JP7458065B2 - 機械要素間の接触状態モニタ方法及びそのシステム - Google Patents

Description

本発明は、アコースティック・エミッション（ＡＥ）法を用いて動的な接触を伴う機械要素間の接触状態をモニタする方法及びそのシステムに関する。

旋盤、フライス盤、及び研削盤などの工作機械では、加工対象物と工具との間の動的な接触をモニタし精度の高い加工を与えるための工具摩耗の管理などが行われている。また、転がり軸受、すべり軸受、歯車、及び案内面などの動的な接触を伴う機械要素を含む各種機械装置でも、安全及び安定した操業等の要請から、該機械要素間の接触状態のモニタが行われている。かかる動的な機械要素間の接触状態をモニタする１つの方法として、発生した変形や破損に伴って開放される音響放射エネルギーを計測するアコースティック・エミッション（ＡＥ：Acoustic Emission）法が知られている。

例えば、特許文献１では、ＡＥ測定（音響放射エネルギー測定）に併せ切削抵抗の測定を行いながら切削加工を行って、ＡＥ信号（音響放射エネルギー信号）の振幅分布解析と切削抵抗のゆらぎ解析とから工具寿命を診断する方法を開示している。ＡＥ測定により突発的に発生する切れ刃のチッピングを常に監視しながら、同時に切削抵抗の変動からクレーター摩耗の進行の程度を検出し、工具刃先の欠損を精度良く予測できると述べている。そして、欠損等が発生する前に工具交換を行うことができるようになるので加工対象物にダメージを与えることを防止できるとしている。ここで、変形に起因するＡＥ信号のフラクタル次元は、通常２以上であるのに対して、チッピングのような脆性損傷に起因するＡＥ信号のフラクタル次元は１～２の値になるから、２以下のフラクタル次元をもつＡＥ信号を検出することで、切れ刃に脆性損傷が頻発したと判定できて、工具寿命につながる刃先の欠損が起こる予兆を得られる。他方、切削抵抗は、工具が正常な切削作用を行っている時は微小変動し、そのアトラクタは凝縮した態様となるが、切れ刃の欠損した場合の切削抵抗は激しく変動し、そのアトラクタは引き伸ばしと折り畳みのある特異な振る舞いとなる。この両者の切削抵抗をカオス解析（リアプノフ解析と相関次元解析）すると、前者はランダム変動であり、後者はカオス変動であることから、この特徴を工具の寿命診断における指標とし、工具寿命を判定できるとしている。

特開２００５－１２５４８０号公報

上記したように、ＡＥ測定による動的な機械要素間の接触状態をモニタすることが行われている。しかしながら、ＡＥ信号は動的な接触や摺動などの状態で変化し、単純なＡＥ信号の解析だけでは詳細な機械要素の運転状態や加工状態を反映した接触状態のモニタが困難であった。例えば、加工対象物を砥石で研磨するときに、該加工対象物にＡＥセンサを取り付け、その出力信号と砥石面粗さとをプロットしたときに、出力信号の平均値、標準偏差、又は、実効値のいずれも、砥石面の粗さと明確な相関を見いだすことは難しい。

本発明は、以上のような状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、動的な接触を伴う機械要素間の接触状態のモニタを精度良く与え得る方法及びそのシステムを提供することにある。

本願発明者らは、上記した砥石加工のような動的な接触を伴う機械要素間の接触状態のモニタにおいて、単純なＡＥ信号の解析だけでは十分な情報を得られない原因について、動的な接触強度の影響を考慮した。その上で、機械要素間の動的な接触に起因するＡＥ信号の実効値と、同時に計測された振動加速度信号の実効値には線形の関係があることを見いだし、ＡＥ信号をこれと同時に計測した振動加速度信号で基準化し、具体的には、ＡＥ信号の生波形を振動加速度信号の実効値で除することで、ＡＥ信号の評価から動的な接触強度の影響を抑制でき、接触強度の異なるフェーズで取得されたＡＥ信号間での差違を比較可能とすることに想到したものである。

すなわち、本発明による音響放射エネルギー信号から動的な接触を伴う機械要素間の接触状態をモニタする方法は、計測された前記音響放射エネルギー信号をこれと同時に計測した振動加速度信号で基準化した信号データから前記接触状態をモニタすることを特徴とする。

かかる特徴によれば、動的な接触の強度の影響を抑制し、動的な接触を伴う機械要素間の接触状態のモニタを精度良く与え得るのである。

上記した発明において、前記信号データは、前記音響放射エネルギー信号を前記振動加速度信号の実効値で除して得ることを特徴とする。かかる特徴によれば、簡便な計算処理により動的な接触の強度の影響を抑制し、動的な接触を伴う機械要素間の接触状態のモニタを精度良く与え得るのである。

上記した発明において、特定の事象に対する前記信号データの変化を予め求めておき、計測される前記信号データの変化の事象を特定することを特徴とする。かかる特徴によれば、動的な接触の強度の異なる事象例であっても、モニタされた事象を特定できるのである。

また、本発明による音響放射エネルギー信号から動的な接触を伴う機械要素間の接触状態をモニタするシステムは、前記音響放射エネルギー信号を計測するＡＥセンサと、振動加速度信号を計測する振動加速度センサと、計測された前記音響放射エネルギー信号をこれと同時に計測した前記振動加速度信号で基準化した信号データから前記接触状態をモニタする情報処理部と、を含むことを特徴とする。

かかる特徴によれば、動的な接触の強度の影響を抑制し、動的な接触を伴う機械要素間の接触状態のモニタを精度良く与え得るシステムとできるのである。

上記した発明において、前記信号データは、前記音響放射エネルギー信号を前記振動加速度信号の実効値で除して得ることを特徴とする。かかる特徴によれば、簡便な計算処理により動的な接触の強度の影響を抑制し、動的な接触を伴う機械要素間の接触状態のモニタを精度良く与え得るシステムとできるのである。

上記した発明において、特定の事象に対する前記信号データの変化を予め求めておき、計測される前記信号データの変化の事象を特定することを特徴とする。かかる特徴によれば、動的な接触の強度の異なる事象例であっても、モニタされた事象を特定できるシステムとできるのである。

本発明によるシステムを示すブロック図である。 本発明によるＡＥ信号と振動加速度信号の関係を示すグラフである。ここで、（ａ）ドライ環境、（ｂ）クーラント環境における加工時のグラフである。 回転砥石の変化に対する加工対象物の表面粗さを模式的に示す図である。 本発明による信号処理方法を示す図である。 本発明による基準化の例（平均値）を示す図である。ここで、（ａ）ＡＥ信号と振動加速度信号、（ｂ）基準化後のＡＥ信号のプロットである。 本発明による基準化の例を示す図である。ここで、（ａ）ＡＥ信号と振動加速度信号、（ｂ）基準化後のＡＥ信号のプロットである。 本発明による基準化の例を示す図である。ここで、（ａ）ＡＥ信号と振動加速度信号、（ｂ）基準化後のＡＥ信号のプロットである。

以下に、本発明による１つの実施例である機械要素間の接触状態のモニタ方法及びモニタシステムについて、図１乃至図７を用いて説明する。

図１には、接触状態モニタシステム１の典型例が図示されており、ここでは、回転している回転砥石１０に、図示しないチャックにてステージ５上に固定された加工対象物２０を押し当てて、この研削（研磨）加工時の回転砥石１０及び加工対象物２０との接触状態をモニタする様子を示している。かかる情報処理部によるモニタは、振動加速度信号を計測する振動加速度センサ３１と、音響放射エネルギー信号（アコースティック・エミッション信号、以下、ＡＥ信号）を計測するＡＥセンサ３２と、を加工対象物２０に取り付け、それぞれの信号を信号処理部４１で所定の処理をすることで行われる。

図２には、振動加速度センサ３１から得られる振動加速度信号の実効値（横軸）に対して、ＡＥセンサ３２から得られるＡＥ信号の実効値（縦軸）をプロットしたグラフを示した。ここで、図２（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ加工の際に油剤を供さないドライ環境及び加工の際に油剤を供するクーラント環境で加工を行ったときのものである。これから判るように、ＡＥ信号の実効値と振動加速度信号の実効値とは線形的に相関している。そこで、ＡＥ信号の生波形を同時に計測される振動加速度信号の実効値で除して基準化することができ得る。

図３に示すように、ドレス直後の回転砥石１０は、研削加工回数とともに、砥石面の粗さを劣化させていくが、これとともに加工対象物２０の表面粗さも上がっていく。かかる回転砥石１０の劣化の段階を上記したような基準化信号（処理データ）から特定することが出来る。このとき予め基準化信号の挙動の典型例を回転砥石１０の劣化の段階に関連付けておくことで、測定された基準化信号の挙動から回転砥石１０の砥石面の粗さの劣化の状態などの事象を加工動作中であっても求めることができるようになるのである。

図４には、クーラント環境にて、加工時間０．２ｓで５回の研削加工を行ったときの信号処理部４１での処理の例を示している。上段のように、各回の研削加工において、ＡＥセンサ３２から得られるＡＥ信号の計測データ（参照符Ａ）、及び振動加速度センサ３１から得られる振動加速度信号の計測データ（参照符Ｂ）は、所定の間隔（ここでは、０．１ｓ）ずつに切り出される。切り出されたＡＥ信号の計測データ（参照符ａ）及び振動加速度信号の計測データ（参照符ｂ）について、ＡＥ信号の計測データを振動加速度信号の計測データの実効値で除する基準化を行い、フィルタによる濾波ののち、平均値、標準偏差、及び実効値の算出を行う。

図５には、上記したような基準化を行う前後のＡＥ信号の平均値について例を示した。ここで、基準化前のＡＥ信号と基準化に用いた振動加速度信号の平均値を（ａ）に、基準化後のＡＥ信号の平均値を（ｂ）に示した。回転砥石１０の装填初期のドレス面での状態（ドレス面）、劣化が進んだ状態（途中劣化面）、より劣化の進んだ状態（劣化面）に各段階において、ＡＥ信号の計測データ及び振動加速度信号の２点ずつの計測データはいずれもばらつきを有している。一方、基準化後では、各段階においてばらつきが無くなっている。これは、動的な接触の強度の影響を抑制し、機械要素間の接触状態のモニタを精度良く得られていることを示す。

図６及び７には、それぞれ基準化を行う前後の標準偏差及び実効値について例を示した。図５同様に、ここでも基準化後では、各段階においてばらつきが無くなっており、また、砥石の劣化の進行と相関する増加の傾向を得られたことから、動的な接触の強度の影響を抑制し、劣化においても機械要素間の接触状態のモニタを精度良く得られていることを示している。

以上述べてきたように、動的な接触を伴う機械要素、例えば、転がり軸受、すべり軸受、歯車、案内面や、旋盤、フライス盤、研削盤などの工作機械において、計測されたＡＥ信号をこれと同時に計測した振動加速度信号で基準化した信号データの変化から接触状態をモニタすることで、動的な接触の強度の影響を抑制し、接触状態のモニタを精度良く得られるのである。

１ 接触状態モニタシステム
５ ステージ
１０ 回転砥石
２０ 加工対象物（被研磨部品）
３１ 振動加速度センサ
３２ 音響放射エネルギー信号（ＡＥ）センサ
４１ 信号処理部

Claims (6)

1. ＡＥセンサで計測される音響放射エネルギー信号から動的な接触を伴う機械要素間の接触状態をモニタする方法であって、
   振動加速度信号を計測する振動加速度センサを前記ＡＥセンサとともに与え、
   計測された前記音響放射エネルギー信号をこれと同時に計測した前記振動加速度信号の実効値で除して基準化し前記動的な接触の強度の影響を抑制した信号データから前記接触状態をモニタすることを特徴とする機械要素間の接触状態モニタ方法。
2. 前記振動加速度センサは、接触強度に対する前記音響放射エネルギー信号の実効値の変化と線形性を有する前記振動加速度信号の実効値の変化を与えることを特徴とする請求項１記載の機械要素間の接触状態モニタ方法。
3. 特定の事象に対する前記信号データの変化を予め求めておき、計測される前記信号データの変化の事象を特定することを特徴とする請求項１又は２に記載の機械要素間の接触状態モニタ方法。
4. 音響放射エネルギー信号から動的な接触を伴う機械要素間の接触状態をモニタするシステムであって、
   前記音響放射エネルギー信号を計測するＡＥセンサと、
   前記ＡＥセンサとともに与えられ、振動加速度信号を計測する振動加速度センサと、
   計測された前記音響放射エネルギー信号をこれと同時に計測した前記振動加速度信号の実効値で除して基準化し前記動的な接触の強度の影響を抑制した信号データから前記接触状態をモニタする情報処理部と、を含むことを特徴とする機械要素間の接触状態モニタシステム。
5. 前記振動加速度センサは、接触強度に対する前記音響放射エネルギー信号の実効値の変化と線形性を有する前記振動加速度信号の実効値の変化を与えることを特徴とする請求項４記載の機械要素間の接触状態モニタシステム。
6. 特定の事象に対する前記信号データの変化を予め求めておき、計測される前記信号データの変化の事象を特定することを特徴とする請求項４又は５に記載の機械要素間の接触状態モニタシステム。
   
   

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