JP2017024120A

JP2017024120A - ドリルの余寿命推定装置及び余寿命推定方法

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Publication number: JP2017024120A
Application number: JP2015145158A
Authority: JP
Inventors: 知治安藤; Tomoharu Ando
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2015-07-22
Filing date: 2015-07-22
Publication date: 2017-02-02
Anticipated expiration: 2035-07-22
Also published as: JP6545555B2

Abstract

【課題】スルークーラントの流量を用いて、低コスト且つ短時間でドリルの余寿命を推定する。【解決手段】スルークーラントを吐出しながらドリル３による複数の穴加工を行う工作機械において、ＮＣ装置１１は、ドリル３へのスルークーラントの流量を検出する流量検出部１７と、穴加工が同一のドリル及び加工条件か否かを判断する加工条件判断部１８と、同一のドリル及び加工条件と判断された際に、流量検出部１７によって検出されるスルークーラントの流量を加工穴ごとに記録する記憶部１９と、記録された加工穴ごとのスルークーラントの流量から、流量と穴数との関係を推定する流量推定部２０と、推定した流量と穴数との関係から、記憶部１９に予め設定したスルークーラントの流量の下限値に対応する穴数の限界値を導き出し、限界値を寿命として以後に加工可能な穴数を余寿命として算出する余寿命算出部２１と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、主軸に装着したドリルを回転させながらワークの穴加工を行う工作機械において、穴加工中にドリルの余寿命を推定する装置及び方法に関するものである。

ドリルを回転させてワークに穴を開ける加工において、ドリルの損傷はワークを希望通りの径や深さに加工できないといった加工不具合を生じさせる。加えて、ドリルの損傷によりワークが除去できない状況でも、送り軸は動作し続けてドリルとワークが衝突と同じ状況になり、工具やワークだけでなく機械が損傷を受けることになる。そこで、ドリル加工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工作機械のＮＣ装置のモニタに表示し、オペレータが切削状態の良否を判断したり、機械が主軸モータの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。
特許文献１では、ドリルによる穴加工時の主軸モータの負荷電流を測定して、ドリル一回転毎のピーク値とボトム値の変化量の分散を計算し、所定のしきい値を３回連続して超えたピークが出現したとき、直ちに加工を停止する技術が示されている。特許文献２では、加工中または加工直後におけるドリルの刃部の温度から、加工によるドリルの刃部の温度上昇量を算出し、寿命予測のための基準値を比較してドリルの余寿命を予測する技術が示されている。

特開２０１１−２０２２１号公報特開平６−７０９号公報

特許文献１では、主軸モータの負荷電流の１０ｋＨｚ以上の高周波数成分を、高周波電流センサで測定して、最大値と最小値を正確に検出する必要がある。このような高周波な信号を測定するためには、高サンプリングが可能なセンサだけでなく、測定した大容量のデータ保存のためのメモリと高速な計算処理能力をもつＣＰＵを必要とし、システム構築のためのコストがかかる。
特許文献２は、ドリル刃部の温度測定を加工前と加工後に行っており、この測定時間のため加工時間が長くなってしまう。また、ドリル加工では高圧スルークーラントを使用することも多く、クーラントが加工室内でミスト状に充満し、非接触の温度計測が行えないケースもでてくる。

そこで、本発明は、ドリル加工で一般的に用いられるスルークーラントの流量を用いて、低コスト且つ短時間でドリルの余寿命を推定する装置及び方法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、スルークーラントを吐出しながらドリルによる複数の穴加工を行う工作機械において、前記穴加工中に前記ドリルの余寿命を推定する装置であって、
前記ドリルへの前記スルークーラントの流量を検出する流量検出手段と、
前記穴加工が同一のドリル及び加工条件か否かを判断する加工条件判断手段と、
前記加工条件判断手段により前記穴加工が同一のドリル及び加工条件と判断された際に、前記流量検出手段によって検出される前記スルークーラントの流量を加工穴ごとに記録する記憶手段と、
前記記憶手段に記録された前記加工穴ごとの前記スルークーラントの流量から、前記流量と穴数との関係を推定する流量推定手段と、
前記流量推定手段で推定した前記流量と穴数との関係から、前記記憶手段に予め設定した前記スルークーラントの流量の下限値に対応する前記穴数の限界値を導き出し、前記限界値を寿命として以後に加工可能な前記穴数を余寿命として算出する余寿命算出手段と、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、前記流量推定手段は、各前記加工穴における前記スルークーラントの流量の時間変化を表す近似式を用いて各前記加工穴の加工時間内における前記スルークーラントの流量の最小値をそれぞれ算出し、各前記最小値を用いて前記流量と前記穴数との関係を推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、前記寿命となる前記限界値と、前記余寿命となる前記穴数とを表示する表示手段を備えたことを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項３の構成において、前記表示手段には、前記流量検出手段で検出した前記スルークーラントの流量と、前記流量推定手段で推定した前記流量と前記穴数との関係と、前記スルークーラントの流量の下限値とをさらに表示することを特徴とする。
上記目的を達成するために、請求項５に記載の発明は、スルークーラントを吐出しながらドリルによる複数の穴加工を行う工作機械において、前記穴加工中に前記ドリルの余寿命を推定する方法であって、
前記ドリルへの前記スルークーラントの流量を検出する流量検出ステップと、
前記穴加工が同一のドリル及び加工条件か否かを判断する加工条件判断ステップと、
前記穴加工が同一のドリル及び加工条件と判断された際に、検出された前記スルークーラントの流量を加工穴ごとに記憶手段に記録する記録ステップと、
前記記憶手段に記録された前記加工穴ごとの前記スルークーラントの流量から、前記流量と穴数との関係を推定する流量推定ステップと、
推定した前記流量と前記穴数との関係から、前記記憶手段に予め設定した前記スルークーラントの流量の下限値に対応する前記穴数の限界値を導き出し、前記限界値を寿命として以後に加工可能な穴数を余寿命として算出する余寿命算出ステップと、を実行することを特徴とする。

本発明によれば、スルークーラントの流量から、ドリルの余寿命を推定することができる。スルークーラントの流量は比較的変化が速い現象ではないため、高速なサンプリングの必要が無く、低コストでドリルの余寿命推定が可能となる。また、スルークーラントの流量の計測は加工中に可能であり、余寿命推定は短時間で行える。さらに、工具の溶着が激しい難削材の穴加工では、穴数が増すごとにスルークーラントの吐出口にも凝着し流量が減少していく。この場合、スルークーラントが行き届かずに加工不具合が生じる前にドリルの余寿命を判断し工具交換することで、加工不具合を防ぐことが可能となる。

工作機械のブロック構成図である。実際の穴加工におけるスルークーラントの圧力・流量・主軸負荷の変化を示す説明図である（加工条件１）。実際の穴加工におけるスルークーラントの圧力・流量・主軸負荷の変化を示す説明図である（加工条件２）。スルークーラントの流量を用いたドリル余寿命の推定方法の説明図である。１つの穴加工におけるスルークーラント最小流量の算出方法の説明図である。ドリル余寿命の推定方法のフローチャートである。ドリリングサイクルのプログラム例の説明図である。ドリルモニタ画面の説明図である。

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の先端にはドリル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ドリル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。
一般的なドリル加工では、ドリル３に開けられた穴からクーラントを吐出して、穴から切粉を強制的に排出することで加工不具合を防ぐスルークーラントが使用される。特に、被削材が難削材の場合は、切粉の噛みによる加工不具合を防ぐため、より確実に切粉を切断して穴から排出できる高圧タイプのスルークーラントユニットが使用される。ここでは高圧スルークーラントユニット７が設けられ、高圧スルークーラントユニット７は、途中に流量センサ８と回転継手とを介して主軸６と接続されている。主軸６及びドリル３には、スルークーラントが流れる穴が設けられ、ドリル３の先端の吐出口から高圧のクーラントが吐出される。

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、本発明のドリルの余寿命推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、流量検出手段としての流量検出部で、この流量検出部１７には、流量センサ８からの検出信号が入力されて瞬時流量に変換される。
１８は、加工条件判断手段としての加工条件判断部で、この加工条件判断部１８は、関数発生部１４から得られるＮＣプログラム１２に複数穴のドリリングサイクルの指令が記述されているか否かの判断を行い、複数穴のドリリングサイクルの指令がある場合、穴加工時に流量検出部１７からの流量とドリリングサイクルにおける各加工穴ごとに記録するよう記憶手段としての記憶部１９へ指令が出される。

２０は、流量推定手段としての流量推定部で、この流量推定部２０では、記録したドリリングサイクルの各加工穴ごとの流量を用いて、スルークーラントの流量とドリリングサイクルにおける穴数との関係を推測する。
２１は、余寿命算出手段としての余寿命算出部で、この余寿命算出部２１では、予め設定しておいた加工不具合が発生するクーラント流量の下限値と、流量推定部２０で推測した流量と穴数との関係から不具合が生じる穴数の限界値（ドリル３の寿命）を推定し、使用したドリル３が以後穿孔可能な穴数（ドリル３の余寿命）を算出する。また、余寿命算出部２１は、クーラント流量、推測した穴数と流量との関係、加工不具合が発生するクーラント流量の下限値、ドリル余寿命などを表示するドリルモニタ画面を作成して、ＮＣプログラム１２等を表示するための表示画面２２に表示する。

ここで、実際のドリル加工で生じるスルークーラントの圧力と流量及び主軸負荷を、図２、図３を用いて説明する。図２はハイス製ドリル（加工条件１）、図３は超硬製ドリル（加工条件２）で、それぞれ３穴のドリル加工を行った際の波形である。図２，３は、１回転あたりの送り量は同じで、超硬製ドリルの主軸回転速度はハイス製のそれの３倍で設定したため、加工時間は１／３となっている。
ドリルの寿命は開けた穴数と相関があると考えられ、寿命を推測するためには、穴数と相関のある情報が必要となる。スルークーラントの圧力は、穴数が増しても変化はないが、主軸負荷は、超硬製ドリルの場合、回転速度が高いこともあって穴数が増すにつれ主軸負荷が増加する。一方、ハイス製ドリルの場合、主軸負荷に変化は見られない。
スルークーラントの流量は、加工条件によらず穴数が増すに従って流量が減少していく。この理由は、ドリルのクーラント吐出穴に被削材が溶着し、吐出が妨げられるためと考えられる。スルークーラントの流量が十分でなければ、たとえ切れ刃の損傷がなくても、加工不具合を生じる可能性が高まるため、実質的なドリルの寿命とみなすことができる。

図４のグラフは、縦軸がスルークーラントの流量で、横軸がドリリングサイクルにおける穴数を示したものである。図４を用いて、図１の余寿命算出部２１のドリル余寿命の求め方を説明する。初めに、スルークーラントの流量と穴数との関係（図４のＣ）の求め方を説明する。スルークーラントの流量（図４のＡ）は穴が深くなるほど減少するが、１つの穴加工で流量の最も小さくなる値（図４のＢ）を採用する。そして図中のＢから、例えば最小二乗法等を利用して流量と穴数との関係（図４のＣ）を算出する。求めたスルークーラントの流量と穴数との関係を示す直線と、加工不具合を生じる流量下限（図４のＤ）とが交わる穴数（限界値）を求め、この限界値をドリルの寿命とする。図４ではドリル寿命は７穴であり、すでに３穴開けている場合の余寿命は４穴となる。

ここで、図５は、１つの穴加工の流量を表したグラフである。図５中のＥのように切粉噛みこみにより瞬間的に流量が減少した場合や、図５中のＦのようにドリリングサイクルのステップ送りによる流量の変動などがあり、流量が最も小さくなる値（図４のＢ）の選定を、単純に１つの穴加工における最小値とすることは難しい。そこで、１つの穴加工時の流量を近似式（ここでは近似曲線、図５のＧ）で表し、この近似式の最小値（図５のＢ）を最小値として採用する。

次に、ここまで説明したドリル余寿命推定方法をフローチャートにまとめたものが図６である。
まず、Ｓ１１では、ドリリングサイクルかどうかを判断する（加工条件判断ステップ）。ここで、ドリリングサイクルのプログラム例を図７に示す。プログラムは、Ｇ８１などのドリリングサイクルであることを示すコードで始まり送り速度と穴深さとが記述してある行と、次行の規則的な穴位置を示すＢＨＣなどで始まる２行とから成る。本プログラム例は、円上に同じ加工条件で８点穴を開けるプログラムとなっている。ＮＣ装置１１は、ドリリングサイクルを示すコードからドリル加工を実行しているかどうかを認知することができる。また、ドリリングサイクル中は同一の加工条件とみなすことができる。
Ｓ１１の判別でドリリングサイクルであると判断されれば、次のＳ１２では、ドリリングサイクル中の１つの穴加工中の流量を計測する（流量検出ステップ）。これにより、同じ条件のドリル加工の流量を計測することになる。

そして、Ｓ１３では、計測結果を記録して図５のＧのように１つの穴加工中における流量変化の近似曲線を求め、その最小値を記憶部１９に記録する（記録ステップ）。
次に、Ｓ１４では、Ｓ１３で記録した結果が２点以上の場合、流量と穴数とのデータから最小二乗法などの手法を用いて、図４のＣのように流量と穴数との関係を示す近似直線を算出する（流量推定ステップ）。
次に、Ｓ１５では、Ｓ１４で求めた近似直線と、予め設定した流量の下限値との交点から、ドリルの寿命を算出し、算出された寿命に対して以後加工可能な穴数を残りの寿命として算出する（余寿命算出ステップ）。
そして、Ｓ１６では、ドリル余寿命を表示画面２２に表示する。ここまでのＳ１１〜Ｓ１６は、Ｓ１７でドリリングサイクルが終了と判別されるまで繰り返し行われる。

図８に、表示画面２２に表示されるドリルモニタ画面の一例を示す。ここではドリル寿命「７穴」と残り（余寿命）「４穴」とに加え、ドリリングサイクルの加工穴ごとの流量と、流量と穴数との関係の近似直線と、流量下限とがグラフ表示されている。

このように、上記形態のドリル余寿命推定装置及び方法によれば、スルークーラントの流量から、ドリル３の余寿命を推定することができる。スルークーラントの流量は比較的変化が速い現象ではないため、高速なサンプリングの必要が無く、低コストでドリル３の余寿命の推定が可能となる。また、スルークーラントの流量の計測は加工中に可能であり、余寿命推定は短時間で行える。さらに、工具の溶着が激しい難削材の穴加工では、穴数が増すごとにスルークーラントの吐出口にも凝着し流量が減少していく。この場合、スルークーラントが行き届かずに加工不具合が生じる前にドリル３の余寿命を判断し工具交換することで、加工不具合を防ぐことが可能となる。

なお、本発明に係るドリル余寿命推定装置及び方法は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、必要に応じて適宜変更することができる。例えば、同一のドリルによる同じ加工条件かどうかを工具番号とドリリングサイクルで判断するのではなく、オペレータが同じ加工状況であると判断して図８の画面の「測定」ボタンを押下したタイミングでスルークーラント流量を記録して余寿命を表示するようにしてもよい。
また、ドリルの余寿命を予測するためのスルークーラント流量と穴数との関係は直線ではなく、曲線で近似してもよい。さらに、図８で示したドリルモニタ画面に、スルークーラントの流量だけでなく、スルークーラントの圧力や主軸負荷を併せて表示してもよい。

１・・主軸ハウジング、２・・主軸モータ、３・・ドリル、４・・ワーク、５・・テーブル、６・・主軸、７・・高圧スルークーラントユニット、８・・流量センサ、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・・流量検出部、１８・・加工条件判断部、１９・・記憶部、２０・・流量推定部、２１・・余寿命算出部、２２・・表示画面。

Claims

スルークーラントを吐出しながらドリルによる複数の穴加工を行う工作機械において、前記穴加工中に前記ドリルの余寿命を推定する装置であって、
前記ドリルへの前記スルークーラントの流量を検出する流量検出手段と、
前記穴加工が同一のドリル及び加工条件か否かを判断する加工条件判断手段と、
前記加工条件判断手段により前記穴加工が同一のドリル及び加工条件と判断された際に、前記流量検出手段によって検出される前記スルークーラントの流量を加工穴ごとに記録する記憶手段と、
前記記憶手段に記録された前記加工穴ごとの前記スルークーラントの流量から、前記流量と穴数との関係を推定する流量推定手段と、
前記流量推定手段で推定した前記流量と穴数との関係から、前記記憶手段に予め設定した前記スルークーラントの流量の下限値に対応する前記穴数の限界値を導き出し、前記限界値を寿命として以後に加工可能な前記穴数を余寿命として算出する余寿命算出手段と、
を備えることを特徴とするドリルの余寿命推定装置。
前記流量推定手段は、各前記加工穴における前記スルークーラントの流量の時間変化を表す近似式を用いて各前記加工穴の加工時間内における前記スルークーラントの流量の最小値をそれぞれ算出し、各前記最小値を用いて前記流量と前記穴数との関係を推定することを特徴とする請求項１に記載のドリルの余寿命推定装置。
前記寿命となる前記限界値と、前記余寿命となる前記穴数とを表示する表示手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のドリルの余寿命推定装置。
前記表示手段には、前記流量検出手段で検出した前記スルークーラントの流量と、前記流量推定手段で推定した前記流量と前記穴数との関係と、前記スルークーラントの流量の下限値とをさらに表示することを特徴とする請求項３に記載のドリルの余寿命推定装置。
スルークーラントを吐出しながらドリルによる複数の穴加工を行う工作機械において、前記穴加工中に前記ドリルの余寿命を推定する方法であって、
前記ドリルへの前記スルークーラントの流量を検出する流量検出ステップと、
前記穴加工が同一のドリル及び加工条件か否かを判断する加工条件判断ステップと、
前記穴加工が同一のドリル及び加工条件と判断された際に、検出された前記スルークーラントの流量を加工穴ごとに記憶手段に記録する記録ステップと、
前記記憶手段に記録された前記加工穴ごとの前記スルークーラントの流量から、前記流量と穴数との関係を推定する流量推定ステップと、
推定した前記流量と前記穴数との関係から、前記記憶手段に予め設定した前記スルークーラントの流量の下限値に対応する前記穴数の限界値を導き出し、前記限界値を寿命として以後に加工可能な穴数を余寿命として算出する余寿命算出ステップと、
を実行することを特徴とするドリルの余寿命推定方法。