JP7413109B2

JP7413109B2 - 研削加工不具合予知装置

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Publication number: JP7413109B2
Application number: JP2020051889A
Authority: JP
Inventors: 智五十君; 智実大橋
Original assignee: Noritake Co Ltd
Current assignee: Noritake Co Ltd
Priority date: 2020-03-23
Filing date: 2020-03-23
Publication date: 2024-01-15
Anticipated expiration: 2040-03-23
Also published as: JP2021146489A

Description

本発明は、被削材が研削砥石により研削される研削加工において、表面粗さの悪化や形状崩れを予知する研削加工不具合予知装置に関するものである。

研削加工装置において被削材を研削砥石により研削加工中に砥粒の破砕や作用砥粒数が変化して、予測に反して被削材の表面粗さが悪化したり、形状崩れが発生したりする場合がある。このような場合には、研削加工中の被削材が不良品となることが避けられなかった。

これに対して、研削砥石に含まれる砥粒などの破砕に関連して発生する破砕振動を表すＡＥ信号（ａｃｏｕｓｔｉｃｅｍｉｓｓｉｏｎｓｉｇｎａｌ：周波数がたとえば１００ｋＨｚ以上の超音波領域である振動波）を検出し、そのＡＥ信号に基づいて研削焼け、目詰まり、砥石の切れ味、砥石周面状態などの研削工具の研削面状態を判定し或いは監視する装置が提案されている。

たとえば、特許文献１には、ビトリファイド研削砥石において発生する研削砥石側ＡＥ信号を検出するための研削砥石側ＡＥセンサと、被削材において発生する被削材側ＡＥ信号を検出するための被削材側ＡＥセンサと、前記研削砥石側ＡＥ信号および被削材側ＡＥ信号を周波数解析する周波数解析手段とを備え、その周波数解析手段によりそれぞれ周波数解析された研削砥石側ＡＥ信号および被削材側ＡＥ信号に基づいて、前記ビトリファイド研削砥石の研削面状態を判定することで、研削砥石の研削面状態の判定或いは評価の精度が充分に得られる研削面状態評価装置が提案されている。

上記従来の研削面状態評価装置では、ビトリファイド研削砥石に関して、研削砥石側ＡＥセンサから出力される研削砥石側ＡＥ信号は、砥粒と無機結合材との界面剥離（１００ｋＨｚから２ＭＨｚ）、砥粒自体のクラック（１００ｋＨｚから２ＭＨｚ）、無機結合材自体のクラック（１００ｋＨｚから２ＭＨｚ）を表し、被削材側ＡＥセンサから出力される被削材側ＡＥ信号は、被削材の塑性変形（１００ｋＨｚから８００ｋＨｚ）、被削材の脆性破壊（２００ｋＨｚから７００ｋＨ）を表すとされており、それら研削砥石側ＡＥ信号および被削材側ＡＥ信号から周波数解析により得られた本来のＡＥ信号がニューラルネットワークに入力されることで、たとえば研削砥石の研削焼けや表面状態が判定される。

特開２０００－２３３３６９号公報

しかしながら、上記従来の研削面状態評価装置では、研削工具側ＡＥ信号が幅広い周波数帯、たとえば１００ｋＨｚから２ＭＨｚの周波数帯で検出されるものであるため、研削工具側ＡＥ信号に含まれる複数種類の情報、たとえば砥粒自体の破砕および砥粒と被削材との接触による摩擦や弾性振動を、それぞれ独立して検出することができなかった。このため、それらを定量的に評価することができず、研削加工中に砥粒の破砕や作用砥粒数が変化して、予測に反して被削材の表面粗さが悪化したり、形状崩れが発生したりすることが予測できなかった。

本発明は以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、研削加工中に被削材の表面粗さが悪化したり、形状崩れが発生したりすることが予測でき、研削歩留りを向上させることができる研削加工不具合予知装置を提供することにある。

本発明者は、以上の事情を背景として種々検討を重ねた結果、ＡＥセンサから出力されるＡＥ信号を高速且つ高分解能のＡＤ変換器を用いてデジタル化した後、周波数解析（ＦＦＴ）すると、パワースペクトラムのうち１００ｋＨｚよりも低い周波数帯において、相対的に低周波数の第１周波数帯のピーク信号群と、第１周波数帯よりも相対的に高周波の第２周波数帯のピーク信号群とが、周波数軸上において明確に現れ、第１周波数帯のピーク信号群の第１信号強度、および、第１信号強度と第２周波数帯のピーク信号群の第２信号強度との信号強度比が、それぞれ研削加工中の表面粗さの悪化に先立って変化するという事実を見いだした。本発明は、斯かる知見に基づいて為されたものである。

すなわち、本発明の要旨とするところは、（ａ）被削材を研削する砥粒を含む研削砥石による被削材の研削加工中の加工不具合を予測する研削加工不具合予知装置であって、前記研削加工中に前記研削砥石において発生するＡＥ信号を検出するＡＥセンサと、前記ＡＥセンサから出力されるＡＥ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器によりデジタル信号に変換されたＡＥ信号を周波数解析してパワースペクトラムを得る周波数解析部と、前記周波数解析部により得られたパワースペクトラムのうちの１００ｋＨｚ以下の周波数領域において、第１周波数帯の第１信号強度の変化に基づいて、または、前記第１信号強度と第２周波数帯の第２信号強度との信号強度比の変化に基づいて、前記研削加工中の加工不具合の発生を予測する加工不具合予知部とを含むことにある。

本発明の研削加工不具合予知装置によれば、第１周波数帯の第１信号強度の変化に基づいて、または、前記第１信号強度と第２周波数帯の第２信号強度との信号強度比の変化に基づいて、前記研削加工中の加工不具合の発生を予測する加工不具合予知部を備えているので、研削加工中の表面粗さの悪化に先立って、被削材の研削加工中の加工不具合が予測される。これにより、研削加工中の被削材が不良品となることが低減されるので、研削歩留りが向上する。

ここで、好適には、前記研削加工不具合予知装置において、予め研削試験を行なって、前記研削加工中の研削不具合を予測するための不具合予知判定閾値を予め設定する判定閾値設定部を有し、前記加工不具合予知部は、前記信号強度比が前記判定閾値設定部により予め設定された前記不具合予知判定閾値を超えたことに基づいて前記加工不具合の発生を予測するものである。このように、前記信号強度比が前記判定閾値設定部により予め設定された前記不具合予知判定閾値を超えたことに基づいて前記研削加工中の加工不具合の発生が予測されるので、直ちに研削加工を停止することで、研削加工中の被削材が不良品となることが低減されるので、研削歩留りが向上する。

また、好適には、前記研削加工不具合予知装置において、前記第１周波数帯は、２５から４０ｋＨｚの周波数帯の少なくとも一部（たとえば第１周波数帯の中心周波数）を含む周波数帯であり、前記第２周波数帯は、４５から６５ｋＨｚの周波数帯の少なくとも一部（たとえば第２周波数帯の中心周波数）を含む周波数帯であることにある。このようにすれば、前記研削砥石の砥粒破砕に由来する第１周波数帯の第１信号強度、或いは、前記第１信号強度と前記研削砥石の砥粒と被削材の接触（擦れ）に由来する第２周波数帯の第２信号強度とを用いて、前記研削砥石による被削材の表面粗さの悪化を正確に予測することができる。

また、好適には、前記研削加工不具合予知装置において、前記第１周波数帯は、２５から４０ｋＨｚの周波数帯であり、前記第２周波数帯は、４５から６５ｋＨｚの周波数帯であることにある。このようにすれば、前記研削砥石の砥粒破砕に由来する第１周波数帯の第１信号強度、或いは、前記第１信号強度と前記研削砥石の砥粒と被削材の接触（擦れ）に由来する第２周波数帯の第２信号強度とを用いて、前記研削砥石による被削材の表面粗さの悪化を正確に予測することができる。

また、好適には、前記研削加工不具合予知装置において、前記Ａ／Ｄ変換器のサンプリング周期は、１０μ秒以下、好適には５μ秒以下、さらに好適には１μ秒以下である。このように、高い分解能を有するＡ／Ｄ変換器によれば、ＡＥ信号を周波数解析したパワースペクトラムの１００ｋＨｚ以下の領域から、前記研削砥石の砥粒破砕に由来する第１周波数帯の第１信号強度、および前記研削砥石の砥粒と被削材の接触（擦れ）に由来する第２周波数帯の第２信号強度が好適に得られる。

本発明の一実施例の研削加工不具合予知装置を備える研削加工装置の構成を説明する図である。図１の研削加工装置による研削面状態における電着ホイールから得られるＡＥ信号の発生メカニズムを説明する図である。図１の研削面状態を示す第１信号強度ＳＰ１および第２信号強度ＳＰ２ならびに信号強度比ＳＲ（＝ＳＰ１／ＳＰ２）を、図１の面状態表示装置に表示した表示例を示す図である。ＣＢＮビトリファイド砥石を用いて被削材を研削したときに発生したＡＥ波から得られたパワースペクトラムを示す図である。ＣＢＮ電着ホイールを用いて被削材を研削したときに発生したＡＥ波から得られたパワースペクトラムを示す図である。ＣＢＮ電着ホイールを用いて繰り返し研削を行なったときに、第１周波数帯Ｂ１から得られる第１信号強度ＳＰ１、およびＣＢＮ電着ホイールの単位面積当たりの累積破砕砥粒数（粒／ｍｍ^２）の変化を示す折線グラフである。ＣＢＮ電着ホイールを用いて繰返し研削を行なったときに、第２周波数帯Ｂ２から得られる第２信号強度ＳＰ２およびＣＢＮ電着ホイールの砥粒の作用面積率（％）の変化を示すグラフである。ＣＢＮ電着ホイールを用いて繰り返し研削を行ったときに研削加工回数すなわちカット数に対して、研削加工された被削材の表面粗さＲａおよび第１周波数帯Ｂ１の第１信号強度ＳＰ１の値の推移を示す図である。ＣＢＮ電着ホイールを用いて繰り返し研削を行ったときに研削加工毎すなわちカット毎に、ＣＢＮ電着ホイールを駆動するモータの駆動電力波形と、第１周波数帯Ｂ１の第１信号強度ＳＰ１と、表面粗さＲａとを示す図である。図１の研削加工装置に備えられる演算制御装置による研削加工の不具合発生を予知する制御作動の要部を説明するフローチャートを示す図である。

以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例において図は適宜簡略化或いは変形されており、各部の寸法比及び形状等は必ずしも正確に描かれていない。

図１は、本発明の一実施例の研削加工不具合予知装置１０を備え、研削面評価装置としても機能する研削加工装置１２の構成を説明する図である。図１において、研削加工装置１２には、溶融アルミナ系砥粒、炭化珪素系砥粒、セラミックス砥粒などの一般砥粒や、ＣＢＮ砥粒、ダイヤモンド砥粒などの超砥粒などを含む、ビトリファイド砥石、レジノイド砥石、メタルボンド砥石、電着ホイール等の研削砥石が用いられる。本実施例においては、研削砥石として、図１に示す研削ホイール１４が用いられる。研削ホイール１４は、円筒状或いはドラム状の金属コアすなわち本体１８の外周面に固設された砥石部１６を有しており、主軸駆動モータ６２により回転駆動される回転軸に装着される。研削ホイール１４は、たとえば８０ｍ／秒程度以上の比較的高い周速度で駆動され、たとえば柱状の被削材（ワーク）４４の表面を研削する。

研削加工不具合予知装置１０は、ＡＥセンサ２２と、プリアンプ２４と、プリアンプ２４により増幅されたＡＥ信号ＳＡＥを所定の搬送波を用いて送信する送信回路２６と、送信回路２６から送信されたＡＥ信号ＳＡＥを受信するためのアンテナ２８を有する受信回路３０と、バンドパスフィルタ３２と、Ａ／Ｄ変換器３４と、演算制御装置３６とを、備えている。ＡＥセンサ２２は、砥石部１６に含まれる砥粒３８の破砕時に発生し且つ砥石部１６内を伝播するたとえば２０ｋＨｚ以上の超音波領域である極めて周波数の高い破砕振動（ａｃｏｕｓｔｉｃｅｍｉｓｓｉｏｎ）を砥石部１６の内周面から検出し、その破砕振動を表すアナログの電気信号であるＡＥ信号ＳＡＥを出力する。プリアンプ２４は、ＡＥセンサ２２から出力されたＡＥ信号ＳＡＥを増幅する。バンドパスフィルタ３２は、受信回路３０により受信された搬送波を通過させる所定の通過周波数帯を備える。Ａ／Ｄ変換器３４は、搬送波から復調されたＡＥ信号ＳＡＥをデジタル信号に変換する。演算制御装置３６は、デジタル信号に変換されたＡＥ信号ＳＡＥを処理する。

上記のＡＥセンサ２２、プリアンプ２４、および、送信回路２６は、研削ホイール１４の本体１８内に設けられている。Ａ／Ｄ変換器３４は、高分解能を有し、たとえば１０μ秒（マイクロ秒）以下のサンプリング周期、好適には５μ秒以下のサンプリング周期、さらに好適には１μ秒以下のサンプリング周期で、ＡＥ信号ＳＡＥをデジタル信号に変換する。Ａ／Ｄ変換器３４のサンプリング周期は、短くなるほど（高速となるほど）、砥粒破砕に由来する第１周波数帯Ｂ１および砥粒３８と被削材４４との接触に由来する第２周波数帯Ｂ２が明確となる。

研削ホイール１４の砥石部１６は、たとえば図２に示すように、砥粒３８と、それら砥粒３８を結合するニッケル等の金属メッキ４０とから成るよく知られた電着ホイール組織から構成されており、被削材４４との摺接によって、砥粒３８自体のクラックＣａすなわち破砕の発生に由来する第１周波数帯Ｂ１の振動、砥粒３８および被削材４４との接触すなわちこすれＣｂによって発生する摩擦振動或いは弾性振動に由来する第２周波数帯Ｂ２の振動が発生し、それらの振動を含む破砕振動すなわちＡＥ波が、ＡＥセンサ２２によって検出される。

図１の演算制御装置３６は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、インターフェースなどを含む所謂マイクロコンピュータであって、ＣＰＵはＲＡＭの一時記憶機能を利用しつつ予めＲＯＭに記憶されたプログラムに従って入力信号を処理することにより、研削面状態を判定するための、研削面状態を表す数値、グラフ、或いは図形などを算出し、研削面状態表示装置としても機能する面状態表示装置４８から出力させるとともに、研削制御装置７２へ送信する。

研削加工不具合予知装置１０の演算制御装置３６は、周波数解析部５０、研削面状態出力部５２、ドレッシング面状態出力部５４、判定閾値設定部５６、および加工不具合予知部５８を機能的に備えている。周波数解析部５０は、被削材４４の研削加工中或いは研削ホイール１４のドレッシング中において、Ａ／Ｄ変換器３４から入力されたＡＥ信号ＳＡＥの周波数解析（ＦＦＴ）を行なって、信号パワーを示す縦軸と周波数を示す横軸との二次元座標において、周波数成分の大きさを示す種々の信号パワーを周波数毎にピーク波形で周波数軸（横軸）上に示すパワースペクトラムを生成する。

研削面状態出力部５２は、被削材４４の研削加工中において、上記パワースペクトラムから、たとえば３２．５ｋＨｚを中心部に含む予め設定された第１周波数帯Ｂ１、たとえば２５から４０ｋＨｚの第１周波数帯Ｂ１についての第１信号強度ＳＰ１、および、たとえば５５ｋＨｚを中心部に含む予め設定された第２周波数帯Ｂ２、たとえば４５から６５ｋＨｚの第２周波数帯Ｂ２についての第２信号強度ＳＰ２と、信号強度比ＳＲ（＝ＳＰ１／ＳＰ２）とをそれぞれ算出し、面状態表示装置４８に出力する。図３は、面状態表示装置４８が液晶画面或いは計器に表示されるレベルメータである場合の、被削材４４の研削面状態を表す第１信号強度ＳＰ１、第２信号強度ＳＰ２、および信号強度比ＳＲの表示例を示している。

ドレッシング面状態出力部５４は、ロータリドレッサ４６を用いた研削ホイール１４のドレッシング中において、上記パワースペクトラムから、たとえば３５ｋＨｚを中心部に含む予め設定された第１周波数帯Ｂ１についての第１信号強度ＳＰ１、および、たとえば５５ｋＨｚを中心部に含む予め設定された第２周波数帯Ｂ２についての第２信号強度ＳＰ２をそれぞれ算出し、面状態表示装置４８へ出力する。第１周波数帯Ｂ１は、たとえば２５から４０ｋＨｚの周波数帯である。第２周波数帯Ｂ２は、たとえば４５から６５ｋＨｚの周波数帯である。また、第１信号強度ＳＰ１および第２信号強度ＳＰ２は、たとえば各周波数における振幅（加速度）の実効値を周波数軸に対して積分した振動強度積分値である。

判定閾値設定部５６は、たとえば後述する図８或いは図９に示すように、被削材４４の研削加工中の第１信号強度ＳＰ１の変化、或いは、第１信号強度ＳＰ１と第２信号強度ＳＰ２との信号強度比ＳＲ（＝ＳＰ１／ＳＰ２）の変化と、被削材４４に発生する面粗度の荒れとの関係を、研削試験により求め、研削自動制御部７４による研削加工に先立って、研削不具合の予知判定をするための不具合予知判定閾値ＴＴ１、ＴＴ２、ΔＴＴ１、或いは、ΔＴＴ２を予め決定し、設定（記憶）する。

また、加工不具合予知部５８は、研削ホイール１４を用いた被削材４４の研削中において、研削面状態出力部５２からの第１信号強度ＳＰ１、又は、第１信号強度ＳＰ１と第２信号強度ＳＰ２との信号強度比ＳＲ（＝ＳＰ１／ＳＰ２）が、被削材４４の面粗度の荒れに先立って変化する性質を利用して、第１信号強度ＳＰ１が不具合予知判定閾値ＴＴ１を、信号強度比ＳＲが不具合予知判定閾値ＴＴ２を、第１信号強度ＳＰ１の単位時間当たりの変化幅ΔＳＰ１が不具合予知判定閾値ΔＴＴ１、または、信号強度比ＳＲの単位時間当たりの変化幅ΔＳＲが不具合予知判定閾値ΔＴＴ２を、超えたことに基づいて研削加工の不具合発生を予知判定し出力する。

不具合予知判定閾値ＴＴ１は、予め実験的に求められた第１信号強度ＳＰ１と被削材４４に発生する面粗度の荒れとの関係に基づいて、研削加工の不具合を予測できるように予め設定される。同様に、不具合予知判定閾値ＴＴ２は、予め実験的に求められた信号強度比ＳＲと被削材４４に発生する面粗度の荒れとの関係に基づいて予め設定される。同様に、不具合予知判定閾値ΔＴＴ１は、予め実験的に求められた第１信号強度ＳＰ１の単位時間当たりの変化幅ΔＳＰ１と被削材４４に発生する面粗度の荒れとの関係に基づいて予め設定される。同様に、不具合予知判定閾値ΔＴＴ２は、予め実験的に求められた信号強度比ＳＲの単位時間当たりの変化幅ΔＳＲと被削材４４に発生する面粗度の荒れとの関係に基づいて予め設定される。

ここで、ＡＥセンサ２２によって検出されるＡＥ波から高速且つ高分解能のＡ／Ｄ変換器３４を用いてデジタル信号に変換されたＡＥ信号ＳＡＥの周波数解析により得られるパワースペクトラムにおいて、第１周波数帯Ｂ１内のピーク波形信号群および第２周波数帯Ｂ２内のピーク波形信号群の発生要因について、本発明者が行なった研削試験を、以下に説明する。研削試験１は、研削ホイール１４としてＣＢＮビトリファイド砥石およびＣＢＮ電着ホイールを用いて被削材４４を研削した時にそれぞれ得られるパワースペクトラムにおいて、ピーク波形信号群で構成される第１周波数帯Ｂ１および第２周波数帯Ｂ２の発生状態の検証試験である。

（研削試験１）
第１周波数帯Ｂ１および第２周波数帯Ｂ２の発生要因を確認するために、以下の研削条件１で、ＣＢＮビトリファイド砥石およびＣＢＮ電着ホイールによる研削、および、ＣＢＮビトリファイド砥石のドレッシングをおこなった。
研削条件１
研削工具：ＣＢＮビトリファイド砥石ＣＢ８０Ｎ２００Ｖ
直径４００ｍｍ×厚み３０ｍｍ
研削工具：ＣＢＮ電着ホイールＣＢ８０Ｐ
直径４００ｍｍ×厚み３０ｍｍ
研削方式：湿式プランジ研削
研削工具の周速度：４５ｍ／ｓｅｃ（２１２２ｒｐｍ）
被削材：ＳＣＭ４３５（焼入）
直径５０ｍｍ×厚み１０ｍｍ
被削材の周速度：０．４５ｍ／ｓｅｃ
切込み速度：Ｒ０．８ｍｍ／ｍｉｎ
取り代：切込量Ｒ１．０４ｍｍ（加工前被削材径５０ｍｍφ）
研削代断面積で１６０ｍｍ^２相当
スパークアウト：１０ｒｅｖ．
研削油：ＳＥＣ７００（×５０）
流量：２０Ｌ／ｍｉｎ
ドレッシング工具：ロータリドレッサＳＤ４０Ｑ７５Ｍ
直径１００ｍｍ×砥材層厚み１ｍｍ
ドレス周速度：Ｖｗ＝４５ｍ／ｓ，Ｖｄ＝１３．５ｍ／ｓ（Ｖｄ／Ｖｗ＝０．３）
ドレスリード：０．１０ｍｍ／ｒ．ｏ．ｗ．
ドレス切込量：Ｒ０．００２ｍｍ／ｐａｓｓ×１０ｐａｓｓ
※ドレッシング実施はＣＢＮビトリファイド砥石のみ

図４および図５は、ＣＢＮビトリファイド砥石およびＣＢＮ電着ホイールが被削材ＳＣＭ４３５（焼入）を研削したときに発生したＡＥ波から得られたパワースペクトラムをそれぞれ示している。図５に示すＣＢＮ電着ホイールのパワースペクトラムでは、図４に示すＣＢＮビトリファイド砥石のパワースペクトラムと同様に、２５～４０ｋＨｚの第１周波数帯Ｂ１と４５～６５ｋＨｚの第２周波数帯Ｂ２とが存在している。第１周波数帯Ｂ１のピーク波形信号群は、砥粒３８の破砕に由来するものと考えられる。しかし、第２周波数帯Ｂ２のピーク波形信号群は、砥粒３８が金属メッキ４０（ニッケルめっき）で結合されているＣＢＮ電着ホイールでも発生しているため、ボンドの破砕に由来するものではないと考えられる。

図６は、ＣＢＮ電着ホイールにより研削試験１の条件で繰り返し研削を行なったカット数（研削回数）を横軸とし、第１周波数帯Ｂ１についての第１信号強度ＳＰ１および単位面積当たりの累積破砕砥粒数（粒／ｍｍ^２）を縦軸とした二次元座標において、ＣＢＮ電着ホイールの研削時に発生する第１周波数帯Ｂ１から得られる第１信号強度ＳＰ１、およびＣＢＮ電着ホイールの単位面積当たりの累積破砕砥粒数（粒／ｍｍ^２）の変化を示すグラフである。単位面積当たりの累積破砕砥粒数（粒／ｍｍ^２）は、ＣＢＮ電着ホイールの研削面を撮像したＳＥＭ写真（１０ｋｖ０．５ｍｍ×５０２．４ｍｍ×１．８ｍｍ）から二段レプリカによる破砕砥粒定量化手法を用いて算出した。

図６において、ＣＢＮ電着ホイールの研削面の累積破砕砥粒数は、カット数の増加と共に増加し、カット数が所定値（１５０カット）に到達した以降は、収束している。第１信号強度ＳＰ１はカット数が所定値（約１５０カット）に到達するまでは振動ピークが多発し、カット数が所定値（約１５０カット）に到達した以降は、振動ピークが収まり安定した。このことからも、第１周波数帯Ｂ１のピーク波形信号群は、砥粒３８の破砕に由来するものと考えられる。

図７は、研削試験１の条件で繰り返し研削を行なったカット数（研削回数）を横軸とし、第２周波数帯Ｂ２についての第２信号強度ＳＰ２および砥粒３８の作用面積率（％）を縦軸とした二次元座標において、ＣＢＮ電着ホイールの研削時に発生する第２周波数帯Ｂ２から得られる第２信号強度ＳＰ２、およびＣＢＮ電着ホイールの砥粒３８の作用面積率（％）の変化を示すグラフである。砥粒３８の作用面積率（％）は、ＣＢＮ電着ホイールの研削面を計測したレーザ顕微鏡の３Ｄ形状測定結果から最も突出し高さが高い砥粒３８を検索し、その砥粒３８の先端から１０μｍの範囲にある砥粒３８の分断面積を算出し、その分断面積からその割合を算出した。

図７において、ＣＢＮ電着ホイールの研削時に発生する第２周波数帯Ｂ２から得られる第２信号強度ＳＰ２、およびＣＢＮ電着ホイールの砥粒３８の作用面積率（％）は、共に、カット数の増加に伴って増加し、カット数が所定値（約２３０カット）に到達した以降は、共に減少した後、その減少が停止する。このことから、第２周波数帯Ｂ２のピーク波形信号群は、砥粒３８の被削材４４に対する作用面積に比例しており、砥粒３８と被削材４４との接触（摺接）によって発生する摩擦振動或いは弾性振動に由来するものと考えられる。

図１に戻って、研削加工装置１２は、研削ホイール１４が取り付けられた図示しない主軸を回転駆動する主軸駆動モータ６２と、円柱状の被削材４４を回転駆動する被削材回転駆動モータ６４と、研削ホイール１４を円柱状の被削材４４の外周面に押し当てるために被削材４４を径方向に移動させる被削材移動モータ６６と、ロータリドレッサ４６を回転駆動するドレッシング工具回転駆動モータ６８と、ロータリドレッサ４６をその回転中心線Ｃ２方向に送るドレッシング工具送りモータ７０と、研削制御装置７２とを備えている。

研削制御装置７２は、演算制御装置３６と同様のマイクロコンピュータから構成されており、研削自動制御部７４およびドレッシング制御部７６を機能的に備えている。研削自動制御部７４は、研削開始指令信号を受けると、予め設定された動作で研削ホイール１４および被削材４４をそれぞれ回転駆動しつつ相対移動させるように、主軸駆動モータ６２、被削材回転駆動モータ６４、および、被削材移動モータ６６を制御して被削材４４を研削し、所定の切込量での被削材４４の研削が完了すると被削材４４の回転を停止させるとともに原位置へ戻す。

演算制御装置３６は、被削材４４の研削加工の過程において、研削面状態出力部５２から出力された実際の第１信号強度ＳＰ１、第２信号強度ＳＰ２、或いは信号強度比ＳＲ（＝ＳＰ１／ＳＰ２）を、面状態表示装置４８に表示させる。

本実施例においては、研削加工不具合予知装置１０は、ＡＥセンサ２２と、Ａ／Ｄ変換器３４と、周波数解析部５０と、研削面状態出力部５２と、加工不具合予知部５８とを、含むことにより構成される。ＡＥセンサ２２は、研削ホイール１４のドレッシング中に発生するＡＥ信号ＳＡＥを検出する。Ａ／Ｄ変換器３４は、ＡＥセンサ２２から出力されるＡＥ信号ＳＡＥをデジタル信号に変換する。

周波数解析部５０は、Ａ／Ｄ変換器３４によりデジタル信号に変換されたＡＥ信号ＳＡＥを周波数解析してパワースペクトラムを得る。研削面状態出力部５２は、周波数解析部５０により得られたパワースペクトラムのうち、第１周波数帯Ｂ１の第１信号強度ＳＰ１、第２周波数帯Ｂ２の第２信号強度ＳＰ２、および信号強度比ＳＲ（＝ＳＰ１／ＳＰ２）を逐次算出する。

加工不具合予知部５８は、研削面状態出力部５２により逐次算出された第１周波数帯Ｂ１の第１信号強度ＳＰ１、第２周波数帯Ｂ２の第２信号強度ＳＰ２、および信号強度比ＳＲ（＝ＳＰ１／ＳＰ２）から、第１信号強度ＳＰ１が予め設定された不具合予知判定閾値ＴＴ１を超えたことに基づいて、またはその変化率すなわち単位時間当たりの変化幅ΔＳＰ１が予め設定された不具合予知判定閾値ΔＴＴ１を超えたことに基づいて、研削加工の不具合発生を予知判定し、研削加工不具合の予知を行なう。或いは、加工不具合予知部５８は、信号強度比ＳＲが予め設定された不具合予知判定閾値ＴＴ２を超えたことに基づいて、またはその変化率すなわち単位時間当たりの変化幅ΔＳＲが予め設定された不具合予知判定閾値ΔＴＴ２を超えたことに基づいて、研削加工の不具合発生を予知判定し、研削加工不具合の予知を行なう。

ドレッシング制御部７６は、研削加工不具合予知装置１０によって研削加工不具合が予知されると、研削自動制御部７４に研削を停止させるとともにドレッシングを開始させる。ドレッシング制御部７６によるドレッシングでは、ロータリドレッサ４６が、研削ホイール１４の円柱状の砥石部１６の外周面に予め設定された切込量で切り込まれ且つ研削ホイール１４の回転中心線Ｃ１に沿って走査させ、走査回数が予め設定された所定数に到達するまで、この動作が繰り返し実行させられる。或いは、電着ホイール等のドレッシングによる目立て作業を前提としない研削ホイール１４の場合は機械の動作を停止させ、警告を出して不具合が予知されたことを操作者に伝える。

図８は、研削加工回数すなわちカット数に対して、研削加工された被削材４４の表面粗さＲａ（平均値、△印）および第１周波数帯Ｂ１の第１信号強度ＳＰ１（◆印）の推移を示している。カット数が０から１５０の間では第１周波数帯Ｂ１の第１信号強度ＳＰ１に多くのピークが見られる。これは電着ホイールにおける砥粒に内在するクラックＣａを起点に多く破砕することにより発生する。１５０カットを超えると、第１信号強度ＳＰ１のピーク発生は収束している。本発明者は、第１信号強度ＳＰ１が収束した１５０カット以降で、カット数が１７０付近において第１信号強度ＳＰ１が急激に増加してから、その直後に表面粗さＲａ（μｍ）が急増（悪化）するという、表面粗さ悪化の予知現象を見出した。これにより、第１信号強度ＳＰ１の変化を判定するための不具合予知判定閾値ＴＴ１或いはΔＴＴ１を予め設定し、第１信号強度ＳＰ１が不具合予知判定閾値ＴＴ１を超えたことに基づいて、或いは、第１信号強度ＳＰ１の変化幅が不具合予知判定閾値ΔＴＴ１を超えたことに基づいて、研削加工の不具合予知が判定され得る。

また、図９は、カット毎に、研削ホイール１４を駆動するモータの駆動電力波形と、表面粗さＲａ（△印）と、信号強度比ＳＲ（○印）とを示したものであるが、本発明者は、信号強度比ＳＲが上昇してから、その直後に表面粗さＲａの悪化と消費電力値（ｋＷ）の低下とが同時に発生するという、表面粗さ悪化の予知現象を見出した。これにより、信号強度比ＳＲの変化を判定するための不具合予知判定閾値ＴＴ２或いはΔＴＴ２を予め設定し、信号強度比ＳＲが予め設定された不具合予知判定閾値ＴＴ２を超えたことに基づいて、または、信号強度比ＳＲの変化幅が予め設定された不具合予知判定閾値ΔＴＴ２を超えたことに基づいて、研削加工不具合の予知が行なわれ得る。そして、上記の予知がドレッシング開始加工条件とされることで、自動的にドレッシングが開始されることにより研削加工品質が好適に維持される。また、電着ホイール等のドレッシングによる目立て作業を前提としない研削ホイール１４の場合は機械の動作を停止させ、警告を出して不具合が予知されたことを操作者に伝えることにより研削加工品質が好適に維持される。従来では、表面粗さＲａが大きくなってからしか、ドレッシングを開始できなかった。

図１０は、演算制御装置３６による研削加工の不具合発生を予知する制御作動の要部を説明するフローチャートの例であり、所定の制御周期で繰り返し実行される。図１０において、ステップＳ１（以下、ステップを省略する）では、不具合予知判定閾値ＴＴ２（或いはΔＴＴ２）が設定済であるか否かが判断される。

Ｓ１の判断が肯定される場合は、Ｓ４以下が実行されるが、否定される場合は、Ｓ２において、予め行われた研削試験時において計測された（すなわち正常時の）ＡＥ信号ＳＡＥが周波数解析されることにより得られたパワースペクトラムからの、第１周波数帯Ｂ１の第１信号強度ＳＰ１と第２周波数帯Ｂ２の第２信号強度ＳＰ２との信号強度比ＳＲ（＝ＳＰ１／ＳＰ２）が逐次算出される。

続くＳ３では、予め行われた研削試験時において表面粗さ悪化が発生したときの直前の信号強度比ＳＲの変化に基づいて、その変化後の値よりも所定値小さい値が不具合予知判定閾値ＴＴ２として予め決定される。（或いは、上記信号強度比ＳＲの変化幅よりも所定値小さい変化幅が不具合予知判定閾値ΔＴＴ２として予め決定される。）

次に、研削自動制御部７４に対応するＳ４では、研削ホイール１４を用いた被削材４４の研削加工が開始される。続いて、研削面状態出力部５２に対応するＳ５、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８が実行される。Ｓ５では、研削加工の進行に伴ってＡＥセンサ２２により検出され且つＡ／Ｄ変換器３４によりデジタル信号に変換されたＡＥ信号ＳＡＥが逐次読み込まれ、Ｓ６では、Ｓ５により読み込まれたＡＥ信号ＳＡＥが逐次周波数解析され、Ｓ７では、信号強度比ＳＲが逐次算出される。

そして、Ｓ８では、信号強度比ＳＲを平滑化して安定した値が得られるように信号強度比ＳＲの特定時間当たりの移動平均値が算出される。

次いで、加工不具合予知部５８に対応するＳ９において、信号強度比ＳＲの移動平均値が不具合予知判定閾値ＴＴ２を超えたか否かが判断される。（或いは、信号強度比ＳＲの移動平均値の変化幅が不具合予知判定閾値ΔＴＴ２を超えたか否かが判断される。）

Ｓ９の判断が否定された場合は、Ｓ１０においてたとえば予め設定されて切込量が達成されて研削加工の完了条件が成立したことに基づいて研削加工の完了であるか否かが判断される。Ｓ１０の判断が肯定されると、Ｓ１１において研削加工が自動的に終了させられる。Ｓ１０の判断が否定された場合は、Ｓ５以下が繰り返し実行される。

Ｓ９の判断が肯定された場合は、研削加工中に被削材４４の表面粗さＲａが悪化することが予知された場合であるので、Ｓ１１において、表面粗さＲａの悪化前に研削加工が終了させられる。

上述のように、本実施例の研削加工不具合予知装置１０によれば、被削材４４を研削する砥粒３８を含む研削砥石１４による被削材４４の研削加工中の加工不具合を予測する研削加工不具合予知装置１０であって、研削加工中に研削砥石１４において発生するＡＥ信号ＳＡＥを検出するＡＥセンサ２２と、ＡＥセンサ２２から出力されるＡＥ信号ＳＡＥをデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器３４と、Ａ／Ｄ変換器３４によりデジタル信号に変換されたＡＥ信号ＳＡＥを周波数解析してパワースペクトラムを得る周波数解析部５０と、周波数解析部５０により得られたパワースペクトラムのうちの１００ｋＨｚ以下の周波数領域において、第１周波数帯Ｂ１の第１信号強度ＳＰ１の変化に基づいて、または、第１信号強度ＳＰ１と第２周波数帯Ｂ２の第２信号強度ＳＰ２との信号強度比ＳＲの変化に基づいて、研削加工中の加工不具合の発生を予測する加工不具合予知部５８とを備えているので、研削加工中の被削材４４の表面粗さＲａの悪化に先立って、被削材４４の研削加工中の加工不具合が予測される。これにより、研削加工中の被削材４４が不良品となることが低減されるので、研削歩留りが向上する。

また、本実施例の研削加工不具合予知装置１０によれば、予め研削試験を行なって、前記研削加工中の研削不具合を判定するための不具合予知判定閾値ＴＴ１，ＴＴ２，ΔＴＴ１，ΔＴＴ２を予め設定する判定閾値設定部５６を有し、加工不具合予知部５８は、第１信号強度ＳＰ１または信号強度比ＳＲが判定閾値設定部５６により予め設定された不具合予知判定閾値ＴＴ１，ＴＴ２を超えたことに基づいて、或いは、第１信号強度ＳＰ１の変化値または信号強度比ＳＲの変化値が判定閾値設定部５６により予め設定された不具合予知判定閾値ΔＴＴ１，ΔＴＴ２を超えたことに基づいて、研削加工中の加工不具合の発生を予測するものである。このように、第１信号強度ＳＰ１または信号強度比ＳＲが判定閾値設定部５６により予め設定された不具合予知判定閾値ＴＴ１，ＴＴ２を超えたことに基づいて、或いは、第１信号強度ＳＰ１の変化値または信号強度比ＳＲの変化値が判定閾値設定部５６により予め設定された不具合予知判定閾値ΔＴＴ１，ΔＴＴ２を超えたことに基づいて、研削加工中の被削材４４の加工不具合の発生が予測されるので、直ちに研削加工を停止することで、研削加工中の被削材４４が不良品となることが低減されるので、研削歩留りが向上する。

また、本実施例の研削加工不具合予知装置１０によれば、第１周波数帯Ｂ１は、２５から４０ｋＨｚの周波数帯の少なくとも一部（たとえば第１周波数帯Ｂ１の中心周波数）を含む周波数帯であり、第２周波数帯Ｂ２は、４５から６５ｋＨｚの周波数帯の少なくとも一部（たとえば第２周波数帯Ｂ２の中心周波数）を含む周波数帯である。このようにすれば、研削ホイール１４の砥粒破砕に由来する第１周波数帯Ｂ１の第１信号強度ＳＰ１の変化、および、第１信号強度ＳＰ１と研削ホイール１４の砥粒３８と被削材４４の接触に由来する第２周波数帯Ｂ２の第２信号強度ＳＰ２との信号強度比ＳＲの変化に基づいて、研削ホイール１４による被削材４４の表面粗さＲａの悪化を正確に予測することができる。

また、本実施例の研削加工不具合予知装置１０によれば、第１周波数帯Ｂ１は、２５から４０ｋＨｚの周波数帯であり、第２周波数帯Ｂ２は、４５から６５ｋＨｚの周波数帯であることにある。このようにすれば、研削ホイール１４の砥粒破砕に由来する第１周波数帯Ｂ１の第１信号強度ＳＰ１の変化に基づいて、または、第１信号強度ＳＰ１と研削ホイール１４の砥粒３８と被削材４４の接触に由来する第２周波数帯Ｂ２の第２信号強度ＳＰ２との信号強度比ＳＲの変化に基づいて、研削ホイール１４による被削材４４の表面粗さＲａの悪化を正確に予測することができる。

また、本実施例の研削加工不具合予知装置１０によれば、Ａ／Ｄ変換器３４のサンプリング周期は、１０μ秒以下、好適には５μ秒以下、さらに好適には１μ秒以下である。このように、高い分解能を有するＡ／Ｄ変換器３４によれば、ＡＥ信号ＳＡＥを周波数解析したパワースペクトラムのうちの１００ｋＨｚ以下の周波数領域から、研削ホイール１４の砥粒破砕に由来する第１周波数帯Ｂ１の第１信号強度ＳＰ１の変化に基づいて、または、第１信号強度ＳＰ１と研削ホイール１４の砥粒３８と被削材４４との接触により発生する摩擦振動或いは弾性振動に関連する第２周波数帯Ｂ２の第２信号強度ＳＰ２との信号強度比ＳＲの変化が好適に得られる。

以上、本発明の一実施例を図面を用いて説明したが、本発明はその他の態様においても適用される。

たとえば、前述の実施例において、周波数解析部５０によりＡＥ信号ＳＡＥから生成されたパワースペクトラムの１００ｋＨｚ以下の領域から、砥粒破砕に由来する第１周波数帯Ｂ１の第１信号強度ＳＰ１と研削ホイール１４の砥粒３８と被削材４４との接触により発生する摩擦振動或いは弾性振動に関連する第２周波数帯Ｂ２の第２信号強度ＳＰ２が用いられている。第１周波数帯Ｂ１としては２５から４０ｋＨｚが用いられ、第２周波数帯Ｂ２としては４５から６５ｋＨｚが用いられていた。しかし、パワースペクトラムのうちの砥粒破砕を主として表す周波数帯および研削ホイール１４の砥粒３８と被削材４４の接触に由来する第２周波数帯を主として表す周波数帯が用いられればよいので、第１周波数帯Ｂ１としては、２５から４０ｋＨｚに含まれる周波数或いは周波数帯の一部を含む周波数帯の信号強度が用いられ、第１周波数帯Ｂ１よりも高周波数の第２周波数帯Ｂ２としては４５から６５ｋＨｚに含まれる周波数或いは周波数帯の一部を含む周波数帯の信号強度が用いられればよい。たとえば、第１周波数帯Ｂ１としては、２５から４０ｋＨｚの周波数帯の一部たとえば３２．５ｋＨｚを中心部に含む相対的に狭い周波数帯が、第２周波数帯Ｂ２としては、４５から６５ｋＨｚの周波数帯の一部たとえば５５ｋＨｚを中心部に含む相対的に狭い周波数帯が用いられてもよい。

前述の実施例では、ＡＥセンサ２２は研削ホイール１４に内蔵されていたが、たとえば直方体状であるために被削材４４が非回転状態で研削ホイール１４によって研削される場合には、被削材４４を支持する支持台に設けられていてもよい。

また、前述の実施例では、研削ホイール１４として、本体１８の外周面に電着砥石から成る砥石部１６が固着された形式の電着ホイールが用いられていたが、その研削ホイール１４に替えて、金属コアすなわち本体１８を用いない一般砥石が用いられる場合には、ＡＥセンサ２２が内蔵されていれば、全体がビトリファイド砥石などから構成されていてもよい。また、全体がビトリファイド砥石から構成されている場合には、その一般砥石を主軸に固定するフランジと一般砥石との間に挟持されるスペーサ内に、ＡＥセンサ２２、プリアンプ２４、送信回路２６が設けられていてもよい。

なお、上述したのはあくまでも本発明の一実施例であり、本発明はその主旨を逸脱しない範囲において種々の変更が加えられ得るものである。

１０：研削加工不具合予知装置
１４：研削ホイール（研削砥石）
２２：ＡＥセンサ
３４：Ａ／Ｄ変換器
５０：周波数解析部
５６：判定閾値設定部
５８：加工不具合予知部
Ｂ１：第１周波数帯
Ｂ２：第２周波数帯
ＳＡＥ：ＡＥ信号
ＳＰ１：第１信号強度
ＳＰ２：第２信号強度
ＳＲ：信号強度比
ＴＴ１：不具合予知判定閾値
ＴＴ２：不具合予知判定閾値
ΔＴＴ１：不具合予知判定閾値
ΔＴＴ２：不具合予知判定閾値

Claims

被削材を研削する砥粒を含む研削砥石による研削加工中の加工不具合を予測する研削加工不具合予知装置であって、
前記研削加工中に前記研削砥石において発生するＡＥ信号を検出するＡＥセンサと、
前記ＡＥセンサから出力されるＡＥ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、
前記Ａ／Ｄ変換器によりデジタル信号に変換されたＡＥ信号を周波数解析してパワースペクトラムを得る周波数解析部と、
前記周波数解析部により得られたパワースペクトラムのうちの１００ｋＨｚ以下の周波数領域において、第１周波数帯の第１信号強度の変化に基づいて、または、前記第１信号強度と第２周波数帯の第２信号強度との信号強度比の変化に基づいて、前記研削加工中の加工不具合の発生を予測する加工不具合予知部とを含む
ことを特徴とする研削加工不具合予知装置。
予め研削試験を行なって、前記研削加工中の研削不具合を予測するための不具合予知判定閾値を予め設定する判定閾値設定部を有し、
前記加工不具合予知部は、前記信号強度比が前記判定閾値設定部により予め設定された前記不具合予知判定閾値を超えたことに基づいて前記加工不具合の発生を予測するものである
ことを特徴とする請求項１の研削加工不具合予知装置。
前記第１周波数帯は、２５から４０ｋＨｚの周波数帯の少なくとも一部を含む周波数帯であり、前記第２周波数帯は、４５から６５ｋＨｚの周波数帯の少なくとも一部を含む周波数帯であることにある
ことを特徴とする請求項１または２の研削加工不具合予知装置。
前記第１周波数帯は、２５から４０ｋＨｚの周波数帯であり、前記第２周波数帯は、４５から６５ｋＨｚの周波数帯である
ことを特徴とする請求項３の研削加工不具合予知装置。
前記Ａ／Ｄ変換器のサンプリング周期は、１０μ秒以下である
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１の研削加工不具合予知装置。