JP7613133B2 - 表面性状推定システム - Google Patents

Description

本発明は、表面性状推定システムに関する。

研削加工は、例えば、高速に回転する工具と、回転する工作物とを接触させて行われる。工具を回転させて工作物を加工する場合に、びびり振動が発生すると、加工面精度が低下したり、工具に過大な負荷が作用することがある。従来、研削加工後の工作物の表面状態を確認することにより、加工時のびびり振動の発生を検出する手法が用いられてきた。工作物の表面状態は、研削加工終了後に、真円度測定器により測定される。研削装置と表面状態測定器とが切り離されているため、工作物表面にびびり振動の発生が認められた場合にも、これを加工条件等にフィードバックするのに時間差ができてしまう問題があった。

これに対して、特許文献１のように、びびり振動発生の検出をインプロセスで行う方法も提案されている。びびり振動検出器は、例えば、研削装置、もしくは被加工物の振動加速度、振動変位等を測定し、所定の閾値を越えた振動が検出されたときにびびり振動が発生したと判定している。びびり振動の発生を研削装置上で行うことで、びびり振動が検出された場合に、加工条件を変更してびびり振動を抑制することができる。

特開２０００－２３３３６８号公報

特許文献１のびびり検出方法では、びびりの発生の有無を知ることができるが、工作物の出来栄えや砥石車の摩耗状態等をより正確に把握するためには、工作物の表面における一定範囲以上の表面性状を知ることが望ましい。しかしながら、工作物の表面性状を測定するには、時間がかかり、特にインプロセスにおいて表面性状を得ることは困難である。

本発明は、研削加工のインプロセスにおいて、素早く且つ高精度に工作物の表面性状を推定する表面性状推定システムを提供することを目的とする。

表面性状推定システムは、研削装置にて砥石車により研削した工作物の表面状態に応じた検出データを出力する検出装置と、工作物の表面における検出装置の測定位置を少なくとも周方向に工作物に対して相対移動させることによって検出装置により検出された検出データに基づいて工作物の表面性状を生成する表面性状生成装置と、を備え、表面性状生成装置は、工作物の表面における測定位置を工作物の周方向及び軸方向にて螺旋状に移動させることによって検出された検出データである第一検出データ、及び、測定位置を工作物の軸方向の同一位置にて周方向に移動させることによって検出された検出データである第二検出データに基づいて、砥石車の研削面における表面状態が転写された砥石起因による表面性状を算出すると共に、第二検出データに基づいて、砥石車と工作物との心間の相対的な変動により発生する振動が転写された心間相対振動起因による表面性状を算出し、砥石起因による表面性状と心間相対振動起因による表面性状とを加算して、工作物の表面性状を生成する。

表面性状推定システムによれば、砥石起因による表面性状及び心間相対振動起因による表面性状を算出するために、螺旋状に検出された第一検出データ及び軸方向の同一位置にて検出された第二検出データを用いることができる。これにより、例えば、第一検出データのみを用いる場合に比べて、工作物の表面状態を算出するために必要な第一検出データのデータ数を低減することが可能になり、その結果、工作物の表面性状を生成して推定するために要する時間を短縮することができる。又、第一検出データ及び第二検出データを用いて工作物の表面性状を生成することができるため、データ数を低減した場合であっても、工作物の表面性状を高精度により生成することができる。

研削装置の構成を示す平面図である。 検出装置を説明するための図である。 研削装置の研削工程を示すフローチャートである。 工作物の表面性状を説明するための図である。 砥石起因による表面性状を説明するための図である。 砥石起因による表面性状を説明するための図である。 心間相対振動起因による表面性状を説明するための図である。 表面性状推定システムの構成を示すブロック図である。 第一基礎データ（第一検出データ）の検出を説明するための図である。 第二基礎データ（第二検出データ）の検出を説明するための図である。 表面性状生成装置の第一データ処理部の構成を示すブロック図である。 表面性状生成装置の第二データ処理部の構成を示すブロック図である。 表面性状生成装置のマップ化処理部の構成を示すブロック図である。 マップ化処理部によってマップ化された砥石起因による表面性状を示す図である。 マップ化処理部によるデータの位置補正処理を説明するための図である。 マップ化処理部によるデータの合成処理を説明するための図である。 マップ化処理部によってマップ化された砥石起因による表面性状を示す図である。 マップ化処理部によってマップ化された心間相対振動起因による表面性状（高周波成分）を示す図である。 マップ化処理部によってマップ化された心間相対振動起因による表面性状（低周波成分）を示す図である。 マップ化処理部によってマップ化された工作物の表面性状を示す図である。

以下、表面性状推定システムＨについて図面を参照しながら説明する。表面性状推定システムＨは、図１に示すように、研削装置１０、表面性状生成装置２０、検出装置３０を備える。又、本例の表面性状推定システムＨは、画像出力装置４０を備える。本例の表面性状推定システムＨは、研削装置１０によって研削された後或いは研削中に検出可能な変位値を検出装置３０が検出し、表面性状生成装置２０が検出装置３０によって検出された工作物Ｗの表面状態に応じた検出データを用いて工作物Ｗの表面性状をマップ化して出力する。そして、本例の画像出力装置４０は、表面性状生成装置２０によって生成された工作物Ｗの表面性状を表すマップを画像として出力する。

ここで、検出装置３０が検出する検出データとしては、例えば、工作物Ｗの表面状態（表面形状）に対応して発生する振動の加速度を基に変換して得られる変位（振幅）や、振動の変位（振幅）等を例示することができる。又、検出装置３０は、工作物Ｗに直接的又は間接的に接触して検出データを検出することが可能であると共に、工作物Ｗに接触することなく（非接触により）検出データを検出することが可能である。尚、本例においては、検出装置３０が工作物Ｗの表面における加速度を基に変換して得られる変位を検出する場合を例示し、表面性状生成装置２０が検出された変位を用いて表面性状即ちマップを生成する場合を説明する。

（１．研削装置１０の構成）
図１及び図２に示すように、研削装置１０は、ベッド１１、砥石車１２、砥石台１３、主軸台１４、心押台１５、主軸テーブル１６、及び、定寸装置１７を主に備える。工作物Ｗは、回転軸方向の両端を、主軸台１４及び心押台１５に支持され、回転する。尚、本例においては、工作物Ｗが円柱状又は円筒状である場合を例示する。研削装置１０は、回転する工作物Ｗの表面（外周面）に砥石車１２を当接させ、研削することにより工作物Ｗの形状を形成する。

砥石車１２は、Ｚ軸に平行な軸線回りに回転可能に砥石台１３に支持される。ベッド１１上には、砥石台案内部１１ａが固定され、砥石台１３は、Ｘ軸方向に移動可能に砥石台案内部１１ａに支持される。砥石車１２には、制御器１８によって制御される砥石回転モータ１２ａから回転駆動力が付与され、砥石車１２が回転軸回りに回転する。砥石車１２は、砥石台１３がＸ軸方向に移動することにより、Ｘ軸方向に離間して設置された工作物Ｗに接近し、工作物Ｗを研削する。

ベッド１１上において、砥石台案内部１１ａからＸ軸方向に離間した位置に、主軸テーブル案内部１１ｂが固定される。主軸テーブル案内部１１ｂは、主軸テーブル１６をＺ軸方向に移動可能に支持する。主軸テーブル１６の上には、主軸台１４及び心押台１５が対向配置される。工作物Ｗは、その両端が主軸台１４及び心押台１５に回転可能に支持されており、制御器１８によって制御される主軸回転モータ１４ａから回転駆動力が付与され、回転する。

外径測定装置である定寸装置１７は、図２に示すように、工作物Ｗの表面に接触する接触部である一対の測定子１７ａと、測定子１７ａを支持する一対のフィンガー１７ｂを備える。測定子１７ａは、工作物Ｗの回転中心Ｏを挟んだ２点において工作物Ｗの表面に当接するように設けられる。定寸装置１７は、測定子１７ａの機械的変位を電気信号に変換することにより工作物Ｗの外径を検出する。定寸装置１７は、軸方向移動装置１７ｃに支持され、工作物Ｗの軸方向、即ち、Ｚ軸方向に移動可能である。定寸装置１７のＺ軸方向の移動は、軸方向移動制御部１７ｄによって制御される。

検出装置３０は、研削装置１０の定寸装置１７の一対のフィンガー１７ｂのうちの少なくとも一方に組み付けられる。本例の検出装置３０は、加速度センサを主に備え、加速度を基に変換して得られる変位を検出する。即ち、検出装置３０は、定寸装置１７の測定子１７ａが工作物Ｗの表面に接触した状態で工作物Ｗに対して相対移動した際にフィンガー１７ｂに発生する変位を検出する。

研削装置１０は、図３に示す工程により工作物Ｗを研削する。研削工程は、砥石送り速度の違いによって分けられ、粗研工程Ｓｔ１、精研工程Ｓｔ２、微研工程Ｓｔ３、スパークアウト工程Ｓｔ４の順で行われる。各工程の砥石送り速度は、粗研工程Ｓｔ１＞精研工程Ｓｔ２＞微研工程Ｓｔ３＞スパークアウト工程Ｓｔ４となる。粗研工程Ｓｔ１では、工作物Ｗの大まかな形状を形成する。続く精研工程Ｓｔ２及び微研工程Ｓｔ３では、砥石送り速度を小さくしながら、工作物Ｗの表面形状を整える。最後のスパークアウト工程Ｓｔ４では、工作物Ｗの表面の仕上げを行い、工作物Ｗを完成させる。

ここで、表面性状推定システムＨにおいては、研削が完了するスパークアウト工程Ｓｔ４後の工作物Ｗの表面性状を推定することが好ましい。尚、表面性状推定システムＨは、インプロセスにおいて、工作物Ｗの表面性状を推定するものであるが、インプロセスとは、工作物Ｗが研削装置１０から取り外されるまでの期間であって、スパークアウト工程Ｓｔ４後も含む。表面性状推定システムＨは、工作物Ｗの研削完了後に工作物Ｗの研削時の回転を維持した状態において、後述する工作物Ｗの表面性状Ｓを推定することが好ましい。

（２．表面性状生成装置２０の概要）
次に、表面性状生成装置２０の構成について説明する。図４に示すように、研削装置１０によって研削された工作物Ｗの表面性状Ｓは、種々の要因に起因して決定されると言える。即ち、工作物Ｗの表面性状Ｓは、図４にて実線及び二点鎖線により示すように、砥石車１２の研削面の表面状態が転写される砥石起因による表面性状Ｓ１と、図４にて破線により示すように、砥石車１２と工作物Ｗとの間つまり心間の相対的な変動により発生する振動が転写される心間相対振動起因による表面性状Ｓ２とが合成されたものと言える。

換言すれば、工作物Ｗの表面性状Ｓは、砥石起因による表面性状Ｓ１と心間相対振動起因によるＳ２とに分離することができる。このため、表面性状Ｓ１と表面性状Ｓ２とを各々生成し、最終的に表面性状Ｓ１と表面性状Ｓ２とを合成する（加算する）ことによって最終的に表面性状Ｓを生成することができる。

ここで、砥石起因による表面性状Ｓ１は、更に、図５及び図６に示すように、砥石表面凹凸が転写された表面性状Ｓ１１と、静的な工作物基準半径の表面性状Ｓ１２とに分離することができる。又、心間相対振動起因による表面性状Ｓ２は、図７に示すように、低周波成分と高周波成分とが含まれており、検出装置３０による検出データの周波数特性から抽出することにより高周波成分である高周波心間相対振動波形による表面性状Ｓ２１と、低周波成分である低周波心間相対振動波形による表面性状Ｓ２２とに分離することができる。

従って、表面性状Ｓ１１，Ｓ１２を合成する（加算する）ことにより表面性状Ｓ１を生成し、表面性状Ｓ２１，Ｓ２２を合成する（加算する）ことにより表面性状Ｓ２を生成し、更に、表面性状Ｓ１，Ｓ２を合成する（加算する）ことにより、最終的に表面性状Ｓを生成することができる。又、必要に応じて、合成する表面性状Ｓ１，Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ２，Ｓ２１，Ｓ２２を適宜選択することにより、必要とする表面性状Ｓを任意に生成することも可能となる。

そこで、本例の表面性状生成装置２０は、検出装置３０によって検出された変位を検出データとして取得し、取得した検出データの周波数特性のうち低周波成分と高周波成分とを抽出する。そして、表面性状生成装置２０は、抽出した低周波成分及び高周波成分について各種データ処理を行い、各種データ処理の結果に基づいて表面性状Ｓ１１，Ｓ１２（即ち、表面性状Ｓ１）及び表面性状Ｓ２１，Ｓ２２（即ち、表面性状Ｓ２）を表す各々のマップを生成する。そして、表面性状生成装置２０は、表面性状Ｓ１及び表面性状Ｓ２を表す各々のマップを合成する（加算する）ことにより、工作物Ｗの表面性状Ｓ、具体的には、表面性状Ｓを表すマップを最終的に生成する。

（２－１．表面性状生成装置２０の構成）
表面性状生成装置２０は、図８に示すように、基礎データ取得部２１と、第一データ処理部２２と、第二データ処理部２３と、表面性状生成部としてのマップ化処理部２４と、を備える。

（２－２．基礎データ取得部２１）
基礎データ取得部２１は、研削した後或いは研削中に検出装置３０によって検出された検出データ（変位）を取得する。具体的に、基礎データ取得部２１は、図８に示すように、検出装置３０から出力された第一検出データＫ１を第一基礎データＤ１として取得すると共に、第二検出データＫ２を第二基礎データＤ２として取得する。

ここで、検出装置３０は、先ず、図９に示すように、工作物Ｗの表面における振動の変位を測定する測定位置を工作物Ｗに対して周方向及び軸方向にて相対的に螺旋状に移動させた場合の第一検出データＫ１を検出し、基礎データ取得部２１に出力する。即ち、第一基礎データＤ１を取得する場合、工作物Ｗを回転させた状態で、定寸装置１７の測定子１７ａを工作物Ｗの表面に接触させ、軸方向移動装置１７ｃにより、定寸装置１７を工作物Ｗの軸方向に連続的に移動させる。ここで、本例の測定位置は、定寸装置１７の測定子１７ａが工作物Ｗの表面に接触する位置である。尚、定寸装置１７の工作物Ｗの軸方向への移動速度は、工作物Ｗの１回転当たり１ｍｍ程度とすることが好ましく、この場合、定寸装置１７の移動速度は、軸方向移動制御部１７ｄにより制御することができる。

又、検出装置３０は、図１０に示すように、測定位置を螺旋状に移動させることなく、測定位置を軸方向にて同一の位置（軸方向の同一位置）における工作物Ｗの外周面１周分の第二検出データＫ２を検出し、基礎データ取得部２１に出力する。即ち、工作物Ｗを回転させた状態で、定寸装置１７の測定子１７ａを工作物Ｗの表面に接触させ、軸方向移動装置１７ｃにより、定寸装置１７を工作物Ｗの軸方向の同一位置にて停止させる。

基礎データ取得部２１は、螺旋状に検出された第一検出データＫ１を第一基礎データＤ１として取得する。又、基礎データ取得部２１は、軸方向同一位置で取得された１周分の第二検出データＫ２を第二基礎データＤ２として取得する。そして、基礎データ取得部２１は、第一基礎データＤ１及び第二基礎データＤ２を、第一データ処理部２２及び第二データ処理部２３の各々に出力する。

ここで、第一基礎データＤ１及び第二基礎データＤ２は、変位に関する時系列データである。尚、第一基礎データＤ１及び第二基礎データＤ２は、一般的には、時間軸を基準とするデータとして取得されるが、時間及び工作物Ｗの回転速度から、工作物Ｗの回転角度を基準とするデータに変換されても良い。

（２－３．第一データ処理部２２）
第一データ処理部２２は、第一基礎データＤ１及び第二基礎データＤ２の周波数特性のうち、低周波成分を抽出し、抽出した低周波成分について後述する各種データ処理を行う。このため、第一データ処理部２２は、図１１に示すように、低周波成分抽出部２２１、スパイラル低周波波形生成部２２２、低周波心間相対振動波形生成部２２３、工作物基準半径算出部２２４を主に備える。

低周波成分抽出部２２１は、基礎データ取得部２１から取得した第一基礎データＤ１について高速フーリエ変換（以下、「ＦＦＴ」と称呼する。）を行い、第一基礎データＤ１の周波数特性のうち、第一低周波成分であって１山／周成分を除く低周波成分Ｄ１１を抽出する。尚、１山／周成分は、工作物Ｗの回転周波数に相当する成分である。又、低周波成分抽出部２２１は、基礎データ取得部２１から取得した第二基礎データＤ２についてＦＴＴを行い、第二基礎データＤ２の周波数特性のうち、第二低周波成分であって１山／周成分を除く低周波成分Ｄ２１を抽出する。ここで１山／周成分を除くのは、例えば、工作物Ｗの回転軸がずれている場合等において、１山／周成分が強く検出される場合があるためである。尚、低周波成分抽出部２２１は、低周波成分として、例えば、５０Ｈｚ未満（波形として１５～５０山程度）の周波数範囲となる第一基礎データＤ１及び第二基礎データＤ２の低周波成分を抽出する。

スパイラル低周波波形生成部２２２は、低周波成分抽出部２２１によって抽出された第一基礎データＤ１の低周波成分Ｄ１１について逆高速フーリエ変換（以下、「逆ＦＦＴ」と称呼する。）を行う。ここで、第一基礎データＤ１は、検出装置３０によって工作物Ｗの外周面（表面）に沿って螺旋状に検出された第一検出データＫ１（変位）である。これにより、スパイラル低周波波形生成部２２２は、工作物Ｗの螺線方向における変位変動即ち振動の低周波成分Ｄ１１の波形を表すスパイラル低周波波形ＳＬＷを生成する。

低周波心間相対振動波形生成部２２３は、低周波成分抽出部２２１によって抽出された第二基礎データＤ２の低周波成分Ｄ２１について逆ＦＦＴを行う。ここで、第二基礎データＤ２は、検出装置３０によって工作物Ｗの軸方向の同一位置にて検出された第二検出データＫ２（変位）である。これにより、第二基礎データＤ２の低周波成分Ｄ２１について逆ＦＦＴを行うと、工作物Ｗの周方向（１周）における変位変動即ち振動の低周波成分Ｄ２１を表す１断面低周波波形が得られる。

ところで、１断面低周波波形は、例えば、研削装置１０におけるポンプ脈動や工作物Ｗのセット精度等、１つの工作物Ｗの研削中に大きく変化しない砥石車１２と工作物Ｗとの相対位置即ち心間距離の変化に起因して発生する相対振動（低周波心間相対振動）を表し、１つの工作物Ｗについて工作物Ｗの軸方向に沿って同一とみなすことができる。従って、低周波心間相対振動波形生成部２２３は、逆ＦＦＴを行うことによって得られる１断面低周波波形を、低周波心間相対振動波形ＬＤＶとして生成する。

工作物基準半径算出部２２４は、スパイラル低周波波形生成部２２２によって生成されたスパイラル低周波波形ＳＬＷと、低周波心間相対振動波形生成部２２３によって生成された低周波心間相対振動波形ＬＤＶと、を用いて、研削された工作物Ｗの外周面において砥石車１２の研削面の表面状態が転写されることに起因する工作物基準半径Ｒを算出する。具体的に、工作物基準半径算出部２２４は、スパイラル低周波波形ＳＬＷから低周波心間相対振動波形ＬＤＶを減算することにより、工作物基準半径Ｒを算出する。

ここで、低周波心間相対振動波形ＬＤＶは、上述したように、工作物Ｗの軸方向にて同一とみなした１断面低周波波形である。このため、工作物基準半径算出部２２４は、下記式１に従い、スパイラル低周波波形ＳＬＷの螺旋回数Ｃに一致する数だけ低周波心間相対振動波形ＬＤＶを加算し（複写し）、スパイラル低周波波形ＳＬＷから減算することにより、工作物基準半径Ｒを算出する。
Ｒ＝ＳＬＷ－Ｃ×ＬＤＶ …式１

（２－４．第二データ処理部２３）
第二データ処理部２３は、第一基礎データＤ１及び第二基礎データＤ２の周波数特性のうち、高周波成分を抽出し、抽出した高周波成分について後述する各種データ処理を行う。このため、第二データ処理部２３は、図１２に示すように、スパイラル高周波成分抽出部２３１、１断面高周波成分抽出部２３２、スパイラル高周波波形生成部２３３、高周波心間相対振動波形生成部２３４、砥石表面凹凸算出部２３５を主に備える。

スパイラル高周波成分抽出部２３１は、基礎データ取得部２１から取得した第一基礎データＤ１についてＦＦＴを行い、第一基礎データＤ１の周波数特性のうち、第一高周波成分をスパイラル高周波成分Ｄ１２として抽出する。ここで、第一基礎データＤ１は、検出装置３０によって工作物Ｗの外周面に沿って螺旋状に検出された第一検出データＫ１（変位）である。又、スパイラル高周波成分抽出部２３１は、高周波成分として、例えば、５０Ｈｚ以上且つ検出装置３０による検出上限の周波数以下（波形として５０～５００山程度）の周波数範囲の周波数特性を、スパイラル高周波成分Ｄ１２として抽出する。

１断面高周波成分抽出部２３２は、基礎データ取得部２１から取得した第二基礎データＤ２についてＦＦＴを行い、第二基礎データＤ２の周波数特性のうち、高周波成分を抽出する。更に、１断面高周波成分抽出部２３２は、抽出した高周波成分から砥石車１２の回転数に対応する砥石回転周波数成分を除外した高周波成分即ち第二高周波成分を、１断面高周波成分Ｄ２２として抽出する。尚、上述した砥石回転周波数成分とは、砥石回転周波数とその高調波からなる周波数成分である。

ここで、第二基礎データＤ２は、検出装置３０によって工作物Ｗの軸方向の同一位置にて検出された第二検出データＫ２（変位）である。これにより、第二基礎データＤ２から抽出された高周波成分は、工作物Ｗの周方向にて１周分、即ち、工作物Ｗの１断面に対応するものである。又、１断面高周波成分抽出部２３２も、高周波成分として、例えば、５０Ｈｚ以上且つ検出装置３０による検出上限の周波数以下（波形として５０～５００山程度）の周波数範囲を、１断面高周波成分Ｄ２２として抽出する。

スパイラル高周波波形生成部２３３は、スパイラル高周波成分抽出部２３１によって抽出された第一基礎データＤ１のスパイラル高周波成分Ｄ１２について逆ＦＦＴを行う。これにより、スパイラル高周波波形生成部２３３は、工作物Ｗの螺線方向における変位変動即ち振動のスパイラル高周波成分Ｄ１２の波形を表すスパイラル高周波波形ＳＨＷを生成する。

高周波心間相対振動波形生成部２３４は、１断面高周波成分抽出部２３２によって抽出された第二基礎データＤ２の１断面高周波成分Ｄ２２について逆ＦＦＴを行う。これにより、第二基礎データＤ２の高周波成分から砥石回転周波数成分を除外した１断面高周波成分Ｄ２２について逆ＦＦＴを行うと、工作物Ｗの周方向（１周）における変位変動即ち振動の１断面高周波成分Ｄ２２を表す１断面高周波波形が得られる。

ところで、１断面高周波成分Ｄ２２は、砥石車１２の回転数に対応する砥石回転周波数成分を含まない。従って、１断面高周波波形は、砥石車１２の回転数に対応する砥石回転周波数成分以外に、工作物Ｗの表面性状Ｓ（より詳しくは、心間相対振動起因による表面性状Ｓ２）に影響を与える振動を表す。ここで、工作物Ｗの表面性状Ｓに影響を与える振動としては、例えば、砥石台１３や主軸テーブル１６の移動を制御するサーボモータの回転、外部から加えられる振動、自励びびり等を挙げることができる。

このため、１断面高周波波形は、砥石車１２と工作物Ｗとの相対位置即ち心間距離の高周波領域における変化に起因して発生する相対振動（高周波心間相対振動）を表し、１断面低周波波形と同様に、１つの工作物Ｗについて工作物Ｗの軸方向に沿って同一とみなすことができる。従って、高周波心間相対振動波形生成部２３４は、逆ＦＦＴを行うことによって得られる１断面高周波波形を、高周波心間相対振動波形ＨＤＶとして生成する。

砥石表面凹凸算出部２３５は、スパイラル高周波波形生成部２３３によって生成されたスパイラル高周波波形ＳＨＷと、高周波心間相対振動波形生成部２３４によって生成された高周波心間相対振動波形ＨＤＶと、を用いて、研削された工作物Ｗの外周面において砥石車１２の研削面の表面状態が転写されることに起因する砥石表面凹凸Ｐを算出する。具体的に、砥石表面凹凸算出部２３５は、スパイラル高周波波形ＳＨＷから高周波心間相対振動波形ＨＤＶを減算することにより、砥石表面凹凸Ｐを算出する。

ここで、高周波心間相対振動波形ＨＤＶは、上述したように、工作物Ｗの軸方向にて同一とみなした１断面高周波波形である。このため、砥石表面凹凸算出部２３５は、下記式２に従い、スパイラル高周波波形ＳＨＷの螺旋回数Ｃに一致する数だけ高周波心間相対振動波形ＨＤＶを加算し（複写し）、スパイラル高周波波形ＳＨＷから減算することにより、砥石表面凹凸Ｐを算出する。
Ｐ＝ＳＨＷ－Ｃ×ＨＤＶ …式２

（２－５．マップ化処理部２４）
マップ化処理部２４は、第一データ処理部２２及び第二データ処理部２３による上述した各種データ処理結果に基づいて、上述した表面性状Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２（図４－７を参照）の各々に対応するマップＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４を生成する。そして、マップ化処理部２４は、生成したマップＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４を合成する（加算する）ことにより、工作物Ｗの表面性状Ｓを表す表面性状マップＭを生成する。

マップ化処理部２４は、図１３に示すように、砥石表面凹凸マップ生成部２４１、工作物基準半径マップ生成部２４２、高周波心間相対振動マップ生成部２４３、低周波心間相対振動マップ生成部２４４、表面性状マップ生成部２４５を主に備える。

砥石表面凹凸マップ生成部２４１は、第二データ処理部２３（砥石表面凹凸算出部２３５）から砥石表面凹凸Ｐを取得する。そして、砥石表面凹凸マップ生成部２４１は、図１４に示すように、砥石起因である砥石表面凹凸Ｐによる表面性状Ｓ１１を表すマップＭ１を生成する。

ところで、砥石表面凹凸算出部２３５から出力された砥石表面凹凸Ｐは、上述したように、スパイラル高周波波形生成部２３３によって生成されたスパイラル高周波波形ＳＨＷを用いて算出される。そして、スパイラル高周波波形ＳＨＷは、螺旋状に検出された第一基礎データＤ１に基づくものである。このため、砥石表面凹凸Ｐを表す波形は工作物Ｗの外周面に沿って螺旋状に連続するものであるため、マップＭ１を生成する際には砥石表面凹凸Ｐを表す波形を、例えば、任意の山数（具体的には砥石回転周期の倍数等）を含む分割区間で分割し、且つ、分割区間ごとに工作物Ｗの軸方向にて配置する必要がある。

このように、砥石表面凹凸Ｐを任意の分割区間で分割した場合、各分割区間の砥石表面凹凸Ｐ１（以下、「分割砥石表面凹凸Ｐ１」と称呼する。）は、工作物Ｗの回転軸に対する角度が互いに異なる角度となる。即ち、図１５に示すように、隣接する軸方向位置における各々の分割砥石表面凹凸Ｐ１は、互いに工作物Ｗの周方向にずれた位置に対応する。ここで、工作物Ｗの砥石表面凹凸Ｐは、砥石車１２の研削面の表面状態に起因するものであるため、砥石車１２の砥石回転周期ごとに工作物Ｗの表面に繰り返し見られる。

そこで、本例の砥石表面凹凸マップ生成部２４１は、工作物Ｗの同一円周上における砥石表面凹凸は周期的に繰り返されるものとみなす。即ち、本例の砥石表面凹凸マップ生成部２４１は、異なる分割区間つまり異なる角度ごとの分割砥石表面凹凸Ｐ１を軸方向に配置した際には工作物Ｗの同一角度における分割砥石表面凹凸Ｐ１であるとみなす。このため、砥石表面凹凸マップ生成部２４１は、各々の分割砥石表面凹凸Ｐ１を、周方向（図１５の矢印方向）に移動させて、図１６に示すように並列させる。これにより、砥石表面凹凸マップ生成部２４１は、図１４に示すマップＭ１を生成する。

尚、連続した砥石表面凹凸Ｐを分割区間ごとに分割した分割砥石表面凹凸Ｐ１を生成してマップＭ１を生成する際には、砥石表面凹凸Ｐの周期とずれた位置で分割する場合がある。即ち、この場合には分割砥石表面凹凸Ｐ１に端数が存在し、端数を含んだ分割砥石表面凹凸Ｐ１を工作物Ｗの軸方向に配置した場合、分割砥石表面凹凸Ｐ１同士を上手く接続できない場合が生じる。

例えば、砥石表面凹凸Ｐに関連する砥石車１２のアンバランス状態を例に挙げると、工作物Ｗの軸方向において、砥石車１２の幅に相当する領域では、分割砥石表面凹凸Ｐ１の波形位相は一致する。即ち、隣接する軸方向位置における分割砥石表面凹凸Ｐ１の波形は、山と山、谷と谷が軸方向に隣接し、連続性を有する。砥石表面凹凸マップ生成部２４１は、マップＭ１の生成に際してこのような連続性を再現するにあたり、複数の分割砥石表面凹凸Ｐ１の端点における波形位相が一致するように、各々の分割砥石表面凹凸Ｐ１における周方向の相対的な位置を補正するつまり端数処理を行う。砥石表面凹凸マップ生成部２４１が端数処理を行うことで、各々の軸方向位置における分割砥石表面凹凸Ｐ１の工作物Ｗの軸方向に対するつながりを円滑にすることができ、生成されるマップＭ１の精度を向上させることができる。

工作物基準半径マップ生成部２４２は、第一データ処理部２２（工作物基準半径算出部２２４）から工作物基準半径Ｒを取得する。そして、工作物基準半径マップ生成部２４２は、図１７に示すように、砥石起因である工作物基準半径Ｒによる表面性状Ｓ１２を表すマップＭ２を生成する。

ここで、工作物基準半径算出部２２４から出力された工作物基準半径Ｒは、上述したように、スパイラル低周波波形ＳＬＷを用いて算出される。そして、スパイラル低周波波形ＳＬＷは、螺旋状に検出された第一基礎データＤ１に基づくものである。尚、工作物基準半径Ｒを表す波形は、工作物Ｗの軸方向に連続する工作物半径の変化であるため、マップＭ２を生成する際には、砥石表面凹凸ＰのマップＭ１の周方向の配置数と同数にして配置する必要がある。

このため、工作物基準半径マップ生成部２４２は、軸方向に連続する工作物基準半径Ｒを、砥石表面凹凸Ｐを分割した端数処理の際の周方向の配置数分だけ複写する。そして、工作物基準半径マップ生成部２４２は、複写した工作物基準半径Ｒを配置することにより、マップＭ２を生成する。

高周波心間相対振動マップ生成部２４３は、第二データ処理部２３（高周波心間相対振動波形生成部２３４）から高周波心間相対振動波形ＨＤＶを取得する。そして、高周波心間相対振動マップ生成部２４３は、図１８に示すように、心間相対振動起因である高周波心間相対振動波形ＨＤＶによる表面性状Ｓ２１を表すマップＭ３を生成する。高周波心間相対振動マップ生成部２４３は、マップＭ３を生成する際に、砥石表面凹凸Ｐを分割した複数の分割区間のうちの任意の分割区間を選択する（抽出する）。そして、高周波心間相対振動波形生成部２３４は、選択した（抽出した）分割区間に対応する高周波心間相対振動波形ＨＤＶを、工作物Ｗの軸方向に、マップＭ２の配置数と同数だけ配置することにより、マップＭ３を生成する。

低周波心間相対振動マップ生成部２４４は、第一データ処理部２２（低周波心間相対振動波形生成部２２３）から低周波心間相対振動波形ＬＤＶを取得する。そして、低周波心間相対振動マップ生成部２４４は、図１９に示すように、心間相対振動起因である低周波心間相対振動波形ＬＤＶによる表面性状Ｓ２２を表すマップＭ４を生成する。低周波心間相対振動マップ生成部２４４は、マップＭ４を生成する際に、砥石表面凹凸Ｐを分割した複数の分割区間のうち、高周波心間相対振動マップ生成部２４３によって生成されたマップＭ３の分割区間と同一の分割区間を選択する（抽出する）。そして、低周波心間相対振動マップ生成部２４４は、選択した（抽出した）分割区間に対応する低周波心間相対振動波形ＬＤＶを、工作物Ｗの軸方向に、マップＭ２の配置数と同数だけ配置することにより、マップＭ４を生成する。

表面性状マップ生成部２４５は、図２０に示すように、工作物Ｗの表面性状Ｓを表す表面性状マップＭを生成する。即ち、表面性状マップ生成部２４５は、砥石表面凹凸マップ生成部２４１によって生成されたマップＭ１、工作物基準半径マップ生成部２４２によって生成されたマップＭ２、高周波心間相対振動マップ生成部２４３によって生成されたマップＭ３、及び、低周波心間相対振動マップ生成部２４４によって生成されたマップＭ４を合成する（加算する）ことにより、工作物Ｗの表面性状Ｓを表す表面性状マップＭを生成する。

ここで、砥石表面凹凸マップ生成部２４１によって生成されたマップＭ１と、工作物基準半径マップ生成部２４２によって生成されたマップＭ２とは、共に砥石起因によるものである。従って、表面性状マップ生成部２４５は、必要に応じて、マップＭ１とマップＭ２とのみを合成する（加算する）ことにより、工作物Ｗの表面性状Ｓを表す表面性状マップＭとして、砥石起因による表面性状Ｓ１を表すマップ（図示省略）を生成することができる。

又、高周波心間相対振動マップ生成部２４３によって生成されたマップＭ３と、低周波心間相対振動マップ生成部２４４によって生成されたマップＭ４とは、共に心間相対振動起因によるものである。従って、表面性状マップ生成部２４５は、必要に応じて、マップＭ３とマップＭ４とのみを合成する（加算する）ことにより、工作物Ｗの表面性状Ｓを表す表面性状マップＭとして、心間相対振動起因による表面性状Ｓ２を表すマップ（図示省略）を生成することができる。

そして、表面性状マップ生成部２４５は、生成した表面性状マップＭを画像出力装置４０に出力する。これにより、画像出力装置４０は、取得した表面性状マップＭを、例えば、ディスプレイ上に画像として表示する。

以上の説明からも理解できるように、表面性状推定システムＨによれば、表面性状生成装置２０は、螺旋状に検出された第一検出データＫ１即ち第一基礎データＤ１及び軸方向同一位置にて検出された第二検出データＫ２即ち第二基礎データＤ２に基づいて、砥石起因による表面性状Ｓ１を形成する砥石表面凹凸Ｐ及び工作物基準半径Ｒを算出することができる。又、表面性状生成装置２０は、軸方向同一位置にて検出された第二検出データＫ２即ち第二基礎データＤ２に基づいて、心間相対振動起因による表面性状Ｓ２を形成する低周波心間相対振動波形ＬＤＶ及び高周波心間相対振動波形ＨＤＶを算出することができる。そして、砥石起因による表面性状Ｓ１と心間相対振動起因による表面性状Ｓ２とを加算することによって工作物Ｗの表面性状Ｓを生成することができる。

より詳しく、表面性状生成装置２０は、砥石起因による表面性状Ｓ１を、螺旋状に検出された第一基礎データＤ１（第一検出データＫ１）の周波数成分のうちの第一低周波成分としての低周波成分Ｄ１１と第一高周波成分であるスパイラル高周波成分Ｄ１２と、軸方向同一位置にて検出された第二基礎データＤ２（第二検出データＫ２）の周波数成分のうちの第二低周波成分である低周波成分Ｄ２１と第二高周波成分である１断面高周波成分Ｄ２２とに基づいて算出することができる。又、表面性状生成装置２０は、心間相対振動起因による表面性状Ｓ２を、第二基礎データＤ２（第二検出データＫ２）の低周波成分Ｄ２１と１断面高周波成分Ｄ２２とに基づいて算出することができる。

これにより、第一基礎データＤ１及び第二基礎データＤ２を用いて算出される砥石起因による表面性状Ｓ１においては、算出するために必要なデータ数（波形の山数）を低減することができる。その結果、工作物Ｗの表面性状Ｓを推定するために要する時間、具体的には、第一基礎データＤ１（第一検出データＫ１）を検出（収集）するために要する時間を短縮することができる。

又、砥石起因による表面性状Ｓ１の算出に際しては、螺旋状に検出された第一基礎データＤ１（第一検出データＫ１）と軸方向同一位置即ち工作物Ｗの１周分に対応する第二基礎データＤ２（第二検出データＫ２）を用いることができる。これにより、砥石起因による表面性状Ｓ１の算出精度を向上させることができ、その結果、最終的に得られる工作物Ｗの表面性状Ｓの推定精度を向上させることができる。

又、砥石起因による表面性状Ｓ１を、例えば、工作物Ｗの加工後に算出する場合には、短時間で表面性状Ｓ１を高精度に算出することができる。このため、表面性状Ｓ１を研削装置１０のメンテナンス、例えば、ツルーイングインターバル等の判断に活用することできる。

更に、軸方向同一位置にて検出された第二基礎データＤ２（第二検出データＫ２）を用いて心間相対振動起因による表面性状Ｓ２を算出することができる。これにより、心間相対振動起因による表面性状Ｓ２を算出するために必要なデータ数を低減することができる。その結果、工作物Ｗの研削中においても、心間相対振動起因による表面性状Ｓ２を算出することが可能となる。これにより、算出された心間相対振動起因による表面性状Ｓ２は、研削加工精度や研削装置１０の作動状態等をモニタすることに用いることができるため、工作物Ｗの品質確認や予防保全、或いは、異常検知等に活用することができる。

（３．その他の別例）
上述した本例においては、検出装置３０が加速度センサを主に備えて、第一検出データ及び第二検出データとして加速度を基に変換して得られる変位を検出する場合を例示した。検出装置３０は、加速度センサを主に備えることに限定されず、工作物Ｗの表面の凹凸に起因する変位を検出する変位センサを主に備えることも可能である。

検出装置３０が備える変位センサとしては、例えば、接触型の定寸装置１７やリニアゲージ、又は、非接触型のレーザ式センサ、光学式センサ、渦電流型センサ等を例示することができる。接触型の定寸装置１７やリニアゲージは、工作物Ｗの表面に接触する測定子１７ａ等の接触部材を有し、工作物Ｗの回転に伴い生じる接触部材の振動の変位を検出する。尚、定寸装置１７によって高周波成分を検出することができるように、例えば、定寸装置１７に設けられたローパスフィルタを省略したアナログ出力アンプや、高周波デジタル出力アンプ等を用いることもできる。非接触型のレーザ式センサ、光学式センサ、渦電流型センサは、工作物Ｗの表面に対して非接触となるように配置され、工作物Ｗの回転に伴い生じる基準位置から工作物Ｗの表面までの変位を検出する。

接触型のセンサにより検出される接触部材の振動の変位、及び、非接触型のセンサにより検出される変位は、何れも、工作物の表面の凹凸の変位を示す検出データ（時系列データ）である。従って、この場合においても、検出装置３０から出力される検出データ（変位）は時系列データであり、基礎データ取得部２１は、検出装置３０から出力された第一検出データＫ１及び第二検出データＫ２を、各々、第一基礎データＤ１及び第二基礎データＤ２として取得する。

尚、リニアゲージは、工作物Ｗに接触する測定子と、測定子を支持するアームを備え、測定子を回転中の工作物Ｗに接触させた状態で工作物Ｗの表面の変位を検出するものである。又、リニアゲージは、定寸装置１７と同様に、軸方向移動装置に支持されており、工作物Ｗの軸方向、即ち、Ｚ方向に移動可能とされる。

更に、上述した本例においては、第一データ処理部２２の低周波成分抽出部２２１がＦＦＴを行い、スパイラル低周波波形生成部２２２及び低周波心間相対振動波形生成部２２３が逆ＦＦＴを行うようにした。又、第二データ処理部２３のスパイラル高周波成分抽出部２３１及び１断面高周波成分抽出部２３２がＦＦＴを行い、スパイラル高周波波形生成部２３３及び高周波心間相対振動波形生成部２３４が逆ＦＦＴを行うようにした。

このように、ＦＦＴ又は逆ＦＦＴを行うことを省略するために、上記各部に所望の周波数成分を抽出可能なフィルタを設けることも可能である。フィルタとしては、例えば、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、バンドパスフィルタ、或いは、ガウシアンフィルタ等を例示することができる。

１０…研削装置、１１…ベッド、１１ａ…砥石台案内部、１１ｂ…主軸テーブル案内部、１２…砥石車、１２ａ…砥石回転モータ、１３…砥石台、１４…主軸台、１４ａ…主軸回転モータ、１５…心押台、１６…主軸テーブル、１７…定寸装置、１７ａ…測定子、１７ｂ…フィンガー、１７ｃ…軸方向移動装置、１７ｄ…軸方向移動制御部、１８…制御器、２０…表面性状生成装置、２１…基礎データ取得部、２２…第一データ処理部、２２１…低周波成分抽出部、２２２…スパイラル低周波波形生成部、２２３…低周波心間相対振動波形生成部、２２４…工作物基準半径算出部、２３…第二データ処理部、２３１…スパイラル高周波成分抽出部、２３２…１断面高周波成分抽出部、２３３…スパイラル高周波波形生成部、２３４…高周波心間相対振動波形生成部、２３５…砥石表面凹凸算出部、２４…マップ化処理部、２４１…砥石表面凹凸マップ生成部、２４２…工作物基準半径マップ生成部、２４３…高周波心間相対振動マップ生成部、２４４…低周波心間相対振動マップ生成部、２４５…表面性状マップ生成部、３０…検出装置、４０…画像出力装置、Ｃ…螺旋回数、Ｋ１…第一検出データ、Ｋ２…第二検出データ、Ｄ１…第一基礎データ、Ｄ１１…低周波成分、Ｄ１２…スパイラル高周波成分、Ｄ２…第二基礎データ、Ｄ２１…低周波成分、Ｄ２２…１断面高周波成分、ＨＤＶ…高周波心間相対振動波形、ＬＤＶ…低周波心間相対振動波形、ＳＨＷ…スパイラル高周波波形、ＳＬＷ…スパイラル低周波波形、Ｍ…表面性状マップ、Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４…マップ、Ｏ…回転中心、Ｐ…砥石表面凹凸、Ｐ１…分割砥石表面凹凸、Ｒ…工作物基準半径、Ｓ…表面性状、Ｓ１…（砥石起因の）表面性状、Ｓ２…（心間相対振動起因の）表面性状、Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２…表面性状、Ｈ…表面性状推定システム、Ｗ…工作物

Claims (9)

1. 研削装置にて砥石車により研削した工作物の表面状態に応じた検出データを出力する検出装置と、
   前記工作物の表面における前記検出装置の測定位置を少なくとも周方向に前記工作物に対して相対移動させることによって前記検出装置により検出された前記検出データに基づいて前記工作物の表面性状を生成する表面性状生成装置と、を備え、
   前記表面性状生成装置は、
   前記工作物の表面における前記測定位置を前記工作物の周方向及び軸方向にて螺旋状に移動させることによって検出された前記検出データである第一検出データ、及び、前記測定位置を前記工作物の軸方向の同一位置にて周方向に移動させることによって検出された前記検出データである第二検出データに基づいて、前記砥石車の研削面における表面状態が転写された砥石起因による表面性状を算出すると共に、前記第二検出データに基づいて、前記砥石車と前記工作物との心間の相対的な変動により発生する振動が転写された心間相対振動起因による表面性状を算出し、
   前記砥石起因による表面性状と前記心間相対振動起因による表面性状とを加算して、前記工作物の表面性状を生成する、表面性状推定システム。
2. 前記砥石起因による表面性状は、
   前記第一検出データの周波数成分のうちの低周波成分である第一低周波成分、及び、前記第二検出データの周波数成分のうちの低周波成分である第二低周波成分に基づく低周波成分の前記砥石起因による表面性状と、
   前記第一検出データの周波数成分のうちの前記第一低周波成分よりも高周波領域の高周波成分である第一高周波成分、及び、前記第二検出データの周波数成分のうちの前記第二低周波成分よりも高周波領域の高周波成分から前記砥石車の砥石回転周波数成分を除外した第二高周波成分に基づく高周波成分の前記砥石起因の表面性状と、を含む、請求項１に記載の表面性状推定システム。
3. 前記心間相対振動起因による表面性状は、
   前記第二検出データの周波数成分のうちの低周波成分である第二低周波成分に基づく前記心間相対振動起因による表面性状と、
   前記第二検出データの周波数成分のうちの前記第二低周波成分よりも高周波領域の第二高周波成分に基づく前記心間相対振動起因による表面性状と、を含む、請求項１又は２に記載の表面性状推定システム。
4. 前記表面性状生成装置は、
   前記第一検出データを第一基礎データとして取得すると共に、前記第二検出データを第二基礎データとして取得する基礎データ取得部と、
   前記第一基礎データの周波数特性のうちの低周波成分である第一低周波成分及び前記第二基礎データの周波数特性うちの低周波成分である第二低周波成分を抽出し、抽出した前記第一低周波成分から前記第二低周波成分を減算することによって前記工作物の基準半径を算出すると共に、前記第二低周波成分を用いて前記砥石車と前記工作物との心間相対振動である低周波心間相対振動を算出する第一データ処理部と、
   前記第一基礎データの周波数特性のうちの前記第一低周波成分よりも高周波領域の第一高周波成分及び前記第二基礎データの周波数特性のうち前記第二低周波成分よりも高周波領域の第二高周波成分を抽出し、抽出した前記第二高周波成分を用いて前記砥石車と前記工作物との心間相対振動である高周波心間相対振動を算出すると共に、抽出した前記第一高周波成分から前記高周波心間相対振動を減算することによって前記工作物の表面に前記砥石車の前記研削面における表面状態が転写された砥石表面凹凸を算出する第二データ処理部と、
   前記第一データ処理部によって算出された前記工作物の前記基準半径、及び、前記第二データ処理部によって算出された前記砥石表面凹凸を用いて前記砥石起因による表面性状を生成すると共に、前記第一データ処理部によって算出された前記低周波心間相対振動、及び、前記第二データ処理部によって算出された前記高周波心間相対振動を用いて前記心間相対振動起因による表面性状を生成し、
   前記生成した前記砥石起因による表面性状及び前記心間相対振動起因による表面性状を加算して、前記工作物の表面性状を生成する表面性状生成部と、
   を備えた、請求項１－３の何れか一項に記載の表面性状推定システム。
5. 前記表面性状生成部は、
   前記工作物の前記基準半径、前記砥石表面凹凸、前記低周波心間相対振動、及び、前記高周波心間相対振動の各々をマップ化し、各々のマップを加算することにより、前記工作物の表面性状を表すマップを生成する、請求項４に記載の表面性状推定システム。
6. 前記検出装置は、
   加速度又は変位に関する時系列データを前記検出データとして出力する、請求項１－５の何れか一項に記載の表面性状推定システム。
7. 前記検出装置は、
   前記研削装置において前記工作物の外径を測定する外径測定装置に設けられる、請求項１－６の何れか一項に記載の表面性状推定システム。
8. 前記第一データ処理部は、
   前記第一低周波成分を前記第一基礎データの周波数特性のうちの低周波成分から１山／周成分を除外して抽出すると共に、前記第二低周波成分を前記第二基礎データの周波数特性のうちの低周波成分から１山／周成分を除外して抽出する、請求項４又は５に記載の表面性状推定システム。
9. 前記表面性状生成装置により生成された前記工作物の表面性状を画像として出力する画像出力装置を備えた、請求項１－８の何れか一項に記載の表面性状推定システム。

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