JP2010069540A - 穴あけ加工の異常検知装置および異常検知装置を備えた工作機械、異常検知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 回転工具における穴あけ加工において工具の振れ、加工穴の真円度を加工中に検出し得る異常検出装置、および当該異常検出装置を備えた工作機械を提供する。
【解決手段】 本発明では、回転工具による穴あけ加工においてワークに作用するラジアル方向の切削力を検出し、検出された切削力の周波数分析を行い、切削力の主軸回転数に相当する周波数成分および切削力の主軸回転数の刃数倍に相当する周波数成分を抽出する。抽出した切削力の主軸回転数に相当する周波数成分から工具の振れを算出し、また抽出した切削力の主軸回転数の刃数倍に相当する周波数成分から加工穴の真円度を算出する。算出された工具の振れを工具の振れのしきい値と比較し比較結果を出力し、また算出された加工穴の真円度を加工穴の真円度のしきい値と比較し比較結果を出力することにより、工具の振れおよび加工穴の真円度の悪化を異常として検知する。
【選択図】 図１

Description

本発明は回転工具による穴あけ加工における異常検知装置及び方法に関する。

工作機械において回転工具による切削加工を行う場合の異常を検知するため、種々の方法が提案されている。一つの方法としては、加工中に主軸にかかる負荷を検出し、検出された負荷が設定されたしきい値を超えた場合に異常信号を出力する方法であり、また他の方法として、工具ホルダと主軸の間にトルクセンサを設け、加工中に検出したトルクパターンと正常加工時のトルクパターンを比較することで工具の折損予知を行う方法が特開平６−１９８５４７号に記載されている。

さらに、加工中の切削力を検出し、検出された切削力を周波数分析して、切削力の周波数成分を用いて異常を検知する方法が特開平４−３７２３４１号に記載されている。また、特開平９−１７４３８３号にエンドミルの振れが切削力の主軸回転数の刃数倍に相当する周波数により検知できることが記載されている。

特開平６−１９８５４７号公報 特開平４−３７２３４１号公報 特開平９−１７４３８３号公報

ドリル・タップ・リーマ等の回転工具による穴あけ加工において、工具には工具の取り付け誤差や工具の形状誤差により振れが存在する。工具の振れが大きいと、工具が大きく偏心して回転するため加工穴の寸法精度が悪化し、また工具に大きな曲げの力がかかるため工具折損が発生する等不良の原因となる。そのため不良を未然に防止するために、工具取り付け時に工具の振れが大きい場合または加工中に工具の振れが大きくなった場合には工具の振れを修正することが望ましい。

また工具の振れや工具と下穴との位置誤差等により工具が振動し、加工穴入口付近の断面における真円度が大きくなると、工具は加工穴入口の断面形状に倣って動くため加工穴全体で真円度が大きくなる。さらに加工穴の真円度は工作機械の中で簡易に測定することが困難である。そのため、加工中に加工穴の真円度の悪化を判別できることが望ましい。

しかし、特許文献１や特許文献２に記載されている方法は工具の摩耗や折損にのみ着目したものであって、折損の要因となり得る工具の振れや加工精度の悪化等の異常を考慮するものではない。また、特許文献３にはエンドミルの振れについて切削力の主軸回転数の刃数倍に相当する周波数により検知できることが記載されているが、当該方法は穴あけ加工における工具の振れを検知し得るものではない。さらに工具の振れを検知する方法として直接工具の挙動をレーザ等で測定する方法があるが、当該方法で測定できるのは工具の根元部のみであり、実際にワークを加工している工具先端は根元部より大きく振れているため、工具先端部の工具の振れを検出することが困難である。

そのため本発明の目的は、穴あけ加工において加工中に工具の振れの悪化および加工穴の真円度の悪化を検知し得る回転切削工による穴あけ加工の異常検知装置および当該異常検知装置を備えた工作機械を提供することにある。

本発明では、回転工具による穴あけ加工においてワークに作用するラジアル方向の切削力を検出し、検出された切削力の周波数分析を行い、切削力の主軸回転数に相当する周波数成分および切削力の主軸回転数の刃数倍に相当する周波数成分を抽出する。抽出した切削力の主軸回転数に相当する周波数成分から回転工具の振れを算出し、また抽出した切削力の主軸回転数の刃数倍に相当する周波数成分から加工穴の真円度を算出する。算出された工具の振れを工具の振れのしきい値と比較し比較結果を出力し、また算出された加工穴の真円度を加工穴の真円度のしきい値と比較し比較結果を出力することにより、工具の振れおよび加工穴の真円度の悪化を異常として検知する。異常が検知された場合には工作機械の送りおよび主軸回転を停止し、警告を発する。また、加工中の当該比較結果をディスプレイに表示する。

本発明では、穴あけ加工において切削力の主軸回転数に相当する周波数成分から工具の振れを、切削力の主軸回転数の刃数倍に相当する周波数成分から加工穴の真円度を検出することで、加工中に工具の振れの悪化および加工穴の真円度の悪化を検知することができる。

以下、前記までの課題を解決する本発明の最良の形態である一実施例について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明装置の一実施例の概要を示す図である。

図１において、異常検知装置３はドリル・タップ・リーマ等の回転工具５による穴あけ加工において、加工対象であるワーク６に直接又はワーク６を載置する台などを介して間接的に取り付けられワーク６に作用する加工穴のラジアル方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）の切削力を検出する切削力検出部７と、検出した切削力を分析する周波数分析部８と、分析結果から演算を行う演算部９と、演算結果としきい値の比較を行う比較部１０と、回転工具５の主軸回転数と刃数としきい値とを記憶する記憶部１１とを備えており、また工作機械１は、工作機械１を制御するためのＮＣ(Numerical Control machining)制御部２と、前記異常検知装置３と、警告部４とを備えている。

回転工具５による穴あけ加工においてワーク６に作用するラジアル方向の切削力は切削力検出部７により検出され、検出された切削力信号は周波数分析部８により周波数分析される。演算部９では前記の周波数分析結果と、記憶部１１に記憶された回転工具５の主軸回転数および刃数とを用いて、切削力の主軸回転数に相当する周波数成分および切削力の主軸回転数の刃数倍に相当する周波数成分を抽出し、主軸回転数に相当する周波数成分から工具の振れを算出し、切削力の主軸回転数の刃数倍に相当する周波数成分から加工穴の真円度を算出する。比較部１０では算出された工具の振れと記憶部１１に記憶された工具の振れのしきい値とを比較し、比較結果を出力し、また算出された加工穴の真円度と記憶部１１に記憶されたしきい値を比較し、比較結果を出力する。

出力された前記２つの比較結果はＮＣ制御部２および警告部４に入力され、比較結果において工具の振れが工具の振れのしきい値を超えた場合、または加工穴の真円度が加工穴の真円度のしきい値を超えた場合にＮＣ制御部２は工作機械を停止させ、警告部４は警告を発し、異常が検知されたことを知らせる。

前記ラジアル方向の切削力としては、Ｘ軸方向切削力、またはＹ軸方向切削力、またはＸ軸方向切削力とＹ軸方向切削力の合力の何れかを用いれば良いが、ＸＹ平面上の全ての方向に対して工具の振れや加工穴の真円度を検知するためにはＸ軸方向切削力とＹ軸方向切削力の合力を用いることが望ましい。

警告部４は警告ランプおよび警告ブザーであって前記の異常が検知された場合に光と音で異常を知らせる。また、警告部４は前記工具の振れの比較結果および加工穴の真円度の比較結果を表示するディスプレイであっても良い。ここで警告部４が前記ディスプレイである場合、前記のＮＣ制御部２が工作機械を停止させる場合のみでなく、加工中常に工具の振れおよび加工穴の真円度の比較結果を表示しても良い。

切削力検出部７は例えば水晶式圧電素子を用いた力センサとアンプであって、当該力センサに直接または把持冶具を介してワークを取り付け、加工中ワークに切削力が作用すると前記圧電素子に力が負荷され、圧電効果により電圧が発生し、発生した電圧は前記アンプによって増幅し、切削力信号として出力される。

また、切削力検出部７の他の例としてワーク、またはワークを把持する冶具に歪みセンサを取り付け、加工中ワークに作用する切削力による歪みを検出し、歪みアンプで増幅し、切削力信号に変換して出力しても良い。

図２、図３、図４は、６枚刃のリーマにより主軸回転数８００ｍｉｎ−１、１回転当りの工具送り量０．１２ｍｍ／ｒｅｖ、取り代０．１ｍｍの条件で加工したときの切削力を周波数分析した結果を表す図である。図２は正常加工（工具の振れ：３．１μｍ、加工穴の真円度：３．７μｍ）の場合、図３は工具の振れが大きい（工具の振れ：１９．３μｍ）場合、図４は加工穴の真円度が大きい（加工穴の真円度：１０．４μｍ）場合のものである。

前記条件において主軸回転数に相当する周波数は１３．３Ｈｚであり、工具の振れが小さい図２においては１３．３Ｈｚの周波数成分は小さいが、工具の振れが大きい図３では１３．３Ｈｚの周波数成分に大きなピークが見られる。工具の振れがある場合は工具の中心と回転中心がずれており工具が偏心して回転するため、特定の刃が他の刃より大きな円弧上を動くため当該刃の切り取り量、穴壁面との摩擦が増加し、ラジアル方向の切削力の主軸回転数に相当する周波数成分が生じる。そのため、工具の振れが大きい場合は偏心量が大きく、ラジアル方向の切削力の主軸回転数に相当する周波数成分も大きくなり、前記のような傾向が得られる。

また主軸回転数の刃数倍に相当する周波数は８０Ｈｚであり、加工穴の真円度が小さい図２においては８０Ｈｚの周波数成分は小さいが、加工穴の真円度が大きい図４では８０Ｈｚの周波数成分に大きなピークが見られる。加工穴の真円度には工具の定常振動が関係しており、工具が回転中心の周りを主軸回転数の刃数倍の回転数で回転する場合に工具の各刃の軌道が一致し定常振動となる。そのため、定常振動の振幅が大きくなると加工穴の真円度およびラジアル方向の切削力の主軸回転数の刃数倍に相当する周波数成分が大きくなり、前記のような傾向が得られる。

図５は前記と同じ条件（主軸回転数８００ｍｉｎ−１、１回転当りの工具送り量０．１２ｍｍ／ｒｅｖ、取り代０．１ｍｍ）での穴あけ加工における工具の振れと切削力の主軸回転数に相当する周波数成分の平均電圧レベルＶｒとの関係を示したグラフである。グラフ上の直線は当該グラフのデータから最小二乗法により求めた直線である。ここで例えばＶｒが１５ｍＶを超える場合に工具の振れが７μｍを超えると判別できる。

また、図６は前記と同じ条件（主軸回転数８００ｍｉｎ−１、１回転当りの工具送り量０．１２ｍｍ／ｒｅｖ、取り代０．１ｍｍ）での穴あけ加工における加工穴の真円度と切削力の主軸回転数の刃数倍に相当する周波数成分の平均電圧レベルＶｃとの関係を示したグラフである。グラフ上の直線は当該グラフのデータから最小二乗法により求めた直線である。加工穴の真円度のしきい値は図面で指定されている真円度精度から設定されるべきであるが、ここで例えば加工穴の真円度のしきい値を１０μｍとすると、Ｖｃが０．２８ｍＶを超える場合に加工穴の真円度が１０μｍを超えると判別することができる。

次に図７のフローチャートを参照しながら本実施例の動作を説明する。

工作機械１において穴あけ加工が開始されると（ステップ701）、切削力検出部７においてラジアル方向の切削力が検出され（ステップ702）、当該切削力は周波数分析部８で周波数分析される（ステップ703）。

演算部７では周波数分析部８で周波数毎の周波数成分データに変換された切削力信号から主軸回転数に相当する周波数成分を抽出し（ステップ704）、当該周波数成分から工具の振れを算出する（ステップ705）。また、演算部７では周波数分析部８で周波数毎の周波数成分データに変換された切削力信号から主軸回転数の刃数倍に相当する周波数成分を抽出し（ステップ706）、当該周波数成分から加工穴の真円度を算出する（ステップ707）。

比較部８では算出された工具の振れと記憶部９に記憶された工具の振れのしきい値とを比較し（ステップ708）、工具の振れがしきい値を超えた場合は異常信号を出力する（ステップ710）。また、算出された加工穴の真円度は記憶部９に記憶された加工穴の真円度のしきい値と比較され（ステップ709）、加工穴の真円度がしきい値を超えた場合は異常信号を出力する（ステップ710）。異常信号が出力された場合、ＮＣ制御部２は工作機械１を停止し（ステップ711）、警告部４は警告を発し異常が発生したことを知らせる（ステップ712）。また、工具の振れ、加工穴の真円度が共にしきい値の範囲内であった場合は加工を継続し、穴あけ加工が終了するか（ステップ713,714）、異常により工作機械１が停止するまで上記のフローを繰り返す。

本発明の一実施例の構成を示すブロック図である。 正常状態での切削力信号の周波数スペクトル分布を示すグラフである。 工具の振れが大きい場合の切削力信号の周波数スペクトル分布を示すグラフである。 加工穴の真円度が大きい場合の切削力信号の周波数スペクトル分布を示すグラフである。 本発明の一実施例において工具の振れと切削力の主軸回転数に相当する周波数成分の平均電圧レベルとの関係を示すグラフである。 本発明の一実施例において加工穴の真円度と切削力の主軸回転数の刃数倍に相当する周波数成分の平均電圧レベルとの関係を示すグラフである。 本発明の一実施例における動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 工作機械
２ ＮＣ制御部
３ 異常検知装置
４ 警告部
５ 回転工具
６ ワーク
７ 切削力検出部
８ 周波数分析部
９ 演算部
１０ 比較部
１１ 記憶部

Claims (9)

1. 回転工具における穴あけ加工においてワークに作用する切削力を検出する切削力検出部と、
   前記検出した切削力の周波数分析を行う周波数分析部と、
   当該周波数分析結果から前記回転工具の主軸回転数に相当する周波数成分、および前記主軸回転数の刃数倍に相当する周波数成分を抽出し、前記抽出した切削力の主軸回転数に相当する周波数成分から前記回転工具の振れを算出し、また前記抽出した切削力の主軸回転数の刃数倍に相当する周波数成分から加工穴の真円度を算出する演算部と、
   前記回転工具の刃数と主軸回転数と工具の振れのしきい値と加工穴の真円度のしきい値とを記憶する記憶部と、
   前記算出された回転工具の振れと前記回転工具の振れのしきい値との比較結果を出力し、また前記算出された加工穴の真円度と前記加工穴の真円度のしきい値との比較結果を出力する比較部とを備えたことを特徴とする異常検知装置。
2. 請求項１記載の異常検知装置において、
   前記切削力検出部が水晶圧電式力センサであることを特徴とする異常検知装置。
3. 請求項１記載の異常検出装置において、
   前記切削力検出部は、前記ワークに直接または間接的に取り付けられることを特徴とする異常検出装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の異常検知装置において、
   前記切削力検出部は、前記ワークに作用するラジアル方向の切削力を検出することを特徴とする異常検出装置。
5. 回転工具における穴あけ加工においてワークに作用する切削力を検出する切削力検出部と、
   前記検出した切削力の周波数分析を行う周波数分析部と、
   当該周波数分析結果から前記回転工具の主軸回転数に相当する周波数成分、および主軸回転数の刃数倍に相当する周波数成分を抽出し、抽出した切削力の主軸回転数に相当する周波数成分から工具の振れを算出し、また抽出した切削力の主軸回転数の刃数倍に相当する周波数成分から加工穴の真円度を算出する演算部と、
   前記回転工具の刃数と主軸回転数と工具の振れのしきい値と加工穴の真円度のしきい値を記憶する記憶部と、
   前記算出された回転工具の振れと前記回転工具の振れのしきい値との比較結果を出力し、また前記算出された加工穴の真円度と前記加工穴の真円度のしきい値との比較結果を出力する比較部と、
   当該比較結果に基づき工作機械を制御するＮＣ制御部と、
   当該比較結果に基づき警告を発する警告部とを備えたことを特徴とする工作機械。
6. 請求項５記載の工作機械において、前記警告部は穴あけ加工中の工具の振れと加工穴の真円度を表示するディスプレイであることを特徴とする工作機械。
7. 回転工具における穴あけ加工においてワークに作用する切削力を検出する切削力検出ステップと、
   前記検出した切削力の周波数分析を行う周波数分析ステップと、
   当該周波数分析結果から前記回転工具の主軸回転数に相当する周波数成分、および前記主軸回転数の刃数倍に相当する周波数成分を抽出し、前記抽出した切削力の主軸回転数に相当する周波数成分から工具の振れを算出し、また前記抽出した切削力の主軸回転数の刃数倍に相当する周波数成分から加工穴の真円度を算出する演算ステップと、
   前記算出された工具の振れと前記算出された加工穴の真円度とに基づいて出力を行う出力ステップとを含むことを特徴とする異常検知方法。
8. 請求項７において、
   前記出力ステップでは、前記算出された工具の振れと工具の振れのしきい値との比較結果を出力し、また前記算出された加工穴の真円度と加工穴の真円度のしきい値との比較結果を出力することを特徴とする異常検知方法。
9. 請求項７または請求項８において、
   前記切削力検出ステップでは、前記ワークに作用するラジアル方向の切削力を検出することを特徴とする異常検出方法。

Images