CN103249522B - 机床的刀具损伤探测装置及刀具损伤探测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及机床的刀具损伤探测装置及探测方法，该装置包括：探测器（140），其从机床的伺服器（100）和主轴（110）接收基于转矩的电流信号；模拟器（150），其利用从机床的数值控制器（120）输入的信息而计算预处理加工条件：刀具数据库（130），其用于存储与当前安装的刀具的在过去加工时测定的转矩值和加工条件有关的信息；刀具管理器（160），其将与利用当前安装的刀具、在过去加工时利用相应的刀具所测定的转矩值和加工条件有关的信息记录在上述刀具数据库（130）中或者从该刀具数据库（130）提取信息；临界转矩运算器（190），其从上述刀具管理器（160）接收记录在上述刀具数据库（130）中的信息，并利用在上述模拟器（150）计算的预处理加工条件，对预测为会在加工操作时发生的转矩的范围进行计算；临界转矩数据存储部（180），其对由上述临界转矩运算器（190）预测的转矩的上限值和下限值进行存储；比较器（170），其对由上述探测器（140）测定的转矩与来自上述临界转矩运算器（190）的临界转矩范围进行比较；以及控制部（250），其根据上述比较器（170）中的比较结果，对机床的加工动作进行控制，由此具有不仅检测刀具破损而且还能同时解决破损的预测和预测以后的对应方案的效果，还具有能够稳定地执行无人加工操作的效果。

Description

机床的刀具损伤探测装置及刀具损伤探测方法
技术领域
本发明涉及在利用机床、尤其CNC机床对工件进行精密加工时，在维持尺寸精度的同时预先探测刀具的破损可能性，以能够预防刀具破损的方式进行控制而能够持续执行加工操作的机床的刀具损伤探测装置及利用该装置的刀具损伤探测方法。
背景技术
一般而言，设置于机床上而使用的刀具随着进行切削加工而逐渐磨损，最终导致破损。这种刀具的磨损不仅降低工件的尺寸精度，而且还降低加工表面的质量，刀具的突发性破损还会使工件破损。这种刀具磨损和破损不仅产生由原有工件的破损所引起的金钱上的损失，而且是尤其使CNC机床的无人加工变得困难的主要原因之一。
为了解决这种问题，最近开发出刀具寿命管理功能，从而确认刀具被使用的时间，按照预先设定的使用时间来自动更换刀具。但是，这种方式是能够适用于在批量生产方式中仅在特定的条件下使用刀具的情况的方式，无法适用于每次加工不同形状的部件的情况。
为了解决这种问题，提出了基于音响传感器、切削力传感器、图像传感器等各种测定方式监视刀具自身的破损的技术。
但是，监视刀具破损的技术需要附加的测定装置，随之在实用性方面存在限制，因此从构成机床的伺服器、主轴探测电流信号、并据此来监视刀具破损的方式成为最现实的使用方式。
在美国公开专利公报第20060142893号中提出了如下方案：通过来自于伺服器和主轴的电流信号而监视用于切削加工的转矩，确认转矩随时间的变化和瞬间性的转矩的变位，从而判别刀具是否破损。
在上述的美国公开专利中，包括：为了执行这种刀具破损监视而从多个机械加工周期中探测指数的探测单元；为了判别刀具破损而将特定机械加工周期中的指数与原有指数值进行比较的比较单元；存储表示刀具破损的阈值的存储单元；能够在上述存储单元使用阈值的初始值的显示单元；随着加工的进行而更新所存储的阈值的更新单元；中断阈值的更新的单元；以及在阈值的更新被中断时基于阈值的所存储的值而确定阈值的设定值的单元。
上述美国公开专利的技术，能够利用在机床中没有另外的装置而能容易获得的电流信号探测刀具破损，使用者无需将阈值分别进行存储，能够根据加工状况计算出适当的阈值，该技术在这方面是很实用的方法。
但是，这种方法存在如下问题：对于如刀具的磨损那样随着时间逐渐进行的刀具的变化所引起的转矩的变化，无法知道这是由刀具磨损所引起的变化还是由加工条件的变更所引起的变化，而且在加工条件的变更方面无法知道转矩的变更是因为刀具破损还是因为实际的加工条件的变更。
由于这些问题，上述美国专利技术具有仅限适用于一定条件的加工反复进行的情况、例如铣削加工的钻孔加工和攻螺纹加工等的缺点。
发明内容
技术课题
本发明的目的是为了解决上述现有技术的问题，提供机床的刀具损伤探测装置，其利用基于从机床的伺服器和主轴的电流所获得的切削转矩和预处理插补坐标的三维预测模拟器、搭载在数值控制部的刀具管理器，基于将来要执行的切削深度、进给、冷却水使用与否等之类的加工条件和存储在刀具管理器的过去转矩信息而预测将来要发生的转矩的范围，并且据此探测刀具损伤。
本发明还提供刀具损伤探测方法，其利用上述机床的刀具损伤探测装置，并基于从伺服器和主轴获得的转矩，应用三维模拟器和刀具管理器及刀具数据库探测刀具损伤，并且根据所探测的状况而变更加工条件，继续执行加工操作、停止加工或者警告刀具破损。
解决技术课题的方法
为了达到上述目的，本发明的一个方案的机床刀具损伤探测装置包括：探测器140，其从机床的伺服器100和主轴110接收基于转矩的电流信号；模拟器150，其利用从机床的数值控制器120输入的信息而计算预处理加工条件：刀具数据库130，其用于存储与当前安装的刀具的在过去加工时测定的转矩值和加工条件有关的信息；刀具管理器160，其将与当前安装的刀具、在过去加工时利用相应的刀具所测定的转矩值和加工条件有关的信息记录在上述刀具数据库(DB)130中或者从该刀具数据库130提取信息；临界转矩运算器190，其从上述刀具管理器160接收记录在上述刀具数据库130中的信息，并利用在上述模拟器150计算的预处理加工条件，对预测为会在加工操作时发生的转矩的范围进行计算；临界转矩数据存储部180，其对由上述临界转矩运算器190预测的转矩的上限值和下限值进行存储；比较器170，其对由上述探测器140测定的转矩与来自上述临界转矩运算器190的临界转矩范围进行比较；以及控制部250，其根据上述比较器170中的比较结果，对机床的加工动作进行控制。
而且，其特征在于，上述机床加工动作控制部250被构成为包括：刀具破损防止部200，其在所测定的转矩在第一基准值以内接近阈值的情况下，控制机床，使其以刀具的磨损不超过一定值以上的方式调整被切削件的转速或进给，从而以已经调整的加工条件工作；刀具破损预测部210，其在所测定的转矩在小于上述第一基准值的第二基准值以内接近阈值的情况下，通过警报机构向机床操作员发出警告，以便采取更换刀具或变更加工条件等措施；以及刀具破损探测部220，其在所测定的转矩脱离了阈值的情况下，对数值控制部进行控制，使机床的加工工作停止。
并且，优选的是，上述刀具数据库130将刀具管理器的刀套(Pot)信息和被切削件的材质确定为一对基准信息，对于这些信息，将在切削深度和进给等加工条件下实际测定的转矩信息存储为一个组。
另外，根据本发明的另一方案，提供利用上述机床的刀具损伤探测装置的刀具损伤探测方法。根据本发明的刀具损伤探测方法包括：(A)从机床的伺服器100和主轴110接收基于转矩的电流信号的步骤(S112)；(B)利用从机床的数值控制器120输入的信息，计算预处理加工条件的步骤(S105、S06)；(C)对与在过去加工时测定的当前安装的刀具的转矩值和加工条件有关的信息进行存储的步骤(S101、S102)；(D)利用在上述(C)步骤存储的信息和在上述(B)步骤计算的预处理加工条件，对预测为在加工操作时要发生的转矩的范围及阈值进行计算，并对其进行存储的步骤(S107～S111)；(E)对在上述(A)步骤测定的转矩与在上述(D)步骤计算的转矩的范围及阈值进行比较的步骤(S112)；以及(F)根据上述(E)步骤的比较结果，对机床的加工动作进行控制的步骤(S113～S119)。
而且，上述(F)步骤包括作为控制上述加工动作的模式的刀具破损检测模式、刀具破损预防模式及刀具破损预测模式。
在上述刀具破损预防模式中，在判断为在上述(A)步骤探测的当前的转矩在第一基准值以内接近了在上述(D)步骤计算的阈值的情况下，以变更加工条件方式控制机床工作，以免发生刀具破损，其中，该加工条件包括切削深度和进给(步骤S114、S115)。
在上述刀具破损预测模式中，在判断为在上述(A)步骤探测的当前的转矩在小于上述第一基准值的第二基准值以内接近了在上述(D)步骤计算的阈值的情况下，判断为存在刀具破损的危险，通过警报机构发出警告(步骤S116、S117)。
在上述刀具破损检测模式中，在上述(A)步骤探测的当前的转矩超过在上述(D)步骤计算的阈值的情况下，判断为发生了刀具破损，控制机床，使其停止加工操作工作，以免发生机床的损伤(步骤S118、S119)。
发明效果
根据本发明的机床的刀具损伤探测装置具有如原有发明那样基于从伺服器和主轴获得的转矩而检测或预测刀具破损的特征，代替在原有发明中将转矩的阈值以时间序列更新的方法，应用三维模拟器、刀具管理器和固有的刀具数据库，从而具有不仅检测刀具破损而且还能同时解决破损的预测和预测以后的对应方案的效果，还具有能够稳定地执行无人加工操作的效果。
附图说明
图1是根据本发明的机床的刀具损伤探测装置的概略的结构框图。
图2是表示刀具数据库的例的表。
图3和图4是表示刀具数据库中的刀具条件的追加方法的示例图。
图5是根据存储在刀具数据库中的特定刀具的加工条件的转矩图。
图6是根据本发明的刀具损伤探测方法的流程图。
标号说明：
100：伺服器110：主轴
120：数值控制器130：刀具数据库
140：探测器150：模拟器
160：刀具管理器170：比较器
180：临界转矩数据存储部
190：临界转矩运算器
具体实施方式
以下参照图示了本发明的实施例的附图而更详细地说明本发明。
如图1的框图所示，根据本发明的机床的刀具损伤探测装置包括：从伺服器100和主轴110接收基于转矩的电流信号的探测器140；利用从数值控制器120输入的信息而计算预处理加工条件的模拟器150：将与当前安装的刀具、加工时所测定的转矩值和加工条件等有关的信息记录到刀具数据库130中或者从这里提取信息的刀具管理器160；利用从刀具管理器160接收并在模拟器150计算的预处理加工条件，对预测在加工操作时会发生的转矩的范围进行计算的临界转矩运算器190；对在上述探测器140中测定的转矩与来自临界转矩运算器190的临界转矩范围进行比较的比较器170；以及根据上述比较器170的比较结果控制机床的加工动作的控制部250。
使刀具或被切削件旋转或使轴运动的伺服器100和主轴110通过电流控制，与加工负荷无关地保持一定的旋转速度和转移速度，随之在加工负荷增大的情况下，施加到伺服器/主轴的电流的量增大，这种电流信号被探测器140实时地检测。
上述探测器140利用施加到伺服器/主轴的电流的量而间接地计算实际的伺服器/主轴所发生的转矩，由此执行计算切削负荷的功能，所计算的转矩传递给比较器170。
数值控制器120根据使用者所输入的加工预处理信息，对于被切削物调节加工中进给，执行在一定时间之后刀具所要存在的轴坐标和切削油的接通/断开等之类的机床的附加功能，并将这种信息传递给模拟器150。而且，在预测到刀具破损的情况下，为了防止刀具破损，以忽视作为加工预处理信息而输入的进给信息并以变更的加工条件进行工作的方式由机床加工动作控制部250进行控制，对此在后面叙述。
上述模拟器150以实测的机床模型为基础，利用与实际加工相同的被切削件、刀具相关的信息，按照从数值控制器120发送的轴坐标执行模拟。此时，模拟器以当前时间为基准，利用从数值控制器120提供的加工预处理信息和关于要用于加工操作的刀具和被切削件而输入的信息，对于预先设定的特定时间以后的状况进行模拟，预测特定时间以后的刀具的切削深度和切削宽度信息等加工条件。这种信息被传递到后述的临界转矩运算器190。
如图2所示例，刀具数据库130关于当前安装在机床上的刀具，存储了在过去所发生的特定加工条件信息和关于在特定加工条件下所要发生的转矩的范围的数据。此时，加工条件信息包括对转矩带来最大影响的切削深度、进给(每刀刃移送量)、被切削件材质等，存储根据加工条件的所测定的转矩的最大值和最小值。
上述刀具数据库具有利用刀具管理器160和模拟器150自动构成的特征。刀具数据库将刀具管理器的刀套(Pot)信息和被切削件的材质确定为一对基准信息，对这些信息将在切削深度和进给等各种加工条件下实际测定的转矩信息存储为一个组。
在图2所示的表中，在附着于刀套1的刀具的情况下，具有过去对STS304和SM45C的材质的被切削件进行了加工的信息，在STS304的情况下存储有关于三种加工条件的转矩值，在SM45C的情况下存储有关于两种加工条件的转矩值。而且，附着于刀套2的刀具关于过去SM20C材质的被切削件存储有一种加工条件和对此的转矩值，附着于刀套3的刀具关于过去SM45C材质的被切削件存储有四种加工条件和对此的转矩值。
这些加工条件和转矩信息从使用过附着于刀套1、2、3号的刀具的过去的加工中得出，存储于刀具数据库的加工条件和转矩信息的对如下确定。
一般而言，转矩的大小根据切削中发生的切削力和刀具与被切削件之间的摩擦力等所确定，切削力与刀片的截面积成比例地增加。这表示在车削中切削深度、进给越大转矩越大，这种倾向已通过过去的实验和论文而证实。但是，除了加工条件之外还有各种确定转矩的原因，明确规定这种原因与转矩的关系的模型还不存在。
在本发明中，鉴于这些方面，根据过去数据的插补(interpolation)而执行转矩预测。因此，加工条件的增加也朝着扩大能够插补的区域的方向进行，详细的方法如下。
能够插补转矩的加工条件区域能够定义为包含加工条件的最小大小的如图3和图4所示的突出的形状的凸形(convex)区域，最小大小的凸形区域通过使加工条件位于角落或凸形区域的边界面而制作。据此，在新的加工条件位于原有加工条件的凸形区域外的情况下，根据转矩的插补而加工条件区域扩大，如果原有加工条件包含于新扩大的加工条件区域内的情况下，原有加工条件被删除。
对此，参照了用图表示追加关于切削深度和进给等的加工条件的过程的图3和图4进行附加说明，在图3中A加工条件是插补了存储在刀具数据库原有加工条件无法知道转矩的区域，在此情况下，需要扩大加工条件的范围，此时，形成为连接了存储在刀具数据库中的原有的加工条件的区域具有凸形形状。在图3中，B存在于追加了A加工条件之后新扩大的加工条件区域(用实线表示的区域)内，B加工条件被删除。
但是，在图4的情况下，虽然追加了所谓A的新加工条件，但由于加工条件A与原有的加工条件一起构成凸形形状的加工条件区域，因此原有加工条件照旧被保持。
临界转矩运算器190执行如下功能：从上述模拟器150接收切削深度和进给等的加工条件信息，将刀具DB的信息构成为关于切削深度、进给及据此的转矩表现在三个轴坐标上的转矩图(TorqueMap)之后，预测与加工条件相应的转矩。
图5图示了在上述临界转矩运算器190制作的转矩图的例。上述转矩图包括由所测定的转矩的上限值构成的上限转矩图(UpperTorqueMap)和由所测定的转矩的下限值构成的下限转矩图(LowerTorqueMap)。
临界转矩数据存储部180对由临界转矩运算器190预测的转矩的上限值和下限值进行存储。
比较器170以存储在临界转矩数据存储部180中的转矩的上限值和下限值为基准，对在确认刀具的破损检测、预测或预防等使用者所需的状况时成为适当的判断基准的阈值进行设定，执行将此阈值与从探测器140发送来的转矩信息进行比较的功能，根据比较结果，基于预先设定在比较器中的刀具破损/预防/预测模式之中某一个模式向后述的机床加工动作控制部输出信号。
机床加工动作控制部250包括刀具破损防止部200、刀具破损预测部210及刀具破损探测部220，以便根据基于由上述比较器170比较的转矩信息结果判定的使用者模式而控制机床。
刀具破损防止部200在所测定的转矩以第一基准值以内接近阈值的情况下，控制机床使其以刀具的磨损不超过一定值以上的方式调整被切削件的转速或进给，使机床以已经调整的加工条件工作，这使得能够进行安全的无人加工操作。
刀具破损预测部210在所测定的转矩以小于上述第一基准值的第二基准值以内接近阈值的情况下，执行将此情况通过例如警报或应急灯的点亮等方法来告知机床操作员的功能，使操作员采取交换刀具或变更加工条件等措施。
并且，刀具破损探测部220在所测定的转矩脱离阈值的情况下，即表示刀具破损的情况，在此情况下对数值控制部进行控制而停止加工工作。
以下通过图6所示的流程图说明利用本发明的机床刀具损伤探测装置的刀具损伤探测方法。
在步骤S101中，将加工所需的刀具安装在设置于刀具管理器的端口上，在步骤S102中输入关于追加到刀具管理器160的刀具的信息，这种关于追加刀具的信息存储在刀具数据库中。在步骤S103中，对模拟器150输入关于刀具和被切削件的信息，在步骤S104中开始进行加工操作。
在模拟器150中调出输入到数值控制器120的用于加工作业的预处理坐标(步骤S105)，计算预处理加工条件(步骤S106)。
根据在上述步骤S106计算的预处理加工条件而在临界转矩运算器190计算加工操作时要发生的转矩，将此计算结果与存储在临界转矩数据存储部180的数据进行比较，在比较器170中判断在预处理加工条件下要发生的转矩是否在能够预测的范围内(步骤S107)，在处于能够预测的范围内的情况下，根据预想转矩计算阈值(步骤S108)。
在上述步骤S107中判断到预想转矩不处于能够预测的范围内的情况下，计算当前的加工条件(步骤S109)，将当前的加工条件追加到刀具数据库中(步骤S110)而对刀具数据库进行最优化(步骤S111)，然后返回到步骤S105。
紧接着步骤S108，在上述比较器170中调出由探测器140探测的在伺服器100和主轴110上的当前加工转矩(步骤S112)，对当前的加工转矩与存储在临界转矩数据存储部180中的转矩的上限值及下限值进行比较，判断相当于预先设定的使用者模式之中、即刀具破损检测模式/预防模式/预测模式之中的哪个模式(步骤S113)。
在刀具破损预防模式中，在判断为由探测器140探测的当前的转矩以第一基准值以内接近阈值的情况下(步骤S114)，利用机床动作控制部250的刀具破损防止部200以加工条件、即切削深度和进给减小的方式控制机床工作以免发生刀具破损(步骤S115)，在当前的转矩未接近阈值的情况下，返回到步骤S104。
在刀具破损预测模式中，在判断到由探测器140探测的当前的转矩以小于第一基准值的第二基准值以内接近阈值的情况下(步骤S116)，判断为存在刀具破损的危险，利用刀具破损预测部210通过例如蜂鸣器或警灯等之类的警报机构发生警告(步骤S117)，在当前的阈值未接近阈值的情况下，返回到步骤S104。
在刀具破损检测模式中，在由探测器140探测的当前的转矩超过阈值的情况下，判断为会发生刀具破损，利用机床加工动作控制部250的刀具破损探测部220控制机床使其停止加工操作工作以免发生机床的损伤(步骤S114)，并结束操作。在当前的转矩未脱离阈值的情况下，返回到加工开始步骤S104。
应该容易理解，本发明并不局限于上述的实施例，本领域技术人员能够在所附的权利要求书所记载的发明的技术思想范围内进行变更。
产业上的可利用性
本发明的机床的刀具损伤探测装置和刀具损伤探测方法适用于CNC之类的机床而预先探测刀具损伤及损伤可能性，从而能够确保机床的安全同时能够有效地管理利用机床的加工操作。

Claims (3)

1.一种机床的刀具损伤探测装置，其包括：
探测器(140)，其从机床的伺服器(100)和主轴(110)接收基于转矩的电流信号；
模拟器(150)，其利用从机床的数值控制器(120)输入的信息而计算预处理加工条件；
刀具数据库(130)，其用于存储与当前安装的刀具的在过去加工时测定的转矩值和加工条件有关的信息；
刀具管理器(160)，其将与当前安装的刀具、在过去加工时利用相应的刀具所测定的转矩值和加工条件有关的信息记录在上述刀具数据库(130)中或者从该刀具数据库(130)提取信息；
临界转矩运算器(190)，其从上述刀具管理器(160)接收记录在上述刀具数据库(130)中的信息，并利用在上述模拟器(150)计算的预处理加工条件，对预测为会在加工操作时发生的转矩的范围进行计算；
临界转矩数据存储部(180)，其对由上述临界转矩运算器(190)预测的转矩的上限值和下限值进行存储；
比较器(170)，其以由上述临界转矩运算器(190)预测的转矩的上限值和下限值为基准，设定作为判断基准的阈值，对由上述探测器(140)测定的转矩与上述阈值进行比较；以及
控制部(250)，其根据上述比较器(170)中的比较结果，对机床的加工动作进行控制，
上述机床加工动作控制部(250)被构成为包括：
刀具破损防止部(200)，其在上述测定的转矩在第一基准值以内接近上述阈值的情况下，控制机床，使其以刀具的磨损不超过一定值以上的方式调整被切削件的转速或进给，从而以已经调整的加工条件工作；
刀具破损预测部(210)，其在上述测定的转矩在小于上述第一基准值的第二基准值以内接近上述阈值的情况下，通过警报机构向机床操作员发出警告，以便采取更换刀具或变更加工条件的措施；以及
刀具破损探测部(220)，其在上述测定的转矩超过了上述阈值的情况下，对数值控制部进行控制，使机床的加工工作停止。
2.根据权利要求1所述的机床的刀具损伤探测装置，其特征在于，
上述刀具数据库(130)将刀具管理器的刀套(Pot)信息和被切削件的材质确定为一对基准信息，对于这些信息，将在切削深度和进给的加工条件下实际测定的转矩信息存储为一个组。
3.一种机床的刀具损伤探测方法，包括：
(A)从机床的伺服器(100)和主轴(110)接收基于转矩的电流信号的步骤(S112)；
(B)利用从机床的数值控制器(120)输入的信息，计算预处理加工条件的步骤(S105、S06)；
(C)追加用于加工的新刀具，并设定刀具信息的步骤(S101、S102)；
(D)利用在上述(C)步骤存储的信息和在上述(B)步骤计算的预处理加工条件，对预测为在加工操作时要发生的转矩的范围进行计算，以预测的上述转矩的上限值和下限值为基准，设定作为判断基准的阈值，对其进行存储的步骤(S107～S111)；
(E)对在上述(A)步骤测定的转矩与在上述(D)步骤计算的阈值进行比较的步骤(S112)；以及
(F)根据上述(E)步骤的比较结果，对机床的加工动作进行控制的步骤(S113～S119)，
上述(F)步骤包括作为控制上述加工动作的模式的刀具破损检测模式、刀具破损预防模式及刀具破损预测模式，
在上述刀具破损预防模式中，在判断为在上述(A)步骤探测的当前的转矩在第一基准值以内接近了在上述(D)步骤计算的阈值的情况下，以变更加工条件方式控制机床工作，以免发生刀具破损，其中，该加工条件包括切削深度和进给(步骤S114、S115)，
在刀具破损预测模式中，在判断为在上述(A)步骤探测的当前的转矩在小于上述第一基准值的第二基准值以内接近了在上述(D)步骤计算的阈值的情况下，判断为存在刀具破损的危险，通过警报机构发出警告(步骤S116、S117)，
在刀具破损检测模式中，在上述(A)步骤探测的当前的转矩超过在上述(D)步骤计算的阈值的情况下，判断为发生了刀具破损，控制机床，使其停止加工操作工作，以免发生机床的损伤(步骤S118、S119)。
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