JP2005111588A

JP2005111588A - 工具異常監視方法と工具異常監視システム

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Publication number: JP2005111588A
Application number: JP2003346474A
Authority: JP
Inventors: Ryunosuke Tsuboi; 竜之介坪井; Kunisuke Kono; 国祐江野
Original assignee: Hitachi Industries Co Ltd
Current assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Priority date: 2003-10-06
Filing date: 2003-10-06
Publication date: 2005-04-28

Abstract

【課題】加工部品が1品1品異なり、部品毎の加工時間が工具寿命より長いような非量産大物部品の加工に対しても工具の異常を監視することができるようにしたい。
【解決手段】部品１２を加工する工作機械の工具１３にセンサ１４を設け、センサ１４で得る加工モニタリング信号と参照用の加工モニタリング信号を比較して工具１３の異常を監視するものであり、部品１２の加工時間が工具１３の寿命より長いものについて、参照用の加工モニタリング信号を得るために工具１３と同種の工具１８を参照工具として用い、工具１３による部品１２の加工に際し参照工具１８により参照用の加工モニタリング信号を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械における工具の異常を監視する工具異常監視方法と工具異常監視システムに関するものである。

工作機械の無人連続運転は、省人化による人件費低減、作業者待ちを無くし稼働率向上が期待できる。無人連続運転に向けた課題の1つとして、損傷や摩耗といった工具異常の監視の自動化が挙げられる。工具異常の監視とは、工具異常により、工作機械および加工部品が損傷を被る事態を回避するため、異常な工具形状変化や、異常な加工中のモータ電流/トルクや振動が発生していないか監視することである。

従来、工作機械の工具異常を監視する方法としては、工具異常により工具形状が変化することを利用し、形状変化を間欠的に接触センサあるいは光学センサで得て閾値判定する直接的な工具監視方法と、センサで得るモータ電流/トルク、振動、Acoustic Emission等の加工モニタリング信号が、工具異常が発生した場合に変化することを利用し、これらを間欠的または連続的に閾値判定する間接的な監視方法とがある。

工作機械としては、再現性の高い安定した加工条件を選ぶことにより無人運転とし、工具寿命を加工部品個数や加工時間によって設定して、自動工具交換装置により工具を次々と取り替えていく構成が主流である。工具寿命は加工内容によってまちまちだが、一般に15ないし30分程度である。

間接的な監視方法が用いる加工モニタリング信号には、工具異常により変化する成分と、被削材種、硬度、工具、切削諸元の違い等、元々の加工内容によって定まる成分とがある。

工具異常を検出するためには、工具異常により変化する成分だけを対象として閾値判定する必要が有り、そのためには現在使用している工具による加工モニタリング信号と、同じ被削材種、硬度、工具、切削諸元等の条件において正常な工具で加工することによって得られる参照用の加工モニタリング信号に由来する閾値とを比較しなければならない。

参照用の加工モニタリング信号は、量産部品の加工においては、1個目の加工部品で試し加工をおこなうことで採取することができる。

工具異常監視に関わる全体を自動化するためには、参照用の加工モニタリング信号の採取も自動化しなければならない。加工部品毎の加工時間が工具寿命より十分短く、同一工具で多数の同じ部品を繰返し加工する量産部品加工においては、従来下記の特許文献のような、正常な工具による参照用の加工モニタリング信号を、工具交換直後の新品工具の状態で1個目の部品を加工して採取することによって得て閾値を自動設定し、2個目の部品以降は採取する加工モニタリング信号と閾値とを比較して工具異常監視をおこなう方法が提案されている。

この場合、工具交換時に参照用の加工モニタリング信号を得れば、交換後2個目以降の加工部品における加工モニタリング信号を、参照用の加工モニタリング信号と比較して、その差異の大きさを閾値判定することにより工具異常を判定できる。

特開平６−２１８６５５号公報

しかし上記従来技術では、加工部品が1品1品異なり、部品毎の加工時間が工具寿命より長い非量産大物部品の加工に対しては適用できない。なぜなら部品毎の加工時間が工具寿命より長いと、工具間で加工内容が異ったり、1つの工具が複数の異なる加工内容を担当してしまうため、加工モニタリング信号は被削材種、硬度、工具、切削諸元の違い等、元々の加工内容によって定まる成分までも違ってしまい、工具異常により変化する成分だけを抜き出して閾値判定することが不可能なためである。

非量産大物部品の加工時間は、1mを超える寸法を持つ回転機械ケーシング加工等を例にすると、各加工部位の加工時間の合計が300分を超えるものもあり、先に示した一般的な工具寿命時間の数倍である。また、工具寿命を加工部品個数や加工時間によって設定して自動工具交換装置により工具を次々と取り替えていくことにより無人運転とする方法も、同様の理由から工具寿命を設定することができないため適用できない。

このため、非量産大物部品の加工加工に対する無人運転は現状では困難であった。

それゆえ本発明の目的は、加工部品が1品1品異なり、部品毎の加工時間が工具寿命より長いような非量産大物部品の加工に対しても工具の異常を監視することができる工具異常監視方法と工具異常監視システムを提供することである。

上記目的を達成する本発明工具異常監視方法の特徴とするところは、部品を加工する工作機械の工具にセンサを設け、該センサで得る加工モニタリング信号と参照用の加工モニタリング信号を比較して該工具の異常を監視する工具異常監視方法において、部品の加工時間が該工具の寿命より長いものについて、参照用の加工モニタリング信号を得るために該工具と同種の工具を参照工具として用い、該工具による部品の加工に際し該参照工具により参照用の加工モニタリング信号を得ることにある。

また、上記目的を達成する本発明工具異常監視システムの特徴とするところは、部品を加工する工具にセンサが設けられた工作機械と、該工作機械で使用する工具の交換を行なう自動工具交換装置と、該工作機械および該自動工具交換装置に動作指令を出すＮＣ制御装置と、該工作機械の工具に設けられたセンサで得る加工モニタリング信号と参照用の加工モニタリング信号を比較して該工具の異常を監視する工具異常監視装置とを有する工具異常監視システムにおいて、該ＮＣ制御装置は部品の加工時間が該工具の寿命より長いものについて、該自動工具交換装置に部品の加工を行なう工具と参照用の加工モニタリング信号を得るために該工具と同種の工具を参照工具として交換を行なう指示を出し、該工作機械に該工具による部品の加工に際し該参照工具による加工を行なう指示を出し、さらに該工具異常監視装置に該参照工具による加工中に参照用の加工モニタリング信号を得て記憶しておく指示と該工作機械が該工具による部品の加工中に該センサから加工モニタリング信号を得て該参照用の加工モニタリング信号と比較し工具の異常を監視する指示を出すようになされていることにある。

本発明によれば、加工部品が1品1品異なり部品毎の加工時間が工具寿命より長いような非量産大物部品の加工に対しても工具の異常を監視することができる。

以下、図1および図2に基づいて本発明の一実施形態を説明する。

図１は本発明になる工具異常監視システムを示しており、１０はNC工作機械で、１１はNC工作機械１０の加工機本体、１２は加工機本体１１に装着した工具１３で加工をしている加工部品、１４は工具１３から加工モニタリング信号を採取するセンサ、１５はNC工作機械１０のNC制御装置、１６はＮＣ制御装置１２におけるNCプログラム、１７は加工機本体１１に装着する工具１３を自動交換する自動工具交換装置で、内部に参照用の加工モニタリング信号を得るための工具１３と同種の参照工具１８と交換用の予備工具１３Aを保管している。１９は、NC工作機械１０に設けた通信インターフェースである。

ここでは１種の工具で工具異常監視について説明するが、他種の工具も加工部品１２に対して使用するのであれば、自動工具交換装置１７は工具１３と同種の交換用の参照工具及び予備工具１３Aの保管に合わせて、その他複数種の工具とそれらと同種の参照工具及び予備工具も組として保管する。

３０は工具異常監視装置で、その監視装置本体３１はＡＤ変換器３２を介してセンサ１４から送られてくる加工モニタリング信号を記憶しておく記憶装置３３と信号特徴量抽出装置３４と閾値設定装置３７と信号比較装置３８を有している。

信号特徴量抽出装置３４はデジタルフィルタ３５と特徴量計算部３６から構成され、信号比較装置３８は高域比較器３９と低域比較器４０から構成されている。

４１は、工具異常監視装置３０に設けた通信インターフェースである。

NC工作機械１０側の通信インターフェース１９と工具異常監視装置３０側の通信インターフェース４１を介して、NC制御装置１２から工具異常監視装置３０に対し後述する各種指令（指示）が出され、その指令の基づいて工具異常監視装置３０が工具１３の異常監視を遂行する。

工具異常監視装置３０では、センサ１４が採取した加工部品１２の例えば、切削加工のアナログ加工モニタリング信号がAD変換器３２でデジタル信号変換されて記憶装置３３に記憶され、信号特徴量抽出装置３４に入力され、信号比較装置３８で異常検知をすると、ＮＣ制御装置１５にNC工作機械１の停止信号を出力する。

信号特徴量抽出装置３４では、記憶装置３３に格納された信号をカットオフ周波数に従ってデジタルフィルタ３５が高域成分と低域成分とに弁別し、それぞれの特徴量を特徴量計算部３６で計算する。特徴量の計算例としては、高域成分は交流波形の実効値、低域成分は平均値、などがある。

閾値設定装置３７では、参照用の参照工具１８による加工時にセンサ１４で採取した参照用の加工モニタリング信号から得た特徴量に基づき閾値判定に用いる閾値を設定する。閾値設定の例としては、特徴量の1.2〜2.0倍程度を閾値とする。

信号比較装置３８では、現在使用している工具による加工モニタリング信号から得た特徴量と参照用の参照工具による加工モニタリング信号から得た特徴量に由来する閾値とを高域比較器３９及び低域比較器20により比較し、閾値を超えた場合に異常と判定し停止信号を出力する。

NC制御装置１５は、通信インターフェース１９，４１を通してNCプログラム１６に保有した、加工モニタリング信号採取開始/終了、加工モニタリング信号比較開始/終了、カットオフ周波数や閾値調整等のパラメータの指示を工具異常監視装置３０に与える。

NC制御装置１５は、自動工具交換装置１７に工具の交換の指令を出し、自動工具交換装置１７ではその指令に基づいて、参照工具１８や予備工具１３Ａの交換を行なう。

工具異常監視装置３０の信号特徴量抽出装置３４で加工モニタリング信号(モータ負荷、振動、またはAcoustic Emission(金属破壊における超音波放射))を高域成分と低域成分との２つに弁別する理由は、工具異常の発生により切削抵抗の異常な増大やびびり振動が引き起こされる場合、加工モニタリング信号においては、高域成分のみの増大、低域成分のみの増大、あるいは両方の増大という形で発現するので、これら相互の干渉を避け、閾値判定の精度を高めるためである。

工具異常監視装置３０は通信インターフェース１９，４１によってNC制御装置１５からNCプログラム１５に従って指令（指示）を受け取るが、このような構成をとる理由は、第一には後述する参照用の参照工具に一時交換して短時間加工する工作機械の動作と、参照用の参照工具による加工モニタリング信号を採取する異常監視機能の動作を連動させる手順をNCプログラム１６中に一元的に記述設定する必要があること、第二には必要な期間のみ異常監視させたりあるいは異常監視が難しい始動や停止の瞬間は監視しないといった選択的な動作を行なわせたり、閾値調整のパラメータをNCプログラム１６から渡して閾値を調整させたり、高域成分と低域成分とを分離するカットオフ周波数のパラメータをNCプログラム１６から渡すというような異常監視動作の制御を行なうためである。

閾値調整のパラメータの例としては、参照工具による参照用加工モニタリング信号から得た特徴量を何倍して閾値とするか、などがある。

また、通信インターフェース１９，４１を介しての通信例としては、NCプログラム１６中で変数に指示やパラメータを代入し、これを通信ソフトウェアを介して工具異常監装置３０が周期的に参照(ポーリング)することで値の変化を捕捉する方法があり、必要な通信ハードウェア、ソフトウェアは、公知のものを用いている。

図２は、図1のNC制御装置１５におけるNCプログラム１６のフローを示しており、以下、図２に従って工具異常監視を説明する。

加工例として、非量産部品の切削加工で、1品1品異なる加工部品を加工しなければならない例を挙げる。加工方法(旋削、フライス、穴明けなど)、センサの種類は問わない。

作業を開始すると、先ず、ステップ（以下、Ｓと略記）１で加工機本体１１に加工部品１２を装着する。そしてNC制御装置１５では、Ｓ２でNCプログラム１6の読込みを行なう。そして、Ｓ３で自動工具交換装置１７に対し加工機本体１１に参照工具１８を装着させる。

通常のNCプログラム１6の場合は、工具の選択と装着の命令文の後に、モータの回転数、工具の送り速度、および工具の移動経路(工具の移動により切削される)を指示する命令文が続くというブロックが複数集まった構成になっているが、本実施形態では工具異常監視を行なうので、閾値設定を自動でおこなう命令文ブロックが通常の加工の前に挿入され、通常の加工中にも、工具異常監視の開始、終了を指示する命令文が挿入される。

そこで、S４で通信インターフェース１９，４１を介してカットオフ周波数、閾値調整パラメータを工具異常監視装置３０へ指示することを行なう。工具異常監視装置３０側では、この指示に従って、S２１においてカットオフ周波数と閾値調整のパラメータの設定を行なう。

加工機本体１１に対しては、S５で加工諸元の設定と短時間加工の指示を出す。

加工機本体１１はＳ５での加工指示に従って加工を始めるので、Ｓ６で工具異常監視装置３０に通信インターフェース１９，４１を介して参照用の加工モニタリング信号採取開始の指示を出す。工具異常監視装置３０はこの指示に基づいて、S２２で参照用の加工モニタリング信号採取開始し、ＡＤ変換器３２を介して参照用の加工モニタリング信号採取を行ない（Ｓ７）、続くＳ２３で信号特徴量抽出装置３４の特徴量計算部３６で特徴量の抽出を行ない、閾値設定装置３７で閾値の設定を行なう。

ＮＣ制御装置１５は、閾値設定装置３７から閾値設定終了の報告が来ると、Ｓ８に進んで参照用加工モニタリング信号採取終了の指示を工具異常監視装置３０に通信インターフェース１９，４１を介して出し、工具異常監視装置３０はその指示に基づいてＳ２４で参照用加工モニタリング信号採取終了処理を行なう。

図2のNCプログラム6では、工具異常監視装置３０へ指示する命令文は、変数に値を代入し、工具異常監視装置３０が周期的に参照(ポーリング)することで値の変化を捕捉する方法を用いており、値が変化したタイミングが動作を開始するタイミングとなり、値の中身が動作の内容を制御する。

以上の処理で参照用加工モニタリング信号採取は完了するので、ＮＣ制御装置１５はＳ９で参照工具１８による加工は終了とし、Ｓ１０に進んで自動工具交換装置１７に対し加工機本体１１に本来の工具１３を装着させ、Ｓ１１で加工機本体１１に加工緒元の設定を加工開始の指示を出す。

すると、加工機本体１１は加工部品１２に対し加工を開始するので、ＮＣ制御装置１５はＳ１２に進んで工具異常監視装置３０に工具異常監視開始の指示を出す。

工具異常監視装置３０はその指示に基づいて、Ｓ３１で工具異常監視を開始し、ＡＤ変換器１４を介してＳ１３で加工モニタリング信号の採取を行い、Ｓ３２に進んで入手した加工モニタリング信号から特徴量計算部３６において特徴量の抽出をして、前以て設定した閾値を閾値設定装置３７から得て信号比較装置３８で特徴量と閾値の比較を行なう。

そして、特徴量が閾値を越えていれば工具に異常ありとして、Ｓ３３で異常検知ありを記憶する。加工機本体１１はＳ１４でNC制御装置１５から特徴量と閾値の比較結果を受けて異常検知信号があれば、異常有りとしてＳ１５に進み、機械を停止させる。

工具１３による所望の加工が終了する期間内に異常検知信号がなければ、ＮＣ制御装置１５はS１６に進んで、工具異常監視終了の指示を工具異常監視装置３０に出し、その指示に基づいて工具異常監視装置３０はS３４で工具１３の異常監視を終了し、加工終了とする。

このようにして工具異常監視装置３０を使用するよう記述されたNCプログラム１６により、加工部品１２は参照用の正常な参照工具により短時間加工された後、自動工具交換装置１７で異常監視対象である現在使用している本来の工具に交換が行なわれ、加工機本体１１において加工部品１２の加工と工具異常監視装置３０での工具異常監視が実行される。

以上説明したとおり、本実施形態では非量産部品でも加工中の工具異常監視ができ、工作機械の無人連続運転が可能である。無人連続運転は省人化による人件費低減、作業者待ちを無くし稼働率を向上する効果がある。

本発明の一実施形態になる工具異常監視システムの構成を示す図である。図１に示したＮＣ制御装置におけるNCプログラムによる工具異常監視のフロー図である。

符号の説明

１０‥NC工作機械
１１‥加工機本体
１２‥加工部品
１３‥工具
１３A‥予備工具
１４‥センサ
１５‥NC制御装置
１６‥NCプログラム
１７‥自動工具交換装置
１８‥参照工具
１９‥通信インターフェース
３０‥工具異常監視装置
３１‥監視器本体
３２‥ＡＤ変換器
３３‥記憶装置
３４‥信号特徴量抽出装置
３５‥デジタルフィルタ
３６‥特徴量計算部
３７‥閾値設定装置
３８‥信号比較装置
３９‥高域比較器
４０‥低域比較器
４１‥通信インターフェース

Claims

部品を加工する工作機械の工具にセンサを設け、該センサで得る加工モニタリング信号と参照用の加工モニタリング信号を比較して該工具の異常を監視するものにおいて、
部品の加工時間が該工具の寿命より長いものについて、参照用の加工モニタリング信号を得るために該工具と同種の工具を参照工具として用い、該工具による部品の加工に際し該参照工具により参照用の加工モニタリング信号を得ることを特徴とする工具異常監視方法。
部品を加工する工具にセンサが設けられた工作機械と、該工作機械で使用する工具の交換を行なう自動工具交換装置と、該工作機械および該自動工具交換装置に動作指令を出すＮＣ制御装置と、該工作機械の工具に設けられたセンサで得る加工モニタリング信号と参照用の加工モニタリング信号を比較して該工具の異常を監視する工具異常監視装置とを有する工具異常監視システムにおいて、
該ＮＣ制御装置は部品の加工時間が該工具の寿命より長いものについて、該自動工具交換装置に部品の加工を行なう工具と参照用の加工モニタリング信号を得るために該工具と同種の工具を参照工具として交換を行なう指示を出し、該工作機械に該工具による部品の加工に際し該参照工具による加工を行なう指示を出し、さらに該工具異常監視装置に該参照工具による加工中に参照用の加工モニタリング信号を得て記憶しておく指示と該工作機械が該工具による部品の加工中に該センサから加工モニタリング信号を得て該参照用の加工モニタリング信号と比較し工具の異常を監視する指示を出すようになされていることを特徴とする工具異常監視システム。
上記請求項２の工具異常監視システムにおいて、該工具異常監視装置は工具異常を検知してその旨を該ＮＣ制御装置に送るようになされており、該ＮＣ制御装置は該工具異常監視装置から工具異常の通知に基づいて該工作機械に該工具による部品の加工を停止する指示を出すようになされていることを特徴とする工具異常監視システム。