茨城県工業技術センター研究報告第 19 号

加工デ−夕計測処理システムの製作
一解析ソフトウェアの制作一

菊池 誠＊

小石川 勝男＊

1．緒 言
製造業において労慟力の確保は年々難しくなっているが，製品の品質や量産への要求は益々厳しくなっている。このため中小企業には，コスト，効率の観点から，生産工程の自動化が要求されている。
しかし，現状では材料加工工程などの自動化が難しく，要求は満たされていない。この工程を自動化する試み ）は現在も行われているが，材料加工の現象を解析することが難しく，客観的で安定した資料が得られないため，実用になった例は少ないと言える。現象を解析するために最低限必要なことは，現象と共に発生する物理量を客観的に安定して計測し，理想的な処理をした後，正確に記録することと考えられている。
現在，主流を占めている多くのシステムも，この思想に基づき，正確な時間スケールを内臓したデジクル計測系とデジタルプロセッシング，デジタル記録系から構成されている。
ここでは，市販のデジタル計測系，コンピュータを使用し，計測した複数のデータを，フロッピーべースで記録し，ユーザ一が自由にデータを処理できるソフトウエアの制作を試みたので報告する。
以下このシステムをＤＩＰＳと呼ぶＣＤＩＰＳは，市販のデータレコーダ（横河電気（株）3655Ｅ）の基本機能をバーツナルコンピュータ（日本電気（株）ＰＣ9801ＶＸ）上で実行されるソフ卜ウエアーで拡張するシステムであり，主に計測系，データ処理系，記録系から構成されている。

2．ＤＩＰＳの計測系
現在市場にある加エデータ計測システムは，その使用目的によって仕様が限定されており，安価で万能なシステムは少ないと言える。計測系の場合，主な性能は，採取速度（Ｈｚ），記憶可能なデータ数（ｗｏｒｄ），ｌデータの当たり使用する情報量（ｂｉｔ），チャンネル数で規定できる。
他には，アナログ系の仕様や，サンプリング方式などがある。ＤｌＰＳの計測系は，表 1 に示すように一般的なものを採用した。このため量子化には次のような点に注意をした。
計測系のサンプル周波数は 50ｋＨｚであるため，最高周波数成分 20ｋＨｚ以内の信号に対しては，前段に遮断周波数 30ｋＨｚ，減衰傾度 24ｄＢ／ｏｃｔのＬＰＦと遮断周波数 20ｋＨｚ，減衰傾度 120ｄＢ／ｏｃｔのＬＰＦをカスケード結合したものを挿入し，析り返し雑音を防止している。また，最高周波数成分 2ｋＨｚ以内の信号に対しては，前段に遮断周波数 5ｋＨｚ，減衰傾度 120ｄＢ／ｏｃｔのＬ＊機械金属部−108−

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ＰＦのみ挿入し，サンプル周波数 50ｋＨｚでオバーサンプリングしている。

3．ＤｌＳＰの信号処理系
信号処理系は，データレコーダに登載されている信号処理系と図 1（次頁参照）に示されるソフトウエアによる処理系で構成した。前者には，四則演算，ＤＦＴ（離散フーリエ変換）を基本とする周波数領域での処理，後者には，波形の一部を自由に拡大可能なズーミング，波形を構成する周波数帯域を自由に取り出すことができるディジタルフィルタ，ユーザー定義処理，フロッピーディスクベー
スでの記録，大別するとこのような構成になっている。ここでは，後者のソフトウエアーの主な構成について説明する。
3．1 エラー処理と各種検査゛
ＤＩＰＳでは，ソフトウエアの操作ミスから起こるデータの消滅を防止するため，エラー発生時にメッセージを表示し，待避ルーチンに実行を移す機能を採用している。さらに，フロッピーディスクの状態や記憶容量不足などを検査する機能も採用している。
3．2 マンマシンインターフェイス
ＤＩＰＳでは，ポップアップメニューを採用し殆どの機能はカーソル移動とテンキーによる数値人力で操作でき，数値人力時には，値の範囲，他の変数との関係など値の適正をチエックしている（ユーザー定義関数は対象外）。さらに，ズーミング時の倍率，範囲の指定は，窓枠の大きさが自由に変更できるウインドウを採用した。
3．3 採取，呼出，保存等の基本処理
計測系で採取された 4 チャネル分のデータは，ＧＰＩＢインタ−フエ−スで処理系に送られ，それぞれ指定された 4 つのバッファに格納できる。システム起動時には，これらのバッファのデータを利用でき，各処理を実行することができる。終了時には，データをフロッピーディスクに格納し，再起動時には必要なデ一夕を各バッファに格納する。
3．4 フィルタリング，ユーザー定義処理
フィルタは，2 次フィルタを離散型状態空間法で構成したものを一単位とし，複数のデジタルフィルタをカスケード結合することで，減衰傾度，遮断周波数を段階的に変えられるＬＰＦ，ＢＰＦ，ＨＰＦとした。ユーザー定義処理は，ドリル加工時の切削抵抗を 3 次元で表現するものを構成した。
その他定義例として，切削動力計（機械加工時の抵抗力を計測する装置）で発生するクロストーク除去処理，対比用パイロット信号の発生，ＧＰ1Ｂプロッタの制御，実測信号を入力とするシミュレーションなどがある。さらに，カラーパレット設定機能が用意されており，3 次元表示時の色設定を容易に行うことができ，1 チャンネルに限定して情報の変化を色の変化として表現することもできる。

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4．使用例 3）
4．1 小径ドリル振れ回りの可視化
図 2 は，小径穴加工時にドリルが振れるカを，時間の経過と共に表現したものである。この図は材料内部から，穴の入りロを見上げた様子であり，ドリル送りを一定と仮定すれば，時間は加工穴の深さに対応している。
生データをこのような方法で直接可視化するとドリルの振れ回りは，切削時のドリルのねじれ振動と高周波ノイズによって埋もれてしまう。
従って，可視化する際には，目的の信号をフィルタリングで予め取り出す必要がある。
4．2 フィルタリング
図 3 にデジタルフィルタの周波数特性を示す。一般に，フィルタをカスケード結合すると低域遮断周波数は高域に，高域遮断周波数は低域にシフトする。ＤＩＰＳでは，この仕様とのズレを防止するため結合段数に応じて一段ごとの周波数領域におけるデジタルフィルタの形を，結合後の形が仕様に合うように僅かに整形し直している。
4．3 クロストーク除去処理
クロストーク 4）とは，主に音響，通信等の分野で問題とされる現象で，近接する複数の信号が伝達路間で相互に影響し合うことをいう。今回は，加工中の抵抗−111−

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カを計る切削動力計におけるクロストークを対象とした。表 2 に示す各チャンネルの真値はクロストークにより測定値のように乱れている。この測定値からクロストーク除去処理によって真値に近い推定値を得ることができる。
4．4 実測値によるシミュレーション
実際のデータを，初期条件や境界条件として取り込みシミュレーションを行った例を図 4 に示す。このシミュレーションは，マイスナー効果（超伝導状態において材料が外部からの侵入磁束を完全に排除しようとする性質）により支えられた平板が上下に制約を受け，さらに外力を受け振動した場合の挙動を，質量4ｇ（図 4（ｂ））と 128ｇ（図 4（ｃ））の場合について示している。

5．結 言
計測処理システムは，用途により性能，価格様々であるが，今回は機械加工時に発生する信号に対して，計測性能を可能な限り損なわずに長時間現象を記録処理できる「加エデータ計測処理システム」を制作した。このシステムは，既製の処理に枸束されがちな機械加工分野の計測処理において，特異な処理を可能とするシステムにも関わらず，安価で十分な計測性能を備えている。しかし，チャネル数や記憶容量，処理速度の不足などハードウエアに枸束される課題が残る。
参考文献
1）小石川，菊池：小径ドリルの折損検出について，精密工学会秋季講論集，803／804（1989）
2）横河電機（株）：Ｍｏｄｅ13655ＥＩｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＭａｎｕａｌ，2ｎｄＥｄｉｔｉｏｎ，（1986）
3）菊池：ＤｌＰＳ取扱い説明書，（1989），茨城県工業技術センター内在
4）キスラー（株）：切削動力計データシート，ＴｙＰｅ9273

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