JP4874200B2

JP4874200B2 - プレス成形中の割れ発生位置検知方法

Info

Publication number: JP4874200B2
Application number: JP2007243299A
Authority: JP
Inventors: 大輔安福
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2007-09-20
Filing date: 2007-09-20
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2027-09-20
Also published as: JP2009074883A

Description

本発明は、プレス成形中の材料に割れが発生したときに、割れ発生の有無のみならず発生位置をも、音響センサを用いて検知することができるプレス成形中の割れ発生位置検知方法に関するものである。

プレス成形中の材料の割れを検知することは、連続プレス生産設備において不具合発見のために重要である。そこで従来から、歪ゲージや音響センサ（ＡＥセンサ）等を用いて割れを検知する方法が開発されている。

例えば特許文献１には、加工機のフレームに歪ゲージを貼り付けて割れに伴う振動波形を検出し、検出した信号を微分処理し、判定回路で判定するとともに、原波形を正常な原波形と比較して判定し、両者の判定結果を元に割れの検出を行う方法が開示されている。しかしこの方法では割れ発生の有無を検出できるのみであり、割れ発生場所までは特定することができない。

また特許文献２には、プレス成形中の不良発生を音響センサ（ＡＥセンサ）を用いて検出する方法が開示されている。これは音響の測定時間と材料の加工量との関係を考慮して不良発生の有無を検出する方法であるが、やはり不良発生の有無を検出できるのみであり、不良発生場所までは特定することができない。

このほか、特許文献３にはプレス成形品を包含するレーザ光線を照射し、基準漏洩面積と比較することによってプレス成形品の割れを検出する方法が開示されている。しかしこの方法は音響や振動を利用するものではない。また、プレス成形された後で検出を行う方法であるから、プレス成形中の割れ発生位置を検知することは不可能である。
特開２００５−７４４５７号公報特開２００７−４４７１６号公報特開２００６−１４５３２６号公報

従って本発明の目的は従来の問題点を解決し、音響センサを用いて、プレス成形中の割れ発生位置を直ちに検知することができるプレス成形中の割れ発生位置検知方法を提供することである。ただし本発明においては、成形解析などによって予め定めた複数の割れ懸念位置のうちの何れにおいて割れが発生したかを検知するのであって、材料の全域にわたって割れ発生位置の座標を特定するのではない。

上記の課題を解決するためになされた本発明は、プレス金型の外面の複数位置にマイクロフォンを取付けて、プレス成形中の材料の割れ発生による音響波形をマイクロフォンを用いて測定し、複数の割れ懸念位置に衝撃荷重を入力した場合の、各マイクロフォン取付位置におけるプレス成形中の音響伝播特性をＣＡＥ解析による過渡応答解析計算を用いて予め計算しておき、測定された音響波形と、前記音響伝播特性からそれぞれ特徴ベクトルを算出し、両方の特徴ベクトルを比較することで、いずれの割れ懸念位置で割れが発生したかを判別することを特徴とするものである。

この場合、請求項２のように、波形ピークの値を元に特徴ベクトルを算出する方法、請求項３のように、自乗ノルムの値を元に特徴ベクトルを算出する方法、請求項４のように、特定周波数領域での自乗ノルムの値を元に特徴ベクトルを算出する方法等を採用することができる。

具体的な音響センサとしては、請求項５に記載のように、マグネットベースを備えたマイクロフォンを用いることが好ましい。

本発明によれば、音響センサにより、複数の割れ懸念位置のいずれにおいて材料の割れが発生したかを、プレス成形中に検知することができる。また測定されたアナログ信号である音響波形を迅速に分析するために、波形の特徴を代表的に表わすことのできる特徴ベクトルを計算して比較する方法を採用すれば、短時間で演算可能となり、プレス成形中の検知が可能となる。特徴ベクトルの算出には、請求項２、３、４の３通りの方法を採用することができる。なお請求項５のように、音響センサとしてマグネットベースを備えたマイクロフォンを用いれば、プレス金型への着脱が容易で実用性に優れる。

以下に本発明の実施形態を説明する。
この実施形態では、図１に示す形状の自動車用部品を、ダイス、ポンチ、ブランク押えなどを備えた公知のプレス成形機によりプレス成形する。素材はＧＡ９８０の鋼板であり、プレス荷重は１５０トンである。予め行った部品形状のＣＡＥ解析（コンピュータ・エイディッド・エンジニアリング：有限要素法等の解析手法）により、プレス成形後の残留応力の大きい三ヶ所の角Ｒ部を割れ懸念位置とした。

図１中に示すように、この実施形態における割れ懸念位置１は前端のコーナー部、割れ懸念位置２は側面やや後方の折れ曲がり部、割れ懸念位置３は後端部である。このような割れ懸念位置は、既存のＣＡＥ解析技術によって精度よく決定することができるが、新規形状でない場合には過去の割れ不良の実績に基づいて決定することもでき、新規形状の場合にも試験プレスを行うことによって決定することができる。本発明は実際の割れが、これらの割れ懸念位置１、２、３の何れにおいて発生したかをプレス中に検知しようとするものである。

図２は図１に示す部品のプレス金型であり、部品の割れ懸念位置１、２、３に対応する位置を図示した。本発明では、プレス金型の外面の複数位置に音響センサを取付けた。ここでは３個の音響センサ１、２、３をプレス金型の外面に取付けた。音響センサとしては、マイクロフォンが有効で、マグネットベース４にマイクロフォン５をセットしたものが便利であり、プレス金型の成形中に他の部材と干渉するおそれのない位置に容易に装着することができ、また必要のないときには取り外すことができる。なお、音響センサ１、２、３の位置と割れ懸念位置１、２、３とは対応するものではなく、この実施形態では音響センサ１、２はプレス金型の長辺の２箇所に、音響センサ３は短辺に装着した。

このように複数の割れ懸念位置と複数の音響センサ取付け位置とを決定したのち、各割れ懸念位置から各音響センサ取付位置へのプレス成形中の音響伝播特性を求める。この音響伝播特性はＣＡＥ解析によって行うことができるが、具体的には、それぞれの割れ懸念位置に衝撃荷重を入力した場合の、各音響センサ取付位置における過渡応答（加速度）を解析計算する。

その解析結果は例えば図３に示すとおりである。図３の上段は割れ懸念位置１に衝撃荷重を入力した場合の、音響センサ１、２、３の位置における過渡応答特性を示すもので、中段は割れ懸念位置２に衝撃荷重を入力した場合、下段は割れ懸念位置３に衝撃荷重を入力した場合である。

本発明では、実際にプレス成形中に音響センサ１、２、３によりプレス成形中の割れ発生による音響波形を測定し、上記の音響伝播特性と比較し、いずれの割れ懸念位置で割れが発生したかを判別するのであるが、図３に示されるような波形や実測波形のままでは比較することが容易ではない。そこで次のように特徴ベクトルの計算を行う。

特徴ベクトルは各波形の特徴を代表的に表わすものであり、元の信号をｘ１，ｘ２・・・ｘＮとしたとき、以下の３通りの算出方法が考えられる。なお、ｘ１は音響センサ１による実測波形、ｘ２は音響センサ２による実測波形、ｘ３は音響センサ３による実測波形である。この実施形態ではＮ＝３である。

第１の特徴ベクトル算出方法はピーク値による方法であり、各波形のピーク値（最大値）を求めて１に正規化する方法である。この場合の計算式は、数１の通りである。この式においてＸ_ｉは、原信号１〜Ｎのうちｉ番目の信号の相対的な大きさを示す。すなわち、各音響センサにより検出された実測波形のピーク値を、最大ピーク値を１として示した値となる。この場合の特徴ベクトルは例えば（１.０、０.１、０.４）となり、音響センサ１による実測波形を１.０として、音響センサ２では０.１、音響センサ３では０.４となることを意味している。

第２の特徴ベクトル算出方法は自乗ノルムによる方法であり、各波形の自乗ノルムを求めて１に正規化する方法である。この場合の計算式は、数２の通りである。この式においてもＸ_ｉは、原信号１〜Ｎのうちｉ番目の信号の相対的な大きさを示す。波形の自乗ノルムは波形の面積に相当する。この場合の特徴ベクトルは例えば（１.０、０.0、０.１）となり、音響センサ１による実測波形を１.０として、音響センサ２では０.０、音響センサ３では０.１となることを意味している。

第３の特徴ベクトル算出方法は周波数解析による方法である。すなわち、各波形ｘ１，ｘ２・・・ｘＮをローパスフィルタＧによりフィルタリングし、特定周波数領域に変換したうえ、その自乗ノルムを求めて１に正規化する方法である。この場合の計算式は、数３の通りである。この式においてもＸ_ｉは、原信号１〜Ｎのうちｉ番目の信号の相対的な大きさを示す。

以上に音響センサの実測波形の特徴ベクトルを求める３種類の方法を説明したが、図３に示した各音響センサ１、２、３の位置における過渡応答特性の波形についても、同様に特徴ベクトルを求める。図３に示す９種類の過渡応答特性は、ｙ11,ｙ12,ｙ13,ｙ21,ｙ22,ｙ23,ｙ31,ｙ32,ｙ33であり、ｙ11,ｙ12,ｙ13は割れ懸念位置１に衝撃荷重を印加したときの音響センサ１、２、３の位置における過渡応答特性、ｙ21,ｙ22,ｙ23は割れ懸念位置２に衝撃荷重を印加したときの音響センサ１、２、３の位置における過渡応答特性、ｙ31,ｙ32,ｙ33は割れ懸念位置３に衝撃荷重を印加したときの音響センサ１、２、３の位置における過渡応答特性である。

割れ懸念位置１に衝撃荷重を印加したときの過渡応答特性Ｙ１（ｙ11,ｙ12,ｙ13）、割れ懸念位置２に衝撃荷重を印加したときの過渡応答特性Ｙ２（ｙ21,ｙ22,ｙ23）、割れ懸念位置３に衝撃荷重を印加したときの過渡応答特性Ｙ３（ｙ31,ｙ32,ｙ33）について上記と同様に特徴ベクトルを求める。これらの過渡応答特性Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３について、ピーク値手法と自乗ノルム手法により求めた特徴ベクトルを表１にまとめた。また音響センサ１、２、３による実測波形Ｘ（x1,x2,x3）についても、ピーク値手法と自乗ノルム手法により求めた特徴ベクトルを表１中に記した。

このようにして算出された両方の特徴ベクトルを比較し、誤差が最も小さい割れ懸念位置を実際の割れ位置と判定する。判定式は数４の通りである。この式により計算された誤差も表１中に記した。

この実施形態では、ピーク値手法で求めた特徴ベクトル、自乗ノルム手法で求めた特徴ベクトルの何れを比較しても、割れ懸念位置１の過渡応答特性Ｙ１が実測波形Ｘとの誤差が最小となるので、割れ懸念位置１で割れが発生したと判定される。なお、割れ発生の有無自体は、波形ピーク値が閾値を越えたか否かによって容易に判断できるので、説明を省略する。このような特徴ベクトルの演算やその比較はコンピュータを用いて瞬時に行うことができるので、プレス工程中にどの割れ懸念位置で実際の割れが発生したかを検知することが可能である。

以上に説明した本発明のフローを図４にまとめた。なお、この実施形態では割れ懸念位置と音響センサ取付位置をそれぞれ３としたが、その数は自由に増減できることはいうまでもない。またプレス成形品の形状も一例を示したにすぎず、割れ懸念位置が特定できれば、各種の形状に利用できることは言うまでもない。

本発明によれば、プレス金型に取付けた複数の音響センサを用いて、プレス成形中の割れ発生位置を直ちに検知することができる。このため本発明を連続プレス生産設備に利用すれば、プレス工程中の不具合発見をリアルタイムで行うことができ、不良品発生に起因する後工程の混乱を最小限に留めることができるという実用的価値がある。

実施形態におけるプレス部品形状を示す斜視図である。実施形態におけるプレス金型と割れ懸念位置、音響センサ取付位置を示す斜視図である。割れ懸念位置に衝撃荷重を入力した場合の、各音響センサ取付位置における過渡応答の解析結果を示すグラフである。本発明のフローを示すブロック図である。

符号の説明

１音響センサ
２音響センサ
３音響センサ
４マグネットベース
５マイクロフォン

Claims

プレス金型の外面の複数位置にマイクロフォンを取付けて、プレス成形中の材料の割れ発生による音響波形をマイクロフォンを用いて測定し、複数の割れ懸念位置に衝撃荷重を入力した場合の、各マイクロフォン取付位置におけるプレス成形中の音響伝播特性をＣＡＥ解析による過渡応答解析計算を用いて予め計算しておき、測定された音響波形と、前記音響伝播特性からそれぞれ特徴ベクトルを算出し、両方の特徴ベクトルを比較することで、いずれの割れ懸念位置で割れが発生したかを判別することを特徴とするプレス成形中の割れ発生位置検知方法。
波形ピークの値を元に特徴ベクトルを算出することを特徴とする請求項１記載のプレス成形中の割れ発生位置検知方法。
自乗ノルムの値を元に特徴ベクトルを算出することを特徴とする請求項１記載のプレス成形中の割れ発生位置検知方法。
特定周波数領域での自乗ノルムの値を元に特徴ベクトルを算出することを特徴とする請求項１記載のプレス成形中の割れ発生位置検知方法。
マグネットベースを備えたマイクロフォンを用いることを特徴とする請求項１記載のプレス成形中の割れ発生位置検知方法。