(57)【要約】【課題】加工機の加工状態を高い精度で判定することを可能とする。【解決手段】被加工材２に対し、加工機３が加工を施すための発射体を投射する際の加工音を観測し、観測信号として出力する集音器を複数有する集音器群１０と、集音器群１０が出力する複数の観測信号を入力とし、複数の観測信号を空間的な特徴を用いた特徴量に変換して出力する特徴抽出器２００と、特徴量を入力とし、加工機３の加工状態を判定する加工状態判定部３０とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工材に対し、加工機が加工を施すための発射体を投射する際の加工音を観測し、観測信号として出力する集音器を複数有する集音器群と、
前記集音器群が出力する複数の観測信号を入力とし、前記複数の観測信号を空間的な特徴を用いた特徴量に変換して出力する特徴抽出器と、
前記特徴量を入力とし、前記加工機の加工状態を判定する加工状態判定部と、
を有することを特徴とする加工状態判定装置。
【請求項２】
前記集音器群は、前記被加工材の前記発射体が投射される投射側の空間に配置される集音器と、前記被加工材の前記投射側と反対側の空間に配置される集音器と、を有し、
前記特徴抽出器は、前記投射側の空間に配置される集音器が出力する観測信号と、前記投射側と反対側の空間に配置される集音器が出力する観測信号と、を入力とすることを特徴とする前記請求項１に記載の加工状態判定装置。
【請求項３】
前記特徴抽出器を複数有し、
前記加工状態判定部は、複数の前記特徴抽出器が出力する特徴量を入力とすることを特徴とする請求項１および２に記載の加工状態判定装置。
【請求項４】
前記特徴抽出器は、入力される複数の観測信号の大きさの比率に基づいて特徴量に変換することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の加工状態判定装置。
【請求項５】
前記特徴抽出器は、入力される複数の観測信号の大きさの差分に基づいて特徴量に変換することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の加工状態判定装置。
【請求項６】
前記特徴抽出器は、入力される複数の観測信号の大きさの相関に基づいて特徴量に変換することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の加工状態判定装置。
【請求項７】
前記加工状態判定部は、複数の特徴量からなる多次元ベクトルに基づき、加工状態を判定することを特徴とする請求項３に記載の加工状態判定装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項に記載の加工状態判定装置を有する加工機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、加工機の加工状態を判定する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発射体を加工対象（被加工材）に投射することで加工を行う非接触型の加工機（非接触加工機）、例えば、レーザ加工機やウォータージェット加工機は、加工機自身が被加工材に直接接触しないため、切削や切断に伴う被加工材の歪みなどを回避できると言う利点がある。
しかし、その反面、被加工材と加工機が直接接触しないため、加工中の被加工材や加工機自体がどのような状態になっているかを検出することができない。このため、加工作業が終了したか否かの判定は、予め予測した加工作業にかかる時間を十分長く取るほかなく、効率が悪い問題点がある。
【０００３】
例えばレーザ加工機にはピアス加工と呼ばれる工程が存在し、この工程に掛かる時間を短縮し加工効率を改善することが課題のひとつになっている。ピアス加工は、被加工材にレーザを集中的に照射し穴を開ける工程である。
本来、レーザ照射を実施する時間は、被加工材を貫通するまでの間だけで十分だが、レーザが貫通したことを検出する手段が確立されていないため、多くの場合は十分長い一定の時間レーザを照射し続けることで対応している。
【０００４】
この照射時間は、安全性を考慮して貫通に要する平均的な時間の倍程度の長さに設定されることが一般的であり、貫通に時間が掛かる厚い材料ほど、無駄な時間が多くなる。
このような問題に対応するため、光センサやマイク（集音器）など、被加工材と直接接触せずにセンシング可能なセンサを用い、非接触加工機においても被加工材の状態を検出できるようにする加工状態判定装置がこれまで種々開示されている。
【０００５】
例えば、特許文献１では前述したピアス加工に要する時間を短縮するため、レーザ加工機にマイクを取り付け、その観測信号に基づきピアス加工の貫通を判定し加工効率を改善する技術が開示されている。
また、特許文献２においてもマイク等を用いて被加工材の加工状態を検出する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６‐２７７８６２
【特許文献２】特開２００９‐１９００９５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の加工状態判定装置は、単一のマイクのみを用いて観測信号を音色情報として収集し、どの加工状態における音に近いかを判定している。このため、高精度な加工状態の判定ができないという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の加工状態判定装置は、被加工材に対し、加工機が加工を施すための発射体を投射する際の加工音を観測し、観測信号として出力する集音器を複数有する集音器群と、前記集音器群が出力する複数の観測信号を入力とし、前記複数の観測信号を空間的な特徴を用いた特徴量に変換して出力する特徴抽出器と、前記特徴量を入力とし、前記加工機の加工状態を判定する加工状態判定部とを備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、空間情報を含む特徴量を用いることにより、加工機の加工状態を高い精度で判定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１に係る全体構成を示すブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る加工状態判定装置１におけるマイク配置の一例を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係るマイク配置におけるピアス加工中（貫通前）の加工音の音波伝搬を模式化した図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係るマイク配置におけるピアス加工中（貫通後）の加工音の音波伝搬を模式化した図である。
【図５】この発明の実施の形態３に係るレーザ加工機の加工中（貫通前）におけるアシストガスの流れを模式化した図である。
【図６】この発明の実施の形態３に係るレーザ加工機の加工中（貫通後）におけるアシストガスの流れを模式化した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る全体構成を示すブロック図である。なお、本実施の形態１では、加工状態判定装置１が、被加工材２に対する加工機３の加工状態を判定するものとする。
本実施の形態における加工状態判定装置１は、マイク群１０、特徴抽出部２０、加工状態判定部３０で構成される。
【００１２】
本実施の形態では、図１における加工機３の具体例としてレーザ加工機を用いて説明を行うが、ほかの加工機、例えばウォータージェット加工機やプラズマ加工機であってもよい。
なお、レーザ加工機による材料加工には種々の工程が含まれるが、ここでは前述のピアス加工に注目して、ピアス加工における加工状態として「ピアス貫通」状態と「ピアス未貫通」状態を扱い、加工機３の加工音から現在の加工状態がどちらの状態であるかを判定する場合について述べる。
ただし、本発明の適用対象は、上述の加工機や加工工程に限定されるものではない。
【００１３】
マイク群１０は、少なくとも２個以上のマイク（集音器）で構成される。図１では、マイクがｍ個（１０ａ〜１０ｍ）の場合の例を示している。マイク１０ａ〜１０ｍは、加工機２の加工音を観測し、観測信号を特徴抽出部２０に出力する。マイクが観測する加工音は、可聴音だけではなく、超音波などの非可聴音でもよい。
【００１４】
図２は、本実施の形態１の加工状態判定装置１におけるマイク配置の一例である。
図２では、被加工材２の周囲に、被加工材２を隔てて２個のマイクを配置する場合を示している。レーザ加工機によってレーザが照射される面（以下、照射面と呼ぶ）の側に配置されたマイクを１０ａ、照射面の裏面側に配置されたマイクを１０ｂとする。
【００１５】
これらのマイク１０ａとマイク１０ｂは、加工機３の加工音を観測し、その観測信号を図１における特徴抽出部２０に出力する。
図３および図４は、図２のマイク配置におけるピアス加工中の加工音の音波伝搬を模式化したものである。
【００１６】
図３は、加工機３のレーザが被加工材２を貫通していない「ピアス未貫通」状態を示している。
図３では、レーザの照射点から発生する加工音が被加工材２により遮断される。そのため、照射面側とその裏面側の空間を比較すると、照射面側の空間において、より大きな加工音が観測される。
【００１７】
図４は、加工機３のレーザが被加工材２を貫通した「ピアス貫通」状態を示している。
図４では、レーザが被加工材２を貫通しており、レーザが貫通した穴から加工音が漏洩するため、照射面側と裏面側の音圧差は、図３で示した未貫通の状態の場合と比較して、小さくなる。
このように、図２のようにマイク１０ａ及び１０ｂを配置することで、被加工材２の照射面側と裏面側の音圧差の大小を検出することが可能になる。
【００１８】
本実施の形態では、マイク１０ａ及びマイク１０ｂのみを配置する例について説明したが、このほかにもマイクを配置してもよい。
以上のように、マイク群１０で観測された加工機３の加工音は、観測信号として特徴抽出部２０に出力される。
【００１９】
特徴抽出部２０は、特徴抽出器２００と、特徴抽出器群２１０で構成される。
特徴抽出器２００は、前記マイク群１０から出力される観測信号を少なくとも２個以上入力として受け取り、空間情報を用いた特徴量に変換して加工状態判定部３０へ出力する。
なお、本実施の形態では、特徴抽出器２００がマイク１０ａとマイク１０ｂの観測信号を入力として受け取り、空間情報を用いた特徴量に変換し、加工状態判定部３０へ出力する場合の例を示している。
【００２０】
特徴抽出器２００が出力する空間情報を用いた特徴量は、照射面側と裏面側の音圧の比を表すものである。
そのため、この特徴量は、レーザが被加工材２を貫通した状態では前述のように照射面側と裏面側の音圧差が小さいため、１に近い値となる。
また、この特徴量は、未貫通の状態では音圧差が大きいため、１から離れた値になる。  つまり、マイク１０ａおよびマイク１０ｂから出力される観測信号の大きさの比は、ピアス貫通状態とピアス未貫通状態で異なる値となるため、加工状態の判定において有益な特徴量となる。
【００２１】
特徴抽出器群２１０は、任意の数の特徴抽出器で構成される。
図１では、特徴抽出器群２１０内の特徴抽出器がｎ個（２１０ａ〜２１０ｎ）の場合の例を示している。
特徴抽出器２１０ａ〜２１０ｎは、前記マイク群１０から出力される観測信号を１個以上入力として受け取り、特徴量に変換して加工状態判定部３０へ出力する。
特徴抽出器群２１０内の特徴抽出器２１０ａ〜２１０ｎが観測信号から変換する特徴量は、特徴抽出器２００の場合に説明した空間情報である必要はなく、音色情報を用いても良い。
なお、マイクの総数と特徴抽出器の総数は異なる値であっても同じ値であっても良い。
【００２２】
加工状態判定部３０は、特徴抽出部２０から出力される特徴量に基づいて、加工機の加工状態を判定し、加工機３へ出力する。
【００２３】
加工状態判定部３０は、特徴抽出部２０から出力された特徴量に基づき、加工状態を判定する。
具体的には、特徴抽出部２０から出力された特徴量からなる多次元ベクトルを識別し、加工機３の加工状態を判定する。
多次元ベクトルの識別には、例えばニューラルネットワークやサポートベクターマシンなどを用いることができる。
【００２４】
加工機３は、加工状態判定部３０から出力された加工状態に基づき動作する。
加工機３は、ピアス加工中、加工状態判定部３０から出力された加工状態が「ピアス未貫通」状態である間は、ピアス加工を続行し、加工状態判定部３０から出力された加工状態が「ピアス貫通状態」であった場合には、ピアス加工を終了し、次の工程に移行する。
【００２５】
また、レーザ加工機の加工ヘッドは、加工中時々刻々と位置が変化するため、マイクの位置が固定されている場合、観測信号の信号レベルは加工ヘッドの位置に応じて変化してしまう。
しかし、本実施の形態で説明した図２のようなマイク配置の場合、加工ヘッドの位置が変化したとき、各マイクにおいて同じ比率で信号レベルが上下することが期待できる。
したがって、特徴抽出器２００が２個以上の入力信号の大きさの比に基づき特徴量を出力することにより、加工ヘッドの移動に伴う信号レベルの変化量は、相殺されるため、加工音の発生地点の変化による影響を減らすことができ、加工機３に対する加工状態判定の頑健性が向上する。
【００２６】
なお、特徴抽出部２０や加工状態判定部３０は、例えばパーソナルコンピュータやマイコン上のソフトウェアとして実現することができる。
【００２７】
本実施の形態によれば、少なくとも２個以上のマイクで構成されるマイク群１０の観測信号に基づき、特徴抽出器２００が空間情報を含む特徴量を抽出して、それらの特徴量に基づき加工状態判定部３０が加工機３の加工状態を判定することにより、音色情報のみに基づく方法と比較してより高精度な加工状態の判定が可能になる。
【００２８】
また、マイク群１０を構成する少なくとも２個以上のマイクを、被加工材２を隔てて配置することにより、被加工材２により隔てられた複数の空間が被加工材２に貫通した穴を通じて繋がっているかどうかを音波の伝搬のしやすさに基づいて検出することができ、これにより加工機３が被加工材２に穴を開ける等の加工工程が完了しているかどうかを高精度に検知することが可能になる。
【００２９】
加工状態判定部３０が特徴抽出部２０から出力された複数の特徴量からなる多次元ベクトルに基づき加工状態を判定することで、音色情報や空間情報等を統合的に加工状態の判定に利用することができ、高精度な判定が可能になる。
以上、本実施の形態では、図１における加工機３の具体例としてレーザ加工機を用いて説明を行ったが、ほかの加工機、例えばウォータージェット加工機やプラズマ加工機であってもよい。
【００３０】
実施の形態２．
実施の形態１では、特徴抽出器２００が、マイク群１０から出力される少なくとも２個以上の観測信号の大きさの比を、空間情報を用いた特徴量として、加工状態判定部３０へ出力する場合について説明した。
本実施の形態２では、特徴抽出器２００が、マイク群１０から出力される少なくとも２個以上の観測信号の大きさの差を、空間情報を用いた特徴量として、出力する場合について説明する。
【００３１】
本実施の形態では、実施の形態１と同様、図２のように被加工材２を隔てて２個のマイク（マイク１０ａ、マイク１０ｂ）を配置し、ピアス加工の加工状態を判定する場合を具体例として説明する。
レーザが被加工材２を貫通した状態では、前述のように照射面側と裏面側の音圧差が小さいため、マイク１０ａと、マイク１０ｂの観測信号の大きさの差は０に近い値となることが期待できる。
一方、未貫通の状態では音圧差が大きいため、０から離れた値になることが期待できる。
つまり、マイク１０ａと、マイク１０ｂの観測信号の大きさの差は、ピアス貫通状態とピアス未貫通状態で異なる値となるため、加工状態の判定において有益な特徴量となる。
【００３２】
本実施の形態２において、加工機３や加工状態判定装置１の外部から到来する騒音が観測信号に混入するような場合、マイク１０ａと、マイク１０ｂで観測される騒音は、ほぼ同じ音圧レベルになることが期待できる。
したがって、特徴抽出器２００がマイク１０ａと、マイク１０ｂの観測信号の大きさの差を計算することにより、外部から到来する騒音の影響が相殺された特徴量が出力されるため、加工状態判定の雑音に対する頑健性が向上する。
【００３３】
実施の形態３．
実施の形態１及び実施の形態２では、特徴抽出器２００が、マイク群１０から出力される少なくとも２個以上の観測信号の大きさの比及び差を、空間情報を用いた特徴量として、加工状態判定部３０へ出力する場合について説明した。
本実施の形態３では、特徴抽出器２００が、マイク群１０から出力される少なくとも２個以上の観測信号の相関を特徴量として出力する場合について説明する。
相関は、複数の信号が互いにどの程度の関連性を持っているかを表す量である。例えば、ふたつの信号のフーリエ変換から得られる周波数スペクトルＸ（ω）、Ｙ（ω）を用いて、次式のように相関の度合いを計算することができる。
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ただし、ωは周波数、Ｚ（ω）はＹ（ω）の複素共役、Ｅ［・］は期待値を表す。このとき、Ｃ（ω）はコヒーレンス関数と呼ばれ、ふたつの信号の関連性が高いときは１、低いときは０に近い値となる。
【００３４】
実施の形態１及び実施の形態２では、加工機３が被加工材２に対し、加工作業を行った結果、被加工材２に開けられた穴の有無による音波伝搬の差異を利用して加工状態を判定するものだが、気流の差異を利用することも可能である。
本実施の形態３では、実施の形態１と同様、図２のように被加工材２を隔てて２個のマイク（マイク１０ａ及びマイクｂ）を配置し、ピアス加工の加工状態を判定する場合を具体例として説明する。
【００３５】
レーザ加工機は、加工を行っている間は常時アシストガスと呼ばれる気体をレーザの照射点に吹き付けている。
アシストガスには、溶融した被加工材２の切屑を吹き飛ばしたり、酸化燃焼反応を促進したりするなどの効果がある。
レーザ加工機の加工中におけるアシストガスの流れを模式化したものを図５及び図６に示す。
【００３６】
なお、実施の形態１で説明した、レーザの照射点から発生する加工音の音波伝搬の場合と同様、ピアス未貫通状態では、加工ヘッドから放出されるアシストガスが被加工材により遮断されるため、裏面側の空間にアシストガスは流入しない。
このとき、マイク１０ａの観測信号とマイク１０ｂの観測信号の相関は低くなることが期待できる。
【００３７】
一方、ピアス貫通状態では被加工材の穴からアシストガスが裏面側の空間に流入するようになり、マイク１０ａとマイク１０ｂの観測信号の相関が未貫通状態と比較して高くなることが期待できる。
つまり、マイク１０ａとマイク１０ｂの観測信号の相関は、ピアス貫通状態とピアス未貫通状態で異なる値となるため、加工状態の判定において有益な特徴量となる。
【００３８】
観測信号の相関はマイクやアンプ、ＡＤ変換器等のセッティングや個体差の影響を回避して計算することができる。そのため、マイクやアンプ、ＡＤ変換器等の補正に掛かる作業コストを削減することができる。
【符号の説明】
【００３９】
１  加工状態判定装置、２  被加工材、３  加工機、１０  マイク群、１０ａ〜１０ｍ  マイク、２０  特徴抽出部、３０  加工状態判定部、２００  特徴抽出器、２１０  特徴抽出器群、２１０ａ〜２１０ｎ  特徴抽出器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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