JP2016182650A

JP2016182650A - 破損防止システム、砥石

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Publication number: JP2016182650A
Application number: JP2015064049A
Authority: JP
Inventors: 美星濱田; Mihoshi Hamada; 直小寺; Sunao Kodera
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-03-26
Filing date: 2015-03-26
Publication date: 2016-10-20
Anticipated expiration: 2035-03-26
Also published as: JP6314885B2

Abstract

【課題】研削加工時に使用する複数枚の焼結砥粒層チップを有する砥石は、加工異常が発生した際に瞬時に砥粒層チップ全てが破損する場合が多い。この際、砥粒層チップの強度が弱いため、切削負荷に顕著な変化が認められず、加工異常が検出されない。
【解決手段】先端に砥石を具え、被加工物を切削加工する工具を軸中心に回転させるモータに流れる電流値を測定する電流計測装置と、切削加工中に前記被加工物にかかる加工反力を計測する加工反力計測装置と、切削パラメータを入力し、切削加工中の単位時間当たりの切削量を算出する切削シミュレーションと、電流計測装置が出力する電流値と、加工反力計測装置が出力する加工反力と、切削シミュレーションが出力する切削シミュレーションの結果を入力し、切削加工の加工異常の有無を検知する信号処理装置とを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、複数枚の焼結砥粒層チップを有する砥石(以下、多層砥石)により、砥粒層チップより強度が高い素材を研削加工する際に、砥石の破損や摩耗による加工異常を検知し、加工を停止または補正することが可能な破損防止システムに関するものである。

研削加工では、砥石を使用し被加工物を加工する。加工中の被加工物の大規模破損防止対策としては主軸のモータ電流の切削負荷を計測、閾値を超えた際に工具異常を検出するシステムがある（例えば、特許文献１参照)。

また、砥石は加工中に摩耗するため、ドレス直後の砥石面とワーク加工毎の砥石摩耗量を比較、位置補正を実施する砥石摩耗補正装置がある(例えば、特許文献２参照)。

特開２００３−３２６４３８号公報特開昭５１−１４０２９４号公報

しかしながら、研削加工時に使用する多層砥石は、加工異常が発生した際に瞬時に砥粒層チップ全てが破損する場合が多い。この際、砥粒層チップの強度が素材よりも低いため、破損しても切削負荷に顕著な変化が認められず、また素材との接触がなくなるため切削負荷は初期値まで低下するが、従来からの上限閾値による工具異常判断では切削負荷の低下による加工異常が検出されないという課題があった。そのため、加工異常が検出されるタイミングは多層砥石の台金が被加工物と接触した時であり、製品が破損した後となるという課題があった。

また、多層砥石を用いた長時間の連続加工では、累積加工体積の増加に伴い、２次曲線的に砥石摩耗量が増加するため、一回の加工では要求寸法精度を満足できず、追加工が必要となる。長時間の加工の場合、偏摩耗等により砥石の摩耗量を正確に計測することは困難であるという課題があった。

この発明は、上記課題を解決するためのもので、加工異常を判断する項目として、加工時の加工反力値および主軸電流値の単位時間当たりの上昇量および各加工工程による予測加工負荷を設定することで、製品破損前に加工異常の検出を可能とすることを目的とする。

この発明に係る破損防止システムは、先端に砥石を具え、被加工物を切削加工する工具を軸中心に回転させるモータに流れる電流値を測定する電流計測装置と、切削加工中に前記被加工物にかかる加工反力を計測する加工反力計測装置と、切削パラメータを入力し、切削加工中の単位時間当たりの切削量を算出する切削シミュレーションと、前記電流計測装置が出力する電流値と、前記加工反力計測装置が出力する加工反力と、前記切削シミュレーションが出力する切削シミュレーションの結果を入力し、前記切削加工の加工異常の有無を検知する信号処理装置とを備える。

この発明に係る破損防止システムによれば、被加工物である製品が破損する前に、研削加工の異常を検出することが可能となり、製品の破損を防止することができる。

この発明の実施の形態１に係る破損防止システムの構成図である。この発明の実施の形態１に係る破損防止システムの動作を説明するフローチャート図である。この発明の実施の形態１に係る切削シミュレーションの概要を説明する図である。（ａ）この発明の実施の形態１に係る破損防止システムの加工異常時のモニタリング値の変動を説明する図である。（ｂ）切削シミュレーションによる加工負荷の経時変動を示した図である。この発明の実施の形態２に係る破損防止用砥石の概要を説明する図である。この発明の実施の形態３に係る破損防止システムのこの発明の実施の形態３に係る破損防止システムの砥石摩耗自動補正を説明するフローチャート図である。

実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る破損防止システムの概要図である。図２はシステム動作時のフローチャートである。図４は過去異常時の主軸モータおよび加工反力値の変化を示す図である。

図１において、加工工具４はホルダ５に取り付けられた後、切削加工を行う主軸６に取りつけられる。この主軸６は主軸モータ７により駆動、回転する。加工機テーブル１には加工反力検出テーブル２が設置されており、被加工物３は加工反力テーブル２に設置される。加工工具４は回転しながら被加工物３を加工するものである。
破損防止システム８は、主軸モータ７に流れる電流値を測定する電流計測装置９と、加工中に製品にかかる負荷を計測する加工反力計測装置１０と、電流計測装置９や加工反力計測装置１０からの出力値と、設定した単位時間あたりの数値上昇量もしくはＮＣ（numerically controlled）プログラムの加工時と無負荷時を区別可能な手段(以下、切削シミュレーション)１２との加工比較により、加工停止信号を出力する信号処理装置１１で構成されている。
さらに、加工停止信号を受信して加工工具４および加工機テーブル１を停止するＮＣ装置１３を備える。

次に、図２のフローチャートを用いて破損防止システムの動作について説明する。

まず、加工開始前に破損防止システムに、加工異常発生有無を判断するための閾値を設定する。閾値は（１）加工時の主軸電流値および加工反力値（以下、モニタリング値）の上限値、（２）単位時間当たりのモニタリング値の上昇量、（３）空運転時のモニタリング値の初期値である。（１）の上限値および（２）単位時間当たりの上昇量については事前の加工実験などにより得られた実験値または過去の加工異常時の実績値を設定する。また、（３）モニタリング初期値については、加工実施前に空運転を実施、出力された値を用いる。

加工開始後、電流計測装置９と加工反力計測装置１０によって計測された値をシステム上で記録する（Ｓ１０１）と同時に、閾値として設定したモニタリング値の上限値との比較を実施する（Ｓ１０２）。
リアルタイムのモニタリング値（計測値）が閾値（上限値）未満である場合は、加工を継続する（Ｓ１０３）。
一方、加工を継続し、リアルタイムのモニタリング値（計測値）が閾値（上限値）以上となった場合に、加工異常と判断し、信号処理装置１１から加工停止の信号をＮＣ装置１３に出力し、ＮＣ装置１３は加工工具４および加工機テーブル１の加工動作を停止する（Ｓ１０４）。

また、破損防止システム上においてリアルタイムのモニタリング値から単位時間あたりのモニタリング値上昇量を算出し、加工前に設定した閾値と比較する（Ｓ１０５）。
算出した上昇量（算出値）が予め定めた閾値未満である場合は、加工を継続する（Ｓ１０６）。
一方、算出した上昇量（算出値）が閾値以上となった場合に、加工異常と判断し、信号処理装置１１から加工停止の信号をＮＣ装置１３に出力し、ＮＣ装置１３は加工工具４および加工機テーブル１の加工動作を停止する（Ｓ１０４）。

また、切削シミュレーション１２を加工開始と同時にスタートする（Ｓ１０７）。破損防止システムは加工開始時の初期値とリアルタイムでのモニタリング値、そして切削シミュレーション１２による加工負荷との比較を実施する（Ｓ１０８）。

図３は、実施の形態１に係る切削シミュレーション１２の概要を説明する図である。
切削シミュレーション１２は、図３に示すように、加工するモデルと作成した加工プログラムを入力する（Ｓ２０１）ことで、加工プログラム内に設定されている軸切込み量、半径切込み量、送り速度から加工時の単位時間当たりの切削量を算出・出力するものである（Ｓ２０２、Ｓ２０３）。

この切削シミュレーション１２から出力された挙動とリアルタイムでのモニタリング値の挙動を比較する（Ｓ１０８）。
図４は、実施の形態１に係る破損防止システムの加工異常時のモニタリング値の変動を説明する図である。
図４において、上段のグラフ（ａ）は、電流計測装置９や加工反力計測装置１０が出力する加工反力（加工負荷）のリアルタイムでのモニタリング値を示した一例であり、下段のグラフ（ｂ）は、切削シミュレーション１２による加工時間に対する加工負荷の変動をシミュレーションした結果の一例である。

図４（ａ）に示したリアルタイムのモニタリング値の例が示すように、電流計測装置９や加工反力計測装置１０によるモニタリング値は、加工開始直後に上昇した後はほぼ一定の値を示す。
その後加工を継続し、砥粒層チップが破壊されるに至ると、砥粒層チップの強度が素材よりも低いため、破損しても切削負荷に顕著な変化が認められず、また素材との接触がなくなるため切削負荷は初期値まで低下する。その後、しばらくの間、素材との接触がない時間が続いた後、多層砥石の台金が被加工物と接触し、モニタリング値は急激に上昇する。

本実施の形態に係る破損防止システムでは、信号処理装置１１は、図４（ａ）の計測器によるリアルタイムのモニタリング値と、図４（ｂ）の切削シミュレーション１２による加工時間に対する加工負荷の変動とを比較し、差分を検出する。そして、その差分が所定の閾値より大きくなる、すなわち、モニタリング値が切削シミュレーションの値よりも小さくなる時間が所定の時間継続したときに、切削シミュレーションとの不一致が生じたとして、加工異常と判断し、信号処理装置１１から加工停止の信号をＮＣ装置１３に出力し、ＮＣ装置１３は加工工具４および加工機テーブル１の加工動作を停止する（Ｓ１０４）。
図４（ａ）の例では、シミュレーションとの差を検出し、当該差が所定の時間継続したＡの矢印のタイミングで加工異常と判断し、信号処理装置１１から加工停止の信号をＮＣ装置１３に出力し、ＮＣ装置１３は加工工具４および加工機テーブル１の加工動作を停止する（Ｓ１０４）。

なお、差分が所定の閾値より大きくなる、すなわち、モニタリング値が切削シミュレーションの値よりも小さくなった瞬間に加工動作を停止することも可能であるが、モニタリング値のばらつきを検出して誤停止する場合もある。そのため、本実施の形態では、モニタリング値が切削シミュレーションの値よりも小さくなる時間が所定の時間継続したときに、切削シミュレーションとの不一致が生じたとして、加工異常と判断している。

シミュレーションでの加工負荷との比較（Ｓ１０８）により、一致と判断される場合は加工異常は無いとして加工を継続する（Ｓ１０９）。

このように本実施の形態に係る破損防止システム８は、主軸モータ７に流れる電流値を測定する電流計測装置９と、加工中に製品にかかる負荷を計測する加工反力計測装置１０と、加工するモデルと作成した加工プログラムを入力することで、加工プログラム内に設定されている軸切込み量、半径切込み量、送り速度から加工時の単位時間当たりの切削量を算出・出力する切削シミュレーション１２と、これらの電流計測装置９と加工反力計測装置１０と切削シミュレーション１２から信号を入力して加工異常の有無を判断する信号処理装置１１を備える。
信号処理装置１１はリアルタイムのモニタリング値、すなわち、電流計測装置９が出力する加工時の主軸電流値および加工反力計測装置１０が出力する加工反力値を予め定めた各々の上限閾値と比較し、上限閾値未満のときは加工を継続し、上限閾値以上となったときは加工異常が発生したと判断して、加工を停止する。
また、信号処理装置１１は、リアルタイムのモニタリング値、すなわち、電流計測装置９が出力する加工時の主軸電流値および加工反力計測装置１０が出力する加工反力値の単位時間当たりの上昇量を算出し、各々の上昇量のいずれも、予め定めた閾値未満のときは加工を継続し、閾値以上となったときは加工異常が発生したと判断して、加工を停止する。
また、信号処理装置１１は切削シミュレーション１２が出力する加工負荷と、リアルタイムのモニタリング値、すなわち、電流計測装置９が出力する加工時の主軸電流値および加工反力計測装置１０が出力する加工反力値を、加工開始時間から比較し、シミュレーションとの差異を検出する。具体的には、モニタリング値が切削シミュレーションの値よりも小さくなるか否かを検出する。そして、信号処理装置１１は、モニタリング値が切削シミュレーションの値よりも小さくなる時間が所定の時間継続したときに、切削シミュレーションとの不一致が生じたとして、加工異常が発生したと判断して、加工を停止する。

このように、本実施の形態に係る破損防止システムの信号処理装置１１は上記３つの処理を同時並行して処理し、いずれかが規定を外れる場合は加工異常が発生したと判断して加工を停止するようにしたので、装置の加工異常の有無をより正確に、かつリアルタイムに判断して、被加工物を破損することを防止できる。

実施の形態２．
実施の形態１に係る破損防止システムでは、装置の加工異常の未然防止を検出できるようなシステムを構築しているが、被加工物の素材の形状や使用する加工工具によっては予測することが難しくなる場合もあり得る。そこで本実施の形態では、破損防止をより確実に行うことができる砥石について説明する。

図５は、本実施の形態に係る破損防止用砥石の概要を説明する図である。
図５において、破損防止用砥石４０は被加工物を加工するための砥粒層チップ４０１と、砥粒層チップを固定するための台金４０２と、台金４０２の底面部に形成された砥粒４０３と、結合層４０４から構成される。

砥粒４０３および結合層４０４からなる砥粒層４１０は、被加工物を加工する用途ではなく、砥粒層チップが破損あるいは台金と被加工物が接触した場合に、モニタリング値を上昇させ異常を検出する目的のものである。
砥粒４０３は、砥粒層チップ４０１よりも粒径を小さく、もしくは砥粒層４１０中の砥粒密度を大きくすることで平均砥粒間隔を小さくし、砥粒１粒あたりの加工応力を増加させず、加工総負荷のみ大きくなるようにすることで、モニタリング値を通常加工時よりも増加するようにさせる。

このように、実施の形態２に係る破損防止システムでは、砥石として破損防止用砥石４０を用いるようにした。
破損防止用砥石４０は、被加工物を加工するための砥粒層チップ４０１と、砥粒層チップを固定するための台金４０２と、台金４０２の底面部に形成された砥粒４０３と、結合層４０４から構成され、台金４０２の端部に設けられた砥粒層チップ４０１の内側の台金４０２底面部分に、砥粒４０３および結合層４０４からなる砥粒層４１０を設けた。
砥粒４０３は、砥粒層チップ４０１よりも粒径を小さく、もしくは砥粒層４１０中の砥粒密度を大きくすることで平均砥粒間隔を小さくする。これにより、砥粒１粒あたりの加工応力を増加させず、加工総負荷のみ大きくすることができる。

この破損防止用砥石４０を用いることにより、被加工物の素材の形状や使用する加工工具によって被加工物の破損防止を予測することが難しい場合で、加工異常が発生した際に瞬時に砥粒層チップ４０１の全てが破損した場合であっても、台金４０２の底面部に形成された砥粒４０３と結合層４０４からなる砥粒層４１０が被加工物に当たり、しばらくの間は加工を継続するので、従来のように、被加工物である製品が破損することを防止することができる。

実施の形態３．
実施の形態１、２では、砥粒層チップ４０１の全てが破損した場合において、被加工物である製品が破損することを防止する破損防止システムについて説明したが、実施の形態３では、工具が摩耗することによる製品不良の対策について説明する。

図６は、実施の形態３に係る破損防止システムにおいて、工具が摩耗していた場合の信号出力タイミングについて説明する図である。図７は、実施の形態３に係る破損防止システムの砥石摩耗自動補正を説明するフローチャート図である。

以下、図１の破損防止システムの構成において、図６、図７で説明するように工具が垂直方向に進む場合の加工を例として、本破損防止システムの動作を説明する。

まず、図６（ａ）に示すように、加工工具４はＮＣ装置１３の指示により、加工面から距離Ｘだけ離れた所定の位置から被加工物３の加工を開始する。この際、リアルタイムのモニタリング値の計測を実施し、初期値からの上昇量を算出する（図７のＳ３０１）。そして、上昇量が一定の値に達した時点を加工工具４と被加工物３が接触した瞬間として信号処理装置１１からＮＣ装置１３に信号を出力する（Ｓ３０２）。

ＮＣ装置１３は信号処理装置１１からの信号を受信した時点での被加工物３表面からの切込み量を記録する。工具摩耗が無い場合は、信号を受信した時点での切込み量はゼロであるが、摩耗が生じていた場合、図６（ｂ）に示すように加工開始の時点で加工工具４は被加工物３から距離Ｘ’だけ離れていることになる。
そのため、加工工具４と被加工物３が接触した時には既に（Ｘ’-Ｘ）分だけ切り込んでいることになる。ここで記録される切込み量（Ｘ’-Ｘ）は砥石摩耗によって狙いの加工が出来なかった量であり、砥石の摩耗量に等しい。このようにして、信号を受信した時点での切込み量（摩耗量）をＮＣ装置で算出することができる（Ｓ３０３）。

なお、切込み量はＮＣ装置１３にて記録している、プログラム上の接触タイミングと実際の接触によって信号が出力された時点までの加工時間および送り速度から算出することができる。

前工程の加工完了（Ｓ３０４）後、次工程の加工にて加工工具４が被加工物３に切り込む前に、ＮＣ処理装置１３上で算出した摩耗量分に対して工具長および工具径補正を実施し、加工を実施することで、大幅に寸法不良が発生することを防止することが可能となる（Ｓ３０５）。

このように、本実施の形態に係る破損防止システムによれば、砥石の摩耗量を正確に算出することができ、算出した摩耗量に対して工具長および工具径を補正することができるので、加工後の寸法不良の発生を抑えることができる。

１加工機テーブル、２加工反力テーブル、３被加工物、４加工工具、５ホルダ、６主軸、７主軸モータ、８製品不良防止システム、９電流計測装置、１０加工反力計測装置、１１信号処理装置、１２切削シミュレーション（ＮＣプログラムの加工時と無負荷時を区別可能な手段）、１３ＮＣ装置、４０破損防止用砥石、４０１砥粒層チップ、４０２台金、４０３砥粒、４０４結合層、４１０砥粒層

Claims

先端に砥石を具え、被加工物を切削加工する工具を軸中心に回転させるモータに流れる電流値を測定する電流計測装置と、
切削加工中に前記被加工物にかかる加工反力を計測する加工反力計測装置と、
切削パラメータを入力し、切削加工中の単位時間当たりの切削量を算出する切削シミュレーションと、
前記電流計測装置が出力する電流値と、前記加工反力計測装置が出力する加工反力と、前記切削シミュレーションが出力する切削シミュレーションの結果を入力し、前記切削加工の加工異常の有無を検知する信号処理装置と、
を備えることを特徴とする破損防止システム。
前記信号処理装置は、前記電流計測装置が出力する電流値と予め定めた閾値との比較と、前記加工反力計測装置が出力する加工反力と予め定めた閾値との比較により、加工異常の有無を検知することを特徴とする請求項１記載の破損防止システム。
前記信号処理装置は、前記電流値と前記加工反力の経時変化と、前記切削シミュレーションの結果を比較し、前記電流値と前記加工反力と、各々の前記切削シミュレーションの結果との差分が予め定めた閾値より大きい時間が所定の時間以上継続したときに、加工異常が発生したと判断することを特徴とする請求項２記載の破損防止システム。
前記砥石は、被加工物を加工する砥粒層チップと、前記砥粒層チップを固定する台金を備え、
前記台金の底面で前記砥粒層チップの内側には、前記砥粒層チップより粒径が小さい砥粒、あるいは、前記砥粒層チップより砥粒密度が大きい砥粒が付されていることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の破損防止システム。
被加工物を加工する砥粒層チップと、前記砥粒層チップを固定する台金からなる砥石であって、
前記台金の底面で前記砥粒層チップの内側には、前記砥粒層チップより粒径が小さい砥粒、あるいは、前記砥粒層チップより砥粒密度が大きい砥粒が付されていることを特徴とする砥石。