JP2005022052A

JP2005022052A - 加工工具の異常・寿命の検知方法および検知装置

Info

Publication number: JP2005022052A
Application number: JP2003192247A
Authority: JP
Inventors: Toru Daikuhara; 徹大工原; Kazuyoshi Kamikura; 一義神蔵; Katsuhide Samejima; 勝秀鮫島
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2003-07-04
Filing date: 2003-07-04
Publication date: 2005-01-27

Abstract

【課題】切削工具などの加工工具の真の異常や寿命を検知できる加工工具の異常・寿命の検知方法および装置を提供する。
【解決手段】加工工具１の１加工毎の累積消費電力を求める累積消費電力演算部３０１を備え、この累積消費電力演算部３０１で求めた１加工当たりの累積消費電力量を記憶部３０３に記憶させた基準消費電力量と比較して、加工工具１の異常・寿命を判定する。基準消費電力量を新品の加工工具による初回１加工時の累積消費電力とするのが望ましい。また、累積消費電力は加工工具の空転によって消費される電力量相当分を除いて求めるのが望ましい。
【効果】切削工具の製造バラツキや使用環境等のバラツキによる誤差を排除して、工具寿命を正確に検知できるため、工具費用を飛躍的に削減できる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、旋盤、フライス盤、ドリル等に用いられる加工工具の損傷などの異常や磨耗による寿命を正確に検知することができる加工工具の異常・寿命の検知方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
機械加工における切削工具の摩耗・損傷状態を直接観察することなく工具寿命を検知するシステムとして、主軸モーターのトルク負荷およびスラスト負荷を計測してこれらの変動から切削工具の異常・寿命を判定するシステム（特許文献１、２参照）や、消費電力（または電流）を計測し機械加工中の主軸のトルク変動により変化する計測値をリアルタイムでモニタリングし、予め設定した上限値を越えた場合に機械を停止する、または信号を出力する機能を持ったシステム（特許文献３参照）が知られている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平６−８１１１号公報
【特許文献２】
特開平１１−５８１１３号公報
【特許文献３】
特開平９−２８５９４５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これらの従来のシステムは、トルク負荷やスラスト負荷に対応する電流値や消費電力値（または電流値）の絶対値に対し閾値を設定し判定を行う為、機械の主軸回転制御に伴う電力の変化や切削工具の製造バラツキや使用環境等のバラツキによって主軸トルクが変化した場合に上手く追随できるシステムではないという問題点があった。例えば、ドリルのマージン巾や芯厚が規格の範囲内でたまたま大き目にできていた場合、切削トルクが大きくなり電力値（電流×電圧←消費エネルギー）の平均値が大きい側にシフトする為、閾値を越える頻度が多くなり、また、気温の変動または運転時間の経過等で主軸の潤滑が良くなった場合は小さい側にシフトし闘値を越えないのにかかわらず切削工具の折損が発生する可能性がある。
また、消費電力値（または電流値）と閾値の比較は、加工中に時々刻々変化するある瞬間の値を比較するリアルタイムの比較、判定であったので、種々の変動によるバラツキでも誤って判定をし、正確な検知ができない問題点があった。
このような理由により、従来のシステムは実際の量産製造ラインにおいて真の工具寿命を予知できるシステムには至っていないのが現状である。
【０００５】
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、加工工具の真の異常や寿命を正確に検知できる加工工具の異常・寿命の検知方法および装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明は、切削加工などで費やされる加工エネルギーの代用特性として主軸モーターの１加工毎の切削開始から完了までの累積消費電流量または累積消費電力値（電力量）を用い、これを基準の消費電流量または消費電力量と比較して判定することにより、加工工具毎の製造バラツキや環境（気温の変化、機械の劣化、潤滑油の劣化など）のバラツキによって誤判定することのない、工具寿命をより正確に検知することができる、低コストかつ汎用性がある加工工具の異常・寿命を検知するシステムを提供するものである。
【０００７】
すなわち、本発明の加工工具の異常・寿命の検知方法のうち請求項１記載の発明は、加工工具の１加工毎の累積消費電流または累積消費電力からなる累積値を求め、この累積値と、予め定めた基準消費電流量または基準消費電力量からなる基準値と比較して加工工具の異常・寿命を判定することを特徴とする。
【０００８】
請求項２記載の加工工具の異常・寿命の検知方法の発明は、請求項１記載の発明において、前記基準値は、新品の加工工具による初回１加工時の累積消費電流または累積消費電力であることを特徴とする。
【０００９】
請求項３記載の加工工具の異常・寿命の検知方法の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記判定は、前記累積値と基準値の偏差と、予め設定された偏差閾値とを比較して行われることを特徴とする。
【００１０】
請求項４記載の加工工具の異常・寿命の検知方法の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記累積値は、加工工具の空転によって消費される電流量または電力量相当分を除いて求められることを特徴とする。
【００１１】
請求項５記載の加工工具の異常・寿命の検知方法の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、加工時の加工工具の消費電流または消費電力と瞬時閾値とを比較して加工工具の異常・寿命を判定することを特徴とする。
【００１２】
請求項６記載の加工工具の異常・寿命の検知装置の発明は、加工工具稼働時の累積消費電流または累積消費電力を求める累積値演算部と、加工時消費電流量または消費電力量の基準値を記憶する基準値記憶部と、前記演算部で求められた累積値と前記記憶部に記憶された基準値とを比較する比較部と、前記比較部の比較結果に応じて加工工具の異常・寿命の判定を行う判定部とを備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、１加工当たりの累積値を基準値と比較し、加工工具の異常や寿命を判定するようにしたので、データのサンプリングのタイミングや機械の運転条件のバラツキによって誤って判定する不具合をなくし、真の異常や寿命を正確に判定することを可能にする。
【００１４】
ここで、前記累積値と比較する基準値は、新品の加工工具によってワークに対し加工する際の初回消費電流量または消費電力量とするのが望ましい。これにより１つの加工工具毎に基準値を求めるので自動的に工具のバラツキを補正することを意味しており、統計的なデータを取得したり解析する必要がなく常に安定した判定を行うことができる。加工工具の交換頻度は加工対象のワークや工法によっても異なるが、自動車部品のような量産部品の加工においては通常１〜２日に１回以上は交換が行われるので、使用環境等のバラツキも排して加工工具の交換毎に補正が行われて正確な判定をすることができる。上記基準値は、基準値記憶部に記憶させて適宜読み出すようにできる。
【００１５】
また、累積値と基準値を比較して行う判定は、基準値と累積値の偏差と、予め設定された偏差閾値を比較して行うのが望ましい。偏差閾値は、例えば、１つの加工工具で連続加工を行い、初品加工消費電力量等とその後の加工の累積消費電力量等の差のデータを求めて、その差が急増する変曲点の値を用いて設定することができる。この方法により閾値を定めれば、１回のデータ採取で容易に設定でき、また以後は変更する必要はない。加工工具の特性や加工条件にも対応して正確な判定を可能とする。上記偏差は、累積値と基準値とを比較する比較部によって求めることができ、判定部においてこの偏差と偏差閾値を比較して加工工具の異常、寿命を判定することができる。
【００１６】
また、前記累積値を求めるに当たっては、加工工具の空転に消費される電力相当分を除いて求めるようにするのが望ましい。これにより季節の変動や潤滑油の劣化などで加工工具が取り付けられる主軸の潤滑が悪くなり空転時の消費電力が上昇しても、その影響を除くことができる。累積値の算出は、前記した累積値演算部を用いることができる。
【００１７】
なお、本発明では、累積値および基準値としては、消費電流量または消費電力量のいずれかを用いることができる。電圧変動分を殆ど無視できる場合は、消費電流量を用いてもよいが、電力量を用いれば、電圧変動分も含めて評価することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を添付の図を参照して説明する。
【００１９】
本発明の加工工具（この実施形態では切削工具）の異常・寿命の検知装置の構成を図１に示す。装置は、加工工具（ドリル）１が取り付けられる加工機１０と、電力計２０と、演算器３０と、表示器４０とで構成される。加工機１０に含まれる主軸モーター１１はインバータ１２で制御されている。加工工具（ドリル）１を駆動する主軸モーター１１の電流値と電圧値および起動トリガが電力計２０に入力されて、主軸モーター１１の消費電力が計測できるようにされている。電力計２０は図示しないＡ／Ｄ変換器を含み電力計２０で逐次計測した消費電力のデジタル値が演算器３０に渡されるようになっている。
【００２０】
演算器３０は、設定処理と、電力計２０から渡された消費電力データをもとに必要な演算処理および判定処理を行うものである。演算器３０は、累積消費電力演算部３０１、データ記憶部３０２、初品加工消費電力記憶部３０３、異常電力閾値設定部３１０、偏差閾値設定部３１１、第１判定部３２０、第２判定部３２１とを備えている。これらの構成は、例えば図示しないＣＰＵとこれを動作させるプログラム、該プログラムを格納するＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発メモリ、入力装置などによって構成することができる。
【００２１】
累積消費電力演算部３０１は、加工工具１による１加工毎の消費電力Ｗｌｉを加工開始から完了まで測定し、これを積算して累積消費電力ΣＷを演算する。データ記憶部３０２は、電力計２０から送出される電力データを保存して累積消費電力ΣＷの演算に供するものであり、加工工具１による加工回数データを保存することもできる。初品加工消費電力記憶部３０３は、不揮発メモリなどからなり、加工工具１の新品時である初回使用時の初品加工消費電力量ΣＷｎｅｗを記憶する。
【００２２】
また、異常電力閾値設定部３１０は、電力計２０から与えられるリアルタイムの消費電力Ｗｌｉに対する瞬時閾値Ｗｌｉｍｉｔが予め設定される。この瞬時閾値Ｗｌｉｍｉｔは、加工機１０の異常や加工工具１の製作・セットミス等を判定するために設けられている。したがって、誤判定をさせないために充分大きい値に設定すべきものである。これに対して、偏差閾値設定部３１１は、加工工具１の寿命を判定するための閾値Ｘｌｉｍｉｔが予め設定される（詳細は、以下で明らかになる）。これらの設定は、予め操作者による入力などによって設定しておくことができる。
【００２３】
第１判定部３２０は、比較部３２０ａを有しており、該比較部３２０ａでは電力計２０から与えられるリアルタイムの消費電力Ｗｌｉと異常電力閾値設定部３１０に設定された瞬時閾値Ｗｌｉｍｉｔの大小を比較する。第１判定部３２０では、この比較結果を受けて異常の有無を判定する。また、第２判定部３２１は、比較部３２１ａを有しており、該比較部３２１ａでは、加工回数ｎ回目での累積消費電力ΣＷｋｎと初品加工消費電力ΣＷｎｅｗを比較し偏差Ｘを求める。第２判定部３２１では、前記偏差Ｘと前記偏差閾値Ｘｌｉｍｉｔの大小を比較し工具の寿命を判定する。また、前記一時記憶部３０２には、加工回数を記憶することができる。
【００２４】
また、上記演算器３０は表示器４０に接続されており、該表示器４０に情報の表示要求を行うことができる。また、表示器４０には、操作者による操作入力を受け付ける操作部４０１を備えており、該操作部４０１による入力内容を演算器３０に送出可能になっている。
また、上記演算器３０には、加工機１０の制御を行う制御部５０が接続されており、該制御部５０に対し制御指令を発行することができる。
【００２５】
上記の演算器３０は、加工工具１の交換から工具寿命検知信号を出力するまで図２、３に示す如くの動作フローで動作するようになっている。図２は、加工工具１の交換後、初品加工時の動作フローであり、工具交換（ステップＳ１）がなされた後、データ記憶部３０１に記憶された工具加工回数データのリセットがなされ（ステップＳ２）、初品加工消費電力記憶部３０３の記憶データリセット（ステップＳ３）がされた後、加工機１０の起動釦ＯＮ後（ステップＳ４）、データサンプリングを開始し（ステップＳ６）、予め設定したデータサンプリング開始／終了時間によって加工工具１の空転後から加工完了までの消費電力Ｗｌｉを経過時間ｔｉとともに逐次測定する（ステップＳ７、８）。ここで消費電力Ｗｌｉの変動は常にリアルタイムでモニタリングして前記第１判定部３２０で消費電力Ｗｌｉと異常電力閾値設定部３１０に設定された瞬時閾値Ｗｌｉｍｉｔの大小判定を行い（ステップＳ９）、消費電力Ｗｌｉが瞬時閾値Ｗｌｉｍｉｔ以上となる異常電力発生時は異常信号を出力し（ステップＳ１０）、異常アラームの点灯や工具交換信号の表示を行う（ステップＳ１１）。これらは、演算器３０から表示器４０に表示要求と表示情報とを送出することによって表示器４０で表示したりアラームを発生させたりすることができる。また、制御部５０に制御指令を発し、制御部５０によって加工機１０の稼働を停止させるようにしてもよい。消費電力Ｗｌｉが瞬時閾値Ｗｌｉｍｉｔを越えない場合は、異常の発生はないものとして、図３に詳細に示すように前記累積消費電力演算部３０１で累積消費電力ΣＷを算出する。該算出では、加工工具１の空転時の消費電力（図ではＷｌ−２、Ｗｌ−１、Ｗｌ０を逐次測定し、その平均値Ａｌを求める。次いで、逐次消費電力Ｗｌｉを測定し、これを累積するとともに、空転時消費電力Ａｌを除外して累積消費電力ΣＷを求める（ステップＳ１２）。この累積消費電力ΣＷデータは、初品加工時の累積消費電力ΣＷｎｅｗデータとして経過時間とともに初品加工消費電力記憶部３０３に記憶し（ステップＳ１３）、２台目以降のワークの加工に備える。
【００２６】
図４は加工工具１の交換後ｋ台目のワーク加工時の動作フローを示すものである。なお、図２に示す処理と同様の処理については同一のステップ番号を付してその説明を省略または簡略化している。
初品加工時と同様のフローでｋ台目のワークの加工開始後、異常信号の監視を行うとともに（ステップＳ９）、累積電力ΣＷｋを算出（ステップＳ１２と同等）する。算出方法は、図３に示す手順と同様である。この手順によって求められた累積消費電流ΣＷデータを累積消費電力Ｗｋとする。累積消費電力Ｗｋと初品加工消費電力記憶部３０３に記憶した初品加工消費電力ΣＷｎｅｗの偏差（ΣＷｋ−ΣＷｎｅｗ）を演算して（Ｓ１５）、判定値Ｘとして表示する（Ｓ１６）。該表示は表示器４０において行うことができる。次いで、この判定値Ｘと偏差閾値設定部３１１に予め設定した閾値Ｘｌｉｍｉｔを比較し（Ｓ１７）、判定値Ｘが偏差閾値Ｘｌｉｍｉｔ越えなければ次の加工へと移行し、越えた場合は工具寿命に達したものと判断し工具交換信号を表示器４０に表示させる（Ｓ１８）。この偏差閾値Ｘｌｉｍｉｔは、例えば使用する加工工具１で予め連続加工を実施し、得られた累積電力データと工具寿命の関係を元に設定しておく（図７参照）。
【００２７】
図５（ａ）〜（ｆ）は、実際のドリルによる穴明け加工における電力測定値を示すグラフであり、横軸に加工穴数をとって、この加工時の消費電力Ｗをグラフ化した。（ａ）は１穴目、（ｂ）は５０穴目、（ｃ）は１００穴目、（ｄ）は２００穴目、（ｅ）は３００穴目、（ｆ）は３１４穴目の測定値である。これらの図は、加工時間に対する電力測定値を示すもので切削時の電力から空転時の電力を減じた電力を累積した面積部分（Ａ、Ｂ図ハッチング部）が実際の穴明け加工に要したｋ回目の累積消費電力ΣＷｋに相当する。各図からもわかるように個々の（従来例のような瞬間的な）電力の絶対値はデータサンプリングのタイミングや機械の制御によるバラツキによって大幅に変動するため、消費電力のピーク値のみでリアルタイムで基準値あるいは閾値との大小を判断した場合には誤判断を生じることが容易にわかる。
【００２８】
また、図６は、加工回数による累積消費電力ΣＷｋの変動をグラフ化したものであり、加工回数が増えるに連れて消費電力量が増大しており、ある程度の値を超えると工具に損傷が生じている。
【００２９】
図７は、初品加工時の累積消費電力Ｗｎｅｗとの差、すなわち判定値Ｘを加工回数に従ってグラフ化したものである。図７の変化の傾向は一般的に知られている、工具の初期なじみ域ａ、摩耗増加域ｂ、安定域ｃ、摩耗急増域ｄの切削抵抗の変動傾向とよくマッチしており、加工工具の寿命の正確な判定方法として有効であることがわかる。
【００３０】
以上のように常に安定した環境及び工具が維持できる理想的な状態においては図６に示す累積消費電力Ｗｋに対して閾値を設定し判定すれば寿命を予知することは可能であるが、実際の量産ラインにおいては季節による気温の変動や工具の製造バラツキによって累積消費電力値もばらつくため、図７に示すように工具交換毎の初品加工時の累積消費電力を減じることによって判定値Ｘを演算して上記バラツキに対する補正を行った後、あらかじめ設定される偏差閾値Ｘｌｉｍｉｔとの大小を判定することで正確な寿命の判定が可能となる。
【００３１】
図８は単独工具加工機の場合の表示器４０の例を示すもので、判定値Ｘを電力レベルとしてレベルメーター４１０にて出力点灯させ、閾値Ｘｌｉｍｉｔを越えた場合に工具交換ランプ４３０を点灯させる。また、操作部４０１としてリセット釦を備えており、例えば、工具の交換によってリセットボタンを押し、その結果を演算器３０に通知することができる。
図９はマシニングセンタなどの複数の工具を有する加工機の場合の表示器４０の例で、工具毎にレベルメーター４１０…４１３、工具交換ランプ４３０…４３３を備えている。また、判定値Ｘが閾値Ｘｌｉｍｉｔに近づいた時に該当する加工工具に合わせて点灯する交換可能ランプ４２０…４２３を備える。閾値Ｘｌｉｍｉｔを越えた場合には、工具交換ランプ４３０を点灯させることで複数の工具を適宜交換することができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の加工工具の異常・寿命の検知方法および装置によれば、
（１）真の工具寿命を検知できるため、工具費用を飛躍的に削減できる。
（２）機械の制御上の電力変化や工具の製造バラツキ、環境のバラツキによる誤判定がないため、機械の稼働率を向上できる。
（３）複雑な演算処理が不要で市販の電力計、演算器を用いてもシステムを構築できるため安価である。
（４）マシニングセンタなどの複数の工具を有する加工機においても工具交換によるロス時間を最少化し稼働率を向上できる。
（５）電流量、電力量という一般特性を用いて評価するため、モーターで駆動する加工機全てに適用でき汎用性がある。
などの諸効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の検知装置の構成を示すブロック図である。
【図２】同じく加工工具交換後、初品加工時の動作フローである。
【図３】累積消費電力量を算出する詳細を示す図である。
【図４】同じく加工工具交換後、加工ｋ回目の動作フローである。
【図５】複数の穴明け加工穴目数における消費電力の変化を示すグラフである。
【図６】穴明け加工における累積消費電流の変動を示すグラフである。
【図７】判定値の変動を示すグラフである
【図８】表示器の一つの例を示す図である。
【図９】マシニングセンターにおける表示器の例を示す図である。
【符号の説明】
１加工工具
１０加工機
１１主軸モーター
１２インバーター
２０電力計
３０演算器
３０１累積消費電力演算部
３０２データ記憶部
３０３初品加工消費電力記憶部
３１０異常電力閾値設定部
３１１偏差閾値設定部
３２０第１判定部
３２０ａ比較部
３２１第２判定部
３２１ａ比較部
４０表示器
５０制御部
４１０、４１１、４１２、４１３レベルメーター
４２０、４２１、４２２、４２３交換可能ランプ
４３０、４３１、４３２、４３３工具交換ランプ

Claims

加工工具の１加工毎の累積消費電流または累積消費電力からなる累積値を求め、この累積値と、予め定めた基準消費電流量または基準消費電力量からなる基準値と比較して加工工具の異常・寿命を判定することを特徴とする加工工具の異常・寿命の検知方法。
前記基準値は、新品の加工工具による初回１加工時の累積消費電流または累積消費電力であることを特徴とする請求項１記載の加工工具の異常・寿命の検知方法。
前記判定は、前記累積値と基準値の偏差と、予め設定された偏差閾値とを比較して行われることを特徴とする請求項１または２に記載の加工工具の異常・寿命の検知方法。
前記累積値は、加工工具の空転によって消費される電流量または電力量相当分を除いて求められることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の加工工具の異常・寿命の検知方法。
加工時の加工工具の消費電流または消費電力と瞬時閾値とを比較して加工工具の異常・寿命を判定することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の加工工具の異常・寿命の検知方法。
加工工具稼働時の累積消費電流または累積消費電力を求める累積値演算部と、加工時消費電流量または消費電力量の基準値を記憶する基準値記憶部と、前記演算部で求められた累積値と前記記憶部に記憶された基準値とを比較する比較部と、前記比較部の比較結果に応じて加工工具の異常・寿命の判定を行う判定部とを備えることを特徴とする加工工具の異常・寿命の検知装置。