(57)【要約】【課題】コンクリート部材、金属材、石材等の対象物に対して、ウォータージェットによって削孔、切断等の切削加工を行う場合に、切削深さをリアルタイムで計測することができる計測方法及びシステムを提供する。【解決手段】対象物４をウォータージェットで切削する際に、切削深さをリアルタイムで計測する切削深さの計測方法であって、予め求めておいた、対象物４に対する切削深さとウォータージェットにより発生する発生音の周波数との関係に基づいて、対象物４を切削する際に発生した発生音を計測し、その発生音の周波数から、対象物４の切削深さを求める。対象物４の切削深さをリアルタイムで求めることができるので、作業効率高めることできる等の効果が得られる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物をウォータージェットで切削する際に、切削深さをリアルタイムで計測する切削深さの計測方法であって、
予め求めておいた、前記対象物に対する切削深さとウォータージェットにより発生する発生音の周波数との関係に基づいて、前記対象物を切削する際に発生した発生音を計測し、その発生音の周波数から、前記対象物の切削深さを求めることを特徴とする切削深さの計測方法。
【請求項２】
前記発生音は、前記対象物の表面から離脱する戻りジェットにより生ずる渦によって発生するものであることを特徴とする請求項１に記載の切削深さの計測方法。
【請求項３】
前記発生音は、前記対象物に形成された孔の底部を音源とし、前記孔の底部と前記対象物の表面エッジとの間で圧力波が共鳴することにより生ずるものであることを特徴とする請求項１に記載の切削深さの計測方法。
【請求項４】
対象物をウォータージェットで切削する際に、切削深さをリアルタイムで計測する切削深さの計測システムあって、
前記対象物に対する切削深さとウォータージェットにより発生する発生音の周波数との関係を記憶する記憶手段と、
前記対象物を切削する際に生ずる発生音を計測して、その発生音の周波数を求める計測手段と、
前記計測手段により求めた周波数から、前記記憶手段に記憶された前記関係を参照して、対象物の切削深さを求める切削深さ判定手段とを備えることを特徴とする切削深さの計測方システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、切削深さの計測方法に関し、特に、ウォータージェットによってコンクリート部材、金属材、石材等の対象物を切削する際に、切削深さをリアルタイムで計測するのに有効な計測方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
超高圧ウォータージェットに研磨材を混入させたアブレシブウォータージェット（以下、ＡＢＷＪという。）は、切削性能が非常に優れているため、コンクリート部材、金属材、石材等の対象物の削孔、切断等の切削加工に利用されている。
【０００３】
ＡＢＷＪで対象物に対して削孔、切断等の切削加工を行う場合、その条件として、ノズルから噴射されるジェットの圧力、流量、スタンドオフ距離、ノズルの送り速度等が重量なパラメータとなる。対象物の切削深さは、切削時間と共に増加するが、ノズルを止めたまま切削を継続すると、ジェット切削できる臨界点に達し、それ以上に切削できない限界に達する。このようなＡＢＷＪによって切削した深さは、実際に切断してみないと深さを測定することができないため、切削中の深さをリアルタイムで正確に知ることは非常に難しい。
【０００４】
従来、ＡＢＷＪの噴射後一定時間の間隔で、噴射を中断し、物差し等を差し込んで逐次切削深さの計測を行うという手法が採られていたが（例えば、特許文献１）、作業の遅れ、計測の煩雑さ、計測の不正確さ等の点で改善が求められていた。
【０００５】
一方、パラメータを同じ条件で試掘を行い、その切削深さと時間を予め計測して、データベース化することで切削深さを推定する方法もあるが、データベース化には時間と費用がかかる他、パラメータの条件が異なれば切削深さも異なるため、データの再計測が必要となる等、根本的な解決策とはなっていない。
【０００６】
また、研磨材を混入していないピュアなウォータージェットについては、ノズルの後方からレーザー光線を照射して、ジェットの先端までの距離を計測しようとする手法も試みられているが、ジェットは先端部で拡散して粒状となり、レーザー光を散乱、反射させるため、十分に精度の高い計測結果が得られない。このため、ＡＢＷＪのような内部に研磨材が含まれる場合には、研磨材によりレーザー光の散乱、反射が促進されるため、実際の計測はほとんど不可能といえる。
【０００７】
以上のことから分るように、ウォータージェットにより対象物を切削する際に、切削深さをリアルタイムで計測することは、従来、困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平８−６０８７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、ウォータージェットにより対象物に対して削孔、切断等の切削加工を行う場合に、切削深さをリアルタイムで計測することができる切削深さの計測方法及びシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記のような課題を解決するために、本発明は、以下のような手段を採用している。
すなわち、本発明は、対象物をウォータージェットで切削する際に、切削深さをリアルタイムで計測する切削深さの計測方法であって、予め求めておいた、前記対象物に対する切削深さとウォータージェットにより発生する発生音の周波数との関係に基づいて、前記対象物を切削する際に発生した発生音を計測し、その発生音の周波数から、前記対象物の切削深さを求めることを特徴とする。
【００１１】
本発明の切削深さの計測方法によれば、予め求めておいた切削深さとウォータージェットにより発生する発生音の周波数との関係に基づいて、切削する際に計測した発生音の周波数から対象物の切削深さを求めることができる。従って、リアルタイムで切削深さを求めることができるので、作業効率を高めることができる。また、切削深さが分かることにより、切削深さを設定した値に管理できるようになるので、切削深さの超過等に伴うリスクを回避でき、また、無駄な切削を回避することができる。また、切削深さの計測を自動化することができるので、無人化による切削が可能となる。
【００１２】
また、本発明において、前記発生音は、前記対象物の表面から離脱する戻りジェットにより生ずる渦によって発生するものであることとしてもよい。
【００１３】
本発明の切削深さの計測方法によれば、対象物の表面から離脱する戻りジェットにより発生する渦の周波数を例えばマイクロフォンで取得し、この取得した周波数から対象物の切削深さを求めることができる。
【００１４】
また、本発明は、前記発生音は、前記対象物に形成された孔の底部を音源とし、前記孔の底部と前記対象物の表面エッジとの間で圧力波が共鳴することにより生ずるものであることとしてもよい。
【００１５】
本発明の切削深さの計測方法によれば、孔の底部と対象物の表面エッジとの間で圧力波が共鳴することにより発生する発生音の周波数を例えばマイクロフォンで取得し、この取得した周波数に基づいて切削深さを求めることができる。
【００１６】
さらに、対象物をウォータージェットで切削する際に、切削深さをリアルタイムで計測する切削深さの計測システムあって、前記対象物に対する切削深さとウォータージェットにより発生する発生音の周波数との関係を記憶する記憶手段と、前記対象物を切削する際に生ずる発生音を計測して、その発生音の周波数を求める計測手段と、前記計測手段により求めた周波数から、前記記憶手段に記憶された前記関係を参照して、対象物の切削深さを求める切削深さ判定手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
以上、説明したように、本発明の切削深さの計測方法及びシステムによれば、ウォータージェットで対象物に対して削孔、切断等の切削加工を行う際に、切削深さをリアルタイムで計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明による切削深さの計測原理を説明するためのモデル図である。
【図２】図１の孔の入口部の平面図である。
【図３】切削深さと入口削孔径との関係を示した説明図である。
【図４】切削深さと渦の周波数との関係を示した説明図である。
【図５】計測に用いる装置の一例を示した概略図である。
【図６】本発明による切削深さの計測方法及びシステムの他の実施形態のモデル図である。
【図７】音源と入射波と反射波との関係を示した説明図である。
【図８】各切削深さに対する発生音の周波数とＧ０の計算結果の一例を示す説明図である。
【図９】切削深さとＧ０の計算結果を基にした周波数との関係を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
本実施形態の切削深さの計測方法は、ウォータージェットを用いてコンクリート部材、金属材、石材等の対象物に対して削孔、切断等の削孔加工を行う場合に、リアルタイムで切削深さを計測するのに有効なものである。
【００２０】
本実施の形態では、加工水に研磨材を含んだアブレシブウォータージェット（以下、ＡＢＷＪという。）を用い、ノズルを固定した状態で対象物を削孔し、このＡＢＷＪによる切削時の発生音データを基に、リアルタイムで切削深さを計測できるように構成しており、その計測原理を示すモデルとして、戻り噴流の渦放出モデルによる切削深さの計測方法と、削孔深さによる圧力共鳴伝播モデルによる切削深さの計測方法とがある。以下、各計測方法について詳しく説明する。
【００２１】
（１）戻り噴流の渦放出モデルによる切削深さの計測方法
まず、図１〜図５を参照しながら、戻り噴流の渦放出モデルによる切削深さの計測方法について説明する。このモデルでは、ノズル１から噴出するジェットを本ジェット２とし、孔５の底部６で跳ね返ったジェットを戻りジェット３とし、以下の１）〜７）のように符号を定義している。
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【００２２】
図１及び図２において、ノズル１から噴出する本ジェット２と戻りジェット３の関係は、質量保存の関係から、
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ここで、Ａは実験結果より既知であることから、ジェットの圧力を設定することで、切削深さＸに対する渦周波数ｆを求めることができる。
【００２３】
式（５）を計算した解析結果と実際の実験による結果を図４に示す。ただし，ボイド率（α＝０．２）としている。この実験においては、図５に示すように、ノズル１の周囲にマイクロフォン８を設置し、マイクロフォンに８より騒音を計測し、それをマイクロフォンアンプ９を介して周波数解析装置１０によって周波数分析し、最もピークの値をとる周波数ｆに対する切削深さＸを求めている。
【００２４】
図４から分るように、実験の結果は、解析結果とほぼ一致するので、マイクロフォン８により騒音を計測し、それをマイクロフォンアンプ９を介して周波数解析装置１０によって周波数分析し、最大のピーク値をとる周波数ｆを選択し、これを式（５）に代入することにより、切削深さＸを求めることができる。
但し、式（５）は、Ｘに対して解析的に解くことができないので、数値解析によって求めるものとする。
【００２５】
（２）削孔深さによる圧力波の共鳴伝播モデルによる切削深さの計測方法
次に、図６及び図７を参照しながら、削孔深さによる圧力共鳴伝播モデルによる切削深さの計測方法について説明する。
この計測方法は、ＡＢＷＪによって削孔された孔５の底部６（Ｘ＝０）では、ジェットによって対象物４が切削され、その圧力波が音源となって入口付近（Ｘ＝Ｘ）に達し、表面エッジ７で反射する圧力波と外部に拡散する圧力波となって、外部騒音として計測されること、及び反射圧力波は底部６との間で共鳴し、外部に伝播してある周波数に特化した騒音となること、を利用したものである。
【００２６】
共鳴伝播によるモデル解析では、より高い周波数帯域で適用できる一元波動モデルを適用する。モデルの条件として、
１）切削孔内のジェット到達点で発生した圧力変動Ｐ１（＋）が切削孔内を伝播し、切削孔入口に到達する。
２）切削孔入口において反射波Ｐ１（−）と透過波Ｐ２（＋）が形成され、透過波は切削孔外へ放射される。
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切削深さＸ、対応する半径Ｄ（図３より）を基に、切削深さＸに対するＧ０と周波数の関係を求めた例を図８に示す。ただし、ボイド率（α＝０．２）としている。Ｇ０は周波数ｆに対して、ほとんどが０に近い値となるが、特定の周波数に対して高い値を示すことが分かる。
ここで、各切削深さＸと、その切削深さＸにおいてＧ０が最も高い値をとる周波数ｆとの関係を計算した結果を図９に示す。実験結果は図４で示した値と同じ値を示している。
図９から分るように、実験の結果は、解析結果とほぼ一致するので、マイクロフォン８により騒音を計測し、それをマイクロフォンアンプ９を介して周波数解析装置１０によって周波数分析し、最もピークの値をとる周波数ｆを選択し、これを式（１０）に代入することにより、切削深さＸを求めることができる。
また，上記で示した２つのモデル（戻り噴流の渦放出モデル、共鳴伝播モデル）による解析結果は、ともよく一致していることから、戻り噴流の渦放出は、深孔底部で切削される部位を音源とした圧力変動が相互に関係していると考えられる。
【００２７】
上記のように構成した本実施の形態の切削深さの計測方法にあっては、ＡＢＷＪの切削時における騒音データを用いた計測方法を用いることで、ＡＢＷＪの切削深さをリアルタイムで計測することが可能となる。
【００２８】
従って、ＡＢＷＪを連続稼働させながら、切削深さがリアルタイムで分かるので、作業効率の改善、及び作業の短縮を図ることができる。
また、切削深さが分かることにより、切削深さを設定した値に管理できるようになるので、切削深さの超過等に伴うリスクを回避することができ、また、無駄な切削の防止が可能となる。
また、ＡＢＷＪの切削は、一般に自動化させたシステムとして機能している場合が多いので、切削深さの計測が自動化されることで、無人化による切削が可能となる。これにより、人が立ち入れない環境下（例えば、放射線汚染環境下、深度海底環境下等）でのＡＢＷＪを用いた切削深さの管理が可能となる。
さらに、ノズルを静止した状態での一点の切削深さを計測できれば、ノズルを移動しながらの溝切り、切断、穴あけ等も同様にその切削深さを計測できるため、汎用性を高めることができる。
【００２９】
なお、上記の説明においては、本発明による切削深さの計測方法をアブレシブウォータージェットを用いた切削に適用したが、研磨材の含まれていないピュアなウォータージェットを用いた切削に本発明を適用してもよいものであり、その場合にも同様の作用効果を奏する。
また、上記実施形態ではウォータージェット切削時の発生音の周波数と、切削深さとの関係を、発生音の発生モデルに基づいて求めることとしたが、この発生モデルに基づく解析により、発生音の周波数と切削深さとの間に関係があることが分かるので、この関係を予め実験的に求めておき、その関係に基づいて、発生音の周波数から切削深さを推定することとしてもよい。
【００３０】
なお、上記切削深さの計測方法を実施するシステムとして、例えば、対象物に対する切削深さとウォータージェットにより発生する振動の周波数との関係を記憶する記憶手段をコンピュータに設けておき、このコンピュータに、振動を計測するマイクロフォン等の振動検出手段を接続し、コンピュータにより、検出した振動の周波数を求めて、記憶手段に記憶した上記関係を参照することにより、求めた周波数に対応する切削深さを求めて出力する構成のシステムとしてもよい。なお、振動周波数は、コンピュータが求めるのではなく、ＦＦＴ等の周波数分析装置をマイクロフォンとコンピュータとの間に設けて、この周波数分析装置からコンピュータが取得する構成としてもよい。
【符号の説明】
【００３１】
１  ノズル
２  本ジェット
３  戻りジェット
４  対象物
５  孔
６  底部
７  表面エッジ
８  マイクロフォン
９  マイクロフォンアンプ
１０  周波数解析装置
【図３】
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【図４】
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【図８】
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【図９】
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【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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