JP4321581B2 - 工作機械総合監視装置 - Google Patents

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Description

本発明は、工作機械について加工前と加工中との異常の有無を監視するとともに工作機械の故障についても検出する工作機械総合監視装置に関するものである。
従来から、工作機械の加工中における振動を検出する技術が知られており、たとえば、研削砥石のアンバランスや加工中のびびり振動などを監視することが考えられている。振動の検出には、加速度やアコースティックエミッションを監視している(たとえば、特許文献1参照)。
特開平8−261818号公報
ところで、特許文献1に記載された技術は、周波数スペクトラムを監視することにより研削砥石のアンバランスやびびり振動の有無を判断するものであり、周波数スペクトラムを人が常時監視することはできないから、実際の工作機械に適用するには実用性が乏しいものである。工作機械に実使用するには、判断を自動化する必要があり、この種の判断には、ニューラルネットワークやファジィ論理を用いることができる。しかしながら、ニューラルネットワークでは種々の現象について判定するには種々の現象ごとの学習が必要になる上にほとんど生じない現象についてまで学習データを収集することは困難であるから、学習に時間を要するという問題がある。一方、ファジィ論理を用いる場合にはメンバーシップ関数の設定に時間を要する。
この種の問題を解決するには、ニューラルネットワークにおいて工作機械が正常であることを学習し、正常以外を異常と判断することが考えられる。一方、工作機械において加工前と加工中とでは正常な動作の特徴がまったく異なっており、また異常としては、工具の取付状態や工具とワークとの接触状態の異常のほかに、工作機械の故障による異常もあるから、少なくともこの程度の分類は行えるようにすることが要求される。単に正常以外をすべて異常として扱うようにすると、上述のような異常の種類の分類ができないことになる。
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、ニューラルネットワークにおいて工作機械の正常な状態のみの学習を行いながらもワークの加工前、加工中の異常を区別でき、しかも工作機械の故障についても検出することを可能にした工作機械総合監視装置を提供することにある。
請求項1の発明は、工作機械から生じる振動を反映した電気信号である対象信号が入力される信号入力部と、対象信号から特徴量を抽出する第1および第2の特徴量抽出部と、各特徴量抽出部により抽出した特徴量のカテゴリをそれぞれ分類する第1および第2のニューラルネットワークと、信号入力部と各特徴量抽出部との間に設けられ工作機械の動作に同期させて信号経路を選択する切替手段と、各ニューラルネットワークによる分類結果を用いて工作機械の異常の有無を総合的に判定する判定部とを備え、第1のニューラルネットワークは、工作機械によるワークの加工前において空動作させたときの対象信号について第1の特徴量抽出部により抽出した特徴量を正常と異常とのカテゴリに分類し、第2のニューラルネットワークは、工作機械によるワークの加工中において生じる対象信号について第2の特徴量抽出部により抽出した特徴量を正常と異常とのカテゴリに分類し、判定部は、第1のニューラルネットワークと第2のニューラルネットワークとの分類結果により工作機械によるワークの加工前および加工中の異常の有無をそれぞれ判定するクラスタ判定部と、第1のニューラルネットワークにおける出力層のニューロンの重み係数と第1の特徴量抽出部で得られた特徴量との差分ベクトルの大きさを正規化した乖離度を求めるとともに乖離度を記憶し、第2のニューラルネットワークにおける出力層のニューロンの重み係数と第2の特徴量抽出部で得られた特徴量との差分ベクトルの大きさを正規化した乖離度を求めるとともに乖離度を記憶し、第1のニューラルネットワークと第2のニューラルネットワークとのいずれかにおいて乖離度の履歴によって工作機械の故障を監視する履歴判定部とを備えることを特徴とする。
請求項2の発明では、請求項1の発明において、前記対象信号は前記工作機械に取り付けた振動センサの出力であることを特徴とする。
請求項3の発明では、請求項1または請求項2の発明において、前記第1の特徴量抽出部は対象信号から周波数成分を抽出し、前記第2の特徴量抽出部は対象信号から包絡線の周波数成分を抽出することを特徴とする。
請求項4の発明では、請求項1ないし請求項3のいずれかの発明において、前記第1および第2のニューラルネットワークは競合学習型ニューラルネットワークであることを特徴とする。
請求項1の発明の構成によれば、加工前の空運転について正常と異常とを分類する第1のニューラルネットワークを備えるから、第1のニューラルネットワークにより工具の取付状態に関する異常の有無を判断することができる。つまり、工具の取付状態のアンバランスや工具の欠損などを工具の異常として検出することができる。また、加工中について正常と異常とを分類する第2のニューラルネットワークを備えるから、第2のニューラルネットワークによりワークと工具との接触状態に関する異常を検出することができる。つまり、ワークと工具との位置関係によっては自励振動を生じたりびびり振動を生じたりするが、この種の異常を検出することが可能になる。さらに、第1のニューラルネットワークおよび第2のニューラルネットワークについて、乖離度の履歴をとることにより、工作機械や工具の劣化傾向を知ることができる上に、劣化傾向から乖離度が大きくずれているときには、工作機械の故障や工具の折損などと判断することができる。
上述のように、正常のカテゴリの学習のみを行うニューラルネットワークを用いながらも加工前および加工中の異常と工作機械の故障とを人手を用いることなく検出することが可能になり、学習が容易であるから導入から実働までの期間を短くすることができるとともに、分類の必要な異常についてはそれぞれに対応した結果を得ることが可能になる。しかも、複数のニューラルネットワークを用いて複数の異常を分類しながらも、信号入力部は共用しているから、異常の種類ごとに信号入力部を設ける必要がなく、比較的簡単な構成で実現することができる。
請求項2の発明の構成によれば、工作機械の振動を用いて異常の有無を監視するから、既設の工作機械であっても振動センサを取り付けるだけの簡単な作業で利用することが可能になる。
請求項3の発明の構成によれば、加工前の情報としては対象信号の周波数成分を用いることにより工具の取付位置の偏りのほか工具の欠損などを検出することが可能になる。また、加工中の情報としては対象信号の包絡線の周波数成分を用いることにより加工中に生じるアコースティックエミッションなどのノイズ成分を除去して、工具とワークとの位置関係に関する現象が抽出しやすくなる。
請求項4の発明の構成によれば、競合学習型ニューラルネットワークを用いるから、構成が簡単である上に、カテゴリ毎の学習データを収集し、カテゴリ別に学習データを与えるだけで簡単に学習させることができる。
以下に説明する実施形態は、工作機械として、駆動装置により工具を回転駆動するものを想定する。この種の工作機械には、切削、研削などの加工を行う各種の工作機械が含まれる。駆動装置としては、モータを駆動源に用いるものであればよく、駆動源と工具との間にギアボックスやベルトなどの適宜の伝達機構を設けてあってもよい。以下では、駆動装置としてハウジングを備えるスピンドルを想定する。
本実施形態で説明する工作機械総合監視装置は、図1に示すように、教師なしの競合学習型ニューラルネットワーク(以下、とくに必要がなければ単に「ニューラルネット」と呼ぶ)1a,1bを用いている。ニューラルネットワークとしては、教師有りのバックプロパゲーション型のものを用いることが可能であるが、競合学習型ニューラルネットワークはバックプロパゲーション型のニューラルネットワークよりも構成が簡単であり、カテゴリ毎の学習データを用いて学習させるだけでよく、一旦学習した後も追加学習によって学習を強化させることが可能である点で、この種の用途向けに適している。
ニューラルネット1a,1bは、図2に示すように、それぞれ入力層11と出力層12との2層からなり、出力層12の各ニューロンN2が入力層11のすべてのニューロンN1とそれぞれ結合された構成を有している。ニューラルネット1a,1bは、逐次処理型のコンピュータで適宜のアプリケーションプログラムを実行することにより実現する場合を想定しているが、専用のニューロコンピュータを用いることも可能である。
ニューラルネット1a,1bの動作には、学習モードと検査モードとがあり、学習モードにおいて適宜の学習データを用いて学習した後に、検査モードにおいて実際の対象信号から生成した特徴量(検査データ)のカテゴリを分類する。
入力層11のニューロンN1と出力層12のニューロンN2との結合度(重み係数)は可変であり、学習モードにおいて、学習データをニューラルネット1a,1bに入力することによりニューラルネット1a,1bを学習させ、入力層11の各ニューロンN1と出力層12の各ニューロンN2との重み係数を決める。言い換えると、出力層12の各ニューロンN2には、入力層11の各ニューロンN1との間の重み係数を要素とする重みベクトルが対応付けられる。したがって、重みベクトルは入力層11のニューロンN1と同数の要素を持ち、入力層11に入力される特徴量の個数と重みベクトルの要素の個数とは一致する。
一方、検査モードでは、カテゴリを判定すべき検査データをニューラルネット1a,1bの入力層11に与えると、出力層12のニューロンN2のうち、重みベクトルと検査データとのユークリッド距離が最小であるニューロンN2が発火する。学習モードにおいて出力層12のニューロンN2にカテゴリが対応付けられていれば、発火したニューロンN2の位置のカテゴリによって検査データのカテゴリを知ることができる。
出力層12のニューロンN2は、たとえば6×6個の領域を有する2次元のクラスタ判定部4a,4bの各領域に一対一に対応付けられている。したがって、学習モードにおいて、クラスタ判定部4a,4bの各領域に学習データのカテゴリを対応付けておけば、検査データにより発火したニューロンN2に対応するカテゴリをクラスタ判定部4a,4bにより知ることができる。クラスタ判定部4a,4bはニューラルネット1a,1bによる分類結果を出力する出力部として機能する。ここに、クラスタ判定部4a,4bはマップを用いて視覚化してもよい。
クラスタ判定部4a,4bの各領域(実質的には出力層12の各ニューロンN2)にカテゴリを対応付けるに際しては、学習済みのニューラルネット1a,1bを出力層12から入力層11に向かって逆向きに動作させて出力層12の各ニューロンN2ごとに入力層11に与えたデータを推定し、推定したデータとのユークリッド距離がもっとも近い学習データのカテゴリを、出力層12における当該ニューロンN2のカテゴリに用いる。言い換えると、出力層12の各ニューロンN2のカテゴリには、各ニューロンN2の重みベクトルとのユークリッド距離が最小である学習データのカテゴリを用いる。これにより、出力層12の各ニューロンN2のカテゴリには、学習データのカテゴリが反映される。
各カテゴリについて多数個(たとえば、150個)の学習データを与えることにより、類似度の高いカテゴリがクラスタ判定部4上で近い位置に配置される。つまり、出力層12のニューロンN2のうち同種のカテゴリに属する学習データに対応して発火したニューロンN2は、クラスタ判定部4上で近い位置に集まりニューロンN2の集合からなるクラスタを形成する。
なお、学習後にクラスタが形成されるとともにカテゴリが対応付けられたものが、本来のクラスタ判定部4a,4bであるが、本実施形態では学習前であってもクラスタ判定部4a,4bと呼んでとくに区別しない。学習モードでニューラルネット1に与えられる学習データは学習データ記憶部5a,5bに格納されており、必要に応じて学習データ記憶部5a,5bから読み出されてニューラルネット1a,1bに与えられる。
ところで、ニューラルネット1a,1bで検出しようとする情報は、工作機械Xによるワークの加工前における空運転時の異常の有無と、工作機械Xによるワークの加工中における異常の有無と、工作機械Xの故障の有無とであって、加工前と加工中とにおいて異常の有無をカテゴリとして分類するために、加工前用と加工中用との2個のニューラルネットワーク1a,1bを備えている。加工前用のニューラルネット1aは、加工前の正常状態の学習データを用いて正常状態のみを学習し、加工中用のニューラルネット1bでは、加工中の正常状態の学習データを用いて正常状態のみを学習する。
そして、どちらのニューラルネット1a,1bも、入力されたデータが正常のカテゴリに属するか否かのカテゴリ分類を行う。上述したクラスタ判定部4a,4bは、各ニューラルネット1a,1bにそれぞれ対応付けてあり、クラスタ判定部4aでは加工前の異常の有無を出力し、クラスタ判定部4bは加工中の異常の有無を出力する。
さらに、クラスタ判定部4a,4bとともに判定部4を構成する履歴判定部4cが設けられる。履歴判定部4cは、両ニューラルネットワーク1a,1bにおける出力層12のニューロンN2に対応付けた重み係数と入力データとのユークリッド距離に相当する乖離度を各ニューラルネットワーク1a,1bごとに求め、求めた乖離度の履歴を記憶する。また、履歴判定部4cでは、乖離度があらかじめ設定した閾値を超えると工作機械Xの異常(主として故障)と判断する。クラスタ判定部4a,4bおよび履歴判定部4cの出力は出力部6を通して外部に出力される。乖離度の求め方については後述する。
ところで、工作機械Xの状態は工作機械Xから生じる振動を反映した電気信号を対象信号に用い、この対象信号から各ニューラルネット1a,1bに与える特徴量を特徴量抽出部3a,3bにおいて抽出する。工作機械Xから生じる振動を反映した電気信号は、本実施形態では、加速度ピックアップからなる振動センサ2aを用いて取り出す構成を採用している。振動センサ2aの出力は信号入力部2に入力され、信号入力部2において特徴量を抽出すべき対象信号の切り出しが行われる。なお、工作機械Xの振動を検出するセンサとしては、マイクロホンやアコースティックエミッションセンサを用いることも可能である。
工作機械Xの駆動装置は工具を回転駆動するものを想定しているから、振動センサ2aの出力は周期性を有しているが、振動センサ2aの出力について時間軸上のどの部位から特徴量を抽出するかによって抽出される特徴量が変化するから、信号入力部2では特徴量を抽出する前に、振動センサ2aの出力から特徴量を抽出する部位を揃える必要がある。
本実施形態では、信号入力部2において以下に説明するセグメンテーションを行うことにより、特徴量を抽出する位置を規格化している。
つまり、信号入力部2では、工作機械Xの動作に同期したタイミング信号(トリガ信号)を用いたり、対象信号の波形の特徴(たとえば、ひとまとまりの対象信号の開始点と終了点)を用いたりすることによって、振動センサ2aから出力された対象信号について時間軸方向の着目部分の切り出し(セグメンテーション)を行う。
信号入力部2は、振動センサ2aから出力される電気信号をデジタル信号に変換するA/D変換器を有し、さらにデジタル信号を一時的に記憶するバッファを備える。上述したセグメンテーションはバッファに記憶した信号を対象にして行われる。また、必要に応じて周波数帯域を制限するなどしてノイズを低減させる。ここに、セグメンテーションの際に、1周期の対象信号から1区間分だけ信号を取り出すのではなく、1周期の対象信号を適宜の単位時間ごとの複数区間に分割してもよい。
信号入力部2において切り出された対象信号は、各ニューラルネット1a,1bごとに設けた特徴量抽出部3a,3bに入力される。各特徴量抽出部3a,3bでは、区間ごとに特徴量を抽出する。特徴量は対象信号において着目する属性に応じて適宜に取り出すことができる。本実施形態では、加工前の振動から特徴量を抽出する特徴量抽出部3aにおいては、振動センサ2aにより検出される全周波数域の周波数成分(周波数帯域ごとのパワー)を特徴量として抽出し、加工中の振動から特徴量を抽出する特徴量抽出部3bにおいては、振動センサ2aにより検出される電気信号の包絡線を対象に周波数成分を特徴量として抽出する。
特徴量抽出部3a,3bにおいて周波数成分を抽出するには、FFT(高速フーリエ変換)の技術を用いる。また、特徴量抽出部3bでは周波数成分を抽出する前に包絡線を抽出するための平滑化を行う。どの周波数を特徴量に用いるかは、対象とする工作機械Xに応じて適宜に選択される。
特徴量抽出部3a,3bから得られた特徴量は、学習モードの前に学習データを収集する際には、各ニューラルネット1a,1bに対応する学習データ記憶部5a,5bに格納される。また、検査モードの際には特徴量の抽出のたびにニューラルネット1a,1bに与えられ、特徴量を検査データとしニューラルネット1a,1bが検査データのカテゴリを分類する。
ここでは、学習データ記憶部5a,5bに格納されているデータをデータセットと呼ぶものとする。上述の説明から明らかなように、ニューラルネット1aに対応する学習データ記憶部5aには、ワークを加工する前において工作機械Xを空運転させた場合について正常であるときのデータセットが格納され、ニューラルネット1bに対応する学習データ記憶部5bには、ワークの加工中において正常であるときのデータセットが格納される。各データセットを構成するデータの個数は学習データ記憶部5a,5bに格納可能な範囲内で任意であるが、上述のようにニューラルネット1a,1bの学習には150個程度のデータを用いるのが望ましい。
学習データ記憶部5a,5bには、正常状態のカテゴリを対応付けたデータセットのみが格納されているから、各ニューラルネット1a,1bをそれぞれ学習モードとして、各ニューラルネット1a,1bに対応付けた学習データ記憶部5a,5bに格納された各データセットで学習を行うとニューラルネット1a,1bは正常状態のみの学習を行う。言い換えると、クラスタ判定部4a,4bのカテゴリは正常のみであるから、上述のように学習後に逆向きに動作させてカテゴリを設定する作業は省略することができる。
上述のように学習を行えば、出力層12の各ニューロンN2には、それぞれ入力層11の各ニューロンN1との重み係数を要素とする重みベクトルが設定される。したがって、ニューラルネット1a,1bを検査モードとして1つのカテゴリの学習データを与えると、当該カテゴリに相当するニューロンN2が発火する。ただし、学習データにはばらつきがあるから、一つのカテゴリの学習データ(データセット)に対して発火するニューロンN2は1箇所に限られず、複数個のニューロンN2によるクラスタを形成する。
学習モードによりニューラルネット1a,1bの学習を行った後に、ニューラルネット1a,1bを検査モードとして、特徴量抽出部3a,3bで得られた検査データを与えると、工作機械Xの異常の有無を判定することができる。ニューラルネット1aに加工前の検査データを与え、ニューラルネット1bに加工中の検査データを与えるように、信号入力部2と特徴量抽出部3a,3bとの間に、信号経路を選択する切替手段を設けておくのが望ましい。この種の切替手段はアナログスイッチなどにより構成し、工作機械Xの動作に同期させて、ワークの加工前か加工中かに応じて信号経路を選択するようにしておけばよい。
上述の動作により、クラスタ判定部4aでは、加工前の工具のアンバランスや欠損などの異常を検出することができる。また、クラスタ判定部4bでは、加工中における工具とワークとの接触状態の異常を検出することができる。クラスタ判定部4a,4bによる判定結果が異常を示すときには、出力部6を通して適宜の報知手段を駆動し、使用者に異常であることを提示するのが望ましい。異常の提示には、ランプを点灯させたり警報音を発生させたりすればよい。
ところで、本実施形態では、判定部4において履歴判定部4cも設けてあり、履歴判定部4cでは、各ニューラルネット1a,1bについて乖離度を記憶し、いずれかのニューラルネット1a,1bにおいて乖離度が規定した閾値を超えるときに、工作機械Xの異常と判断するようにしてある。工作機械Xの異常は主として工作機械Xの故障を意味している。履歴判定部4cにおいて記憶するデータ量は、たとえば1日や1週間などの単位時間で規定すればよいが、検査データの一定個数(たとえば、10000個)に対応する乖離度を記憶するようにしてもよい。
乖離度は、ニューラルネット1a,1bにおける出力層12の各ニューロンN2に対応付けた重み係数(重みベクトル)と検査データである特徴量(特徴ベクトル)との差分ベクトルの大きさを正規化した値であり、特徴ベクトルを[X]、カテゴリに対応付けたニューロンN2の重みベクトルを[Wwin]とすれば([a]はaがベクトルであることを意味している)、乖離度Yは次式で定義される。
Y=([X]/X−[Wwin]/Wwin)T([X]/X−[Wwin]/Wwin)
ここにTは転置を表し、角付き括弧を付与していないX,Wwinは各ベクトルのノルムを表す。各ベクトルの要素をノルムで除算していることにより正規化される。
上述のように、本実施形態の構成を採用することにより、加工前には振動センサ2aの出力を用いて工作機械Xにおける工具の取付状態(傾きや取付間違い)や工具の異常を監視し、加工中には振動センサ2aの出力を用いて工作機械Xにおける工具とワークとの接触状態を監視し、さらには乖離度の履歴によって工作機械Xの故障などの異常も監視することができる。
なお、上述の例では、振動センサ2aの出力を対象信号に用いているが、工作機械Xの駆動源がモータである場合には、モータの負荷電流を対象信号に用いることが可能であり、モータがサーボ制御されている場合にはモータに設けたエンコーダの出力を対象信号に用いてもよい。
本発明の実施形態を示すブロック図である。 同上に用いるニューラルネットの概略構成図である。
符号の説明
1a,1b ニューラルネット(競合学習型ニューラルネットワーク)
2 信号入力部
2a 振動センサ
3a,3b 特徴量抽出部
4 判定部
4a,4b クラスタ判定部(判定部)
4c 履歴判定部
5a,5b 学習データ記憶部
6 出力部
11 入力層
12 出力層
N1 ニューロン
N2 ニューロン
X 工作機械

Claims (4)

  1. 工作機械から生じる振動を反映した電気信号である対象信号が入力される信号入力部と、対象信号から特徴量を抽出する第1および第2の特徴量抽出部と、各特徴量抽出部により抽出した特徴量のカテゴリをそれぞれ分類する第1および第2のニューラルネットワークと、信号入力部と各特徴量抽出部との間に設けられ工作機械の動作に同期させて信号経路を選択する切替手段と、各ニューラルネットワークによる分類結果を用いて工作機械の異常の有無を総合的に判定する判定部とを備え、第1のニューラルネットワークは、工作機械によるワークの加工前において空動作させたときの対象信号について第1の特徴量抽出部により抽出した特徴量を正常と異常とのカテゴリに分類し、第2のニューラルネットワークは、工作機械によるワークの加工中において生じる対象信号について第2の特徴量抽出部により抽出した特徴量を正常と異常とのカテゴリに分類し、判定部は、第1のニューラルネットワークと第2のニューラルネットワークとの分類結果により工作機械によるワークの加工前および加工中の異常の有無をそれぞれ判定するクラスタ判定部と、第1のニューラルネットワークにおける出力層のニューロンの重み係数と第1の特徴量抽出部で得られた特徴量との差分ベクトルの大きさを正規化した乖離度を求めるとともに乖離度を記憶し、第2のニューラルネットワークにおける出力層のニューロンの重み係数と第2の特徴量抽出部で得られた特徴量との差分ベクトルの大きさを正規化した乖離度を求めるとともに乖離度を記憶し、第1のニューラルネットワークと第2のニューラルネットワークとのいずれかにおいて乖離度が規定した閾値を超えるときに工作機械の故障と判断する履歴判定部とを備えることを特徴とする工作機械総合監視装置。
  2. 前記対象信号は前記工作機械に取り付けた振動センサの出力であることを特徴とする請求項1記載の工作機械総合監視装置。
  3. 前記第1の特徴量抽出部は対象信号から周波数成分を抽出し、前記第2の特徴量抽出部は対象信号から包絡線の周波数成分を抽出することを特徴とする請求項1または請求項2記載の工作機械総合監視装置。
  4. 前記第1および第2のニューラルネットワークは競合学習型ニューラルネットワークであることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の工作機械総合監視装置。
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