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JP2009047489A - Contactless type ae sensor - Google Patents

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JP2009047489A
JP2009047489A JP2007212267A JP2007212267A JP2009047489A JP 2009047489 A JP2009047489 A JP 2009047489A JP 2007212267 A JP2007212267 A JP 2007212267A JP 2007212267 A JP2007212267 A JP 2007212267A JP 2009047489 A JP2009047489 A JP 2009047489A
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sensor
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JP2007212267A
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Japanese (ja)
Inventor
Kazuo Meki
一男 目木
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Tokyo Seimitsu Co Ltd
Original Assignee
Tokyo Seimitsu Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce the sensitivity irregularity of a contactless type AE sensor having no active element in its rotary part and to easily detect whether the contactless type AE sensor gets out of order. <P>SOLUTION: The contactless type AE sensor is equipped with the rotary part 40 provided to the end part of the rotary shaft of a rotor and constituted of an AE converter 31 and a first inductance element 41 and the fixing part 50 provided in opposed relation to the rotary part and having the second inductance element 51 electromagnetically coupled with the first inductance element 41, a transmission circuit 61 for applying a pulse signal to the second inductance element and a receiving circuit 62 for detecting the electric signal of the second inductance element. The fixing part 50 is equipped with a variable gain amplifier 64, an AD converter 65, a spectrum analyzing part 66 for performing the spectral analysis of a digital signal to calculate the spectral intensity of the frequency component of a detection target and a gain control part 66 for controlling the gain of the variable gain amplifier so as to make the spectral intensity constant. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体媒体内を伝播する高周波数の音響信号(AE(Acoustic Emission)信号)を検出するAEセンサに関し、特に回転するシャフトなどの回転体のAE波を検出する非接触型AEセンサに関する。   The present invention relates to an AE sensor that detects a high-frequency acoustic signal (AE (Acoustic Emission) signal) propagating in a solid medium, and more particularly to a non-contact AE sensor that detects an AE wave of a rotating body such as a rotating shaft. .

ツールを被加工物(ワーク)に接触させて加工を行う加工装置、例えば、回転する砥石を、回転するワークに接触させて研削する研削盤では、ツール(砥石)とワークとの接触(エアカット)の検出、ドレッシングツール(ドレッサ)によるツール(砥石)のドレッシングの完了検出、ツール(砥石)が所定の基準ピンと接触することを検出することによるツールの位置決め、及びツール(砥石)と加工装置のほかの部分との衝突の検出などのために、AEセンサが使用される。AEセンサは、固体内を伝播する音響信号を検出するもので、対象とする周波数などに応じて各種の方式があるが、研削盤などの加工装置で使用するAEセンサは、数十kHz〜数百MHzの超音波領域を対象とし、圧電素子などで構成される。   In a processing device that performs processing by bringing a tool into contact with a workpiece (work), for example, a grinding machine that grinds a rotating grindstone in contact with the rotating workpiece, contact between the tool (grinding stone) and the workpiece (air cut) ) Detection, completion detection of dressing of the tool (grinding stone) by the dressing tool (dresser), positioning of the tool by detecting that the tool (grinding stone) contacts a predetermined reference pin, and the tool (grinding stone) and the processing device An AE sensor is used to detect a collision with other parts. An AE sensor detects an acoustic signal propagating in a solid, and there are various methods depending on a target frequency, but an AE sensor used in a processing apparatus such as a grinding machine has several tens of kHz to several Targeting a 100 MHz ultrasonic region, it is composed of piezoelectric elements.

以下、研削盤で使用されるAEセンサを例として説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、AEセンサであればどのようなものにも適用可能である。   Hereinafter, although an AE sensor used in a grinding machine will be described as an example, the present invention is not limited to this, and any AE sensor can be applied.

AEセンサについては、NDISのNo.2106−79、2106−91などに、AEセンサを使用した研削盤については、特許文献1などに記載されているように、広く知られているので、ここではAEセンサの詳しい説明は省略し、本発明に直接関係する部分についてのみ説明する。   For AE sensors, NDIS No. Since the grinding machines using the AE sensor in 2106-79, 2106-91 and the like are widely known as described in Patent Document 1, the detailed explanation of the AE sensor is omitted here. Only the portion directly related to the present invention will be described.

図1は、AEセンサの使用例を示す図であり、研削盤を含む加工システムにAEセンサを設けた構成を示す図である。以下の説明は、図1に示すような構成にAEセンサを適用した場合を例として行う。図1において、ベース11の上にはワークWを保持して回転させる機構と、移動ベース12とが設けられている。移動ベース12には、砥石(ツール)14を回転させる砥石回転機構13が設けられる。研削盤は、加工機制御装置15により制御される。なお、砥石14は、新しいものに交換した時やある程度の時間使用した時に、砥石14の表面を研削に適した状態にするため、ドレッシング処理と呼ばれる処理を行う。この処理では、回転する砥石14に、ドレッサを接触させて砥石14の表面処理を行う。以上の部分は通常の研削盤を含む加工システムと同じである。   FIG. 1 is a diagram illustrating an example of use of an AE sensor, and is a diagram illustrating a configuration in which an AE sensor is provided in a processing system including a grinding machine. In the following description, the case where the AE sensor is applied to the configuration as shown in FIG. 1 is taken as an example. In FIG. 1, a mechanism for holding and rotating a workpiece W and a moving base 12 are provided on a base 11. The moving base 12 is provided with a grindstone rotating mechanism 13 that rotates a grindstone (tool) 14. The grinding machine is controlled by a processing machine control device 15. In addition, when the grindstone 14 is replaced with a new one or used for a certain period of time, a process called a dressing process is performed in order to make the surface of the grindstone 14 suitable for grinding. In this process, the surface of the grindstone 14 is treated by bringing a dresser into contact with the rotating grindstone 14. The above part is the same as the processing system including a normal grinding machine.

砥石回転機構13の筐体にはAE(Acoustic Emission)センサ21が取り付けられ、砥石14で発生するAE波が砥石回転機構13の筐体を通してAEセンサ21に伝達され、AEセンサ21はAE信号を発生する。AE信号処理装置22は、AE信号を処理して砥石14がワークWに接触したことを検出して加工機制御装置15に通知する。   An AE (Acoustic Emission) sensor 21 is attached to the housing of the grindstone rotating mechanism 13, and an AE wave generated by the grindstone 14 is transmitted to the AE sensor 21 through the housing of the grindstone rotating mechanism 13, and the AE sensor 21 transmits an AE signal. appear. The AE signal processing device 22 processes the AE signal, detects that the grindstone 14 has contacted the workpiece W, and notifies the processing machine control device 15 of it.

図2は、AEセンサの回路構成を示す図である。図2において、参照番号31はAE変換子を示し、32はAE変換子31を収容するケースを示す。AE変換子31は、ジルコン酸チタン酸鉛系圧電セラミック(PZT)、ニオブ酸リチウム、水晶などの圧電材料で作られ、電気的には容量に相当する。AE変換子31はプリアンプ33に接続され、プリアンプ33からAE波によるAE変換子31のインピーダンスの変化に応じた出力が得られる。図1の例では、ケース32がAEセンサ21として砥石回転機構13の筐体に取り付けられ、プリアンプ33はAE信号処理装置32内に設けられることになる。   FIG. 2 is a diagram illustrating a circuit configuration of the AE sensor. In FIG. 2, reference numeral 31 indicates an AE converter, and 32 indicates a case in which the AE converter 31 is accommodated. The AE converter 31 is made of a piezoelectric material such as lead zirconate titanate-based piezoelectric ceramic (PZT), lithium niobate, or quartz, and electrically corresponds to a capacitance. The AE converter 31 is connected to the preamplifier 33, and an output corresponding to a change in impedance of the AE converter 31 due to the AE wave is obtained from the preamplifier 33. In the example of FIG. 1, the case 32 is attached to the housing of the grindstone rotating mechanism 13 as the AE sensor 21, and the preamplifier 33 is provided in the AE signal processing device 32.

アプリケーションに応じて、いろいろな部分のAE波を検出するが、回転するツール(砥石)が発生するAE波を検出するアプリケーションがある。図1の従来例では、回転するツール(砥石)が発生するAE波を、ツールが取り付けられ、ツールと共に回転する回転体(シャフト)を保持する軸受けを通過したAE波を砥石回転機構13の筐体を伝播するAE波として検出する。このような検出が可能であるのは、軸受けがすべり軸受け(静圧軸受けなど)のようなAE波が伝播する軸受けの場合である。これに対して、転がり軸受け(ボールベアリングなど)では、回転体のAE波が軸受けを介して十分に伝播しないので、検出できないという問題がある。   Depending on the application, AE waves in various parts are detected, but there are applications that detect AE waves generated by a rotating tool (grindstone). In the conventional example of FIG. 1, AE waves generated by a rotating tool (grindstone) are converted into AE waves that pass through a bearing that holds a rotating body (shaft) that is attached to the tool and rotates together with the tool. It is detected as an AE wave propagating through the body. Such detection is possible when the bearing is a bearing that propagates AE waves, such as a sliding bearing (such as a static pressure bearing). On the other hand, a rolling bearing (such as a ball bearing) has a problem that the AE wave of the rotating body does not sufficiently propagate through the bearing and cannot be detected.

そこで、特許文献2は、回転体に、AEセンサと、AEセンサに接続された非接触カップリング(一般的に電磁誘導式カプラが使用される)の一方と、を有する回転部を設け、非接触カップリングの他方を有する固定部を固定側に設け、回転体のAE波を直接検出可能にした非接触型AEセンサを記載している。このAEセンサであれば、AE波を通さない軸受けが使用される場合でも、回転体のAE波が検出可能である。   Therefore, Patent Document 2 is provided with a rotating part having an AE sensor and one of a non-contact coupling (generally using an electromagnetic induction coupler) connected to the AE sensor. A non-contact type AE sensor is described in which a fixed part having the other of the contact couplings is provided on the fixed side so that the AE wave of the rotating body can be directly detected. With this AE sensor, the AE wave of the rotating body can be detected even when a bearing that does not pass the AE wave is used.

特許文献2に記載された非接触型AEセンサでは、AE信号を伝送する電磁誘導式カプラとは別の電磁誘導式カプラを設け、固定部から回転部のアンプに電力を供給している。しかし、図3に示すように、AE変換子31および非接触カップリングを構成する第1インダクタンス素子(コイル)41を有する回転部40と、非接触カップリングを構成する第2インダクタンス素子(コイル)51および第2インダクタンス素子51に発生する電気信号を増幅するアンプ52を有する固定部50と、を備える非接触型AEセンサもある。図3の構成では、第1インダクタンス素子41および第2インダクタンス素子51を介して、通常のAEセンサと同様に、AE変換子31とアンプ52からなる回路が形成される。また、回転部40は能動素子を有しておらず、回転部40のAE変換子31と第1インダクタンス素子41は、LC回路を形成する。図3の非接触型AEセンサは、特許文献2に記載された非接触型AEセンサに比べて、回転部を小型にできるという利点がある。   In the non-contact AE sensor described in Patent Document 2, an electromagnetic induction coupler different from the electromagnetic induction coupler that transmits the AE signal is provided, and power is supplied from the fixed portion to the amplifier of the rotating portion. However, as shown in FIG. 3, the rotating part 40 which has the 1st inductance element (coil) 41 which comprises AE converter 31 and a non-contact coupling, and the 2nd inductance element (coil) which comprises a non-contact coupling There is also a non-contact type AE sensor including a fixing unit 50 having an amplifier 52 that amplifies an electric signal generated in the first inductance element 51 and the second inductance element 51. In the configuration of FIG. 3, a circuit including the AE converter 31 and the amplifier 52 is formed through the first inductance element 41 and the second inductance element 51 in the same manner as a normal AE sensor. The rotating unit 40 does not have an active element, and the AE converter 31 and the first inductance element 41 of the rotating unit 40 form an LC circuit. The non-contact AE sensor in FIG. 3 has an advantage that the rotating part can be made smaller than the non-contact AE sensor described in Patent Document 2.

特開平6−114692号公報JP-A-6-114692 特表2005−519265号公報JP 2005-519265 A

非接触型に限らず、AEセンサは、製造上の問題でAE変換子自体の感度の個体差が大きく、検出されるAE信号のバラツキが大きいという問題、すなわちAEセンサの感度バラツキが大きいという問題がある。そのため、一般に、メーカ出荷時に校正用データを添付して、校正用データに基づいてアンプのゲインを調整したり、測定データを補正することが行われる。しかし、この校正方法を行うには、AE変換子以外の回路は安定していることが要求される。   The AE sensor is not limited to the non-contact type, and the AE sensor has a large individual difference in sensitivity of the AE transducer itself due to a manufacturing problem, and the problem that the detected AE signal varies greatly, that is, the sensitivity variation of the AE sensor is large. There is. Therefore, in general, calibration data is attached at the time of shipment from the manufacturer, and the gain of the amplifier is adjusted or the measurement data is corrected based on the calibration data. However, in order to perform this calibration method, the circuits other than the AE converter are required to be stable.

AEセンサは、取り付け方法などによっても感度が異なる。特に、特許文献2に記載された非接触型AEセンサでは、アンプで増幅されたAE信号を非接触カップリングを介して伝送するのに対して、図3の非接触型AEセンサでは、非接触カップリングを介して回路を形成するため、図3の非接触型AEセンサでは、回転部と固定部の間の正確なアライメントが難しく、アライメント不良が伝送効率を低下させ、感度を低下させるという問題がある。さらに、クーラントや切り粉の非接触カップリング部分への付着により、伝送効率が低下するという信頼性に関する欠点がある。   The sensitivity of the AE sensor varies depending on the mounting method. In particular, the non-contact AE sensor described in Patent Document 2 transmits an AE signal amplified by an amplifier via a non-contact coupling, whereas the non-contact AE sensor of FIG. Since the circuit is formed through the coupling, the non-contact type AE sensor of FIG. 3 is difficult to accurately align between the rotating part and the fixed part, and the problem of poor alignment reduces transmission efficiency and sensitivity. There is. In addition, there is a reliability-related defect in that transmission efficiency decreases due to adhesion of coolant and chips to the non-contact coupling portion.

このように、図3に示した非接触型AEセンサは、センサ自体の感度のバラツキが大きいだけでなく、非接触カップリング部分の状況により更に感度のバラツキが大きくなるという問題がある。センサの感度が一定でないと検出信号の評価が困難であるため、感度を調整する必要がある。しかし、この感度バラツキは、非接触カップリング部分の状況が不確定であるため、上記のような校正データを利用して調整するのは難しい。   As described above, the non-contact AE sensor shown in FIG. 3 has a problem that not only the sensitivity variation of the sensor itself is large, but also the sensitivity variation is further increased depending on the state of the non-contact coupling portion. Since it is difficult to evaluate the detection signal unless the sensitivity of the sensor is constant, it is necessary to adjust the sensitivity. However, this sensitivity variation is difficult to adjust using the calibration data as described above because the state of the non-contact coupling portion is uncertain.

また、良好なAE信号が得られないという故障が発生した場合でも、故障の発生を検出できないという問題もある。   There is also a problem that even when a failure occurs in which a good AE signal cannot be obtained, the occurrence of the failure cannot be detected.

本発明は、このような問題を解決するもので、回転部に能動素子を有さない非接触型AEセンサの感度バラツキを低減すると共に、非接触カップリング部分を含めて故障が発生しているかを容易に検出できるようにすることを目的とする。   The present invention solves such a problem and reduces the sensitivity variation of a non-contact AE sensor that does not have an active element in the rotating part, and whether a failure has occurred including a non-contact coupling part. It is intended to make it possible to easily detect.

上記目的を実現するため、本発明の第1の態様によれば、固定部のアンプを増幅率が可変の可変ゲインアンプとし、その出力をデジタル信号に変換してスペクトル解析を行い、検出対象の周波数成分のスペクトル強度を一定にするように、可変ゲインアンプの増幅率を制御する。   In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, the amplifier of the fixed unit is a variable gain amplifier having a variable amplification factor, the output is converted into a digital signal, spectrum analysis is performed, and the detection target The gain of the variable gain amplifier is controlled so that the spectrum intensity of the frequency component is constant.

すなわち、本発明の第1の態様のAEセンサは、回転体の回転軸に設けられ、AE変換子と、第1インダクタンス要素と、で構成される回転部と、前記回転部に対向して設けられ、前記回転部の前記インダクタンス要素と電磁結合する第2インダクタンス要素と、前記第2インダクタンス要素にパルス信号を印加する送信回路と、前記第2インダクタンス要素の電気信号を検出する受信回路と、を有する固定部と、を備え、前記回転体のAE波を、固定した固定部で検出する非接触型AEセンサであって、前記固定部は、前記受信回路の検出した前記電気信号を増幅し、増幅率が可変の可変ゲインアンプと、前記可変ゲインアンプの出力をデジタル信号に変換するADコンバータと、前記ADコンバータの出力するデジタル信号のスペクトル解析を行い、検出対象の周波数成分のスペクトル強度を算出するスペクトル解析部と、外部からの調整指令に応じて、送信回路が測定パルスを出力するように制御し、測定パルスに応答する共振信号のスペクトル解析結果に基づいて、前記検出対象の周波数成分のスペクトル強度を一定にするように、前記可変ゲインアンプの増幅率を制御するゲイン制御部と、を備えることを特徴とする。   That is, the AE sensor according to the first aspect of the present invention is provided on the rotating shaft of the rotating body, and is provided so as to face the rotating portion, the rotating portion including the AE converter and the first inductance element. A second inductance element that is electromagnetically coupled to the inductance element of the rotating unit, a transmission circuit that applies a pulse signal to the second inductance element, and a reception circuit that detects an electrical signal of the second inductance element. A non-contact type AE sensor that detects an AE wave of the rotating body with a fixed fixing unit, and the fixing unit amplifies the electrical signal detected by the receiving circuit, A variable gain amplifier having a variable amplification factor, an AD converter that converts the output of the variable gain amplifier into a digital signal, and a spectrum of the digital signal output from the AD converter And a spectrum analysis unit that calculates the spectrum intensity of the frequency component to be detected, and the transmission circuit is controlled to output a measurement pulse according to an adjustment command from the outside, and a resonance signal that responds to the measurement pulse And a gain control unit that controls an amplification factor of the variable gain amplifier so as to make a spectrum intensity of the frequency component to be detected constant based on a spectrum analysis result.

固定部は、前記受信回路の検出した前記電気信号から雑音成分を除去するフィルタをさらに備えることが望ましい。   The fixing unit preferably further includes a filter that removes a noise component from the electrical signal detected by the receiving circuit.

また、本発明の第2の態様によれば、測定パルスに応答する共振信号のスペクトル解析結果において、検出対象の周波数成分のスペクトル強度が閾値より小さい時には、異常発生を報知する。   Further, according to the second aspect of the present invention, when the spectrum analysis result of the resonance signal responding to the measurement pulse indicates that the spectrum intensity of the frequency component to be detected is smaller than the threshold value, the occurrence of abnormality is notified.

すなわち、本発明の第2の態様のAEセンサは、回転体の回転軸に設けられ、AE変換子と、第1インダクタンス要素と、で構成される回転部と、前記回転部に対向して設けられ、前記回転部の前記インダクタンス要素と電磁結合する第2インダクタンス要素と、前記第2インダクタンス要素にパルス信号を印加する送信回路と、前記第2インダクタンス要素の電気信号を検出する受信回路と、を有する固定部と、を備え、前記回転体のAE波を、固定した固定部で検出する非接触型AEセンサであって、前記固定部は、前記受信回路の検出した前記電気信号を増幅するアンプと、前記アンプの出力をデジタル信号に変換するADコンバータと、前記ADコンバータの出力するデジタル信号のスペクトル解析を行い、スペクトル強度を算出するスペクトル解析部と、外部からの調整指令に応じて、前記送信回路が測定パルスを出力するように制御し、前記測定パルスに応答する共振信号のスペクトル解析結果において、前記スペクトル強度が閾値より小さい時には、異常発生を報知する信号を出力する制御部と、を備えることを特徴とする。   That is, the AE sensor according to the second aspect of the present invention is provided on the rotating shaft of the rotating body, and is provided to face the rotating portion, the rotating portion including the AE converter and the first inductance element. A second inductance element that is electromagnetically coupled to the inductance element of the rotating unit, a transmission circuit that applies a pulse signal to the second inductance element, and a reception circuit that detects an electrical signal of the second inductance element. A non-contact type AE sensor that detects an AE wave of the rotating body with a fixed fixing unit, the fixing unit amplifying the electrical signal detected by the receiving circuit And an AD converter that converts the output of the amplifier into a digital signal, and a spectrum analysis of the digital signal output from the AD converter to calculate a spectrum intensity In response to a spectrum analysis unit and an adjustment command from the outside, the transmission circuit is controlled to output a measurement pulse, and in the spectrum analysis result of the resonance signal responding to the measurement pulse, when the spectrum intensity is smaller than a threshold value And a control unit that outputs a signal for notifying the occurrence of abnormality.

第1の態様と第2の態様を組み合わせて、異常でない場合に感度調整を行うようにしてもよい。   The first aspect and the second aspect may be combined to adjust the sensitivity when there is no abnormality.

本発明の第1の態様によれば、回転部に能動素子を有さない非接触型AEセンサの感度バラツキを低減でき、使い勝手が向上する。   According to the first aspect of the present invention, it is possible to reduce the sensitivity variation of the non-contact AE sensor that does not have an active element in the rotating portion, and the usability is improved.

本発明の第2の態様によれば、回転部に能動素子を有さない非接触型AEセンサにおいて、非接触カップリング部分を含めて故障が発生しているかを容易に検出できるようになる。   According to the second aspect of the present invention, in the non-contact AE sensor having no active element in the rotating part, it is possible to easily detect whether a failure has occurred including the non-contact coupling portion.

図4は、本発明の実施形態の非接触型AEセンサの構成を示す図である。図4に示すように、本実施形態の非接触型AEセンサは、回転部40と、固定部50と、を有する。回転部40は、回転するシャフトなどの回転体の端部に取り付けられ、固定部50は回転部40に対向して配置される。なお、センサを回転体内に埋め込む場合もある。   FIG. 4 is a diagram showing the configuration of the non-contact AE sensor according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, the non-contact AE sensor of the present embodiment has a rotating part 40 and a fixed part 50. The rotating unit 40 is attached to an end of a rotating body such as a rotating shaft, and the fixed unit 50 is disposed to face the rotating unit 40. Note that the sensor may be embedded in the rotating body.

回転部40は、AE変換子31および非接触カップリングを構成する第1インダクタンス素子(コイル)41を有する。固定部50は、非接触カップリングを構成する第2インダクタンス素子(コイル)51と、測定用パルスを発生して第2インダクタンス素子51に印加する送信回路(パルス発生回路)61と、第2インダクタンス素子51に発生する電気(電圧)信号を出力する受信回路62と、受信回路62の出力する電圧信号から雑音成分を除去するフィルタ63と、フィルタ63の出力を増幅し、増幅率(ゲイン)が可変の可変ゲインアンプ64と、可変ゲインアンプ64の出力をデジタル信号に変換するADコンバータ(ADC)65と、デジタル信号のスペクトル解析処理を行うと共に送信回路61および可変ゲインアンプを制御する処理制御回路66と、を有する。   The rotating unit 40 includes an AE converter 31 and a first inductance element (coil) 41 that forms a non-contact coupling. The fixing unit 50 includes a second inductance element (coil) 51 that forms a non-contact coupling, a transmission circuit (pulse generation circuit) 61 that generates and applies a measurement pulse to the second inductance element 51, and a second inductance. A receiving circuit 62 that outputs an electric (voltage) signal generated in the element 51, a filter 63 that removes a noise component from the voltage signal output from the receiving circuit 62, and an output of the filter 63 are amplified, and an amplification factor (gain) is obtained. A variable variable gain amplifier 64, an AD converter (ADC) 65 that converts the output of the variable gain amplifier 64 into a digital signal, and a processing control circuit that performs spectrum analysis processing of the digital signal and controls the transmission circuit 61 and the variable gain amplifier. 66.

回転部40および固定部50の第2インダクタンス素子(コイル)51は、図3に示した従来のものが使用可能である。   As the second inductance element (coil) 51 of the rotating portion 40 and the fixed portion 50, the conventional one shown in FIG. 3 can be used.

送信回路61は、第2インダクタンス素子51の両端に、後述する測定用パルスを印加する。   The transmission circuit 61 applies a measurement pulse described later to both ends of the second inductance element 51.

フィルタ63は、例えば、AE信号の測定対象の周波数範囲を通過させ、他の周波数範囲を除去するバンドパスフィルタで実現される。なお、ADC65のサンプリング周波数で実質的に高周波成分が除去されるので、フィルタ63をローパスフィルタで構成することも可能である。また、雑音の状況によっては、フィルタ63を設けなくてもよい。   The filter 63 is realized by, for example, a bandpass filter that passes the frequency range to be measured of the AE signal and removes other frequency ranges. Since the high frequency component is substantially removed at the sampling frequency of the ADC 65, the filter 63 can be configured by a low pass filter. Further, the filter 63 may not be provided depending on noise conditions.

可変ゲインアンプ64は、500kHz程度の帯域を有すれば既知のものが使用可能である。   As the variable gain amplifier 64, a known one can be used as long as it has a band of about 500 kHz.

同様に、ADC65も、500kHz程度のサンプリング周波数を有するものが使用可能であり、例えば、10ビット程度の分解能のものが使用される。   Similarly, the ADC 65 having a sampling frequency of about 500 kHz can be used. For example, a ADC having a resolution of about 10 bits is used.

処理制御回路66は、プロセッサにDSPなどを組み合わせて実現され、スペクトル解析部とゲイン制御部とを構成する。スペクトル解析部は、ADC65の出力するAE信号のデジタルデータのスペクトル解析処理を行い、AE信号のうちの検出対象の周波数成分のスペクトル強度を算出する。ゲイン制御部は、検出対象の周波数成分のスペクトル強度を一定にするように可変ゲインアンプの増幅率をフィードバック制御する。   The processing control circuit 66 is realized by combining a processor with a DSP and the like, and constitutes a spectrum analysis unit and a gain control unit. The spectrum analysis unit performs spectrum analysis processing of digital data of the AE signal output from the ADC 65, and calculates the spectrum intensity of the frequency component to be detected in the AE signal. The gain control unit feedback-controls the amplification factor of the variable gain amplifier so that the spectrum intensity of the frequency component to be detected is constant.

さらに、処理制御回路66は、測定開始を指示する外部指令を受けると、測定・設定動作を開始する。測定・設定動作では、処理制御回路66は、まず送信回路61が図5の(A)に示すような測定パルスを出力するように制御する。この測定パルスは、非接触カップリングを構成するコイル51とコイル41の間の電磁誘導により、回転部40のAE変換子31に印加され、図5の(B)に示すような共振信号(AE信号)が発生される。この共振信号は、コイル41とコイル51の間の電磁誘導により固体部50の受信回路62に伝達される。受信回路62から出力された共振信号は、フィルタ63により測定対象の周波数成分のみが通過され、可変ゲインアンプ64で増幅されてADC65に入力される。ここで、可変ゲインアンプ64で増幅されたAE信号の振幅は、ADC65の量子化範囲を略等しいことが望ましい。もし、AE信号の振幅がADC65の量子化範囲を超えていると、所定以上の強度は同じレベルになるクリッピングが発生し、AE信号の振幅がADC65の量子化範囲に比べて大幅に小さいと、実質的な分解能が低下して高精度の測定が行なえないという問題を生じる。処理制御回路66は、ADC65の出力するデジタルデータをFFTなどでスペクトル(周波数)解析する。   Further, upon receiving an external command for instructing the start of measurement, the process control circuit 66 starts the measurement / setting operation. In the measurement / setting operation, the processing control circuit 66 first controls the transmission circuit 61 so as to output a measurement pulse as shown in FIG. This measurement pulse is applied to the AE transducer 31 of the rotating unit 40 by electromagnetic induction between the coil 51 and the coil 41 constituting the non-contact coupling, and a resonance signal (AE) as shown in FIG. Signal) is generated. This resonance signal is transmitted to the receiving circuit 62 of the solid part 50 by electromagnetic induction between the coil 41 and the coil 51. The resonance signal output from the receiving circuit 62 passes only the frequency component to be measured by the filter 63, is amplified by the variable gain amplifier 64, and is input to the ADC 65. Here, it is desirable that the amplitude of the AE signal amplified by the variable gain amplifier 64 is substantially equal to the quantization range of the ADC 65. If the amplitude of the AE signal exceeds the quantization range of the ADC 65, clipping with a predetermined level of intensity becomes the same level, and if the amplitude of the AE signal is significantly smaller than the quantization range of the ADC 65, There arises a problem that the actual resolution is lowered and high-precision measurement cannot be performed. The processing control circuit 66 analyzes the spectrum (frequency) of the digital data output from the ADC 65 using FFT or the like.

処理制御回路66は、スペクトル解析結果において、所定の範囲のスペクトル強度が閾値より小さい時には、何らかの異常が発生したと考えられるので、異常発生を報知する信号を外部に出力する。図5の(C)は、異常の発生した場合のAE信号の例であり、測定用パルスに対応する出力が現れるだけで、共振信号が現れていない。このような異常は、例えば、回転部40内の配線が断線している場合などに発生する。図5の(C)のようにまったく共振信号が現れない場合だけでなく、図5の(B)に比べて共振信号が弱く、短時間に減衰する場合などもあり、そのような場合には、回転部40と固定部50のアライメントが不良である場合、例えばコイル41とコイル51のアライメントがずれている場合や、その間が広すぎる場合などが異常の原因として考えられる。   The process control circuit 66 outputs a signal for notifying the occurrence of an abnormality because it is considered that some abnormality has occurred when the spectrum intensity in a predetermined range is smaller than the threshold in the spectrum analysis result. FIG. 5C is an example of an AE signal when an abnormality occurs, and only an output corresponding to the measurement pulse appears, and no resonance signal appears. Such an abnormality occurs, for example, when the wiring in the rotating unit 40 is disconnected. In addition to the case where no resonance signal appears as shown in FIG. 5C, the resonance signal is weaker than that shown in FIG. When the alignment of the rotating part 40 and the fixed part 50 is poor, for example, the case where the alignment of the coil 41 and the coil 51 is misaligned or the time between them is too wide is considered as the cause of the abnormality.

また、処理制御回路66は、検出対象の周波数成分のスペクトル強度を一定にするように、可変ゲインアンプ64のゲイン(増幅率)をフィードバック制御する。検出対象の周波数成分のスペクトル強度が一定になったら、ゲインを維持する。   Further, the processing control circuit 66 feedback-controls the gain (amplification factor) of the variable gain amplifier 64 so that the spectrum intensity of the frequency component to be detected is constant. When the spectrum intensity of the frequency component to be detected becomes constant, the gain is maintained.

以上の処理が終了すれば測定・設定動作が終了するので、通常のAE信号の検出および解析処理を行う状態に戻る。   When the above process is completed, the measurement / setting operation is completed, and the process returns to the state where the normal AE signal detection and analysis process is performed.

図6は、測定・設定動作を示すフローチャートである。   FIG. 6 is a flowchart showing the measurement / setting operation.

ステップ101では、送信回路61から測定用パルスを出力する。   In step 101, a measurement pulse is output from the transmission circuit 61.

ステップ102では、測定用パルスに応じてAE変換子31により発生される共振信号(AE信号)を受信回路62が受信する。   In step 102, the reception circuit 62 receives the resonance signal (AE signal) generated by the AE converter 31 in accordance with the measurement pulse.

ステップ103では、処理制御部66がAE信号のデジタルデータに基づいてスペクトル解析を行う。   In step 103, the processing control unit 66 performs spectrum analysis based on the digital data of the AE signal.

ステップ104では、処理制御部66が、スペクトル解析の結果から対象となる共振スペクトルを抽出する。   In step 104, the process control unit 66 extracts a target resonance spectrum from the result of spectrum analysis.

ステップ105では、対象となる共振スペクトルの強度が所定の閾値より大きいかを判定し、大きければステップ107に進み、小さければステップ106に進む。   In step 105, it is determined whether or not the intensity of the target resonance spectrum is larger than a predetermined threshold value.

ステップ106では、異常発生を報知する。   In step 106, the occurrence of abnormality is notified.

ステップ107では、可変ゲインアンプ64のゲイン補正値を算出する。   In step 107, the gain correction value of the variable gain amplifier 64 is calculated.

ステップ108では算出したゲイン補正値を可変ゲインアンプ64に設定してゲイン制御を行う。   In step 108, the calculated gain correction value is set in the variable gain amplifier 64 to perform gain control.

測定・設定動作は、AEセンサが取り付けられる装置やシステムが起動する時に外部指令を入力して行うことが望ましい。これにより、温度変動などにより感度変化があった場合でも、一定の感度となり、異常発生を検出できる。また、測定・設定動作は、装置やシステムが起動後、随時行い、常に一定の感度を維持し、異常が発生していないか常に監視することが望ましい。   The measurement / setting operation is preferably performed by inputting an external command when the device or system to which the AE sensor is attached is started. As a result, even when there is a change in sensitivity due to temperature fluctuation or the like, the sensitivity becomes constant and the occurrence of abnormality can be detected. In addition, it is desirable that the measurement / setting operation is performed at any time after the apparatus or system is started, and that a constant sensitivity is always maintained to monitor whether any abnormality has occurred.

図7は、本実施形態の非接触型AEセンサで、回転部40と固定部50の間の距離を、非常に近接させた場合と、1.0mm、2.0mm、3.0mmに変化させた場合の、パワースペクトルを示す図であり、横軸が周波数で、縦軸がパワーである。例えば、195kHzの周波数に注目すると、距離の変化に応じてパワーが順に変化していることが分かる。   FIG. 7 shows a non-contact AE sensor according to the present embodiment, in which the distance between the rotating unit 40 and the fixed unit 50 is changed to 1.0 mm, 2.0 mm, and 3.0 mm when very close to each other. The horizontal axis is frequency and the vertical axis is power. For example, when attention is paid to the frequency of 195 kHz, it can be seen that the power sequentially changes in accordance with the change in distance.

図8は、周波数195kHzにおける、回転部40と固定部50の間の距離とパワーの関係を示す図である。図8に示すように、パワーは距離が長くなるに従って単調に減少する。距離が所定値以内であれば測定が行えることをあらかじめ決定しておき、195kHz近傍の周波数に対応するパワーに着目すれば、それにより使用可能な距離以内であるかが判定できる。そして、その範囲内であれば、アンプのゲインを補正して所定の振幅のAE信号がADCに入力されるようにすれば、適切な分解能でAE信号の処理を行える。もし、パワーが閾値より小さくなった場合には、何らかの原因で回転部40と固定部50の間の距離が長くなったり、他の故障が発生したと考えられるので、その場合には故障発生を報知して、ユーザが故障対策を行えるようにする。   FIG. 8 is a diagram illustrating the relationship between the distance between the rotating unit 40 and the fixed unit 50 and the power at a frequency of 195 kHz. As shown in FIG. 8, the power monotonously decreases as the distance increases. If it is determined in advance that the measurement can be performed if the distance is within the predetermined value and attention is paid to the power corresponding to the frequency in the vicinity of 195 kHz, it can be determined whether the distance is within the usable range. If the gain is within the range, the AE signal can be processed with an appropriate resolution by correcting the gain of the amplifier so that the AE signal having a predetermined amplitude is input to the ADC. If the power becomes smaller than the threshold value, it is considered that the distance between the rotating unit 40 and the fixed unit 50 is increased for some reason or other failure has occurred. Notification is made so that the user can take measures against the failure.

図7のグラフにおいて、周波数195kHzのような、回転部40と固定部50の間の距離に対してパワーが単調に変化する周波数は、他にもあり、例えば図7の140.02kHzの周波数でも、図9に示すように、回転部40と固定部50の間の距離に対してAE信号の電圧(パワー)が単調に減少するので、このような周波数を対象周波数とすることも可能である。   In the graph of FIG. 7, there are other frequencies where the power changes monotonously with respect to the distance between the rotating unit 40 and the fixed unit 50, such as a frequency of 195 kHz. For example, the frequency of 140.02 kHz in FIG. As shown in FIG. 9, since the voltage (power) of the AE signal monotonously decreases with respect to the distance between the rotating unit 40 and the fixed unit 50, it is possible to set such a frequency as the target frequency. .

以上、本発明の実施形態を説明したが、各種の変形例が可能であるのはいうまでもない。例えば、上記の実施形態では、対象となる共振スペクトルの強度が所定の閾値より大きい場合に可変ゲインアンプ64のゲイン調整を行ったが、閾値比較を行わずにゲイン調整のみを行うようにしてもよい。また、閾値比較のみを行い、ゲイン調整を行わないようにしてもよい。この場合には、アンプは可変ゲインアンプでなくてもよい。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described, it cannot be overemphasized that various modifications are possible. For example, in the above embodiment, the gain adjustment of the variable gain amplifier 64 is performed when the intensity of the target resonance spectrum is larger than a predetermined threshold. However, only the gain adjustment is performed without performing the threshold comparison. Good. Alternatively, only threshold comparison may be performed and gain adjustment may not be performed. In this case, the amplifier does not have to be a variable gain amplifier.

本発明は、回転部に能動素子を有さない非接触型AEセンサであれば適用可能である。   The present invention is applicable to any non-contact type AE sensor that does not have an active element in the rotating part.

図1は、AEセンサが使用される加工システムの構成例を示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a machining system in which an AE sensor is used. AEセンサの回路構成を示す図である。It is a figure which shows the circuit structure of an AE sensor. 回転部に能動素子を有さない非接触型AEセンサの基本構成を示す図である。It is a figure which shows the basic composition of the non-contact type AE sensor which does not have an active element in a rotation part. 本発明の実施形態の非接触型AEセンサの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the non-contact-type AE sensor of embodiment of this invention. 測定パルス、共振信号および異常信号の例を示す図である。It is a figure which shows the example of a measurement pulse, a resonance signal, and an abnormal signal. 実施形態の非接触型AEセンサにおける測定・設定動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the measurement and setting operation | movement in the non-contact AE sensor of embodiment. 本実施形態の非接触型AEセンサで、回転部40と固定部50の間の距離を変化させた場合のパワースペクトルを示す図である。It is a figure which shows the power spectrum at the time of changing the distance between the rotation part 40 and the fixing | fixed part 50 with the non-contact-type AE sensor of this embodiment. 周波数195kHzにおける回転部40と固定部50の間の距離とパワーの変化の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the distance between the rotation part 40 in the frequency of 195 kHz, and the fixed part 50, and the change of power. 周波数140.02kHzにおける回転部40と固定部50の間の距離とパワーの変化の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the distance between the rotation part 40 and the fixing | fixed part 50, and the change of power in frequency 140.02kHz.

符号の説明Explanation of symbols

31 AE変換子
40 回転部
41 第1インダクタンス素子(コイル)
50 固定部
51 第2インダクタンス素子(コイル)
61 送信回路
62 受信回路
63 フィルタ
64 可変ゲインアンプ
65 ADコンバータ(ADC)
66 処理制御回路(プロセッサ)
31 AE converter 40 Rotating part 41 First inductance element (coil)
50 Fixed portion 51 Second inductance element (coil)
61 Transmission Circuit 62 Reception Circuit 63 Filter 64 Variable Gain Amplifier 65 AD Converter (ADC)
66 Processing control circuit (processor)

Claims (4)

回転体の回転軸に設けられ、AE変換子と、第1インダクタンス要素と、で構成される回転部と、
前記回転部に対向して設けられ、前記回転部の前記第1インダクタンス要素と電磁結合する第2インダクタンス要素と、前記第2インダクタンス要素にパルス信号を印加する送信回路と、前記第2インダクタンス要素の電気信号を検出する受信回路と、を有する固定部と、を備え、前記回転体のAE波を、固定した固定部で検出する非接触型AEセンサであって、
前記固定部は、
前記受信回路の検出した前記電気信号を増幅し、増幅率が可変の可変ゲインアンプと、
前記可変ゲインアンプの出力をデジタル信号に変換するADコンバータと、
前記ADコンバータの出力するデジタル信号のスペクトル解析を行い、検出対象の周波数成分のスペクトル強度を算出するスペクトル解析部と、
外部からの調整指令に応じて、前記送信回路が測定パルスを出力するように制御し、前記測定パルスに応答する共振信号のスペクトル解析結果に基づいて、前記検出対象の周波数成分のスペクトル強度を一定にするように、前記可変ゲインアンプの増幅率を制御するゲイン制御部と、を備えることを特徴とする非接触型AEセンサ。
A rotating unit that is provided on the rotating shaft of the rotating body and includes an AE converter and a first inductance element;
A second inductance element provided opposite to the rotating part and electromagnetically coupled to the first inductance element of the rotating part; a transmission circuit for applying a pulse signal to the second inductance element; and a second inductance element A non-contact AE sensor for detecting an AE wave of the rotating body with a fixed part, comprising: a receiving part that detects an electric signal;
The fixing part is
A variable gain amplifier that amplifies the electrical signal detected by the receiving circuit and has a variable amplification factor;
An AD converter for converting the output of the variable gain amplifier into a digital signal;
Performing a spectrum analysis of the digital signal output from the AD converter, and calculating a spectrum intensity of a frequency component to be detected;
The transmission circuit is controlled to output a measurement pulse in accordance with an adjustment command from the outside, and the spectrum intensity of the frequency component to be detected is constant based on the spectrum analysis result of the resonance signal responding to the measurement pulse. A non-contact AE sensor comprising: a gain control unit that controls an amplification factor of the variable gain amplifier.
前記固定部は、
前記受信回路の検出した前記電気信号から雑音成分を除去するフィルタをさらに備え、
前記可変ゲインアンプは、前記フィルタの出力を増幅する請求項1に記載の非接触型AEセンサ。
The fixing part is
A filter that removes a noise component from the electrical signal detected by the receiving circuit;
The non-contact AE sensor according to claim 1, wherein the variable gain amplifier amplifies the output of the filter.
前記ゲイン制御部は、前記測定パルスに応答する共振信号のスペクトル解析結果において、検出対象の周波数成分のスペクトル強度が閾値より小さい時には、異常発生を報知する請求項2に記載の非接触型AEセンサ。   3. The non-contact AE sensor according to claim 2, wherein the gain control unit notifies the occurrence of an abnormality when the spectrum intensity of the frequency component to be detected is smaller than a threshold in the spectrum analysis result of the resonance signal responding to the measurement pulse. . 回転体の回転軸に設けられ、AE変換子と、第1インダクタンス要素と、で構成される回転部と、
前記回転部に対向して設けられ、前記回転部の前記第1インダクタンス要素と電磁結合する第2インダクタンス要素と、前記第2インダクタンス要素にパルス信号を印加する送信回路と、前記第2インダクタンス要素の電気信号を検出する受信回路と、を有する固定部と、を備え、
前記回転体のAE波を、固定した固定部で検出する非接触型AEセンサであって、
前記固定部は、
前記受信回路の検出した前記電気信号を増幅するアンプと、
前記アンプの出力をデジタル信号に変換するADコンバータと、
前記ADコンバータの出力するデジタル信号のスペクトル解析を行い、所定周波数のスペクトル強度を算出するスペクトル解析部と、
前記送信回路が測定パルスを出力するように制御し、前記測定パルスに応答する共振信号のスペクトル解析結果において、前記スペクトル強度が閾値より小さい時には、異常発生を報知する信号を出力する制御部と、を備えることを特徴とする非接触型AEセンサ。
A rotating unit that is provided on the rotating shaft of the rotating body and includes an AE converter and a first inductance element;
A second inductance element provided opposite to the rotating part and electromagnetically coupled to the first inductance element of the rotating part; a transmission circuit for applying a pulse signal to the second inductance element; and a second inductance element A receiving circuit for detecting an electrical signal, and a fixed part having
A non-contact AE sensor that detects an AE wave of the rotating body with a fixed part;
The fixing part is
An amplifier for amplifying the electrical signal detected by the receiving circuit;
An AD converter for converting the output of the amplifier into a digital signal;
Performing a spectrum analysis of the digital signal output from the AD converter, and calculating a spectrum intensity of a predetermined frequency;
A control unit for controlling the transmission circuit to output a measurement pulse, and outputting a signal for notifying the occurrence of an abnormality when the spectrum intensity is smaller than a threshold in a spectrum analysis result of a resonance signal responding to the measurement pulse; A non-contact AE sensor comprising:
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115586262A (en) * 2022-03-29 2023-01-10 哈尔滨工业大学 Micro-grinding online nondestructive monitoring method based on acoustic emission technology

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