JP5159399B2 - 接触検出装置、加工装置及び接触検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、砥石などのツールを被加工物に接触させて加工を行う加工装置、ツールと被加工物又はツールドレッサとの接触を検出する接触検出装置及び方法に関する。特に周囲環境の影響を低減してツールと被加工物の接触を確実に検出する技術に関する。

ツールを被加工物（ワーク）に接触させて加工を行う加工装置、特に回転する砥石を回転するワークに接触させて研削する研削盤では、ツール（砥石）とワークとの接触検出、ドレッシングツール（ドレッサ）によるツール（砥石）のドレッシングの完了検出、ツール（砥石）が所定の基準ピンと接触することを検出することによるツールの位置決め、及びツール（砥石）と加工装置のほかの部分との衝突の検出などのために、ＡＥ(Acoustic Emission)センサが使用される。ＡＥセンサは、対象とする周波数などに応じて各種の方式があるが、研削盤などの加工装置で使用するＡＥセンサは、数十ｋＨｚ〜数百ＭＨｚの超音波領域を対象とし、圧電素子などで構成される。

以下、研削盤において、砥石でワークを研削する場合を例として説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、ツールをワークに接触させて加工を行う加工装置であればどのようなものにも適用可能である。また、ここでは、砥石がワーク又はドレッサに接触したことを検出する場合を例として説明するが、本発明はこれに限らず、砥石をワーク又はドレッサに接触させて加工またはドレッシングを行っている場合にも効果がある。

ＡＥセンサについては、ＮＤＩＳのＮｏ．２１０６−７９、２１０６−９１などに、ＡＥセンサを使用した研削盤については、特許文献１などに記載されているように、広く知られているので、ここではＡＥセンサ及び研削盤の詳しい説明は省略し、本発明に直接関係する部分についてのみ説明する。

一般に、研削盤が配置されるのは周囲にも研削盤などの他の加工機が配置される場所であり、それらの他の加工機からのノイズの影響が避けられない。信号とノイズとを分離する従来の方法として、ローバスフィルタやバンドパスフィルタを使用する方法がある。

特開平６−１１４６９２号公報

しかし、ローバスフィルタやバンドパスフィルタでは信号に近い周波数のノイズは分離することができず、また特に接触検出の誤検出を生じさせすい大きなスパイクノイズが通過してしまうという問題がある。特にローパスフィルタによってノイズを除去する場合には、フィルタによる処理が軽い、すなわちカットオフ周波数が高すぎるとノイズも通過してしまい、フィルタによる処理が重い、すなわちカットオフ周波数が低すぎると入力から出力までの遅延が長くなり、ノイズから分離すべき信号の減衰量も大きくなる。また、加工装置からＡＥセンサで検出する信号自体がノイズ信号と似た性質を有しているため、検出対象の信号とノイズとの明確な分離が難しい。

上記問題点に鑑み、本発明は、上記のような問題を解決するもので、ＡＥセンサの出力信号を用いた接触検出において検出精度を向上することを目的とする。

上記目的を達成するために、本装置及び本方法では、加工装置に設けられるＡＥセンサから得られるＡＥ信号の、直近の所定長期間における中央値を順次決定し、決定される中央値の強度に基づいてツールと被加工物との接触判定を行う。
ＡＥ信号から、上述のようなその中央値から生成した信号を生成することにより、ＡＥ信号に含まれる突発的なノイズによる影響を容易に除去又は大幅に低減することができる。従来のローパスフィルタによるノイズの除去と比べると、同程度のノイズの除去を行う場合に、入力から出力までの遅延量をより少なくすることができ、有効な信号の減衰量を低減することができる。

本発明によれば、突発的なノイズによる影響を容易に除去又は大幅に低減することができる一方で有効な信号の減衰量を低減することができ、また接触から検出までの遅延量を低減することができるので、検出精度を向上することが可能となる。

以下、添付する図面を参照して本発明の実施例を説明する。図１は、本発明の実施例の研削盤を含む加工システム１の全体構成を示す図である。研削盤１０のベース１１の上にはワークＷを保持して回転させる機構と、移動ベース１２とが設けられている。移動ベース１２には、砥石１４を回転させる砥石回転機構１３が設けられる。研削盤１０は、加工機制御装置１５により制御される。なお、砥石１４は、新しいものに交換した時やある程度の時間使用した時に、砥石１４の表面を研削に適した状態にするため、ドレッシング処理と呼ばれる処理を行う。この処理では、回転する砥石１４に、ドレッサを接触させて砥石１４の表面処理を行う。以上の部分は通常の研削盤１０を含む加工システムと同じである。

砥石回転機構１３の筐体にはＡＥ(Acoustic Emission)センサ２１が取り付けられ、砥石１４で発生するＡＥ波が砥石回転機構１３の筐体を通してＡＥセンサ２１に伝達され、ＡＥセンサ２１はＡＥ信号を発生する。接触検出装置２２は、ＡＥ信号を処理して砥石１４がワークＷに接触したことを検出して加工機制御装置１５に通知する。

図２は、接触検出装置２２の概略構成を示すブロック図である。図示するように、接触検出装置２２は、入力したＡＥ信号を所定の強度に増幅する増幅器３１と、増幅器３１から出力されたアナログ信号をデジタルＡＥ信号に変換するＡ／Ｄ変換器３２と、中央値フィルタ３３と、判定部３４とを備える。

中央値フィルタ３３は、直近の所定長の期間内に入力されたデジタルＡＥ信号の信号値のうちの中央値を決定して判定部３４へ出力する。また、判定部３４は、中央値フィルタ３３の出力が所定の閾値を超えるか否かを判定し、所定の閾値を超えるときに接触検出信号を出力する。これら中央値フィルタ３３及び判定部３４は、例えばデジタル・シグナル・プロセッサ（ＤＳＰ）により容易に実現することができる。

図３は、本発明の実施例による接触検出方法を示すフローチャートである。ステップＳ１では、砥石回転機構１３により砥石１４を回転させ、移動ベース１２により砥石１４をワークへ近づける際に、砥石回転機構１３の筐体に設けられたＡＥセンサ２１がＡＥ信号を発生させる。ＡＥ信号は、増幅器３１により所定の強度に増幅され、Ａ／Ｄ変換器３２によってデジタルＡＥ信号に変換され、中央値フィルタ３３に入力される。
図４の（Ａ）は中央値フィルタ３３に入力されるＡＥ信号を示す図である。ＡＥ信号は、砥石１４がワークＷに接触し始める時刻ｔ１において信号強度が増大し始めるが、周囲からのノイズに起因して、ＡＥ信号は時刻ｔ１以前に突発的な大きなスパイクノイズＮ１〜Ｎ６を含んでいる。

図３に示すステップＳ２において、中央値フィルタ３３は、直近の所定長の期間内に入力されたデジタルＡＥ信号の信号値のうちの中央値Ｍを決定する。すなわち、中央値フィルタ３３は、現在、図４の（Ａ）に示す時刻ｔｓ２においてＡＥセンサから出力されたＡＥ信号を入力するときに、所定長ΔＴの直近の期間（ｔｓ１〜ｔｓ２）においてＡＥセンサから出力されたＡＥ信号の中央値Ｍを決定する。

中央値フィルタ３３は、例えば、直近の期間（ｔｓ１〜ｔｓ２）にＡＥセンサから出力されたＡＥ信号の各サンプルを順次記憶してゆき、それらサンプルを図４の（Ｂ）に示すように信号強度順に並べ、その中央に位置するサンプルの信号強度を中央値フィルタの出力値Ｍとする。たとえば図４の（Ｂ）に示す例では、期間ｔｓ１〜ｔｓ２の間に取得したＮ個のサンプルを信号強度順に並べたときのＮ／２番目の値を出力値Ｍとする。
また、中央値を決定するために使用される直近の期間（ｔｓ１〜ｔｓ２）の時間幅ΔＴを調節できるように、中央値フィルタ３３を構成してもよい。時間幅ΔＴを調整することによって、中央値フィルタ３３によるノイズの除去効果の強度を調節することができ、加工システム１の使用環境のノイズレベルに合わせて中央値フィルタ３３の強度を設定することができる。
図４の（Ｃ）は中央値フィルタ３３の出力信号を示す図である。中央値フィルタ３３は、所定長の期間（ｔｓ１〜ｔｓ２）における入力信号の中央値を出力するため、入力信号が突発的なスパイクノイズＮ１〜Ｎ６を含んでいても、これらノイズを出力信号から除去又は大幅に低減することができる。

ステップＳ３では、判定部３４が中央値フィルタ３３の出力が所定の閾値Ｔｈ０を超えるか否かを判定し、図４の（Ｃ）に示すように時刻ｔ２において所定の閾値Ｔｈ０を超えると、接触検出信号を加工機制御装置１５へ出力する。加工機制御装置１５は、接触検出信号を受信すると、例えば砥石１４の回転速度を加工時に必要な非常な低速へ回転速度へ変化させる。

図５の（Ａ）〜図５の（Ｃ）を参照して、中央値フィルタ３３によるノイズ除去の有利性を説明する。図５の（Ａ）はＡＥ信号を示す図であり、図５の（Ｂ）は図５の（Ａ）に示す信号を入力した従来のローパスフィルタの出力信号の例を示す図であり、図５の（Ｃ）は図５の（Ａ）に示す信号を入力した中央値フィルタ３３の出力信号の例を示す図である。

図５の（Ａ）に示す時刻ｔ１において、砥石１４とワークＷとの接触によりＡＥ信号が増大し始めたとする。このとき、ローパスフィルタの出力信号の増大は、フィルタの時定数のために入力信号の増大よりも緩慢になる（図５の（Ｂ）を参照）。一方で、中央値フィルタ３３の出力信号は、図５の（Ｃ）に示すようにローパスフィルタの出力信号よりも急峻が増大している。

また、図５の（Ｂ）に示すようにローパスフィルタの出力信号は、参照符号Ｎ７に示す部分において入力信号におけるスパイクノイズＮ１〜Ｎ３などの成分が通過し、信号強度が変動している。一方で中央値フィルタ３３の出力信号は、入力信号におけるスパイクノイズＮ１〜Ｎ６が十分に減衰している。
このように、中央値フィルタ３３によりノイズ除去を行う場合、中央値を選択する期間長を適切に設定することによって、ローパスフィルタを使用する場合よりも、入力信号に対する出力信号の追従性を維持しつつ、スパイクノイズＮ１〜Ｎ６をより除去することが可能となる。

このため、ローパスフィルタによるノイズ除去を用いた接触検出では、スパイクノイズＮ１〜Ｎ３などによる誤検出を避けるために、やや高めの閾値Ｔｈ１を設定して出力信号が閾値Ｔｈ１を超えたときに接触したと検出する必要があるのに対して、中央値フィルタ３３によるノイズ除去を用いた接触検出ではより低い閾値Ｔｈ０を使用することが可能となり、中央値フィルタ３３における入力信号に対する出力信号の遅れが少ないのに加えて、より接触検出タイミングを早めることが可能である。

上述のとおり、本発明によれば、従来のローパスフィルタによりノイズ除去を行う場合よりも、スパイクノイズをより除去しつつ入力信号の波形をより保存することができ、ＡＥセンサの出力信号による接触検出の精度を向上することが可能となる。これによって、周囲でクーラントの噴射や他の機械の動作により突発的なノイズが慢性的に生じる環境下においても、安定した接触検出を行うことが期待できる。

本発明は、砥石などのツールを被加工物に接触させて加工を行う加工装置、ツールと被加工物又はツールドレッサとの接触を検出する接触検出装置に利用可能である。

本発明の実施例による加工システムの全体構成を示す図である。 本発明の実施例による接触検出装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施例による接触検出方法を示すフローチャートである。 （Ａ）はＡＥ信号を示す図であり、（Ｂ）は直近の所定長期間ΔＴにおいて採取されたＡＥ信号の複数のサンプルを信号強度順に並べた状態を示す図であり、（Ｃ）は中央値フィルタ３３の出力信号を示す図である。 （Ａ）はＡＥ信号を示す図であり、（Ｂ）は従来のローパスフィルタの出力信号を示す図であり、（Ｃ）は中央値フィルタ３３の出力信号を示す図である。

符号の説明

１ 加工システム
１０ 研削盤
１１ ベース
１２ 移動ベース
１３ 砥石回転機構
１４ 砥石
２１ ＡＥセンサ
Ｗ ワーク

Claims (3)

1. 被加工物にツールを接触させて加工する加工装置に設けられるＡＥセンサと、
   前記ＡＥセンサから得られるＡＥ信号から所定処理により信号を生成するフィルタと、
   前記フィルタから出力される信号強度に基づいて前記被加工物と前記ツールとの接触判定を行う判定部と、を備え、
   前記フィルタは、直近の所定長期間において前記ＡＥセンサより得られる信号値の中央値を順次生成するフィルタであることを特徴とする接触検出装置。
2. 請求項１に記載の接触検出装置を備える加工装置。
3. 被加工物にツールを接触させて加工する加工装置において、前記被加工物と前記ツールとの接触検出を行う接触検出方法であって、
   前記加工装置に設けられるＡＥセンサから得られるＡＥ信号の、直近の所定長期間における中央値を順次決定し、
   決定される前記中央値の強度に基づいて前記被加工物と前記ツールとの接触判定を行うことを特徴とする接触検出方法。

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