JP2000107987A - 工具異常検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 加工中に工具の異常を検出する。 【解決手段】 駆動軸負荷検出部で検出した負荷信号
（例えば負荷電流）を信号サンプリング部でサンプリン
グし、演算処理部で時間に係わる負荷信号差分値を算出
する。異常判定部は、演算処理部の結果を、パラメータ
設定部での設定値（例えば異常判定閾値）とリアルタイ
ムで比較しながら工具異常の判定を行い、その判定結果
に基づいて判定結果出力部は、判定結果（例えば異常）
を出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工作機械におい
て、加工中の工具の破損や摩耗等の工具異常を、インプ
ロセスで検出するための工具異常検出装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】耐久性の高い工具や、ＮＣ機械をはじめ
とする高速、高性能な自動工作機の導入により、加工時
間の短縮や一部無人化により生産性の向上を図る試みが
なされているが、近年はこれも限界に近づいている。こ
の最大の阻害要因が加工中の工具異常の検出が完全でな
いということにある。工具の異常検出については、現在
までに多くの提案がなされているが、駆動系の負荷電流
値をもとにしたものが多い。以下に代表的なものを示
す。特開昭５７−２１２５１（公知例１）には、旋削自
動機械において、主軸モータの電流値や振動の変化では
工具の異常を信頼性高く検出することができないとし、
送りモータの電流値を検出し、この検出値が設定閾値を
超えた時に異常であると判断するようにした旋削加工用
工具異常検出方法が開示されている。また、特開平５−
２８５７９３（公知例２）には、工作機械の主軸回転速
度、又は駆動系にかかる負荷、例えば主軸モータ電流を
検出し、離散的時系列信号に変換し、時系列信号の時間
に関する２階微分値を求め、異常発生閾値と比較し、こ
れにもとづいて工具損傷発生の有無を判定する工具異常
検出装置が開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記公知例
１には次のような問題点がある。 １）加工条件（例えば、切削工具の形状や材質、加工物
の材質、加工速度、切り込み量等）により、正常加工時
でも、主軸モータだけでなく送り軸モータの負荷電流値
の絶対値は異なるため、前記加工条件毎にきめこまかく
閾値を設定しなければならず、加工条件がほとんど一定
というような単純な加工の場合以外ほとんど実用では使
用できない。 ２）工具異常の程度が小さい場合（例えば、微小欠け、
摩耗）には、負荷電流変化量の絶対値も小さいが、これ
を捉えるように閾値を設定すると、正常加工範囲内の負
荷変動による電流値変化に埋もれてしまうことが多く、
検出することが難しい。また、前記公知例２は、例えば
公知例１に示すような従来方法に比べ、より高い感度
で、早期に、誤判定も少なく工具の異常をインプロセス
で検出することができると述べている。しかし、さらに
高感度で応答性が高いインプロセスで検出可能な技術が
望まれている。従って本発明は、インプロセスで実用可
能で、一層異常検出感度が高く、検出速度が早い工具異
常検出装置の提供を目的とするものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、工作機械の駆
動軸の負荷信号を離散的時系列負荷信号として送出する
信号サンプリング部と、離散的時系列負荷信号を用いて
差分値を算出する演算処理部と、前記差分値が異常であ
るかどうかを判定するための判定用データを収納するパ
ラメータ設定部と、前記算出した差分値と前記パラメー
タ設定部から出力される判定用データとを比較する異常
判定部とを備えていることを特徴としている。また本発
明は、工作機械の駆動軸の負荷信号を検出して出力する
駆動軸負荷検出部と、前記負荷信号を離散的時系列負荷
信号として送出する信号サンプリング部と、離散的時系
列負荷信号を用いて差分値を算出する演算処理部と、前
記差分値が異常であるかどうかを判定するための判定用
データを収納するパラメータ設定部と、前記算出した差
分値と前記パラメータ設定部から出力される判定用デー
タとを比較する異常判定部とを複数の駆動軸に備え、各
駆動軸の異常判定部信号を用いて工具異常発生の有無を
判定する判定結果出力部を有することを特徴としたもの
である。なお、上記各処理部は必ずしも別体のハードウ
エアとする必要はなく、マイクロコンピュータ、パーソ
ナルコンピュータのように、演算処理部と記憶部、入出
力部を有する機器にその機能を備えるようにすることが
できる。

【０００５】また、本発明の工具異常検出装置におい
て、演算処理部で算出される差分値は、所定時間前後の
負荷信号値の差分として算出される１階微分値、又はデ
ータ数の異なる２種類の移動平均の差分値とすることが
好ましい。いずれの差分値を用いるようにするかは、検
出対象により適宜選定すればよいが、急激な負荷信号変
化が生ずる、例えば工具破損を検出するには１階微分値
を用いるとよいし、緩やかな信号変化やノイズ的信号、
例えば摩耗や微小工具破損に対しては、データ数の異な
る２種類の移動平均の差分値を用いるとよい。

【０００６】本発明の望ましい工具異常検出装置の形態
としては、演算処理部は１階微分値とデータ数の異なる
２種類の移動平均の差分値を算出し、パラメータ設定部
は１階微分値とデータ数の異なる２種類の移動平均の差
分値に関する異常判定用データを収納し、異常判定部は
１階微分値を基にした異常判定とデータ数の異なる２種
類の移動平均の差分値を基にした異常判定の少なくとも
いずれかを用いて異常判定をし、工具異常発生の有無を
判定するようにするとよく、破損から摩耗までほとんど
の工具異常を見逃すことなく捉えるようにすることがで
きる。なお、前述したデータ数の異なる２種類の移動平
均は、算出時点の離散化信号値を基準として、それ以前
にさかのぼったデータ数の異なった離散化信号値をもと
に算出するとよいが、必ずしもどちらの移動平均も算出
時点の離散化信号値を含まなければならないことはな
く、データの収集範囲は適宜決めることができる。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明の工具異常検出装置を図面
に基づいて説明する。図１は工具異常検出装置の基本構
成の一例を示すブロック図、図２は本発明の工具異常検
出装置を備えた工作機械の１例としてのロール加工用Ｎ
Ｃ旋盤を示す図、図３は前記工作機械の加工物と工具の
位置関係を示す図である。

【０００８】まず、図２と図３を参照しながら、工作機
械の構成と動作について説明する。ロール加工用ＮＣ旋
盤１１は、被加工物であるロール１６を取付けるととも
に、回転させるためのモータを内蔵した主軸ユニット２
１と、切削工具を取り付け、支持するための刃物台ユニ
ット２２と、刃物台ユニット２２をロール１６の径方向
（Ｘ軸方向と称する）、又は軸方向（Ｚ軸方向と称す
る）へ移動させる送りユニット２３と、主軸ユニット２
１と対になりロール１６を支持するための心押し台ユニ
ット２５と、これらのユニットを支持するベッドユニッ
ト２４と、ＮＣ制御盤１２と、操作盤１３を備えてい
る。本発明の工具異常検出装置は、ＮＣ制御盤１２と電
気的に接続されて配置されるが、ＮＣ制御盤１２或いは
操作盤１３内に設けることもできる。図３に示すよう
に、ロール１６は、主軸ユニット２１によりＡからＡ’
の方向へ回転させられ、切削工具１４を送りユニット２
３によりＺ方向又はＸ方向へ移動させることにより、ロ
ール１６の胴体外径部１７、胴体側面部１８及び軸外径
部１９が加工される。切削工具１４は、刃物台ユニット
２２に固定されるツールホルダ１５の先端部に取付けら
れている。

【０００９】次に、図１をもとに工具異常検出装置につ
いて説明する。駆動軸負荷検出部（以下負荷検出部と略
す）１は、所定の駆動軸の負荷信号を検出し、後段での
処理が可能な信号に変換して送出する。例えば、負荷と
して電流を検出し、電圧で出力する場合は、変流器と変
流器の２次電流を電圧に変換し増幅するための変換器と
によって構成することができる。なお、変換器は後段で
の処理が電流値のまま可能であったり、電気ノイズの少
ない環境で使用する等信号増幅する必要が無い場合に
は、必ずしも設置しなくてもよい。

【００１０】信号サンプリング部２は、負荷検出部１か
ら送出される連続的なアナログ時系列信号を、サンプリ
ング時間毎の離散的な時系列信号に変換し後段に送出す
るもので、負荷検出部１の仕様に合わせて、絶縁回路、
ノイズ除去回路、増幅回路、アナログ／ディジタル変換
器等によって構成することができる。なお、負荷検出部
１と一体構成にすることもできる。データバッファ部３
は、信号サンプリング部２から送出される離散的な時系
列信号を離散的な時系列データとして後段での処理に必
要な量だけを一時格納するもので、アナログ／ディジタ
ル変換器またはマイクロコンピュータ等に付随する記憶
装置、素子等によって構成することができる。なお、デ
ータバッファ部３は、前段の信号サンプリング部２また
は後段の演算処理部４に含めても良いし、後段の演算処
理部４における処理時間が信号サンプリング部２のサン
プリング時間と同一で、データバッファ部３から演算処
理部４までのデータ転送時間が前記サンプリング時間以
下ならば省略しても良い。

【００１１】演算処理部４は、マイクロコンピュータ等
の記憶及び数学的演算処理機能を有する装置、素子等に
より構成することができ、離散的な時系列信号を所定処
理方法により演算処理を行ない、相対的な変化を示す信
号に変換する。この処理方法は時間に係わる負荷信号の
差分値を求めるものであり、１階微分値を求めるもの
や、データ数の異なる２種類の移動平均の差分値を求め
るものを用いることができる。各処理方法の説明は後述
する。

【００１２】パラメータ設定部５は、予め前記各処理方
法毎に、検出すべき工具異常の程度、或いは加工工程に
対応して、１個もしくは複数個の異常判定用データを収
納し、ＮＣ制御盤からの加工プロセス信号に同期して該
当データを選定し、異常判定用データとして後段の異常
判定部６に送出するもので、従来から知られている各種
電圧設定回路、ディジタルスイッチ等やマイクロコンピ
ュータ等に付随する記憶装置、素子等によって構成する
ことができる。異常判定用データの具体値は、実加工試
験による実負荷データの測定、解析等を通じて把握した
結果をもとに決定するとよい。

【００１３】異常判定部６は、演算処理部４で所定の処
理方法に基づき算出した相対的な変化を示す信号値を、
パラメータ設定部５から供される該異常判定用データと
比較し、工具異常発生の有無を判定するもので、演算処
理部４及びパラメータ設定部５から送出される信号の仕
様を考慮して、従来から知られている各種電気回路によ
って実現することができる。判定結果出力部７は、異常
判定部６での判定結果を受けて、工作機械（またはその
制御装置）あるいは作業者に対しその結果を出力するも
ので、各種リレー回路、電気回路、警報装置、表示装
置、タッチパネル、コンピュータ等の表示モニタ等によ
って実現することができる。

【００１４】ここで、演算処理部４での信号処理方法に
ついて説明する。まず、１階微分値の算出方法とこの効
果について説明する。駆動軸の負荷信号（例えば負荷電
流値）を、一般化したパラメータｙ（ｔ）として取り扱
い、式１により負荷信号の時間に関する１階微分値Δｙ
_ｉを求める。なお微分時間Δｔは、サンプリング時間Ｔ
ｓの整数倍ｎ（ｎ≧１）とする。

【数１】 ｙ_ｉ：時系列信号ｙ（ｔ）を離散化した時のｉ番目の信
号値 式１からわかるように、離散的な時系列信号ｙ（ｔ）の
ｉ番目の１階微分値Δｙ_ｉは、 ｙ_ｉ及びそれ以前の信
号値ｙ_ｉ−ｎの２つのデータの差分値をもとにして求め
ることができる。従って、ｉ番目の信号が入力された時
点でそれ以前の（ｉ−ｎ)番目の信号をもとに算出する
ので応答性がよく、また生データを用いて算出するので
微小な変化も捉えることができ、速やかに感度よく異常
を検出することが可能である。インプロセスで高速で監
視をするためには、サンプリング時間Ｔｓは短い程良い
が、演算処理時間はサンプリング時間Ｔｓより短くなけ
ればならない。式１の演算は非常に単純であり、サンプ
リング時間Ｔｓを１０ｍｓ程度としても全く問題がな
い。

【００１５】次に、２種類の移動平均値の差分値の算出
方法とこの効果について説明する。駆動軸の負荷信号
（例えば負荷電流値）を、一般化したパラメータｙ
（ｔ）として取り扱い、数２により移動平均ｙ_ｍを求め
る。

【数２】 ｙ_ｉ ：時系列信号ｙ（ｔ）を離散化した時のｉ番目
の信号値 ｙ_ｉ−Ｌ：ｉ番目の信号よりＬ番以前の信号値（０≦Ｌ
≦ｍ−１） ｍ ：移動平均を求めるのに用いるデータ数

【００１６】続いて、データ数の異なる２種類の移動平
均から、その差分値Δｙ_ｍを式３より求める。

【数３】 従って、ｉ番目の信号が入力された時点で、式２により
ｙ_ｉ以前のデータ数の異なる２種類の移動平均値を算出
し、次いで式３により移動平均値の差分値Δｙ _ｍを直ぐ
に算出するので、変化に対する応答性がよく速やかに異
常を検出することが可能である。なお、前述した１階微
分値の算出に比べて、経時的な負荷信号の平均値をもと
に信号の変化を捉えるので、感度的には多少劣るが、ノ
イズや小さな変動値に影響され難いという特徴がある。
２種類の移動平均値を求める際のデータ数ｍ１とｍ２
は、負荷信号のノイズの発生状況や工具異常時の負荷信
号の変化状況に合せて適宜設定すればよい。

【００１７】次に、図４〜図９をもとに、実際にロール
を加工した時に発生した種々の工具異常に対し、負荷信
号と処理後の信号の変化例を示し、本発明を用いた工具
異常判定の有効性を説明する。駆動軸は、主軸と、工具
送り軸であるＸ軸とＺ軸であり、負荷信号（負荷電流）
は各駆動軸モータの電機子に流れる電流である。まず、
異常の程度が大きい工具破損時のものについて説明す
る。工具破損が発生した場合は、素早く加工を停止する
等対応しないと、機械やワークを損傷するので、応答性
が求められる。

【００１８】１）ロール胴体の外径部加工において発生
した工具破損の場合 図４（ａ）は工具破損前後の主軸電流値とその１階微分
値の変化を、図４（ｂ）は比較例として主軸電流値とそ
の２階微分値の変化を示したものである。なお、この加
工モードでは工具はＺ軸方向（軸方向）に移動してい
る。本例では、工具が破損した瞬間に電流値が低下して
いる。通常、工具が破損すると、工具と被加工物の接触
部分が減少するため負荷電流は下がるためである。その
約０．５秒後に再び電流値が低下しているが、これはそ
の前に破損した部分が更に破損したことを示している。
これに対し、主軸電流値の１階微分値の変化を、正常加
工時の信号片振幅を１００％として工具破損が生じた時
の信号片振幅の変化割合として評価すると、図４（ａ）
に示すようには、瞬時に６３１％と非常に大きな変化割
合を示している。また、その後の破損時もさらに大きな
変化割合として瞬時に捉えている。一方、図４（ｂ）に
示すように２階微分値の変化で工具破損が生じた時を見
ると、前記と同様に正常加工時の信号片振幅を基準とす
ると、その変化割合は３７０％と、１階微分値における
変化割合より小である。即ち、１階微分値によるものの
方が２階微分値によるものより、約１．７倍感度が高く
検出されていると言える。

【００１９】２）ロール胴体の側面加工において発生し
た工具破損の場合 図５（ａ）は工具破損前後の主軸電流値とその１階微分
値の変化を、図５（ｂ）は比較例としてのその２階微分
値の変化を示している。この加工モードでは工具はＸ軸
方向（径方向）に移動している。本例では、工具が破損
した瞬間に１階微分値の変化割合は８７８％、２階微分
値の変化割合は６００％を示し、１階微分値による方が
２階微分値によるものより約１．５倍感度が高く検出さ
れている。なお、工具破損前にＢ部で示すような、約１
０％電流値が低下しその後もとの値に戻っている状況に
ついては、正常範囲内の加工負荷変動によるものか、微
小工具破損によるものかは、その後工具が破損したため
確認することができず不明である。

【００２０】次に、工具摩耗時（微小欠けを含む）の場
合について説明する。一般的に、工具摩耗は工具破損に
比して、負荷変化が小さかったり、変化が徐々に生じる
等の特徴があり、出力の大きい主軸では検知できない場
合があるという特徴がある。 ３）ロール胴体の側面加工において発生した工具摩耗の
場合 工具摩耗の場合は、工具と被加工物の接触部分が増加す
るため、一般に駆動軸電流値は増大する。本例では、工
具摩耗が認められた時、主軸電流値が急激に変化したも
のである。図６（ａ）に工具摩耗前後の主軸電流値とそ
の１階微分値の変化を、図６（ｂ）に比較例としてのそ
の時の２階微分値の変化を示している。１階微分値の変
化割合は３６７％、２階微分値の変化割合は２４２％を
示し、１階微分値による方が２階微分値によるものより
約１．５倍感度が高く検出されている。このように摩耗
であっても負荷信号が急変するような場合は、１階微分
値により検出することができる。

【００２１】４）ロール胴体の外径加工時において発生
した工具摩耗の場合 前記図６においては、主軸電流の１階微分値で工具摩耗
を検出することができた例であるが、本例は、図示しな
いが主軸電流には変化がみられず、送り軸の電流値に変
化がみられたものである。図７（ａ）にＺ軸に対してそ
の電流値変化とその１階微分値の変化を示す。本加工に
おけるＺ軸の電流値は、定常加工状態において周期的に
増減しているが、この変動を無視して工具摩耗による電
流値変化だけを検知することが必要となる。本例では、
前記周期的変化における１階微分値の変化に対し、工具
摩耗時の１階微分値の変化割合は２５６％で異常判定可
能なレベルと言える。図７（ｂ）にはデータ数が異なる
２種類の移動平均値の差分値の変化を示している。この
時のデータ数は１０個と５０個であり、サンプリング時
間が２０ｍｓとすれば、前者は差分値算出時から０．２
秒前までの負荷信号値を反映しており、後者は１秒前ま
での負荷信号値を反映したものである。移動平均の差分
値の変化割合は１８６％と差を示しており、これまでに
説明した１階微分値の変化割合より小さいが判定可能な
レベルである。このように、出力の大きい主軸では検知
できない場合でも、出力の小さい送り軸では変化として
捉えることができ、１階微分値或いは２種類の移動平均
値の差分値をもとに工具異常として捉えることができる
場合が多い。

【００２２】５）ロール胴体の外径加工において発生し
た工具摩耗（微小欠け）の場合 図８（ａ）はＸ軸に対してその電流値変化とその１階微
分値の変化を、図８（ｂ）はデータ数が１０個と５０個
の２種類の移動平均値の差分値の変化を示している。本
加工におけるＸ軸の電流値は定常加工状態において小さ
な周期で変動しており、いわゆるノイズが乗ったような
信号である。また、本例の工具異常では、径方向の押付
け力を発生しているＸ軸の電流値が緩やかに減少してお
り、これは工具と被加工物の接触部分が減少していった
ことを表しており、摩耗というより微小欠け現象である
と考えられる。この時、図８（ａ）に示すように１階微
分値では変化を捉えることは困難であることがわかる。
一方、図８（ｂ）に示す移動平均の差分値では、変化割
合は４３３％を示し、高感度に検出できることがわか
る。

【００２３】６）ロール胴体の外径加工において発生し
た工具摩耗の場合 前記と同様、図９（ａ）はＸ軸に対してその電流値変化
とその１階微分値の変化を、図９（ｂ）はデータ数が１
０個と５０個の２種類の移動平均値の差分値の変化を示
している。前記と同様、本負荷信号はノイズ的である。
本例の場合は、径方向の押付け力を発生しているＸ軸の
電流値が緩やかに増加しており、これは工具と被加工物
の接触部分が増加したためであり、摩耗が生じたことを
示していると考えられる。図９（ａ）に示すように１階
微分値では変化を捉えることが困難であるのに対して、
図９（ｂ）に示す移動平均の差分値では、変化割合は６
２１％を示し高感度に検出できることがわかる。

【００２４】ここで、前述した測定データをもとに、本
発明による技術と、公知例１及び公知例２の技術を改め
て比較、考察してみる。公知例１の工具異常検出技術で
は、前述したように駆動軸負荷電流の絶対値は、加工条
件（例えば、切削工具の形状や材質、加工物の材質、加
工速度、切り込み量等）によって変化するために、加工
条件毎に異常判定レベルを絶対値で設定する必要があ
り、実用的ではない。これに対して、本発明の工具異常
検出装置では、駆動軸負荷電流値の時間に関する１階微
分値、或いは移動平均の差分値という駆動軸負荷電流の
時間的な相対変化を利用しているために、加工監視中に
加工条件の変更さえなければ異常判定レベルを調整する
必要はなく汎用的である。なお、被加工物の加工仕様か
らくる予め設定された加工条件の変化は、都度制御装置
からその信号を受け取ることで、その電流値変動に係わ
るものを無視することにより対処することができる。

【００２５】また、公知例１においては、摩耗や微小な
欠けを検出するためには閾値の設定が難しく、信頼性の
高い検出はできない。例えば、図５のＢ部で示す主軸電
流の変化を、工具の大破損前の微小破損として検出しよ
うとする場合、その閾値の設定は非常に微妙であること
がわかる。これに対し、本発明の１階微分値をもとに検
出する場合、本破損の８７８％ほど大きな変化ではない
が、約２８０％の変化が現われており、検出は可能であ
る。なおこの場合の２階微分値による変化は約１９０％
程度である。また、図８、９に示すようなノイズ成分が
多い信号が、穏やかに変化するような場合でも本発明の
２種類の移動平均値の差分値の変化を捉えることによっ
て検知ができる。

【００２６】また、前述したように本発明で用いた１階
微分値の変化割合と、公知例２で用いられている２階微
分値の変化割合を比べると、いずれも１階微分値の方が
大きく、本発明の方が感度が高いと言える。これは、正
常加工時の主軸電流の変動を微分処理した時、２階微分
値に比して１階微分値の方が変動幅が小さく算出される
ため、正常加工時の片振幅をもとにした急変時の信号片
振幅の変化割合は、１階微分処理の方が相対的に大きく
出るためと考えられる。これは２階微分値Δ^２ｙ_ｉの算
出が、前記１階微分値算出時と同様にして下記式４で計
算されることから分かる。

【数４】 即ち式４において、第１項と第２項は各々離散的な時系
列信号ｙ（ｔ）のｉ番目と（ｉ−１）番目の１階微分値
である。これより、時系列信号ｙ（ｔ）が同方向に変化
している場合は同符号の差をとるため２階微分値は小さ
くなるが、逆方向に変化した時点では異符号の差をとる
ため２階微分値の絶対値は大きくなる。このため同じ振
幅で変動する電流値に対して、１階微分値より２階微分
値の方が片振幅が大きくなるのである。また、当然なが
ら１階微分処理の方が、対象とするデータ数が少ないた
め、高速処理には有利である。

【００２７】以上、本発明と比較例の検出感度の違いを
説明したが、実際の加工プロセスにおける異常判定で
は、下記に示すように差分値をそのまま用いるだけでな
く、さらに適宜所定処理して用いる等種々の方式をとる
ことができる。第１の方式としては、パラメータ部５に
閾値として差分値の生数値の最大振幅に対する値を設定
し、演算処理部４で差分値が算出される毎に比較するも
のである。この場合、差分値を算出した時点で異常かど
うかが直ぐに判定できる。第２の方式としては、演算処
理部４では差分値の経時的変化幅から所定時間における
平均値とその最大振幅を算出するもので、閾値としては
前記最大振幅に対する値を設定するものである。また、
前述の感度比較の説明に用いた考え方に基づき、演算処
理部４は差分値の経時的な変化幅を算出し、パラメータ
部５には前記算出される差分値変化幅に対する倍率値を
判定用データとして収納し、異常判定部６でサンプリン
グ時の差分値の変化幅が、それまでの差分値の経時的な
変化幅と判定用データの積を超えた時異常と判定するよ
うな方式とすることもできる。なお、上記説明した判定
方法のいずれであっても、異常判定部は、演算処理部で
算出した差分値或いは所定処理した値が、パラメータ設
定部から出力される該判定用データを１回超えた時異常
と判定するようにしてもよいし、或いは所定回数超えた
時異常と判定してもよい。

【００２８】本発明の工具異常検出装置は、図１に示す
ように各処理部をブロックで囲んで別体として説明した
が、これらの一部あるいは全体をパーソナルコンピュー
タ、マイクロコンピュータ、ミニコンピュータ等にて処
理することも可能であり、上記構成を基本として適宜変
形したり、複合化することも可能である。また、検知す
べき工具異常に応じて、適宜信号処理方法を選定しても
よい。即ち、大きな工具破損だけを監視対象とする場合
には、信号を１階微分値処理により異常判定をすればよ
いし、微小な欠けや摩耗まで監視するのであれば、１階
微分値と移動平均値の差分値処理をして各々で異常判定
を行い、いずれかが異常と判定されれば異常発生とする
ようにしてもよい。また、複数の駆動軸の負荷信号を用
いて工具異常判定をすることもできる。この場合、前述
した各処理手段は、対象とする駆動軸用（例えば主軸用
やＸ軸用）に複数設けるとよい。この時は、判定結果出
力部は１式とし、各駆動軸用の異常判定部からの出力を
入力して総合的に工具異常の発生を判定するようにする
とよい。なお、判定結果出力部で判定する代わりに、各
軸用に設けた異常判定部の一つにこの機能を持たせても
よい。判定論理は、１軸でも異常であれば異常とした
り、所定数の軸が異常となった時異常としたり、加工仕
様、検査仕様等に合わせた論理を適宜設定して収納し、
これに基づいて判定すればよい。

【００２９】なお、各駆動軸用の負荷検出部の出力部に
軸選択手段（図示せず）を設けて適宜適切な監視駆動軸
を選択することもできる。この時、信号サンプリング部
以降の各処理手段はパラメータ設定部を含め一式でよ
い。この場合は、パラメータ設定部からは該駆動軸用異
常判定データが出力されるようにしておく。なお、駆動
軸の負荷信号としては、電流の他、電圧、電力、切削力
でもよいし、負荷を検出するものであれば他の信号でも
応用は可能である。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の工具異常
検出装置は次のような効果がある。 １）時間に係わる負荷信号の差分値を用いるので、加工
物や工具の材質、切り込み量、加工速度等加工仕様に係
わる絶対的な負荷信号値の違いに影響されずに工具異常
を判定することができる。 ２）重大トラブルの工具破損は負荷信号の１階微分値で
判定するので、応答性及び検出感度が高いので素早く対
応することができ、機械やワークの損傷を最小限度に抑
えることができる。 ３）１階微分値では捉え難い緩やかな負荷信号変化を呈
する摩耗や微小欠けであっても、データ数の異なる２種
類の移動平均の差分値をもとに判定することができる。 ４）加工仕様により工具異常時の負荷信号の変化形態が
異なる場合でも、１階微分値とデータ数の異なる２種類
の移動平均の差分値を併用することにより、工具異常を
見逃すことなく捉えることができる。 ５）駆動軸毎に異常判定できるシステムを設けることに
より、加工仕様に合せて工具異常時に負荷信号変化が発
生しやすい軸を選択し監視対象とすることにより、汎用
性が広く、また複数の駆動軸からの異常判定情報を総合
的に判定することにより、工具異常検出の信頼性をより
高くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の工具異常検出装置の基本構成を示すブ
ロック図

【図２】本発明を適用した工作機械の構成図

【図３】本発明を適用した工作機械の加工部位を拡大し
た図

【図４】外径部加工における工具破損時の、主軸電流と
その１階微分値及び２階微分値の信号変化の違いを示す
図

【図５】側面部加工における工具破損時の、主軸電流と
その１階微分値及び２階微分値の信号変化の違いを示す
図

【図６】外径部加工における工具摩耗時の、主軸電流と
その１階微分値及び２階微分値信号変化の違いを示す図

【図７】外径部加工における工具摩耗時の、送り軸電流
とその１階微分値及び移動平均差分値の信号変化の違い
を示す図

【図８】外径部加工における工具摩耗（微小欠け）時
の、主軸電流とその１階微分値及び２階微分値の信号変
化の違いを示す図

【図９】外径部加工における工具摩耗時の、主軸電流と
その１階微分値及び２階微分値の信号変化の違いを示す
図

【符号の説明】

１ 駆動軸負荷検出部 ２ 信号サンプリング部 ３ データバッファ部 ４ 演算処理部 ５ パラメータ設定部 ６ 異常判定部 ７ 判定結果出力部 １１ 工作機械 １２ 工作機械制御装置 １４ 工具 １６ ロール ２１ 主軸ユニット ２３ 送りユニット

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 工作機械の駆動軸の負荷信号を離散的時
   系列負荷信号として送出する信号サンプリング部と、離
   散的時系列負荷信号値を用い差分値を算出する演算処理
   部と、前記差分値が異常であるかどうかを判定するため
   の判定用データを収納するパラメータ設定部と、前記算
   出した差分値と前記パラメータ設定部から出力される判
   定用データとを比較する異常判定部とを備えていること
   を特徴とする工具異常検出装置。
2. 【請求項２】 工作機械の駆動軸の負荷信号を検出して
   出力する駆動軸負荷検出部と、前記負荷信号を離散的時
   系列負荷信号として送出する信号サンプリング部と、離
   散的時系列負荷信号を用い差分値を算出する演算処理部
   と、前記差分値が異常であるかどうかを判定するための
   判定用データを収納するパラメータ設定部と、前記算出
   した差分値と前記パラメータ設定部から出力される判定
   用データとを比較する異常判定部とを複数の駆動軸に備
   え、各駆動軸の異常判定部信号を用いて工具異常発生の
   有無を判定する判定結果出力部を有することを特徴とす
   る工具異常検出装置。
3. 【請求項３】 前記演算処理部で算出される差分値は、
   所定時間前後の負荷信号値の差分として算出される１階
   微分値である請求項１又は２に記載の工具異常検出装置
4. 【請求項４】 前記演算処理部で算出される差分値は、
   データ数の異なる２種類の移動平均の差分値である請求
   項１又は２に記載の工具異常検出装置。
5. 【請求項５】 前記演算処理部は１階微分値とデータ数
   の異なる２種類の移動平均の差分値を算出し、前記パラ
   メータ設定部は１階微分値とデータ数の異なる２種類の
   移動平均の差分値に関する異常判定用データを収納し、
   前記異常判定部は１階微分値を基にした異常判定とデー
   タ数の異なる２種類の移動平均の差分値を基にした異常
   判定の少なくともいずれかを用いて異常判定をし、工具
   異常発生の有無を判定する請求項１又は２に記載の工具
   異常検出装置。