JP2017024112A

JP2017024112A - 工作機械の工具状態判定装置

Info

Publication number: JP2017024112A
Application number: JP2015144205A
Authority: JP
Inventors: 知治安藤; Tomoharu Ando
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2015-07-21
Filing date: 2015-07-21
Publication date: 2017-02-02
Anticipated expiration: 2035-07-21
Also published as: JP6637689B2

Abstract

【課題】予め加工負荷等の事前データを用意する必要がなく、工具の状態を簡単に把握できるようにする。【解決手段】工作機械のＮＣ装置１１は、工具状態判定装置として、主軸の負荷を検出する主軸負荷検出部１７と、主軸負荷検出部１７で検出した主軸負荷の平均値と回転周波数成分とを抽出する主軸負荷処理部１８と、同一の加工条件において主軸負荷処理部１８で抽出された主軸負荷の平均値と回転周波数成分とを記憶する記憶部１９と、記憶部１９に記憶された主軸負荷の平均値が増加し、且つ回転周波数成分が一定となった場合に工具摩耗と判定する摩耗判定部２０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、主軸に装着した工具を回転させながらワークの加工を行う工作機械において、工具の状態を判定する工具状態判定装置に関するものである。

工具を回転させてワークを切削加工する工作機械において、工具に損傷が生じると、ワークを希望通りの形状に加工できない加工不具合が発生する。加えて、工具の損傷によりワークが除去できない状況で送り軸が動作し続けると、工具とワークとが衝突する状況になり、機械が損傷を受けることになる。このため工具の状態を最も表していると考えられる主軸モータの負荷をＮＣ装置のモニタに表示し、機械オペレータが切削状態の良否を判断したり、機械が主軸負荷を監視して送り軸を停止するなどといったことが一般的に行われている。
例えば特許文献１には、主軸モータの負荷を表示装置にアナログ表示する際に、負荷値に応じて特定の領域に色分けして棒グラフで表示する方法が開示されている。これにより負荷の状態を色で直感的に把握できる。特許文献２には、切削動力計で加工負荷の平均値を求め、負荷変動の許容幅を設定して許容幅を越える場合は異常信号を出力する工具寿命予知装置が開示されている。この異常信号の出力個数から、加工負荷の顕著な変化の有無が判断できる。特許文献３には、主軸モータの負荷電流値の加減速時の電流を差し引いた値の平均値で工具摩耗の判定を行う負荷監視方法が示されている。ここでは電流値の上下限を設け、この値と比較することで異常を判断してモニタにメッセージを出力するようにしている。

特開昭５８−１２０４５５号公報特開平５−３２９７４８号公報特開平７−２４６９４号公報

特許文献１の主軸モータの負荷表示では、負荷値の大きさが色で判断できるという利点はあるが、色と工具の状態との関連性は無い。このため、どの色で工具が損傷するのかを予め知っておく必要がある。また、一般的に主軸負荷は主軸の加減速時や加工における瞬間的な負荷上昇などによりばたつきがある。一方で、工具状態の変化が主軸モータの負荷に与える変化量は微小であることもあるため、棒グラフで読み取るのは難しい。
また、特許文献２では、工具が異常であると判断するために負荷変動を予め設定しておく必要があるが、例えば初品の加工ではその値を設定することは難しい。特許文献３も特許文献２と同様で、異常と判断するための電流値を予め設定する必要がある。

そこで、本発明は、予め加工負荷等の事前データを用意する必要がなく、工具の状態を簡単に把握できる工作機械の工具状態判定装置を提供することを目的としたものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、複数の刃を備える工具を主軸に装着し、前記主軸と共に前記工具を回転させてワークの加工を行う工作機械において、前記工具の状態を判定するための工具状態判定装置であって、
前記主軸の負荷を検出する主軸負荷検出手段と、
前記主軸負荷検出手段で検出した主軸負荷の平均値と回転周波数成分とを抽出する主軸負荷処理手段と、
同一の加工条件において前記主軸負荷処理手段で抽出された前記主軸負荷の平均値と回転周波数成分とを記憶する記憶手段と、
前記記憶手段に記憶された前記主軸負荷の平均値が増加し、且つ前記主軸負荷の回転周波数成分が一定となった場合に工具摩耗と判定する判定手段と、を備えることを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１の構成において、前記判定手段は、前記主軸負荷の平均値が増加し、且つ前記主軸負荷の回転周波数成分が減少した後に一定となった場合に工具摩耗と判定することを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２の構成において、加工プログラム中に記述された主軸負荷算出指令及び当該主軸負荷算出指令を実行する機械位置を読み取るプログラム解釈手段を備え、前記主軸負荷処理手段は、前記プログラム解釈手段で解釈された前記主軸負荷算出指令に基づいて前記主軸負荷の平均値及び回転周波数成分の抽出を行うことを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れかの構成において、前記判定手段による判定結果を報知する報知手段を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、主軸負荷の平均値の増加及び回転周波数成分の一定化とを工具の摩耗とみなして判定するので、予め加工負荷等の事前データを用意する必要がなく、工具の状態を簡単に把握できる。
特に請求項３の発明によれば、加工プログラム中に主軸負荷を計測して所定の機械座標で平均値及び回転周波数成分を自動的に抽出するので、例えば量産加工のような大量のワークを同じプログラムで加工する場合、常に同じ加工位置での主軸負荷の計測が可能となる。また、加工位置を指定することで、例えば工具がワークに進入する際の不安定な主軸負荷の計測を避けることができる。

工作機械のブロック構成図である。エンドミルによる溝加工の断面図である。正常工具における主軸負荷の時間経過のイメージ図である。振れのある工具における主軸負荷の時間経過のイメージ図である。工具摩耗の進行で上昇した主軸負荷の平均値と減少した回転周波数成分とのイメージ図である。主軸負荷の平均値及び回転周波数成分の実測値を工具摩耗状態で整理した説明図である。工具状態モニタ画面の説明図である。工具状態を判定するまでの計算処理のフローチャートである。工具状態を表示するためのプログラム例の説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、工作機械の一例を示すブロック構成図である。工作機械の主軸ハウジング１には、主軸モータ２で回転可能な主軸６が備えられ、主軸６の先端には工具３が取り付けられる。テーブル５の上にはワーク４が固定され、テーブル５を移動させることで工具３とワーク４とを相対的に移動させてワーク４の加工が行われる。
１１は、工作機械を制御するＮＣ装置で、ＮＣ装置１１は、記憶されているＮＣプログラム１２で機械を動作させてワーク４の加工を行うと共に、本発明の工具状態判定装置としての機能も備える。

ＮＣ装置１１において、ＮＣプログラム１２は、プログラム解釈手段としてのプログラム解釈部１３で実行処理が行われて機械制御命令が解釈され、主軸６やテーブル５の送り軸を制御する送り軸制御部１５に対する目標位置指令および送り速度指令を関数発生部１４に受け渡すとともに、主軸６を制御する主軸制御部１６に対して回転速度の指令を出力する。
１７は、主軸負荷検出手段としての主軸負荷検出部で、この主軸負荷検出部１７は、主軸制御部１６に接続され、主軸モータ２の所要電力または所要トルクに相当する負荷信号を回転周波数と併せて検出する。

１８は、主軸負荷処理手段としての主軸負荷処理部で、この主軸負荷処理部１８では、主軸負荷検出部１７で検出した負荷信号と回転周波数とに基づいて、任意の主軸回転回数分における主軸負荷の平均値と回転周波数成分との抽出処理を行う。なお、ＮＣプログラム１２に、主軸負荷処理部１８における任意の主軸回転回数分における主軸負荷の平均値と回転周波数成分との抽出処理を実行する指令が記述されていた場合、プログラム解釈部１３より主軸負荷処理部１８へ抽出処理を行うよう指令が出される。主軸負荷処理部１８で算出（抽出）された主軸負荷の平均値及び回転周波数成分の値は記憶手段としての記憶部１９に記録される。
２０は、判定手段としての摩耗判定部で、この摩耗判定部２０では、主軸負荷の平均値が増加し、且つ主軸負荷の回転周波数成分が一定となった場合を工具摩耗と判定して記憶部１９に記録し、記録結果を報知手段としての表示画面２１に表示する。

ここで、加工で生じる主軸負荷について、図２〜６を用いて説明する。図２は工具３を２刃のエンドミルとして溝加工を行う模式図である。主軸６に取り付けられたエンドミルは、ワーク４が乗ったテーブル５を動作させることで回転しながら図２の送り方向に移動するため、ワークにはエンドミル径の溝が加工される。エンドミルの刃が２枚であり主軸６の回転中心に対し刃の形状が均等であれば、主軸６が１回転する間に主軸負荷には２回の等しい増減が生じることになる（図３）。
しかし、実際には主軸６の回転中心とエンドミルの中心とにはズレがあるため、主軸６の回転に対してエンドミルには振れ回りが発生する。このため、図２のように２刃の場合は１枚で切り取り量が減り、逆にもう１刃では切り取り量が増えて図４のように回転周波数成分の波形となる。加工により刃の摩耗が進むと、図５に点線で示すように負荷が上昇する一方で、多く切り取っていた刃の摩耗が進行することで、エンドミルの主軸中心に対する振れが減少する。結果として各切れ刃で生じる主軸負荷が近づくため、回転周波数成分の負荷は減少して平均化に近づく。

図６は、実際の加工における主軸負荷の平均値と、回転周波数成分の負荷の値とを、同一のワーク部位を加工する毎にプロットしたグラフである。縦軸は主軸負荷（回転周波数成分の負荷、平均負荷）、横軸は工具の摩耗の進行度合であって数値が大きいほど摩耗が進行していることを表している。
この図から、主軸負荷の平均値は摩耗が進行するに従って上昇していくが、回転周波数成分の負荷は摩耗の度合いが減少した後、３を越えたところで一定となる。ここで、横軸４という値は摩耗が進行しチッピングしている状態で、工具の使用限界にあたる。よって、主軸負荷の平均値が上昇し、回転周波数成分の負荷が一定となる条件が工具寿命の目安となる。なお、主軸の回転中心とエンドミルの中心との微小なズレは、主軸、工具ホルダ、エンドミルの個体差によって変わることが考えられる。しかし、同じ種類のものを選択する限り、ズレ量はある範囲内で生じるものであるから、回転周波数成分の負荷が一定となる条件は工具寿命の目安と言える。

従って、表示画面２１への工具状態モニタ画面は、図６のグラフに基づいて例えば図７のように表示することができる。図７において、上下段の２つのグラフは、上段が主軸負荷の平均値を、下段が負荷変動（回転周波数成分の負荷）をそれぞれ表している。ここでは主軸負荷の平均値が増加し、４回目と５回目の測定回数で負荷変動が一定となっているため、右上で工具状態は「摩耗」と判定表示されている。
表示画面２１はタッチパネルとなっており、その下部には、任意のタイミングでの押し操作によって主軸負荷を測定、記憶して主軸負荷をグラフ上にプロットする「測定」ボタンと、押し操作によって表示されている主軸負荷を消去するための「クリア」ボタンとが設けられている。

次に、主軸負荷処理部１８及び摩耗判定部２０による図７の工具状態の判定手順を、図８のフローチャートに基づいて説明する。
まず、ＮＣプログラム１２に主軸負荷算出指令があるか否かが判断される（Ｓ１１）。この主軸負荷算出指令は、図９の「Ｍ^＊＊＊＊，50」のように行われる。^＊＊＊＊には、Ｍ指令で使用可能な任意の数字が入る。「Ｍ^＊＊＊＊」が算出指令であり、算出指令の次に記述されたプログラムブロックと同時に実行される。「Ｍ^＊＊＊＊」の後に１〜１００（％）の数値を記述することで、プログラムブロック実行による軸移動中の主軸負荷算出を可能とする。「Ｍ^＊＊＊＊，50」であれば、軸移動距離が５０％に達した際に主軸負荷算出指令が実行される。
そして、Ｓ１１の判別で算出指令がある場合、Ｓ１２では、予め設定した主軸回転回数分だけ主軸負荷が計測される。
次に、Ｓ１３で主軸負荷の平均値を算出し、Ｓ１４で主軸負荷の回転周波数成分を算出した後、Ｓ１５で、主軸負荷の平均値と回転周波数成分とを表示画面２１に表示して記憶部１９に記録すると共に、Ｓ１６で、摩耗判定部２０が主軸負荷の記録結果から工具の状態を判定する。図７では主軸負荷の平均値が増加して回転周波数成分が減少後に一定となっているため「摩耗」と判定される。

このように、上記形態のＮＣ装置１１によれば、主軸の負荷を検出する主軸負荷検出部１７と、主軸負荷検出部１７で検出した主軸負荷の平均値と回転周波数成分とを抽出する主軸負荷処理部１８と、同一の加工条件において主軸負荷処理部１８で抽出された主軸負荷の平均値と回転周波数成分とを記憶する記憶部１９と、記憶部１９に記憶された主軸負荷の平均値が増加し、且つ回転周波数成分が一定となった場合に工具摩耗と判定する摩耗判定部２０と、を備えたことで、予め加工負荷等の事前データを用意する必要がなく、工具の状態を簡単に把握できる。

特にここでは、ＮＣプログラム中に主軸負荷を計測して所定の機械座標で平均値及び回転周波数成分を自動的に抽出するので、例えば量産加工のような大量のワークを同じプログラムで加工する場合、常に同じ加工位置での主軸負荷の計測が可能となる。また、加工位置を指定することで、例えば工具がワークに進入する際の不安定な主軸負荷の計測を避けることができる。
さらに、表示画面２１において摩耗判定部２０の判定結果を報知することで、オペレータは工具交換のタイミングを容易に判断できる。

なお、工具の摩耗の報知は工具状態モニタ画面での表示によるものに限らず、アラーム音や合成音声等による報知を併せて行ったりしてもよい。
また、上記形態では、ＮＣプログラム中に主軸負荷を計測して工具状態を自動的に判定するようにしているが、自動判定でなく、表示画面に設けた「測定」ボタンを押すことで、任意のタイミングで工具状態をモニタして判定を行うようにしてもよい。
さらに、上記形態では、工具状態判定装置をＮＣ装置で実現して工具状態モニタ画面をＮＣ装置の表示画面に表示しているが、例えば主軸負荷処理部と記憶部と摩耗判定部とをＮＣ装置と別にして、ＮＣ装置に有線若しくは無線接続される外部装置（パーソナルコンピュータ等）に設け、主軸負荷を外部装置でモニタして報知するようにしても良い。こうすれば複数の工作機械の工具状態を一箇所の外部装置で把握することができる。

１・・主軸ハウジング、２・・主軸モータ、３・・工具、４・・ワーク、５・・テーブル、６・・主軸、１１・・ＮＣ装置、１２・・ＮＣプログラム、１３・・プログラム解釈部、１４・・関数発生部、１５・・送り軸制御部、１６・・主軸制御部、１７・・主軸負荷検出部、１８・・主軸負荷処理部、１９・・記憶部、２０・・摩耗判定部、２１・・表示画面。

Claims

複数の刃を備える工具を主軸に装着し、前記主軸と共に前記工具を回転させてワークの加工を行う工作機械において、前記工具の状態を判定するための工具状態判定装置であって、
前記主軸の負荷を検出する主軸負荷検出手段と、
前記主軸負荷検出手段で検出した主軸負荷の平均値と回転周波数成分とを抽出する主軸負荷処理手段と、
同一の加工条件において前記主軸負荷処理手段で抽出された前記主軸負荷の平均値と回転周波数成分とを記憶する記憶手段と、
前記記憶手段に記憶された前記主軸負荷の平均値が増加し、且つ前記主軸負荷の回転周波数成分が一定となった場合に工具摩耗と判定する判定手段と、を備えることを特徴とする工作機械の工具状態判定装置。
前記判定手段は、前記主軸負荷の平均値が増加し、且つ前記主軸負荷の回転周波数成分が減少した後に一定となった場合に工具摩耗と判定することを特徴とする請求項１に記載の工作機械の工具状態判定装置。
加工プログラム中に記述された主軸負荷算出指令及び当該主軸負荷算出指令を実行する機械位置を読み取るプログラム解釈手段を備え、前記主軸負荷処理手段は、前記プログラム解釈手段で解釈された前記主軸負荷算出指令に基づいて前記主軸負荷の平均値及び回転周波数成分の抽出を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の工作機械の工具状態判定装置。
前記判定手段による判定結果を報知する報知手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の工作機械の工具状態判定装置。