CN114502926B - 金属材料加工设备的异响观测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种金属材料加工设备的异响观测系统。异响观测系统具备检测声响的至少2台麦克风阵列、以及进行对这些麦克风阵列检测到的声响信号进行处理的声响信号处理的处理装置。至少2台麦克风阵列包括第1以及第2麦克风阵列。在声响信号处理中，从第1麦克风阵列检测到的声响信号中提取第1异响部，从第2麦克风阵列检测到的声响信号中提取第2异响部。此外，基于第1异响部推定异响产生源相对于第1麦克风阵列的相对方位(第1相对方位)，基于第2异响部推定相对于第2麦克风阵列的相对方位(第2相对方位)。并且，基于第1及第2麦克风阵列在基准坐标面上的位置以及第1及第2相对方位，推定异响产生源在该坐标面上的位置。
Description
技术领域
本发明涉及观测在进行金属材料的加工的设备中产生的异常声响成分(以下，也称作“异响”。)的系统。
背景技术
金属材料的加工工序典型地包括轧制工序以及其附带的工序。在进行加工工序的设备(以下，也称作“加工设备”。)中，在操作中产生各种异响。异响是具有在通常操作时不会产生的频率成分、频率分布以及音量的声响成分。
由于各种原因而产生异响。例如，当金属材料在上下方向上翘曲或者金属材料在左右方向上(即，金属材料的输送线的作业侧或者驱动侧)弯曲时，金属材料与周围的机械设备接触。在金属材料的上表面的温度与下表面的温度之间存在差的情况下，会产生金属材料的上下方向的翘曲。在上侧的轧辊的表面状态与下侧的轧辊的表面状态之间存在差，而在金属材料的上下表面产生压下率以及由此引起的伸长率的差的情况下，也会产生上下方向的翘曲。
例如，如以下那样产生金属材料的左右方向的弯曲。即，当由于加工炉中的升温偏差等而使金属材料的左右的温度不同时，由于金属材料的变形阻力差而使左右的轧制载荷产生差。而且，使轧机的弹性变形(轧钢机伸长)产生左右差。于是，在轧机的出侧，在金属材料的左右方向上产生板厚差(楔形)。当产生楔形时，在金属材料的右侧的伸长率与左侧的伸长率之间产生差。因此，金属材料在左右方向上弯曲。
作为异响的其他产生原因，可举出轧钢机振动。由于轧机的弹性变形、轧辊与金属材料之间的摩擦状态变化而产生轧钢机振动。电动机、驱动轴、辊等旋转体的一部分产生损伤等而偏心的情况，是异响的又一产生原因。
在操作中放任产生异响的状态不管有可能导致较大的故障。因此，需要适当确定异响的产生原因并适当地应对。但是，以往，在加工设备中产生的异响的确定以及应对由专人进行。即，当作业者在运转室、输送线附近确认产生异响时，基于异响的大致的到来方位、过去的经验来推定产生原因，并采取对策。
但是，人耳能够识别的异响的到来方位并不准确。因此，例如，极难通过人耳确定在轧机的左侧和右侧的哪一侧产生了异响。并且，在作业者的识别能力、经验较低的情况下，有可能漏过异响的产生。进而，作业者进行的作业并不仅限于异响的识别。因此，即使作业者的识别能力等较高，也难以始终注意异响并在产生了异响的情况下对其进行应对。因此，有可能漏过异响的产生而无法对其采取对策。
如果在预想会产生异响的加工装置中预先设置麦克风、振动传感器，并对来自这些检测设备的信号进行分析，则有可能能够自动地确定异响的产生源。但是，加工设备包括各种装置，预想会产生异响的装置也很多。因此，从经济方面考虑，对这些装置全部安装检测设备存在极限。并且，为了对来自检测设备的信号进行处理，需要铺设大量较长的连接缆线。虽然可以考虑基于无线进行连接，但加工设备的一部分装置具有马达、驱动装置这样的电磁噪声的产生源。因而，在现实中，需要在一定程度上减少检测设备的数量，对于未设置检测设备的装置有可能无法检测到异响的产生本身。
作为检测异响的产生的现有技术，例示了专利文献1以及2所公开的技术。在这些现有技术中，使用具有呈矩阵状排列的多个指向性麦克风的麦克风装置。并且，基于该麦克风装置的配设位置的信息，确定由某个指向性麦克风集音的声场在集音区域内的位置。但是，为了提高位置分辨率，需要排列更多的指向性更强的麦克风。因此，在这些现有技术中，在位置分辨率的提高方面存在极限。
在专利文献3中公开了在监视对象上安装发送位置确定信号的装置的技术。但是，在作为被加工物的金属材料上安装发送装置并不现实，极难对热轧的金属材料应用发送装置。
在专利文献4中公开了使用单个麦克风阵列来确定声响波动的方向的装置。但是，在该装置中，虽然能够得知从麦克风阵列到声响波动的产生源的方位，但难以确定从麦克风阵列到产生源的距离。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开昭64-46672号公报
专利文献2：日本专利第4443247号说明书
专利文献3：日本特开平10-132651号公报
专利文献4：日本特开平11-64089号公报
发明内容
发明要解决的课题
本发明是为了解决上述课题而完成的，其目的在于提供一种能够自动且高精度地确定在金属材料的加工设备中产生的异响的产生源的位置的技术。
第1发明为一种异响观测系统，用于观测在金属材料的加工设备中产生的异响。
上述异响观测系统具备：
至少2台麦克风阵列，检测声响；以及
处理装置，进行声响信号处理，该声响信号处理对上述至少2台麦克风阵列检测到的声响信号进行处理。
上述至少2台麦克风阵列包括：
第1麦克风阵列，朝向包括上述加工设备的位置的第1空间；以及
第2麦克风阵列，朝向在上述加工设备的位置处与上述第1空间共用一部分空间的第2空间。
上述处理装置在上述声响信号处理中进行：
从上述第1麦克风阵列检测到的上述声响信号中提取第1异响部，
从上述第2麦克风阵列检测到的上述声响信号中提取第2异响部，
基于上述第1异响部，推定表示异响产生源相对于上述第1麦克风阵列的相对方位的第1相对方位，
基于上述第2异响部，推定表示相对于上述第2麦克风阵列的上述相对方位的第2相对方位，
基于上述第1麦克风阵列及第2麦克风阵列在基准坐标面上的位置、以及上述第1相对方位及第2相对方位，推定上述异响产生源在该坐标面上的位置。
第2发明为，在第1发明中进一步具有如下特征。
上述至少2台麦克风阵列还具备朝向第3空间的第3麦克风阵列，该第3空间在上述加工设备的位置处与上述第1空间和上述第2空间中的至少一方共用一部分空间。
上述处理装置在上述声响信号处理中进一步进行：
从上述第3麦克风阵列检测到的上述声响信号中提取第3异响部；
基于上述第3异响部，推定表示相对于上述第3麦克风阵列的上述相对方位的第3相对方位，
基于上述第1麦克风阵列、上述第2麦克风阵列和第3麦克风阵列中的2台麦克风阵列的组合，进行上述异响产生源的位置的推定。
第3发明为，在第1或者第2的发明中进一步具有如下特征。
上述处理装置在上述声响信号处理中进一步：在推定出上述异响产生源的位置的情况下，基于从上述至少2台麦克风阵列中的任意的麦克风阵列到上述异响产生源的在上述坐标面上的距离、以及在上述任意的麦克风阵列中检测到来自上述异响产生源的异响的时刻，推定上述异响产生源中的异响的产生时刻。
第4发明为，在第3发明中进一步具有如下特征。
上述异响观测系统还具备显示上述加工设备的运转状况的显示装置。
上述处理装置进一步进行：
信息取得处理，取得在上述加工设备中加工的上述金属材料的信息；
建立关联处理，将包含上述异响产生源的推定位置和上述异响产生源中的异响的推定产生时刻的异响产生信息与上述金属材料的信息建立关联；以及
显示处理，将与上述异响产生信息建立关联的上述金属材料的信息输出至上述显示装置。
第5发明为，在第3或者第4的发明中进一步具有如下特征。
上述异响观测系统还具备记录上述加工设备的运转状况的存储装置。
上述处理装置进一步进行：
信息取得处理，取得在上述加工设备中加工的上述金属材料的信息；
建立关联处理，将包含上述异响产生源的推定位置和上述异响产生源中的异响的推定产生时刻的异响产生信息与上述金属材料的信息建立关联；以及
记录处理，将与上述异响产生信息建立关联的上述金属材料的信息记录在上述存储装置中。
第6发明为，在第3～5发明的任一项中进一步具有如下特征。
上述异响观测系统还具备对构成上述加工设备的加工装置进行控制的控制装置，
上述处理装置进一步进行如下的紧急控制处理：基于包含上述异响产生源的推定位置和上述异响产生源中的异响的推定产生时刻的异响产生信息，将用于使上述加工装置的至少一部分紧急地工作的紧急控制指令输出至上述控制装置。
发明的效果
根据第1发明，进行声响信号处理。根据声响信号处理，从第1麦克风阵列检测到的声响信号中提取第1异响部，基于该第1异响部计算异响产生源相对于第1麦克风阵列的第1相对方位。此外，从第2麦克风阵列检测到的声响信号中提取第2异响部，基于该第2异响部计算异响产生源相对于第2麦克风阵列的第2相对方位。并且，基于第1麦克风阵列及第2麦克风阵列在基准坐标面上的位置、以及第1相对方位及第2相对方位，推定异响产生源在基准坐标面上的位置。因而，根据声响信号处理，能够自动且高精度地确定异响产生源的位置。
根据第2发明，能够基于第1麦克风阵列、第2麦克风阵列及第3麦克风阵列中的2台麦克风阵列的组合，自动且高精度地确定异响产生源的位置。
根据第3发明，在推定出异响产生源的位置的情况下，推定该异响产生源中的异响的产生时刻。因而，能够自动且高精度地确定异响的产生时刻。
根据第4发明，将附加有异响产生信息的金属材料的信息显示于显示装置。因而，能够对观察显示装置的作业者提供附加有异响产生信息的金属材料的信息。这会减轻加工设备的作业者的负担。
根据第5发明，将附加有异响产生信息的金属材料的信息记录在存储装置中。因而，能够在金属材料的加工后根据异响产生信息进行追溯而确定与其存在关系的金属材料。也能够将金属材料信息所附加的异响产生信息活用为产品的品质信息。
根据第6发明，基于异响产生信息将紧急控制指令输出至控制装置。紧急控制指令是用于使加工装置的至少一部分紧急地工作的控制指令。因而，能够未然地避免异响的产生发展成较大的故障。
附图说明
图1是表示实施方式的异响观测系统向加工设备的第1应用例的示意俯视图。
图2是表示实施方式的异响观测系统向加工设备的第2应用例的示意俯视图。
图3是表示实施方式的异响观测系统的整体构成例的图。
图4是表示麦克风阵列的构成例的示意图。
图5是表示处理装置的功能构成例的图。
图6是表示相对方位的一例的图。
图7是对设置条件(第2设置条件)进行说明的图。
图8是表示与异响产生信息建立关联的金属材料信息的一览的例子的图。
图9是表示显示于显示装置的图像例的示意图。
图10是表示显示于显示装置的图像例的示意图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式的异响观测系统进行说明。另外，对于在各图中共通的要素标注相同的符号而省略重复的说明。此外，本发明不受以下的实施方式限定。
1.异响观测系统的应用例
1-1.第1应用例
图1是表示实施方式的异响观测系统向加工设备的第1应用例的示意俯视图。在图1中描绘侧方引导器SG。侧方引导器SG是使在加工设备中加工的金属材料MTL的输送方向DD稳定化的装置。侧方引导器SG例如设置在粗轧机的入侧以及出侧。在另一例子中，侧方引导器SG设置在精轧机的机架之间。在又一例子中，侧方引导器SG设置在卷取机的入侧。侧方引导器SG是构成加工设备的“加工装置”的一例。作为加工装置的其他例子，可举出粗轧机、精轧机、平整轧机以及卷取机。
在图1中还描绘有麦克风阵列10A以及10B。关于这些麦克风阵列的构成例将后述。这些麦克风阵列相对于金属材料MTL设置在相同侧(即，作业侧或者驱动侧)。这些麦克风阵列构成异响观测系统。麦克风阵列10A的集音面朝向空间SPA。空间SPA至少包含加工设备的位置。麦克风阵列10B的集音面朝向空间SPB。空间SPA也至少包含加工设备的位置。空间SPA的一部分与空间SPB的一部分重复。在图1所示的例子中，重复空间L12是包含侧方引导器SG的输送线的一部分空间。
1-2.第2应用例
图2是表示实施方式的异响观测系统向加工设备的第2应用例的示意俯视图。在第2应用例中，麦克风阵列10A、10B、10C以及10D构成异响观测系统。麦克风阵列10A以及10B的设置场所与第1应用例共通。麦克风阵列10C以及10D相对于金属材料MTL设置在相同侧(即，作业侧或者驱动侧)。麦克风阵列10C的集音面朝向空间SPC。麦克风阵列10D的集音面朝向空间SPD。空间SPC以及SPD都至少包含加工设备的位置。空间SPA～SPD中的任意两个重复的空间均包含包括侧方引导器SG在内的输送线的一部分空间。
以下，除了对麦克风阵列10A～10D进行区别的情况以外，将这些麦克风阵列统称为“麦克风阵列10”。
2.异响观测系统的构成例
图3是表示异响观测系统的整体构成例的图。在图3所示的例子中，异响观测系统100具备麦克风阵列10、控制装置20、加工装置30、处理装置40、显示装置50以及存储装置60。
2-1.麦克风阵列
麦克风阵列10检测集音面所朝向的空间的声响。麦克风阵列10在加工设备的周围至少设置有两台。关于麦克风阵列10的设置例，如已经说明的那样。麦克风阵列10分别经由缆线与处理装置40连接。来自麦克风阵列10的信号量较多，因此在麦克风阵列10与处理装置40之间需要高速地进行传输。但是，一般在高速传输中难以使用较长的缆线。因此，优选针对每个麦克风阵列10设置具有处理装置40的一部分功能的子处理装置，并将子处理装置与麦克风阵列10经由较短的缆线连接。在该情况下，子处理装置分别经由较长的缆线与处理装置40连接。
麦克风阵列10分别具备放大器以及模拟数字转换器(均未图示)。为了不产生混叠噪声(Aliasing)，将模拟数字转换的采样周期设定为考虑到要检测的异响的频率成分而决定的上限频率的2倍以上的周期。“要检测的异响的频率成分”的范围例如为10Hz～100kHz。近年所开发的MEMS麦克风能够捕捉超过100kHz的频率的声响信号，因此能够良好地应用于麦克风阵列10。
图4是表示麦克风阵列10的构成例的示意图。在图4所示的例子中，麦克风阵列10具备在水平方向上排列的5个麦克风11～15。也可以在铅垂方向上排列有多个与麦克风11～15同样的麦克风组。
麦克风阵列10中相邻的2个麦克风的间隔d没有特别限定。例如，间隔d设定为上述上限频率的波长λ的1/2以下。当间隔d长于该波长时，在后述的提取处理中对信号进行扫描需要较多时间，或者有时异响的方位的推定精度会降低。水平方向两端的2个麦克风(即，麦克风11以及15)之间的距离L也没有特别限定。但是，由麦克风阵列10检测的音量与距离L的平方成反比例。因此，优选将距离L设定为考虑到异响的信噪比、麦克风灵敏度以及周围环境声音而决定的下限值以下。
2-2.控制装置
控制装置20对加工设备中的操作进行管理。控制装置20是具备处理器、存储器以及输入输出接口的计算机。控制装置20具有加工设备的运转状况的信息(以下，也称作“运转状况信息”。)、由加工设备加工的金属材料的信息(以下，也称作“金属材料信息”。)、以及该金属材料的加工条件的信息(以下，也称作“加工条件信息”。)。
作为运转状况信息，例示了表示加工装置30的运转状态的信息。作为金属材料信息，例示了金属材料的识别编号、材料种类区分以及尺寸区分的信息。作为金属材料信息，还例示了金属材料在输送线上的位置的信息。基于来自设置在输送线上的重要部位的检测设备的信号、来自各种马达所具有的驱动装置的信号，取得该位置信息。作为加工条件信息，例示了各种轧机的出侧的目标板厚、以及加工工序中的金属材料的速度条件。
控制装置20将运转状况信息以及金属材料信息发送至处理装置40以及存储装置60。控制装置20还基于金属材料信息以及加工条件信息生成加工装置30的控制指令。作为控制指令，例示了向加工装置30的各种致动器输入的控制量的信息。控制装置20将控制指令发送至加工装置30以及存储装置60。此外，控制装置20在从处理装置40接收到紧急控制指令的情况下，将其发送至加工装置30。紧急控制指令是在加工设备的紧急时生成的控制指令。
2-3.加工装置
加工装置30在输送线上对金属材料进行加工。作为加工装置30，例示了在图1以及2中说明了的侧方引导器SG、粗轧机、精轧机、平整轧机以及卷取机。
2-4.处理装置
处理装置40检测加工设备中的异响的产生。与控制装置20同样，处理装置40是具备处理器、存储器以及输入输出接口的计算机。
处理装置40基于从控制装置20接受的信息，判定是否需要检测异响的产生。在判定为需要检测异响的产生的情况下，处理装置40基于麦克风阵列10检测到的声响信息来检测异响的产生。处理装置40在检测到异响的产生的情况下，生成异响产生信息。作为异响产生信息，例示了异响产生源(Allophone source)的推定位置以及异响产生的推定时刻的信息。处理装置40基于从控制装置20接受的金属材料信息，将所生成的异响产生信息与金属材料信息建立关联。一系列处理的详细内容将后述。
处理装置40还进行用于将与异响产生信息建立关联的金属材料信息显示于显示装置50的处理(即，显示处理)。处理装置40还进行用于将与异响产生信息建立关联的金属材料信息记录在存储装置60中的处理(即，记录处理)。处理装置40还基于异响产生源的推定位置的信息，进行用于对加工装置30进行紧急控制的处理(即，紧急控制处理)。这些处理的详细内容也将后述。
2-5.显示装置
显示装置50例如设置在作业者(现场作业者)所驻在的运转室。在另一例子中，显示装置50设置在管理者(远程作业者)所驻在的管理室。在显示装置50中显示运转状况信息。基于存储装置60所保存的信息来进行该显示。在显示装置50中还显示从设置在加工设备的重要部位的摄像机输出的映像数据。作业者以及管理者经由显示装置50监视加工设备的运转状况、加工装置30的可动部的状态等。
2-6.存储装置
在存储装置60中保存有加工装置30的配置以及外形的信息。在存储装置60中还保存有加工装置30的可动部的状态的信息。可动部的状态的信息包含于运转状况信息中。在存储装置60中还保存有麦克风阵列10检测到的声响信息。存储装置60可以从处理装置40接受该声响信息，也可以从麦克风阵列10直接接受该声响信息。在存储装置60中还保存有附加有异响产生信息的金属材料信息。
3.处理装置的构成例
图5是表示处理装置40的功能构成例的图。在图5所示的例子中，处理装置40具备信息取得部41、声响信号处理部42、显示处理部43、记录处理部44以及紧急控制处理部45。通过处理装置40的处理器执行保存在存储器中的各种程序来实现这些功能部。
这些功能部的一部分也可以在上述子处理装置中实现。例如，信息取得部41、声响信号处理部42的一部分也可以在子处理装置中实现。具体而言，与信息取得部41的声响信号处理相关的处理以及由后述的提取处理部42A以及方位推定处理部42B进行的处理，也可以在子处理装置中进行。
3-1.信息取得部
信息取得部41进行取得运转状况信息以及金属材料信息的处理(信息取得处理)。信息取得部41还取得麦克风阵列10检测到的声响信息。信息取得部41基于运转状况信息以及金属材料信息，判定是否需要检测异响的产生。例如，信息取得部41在加工设备正在运转的情况下，判定为需要检测异响的产生。信息取得部41如果判定为需要检测异响的产生，则将金属材料信息以及声响信息发送至声响信号处理部42。
3-2.声响信号处理部
声响信号处理部42对声响信息中包含的声响信号进行处理。在图5所示的例子中，声响信号处理部42具备提取处理部42A、方位推定处理部42B、位置推定处理部42C、时刻推定处理部42D以及建立关联处理部42E。
3-2-1.提取处理部
提取处理部42A进行从声响信号中提取异响部的处理(提取处理)。具体而言，提取处理部42A首先对声响信号进行数字滤波处理、短时间傅里叶变换或者小波变换，提取上述上限频率以下的频率成分(的信号波形)。此处，将所提取的频率成分的数量设为F个(F≥1)。
在数字滤波处理中，以使频率成分的频谱的重叠足够小的方式选择带通滤波器的特性频率，并设定适合该特性频率的参数。在短时间傅里叶变换中，将声响信号乘以由高斯函数等表示的窗口函数而提取该声响信号的一部分，并通过傅里叶变换而变换成频谱。此时，通过使窗口函数在时间方向上扫描，由此计算出频谱的时间变化，并提取所希望的频率成分作为该频谱的一部分。小波变换可以是连续小波变换，也可以是离散小波变换。在提取2个以上的频率成分的情况下，在连续小波变换中以使频谱的重叠足够小的方式设定小波的比例系数。
提取处理部42A例如对于各频率成分判定信号强度(音量)是否脱离了通常操作时的范围。在又一例子中，提取处理部42A判定频率成分间的信号强度的比例(即，信号强度比或者音量比)是否脱离通常操作时的范围。在存在脱离通常范围的频率成分的情况下、或者在存在脱离通常范围的频率成分的组合的情况下，提取处理部42A将其判断为异响，并提取时间轴上的异响部而发送至方位推定处理部42B。
3-2-2.方位推定处理部
方位推定处理部42B基于从方位推定处理部42B接受的异响部的信息，进行对异响产生源相对于麦克风阵列10的相对方位分别进行推定的处理(方位推定处理)。作为相对方位的推定方法，例示了基于相位检波的方法、基于互相关系数的方法、以及基于相关矩阵的特征值分析的方法。
在基于相位检波的方法中，例如基于由麦克风阵列10的各麦克风检测到的异响部的同一频率成分之间的相位差，推定该频率的异响的到来方位。具体而言，首先，将由各麦克风检测到的异响部的各频率成分除以其振幅的实际值(即，各采样点的振幅的均方根)而使振幅强度一致。以下，将振幅强度一致的频率成分也称作“归一化成分”。
着眼于1台麦克风阵列10中在水平方向上排列的任意2个麦克风(为了便于说明，以下称为“麦克风i”以及“麦克风j”)。在基于相位检波的方法中，将由这2个麦克风检测到的异响部中的相同频率的归一化成分彼此相乘(即，对于各采样点，将麦克风i的振幅与麦克风j的振幅相乘)，进而计算出其平均值(直流成分)x。根据正弦函数的加法定理，通过使用了余弦函数的反函数的下式(1)来计算相位差δij。
δij＝cos-1(2x) …(1)
通过将相位差δij代入下式(2)来计算到来方位θ。
在式(2)中，λ是波长，使用音速c和计算相位差δij时的频率f来表示(即，λ＝c/f)。dij是麦克风i与麦克风j之间的距离。θ是通过麦克风阵列10的中心且相对于该麦克风阵列10的集音面垂直的线(法线)NL与将该中心和异响产生源连结的线段SL所成的角度。
在图6中示出到来方位θ、法线NL以及线段SL的一例。在图6所示的例子中，描绘了作为法线NL的NL10A以及NL10B、作为线段SL的SL10A以及SL10B。此外，作为到来方位θ，描绘了异响产生源AS相对于麦克风阵列10A的相对方位θ10A、异响产生源AS相对于麦克风阵列10B的相对方位θ10B。另外，在图6中，麦克风阵列10A的中心位置用基准坐标系的坐标点(xa，ya)表示，麦克风阵列10B的中心位置用坐标点(xb，yb)表示。此外，异响产生源AS的位置用坐标点(xab，yab)表示。
在基于互相关系数的方法中，着眼于由上述2个麦克风(即，麦克风i以及j)检测到的异响部中的相同频率成分。在该方法中，将一方的频率成分在时间轴方向上错开了时间差Δt时的互相关系数rij通过下式(3)计算。
在式(3)中，sij是由麦克风i以及j检测到的异响部的各频率成分的协方差。si是由麦克风i检测到的异响部的各频率成分的标准偏差，sj是麦克风j中的标准偏差。N是数据(i，j)的总数，ik以及jk是各频率成分的数值，i-以及j-是平均值。
在使时间差Δt变化的同时计算互相关系数rij。根据表示互相关系数rij成为最大时的时间差Δt与频率f之积的下式(4)来计算相位差δij。通过向上述式(2)中代入该相位差δij而变形后的式(5)来计算到来方位θ。
δij＝2π·f·Δt…(4)
基于相关矩阵的特征值分析的方法，能够以较高的分辨率来推定到来方位θ。作为该方法，例示了MUSIC法、Root MUSIC法、ESPRIT法等。以下，对MUSIC法进行说明。
在MUSIC法中，对于1台麦克风阵列10着眼于上述2个麦克风全部的组合。在MUSIC法中，首先，对这些组合分别计算互相关系数rij，并基于该互相关系数rij来制作相关矩阵R＝[rij](i以及j是组合的2个麦克风)。接着，计算相关矩阵R的特征值λi、特征向量ei及其厄米共轭ei*。
在到来的异响存在多个时，将这些异响的总数设为n。在MUSIC法中，各麦克风的特征值λi按照从大到小的顺序排列，并新标注下标m(λm：m＝1～N)。此外，从较大的一方开始对n个λm标注下标p(p＝1～n)，对剩余的λm标注下标q(q＝n+1～N)。也可以将某个阈值以上的λm作为有效的异响进行计数，并自动地决定标注下标p的λm。
如以下那样计算到来方位θ。首先，在-π/2≤θ≤π/2的范围内使变量θ扫描，计算由下式(6)表示的相对相位向量ν(θ)和由式(7)表示的评价值y(θ)。
在式(6)中，j是虚数单位。将评价值y(θ)示出极小值(≈0)时的变量θ记录为θp。该θp表示各信号的到来方位θ。
方位推定处理部42B也可以为了提高到来方位θ的推定精度而进行加权平均处理。例如，在异响部中的多个频率成分的振幅是有效信号的情况(即，超过噪声水平的信号的情况)下，对这些频率成分分别应用上述推定方法。于是，能够针对每个频率成分得到到来方位θ。在加权平均处理中，将与频率成分的振幅相应的系数与各个到来方位θ相乘，并计算出它们的平均值θave。
方位推定处理部42B将计算出的到来方位θ发送至位置推定处理部42C。此处，方位推定处理部42B优选在入射角条件以及设置条件得到满足的情况下，将到来方位θ发送至位置推定处理部42C。以下，对这两个条件进行说明。
关于入射角条件，根据图4中说明的麦克风阵列10的构成例，能够进行-π/2≤θ≤π/2的范围的集音。即，能够在-π/2≤θ≤π/2的范围内推定出到来方位。但是，当θ超过某个范围时，到来方位的推定精度急剧降低。在允许推定精度降低10％左右的情况下，θ的范围为-70°≤θ≤70°。入射角条件意味着到来方位θ处于该允许范围。
关于设置条件，根据图1以及2中说明的麦克风阵列10的设置例，任意2台麦克风阵列10(为了便于说明，以下称作“麦克风阵列p”以及“麦克风阵列q”)的集音面所朝向的空间存在重叠的部分。但是，在不存在重叠的部分的情况下，计算出产生位置不同的异响的到来方位θ的可能性较高。在输送线上不存在重叠的部分的情况下，可以说会产生与上述相同的情况。在麦克风阵列p的集音面与麦克风阵列q的集音面所成的角度过大的情况下，可以说会产生与上述相同的情况。
因此，设置条件包含如下的两个独立条件。
第1设置条件：麦克风阵列p以及q的集音面所朝向的空间存在重叠的部分，且该重叠的部分存在于输送线上。
第2设置条件：关于麦克风阵列p以及q，各法线NL与基准线所成的角度以及满足
另外，由于麦克风阵列10的位置以及集音面的指向方向为已知，因此也可以将是否满足设置条件的判定作为到来方位θ的计算的前提条件。在该情况下，首先，基于设置条件进行2台麦克风阵列10的筛选。接着，对于筛选出的2台麦克风阵列10计算到来方位θ。然后，对于计算出的到来方位θ，判定是否满足入射角条件。
在图7中表示角度以及法线NL的一例。在图7所示的例子中，描绘了作为法线NL的NL10A以及NL10C。法线NL10A与图6所示的法线相同。此外，在图7中，作为角度以及描绘了角度以及角度是通过麦克风阵列10A的中心且与X轴平行的基准线BL10A与法线NL10A所成的角度。角度是通过麦克风阵列10C的中心且与X轴平行的基准线BL10C与法线NL10C所成的角度。另外，在图7中，麦克风阵列10A的中心位置用坐标点(xa，ya)表示，麦克风阵列10C的中心位置用坐标点(xc，yc)表示。此外，异响产生源AS的位置用坐标点(xac，yac)表示。
3-2-3.位置推定处理部
位置推定处理部42C基于从方位推定处理部42B接受的到来方位θ的信息、以及麦克风阵列10的位置信息，进行推定异响产生源AS的位置的处理(位置推定处理)。具体而言，位置推定处理部42C首先从计算出到来方位θ的麦克风阵列10中选择任意2台(即，麦克风阵列p以及q)。在该选择时，使用上述入射角条件以及设置条件。
在麦克风阵列p以及q至少满足第1设置条件的情况下，位置推定处理部42C通过下式(8)以及(9)计算异响产生源在基准坐标系中的位置(xpq，ypq)。
在式(8)以及(9)中，(xp 0，yp 0)以及(xq 0，yq 0)是麦克风阵列p以及q在基准坐标系中的位置。典型地，(xp 0，yp 0)是麦克风阵列p中央的麦克风的位置，(xq 0，yq 0)是麦克风阵列q中央的麦克风的位置。
位置推定处理部42C对于将计算出到来方位θ的麦克风阵列10中的2台进行组合而得到的全部组合计算出位置(xpq，ypq)。例如，在计算出到来方位θ的麦克风阵列10的总数为u台的情况下，2台的组合存在u×(u-1)种。位置推定处理部42C通过下式(10)以及(11)计算出u×(u-1)个的位置(xpq，ypq)的加权平均。
在式(10)以及(11)中，wpq是加权系数。
通过u×(u-1)个的位置(xpq，ypq)的加权平均而计算出的位置(xest，yest)相当于异响产生源AS的推定位置。位置推定处理部42C将推定位置(xest，yest)的信息发送至时刻推定处理部42D、显示处理部43、记录处理部44以及紧急控制处理部45。推定位置(xest，yest)的信息构成异响产生信息。
3-2-4.时刻推定处理部
时刻推定处理部42D基于从位置推定处理部42C接受的位置(xest，yest)的信息、以及任意1台麦克风阵列10(为了便于说明，设为“麦克风阵列p”)的位置信息，进行推定产生异响的时刻的处理(时刻推定处理)。具体而言，时刻推定处理部42D通过下式(12)计算异响产生的推定时刻test。
在式(12)中，Lp是从位置(xest，yest)到位置(xp 0，yp 0)的距离。
时刻推定处理部42D将推定时刻test的信息发送至显示处理部43、记录处理部44以及紧急控制处理部45。时刻test的信息构成异响产生信息。
3-2-5.建立关联处理部
建立关联处理部42E将从位置推定处理部42C接受的推定位置(xest，yest)的信息与从时刻推定处理部42D接受的推定时刻test的信息建立关联。此外，建立关联处理部42E将这些异响产生信息与从信息取得部41接受的金属材料信息建立关联。通过将异响产生信息与金属材料信息建立关联，由此确定在推定时刻test存在于推定位置(xest，yest)的金属材料。如果推定位置(xest，yest)是加工装置30的位置，则确定该加工装置30是异响产生源AS，进而，还确定由该加工装置30加工的金属材料。
图8是表示与异响产生信息建立关联的金属材料信息的一览的例子的图。在图8所示的例子中，异响产生信息由推定位置以及推定时刻的信息构成。推定位置的信息用坐标点(x，y)表示，推定时刻的信息用时间(X：Y)表示。也可以在推定时刻的信息中追加产生异响的日期信息。金属材料信息由识别编号、材料种类区分以及尺寸区分的信息构成。
建立关联处理部42E将附加有异响产生信息的金属材料信息发送至显示处理部43、记录处理部44以及紧急控制处理部45。优选每当进行建立关联处理时都发送金属材料信息。
3-3.显示处理部
显示处理部43进行用于将从建立关联处理部42E接受的附加有异响产生信息的金属材料信息显示于显示装置50的处理。在该显示处理中，基于异响产生信息中包含的推定位置(xest，yest)的信息，从存储装置60读出该推定位置(xest，yest)周边的加工装置30的外形信息。接着，生成将表示金属材料的外形的示意图以及表示异响产生源AS的图形(或记号)与所读出的加工装置30的外形重叠的图像。然后，将所生成的图像的信息发送至显示装置50。
也可以在向显示装置50发送的图像信息中追加附属信息。作为追加信息，例示了推定时刻test的信息、显示于显示装置50的金属材料信息、存在于推定位置(xest，yest)的加工装置30的可动部的状态信息。在基于异响产生信息、运转状况信息等另行进行确定异响的产生原因的处理的情况下，该原因的信息包含在附属信息中。在另行进行诊断异响产生的深刻度的处理的情况下，该诊断结果的信息(例如，需要注意、操作的暂时停止等)包含在附属信息中。
图9以及10是表示显示于显示装置50的图像例的示意图。在图9所示的例子中，在显示装置50上显示二维图像。在图10所示的例子中，在显示装置50上显示三维图像。在这些例子中，在推定时刻test存在于推定位置(xest，yest)的金属材料被放置在中心。在推定位置(xest，yest)描绘有表示异响产生源的图形。此外，在这些例子中，显示有作为金属材料信息的识别编号MTL_ID、以及作为推定时刻test的信息的时间(X：Y)。
3-4.记录处理部
记录处理部44进行用于将从建立关联处理部42E接受的附加有异响产生信息的金属材料信息记录在存储装置60中的处理。在该记录处理中，也可以在金属材料信息中追加附属信息。作为该附属信息，例示了与在显示处理中说明的附属信息相同的附属信息。
3-5.紧急控制处理部
紧急控制处理部45基于从位置推定处理部42C接受的推定位置(xest，yest)的信息、以及从位置推定处理部42D接受的推定时刻test的信息，生成紧急控制指令。为了避免产生与异响相关联的不良情况而生成紧急控制指令。作为紧急控制指令，例示了用于使在输送线上设置在比推定位置(xest，yest)靠下游侧的侧方引导器SG紧急开放的控制指令。作为紧急控制指令，还例示了用于使在输送线上设置在比推定位置(xest，yest)靠下游侧的轧机的辊隙紧急扩大的控制指令。
4.效果
根据以上说明的实施方式的异响观测系统，通过声响信号处理部42进行提取、方位推定以及位置推定处理，因此能够自动且高精度地生成推定位置(xest，yest)的信息。因而，能够自动且高精度地确定异响产生源AS的位置。
此外，通过声响信号处理部42(时刻推定处理部42D)进行时刻推定处理，因此还能够自动且高精度地生成推定时刻test的信息。因而，还能够自动且高精度地确定产生异响的时刻。
此外，通过声响信号处理部42(建立关联处理部42E)进行建立关联处理，因此能够迅速地采取基于推定位置(xest，yest)、推定时刻test以及金属材料信息的各种对策。此外，根据建立关联处理，还能够在加工后根据异响产生信息进行追溯而确定与其存在关系的金属材料。还能够将附加有金属材料信息的异响产生信息活用为产品的品质信息。
此外，由于与该建立关联处理一起进行显示处理、记录处理，因此还能够提高执行建立关联处理所产生的效果。进而，由于进行紧急控制处理，因此还能够未然地避免异响的产生发展成较大的故障。
符号的说明
10、10A、10B、10C、10D：麦克风阵列；11、12、13、14、15：麦克风；20：控制装置；30：加工装置；40：处理装置；41：信息取得部；42：声响信号处理部；42A：提取处理部；42B：方位推定处理部；42C：位置推定处理部；42D：时刻推定处理部；42E：建立关联处理部；43：显示处理部；44：记录处理部；45：紧急控制处理部；50：显示装置；60：存储装置；100：异响观测系统；MTL：金属材料；SG：侧方引导器；SPA、SPB、SPC、SPD：空间；θ、θ10A、θ10B：到来方位(相对方位)。
Claims (10)
1.一种异响观测系统，用于观测在金属材料的加工设备中产生的异响，其特征在于，具备：
至少2台麦克风阵列，检测声响；以及
处理装置，进行声响信号处理，该声响信号处理对上述至少2台麦克风阵列检测到的声响信号进行处理，
上述至少2台麦克风阵列包括：
第1麦克风阵列，朝向包括上述加工设备的位置的第1空间；以及
第2麦克风阵列，朝向在上述加工设备的位置处与上述第1空间共用一部分空间的第2空间，
上述处理装置在上述声响信号处理中：
从上述第1麦克风阵列检测到的上述声响信号中提取第1异响部，
从上述第2麦克风阵列检测到的上述声响信号中提取第2异响部，
基于上述第1异响部，推定表示异响产生源相对于上述第1麦克风阵列的相对方位的第1相对方位，
基于上述第2异响部，推定表示相对于上述第2麦克风阵列的上述相对方位的第2相对方位，
基于上述第1麦克风阵列及第2麦克风阵列在基准坐标面上的位置、以及上述第1相对方位及第2相对方位，推定上述异响产生源在该坐标面上的位置。
2.根据权利要求1所述的异响观测系统，其特征在于，
上述至少2台麦克风阵列还具备朝向第3空间的第3麦克风阵列，该第3空间在上述加工设备的位置处与上述第1空间和上述第2空间中的至少一方共用一部分空间，
上述处理装置在上述声响信号处理中进一步进行：
从上述第3麦克风阵列检测到的上述声响信号中提取第3异响部；
基于上述第3异响部，推定表示相对于上述第3麦克风阵列的上述相对方位的第3相对方位，
基于上述第1麦克风阵列、上述第2麦克风阵列和第3麦克风阵列中的2台麦克风阵列的组合，进行上述异响产生源的位置的推定。
3.根据权利要求1或2所述的异响观测系统，其特征在于，
上述处理装置在上述声响信号处理中进一步进行：
在推定出上述异响产生源的位置的情况下，基于从上述至少2台麦克风阵列中的任意的麦克风阵列到上述异响产生源为止的在上述坐标面上的距离、以及在上述任意的麦克风阵列中检测到来自上述异响产生源的异响的时刻，推定上述异响产生源中的异响的产生时刻。
4.根据权利要求3所述的异响观测系统，其特征在于，
还具备显示上述加工设备的运转状况的显示装置，
上述处理装置进一步进行：
信息取得处理，取得在上述加工设备中加工的上述金属材料的信息；
建立关联处理，将包含上述异响产生源的推定位置和上述异响产生源中的异响的推定产生时刻的异响产生信息、与上述金属材料的信息建立关联；以及
显示处理，将与上述异响产生信息建立关联的上述金属材料的信息输出至上述显示装置。
5.根据权利要求3所述的异响观测系统，其特征在于，
还具备记录上述加工设备的运转状况的存储装置，
上述处理装置进一步进行：
信息取得处理，取得在上述加工设备中加工的上述金属材料的信息；
建立关联处理，将包含上述异响产生源的推定位置和上述异响产生源中的异响的推定产生时刻的异响产生信息、与上述金属材料的信息建立关联；以及
记录处理，将与上述异响产生信息建立关联的上述金属材料的信息记录在上述存储装置中。
6.根据权利要求4所述的异响观测系统，其特征在于，
还具备记录上述加工设备的运转状况的存储装置，
上述处理装置进一步进行：
信息取得处理，取得在上述加工设备中加工的上述金属材料的信息；
建立关联处理，将包含上述异响产生源的推定位置和上述异响产生源中的异响的推定产生时刻的异响产生信息、与上述金属材料的信息建立关联；以及
记录处理，将与上述异响产生信息建立关联的上述金属材料的信息记录在上述存储装置中。
7.根据权利要求3所述的异响观测系统，其特征在于，
还具备对构成上述加工设备的加工装置进行控制的控制装置，
上述处理装置进一步进行如下的紧急控制处理：基于包含上述异响产生源的推定位置和上述异响产生源中的异响的推定产生时刻的异响产生信息，将用于使上述加工装置的至少一部分紧急地工作的紧急控制指令输出至上述控制装置。
8.根据权利要求4所述的异响观测系统，其特征在于，
还具备对构成上述加工设备的加工装置进行控制的控制装置，
上述处理装置进一步进行如下的紧急控制处理：基于包含上述异响产生源的推定位置和上述异响产生源中的异响的推定产生时刻的异响产生信息，将用于使上述加工装置的至少一部分紧急地工作的紧急控制指令输出至上述控制装置。
9.根据权利要求5所述的异响观测系统，其特征在于，
还具备对构成上述加工设备的加工装置进行控制的控制装置，
上述处理装置进一步进行如下的紧急控制处理：基于包含上述异响产生源的推定位置和上述异响产生源中的异响的推定产生时刻的异响产生信息，将用于使上述加工装置的至少一部分紧急地工作的紧急控制指令输出至上述控制装置。
10.根据权利要求1所述的异响观测系统，其特征在于，
上述异响是具有在通常操作时不会产生的频率成分、频率分布以及音量的声响成分。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Country or region after: Japan Address after: Tokyo, Japan Applicant after: TMEIC Co.,Ltd. Address before: Tokyo, Japan Applicant before: TOSHIBA MITSUBISHI-ELECTRIC INDUSTRIAL SYSTEMS Corp. Country or region before: Japan |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |