみで構成されていてもよく、あるいは前掲の特開平７−４３２５９号公報に記載されているように、その残差信号のパワーの移動平均値を求めるなど、その残差信号を演算して異常の有無を判定するのに都合のよいデータを求める演算や、あるいは、前掲の特開平８−３０４１２４号公報に記載されているような複数の診断用時系列信号に逆フィルタを作用させて複数の残差信号を求め、それら複数の残差信号に基づいて複数の統計的変量を求める演算であってもよい。
【００２０】
逆フィルタを用いると信号上から定常的な騒音を消し去ることができ、材料加工の良、不良を一層高精度に判定することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００２２】
図１は、本発明の加工診断監視システムを示す概念図である。
【００２３】
加工機械１０は、加工制御装置２０からの制御信号を受けて、材料の加工を担う機械である。その加工の種類は特に限定されるものではない。加工制御装置２０による加工機械の制御は大別して加工動作制御モードと非加工動作制御モードとに分けられる。加工機械１０は、加工制御装置２０からの加工動作制御モードによる制御を受けてその材料加工のために動作し（これを加工動作と称する）また、加工制御装置２０からの非加工動作制御モードによる制御を受けて加工機械自体のテスト用に動作する（これを非加工動作と称する）。ここで加工動作、非加工動作は、それぞれが複数の個別動作から構成されている。
【００２４】
加工機械１０には、異常の有無の診断のための信号を得るためのセンサとして、振動センサと音響センサが、取り付けられあるいは近傍に配備されている。
【００２５】
また、加工診断監視装置３０は、加工制御装置２０から加工機械１０の制御の状態を表わす制御状態情報を受け取り、その制御状態情報に基づいて加工機械の加工動作のタイミングおよび非加工動作のタイミングを知り、加工動作、非加工動作それぞれにおける振動波形信号、音響波形信号を測定して、加工動作、非加工動作のそれぞれ、および振動波形信号、音響波形信号のそれぞれについて各基準波形情報を求め、また、加工動作、非加工動作のそれぞれ、および振動波形信号、音響波形信号のそれぞれについて異常の有無の検出を行ない、加工の良、不良を判定する。また、本実施形態では、加工動作、非加工動作がそれぞれ複数の個別動作から構成されており、基準波形情報の算出及び異常の有無の検出は各個別動作それぞれについて行なわれる。
【００２６】
基準波形情報の求め方の具体例、及び異常の有無の検出方法の具体例については後述する。
【００２７】
図２は、本発明の加工診断監視装置の一実施形態として動作する診断用コンピュータの外観斜視図である。本発明の一実施形態としての加工診断監視装置は、この診断用コンピュータ１００のハードウェアとその内部で実行されるソフトウェアとの組合せにより実現されている。
【００２８】
この診断用コンピュータ１００は、ＣＰＵ、ＲＡＭメモリ、磁気ディスク、通信用ボード等を内蔵した本体１０１、本体からの指示によりその表示画面１０２ａ上に画面表示を行なうＣＲＴディスプレイ１０２、この診断用コンピュータ内に、オペレータの指示や文字情報を入力するためのキーボード１０３、表示画面上の任意の位置を指定することによりその位置に表示されているアイコン等に応じた指示を入力するマウス１０４を備えている。
【００２９】
本体１０１には、ＣＤ−ＲＯＭ１０５（図３参照）が取り出し自在に装填され、装填されたＣＤ−ＲＯＭ１０５をドライブするＣＤ−ＲＯＭドライブも内蔵されている。
【００３０】
ここでは、ＣＤ−ＲＯＭ１０５に、加工診断監視プログラムが記憶されており、そのＣＤ−ＲＯＭ１０５が本体１０１内に装填され、ＣＤ−ＲＯＭドライブによりそのＣＤ−ＲＯＭ１０５に記憶された加工診断監視プログラムがその診断用コンピュータ１００の磁気ディスク内にインストールされる。診断用コンピュータ１００の磁気ディスク内にインストールされた加工診断監視プログラムが起動されると、この診断用コンピュータ１００は、本発明の加工診断監視装置の一実施形態として動作する。
【００３１】
図３は、図２に示す診断用コンピュータ１００のハードウェア構成図である。
【００３２】
このハードウェア構成図には、中央演算処理装置（ＣＰＵ）１１１、ＲＡＭ１１２、磁気ディスクコントローラ１１３、ＣＤ−ＲＯＭドライブ１１５、マウスコントローラ１１６、キーボードコントローラ１１７、ディスプレイコントローラ１１８、通信用ボード１１９、および２つのＡ／Ｄ変換ボード１２０，１２１が示されており、それらはバス１１０で相互に接続されている。
【００３３】
ＣＤ−ＲＯＭドライブ１１５は、図２を参照して説明したように、ＣＤ−ＲＯＭ１０５が装填され、装填されたＣＤ−ＲＯＭ１０５をアクセスするものである。
【００３４】
通信用ボード１１９は、図１に示す機械制御装置２０に接続され、機械制御装置２０から、図１に示す加工機械１０の制御状態を表わす制御状態情報が入力される。この制御状態情報には、加工機械１０が加工動作中であるか非加工動作中であるかを表わす情報と、加工動作、非加工動作それぞれを構成する複数の個別動作の実行のタイミングを表わすタイミング信号が含まれている。
【００３５】
尚、本実施形態では、非加工動作は、加工の対象となる材料が加工される所定位置に準備されているか否かの相違を除き、加工動作を構成する複数の個別動作と比べ、全く同一のシーケンスで実行される全く同一の複数の個別動作で構成されている。
【００３６】
また２台のＡ／Ｄ変換ボード１２０，１２１には、それぞれ図１に示す振動センサおよび音響センサが接続されている。これら２台のＡ／Ｄ変換ボード１２０，１２１は、それらの振動センサや音響センサでピックアップされた振動波形信号や音響波形信号を入力し、各ディジタル信号に変換して内部に取り込む役割りを担っている。
【００３７】
また、図３には、磁気ディスクコントローラ１１３によりアクセスされる磁気ディスク１１４、マウスコントローラ１１６により制御されるマウス１０４、キーボードコントローラ１１７により制御されるキーボード１０３、およびディスプレイコントローラ１１８により制御されるＣＲＴディスプレイ１０２も示されている。
【００３８】
図４は、本発明の一実施形態としての加工診断監視プログラムの構成を示す図である。
【００３９】
ここでは、この加工診断監視プログラム２００は、ＣＤ−ＲＯＭ１０５に記憶されており、この加工診断監視プログラム２００は、信号取得部２１０、基準演算部２２０、および異常有無判定部２３０から構成されている。この加工診断監視プログラム２００を構成する各部２１０〜２３０の作用については後述する。
【００４０】
図５は、図２，図３に示す診断用コンピュータに図４に示す加工診断監視プログラムがインストールされて実行されることにより実現された、本発明の加工診断監視装置の一実施形態の機能ブロック図である。
【００４１】
この図５に示す加工診断監視装置３００は、タイミング取得部３４０、信号取得部３１０、基準演算部３２０、基準記憶部３５０、および異常有無判定部３４０から構成されている。
【００４２】
ここで、この図５に示す加工診断監視装置３００を構成する各部３１０〜３５０のうち、タイミング取得部３４０および基準記憶部３５０を除く、信号取得部３１０、基準演算部３２０、および異常有無判定部３３０は、図４にそれぞれ同一の名称で示されている、加工診断監視プログラム２００を構成する各要素に対応する要素であるが、図５に示す加工診断監視装置３００を構成する、信号取得部３１０、基準演算部３２０、および異常有無判定部３３０は、ハードウェアとソフトウェアとの複合を指しており、一方、図４に示す加工診断監視プログラム２００を構成する信号取得部２１０、基準演算部２２０、および異常有無判定部２３０は、アプリケーションプログラムとしての加工診断監視プログラム２００の各プログラム部品を表わしている。
【００４３】
尚、図５の加工診断監視装置３００を構成するタイミング取得部３４０は、図３に示すコンピュータの通信用ボード１１９により構成され、基準記憶部３５０は、図３に示すコンピュータの磁気ディスク１１４により構成されるものであるため、図４の加工診断監視プログラム２００には含まれていない。
【００４４】
以下、図５に示す加工診断監視装置３００の各要素について説明することで、図４に示す加工診断監視プログラム２００の各要素についても同時に説明する。
【００４５】
タイミング取得部３４０は、図１に示すシステムにおける機械制御装置２０から、診断対象機械１０の制御状態を表わす制御状態情報を取得する役割りを担っている。この制御状態情報には、加工機械１０の制御モード（加工動作制御モードと非加工動作制御モード）の識別情報、および加工動作、非加工動作を構成する個別の動作と同期したタイミング信号が含まれている。
【００４６】
また、図５の加工診断監視装置３００を構成する信号取得部３１０は、図１に示す振動センサおよび音響センサからの振動波形信号および音響波形信号を取得する役割りをなしており、ハードウェア上は、図３に示す、主としてＡ／Ｄ変換ボード１２０，１２１がこれに相当する。この信号取得部３１０は、図４に示す加工診断監視プログラム２００を構成する信号取得部２１０、すなわち、これらのＡ／Ｄ変換ボード１２０，１２１でディジタル信号に変換された音信号を設備診断プログラムに取り込むプログラム部品を含むものである。
【００４７】
尚、本実施形態では、図３に示すようにＡ／Ｄ変換ボードを２つ備え、図１に示す２つのセンサ（振動センサおよび音響センサ）でピックアップされた振動波形信号および音響波形信号を各Ａ／Ｄ変換ボード１２０，１２１でディジタル信号に変換するようにしたが、Ａ／Ｄ変換ボードは１つのみとし、複数のセンサで得られた複数の信号を順次切り換えてＡ／Ｄ変換ボードに伝達する切換回路を途中に配置してもよい。
【００４８】
基準演算部３２０では、信号取得部３１０で得られた振動波形信号および音響波形信号それぞれに基づいて、それらの信号を得たときの制御モードに対応する基準波形情報が求められる。本実施形態では、この基準波形情報として、後述する逆フィルタが求められる。この基準演算部３２０は、ハードウェア上は、主として、プログラム部品としての基準演算部２２０（図４参照）を実行するＣＰＵ１１１（図３参照）等がこれに相当する。
【００４９】
この基準演算部３２０で求められた基準波形情報は、基準記憶部３５０に記憶される。この基準記憶部３５０は、磁気ディスク１１４等がこれに相当する。
【００５０】
異常有無判定部３３０では、信号取得部３１０から各制御モードに対する振動波形信号および音響波形信号を受け取り、さらに基準記憶部３５０から、各制御モードに対応するとともに振動および音響のそれぞれに対応する各基準波形情報を読み出し、各制御モードごとに、振動と音響のそれぞれについて、異常の有無の判定が行なわれる。振動と音響のいずれに異常があったときも異常であると判定される。詳細は、図６〜図１０のフローチャートを参照しながら以下に説明する。
【００５１】
図６は、非加工動作基準作成プログラムのフローチャートである。
【００５２】
このプログラムは、図４に示す加工診断監視プログラムの信号取得部２１０および基準演算部２２０を構成しており、非加工動作制御モードに対応する基準波形情報が未だ作成されていないとき、あるいは非加工動作制御モードに対応する基準波形情報を更新しようとするときにおいて、図１に示す加工制御装置２０から受け取った制御状態情報が、非加工動作制御モードによる制御を行なっていることを表わしており、かつその非加工動作を構成する個別の動作と同期した各タイミング信号を受信したときに実行される。
【００５３】
この図６に示すプログラムが実行されると、図１に示す振動センサ及び音響センサからの振動波形信号及び音響波形信号が測定され（ステップａ１）、振動波形信号及び音響波形信号のそれぞれについて逆フィルタ係数が算出され（ステップａ２）、その算出された逆フィルタ係数が、非加工動作制御モード、振動と音響との別、非加工動作を構成する複数の個別動作のうちの今回の個別動作に対応づけられて記憶される（ステップａ３）。この図６のプログラムは、タイミング信号と同期して、非加工動作を構成する複数の個別動作の１つずつについて実行され、これにより、非加工動作を構成する複数の個別動作それぞれについての基準波形情報が求められる。
【００５４】
図７は、加工動作基準作成プログラムのフローチャートである。
【００５５】
このプログラムは、図６に示すプログラムとともに、加工診断監視プログラム２００（図４参照）の信号取得部２１０および基準演算部２２０を構成しており、加工動作制御モードに対応する基準波形情報が未だ作成されていないとき、あるいは加工動作制御モードに対応する基準波形情報を更新しようとするときにおいて、図１に示す加工制御装置２０から受け取った制御状態情報が加工動作制御モードによる制御を行なっていることを表わしており、かつその加工動作を構成する個別の動作と同期した各タイミング信号を受信したときに実行される。
【００５６】
この図７に示すプログラムの動作は、図６のプログラムの動作と同様であり、この図７のプログラムが実行されると、図１に示す振動センサおよび音響センサからの振動波形信号及び音響波形信号が測定され（ステップｂ１）、振動波形信号および音響波形信号のそれぞれについて逆フィルタ係数が算出され（ステップｂ２）、その算出された逆フィルタ係数が、加工動作制御モード、振動と音響との別、加工動作を構成する複数の個別動作のうちの今回の個別動作に対応づけられて記憶される（ステップｂ３）。この図７のプログラムは、タイミング信号と同期して加工動作を構成する複数の個別動作の１つずつについて実行され、これにより加工動作を構成する手段の動作についての基準波形情報が求められる。
【００５７】
図８は、非加工動作異常検出プログラムのフローチャートである。
【００５８】
このプログラムは、図４に示す加工診断監視プログラムの信号取得部２１０および異常有無判別部２３０を構成するものであり、図１に示す加工制御装置２０から受け取った制御状態情報が非加工動作制御モードによる制御を行なっていることを表わしており、かつその非加工動作を構成する個々の動作と同期した各タイミング信号を受信したときに実行される。ここでは、非加工動作を構成する複数の個別動作をひととおり実行する間、その非加工動作を構成する個別動作の数と同じ回数だけ、この図８の非加工動作異常検出プログラムが実行されるが、この非加工動作は、何回の加工動作ごとに繰り返し実行され、そのたびに、この図８の非加工動作異常検出プログラムがその非加工動作を構成する個別動作の数と同一回数実行される。
【００５９】
この図８に示す非加工動作異常検出プログラムが実行されると、図１に示す振動センサおよび音響センサからの振動波形信号および音響波形信号の測定が行なわれ（ステップｃ１）、非加工動作制御モードに対応するとともに今回の個別動作と同一の個別動作に対応する基準波形情報が図５に示す基準記憶部３５０から読み出され、それらに基づいて、振動と音響のそれぞれについて異常検出が行なわれる（ステップｃ２）。ここでの異常検出は、今回測定した信号に、基準波形情報としてあらかじめ求めておいた逆フィルタを作用させて残差信号を求め、その残差信号のレベルに基づいた異常検出が行なわれる。
【００６０】
このステップｃ２では、異常が、異常がないことを表わす‘異常なし’、程度の小さい異常があったことを表わす‘異常（小）’、程度の大きい異常があったことを表わす‘異常（大）’の３通りに検出される。
【００６１】
ステップｃ３では、その異常検出結果が判定され、異常（大）のときは、図１の加工制御装置２０に向けて加工機械１０を直ちに停止させるよう通知する（ステップｃ４）。一方、異常（小）のときは、‘機械異常（小）’が記憶されて異常（小）の発生が通知される。ここでの異常（小）の通知にあたっては、この加工診断監視装置３００の表示画面１０２ａ（図２参照）に、加工機械に異常（小）があった旨表示してもよく、あるいは、この加工診断監視装置３００で直接にブザーや警報ランプを駆動してオペレータに知らせてもよく、あるいは、この加工診断監視装置２００からは、加工機械に異常（小）があった旨加工制御装置２０（図１参照）に通知し、加工制御装置２０側で加工機械に異常（小）が発生した旨オペレータに通知し、あるいは加工機械に異常（小）が発生したときの制御モードに移行するようにしてもよい。また、異常なしのときは‘機械異常なし’が記憶される。
【００６２】
図９は、加工動作異常検出プログラムのフローチャートである。
【００６３】
このプログラムは、図８に示すプログラムと共に、図４に示す加工診断監視プログラム２００の信号取得部２１０および異常有無判定部２３０を構成するものであり、図１に示す加工制御装置２０から受け取った制御状態情報が加工動作制御モードによる制御を行なっていることを表わしており、かつその加工動作を構成する各個別動作と同期した各タイミング信号を受信したときに実行される。ここでは、１回の加工動作ごとにその加工動作を構成する個別動作の数と同じ回数だけ、この図９の非加工動作異常検出プログラムが実行される。
【００６４】
この図９に示す非加工動作異常検出プログラムが実行されると、図１に示す振動センサおよび音響センサからの振動波形信号及び音響波形信号の測定が行なわれ（ステップｄ１）、加工動作制御モードに対応するとともに今回の個別動作と同一の個別動作に対応する基準波形情報が、図５に示す基準記憶部３５０から読み出され、それらに基づいて、振動と音響のそれぞれについて異常検出が行なわれる（ステップｄ２）。ここでの異常検出は、今回測定した信号に、基準波形情報としてあらかじめ求めておいた逆フィルタを作用させて残差信号を求め、その残差信号のレベルに基づいた異常検出が行なわれる。
【００６５】
このステップｄ２では、図８のフローチャートのステップｃ２における異常検出の場合と同様、異常の検出として異常がないことを表わす‘異常なし’、程度の小さい異常があったことを表わす‘異常（小）’、程度の大きい異常があったことを表わす‘異常（大）’の３通りに検出される。
【００６６】
ステップｄ３では、その異常検出結果が判定され、異常（大）のときは、図１の加工制御装置２０に向けて加工機械１０を直ちに停止させるよう通知する（ステップｄ４）。一方、‘異常（小）’ときは、前回の非加工動作において‘機械異常（小）’が記憶されていたか否かが判定され（ステップｄ５）、‘機械異常（小）’ が記憶されていない（‘機械異常なし’が記憶されていた）ときは、加工不良が通知され、今回の加工不良が履歴情報として記憶される。履歴情報として記憶するのは、後の不良品解析に役立てるためである。
【００６７】
ここで、この加工不良の通知にあたっては、図８のステップｃ７における通知と同様、この加工診断監視装置３００の表示画面１０２ａ（図２参照）に、材料の加工に異常（小）があった旨表示してもよく、あるいは、この加工診断監視装置３００で直接にブザーや警報ランプを駆動してオペレータに知らせてもよく、あるいは、この加工診断監視装置２００からは、材料の加工に異常（小）があった旨加工制御装置２０（図１参照）に通知し、加工制御装置２０側で材料の加工に異常（小）が発生した旨オペレータに通知し、あるいは材料の加工に異常（小）が発生したときの制御モードに移行するようにしてもよい。
【００６８】
ステップｄ３において‘異常なし’と判定され、あるいはステップｄ５において‘機械異常（小）‘ありと判定されたときは、そのままこの図９のルーチンを終了する。
【００６９】
図１０は、図８，図９双方の異常検出プログラムに代えて採用することができる異常検出プログラムのフローチャートである。
【００７０】
このプログラムは、図４に示す加工診断監視プログラム２００の信号取得部２１０および異常有無判別部２３０を構成するものであり、図１に示す加工制御装置２０から受け取った制御状態情報が加工動作制御モードによる制御を行なっていることを表わしており、かつその加工動作を構成する個々の個別動作と同期した各タイミング信号を受信したときに実行される。ここでは、１回の加工動作ごとにその加工動作を構成する個別動作の数と同じ回数だけ、この図１０の加工動作異常検出プログラムが実行される。
【００７１】
この図１０に示す異常検出プログラムが実行されると、図１に示す振動センサおよび音響センサからの振動波形信号および音響波形信号の測定が行なわれ（ステップｅ１）、加工動作制御モードに対応するとともに今回の個別動作と同一の個別動作に対応する基準波形情報が図５に示す基準記憶部３５０から読み出され、それらに基づいて、振動と音響のそれぞれについて異常検出が行なわれる（ステップｅ２）。ここでの異常検出は、今回測定した信号に、基準波形情報としてあらかじめ求めておいた逆フィルタを作用させて残差信号を求め、その残差信号の大きさに基づいて異常検出が行なわれる。
【００７２】
このステップｅ２で行なわれる異常検出は、図９の加工動作異常検出プログラムのステップｄ２と同じであり、‘異常なし’、‘異常（小）’、‘異常（大）’の３通りに検出される。
【００７３】
ステップｅ３では、その異常検出結果が判定され、異常（大）のときは、図１の加工制御装置２０に向けて加工機械１０を直ちに停止させるよう通知される（ステップｅ４）。一方、異常（小）のときは、図１の加工制御装置２０に向けて加工機械１０に非加工動作を行なわせるよう依頼し（ステップｅ５）、非加工動作に切り換えられるまで待機し（ステップｅ６）、非加工動作に切り換えられると、その非加工動作のうちの、加工動作で異常（小）が検出された個別動作と同一の個別動作実行のタイミングで、図１に示す振動センサおよび音響センサからの振動波形信号及び音響波形信号が測定され（ステップｅ７）、今回の個別動作と同一個別動作に対応する非加工動作の基準波形情報（逆フィルタ）が図５に示す基準記憶部３５０から読み出され、それらに基づいて、振動と音響のそれぞれについて異常検出が行なわれる（ステップｅ８）。ここでも、この異常検出は、今回測定した信号に、基準波形情報としてのあらかじめ求めておいた逆フィルタを作用させて残差信号を求め、その残差信号のレベルに基づいた異常検出が行なわれる。
【００７４】
このステップｅ８でも、ステップｅ３と同様、異常の検出として‘異常なし’、‘異常（小）’、‘異常（大）’の３通りに検出される。
【００７５】
ステップｅ９ではその異常検出結果が判定され、異常（大）の大きいときは、図１に示す加工制御装置２０に向けて加工機械１０を直ちに停止させるよう通知される（ステップｅ４）。一方、ステップ９で異常なしと判定されたときは、加工不良があった旨通知され、今回の加工不良が履歴情報として記憶される。
【００７６】
ステップｅ３で異常なしと判定された場合はそのままこのルーチンを抜ける。また、ステップｅ３で異常（小）がある旨判定されてステップｅ９でも異常（小）がある旨判定されると材料加工の不良ではなく、加工機械自体のわずかな異常であるとみなされて、その旨通知される。
【００７７】
このように、図８，図９のルーチン、あるいは図１０のルーチンによれば、材料加工の良、不良を、高精度に判定することができ、またそれと同時に加工機械自体の異常も判定することができる。
【００７８】
図１１は、本発明の具体的な適用例を示す模式図である。
【００７９】
図１１には、加工機械の一例として、ＮＣマシニングセンタ制御装置２０Ａにより制御されるＮＣマシニングセンタ１０Ａが示されている。
【００８０】
ＮＣマニシングセンタ制御装置２０Ａは、コンピュータ、ＰＣＬ、専用機などで構成されており、ＮＣマシン１０Ａに向けて、通常の加工動作のほか、診断用ＮＣテストプログラムに基づく非加工動作を指示する。これらの加工動作、非加工動作には、３軸ボールネジの、正逆転させながらの位置や速度の変更、主軸回転数の変更、ツール交換などの動作が含まれる。ＮＣマシニングセンタ１０Ａには、音響センサが内蔵された集音器が設備されている。
【００８１】
加工機械、加工品質音響監視装置３０Ａは、制御状態情報から診断対象マシニングセンタの動作状態を知り、その動作状態に同期して、所定の診断対象動作（機械作動および材料加工）実行のタイミングを正確に見出し、音響測定を実行する。加工機械および加工作業正常時の音響情報を基準（正常）値とし記憶し、別の時点で測定した同タイミングの音響情報と比較する。
【００８２】
ＮＣマシニングセンタ１０Ａの診断対象部位毎に個別音響で判定するので、異常部位の特定も可能である。また材料加工時の任意のタイミングの加工音を正常加工音と比較して加工状態の良否判定をリアルタイムで実行することができる。
【００８３】
次に、逆フィルタおよびその逆フィルタを用いた異常の有無の検出方法について説明する。
【００８４】
任意の時系列信号は、適当な線型系に白色雑音を入力したときの出力と見なすことができる。与えられた時系列信号から対応する線型系を決定することは、線型予測分析と呼ばれ、確立した手法が存在する。通常そのようにして求められるものに、自己回帰モデル（ＡＲモデル）がある。これは標本化、離散化された時系列信号をＸ（ｎ）、ｎ＝１、２、・・・ とする時、第ｎ時点の信号Ｘ（ｎ）をそれ以前のＭ個の時点のデータから次のようにして決定するものである。
【００８５】
【数１】

【００８６】
ここでｅ（ｎ）は線型系への仮想的な入力信号で、白色雑音である。時系列信号が与えられた時、そのデータから係数の組｛Ａｋ ｝を求めることにより、その時系列信号に対する自己回帰モデルが決定される。
【００８７】
いま係数の組｛Ａｋ ｝が求まった時、時系列信号データ｛Ｘ（ｎ）｝を用いてＹ（ｎ）を次のように定義する。この時Ｙ（ｎ）はＸ（ｎ）の線型予測値といわれる。
【００８８】
【数２】

【００８９】
そこで次のような量を計算すると、（１）、（２）式から、
Ｘ（ｎ）−Ｙ（ｎ）＝ｅ（ｎ） …（３）
となり、残差は白色雑音となる。つまり、第ｎ時点の時系列信号データＸ（ｎ）から、それ以前のＭケのデータから求めた予測値Ｙ（ｎ）を減じると、入力の白色雑音が得られる。ここでは、Ｘ（ｎ）から予測値Ｙ（ｎ）を減じて残差ｅ（ｎ）を求めることを、逆フィルタを作用させると称している。このようにある時系列信号を適切な自己回帰モデルで表すことができれば、それを用いて構成された逆フィルタを元の時系列信号に作用させることにより、白色雑音を得る。すなわち入力信号は逆フィルタにより、白色化される。この場合、入力時系列信号は逆フィルタの設計時に用いた信号そのものでなくてもよく、その自己回帰モデルが同一のものすなわち同じ特性の信号であれば、出力として白色化された信号を得ることができる。ただし、時系列信号の特性が設計に用いたそれと異なっていた場合には、逆フィルタを作用させても白色化はされず、白色雑音は得られない。
【００９０】
そこで、正常時の作動音や振動等（作動音等）を担持する第１の時系列信号を用いて、逆フィルタを予め構成しておき、任意の時点で作動音等を担持する新たな第２の時系列信号を得、この第２の時系列信号に逆フィルタを作用させて出力を監視することにより、正常時とは異なる時系列信号（残差信号）を検出することが出来る。
【００９１】
本実施形態では、具体的には、以下の信号処理方法を採用することができる。
【００９２】
先ず、図５の基準演算部３２０において、設備が正常な状態にあるときに得られた音信号データあるいは振動信号データを１０２４点用いて、ＦＦＴ（高速フーリェ変換）を行い、それから電力スペクトルを求める。次にそれをＩＦＦＴ（逆高速フーリェ変換）して自己相関関数を求め、それを用いてＬｅｖｉｎｓｏｎのアルゴリズム（例えば三上著「ディジタル信号処理入門」ＣＱ出版発行参照）により計算し、逆フィルタの係数｛Ａｋ｝を求める。
【００９３】
その後、異常有無判定部３３０では、その逆フィルタを作用させて残差信号が求められるが、その残差信号を求めるための演算は、本実施形態では、係数｛ａ[ｋ]｝を用いて移動平均計算により行なわれる。
【００９４】
ここでは残差信号のパワーの移動平均を求めるために、まず残差信号の時系列から、１２８データを取り出し、ＦＦＴ、パワースペクトル計算、ＩＦＦＴを経て自己相関関数を求め、その原点のピーク値からパワーを求める。その後データの始点を５０点ずつずらしながら、パワーを順次求める。
【００９５】
逆フィルタとしては、一例として、次数Ｍ＝２７、係数｛ａ[ｋ]｝は、表１のものが採用される。
【００９６】
【表１】
ａ［ ０］＝ １．００００００
ａ［ １］＝−２．８８７３３０
ａ［ ２］＝ ３．９４７３４４
ａ［ ３］＝−３．５３５２４９
ａ［ ４］＝ ２．４４７０５３
ａ［ ５］＝−１．６２０１３３
ａ［ ６］＝ １．３１５３５２
ａ［ ７］＝−１．２６８１６１
ａ［ ８］＝ ０．９３７４７１
ａ［ ９］＝−０．３８０５７３
ａ［１０］＝−０．０４０９１９
ａ［１１］＝ ０．２８４０７６
ａ［１２］＝−０．３５３６６５
ａ［１３］＝ ０．３９７８４９
ａ［１４］＝−０．５３３１８５
ａ［１５］＝ ０．５０１９０２
ａ［１６］＝−０．２３８１７８
ａ［１７］＝−０．００３０４８
ａ［１８］＝ ０．１９２４２０
ａ［１９］＝−０．１６６８５４
ａ［２０］＝−０．０１０４９８
ａ［２１］＝ ０．０６１３８３
ａ［２２］＝ ０．０１７３２３
ａ［２３］＝−０．０１４１４６
ａ［２４］＝−０．１３１２４７
ａ［２５］＝ ０．２３９１５７
ａ［２６］＝−０．２４２４４４
ａ［２７］＝ ０．１１５６７８
【００９７】
図１２〜図１５は正常状態にある設備から得られる波形の一例を示すものであり、図１２は正常状態にある設備から採取された音信号の信号波形、図１３はこの音信号に逆フィルタを作用させた後の残差信号の信号波形、図１４はこの残差信号の電力スペクトル、図１５は残差信号の電力の移動平均を示している。
【００９８】
図１６〜図１９は、設備が異常状態にあるときに得られた波形の一例を示すもので、各図は、それぞれ図１２〜図１５と同じ形式の信号波形を示している。正常状態及び異常状態にある設備からそれぞれ得られた音信号の波形を示す図１２及び図１６を直接比較しても、これらから直ちに正常・異常を判断することは困難である。しかし、これらに逆フィルタを作用させて得られた残差信号を示す図１３及び図１７相互を分析することにより、正常・異常の判断が可能となる。
【００９９】
図１３及び図１７を比較すると容易に理解できるように、設備が正常状態にあるときは、残差信号の振幅は極めて小さいが、これと比較し、設備が異常状態になるとその振幅は極めて大きくなる。従って、残差信号における電力の最大値を基準として正常・異常の判断が可能となる。例えば設備が正常状態にあるときに得られた信号の最大電力よりも１０ｄＢ以上大きな残差信号の振幅を有する場合を異常、これ未満の残差信号の振幅を有する場合を正常と判定することで、正常・異常の判断を行なうことができる。
【０１００】
また、図１４及び図１８に示されたように、残差信号をフーリエ変換して得られたスペクトルにおいては、異常が発生すると電力スペクトルの増大が生ずる。例えば、図１４の電力のピークは１００ｄＢ以下であるが、図１８においては電力のピークはほぼ１２０ｄＢに達している。
【０１０１】
更に、残差信号の電力の移動平均を示す図１５及び図１９相互の比較を行うと、異常によってこの移動平均が増大することがわかる。例えば、設備が正常状態にあるときの移動平均の最大値よりも２０ｄＢ以上大きな移動平均データを示す場合は異常、これ未満のデータを示す場合は正常と判定できる。この方法を採用すると、異常の有無の判定が特に容易となり、短時間での異常検出が可能であるため、現場における実時間的な検出を行うことができて、特に好適である。なお、異常の種類によっては、電力の移動平均の分析よりも上記電力スペクトルの分析による検出の方が、より正確に欠陥の存在を検出できる。
【０１０２】
以上説明した実施形態は、本発明にいう基準波形情報として逆フィルタを作成しておき、残差信号を求めてその残差信号に基づいて異常の有無の検出を行なうものであるが、本発明は必ずしもこの検出方法を採用する必要はなく、例えば前述したスペクトル解析の手法や、統計的推定又は検定を行なう手法を採用してもよい。
【０１０３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、材料加工の良、不良を、加工機械の異常とは区別して正確に判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の加工診断監視システムを示す概念図である。
【図２】 本発明の加工診断監視装置の一実施形態として動作する診断用コンピュータの外観斜視図である。
【図３】 図２に示す診断用コンピュータのハードウェア構成図である。
【図４】 本発明の一実施形態としての加工診断監視プログラムの構成を示す図である。
【図５】 本発明の加工診断監視装置の一実施形態の機能ブロック図である。
【図６】 非加工動作基準作成プログラムのフローチャートである。
【図７】 加工動作基準作成プログラムのフローチャートである。
【図８】 非加工動作異常検出プログラムのフローチャートである。
【図９】 加工動作異常検出プログラムのフローチャートである。
【図１０】 図８，図９双方の異常検出プログラムに代えて採用することができる異常検出プログラムのフローチャートである。
【図１１】 本発明の具体的な適用例を示す模式図である。
【図１２】 正常状態にある設備から得られた音信号の波形図である。
【図１３】 図１２の信号に逆フィルタを作用させて得られた信号波形図である。
【図１４】 図１３の信号から得られた電力スペクトル図である。
【図１５】 図１３の信号から得られた電力の移動平均を示す図である。
【図１６】 異常状態にある設備から得られた音信号の波形図である。
【図１７】 図１６の信号に逆フィルタを作用させて得られた信号波形図である。
【図１８】 図１７の信号から得られた電力スペクトル図である。
【図１９】 図１７の信号から得られた電力の移動平均を示す図である。
【符号の説明】
１０ 加工機械
２０ 加工制御装置
３０ 加工診断監視装置
１０５ ＣＤ−ＲＯＭ
２００ 加工診断監視プログラム
２１０ 信号取得部
２２０ 基準演算部
２３０ 異常有無判定部
３００ 加工診断監視装置
３１０ 信号取得部
３２０ 基準演算部
３３０ 異常有無判定部
３４０ タイミング取得部
３５０ 基準記憶部

Claims (3)

1. 制御に応じて動作して材料の加工を行なう加工機械を制御する加工制御装置と、該加工制御装置に組み込まれあるいは該加工制御装置と連携して前記加工機械による材料の加工を監視し、該加工機械により加工された材料の加工の良、不良を診断する加工診断監視装置とを備えた加工診断監視システムにおいて、
   前記加工制御装置は、前記加工機械を材料加工用に動作させる加工動作制御モードと、前記加工機械を加工される材料なしで所定の動作をさせる非加工動作制御モードとの２つの制御モードで前記加工機械の動作を制御するものであって、
   前記加工診断監視装置は、
   前記加工機械から得られる、所定の物理量を担持する時系列信号を取得する信号取得部と、
   前記信号取得部で得られる、前記加工機械が前記加工動作制御モードによる制御を受けて動作しているタイミングにおける基準用時系列信号と前記加工機械が前記非加工動作制御モードによる制御を受けて動作しているタイミングにおける基準用時系列信号とのそれぞれについて各制御モードそれぞれに対応する各基準波形情報を求める基準演算部と、
   前記基準演算部で求められた各基準波形情報を、各制御モードに対応づけて記憶しておく基準記憶部と、
   前記信号取得部で得られる、前記加工機械が前記加工動作制御モードによる制御を受けて動作しているタイミングにおける診断用時系列信号と、前記基準記憶部に記憶されている、前記加工動作制御モードに対応する基準波形情報とに基づいて異常を検出する加工動作異常検出モードと、前記信号取得部で得られる、前記加工機械が前記非加工動作制御モードによる制御を受けて動作しているタイミングにおける診断用時系列信号と、前記基準記憶部に記憶されている、前記非加工動作制御モードに対応する基準波形情報とに基づいて異常を検出する非加工動作異常検出モードとを有し、前記加工動作異常検出モードにおいて異常が検出されるとともに前記非加工動作異常検出モードにおいて異常が検出されなかった場合に、前記加工機械により加工された材料の加工が不良であると判定する加工不良有無判定部とを備え、
   前記加工制御装置は、前記非加工動作制御モードによる制御を行なうにあたり、加工されるべき材料の有無の相違を除き、前記加工機械に、前記加工動作制御モードによる制御における前記加工機械の動作と同一の動作を含む動作を行なわさせるものであることを特徴とする加工診断監視システム。
2. 前記加工不良有無判定部は、前記加工機械により加工された材料の加工の良、不良の判定を行なうと共に前期非加工動作異常検出モードによる異常検出結果に基づいて、前記加工機械自体の正常、異常を判定するものであることを特徴とする請求項１記載の加工診断監視システム。
3. 前記基準演算部は、前記基準用時系列信号に基づいて、該基準用時系列信号を得たときの制御モードに対応する逆フィルタを求める演算を含む演算により、前記基準波形情報を求めるものであり、前記加工不良有無判定部は、前記診断用時系列信号に、該診断用時系列信号を得たときの制御モードと同一の制御モードに対応する逆フィルタを作用させることにより、残差信号を求める演算を含む演算を行ない、該演算の結果に基づいて、材料加工の良不良を判定するものであることを特徴とする請求項１記載の加工診断監視システム。

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